라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging)는 사물로부터 반사되어 돌아오는 빛을 측정, 분석하여 물체까지의 거리를 파악 혹은 물체를 3차원으로 이미징하는 기술로, 자율주행자동차, 로봇, 드론, AR/VR (Augmented Reality/Virtual Reality; 증강현실/가상현실) 등을 위한 핵심기술로서 크게 각광받고 있습니다(그림 1).

[그림 1] 차세대 라이다 응용분야 예시

  라이다는 주로 눈에 보이지 않는 905nm, 940nm와 같은 근적외선(NIR) 파장 혹은 1550nm와 같은 단파장적외선(SWIR) 파장에서 동작하도록 개발이 진행되고 있으나, 각각의 경우 모두 큰 한계에 직면해 있습니다. 우선 905nm, 940nm 파장의 경우 CMOS를 기반으로 센서 구현이 가능하여 저가화 및 소형화에 큰 장점을 가지고 있지만, 인간의 시력을 쉽게 손상할 수 있어 고출력 광원을 이용할 수 없기 때문에 라이다의 측정거리 등의 성능이 제한된다는 한계점이 있습니다. 반면, 1550nm 파장의 경우 시력 손상 가능성이 매우 적어 고출력 광원 사용과 함께 동작거리를 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있기 때문에 안전한 장거리 라이다의 지향점으로 여겨지고 있으나(그림 2), 기존 CMOS 기반 Silicon 광센서를 사용할 수 없다는 점이 가장 큰 걸림돌로 지적되어 왔습니다. 1550nm 파장에서 라이다를 구현하기 위해 III-V 반도체 기반 센서가 개발되어왔으나, 이는 노이즈에 취약하여 Cooling이 요구되며 저가화 및 소형화 측면에 있어 큰 한계가 있습니다.

[그림 2] 1550nm 파장대역에서 동작하는 라이다의 장점

  이러한 한계들을 극복하기 위해 본 연구팀(연구책임자: 이명재(KIST), 공동연구책임자: 이인호(KIST))은 ①CMOS 공정 기반의 Back-Illuminated(BI; 후면조사형) Single-Photon Avalanche Diode(SPAD)와 ②Silicon의 물리적 성능 한계 극복을 위한 Plasmonics, 그리고 ③이를 융·복합한 플라즈모닉 CMOS 단일광자 센서 (SPAD) 연구를 진행할 예정입니다. 이러한 연구과정을 통해 표준 CMOS 공정으로 구현이 가능하고 1550nm에서 동작 가능한 Silicon 기반의 신개념 라이다 센서를 개발하여, 차세대 라이다 응용분야를 위한 핵심 솔루션 및 원천기술을 확보할 것입니다.

  1550nm 대역에서 동작하는 저가·초소형 단일광자 센서는 다양한 차세대 라이다 응용에서 핵심 기술로서 적용·활용되며 국내뿐만 아니라 전세계적으로 매우 큰 시장을 확보하는 것이 가능하기 때문에, 본 연구 및 후속 연구·개발을 통해 계속해서 다양하고 매우 큰 성과들이 창출될 것으로 예상됩니다. 또한, 이는 우리나라의 주력 산업이자 경제의 대들보 역할을 하는 반도체산업 분야에서, 기존의 메모리반도체에 더해 시스템반도체에서 경쟁력을 강화하는데 기여할 수 있을 것이라 기대됩니다.