[표지로 읽는 과학]차세대 초정밀 라이다 가능성을 제시하다

2020.05.16 00:00
네이처 제공
네이처 제공

국제학술지 ‘네이처’는 이달 14일 ‘조준선(Line of Sight)’이라는 제목을 표지에 달았다. 그리고 평면의 물질을 통과한 직선의 및이 수많은 갈래로 갈라지는 모습을 표지에 실었다. 목표를 향해 빛을 직선으로 발사해 사물의 위치와 움직임을 측정하는 광학 측정 기술을 비유한 제목과 그림이다.

 

토비아스 키펜버그 스위스 로잔연방공대 교수팀은 레이저를 주파수 별로 미세하게 나눠 평행하게 일정한 시간 간격으로 발사할 수 있는 새로운 레이저 기술인 ‘솔리톤마이크로빗(Soliton microcomb)’ 기술을 개발하고 이를 자율주행차 등에 널리 쓰이는 공간 측정 기술인 ‘라이다’에 활용했다고 이날 발표했다.

 

라이다는 일정한 시간 간격으로 발사하는 레이저(펄스 레이저)를 쓰는 공간 측정 기술이다. 펄스 레이저는 물체에 부딪힌 뒤 되돌아오는데, 이 레이저를 측정해 주변 사물과의 거리와 속도를 정밀하게 측정한다. 이때 레이저가 되돌아오는 시간을 측정하는 방식이 있고, 파장의 특성을 파악하는 방식도 있다. 라이다는 빠르고 정확하게 주변 공간을 시각화할 수 있어 완전자율주행 기술을 위해 꼭 필요한 기술로 평가된다.

 

과거에 널리 쓰이던 기술은 레이저가 되돌아오는 속도를 측정하는 방식이다. 하지만 이 기술은 태양빛 등 다른 빛의 방해에 취약하다는 단점이 있다. 이를 막기 위해 반사 레이저의 파장을 분석하는 주파수변조법(FMCW) 라이다 기술이 개발됐다. 이 기술은 추가 레이저를 이용해 사물에서 반사된 레이저의 파장을 변화시켜 그 파장 특성을 분석해 사물의 속도를 구한다. 이 기술은 큰 규모로 구현하기 어렵다는 단점이 있었다. 하지만 연구팀은 새로운 광학 기술로 이를 가능하게 했다.

 

연구팀이 공개한 개념도다. 로잔연방공대 제공
연구팀이 공개한 개념도다. 로잔연방공대 제공

연구팀은 파동의 일종으로 전파 과정에서 파동이 흩어져 에너지가 약해지지 않는 '솔리톤'을 이용해 새로운 라이다 기술을 개발했다. 솔리톤은 다른 파동과 충돌해도 안정적인 상태를 유지해 ‘독립파’라고 불리기도 한다.

 

연구팀은 실리콘 질화물을 이용한 상용 평면 마이크로공진기를 이용해 다양한 주파수 영역을 갖는 솔리톤을 만들었다. 이렇게 마치 빗살처럼 여러 주파수를 갖도록 만든 솔리톤을 솔리톤빗(soliton comb)이라고 부른다. 연구팀은 일정한 간격으로 매우 미세한 빛을 평행하게 발사하는 솔리톤마이크로빗(microcomb)을 만들었고 이를 통해 정밀하게 공간을 측정할 수 있는 라이다를 구현하는 데 성공했다. 연구팀은 최대 30개의 독립적인 마이크로빗 채널을 만들어, 이들을 이용해 각기 다른 대상의 거리와 속도를 측정하는 데에도 성공했다.

 

연구팀은 “FMCW 라이다의 속도를 10배 향상시킬 수 있을 것”이라고 말했다.
 

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