새로운 라이트 디자인 옵션이 자동차 디자이너들과 유저들의 관심을 불러일으키고 있다. 그동안 연구실에만 있던 레이저 라이트가 오스람, BMW i8와 아우디 R8 LMX를 통해 상용화됐다. 현 시점에서 오스람은 차세대 자동차 조명으로 평가되는 레이저 라이트, 레이저 모듈을 제공할 수 있는 전 세계 유일의 업체다.

현 시점에서 오스람은 차세대 자동차 조명으로 평가되는 레이저 라이트, 레이저 모듈을 제공할 수 있는 전 세계 유일의 업체다. 레이저 모듈은 기존에 알려진 조명보다 훨씬 더 멀리 도로를 비춘다.
오스람은 시스템 공급업체로서 지닌 강점과 반도체 기술 분야에서 다년간 쌓아온 전문 기술을 결합해 레이저 라이트를 개발했다. 오스람 특수조명 사업 부문의 노하우를 바탕으로 레이저 모듈이 설계됐고, 계열사인 오스람 옵토 세미컨덕터가 레이저 다이오드를 제작했다.

오스람은 그동안 광원 혁신 기술의 정보와 혁신에 관심 높은 카 메이커들과 주기적인 만남을 가져왔다. 이들에게 비디오 프로젝션 애플리케이션을 위해 개발한 산업화된 원격 인광물질 레이저 작동기술(Laser Activated Remote Phosphor)을 보여줬으며, 그 결과 독일의 두 프리미엄 메이커 BMW와 아우디가 오스람과 함께 신 광원의 파이오니어가 되게 됐다.
레이저 모듈의 하이빔은 비록 할로겐, 제논 램프처럼 보편화되기까지 매우 오랜 시간이 걸릴 것이지만 분명히 상용화의 첫 걸음을 떼고 있다.

새로운 광원

오스람의 랄프 하잉(Ralf Hying) 매니저는 “레이저 라이트에는 두 가지 오해가 있다”며 “첫째는 도로를 비추는 데 직접 레이저 빔을 사용한다는 생각이고, 둘째는 이같은 추측으로 인해 고도로 집중된 빛이 위험하다는 두려움”이라고 말했다.

레이저 라이트는 블루 레이저를 사용하기는 하지만 헤드램프에서 레이저 빔이 나오는 것은 아니다. 현재의 레이저 라이트는 하이빔의 보조장치에 사용된다. 하이빔, 로우빔과 같은 애플리케이션에 레이저 라이트를 사용하기 위해서는 더 많은 개발이 진행돼야만 한다. 오스람은 LED와 레이저 기술 강점을 활용한 하이브리드 램프가 당분간 지속될 것으로 보고 있다. 즉, 레이저 라이트는 LED를 대체하는 기술이 아닌 상호보완적 형태다. 

 레이저 라이트는 어떻게 작동하는 것일까. 차량용 레이저 라이트는 일반적인 용도의 레이저와 다르다. 헤드램프 내부에 있는 레이저 빔이 형광 물질에 부딪쳐 빛을 발생시킨다. 이같은 컨버전의 원리는 형광등이나 백색 LED의 원리와 유사하다. 형광등의 경우, 자외선이 가시광선으로 전환되고, LED는 블루 라이트가 전환된다. 형광 물질은 순수한 형태 자체로 사용되지 않는다. 사용되는 물질은 형광체 혼합물이 포함돼 있는 고성능 세라믹 물질들이다.
하잉 매니저는 “BMW i8의 경우, 형광 물질이 부분적으로 반투명 웨이퍼인 전달 물질과 결합돼 있다. 그렇기 때문에 성능에 중요한 영향을 미치는 기하학, 재료 선택, 프로세싱 및 컨버터 유닛의 광학적 특성 모두가 개발의 주요 이슈였다”고 말했다.

두 번째 잘못된 견해는 빛의 양과 관련돼 있다. 즉, 레이저 라이트의 개발은 기존 광원의 광속 불충분 때문이 아니라, 새로운 수준의 밝기에 대한 광원 창조다. 개발자들은 그동안 광속이 뛰어난 기존의 여러 광원들을 접해왔다. 예를 들어, 지난 20년 동안 자동차에서는 제논 헤드램프와 가스 방전기술을 사용해왔다.

하이브리드 조명 

하잉 매니저는 “레이저 라이트의 장점은 고휘도 덕분에 매우 작은 헤드램프에서도 충분한 빛을 발생시키고 정확한 지점을 향하게 할 수 있다는 점”이라며 “광도가 약 10만 칸델라(candela)인 표준 할로겐 하이빔 헤드램프의 직경은 약 220밀리미터지만, 비슷한 빛을 내기 위한 레이저는 단지 30밀리미터면 된다”고 말했다.

고휘도의 제공은 이전보다 훨씬 작은 헤드라이트 설계를 가능케 한다. 오스람은 이 스타일 구성 및 좀 더 평평한 헤드램프 디자인 설계 가능성을 레이저 라이트 보급의 최대 매력이라 보고 있다. 또 레이저 모듈의 하이빔은 조명의 도달거리를 비약적으로 늘려준다. 때문에 야간 운전 시 운전자들에게 더욱 향상된 시야를 확보하게 해준다. 한편, 카 메이커는 디자인적 가능성뿐만 아니라, “BMW와 아우디 중 누가 먼저냐”는 논쟁처럼 기술 혁신에 대한 의지, 기술적 우위를 강조하기 위해 레이저, LED, OLED를 채택하고 있다. 



BMW i8의 헤드램프에는 극소형 발광면이 없다. BMW의 기술자, 헤드램프 제조업체 ZKW, 오스람은 형광 물질을 사용한 빛이 도로를 직접 비추지 않고, 리플렉터를 통해 전달되게 했다. 이것은 극소형의 하우징 내부에 반사 시스템을 넣는 장점을 취할 수 있도록 하기 위함이다. 이렇게 혁신된 레이저 라이트는 기존의 LED를 사용한 정상적인 하이빔, 로우빔과 함께 스포트라이트의 특징을 갖춘 추가 하이빔으로 사용된다. 즉, BMW는 i8의 LED 기반 주요 헤드라이트 기능에 추가적으로 레이저 라이트 기술 기반 하이빔을 결합한 하이브리드 시스템을 만들었다.

하잉 매니저는 “새 기술은 기존의 광원과 결합해 형태적으로는 비슷해 보일 수 있다”며 “그러나 각 기술은 각자의 고유한 특성을 보여줄 수 있기 때문에 여러 가지 조합으로 사용할 수 있어 LED, 제논 전조등에 레이저를 사용하는 것 이외에도 향후 백라이트에 OLED를 사용할 수 있을 것”이라고 말했다.

LED와 레이저

LED와 레이저 다이오드는 모두 반도체 광원으로, 서로 관련돼 있다. 그러나 두 광원은 비슷한 방식으로 빛을 방출하지만 결과는 상당히 다르다. LED는 그 빛을 한 각도로 방사한다. 비록 빛을 한 방향으로만 방출하는 세미 라디에이터지만, 백열등이나 방전 램프와 그 장점을 비교해보았을 때 광원에서 거리가 멀어질수록 라이트 빔이 더욱 커진다. 즉, LED에서 방출되는 빛의 특성은 콘 모양과 비슷하다.

반면 레이저, 레이저 다이오드의 경우는 비교적 작게 발산되는 극히 작은 표면에서 빛이 나온다. 또 다른 차이점은 레이저 라이트가 쉽게 빛을 처리하고 조준(광선을 평행으로 맞춤)할 수 있다는 점이다. 그렇기 때문에 레이저 빔은 매우 작지만 밀도가 높은 점광을 만들 때 사용된다.

하잉 매니저는 “컨버터만 적절히 설계하면 개조한 레이저 라이트에서도 이런 속성을 유지할 수 있어, 휘도가 매우 높은 백색 광원을 만들어낼 수 있다”고 말했다.
BMW i8의 레이저 라이트 모듈에는 오스람 옵토가 공급한 블루 레이저 다이오드 3개가 포함된다. 향후 레이저 광원이 지속적으로 개발될 예정이기 때문에 더 적은 레이저로도 비슷한 양의 빛을 발생시킬 수 있을 전망이다.





오스람의 노하우

오스람은 2006년부터 레이저 다이오드를 개발하기 시작했다. 첫 개발품은 인듐 갈륨 질화화합물을 기반으로 만들어졌다.
레이저 라이트가 오토모티브 라이트용으로 관심이 모아졌을 때, 조명 업체들은 레이저와 컨버터 두 가지 별도 기술을 한데 묶으려 했다. 후자는 바로 레이저 빔에서 사용 가능한 빛을 만들어내는 형광 물질을 말한다. 오스람은 이 두 분야에서 다년간 경험을 보유하고 있다. 오스람 옵토 세미컨덕터는 LED와 반도체 레이저를 약 40년 간 개발 및 생산해왔다. 레겐스부르그 공장에서 1996년부터 InGaN 기반의 발광 다이오드를 생산해왔다. 또 블루 LED 개발을 통해 얻게 된 지식을 블루 레이저 개발에 활용했다.

하잉 매니저는 “청색광의 효율성 향상 작업은 상당히 어려운 일이다. 물리학의 원리에 따르면 레드 및 적외선용 레이저 다이오드는 스펙트럼 반대편에 있는 청색 파장대보다 에너지 전환이 더 잘되기 때문에 청색광 레이저 다이오드는 열 손실이 훨씬 커 적합한 냉각방식을 통해 방열해야만 한다”고 말했다.
2013년, 오스람은 블루 레이저의 효율성을 1 W 대에서 30%까지 향상시켰으며, 이를 통해 냉각 요건을 줄일 수 있었다.

어려운 조건

하잉 매니저는 “레이저 다이오드를 자동차에 도입하기 위해서는 광범위한 작업이 필요했는데, 이는 자동차 제조업체의 개발 운영과정 및 요건 측면에서 요구사항이 많았기 때문”이라고 말했다.
예를 들어, 헤드램프와 레이저 다이오드는 영하 40도에서 영상 80도 사이의 온도에서 작동해야만 한다. 높은 습도도 극복과제다. 레이저 다이오드 및 전체 라이트 모듈은 강력한 진동을 견딜 수 있는지 검증받아야 했고, 테스트는 매우 복잡하고 비용이 높았다. 이와 같은 내용은 작동 온도범위가 좁은 가전제품 분야에는 알려지지 않은 것이다.

이런 요건을 충족시키기 위해 오스람은 제논과 반도체 기술을 기반으로 한 기타 조명 제품 등으로부터 얻은 경험의 혜택을 봐야 했다. 이들 제품에는 운전자 지원 시스템의 거리 측정 등에 응용하기 위한 레이저 다이오드가 포함돼 있다. 레이저 라이트에 필요한 출력 등급의 레이저 다이오드는 지금까지 자동차와 같은 극한 환경에서 사용된 적이 없었고, 프로젝터 등에만 응용돼 왔다.

하잉 매니저는 “기술적인 어려움 뿐 아니라 레이저 라이트를 차량에 장착해 생산할 수 있게 될 때까지 극복해야했던 여러 가지 안전 및 승인 상의 어려움이 있었다”며 “자동차의 정상 작동 중 레이저 라이트가 헤드램프에서 빠지거나 타인의 시력을 손상시키지 않도록 하기 위해 여러 가지 특별한 안전 시스템을 설치했다”고 말했다.
시스템은 헤드램프가 충돌로 인해 손상되는 경우, 레이저가 즉시 꺼지도록 설계됐다.

레이저 광원은 자동차 업계에서 사용하는 어떤 광원보다 휘도가 높다. 이런 이유로 레이저 라이트는 하이빔 기능에 적합한 것으로 생각되고 있다. 매우 작은 지점 및 이와 비슷한 작은 발광면에서 많은 양의 빛이 필요할 때마다 레이저 라이트가 광원으로 선택될 수 있다. 그리고 오스람 기술자들은 그 이후를 염두에 두고 있다. 이들은 차 내부에서 현재의 디스플레이를 대신할 레이저 프로젝터 등에서도 가능성을 보고 있다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine