자동차의 등화장치

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

등화장치의 구분

차량용 등화장치는 단순히 조명을 목적으로 하는 기능뿐 아니라 신호 및 지시용으로 사용되는 기능성 안전장치로 차량의 주행안전성과 운행안전성에 있어서 중요한 역할을 하는 장치 중 하나이다. 특히 최근에 등화장치는 조명기술의 발전으로 등화 성능이나 편의성 기능을 갖춘 등화장치로서의 기능은 물론 현대인의 생활문화에 따라 미적인 감각이 우수한 LED(Light Emitting Diode)식 등화장치가 용도에 따라 폭넓게 적용되고 있다.

이러한 차량용 등화장치의 구분은 표 1과 같이 용도에 따라 조명을 목적으로 하는 조명용 등화장치와 신호를 목적으로 하는 신호 또는 지시용 등화장치, 운행 안전을 목적으로 하는 경고용 등화장치, 기타 실내외 장식을 목적으로 하는 장식용 등화장치 등으로 구분할 수 있다.
이들 등화장치에 사용되는 전구의 종류는 진공관 내에 발열부를 내장한 필라멘트식(filament type) 램프, 전구의 밝기와 수명을 향상시키기 위한 가스관 램프, 화합물 반도체의 에너지 준위차를 이용한 LED식(발광다이오드식) 램프가 사용되고 있다.

보통 필라멘트식 램프는 텅스텐 및 니크롬을 소재로 한 발열부를 사용하여 발열 시 증발에 의한 필라멘트의 소모로 수명이 짧고 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 광효율이 대단히 낮은 단점을 안고 있다. 반면, 구조가 간단하고 경제성이 좋은 장점을 가지고 있어 널리 이용되어 왔다. 그러나 필라멘트식 램프는 소모 전류가 많고 발열 시 높은 온도차를 가지고 있어서 턴온(turn-on) 시 순간 전류가 급격히 증가하는 급속 과전류를 충분히 고려하여 설계해야 하는 등의 단점이 있어 고가 차량을 중심으로 그 사용이 점차 감소 추세에 있다.

전구의 밝기와 수명을 향상시키기 위한 가스관 램프에는 아르곤 가스를 봉입한 형광램프와 네온 가스를 봉입한 네온램프, 할로겐 가스 램프 등이 사용되고 있지만 광원의 밝기와 조사에 따라 자동차용으로 사용되고 있는 램프는 할로겐 계열의 I(요소)와, Xe(제논) 가스 램프를 사용하고 있다.

할로겐 계열의 가스 봉입형 램프는 광원의 밝기가 대단히 밝고 수명이 긴 장점을 가지고 있어서 주로 전조등이나 안개등에 사용된다. 특히, 제논 가스는 20 kV 이상에서 기체 방전을 이용하고 있어 일명 HID(High Intensity Discharge) 램프라고 부른다. HID램프는 일반 할로겐램프에 비해 전력소모는 약 40% 정도 적지만 빛의 밝기와 수명은 3배 이상 큰 특징을 가지고 있는 반면 고압 변환 인버터와 고압 케이블이 필요한 단점을 가지고 있다.

화합물 반도체를 이용한 LED식 램프는 광효율이 HID 램프에 비해 약 3배 정도 높고 전력소모가 적은 특징을 가지고 있다. 또한 수명이 길고 화합물 반도체의 종류에 따라 천연색 광을 얻을 수 있어 장식등이나 파일럿 램프(Pilot Lamp)에 많이 사용되고 있다. 최근에는 200~500 mA 정도의 대용량의 LED식 램프가 상용화되고 있어 차량의 미등과 제동등에 적용되고 있다. 보통 파일럿 램프로 사용되는 LED식 램프는 3~10 mA 정도로 백열전구의 1/20~1/30에 해당하는 전력 소모량이다. 일반적으로 미등에 사용되는 백열전구의 소모전력은 5~10 W, 제동등 20~30 W, 파일럿 램프로 사용되는 백열전구는 1~3 W 정도인 반면 LED식 램프는 파일럿용으로는 0.1~0.2 W, 조명용으로는 HPLED(High Power LED) 0.5~5 W의 것들이 적용되고 있다.

이와 같이 LED식 램프의 전력 효율은 크게 향상되고 전장품에 대한 적용 효용성은 점차 높아지고 있다. 그러나 LED식 램프는 백열전구에 비해 경제성이 떨어지고 열에 약해 설계 시 고려해야 하는 점 등을 가지고 있지만, LED식 램프는 전력소모뿐만 아니라 광효율이 우수하고 수명과 미적인 감각이 뛰어나 점차 증가 추세에 있다.

전조등(Head Light)의 구분

전조등은 야간주행 시 전방 시야를 확보하기 위한 조명등으로 전조등의 구조에 따라 실드빔(sealed beam)형 전조등과 세미실드빔(semi-sealed beam)형 전조등, 프로젝트형(project type) 전조등으로 구분한다. 실드빔형 전조등은 헤드램프와 반사경이 밀봉된 일체형 전조등으로 수분이나 먼지의 침입 방지에 장점을 가지고 있어 주로 군용이나 오프로드 카(off-road car)에 많이 적용되고 있다. 이에 반해 세미실드빔형 전조등은 헤드램프 단선 시 교환이 용이하도록 한 것으로 일반 자동차의 전조등용으로 적용하고 있다.

프로젝트형 전조등은 반사경으로부터 빛을 집점할 수 있는 반사판을 설치한 전조등으로 조사광의 직진성과 밝기가 밝은 이점을 가지고 있다. 프로젝트형 전조등의 구조는 그림 1의 (b)와 같이 헤드램프와 반사경, 그리고 집점판과 볼록렌즈로 집점할 수 있도록 2개의 집점판으로 이루어져 있다. 제1 집점판은 헤드램프의 광원으로부터 빛을 모우고, 제2 집점판은 반사경을 통해 집점한 빛을 평행하게 조사되도록 볼록렌즈를 설치하고 있다. 이러한 프로젝트형 전조등은 집점판을 통한 빛의 방사효율은 좋아지지만 기구적인 집점판에 의해 외형적 크기가 커지는 단점을 가지고 있어 적용이 제한적일 수밖에 없다.

또한 전조등은 헤드램프의 설치수에 따라 2등식과 4등식으로 구분된다. 2등식 헤드램프는 근등과 원등 필라멘트가 하나의 램프에 내장된 방식인 반면 4등식 헤드램프는 근등 헤드램프와 원등 헤드램프가 독립된 방식을 말한다. 2등식 헤드램프는 근등과 원등 필라멘트가 하나의 램프에 내장되어 있어 광폭과 빛의 조사각이 4등식에 비해 다소 떨어진다. 따라서 현재는 설치공간적 제약이 있는 소형차를 제외하고 4등식 전조등이 많이 적용되고 있다.

헤드램프(Head Lamp)

헤드램프에는 가장 널리 사용되고 있는 할로겐 가스를 봉입한 할로겐 가스 헤드램프와 제논 가스를 봉입한 HID용 헤드램프, 화합물 반도체를 이용한 HBLED(고휘도 LED)가 적용되고 있다. 할로겐 가스를 봉입한 일반 헤드램프는 텅스텐 필라멘트와 요소가 가역적 화학반응에 의해 할로겐 원소와 결합하여 할로겐화된 텅스텐이 되고, 이것은 고온이 된 필라멘트에 의해 분해되어 텅스텐 필라멘트에 다시 증착되는 현상이 반복되는 원리를 이용한 것이다. 따라서 필라멘트의 온도가 상승해도 증발에 의한 소모가 적고 백열전구용 필라멘트보다 한계온도가 500℃ 이상 상승할 수 있어 촉광이 밝다. 또한 백열전구에서 볼 수 있는 전구 표면의 흑화현상이 발생하지 않고 필라멘트의 증발에 의한 단선을 방지할 수 있어 수명이 길다. 그러나 최근에는 할로겐 가스 헤드램프보다 수명이 2배 이상 길고 밝기 또한 3배 이상 되는 HID용 헤드램프가 중용차를 중심으로 적용되고 있다.

HID식 헤드램프는 제논 가스를 봉입한 고전압 방전 램프로 전구 내에 금속요소화물을 방전시킨다 하여 일명 메탈 할라이드 램프(Metal Halide Lamp)라고 부른다. 이 램프는 방전할 때 태양광에 가까운 백색광을 발하며 할로겐 헤드램프에 비해 3배 이상 밝지만 그림 2와 같이 초기 방전에 필요한 높은 고전압(20 ㎸ 이상)을 발생할 인버터와 고압 케이블, 그리고 촉광에 의한 교차 차량이 광폭을 제어하기 위한 구동 액추에이터가 요구된다.

이 HID식 헤드램프의 동작은 제논 가스가 봉입된 헤드램프에 초기 방전 전압을 약 23 kV 정도 가하여 방전을 개시하도록 한 것이다. 이 곳에 사용되는 인버터는 DC 12 V의 전압을 주파수가 120~240 Hz 범위에서 약 23 kV 정도의 고압을 HID식 헤드램프 전극에 걸어 봉입된 제논 가스가 방전하여 발광할 수 있도록 하는 고압 펄스 발생 장치이다. 이렇게 전극 양단에 고압을 걸어 아크 방전이 일어나기 시작하면 이때 아크 방전에 의한 제논 가스는 활성되어 아주 밝은 빛을 내기 시작하며, 방전 후 방전 전압은 약 85 V로 낮아져도 방전은 지속하게 된다. 이 램프의 발광 원리는 텅스텐 전극에 높은 고전압 펄스를 가하면 봉입된 제논 가스는 활성화 되어 램프 내의 온도가 상승하기 시작한다. 램프 내의 온도가 상승하면 수은이 증발해 두 텅스텐 전극은 아크 방전을 시작한다. 이때 금속요드화물은 증발하여 금속 원자가 활성될 때 아크 방전에 의해 가속된 전자는 금속 원자와 충돌해 밝은 빛을 발하게 되는 원리를 이용한다. 보통 할로겐 헤드램프의 정격 전력은 주로 55 W용이 기본적으로 사용되지만 HID식 헤드램프는 방전 개시 후 정상 소모전력은 35 W 정도이다. 따라서 일반 할로겐 헤드램프에 비해 빛이 3배 이상 밝은 반면 전력소모는 약 40% 정도 적다.

또한 HID식 헤드램프는 할로겐 헤드램프에 비해 수명이 2배 이상 길지만 사용방법에 따라서는 오히려 수명이 감소할 수 있음을 주의할 필요가 있다. HID식 헤드램프는 초기 방전 개시 전압이 20kV 이상 방전 전극으로부터 공급되어 정상 수명을 유지하기 위해서는 신호대기 중 소등과 점등을 반복하거나 불필요한 작동의 반복을 피하는 것이 좋다.

한편 HID식 헤드램프의 광효율은 할로겐 가스 헤드램프에 비해 약 3배 정도 높은 반면 LED식 램프는 HID식 헤드램프에 비해 광효율이 약 3배 정도 높고 전력소모가 작은 이점과 고휘도, 고전력 LED의 개발로 최근에는 LED식 헤드램프가 일본 토요타자동차의 렉서스 LS600h, LS600hL 모델에 적용되기 시작했다. 그러나 이러한 고휘도, 고전력을 요구하는 HPLED(High Power LED)라도 반도체가 갖고 있는 특성의 한계로 인하여 기술적으로 극복해야 할 문제를 안고 있으며 부수적인 회로가 추가되는 등 경제성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 또한 LED식 램프는 열에 약해 엔진 룸과 같이 고열 부위에 장착되는 헤드램프나 시그널 램프에는 적용 위치에 따라 특성 변화나 신뢰성 확보를 충분히 고려해 주어야 하는 등 극복해야 할 단점에도 불구하고 LED가 가지고 있는 장점이 많아서 고급 모델을 중심으로 점차 적용이 증가하고 있다.

한편 LED식 램프는 필라멘트를 내장한 백열구의 동일 광도에 비해 전력소모가 1/10~1/30배 정도밖에 되지 않고, 열손실 또한 1/10배 정도 밖에 되지 않아 장시간 연속 점등에도 주변 장치에 손상을 주지 않는다. 또한 LED식 램프는 빛의 파장이 500~700(nm)로 천연 가시광을 얻을 수 있고 응답 특성이 빨라 파일럿 램프나 클러스터(cluster)와 같은 백라이트용으로도 많이 적용되고 있다. 보통 파일럿 램프나 백라이트용 백열전구는 1~3 W 정도가 적용되며 LED로는 5~50 mA 정도의 저전류 LED를 적용하고 있다.

LED식 램프의 실차 적용은 백열전구와 달리 LED의 순방향 바이어스 전압은 약 2.5~3.5 V 정도이고 순방향 전류는 다이오드의 용량에 따라 3~300 mA 정도이며 자동차의 배터리 전압은 승용차 기준 DC 12 V이므로 실차 적용 시 별도의 전류 제한 저항이나 별도의 드라이브 회로가 요구되며 필요에 따라 서지 전압을 바이패스 할 다이오드가 요구된다.<끝>

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AEM_Automotive Electronics Magazine