LED headlamp의 광학 해석 및 배광 특성 분석 = Optical simulation and analysis of LED headlamp

국문 초록 (Abstract)

차량용 헤드램프는 과거 단순하게 운전자의 시야를 확보해주는 수동적인 역할을 벗어나 현재는 미리 사고를 예방하는 능동적 안전시스템으로 진화하고 있다. 그에 따라 운전자에게는 시야를 제공하는 동시에 다른 사용자에게는 눈부심을 주지 않도록 설계하는 것이 관건이다. 여전히 할로겐 램프가 가격과 내구성 측면의 강점으로 헤드램프 시장에서 차지하는 비중이 높지만, 앞으로는 차츰 그 위상을 잃을 것으로 보인다. 벤츠의 LED 헤드램프를 시작으로 현재 많은 차량에 LED헤드램프가 적용되고 있으며 Laser를 장착한 헤드램프까지 출시되고 있다. 더군다나 DRL의 법제화에 따라 LED의 사용은 더 증가할 것으로 예상된다. 이번 논문에서는 광학 시뮬레이션을 통해 할로겐 램프 대비 LED 광원의 성능에 대해서 알아보고 이륜차용 LED headlamp를 설계했다. 배광분포 결과를 보면 25벽면 조도 상에서 x,y좌표 (-780,-580)에서 최대 13lux를 가지는 것을 확인하였다. Photometric 결과에 ECE R113을 적용하면 High beam은 법규를 만족하지만 Low beam은 그림[]의 4점에서 법규를 불만족하는 것으로 나타난다. 2D 15L과 15R은 550[cd]보다 커야 하지만 338[cd], 352[cd]로 측정되고 4D 20L과 20R은 목표값 150[cd]에 미치지 못하고 113, 112[cd]를 가진다. 즉, 수평방향으로 더 넓은 배광분포를 가지도록 개선이 필요하다. 개선 방향으로는 glass를 사용한 inner lens와 Polycarbonate의 outer lens의 굴절율 조절, 타원형 리플렉터의 곡률 파라미터 조정 등의 방법이 있다.
수은을 사용하지 않는 친환경 광원으로써 많은 분야에서 사용되고 있는 LED는 과거 계기판 조명이나 외부 시그널 램프에서만 쓰이던 한계를 벗어나 현재는 할로겐 램프를 대신하여 전조등에 적용되고 있다. 차세대 광원으로 각광받는 만큼 많은 회사가 차량용 LED제품을 판매하고 있다. 광속, 전력, 패키지의 형태 등 LED를 선택하는 기준 역시 다양한 만큼, 이에 맞춰 광학계를 설계하는 역량이 필요하다. 추후 연구를 통해 수평방향으로 더 넓은 배광 패턴을 가지도록 개선시킨다면 LED에 적합한 설계기술이 확보 될 수 있을 것으로 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Vehicle headlamps are now evolving into an active safety system that simply prevents accidents from happening in the near future and is out of the passive role of providing the driver with vision. As a result, it is important to design solutions to provide the driver with vision while not giving the other user glare. Halogen lamps still dominate the headlamp market for their price and durability, but are likely to lose their status in the future. Starting with Benz's LED headlamp, LED headlamps are currently being applied to many vehicles and even laser-equipped headlamps are being introduced. Furthermore, the use of LEDs is expected to grow further as DRL are legalized.
In this paper, the photometric distribution of the three headlamps was confirmed and their characteristics analyzed.
As the next generation of light sources is popular, many companies are selling LED products for automotive. The criteria for choosing LEDs, including flux, power, and type of package, are also diverse and therefore the ability to design an optical system is necessary. Further study and improvements would ensure appropriate design techniques for LEDs.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 2
• 1. 조명광학 2
• 가. 조도 2
• 나. 광도 2
• 다. 광속 2
• 라. 휘도 2
• 2. 빛의 투과와 반사 3
• 3. 광원 4
• 가. 할로겐 램프 4
• 나. LED 4
• 4. 차량용 조명의 광학계 5
• 가. Reflector 타입 5
• 나. Projection 타입 9
• 5. 배광법규 11
• Ⅲ. 시뮬레이션 14
• 1. 리플렉터 타입 14
• 가. 할로겐 적용 14
• 나. LED 적용 16
• 2. 프로젝션 타입 19
• 가. 할로겐 적용 19
• 나. LED 적용 21
• 3. 이륜차용 LED headlamp 23
• 가. 3D 모델링 23
• 나. 컷오프 쉴드를 이용한 배광분포 형성 26
• 다. High beam, low beam 결과 27
• Ⅳ. 결과 29
• 참고문헌 31
• ABSTRACT 32