지난 몇 년 간 등장한 다양한 조명 기술로 인해 자동차 등화 분야는 혁신의 바람이 불고 있다. 조명 산업은 지난 한 세기를 지배한 백열전구 및 가스방출 기반 기술에서 LED/OLED 등 반도체 기술로 빠르게 옮겨가고 있다. 오늘날 자동차에는 20여종 이상의 등화장치가 사용된다. LED 등 반도체 조명(solid state lighting, SSL)은 여전히 해결해야 할 과제가 있음에도 기존 등화장치에 비해 50% 이상의 에너지를 절약할 수 있다.
편집자 주｜본문은 A&D컨설턴트에서 발행하는 [자동차와 부품산업] 2월호에 소개된 글을 사전 허락을 받아 전재한 것입니다.

자동차 업계는 자발적으로 2025년까지 자동차의 에너지 소비를 50%까지 줄인다는 목표를 세웠다. 현재 자동차의 등화용 에너지 소비 비중이 꽤 높음을 감안할 때 반도체 광원으로 전환할 경우 이 목표 달성에 크게 기여할 것으로 기대된다.
반도체 광원은 에너지를 덜 사용해 CO2 배출을 줄이고, 긴 수명과 유지보수 비용이 낮다는 장점으로 인해 차세대 등화 기술로 주목받고 있다. 특히, 프런트 및 리어 애플리케이션에 모두 적용할 수 있는 LED 기술의 도래는 극히 제한적이었던 설계 자유도를 제공함과 동시에 적응형 조명 시스템의 추가 발전을 가능케 했다.
헤드램프 기술은 능동 안전 시스템과 통합되어 보다 안전한 운전 환경을 제공한다. CAL(curve adaptive lighting), 리어 조명용 PBLWS(progressive brake light warning systems), 적외선 및 자외선으로 다양한 조사 파장을 활용하는 VES(vision enhancement systems), 완전 능동 및 수동 NVS(night vision systems) 등의 혁신은 도로교통 사고를 줄이고 운전 환경을 보다 안전하게 하는데 일정 부분 기여하고 있다.
기본 구성과 헤드램프 및 리어램프 조명, 그리고 풀 및 하향 빔(full and dipped beam)을 위한 변형에 대한 최소 표준을 관장하는 사용 규정 외에, 자동차 조명 분야는 상대적으로 규제가 덜 까다로운 분야였다. 그러나 많은 유럽 국가에서 DRL(daytime running light)의 의무 장착을 결정하는 등 점차 까다로운 규정이 만들어지고 있다. 이것은 고효율 장수명 LED 및 첨단 조명 기술의 수요를 촉발시킴으로써 수명이 보다 짧은 기존 전구의 애프터마켓은 점차 축소될 것으로 예상된다. 그러나 많은 시장에서 이 효과는 여전히 다소 요원하며, 최근에는 차량 소유자들이 차량에 개인성을 추가하고 조명을 향상시킬 수 있는 개조 ‘조명 향상’ 시장이 각광을 받고 있다.

안전성
자동차 사고의 약 40%는 심야에 발생하는 것으로 나타났다. 미국 교통부(DOT)의 연구에 따르면, 미국 도로 위 사망사고의 20% 이상이 교통량이 일일 교통량의 단 2.4% 수준인 자정부터 오전 6시 사이에 발생한다. 유럽도 별반 다르지 않다. 이 수치는 야간이나 조명 환경이 제한적인 곳에서 발생하는 사망사고의 최소 30%에 해당한다.
안전은 자동차 외부 조명 개발에 있어서 중요한 요소이다. 할로겐에서 운전자에게 향상된 비전을 제공하는 HID로 진화된 헤드램프 기술, 교통 혼잡 상황에서 뒤따르는 운전자에게 가치 있는 정보를 제공하는 CHMBW(centre high-mounted  brake warning) 램프 등의 기술, 조명의 ‘수동 안전’ 특성과 함께 센서 기술과 조명을 운전 상황에 적응시키는 기능의 통합은 안전성의 추가 향상에 기여하고 있다.
가시광선 기술 외에 심야 비전 시스템을, 특히 장해물 인식 기술과 통합 시 사고방지에 매우 중요한 역할을 한다. 후방 조명의 경우, PBLWS(Progressive brake light warning system)가 추돌사고 감소에 중요한 역할을 한다. 미국의 오스람 실버니아(OSRAM Sylvania)가 수행한 조사에 따르면, 응답자의 약 51%가 심야운전 시 시야 확보의 개선을 희망하고 있는 것으로 나타났다. 그리고 다섯 명 중 한 명은 심야운전을 피하는 것으로 조사됐다. 이처럼 심야 운전은 대다수의 운전자에게 큰 스트레스를 주고 있다. 운전자가 몇 가지 주의 수단을 이용할 수만 있다면, 심야운전 중 가시성이 향상되어 안전운전에 크게 기여할 수 있을 것이다.

에너지 효율
경제성 및 환경보호 측점에서 에너지 효율은 오늘날 자동차 기술 발전의 주요 동인이 되고 있다. HID 헤드램프는 약간의 효율 향상을 가져왔으나, 적응형 헤드라이트(curve adaptive lighting)의 기계적 향상 및 센서와 다양한 시스템 통합 수준은 이러한 효율 이득을 대폭 상쇄시킬 것이다. 그러나 고휘도 LED(HB-LED)의 사용 증가는 기존 조명에 비해 상당한 에너지 절약을 달성할 수 있으며, 이 기술은 물리적으로 헤드램프 내의 구성품을 이동하지 않고 다양한 헤드램프 패턴의 구현을 가능케 한다. 고휘도 LED의 광 출력은 100 lm/W라는 중대한 시점을 이미 초과했다. 일부 제조업체들은 이미 실험실 수준에서 200 lm/W를 달성했다고 주장하고 있다.
운영비 측면에서, LED 조명은 기존 전구에 비해 상당한 절감효과를 가져온다. DRL의 구현은 에너지 효율 측면에서 LED의 중요성을 배가시킨다. 마그네티 마렐리 그룹의 자회사로 연간 2,000만 유닛의 헤드램프를 생산하는 오토모티브 라이팅(Automotive Lighting)에 따르면, DRL에 LED 사용 시 7.5g CO2/km가 줄어든다. 램프당 소비전력은 약 7 W이다.

“ LED 조명은 기존 전구에 비해 상당한 절감효과를 가져온다. DRL의 구현은 에너지 효율 측면에서 LED의 중요성을 배가시킨다. 마그네티 마렐리 그룹의 자회사로 연간 2,000만 유닛의 헤드램프를 생산하는 오토모티브 라이팅(Auto
motive Lighting)에 따르면, DRL에 LED 사용 시 7.5g CO2/km가 줄어든다. 램프당 소비전력은 약 7 W이다.”

설계 기회
LED 기술은 최근에야 자동차 제조업체들이 원하는 비용 대비 성능 비가 맞춰졌으나, 초기에는 LED가 제공하는 설계 기회에 의해 견인됐다. 제조업체들은 브랜드 시그니처로서 조명 모듈 설계를 사용하기 시작했으며, 상위 부문 모델의 초기 채택 비용을 상쇄하는 LED 기술에 마케팅 가치를 두기 시작했다.
이전 조명 광원과 달리, LED는 이전에는 가능하지 않았던 다양한 구성에 사용할 수 있으며, 시각적 차별화를 제공한다. 어떤 경우, 특히 DRL과 관련된 조명 패턴은 모델 시그니처 및 브랜드 이미지에 있어서 시각적 특성의 중요 요소가 되기 시작했다. 이러한 방식의 최근 예로는 볼보 V60 컨셉트가 있으며, 이 차는 볼보의 스칸디나비아 전통을 반영하기 위해 바이킹 대형 보트를 연상시키는 헤드램프 클러스터를 사용했다. 볼보의 LED 사용은 컨셉트 단계이지만, 혼다 Acura MDX 크로스오버 차량은 차량 브랜드를 리어 테일 조명 구성으로부터 식별이 가능토록 하여 LED 조명이 브랜드 이미지를 향상시킬 수 있는 방법을 보여주는 한 예라고 할 수 있다.
백색 HB-LED 기술이 헤드램프 및 CAL, AFL 시스템을 통해 구현됨에 따라 새로운 설계 가능성이 계속 현실화되고 있다. 이는 안전성 향상에 대한 관심으로 고가의 옵션을 구매하려는 소비자 의사와 실제 비용 경쟁력을 갖추기 전의 신기술 도입을 뒷받침하고 있다.
발레오 등 조명 서플라이어들은 브랜드 차별화를 위한 스타일링이 자동차 제조업체들의 첨단 조명 시스템 채택의 중요 요소 중 하나가 될 것으로 기대하고 있다. 아우디 R8은 로우빔, 하이빔, 턴 신호, DRL 및 위치등을 포함하여 헤드램프의 전체 조명 기능이 LED 기술로 실현된 최초의 자동차다. 아우디 R8의 풀 LED 헤드램프의 DRL 설계 구조는 헤드램프의 곡선형 하부 컨투어(contour)를 강조하며, 그 자체를 확실한 스타일 요소로서 제시한다. 윙 컨투어는 점등 스위치가 조광 성능이 줄어든 상태로 DRL 또는 위치등으로 켜질 때 조사된다. 근거리에 배치된 24개의 백광 LED는 균일한 외형을 제공한다. LED 턴 신호와 함께 DRL의 광 밴드는 헤드램프의 프레임을 구성하고 3차원 조사 조형을 형성한다. 로우빔 모듈의 설계 구조는 자연스럽게 모델링 되어 솔방울을 연상시킨다. 이 예는 LED 클러스터의 설계 가능성을 보여준다. 또한 ‘시그니처’ 설계 구조는 헤드라이트 및 DRL 이상의 가능성을 제공한다.

제논 HID 시스템
HID의 할로겐 대체는 수 년 동안 장기 트렌드로 자리잡고 있으며, 그 기술은 할로겐보다 상당히 우수한 가시성을 제공한다. 그러나 청색/백색 조명이 제공하는 향상된 안전성에도 보급 속도는 상대적으로 느리게 진행되고 있다. 오스람 실버니아에 따르면, 2007년 신차의 약 22%만 제논 HID 헤드라이트를 탑재했으며 2015년에도 신차의 경우 38%만 표준 또는 선택사양으로 탑재될 전망이다. OEM들이 풀빔 LED 기술을 지향함에 따라, HID 수요가 획기적으로 증가할 것으로 보이지는 않는다.
상대적으로 선택사양으로서 제논 HID 시스템의 적용률이 낮은 이유는 부분적으로 고가의 옵션 패키지에 포함되는 경향이 있기 때문이다. 미국 시장의 주요 우려사항은 HID 조명으로부터 번쩍임과 관련이 있다. 도로면의 먼지 및 그리스에 의해 악화될 수 있다. 미국 도로교통안전국(NHTSA)은 몇 년 전 운전자들로부터 HID 조명을 이용하는 반대편 차량에 의한 눈부심에 대해 1,000건 이상의 클레임을 접수받았다. 연구결과에 따르면, HID 조명에 의한 순간적 시력 상실에 대한 안전문제는 그다지 없었으나 반대편 차량에 대한 짜증의 원인이 되고 있음을 알 수 있었다. HID 램프는 할로겐 조명의 약 3배에 달하는 조명 출력을 발생하며, 그 빔 패턴은 향상된 거리 비전과 보다 향상된 주변 시야를 제공한다. 조명 출력의 색상 또한 도로표지판 및 마킹 등 선명도 코팅제에 대해 보다 나은 가시성 결과를 제공한다.
실제로 제논 전구에 의해 발생하는 청색/백색 조명은 자연 조명과 거의 비슷한 반면, 할로겐전구는 황색광을 발생시킨다. 광원의 조명 색상은 색상 온도(K)로 측정된다. 색상 온도가 높을수록 백색광에 가깝다.
자연 일광 = 4,500 ~ 5,000 K
제논 헤드라이트 = 4,000 ~ 4,500 K
할로겐 헤드라이트 = 3,200 K (낮음)

실제 연구결과에 따르면, HID 조명을 이용하는 자동차 운전자는 할로겐 조명 이용 운전자보다 27~46미터 앞에서 위험을 감지할 수 있어 안전성 측면에서 상당한 장점이 있다. 또한 제논 HID 조명은 보다 밝은 광원을 제공하고 일반적으로 수명이 약 3배에 달하는 전구를 이용함에도 할로겐 조명보다 전력을 덜 소비한다.

LED 기술
자동차 시장은 수년 동안 신뢰성, 외형, 기능성 및 효율성이 뛰어난 LED 조명을 지향하는 트렌드가 형성되고 있다. LED 신호용 조명은 주요 시장에서 크게 각광받고 있으며, LED 헤드램프의 수요는 가히 폭발적이다.
미시간 수송연구대학(University of Michigan Transportation Research Institute, UMTRI) 연구팀이 발표한 논문에 따르면, 현 세대의 LED를 이용한 전체 LED 시스템은 기존 시스템보다 전력을 약 50%(밤)에서 75%(낮)까지 저감할 수 있다. LED 시장 선도업체인 오스람에 따르면, 닛산 LEAF의 외장 조명 시스템에 LED를 사용하면 야간에 주행거리를 9 km까지 연장할 수 있다. LEAF는 발레오와 그 일본 파트너 사인 이치코(Ichikoh, 市光)의 LED 시스템을 사용한다. 또한 오스람은 기존 차량의 효율을 높이기 위해 엔진 스톱/스타트 메커니즘을 적용한 마이크로 하이브리드 또는 마일드 하이브리드 카가 저출력 모드 및 스타트업 시 전력 인출 및 배터리 드레인을 줄이고 조명 출력을 높임으로써 LED 조명으로부터 큰 이득을 취할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 전력 절감의 예는 2010 포드 머스탱에서 찾아볼 수 있다(리어 조명의 전력 소비가 표준 백열전구에 비해 87% 감소).
조명 전력 소비가 줄면 발전기의 부하가 줄어들고, 이는 연료효율 이득 및 CO2 배출 저감으로 직결된다. 이에 따라, 연간 39리터의 가솔린을 절약하고 93 kg의 CO2배출을 줄일 수 있었다고 한다. 기존 차량의 경우에도 28 W LED 시스템은 단 196 g/100 km의 이산화탄소를 배출하는 것으로 나타났다(기존 110 W H7 할로겐전구의 경우 768 g/100 km).
이처럼 LED 조명은 연비 및 배출가스 관련해서 가장 유력한 기술 중 하나로 꼽히고 있다. LED 조명은 실내조명에서 현재 헤드라이트까지 확대 적용되고 있다. 오스람 실버니아는 보다 복잡한 헤드라이트 애플리케이션을 지향하면서 모듈형 플러그앤플레이 유닛을 제조하고 있다. 오스람의 Joule은 LED가 보다 효율적이고 콤팩트하긴 하지만 기존 광원만큼 사용이 쉽지 않다는 데 착안하고 있다. 사실 LED는 별도의 열관리 및 광학적 처리가 필요하다. 플러그앤플레이 패키지는 이를 단순화할 수 있다.
모듈형 플러그앤플레이는 2000년대 중반에 최초로 도입됐다. 오스람은 현재 다른 요건을 충족하기 위해 전방 조명 포트폴리오를 개발하고 있다. 폭스바겐은 L1 콘셉트의 로우빔에 오스람 LED 전방 조명을 사용했으며, 현재 Joule JFL2 2세대 헤드라이트 광원을 양산하기 시작했다.
이 애플리케이션은 하이빔 및 로우빔, 안개등, DRL 그리고 차량 제조업체가 설정하는 기타 애플리케이션 등의 조명 기능을 포함한다. 2세대 솔루션은 14 W의 전력을 사용한다. 오스람은 2020년까지 신차의 25%가 LED 헤드라이트를 탑재하고 약 50%가 LED 후방 조명을 탑재할 것으로 예상하고 있다.
오스람의 오스타 헤드램프(Ostar Headlamp) LED는 자동차 산업 최초의 형광층 전송(phosphor layer transfer)을 포함한 ThinGaN LED를 사용한다. 이 헤드램프는 조명 출력을 제어하기 위한 통합 셔터 기능이 적용되어 기계적 셔터가 필요하지 않고 기계적 셔터와 관련된 빛의 손실이 없이 도로에 명확히 정의된 적법한 빔 패턴을 투사한다.
오스타 헤드램프는 확장성 있게 설계되며, 따라서 전체 헤드램프 기능에 적용할 수 있다. 아우디 A8의 경우, LED는 야간 운전용 LED 헤드램프, DRL용 로우빔 광원, 그리고 고속도로 빔, 코너링 조명 및 전천후 조명(all-weather light) 등의 특수 조명 기능을 포함하여 풀 전방 조명 기능을 제공한다.
리어 램프 및 실내 자동차 조명에 적용되는 LED 솔루션의 가격은 백열전구 신호 기능에 비해 매우 높지만, LED의 장점은 자동차 제조업체들이 높은 개발 및 제조비용을 수용할 수 있을 만큼 충분하다는 평가다.
또한 LED의 긴 수명(일반적으로 LED 조명은 11.5년 이상의 이용 시간과 동일한 10만 시간 이상의 확고한 수명을 보장한다) 뿐 아니라, 브레이크 등을 위한 안전 기능으로써 빠른 응답시간(전구에 비해 약 75 ms 정도 응답시간이 빠르다), 그리고 낮은 소비전력, 새로운 스타일링 기회는 자동차 신호 기능에 LED를 적용하는 주요 이유가 되고 있다.

“ LED의 긴 수명(일반적으로 LED 조명은 11.5년 이상의 이용 시간과 동일한 10만 시간 이상의 확고한 수명을 보장한다) 뿐 아니라, 브레이크 등을 위한 안전 기능으로써 빠른 응답시간(전구에 비해 약 75 ms 정도 응답시간이 빠르다), 그리고 낮은 소비전력, 새로운 스타일링 기회는 자동차 신호 기능에 LED를 적용하는 주요 이유가 되고 있다.”

새로운 과제
LED 헤드램프가 고급차를 중심으로 빠르게 확산되고 있는 가운데 새로운 엔지니어링 과제를 던져주고 있는 것도 사실이다. 현재까지 많은 자동차 모델이 주행 조명용 LED 헤드램프를 탑재했으나, 풀 LED 헤드램프는 여전히 많은 엔지니어링 이유로 달성이 어려운 실정이다. 먼지, 습기, 기계적 충격, 약 90 ℃의 주변온도는 LED에 나쁜 영향을 미친다, LED는 고온에서 열화됨으로써 고전력 LED 패키지에 냉각이 필요하다. 또한 할로겐 또는 HID 램프와 같은 조명은 단일 광원을 사용하는 반면, LED는 도로에 충분한 밝기를 투사하기 위해서 하나 이상의 LED 패키지가 필요하다. 일반적으로 세 독립 광학 시스템이 사용된다. 조사 패턴의 하위 대칭부를 위한 것, 비대칭부를 위한 것, 그리고 차선 조사를 위한 핫스팟용이 그것이다.
LED 신호용 등화장치는 해결해야 할 단점에도 전구 솔루션에 비해 50% 이상의 에너지를 절약할 수 있다. 메카트로닉 구성품을 사용하지 않는 능동 조명 기능의 새 옵션은 LED 어레이를 사용하여 가능하다. 또한 일부 연구결과는 HID 램프와 동일한 인지 광도를 얻기 위해선 20% 적은 LED 광이 필요함을 보여주었다. 또한 수학 모델링 및 소프트웨어 알고리즘에 힘입어 기술자들은 현재 프리 폼 리플렉터, 그리고 광원에서 발생한 조명을 교통 공간의 특정부에 조사하는 렌즈를 개발할 수 있게 되었다.
고전력 LED 시장은 올해 120억 달러 규모를 달성할 것으로 예상되며 2015년까지 연평균 성장률 30.6%를 기록하면서 202억 달러 규모까지 확대될 것으로 전망된다. 이러한 성장률을 주도할 것으로 예상되는 주요 애플리케이션 영역은 차량 실내에 사용되는 LED이다. 하지만 이러한 성장률을 달성하기 위해 LED는 신뢰성 향상, 전력소모 절감, 보다 콤팩트한 폼팩터 뿐만 아니라 명암비, 색상 정확도 등을 개선해야만 한다.