[2020 반도체대전] 자율주행 첨단 센서의 현주소는?

[테크월드=선연수 기자] 자율주행 차량에 ‘진짜’ 들어갈 센서는 어떤 것일까? 이름만으로도 큰 기대를 갖게 만드는 자율주행을 위해 많은 기술이 후보로 나서고 있다.

사람의 안전을 책임지는 만큼 정확성, 신뢰성, 보안성을 충족하느냐도 관건이다. 지난 10월 28일 마이스포럼과 한국반도체산업협회가 주관한 ‘2020 4차산업대응 첨단센서 고도화 기술세미나’에서 다양한 센서 기술을 들여다봤다.

수출 규제 품목인 적외선 센서

아이쓰리 시스템 김병혁 전무이사는 ‘적외선 영상센서 기술 및 동향’에 대해 발표했다. 적외선 센서는 군수용으로 처음 사용됐으며, 최근 일반 차량에서 나이트비전용으로 탑재되는 추세다.

적외선 검출기는 크게 광자형 검출기와 열형 검출기로 나뉜다. 광자형 검출기는 액체질소 온도인 극저온에서 동작하며 주로 군용으로 사용되고, 열형 검출기는 온도에 따라 전기적 특성이 변하는데 이 값을 읽어내 활용하는 방식이다.

김 전무이사는 “검출기의 핵심 칩은 FPA다. FPA는 배열칩, ROIC(Readout IC), 플립칩, 본딩 기술 등으로 구성된다. 검출기는 냉각 주기가 반복되면 기기의 칩이 깨지는 등의 문제를 일으킬 수 있어, 이런 상황으로부터 기기를 지키는 신뢰성과 안전성을 담보하는 것이 기술 구현의 핵심”이라고 설명했다.

비냉각형 적외선 검출기는 진공 패키지 내에 FPA가 집적되는 방식이다. 상온에서는 작동이 어려워 진공 패키지를 구현하는 것이 주요 기술 중 하나다. 냉각형 적외선 검출기는 피치를 줄이고 고해상도 제품을 만드는 연구가 주를 이룬다.

군수용을 첫 타깃으로 개발된 기술이다 보니 전략 물품으로 분류돼 수출 규제 품목에 속한다. 따라서 고성능 제품의 수입이 어렵고, 기술 장벽 또한 높아 연구 국가 수는 많은 데 비해 실제로 2D 적외선 검출기를 생산·공급하는 곳은 8개국뿐이라고 김 전무이사는 설명했다. 국내는 1980년부터 연구개발을 시작해 국산화에 성공하고 군용으로 전략화돼 진행되고 있다.

최근 코로나19로 인해 적외선 기술을 사용하는 곳이 많다. 그러나 적외선 영상만으로는 체온 측정 관리에 오차가 많이 발생하는 문제가 있다. 이를 고려해 FDA에서 권고 사항을 발표한 바 있다. 초정밀 온도 계측 카메라의 경우 열화상 카메라, 가시광 카메라, 표준 열원 데이터를 사용해 제작되고 있으며, 이에 인공지능(AI) 기술을 도입해 값을 더 정확하게 보정할 수 있다.

자율주행에 AI 적용? 아직은 역부족

충북대학교 스마트카연구센터장을 맡은 기석철 교수는 ‘자율주행 자동차 센서의 상용화 이슈’에 대해 다뤘다.

기 교수는 “자율주행차에서는 통신이 하나의 센싱 디바이스로 자리 잡으며 카메라, 라이다(LiDAR), 레이더(Radar)가 메인 센서로 위치하고, GPS와 IMU도 중요한 요소가 된다”고 핵심을 짚었다. 이어 “다음으로 적용되는 것이 AI인데, 이는 아직 도입단계일 뿐 차량 환경에서 동작하기에는 아직 기술이 부족하다”고 밝혔다.

자동차에서는 전장 시스템이 중요하다. 이는 크게 엔진 도메인, 섀시 도메인, 바디 도메인, 멀티미디어 도메인으로 나눠진다. 샤시 도메인에는 EPS, ESC를 비롯한 각종 센서가 포함되는데, 특히 자율주행에서 중요한 것들이라 안전 요건이 엄격하게 적용되는 부분이다.

자동차는 전통적으로 ‘V(브이)사이클’의 상용화 제품 프로세스를 가진다고 기 교수는 설명했다. 그러나 기존에 활용해오던 V사이클을 사용해 만드는 자동차에 리콜이 계속적으로 발생하고 있다. 이에 따라 ISO26262와 같은 새로운 국제 표준들이 등장하고 있으며, 이 차량 기능 안전 규격은 현재 자동차 제조에 있어 가장 중요하다.

ASIL의 보전 등급에 따라 차량 시스템을 어떻게 개발해야 하는지 표준 개발 방법론을 모은 것이 ISO26262다. 안전 테스트 프로시저(Procedure)는 자동차 양산 개발을 위한 과정으로, 이때 각 평가 단계마다 어떻게 평가해야 하는지에 대한 항목을 담은 TDP(Test Development Procedure)를 활용한다.

유로 앤캡 2025(EURO-NCAP 2025)는 신차안전도 평가로 볼 수 있다. 별 5개를 받아야 유럽 시장에서 안전하다고 인정받을 수 있으며, 이는 유럽 소비자에게 중요한 선택 지표다. 완전 자율주행에 대해서는 아직 다루지 않지만 첨단 센서에 대한 평가 기준들을 권고하고 있다.

기존에는 차량에 집적되는 기능들이 간단해서 문제가 없었으나 자율주행으로 이동하면서 시스템 복잡도가 높아지고 있다. 소프트웨어와 하드웨어가 복잡하게 융합되기 때문에 이를 평가하는 항목인 TDP를 개발하는 것도 어려운 과제 중 하나다. 이를 위해 미국은 NHTSA 가이드라인으로 12가지 안전 항목을 내놓기도 했다.

한편, 자율주행차 개발을 위해 건설 중인 충북대학교 오창캠퍼스 내 ‘충북 자율주행차 지역 테스트베드’는 내년 완공될 예정이다.

라이다는 최대 2개, 레이더가 주요

한국자동차연구원 연규봉 센터장 ‘자율주행차를 위한 지능형 센서 기술과 기능 안전 이슈’에 대해 발표했다.

연 센터장은 “흔히 자율주행차라고 하면 구글이 콘셉트로 선보였던 차량 위에 센서가 달린 차를 떠올린다. 그러나 자율주행과 관련한 여러 부분들이 법제화되면서 센서는 차량 안에 모두 내장될 것으로 예상된다”고 말했다. 차량 위에서는 센서가 360도 회전하며 데이터를 확보할 수 있지만 내재화될 경우 회전에 한계가 있다. 따라서 차량 내부 곳곳에 수많은 센서가 탑재될 것으로 보인다.

현재 자율주행과 관련해 진행되는 국책과제는 11개로, 모두 레벨 3에 맞춰 진행되고 있다. 이 과제는 내년 12월 31일부로 종료된다.

연 센터장은 만도와 함께 레이더 기술을 개발하고 있으며, 이다음 사업으로는 이미징 레이더 기술을 생각하고 있다고 설명했다. 이 레이더에 집적되는 CMOS 칩을 개발하는 것이 목표다.

레벨 5 차량에는 최소 32개의 센서가 달려야 할 것으로 예상된다. 그러나 특이한 점은 이중 라이다 센서는 하나뿐이라는 점이다. 연 센터장은 “라이다 센서는 예상과는 달리 차량에 1~2개 정도만 도입될 것이다. 안개가 끼는 상황에서 데이터를 수집하지 못하는 등 수분과 산소 농도가 물체 검지 능력에 미치는 영향이 크다. 또한, 역광 등의 상황이 문제다. 라이다 대역에 햇빛이 들어오게 되면 라이다가 제 기능을 하지 못한다”고 한계점을 설명했다.

그러나 라이다가 아예 빠질 수는 없다. 레이더는 목표물이 무엇인지 구분해내기 어려워 이것이 가능한 라이다 센서가 필수적으로 들어가게 된다.

라이다는 인피니언, NXP 등의 글로벌 기업의 제품을 많이 사용하고 있다. 연 센터장은 “현재는 국산 센서칩이 없다는 것이 큰 아쉬움이다. 성능과 가격 측면에서 가장 중요한 것이 칩 기술인데, 글로벌 기업으로부터 공급받기가 상당히 어려운 상황”이라고 토로했다.

평판 이미지센서 기술도 주목

한국과학기술연구원 황도경 책임연구원은 ‘차세대 저차원 반도체 기반 광센서 및 이미지 센서 응용 기술 개발’을 주제로 이야기했다.

황 연구원은 “그래핀이 등장한 이후 나노 테크놀로지가 나오고 있다. 나노 반도체는 양자화된 효과를 내는데, 이중 퀀텀닷(Quantum Dot, 양자점)은 에너지갭을 조정할 수 있어 활용하기 좋은 다양한 물리적 특성을 가질 수 있다”고 설명했다.

특히, 빛을 내는 반도체는 조성을 제어하는 게 상당히 중요하다. 퀀텀닷은 크기를 바꿔 밴드갭을 튜닝할 수 있어, 이 퀀텀닷 기술보다 빛을 더 선명하게 낼 수 있도록 하는 물질은 아직 없는 상황이라고 황 연구원은 설명했다. 이 퀀텀닷을 생산하는 대표적인 기관에는 삼성종합기술원이 있다.

이와 함께 평판 이미지 센서도 주목받고 있다. 일반적으로 CMOS 센서는 작은 크기를 가지지만 평판 이미지 센서는 스마트폰 하나의 크기로 제작된다. 이는 치과에서 사용되는 엑스레이(X-Ray) 디텍터와 같은 기술에 사용되고 있다. 이는 스마트폰 에서도 전면 디스플레이 자체가 카메라 역할을 하는 기술로 적용될 수 있다.

또 다른 기술로 2차원(2D) 반도체 기술도 연구되고 있다. 황 연구원은 “2D 물질은 그래핀을 넘어설 물질로 이야기되고 있지만, 아직은 연구소에서 개발되는 단계로 실제로 실리콘(Si) 칩을 대체하는 것은 또 다른 이슈”라고 말했다.

스마트키 90%가 해킹 취약, 대안은 UWB

마지막 발표는 한양대학교 이찬길 교수가 ‘UWB 복합센서기반 자율사물인터넷’을 주제로 진행했다.

이 교수는 “현재 사용되고 있는 스마트키의 90% 이상이 릴레이 스테이션 어택(Relay Station Attack, 해커가 스마트키의 신호를 릴레이해 차량을 해킹하는 수법) 해킹에 노출돼 있다. 볼보 등의 자동차 회사들은 스마트키에 UWB(Ultra-wideband, 초광대역) 센서 칩을 탑재하고 있으며, 문을 열고 들어가는 액세스(Access) 제어와 관련해 보안이 보장되는 기술로는 UWB 만한 것이 없다”고 설명했다.

스마트키가 자동차와 주고받는 UWB 신호 속에 암호 데이터(암호키)를 사용하고, 보다 정확한 위치 파악을 통해 사용자가 차와 2m 이내의 거리일 때만 이 ID 값을 확인하는 방식으로 구현된다. 이 교수는 UWB는 상업적 잠재력이 있는 기술이며 실내 내비게이션 등에도 적용할 수 있다고 말했다.

이 교수는 한국마사회와 함께 UWB 기술로 경무장의 경주마 위치추적 시스템을 구현한 사례를 소개했다. 태그는 재킷의 뒤쪽 호주머니에 들어가며 달리는 경주마 20마리를 동시에 30회/초로 추적한다.

이 기술은 혼잡한 교차로에서의 자율주행을 돕거나 스마트 병원에서 응급실 관리 시스템을 지원할 수 있다. 교차로에서는 UWB, GPS 등의 데이터와 신호 데이터 등을 복합적으로 분석해 차량에 알려주는 방식이다. 병원에서는 환자들의 이동 경로를 확인함으로써 공간을 보다 효율적으로 활용해 적재적소에 의료 기기를 배치할 수 있고, 응급 상황 시 대처에 드는 소요 시간도 줄일 수 있다.