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실리콘 기반 라이다(Lidar) 센서 개발-자율주행자동차를 위한 단파적외선 감지

하이거 2020. 7. 30. 10:34

실리콘 기반 라이다(Lidar) 센서 개발-자율주행자동차를 위한 단파적외선 감지

 

등록일 2020.07.30.

 


실리콘 기반 라이다(Lidar) 센서 개발
자율주행자동차를 위한 단파적외선 감지

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 안종현 교수(연세대학교) 연구팀과 이재동 교수(대구경북과학기술원) 연구팀이 자율주행자동차의 핵심기술 중 하나인 장애물 감지용 라이다 센서 기술을 개발했다고 밝혔다.
○ 우리 눈에 해를 끼치지 않는 단파 적외선을 이용하여 자동차 주변의 장애물을 감지할 수 있는 라이다 센서는 자율주행자동차 개발의 중요한 이슈이다.

□ 가시광선 영역의 단파장 빛은 사람의 눈에 피해를 줄 수 있어 현재 자율주행차에 적용이 어렵다. 이러한 문제 때문에 단파 적외선을 감지할 수 있는 InGaAs 화합물 반도체를 사용하여 라이다 센서를 개발하고 있다.
○ 하지만 InGaAs 화합물 반도체는 제작비용이 높아 메모리 반도체 등에 널리 사용되는 저비용, 대량생산이 가능한 실리콘 반도체에 대한 연구가 활발하다. 그러나 실리콘 반도체는 단파 적외선을 감지할 수 없어 그동안 라이다 센서에 적용되지 못했다.

□ 이에 연구팀은 10nm 이하로 초박막 실리콘을 제작하고 변형 제어 기술을 통해 실리콘의 전자구조를 변화시켜 단파 적외선을 감지할 수 있는 광센서를 개발했다.
○ 실리콘 반도체의 전자구조를 변형시키기 위해서는 높은 변형을 가해야만 가능하다. 하지만 실리콘은 단단하여 부서지기 쉬워 변형을 가할 수 없다. 이러한 문제를 극복하기 위해 기존 실리콘 웨이퍼를 식각공정을 통해 10nm 이하의 초박막 상태로 만들어 높은 변형 하에서도 부서지지 않도록 유지시켜 단파 적외선을 감지할 수 있는 실리콘 광센서를 제작하였다.

□ 제작된 실리콘 광센서는 자율주행자동차와 다양한 보안장치에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 7월 30일 게재되었다.


주요내용 설명

<작성자 : 연세대 안종현>

논문명
Breaking the absorption limit of Si towards SWIR wavelength range via strain engineering
저 자
안종현 교수(교신저자/연세대학교), 이재동 교수(공동저자/DGIST), 카티야르 아지트 쿠마르(Katiyar Ajit Kumar)(제1저자/캠브리지대학교), 정건우(Thai Kean You)(공동저자/연세대학교), 윤원석(공동저자/DGIST)

1. 연구의 필요성
○ 자율주행자동차 개발의 중요한 기술적 이슈 중 하나가 사람의 눈에 해를 끼치지 않는 빛의 파장대인 단파 적외선(Short wave infrared)을 감지할 수 있는 라이다(Lidar)의 개발이다.
○ 현재는 제작비용이 높은 InGaAs 계의 화합물 반도체를 사용하고 있어 자율주행차 대중화를 가로막고 있다. 만약 저비용의 실리콘 반도체를 활용하면 제작비용을 획기적으로 낮출 수 있는데, 실리콘 반도체는 단파적외선 영역을 감지할 수 없는 한계점이 있다. 본 연구실에서는 변형제어 기술을 활용해 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공하였다.
2. 연구내용
○ 기존 단파 적외선을 감지할 수 있는 라이다는 모두 고비용의 InGaAs 계의 화합물 반도체로 제작되어 왔다. 이번 연구를 통해 처음으로 메모리 반도체 제작에 사용되는 값싼 실리콘 반도체를 변형, 제어 기술을 통해 라이다 제작에 필요한 단파 적외선을 감지할 수 있는 광센서로 제작하는데 성공했다. 이 기술이 상용화도면 라이다 제작 비용을 내릴 수 있을 것으로 기대된다.
3. 연구성과/기대효과
○ 자율주행자동차의 핵심 기술 중 하나가 라이다의 개발이고 현재 미국을 중심으로 세계적으로 많은 기업들이 저비용, 고효율의 단파 적외선 감지용 라이다를 개발하기 위해 치열한 경쟁을 펼치고 있다. 많은 기업들이 메모리반도체 등에 널리 사용되는 실리콘 반도체를 단파 적외선 감지용 라이다 센서로 적용하기를 희망하고 있으나 실리콘 물질 자체의 특성 한계로 그동안 개발이 되지 않았다. 본 연구진은 변형제어 기술을 통해 실리콘 반도체의 전기, 광 특성 제어에 성공하여 세계 최초로 단파 적외선을 감지할 수 있는 광센서 개발에 성공하였다.
○ 변형제어 기술 기반의 실리콘 라이다 센서가 상업화된다면 국내 자동차, 반도체, 센서 산업에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

그림 설명

 

 


(그림) 자율주행자동차용 실리콘 기반 라이다 센서
자율주행자동차의 핵심 기술 중 하나는 사람의 눈과 같이 주변 장애물을 감지할 수 있는 라이다 센서 개발이다. 장애물에 반사되어 오는 빛을 감지하여 장애물의 유무를 감지하게 되는데 기존 전투기들에 사용되는 레이다와 달리 사람의 눈에 피해를 주지않는 단파 적외선 영역의 빛을 사용해야만 한다. 변형제어 기술로 제작된 실리콘 반도체 기발 라이다 센서를 사용하여 사람의 눈에 피해를 주지않고 주변 장애물을 식별할 수 있다.
제공 : 연세대학교 안종현

 

 

연구 이야기

<작성자 : 연세대 안종현>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

자율주행자동차 개발이 세계적으로 중요한 이슈가 되고 있다. 현재 자율주행자동차 개발에 있어 중요한 기술적 이슈 중 하나가 사람의 눈에 해를 끼치지 않는 빛의 파장대인 단파 적외선 (Short wave infrared)을 감지할 수 있는 라이다(Lidar)의 개발이다. 현재는 제작비용이 높은 InGaAs 계의 화합물 반도체를 사용하고 있어 자율주행차 대중화를 가로막고 있다. 만약 저비용의 실리콘 반도체를 활용하면 제작비용을 획기적으로 낮출 수 있는데, 실리콘 반도체는 단파적외선 영역을 감지할 수 없는 한계점이 있다. 본 연구실에서는 변형제어 기술을 활용해 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발하는데 성공하였다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

15년 전부터 반도체 산업에 널리 사용되는 실리콘 반도체의 특성을 변화시키는 연구를 수행해왔다. 실리콘의 광학, 전기적 특성을 변화시키기 위해서는 높은 변형을 주어야하는데 이문제를 해결하기 위해서는 두께를 나노미터 수준으로 얇게 만들어야한다는 사실을 발견했고 이 목적을 달성하기 위해 오랜 연구기간이 필요했다. 2014년 처음으로 실리콘 반도체를 1.5나노미터 수준으로 얇게 만드는데 성공하여 첫 논문을 발표하였고, 이후 전기적, 광학적 특성 제어를 통한 다양한 응용 소자를 개발하는 연구를 수행하고 있다.


□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

단파 적외선을 감지할 수 있기 위해서는 변형(strain)을 가하여 실리콘 반도체의 전자구조를 바꾸어야한다. 그러한 실리콘은 딱딱하여 깨지기 쉬운 소재이기 때문에 변형 제어가 사실상 불가능에 가깝다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 10여 년간의 연구를 통해 결함 없이 실리콘 반도체의 두께를 10nm 이하로 줄여 높은 변형을 견딜 수 있도록 제어하는데 성공하였다.


□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 단파 적외선을 감지할 수 있는 라이다는 모두 고비용의 InGaAs 계의 화합물 반도체로 제작이 되어왔다. 이번 연구를 통해 세계 최초로 메모리반도체 제작에 사용되는 값싼 실리콘 반도체를 변형 제어 기술을 통해 라이다 제작에 필요한 단파 적외선을 감지할 수 있는 광센서로 제작하는데 성공했다. 이 기술이 상용화도면 라이다 제작비용을 내릴 수 있어 자율주행자동차의 대중화로 한발 더 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이번 결과는 가능성을 확인하는 수준의 기초 연구 결과이다. 심도 깊은 연구를 통해 실용화 기술을 개발한다면 세계적으로 큰 산업을 이루고 있는 자율주행자동차에 필수적으로 필요한 장애물 감지용 라이다 센서로 실용화될 수 있다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

후속연구로서는 연구실 수준의 실리콘 광센서 제작 기초 기술을 실제 자동차에 활용하기 위한 상업화 수준으로 높일 수 있도록 시스템 레벨로 높이기 위한 기초 기술과 산업화 연결 브릿지 과제가 필요함.