지난 글에서는 라이다를 구성하는 기본 기술요소와 각 기술간 특장점에 대해 알아봤다. 이번 글에서는 라이다의 구현원리를 구성하는 기본요소인 센서, 레이저에 대해 알아본다.

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☞ 오토모티브 라이다(LiDAR) 기술을 둘러싼 파장 대논쟁 ①

센서
라이다 시스템은 광자를 감지하기 위해다양한 유형의 광검출기를 사용하므로, 검출할 파장에 따라 각 검출기가 다양한 반도체 물질로 구성돼야 하는 이유를 명확히 설명해야 한다. 

반도체에서 밴드갭(band gap)은 원자가(valence)와 전도 밴드(conduction band)를 분리하고, 광자는 전자가 그 밴드갭을 극복하고 반도체가 전도되도록 돕는 에너지를 제공해 광전류를 생성한다. 모든 광자의 에너지는 파장과 관련되며, 반도체의 밴드갭은 감도와 관련된다.

따라서, 검출할 빛의 파장에 따라 반도체 물질은 달라져야 한다. 가장 보편적이고 저렴한 반도체인 실리콘은 가시파장과 NIR 파장에 1000nm까지 반응한다.

SWIR 범위에서 그 이상의 파장을 감지하려면 이보다 드문 III/V 반도체의 합금을 이용해 갈륨인듐비소(InGaA)와 같은 물질이 1000nm에서 2500nm까지의 파장을 감지하도록 하면 된다.

초기 라이다는 핀(PIN) 포토다이오드를 센서로 사용했다. 핀 포토다이오드는 내재 이득(inherent gain)이 없어 약한 신호를 쉽게 감지하기 어렵다. 애벌랜치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiodes)는 오늘날 라이다에 사용되는 센서 중 가장 눈에 띄는 유형으로, 적당량의 이득을 제공한다. 

허나 APD도 광자 도착(photon arrivals)에서 온 신호를 통합하기 위해 핀 포토다이오드처럼 선형 모드에서 작동돼야 하며, 매우 높은 바이어스 전압을 필요로 하면서도 약한 부품간 균일성(uniformity)으로 인해 어려움이 있다. 

라이다에 점점 많이 사용되는 최신형 센서는 단일광자 애벌랜치 다이오드(SPAD, single photon avalanche diodes)를 기반으로 구축되는데, 이는 매우 큰 이득을 가지며 검출된 모든 광자에서 측정 가능한 전류 출력을 생성한다. 

실리콘 광증배관(SiPM, Silicon photomultipliers)은 생성된 신호의 진폭을 통해 단일 광자와 다중 광자를 구별하는 추가적인 이점을 지닌 실리콘 기반 SPAD의 배열이다. 이러한 종류의 광검출기는 NIR 검출을 위한 실리콘 또는 SWIR 검출을 위한 III/V 반도체를에 기반해 구축될 수 있다. 

한편, 제조 가능성과 비용은 기술의 생존력을 좌우하는 핵심요소인데, CMOS 실리콘 파운드리는 이러한 센서를 저비용으로 대량 생산할 수 있다. 이는 성능 향상에 더해 라이다에 SiPM가 점점 더 많이 사용되는 주된 이유이다.

비록 SWIR 용 APD와 SPAD가 존재하지만, 그 공정이 실리콘 기반이 아니므로 이 둘을 판독 논리(readout logic)와 통합하기 어렵다. SWIR를 위한 III/V 기반 SPAD 어레이 및 SiPM과 유사한 광증배관(photomultipliers)은 아직 상용화되지 않아 NIR 파장이 생태계의 가용성 측면에서 유리하다.

레이저
광자를 생성하는 과정은 완전히 다르다. 반도체 P-N 접합을 이득 매개체로서 사용해 레이저를 만들 수 있다. 이는 접합을 통해 전류를 펌핑함으로써 원자가 낮은 에너지 밴드로 이동할 때 광자의 공명 방출을 일으켜 일관된 레이저 빔 출력을 유도한다. 

반도체 레이저는 갈륨비소(GaAs)와 인화인듐(InP) 등의 직접 밴드갭 재료에 기반한다. 이들 재료는 실리콘과 같은 간접 밴드갭 재료와 달리 원자가 낮은 에너지 밴드로 갈 때 발생하는 광자의 생성에 효율적이다.

라이다에는 에지 방출 레이저(EEL, edge-emitting laser)와 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL, vertical cavity surface emitting laser)가 주로 사용된다. EEL은 현재 VCSEL보다 낮은 비용과 높은 출력 효율성 덕분에 더 광범위하게 쓰인다. 

또한 까다로운 패키징 및 배열과 온도 간 파장 변화로 인해 검출기가 더 넓은 범위의 광자 파장을 찾아야 한다. 이로 인해 더 많은 주변 광자가 노이즈로 잡힐 수 있다. 

VCSEL 신기술은 고비용과 낮은 전력 효율에도 불구하고, 빔이 위에서 생성되기 때문에 패키징이 쉽고 효율적이다. 비용이 지속적으로 크게 낮아지고 전력 효율이 향상되면서 VCSEL은 시장에서 점점 많이 사용되고 있다. 

EEL과 VCSEL은 모두 NIR과 SWIR 파장 생성에 사용되지만, 둘 사이의 핵심적인 차이는 NIR 파장은 GaAs로 생성되고, SWIR 파장은 인듐갈륨비소인화물(InGaAsP)로 생산된다는 점이다. GaAs 레이저는 더 큰 웨이퍼 크기의 파운드리를 사용할 수 있어, 비용절감과 공급망 안전성 측면에서 유리하다.

글: 바흐만 하지(Bahman Hadji) / 오토모티브 센싱사업부 디렉터 / 온세미