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중소기업 기술로드맵 조회결과

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자율주행차량의 Lidar
* 발행 년도 : 2017년
1. 기술로드맵

자율주행차량의 Lidar 기술로드맵

2. 개요
가. 정의 및 범위
  • 정의 : Lidar(Light Detection and Ranging)란 고출력의 펄스레이저를 이용하여 물체에 반사되어 되돌아오는 레이저 빔의 시간을 측정하여 거리정보를 획득하는 기술로 3차원 GIS(Geographic Information System) 정보기반 지형데이터 구축, 자율주행자동차, 지구환경 관측, 대기분석 및 무인기기 등 다양한 분야에 활용되고 있는 핵심 센서기술 임
  • 범위 : Lidar(Light Detection and Ranging)란 고출력의 펄스레이저를 이용하여 물체에 반사되어 되돌아오는 레이저 빔의 시간을 측정하여 거리정보를 획득하는 기술로 3차원 GIS(Geographic Information System) 정보기반 지형데이터 구축, 자율주행자동차, 지구환경 관측, 대기분석 및 무인기기 등 다양한 분야에 활용되고 있는 핵심 센서기술 임
나. 주요 제품

[ 제품분류 관점 기술범위 ]

주요제품 분류표
기술개발테마제품분류 관점세부기술
자율주행 차량용 Lidar 기술 Elastic-backscatter lidar
  • 레이저 파장의 변화 없이 입자들의 운동량에 따라 backscattering 되는 빛의 spectral broadening 특성을 이용하여 대기 중의 aerosol 및 구름의 특성 측정 등에 활용 되는 기술
Raman lidar
  • 분자 에너지 상태에 따라 분산되는 레이저 빛의 주파수 변화 및 Raman band 내의 세기 분포 분석을 통하여 대기 중의 수증기 및 온도 분포 등의 측정에 활용되는 기술
Differential-absorption lidar(DIAL)
  • 각기 다른 레이저 파장을 가지는 레이저 빔들에 대하여 측정 대상 물질의 흡수 차이를 이용하여 대기 오염 물질 등의 농도 분포를 측정할 수 있는 기술
Resonance fluorescence lidar
  • 원자, 이온 또는 분자의 에너지 천이와 동일한 에너지를 가지는 레이저 빛에 대하여 동일 파장의 빛 또는 긴 파장의 빛을 방출하는 특성을 이용하여 중간권역 대기 중의 원자 및 이온 농도를 측정하는 기술
Doppler lidar
  • Doppler 효과에 의한 레이저 빔의 미세한 주파수 변화를 측정하여 바람 등의 속도 를 측정하는 기술
Laser rangefinder
  • 물체로부터 반사되는 레이저 빔의 수신시간을 측정하여 거리를 측정하는 가장 간단한 형태의 Lidar 기술
Imaging lidar
  • 레이저 빔의 진행 방향에 대한 거 리 정보를 포함하여 공간에 대한 영상 모델링이 가능한 기술로써 laser rangefinder 기술을 기반 으로 point-scanning을 통하여 point cloud 정보를 수집하거나 광각의 flash-laser에 대하여 반사되는 레이저 빛을 다중 배열 수신소자를 통하여 수집함으로써 3차원 영상 구현이 가능한 기술로 2D Scan방식 Lidar 기술과 3차원 공간분해능을 갖는 FPA방식의 3D Flash Lidar 기술로 구성

[ 공급망 관점 기술범위 ]

주요제품 분류표
기술개발테마공급망 관점세부기술
자율주행 차량용 Lidar 기술 자동차
  • 자율주행자동차
  • 3D 지형정보 수집
  • 차량 주변환경 감지 및 정보수집
우주/위성
  • 우주선 도킹 시스템
  • 행성 탐사
  • 지구 지형 관측
  • 환경관측
항공
  • 지구환경 관측
  • 산림관리 및 계획
  • 도시 모델링, 해안선 관리
  • 교통 및 셀룰러 네트워크 관리
지상
  • 3D 레이저 스캐너
  • 영상 관측 카메라
  • 로봇
  • 3차원 모델링
3. 시장현황 및 전망분석
(1) 세계시장

Lidar 세계시장은 집계 기관에 따라 그 규모와 범위에 다소 차이가 있으나 ‘16년 331.9백만 달러에서 향후 연평균 16.3%의 성장률로 빠르게 성장하여 ‘20년에는 624.9백만 달러 규모로 성장할 것으로 전망

[ 자율주행차량의 Lidar 세계 시장규모 및 전망 ]

(단위: 백만달러,%)

자율주행차량의 Lidar 세계 시장규모 및 전
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
세계시장 331.9 383.9 446.5 525.3 624.9 726.8 16.3

* 출처 : “World LiDAR Market Opportunities and Forecasts, 2013-2020”, Allied Market Research

(2) 국내시장

국내에서는 차량용 Lidar 기술에 많은 연구개발이 이루어지고는 있지만, 본격적으로 상용화를 시작한 해외 기업과 달리 Lidar 제품을 100% 수입에 의존하고 있어 아직은 Lidar 시장이 형성되어있지 않음

(단위: 억원,%)

자동차 센서(Lidar 포함) 국내 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
국내시장 12,426 13,756 15,227 16,856 18,660 20,657 10.7

* 출처 : Strategy Analytics(2013), BCG(2014), KISTI 재작성

4.기술분석
(1) 기술개발트렌드

Lidar 기술과 관련한 주요 연구 개발 동향은 다음과 같음

  • 2D laser scanner는 일반적으로 회전 방식을 이용하여 레이저 빔의 진행 방향을 포함하는 특정 평면에서의 영상 정보를 수집하며 시스템의 구성은 laser rangefinder와 같이 단일 레이저와 단일 수신소자로 구성될 수 있으며 회전을 위한 모터가 추가된 구조를 가지고 있음
  • 3D 레이저 스캐너는 다수의 레이저 및 수신 소자를 이용하여 특정 방향의 시야각(FOV)에 대하여 동시 측정이 가능하도록 하고 회전 스캐닝 함으로써 3D영상 수집이 가능한 기술로 이러한 방식은 넓은 시야를 확보하기 위해 많은 수의 레이저 및 수신 소자들이 필요하고 비교적 고난이도의 패키징 기술이 요구되지만, 현재 상용화된 소자들을 활용하여 구현할 수 있는 장점이 있음
  • 아울러 현재 상용화된 3D 레이저스캐너는 대부분 제한된 수직 방향의 시야각을 가지며, 수평 방향에 대하여 360도 또는 수 십도의 스캐닝 각도를 지원하며 Ibeo사의 경우 8-layer 기술을 적용하여 6.4도의 수직 시야각과 110도의 수평 시야각을 지원하는 제품도 출시하고 있음
  • 현재 가장 넓은 시야각을 지원하는 제품은 Velodyne사의 제품을 들 수 있고 이는 4개 그룹으로 나누어진 레이저 출력부는 각각 16개의 레이저로 구성되며, 2개의 그룹으로 나누어진 수신부는 각각 32개의 수신 소자로 구성되어 총 64개의 레이저 및 수신 소자를 사용하여 0.4도의 수직 해상도와 함께약 24.8도의 수직 시야각과 함께 360도 회전 스캐닝을 지원하여 넓은 수직 시야각과 함께 360도 수평 시야각을 지원하므로 무인 운전 자동차 및 군용 차량 등의 시험 개발용으로 많이 적용되고 있음
  • 여러 제품들에서 비교적 반사율이 높은 물체들에 대한 최대 측정 가능 거리는 120m, 200m, 250m인 것으로 제시되고 있으나, 반사율이 10%인 조건에서 측정 가능한 거리는 대부분 약 50m 수준임. 대부분의 기업에서 360도회전 가능한 제품들을 출시하고 있으나, 차량의 전방 또는 후방에 장착되어 특정 방향만 관측하기 위하여 설계된 경우 85도 또는 110도와 같이 제한된 수평 방향의 FOV를 지원하며, 대부분 약 0.1도 정도의 수평 방향각 해상도를 갖고 있음
  • 레이저 스캐너 상용 제품을 출시하는 글로벌 기업으로는 Hokuyo, Omron 등이 있음. 외부 환경(outdoor)에서 사용하기 위한 Velodyne, SICK, Ibeo, Hokuyo사의 3D/2D 레이저 스캐너 등이 대표적임
  • 현재 상용화 개발된 회전 방식의 3D laser scanner 기술은 광 시야각을 확보하는 데 유리하지만 수직 방향의 해상도가 낮고 보다 소형화하는 데 어려움이 있음
  • 이에 반해 Flash lidar 기술은 단일 레이저 빔을 광 시야각으로 확장하여 조사하고 반사되는 레이저 빔을 다중 배열 수신 소자를 통하여 수신함으로써 일반적인 비디오 카메라와 같이 실시간 영상 정보를 수집하는 기술로 높은 해상도와 넓은 시야각을 위한 수신기의 개발이 필요하지만, 소형 집적화가 가능하고, 3D laser scanner에서와 같이 회전 또는 레이저 스캐닝에 소요되는 과정을 생략할 수 있는 장점을 갖고 있음
  • ASC사의 DragonEye 3D 센서는 128×128 APD(Avalanche Photodiode) 다중 배열 수신소자를 포함하며 45도의 평방 시야각(FOV)을 지원하면서도 3D 센서모듈의 크기가 길이 13.2cm, 폭 11.9cm, 높이 11.2cm로 소형화되어 있고 1,570nm 파장의 레이저를 이용함으로써 눈의 안전을 위한 특성이 우수하며, 일반적으로5Hz에서 최대 30Hz의 초당 프레임과 함께 3D 영상 촬영이 가능함
  • 이러한 3D flash lidar를 위한 핵심 기술은 흔히 Focal Plane Array(FPA)라고 불리는 다중 배열 수신소자이며 FPA는 photodiode array를 통하여 광전 변환된 아날로그 신호를 증폭하여 신호처리가 가능한 신호로 출력하는 Readout Integrated Circuit(ROIC)로 구성됨

최근 자동차, 모바일, 웨어러블 등에 활용되는 대표적인 핵심 8대 센서에 대한 관심이 집중되어 있고 국가적 차원의 지원과 산업화가 집중적으로 진행 중

(2) 기술환경 분석

산업통상자원부는 「 제조업혁신 3.0전략 」 실행의 일환으로 센서산업을 미래 주력산업으로 육성하기 위해 산·학·연·관을 포함한 ‘첨단센서 2025포럼’을 발족(‘15년 11월)함

센서산업의 경제적 기대효과를 분석한 결과, ’15년 기준 4조 원의 생산유발, 1조 1천억 원의 부가가치 유발 및 13,800명 정도의 고용유발효과 창출 전망

5.핵심요소기술 선정

확정된 핵심요소기술을 대상으로 산·학·연 전문가로 구성된 핵심요소기술 선정위원회를 통하여 중소기업에 적합한 핵심요소기술 선정

핵심요소기술 선정은 기술개발시급성(10), 기술개발파급성(10), 단기개발가능성(10), 중소기업 적합성(10)을 고려하여 평가

[ 정보제공 시스템 핵심요소기술 ]

핵심기술 선정결과
분류핵심요소기술개요
송신부 광학기술 Eye-safety 충족 저밀도·고반복 레이저 발진기 모듈 고밀도 레이저 광원에 의해 운전자 및 탑승자, 보행자등의 시력 손상등이 발생될 위험이 높아 이를 방지할 수 있도록 IEC 60825-1.1: 1988에 규정되어 있는 레이저 안전등급 기준 중 Class-1을 만족할 수 있는 저밀도 고반복 레이저 발생기
원거리 대응 빔분산 레이저 송신 광학 모듈 기술 원거리 검출정확도를 향상 시킬 수 있도록 광원의 고른 분포가 가능토록 하는 빔 분산 및 빔 확산 기술을 근간으로 하는 플래쉬 타입 Lidar용 송신 광학계 기술
근거리 광각 대응 레이저 송신 광학 모듈 기술 4개차로 이상 광폭 도로 및 교차로 횡방향 이동체 등을 검출 할 수 있도록 120도 이상의 광각 검출이 가능하도록 하는 플래쉬 타입 Lidar용 송신 광학계 기술
수신부 광학기술 주행환경 및 외란 강건형 수신 광학 모듈 제작기술 검출 대상체로부터 반사되어 되돌아오는 레이저 신호의 신호감쇠 최소화 및 수신율 극대화를 위한 수신 광학계 기술
APD 등 다중 배열 수신소자(Chip) 기술 레이저 신호 검출을 위해 항복전압 이하의 바이어스를 인가하여 유한한 이득을 갖도록 하는 APD(Avalanch PhotoDiode)를 이용하여 고분해능 및 고해상도 지원이 가능한 Array 타입의 수신소자(Chip) 기술
신호처리 및 검출기술 고속 대용량 데이터 통합신호처리 기술 검출 대상체로부터 반사되어 되돌아오는 수신단 레이저 신호의 신호처리 기술을 통해 검출 대상체까지의 거리, 상대속도 및 속성정보 등의 분류, 검출이 가능한 통합신호처리 모듈
Point Clustering 기반 고성능 객체 검출 및 트래킹 기술 Lidar의 데이터 형식은 포인트 클라우드(Point Cloud) 형태의 포인트 정보를 활용하여 각각의 벡터를 계산하여 장애물의 이동, 정지 여부를 판단하며 장애물의 속성을 판단하기위해 포인트 데이터의 집단화 처리를 통해 검출하고자 하는 오브젝트의 속성판단 및 검출 정확도를 향상 시키는 기술