자동차 헤드램프의 과학적 원리

자동차 헤드램프의 사전적 의미를 찾아보면

야간에 자동차가 안전하게 주행하기 위해 전방을 조명하는 램프 라도 정의되어 있고 주행을 위해서 끊임없이 시각 정보를 확보해야 하는 운전자에게 시야가 좁아지는 야간은 상대적으로 주간보다 위험할 수밖에 없으며 주행 시 시야 차단으로 인한 위험 요소를 줄여주는 것이 바로 헤드램프의 본연적 기능이며 또한 운전자 자신의 안전을 위한 기능뿐만 아니라 도로 위의 다른 차량들이나 보행자들에게 차량의 위치를 알려주는 기능 또한 수행하고 이렇듯 헤드램프는 주행 안전에 있어 매우 중요한 역할을 수행하기 때문에 그만큼 차량 설계에 있어 필수적인 부품이며 많은 기술적인 발전과 진화를 거쳐왔으며 야간에 시야를 확보해 준다는 점에서 볼 때 최초의 헤드램프는 마차에 달린 램프가 그 시초일 것이고 실제로 유럽의 마차들은 좌 우 끝에 램프를 달아 보행자나 다른 마차들에게 마차의 폭을 알리기도 했다고 하니 기능적으로 요즘의 헤드램프와 동일한 역할을 수행한 셈이기에 전구가 발명된 이후 자동차 헤드램프는 점차 발전하여 오늘날 우리가 알고 있는 모습으로 진화하게 되었는데 헤드램프는 크게 빛을 반사하는 방식과 광원의 종류로 나누어 분류할 수 있습니다.

 

빛을 반사하는 방식으로 헤드램프를 분류할 때

크게 3가지로 나눌 수 있는데 실드빔 타입 초기의 헤드램프는 실드빔 타입이었는데 실드빔 타입은 헤드램프 전체가 하나의 큰 조명처럼 되어있는 형태로 전면 커버 유리에 광학 패턴을 새겨 빛을 반사시키는 형태의 램프이며 실드빔 타입은 유리를 사용했기 때문에 무겁고 크기가 크며 난반사가 심하다는 단점이 있었으며 또한 원형 사각형 등 단순한 형태로만 제작이 가능한 데다 내부가 보이지 않고 전면에 광학 패턴을 노출시켜야 했기 때문에 디자인적으로도 매우 제약사항이 많았는데 이러한 단점을 보완한 것이 바로 리플렉터 타입 헤드램프인데 리플렉터 타입 은전 구 앞에 있던 광학 패턴이 새겨진 반사경 커버를 전구 뒤로 보냈기 때문에 투명한 아크릴 커버를 사용하여 내부 구조를 보여줄 수 있었고 바로 이 투명한 커버 때문에 리플렉터 타입을 클리어 타입 헤드램프라고 부르기도 하며 리플렉터 타입으로 헤드램프가 변화하면서 자동차 제조회사들은 차량의 디자인을 헤드램프에 좀 더 자유롭게 담을 수 있게 되었는데 이후 프로젝션 타입 헤드램프가 나타나면서 헤드램프 디자인은 더욱 자유로워졌고 프로젝션 타입 헤드램프는 빔 프로젝터와 같이 전구에서 나오는 빛을 렌즈를 통해 모아 투사하는 형태인데 렌즈에 따라 빛의 범위와 각도를 조절할 수 있어 불필요한 빛의 반사는 막으면서 원하는 대상에 대한 시인성은 훨씬 높다는 장점이 있으며 특히 렌즈의 크기가 작기 때문에 디자인 자유도가 매우 높아 좀 더 과감하고 독특한 헤드램프 디자인이 시도될 수 있었습니다.

 

LED는 우리 말로는 발광 다이오드라고 표기하며

반도체에 전압을 가할 때 생기는 파장이 가시광선 영역에 속할 때 이를 활용하여 발광 효과를 내도록 하는 반도체 소자이고 p n 접합 반도체 칩에 전압을 인가하고 전기에너지를 광 에너지로 전환하여 빛을 방출하는 반도체 발광소자를 말하는데 반도체는 크게 단원소 반도체 화합물 반도체 그리고 유기물 반도체로 분류되는데 LED는 이 중 화합물 반도체에 속하기에 화합물 반도체란 실리콘 게르마늄 등 하나의 원소로 이루어진 단원소 반도체와 달리 2종 이상의 원소로 이루어진 반도체이며 LED는 주로 갈륨비소 갈륨인 갈륨비소인 갈륨 질소 등으로 만들어지며 어떤 화합물을 쓰느냐에 따라 LED 빛의 색깔이 달라지며 유기물 반도체는 탄소와 불소 등으로 구성되어 얇고 유연한 것이 특징인데 CES 2013에서 공개되었던 플렉시블 OLED 윰 이 바로 유기물 반도체의 일종인데 LED는 전극을 붙인 전도 물질에 전류가 통화하면 전자와 정공이라고 불리는 플러스 전하입자가 이 전극 중앙에서 결합해 빛의 광자를 발산하는 구조로 이루어져 있는데 물질의 특성에 따라 빛의 색깔이 달라지기에 LED는 PN 접합의 구조로 이루어져 있는데 이는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 만든 것으로 P형 반도체에서는 양 의 성분이 N형 반도체에서는 음의 성분이 많이 포함되어 있어서 PN 접합 반도체에 전류를 흘려보내게 되면 PN 접합면에서 정공과 전자 가 결합하면서 빛이 발생하게 됩니다.

 

N층의 전자가 P층의 정공이 결합하면서 전도대와

가전자대사이의 에너지 준위 차이에 따라 에너지를 발산하고 에너지 준위 차이인 밴드갭 에너지에 따라 빛의 색상 이정 해지는데 에너지의 차이가 크면 단파장인 보라색 계통의 빛을 나타내고 에너지 차이가 작으면 장파장인 붉은색 계통의 빛이 나오게 되며 또한 어떤 화합물을 쓰느냐에 따라 LED 빛의 색이 달라지기도 하며 이는 화합물의 재료에 따라 에너지 준위 차이가 달라지기 때문에 LED는 방출하는 빛의 종류에 따라 눈에 보이는 빛을 발광하는 VisibleLED 눈에 보이지 않는 빛을 발광하는 적외선 LED 자외선 LED로 크게 3종류로 구분되며 가시광선 LED는 전체 LED 시장의 가장 큰 비중을 차지하고 있으며 적색 녹색 청색 백색 LED 등이 있는데 적외선 LED는 우리가 자주 사용하는 리모컨이나 적외선 통신 CCTV 적외선 카메라 등에 사용되고 있으며 자외선 LED는 살균 피부 치료 등 보건 분야에서 사용되고 있습니다.

LED로 제조된 자동차 헤드램프 전구는

장수명 고휘도 및 장거리 투사와 같은 중요한 장점을 가지며 넓은 지역의 할로겐램프 및 크세논램프를 대체하기 위한 선호 광원이 되었으며 지능형 멀티 빔으로 제조된 적응 형 자동차 빛이고 도로 조명의 관점에서 LED 조명이 있는 헤드램프가 시각 밝기 및 투사거리 측면에서 할로겐램프가 있는 헤드라이트보다 훨씬 뛰어나다는 것을 보여주는데 LED는 점등 시간이 오래 걸리지 않고 발열이 적어 절전에 유리하기 때문에 브레이크를 밟았을 때 즉시 표시등 점등이 가능해서 후속 차량의 충돌 사고를 방지할 수 있고 수명도 매우 긴 편에 속해 헤드램프의 디자인을 자유롭게 만들 수 있다는 장점이 있어 차세대 자동차 헤드램프의 추세가 되었으며 자동차 헤드램프는 원래 램프 본체 시스템을 사용해야 하기 때문에 LED는 자동차 부품 및 애프터 마켓의 관점에서 새로운 종류의 조명 소스이지만 LED 헤드램프 전구의 치수 및 고정 방법이 설계에 사용되고 인터페이스 전원 공급 및 제어 조명영역 모양 밝기 및 광속은 할로겐전구 및 크세논 전구와 일치해야 합니다.

 

※ 참조문헌 : 자동차 헤드램프용 LED Package의 환경온도 신뢰성 시험 규격 국내 도입을 위한 연구 (강민규 2019)