고음으로 비명을 지르면 유리가 깨질 수 있다는 것은 알고 있겠지만 유리 세정도 가능하다는 얘기는 들어보았는가? 초음파 세정 기술은 정밀하게 제어된 고주파 진동을 통해 유리 표면을 세정할 수 있다. 비 오는 날에 이 기술을 사용하면 운전자가 조치를 취하지 않아도 차량 후방 카메라 렌즈의 빗방울을 자동으로 감지하여 제거할 수 있다.

본 기고문에서는 초음파 렌즈 세정 기술(Ultrasonic Lens Cleaning), 줄여서 ULC 기술과 함께 이 기술이 어떻게 자가 세정 카메라 분야를 현실화하는 데 도움이 되는지 다뤄보려고 한다.

초음파 렌즈 세정 기술의 작동 방식

먼저, 물리학에 대한 논의를 시작해 보겠다. 모든 물체는 분자 구조와 기하학에 의해 결정되는 고유 주파수를 갖는다. 에너지를 물체에 적용하면 물체가 진동할 때의 고유한 주파수이다. 예를 들어 기타는 줄을 치면 고유 주파수로 진동한다. 이와 마찬가지로, 와인잔은 치면 고유 주파수로 진동한다. 특히 물질의 고유 주파수에서 해당 물질에 에너지를 반복해서 가하면 들어오는 파동이 기존 파동을 구조상 방해하여 더 강한 파동을 유발하지만 여전히 동일 위상에 있게 된다. 이런 현상을 공명이라고 한다.

공명에 대한 이해도를 높이기 위해 당신이 그네를 타고있는 누군가를 밀고 있다고 상상해 보라. 그네가 백스윙의 정점에 도달했을 때 딱 적절한 순간에 밀면 인해 더 높이 날아간다. 이와 반대로, 적절하지 않은 타이밍에 밀면 기계 에너지의 일부를 팔로 흡수하여 스윙 동작의 높이를 극대화할 수 없다.

유리, 실리콘 및 폴리카보네이트 렌즈는 모두 고유 주파수가 그 형태와 두께에 따라 달라진다. 이러한 물질의 고유 주파수로 초음파 진동 또는 인간의 가청 범위를 벗어난 진동을 적용하면 물체의 공명을 유발한다. 유리 물체의 고유 주파수에 맞춰 비명을 지르면 유리 물체가 산산조각이 날 정도로 공명하는 방식과 매우 흡사하게, 압변환기(piezo transducers)와 첨단 반도체를 사용하여 특별한 패턴으로 정밀한 초음파 진동을 적용하면 물, 먼지 및 기타 오염물질을 표면으로부터 효과적으로 제거할 수 있다. 그림 1은 초음파 렌즈 세정 시스템의 단면을 보여준다. 그림 2는 이어서 물을 배출하는 초음파 렌즈 세정 시스템의 애니메이션을 보여준다. 초음파 렌즈 커버는 약 10마이크로미터의 변위로 진동하지만 이는 보통 인간이 눈으로 볼 수 없는 수준이다. 애니메이션은 데모용으로 과장하여 표현한 것이다.

그림 1: 초음파 렌즈 세정 시스템

  

그림 2: 물을 방출하는 초음파 렌즈 세 시스템 애니메이션

이 기술이 중요한 이유

2014년에 미국 교통부는 201851일 이후에 제조된 차량에 후방 백업 카메라를 의무화했다. 오늘날 일부 차량에는 LiDAR와 같은 기술을 사용하는 최대 8대의 카메라와 기타 외부 센서가 장착되어 있다.

이러한 카메라와 센서는 렌즈가 깨끗하고 가리는 것이 없을 때만 유용하다. 렌즈에 진흙이나 물이 튀면 자율 기능이 쉽게 망가질 수 있다. 그래서 자동차가 더 스마트하고 안전하고 정교해지면 자율 비상 제동과 같은 용도를 위해 이러한 센서가 모든 기상 조건에서 작동하도록 새로운 시행령이 등장할 것 같다.

물통을 사용하는 의학 분야에는 이미 초음파 세정이 존재하지만, 기계 설계, 소프트웨어 알고리즘, 반도체 통합의 혁신으로 야외에서도 초음파 표면 세정이 가능해졌다. 자가 세정 카메라 렌즈 기술은 자동차 산업에 국한되지 않고, 교통 감시 카메라내시경, 머신 비전 카메라 등 카메라를 사용하는 거의 모든 분야에서 이 기술을 활용할 수 있을 것이다.

다른 렌즈 세정 방법

자동차 OEM 업체는 초소형 앞유리 와이퍼, 압축 공기, 렌즈 회전과 같은 카메라 세정과 같이 여러 방법으로 실험했다. 하지만 안타깝게도 이러한 방법은 지나치게 복잡하고 비용이 많이 들며 모든 상황에서 효과가 좋은 것도 아니다. 일부 고급 차량에는 카메라 렌즈를 세정하는 물 분사기가 숨겨져 있는데 이는 추가 배관 작업과 추가 유체 탱크 용량이 필요한 접근 방식이다. 하지만 물 분사기는 얼음을 제거할 수 없으며 비가 오면 도움이 되지 않는다.

초음파 렌즈 세정 시스템은 기계적 진동을 사용하여 열을 발생시키고 얼음을 녹이고 물을 방출할 수 있다. 물을 자동으로 감지하여 진동을 통해 렌즈의 빗물을 지속적으로 제거할 수 있다. 이러한 시스템은 적절한 알고리즘과 기계적 설계를 통해 먼지, 진흙 또는 심지어 벌레와 같은 기타 오염물질을 제거할 수 있다. 언뜻 복잡하게 들릴 수 있지만 용도별 반도체는 아주 작은 공간에서 이 작업을 처리할 수 있다. 용도별 반도체를 사용하는 자동 초음파 렌즈 세정 시스템은 필요한 시설이 완비되어 있어 전원 공급 디바이스와 데이터 라인(옵션)에만 의존하여 자체적으로 제어할 수 있다.

결론

안전하고 안정적인 자동차에 대한 필요성을 고려했을 때 차량 업계가 초음파 렌즈 세정 기술을 도입할 것으로 기대하고 있다. 농업용 자동 시스템, 교통 카메라, 스포츠 경기 촬영과 같은 기타 유형의 최종 장비도 성능상의 이점, 운영 효율성, 간소화된 유지 보수 관리를 위해 이 기술을 도입할 것으로 보인다. 초음파 렌즈 세정 기술이 비명을 지르는 것과 완전히 같지는 않지만 이 기술은 확실히 흥분해 비명을 지를 만하다.

아비 야샤르(Avi Yashar), 차량용 오디오 제품 마케팅 엔지니어

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