안개·눈·비 등 악천후 속에서도 막힘없이 달릴 수 있는 차세대 ‘자율주행의 눈’이 부산대-현대자동차 공동연구를 통해 탄생했다. 자동차 간 상호 간섭도 크게 낮춰 상용화를 앞당겼다는 평가다.

광메카트로닉스공학과 김창석 교수팀은 현대자동차 기초소재연구센터 전자기에너지소재연구팀과의 산학연구를 통해 외부 노이즈가 심한 악천후 환경에서도 이미징을 구현하는 ‘컬러변조* 4차원 영상화 스캔’ 기술을 이용한 FMCW** 방식의 라이다*** 기술 구현에 성공했다.

* 컬러변조: 기존 대부분의 레이저 빛이 단일 컬러파장으로만 고정돼 발광하는 원천적 단점을 해결해, 레이저 빛의 컬러파장을 자유자재로 초광 대역에 걸쳐 초고속 변조(Modulation) 발광하는 기술.

** FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave·주파수 변조 연속파) 방식: 레이저를 연속으로 변조해 발사하고, 돌아오는 파형을 측정하는 방식. ToF 방식의 한계를 극복하는 기술로 등장했다.

*** 라이다(LiDAR·Light Detection And Ranging): 레이저 빛을 이용한 주변 사물의 3차원 이미징 기술. 레이저 빛을 방출해 주변의 사물과 부딪힌 후 되돌아오면, 이를 분석해 사물의 위치나 운동 방향, 속도 등을 확인해 3차원 이미징을 할 수 있다.

자율주행차 상용화를 위해서는 넘어야 할 기술적 난제들이 많다. 특히 운전자가 운전대를 잡지 않아도 되는 레벨3 단계 이상을 실현하기 위해 가장 핵심이 되는 게 사람의 눈을 대신하는 라이다 기술이다.

지금까지 가장 많이 사용돼 온 ToF* 방식 라이다는 광산란·광간섭 현상에 취약해 기술적 한계에 봉착해 있다. 이를 극복하기 위해 FMCW 방식의 차세대 라이다 개발이 국내외에서 진행되고 있지만 아직 초기 기술단계다.

* ToF(Time of Flight·비행시간측정) 방식: 레이저를 발사해 주변에 빛이 반사돼 돌아오는 레이저 왕복 시간을 측정하는 방식. 태양광에 민감하고 라이다 센서 차량 간 간섭이 심하다. 

【광대역 컬러변조 레이저 기반의 분광 방식과 음향광학 방식을 조합해 구현한 원거리와 근거리 별 4D FMCW 라이다 이미지】

- 3차원 거리 정보 축에 추가로 멀어지는 속도의 빨간색과 가까워지는 속도의 파란색 정보가 표현됨.

김창석 교수 연구팀은 FMCW 방식의 라이다 개발을 위해 신개념 레이저 광원 아이디어를 세계 최초로 독자 발굴했다. 고정된 단일 색만을 출력하는 기존 레이저 대신, 레이저 빛의 파장 컬러를 광대역으로 훑는 동시에 협대역으로는 컬러를 펄럭거리며 변조도 하는 방식이다. 

이렇게 개발한 FMCW 라이다는 상하좌우 2차원으로 레이저 빔을 분광적으로 스캔하는 동시에, 대상물의 원근 3차원 거리 정보와 1차원의 속도 정보까지 함께 측정해 총 4차원에 걸쳐 자율주행 정보를 실시간으로 운전자에게 디스플레이 하는 방식을 구현했다.

이를 통해 진동·충격에 취약했던 공간 영상화 스캔 방식의 기술적 한계를 극복하고 기계적 움직임 노이즈까지도 제거하는 데 성공했다.

【FMCW 라이다 이미지와 기존 TOF 라이다 이미지 간의 비교 시연 모습. 빨간색-원거리, 보라색-근거리로 3차원적으로 표현】

- 왼쪽: 김창석 교수팀의 3D FMCW 방식의 라이다 기술을 통해 안개를 뚫고 육안보다 더 뚜렷하게 시야가 잘 확보된 이미지, 오른쪽: 기존 ToF 방식 라이다에 의해 안개 광산란 노이즈에 가려진 이미지.   

김창석 교수는 이번 성과에 대해 “맑은 날씨와 단독 주행 등 제한적인 환경에서 도로 시연에 그치고 있는 기존 자율주행의 한계를 극복하는 기술”이라며 “국내 연구진만의 독자적 원천 연구로, 현대자동차 전자기에너지소재연구팀과 3년 이상 꾸준히 진행한 산학연구의 결과물이라는 데에도 큰 의미가 있다”고 말했다.

연구에 참여한 현대자동차 연구진은 이번 차세대 FMCW 라이다의 원천 기술 확보를 위해 부산대 연구진과 새로운 광학 기술의 발굴과 적용 가능성, 차량 관점의 요구 사양 등 다양한 아이디어를 주고받으며 연구를 진행해 왔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 세계적인 과학학술지 『네이처(Nature)』의 자매지인 『Nature Communications』 온라인 2월 6일자에 게재됐고, 해당 원천 특허군도 확보했다. 광메카트로닉스공학과 정다운 석사가 제1저자, 김창석 교수가 교신저자로 연구를 수행했다.

- 논문 제목: Spatio-spectral 4D Coherent Ranging Using a Flutter-wavelength-swept Laser(펄럭이는 파장 훑음 레이저를 이용한 공간-스펙트럼 4D 간섭성 거리 계측)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45297-w 

※ 영상: 부산대 라이다 기술 연구 보러 가기 https://youtu.be/UL4kkxiitLI?si=_k5OjWPi8S0FaICb

* 상단 인물사진: 자율주행 연구용 차 앞에서 왼쪽부터 제1저자 정다운 석사(현대자동차 연구원, 2024년 1월 입사)와 교신저자 김창석 교수.      

[Abstract]

Driving even in bad weather with 4D autonomous vehicle eyes

- Development of color modulation 4D lidar sensor technology that reduces environmental noise and inter-vehicle interference

A next-generation ‘autonomous vehicle eye’ that can drive smoothly even in bad weather such as fog, snow, and rain has been created by domestic researchers. It is evaluated that the commercialization has been greatly accelerated by significantly lowering mutual interference between vehicles.

The National Research Foundation of Korea has developed a ‘color modulation 4-dimensional imaging scan’ that realizes imaging even in bad weather environments with severe external noise through industry-academic research conducted by Professor Chang-Seok Kim’s research team at Pusan National University and the electromagnetic energy materials research team at Hyundai Motor Company’s Basic Materials Research Center. It was announced that they had succeeded in implementing the FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) method of LiDAR (Light Detection And Ranging) technology using technology.

Professor Chang-Seok Kim’s research team was the first in the world to independently discover a new laser light source idea for the development of FMCW-type lidar.

Instead of the existing laser that outputs only a single, fixed color, this new method scans the wavelength color of laser light in a wide band while also modulating the color by fluttering in a narrow band.

Through this, it is available to overcome the technical limitations of the general spatial imaging scanning method, which relies on mechanical rotation and is vulnerable to vibration and shock.

The results of this research, conducted with support from the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea, were published online on February 6 in Nature Communications, a sister journal of the world-renowned science journal Nature.

* Reference

- Authors (Department of Optics and Mechatronics Engineering, Pusan National University)

 · First author: Dawoon Jeong

 · Corresponding author: Prof. Chang-Seok Kim  / Contact: ckim@pusan.ac.kr

- Paper Title: Spatio-spectral 4D Coherent Ranging Using a Flutter-wavelength-swept Laser

- URL: Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-024-45297-w