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라이다(LiDAR) 애플리케이션의 dToF 적용사례

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글/에델 캐시먼(Edel Cashman), 온세미컨덕터 수석 애플리케이션 엔지니어
 

라이다(LiDAR)는 ‘빛 감지 및 거리측정(light detection and ranging)’의 준말로, 감지 센서를 통해 특정 물체의 거리를 측정하는 기법을 말한다. 라이다에 사용되는 원리는 레이더(RADAR)와 비슷하나, 라이다에서는 전파의 역할을 주로 레이저와 같은 빛이 대신한다. 라이다 시스템은 빛을 목표 물체로 발사하여 반사되는 빛을 광원 주위의 센서로 검출한다. 빛이 되돌아오기까지 걸린 시간을 측정하고, 언제나 일정한 빛의 속도를 이용하여, 목표물까지의 거리를 높은 정확도로 계산할 수 있다. 이렇게 특정 공간 또는 목표지점에서 주기적으로 측정을 반복할 경우 주변 환경에 대한 3D 지도 제작까지 가능하다.
라이다는 자동차 산업 내에서도 다양한 애플리케이션에 적용된다. 특히, 첨단운전자보조시스템(ADAS)에서 장애물 감지 및 충돌 예방뿐만 아니라 어댑티브 크루즈 컨트롤(ACC)과 내비게이션에도 적용된다. 이처럼  오토모티브 산업에서의 사용사례가 자주 언급되고 있지만, 라이다는 사실 수많은 분야에서 활용되고 있다.
우주탐사의 경우 라이다는 행성들의 3D 지형도 제작 또는 특정 천체와 지구 간 거리를 측정하는데 사용될 수 있다. 농업 분야의 경우 라이다는 논밭과 농작물의 상태를 조사해 농부들이 농작물의 생장을 모니터링하고, 그 생산량을 예측 및 설계하도록 한다.
산림업의 경우 숲의 우거진 정도를 측정하거나, 사막화 정도를 모니터링하고, 이를 통해 산불을 미리 예방하도록 한다. 환경보호 또한 라이다 기술의 혜택을 누리는 분야 중 하나이다. 해양의 침식 관리 및 사구의 모니터링과 더불어 빙하의 침식에 대한 데이터 수집을 돕기 때문이다. 또한, 자연재해 발생 시 라이다를 통해 해일 등을 예측하거나 지진으로 인한 피해를 신속하게 측정할 수 있다.
이외에도 공장 생산라인에서의 정밀검사, 빌딩 및 도로의 대규모 시공 계획수립 등 수많은 산업 분야에서의 라이다가 적용되고 있다. 이와 더불어 물류창고, 부두, 공항을 비롯한 다양한 현장에서 라이다는 로봇 차량의 안전한 주행을 가이드 한다.
사실상 라이다는 수백 가지에 달하는 방법으로 활용되고 있으며, 그 범위는 교통, 건설, 조사, 동작 감지, 채굴, 법률, 재생가능에너지, 지질학 등으로 매우 광활하다.

라이다 애플리케이션에서의 dTOF 센서 사용

라이다의 핵심 작동원리는 직접 비행시간거리측정(dToF)이다. 일반적인 라이다 시스템에는 빛의 펄스를 생성하기 위해 레이저가 사용된다. 이 빛의 진행 방향에서 특정 물체에 부딪히면 빛이 반사됨과 동시에 일부는 주변으로 흩어지지만, 일부는 라이다 시스템의 센서로 되돌아온다.
시스템에 내에 정확도가 높은 클락을 설계하여, 빛이 물체에 닿은 후 되돌아오는데 소요된 시간을 측정한다. 빛의 속도는 일정하므로, 물체까지의 거리는 쉽게 계산될 수 있다. 따라서 정확도가 높은 클락을 사용할 수록 라이다 시스템은 높은 수준의 정확도를 확보하게 된다.
한 지점(Point)까지의 거리를 알아내는 것은 유용하다. 이를 이용하여 광원을 스캔 패턴으로 움직이고 각각의 거리 값을 기록하며 광원 위치를 스캐닝해 3D 맵을 빠르게 제작할 수도 있다. 이는 라이다의 주된 사용 목적이자, 앞서 언급된 다양한 신규 애플리케이션을 활성화하는 방식이기도 하다.

[그림 1] 라이다에서 사용되는 dToF의 원리

실리콘 포토멀티플라이어(SiPM) - 센서의 필수요소

반사된 레이저 빛을 포착하고 빛의 양을 측정함에 있어 높은 정확도는 어떤 라이다 시스템에서든지 매우 중요하다. 라이다 시스템 내에서도 가장 성능이 뛰어난 센서는 SiPM이며, 이는 소형의 개별 단일 광자 포토 아발란치 다이오드(SPAD)센서를 밀집된 배열(dense array) 형태로 통합하여 제작하게 된다.
각각의 미세한 감지 지점은 퀀치 저항기(quench resistor)을 포함하며, μ2 단위의 크기에 불과하므로 ‘마이크로셀’이라고 불린다. 마이크로셀이 광자를 흡수할 때 가이거 아발란치(Geiger Avalanche)가 발생해 대량의 광전류가 흐르게 된다. 따라서 퀀치 저항기의 전압 저하로 이어지며, 이는 다이오드 바이어스의 감소 및 전류의 억제를 통해 추후 발생할 가이거 모드 아발란치를 예방하게 된다. 이후 마이크로셀이 리셋되면서 다음 측정을 준비한다.
보통 SiPM은 1mm2당 100개에서 수천 개에 달하는 마이크로셀로 구성된다. 각각의 마이크로셀은 광자를 동일하게, 개별적으로 감지한다. 마이크로셀에서 나오는 전류는 합쳐져서 준 아날로그(quasi-analog) 출력을 형성하는데, 이는 즉각적인 광자 흐름의 크기에 대한 정보를 제공한다.
광자를 감지하고 측정하는 다른 기술로는 아발란치 포토다이오드(APD)와 핀 다이오드(PIN diodes)가 있다. 그러나 SiPM 센서는 이 둘보다도 더욱 개선된 형태라고 볼 수 있는데, SiPM은 단일 광자를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 높은 증폭률을 가지기 때문이다. 이처럼 향상된 기능을 통해 대부분의 라이다 애플리케이션에서 요구되는 바와 같이 원거리에서도 낮은 반사율을 갖는 목표물을 감지할 수 있다.
SiPM 센서는 풀 패키지 솔루션으로 제공되며, 이러한 솔루션 중 하나인 온세미컨덕터의 RB-시리즈는 전자기 스펙트럼상의 적외선 및 근적외선(NIR) 부분에 특히 민감하다. 모든 센서는 높은 응답성, 빠른 신호 응답, 낮은 작동 전압 및 낮은 작동 전압 계수을 특징으로 한다. 센서들은 작고 견고한(1.5mm x 1.8mm 크기) 몰디드 리드프레임 패키지(MLP) 형태로서 제공되며 납땜 등의 리플로우 공정에 적합하게 사용될 수 있다.
현재 마이크로셀의 크기에 따라 3가지 타입의 SiPM이 사용 가능하지만(10μm, 20μm or 35μm), 각 소자는 1mm x 1mm의 활성 감지 영역(Active Sensing Area)에서 동작하도록 설계되었다. 더 큰 마이크로셀은 더 높은 감지 효율성을 가지며, 더 작은 마이크로셀은 더 높은 다이내믹 레인지를 가진다. 모든 소자는 신속한 신호 응답 속도를 보이는데, 표준 출력의 경우 1.0ns, 빠른 출력의 경우 500ps 정도가 걸린다.

[그림 2] 마이크로셀 어레이로 구서된 SiPM

SiPM dToF 라이다 플랫폼

dToF의 원리는 비교적 간단하지만, 완전한 기능을 갖춘 솔루션을 개발하려면 SiPM에 되돌아온 빛을 감지하는 정확도를 확보하는 것인 관건이다. 온세미컨덕터에서는 엔지니어들이 고성능 라이다가 적용된 산업용 거리 측정 애플리케이션을 개발할 수 있도록 dToF 기반의 완전한 라이다 솔루션을 갖춘 개발 플랫폼을 제공한다.
개발에 소요되는 노력을 최소화하기 위해 고안된 해당 플랫폼은 실질적으로 다양한 애플리케이션의 소프트웨어 설정 변경이 가능한 턴키 방식 솔루션이다. 전반적인 시스템의 비용은 최적화되며, 각종 하드웨어(BoM, 회로도, PCB 거버) 및 소프트웨어, 소스 파일들이 제공된다.
또한, 이 라이다 시스템은 1mm에서 23m까지의 단일 지점을 대상으로 dToF 기능을 제공하며, 거리 측정을 최대화하기 위한 플라노-컨벡스 렌즈(plano-convex lens)를 포함한다. 시스템 작동에는 오직 3.3V 또는 5V 파워서플라이 한 개만이 필요하다. 전용 그래픽 유저 인터페이스를 통해 주파수 및 펄스 폭뿐만 아니라 벅/부스트 전압의 설정도 가능하다.

[그림 3] 라이다 플랫폼 개념도

요약

우리 주변의 환경을 측정하고 모니터링하는 능력은 광범위한 산업 분야를 아울러 더욱 중요해지고 있다. 라이다와 같은 현대 기술들은 수작업보다 더 나은 정확도를 제공할 뿐만 아니라 기존 대비 소요시간을 훨씬 더 줄일 수 있다.
dToF의 원리는 간단함에도 불구하고, 해당 분야에 경험이 많지 않은 설계자들이 이를 구현하는 것은 까다로운 작업이 될 수도 있다. 온세미컨덕터는 레퍼런스 플랫폼을 통해 최고의 기술들을 사용함에 있어 얼마나 라이다가 효율적인 시스템인지 증명한다. 전반적인 플랫폼은 모든 종류의 정보를 제공하며, 설계자들이 신속하고 확실하게 개념에 대한 증명에 도달하도록 필요한 하드웨어 및 소프트웨어까지 제공한다.