지난 글에서는 라이다를 두고 활발한 논의가 이어지고 있는 파장 논쟁에 대해 알아봤다. 이번 글에서는 높은 이득(gain)을 제공하면서 채용이 확대되는 실리콘 광증배소자(SiPM)에 대한 이점에 대해 알아본다.

이전 기고문 확인하기
☞ 오토모티브 애플리케이션을 위한 라이다 ‘뎁스 센싱’ 기술의 이점 ①
☞ 오토모티브 애플리케이션을 위한 라이다 ‘뎁스 센싱’ 기술의 이점 ②

라이다의 구성를 구성하는 기술
라이다 시스템의 가장 중요한 요소는 반사된 레이저 빛을 포착해 정량화하는 감지 기능이다. 

이를 위해 여러 기술이 사용될 수 있지만, 실리콘 광증배소자(Silicon Photomultipliers, SiPM)는 약 100만개에서 높은 이득(gain)을 제공하는 단일 광자를 탐지할 수 있어 최근 몇 년간 광범위하게 사용되면서 라이다의 뎁스 센싱 애플리케이션에 다수 채택되는 센서가 됐다. 

SiPM 소자는 훨씬 이득이 적고 입력 신호를 통합해야 하는 애벌랜치 포토다이오드(Avalanche Photodiodes, APD)와 같은 기존 검출기에 비해 높은 대비 조건에서 장거리 측정 시 최고의 신호대잡음비 성능을 제공한다. 

이 밖에 낮은 전원 바이어스(bias), 균일성 향상, 온도 변화에 대한 낮은 감도 등의 기능은 SiPM가 APD기반 시스템의 이상적인 업그레이드가 되는 이유다. 

무엇보다 SiPM의 고감도 덕분에 소형 폼팩터 광학을 사용할 수 있어 차량에 라이다 탑재가 용이하다. 이외 SiPM는 대량 생산이 가능한 CMOS 프로세스에서 생산되므로 검출기의 제작 비용이 가장 낮아 라이다가 더욱 폭넓게 사용되도록 한다.

온세미 또한 고성능 SiPM 모듈을 관련 업계에 공급하고 있다. RDM-0112A20-QFN 어레이는 선도적인 RDM SiPM CMOS 프로세스 기반의 0.47mm x 1.12mm SiPM 픽셀의 단일 1×12 어레이다. 

근적외선에 대한 고감도를 제공해 905나노(nm) 파장에 대해서 업계 최고의 18.5% 광자검출 효율(PDE)를 제공한다. 파장에서 응답성은 100 kA/W보다 크다. 

SiPM는 높은 내부 이득을 통해 감도를 단일 광자 단위까지 낮추고, 높은 PDE와 결합돼 미세한 리턴 신호를 탐지할 수 있다. 그 결과로, 빛의 반사율이 낮은 대상이라도 더 넓은 범위까지 감지할 수 있다.

오토모티브 라이다 시스템용(플래시, 기계식 또는 MEMS 스캐닝 라이다 포함)으로 특별히 설계된 됐으며 AEC-Q102 인증을 획득했다.

라이다는 단일 지점이나 물체의 3D 맵, 혹은 스캐닝 시스템의 일부로 대규모 지면(site)의 깊이를 빠르고 정확하게 판단할 수 있는 매우 유용한 기술이다. 특히 설계 시 고려되는 핵심 결정사항 중 하나는 이에 사용할 적외선(IR) 빛의 파장 유형이다. 성능, 구성 요소의 가용성, 상업성을 고려하면 근적외선이 가장 선호된다.

라이다를 구현하는 대부분의 경우 레이저 광원은 비교적 간단하게 다룰 수 있지만, 검출기는 그 선택에 따라 시스템 성능에 상당한 영향을 주기에 엔지니어는 시스템 설계에 앞서 다양한 요건을 고려해야 한다.

글: 조셉 노타로(Joseph Notaro) / 오토모티브 비즈니스 전략 부사장 / 온세미