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전기차 충전기용의 LCD 디스플레이

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글/Qiang Dong, Topway

이 글에서는 전기차 충전기 디스플레이를 설계할 때의 과제와 효과적인 LCD 솔루션을 어떻게 선택할지 설명한다.

전기차(EV) 사용이 꾸준히 확대됨에 따라서 EV 충전기용으로 LCD 스크린 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 스크린 솔루션을 선택할 때는 기상 조건, 물과 먼지에 노출되는 것, 전력 효율, 가독성, EMC 성능 같은 여러 가지 문제를 고려해야 한다.

다양한 스크린 옵션 중에서 많은 엔지니어들이 주로 사용하는 것이 TFT LCD(박막 트랜지스터 액정 디스플레이)이다. 잘만 선택하면 TFT LCD가 EV 충전기에 사용하기에 잘 맞는다. 이 글에서는 EV 충전기 디스플레이를 설계할 때 어떤 과제들을 해결해야 하고, EV 애플리케이션으로 왜 TFT LCD가 적합하고, 효과적인 TFT LCD 솔루션을 어떻게 선택할지 설명한다.

[그림 1] EV 충전기용의 디스플레이는 신뢰성이 높고, 가독성이 좋고, 기상 조건에 대한 견고성이 높아야 한다. (이미지 출처: Topway)

EV 충전기 디스플레이의 설계 과제

EV 충전기는 사용자 디스플레이를 설계할 때 몇 가지 고유의 과제를 제기한다. 무엇보다도, 디스플레이를 실외에서 사용하는 것이므로 UV 노출, 침수, 물, 먼지 같은 것들에 대해서 견고하도록 설계해야 한다.

또한 옥외 EV 충전기 디스플레이는 넓은 범위의 온도에 노출되기 때문에 이 점이 주요 부품들의 성능에 영향을 미치고 이것은 다시 화면 가독성에 영향을 미칠 수 있다. 실외에서는 때에 따라서 극단적인 고온 또는 저온일 수 있다.

실외에서 스크린의 또 다른 과제는, 밝은 햇빛 속에서나 깜깜한 어둠 속에서나 화면을 잘 읽을 수 있도록 해야 한다는 것이다. 그림 2에서 보듯이, 밝은 햇빛 속에서는 표준적 LCD 솔루션보다 더 밝은 스크린을 필요로 한다. 

또한 항상 그렇듯이 전자기 호환성(EMC), 전자기 간섭(EMI), 그에 관련된 국내 및 국제 표준을 충족해야 하는 문제가 있다. 낮은 전력 소모 또한 중요하다. 특히나 지속가능하고 환경 친화적인 EV와 함께 사용하기 위해서는 더 그렇다.

[그림 2] 실내에서는 LCD를 읽기가 쉬우나, 밝은 햇빛 속에서는 읽기가 어려워진다. (이미지 출처: Topway)

EV 충전기용의 TFT LCD

EV 충전기 디스플레이에 사용하기에 가장 적합한 스크린 솔루션은 TFT LCD이다. TFT LCD는 평판 디스플레이 스크린으로서, 터치에는 반응하나 물방울에는 반응하지 않는다. TFT LCD는 통상적인 LCD보다 더 밝고 선명하다는 평가를 받는다. 백라이트와 LCD 사이에 부분 반사 미러 층을 포함시킴으로써 반사되는 주변 빛의 일부가 LCD를 위한 광원의 일부가 되도록 한다. EV 충전기용으로 TFT LCD는 이 시장의 고유의 요구들을 충족해야 한다. 기상 조건(온도, 물과 먼지에 노출되는 것 등)에 대한 견고성, 우수한 전력 효율, 모든 조명 조건으로 가독성, 우수한 EMC 성능을 들 수 있다. 

그림 3은 5인치 스크린 크기로 TFT LCD의 개략적인 블록 다이어그램을 보여준다. 백라이트 회로로 밝기 조절을 위한 PWM(pulse width modulation)을 포함한다.

PWM을 사용해서 특정한 간격으로 LED 광을 펄싱(빠르게 턴온 및 턴오프)함으로써 밝기를 조절해서 밝기가 일정하게 보이도록 할 수 있다. LED 빛이 켜지는 시간 퍼센트를 조절해서 밝기 조절이 이루어진다.

[그림 3] EV 충전기용으로 TFT LCD의 블록 다이어그램 (이미지 출처: Topway)

TFT LCD 디스플레이 솔루션 선택

EV 충전기는 실외에서 사용되므로 실내에서와 다르게 많은 실외 요소들에 노출된다. 그러므로 인클로저로 UL 746C에 따라서 UV 광, 물 노출, 침수 등에 대해서 UL-F1 등급을 받고 실외 용으로 적합한 것으로 확인된 TFT LCD를 선택해야 한다. UL 746C는 실외에서 사용하기 위한 소재들에 적용되는 표준이다. 실외에서는 UV 광에 노출되고 침수를 겪을 수 있다.

UL-F1 등급을 받기 위해서는 몇 가지 테스트를 통과해야 한다. UV 노출은 트윈 밀봉형 탄소 웨더오미터를 사용해서 720시간 또는 크세논 아크 웨더오미터를 사용해서 1000시간 동안 테스트한다. 침수는 피검물을 70℃ 물에 7일 동안 침수시켜서 테스트한다.

UL-F1 등급을 받기 위해서는 기계적 강도, 기계적 충격, 인화성에 관한 테스트도 통과해야 한다. 이들 테스트를 실시한 후에 피검물이 어떠한 중대한 저하를 일으키지 않아야 UL-F1 등급을 받고 실외 용으로 적합한 것으로 판정을 받을 수 있다.

뿐만 아니라 TFT LCD의 전면 패널 인클로저에 대해서 IP65 및 IK08 등급을 받아야 한다. 이들 등급은 방수 및 방진과 충격 보호에 관한 것이다. IP는 ‘Ingress Protection’을 뜻하는 것으로서, IP65 등급을 받기 위해서는 인클로저 디자인이 6.3mm 노즐로 30kPa의 압력으로 (어느 방향에서나) 15분 동안 분당 12.5리터의 유량으로 방출되는 물을 성공적으로 견디면서 어떠한 해로운 영향을 일으키지 않아야 한다. 

IK 등급은 충격에 관한 것이다. IK08 등급인 인클로저는 300mm 높이에서 1.7킬로그램 중량이 인클로저 표면으로 떨어지는 것을 견딜 수 있다. 선택하고자 하는 TFT LCD 솔루션이 넓은 온도 범위(예를 들어서 -20℃ ~ 70℃)에 걸쳐서 신뢰할 수 있는 성능을 제공하는지 확인하는 것도 중요하다. 이것은 인클로저뿐만 아니라 TFT LCD와 관련 회로들의 동작 온도 범위와도 연관이 있다.

밝기 또한 중요하다. 어둠 속에서 읽을 때 최소한의 밝기를 제공하기 위해서는 밝기가 평방미터에 최소 700칸델라(cd)여야 한다. 또한 평균 전력 소모를 낮추기 위해서 밝기를 조절해야 한다. 그러기 위해서 가장 좋은 방법은 앞에서도 언급했듯이 PWM 모듈과 함께 감광 회로를 사용해서 실외 밝기에 따라서 펄스 폭 신호 펄싱 시간을 자동으로 조절하는 것이다. 이렇게 함으로써 EV 충전기 사용자가 깜깜한 어둠 속에서나 밝은 대낮에나 화면을 읽을 수 있다.

또한 전기 충전이 이루어지는 곳에서는 어디서나 복잡한 EMC/EMI 문제를 다루어야 한다. 해당되는 EMC/EMI 표준 요건을 충족하지 않으면 EV 충전기 디스플레이와 인접 회로들로 예기치 않은 동작이나 위험을 야기할 수 있다. 특히 DC-DC 및 AC-DC 컨버터가 문제가 될 만한 전기 잡음을 일으킬 수 있다. EV 충전기로 높은 전기 전류가 강한 자기장을 발생시키고 그럼으로써 EMI를 전달하는 경로를 형성할 수 있다. 그러므로 엔지니어들은 다음과 같이 엄격한 EMC/EMI 테스트 요건을 충족하는 TFT LCD 솔루션을 선택해야 한다:

• 정전기 방전 내성: 전자 장비가 사람의 접촉으로 인해 발생되는 정전기 방전을 얼마나 잘 견디는지 평가한다.

• IEC 61000-4-4, EFT(electrical fast transient)/버스트 내성 테스트: 유도성 부하와 관련한 EFT 및 버스트 이벤트에 대한 내성을 테스트한다.

• EN 61000-4-3, 복사 무선 주파수 전자기장 내성 테스트: 장비의 인클로저, 전원, 신호 포트로 진폭 변조 신호(1kHz - 80%)를 인가해서 장비로 RF가 가해졌을 때 장비가 의도한 대로 얼마나 잘 작동하는지 평가한다.

• GB/T 17626 표준: 중국 표준으로서, EMC, 테스트, 측정 기법과 서지 내성에 대해서 정의하고 있다.

• GB 4824 무선 주파수 외란 테스트: 장비의 외란 특성과 한계를 테스트한다.

끝으로, TFT LCD는 다른 솔루션들과 비교해서 더 낮은 전력 소모를 나타낸다. 고휘도 디스플레이를 사용할 때는 전력 소모를 낮추기가 어렵다. 또한 엔지니어가 선택하는 TFT LCD 솔루션은 유지보수를 적게 필요로 하고 백라이트 수명이 최소 5만 시간을 넘어야 한다. 그럼으로써 충전기로 M&O 비용을 절감하고 중단시간을 최소화할 수 있다. 이 점은 벽지 지역에 설치된 충전기로 특히 중요하다.

사례 분석: 중국의 옥외 충전소

Topway는 중국의 국영 전력 회사인 State Grid의 충전소로 TFT LCD를 공급했다(그림 4). 이들 디스플레이는 가혹한 기상 조건으로 동작하면서 65년 후에도 여전히 신뢰할 수 있는 성능을 제공할 것이다.

실외에서는 다양한 조건으로 화면을 읽을 수 있도록 EV 디스플레이로 적절한 밝기를 달성하는 것이 중요하다. 이 기능은 TFT LCD 자체에서 할 수 있는 것이 아니다. Topway는 PWM과 감광 회로를 사용해서 밝기를 자동으로 조절하는 방법으로 이 문제를 해결했다.

EV 충전기 디스플레이의 견고성 또한 중요하다. State Grid는 실외용 등급이고 햇빛에 노출되면서 넓은 온도 범위를 견딜 수 있는 디스플레이를 원했다. 중국에서는 겨울부터 여름까지 온도가 쉽게 -20℃부터 70℃까지 이를 수 있다. Topway는 이러한 요구를 충족하기 위해서 인클로저와 TFT LCD로 고품질 소재와 부품을 사용하고 추가적인 UV 차단을 위해서 UV 차단 필름을 사용했다.

EMC/EMI 요건은 EV 충전기로 디스플레이가 안전하고 신뢰하게 동작하기 위해서 중요하다. EV 충전 애플리케이션은 상당한 전자기 방사를 수반하고 TFT LCD 스크린이 이러한 방사에 매우 취약할 수 있으므로, State Grid는 EMC 및 EMI에 대한 견고성이 높은 디스플레이 솔루션을 요구했다. 이 문제를 해결하기 위해서 Topway는 EMI를 제거하기 위한 조치들을 도입하고, 전원 공급과 데이터에 사용되는 케이블 길이를 짧게 하고, 저전압 차동 시그널링을 채택하고, 주요 부품들로 EMI 차폐를 사용했다.

[그림 4] Topway의 TFT 솔루션이 중국 State Grid의 EV 충전기에 사용하기에 매우 효과적인 것으로 입증되고 있다. (이미지 출처: Topway)

EV 충전기용으로 Topway 솔루션

Topway는 EV 충전기 애플리케이션 용으로 자사의 5인치 컬러 TFT LCD 모듈 LVDS 800x480(그림 5)과 7인치 컬러 TFT LCD 디스플레이 LVDS 800x480으로 TFT LCD 디자인을 계속해서 개선해 왔다. 이들 TFT LCD 솔루션은 위에서 열거한 모든 요구들을 충족한다. UL-F1 등급으로서 실외에서 사용하기에 적합하며, IP65 및 IK08 등급이고, -20℃ ~ 70℃ 온도 범위로 사용하도록 설계되었다. 또한 UV 차단 필름을 적용함으로써 강한 UV 노출에도 불구하고 긴 사용 수명을 가능하게 한다.

5인치 스크린은 평방미터에 700칸델라 밝기이고, 7인치 스크린은 평방미터에 900칸델라로 더 밝다. 그리고 PWM과 감광 회로를 사용해서 밝기를 자동으로 조절한다.

Topway의 EV 충전기 솔루션은 해당되는 모든 EMC/EMI 테스트 요건을 충족하며 수명이 최소 50,000시간이다. 두 제품 모두 5V 입력과 LVDS 인터페이스를 지원하므로 빠른 응답 시간이 가능하다.

5인치 디스플레이는 800 x 480 해상도이고, 활성 영역은 108.0mm x 64.8mm이고, 외형은 200.0mm x 105.0 mm x 22.0mm이다. 7인치 디스플레이는 800 x 480 해상도이고, 활성 영역은 154.08mm x 85.92mm로 더 크고, 외형은 340.0mm x 400.0mm x 36.0mm이다. 

잘만 선택하면 TFT LCD가 EV 충전기에 사용하기에 잘 맞는다. EV 충전기용으로 TFT LCD에 관해서 더 궁금한 점은 Topway로 문의할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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