자율주행 필수 고성능 라이다 국산화 길 열렸다, KIST 연구팀 개발

고성능 중단거리 LiDAR SK하이닉스 양산 시설로 개발해 즉시 제품화 가능
스마트폰, AR⋅VR⋅MR⋅XR, 로봇, 드론, 자율주행자 등 광범위 활용 기대

국내 연구진이 개발 중인 자율주행 시스템. 쿠키뉴스 자료사진

자동차 자율주행 기능이 빠르기 발전하는 가운데 내년에는 고속도로 등 제한조건에서 차량 스스로 운전하는 레벨3 기능 차량이 대거 출시될 예정이다.

안전한 자율주행을 실현하려면 차량 밖의 모든 물체와 실시간 거리를 분석하고 주행 예측값을 정확히 계산하는 것이 필수다.

그래서 대부분의 자율주행차에는 주변을 3차원 촬영하는 라이다(LiDAR) 시스템을 장착한다. 

라이다는 방출한 광자가 물체에 맞고 반사되는 시간을 계산해 거리를 측정한 결과값으로 3D이미지를 생성한다.

자율주행차에 장착된 라이다가 사물을 인식하는 과정. 쿠키뉴스 자료사진

이 때 수신검출기가 광자를 전기신호로 변환하는 과정에서 발생하는 검출 시간의 미세한 차이를 ‘타이밍 지터(Timing Jitter)’라고 하며, 지터 값이 작을수록 보다 정확하게 인식한다.

라이다는 자율주행차뿐 아니라 AR·VR기기는 물론 스마트폰에도 장착되는데, 여기에 사용하는 중단거리 라이다는 사람 혹은 사물의 모양을 보다 미세한 단위까지 정확하게 감지하기 위해 더욱 우수한 분해능이 요구된다.

한국과학기술연구원(KIST)은 차세대반도체연구소 이명재 박사팀이 40㎚(나노미터) 후면 조사형 후변 조사형 (Backside Illumination, BSI) 공정을 기반으로 ㎜수준 물체를 식별할 수 있는 ‘단광자 아발란치 다이오드(SPAD)
’를 개발했다고 28일 밝혔다.

KIST 차세대반도체연구소 이명재 박사팀(ADS Lab)이 개발한 초고성능 센서소자가 삽입된 반도체칩. KIST

SPAD는 단광자까지 검출 가능한 초고성능 센서 소자로 개발 난이도가 매우 높아 현재까지 일본 Sony만이 생산하고 있다.

Sony의 SPAD는 이전까지 학계에서 보고된 후면조사형 단광자 아발란치 다이오드 보다 우수한 효율 특성을 갖는다는 특징이 있지만, AR·VR기기나 스마트폰용 중단거리 라이다에서 요구되는 사용자 구분, 제스처, 사물 미세형태 등을 인식하기에는 성능이 부족했다.

이번에 이 박사팀이 개발한 단광자센서 소자는 타이밍 지터 성능을 56ps(picosecond, 10조 분의 1초)로 기존보다 2배 이상 향상됐고, 거리 분해능도  8㎜ 수준까지 향상됐다.

특히 이번 연구를 SK하이닉스 양산용 반도체 공정인 40㎚ 후면 조사형 CMOS 이미지센서 공정을 기반으로 개발, 즉각적인 국산화 및 제품화를 실현할 수 있다.

라이더 센서 단광자 아발란치 다이오드 단면. KIST 

연구팀은 이번 연구결과가 스마트폰, AR⋅VR⋅MR⋅XR, 로봇, 드론, 자율주행자동차 등과 더불어 반도체 개발에도 활용될 것으로 전망했다.

개발한 센소소자 칩을 측정 평가하는 이명재 박사팀. KIST

이 박사는 “반도체 라이다와 3D 이미지센서의 핵심 원천기술 개발로 우리나라의 전략 산업인 메모리반도체와 차세대 시스템반도체에서도 경쟁력을 크게 강화할 수 있을 것”이라고 말했다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com