[인더스트리뉴스 조창현 기자] 라이다(LiDAR)는 AR·VR 및 자율주행, 첨단운전자보조시스템(ADAS) 등 첨단기술 구현을 지원할 수 있는 센서다. 그중 중·단거리용 라이다에는 사람이나 사물 모양을 보다 정확히 감지하기 위해 보다 우수한 거리 분해능이 요구되며, 높은 성능을 가진 단일광자 검출기가 필요하다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 차세대반도체연구소 이명재 박사팀이 40nm 후면 조사형 CMOS 이미지 센서 공정을 기반으로 mm 수준으로 물체를 식별할 수 있는 초고성능 센서 소자인 ‘단광자 아발란치 다이오드(SPAD)’를 개발했다고 밝혔다.

정확한 인식 위해 작은 지터값 중요

기본적으로 라이다는 발신부에서 방출한 광자가 물체에 부딪힌 후 반사됨으로써 수신부에 다시 도달하는 시간을 계산하는 방식으로 거리를 측정하고 3D 입체 이미지를 생성한다.

KIST는 라이다 내 수신부에 있는 단일광자 검출기가 광신호를 전기 신호로 변환하는 과정에서 발생하는 검출 시간에 대한 미세한 차이를 ‘타이밍 지터(Timing Jitter)’라고 하며, 지터 값이 작을수록 보다 정확하게 물체를 인식할 수 있다고 설명했다.

현재 일본 소니만이 SPAD 상용화 성공

KIST에 따르면 SPAD는 개발 난도가 높아 현재까지 일본 소니(Sony)만이 SPAD 기반 라이다에 대한 제품화에 성공했다. 소니가 개발한 제품은 90nm 후면 조사형 CMOS 이미지 센서 공정을 기반으로 제작했으며, 현재 애플에 공급되고 있다.

소니에서 보유한 SPAD는 이전까지 학계에서 보고된 후면조사형 단광자 아발란치 다이오드 보다 우수한 효율 특성을 갖는다는 특징이 있다. 다만 타이밍 지터 성능이 약 137~222ps(picosecond) 수준으로 단거리나 중거리 라이다 응용에서 요구되는 사용자 구분, 제스처 인식 및 정확한 사물 형태 인식을 구현하기에 부족하다는 평가가 나오고 있다.

KIST, SK하이닉스와 공동연구로 SPAD 개발

KIST는 미래원천차세대반도체기술개발사업 및 과학기술정보통신부(장관 이종호) 원천기술개발사업을 통해 SK하이닉스와 공동연구를 진행한 끝에 SPAD를 개발해냈다.

KIST가 개발한 단광자 센서 소자는 타이밍 지터 성능이 56ps에 달한다. 기존 소니사 제품과 비교했을 때 지터값이 2배 이상 향상된 수치다. 또 거리 분해능도 약 8mm 수준이다. 이에 거리 분해능 성능과 타이밍 지터값이 중요한 단거리 및 중거리용 라이다 센서 소자로 활용할 수 있는 가능성이 높을 것으로 보인다.

즉각적인 제품화 등 기대

KIST는 양산용 반도체 공정인 40nm 후면조사형 CMOS 이미지 센서 공정을 기반으로 SPAD를 개발했기 때문에 즉각적인 국산화 및 제품화가 가능할 것으로 기대된다고 전했다.

KIST 이명재 책임연구원은 새롭게 개발한 소자에 대해 “반도체 라이다 및 3D 이미지 센서 관련 핵심 원천기술로 상용화될 경우, 우리나라 전략 산업인 메모리반도체에 더해 차세대 시스템반도체에서도 경쟁력을 크게 강화할 수 있을 것”이라고 말했다. 한편 KIST는 SPAD 관련 연구성과를 지난 9일부터 13일까지 열린 국제전자소자학회에서 발표한 바 있다.

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