MEMS 칩 혁신으로 라이다 해상도 기록 경신, 자율주행차 비용 절감

MEMS 스위치 어레이를 활용한 고해상도 솔리드스테이트 라이다가 저가 칩 기반 카메라·레이더 시스템 수준으로 비용을 낮춰 자율주행차 라이다 도입의 주요 장벽을 허물 전망입니다.

기존 라이다의 한계와 새로운 돌파구

저가 칩 기반 카메라와 레이더는 충돌 회피와 자율 고속 주행용으로 주류가 되었지만, 라이다 내비게이션 시스템은 여전히 수천 달러짜리 거추장스러운 기계식 장치로 남아 있습니다.

이 상황이 바뀔 조짐입니다. UC 버클리 버클리 센서·액추에이터 센터 공동소장 겸 전기공학·컴퓨터과학 교수 밍 우(Ming Wu)가 새로운 고해상도 라이다 칩을 개발했습니다.

초점면 스위치 어레이(FPSA) 기반 설계

우 교수의 라이다는 초점면 스위치 어레이(FPSA) 기반입니다. 디지털 카메라 센서처럼 빛을 모으는 마이크론급 안테나 반도체 매트릭스입니다. 16,384 픽셀 해상도는 스마트폰 카메라의 수백만 픽셀에 비하면 인상적이지 않을 수 있지만, 지금까지 FPSA의 512 픽셀 이하를 크게 앞섭니다.

CMOS 기술로 메가픽셀 확장 가능, 드론·로봇·스마트폰까지 응용 확대

컴퓨터 프로세서 생산에 쓰이는 동일한 상보성 금속산화막 반도체(CMOS) 기술로 메가픽셀 크기로 확장이 가능합니다. 이로써 자율주행차뿐 아니라 드론, 로봇, 스마트폰용 강력하고 저렴한 3D 센서 신세대가 열릴 수 있습니다.

기계식 라이다의 성능을 칩에 구현하는 난제 해결

기계식 라이다는 레이저로 수백 야드 밖 물체를 어둠 속에서도 시각화하고, 차량·자전거·보행자·장애물을 AI가 구별할 만큼 고해상도 3D 맵을 생성합니다. 하지만 이 능력을 칩에 구현하는 건 10년 넘게 연구자들을 괴롭혔습니다.

"아주 넓은 영역을 비추고 싶습니다. 하지만 그렇게 하면 빛이 너무 약해져 충분한 거리까지 도달 못 합니다. 그래서 빛 강도 유지를 위해 레이저로 비추는 영역을 줄이는 설계 트레이드오프를 합니다." 우 교수가 설명했습니다.

MEMS 스위치로 16,384 픽셀 집적, 70도 시야각 구현

이 라이다는 미세 광 송신기와 MEMS 스위치로 된 FPSA 매트릭스로 구성됩니다. MEMS 스위치가 급속 켜짐/꺼짐으로 웨이브가이드를 물리적으로 이동시켜 가용 레이저 파워 전부를 한 번에 단일 안테나로 보냅니다.

MEMS 스위치는 통신망 광 라우팅에 쓰이는 기성 기술이지만 라이다 적용은 최초입니다. 열광학 스위치보다 훨씬 작고 전력 소모 적고 스위칭 빠르며 광 손실이 매우 낮습니다.

덕분에 1cm² 칩에 16,384 픽셀 집적이 가능했습니다. 스위치가 픽셀을 켜면 레이저 빔 방출과 반사광 포착. 각 픽셀은 어레이 70도 시야각의 0.6도에 해당. 어레이를 급속 순환하며 주변 3D 영상 구축. 여러 개를 원형 배치하면 차량 주변 360도 뷰 생성.

상용화 과제: 해상도·거리 향상, CMOS 양산으로 저가 칩 라이다 실현

우 교수는 상용화 전 FPSA 해상도와 거리 증대가 필요합니다. "광학 안테나 더 작게 만들긴 어렵지만 스위치들은 아직 최대 부품이라 훨씬 작게 만들 수 있을 것"이라고 말했습니다. 거리도 현재 10m에서 100m, 지속 개선으로 300m까지 가능할 것으로 봅니다.

"스마트폰 카메라 크기로 라이다를 줄이면 차량, 로봇, 청소기, 감시 장비, 생체인식, 문 등 카메라 쓰이는 모든 곳에 더 많은 잠재 응용이 생길 겁니다." 우 교수가 말했습니다.