지능형 헤드램프

지능형 헤드램프

지능형 헤드램프(IFS; Intelligent Front-lighting System)는 야간 주행 시 시야 확보를 돕는 상향등 보조장치가 발전한 기술이다. 지능형 헤드램프에 장착되어 있는 카메라가 전방에서 달려오는 자동차의 각도와 위치를 파악하여 상향등을 일부 소등해 상대방 운전자에게 눈부심을 주지 않고 운전자 전방 시야를 확보한다.

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개요

헤드램프는 자동차의 '눈'으로써 백 년이 넘는 시간 동안 밤길을 밝혀왔다. 호롱불로 시작해 백열등, 할로겐, HID(High Intensity Discharge, 고압 방전등) 등을 거쳐 고효율 LED에 이르기까지 지속적인 발전을 거듭해온 자동차 부품 중 하나이기도 하다. 헤드램프는 안전한 운전 환경을 만들기 위한 자동차의 중요 부품 중 하나로 이를 구현하기 위해 다양한 정밀 기술과 설계 공법으로 완성되며 이제는 단순한 안전장치를 넘어 전천후 편의·안전사양으로 탈바꿈하고 있다. 그동안의 헤드램프는 상향등은 야간 운전 때 운전자에게 좀 더 풍부한 시각 정보를 제공하지만, 반대편 주행 차량 운전자 등의 눈에도 직접 빛을 쏘게 돼 이들의 운전을 방해하고 사고로 이어질 위험성이 있다. 반면, 지능형 헤드램프 기술은 상향등으로 운전자의 시야 확보를 도우면서 대항차와 전방 차량에 도달하는 불빛은 차단해 다른 운전자의 눈부심을 막는 기술이다. 전방 카메라에서 다른 차량의 좌·우 램프 각도 정보와 거리 정보를 받아 상향등 점등 여부를 자동차 스스로 판단하고 조절하는 것이다. 아울러 지능형 헤드램프 기술은 뒤에서 추월하는 차량의 움직임에도 대응한다. 운전자가 설정한 속도에서 작동을 시작하며, 운전자 편의를 위해 작동 조건을 변경할 수도 있다. 지능형 헤드램프는 미래 자율주행 시대에 야간 안전주행에도 꼭 필요한 기술이다. 야간주행을 할 때도 자율주행에 필요한 차선이나 표지판, 보행자, 도로 위 각종 사물 등을 정확하게 감지해야 하기 때문이다. 자동차 헤드램프는 이제 단순히 자동차가 있음을 알리는 기능에서 시작하여, 상황과 환경에 따라서 스스로 판단하고 운전자에게 최적의 시야를 제공하는 똑똑한 램프로 발전하고 있다.

역사

운전자의 시야 확보뿐만 아니라 상대편 차량에게 위치를 알려주는 헤드램프는 자동차만큼 긴 역사를 갖고 있다. 1800년대 후반 자동차가 점차 보급 되며 이전엔 신경 쓰지 않던 불편함이 생겨나기 시작했는데, 가장 큰 문제가 바로 밤길의 시야 확보였다. 과거에는 기술이 발전하지 않아 지금처럼 밝은 가로등이 없었기에 큰 문제가 되었었다. 그래서 초기의 자동차들은 호롱불과 같은 조명기구로 밤길을 밝혀 상대방의 위치를 확인하며 희미하게나마 시야를 확보했다. 하지만 동물의 기름이나 석유 등을 이용해 불을 붙이다 보니 비와 바람을 만나면 쉽게 꺼져버리는 단점이 있었고 이를 보완하기 위해 1908년 아세틸렌을 사용하기 시작했다. 발화성 가스인 아세틸렌은 비와 바람에 강해 자동차의 헤드램프로 사용하기 좋았지만, 아세틸렌 역시 켜고 끄는 것이 불편하며 밝기가 약해 대중화되기 어려웠다. 이후 1913년, 독일의 보쉬(Bosch)가 자동차용 발전기를 발명하게 되면서 지금의 방식과 같은 전기를 이용하는 텅스텐 필라멘트 전조등을 개발하게 되고 이때 발명된 전조등은 1990년대까지 이어졌다. 텅스텐 필라멘트를 이용한 헤드램프는 시야 확보에 용이할 만큼 적절한 밝기를 갖고 있지만, 필라멘트가 타면서 빛을 만드는 만큼 사용 시간이 짧고, 다 타면 잿빛으로 변하는 문제를 가지고 있었다. 이런 문제를 해결하기 위해 1964년부터 차세대 램프에 대한 개발이 이루어졌고, 1971년 첫 할로겐램프 장착 차량인 메르세데스-벤츠 SL 클래스가 탄생하며 본격적으로 사용되기 시작했다. 할로겐램프를 사용하며 고도의 성장을 이룬 자동차는 이후 새로운 방식의 HID(하이 인텐시티 디스차지) 램프를 적용하게 된다. 지금도 고급 차종에 주로 사용되는 방식으로 1991년 BMW 7 시리즈에 처음 장착됐다. 할로겐과 달리 전조등 안에 크리스털 유리관을 삽입하고, 그 안에 제논 가스를 채워 고압의 전류로 빛을 내는 방식이기 때문에 제조사에 따라서는 제논 헤드램프라고도 부른다. 할로겐 대비 낮은 열 방출량을 보여 효율이 높고, 450시간 수명의 할로겐램프보다 5배가량 긴 수명과 더 높은 밝기를 자랑한다. 그러나 별도의 점화 시스템과 전자 안정기를 갖고, 높은 전류를 사용하기 때문에 교체 시 전문가의 도움이 필요하고 관리 비용이 많이 든다는 단점이 있었다. HID가 고급 차량 위주로 사용되며 헤드램프 시장은 더욱 진보를 이뤘다. 차량의 방향 지시등과 테일램프 등 일부에만 사용돼 보조적인 역할을 하던 LED가 2008년 아우디 R8에 처음 장착되며 헤드램프의 주연이 됐다. LED의 경우 낮은 전력을 소비하며 1만 시간의 수명을 보장해 차량의 수명과 비슷한 내구성을 보였다. 그동안은 ‘더 멀리 더 밝게’ 보기 위해서 발전했다면, 최근에는 도로 위의 다른 운전자들과 보행자들의 안전까지 생각하면서 운전자의 시야를 최적화하는 방향으로 기술이 2010년대 개발이 되었다. 지능형 헤드램프는 상황을 정확하게 판단하기 위해서 카메라의 영상정보로 주변을 판단하고, 차량의 속도, 스티어링 각도, 전고, 조도 등의 차량의 내부 정보와 레이더 내비게이션 정보 등의 주행환경에 대한 정보를 융합하여 현재 상황을 판단하고 적절한 시기에 빛을 제어한다. 이처럼 자동차 램프는 단순히 자동차가 있음을 알리는 기능에서 시작하여, 상황과 환경에 따라서 스스로 판단하고 운전자에게 최적의 시야를 제공하는 똑똑한 램프로 발전하고 있다.

종류

가변형 전조등 시스템

가변형 전조등 시스템(AFLS, Adaptive Front Lighting System)은 도로, 기후조건, 주행상황의 변화에 따라 운전자의 시야를 최대한 확보해주는 지능형 헤드램프 시스템으로서, 차량의 ECU로부터 주행정보를 받아 처리하여 헤드램프에 장착된 구동장치를 통해 램프를 상하좌우로 움직이고, 벌브 쉴드 구동장치를 통하여 상황에 맞는 빛의 형태로 조절하는 시스템이다. 가변형 전조등 시스템은 스티어링의 각도에 따라 헤드램프가 움직이는 좌우회전(Swiveling) 기능과 오토레벨링 센서가 차량의 가감속, 승차인원, 적재량 등에 따라 헤드램프의 조사각도를 일정하게 유지시키는 상하 오토레벨링 기능에 의해서 구현된다. 대한민국에서는 현대 제네시스에 최초로 적용되었으며, 가변형 전조등 시스템의 기능 중 곡선로, 오토레벨링 기능만을 먼저 구현하여 장착되었고, LED를 적용한 적응형 헤드램프 시스템(AFLS)은 2012년 K9에 옵션으로 최초로 적용되었다. 다만 이 방식에는 차량 내부 정보만을 바탕으로 빛을 조절하기 때문에 상대 차량의 눈부심을 차단해주는 데는 한계가 있다. 그래서 등장한 것이 상향등 제어장치(HBA·High Beam Assist)이다.

상향등 제어장치

상향등 제어장치(AHB, Automatic High Beam)는 자동으로 상향등을 점소등 하는 기술이다. 상, 하향등을 자동 전환해 주는 기술로, 운전자 조작없이 자동차가 스스로 밝은 곳에서는 하향등, 어두운 곳에서는 상향등으로 변경된다. 또한 상향등 주행 시 전방이나맞은 편 차량이 나타나면 하향등으로, 차량이 지나가면 다시 상향등으로 자동으로 바뀌어 상시 상향등을 이용할 수 있는 지능형 램프기술이다. 이 기술은 룸미러 앞 전면 유리창에 장착된 카메라의 영상정보로 전방이나 맞은 편 차량의 움직임을 감지해 상, 하향등의 작동 여부를 결정하는 것이 핵심이며, 차량 백미러 부분에 장착된 카메라 센서가 전방 차량의 불빛을 감지하면, ECU가 상향등을 자동으로 제어한다. 일반적인 도시환경에서는 야간에도 불빛이 많아 상향등을 켤 일이 많이 없지만, 조금만 외곽으로 벗어나도 가로등이 없어지고 의지할 것이라고는 전조등뿐인 경우가 대다수이다. HBA는 이런 환경에서 운전자는 야간에 더 넓은 시야 확보를 위해 상향등을 켰다가 마주 오는 차량이 있을 때 다시 수동으로 상향등을 끄는 번거로움을 없애주는 기능이다. 또한 앞서가는 차량에 상향등으로 눈부심을 주지 않기 위해 앞차의 후미등이 감지될 경우 상향등을 자동으로 꺼주는 기능도 지원한다. 이 기술은 기아 K9과 렉서스 LS460h 등 고급 차량에만 적용되고 있다. aCOL(Adaptive Cut-off Line) 헤드램프는 AHB 시스템과 같이 카메라 영상정보로 전방 차량에 대한 거리신호를 이용하여 단계적으로 빔의 패턴을 자동으로 변화시켜 주는 장치로 헬라(Hella)에서는 5단계로 빔의 패턴을 조정할 수 있으며, 오토모티브 라이트닝(Automotive Lighting)사에서는 LED를 이용한 aCOL 헤드램프의 개발을 완료하였다.

어댑티브 드라이빙 빔

상향등 제어장치보다 한 단계 더 진화한 것이 최근 등장한 어댑티브 드라이빙 빔이다. 어댑티브 드라이빙 빔(Adaptive Driving Beam)은 상향등 제어장치보다 더 진보한 기술로, 지능형 헤드램프의 매우 핵심적인 기술이기 때문에 간혹 지능형 헤드램프 자체를 ADB 라고 부르는 경우도 있지만, 정확히는 틀린 표현이다. 상향등 제어장치는 차량이 발견되면 상향등을 소등하지만, 어댑티브 드라이빙 빔는 차량이 있는 위치에만 빛을 차단하고, 차량이 없는 나머지 부분은 밝게 비추어 운전자에게 최대한의 시야를 제공하는 기술이다. 어댑티브 드라이빙 빔은 두 개의 타입으로 나뉜다. 두 개의 광원을 전동장치로 조절해 그림자를 형성하게 하는 스위블 타입과 여러 개의 LED 광원을 활용해 차량이 감지되면 해당 부위를 비추는 램프만 일시적으로 꺼주는 매트릭스 타입이 그것이다. 매트릭스 타입은 스위블 타입보다 정밀하고 미세한 빛 조절이 가능해 현재는 거의 모든 업체가 매트릭스 타입의 어댑티브 드라이빙 빔 개발에 열을 올리고 있다.

• 스위블 타입(Swivle type) : 스위블 액추에이터로 램프를 회전시켜서 빛을 가공하는 타입이다. 만약 왼쪽으로 마주 오는 차량이 발견되면 왼쪽 램프를 왼쪽으로 돌려서 마주 오는 차량의 눈부심을 방지한다. 액추에이터로 구동하는 방식이기 때문에 마주 오는 차량이 지나간 후에, 램프가 원래 위치로 돌아오는 데 약간의 시간이 필요하다는 단점이 있다.
• 매트릭스 타입(Matrix type) : LED 배열을 이용하여, 기계적인 움직임 없이 필요한 부분만 빛을 점소등하는 기술이다. 전기적으로 동작하기 때문에 반응 속도가 빠르고 여러 개의 암부를 형성할 수 있다. 84개의 LED를 사용한 매트릭스 기술이 상용차에 장착되었고, 더 많은 LED를 사용하여 세밀한 빛 제어를 하는 방향으로 기술이 발전해 나가고 있다.
• 픽셀 라이트(Pixel light) : 매트릭스 타입에서 조금 더 발전된 기술로서 고해상도 램프를 픽셀 라이트로 구분할 수 있다. 1,000 픽셀 이상의 해상도를 가지기 때문에 보다 정밀하게 ADB를 구현할 수 있고, 이미지 형태의 빛을 생성할 수 있다. 예를 들면, 도로에 횡단보도나 진행 방향을 표시하여 보행자와 다른 차량과 직접 소통할 수 있다. 픽셀 라이트는 LCD 패널, 레이저 MEMS, DMD, u-AFS 기술을 이용한다.

• LCD 패널 : 고해상도를 구현하는 방법이다. LCD 패널을 이용하기 때문에 30,000 픽셀 이상의 해상도가 가능하다.
• 레이저 MEMS : 거울에 반사시켜서 픽셀 위치를 조정하고 형광체를 통과시켜서 백색광을 만들어 내는 방식이다. MEMS 거울로 레이저 반사를 조정하여 픽셀을 하나씩 조사하는 방식으로 CRT 모니터와 비슷한 원리이다.
• DMD : 직사각형으로 배열된 800만 개 이상의 마이크로 미러로 이루어진 칩에 빛을 반사시켜서 원하는 이미지를 만드는 방식이다. 마이크로 미러는 광원 쪽으로 기울어지거나(켜짐), 멀어지는(꺼짐) 방식으로 픽셀을 작동 시켜 밝고 어두움을 표현하고 고해상도도 구현할 수 있다.
• u-AFS : 1,024개 이상의 LED 칩의 배열을 이용하는 방식이다. LED 광원을 직접 이용하는 방식으로 MEMS나 LCD에 비해서 신뢰성이 높고, 양산 가능성 측면에서 장점을 가지고 있다.

이런 뛰어난 성능에도 불구하고 어댑티브 드라이빙 빔은 몇 가지 한계를 가지고 있다. 전방 카메라 센서로만 차량을 인식하는 현 방식에서 비롯된 문제들이다. 우선 뒤에서 빠르게 추월하는 차량 움직임을 감지하는 것이 늦어져 추월차 운전자의 눈부심을 야기할 수가 있다. 또 S자 곡선로와 같이 전방 차량과의 위치 변화가 극심한 경우에도 제대로 대응하지 못할 가능성이 있다. 또한 고속도로나 국도에 중앙분리대가 있는 경우, 마주 달려오는 차량의 불빛을 인식하지 못해 상향등 불빛을 그냥 전개하는 문제도 있었다. 운전석 위치가 낮은 일반 차량의 경우 상향등 불빛이 중앙분리대에 막혀 운전하는데 큰 무리가 없지만 운전석이 높은 곳에 위치한 버스나 트럭 등 상용차는 눈부심에 노출될 수가 있다.

핵심기술

벤딩 라이트

벤딩 라이트(Bending Light)는 코너링 시, 회전 방향으로 시야를 확보하기 위해서 회전방향으로 미리 빛을 보내서 운전자의 시야를 확보해주는 기술이다. 다이내믹 밴딩 라이트 또는 DBL(Dynamic Bending Light)이라고도 한다. 내비게이션 정보를 통해서 미리 주행 경로를 예측하고 운전대의 회전각을 기반으로 곡선 반경에 따라 하향등을 회전하여 적절하게 빛의 각도를 제어한다. +/– 15도 범위의 회전 각도는 최대 약 100°의 시야 반경을 제공하며, 200m 반경이 190m인 커브에 진입할 때 하향등에 의해 시야가 확보되는 영역이 약 30m이라면 밴딩 라이트를 통해 이를 25m 정도 더 시야가 확보된다. 밴딩 라이트의 조명 각도는 차량의 스티어링 각도와 비례하기 때문에 운전자가 커브를 돌면 상향등과 하향등이 함께 작동하여 차량의 속도에 맞게 밴딩 라이트가 회전하는 속도 또한 맞춰진다는 특징이 있다.

전망

헤드램프는 더 밝은 빛을 제공하는 방향으로 발전해 왔지만, 최근에는 밝은 빛을 이용해서 운전자에게 최적의 시야를 제공하고, 다른 차량과 보행자의 안전까지 책임지는 지능형으로 진화하고 있다. 디비엔(DBN) 보고서에서는 2025년까지 ADB 기술이 25% 이상의 점유율을 보일 것으로 예측하고 있지만, 현재 시장 상황은 예상보다 더 빠르게 ADB가 채택되고 있다. 현대모비스㈜(Hyundai Mobis)의 경우 2011년 국내 최초로 K9 차종에 풀 LED 헤드램프를 양산 적용한 바 있다. 최근 LED 가격이 낮아짐에 따라 현재 대부분의 양산 차종에 LED 광원을 적용한 램프 시스템을 개발하고 공급하고 있다. 이처럼 현대모비스를 포함한 주요 자동차 브랜드들은 향후 자율주행차 시대를 대비해 운전자 안전과 편의를 향상시킬 수 있는 램프 개발 및 ADAS 센서와의 기술연동을 통한 지능형 헤드램프 시스템 개발 등 램프 신기술 개발에 역량을 집중할 전망으로 보인다.

참고자료

• 〈BEND LIGHTING〉, 《헬라》
• 박영서, 〈차량용 LED 전조등 개발을 위한 기술시장분석〉, 《한국과학기술정보연구원 정보분석연구소》, 2013-06-01
• 〈등불에서 레이저까지, 헤드램프의 변천사〉, 《오토트리뷴》, 2018-10-30
• 이혁민, 〈지능형 램프 기술 발전동향 및 전망〉, 《오토저널》, 2018-09-16
• 〈편의와 배려를 위한 첨단 기술,제네시스의 지능형 헤드램프 시스템〉, 《현대모터스그룹저널》, 2020-07-29
• 정성호 기자, 〈현대모비스, 첨단 지능형 헤드램프 세계 최초 개발〉, 《연합뉴스》, 2018-10-24
• 〈정밀 기술과 최신 설계 공법의 결정체, 최첨단 헤드램프의 개발 스토리〉, 《현대테크》, 2020-05-15
• 개미뚠뚠, 〈상향등 보조장치(HBA:High Beam Assist)〉, 《네이버 블로그》, 2016-08-24
• 류종은 기자, 〈(카&테크)램프 패러다임의 전환, 헤드램프 빛에 지능을 입히다〉, 《전자신문》, 2018-11-29

같이 보기

• 지능
• 헤드램프
• 상향등
• 하향등
• 현대모비스㈜
• 제네시스 G70

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