레이더·센서·카메라모듈·라이더 등 전장부품, 오토모티브 시장 주도

그동안 영화 속에서 상상해 왔던 자율주행차 시대가 성큼 다가오고 있다. 최대 IT 가전 박람회인 CES는 지난해부터 벤츠, BMW, 아우디, GM, 포드, 도요타, 현대기아차 등 자동차 업체들이 대거 참여하면서 가전 보다 스마트카가 더 주목을 받았으며 올해 ‘CES 2016’에서는 반경 200m 안에 있는 물체를 인식하는 레이다 기술 등 다양한 자율주행 기술이 공개되기도 했다.

반도체 업계에서는 오토모티브 시장을 차세대 성장동력으로 꼽고 있으며 이와 관련된 다양한 기술을 선보이고 있다. 그 중 자율주행차의 핵심 기술인 ‘첨단운전자지원시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance Systems)’이 대표적이다. ADAS는 카메라, 레이더, 라이다, 초음파 등 각종 센서들을 이용해 주행이나 주차시 발생할 수 있는 사고의 위험을 알려주고 차량이 운전자를 대신해 부분적으로 제동 및 조향을 제어할 수 있는 장치들이다.

본격적인 자율주행차 시대를 앞두고 현재 ADAS 기술 개발은 어디까지 진행됐으며 자동차 주요국의 법제화와 앞으로 해결해야 할 과제 등이 무엇이 있는지 알아보고자 한다.
 

자료: CEVA

인간의 생명과 직관되는 자동차는 안전을 최우선으로 하기 때문에 기술이 시행되기 까지 정부 법규제가 까다롭고 자율주행차가 시행되기까지는 단계적 발전이 요구된다.

미국 교통부 도로교통안정청(NHTSA)에 따르면 자율주행발전단계를 ▲1단계: 조향 또는 가감속 제어보조 ▲2단계: 조향과 가감속 제어 통합보조 ▲3단계: 돌발 상황시 수동전환을 전제로하는 부분적 자율주행 ▲4단계: 완전자율주행단계로 나웠다. 1, 2단계는 운전자를 보조하는 낮은 수준의 자율주행이고 3, 4단계는 자동차가 스스로 운행하는 높은 수준의 자율주행이다.

자율주행에 있어서 ADAS는 가장 중요한 기술로 꼽힌다. 이 기술은 센서로 차량주변을 감지해 자동으로 제동을 걸거나 전방에 있는 차량과 간격을 유지하는 크루즈 기능 등을 구현해 낸다.

ADAS는 센서로 차량주변을 감지해 전방에 있는 차량과 간격을 유지하고 보행자를 인식한다. <자료: 보쉬>

 좀 더 구체적으로 ADAS는 ▲앞차와 거리를 일정하게 유지하면서 자동으로 속도를 조절해주는 장치(Adaptive Cruise Control) ▲운행시 차량의 충돌을 방지하거나 충돌시 피해를 줄이기 위해 제동을 제어하는 장치(Automatic Emergency Braking) ▲주차시 핸들을 조작해 운전자의 주차를 도와주는 장치(Automatic Parking) ▲카메라를 이용해 운전자 사각지대의 물체를 감지해 경고해 주는 장치(Blind Spot Monitor) ▲졸음 등의 운전자 상태를 인식해 경고를 주는 장치(Driver Monitoring System) 등이 있다.

또 ▲차량 앞쪽의 장애물을 인식해 운전자에게 경고를 주거나 조향이나 제동을 하는 장치(Forward Collision Warning) ▲카메라를 이용해 제안속도 등 교통 신호를 인식해 표시해주는 장치(Traffic sign recognition)가 있다.

BMW 후방 카메라

 시장조사기관 IHS에 따르면 2035년 자율주행차는 1180만대로 증가하고 2050년에는 대부분의 자동차가 자율주행차로 대체된다고 전망했다. 2030년 대부분 자동차에서 리어뷰 미러, 클랙슨, 사이드 브레이크가 사라지고 2035년에는 핸들과 엑셀·브레이크 페달도 없어질 것이다.
특히 레이더 기반 ADAS는 오는 2021년까지 5000만개 수준으로 향후 수년간 점유율이 급격히 늘어날 것으로 전망된다.

글로벌 반도체 기업들은 일찌감치 오토모티브 시장을 타깃으로 제품 개발을 해오고 있다.
지난 5월6일 시장조사업체 스트래티지애널리틱스(SA)는 2015년 자동차용 반도체 시장 규모가 274억달러로 집계됐고 그 중 NXP가 39억달러 매출과 14.2%의 점유율을 기록해 시장 1위를 차지했다고 밝혔다.

NXP반도체는 2015년 12월 자동차 MCU 분야 선두기업 프리스케일을 인수 합병을 통해 차량용 ADAS 솔루션의 선도 업체로 등극하면서 자동차용 반도체 시장에서 매출 1위 업체로 도약했다. 2위는 독일 인피니언테크놀로지가 10.4% 점유율을 기록했고 일본 르네사스가 10.3% 점유율로 3위를 기록했다. 르네사스는 2014년 자동차 반도체 1위였으나 지난해는 순위가 두 단계나 떨어진 것으로 나타났다.

◇ 이제는 중장거리 77GHz 레이더 시대

자율주행을 위한 센서기술은 다중 비디오 카메라(주간), 전방감시 적외선 센서(야간), 레이더(Radar), GPS(위치측정), 라이다(LiDAR), 가속도계, 자이로스코프(속도, 방향변화 측정) 등이 있다.

그 중 레이더는 자동차 주변 환경을 정확하게 파악할 수 있는 수단을 제공해 운전자의 부담을 덜어주는 ADAS의 핵심 기술이고 라이다는 레이더와 카메라와 센서 등을 통해 주변 사물을 감지하고 이를 3D영상으로 구현하는 기술을 일컫는다. 최근 국내외 반도체 업체들은 24㎓ 근거리 레이더에 이어 77㎓ 거리까지 감지가 가능한 중장거리 레이더 기술을 연이어 공개하기 시작했다.

라이다는 레이더와 카메라와 센서 등을 통해 주변 사물을 감지하고 이를 3D영상으로 구현한다.

 지난 1월 NXP가 출시한 77㎓ 레이더 단일칩 송수신기는 7.5×7.5mm의 작은크기로 세계 최소형을 자랑한다. 자율주행 시스템에서 센서의 수가 점점 늘어나고 있는 가운데 NXP의 칩 크기는 차량의 어느 곳에도 ‘보이지 않게’ 탑재할 수 있어 차량 설계 시 큰 이점으로 작용한다.

또 전력 소모량은 기존 NXP 레이더 IC에 비해 40% 수준에 불과하다. NXP는 RFCMOS IC의 작동 가능한 프로토타입을 주요 파트너사에게 공급하고 있으며 구글의 자율 주행 차량(self-driving car) 프로젝트에서 필드 테스트 중이라고 밝혔다.

또 NXP는 지난 4월 ‘유럽 트럭 플래투닝 챌린지(European Truck Platooning Challenge)’에서 레이더 솔루션과 차량 대 차량(V2V), 차량 대 인프라(V2I) 기술을 사용해 유럽 각 도시에서 네덜란드까지 DAF 트럭 여러대를 대상으로 자율주행 시연에 성공하며 업계 주목을 받았다.

NXP반도체 관계자는 “이번 시연에 NXP V2V 기능을 탑재한 카메라를 선두 트럭에 설치했고 선두 트럭의 ‘시야’를 후미 차량의 운전자들에게 전송함으로써 전방 도로의 상황을 쉽게 파악할 수 있었다”며 “NXP는 레이더 기술 개발에 앞장서고 있으며 현재까지 1500만 대의 레이더 제품을 출하했다”고 전했다.

NXP 77GHz 레이더 단일칩

ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)도 고속 정속주행 시스템(Adaptive Cruise Control)에 최적화된 77GHz 레이더 칩(IC)를 지난 3월 출시했다. 그동안 ST는 SiGe(실리콘 게르마늄) BiCMOS공정을 기반으로 사각지역 감시, 후방 장애물 감지하는 단거리 및 중거리(24㎓) 레이더칩을 현재까지 3500만개 이상 공급해왔다.

이번에 출시한 디바이스는 하나의 칩에 3개의 77㎓ 트랜스미터와 4개의 리시버를 통합함으로써 기존 보다 작아졌고 시스템 설계를 간소화할 수 있도록 구축했다는 점이 ST측의 설명이다.

반면, 인피니언은 SCC, AEB, BSD 등 다양한 애플리케이션을 지원하기 위해 두개의 다른 공정을 기반으로 레이더 칩 개발을 계획하고 있다. 지금까지 인피니언은 1500만개가 넘는 레이더 칩을 출하했다.

최재홍 인피니언코리아 오토모티브 사업부 기술상무는 “중장거리 레이더(77 or 79Ghz)에는 Bi-CMOS 공정, 단거리 레이더(24Ghz)에는 CMOS 공정의 단일 칩 솔루션을 제공해서 파트너사가 선택적으로 제품 개발할 수 있도록 하겠다”며 “인피니언 Bi-CMOS 단일칩 양산은 2019년 초반으로 계획 하고 있다”고 밝혔다.

그동안 고급차량에만 탑재 됐던 레이더는 패키지타입(eWLB) 공급으로 대중 차량에도 적용이 가능해지면서 ADAS 기술이 탑재된 자동차 대중화가 빠르게 진행되고 있다.

ST 오토모티브 부문 관계자는 “ADAS 기능이 보편화되면서 이제는 중간급 시장 및 저가 자동차 플랫폼에서도 77GHz 기술에 대한 요구가 증가하고 있다”며 “레이더 기술 개발로 인해 전보다 더 정확한 물체 인식 기능과 높은 해상도가 가능해졌고 더불어 가격도 낮아지고 있다”고 설명했다.

국내 기업들도 77㎓ 레이더 센서 칩 개발에 나섰다. LG이노텍은 야간, 우천 및 안개 등 주변 환경에 상관없이 77㎓ 거리까지 밀리미터파를 이용해 전방 및 측/후방의 차량의 위치와 거리, 속도를 측정해주는 레이더 모듈을 개발했다. 만도도 지난해 77㎓ 고대역 주파수를 활용하는 중장거리 레이더 센서 제품 상용화에 성공했으며 현대모비스도 77㎓ 레이더 센서 개발을 마치고 상용화를 준비하고 있다.

이 외에 레이더로 감지한 신호를 처리해주는 코어는 ADAS의 핵심부품이다. 레이더 신호를 처리해 주변 환경을 인지한 후 액츄레이터 ECU 등에 명령을 내려주는 32비트 멀티코어 오릭스(AURIX)는 락 스텝 코어(Lock step core)을 기본적으로 장착하고 있고 3개의 멀티코어가 최대 300MHz 속도로 다중 계산(Diverse Redundancy)을 할 수 있다.

인피니언은 “특히 오릭스 하이엔드 제품 경우에는 레이더, 카메라, 울트라 소닉, 라이다 등의 각종 센싱을 입력 받아 계산할 수 있는 센서 퓨젼 ECU에 많이 사용 될 것으로 본다”고 전망했다.

인피니언 오릭스(AURIX)

 또 물체를 인식해주는 이미지센서, 카메라 솔루션도 중요하다. 인피니언 차량용 3D 이미지 센서 칩은 SBI(Suppression of Background Illumination, 실내외 동작을 위해 센서 칩의 다이내믹 레인지를 개선하는 기능) 기술로 차량 밖 물체의 움직임을 감지해 내고(Gesture detection) 운전자의 상황까지 모니터링(Driver Status Monitoring system)해준다.

ST의 이미지 센서 VG6640는 132dB로 뛰어난 동적 범위 픽셀 아키텍처를 구현함으로써 조명 환경이 좋지 않은 장소에서의 물체를 인식해 낸다. 이러한 이미지들을 처리하는 자율형 프로세서 STV0991은 예측형 H.264 비디오 인코딩을 포함해 외장 메모리 없이 동작한다.

촬영한 이미지의 광원 및 음영의 강약을 적절하게 대비(contrast) 보정하는 차량용 카메라 솔루션은 역광에서는 그림자 부분만 밝고 선명하게 보정해 건물이나 도로면을 보기 쉽게 표시해주고 야간의 어두운 장소에서는 반대편 차량의 헤드라이트에 의한 빛 반사(halation)를 억제해 차량/보행자의 컬러와 형태를 인식한다.

르네사스일렉트로닉스의 카메라 네트워크 솔루션 ‘LSI R-Car T2’은 카메라로 찍은 서라운드 뷰, 장애물 인식 등의 영상 데이터를 초고속으로 전송시켜 주고 통신규격 이더넷 AVB와 동영상 압축 규격 H264을 지원하는 인코더를 독자 개발했다.

◇ 국내 업체도 ADAS 기술 개발 돌입

국내에서도 LG이노텍, LG전자, 만도, 현대모비스, 현대오트론 등이 ADAS를 비롯해 자동차 전장부품 기술개발에 뛰어들었다. 그 중 LG이노텍은 2005년부터 전장부품 사업 기반을 착실히 다져와 높은 매출 성과를 기록하며 경쟁력을 확보해 나가고 있다.

2015년 기준으로 글로벌 전자부품 기업의 자동차 매출 비중 순위에서 오므론(Omron), 니덱(Nidec), TDK, 무라타(Murata) 다음으로 LG이노텍이 순위에 들었다. 2015년 LG이노텍의 차량부품 매출은 6496억원으로 전년 대비 11% 성장했고 북미 시장 중심으로 해외 OEM 업체 수요 증가로 지난해 신규수주는 2조8000억원을 기록했다.

LG이노텍 전장부품 사업부 관계자는 “LG이노텍은 올해 차량 전장부품을 핵심사업으로 시장 다변화에 적극 나설 방침이다”며 “특히 자율주행 시스템을 위해 카메라, 센서, 복합모듈 등을 중심으로 차량 신사업 경쟁력 확보와 미래 준비 활동을 한층 강화해 나갈 계획이다”고 말했다.

LG이노텍 차량부품 매출 현황

 LG이노텍은 그동안 모바일 카메라모듈에서 강세였던 장점을 살려 차량용 카메라 모듈에서도 차량 전후, 사방 영상을 전송해 주는 RVC(Rear View Camera) 및 AVM(Around View Monitoring) 카메라, 운전자가 탑승자의 상황을 영상을 통해 확인할 수 있는 VDS(Video Conference System) 카메라 등 다양한 자동차용 카메라 솔루션을 구현해 냈다.

만도는 차량 주위로 장착된 복수 초음파 센서를 이용해 평행 및 직각 자동 주차를 가능하게 한 주차보조시스템(SPAS), 차로 변경 시 사각에 들어오는 차량을 감지해 위험 회피에 도움을 주는 차로변경지원시스템(BSD) 등을 개발했다. 최고 속도를 설정하면 도로 상황에 따라 속도가 바뀌고 운전자가 액셀러레이터와 브레이크를 계속 밟은 채 떼지 않아도 안정된 속도가 나오는 만도의 어댑티브크루즈컨트롤(ACC) 기술은 현재 제네시스 EQ900, 제네시스, K7 등 현대·기아차 신차에 적용되고 있다.

카메라모듈 업체인 엠씨넥스는 ADAS 핵심 센서인 라이다 기술 ‘라이드-7’을 개발했다. 라이다-7은 차량과 보행자를 명확히 식별할 뿐만 아니라 눈이나 비가 올 때에도 정확하게 차량을 인식한다. 기존 주파수 방식인 인식시스템이 외부 간섭에 취약한 점을 극복하고 안테나 등 다른 구성품도 대폭 줄일 수 있는 신기술을 활용했으며 레이저 에미터 2개, 리시버 광부품 2개, 카메라 1개 등으로 구성돼 글로벌 제품에 비해 부품 수는 적으면서도 정확도가 높다.

지난 1월 미국 라스베가스에서 개최된 CES2016 현대모비스 전시관에서 선보인 센서와 레이더 기술

◇ 해결해야 할 주요 과제는? ‘ADAS 표준, 비싼 부품 가격’

본격적인 자율주행차 시대에 앞서 해결해야 할 과제로는 안전과 보안문제가 가장 크다. ADAS 적용을 통한 충돌 사고 경감효과가 크기 때문에 국가별로 ADAS 관련 제품 장착이 의무화 되고 있으며 안전 규제가 강화되고 있다. 주요국에서 의무장착이 보편화되고 있는 대표적인 안전 시스템은 AEB, ESC, TPMS, LDWS 등이다.

AEB(Automatic Emergency Braking)는 레이더 등으로 전방주행 상황을 실시간 감지해 엔진 및 브레이크를 제어 하는 시스템이다. 주요 선진국에서 트럭 대상 장착이 의무화됐고 2019년까지 신차로 확대될 예정이다.

영국 보험인 협회(ABI)에서는 AEBS 적용 시 약 80만건의 차량 충돌사고 감소를 예상했다. ESC(Electronic Stability Control)는 차량이 노면에서 미끄러지는 등 운전자의 의지와 다르게 주행되는 것을 컴퓨터 프로그램이 스로틀, 브레이크에 강제 개입해 차량을 통제해 준다. ESC 시스템은 미국 2011년, 한국 2012년, 유럽 2014년부터 장착이 의무화됐다.

또 업계에서는 ADAS 표준 마련에 대한 논의가 활발하다. 자율주행차는 기존 자동차업계뿐 아니라 전자부품, 내비게이션, 멀티미디어, 업계도 표준개발에 참여해야 한다는 의견이 일고 있다. 유럽교통통신실행협의회(ERTICO)는 ADAS 표준화 규격(ADASIS)을 2013년 말 발표된 제2판을 업계 표준으로 통용한 이후 지난해 10월 제3판 초안을 발표했다.

센서와 레이더 등 ADAS에 개발에 필요한 데이터 정의와 생성 방법을 규격화한 ADASIS는 공인 국제표준은 아니지만 업계가 자율적으로 마련한 개발 규격이어서 사실상 업계 표준으로 통용되고 있다. 이번 3판 표준에는 전자지도 업계 표준 NDS(Navigation Data Standard)도 반영된다. 전자지도를 ADAS에 사용하면 센서나 레이더 감지 거리 밖에 있는 도로 상황까지 파악할 수 있어 부분자율주행에 가까운 기술을 구현할 수 있기 때문이다.

자율주행차 보급을 위해서는 차량 가격과 제조원가 측면에서 레이더, 라이다, 센서의 비싼 가격을 개선시켜야 한다는 의견이 화두다. 권용한 한국전자통신연구원 박사는 “만약 ADAS 시스템의 센서 등을 교체할 때 부품가격이 100만원이 넘으면 소비자 입장에서 ADAS 시스템 차량을 구입이 꺼려질 것이다”며 “라이다 기술을 개발하는 쿼너지(Quanergy)는 라이다 소형칩을 기술 개발을 통해 100만원 이하로 내놓겠다는 전략이다. 따라서 이제는 저가의 라이다를 고려해야 할 시점이다”고 설명했다.

참고로 쿼너지는 현대차를 비롯해 르노-닛산 얼라이언스, 메르세데스-벤츠와도 라이더기술을 공동으로 개발하고 있으며 도요타는 자체적으로 라이다를 개발하고 있다.

◇ 국내, 적극적인 기술 개발 및 정부 지원 필요 

국내 업체들도 자동차 전장부품 개발에 뛰어들어 카메라모듈과 MLCC 부품에서는 좋은 성과를 보이고 있지만 센서는 아직까지도 대부분을 독일, 일본, 미국 등 외국 업체로부터 수입하고 있기 때문에 센서의 국산화에 대한 필요성이 크다.

예로 국내 자동차 업체들은 콘티넨탈, 델파이로부터 77㎓ 레이더 완제품을 수입해 현대의 제네시스의 ACC, 그랜저의 ASCC 시스템에 적용시키며 해외 의존도가 컸다. 최근에야 현대모비스와 만도 등은 77㎓ 레이더 상용화에 나섰으며 외국의 상용부품을 수입해 3D 라이다 관련 소프트웨어와 시스템을 개발하고 있는 실정이다.

권용한 한국전자통신연구원 박사는 “예로 3D 라이다 1대 가격을 100만원으로 가정 시 국내 연간 800만대의 생산 중 10%로만 고려해도 8000억 부품시장 형성이다”며 “국내 업체들도 적극적으로 기술개발에 나서야 한다”며 전장부품 국산화 필요성을 강조했다.

자율주행시스템의 확장을 위해서 정부차원의 지원 정책도 중요하다. 미국은 네바다, 캘리포니아 등 5개 주에서 자율주행차의 검증에 필수적인 도로 시험 운행을 허가했고, 영국은 런던 근교 4개 지역에서 시험운행을 허가했다. 독일은 올해 안으로 아우토반 일부 구간에서 공식 허가할 계획이며 일본은 2013년 전용 번호판을 발급한 데 이어 2020년 도쿄올림픽 때 고속도로를 자율주행하는 차량을 선보이겠다고 공표한 바 있다.

한국도 2020년 자율주행차 상용화를 목표로 제도와 인프라를 구축하겠다는 입장이지만 주요국가에 비해 적극적인 움직임을 보이고 있지 않다.

이재관 자동차부품연구원 본부장은 “국내 부품업체의 경우 글로벌 기업과 비교해 자율주행 선행투자가 초보수준으로 ADAS 기술 총 5단계 중 위험상황 경고 기능만 지원하는 1단계이다”며 “국내의 법 제도와 도로, ICT 인프라 정비는 초기 단계로 선진국과 동일한 시점에 실용화가 불가하다”고 설명했다.

이어서 그는 “자율주행 산업을 육성하기 위해서 국내에서는 제품개발도 중요하지만 생태계 조성이 먼저 이루어져야한다”고 덧붙였다. 

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