레이저 헤드라이트란?

차세대 자동차 조명 기술은 레이저 헤드라이트가 될 수 있습니다. 일부 주요 자동차 제조자는 이미 레이저 헤드라이트를 사용하고 있습니다. 레이저 헤드라이트(또는 레이저 헤드램프)는 더욱 밝고 에너지 효율이 높으며, 운전자가 어두운 곳에서도 더 멀리 볼 수 있도록 하는 고급 헤드라이트 시스템에 속하므로 마주 오는 차량을 더 빨리 발견할 수 있습니다.

레이저 헤드라이트는 최신 헤드라이트 기술로, 할로겐 조명 및 제논 전구에서 발광 다이오드(LED)로 크게 발전해 왔습니다. 일부 차량에서는 내부 및 외부 조명 전체에 LED 조명이 적용되었습니다.

레이저 헤드라이트는 고급 헤드라이트 시스템으로, 레이저 광원에서 나오는 청색 레이저 다이오드를 황색 형광체 표면의 렌즈에 집중시켜 밝은 빛을 생성합니다.

일부 조명 장치에는 적색 형광체를 사용할 수도 있지만, 헤드라이트에는 일반적으로 황색 형광체가 사용됩니다. 청색 레이저는 거울 시스템에 초점을 맞추도록 배치되어 모든 레이저 에너지가 황색 형광체 표면에 집중됩니다.

이 과정은 유도 방출 원리에 따라 작동하며, 렌즈의 황색 형광체와 청색 광선이 결합하여 강렬한 백색광을 생성합니다. 백색광의 밝기와 특정 색상은 청색 레이저 광선과 황색 형광체의 비율에 따라 결정됩니다. 이 빛은 반사판을 통해 뒤쪽으로 비춰지고, 반사판은 다시 백색광을 헤드라이트 앞쪽 도로로 반사합니다. 레이저 헤드라이트의 높은 출력은 야간 운전 시 운전자의 반응 시간을 단축시키므로 더욱 안전한 운전이 가능해집니다.

레이저 헤드라이트는 자동차 제조자들이 기대했던 만큼 보급되지는 않았지만, 이미 몇 가지 사용 사례가 있습니다. 실제로 BMW, Audi 등 주요 자동차 제조자에서 이미 사용하고 있습니다.

대규모 도입을 가로막는 경제적 장벽 외에도, 예상보다 보급이 더딘 데에는 두 가지 주요 이유가 있습니다. 첫 번째 이유는 미국 연방 자동차 안전 기준 108의 도입입니다. 이 기준은 미국에서 판매되는 차량의 헤드라이트 전력을 총 15만 칸델라로 제한했습니다. 유럽에서는 최대 43만 칸델라까지 허용되어 미국 시장에의 도입이 저해되고 있습니다.

두 번째 이유는 2022년 미국에 도입된 어댑티브 드라이빙 빔(ADB) 헤드라이트입니다. ADB 헤드라이트는 기존 LED 기술을 활용하여 표준 LED 헤드라이트보다 훨씬 높은 정확도로 빛을 제어할 수 있는 간편한 대안을 제시했습니다.

어댑티브 LED 헤드라이트에는 마이크로미러 또는 미세전기기계 시스템(MEMS)과 같은 부품이 필요하기 때문에 일반 LED 헤드라이트보다 구조가 복잡하지만, 기존 LED 헤드라이트와 함께 사용하기에 안전하고 용도도 넓습니다. 레이저 헤드라이트는 더 밝은 빛을 제공하지만, 새로운 헤드라이트 설계는 밝기를 최대한 높이는 것보다는 광선을 제어하는 데 중점을 두고 있습니다.

하지만 레이저 헤드라이트는 현재 모든 차량에 적용하여 성능 개선의 이점을 누리기에는 가격이 너무 비싸기 때문에 고급 차량에만 탑재되고 있습니다.

현재 레이저 헤드라이트는 상향등으로만 사용되고, 하향등으로는 기존 LED 헤드라이트가 사용됩니다. 레이저 헤드라이트는 일정 거리 내에 차량이 없고 특정 속도(약 72km/h 또는 45mph)에 도달했을 때만 켜집니다. 따라서 현재 레이저 헤드라이트는 LED 조명과 혼합하여 사용되고 있지만, 향후에는 하향등과 상향등 모두에 레이저를 사용하는 헤드라이트가 개발될 가능성도 있습니다. 다만, 하향등에는 저출력 레이저가 사용되어야 할 것입니다.

헤드라이트 외에도 레이저는 현재 LED 조명처럼 차량 내부와 외부의 다양한 자동차 조명 응용 분야(근거리 프로젝터, 유리 디스플레이, 미관 조명 등)에 활용될 수 있습니다. 이러한 조명 방식은 정색 레이저 광이 황색 형광체 재킷이 있는 광섬유를 따라 통과한다는 점에서 기존 방식과 약간 다릅니다. 따라서 레이저가 광섬유를 따라 통과하면서 광섬유를 따라 백색 빛이 생성됩니다.

로터스 Theory 1 전기차(EV)와 같이 레이저 조명을 여러 기능에 사용하는 콘셉트 차량이 개발되었습니다. 이 자동차는 Kyocera와 공동 개발되었으며, Kyocera는 Kyocera의 초발광 다이오드(SLD) 레이저를 차량 내부 및 외부 조명에 사용했습니다. 백색 헤드라이트 외에도 광섬유에 연결된 레이저를 사용하여 차량 내부의 시그니처 조명을 구현했으며, 차량 후면에는 적색 레이저 테일라이트도 장착되었습니다.

레이저 헤드라이트는 기존의 자동차 조명보다 훨씬 발전된 시스템입니다. 하지만 여러 장점이 있음에도, 자동차 산업에서 널리 채택되는 데에는 여전히 몇 가지 한계점이 존재합니다.

레이저 헤드라이트의 장점:

• 차량 전방 최대 800미터(0.5마일)까지 시야를 확보하여 운전자의 반응 시간을 단축합니다.
• 다른 자동차 헤드라이트보다 에너지 소비량이 적어 에너지 효율이 뛰어납니다.
• 기존 헤드라이트 기술보다 적은 전력으로 훨씬 높은 루멘(광량)을 구현하여 에너지 소비를 줄입니다.
• 다양한 디자인으로 오늘날 LED 기술처럼 여러 종류의 자동차 조명에 적용할 수 있습니다.
• 약 10,000시간의 긴 수명을 제공합니다.
• 기존 LED 기반 헤드라이트 시스템에 통합할 수 있습니다.
• LED 요소의 1/100 크기로 컴팩트해서 디자인 유연성이 뛰어나 고급 차량에 뛰어난 미적 요소를 가미할 수 있습니다.

레이저 헤드라이트의 한계:

• LED 및 기타 자동차 조명 기술에 비해 가격이 높습니다. 현재 LED 기술보다 3~4배 비쌉니다.
• 레이저 광선으로 인한 눈부심을 방지하기 위해 고도의 안전 기능이 필요합니다. 이는 도로 주행에서의 운전자 및 제조 환경에서 헤드라이트를 다루는 여러 사람 모두에게 적용됩니다.
• 도로에서 안전한 작동을 보장하기 위해 고급 센서가 필요하므로 비용이 더욱 증가합니다.
• 레이저 헤드라이트를 공급하는 제조자 수가 제한적입니다.
• 2000루멘 이상의 헤드라이트에는 워셔가 필요하기 때문에 더 많은 부품이 필요합니다. 레이저 헤드라이트뿐만 아니라 모든 고출력 헤드라이트에 해당되지만, 레이저는 더 높은 광량을 더 자주 발생시킬 가능성이 높습니다.
• 차량에 필요한 밝기에 따라 제한될 수 있으므로 많은 자동차 제조자에서 추가 비용을 허용하지 않아 LED 기술이 계속 선호되는 옵션이 될 수 있습니다.
• 다른 헤드라이트보다 더 복잡한 기술이 적용됩니다.
• 어댑티브 헤드라이트와 같이 다양한 방식으로 지속적으로 개발 및 혁신되고 있는 기존 LED 기술과 경쟁해야 합니다.
• 특정 속도 이상으로 주행하거나 특정 주행 조건이 아니면 작동할 수 없습니다.
• 규제 요건으로 인해 레이저 헤드라이트의 도입이 더딜 것으로 예상됩니다. 

레이저 헤드라이트의 장점과 한계점 중 상당수가 현재 신차에 적용되는 표준 기술인 LED 헤드라이트에 대한 직접적인 대응책으로 제시되었지만, 아래 표는 두 조명 기술의 주요 차이점을 보여줍니다.

레이저는 복잡한 광원이므로 레이저 자체, 레이저의 특성, 다이오드로부터의 전파, 차량 환경에서의 레이저 사용을 시뮬레이션하려면 여러 툴을 결합해야 합니다. 레이저가 특정 속성을 가진 일관된 광원이므로 전체 시스템으로 시뮬레이션해야 하기 때문입니다. Ansys에서는 아래에 설명된 대로 레이저 헤드라이트의 동작 및 성능을 분석할 수 있는 다양한 광학 및 비광학 시뮬레이션 툴을 제공합니다.

Ansys Lumerical FDTD 고급 3D 전자기 FDTD 시뮬레이션 소프트웨어: 레이저 빔 자체의 속성을 파악하고 구성 요소 및 더 넓은 시스템 수준에서의 속성을 고려하기 전에 빔의 광학적 특성을 모델링하는 데 사용됩니다.

Ansys Zemax OpticStudio 광학 시스템 설계 및 분석 소프트웨어: Ansys Lumerical 소프트웨어에서 개발된 레이저 빔을 사용하여 다이오드와 헤드라이트의 작동 및 동작을 구성 요소 수준에서 평가하여 적절한 성능과 도로 투사 거리를 확보하고 헤드라이트의 빛이 예상대로 작동하는지 확인합니다.

Ansys Speos CAD 통합 광학 및 조명 시뮬레이션 소프트웨어: Ansys Lumerical 및 Ansys Zemax OpticStudio 소프트웨어의 데이터를 통합해서 다양한 주행 시나리오를 고려한 시스템 수준에서 레이저 헤드라이트의 동작을 시뮬레이션하여 규정을 준수하는지 확인합니다.

Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석 소프트웨어 및 Ansys Icepak 전자 장치 냉각 시뮬레이션 소프트웨어: 정상 작동 중에 레이저에서 발생하는 열을 측정하여 열이 작동 문제 또는 구성 요소 손상을 일으킬 만큼 높지 않은지 확인하는 데 사용됩니다.

Ansys AVxcelerate Headlamp 자동차 헤드램프 테스트 소프트웨어: 다양한 실시간 주행 시나리오에서 헤드램프의 작동 방식을 시뮬레이션하고 테스트하는 데 사용됩니다.

레이저 헤드라이트는 처음 예상했던 것만큼 널리 보급되지는 않았지만, 향후 개발에 대한 관심은 여전히 높습니다. 시뮬레이션을 활용하여 더 저렴하고 성능이 뛰어난 레이저 헤드라이트를 개발하는 방법을 알아보려면 지금 Ansys 기술 팀에 문의하십시오.

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