벨로다인, 아이베오 등 외국업체가 시장 주도…국내 전량 수입
출연연 중심 기술 개발 성공하여 국산화 기반 마련, 가격 대폭 낮춰

지난 5월 테슬라의 전기자동차가 자율주행 기능(오토파일럿)으로 주행중 운전자가 사망하는 사고가 알려지면서 다시 한번 자율주행차가 논란의 중심에 섰다.

미국 도로교통안전청(NHTSA)은 이 사고를 자율주행 모드에서 발생한 첫 사망 사고로 간주하고 있기 때문이다. 이번 사고는 자율주행차의 센서 역할에서부터 상용화까지 자율주행차 기술을 전면적으로 되돌아보는 계기가 되고 있다.

이에 자율주행차의 ‘눈’이라고 할 수 있는 라이다(LiDAR) 및 연계 기술의 국내 기술 현황을 통해 자율주행차 전방 감지기술을 살펴보았다.

라이다(LiDAR: Light Detection and Ranging)란 고출력의 펄스 레이저를 이용하여 물체에 반사되어 돌아오는 레이저 빔의 시간을 측정하여 거리정보를 획득하는 기술이다. 자율주행자동차, 지구환경 관측, 대기분석 및 무인기기 등 다양한 분야에 활용할 수 있는 라이다는 레이저의 높은 밀도와 짧은 주기를 이용하여 정밀한 대기 중의 물성을 관측하고 거리를 측정한다.


▲최근 테슬라 자동차의 자율주행 기능중 사망사고는 전방 감지 기술을 되돌아보는 계기가 됐다.(사진 테슬라 홈페이지)

최근 라이다 기술 기반의 3차원 공간 스캐닝 기술이 대두되고 있으며 자율주행자동차, 거리 측정기, 3D 이미지 시스템 등과 같이 레이저를 이용한 분야에 적용되고 있다. 현재는 벨로다인(Velodyne, 미국), 아이베오(IBEO, 독일), ASC(미국)가 각각 몸체 회전형과 거울회전방식, 광학계 고정 방식으로 글로벌 시장을 주도하고 있으며 국내는 100% 수입에 의존하고 있다. 라이다 센서 세계시장은 2015년 9억 달러에서 2020년 33억 달러로 연평균 29%의 급성장중이다. 

KETI, 스캐닝 라이다 광학엔진 플랫폼 개발 ‘첫 국산화’

국내 라이다 기술은 대표적으로 전자부품연구원(KETI), 전자통신연구원(ETRI), 생산기술연구원(KITECH) 등의 출연연 기관들 보유하여 일부는 국내 업체에 기술 이전을 하고 있다.

먼저, 전자부품연구원은 지난 1월 자율주행자동차의 핵심인 스캐닝 라이다 센서 광학엔진 플랫폼을 국내순수기술로 개발했다고 밝혔다. 스캐닝 라이다 센서는 3차원 형상정보를 획득하는 센서로 주변차량과의 거리나 이동하는 물체를 인식한다.

KETI가 개발한 스캐닝 라이다 광학엔진 플랫폼은 처음부터 상용화를 염두에 두었다. 소형화에 유리한 거울회전방식으로써 렌즈광학계의 통합설계를 통한 구조를 단순화하고 광부품을 절반으로 줄인 저비용설계 및 이를 통한 생산공정 단축으로 신뢰성은 높이고 생산단가는 낮췄다.

연구원 측은 기술적으로도 해외제품과 대등한 수준이라고 밝혔다. 초당 30프레임의 속도로 200미터 거리의 모든 사물을 인식하며 인식 오차는 10cm, 수평 시야각은 140°다. 보통 사람의 시야각이 40km/h 주행 시 100°, 100km/h인 경우 40°인 것을 감안하면 충분히 안전성을 담보할 수 있는 수치라는 것.


▲KETI가 개발한 스캐닝 라이다 광학엔진 플랫폼은 소형화에 유리한 거울회전방식으로써 렌즈광학계의 통합설계를 통한 구조를 단순화했다.

이 기술은 자율주행자동차용 센서 및 충돌 방지 시스템, 또는 지하철 스크린 도어 안전 및 건물, 주택 등 광범위한 보안 시스템은 물론, 무인 수상정용 센서 및 소형 해상 충돌 방지 시스템, 3D 지형 정보 획득 및 드론 내비게이션 시스템 등에 활용할 수 있다.

최현용 KETI IT융합부품연구센터장은 “이 기술이 상용화되면 현재 수천 만원에 달하는 라이다 시스템 비용을 수 백 만원 이하로 낮출 수 있다”고 말했다.

또한 KETI는 비가시 레이저 펜스 기술을 활용한 ‘도심 주행 차량 충돌 방지 라이다 기술’도 개발했다. 이 라이다 시스템은 전방, 좌우 측방에서 진행하는 차량을 하나의 레이저 광원을 이용해 전방 차량 거리를 최대 50m까지 감지하고 센싱 결과를 CAN 통신을 통해 차량 제어부에 전달할 수 있는 센서 시스템이다.

비가지 레이더 펜스(Invisible laser fence)는 눈에 보이지 않는 높이 3미터, 거리 100의 펜스로 구성되어 침입 물체 발생 시 침입 위치를 센티미터의 정밀도를 가지고 탐지한다. 이를 활용하면 차량 충돌 방지 시스템, 3차원 지형 검색, CCTV 오토 포커스용 LRF 등 비가시 경계 보안 펜스나 주요 건물 경계 시스템에 응용할 수 있다.

ETRI, 3차원 영상센서 핵심원천기술 확보

ETRI(한국전자통신연구원)도 지난 2015년 능동형 3차원 광검출기 및 신호처리기술사업을 통해 미래 자동차의 3차원 영상센서 핵심원천기술 개발에 성공했으며 연계과제로 차량용 3D 라이다 센서 요소기술을 개발했다.

스캐너를 이용하여 회전하는 방식을 사용하는 아우디나 구글의 센서 기술이 차량 운행 시 떨림 등에 의한 성능 저하 및 신뢰성의 문제가 우려되지만, ETRI가 개발한 기술은 초점면 배열 어레이를 사용하여 스캐너 없이도 3차원 영상을 확보하는 방식을 채택했다.

ETRI의 무인자율주행을 위한 스마트 자동차용 3차원 영상 센서 기술은 △InGaAs 물질 기반의 고감도 광검출기 어레이 기술 △거리 및 세기 측정이 가능한 100um 피치 간격의 ROIC(Read-out IC) 기술 △3차원 Flash 카메라 기술 등을 포함한다.

이에 ETRI 측은 “스캐너를 사용하지 않는 플래시(Flash) 방식으로 이동 중 떨림 현상이나 이동방향으로의 스캐너 운용과 비교하여 신뢰성을 확보했다”며, “초점면 배열 어레이 InGaAs 광검출기 칩의 자체 기술 확보로 시스템 맞춤 및 최적화된 카메라 개발이 가능하다”고 말했다.

이러한 핵심원천기술은 무인자율주행에 필수적으로 요구되는 차량, 차선, 보행자 및 장애물의 인식을 획기적으로 향상시켜 무인자동차 시대 개막을 앞당길 수 있으며 비전센서 및 레이더와 결합하여 날씨 및 환경 변화 등에 강인한(robust) 인식 기능을 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

생기원, 3차원 스캐닝 시스템 이용한 3차원 영상획득 기술 확보

생산기술연구원은 3차원 스캐닝 시스템 이용한 3차원 영상획득 기술을 확보하고 있다.

이 기술은 고해상도 3차원 영상을 획득하기 위한 스캐닝 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상획득 기술이다. 회전형 3차원 스캐닝 시스템으로부터 펄스광을 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 근거리 광각의 거리 데이터와 높은 수직 분해능의 원거리 데이터 측정을 통해 고정밀 고해상도 3차원 영상을 획득하는 센서 시스템 기술이다.

이 센서 시스템 기술은 라인 형태의 펄스 레이저 광과 배열형 디텍터를 사용하여 고속 고해상도 3차원 영상 데이터를 획득한다. 동일한 레이저 광 출력으로 근거리에서는 광각의 3차원 영상 데이터를 얻을 수 있고 원거리에서는 높은 수직 분해능의 3차원 영상 데이터를 얻을 수 있다. 고속으로 운행하는 자동차 또는 필드로봇과 같은 무인운전장치의 고해상도 3차원 점군 데이터 획득 및 처리용 센서로 사용할 수 있다.

생산기술연구원의 관계자는 “국내 라이다(LiDAR) 시스템 및 센서 관련 시장규모는 연평균 50%의 높은 성장률을 기록하고 있다”며, “3차원 영상획득 기술은 건설이나 토목공학 분야의 공정 자동제어, 교량이나 플랜트 시설 설계나 도면 생성, 현장 모델링이나 도면 작업, 공정 품질 관리, 도로 설계 등 다양한 분야에서 활용 가능하다”고 밝혔다.