전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2018.3 특집요약(p20~36)

차량탑재 센서 삼국지
LiDAR는 자율주행 시대에 살아남을 수 있을까?

제1부: 대 경쟁시대의 개막
잇따른 통합센서 개발, 멀티 기능을 둘러싼 소수 과점 경쟁

카메라(CMOS 이미지 센서), LiDAR, 밀리파 레이더의 3가지는 현재, 자율주행의 외부 환경을 인식하는데 반드시 필요한 센서라고 할 수 있다. 이 3가지의 장점을 조합하여 신뢰성을 높인다. 이것은 다종 센서의 멀티 기능이라고 할 수 있다. 상황이 급변하고 있는 가운데, 혁신적인 센서의 등장으로 3대 센서의 판도가 흔들릴 가능성이 있다.

자율주행용으로 차량 주위를 인식하는 센서의 개발이 새로운 국면을 맞이하고 있다. 카메라(CMOS 이미지 센서), LiDAR(Light Detection and Ranging), 밀리파 레이더---. 다양한 센서를 조합시키는 현행 방법에 비해, 차세대를 응시한 기술이 최근 1년 정도 사이에 잇따라 등장했다. 주로 미국 및 이스라엘의 벤처기업이 혁신적인 검지 수법을 놓고 경쟁하고 있다.

차세대의 혁신적인 신형 센서는 기존 센서의 검지 방법의 장점만을 가져왔다. 해당 개발 기업은 신형 센서를 레이더 및 LiDAR의 일종이라고 주장하고 있으나, 다양한 센서 기능을 통합한 완전히 새로운 타입이라고 할 수 있다. 기존의 카메라, LiDAR, 레이더를 시장으로부터 몰아내고 모든 자동차 제조사로부터 필요로 하는 ‘센서 플랫폼’의 자리를 차지하려고 하고 있다.

-- 우선은 센서 정보를 융합 --
현재, 자율주행차용 센서의 개발에서는 '센서 퓨전(Sensor Fusion)’을 토대로 하는 것이 업계의 컨센서스(공통인식)이다. 센서 퓨전에서는 다종 다양한 센서의 각기 다른 역할 및 강점을 살린다. 검지 범위를 일부러 중복되게 조합하여 우천이나 역광 등 주위의 인식이 어려운 환경에 있어서도 확실하게 인식하는 것을 목표로 한다.

복수의 센서로부터 취합한 정보는 차재용 컴퓨터에 저장하며, 이를 조합한 ‘융합(퓨전) 정보’로 만듦으로써 외부 세계의 상황을 통합적으로 인식한다. 예를 들어 악천후의 상황에서 만약 카메라의 정보가 충분하지 못할 경우에는 LiDAR의 정보로 보충하고, 반대로 LiDAR 정보가 부족할 경우에는 레이더 정보로 안전확보에 필요한 최소한의 판단재료를 제공한다.

2020년 전후에 등장하는 초기 자율주행차의 대부분은 센서 퓨전을 기본베이스로 할 전망이다. 원리적으로는 현재의 실험용 개발차량이 베이스가 된다. 개발 차량의 사양에서부터 카메라, LiDAR, 레이더를 합쳐서 20개 전후로 탑재하게 된다고 한다. 경우에 따라서는 근거리용 초음파, 카메라 및 원거리 레이더가 커버할 수 없는 멀리 떨어진 곳 전용으로 원적외 카메라(서모그래피 카메라)가 사용된다. 자동차 간의 통신을 통해 다른 차량으로부터의 정보 및 도로에서의 자동차간 도로 인프라를 통한 정보도 활용한다.

일반도로에서의 주행 실적이 적은 초기의 자율주행차는 항장성(抗張性)을 확보하여 신뢰성에 무게를 둔 센서 퓨전을 기반으로 해야 한다. 다수의 센서를 탑재함으로써 비용이 커지기 때문에 차량 가격이 1,000만엔을 넘는 고급차 및 셰어 서비스용의 차량 등이 중심이 될 전망이다.

-- 고분해능 레이더로 인식도 --
센서 퓨전만으로 모든 것이 해결되지는 않는다. 비용, 외형 치수, 중량, 소비전력이 증가하는 과제가 생기기 때문이다. 이런 과제를 해결할 가능성이 있는 것이 신형 센서이다. 2018년 1월에 개최된 하이테크 분야의 전시회인 ‘CES 2018’(2018년 1월9일~12일, 라스베가스)에 전시되었던 캐나다의 Tier 1인 Magna International사가 보여준 밀리파 레이더가 그 중 하나이다. “해상도가 기존의 레이더보다 현저히 높아 LiDAR를 필요로 하지 않는다”(당사 부스의 설명원). 2019년경에 시장에 투입할 예정이다.

당사는 저(低)가격화를 위해 메카레스 LiDAR기술을 가진 이스라엘의 Innoviz Technologies사에게 2017년 9월에 출자한다고 발표했다. Magna사가 신형 레이더를 기대와 같이 실용화하게 된다면 고객인 자동차 제조사에게는 LiDAR를 포함하지 않는 형태로 차재용 센서 시스템을 제공하게 될 가능성이 있다.

-- 카메라를 불필요로 하는 “LiDAR”
-- 카메라의 자리, 건재한가? --
-- 대경쟁의 시대로 --

제2부: 무선기능의 혁신
밀리파 레이더에 인식 능력 갖춰져, 새로운 원리로 단숨에 초고해상으로

밀리파 레이더가 ‘LiDAR 킬러’가 되려고 하고 있다. 분해능(分解能)이 급격히 향상되어 물체의 인식 능력을 갖추게 되었다. 지금까지 인식에는 LiDAR와 카메라를 필요로 했으며 레이더는 보좌역이었다. 기존의 레이더에 거의 사용되지 않았던 검지기술 및 안테나 기술, 알고리즘을 총동원하여 분해능은 더욱 높아지게 될 전망이다.

밀리파 레이더의 진화가 눈부시다. 자율주행에 필요한 센서로서 각광을 받는 LiDAR 덕분에 지금까지는 눈에 띄지 않았으나, 최근 1년 사이에 급격히 그 존재감은 커지고 있다. LiDAR에 요구되었던 인식을 가능하게 하는 해상도가 실현될 수 있었기 때문이다.

레이더의 능력을 향상시킨 견인역할에는 크게 3가지가 있다. (1)전세계에서 이용 가능한 무선 주파수대역 폭을 확대, (2)반도체의 세밀화, (3)안테나 기술의 발전이다.

(1)의 무선 주파수 대역은 76G~81GHz의 연속 대역폭 5GHz를 이용 가능하게 된 것이 크다. 기존에는 연속 3GHz폭이 최대치였다. 2015년에 개최한 ‘WRC-15(World Radiocommunication Conference 2015)에서 기존의 레이더에서는 사용하지 못했던 77.5GHz~78GHz의 대역을 이용할 수 있게 한다고 정했다. 앞으로는 136G~148.5GHz의 연속 12.5GHz폭이 레이더에 이용될 수 있게 할 예정이다. 대역폭의 확대는 일반적으로 거리방향의 분해능을 개선한다.

(2) 반도체의 세밀화에 의해 CMOS기술로 보다 저비용의 RF(무선주파) IC를 실현할 수 있게 된다. 또한 전파를 빔 상태로 송신하기 때문에 처리(빔포밍) 및 수신 전파의 해석을 위해 저렴한 저 소비전력의 연산 능력이 사용됨으로써 방위 분해능의 향상에 기여한다.

(3) 안테나 기술에서는 빔포밍으로 일반적인 페이즈드어레이(안테나 자체를 움직이지 않고 빔의 방향이나 방사 패턴을 바꾸는 레이더 안테나) 이외의 방법을 시도하는 개발이 활발해지고 있다. 빔의 첨예화 및 검지 범위의 장거리화에 기여한다.

원래 레이더는 LiDAR에 없는 특징을 갖추고 있다. 도플러 효과를 이용해 속도를 직접 검출할 수 있어, 비∙안개∙눈 및 석양에서의 검지 능력이 대체적으로 높다. 비용을 낮추기 쉬운 점도 장점이다. 가동부가 없어 RF부를 포함한 CMOS기술로 반도체 실현이 가능하기 때문이다. 안테나는 프린트 기판을 베이스로 하거나, 금형 가공 등으로 양산에 적합한 저가의 제조법으로 실현이 가능하다. 물체 인식이 가능한 레벨까지 고분해능화가 진행된다면, 그야말로 ‘LiDAR 킬러’가 된다.

-- 기존의 레이더보다 잡음에 강하다 --
1부에서 LiDAR를 필요 없게 할 가능성이 있다고 소개한 캐나다의 Magna International사의 레이더는 벤처기업인 미국 Uhnder사의 기술에 기반을 두고 있다. Uhnder사의 레이더 특징은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식으로 불리는 대표적인 거리 검지 기술 대신에 PMCW(Phase Modulated Continuous Wave) 방식을 사용하는 것이다.

기존의 FMCW를 사용하는 레이더는 앞에서 말한 것처럼 비∙안개∙눈 및 석양과 같은 악조건에서의 환경 검지(거리 계측) 능력이 뛰어나다. LiDAR에서 일반적인 총 검지법인 ToF가 단펄스를 사용하는 것에 반해, FMCW에서는 연속신호를 이용하는 것에 따른다. 잡음으로 신호를 이용할 수 없게 될 확률이 줄어, 열악한 환경에서도 높은 검지 능력을 유지할 수 있다.

-- 전파 간섭의 억제 기술도 --
-- 가상적으로 안테나를 크게 --
-- 메타머티리얼로 지연기기를 없앤다 --
-- 대형 아날로그 제조업체도 잇따라 --
-- 신호처리로 해상도 10배로 --

-- 덴소가 AI로 고분해능 기술을 --
덴소는 AI로 레이더의 분해능을 높이는 기술을 연구 중에 있으며 CES 2018에서 데모를 선보였다. 인식대상의 물체와 레이더로 관측할 수 있는 전파 이미지의 관계를 사전에 다수 학습시켜 둔다. 전파 이미지로부터 대상의 물체를 추정한다. 시판되는 24GHz대 레이더의 평가 보드를 사용하여 같은 보드에 탑재되어 있는 일반적인 해석 알고리즘으로 촬상한 경우와, 같은 평가 보드에 이번에 개발한 알고리즘을 적용한 경우를 비교했다.

2개의 대상물을 레이더로 보고 2~3번 떨어뜨려 놓은 결과, 기존 방법으로는 2개를 구분할 수 없었지만, 이번 방법에서는 다른 물체로 인식할 수 있었다. 레이더 이외에 LiDAR로도 적용이 가능하다. 그러나, 연산량이 많다는 과제가 있다. 따라서 응용하는 곳으로 처리시간이 큰 문제가 되지 않는 MRI(magnetic Resonance Imaging) 화상의 해석도 검토하고 있다.

제3부: 탈 적외선, 탈 TOF
새로워진 검지 원리의 ‘초LiDAR’, 레이더 및 카메라의 기술을 투입

LiDAR가 다양한 진화를 시작했다. ‘메카레스(Mechanism Less)’를 비롯해 검지 원리를 쇄신하는 개발이 활발해지고 있다. 예를 들어 기존의 LiDAR로 일반적인 적외선과 ToF(Time of Flight)를 사용하지 않고 레이더 및 카메라의 검지 기술을 시도한다. 메카레스 LiDAR 개발은 착실히 진행되는 가운데, 저비용화를 위한 방법도 다양해졌다.

거리 화상을 취득하는 센서인 LiDAR의 진화에 새로운 길이 보이기 시작했다. 지금까지는 거리 화상을 취득하기 위한 검지 원리는 크게 바뀌지 않고, 광선의 주사(스캔) 기구를 기계식에서 비(非)기계식으로 하는 개발이 주류였다. 기계부를 없애는 ‘메카레스화’ 또는 반도체 기술 및 광학 기술로 기계부를 치환하는 ‘솔리드 스테이트화’이다. 기존의 LiDAR의 최대 과제였던 비용과 외형 치수의 문제를 해결하려고 했다.

최근 1~2년 사이에 등장하고 있는 것은 검지 원리까지도 완전히 새로워진 ‘초(超) LiDAR’이다. 더 이상 전통적인 LiDAR라고 부를 수 없는 신형 센서인 것이다.

-- ToF 및 근적외 펄스를 사용하지 않는다 --
초LiDAR는 LiDAR의 일반적인 거리계측 방법인 ToF(Time of Flight)를 반드시 사용하지는 않는다. ToF에서는 근적외광(예를 들어 파장 900n~1,100nm 및 1,500nm 부근의 빛)의 펄스를 조사(照射)하여 대상물로부터의 반사시간(ToF)에서 거리를 측정한다. 그러나 근적외광이 태양광의 파장과 겹쳐져있으며 단(短)펄스이기 때문에 잡음에 약하며 악천후에서의 장거리 계측이 어렵다는 과제가 있다. 그곳에 레이더로 채택되어 있는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)를 적용하는 개발 사례가 등장했다.

근적외광의 수광부(受光部)를 변경하는 개발 사례도 있다. 기존의 대부분의 LiDAR는 포토다이오드(PD)를 사용한다. 감도를 높이기 위해 1개의 광자의 입사(入射)로 대량의 전자를 발생시키는 애벌란시 다이오우드(APD)를 채택하는 것이 많다. 그래도 악천후에서의 장거리화에는 한계가 있다. 초LiDAR 중에서는 근적외광보다 장파장의 적외광을 사용하여 빛을 파장으로 인식해 안테나로 ‘수광’하는 기술이 나왔다.

-- CMOS 센서로 200만화소의 거리 측정 --
-- 편광소자로 반사시간 계측을 궁리 --
-- 거의 레이더와 같은 ‘LiDAR’ --

-- 주사 방법까지 생각한 레이더 방식 --
레이더와 동일한 FMCW를 사용한 초LiDAR는 산업기술통합연구소의 일본 벤처기업인 Stera Vision도 개발 중에 있다. 500m라는 장거리에 대응하여 “레이더가 필요 없게 될 것으로 보고 있다”(당사).

독자적 개발을 추진하고 있으나, Oryx Vision사와 동일하게 FMCW기술을 사용한다. 신호를 ToF보다 40배의 고감도로 수신할 수 있어, 비나 안개 등에 강하다. 파장 및 위상이 갖춰진 레이더 광원을 사용하지 않고도 디지털 신호 처리로 보정할 수 있는 기술을 조합시켰다.

당사의 센서는 레이저 빔을 주사(스테어링)하는 방법에도 특징이 있다. 임의의 포인트로 이산적(離散的)인 빔을 주사할 수 있다. 굴절률을 제어할 수 있는 액정 등으로 구성된 필름을 사용한다.

-- 기존형의 개발도 진전 --
기존의 LiDAR 개발은 계속해서 활발히 이루어지고 있다. 자율주행의 시험차량에서 높은 채택 실적을 자랑하는 미국 Velodyne LiDAR사는 메카레스 제품을 CES에 선보였다. 메카레스화 방법을 당사는 밝히고 있지 않다. 당사가 개발한 ASIC의 채택으로 소형화했다고 한다. 미국 캘리포니아 주 산노세 시에 건설한 신 공장에서 2018년 안에 양산을 목표로 하고 있다.

플래시타입 LiDAR로 주목을 받고 있는 캐나다의 LeddarTech사는 CES 2018년에서 MEMS타입으로의 대응을 명확히 밝혔다. 당사는 반사광으로부터 정확하게 거리 화상을 취득하는 신호처리 반도체에 강하다. MEMS화를 한 것은 고해상도화를 실현하기 위해서이다.

차세대 반도체는 발광∙주사 제어와 수신신호 처리를 목표로 한다. 매초 24만 5,000의 반사파를 받을 수 있다. 샘플 출하를 2018년 4/4분기에 시작해 2020년의 양산을 목표로 한다. 이 반도체로 LiDAR를 제조할 경우의 부품 비용은 100~150달러가 될 것이라고 한다.

-- MEMS 스캐너도 --
-- 스팟 조사형의 제안도 --
-- LiDAR를 차 안에 설치할 수 있는 유리 --

 -- 끝 --