전기전자/정보통신

NIKKEI Electronics_2017.2. 특집 (p49~61)

LiDAR(공간인식 센서)의 가격 파괴

50달러 실현을 향한 카운트다운

주위에 광선을 발사하여, 반사광으로부터 공간을 3차원적으로 인식하는 센서「LiDAR」의 수요가 급속히 확대될 전망이다. 신기술의 도입으로 가격이 2~3년 안에 하락할 것이다. 현재는 자율주행의 시험차량이나 건설기계 등 고가의 이동기기에 한해서 적용되었지만, 로봇 가전이나 AR(증강현실) 등으로 확대한다. 공간인식의 “표준센서”로서 카메라와 함께 보급될 것 같다.

제1부 : 조류의 변화
메카레스(Mechanism Less)로 50달러 목표, 자동차에서 가전∙AR로 확대

주위의 거리화상(Depth Map)을 촬영하여 3차원 공간을 인식할 수 있는 센서「LiDAR(Light Detection and Ranging)」. 시험주행 중인 자율주행 차가 카메라와 함께 반드시 탑재하고 있는 것이 이 센서다. 향후의 수요를 전망하고, 기기∙부품제조업체가 잇달아 시장에 참여하고 있다.

2016년에는, 미국의 Analog Devices, 독일 Infineon Technologies, 이탈리아 프랑스 합작 기업인 ST Microelectronics 등의 대형 반도체기업이, 독자적인 기술을 보유한 벤처 기업의 인수나 관련기업과의 제휴를 연이어 발표하였다. 기기제조업체의 경우는, Konica Minolta와 Pioneer가 부품제조업체로서 LiDAR 시장에 신규 참여하였다.

LiDAR 제조업체들은 가격을 한 번에 두세 자릿수 인하하는 것을 목표로 한다. 각 사가 벤치마크하고 있는 곳은, Google사(미국)의 자율주행 차량에 탑재하고 있는 Velodyne LiDAR사(미국)의 제품이다. 현재의 가격은 수백만 엔. 신규 참여한 각 사가 내걸고 있는 당면 목표는, 성능을 유지한 채 가격을 1만 엔 이하로 인하하는 것이다.

예를 들면, LiDAR 전문 벤처 기업인 LeddarTech사(캐나다)는, 개발 중인 차세대 제품을 100달러 이하로 한다는 계획이다. Pioneer는 2022년 이후에 1만 엔 이하로 제공하는 것을 목표로 내걸고 있다.

-- 메카레스로 1만 엔 이하의 가격 실현 --
저가격화를 추진하는 기술은 “메카레스(Mechanism Less)화”다. 이는 기존의 LiDAR가 탑재되어 있는 가동부를 없애는 기술이다. LiDAR의 경우는, 주위를 360도 스캔하면서 광선을 조사(照射)하여, 그 반사광을 통해 공간을 인식하고 있다. 그 인식을 위한 스캔부를 모터 등에 의한 가동부에서 실현하고 있다. 비용이 높아지는 최대 요인이 모터 등의 존재다.

그래서 각 사는, MEMS(Micro Electro Mechanical System)를 비롯한 반도체 베이스의 스캔 기구나, 굴절률을 제어하여 광선의 방향을 스캔시키는 기구를 도입함으로써 메카레스를 실현한다. 이르면 2017년에 첫 제품이 시장에 등장할 전망이다. 이러한 상황에서, 자율주행 시험 주행 차량이 거의 표준적으로 채용하고 있는 메카형 LiDAR 제조업체인 Velodyne LiDAR사가 2016년 말에 메카레스의 제품화를 발표, 2017년 이후의 제품화 시에는 부품 단체(單體)의 가격을 50달러 이하로 한다는 계획을 분명히 밝혔다.

또한 마찬가지로 메카형을 도요타자동차에 제공하는 있는 DENSO사가 메카레스 LiDAR를 취급하는 벤처 기업인 TriLumina사(미국)에 2016년 4월에 출자하였다. 2018년에 시장에 등장할「Audi」브랜드의 차량에 메카형을 제공할 예정인 Valeo사(프랑스)도, LeddarTech사와 메카레스형을 공동 개발 중이라는 사실을 2016년 5월에 밝혔다. 업계 전체가 메카레스로 점점 선회하고 있는 중이다.

메카레스 LiDAR는 반도체와 마찬가지로 양산 효과를 발휘하기 쉽다. 자율주행 차나 차량의 안전성을 높이는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)용으로 탑재가 급속히 진행되면서, 가격은 더욱 하락할 것으로 예상된다.

-- 이동기기나 사람의 움직임 인식에 --
대폭적인 가격 하락은, 주위를 인식하는 자율이동형 무인기나 사람의 움직임을 파악하는 기기에 대한 응용을 가속화시킬 전망이다. 이미 인식 정밀도를 떨어뜨린 간이 버전이, 10만 엔 전후의 일부 로봇청소기에 탑재되어 있다. 고정밀이면서 저렴한 LiDAR 제품이 등장하면, 보다 저가의 로봇청소기 등에 탑재가 확대될 가능성이 있다. STMicroelectronics사는 메카레스 LiDAR의 저가격화를 통해 가상현실(VR)이나 증강현실(AR)에 대한 응용도 기대하고 있다고 한다.

-- 카메라 사용이 어려운 환경에서 위력 발휘 --
많은 제조업체가 3차원 공간인식 센서로서 LiDAR를 연이어 제품화하는 이유는 카메라나 밀리파 레이더에는 없는 특징이 있기 때문이다. LiDAR의 구성에는 복수의 방식이 있지만, 대표적인 것은 근적외 레이저빔을 주위에 조사하는 스캔부, 반사광을 받는 수광부, 조사한 빛이 반사되어 수광부에 도착하는 시간차를 이용하여 거리를 측정하는 신호처리부로 구성된다. 레이저 광은, 근적외 광을 사용함으로써 가시광의 외란광을 제거한다. 근적외광의 외란광도 조사광을 펄스변조(Pulse Modulation)함으로써 캔슬하기 쉬워진다.

그 결과, 가시광을 촬영하는 카메라와 비교하여 여러 이점이 있다. (1)완전한 암흑이나 카메라라면 찍을 수 없는 밝은 환경이라도, 반사광을 받을 수 있는 범위(자동차 용의 경우는 기존제품에서는 최대 200m)라면 인식할 수 있다. (2)카메라에서는 필요한 시차(視差, Parallax)가 불필요하기 때문에 센서는 1대로 충분하며, Stereoscopy의 데이터를 사용한 화상처리도 불필요하다. (3)또한 스테레오 카메라로는 기선길이(Base Length, 카메라 사이의 거리)에 대해 측정 방향의 거리가 길어지면 오차는 커지지만, 먼 곳에서도 LiDAR의 경우는 오차가 확대되지 않는다.

밀리파 레이더도 거리 측정에 따라 3차원적인 공간인식이 가능하지만, 전파의 파장이 빛의 파장보다도 길기 때문에 LiDAR 수준의 분해 능력을 얻을 수 없었다. 또한 고주파를 사용하기 때문에, 안테나 등의 비용이 증가한다.

-- 무인으로 움직이는 기기에 수요 예상 --
-- 가전이나 디스플레이에도 적용 --
-- 감시카메라를 능가하는 감지 능력 --

제2부 : 기술동향
액정과 MEMS로 광선을 스캐닝, 아날로그 IC 기업들 개발 경쟁

LiDAR의 비용절감의 벽이 되었던 메카부(기계식 가동부분)를 없애는 기술 개발이 활발해지고 있다. 메카부는 조사(照射)하는 광선을 스캔하기 때문에 사용해 왔다. 스캔부를 메카레스로 하기 위해, MEMS를 이용하여 작은 거울의 방향을 바꾸는 방법과 함께, 액정 재료의 굴절 특성의 제어나 Phased Array의 응용 등, 신기술이 속속 제안되면서 실용화를 위한 개발이 진행 중이다.

LiDAR의 메카부를 제거하는 신기술의 실용화를 위한 개발이 가속화되고 있다. 이 메카레스 기술 개발에는, 기존의 LiDAR 제조업체뿐 아니라, 대량생산에 의한 저비용화를 특징으로 하는 반도체 제조업체도 참여한다. Analog Devices사(미국), Infineon Technologies사(독일), 이탈리아 프랑스 합작 기업인 STMicroelectronics사와 같은 아날로그 IC 기술에 강한 대형 반도체 기업들이다. 모두 벤처 기업이 보유한 독자 기술을 활용한다.

2016년 12월에는 자율주행의 시험 차량 용으로 널리 사용되고 있는 LiDAR 제조업체인 Velodyne LiDAR사(미국)도 메카레스의 제품화를 발표. 여기에서 사용하는 기술의 일부를 분명히 하였다.

-- 가동부를 없애고, MEMS를 사용 --
LiDAR의 스캔부를 메카레스화하는 방법은 크게 2개로 나눌 수 있다. (1)하나는 가동부를 제거한 것. (2)다른 하나는 가동부로 하고 있는 기계적인 기구부를 주로 MEMS로 대체한 것이다. 일반적으로 LiDAR는 자신이 내보내는 광선이 대상에 반사하여 돌아오기까지의 시간을 계측하는 방법으로 대상까지의 거리를 측정한다. 즉, ToF(Time of Flight)기술을 이용하고 있다. 단, ToF로는 어느 한 점의 거리밖에 알 수 없다. 그래서 광선을 스캔함으로써 감지범위 내의 3차원 촬영을 가능하게 한다. 광선의 스캔을 위해, 기존의 LiDAR는 모터 등의 구동 기구에 의한 가동부를 탑재하고 있다.

실용화를 위한 개발이 활발해지고 있는 메카레스화 기술 중, (1)가동부를 없애는 방법은 크게 2개가 있다. (a)하나는 가동부 없이 광선의 스캔을 실현하는 방법이다. 액정 전압에 의한 광학 특성의 차이를 이용하는 방법이나, 전파의 스캔에서 이용하는 Phased Array 원리를 빛에 적용한 방식 등이 있다. (b)다른 하나는 빔을 스캔하는 것이 아니라, 빛을 확산하여 조사하고, 수신부를 Array상태로 배치하여 3차원 위치를 확인하는 방법이다.

-- 액정재료로 광선을 스캐닝 --
(1)(a)가동부 없이 스캔하는 방법 중, Analog Devices사(미국)가 실용화를 서두르는 것은 액정 재료의 특성을 적용하는 기술이다. 벤처 기업인 Vescent Photonics사(미국)로부터 2016년 11월에 인수를 발표한 기술을 사용한다. Analog Devices사는 이번에 인수한 빔 스캐닝(Beam Scanning) 기술에 대해「가동부없이(solid-state)」라는 사실 이상의 상세한 내용을 밝히지 않았다. 단, Vescent Photonics사는 학회 등을 통해 독자의 빔 스캐닝 기술을 발표하였다. 그에 따르면, 동사(同社)는 액정 재료를 응용한 스캔 기술을 보유한다. Analog Devices사는 Vescent Photonics사의 기술을 통해 LiDAR의 신뢰성 향상이나 소형화, 저가격화가 가능해 진다고 한다. ADAS나 자율주행 시스템을 위한 LiDAR를 실용화한다는 계획이다.

-- 액정에는 빛을 통과시키지 않은 채 밝게--
Vescent Photonics사가 지금까지 발표한 학회자료 등에 의하면, 동사(同社)의 기술은 액정 재료에 전기를 가하여 굴절률을 변경함으로써 빔의 방향을 제어하고 있다.「액정도파로(Liquid-Crystal-Waveguide)」라고 부르는 구조체를 사용한다. 단, 광선을 통하게 하는 것은 액정이 아니라 빛이 투과하는 코어(core) 안이며, 액정은 그 코어의 굴절률을 바꾸기 위해 사용하고 있다. 액정도파로는 일반적인 도파로와 마찬가지로 통로가 되는 코어를, 코어와 다른 굴절률을 갖는 클래드(Clad)로 감싸 빛을 코어 안에 가둔다. 다른 편의 클래드를 액정으로 하고 있는 점이 특징이다.

액정 클래드에 전압을 걸어 굴절률을 바꾸면, 그 영향이 코어에도 미쳐 코어의 굴절률을 변화시킨다. 클래드의 굴절률 변화가 코어의 굴절률 변화에 영향을 미치는 것은, Evanescent Field 효과에 의한다. 즉, 코어의 굴절률을 다른 편의 액정 클래드에 거는 전압으로 제어함으로써 광선의 방향을 바꾼다.

액정을 코어에 사용하지 않고, 클래드에 사용하여 간접적으로 코어의 굴절률을 변화시키는 데는 2개의 이유가 있다. 하나는 빛의 강도가 떨어지는 것이다. 액정층을 투과하여 빛을 스캔하기 위해서는, 광선이 액정에 전압을 걸기 위한 투명 전극을 투과할 필요가 있다. 이 때, 빛의 강도가 떨어지게 된다. 다른 하나는, 액정의 광학특성에서 유래하는 문제다. 액정 재료는 극단적으로 얇게 하지 않는 한 표면을 제외하고 빛의 투과 특성이 열화한다. 액정 재료의 내부에 빛을 투과시키면, 액정 분자의 배치가 흩어져 있어, 산란이 발생하기 때문이다. 

또한, 개발한 굴절률 제어기술로는 광선의 방향을 충분히 굽힐 수 없는 경우가 있기 때문에 여러 아이디어를 생각하고 있다. 여러 곳에서 광선을 굴절시킴으로써 충분한 각도를 얻을 수 있도록 하였다. Vescent Photonics사는 이러한 기술을 10센트 동전보다 작은 사이즈로 패키지화하여, 수평방향으로 270도의 빔 스캐닝을 가능하게 하였다. 동사(同社)는 장기적으로 시야각(Viewing Angle)이 세로, 가로 방향 모두 120도의 빔 스캐닝을 실현 가능하도록 한다. 또한, 저가격화나 소형화에도 기여할 수 있다고 한다.

-- Phased Array로 광선을 스캐닝 --
마찬가지로 광선의 스캐닝을 가동부 없이 실현하는 것을 목표하는 벤처 기업인 Quanergy Systems사(미국)가 사용하는 것은, Phased Array기술이다. 전파나 음파의 송수신에 지향성을 갖게 하기 위해 자주 이용되는 기술이다. 빛의 파장 간격으로 복수의 소자를 진열, 각 소자로부터 조사하는 광파(光波)의 위상을 Array 사이에 적절히 비키어 배치함으로써, 특정 방향만 강도를 강하게 할 수 있다. 동사(同社)는 이번 기술을 사용한 LiDAR를 2017년 중에 시장에 투입할 예정이다.
Quanergy사의 LiDAR는「CES 2017 Innovation Awards」를「Vehicle Intelligence」부문에서 수상하였으며, 빔 스캐닝형의 메카레스형 개발 기업으로서는 선구자로서 주목을 받고 있다.

-- Velodyne사는 레이저 구동 소자에 주목 --
신흥 LiDAR 제조업체의 벤치마크 대상인 Velodyne LiDAR사는, 메카레스형 LiDAR를 제품화할 계획을 2016년 12월에 분명히 밝혔다. 메카레스형 LiDAR의 서브시스템(부품 단체(單體))으로서의 가격은 50달러 이하로 한다. 광원(光源)용 IC의 크기를 약 4㎟이하로 까지 소형화한다. 동사(同社)의 기계식 LiDAR는, 자율주행 기술의 연구개발에서는 널리 사용되고 있으며, 그 성능은 유저가 인정하고 있는 부분이다.「(자율주행의)실증 실험 수준에서는, Velodyne사 이외의 LiDAR을 사용하는 것은 거의 의미가 없다」(도쿄대학대학원 정보이공학계연구과 교수이며, 자율주행용의 소프트웨어나 센서 시스템 등을 개발하는 벤처 기업 Tier IV의 이사를 역임하고 있는 가토(加藤) 씨).

자율주행용 시험 차량에 채용된 실적을 통해, 정밀도나 신뢰도에 대한 요구 수준을 이해하고 있는 Velodyne사가 메카레스를 위해 주목한 것은, 레이저 광원에 전력을 공급하기 위한 소자기술이다. 구체적으로는, GaN(질화갈륨)을 사용한 파워 디바이스 IC에 강한 Efficient Power Conversion(EPC)사와 협업하여 실현한다. 동사(同社)의 GaN IC는 주파수 특성에 뛰어나다고 한다. 주파수 특성에 뛰어난 구동 소자를 레이저 광으로 사용하면, 고속 전환이 가능해지기 때문에, 거리화상(Depth Map)을 취득하는 경신속도를 높일 수 있다. 같은 경신속도라면 고분해능(High-resolution)으로 가능하다. 저비용화나 소형화를 추진하는 것을 물론, 주위의 인식능력을 높이려 하고 있다.

-- 확산광(擴散光)의 반사를 Array 소자로 수신 --
-- 가동부를 MEMS로 저렴하게 --
-- 인식범위를 동적으로 바꾸다 --

  -- 끝 --