라이다(LiDAR, light detection and ranging)는 영어로 빛 감지 및 범위 지정이란 의미의 약자지만, 빛(light)와 레이다(radar)를 혼합하여 만든 합성어이기도 하다. 즉, 라이다는 전파 대신에 빛을 쓰는 레이다를 뜻하는데, 전통적 레이다와 원리는 같지만, 사용하는 전자기파의 파장이 다르므로 실제 이용 기술과 활용 범위는 다르다.

오늘날 라이다는 거리, 속도, 방향뿐만 아니라 온도와 주변의 대기 물질 분석 및 농도 측정 등에도 쓰인다.

더군다나 라이다는 자외선, 가시광선, 근적외선 등을 사용하여 금속성인 아닌 바위나 구름, 빗방울, 에어로졸 등도 감지할 수 있다. 이에 기상 관측, 정밀 지형도 작성에도 사용된다. 또한 분자마다 잘 산란시키는 빛의 파장이 다른 현상을 활용하여 공기 중에 섞여 있는 기체의 화학적 조성을 알아내는데 사용되기도 한다.

라이다는 오늘날 자동차 제조사들이 사활을 걸고 있는 ‘자율 주행 자동차’ 영역에서도 핵심 중의 핵심인 기술이라 할 수 있다.

라이다를 통해 차량의 속도나 방향뿐만 아니라 주변 물체까지의 거리를 식별할 수 있기 때문이다. 즉, 오늘날 대부분 자동차 제조사들의 자율 주행 자동차에서 라이다는 ‘눈(eye)’의 역할을 수행한다.

사물이나 물체에 빛을 투사함으로써 그 대상을 인식하는 라이다의 특성상, 도로에서 예측할 수 없는 상황을 감지하고 민첩하게 대응하려면 라이다 센서가 자동차의 전면뿐만 아니라, 측면과 후면에도 설치되어 감지 역할을 수행해야 한다.

하지만 안타깝게도 지금까지는 기술은 회전식 라이다(LiDAR) 센서를 사용했었다. 이는 큰 문제를 야기하는 데, 차량의 전후방을 동시에 관찰하는 것이 불가능하다는 것이다.

이를 극복하기 위해 한 대한민국 연구팀이 360도 시야각을 갖는 고정형 라이다 센서를 개발했다.

이 새로운 센서는 머리카락 굵기의 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학소자인 메타서페이스(meta-surface)로 만들어져 초소형 라이다 시스템 구현을 가능하게 만들었다.

메타서피스를 활용하면 라이다의 시야각을 크게 확장해 물체를 입체적으로 인식할 수 있다.

이 연구팀은 메타 표면을 구성하는 나노구조를 주기적으로 배열하고 디자인을 수정해 라이다 센서의 시야각을 360도로 확장하는 데 성공했다.

연구팀은 메타표면에서 1만 개 이상의 빛 점 배열을 물체에 산란시킨 후, 조사된 점 패턴을 카메라로 촬영하여 360° 영역에서 물체의 3차원 정보를 추출할 수 있었다.

이러한 형태의 라이다 센서는 이미 아이폰(iPhone)의 얼굴 인식 기능에 사용되고 있다.

그러나 아이폰이 포인트 세트를 생성하는 데 사용하는 도트 프로젝터 장치에는 몇 가지 제약 사항이 있다. 특히, 포인트 패턴의 균일성 및 시야각이 제한되고 장치의 크기가 크다.

한국의 연구팀은 기존 메타서피스 소자보다 한 단계 발전된 기술을 개발해 모든 각도에서 빛의 전파를 제어할 수 있음을 입증한 것이다.

이 새로운 기술은 초소형 및 전체 공간 3D 이미징 센서 플랫폼을 가능하게 하는데 이는 라이다 애플리케이션을 더 저렴하고 효과적으로 만드는 것과 같다.

이 연구는 최근 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 저널에 게재되었다.

- NATURE COMMUNICATIONS, October 10, 2022; “Metasurface-driven full-space structured light for three-dimensional imaging,” by Gyeongtae Kim, et al. © 2022 Springer Nature Limited. All rights reserved.

LiDAR functions as the eyes for most brands of autonomous vehicles by helping to identify the distance to surrounding objects as well as the speed or direction of the vehicle. It recognizes objects by projecting light onto them.

To detect unpredictable conditions on the road and nimbly respond, the LiDAR sensor must perceive the sides and rear as well as the front of the vehicle. 

However, until now, it has been impossible to observe the front and rear of the vehicle simultaneously because a rotating LiDAR sensor was used.

To overcome this issue, a Korean research team has developed a fixed LiDAR sensor that has a 360° view.

The new sensor can enable an ultra-small LiDAR system since it is made from a meta-surface, which is an ultra-thin flat optical device that is only one one-thousandth the thickness of a human hair strand.

Using the meta-surface can greatly expand the viewing angle of the LiDAR to recognize objects three-dimensionally.

The research team succeeded in extending the viewing angle of the LiDAR sensor to 360° by modifying the design and periodically arranging the nanostructures that make up the meta-surface.

It is possible to extract three-dimensional information of objects in 360° regions by scattering an array of more than 10,000 light dots from the meta-surface onto objects and then photographing the irradiated point pattern with a camera.

This type of LiDAR sensor is already used for the iPhone’s face recognition function.

However, the dot projector device the iPhone uses to create the point sets has several limitations; specifically, the uniformity and viewing angle of the point pattern are limited, and the size of the device is large.

The team has proven that they can control the propagation of light in all angles by developing a technology more advanced than conventional meta-surface devices.

This new technology will enable an ultra-small and full-space 3D imaging sensor platform. And it’s like to make LiDAR applications cheaper and more effective.

The research recently appeared in the journal in Nature Communications.