김성환 박사과정, 유종범 박사 연구 주도
빛 방향 조절하는 '광위상배열'···크기↓, 내구성↑

3차원 영상센서 핵심기술인 광위상배열 칩.<사진 = KAIST 제공>
3차원 영상센서 핵심기술인 광위상배열 칩.<사진 = KAIST 제공>
국내 연구진이 초소형 3차원 영상센서 핵심기술을 개발, 이를 상용화에 노력한다.  

KAIST(총장 신성철)는 박효훈 전기·전자공학부 교수 연구팀이 나노종합기술원과의 공동 연구로 3차원 영상 센서 핵심 기술인 실리콘 기반 광위상배열(optical phased array) 칩을 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구는 김성환 박사과정과 나노종합기술원 유종범 박사 주도로 이뤄졌다.

3차원 영상 센서는 사진 등 2차원 이미지에 입체감을 주는 거리정보를 추가해 3차원 이미지로 인식하는 센서다. 이 센서는 사물의 정확한 거리정보가 필요한 자율주행 자동차, 드론, 로봇, 스마트폰 등 다양한 전자기기에서 눈 역할을 하는 핵심부품이다.

다수의 자동차, 드론 회사들이 레이저 빛을 이용한 3차원 영상 센서인 라이다(light detection and ranging, LiDAR) 개발에 주력하고 있다. 라이다는 레이저 신호를 2차원 상에 송신하고 반사돼 돌아온 빛을 이용, 대상과의 거리, 위치 정보 알 수 있는 3차원 영상 센서를 말한다. 그러나 이 방식은 2차원 영상 센서로 3차원 스캐닝을 하는 기계적 방식을 사용하기 때문에 고장 가능성도 높고 부피 또한 성인 주먹크기로 비교적 크다.

반면, 실리콘 기반의 광위상배열은 크기가 작고 내구성이 높다. 또 전기적으로 빛 방향을 조절할 수 있고, 기존 반도체 칩 제작설비를 활용해 만들 수 있다는 장점이 있다.

광위상배열은 빛의 간섭 원리를 이용해 자유공간에 방사되는 빛의 방향을 전기적으로 조절할 수 있는 광소자다.

하지만 기존 광위상배열은 빛 방향을 조절하는 방법에는 문제가 있다. 수평 방향 조절은 빛의 위상을 조절할 수 있는 광소자인 전기-광학식 위상변조기를 이용, 넓은 범위 스캐닝이 가능하다. 그러나 수직 방향 조절은 레이저 빛의 파장을 바꿔줘야 하는 기술적 난제가 있다.

빛의 파장을 바꾸면 실리콘 광소자 특성이 달라져 신뢰성 있는 방향조절이 어렵다. 파장을 조절할 수 있는 레이저를 실리콘 기반 칩에 집적시키는 것 조차 쉽지 않다. 따라서 방사되는 빛을 수직·수평 방향으로 쉽게 조절할 수 있는 새로운 구조 개발이 필요시 돼 왔다.

연구팀은 파장 변조 광원을 사용하는 기존 광위상배열에서 단일파장 광원을 사용함으로써 넓은 범위의 2차원 스캐닝이 가능한 초소형, 저전력 광위상배열 칩을 개발했다.

반도체 공정을 이용해 광위상배열 구조로 제작한 이번 센서는 잠자리 눈 정도 크기로 작게 제작할 수 있다. 이에 따라, 3차원 영상 센서 또한 소형화시킬 수 있다. 

더불어, 획득한 3차원 영상 데이터 무선전송이 가능해 고화질, 대용량 영상정보를 전자기기 간 자유롭게 통신할 수 있다.

김성환 박사과정은 "파장 변조를 이용한 2차원 스캐닝은 파장 변조가 가능한 광원의 집적이 매우 어려웠기 때문에 이번 연구를 통해 광위상배열의 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대한다"라고 말했다.

유종범 박사는 "3차원 영상 센서를 스마트폰에 장착해 얼굴인식과 증강현실 서비스 등에 지원할 예정"이라며 "공정 플랫폼을 발전시켜 3차원 반도체 영상 센서 핵심 기술 국산화에 노력하겠다"고 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구결과는 국제 학술지 '옵틱스 레터스(Optics Letters)' 이달 15일자 온라인 판에 게재됐다.
 

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