빛을 쏴서 물체를 인식하는 라이다(LiDAR) 센서는 자율주행 자동차가 주변 물체와의 거리를 파악하고 주행 속도나 방향을 판단할 수 있도록 돕는 ‘눈’ 역할을 한다. 예측 불가능한 도로 상황에 민감하게 대응하기 위해선 정면뿐만 아니라 옆이나 뒤를 함께 살펴야 하는데, 현재는 회전하는 라이다 센서를 사용하기 때문에 전·후방을 동시에 파악할 수는 없었다.

포스텍 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 통합과정 김경태·김예슬·윤주영 씨, 성균관대 생명물리학과 김인기 교수 연구팀은 공동연구를 통해 360° 전 영역을 볼 수 있는 고정형 라이다 센서를 개발했다.

이 센서는 머리카락 두께 1,000분의 1 크기에 불과한 초박형 평면 광학소자인 메타표면으로 만들어져, 초소형 라이다 센서를 구현할 수 있는 원천 기술로 더욱 눈길을 끈다.

메타표면을 이용하면 라이다의 시야각을 대폭 넓힐 수 있을 뿐만 아니라 물체를 입체적으로 인식할 수 있다. 연구팀은 메타표면을 구성하는 나노 구조체의 설계와 주기적 배열 방식을 조절해 라이다 센서의 시야 각도를 360°까지 넓히는 데 성공했다.

메타표면에서 방사된 10,000개 이상의 점 구름(빛)이 물체에 조사되고, 조사된 점 패턴을 카메라로 촬영하면 360° 영역에 있는 물체 정보를 3차원(3D)으로 파악할 수 있다.

이러한 방식의 라이다 센서는 아이폰 얼굴인식 기능(Face ID)에도 사용되고 있다. 아이폰은 점 구름을 만들기 위해 점 생성기(Dot projector) 장치를 사용하지만, 점 패턴의 균일도와 시야각이 제한적인 데다가 부피가 크다는 한계가 있었다.

이번 기술은 핸드폰, 가상현실(VR)·증강현실(AR) 안경, 무인 로봇이 주변 환경의 3D 정보를 인식하는 기술을 나노 광학 소재로 구현했다는 데 의의가 있다. 나노 임프린트 기술을 활용, 안경과 같은 곡면이나 유연 기판과 같은 다양한 표면에도 손쉽게 프린팅할 수 있어 미래 디스플레이의 핵심으로 알려진 AR 글래스 등에 적용하기에 용이하다.

노준석 교수는 “기존 메타표면 장치보다 고도화된 기술을 개발, 모든 각도에서 빛의 전파를 조절할 수 있음을 입증했다“며 “이는 초소형·고(高) 시야각 깊이 인식 센서 플랫폼을 구현할 수 있는 원천 기술이 될 것”이라고 말했다.

한편, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재된 이 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 이뤄졌다.