이미지센서의 다양한 기술개발 동향 한 자리에
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이미지센서의 다양한 기술개발 동향 한 자리에
  • 김경한 기자
  • 승인 2020.01.21 17:06
  • 댓글 0
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빅데이터와 AI 활용한 저가 렌즈부터 3D 카메라용 VCSEL까지 총망라

[테크월드=김경한 기자] 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 3D 프린팅, 안면인식, 자율주행 기술이 속속 등장하면서 광학기술이 급속도로 발전하고 있다. 최근 광학기술은 빅데이터와 인공지능(AI) 기술을 활용해 저품질, 저정밀의 광학장비를 후처리로 고품질 장비만큼이나 뛰어난 성능을 발휘할 수 있게 하는 기술이 있는 반면, 처음부터 첨단 기술을 활용해 고정밀, 고사양으로 개발되는 이미지센서 기술도 있다. 지난 1월 15일 양재 aT센터에서 열린 ‘2020 차세대 카메라모듈 및 첨단센서 최신기술 세미나’에서는 이런 이미지센서 관련 최신 동향을 소개하는 자리가 마련됐다. 

 

저품질 광학장비를 고가의 고정밀 장비로 탈바꿈 

‘혁신적 광학기술(Innovative Optics)’을 주제로 발표에 나선 이준호 공주대학교 교수는 광학기술의 변천사를 설명하며 이색적인 이론을 펼쳤다. 

이준호 공주대학교 교수

이준호 교수는 “과거에는 얼마나 고가이면서도 고품질인 광학 소재를 만드느냐가 관건이었다면, 오늘날에는 저가, 소형, 저품질 광학장비로 얼마나 고품질, 고정밀의 장비 효과를 낼 수 있느냐가 중요해졌다”고 주장했다. 

그러면서 이 교수는 최근 광학 제품의 트렌드를 크게 세 가지로 요약했다. 

먼저 초소형화가 진행되고 있다. 헬기에 장착되는 카메라는 전통적으로 크며 가격이 비싸다. 일반적으로 10억 원 단위인 것으로 알려져 있다. 그런데 이 고가의 장비를 핸드폰 카메라 100대로 대체해 해결했다. 1개 당 1만 원도 안 되는 가격이므로, 다 합쳐봐도 100만 원 남짓한 가격이다. 이준호 교수는 10억 원 장비나 100만 원 장비나 성능 면에서는 비슷하다고 밝혔다. 

두 번째로는 광학 제품의 화각이 넓어지고 있다. 이는 여러 개의 렌즈를 삽입하는 것으로 해결했다. 최근에 개발된 카메라 중에는 하나의 렌즈로 찍는 것 같지만, 찍고 난 후의 촬영본을 보면 카메라 시야가 6~7개인 것처럼 보이는 제품이 있다. 바깥에서는 한 렌즈처럼 보이지만 그 안에는 여러 개의 렌즈가 숨겨져 있다. 

세 번째로는 광학계에 4차 산업혁명 기술이 도입되고 있다. 빅데이터와 AI를 활용한 광학 제품이 등장하면서 대충 쩍어도 딥러닝으로 부족한 부분들을 수정해 보기 좋은 이미지를 만들어낼 수 있게 됐다. 

이를 종합하면 과거에는 고품질, 고가의 렌즈를 만들었다면, 최근에는 저가의 렌즈로 대충 찍어서 나중에 보정을 해나가는 추세로 변모하고 있음을 알 수 있다는 것이 이준호 교수의 주장이다. 

 

끈임없이 진화하는 CMOS

CMOS 이미지센서의 기술 동향을 소개한 박상식 세종대학교 교수는 CMOS의 진화 현황에 대해 설명했다. 

박상식 세종대학교 교수
박상식 세종대학교 교수

박상식 교수는 “오늘날의 이미지센서는 1㎛ 이하로 줄어들면서 화소가 서로 너무 가까워지면서 이웃색 간의 혼색현상이 일어나고 있다”고 지적했다. 그러면서 “이미지센서 개발자들은 굴절률이 높은 유기물을 만들어 각 화소마다 광 경로를 만들어줌으로써 이를 해결하고 있다”고 설명했다. 

또 하나의 진화는 어두운 곳에서도 밝은 곳처럼 잘 보이도록 하는 기술이 등장하고 있다. 이미지센서는 빛을 받아들이는 ‘필터’와 ‘얽어내기 회로’ 사이 거리가 멀어 빛이 조금만 기울어도 어두운 곳을 촬영할 수 없다. 최근에는 이를 극복하기 위해 필터와 회로 사이의 웨이퍼를 깎아내 간격을 줄임으로써 전자를 잘 받아들이고 반응하며 흔들림에도 문제가 없는 이미지센서를 만들었다. 

박 교수는 근래에 주목받는 연구로 “이미지센서를 평면이 아닌 사람의 눈과 비슷하게 둥글게 만들어 빛이 들어오는 각도를 조밀하게 모아주는 기술개발이 진행되고 있다”고 전했다. 

 

자율주행차의 핵심기술, 전방·측방 카메라 

노형주 스마트자동차기술연구본부 AI·빅데이터기술연구센터 책임연구원은 자동차가 현재 단순 수송 이동체이자 운전 지원 이동체이나, 머지 않은 미래에는 생활공긴 이동체와 사무공간 이동체로 역할이 확장될 것이라고 주장했다. 

노형주 스마트자동차기술연구본부 책임연구원

자율주행차가 자동차의 역할 확장에 기여할 것으로 보인다. 자율주행 차량용 카메라는 전방인지 카메라, 측방 카메라가 핵심요소다. 

전방인지 카메라는 사물의 색채나 형태를 명확히 구분하는 높은 민감도, 하이라이트나 그림자 구간을 선명하게 보이게 하는 HDR, LED 깜박임을 보완하는 LFM 성능을 갖춰야 한다. 최근 인텔에 인수된 모빌아이가 전방인지 카메라의 대부분을 생산하고 있다. 우리나라 업체도 개발을 시도한 적은 있지만 결과는 좋지 못했다고 노 책임연구원은 말했다. 

측방 카메라는 최근 사이드미러에 소형 카메라와 다양한 기능을 융합하는 추세다. 카메라와 센서의 추가 장착은 안전에 도움을 주며, 각 국가가 정부 차원에서도 적극적으로 장려하고 있다. 

노형주 책임연구원은 “자율주행 영상인지 기술에서 인지, 판단, 제어를 담당하는 각 기술의 완성도와 융합이 중요하다”며 AI가 핵심 기능을 담당할 것이라고 전했다. 

 

3D 카메라용 광학기술을 주도할 VCSEL

송영호 한국광기술원 레이저연구센터 센터장은 최근 3D 이미지 카메라용으로 각광받고 있는 수직공진표면 발광레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 이하 VCSEL) 기술을 소개했다. 

송영호 한국광기술원 레이저연구센터 센터장
송영호 한국광기술원 레이저연구센터 센터장

VCSEL은 소재를 위아래 수직 방향으로 쌓아서 빛이 일원화할 수 있게 하는 것으로, 이런 특성 때문에 레이저가 윗면으로 나온다. 이에 반해 일반적인 레이저 발광체는 옆면으로 나온다. 또한, VCSEL은 원형으로 레이저가 나오기 때문에 더 정교하게 빛을 쏠 수 있고, 자르기만 하면 원하는 대로 어레이할 수 있어 고출력 레이저를 만들 때도 쉽게 잘라서 사용할 수 있다. 

VCSEL이 주목받기 시작한 계기는 2018년에 애플이 아이폰 3개 모델과 아이패드에 3D 카메라에 채택됐기 때문이다. 이후 3D 카메라용 레이저로 각광받고 있다. 

앞으로도 VCSEL은 다양한 분야에 사용될 수 있을 것으로 여겨진다. 송 센터장은 “VCSEL이 모바일보다 자동차 분야에서 2배 이상 성장할 수 있을 것”이라고 분석했다. 기존에 자율주행차 라이다에 적용되는 레이저는 고정형 방식으로 원하는 각도를 맞춰야 하지만, VCSEL은 절단하고 원하는 대로 어레이하기만 하면 되기 때문에 활용도가 높다. 

이 밖에도 차량통신, 광학케이블, 데이터통신, 적외선 조명, 안면인식, ADAS 등의 다양한 민수 분야와 다목적 무인지상차량(UVG), 전투로봇, 군용드론, 무인항공기(UAV) 등의 군수 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 

송영호 센터장은 앞으로 3D 시장이 폭발적으로 커지면서 VCSEL 시장도 크게 성장할 것이라며, 향후 VCSEL의 기술 개발에 적극적으로 나설 것을 권유했다. 


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