8월 과학기술인상, 김창석 부산대 교수 선정

- 악천후에도 자율주행 가능한 컬러변조 4차원 광영상 기술 개발

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 부산대학교 광메카트로닉스공학과 김창석 교수를 선정했다고 8월 1일 밝혔다.

  ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다. 

  과기정통부와 연구재단은 김창석 교수가 안개·눈·비 등으로 인한 악천후에도 선명한 이미지를 구현할 수 있는 컬러변조(기존 대부분의 레이저 빛이 단일 컬러파장으로만 고정돼 발광하는 원천적 단점을 해결해, 레이저 빛의 컬러 파장을 자유자재로 초광 대역에 걸쳐 초고속 변조(Modulation) 발광하는 기술) 4차원 광영상 기술을 개발하여 자율주행 자동차의 ‘눈’으로 불리는 라이다(LiDAR·Light Detection And Ranging 방출한 레이저 빛이 주변의 사물과 부딪힌 후 되돌아오면, 이를 분석해 사물의 위치나 운동 방향, 속도 등을 확인해 3차원 이미징하는 기술) 기술의 한계를 극복하고 새로운 가능성을 제시한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.  

  3차원 원근 거리 정보를 광영상으로 수집하는 3차원 광영상 라이다는 자율주행 자동차의 핵심 기술이다. 하지만, 광산란·광간섭에 취약한 비행시간측정방식(ToF:Time of Flight 레이저를 발사해 주변에 빛이 반사돼 돌아오는 레이저 왕복 시간을 측정하는 방식으로 태양광 및 대기 상태에 민감하고 라이다 센서 간 간섭이 심함)의 펄스 레이저를 이용하기 때문에 맑은 날씨, 단독주행 등 제한적인 환경에서만 성능이 유지돼, 최근에는 실제 도로에서의 자율주행을 가로막는 장애물로 인식되고 있다.

  대안으로 주파수 변조 연속파 방식 주파수 변조 연속파방식 (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave 비행시간측정방식(ToF) 방식의 한계를 극복하기 위해 개발된 기술로 레이저를 연속으로 변조해 발사하고, 돌아오는 파형을 측정하는 방식) 의 차세대 라이다가 개발되었지만, 핵심 부품인 레이저 광원으로 과거 광통신용으로 쓰이던 반도체 레이저를 채택해 성능에 한계가 있었다. 

  김창석 교수는 가변대역(변화시킬 수 있는 파장 또는 주파수의 범위 또는 폭을 의미함)은 좁지만 선폭이 얇아 장거리 신호 감지에 유리한 광통신용 레이저와 감지거리는 짧지만 가변대역이 넓은 의료용 레이저의 장점만을 결합한 독창적 아이디어로 하이브리드 컬러변조 레이저 광원을 설계하였다. 

  또한 주위 사물의 거리 정보뿐만 아니라 이동하는 사물의 표면에서 반사되는 레이저의 도플러(어떤 파동의 파동원과 관찰자의 상대 속도에 따라 진동수와 파장이 바뀌는 것) 효과에 의한 각각의 이동 속도 도플러 정보까지 실시간으로 4차원(3차원 공간+1차원 시간) 영상화하는 컬러변조 4차원 광영상 기술도 구현하였다. 

  더불어 새로운 컬러변조 4차원 광영상 기술을 적용하면 기존 3차원 라이다의 단점이었던 광산란·광간섭으로 인한 잡음은 물론 광진동 잡음까지 저하되어 실제 도로 주행 시 진동과 충격을 줄일 수 있음을 실험적으로 증명하였다. 

  연구결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 2024년 2월 게재됐다.

  김창석 교수는 “이번 연구는 국내 산학협업을 통해 독자적 원천 기술을 개발한 데 큰 의의가 있다”며 “앞으로 자율주행 자동차 산업의 국가경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대한다”고 수상 소감을 밝혔다.

[주요 연구성과]

<악천후에도 자율주행 가능한 컬러변조 4D 광영상 기술 개발>

ㅇ 4D 라이다 광영상 구현을 위한 신개념 컬러변조 레이저 설계. 

라이다 광영상 센서는 자율주행 자동차의 눈 역할을 하는 기술이다. 기존 라이다에 적용됐던 레이저는 출력 광 스펙트럼에서 선폭이 얇은 장점이 있지만, 가변 대역이 좁은 문제가 있었다. 반면 의료용으로 쓰이는 레이저는 가변 대역이 넓지만 그에 비례하여 선폭도 굵어지는 한계로 자동차 라이다에 적용할 수 없었다. 이에 연구진은 차세대 라이다의 용도에 맞는 신개념 레이저의 아이디어를 독자적으로 제안하였다. 즉, 양측의 장점만 결합하여 레이저의 선폭이 얇으면서도 동시에 가변 대역이 넓은 이중공진 구조를 설계하였다. 나아가 원거리 도달과 무진동 이미징, 두 성능을 모두 갖춘 신개념 컬러변조 레이저를 실제로 제작하였다. 

(자료제공: 과기정통부)

ㅇ 제작한 컬러변조 레이저를 활용한 4D 라이다 광영상 구현. (자료제공: 과기정통부)

신개념 컬러변조 레이저를 활용한 4D 라이다 광영상 구현 성능을 직접 테스트한 결과 광산란 잡음, 광간섭 잡음 뿐 아니라 기계적 동작에 의한 광진동 잡음까지 감소하였다. 더불어 대상물의 x,y,z 거리 정보뿐 아니라 속도 도플러 정보까지 추가한 4차원 (3차원 공간+1차원 시간) 동영상으로 디스플레이 구현 실험도 성공하였다. 어두운 밤, 폭우가 쏟아지는 기상 상태에서도 라이다 광영상이 무난하게 시각화되었다. 신개념 컬러변조 레이저 기술은 향후 자동차의 눈 역할을 하며, 실재 도로 환경에서의 자율주행 구현에 이바지할 전망이다. (자료제공: 과기정통부)

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[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]