1. 서론
최근 자동차용 전조등 개발은 안전성에 큰 비중을 둔 지능화된 전조등 개발이 전 세계적으로 활발히 이루어 지고 있다. 도로 곡률 및 주변 환경에 따라 빔 패턴을 변화시켜 안전성 및 편의성을 향상시켜 주는 조명가 변형전조등 시스템(Adaptive Front Lighting System)의 경우는 이미 많은 완성차 메이커에서 적용을 하고 있으며, Smart Light라고 불리는 Glare Free Light나 Adaptive Driving Beam의 경우 야간 주행 시 운
전자의 시야는 최대한 확보하면서 선행차량이나 대향차량 운전자에게는 눈부심을 발생시키지 않는 지능화된 차량용 전조등으로 많은 업체에서 개발을 진행 중에 있다.

글 / 이태원, 박인흠 (현대모비스)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2011년 7월호

이런 전조등의 공통점은 광학모듈에서 쉴드를 이용하여 빔 패턴을 변화시킴으로써 그 기능을 구현한다.

이러한 기능을 하는 쉴드를 구동하기 위해서는 Actuator나 Motor 등과 같은 기계적인 장치가 필요하다. 그러나 DMD(Digital Micro-mirror Device)를 이용한 전조등의 경우 DMD의 Micro Mirror를 전자 신호를 통해 작동시켜 조명가변형전조등의 빔 패턴 구현뿐만 아니라 Glare Free Light의 기능까지 구현할 수있다. 이는 전자 신호에 의해 움직임으로써 기계장치에 비해 정확한 제어가 가능하고, 노면에 차량의 정보까지 조사할 수 있다는 장점이 있다.

2. DMD 소개
Digital Micro-mirror Device(DMD)는 TI사에서 MEMS 기술을 이용하여 개발한 광반도체 소자이다. Mirror가 집적되어 있는 크기에 따라 수십만 개의 Micro Mirror가 정렬되어 있으며, 광원에서 입사된 빛을 반사시키는 역할을 한다. <그림 1>은 0.7인치 DMD의 구조를 나타낸 그림이다.

DMD는 광원에서 입사된 빛을 Micro Mirror가 반사를 시키는 역할을 하며, 수십만 개의 Mirror가 각각 +12도, -12도의 각도를 가지고 Tilting하는 조건을 가지고 있는데, 이를 각각 On State, Off State라고 부르며, 일반적으로 On State가 되는 빛을 이용하여 광학계를 구성하며, Off State가 되는 빛은 Light Dummy로 소실시킨다. <그림 2>는 DMD에 빛이 입사되는 조건을 나타낸 그림이다. <그림 2>에서와 같이 +12도로 반사된 빛은 광학계를 거쳐 스크린에 결상, 즉 노면에 조사되게 되며, -12도로 반사된 빛은 Light Dummy에 의해 흡수되게 된다. <표 1>은 0.7 인치 DMD의 일반 사양이다.

3. DMD를 이용한 광학계 설계
DMD 결상광학계를 설계하는데 있어서 중점으로 고려해야 할 설계 조건은 광학계를 거친 빛이 스크린에 비춰졌을 시에 선명한 상이 구현될 수 있도록 렌즈 설계가 이루어져야 한다는 것이다. 이런 광학계를 위해서는 DMD의 Mirror들과 스크린이 1 대 1 매칭이 되도록 광학계가 구성이 되어야 한다. 이러한 광학계는 일반적으로 차량용 전조등에 적용되는 프로젝션 광학계와는 차이를 보인다.

일반적인 차량용 전조등은 결상을 시키는 개념이 아닌 단순 조사를 시키는 조명의 개념으로 설계된 것이다. 따라서 결상을 시키는 광학계를 설계하기 위해서는 렌즈들의 조합을 통한 방법이 이루어져야 하며, 이는 카메라나 빔 프로젝터 등에 사용되는 광학계 설계 방법을 적용하게 된다. <그림 3>은 설계된 렌즈 구성도이다.

설계된 렌즈들은 수차 보정, 중심부 광도 증가,확산각 증가 등의 기능을 종합적으로 수행하고 있으며, 모두 6개의 구면렌즈가 적용되었다. 광원은 D1S HID 광원을 적용하였으며, DMD로 입사되는 빛을 모으기 위해서 타원 반사경을 이용하였다. 또한 DMD로 입사되는 빛의 각도 조건을 만족시키면서 효율을 올리기 위하여 Folding Mirror를 사용하여 조건을 만족시켰다. Folding Mirror와 동일한 역할을 하는 부품으로 전반사 프리즘이 있으나, 그 가격이 높고 무게도 무거우며, 가공이 쉽지 않으며, 전반사 각도조건 이상의 빛은 사용하지 못하는 단점이 있다.

일반적으로 사용되는 Light Dummy는 렌즈를 감싸는 구조물로 대체하였으며, Folding Mirror는 별도의 구조물위에 접합시키고 하단부에서 스프링 및 볼트를 이용하여 위치 조정이 가능하도록 설계되었다.

4. 다양한 빔 패턴 구현
<그림 4>는 DMD 전조등에서 조사된 다양한 빔 패턴 사진이다. 조명가변형전조등의 빔 패턴인 Class C(일반국도용 하향등), Class V(도심지용 하향등), Class E(고속도로용 하향등) 뿐만 아니라 Glare Free Light의 빔 패턴까지 구현됨을 알 수 있다.

<그림 5>는 개발된 DMD 전조등을 통하여 스크린에 조사된 차량 정보의 사진이다. 차량에서 CAN 통신을 이용하여 전달받은 신호를 DMD Micro Mirror 제어를 통하여 구현을 하였다. 그 예로 방향지시등, 경고등, Paring Brake, 과속방지턱, 연료게이지, 제한속도 등을 구현하였다. 본 연구에서 개발된 DMD 전조등은 위에서 소개된 다양한 빔 패턴 뿐만 아니라 배광 법규 또한 만족할 수 있도록 설계, 개발되었다. <그림 6>은 본 DMD 전조등의 노면 성능을 나타낸 그림이다.

5. 결론
DMD를 이용한 차량용 전조등 개발을 통해 전자신호에 의해 제어 가능한 Pixel Light의 가능성을 확인할 수 있었으며, 그 결과 다양한 빔 패턴과 차량정보를 도로상에 구현할 수 있음을 알 수 있었다. 최근 유럽에서는 DMD 뿐만 아니라 Multi Array LED를 이용한 Pixel Light도 개발이 진행중에 있다. 이러한 시도들은 야간 운전 시 운전자와 대항차 운전자, 보행자의 안전성을 향상시키기 위한 지능형 전조등의 일환으로 개발 되고 있으며, 이는 차량용 전조등이 더 이상 편의장치가 아닌 안전장치로써 자리를 잡아가고 있음을 대변해 주는 일들이라 할 수 있겠다.

국내에서도 완성차 메이커와 램프 부품업체들이 힘을 합쳐 이런 지능형 전조등 및 후미등 개발에 힘을 쏟고 있으며, 그 결실들이 조만간 가시화 될 것으로 예상된다. 또한 전자부품과의 결합을 통한 전조등 개발 시도들이 활발히 이루어 지고 있으며, 영상이나 멀티 부품과의 조합도 시도되고 있다. 이러한 모든 시도들과 노력들이 좋은 결실을 맺어 세계 속에 이름을 떨칠 수 있을 날을 기대해 본다.