오토모티브 애플리케이션을 위한 라이다 ‘뎁스 센싱’ 기술의 이점 ②

2021-09-14 최태우 기자

[사진=게티이미지뱅크]

지난 글에서는 현재 상용화된 3종의 라이다 센서의 구조와 원리에 대해 알아봤다. 이번 글에서는 라이다를 두고 가장 활발한 논의가 이어지고 있는 파장 대논쟁에 대해 알아본다.

라이다를 두고 가장 활발하게 논쟁이 되는 주제는 ‘어떤 파장을 사용하는가’이다. 적외선(IR)은 가시광선보다 백그라운드 적외선이 훨씬 적어 신호대잡음비(SNR)가 개선되고 돌아오는 광선을 쉽게 탐지할 수 있기 때문에 더욱 선호된다.

적외선 스펙트럼에는 근적외선(NIR) 스펙트럼(850nm, 905nm, 940nm)과 단파적외선(SWIR) 스펙트럼(1350nm, 1550nm) 등 적합한 파장이 여러 개 있다. 이 중 어떤 파장을 사용할지 결정하는 것이 ‘파장 대논쟁’의 핵심이다.

이 때 가장 중요한 세 가지 기준은 시스템의 성능, 적합한 부품의 가용성, 시스템의 총비용이다.

검출기(detector)는 라이다 시스템에서 가장 기본적인 구성요소다. CMOS 실리콘 기반 검출기는 400nm~1000nm 범위의 파장을 가진 빛을 탐지할 수 있어서, 가시광선과 근적외선 빛에는 민감하지만 단파적외선 빛에는 투명하다.

단파적외선 빛을 감지하려면 실리콘에 비해 비용이 매우 높은 인듐갈륨비소(InGaAs) 합금을 비롯한 III/V 반도체를 사용해야 한다.

부품의 가용성은 특히 레이저 방출기에 있어서 또 다른 고려사항이다. 엣지 방출 레이저(EEL)는 패킹이 용이하고 온도에 대해 안정적인 파장 기능을 제공하는 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL)로 대체되고 있다.

현재 VCSEL은 전력 효율이 떨어지고 비용도 더 높지만, 사용이 광범위하게 확대되면서 이 부분은 개선될 것으로 전망된다.

그러나 현재 유수의 단파적외선 EEL 공급업체가 있는 반면, 단파적외선 VCSEL 공급업체는 단 한 곳뿐이며, 근적외선 VCSEL 공급업체는 여러 곳이 있다. 따라서 근적외선을 선택하면 공급망의 안정성이 높아진다.

탐지거리는 사용 가능한 반응 시간을 증가시켜 안전성을 향상시키기 때문에 중요하다. 그러나 지나치게 강한 레이저는 눈을 손상시킬 수 있으므로, 전기통신 국제표준 IEC 60825는 1나노초(ns) 레이저 펄스에 대한 최대허용노출(MPE) 수준을 규정한다.

근적외선은 최대허용노출(MPE)이 낮아야 하지만, 펄스의 폭을 줄이면 레이저 출력이 높아지고, 민감한 검출기를 사용하면 최대 300m까지의 장거리 또한 측정할 수 있다.

좋은 날씨에는 단파적외선의 범위가 근적외선보다 크지만, 단파적외선은 비나 안개 등의 습도에 영향을 더 많이 받는다. 따라서 근적외선 기반 시스템이 단파적외선 시스템보다 성능 저하가 적으며, 전천후 조건에서 일관된 성능을 제공할 수 있다.

이러한 조건으로 인해, 근적외선은 오토모티브 라이다에서 주로 선호되는 파장이 된다. 근적외선은 InGaA와 같은 고가의 재료와 달리, 실리콘 기반 장치를 사용할 수 있다. 더 중요한 점은 여러 공급업체로부터 부품을 얻을 수 있어 공급망을 강화할 수 있다는 것이다.

근적외선과 단파적외선 모두 시력에 안전하게 작동이 가능하지만, 근적외선은 저전력 레이저를 사용하면서도 오토모티브 라이다 요건을 충족할 수 있다.

오토모티브 애플리케이션에서 항상 중요하게 고려되는 상업성 관점에서 보면, 근적외선은 비용이 훨씬 낮다.

글로벌 시장조사 업체인 IHS 마킷(IHS Markit)(Amsrud, 2019)의 조사에 따르면, 레이저와 검출기의 채널당 가격은 약 4~20달러인 반면, 동급 단파적외선(SWIR) 시스템의 채널당 가격은 약 275달러로 나타났다.

추가적인 개발과 물량 증가를 고려하면 근적외선(NIR)의 비용은 단파적외선(SWIR) 10배 내지 100배 가량 낮게 유지될 것으로 예상된다.

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