광주과학기술원(총장 김기선, 이하 GIST) APRI(고등광기술연구소) 유난이 박사 연구팀이 자동차 전장기업인 한국알프스㈜와 FMCW 라이다 개발기업인 (주)인포웍스와의 공동연구를 통해 3차원 영상 센서의 핵심 기술인 광위상배열(Optical Phased Array, OPA) 칩을 개발했다.
 
 이번 R&D 연구성과는 산업통상자원부 ‘센서산업고도화전문기술개발사업’ 사업의 지원을 받아 확보된 성과물이다.
 
GIST는 그동안 현대자동차, 한국알프스, 인포웍스와 함께 OPA 기반의 광스캐너와 간섭계 기반의 FMCW 신호처리 기술을 적용한 3D Solid State 라이다 기술 개발을 추진해 왔다. 이를 통해 양산차에 적용 가능한 고정형 라이다 원천기술을 확보하고 세계 시장을 선점한다는 구상이다.
 
GIST는 3D Solid State 라이다의 핵심 기술인 OPA chip  개발을 맡고, 인포웍스는 전자식 빔 제어가 가능한 간섭계 기반 FMCW 라이다를 세계 최초로 제작한다. 한국알프스와 현대자동차는 무인로봇인 AGV, 자율주행자동차, 배달로봇 등에 개발 센서의 차량 응용, 적용성 검증을 위한 상용화를 담당한다.

세계적으로 많은 자동차, 드론 회사들이 레이저 빛을 이용한 3차원 영상 센서인 라이다(light detection and ranging, LiDAR) 개발에 주력하고 있다. 라이다는 고정형과 회전형이 있는데, 업계는 내구성을 높이고 비용은 줄일 수 있는 고정형 라이다에 주목하고 있다. BMW, 볼보 등이 자사 자율주행차에 고정형 라이다를 적용하기로 결정했다.
 
고정형 라이다 기술은 기계적인 스캔 자체가 필요 없는 광의 위상을 변조하는 방식과 전자식 주사법을 적용하는 방식으로 나눌 수 있다.
 
전자식 주사 방식으로  고해상도 영상을 얻기 위해서는 레이저, 검출기, 신호처리기가 채널 수 만큼 많아야 구현되는 것으로 대단히 높은 비용이 소요된다. 고속의 TOF 신호처리기를 어레이형태로 제작하는 데는 많은 비용이 소요된다.
 
제작비용을 줄이기 위해 레이저를 어레이형태로 구동하고 신호처리기는 축소된 수로 제작하여 각 채널을 순차적으로 처리하기도 한다. 이러한 원리를 적용한 것이  OPA 광스캐너기반의 라이다 기기이다. OPA를 활용한 전자식 주사방식은 하나의 레이저와 검출기 자원을 활용해 효과적으로 스캔하므로 전체 제작 비용을 효과적으로 낮출 수 있다.
 
OPA은 전자적으로 빛의 방향을 조절할 수 있어 라이다의 차세대 구조로 주목받고 있다. 실리콘 기반의 광위상배열은 크기가 작고 내구성이 높으며 기존의 반도체 칩을 제작하는 설비를 활용해 만들 수 있다. 해외에서는 미국 MIT대학과 자동차 전문기업인 GM과 Quanergy 등이 협작하여 연구가 활발히 진행되고 있다.
 
하지만 기존의 광위상배열은 빔의 방향을 조절하는 방법에 어려움이 있다. 수평 방향 조절은 마이크로히터를 이용하여  넓은 범위의 스캐닝이 가능하지만, 수직 방향 조절은 레이저의 파장을 바꿔줘야 하는데,  이는 파장을 가변 하는 레이저는 고가이며, 이  레이저를 실리콘 기반의 칩에 집적시키기가 어렵다. 따라서 방사되는 빛을 수직 및 수평 방향으로 쉽게 조절할 수 있는 새로운 구조를 만드는 것이 중요하다.
 
GIST 연구팀은 파장 변조 광원을 사용해야 하는 기존의 광위상배열을 극복할 수 있는 전기-광학 효과를 도입하여 단일파장 광원으로 넓은 범위의 2차원 스캐닝이 가능한 초소형, 저전력 광위상배열 칩을 개발 중이다. 연구팀이 반도체 공정과 하이브리드 공정을 통해 광위상배열 구조로 제작한 이번 센서는 잠자리 눈 정도의 크기로 작게 제작할 수 있어 3차원 영상 센서를 소형화 시킬 수 있다.
 
연구팀은 광위상배열이 3차원 영상 센서의 기능 뿐아니라 획득한 3차원 영상 데이터를 원하는 방향으로 빔조향 제어하는 기능도 수행 가능해 고화질, 대용량의 영상정보를 정보기기 간 자유롭게 통신할 수 있다고 밝혔다.
 
유난이 박사는 “파장 변조를 이용한 2차원 스캐닝은 고가의 광원을 집적화 하기가 매우 어려웠기 때문에, 이번 전기〮광학 효과를 이용한 변조 방식은 광 스캐너의 스캔 속도를 kHz급 이상으로 높일 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다. 인포웍스 박현주 대표는 “3차원 영상 센서를 자율주행자동차용 FMCW 라이다에 통합함으로써, 자율주행자동차의 완전자율주행 달성을 위해 주변 상황을 더욱 정확하고, 3차원 공간 분해능정보를 통한 인식성능향상을 위해 고해상도 및 고성능화, 자동차 주행중의 한계상황(악천후 조건) 극복형 기술개발 및 상용화를 위해 FMCW 라이다 원천기술을 가진 인포웍스, 현대자동차와 함께 라이다의 국산화에 노력하겠다”라고 말했다.
 
현대자동차는 “이번 산학연 공동 R&D를 통해 중국 및 독일, 미국 등에서 추진되고 있는 OPA 기반 FMCW 라이다 경쟁에 있어서, 의미 있는 기술적 진보를 이루게 되었으며 국산화할 경우 대한민국의 수출과 글로벌 자동차 산업 전반에 큰 파급효과가 예상된다”고 강조했다.
 
한편, 인포웍스는 국내 최초로 개발한 FMCW 라이다 제품을 2021년 하반기에 출시할 예정이며, 세계 최대 가전·정보기술(IT) 전시회인 ‘CES2021’에 출품하여 전시 중이다.
 
 

최세영 기자 다른기사 보기