[기획] 고주파·광대역 레이더 센서, 스마트한 세상을 앞당기다

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 편의와 안전을 개선하는 스마트 애플리케이션에서, 센서는 인간의 눈·귀·코·입처럼 대상물의 동작이나 거리 변화 등 주변 상황을 인식하고 연산장치가 판단할 수 있도록 근거 데이터를 제시하는 부품이다. 셀 수 없이 많은 종류의 전자제품이 시장에 쏟아져 나오는 만큼 센서의 종류 또한 다양한데, 거리 측정 센서에는 대체로 전파를 사용하는 ‘레이더’를 포함해 ‘적외선’과 ‘초음파’, 레이저를 이용하는 ‘라이다(Lidar)’, 가시광선으로 획득한 이미지를 분석하는 ‘카메라’가 사용된다. 그 중에서도 레이더는 눈과 비, 태양의 영향으로부터 비교적 자유로워 오래 전부터 국방·항공우주, 산업 등 분야에 두루 쓰였다.

레이더는 일반적으로 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)를 발사하고 측정 대상으로부터 반사된 신호가 수신되는 데까지 걸린 시간을 측정해 위치와 거리를 산출하는 ToA(Time of Arrival) 방식을 사용한다. 전파는 촬영한 이미지(가시광선)를 분석하는 카메라는 물론이고 음파나 비가시광 등의 신호 수단을 사용하는 다른 ToA 센서보다 날씨와 조도의 영향을 적게 받으며, 비교적 먼 거리까지 측정 가능하다는 장점을 갖는다[표 1]. 다만 전파 혼선의 가능성이 있는데, 미사일이나 전투기에 탑재되는 레이더의 신호를 무력화하기 위해 강한 전파를 내보내는 방어 무기가 레이더의 단점을 역이용한 예다. 최근에는 기존 레이더보다 더 높은 투과성을 보이면서도 낮은 전력 소모량과 작은 부품 크기를 특징으로 하는 초광대역(Ultra-WideBand, UWB) 레이더가 차세대 센서로 주목받고 있다.

이런 추세에 맞춰, 센서 시장을 선도하는 업체들은 고주파·고성능 레이더 센서를 개발해 왔다. 일례로, 독일의 반도체 기업 인피니언 테크놀로지스(이하 인피니언)는 센시브(XENSIV) 60㎓ 레이더 센서를 개발해 조명 또는 가전제품 등이 사람의 동작을 감지하고 스스로 작동하도록 만들거나 산업·의료 현장 또는 차량에서 사람의 활력징후를 파악하는 데 기여해 왔다. 그리고 인피니언은 이 고주파수 레이더 솔루션을 작은 부품 크기와 낮은 소비전력으로 제공해 채택 가능한 응용처 폭을 넓히고 개발자의 설계 수고를 덜고 있다. 일례로, 2019년 출시된 구글의 스마트폰 ‘픽셀 4’에는 인피니언의 레이더 센서가 탑재돼 구글이 자체적으로 개발한 소형 레이더 기술인 모션 센스(Motion Sense)의 구현을 돕는다. 모션 센스는 버튼 조작이나 화면 터치 없이 스마트폰 위에서 손을 움직여도 이를 기기가 감지해 잠금화면을 해제하는 기능으로, 인피니언 센서가 5.5㎓ 대역의 UWB 전파를 지원함으로써 밀리미터(㎜) 단위의 미세한 움직임을 감지한다.

인피니언 XENSIV 60㎓ 레이더 센서 ‘BGT60LTR11AIP’는 송수신 안테나를 하나씩 포함(Antennas in Package, AIP)한다. 또한 상태기와 모션·방향 검출기도 통합 탑재돼 별도의 마이크로컨트롤러(MCU) 없이 동작하고 디지털 신호를 출력한다. 특히 모션·방향 검출기는 표적의 움직임을 감지하는 검출기와 표적의 거리를 측정하는 검출기의 두 가지 신호를 통합·출력해 통상적인 레이더 원시 신호보다 발전된 기능을 제공한다. 이 통합된 단일 마이크로파 집적회로(MMIC)의 패키지 크기는 3.3×6.7×0.56㎣다.

BGT60LTR11AIP는 두 가지 모드로 작동한다. 자율형 모드에서는 최소 5㎽ 미만의 낮은 전력 소모량으로도 최대 80º의 시야각, 최대 5미터(m)의 탐지 범위를 제공한다. 자율형 모드를 사용하면 주파수·안테나·레이더 신호 처리에 대한 기반 지식 없이도 응용처에서 활용 가능한 탐지 데이터를 전송한다. 한편 직렬 주변기기 인터페이스(SPI) 모드에서는 최소 2㎽ 미만의 전력으로 최대 10m의 탐지 거리를 제공하며, 레이더 데이터 원본을 전송해 응용처 맞춤형 알고리즘을 개발할 수 있다.

센서를 비롯한 MCU, 드라이버IC, 전력관리반도체(PMIC), 입출력장치(I/O) 등 부품이 점점 고성능·초소형·저전력화되고 이를 뒷받침하는 임베디드 소프트웨어 시스템이 함께 발달하면서 스마트 홈·카 등 인공지능과 5G 통신 기술이 접목된 제품·서비스는 점점 확산되고 있다. 미국의 시장조사업체 스트래티지애널리틱스(SA)에 따르면 2021년 전 세계 스마트 홈 시장 규모는 2020년 대비 44% 성장한 약 1230억 달러(140조 7366억 원)에 이를 것으로 추산된다. 또, 오르비스 리서치(Orbis Research)에 따르면 전 세계 스마트 모빌리티 시장 규모는 2018년(843억 4000만 달러)부터 7년간 매년 평균 22.23% 성장해 2025년에는 3437억 7000만 달러에 달할 것으로 전망된다.

스마트 애플리케이션 보급률이 오를수록 시장에는 다양한 제품이 등장하고, 업계 내 경쟁은 점차 격화될 것이다. 따라서, 시장에서 우위를 점하고자 하는 개발자는 더 작고 낮은 비용과 소비전력으로 높은 성능을 발휘하는 제품을 원하는 소비자의 요구를 만족시키기 위해 고성능·초소형·저전력 부품을 선택하게 될 것이다.