 ‘이달의 과학기술인상’8월 수상자 김창석 교수 자율주행용 컬러 변조 4D 광영상 기술 개발 공로 과학기술정보통신부(이하 과기정통부)와 한국연구재단(이하 연구재단)은 ‘이달의 과학기술인상’8월 수상자로 김창석 교수(부산대학교 광메카트로닉스공학과)를 선정했다. ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만원을 수여하는 상이다. 김창석 교수는 악천후에도 선명한 이미지를 구현할 수 있는 컬러 변조 4차원 광영상 기술을 개발하여 ‘자율주행 자동차의 눈’으로 불리는 라이다 기술의 한계를 극복하고 새로운 가능성을 제시한 공로로 이 상을 수여했다.
자료 제공 과학기술정보통신부
라이다(LiDAR, Light Detection And Ranging)는 방출한 레이저 빛이 주변의 사물과 부딪힌 후 되돌아오면 이를 분석해 사물의 위치나 운동 방향, 속도 등을 확인하여 3차원 이미징하는 기술이다. 3차원 원근 거리 정보를 광영상으로 수집하는 3차원 광영상 라이다는 자율주행 자동차의 핵심 기술이다. 그러나 광산란 및 광간섭에 취약한 비행시간측정 방식1)의 펄스 레이저를 이용하기 때문에 맑은 날씨, 단독주행 등 제한적인 환경에서만 성능이 유지되는 단점이 있다. 때문에 최근에는 실제 도로에서의 자율주행을 가로막는 장애물로 인식되고 있다. 대안으로 주파수 변조 연속파 방식2)의 차세대 라이다가 개발되었지만, 핵심 부품인 레이저 광원으로 과거 광통신용으로 쓰이던 반도체 레이저를 채택하여 성능에 한계가 있었다.
자율주행 기술 구현에 한 발 더 다가서다 김창석 교수는 가변대역은 좁지만 선폭이 얇아 장거리 신호 감지에 유리한 광통신용 레이저와 감지거리는 짧지만 가변대역이 넓은 의료용 레이저의 장점만을 결합한 독창적 아이디어로 「하이브리드 컬러 변조 레이저 광원」을 설계했다.
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 컬러 변조 4차원 광영상 기술도 구현했다.
더불어 새로운 컬러 변조 4차원 광영상 기술을 적용하면 기존 3차원 라이다의 단점이었던 광산란·광간섭으로 인한 잡음은 물론, 광진동 잡음까지 저하되어 실제 도로주행 시 진동과 충격을 줄일 수 있음을 실험적으로 증명했다.
어두운 밤, 폭우가 쏟아지는 기상 상태에서도 라이다 광영상이 무난하게 시각화되었다. 신개념 컬러 변조 레이저 기술은 향후 자동차의 눈 역할을 하며 실제 도로환경에서의 자율주행 구현에 이바지할 것으로 기대된다. 이 연구결과는 지난 2월 국제 학술지 『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』에 게재되었다.
김창석 교수는 “국내 산·학협업을 통해 독자적 원천기술을 개발한 데 이번 연구의 의의가 있다”며 “앞으로 자율주행 자동차 산업의 국가경쟁력 강화에 기여할 것”이라고 수상소감을 전했다.
다음은 김창석 교수와의 일문일답.
Q. 올여름은 유난히 무덥습니다. 어떻게 지내시는지 근황이 궁금합니다. A. 이달의 과학기술인상 수상의 영예를 안겨준 ‘자율주행용 컬러 변조 4D 광영상 기술’은 원천연구 단계를 지나 특허와 노하우 기술을 이전받은 기업의 주도로 제품화를 위한 재설계가 시작되었습니다. 동작 성능뿐만 아니라 크기와 무게, 소모전력, 부품단가 등을 최소화하는 중요한 단계인 만큼, 저 또한 대학 연구실에서 추가 기술 개발을 지원하며 지내고 있습니다.
Q. 교수님의 주요 연구 주제에 대해 소개 부탁드립니다. A. 첨단기술이 발전할수록 3차원 광영상 정보의 중요성이 높아지고 있습니다. 자율주행 자동차도 3차원 생체 내부 구조를 광영상으로 수집해야 합니다. 하여 3차원 광영상을 모니터에 실시간 동영상으로 구현하는 광센서 기술에서 많은 연구가 진행되고 있습니다. 제가 연구하는 컬러 변조 레이저 역시 3차원 광영상을 구현하는 첨단기술 중 하나입니다. 자연광 상태에서는 여러 가지 컬러가 동시에 방출되며 백색으로 보입니다. 반면 매 순간 특정 컬러 한 가지만 방출되고, 그 컬러 파장이 시간에 따라 순차적으로 이동하면서 방출되며, 이 방출 이동이 매 초마다 수백만 번 반복되도록 변조하는 특수 레이저 빛을 만드는 게 컬러 변조 기술입니다. 이를 통해 백색 빛과 비슷하면서도 더 진보된 성능을 얻을 수 있습니다.
Q. 새로운 컬러 변조 레이저 기술에 주목한 계기가 있나요? A. 제가 대학원에 입학할 무렵의 레이저 연구는 중심 컬러를 한 가지 파장에 고정시키고, 그 외 출력 세기나 펄스(pulse) 폭 등을 개선하는 방법이 주를 이루었습니다. 이미 전 세계에 전문가가 너무나 많은 상황이었죠. 그런데 그 무렵 컬러 파장을 제어하는 신기술이 막 태동했습니다. 이미 알려진 기술보다 연구할 것이 더 많은 새로운 분야의 초기 연구에 집중해서 세계 1등을 해보자 싶어서 그 분야를 연구하게 되었습니다.
Q. ‘컬러 변조 4D 광영상 기술’은 어떤 기술인가요? A. 자율주행의 눈으로 주목받았던 3D 광영상 라이다(LiDAR) 센서 기술은 광산란·광간섭 잡음에 취약합니다. 그 대안으로 주파수 변조 연속파 방식의 차세대 라이다가 등장했지만, 여전히 과거 광통신용 반도체 레이저를 광원으로 사용하여 성능에 한계가 있습니다. 이를 해결하고자 저는 자동차의 자율주행 용도에 맞는 신개념 컬러 변조 레이저 기술을 고안했습니다. 그 결과, 10나노미터(nm)급의 넓은 대역으로 파장을 한 방향으로 훑으면서, 동시에 1펨토미터(fm, 미터의 1000조분의1) 급의 좁은 선폭으로 파장을 펄럭거리며 변조도 하는 ‘하이브리드 컬러 변조 레이저’를 구현했습니다.
새 레이저로 FMCW 라이다 광영상 구현 성능을 테스트한 결과, 광산란·광간섭 잡음뿐만 아니라 기계적 동작에 의한 광진동 잡음까지 저하되어 실제 도로주행 시 진동과 충격을 줄일 수 있음을 확인했습니다. 대상물의 x,y,z 거리 정보뿐 아니라 속도 도플러 정보까지 추가되어 4차원 동영상으로 디스플레이 구현 실험도 성공했습니다.
Q. 그동안 일부 특수환경에서만 도로 시연이 가능하던 자율주행의 한계를 극복할 수 있는 건가요? A. 이번 연구 성과는 학문적인 논문 발표에 그치지 않고, 4D 라이다 이미징 원천기술과 특허권을 확보했습니다. 동시에 국내 자동차 전문 기업으로의 기술이전까지 완료했습니다. 본격적인 제품화 단계에서 해외 자동차 관련 기업들과의 국제 경쟁 과정에서 산업적 파급효과도 기대됩니다.
 김창석 교수는 연구실 학생들에게 최고의 연구 환경과 최대의 자유를 제공하되, 최소한의 간섭 원칙을 고수하고 있다. (출처: 과기정통부 블로그)
Q. 연구를 진행하며 힘들었던 점은 무엇이며, 어떻게 극복하셨나요? A. 연구란 연구자와 연구 대상의 연애로 비유할 수 있습니다. 저는 사람이 대상물에 시간과 애정을 들이고 무한히 정성을 쏟으면, 그만큼 좋은 데이터로 사람에게 보답하여 성취가 이루어진다는 선순환을 믿습니다. 그럼에도 쉽게, 단번에 좋은 데이터가 이루어지지 않는 때가 연구자로서 힘든 순간입니다. 그럴 때 잠시 머리를 식히기 위해 바람을 쐬고 돌아오면 그간 잘 보이지 않던 실마리가 나타나기도 합니다. 이처럼 장기적인 ‘밀당(밀고 당기기)’으로 슬럼프를 극복하고는 했습니다.
Q. 기존의 연구와의 차별점 혹은 자랑할 만한 성취가 있다면 무엇인가요? A. 최근 주요 학술지에 발표되는 국내 최상위급 연구 성과 중에는 해외 유명 연구진과의 공동연구로 진행한 경우가 많습니다. 연구의 씨앗 단계면 몰라도, 기술 상용화로 열매 맺는 단계에서는 국제 공동연구가 국가경쟁력 확보에 장애가 될 수도 있습니다. 이번 컬러 변조 레이저 연구는 아이디어 기획과 특허 확보, 제품화까지 고려하여 해외와의 교류를 배제하고 국내 산학협업으로 성공한 독자적 원천 연구라는 사실에 의미가 있습니다.
Q. 연구자로서 앞으로 궁극적으로 도전하고 싶은 연구주제는 무엇인가요? A. 컬러 변조 레이저를 자율주행 자동차용 광영상 기기에 적용하는 것은 하나의 예시일 뿐입니다. 여전히 백색 광원 또는 단일 컬러 광원을 기반으로 한 기존의 광영상 기기들이 많이 팔리고 있습니다. 이미징 영역을 100 미터(m)급에서 센티미터(cm)급으로 스케일을 조정하고, 그 영역 내에서 미크론(micron, 1m의 100만분의 1) 급으로 세분화하면 의료진단 기기 등에 적용이 가능합니다. 또 다른 스케일의 미크론, 나노미터(nm)급 이미징으로 적용하여 반도체, 디스플레이, 미세공정 인스펙션 광학검사 기기 등에서도 제품화까지 이어지는 산학협력의 성공적인 모습을 증명하고 싶습니다. 궁극적으로 컬러 변조라는 개념이 제가 생각지도 못한 엉뚱한 분야까지 끊임없이 확장되길 희망합니다.
김창석 교수 1973년생 ’92~’96 학국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학과 학사 ’96~’99 광주과학기술원(GIST) 정보통신공학과 석사 ’00~’04 美 존스홉킨스대학 전기컴퓨터공학과 박사 ’21~현재 ERC컬러변조 초감각인지기술 선도연구센터 센터장 ’05~현재 부산대학교 광메카트로닉스공학과 교수 ’04~현재 美 베크먼 레이저연구소 의료클리닉 박사후연구원 <전문 분야> 컬러변조 레이저 광원 설계 및 개발 연구 3차원 광영상 이미징 구현 기술 자율주행, 반도체공정, 의료기기용 나노 센서/진단 기기
1) ToF, Time of Flight. 레이저를 발사해 주변에 빛이 반사되어 돌아오는 레이저 왕복시간을 측정하는 방식이다. 태양광 빛 대기 상태에 민감하고 라이다 센서 간 간섭이 심하다. 2) FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave. 비행시간측정 방식의 한계를 극복하기 위해 개발된 기술로, 레이저를 연속으로 변조해 발사하고 돌아오는 파형을 측정하는 방식이다.
<Energy News>
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