여러분이 휴대용 CD 플레이어를 가져본 적이 있다면, CD가 긁히거나 더러워지는 경우 CD 플레이어가 곡을 건너뛰었던 경험이 있을 것다. 또는 VHS 테이프가 제대로 감기지 않거나, 테이프의 열화 및 낮은 이미지 품질과 같은 문제를 경험해 보셨을 수도 있다. 이러한 복잡한 기계적 저장 방식은 플래시 메모리는가 경제적인 반도체 솔루션을 제공하게 되면서 더이상 필요하지 않게 되었다.
자동차 제조사들은 현재 소형 와이퍼, 스프레이 제트, 가압 공기 등의 시스템을 통해 카메라와 센서를 청소하는 최적의 방법을 해결하기 위해 노력하고 있지만 이러한 솔루션이 보편화될 가능성은 낮다. 비싸고, 기계적으로 복잡하기 때문이다.
이런 경우에 대한 반도체 솔루션은 ULC(초음파 렌즈 세정, ultrasonic lens cleaning)로, 카메라와 센서를 위한 비용 효율적인 자가 세정 솔루션을 제공한다.
ULC에 대한 구조적 접근법은 렌즈의 크기와 소재만큼이나 다양하다. 반도체는 여기서 어떤 역할을 할까? 조금 더 간단하게 설명하기 위해, 일반적인 원형 카메라의 오염 물질로서 ‘물’을 예시로 살펴볼 수 있다. 물론 ULC가 여기에만 국한되진 않는다.
렌즈를 세정하려면 렌즈를 가로질러 시야각(FOV) 외부로 물을 이동시키는 힘을 생성하거나, 표면 장력보다 강한 힘으로 물을 원자화 지점까지 가속할 수 있다. 이전에 집필한 기술 원고, "초음파 렌즈 세정 기술이란? (What is Ultrasonic Lens Cleaning Technology?)"에 설명한 것처럼, ULC는 공명을 통해 ‘보강 간섭(constructive interference)’이란 개념을 활용한다. 이 개념은 미세 진동의 에너지를 물을 움직이거나 원자화할 수 있을 정도로 증폭시킨다. 소수성(hydrophobic) 및 친유성(oleophobic) 코팅은 렌즈의 극성을 줄여 ULC 시스템의 성능을 최적화하는 효과적인 방법이다.
작동
적절한 진동을 위해 액추에이터는 필요한 힘을 생성할 수 있어야 하고, 넓은 대역폭과 소형 폼팩터를 제공하며 비용 효율적이어야 한다. 흔히 피에조 변환기라고 하는 압전 액추에이터는 이러한 요구 사항을 충족하며 군사 및 차량용 애플리케이션에 사용할 수 있을만큼 충분히 안정적이다. 편광 피에조 물질은 도금 표면에 전압 전위를 적용할 때 모양이 변한다. 전위가 AC인 경우 피에조 소재는 AC 신호의 주파수에서 공명한다. 따라서 피에조 변환기는 ULC에서 진동을 생성하는 데 효과적인 액추에이터다. 그림 1 은 저속 동작에서 진동으로 작동하는 피에조 물질의 형상 두 가지를 보여준다.
그림 1: 저속 동작에서 작동하는 피에조 변환기의 형상
세정
간단한 접근법 중 하나는 렌즈를 고유 주파수 중 하나와 공명하여 일명 ‘모드’라고 하는 정재파(standing wave)를 생성한다. 이를 통해 표면의 높은 가속도가 물을 배출한다. 원형 유리 렌즈에서 직경 10mm - 40mm, 두께 0.5mm - 2mm의 모드를 생성하는 일반적인 주파수는 대개 20kHz와 100kHz 사이다. 공진 주파수는 오염물질에 따라 약간 변하기 때문에, 세정 주기는 렌즈의 고유 주파수를 중심으로 수 킬로헤르츠(kHz) 정도 스윕할 수 있다. 예를 들어, 고유 주파수가 30kHz인 경우, ULC 시스템은 적절한 세정을 위해 28kHz에서 32kHz로 스윕할 수 있다. 단일 모드 세정의 단점은 가속 구배가 있다는 것이다. 가속 지점이 낮으면 세정이 제대로 되지 않고 눈에 보이는 잔여물이 남을 수 있다. 그림 2는 단일 모드 세정 시스템의 시뮬레이션과 가속 구배를 보여 주며 이 단점을 보여준다.
그림 2: 단일 모드 세정 시스템 및 가속 구배 시뮬레이션
그림 3에 나와 있는 바이모달(bimodal) 세정은 연속 세정 주기에 따라 서로 다른 두 가지 정재파를 활용하는 진보적인 ULC 접근법이다.이러한 접근 방식은 빈틈 없는 세정을 위해 세정 효과가 거의 또는 전혀 없는 데드 스팟(dead spot)을 제거하는데 도움을 준다.
그림 3: 바이모달 세정 시스템과 가속 구배 시뮬레이션
또 다른 ULC 접근법은 유리 창을 직접 진동시키지 않는 표면 탄성파(SAW, surface acoustic waves)를 사용한다. SAW는 오염물질을 방출하기 위해 정재파를 만드는 대신, 표면을 따라 이동하면서 오염 물질에 직접 에너지를 공급하여 추진한다. SAW접근 방식에는 유리 패널마다 훨씬 높은 주파수와 여러 개의 액추에이터가 필요하기 때문에 직접 렌즈 진동보다 더 복잡하고 비용이 많이 들 수 있다. 하지만 이 방법은 직접적인 진동보다 큰 곡면과 사각형 창(예: LIDAR 창)에서 더 잘 작동한다. 그리고 SAW가 표면을 따라 이동하기 때문에 크고 두꺼운 렌즈에 진동하는 것보다 더 적은 에너지가 필요하다.
렌즈 커버 시스템
TI가 개발한 ULC 접근법 중 하나는 균일한 두께의 렌즈와 링 모양의 피에조 변환기를 인터페이스하는 브래킷을 포함한다. 링 변환기는 공간을 거의 차지하지 않으며, 브래킷은 접합이 까다로운 유리와 피에조의 직접 접촉을 없애고, 확장 가능한 제조 프로세스를 통해 안정적인 결과를 제공한다. 이 어셈블리는 스마트폰 카메라를 통해 볼 수 있는 평면 유리창과 유사하게 카메라 렌즈 위에 컴팩트하게 장착되어 있기 때문에 렌즈 커버 시스템(lens cover system, LCS)라고 한다. 곡선 LCS는 그림 4와 같이 광학 왜곡을 최소화하면서 대형 FoV를 수용할 수 있다.
그림 4: 190도 이상의 FoV를 가진 곡선 LCS
완전히 통합된 ULC
렌즈 커버가 없는 카메라 모듈에서도 최종 카메라 렌즈 자체를 작동시키므로써 ULC를 직접 구현할 수 있다. 이 최종 카메라 렌즈는 그림 5에 표시된 전면 요소(front element)라고 한다. 통합을 통해 렌즈 덮개를 추가하는 것에 비해 전체 시스템 크기가 줄어들지만, 초음파 세정 및 제조 과정이 복잡해진다. 전면 요소의 두께가 균일하지 않기 때문이다. 이는 단일 모드 또는 이중 모드 세정에서와 같이 적절한 정재파의 생성을 억제한다. 광센서에 빛을 굴절시키기 위해서는 전면 구성 요소가 균일하지 않게 두꺼워야 할 수 있지만, 커버 렌즈는 카메라를 보호하기만 하기 때문에 균일한 두께를 가질 수 있다. 또, 전면 요소는 카메라 렌즈 스택의 일부이기 때문에 제조 과정에서 광학 센서에 정밀하게 맞춰야 하므로 완전히 통합된 ULC 시스템의 설계 흐름과 제조 적합성이 복잡해진다.
그림 5: 카메라 배럴의 렌즈 스택 예시
반도체의 역할
TI의 ULC1001과 같은 애플리케이션별 표준 제품(ASSP)은 하나의 장치에 여러 기능을 결합하여 비용과 크기를 줄입니다. 모든 개별 렌즈는 제조, 하우징 어셈블리 및 설비 등 다양한 요인으로 인해 수명 기간 동안 약간씩 변화하는 고유 주파수를 가진다. ULC1001은 렌즈 시스템을 어느 시점에서든 특정지어 효과를 높일 수 있다. 또 다른 통합 기능은 온도 감지로, 얼음의 감지와 제거를 용이하게 하지만 압전기 기능의 보존을 위해 더욱 중요하다. 퀴리 온도 임계값을 초과하면 피에조 변환기가 탈분극하여 공명 특성을 잃게 된다. ULC1001은 피에조 변환기의 온도를 모니터링하여 퀴리 지점을 지나 구동되지 않도록 하고, 칩 또는 이물질로 인한 균열이나 렌즈 결함을 확인할 수도 있다. ULC1001은 통합 디지털 신호 프로세서와 폐쇄형 피드백 루프를 통해 이미지 처리 없이 자동 오염 물질 감지 및 청소를 가능하게 한다. 새로운 렌즈 세정 IC는 그림 6과 같은 상태 시스템을 통해 이러한 기능을 구현하며, 특정 용도에 맞게 커스터마이징할 수 있다.
그림 6: ULC 시스템의 간단한 예
파도를 일으켜 보세요
ULC는 복잡하고 다면적인 기술이지만, TI는 오픈 소스 기계 설계 및 애플리케이션별 반도체를 포함하는 기술을 위한 기반을 마련하였다.
TI의 ULC 설계 리소스를 활용하여 자가 세정이 가능한 보다 우수하고 스마트하며 경제적인 카메라를 설계해 자동차 및 산업용 시장에서 큰 파도를 일으켜보세요.
- [영상] ULC의 작동 상태: "자가 세정 카메라용 초음파 렌즈 세정 (Ultrasonic lens cleaning for self-cleaning cameras)”
아비 야사르(Avi Yashar), 초음파 렌즈 세척 및 자동차 오디오 IC 제품 매니저
