인더스트리 4.0을 대변하는 산업용 IoT(IIoT)는 공장 생산성을 높이는 기술이다. IIoT는 주변 환경을 파악하고 이에 반응할 수 있는 자동화 및 지능형 시스템에 의존한다.

IIoT 기술의 중심에는 수많은 센싱 디바이스가 있다. 이는 물리적 현상을 처리, 저장, 작동할 수 있는 전기 신호로 변환한다. 지금까지도 단순한 구조를 지닌 센서들은 대부분 높은 가치를 평가받고 있지만 생산성 제고를 위한 OEM의 노력 덕분에 센서의 설계는 점차 정교해지고 있다.

IIoT에서 라이다(LiDAR)는 보다 고도화된 감지 기술 중 하나로 꼽힌다. 타 유형의 센서로부터 수집할 수 없는 데이터를 제공해 생산성을 높일 수 있기 때문이다.

이 글에서는 현재 사용되는 라이다의 2개 주요 유형을 살펴보고 이러한 유형이 IIoT 애플리케이션에 어떤 이점을 제공하는지 알아보고자 한다.

인더스트리 4.0과 IIoT
산업은 성장과 고용의 핵심동력이다. 그리고 이는 모든 경제에서 가장 중요한 부문 중 하나다. 이러한 산업 분야의 중심은 제조이다. 제조란 자재를 제품으로 전환해 가치를 높이고 부를 창출하는 일련의 과정을 말한다.

‘인더스트리 4.0’은 2011년 독일의 기업, 정치인 및 학계 그룹에서 이미 경쟁이 치열한 독일 제조산업의 경쟁력을 강화하기 위한 이니셔티브를 설명하고자 만들어진 용어이다. 이 용어는 독일 내에서 흔히 사용되며 타 지역에서는 ‘스마트팩토리(스마트공장)’와 같은 의미로도 자주 사용된다.

로보틱스는 인더스트리 4.0의 핵심요소 중 하나다. 현장에 배치된 다기능 로봇의 수는 빠르게 증가하고 있다.

비록 초기의 로봇은 현장 뒷단에서 인간 작업자를 대체하기 위한 용도로 사용됐지만, 최근 진행된 연구를 통해 인간과 로봇의 협력이야 말로 단연코 가장 생산적인 접근 방식임이 증명됐다.

이와 같은 시나리오에 따르면 인간과 로봇은 각자의 강점에 주력하여 작업하게 되는데 로봇은 반복적인 작업을, 인간은 보다 추상적인 작업을 완수한다. 특히 코로나19 팬데믹 기간 동안 이러한 방법을 통해 공장의 배치를 재구성하지 않고 필요한 거리를 유지하면서 공장의 생산력을 제고할 수 있었다.

하지만 인간과 로봇이 함께 일하려면 안전이 지켜져야 하며, 이는 곧 로봇이 인간의 존재와 움직임을 인식해야 함을 의미한다.

오늘날 사용되는 라이다의 종류
라이다는 ‘빛 감지 및 거리측정(Light Detection and Ranging)’의 준말이다. 전파 대신 빛을 감지 수단으로 사용하여 레이더(RADAR)와 매우 유사한 방식으로 작동하는 뎁스 센싱(Depth-sensing) 기술이다. 

라이다는 높은 수준의 깊이 정보 및 각도 분해능을 통해 탁월한 뎁스 센싱을 구현하는 센서다. 수신기와 적외선 송신기를 함께 사용하는 능동적 접근 방식 덕분에 모든 광 조건에서 작동할 수 있다.

원리도 매우 간단하다. 비행시간거리측정(ToF) 시스템인 라이다는 빛이 목표물까지 이동한 후 되돌아오는 데 소요된 시간을 활용한다. 이미 알려진 상수인 빛의 속도를 이용하면 송신기 및 검출기와 목표물 사이의 거리 계산은 간단하다.

동일한 기본 원칙에 기반해 현재 사용되는 라이다에는 직접 비행시간거리측정(dToF)과 간접 비행시간거리측정(iToF) 등 2개 타입이 있다.

dToF는 목표물에 발사된 빛의 단일 펄스 또는 다수의 개별 펄스를 이용해 반사 펄스 수신에 소요되는 시간을 측정한다. iToF는 빛의 연속파를 사용하며 경과시간(ToF)을 직접 측정하진 않지만 송신 파형과 수신 파형 사이의 위상 차이로 경과 시간을 계산한다.

가장 널리 사용되는 유형인 iToF는 주로 비교적 근거리를 위한 뎁스 센싱 애플리케이션 중에서도 광 조건이 덜 까다로운 실내용 애플리케이션에 적합하다. 실외에서는 조도 수준이 비교적 크게 변동할 수 있기 때문이다. 

dToF는 장거리 및 단거리 애플리케이션에 적합하다. 작동 속도가 더 빠르고 다중 반사를 측정할 수 있어 여러 개의 목표물을 감지할 수 있다.

라이다 성능에 영향을 미치는 요소 중에는 광학 부품의 품질, 빛의 세기, 수신된 펄스의 신호대잡음비(SNR), 파형 등 여러 요인이 있다. 최신 실리콘포토멀티플라이어(SiPM)를 사용할 경우 광자 단위까지 감지해 라이다 시스템의 감도를 놀라운 수준으로 높일 수도 있다. 

범위와 성능의 향상을 위해서라면 단순히 시스템 전력을 증가시키는 것이 당연해 보이지만, 레이저 광선은 인체에 유해할 수 있으므로 BS EN 60825-1:2014와 같은 규격에서는 레이저로 전송 가능한 전력량을 규정하고 이에 따라 분류하고 있다.

글: 에델 캐시먼(Edel Cashman) / 애플리케이션 수석 엔지니어 / 온세미컨덕터