KAIST, 3차원 영상 센서 핵심기술 ‘광위상 배열 칩’ 개발

[글로벌이코노믹 이수연 인턴 기자] KAIST는 22일 박효훈 전기및전자공학부 교수 팀이 나노종합기술원과 공동으로 실리콘 기반 광위상배열(OPA·Optical Phased Array) 칩을 개발했다고 발표했다.

박효훈 KAIST 전기및전자공학부 교수 연구팀의 3차원(3D) 영상 센서는 사진같은 2차원(2D) 이미지에 입체감을 주는 거리정보를 추가해 3D이미지로 인식하는 센서다.
광위상배열 칩은 3D 영상 센서의 핵심 기술로서 눈에 안전한 파장의 빛을 안정되고 빠르게 스캐닝해 사물의 거리정보가 필요한 자율주행 자동차, 드론, 로봇 등 전자기기 센서의 눈 역할을 하는 부품이다.

연구팀이 반도체 공정을 통해 광위상배열 구조로 제작한 이 센서는 실리콘으로 만들어졌으며 잠자리 눈 정도의 크기로 작게 만들 수 있어 3D영상 센서를 소형화시킬 수도 있다.
아울러 연구팀은 광위상배열센서가 3D 영상 센서 기능은 물론 획득된 3D 영상 데이터를 원하는 방향으로 무선전송하는 기능을 수행하면서 전자기기들 사이에서 고화질·대용량 영상정보를 자유롭게 주고 받을 수 있다고 밝혔다.

KAIST는 이미 다수의 자동차, 드론 회사들이 레이저 빛을 이용한 3차원 영상 센서인 라이다(LiDAR·Light Detection and Ranging) 개발에 주력하고 있지만 2D영상 센서로 3D스캐닝을 하는 기계적 방식이어서 주먹 크기로 크게 제작되며 고장가능성도 크다고 지적했다.

KAIST 연구팀은 이 광위상배열(OPA)센서 방식이 전기적으로 빛의 방향을 조절할 수 있어 차세대 라이다 구조로 주목받고 있다고 설명했다. 실리콘 기반의 광위상배열은 크기가 작고 내구성이 높으며 기존의 반도체 칩을 제작하는 설비를 활용해 만들 수 있어 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.

박효훈 교수팀은 이번 성과가 기존 광위상배열의 빛 방향 조절시 문제점을 해결했다고 설명했다. 연구팀은 파장 변조 광원을 사용해야 하는 기존의 광위상배열을 발전시켜 단일파장 광원으로 넓은 범위의 2차원 스캐닝이 가능한 초소형, 저전력 광위상배열 칩을 개발했다고 밝혔다.

지금까지의 수평 방향 조절은 전기-광학식 위상변조기를 이용해 넓은 범위의 스캐닝이 가능하지만, 수직 방향 조절은 레이저 빛의 파장을 바꿔줘야 하는 기술적 난제를 갖고 있었다. . 빛의 파장을 바꾸면 실리콘 광소자의 특성이 달라져 신뢰성 있는 방향조절이 어렵고 또한 파장을 조절할 수 있는 레이저를 실리콘 기반의 칩에 집적시키기가 어렵기 때문이다. 방사되는 빛을 수직 및 수평 방향으로 쉽게 조절할 수 있는 새로운 구조를 만드는 것이 중요하다.

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 얼굴인식 및 증강현실 서비스 등에 지원할 예정이다”라며 “공정 플랫폼을 발전시켜 3차원 반도체 영상 센서 핵심 기술의 국산화에 노력하겠다”라고 말했다.

한편 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘옵틱스 레터스(Optics Letters)’ 1월 15일자 온라인 판에 게재됐다.


이수연 기자 swoon77@g-enews.com