국내 연구진이 자율주행차량의 핵심기술인 '라이다(LiDAR)' 센서 소자를 국산화하는데 성공했다. 사람 혹은 사물의 감지하는 라이다 센서는 첨단운전자보조시스템(ADAS)와 자율주행, 증강현실(AR)·가상현실(VR)기기, 스마트폰 등 첨단기기에서 주로 사용된다.
한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소 이명재 박사팀은 40나노미터(nm) 후면 조사형 시모스(CMOS) 이미지 센서 공정을 기반으로 밀리미터(mm) 수준으로 물체를 식별할 수 있는 '단광자 아발란치 다이오드(SPAD)'를 개발했다고 28일 밝혔다.
'라이다'는 발신부에서 방출한 광자가 물체에 부딪힌 후 반사돼 수신부에 다시 도달하는 시간을 계산하는 방식으로 거리를 측정하고 3차원(3D) 입체 이미지를 생성한다. 수신부의 단일광자 검출기가 광신호를 전기신호로 변환하는 과정에서 발생되는 검출시간의 미세한 차이를 '타이밍 지터'(Timing Jitter)라고 하며, 이 지터값이 작을수록 물체를 더 정확하게 인식할 수 있다.
'단광자 아발란치 다이오드(SPAD)'는 단광자까지 검출 가능한 초고성능 센서 소자로, 개발 난이도가 매우 높다. 현재 일본 소니가 유일하게 90nm 후면 조사형 CMOS 이미지 센서 공정을 기반으로 라이다 제품화에 성공해 애플에 공급하고 있다. 소니의 SPAD는 이전까지 학계에서 보고된 후면조사형 단광자 아발란치 다이오드보다 효율이 우수하지만 타이밍 지터가 약 137~222ps로 사물의 형태를 정확하게 인식하는데 한계를 보인다.
반면 KIST가 이번에 개발한 단광자 센서 소자는 타이밍 지터가 56ps로, 8mm 수준까지 물체를 식별할 수 있을 정도로 성능을 향상시켰다. 이는 단거리·중거리 라이다 센서 소자로 활용해도 무방할 정도다. 특히 SK하이닉스와 공동연구를 통해 양산용 반도체 공정인 40nm 후면조사형 CMOS 이미지 센서 공정을 기반으로 SPAD를 개발했기 때문에 즉각 상용화가 가능하다.
KIST 이명재 책임연구원은 "반도체 라이다 및 3D 이미지센서가 국산 원천기술로 상용화되면 우리나라가 차세대 시스템반도체에서도 경쟁력을 크게 강화시킬 수 있을 것"으로 기대했다.
한국과학기술연구원의 미래원천차세대반도체기술개발사업 및 과학기술정보통신부의 원천기술개발사업으로 수행된 이번 연구결과는 12월 9일~13일 미국 샌프란시스코에서 열린 국제전자소자학회 'International Electron Devices Meeting 2023'(IEDM 2023)에서 발표됐다. IEDM은 SK하이닉스, 삼성전자, 인텔 등 전세계 기업들이 참여하는 반도체 분야에서 권위를 인정받은 학회다.
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