2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S229

고휘도 LED 전조등 시장 및 기술 로드맵 분석

High Brightness LED Head Lamp Market and Analysis of Technology Roadmaps

이승일*, 장진영**, 송문석*†

Seung-Il Lee*, Chin-Young Chang**, Moon-Shuk Song*†

Abstract The aim of this paper is to analyze both the technology Roadmap and the market of high-brightness LED headlamps in current use ,which is for the development of railway-vehicle-LED headlamps. The LED with high intensity, Bright Blue and White, wasn’t on the market due to the difficulty of manufacturing it. However, LED is now on the market in a great demand since the development of the high-brightness LED. In addition, with the development of dramatically enhanced high-brightness LED chips, it is expected to expand its application with greater demands of various fields, let alone automobile and general illumination. Thus, this paper aims to analyze both the technology and the market of high-brightness LED, especially for the railway vehicle. Keywords : high-brightness LED, railway vehicle, RGB

초 록 본 논문은 철도차량용 고휘도 LED 전조등 개발을 위해 현재 사용중인 고휘도 LED

전조등 시장 및 기술 로드맵을 분석하였다. 고휘도 청색 및 백색LED는 저휘도와 제조상의

문제점으로 인해 실용화가 어려웠으나, 고휘도 LED가 개발된 이후로 RGB를 이용한 광색가변

이나 광원으로서 각광을 받고 있다. 또한 고휘도 LED는 RGB를 적절하게 혼합하여 다양한 광

색과 부드러운 광색가변효과를 표현할 수 있어 이에 대한 연구가 활발하게 진행되어 실용화

및 제품화가 이루어지고 있다. 또한 급격히 성능이 향상된 고휘도 LED 칩의 개발로 인해

다양한 분야에서 수요가 증가하여 자동차, 일반조명 뿐만 아니라 향후 응용범위가 더욱 확

대될 것으로 기대된다. 이에 철도차량용 전조등에 고휘도 LED를 적용하기 위한 기술 로드맵

을 분석하고자 한다.

주요어 : 고휘도 LED, 철도차량, RGB

1. 서 론

최근에 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 기존 형광등보다도 긴 수명을 가지고,

고휘도 및 높은 효율과 안정성을 가지면서도 낮은 전력소모로 각광 받고 있다. LED를 이용

한 반도체 조명이 부각되고 있는 이유를 살펴보면 무엇보다도 우선 LED 관련 반도체 기술의

발달을 들 수가 있다. 종래의 단순표시기에 사용되었던 저휘도 LED의 발광효율이 지난 매

† 교신저자: 한국교통대학교 철도차량시스템공학과(9288km@ut.ac.kr)

* 한국교통대학교 철도차량시스템공학과 ** 중앙대학교 전기전자공학부

10년마다 30배씩 증가되어 이제는 LED 성능 지수는 이미 형광등 수준을 넘었다. 따라서 L

ED의 일반 조명에서의 응용이 현실적으로 가능하게 되었다. 또한 기존의 조명기기보다 저전

력소모량, 장수명, 그리고 뛰어난 내구성 및 견고성, 나아가서는 다양한 집적화 및 정교한

디자인이 가능하여 빛이 필요한 다양한 분야에서 LED 응용이 가능한 점이다.

본 논문에서는 국내외 철도차량용 전조등 관련자료 조사를 바탕으로 개발현황 및 기술동

향 그리고 시장 및 향후 동향을 기술하고 그에 적합한 로드맵을 분석하고자 한다.

2. 본 론

2.1 고휘도 LED 전조등의 기술동향

일반적으로 0.5cd(가시각 15도) 이상의 LED를 고휘도 LED라 하며 주요 원재료로 GaN, GaA

s 및 GaAIP 등이 사용되어진다. GaAs에 기초하여 고휘도 적색 발광소자를 생산하며, GaAIP

에 기초하여 고휘도 yellow-green에서 적색 발광소자를 생산하며, GaN에 기초하여 청색, 청

녹색, 녹색 및 백색 발광소자를 생산하게 된다. 고휘도 청색 LED는 1993년 일본의 Nichia사

가 세계최초로 상품화에 성공하였는데, 긴수명 고휘도, 고시인성 등의 장점을 바탕으로 전

광판, 자동차 실내외 조명등, 디스플레이 백라이트, 가전, 조명 및 신호등 등 그 적용범위

가 크게 확대되고 있다.

Fig. 1 LED Technology

LED조명은 IT기술 및 전통산업(건설, 의료, 자동차 등)과의 융합기술로 전환하여 새로운

건축/의료/수송/농업/해양시장 등이 형성될 것으로 전망한다. 일반조명의 경우 에너지절약

형 Green 홈 조명시스템 실현을 중심으로 방열 및 광학 최적화 기술, 고효율 Power SOC 개

발로 진행 중이다. 대형 LCD TV용 LED BLU 기술은 부품, 소재 중심의 개별기술 개발단계에

서 벗어나, IT기술과의 융복합 기술로 미래지향적 ‘LED-IT 융합기술’ 등의 형태로 발전될

것으로 예상하며 자동차 조명 LED의 경우, Head Lamp용 LED 광원개발 중심으로 기술적 진

화가 예상되며, 대형 LCD TV와 마찬가지로 상호 융복합 기술형태로 발전할 것으로 기대한다.

Fig. 2 Use of LED lighting Fig. 3 Development trend of LED efficiency

Fig. 3 LED Lighting Development Prospects

2.2 고휘도 LED 전조등의 시장분석

LED 조명의 확산은 고효율과 친환경 특성에 기반한 시대적 흐름이다. 조명시장은 백열등

에서 고효율 조명으로, 전통 조명에서 반도체 조명으로, 단품 경쟁에서 솔루션 경쟁으로 진

화 중에 있다. LED 고명의 보급을 촉진할 요인은 일본 원전 사태 계기로 에너지 절감이 시

대적 화두로 대두되며 고유가 배경으로 전기요금이 지속적으로 상승하고 백열등 퇴출 시기

와 맞물려 고효율 조명 장려 정책 시행 등이며 LED 조명 시장은 5년간 연평균 34% 성장해 2

015년 207억 달러로 달할 전망이다. 글로벌 선두권 조명 업체들은 LED 조명 비중을 2015년

까지 50%, 2020년 까지 75%로 높일 계획이다. 특히 2009년을 기준으로 약 9%에 불과하던 고

휘도 LED는 2015년에는 25%로 확대될 전망이다.

Fig. 3 High-Brightness LED headlamp market analysis

2.3 철도차량용 전조등 적용을 위한 분석

LED는 빛을 생산하는데 있어서 백열전구보다 10배 효율적이며, CCFL(Cold Cathode

Fluorescent Lamp)를 포함한 형광램프보다 거의 2배 효율적이기 때문에 해당 광출력량을

제공하는데 필요한 전력량을 절감할 수 있다. LED는 계속 발전하고 있으므로 능률 또는

전원으로부터 광출력을 생산할 수 있는 성능이 지속적으로 상승하게 될 것이다. 다음으로

환경적인 측면에서 LED조명은 CCFL 전구에서 일반적으로 사용되는 유독성 수은 증기를 처리,

노출, 폐기 할 필요가 없다. 마지막으로 백열전구는 일반적으로 약 1,000시간 사용 후

교체해야 하지만, 형광등은 최대 10,000 시간까지 사용할 수 있다. 하지만, 이러한 이러한

수치는 LED 조명이 제공하는 10만 시간 이상의 수명과 비교하면 매우 작다고 할 수 있다.

이와 같이 연장된 동작 수명을 통해, LED는 대부분의 애플리케이션에서 최종 애플리케이션에

영구적으로 임베디드 될 수 있다. 철도차량의 동작 수명기간 동안 교체가 필요하지 않다는

점은 일반적으로 철도차량의 전조등 등에 사용하는데 있어서 매우 중요하다고 할 수 있다.

뿐만 아니라, LED는 다른 대체품보다 수배 이상 작고 컴팩트하므로 LCD패널 초박형으로

제작할 수 있어 철도차량내부에서 최소한의 체적공간만 요구된다. 또한 적색, 녹색, 청색

LED를 구성하여 사용함으로써 무한한 수의 색상을 제공할 수 있다. 이외에도 LED는 인간의

눈보다 빠르게 온/오프 전환이 가능하기 때문에 LCD 디스플레이의 백라이트를 대폭 개선하는

동시에 획기적인 명암비와 보다 높은 해상도의 이미지를 지원할 수 있다.

차량용 조명 시스템 설계자들이 직면하고 있는 최대 장애물 중 하나는 최신 LED가 제공하는

모든 기능과 잇점들을 최적화하는 방법이다. LED는 일반적으로 정확하고 효율적인 전류

소스와 디밍 방법을 요구하기 때문에 다양한 동작 조건하에서 이러한 요구사항들을 처리할 수

있도록 LED 드라이버 IC를 설계해야 한다. 또한 전력 공급 솔루션 은 매우 효율적이면서

강건하고 신뢰할 수 있어야 하며, 컴팩트하고 비용 효율적이어야 한다.

Fig. 3 Comparison on Rolling Stock headlights

기존에 사용되고 있는 철도차량용 전조등과 새로이 적용될 고휘도 LED 전조등을 비교하면,

실드빔형의 전조등은 높은 소비전력과 높은 발열로 인하여 수명이 500 시간이나, LED 형 전조

등의 수명은 낮은 소비 전력과 낮은 발열로 인하여 수명이 5000 시간 이상 지속될 수 있다.

그리고 실드빔형 전조등은 높은 소비전력으로 인하여 전조등 ON/OFF 시 흐르는 높은 전류를

제어하기 위하여 따로 CHECK BOX 와 같은 장치가 필요한 반면, LED 전조등은 소비전력이 낮으

므로 ON/OFF 하는 과정에서 낮은 전류를 차단하기 때문에, 제어하는 과정에서 CHECK BOX 와

같은 특별한 장치가 필요 없다.

Table 1 Comparison between conventional headlights and high-brightness LED headlight

No Item Illumination Input Voltage Power Life(Hr)

1 Sealed Beam Upper 40000cd DC 110V 165W 500hr

2 LED Beam Upper 30000cd DC 70~80V Less than 40W 5000hr

3. 결 론

본 논문은 최근 활발히 개발되고 있는 고휘도 LED를 철도차량 전조등에 적용하기 위한 분석

을 수행하였다. 고휘도 LED 시장이 계속 증가하고 있음은 물론이고 많은 분야에서 적용되려는

시도가 활발함을 확인하였다. 이에 철도차량 전조등에 적용가능성을 확인할 수 있었다.

후 기

본 연구는 국토교통부 철도기술연구사업 「13RTRP-C068255-01」의 연구비 지원에 의하여 수

행되었습니다.

참고문헌

[1] J.C. Lee, Y.B Moon, G.W. Kwon, C.H. Hong, etal, LED&Light, Korea Evaluation Institute of

Industrial Technology, pp.218-300

[2] S.K. Choi, J.S. Choi, K.S. Jung, U.Y. Jang, etal Analysis on Sea-water Penetration Characteristics of

High Brightness LED, The Korean Society of Marine Engineering, pp.441-442

[3] J.W. Cho, Y.S. Choi, J.C. Shin, (2009) Ahigh Dose-rate Gamma Irradiation of the High Brightness

Power LED, The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, pp. 243-247

[4] J.H. Ahn, B.G. Lee, C.W. Yi, (2011) A Study of Output Current Controllable High Brightness LED

Driver, The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, pp 105-107

[5] Y.S. Yu, S.B. Song, J.Y. Gwark, I.S Yeo, (2000) The Korean Institute of Electrical Engineers, PP

1342-1344