광위상배열 기술 통해 자율주행차, 드론 등에 광범위 적용 가능할 것으로 기대

▲ 【대전=코리아플러스】강경화 기자 = KAIST(총장 신성철) 전기·전자공학부 박효훈 교수 연구팀이 나노종합기술원과의 공동 연구를 통해 3차원 영상 센서의 핵심 기술인 실리콘 기반 광위상배열(optical phased array, OPA) 칩을 개발했다. KAIST 김성환 박사과정과 나노종합기술원 유종범 박사가 주도한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘옵틱스 레터스(Optics Letters)’ 1월 15일자 온라인 판에 게재됐다.
【대전=코리아플러스】강경화 기자 = KAIST(총장 신성철) 전기·전자공학부 박효훈 교수 연구팀이 나노종합기술원과의 공동 연구를 통해 3차원 영상 센서의 핵심 기술인 실리콘 기반 광위상배열(optical phased array, OPA) 칩을 개발했다.

KAIST 김성환 박사과정과 나노종합기술원 유종범 박사가 주도한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘옵틱스 레터스(Optics Letters)’ 1월 15일자 온라인 판에 게재됐다.

3차원 영상 센서는 사진 등의 2차원 이미지에 입체감을 주는 거리정보를 추가해 3차원 이미지로 인식하는 센서이다. 사물의 정확한 거리정보가 필요한 자율주행 자동차, 드론, 로봇, 안면인식이 사용되는 스마트 폰 등 다양한 전자기기에서 눈의 역할을 하는 핵심부품이다.

다수의 자동차, 드론 회사들이 레이저 빛을 이용한 3차원 영상 센서인 라이다(light detection and ranging, LiDAR) 개발에 주력하고 있다. 그러나 이 방식은 2차원 영상 센서로 3차원 스캐닝을 하는 기계적 방식을 사용하기 때문에 주먹 정도의 큰 크기를 가지며 고장 가능성도 크다.

광위상배열(Optical Phased Array, OPA)은 전기적으로 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 있어 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.

하지만 기존의 광위상배열은 빛 방향을 조절하는 방법에 문제가 있다. 수평 방향 조절은 전기-광학식 위상변조기를 이용해 넓은 범위의 스캐닝이 가능하지만, 수직 방향 조절은 레이저 빛의 파장을 바꿔줘야 하는 기술적 난제가 있다.

즉, 빛의 파장을 바꾸면 실리콘 광소자의 특성이 달라져 신뢰성 있는 방향조절이 어렵고 또한 파장을 조절할 수 있는 레이저를 실리콘 기반의 칩에 집적시키기가 어렵기 때문이다. 따라서 방사되는 빛을 수직 및 수평 방향으로 쉽게 조절할 수 있는 새로운 구조를 만드는 것이 중요하다

연구팀은 파장 변조 광원을 사용해야 하는 기존의 광위상배열을 발전시켜 단일파장 광원으로 넓은 범위의 2차원 스캐닝이 가능한 초소형, 저전력 광위상배열 칩을 개발했다.

연구팀이 반도체 공정을 통해 광위상배열 구조로 제작한 이번 센서는 잠자리 눈 정도의 크기로 작게 제작할 수 있어 3차원 영상 센서를 소형화시킬 수 있다.

연구팀은 광위상배열이 3차원 영상 센서의 기능뿐 아니라 획득한 3차원 영상 데이터를 원하는 방향으로 무선 전송하는 기능도 수행 가능해 고화질, 대용량의 영상정보를 전자기기 간 자유롭게 통신할 수 있다고 밝혔다.

김성환 박사과정은 “파장 변조를 이용한 2차원 스캐닝은 파장 변조가 가능한 광원의 집적이 매우 어려웠기 때문에 이번 연구를 통해 광위상배열의 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”라고 말했다.

유종범 박사는 “3차원 영상 센서를 스마트 폰에 장착해 얼굴인식 및 증강현실 서비스 등에 지원할 예정이다”라며 “공정 플랫폼을 발전시켜 3차원 반도체 영상 센서 핵심 기술의 국산화에 노력하겠다”라고 말했다.

다음은 용어설명과 연구 개요, 연구내용이다.

1. 광위상배열(optical phased array)

빛의 간섭 원리를 이용하여, 기계식으로 움직이는 부분 없이 자유공간에 방사되는 빛의 방향을 전기적으로 조절할 수 있는 광소자

2. 라이다(light detection and ranging, LiDAR)

레이저 신호를 2차원 상에 송신하고 반사되어 돌아온 빛을 이용해 대상과의 거리 및 위치 정보 획득이 가능한 3차원 영상 센서

3. 전기-광학식 위상변조기

고속, 저전력 동작이 가능한 전기적으로 빛의 위상을 조절할 수 있는 광소자

□ 연구개요

1. 연구배경

광위상배열(Optical Phased Array, OPA)은 전기적으로 빛의 방향을 조절할 수 있어 자율주행 자동차, 드론, 로봇의 센서에 이용되는 라이다 (Light Detection And Ranging, LiDAR)의 차세대 구조로 주목받고 있다. 실리콘 기반의 광위상배열은 크기가 작고 내구성이 높으며 기존의 반도체 칩을 제작하는 설비를 활용하여 만들 수 있다는 장점 때문에 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.

하지만, 기존에 연구된 광위상배열은 빛 방향을 조절하는 방법에 문제가 있다. 수평방향 조절은 전기-광학식 위상변조기를 이용하여 넓은 범위의 스캐닝이 가능하지만, 수직방향 조절은 레이저 빛의 파장을 바꾸어 주어야 하는 기술적인 난제가 있다. 즉, 빛의 파장을 바꾸면 실리콘 광소자의 특성이 달라져 신뢰성 있는 방향조절이 어럽고, 또한 파장을 조절할 수 있는 레이저를 실리콘 기반의 칩에 집적시키기가 어렵기 때문이다.

따라서, 방사되는 빛을 수직/수평방향으로 쉽게 조절할 수 있는 새로운 구조를 고안하는 것이 연구계의 주요 쟁점으로 부각되어 있다.

2. 연구내용

본 연구팀은 파장조절 없이 수직방향의 스캐닝을 쉽게 달성할 수 있는 구조로서, 빛이 나오는 그레이팅 부분에 실리콘 기반 가열기를 달아 열-광학 효과로 수직방향을 조절하는 구조를 고안하였다.

이 구조를 적용하여, 수직방향 스캐닝은 새로 개발한 가열기가 추가된 그레이팅을 이용하고, 수평방향 스캐닝은 기존의 전기-광학식 위상변조기를 이용함으로써 수직/수평방향을 모두 스캐닝을 할 수 있는 광위상배열 칩을 제작하였다.

제작한 칩으로, 눈에 안전한 파장인 1.55μm의 단일파장 레이저 빛을 수직 10도/수평 45도의 범위로 안정되게 스캐닝할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 위상배열을 이차원적으로 배열한 칩으로는 수직 45도/수평 45도 범위의 스캐닝을 달성하였다. 해당 칩의 면적이 수 밀리미터 제곱에 불과하므로, 이러한 칩을 칩을 배열시켜 360도 전방위 센싱이 가능하다. 본 연구에서 획득한 성능은 스캐닝 범위, 소비전력, 스캐닝 속도에서 현재까지 최고의 수준이다.
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