개요
자동차 조명은 전조등(헤드램프), 주간주행등, 방향지시등, 제동등, 후미등 등으로 이뤄져요. 이 중 헤드램프는 멀리 비추는 하이빔(상향등)과 마주 오는 차의 눈부심을 줄이도록 위쪽을 잘라낸 로빔(하향등)을 제공해요. 좋은 헤드램프는 충분한 밝기와 조사 거리를 확보하면서 다른 운전자를 눈부시게 하지 않아야 해요.
헤드램프의 구조
- 광원: 빛을 내는 부분(필라멘트 전구, 방전관, LED 칩, 레이저 다이오드).
- 광학계: 빛을 모으고 원하는 배광 패턴으로 만드는 반사경(리플렉터)과 렌즈(프로젝터).
- 방열·제어부: LED와 레이저는 칩의 열을 빼 주는 방열판과 구동 회로, 배광을 바꾸는 제어 장치가 필요해요. 반도체 광원은 온도가 오르면 효율과 수명이 떨어지기 때문에 열전달 설계가 중요해요.
광원의 발전
- 할로겐: 텅스텐 필라멘트를 할로겐 가스와 함께 봉입해 필라멘트 증발을 줄인 백열전구예요. 1960년대 유럽 차량에 먼저 쓰였고, 값싸고 단순해 오랫동안 표준이었어요. 그 전 미국에서는 1940년부터 규격화된 원형 실드빔 전조등만 쓰도록 했어요.
- HID(제논): 필라멘트 대신 제논 가스 속 두 전극 사이의 아크 방전으로 빛을 내요. 할로겐보다 밝고 효율이 높지만 눈부심이 커서 자동 높이 조절과 세척 장치가 함께 요구돼요. 1991년 BMW 7시리즈(E32)의 로빔에 처음 양산 적용됐어요.
- LED: 반도체에서 빛을 내 효율이 높고 수명이 길며 응답이 빠르고, 작은 칩을 여러 개 배치할 수 있어 디자인 자유도가 커요. 2007년 렉서스 LS 600h가 로빔에 LED를 처음 썼고, 2008년 아우디 R8이 로빔·하이빔 모두 LED인 첫 양산차가 됐어요.
- 레이저: 지름 수백 마이크로미터의 레이저 다이오드가 내는 파란 빛(약 450 nm)을 형광체에 쏘아 흰빛으로 바꾸는 방식이에요. 레이저가 직접 도로를 비추지 않아요. 매우 작은 면적에서 강한 빛을 내 조사 거리를 크게 늘릴 수 있어 주로 하이빔 보조용으로 쓰이며, 2014년 아우디 R8 LMX와 BMW i8에 처음 양산 적용됐어요.
지능형 조명: 매트릭스 LED와 ADB
LED를 여러 구역으로 나눠 따로 켜고 끌 수 있게 되면서, 카메라가 앞차와 마주 오는 차를 인식해 그 부분만 빛을 줄이고 나머지는 하이빔으로 비추는 적응형 주행빔(ADB, adaptive driving beam)이 가능해졌어요. 아우디는 2013년 A8에 이런 매트릭스 LED 헤드램프를 처음 적용했어요. 미국은 그동안 연방 자동차 안전기준(FMVSS 108) 때문에 ADB를 허용하지 않다가, 도로교통안전국(NHTSA)이 도요타의 청원에 따라 2022년 2월 기준을 개정해 허용했어요. 이 밖에 조향 방향에 따라 빛을 돌리는 적응형 전조등(AFS), 자동 하이빔, 노면에 기호를 투사하는 기술도 연구돼요.
과제
밝은 광원일수록 눈부심 관리가 중요하고, LED·레이저 헤드램프는 부품과 수리 비용이 높아요. 사람의 시각은 밝기뿐 아니라 색온도와 대비에 영향을 받기 때문에, 자동차 조명 설계는 공학과 시각 과학을 함께 고려해야 해요.
캠퍼스다운 자료실에는 이 이론을 다룬 자료도 있어요: 「헤드램프의 미래 기계공학부 졸업논문: 헤드램프의 구조와 광원 발전, 스마트 헤드램프와 레이저 헤드램프 기술 동향」, 「헤드램프의 미래」.
이 이론을 다룬 레포트·발표 자료는 캠퍼스다운 자료실의 '자동차 조명 기술' 레포트 검색에서 찾아볼 수 있어요.
참고문헌
- Wördenweber, B., Wallaschek, J., Boyce, P., & Hoffman, D. D. (2007). Automotive Lighting and Human Vision. Berlin: Springer.
- National Highway Traffic Safety Administration. (2022, February 22). Federal Motor Vehicle Safety Standards; Lamps, Reflective Devices, and Associated Equipment, Adaptive Driving Beam Headlamps (Final rule). Federal Register, 87(35), 9916.