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직접 ToF 및 간접 ToF 라이다

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글/Alex Lidow Ph.D., John Glaser Ph.D., Efficient Power Conversion Corporation

라이다(light detection and ranging)는 빛을 활용한 범용적인 원격 센싱 기술로서, 최근 들어서 이 기술에 대한 관심이 높아지고 있다[1].
라이다는 크게 두 가지 방식으로 구분할 수 있다. 직접 ToF(DToF)와 간접 ToF(IToF)이다. DToF 라이다는 개별 펄스들을 전송하고 반사되어서 되돌아오는 시간으로써 표적까지의 거리를 계산할 수 있다. IToF 라이다는 전송된 펄스 트레인과 반사된 펄스 트레인의 위상을 비교하는 방법으로 동작한다(그림 1). IToF 라이다가 최근에 빠른 성장세를 보이고 있다. 이것은 이 방식이 간소화된 리시버를 사용할 수 있고 그러므로 비용을 낮출 수 있기 때문이다. 이 글에서는 3D 이미징 용으로 두 기법에 대해서 살펴보고 미래의 자율 자동차로 이들 기법을 어떻게 활용할 수 있는지 알아본다.

[그림 1] 원거리 라이다 시스템(위)은 직접 ToF(DToF) 측정을 사용해서 광 펄스가 멀리 떨어져 있는 물체에 반사되어서 출발점으로 되돌아오는 시간을 측정해서 거리를 계산할 수 있다. 거리가 짧은 시스템(아래)은 간접 ToF(IToF) 방식을 사용해서 전송 펄스 트레인과 수신 펄스 트레인 사이의 위상 차로써 거리를 계산할 수 있다.

직접 ToF(DToF)

직접 ToF 측정은 개념적으로 단순하다. 그림 2에서 보듯이, 레이저 펄스를 방출하고 반사되어서 되돌아오는 빛을 검출한다. 이렇게 되돌아오기까지 걸린 시간을 2로 나누고 빛의 속도로 곱함으로써 표적까지의 거리를 계산할 수 있다.

[그림 2] DToF 라이다 펄스가 분해능에 미치는 영향. 위: 폭이 좁은 펄스는 반사를 손쉽게 구분할 수 있다. 아래: 폭이 넓은 펄스는 중첩됨으로써 반사를 구분하기 어렵게 만들고 이미지 분해능을 낮춘다.

더 많은 광자를 방출할수록 더 멀리 떨어진 물체를 감지할 수 있다. 펄스 폭이 좁을수록 더 높은 분해능이 가능하다. 1969년에 인류가 최초로 달에 착륙할 때 사용했던 것과 같은 초기의 라이다 시스템은 단일 광 펄스를 사용했고 이의 반사를 측정해서 큰 물체까지의 거리를 감지했다. 2004년에는 Velodyne이 개발한 라이다 시스템을 사용해서 3D 점군을 생성함으로써 DARPA 프로젝트의 일환으로서 캘리포니아 사막에서 자율 주행차를 유도할 수 있었다.[2] 이 라이다 시스템은 레이저와 리시버를 포함하는 혁신적인 회전식 디스크를 사용해서 주기적으로 펄스를 생성했다(그림 3). 그 결과로 3D 이미지를 컴퓨터로 손쉽게 해석할 수 있게 되었다.

[그림 3] 회전식 광학장치를 사용한 초기의 라이다 시스템

몇 년 후에는 이 아키텍처의 변형으로서 솔리드 스테이트 스캐닝 기법이 등장했다. 이 기법은 초소형 미러들로 이루어진 MEMS를 사용해서 레이저 빔을 조절한다. 그림 4는 이 두 방식의 시스템을 보여준다.

                    

                                           (photo courtesy of Velodyne Lidar)                                (photo courtesy of Cepton)

[그림 4] 회전식 라이다 시스템(왼쪽)과 스캐닝 라이다 시스템(오른쪽)

매우 좁은 펄스로 많은 수의 광자를 생성하는 것이 어려울 수 있다. 이 용도로 갈륨 나이트라이드(GaN) 기반 측면 방출 레이저와 GaN 기반 트랜지스터 및 IC가 많이 사용된다.[3] 이들 디바이스를 사용함으로써 매우 높은 속도와 높은 전류가 가능하기 때문이다. 그림 5의 오실로그램에서는 극히 소형화된(7mm2) GaN 트랜지스터를 사용해서 2.51ns에 불과한 펄스 폭으로 135A 펄스를 생성하는 것을 보여준다.

[그림 5] DToF 라이다 시스템은 짧은 펄스 폭으로 매우 높은 펄스 전류를 필요로 한다. 이 글을 작성하는 현재, 2.51ns 펄스 폭으로 이와 같은 135A 펄스는 가장 앞선 수준이다.

간접 ToF(IToF)

라이다 시스템은 1미터 미만에서부터 수십 미터까지 이르는 중간적인 거리로 특히 빠른 성장세를 보이고 있다. 이 거리는 로봇, UAV, 자율 자동차에 주로 많이 사용된다. 이들 시스템은 단일점 거리 측정 시스템에서부터 메가픽셀 ToF 카메라에 이르기까지 다양할 수 있는데, 다중 스팟 및 이미징 시스템 쪽으로 대세가 기울고 있다. 이들 시스템은 한 번의 검출 사이클로 넓은 시야각을 포착할 수 있다. 그러므로 이들 시스템에는 한 번에 전체 장면을 비출 수 있는 광원이 유리하다. 그러한 광원이 바로 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)이다. 개별 VCSEL은 크기가 매우 작지만, 다이 표면으로부터 레이저를 방출할 수 있으므로 단일 다이로 다수의 VCSEL을 집적해서 광 출력을 높일 수 있다(그림 6).

[그림 6] (a) 전자 주사 현미경으로 촬영한 VCSEL 어레이 단면과 (b) VCSEL 어레이 상단면 모습

소형 휴대용 시스템의 경우에 통상적인 펄스 전류 요구량은 2~10A에 이른다. 버스트 모드로 동작할 때는 펄스 주파수가 수 MHz부터 100MHz 이상까지 이를 수 있다. IToF 시스템은 나가는 펄스 트레인과 들어오는 펄스 트레인의 위상 차이를 계산하는 방법으로 동작한다(그림 7).

[그림 7] IToF 시스템은 나가는 펄스와 들어오는 펄스의 위상 차이로써 물체까지의 거리를 계산한다.

저비용 CMOS 카메라 이미징 기술을 기반으로 IC가 진화함으로써 이미징 칩으로 각기 픽셀로 거리 정보를 제공할 수 있게 되었다. 그럼으로써 그림 8에서 보는 것과 같이 한 번에 전체 프레임으로 거리 정보를 포착할 수 있게 되었다. 그래서 이것을 ‘플래시 라이다’라고 하기도 한다. 레이저를 플래시 램프로 사용해서 장면을 비추기 때문이다. DToF 및 IToF 디자인 모두로 GaN FET이 효과적인 것으로 입증되고 있다. 비용적으로 효과적으로 높은 전류와 빠른 펄스를 생성할 수 있으며 윤곽이 더 선명하다.

[그림 8:]IToF 이미지 (출처: PMD)

IToF 시스템이 단순한 설계와 낮은 비용을 앞세워서 자동차로 카메라와 초음파 센서를 대체할 강력한 경쟁자로 부상하고 있다. 뿐만 아니라 IToF 시스템의 출력이 DToF 라이다 시스템 출력과 비슷하므로 신호 통합에 더 적은 컴퓨팅 성능이 소요되고 지연시간을 덜 필요로 한다.

GaN 통합의 이점

EPC의 eGaNⓇ 전력 FET은 요구되는 전류 및 전압 정격으로 상승 및 하강 시간이 1ns 미만이므로 DToF와 IToF 시스템의 요구를 잘 충족한다. 단일의 0.81mm2 eGaN FET으로서 자동차용 EPC2203은 ADAS 5 자율 주행 시스템의 IToF 및 DToF 측정에 사용하기에 적합하다. 그런데 이들 FET은 송신 펄스를 생성하는 디지털 서브시스템 출력과 곧바로 호환 가능하지 않다. 이들 시스템은 3.3V 혹은 그 미만의 저전압 로직이고 구동 전류가 낮기 때문이다. 그러므로 FET으로 디지털 신호를 인터페이스하기 위해서 게이트 드라이버가 필요하다. 그런데 문제는, 100MHz 혹은 그 이상으로 eGaN FET을 구동하면서 빠른 상승 및 하강 시간을 유지하고 전력 소모가 허용 가능한 수준인 게이트 드라이버가 많지 않다는 것이다. 뿐만 아니라 게이트 드라이버와 FET 사이에 물리적 거리로 인해서 게이트 루프로 인덕턴스를 추가할 수 있고, 이것은 성능 저하로 이어질 수 있다. 또한 별도의 게이트 드라이버 IC는 공간을 차지하고(FET보다 더 많은 공간 차지), 비용을 증가시키고, 신뢰성을 저하시킨다. GaN 기술은 게이트 드라이버와 메인 FET을 통합할 수 있으므로 성능을 향상시키고, 부품 수를 줄이고, 위에서 언급한 모든 이점들을 거둘 수 있다.

[그림 9] 고도로 통합적인 EPC21601 GaN 전력 스위치의 IC 모습(a)과 블록 다이어그램(b)

[그림 10] 단일 펄스 파형(a)과 버스트 파형(b). 2.5V 로직 레벨 입력과 20V 전원에 2? 부하. 노란색 트레이스는 입력이고(1V/div), 빨간색 선은 드레인 전압이다(5V/div 및 2.5A/div).

라이다 용으로 GaN의 신뢰성

DToF 라이다 애플리케이션으로 GaN 디바이스는 1~5ns의 짧은 고전류 펄스를 겪으며 레이저 다이오드를 구동해서 좁은 폭의 광학적 펄스를 생성한다. 펄스 듀티 사이클이 통상적으로 낮고, 펄스 반복 주파수는 10~100kHz이다. 펄스를 생성하지 않을 때는 특정한 드레인 바이어스를 사용해서 오프 상태로 있는다.
이러한 스트레스 조건은 전력 디바이스로 이전에 경험하지 못했던 것이다. 펄스를 생성할 때 동시적으로 높은 전류와 전압이 핫 캐리어(hot-carrier) 효과와 관련한 문제를 일으킬 수 있으며, 이것은 디바이스 내에서 임계 전압(VTH)이나 온 저항(RDS(on))을 변화시킬 수 있다. 또한 반복적인 고전류 펄스의 영향이 누적됨으로써 전자 이동 문제가 발생될 수 있고, 이것은 솔더 접합부로 이상을 일으킬 수 있다.
이러한 문제들을 해결하기 위해서 EPC는 주요 라이다 고객들과 협력해서 새로운 테스트 기법을 개발했다. 이 라이다 신뢰성 테스트는 EPC의 Beyond AEC Initiative의 일부로서[4], 이 이니셔티브는 일련의 GaN 스트레스 테스트로 이루어진다. 이 신뢰성 테스트는 기존에 AEC-Q101 표준에 따라서 MOSFET 용으로 개발된 신뢰성 테스트를 뛰어넘는 조건으로 실시된다.
이 테스트는 실제 라이다 회로로 부품들로 실제 미션 프로파일에 해당하는 총 펄스 횟수를 가한다. 자동차 라이다 용의 미션 프로파일은 고객들마다 다를 수 있다. 통상적인 자동차 프로파일은 하루에 2시간씩 가동하면서 100kHz의 펄스 반복 주파수(PRF)로 15년의 수명을 요구한다. 이것은 대략 총 4조 회의 라이다 펄스에 해당된다. 최악 상황 시나리오의 경우에는 예상 수명으로 10~12조 회에 이르는 펄스를 필요로 할 수도 있다. 이 테스트 기법은 일련의 디바이스들을 실제 미션 프로파일로 테스트함으로써 라이다 미션으로 eGaN 디바이스의 수명을 직접적으로 확인할 수 있다. 그러므로 효과가 의심스러운 가속화 계수나 활성 에너지를 필요로 하지 않는다. 또한 표준적 신뢰성 테스트로 특정한 스트레스 조건에 따라서 수명을 예측해야 하는 것을 피할 수 있다.
이 테스트에는 널리 인기를 끌고 있는 두 AEC 인증 제품으로서 EPC2202(80V)와 EPC2212(100V)를 사용했다. 이들 두 제품을 4개씩 테스트했다. 각기 디바이스로 스트레스를 가하면서 두 가지 파라미터를 지속적으로 모니터링했다. (i) 피크 펄스 전류와 (ii) 펄스 폭이다. 이 두 가지 파라미터는 라이다 시스템의 거리와 분해능에 중요하다.
그림 11은 처음 12조 회의 펄스에 걸친 결과를 보여준다. 펄스 폭이나 높이에 있어서 어떠한 저하나 변화가 관찰되지 않는다는 것을 알 수 있다. 이 누적 펄스 횟수는 예상되는 자동차 수명에 해당되는 것이다. 이 테스트는 eGaN 디바이스의 건전성을 확인할 수 있으며, 회로 성능에 부정적으로 영향을 미치는 어떠한 저하도 관찰되지 않는다는 것을 알 수 있다.

[그림 11] 12조 회의 라이다 펄스에 걸쳐서 펄스 폭(오른쪽 아래)과 펄스 높이(오른쪽 위)의 장기적 안정성. 4개 EPC2202(빨간색)와 4개 EPC2212(파란색)의 데이터를 겹쳐서 보여주고 있다. 자동차 수명에 해당되는 이 펄스 횟수로 이들 주요 파라미터의 안정성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

eGaN 디바이스에 대한 짧은 전류 펄스(라이다) 테스트를 보면, 이 애플리케이션으로 자동차 수명에 걸쳐서 매우 신뢰성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 현재 시점까지 이 테스트로 어떠한 결함 모드나 파라미터 저하가 관찰되지 않았다. EPC는 통계적 신뢰도를 높이기 위해서 더 많은 수의 디바이스를 사용해서 테스트를 계속할 계획이다.

맺음말

DToF와 IToF 라이다 시스템이 로봇, UAV, 보안 시스템, 그리고 무엇보다도 자율 자동차 같은 다양한 애플리케이션으로 빠르게 도입되고 있다. 두 방식 모두 레이저를 구동해서 좁은 폭의 펄스를 발생시키기 위해서 매우 빠른 전류 펄스를 필요로 한다. 최근에 GaN 기술이 발전하고 특히 라이다용 GaN IC가 등장함으로써 시스템 성능을 높이고 시스템 비용을 크게 낮추게 되었다. 이 두 가지는 미래의 자율 자동차로 라이다가 널리 보급되기 위해서 중요하게 요구되는 것들이다. 라이다는 극히 빠른 고전류 펄스를 필요로 하므로, 이러한 조건으로 디바이스 신뢰성과 관련한 우려를 제기할 수 있다. 테스트 결과를 보면, 이와 같은 고유의 조건 때문에 어떠한 새로운 결함 메커니즘이 발생하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.

참고 문헌
[1] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, and J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 3rd ed. Wiley, 2019, pages 281-299
[2] A. Ohnsman, “The Self-Driving Car Revolution,” Forbes, September 5, 2017
[3] J. Glaser, “An Introduction to Lidar: A look at future developments,” IEEE Power Electronics Magazine, March 2017
[4] A. Pozo, S. Zhang, R. Garcia, J. Glaser, Z. Tang, R. Strittmatter, “EPC eGaN FETs Reliability Testing: Phase 11,” March 2020, available at: https://epc-co.com/epc/DesignSupport/eGaNFETReliability/ReliabilityReportPhase11.aspxa

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