나노입자 활용한 새 광학시스템 기술, 광 성능 40배 개선

현대모비스 부품 이야기

적은 양의 빛으로도 큰 에너지 내
전기차 접목땐 주행거리 늘어나
자율주행차 라이다 센서 성능 향상도

현대모비스 용인기술연구소. /현대모비스 제공

자동차 램프는 기능과 함께 브랜드의 정체성을 보여주는 디자인의 핵심 요소다. LED(발광다이오드)를 램프의 광원으로 적용하는 차량이 늘어나면서 램프 디자인도 다양해지고 있다. 라이트 가이드(Light guide), 라이트 커튼(Light curtain), 라이트 스트링(Light string) 등 기하학적인 이미지를 표현하는 트렌드가 확산되고 있다. 얇지만 공간감을 주는 입체적인 램프도 주목받고 있다.

자동차용 램프에 이용되는 광학 시스템은 기술 수준이 높아져 업계 간 평준화가 이뤄지고 있다. 제품별 차별성이 없어져 글로벌 램프 제조사들은 원가 절감에 집중하고 있다. 기술 발전이 이뤄지지 못하는 아쉬움이 있다. 제조사들은 대부분 비슷한 기술로 광학계를 제조하고 있다.

그래서 이번 편에는 신소재 나노입자를 활용한 새로운 광학 시스템 기술을 소개하고자 한다. 나노 물질에 빛을 쏘면 더 큰 에너지의 빛이 방출되는 ‘상향변환(UpConversion)’을 활용한 연구다. 자연계에서는 빛 에너지가 통상적으로 ‘하향변환(DownConversion)’한다. 원소에 빛을 쏘면 열에너지 손실로 인해 빛의 에너지는 기존보다 줄어든다는 얘기다.

그동안 발견된 상향변환 나노물질은 변환 효율이 낮아 상용화되는 데 어려움이 많았다. 하지만 톨륨(Tm) 이온의 나노입자에 빛을 쏘면 빛이 입자 속에서 상호 결합돼 더 큰 에너지로 방출된다. 이 연구가 네이처에 등재된 논문에서 소개하는 ‘상향변환 나노입자 광학시스템’이다.

이 시스템을 활용하면 기존 물질보다 40배 개선된 광 성능을 확보할 수 있다. 이를 통해 효율적이고 안전한 램프 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 램프 외에 다양한 자동차 기술에도 접목 가능하다. 최근 G80 전기차 등 루프에 태양광 전지판이 장착되는 차량이 출시되고 있다. 적은 양의 빛으로도 큰 에너지를 낼 수 있는 ‘상향변환 나노입자 광학시스템’을 미래에 적용하면 태양광 전지판의 에너지 발전량을 늘려 큰 효율을 볼 수 있다. 북미, 중국, 중동 등 일조량이 많은 지역에서 전기차 주행거리가 늘어나는 효과가 있다.

자율주행차의 눈으로 불리는 라이다 센서의 성능 개선도 가능하다. 900~1500나노미터(㎚)의 근적외선을 이용하는 라이다는 장(長)파장의 빛을 흡수해 단(短)파장으로 변환시킨다. 이 특징을 활용해 같은 시간 동안 더 많은 정보를 얻게 된다. 라이다를 제조하는 데 필요한 인듐, 갈륨, 비소 등 비싸고 희귀한 원자재도 대체할 수 있다. 비싼 가격 탓에 활용이 어려운 라이다의 원가를 낮춰 자율주행을 활성화할 수 있다.

이번에 소개한 기술을 상용화하는 데 많은 시간이 걸릴 것이다. 하지만 산업 기술이 발전하고 빠르게 성장하는 자동자산업의 요구에 따라 이른 시일 내 적용될 수 있지 않을까 기대한다.

현대모비스 기술연구소