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헤드램프, 디자인의 키워드이면서 동시에 자율주행차를 위한 기술

글로벌오토뉴스 조회 수1,118 등록일 2019.09.09
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최근 등장하는 신차들의 헤드램프가 다양한 형태로 진화하고 있다. 기아자동차의 모하비 더 마스터는 헤드램프와 라디에이터 그릴을 하나의 프레임에 통합해 새로운 이미지를 만드는데 활용하고 있다. LED램프를 사용한 헤드램프와 주간주행등은 물론이고 그 아래쪽 안개등도 기능성과 예술성을 동시에 고려한 설계라고 할 수 있다. 이처럼 LED 램프는 당장에는 디자인의 자유도를 높이는데 기여하고 있지만 장기적으로는 자율주행차에도 중요한 기술로 자리매김할 것으로 예상된다. 헤드램프의 진화에 대해 다시 한 번 살펴 본다. (편집자 주)

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)

자율주행차가 구현되면 달라지는 것들이 많다. 레벨5까지 이르게 되면 차 안의 스티어링 휠과 각종 페달이 사라질 것이다. 운전자가 스티어링 휠을 잡고 운전을 하지 않기 때문에 전후방에 대해서도 주의를 기울일 필요가 없어진다. 당연히 헤드램프와 리어 컴비내이션 램프도 지금과는 다른 형태로 바뀔 수 있다. LED에 이어 레이저가 광원으로 확대되고 있으며 지능형 헤드램프의 개발 경쟁도 뜨겁다.

지금의 내연기관차가 처음 등장했을 당시에는 자동차에 등화류가 없었다. 초창기의 자동차는 주간 주행을 전제로 했고 야간에도 가로등이 있는 도시 지역 내의 이동만을 상정한 장비였기 때문이었다고 생각할 수 있다. 하지만 얼마 지나지 않아 실내를 밝힐 등유 랜턴이 등장했고 이어서 아세틸렌 램프도 사용됐다.

야간 주행 중 진행 방향의 시야를 확보해 주는 자동차의 헤드램프는 1886년 칼 벤츠가 최초의 랜턴식 전조등을 장착하면서 시작됐다. 그러나 덜컹거리는 차 안에서 이들 등화류는 안전에 문제가 있었다. 그 점을 보완해 1898년부터 전기식이 사용되었고 1944년에 제논 램프가 등장했다. 물론 주류는 진공관 타입에서 시작해 할로겐 타입을 거쳐 HID와 제논 타입을 거쳤다.

1960년대부터 자동차 디자인에 기능성이 중시되면서 자동차 헤드램프의 디자인도 슬림형과 각형이 번갈아 가며 유행했다. 자동차회사들은 헤드램프의 디자인만으로 프론트 엔드의 이미지를 만드는데 많은 노력을 기울여 왔다. 기술적인 면에서도 코너링에서의 조사각의 변화 등 적지 않은 발전을 이루어 왔다.

기술적인 발전이 다른 분야에 비해 크지 않은 이 분야에 새 바람을 불어 넣은 것이 아우디다. 아우디는 LED를 자동차 헤드램프로 사용하면서 기술적인 진보와 더불어 디자인에서도 획기적인 발전을 가져오게 했다. 2008년 스포츠카 R8에 처음 채용된 LED헤드램프는 5,500 칼빈의 색 온도로 햇빛과 비슷한 조명을 제공해 눈의 부담을 최소화 해 주며 수명 역시 영구적이라는 평가를 받았다. 로 빔은 개당 40와트의 전력만을 사용해 효율성도 높다. 할로겐이 4,00℃까지 열이 올라가는데 비해 LED는 120~150℃에 불과하다는 것도 장점이다.


아우디는 LED 램프를 자동차에 채용하면서 성능은 물론이고 디자인의 자유도까지 넓히며 이 부문에서의 트렌드 세터로 확고하게 자리잡았다. 아우디는 2011년에는 LED매트릭스 빔 기술을 발표해 실용화에 성공했다. 매트릭스 빔(Matrix Beam)은 렌즈 바로 뒤의 소형 LED 혹은 리플렉터 로 기계적 전환없이 모든 상황에서 최적의 조명을 제공한다는 것이다. 상황에 따라 간단하게 꺼지기도 하고 켜지기도 한다. 카메라와 내비게이션, 각종 센서 등을 통해 정보를 수집한다는 점에서는 다를 바가 없다. 다만 앞쪽에 다른 자동차나 도시의 빛을 감지하면 헤드렘프는 그만큼의 부분에 빛을 조사하지 않는다.

아우디는 또한 인텔리전트 리어 램프와 레이저 후방 안개등을 개발해 자율주행차 시대를 준비해왔다. OLED 부문에서도 앞선 행보를 보여왔다.

오늘날 헤드램프의 광원이 LED로 되면서 자동차의 앞 얼굴 이미지도 다양해졌다. 디자이너의 입장에서 LED는 다양한 그래픽을 만들 수 있다는 이점이 있다. 최근 등장하는 자동차의 리어 컴비내이션 램프를 보면 잘 알 수 있다. 과거에는 면으로밖에 표시할 수 없었던 것을 이제는 여러 개의 선, 3차원 형상 등을 표현하고 있다. 흐르는 듯한 방향지시등도 여기에 속한다. 이는 후방 차량의 카메라가 인식하기 좋은 조건을 제시하기도 한다. 기술적으로는 소비 전력을 절감할 수 있고 그만큼 연료소비도 줄어 든다.

그렇다면 자율주행차 시대의 램프류는 어떻게 바뀔까. 어플리케이션으로서는 조사 범위의 자동 인식화에 의한 최대화가 진행되는 것은 분명하다. 광원으로서는 레이저를 사용하는 것이 이미 등장해 있다.

이런 장비들은 운전자가 있다는 것을 전제로 하지 않는 장비다. ADAS류를 포함해 차 외부 상황을 인지하고 판단하는 것이 카메라와 센서류에 의해 이루어 지는 것에 대한 보조장비가 될 것은 분명하다. 야간 주행에서는 특히 더 중요한 역할을 해야만 한다. 카메라가 주변의 상황을 인지할 수 있는 최적의 조건을 만들어야 하기 때문이다.
LED를 대체할 차세대 광원으로 레이저 헤드램프가 연구 등장하고 있다. 앞서 언급한 아우디 인텔리전트 리어 램프도 레이저 후방 안개등이 그 예다. 운전자는 주행 중 비나 안개 등으로 인해 시야의 방해를 받아 운전이 어려운 경우를 만나는 경우가 많다. 그래서 앞 차와의 차간거리가 더 가까워지게 되고 그만큼 사고의 위험은 높아진다. 앞 차가 급제동을 하면 대책이 없어지는 것이 보통이다.

아우디는 인텔리전트 후미등으로 이 문제를 해결하고자 하는 연구를 진행했다. 새로 개발한 센서로 시야를 확보하거나 더 나아가 후미등의 조도를 높여 후방 차에게 내 차의 존재를 강하게 확인시켜 준다. 그만큼 뒤 차와의 차간거리가 멀어질 수 있다는 얘기이다. 앞 뒤의 센서를 통해 앞 차와 뒤 차의 존재를 확인하고 그 정보를 바탕으로 조도와 조명을 조절하는 것이다.

또 하나 재미있는 것은 레이저를 이용한 후미 안개등이다. 인텔리전트 후미등과 비슷한데 레이저 광선이 안개 속에 확실하게 빛을 발해 뒤 차로 하여금 앞 차의 위치를 정확하게 파악하게 해 준다. 약간 하향으로 향한 레이저 조명은 최대 30미터까지 안개를 뚫고 비추어 준다. 영화 속의 레이저 광선과 같다. 조명의 폭은 차 한대 정도인 2미터 내외다.

아우디는 2015년에는 새로운 레이저 헤드램프를 공개했다. 아우디R8’에 장착된 레이저 헤드램프의 특징은 0.01 밀리미터의 초소형 레이저 다이오드를 이용한다는 점이다. 레이저 하이빔의 조사 반경은 기존 LED 하이빔 헤드램프의 두 배에 달하며 조사 가능 길이는 수 백 미터에 달한다.

아우디의 레이저 헤드램프에는 네 개의 고강도 레이저 다이오드로 이루어진 레이저 모듈이 양쪽 헤드램프에 하나씩 장착되어 있다. 이 모듈은 각 레이저 다이오드에서 생성되는 450 나노미터 파장의 균일한 청색광 4개를하나로 묶어, 인광 변환기(phosphor converter)를 통해 일반 도로 주행 시 적합한 순수 백색광으로 전환시킨다.

아우디의 레이저 헤드램프는 2014년 여름 한정판 모델로 출시된 ‘아우디R8 LMX’를 통해 처음으로 대중에 선보였다. 이에 앞서 열린 ‘2014 르망24시간 레이스’에서‘아우디 R18 e-트론콰트로’ 레이싱카에 최초로 적용돼 아우디의 13번째 우승에 일조한 바 있다.

한편 폭스바겐은 2018년 10월 차세대 헤드램프와 리어 컴비내이션 램프를 개발했다고 발표했다. 새로운 조명 시스템에는 레이저 조명에 대한 저가형 대안으로 3만개의 조명 포인트가 있는 마이크로 픽셀 HD 헤드램프와 고성능 LED 헤드램프가 포함된다.

리어 컴비내이션 램프에 경고 사인을 채용하는 것이 가능한 인터랙티브 테일 램프 클러스터도 주목을 끈다. 정체된 상황에서 대열의 맨 후미에 있을 경우 테일 램프에 경고 표시를 해 후속차에 의한 추돌을 방지할 수 있다.

배터리 전기차 등 충전을 해야 하는 차량에는 테일 램프 내에 배터리의 충전 수준을 표시하는 것도 가능하다. 충전이 완료될 경우 테일 램프에 100이라는 숫자가 표시된다. 또한 스마프폰 앱을 이용해 테일 램프의 발광 패턴을 원하는 데로 설정하는 것도 가능하다.

국내 부품업체인 현대모비스가 2018년 가을 발표한 지능형 헤드램프도 중요한 진전이다. 현대모비스는 운전자 지원 기술(ADAS)과 연계해 상시 상향등 상태에서 안전하게 시야를 확보하는 첨단 지능형 헤드램프(AADB, Advanced Adaptive Driving Beam)를 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.


지능형 헤드램프(ADB, Adaptive Driving Beam)는, 항상 상향등 상태를 유지해 운전자의 시야 확보를 도우면서 동시에 상향등의 불빛을 전방 차량 부분만 차단해 앞차 운전자의 눈부심을 막는 기술로, 일부 프리미엄 차에만 적용돼 있다. 그러나 지능형 헤드램프는 뒤에서 추월하는 차량이나 빠르게 커브길을 선회하는 차량 등 상대 차량의 급격한 움직임에 제대로 대응하지 못하는 한계가 있다. 카메라로 전방의 불빛을 감지해 차량을 인식하는 현재 방식의 기술적 문제로, 글로벌 램프 업체들 모두 이를 해결하기 위해 고심하고 있다.

현대모비스는 카메라가 수집하는 정보의 종류를 늘리고 레이더, 내비게이션, 조향각 센서 등을 활용해 이 문제를 해결, 첨단 지능형 헤드램프 개발에 성공했다고 밝혔다. 다양한 센서들로부터 정보를 수집해 더욱 정밀하게 빛을 조절하는 데 성공했다는 것이다.

첨단 지능형 헤드램프는 카메라가 전방의 불빛만을 감지하던 것에서 차선 정보를 추가로 수집하고, 레이더로 후측방에서 추월하는 차량 정보를, 내비게이션으로 고속도로와 국도 등의 차로 정보를, 조향각 센서로 커브길의 곡률 정보를 파악한다.

현대 모비스는 추기적인 하드웨어 적용 없이 소프트웨어만으로 첨단 지능형 헤드램프를 구현했다는 점을 내 세우고 있다.

인간의 눈으로 볼 수 있는 범위 이외의 지역까지 볼 수 있는, 다시 말하면 인지할 수 있는 새로운 개념의 램프가 등장하고 있다. 자율주행의 구현을 위해 인지 판단 실행이라는 프로세스 중 첫 번째 단계인 인지를 위한 기술에서 카메라, 센서와 함께 헤드램프의 진화에도 많은 관심이 쏠리고 있다.
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