생명물리학과 김인기 교수 연구팀, 360도 볼 수 있는 초소형 라이다 센서 개발

- 전후좌우 1만 개의 빛을 뿌려 360도 인식 가능한 센서 기술 개발

- 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 메타표면 기반 라이다 센서

▲ (왼쪽부터) 성균관대 생명물리학과 김인기 교수, 포항공대 노준석 교수

생명물리학과 김인기 교수 연구팀이 한 번의 측정으로 360도 전 영역의 물체를 인식할 수 있는 초소형 라이다(LiDAR: Light detection and ranging; 레이저로 사물의 위치를 가늠하는 장치)를 개발했다.

라이다란 레이저 이미징, 감지와 범위의 약어로 물체나 표면에 빛을 쏴서 반사광이 되돌아오는 시간을 측정해 거리를 측정하는 기술이다. 빛 파장과 수신 위치를 변화시키면 지표면과 해저 지형을 입체(3D) 이미지로 표현할 수 있다. 이 기술을 이용한 라이다 센서는 최근 자율주행 차량에 많이 상용된다. 차량에서 쏜 빛으로 도로 위 사물과 차량 주변을 달리는 차량 같은 물체 거리나 정체까지 파악하고 주행 속도와 방향을 판단하는 것을 돕는 눈 역할을 한다. 이런 능력으로 인공지능(AI)과 함께 자율주행 기술 혁명을 주도하는 혁신의 아이콘 기술로 떠올랐다.

하지만 기존의 라이다 기술은 여러 한계가 있다. 수시로 상황이 바뀌는 도로 상황에 빠르게 대응하려면 정면뿐만 아니라 측면과 후방도 함께 살펴야 하지만 현재는 센서가 빙글빙글 도는 회전형 방식이라 전후방을 동시에 감지하지 못했다. 또한 회전형 방식의 라이다는 다양한 기계전자 부품으로 인해 부피가 크고, 외부 충격에도 매우 민감한 문제가 있다.

▲ 사방에 1만개의 점을 뿌리는 메타표면 기반 초소형 라이다 센서

연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 초소형 라이더 센서를 제작하는 방법을 알아냈다. 메타표면은 빛 파장보다 작은 패턴을 이용해 만든 2차원 박막 구조를 뜻한다. 또한 보다 적은 물리적 공간을 필요로 하므로 소형 안테나 설계에 적합한 물질로 꼽힌다. 라이다에 적용하면 시야각이 대폭 늘어나고 물체를 입체적으로 인식하게 된다. 연구팀은 메타표면을 구성하는 나노 구조체를 설계하고 배열 주기를 조절하는 센서 시야각을 360도로 확대하는 데 성공했다. 메타표면에서 전 방향으로 쏜 1만 개 이상의 빛(포인트클라우드)이 물체에 닿은 지점을 카메라로 촬영하면 작은 점들로 표현된 물체 형상이 보이는데 이를 바탕으로 물체를 3D로 인식하는 방식이다.

▲ 사물의 깊이 인식 측정 실험 결과. 한 번의 측정으로 사방에 놓여진 물체의 깊이 정보를 인식할 수 있음.

라이다 센서 기술은 애플 아이폰의 얼굴인식 기능인 ‘페이스아이디(Face ID)’에도 사용되고 있다. 아이폰은 포인트 클라우드를 형성하기 위해 생성기(Dot projector)를 사용하지만 점 패턴의 균일도와 시야각이 제한적이고 부피가 크다는 한계가 있었다. 이번 연구는 휴대전화와 가상현실(VR)·증강현실(AR) 안경, 무인 로봇이 주변 환경의 입체 정보를 인식하는 기술을 나노광학 소재로 실현했다는 데 의의가 있다. 나노 인쇄기술을 활용하면 안경처럼 곡면이 있는 물체나 휘는 유연 기판과 같은 표면에도 장착할 수 있어 AR글래스에 적용될 수 있을 것으로 보인다.

본 연구는 김인기 교수가 교신저자로 참여하였으며, 포항공대 노준석 교수 연구팀과 공동 연구로 수행되었다. 연구 결과는 국제학술지인 Nature Communications(IF 17.694)에 10월 10일(월) 온라인 게재되었다. 본 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원과 세종과학펠로우십 사업을 통하여 수행되었다.