[테크리포트]자율주행차 시대 이끄는 ADAS 기술, '고성능·소형·경량·저가' 끝없는 진화

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교통사고 감축과 안전규제 강화, 환경문제 및 교통약자 배려 측면의 사회적 요구, 자동차 업체 치열한 기술경쟁 속에서 자율주행차 시대가 가시화되고 있다. 그러나 전문가들은 부분(레벨3) 및 완전(레벨4) 자율주행차가 주류를 이룰 시기는 2050년께로 전망하고 있다. 자율주행차는 점진적 발전이 예상되기에 당분간 전통 자동차 산업 기반으로 새로운 기술을 결합하는 시기가 지속될 것으로 보인다.

자율주행차 레벨별 기능표
<자율주행차 레벨별 기능표>

◇ADAS 전성시대를 견인하는 '센서' 산업

전문가들은 향후 10년간 자율주행 레벨 1~2에 해당하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System, 첨단운전자지원시스템)가 호황을 누릴 것이라 입을 모은다. 스트래티지 어낼리틱스(Strategy Analytics)에 따르면 세계 ADAS 시장규모는 2016년 160억달러에서 2021년 370억달러까지 연평균 18%씩 성장할 것으로 전망했다.

ADAS는 충돌 위험 시 운전자가 제동장치를 밟지 않아도 스스로 속도를 줄이거나 멈추는 '자동 긴급제동 시스템(AEB:Autonomous Emergency Braking)', 차선 이탈 시 운전자에게 경보하는 '차선이탈경보시스템(LDWS:Lane Departure Warning System)', 차선 이탈 시 주행 방향을 조절해 차선을 유지하는 '차선이탈자동복귀시스템(LKAS:Lane Keep Assist System)', 사전에 정해 놓은 속도로 달리면서도 앞차와 간격을 알아서 유지하는 '스마트 크루즈 컨트롤(SCC:Smart Cruise Control)', 사각지대 충돌 위험을 감지해 안전한 차로 변경을 돕는 '후측방 충돌 회피 지원 시스템(ABSD:Active BlindSpot Detection)', 차량 주변 상황을 시각적으로 보여주는 '어라운드 뷰 모니터링 시스템(AVM:Around ViewMonitor)' 등을 포함한다.

ADAS 솔루션이 진화하면서 보다 엄격한 차량 안전기준을 맞추려면 강력한 기능의 센서가 필요하다. 자율주행차는 주행 환경을 인식하는 카메라, 레이더, 라이더, 초음파 센서 등 여러 종류 센서를 사용한다. 최근에는 센서 간 부족 부분을 보완하고 가격도 저렴한 통합센서가 개발되고 있다. 센서는 전체 ADAS 시장에서 차지하는 비중이 2016년 46%인 74억달러로 가장 높고 2021년에는 56%로 208억달러에 이르며 연평균성장률 23%의 빠른 성장이 전망된다.

ADAS의 다양한 기능. 사진제공=온세미컨덕터
<ADAS의 다양한 기능. 사진제공=온세미컨덕터>

◇다기능에 정확한 상황정보까지, 진화를 거듭하는 카메라

카메라는 ADAS 및 자율주행 시스템에서 필수다. 주행 시 차선, 교통표지판, 신호등, 보행자 등 정확한 형상 정보 파악이 매우 중요하다. 카메라가 주가 되는 ADAS 기능으로는 LDWS, LKAS가 대표적이다. AEB는 기존 카메라와 레이더가 조합됐으나 최근에는 카메라 단독 혹은 레이더 단독으로도 구현되고 있다.

상용화된 ADAS 시스템은 대개 카메라 단독이거나 레이더와 스테레오 카메라 조합으로 장착되고 있다. 물체는 100m, 보행자는 40m 정도까지 감지하고 전방 100m, 서라운드 뷰, 후방까지 카메라가 커버할 수 있다. 1메가급 100만 화소를 사용하고 있는 데 2메가급도 개발되고 있다. 주간용과 야간용, 단안과 스테레오 타입으로 나뉜다.

카메라는 단안에서 스테레오로 발전하고 있다. 스테레오 카메라는 두 개 렌즈를 사용해 렌즈 간 시각차를 이용, 물체를 3차원으로 인지해 정확하게 거리를 측정한다. 하지만 스테레오 카메라는 측정 길이와 정확도를 높이기 위해 두 렌즈 간 일정 이상 거리가 필요해 소형화가 어렵고 단안카메라에 비해 가격이 비싸다. 그러나 최근 영상처리 SW 기술로 정확한 측정이 가능해 고가 레이더를 대체하기도 한다. 한 개의 카메라가 다양한 기능을 동시에 수행하는 기술도 개발되고 있다. 한 카메라에서 5~7개 기능을 동시에 수행하면 빠른 신호처리속도가 필요하다. 이에 부품업체들은 연산처리 속도가 높은 ECU 적용 및 고효율 SW를 개발하고 있다.

카메라 센서 칩과 시스템 기술이 보편화되고 있어 센서모듈 기술이 중요해졌다. 칩은 옴니비전(Omnivision)과 앱티나(Aptina)가 시장을 과점하고 있지만 향후 IT 반도체 업체도 이 시장에 뛰어들 전망이다. 시스템은 대형 부품업체가 기술을 보유하고 있다. 센서모듈은 모빌아이(Mobileye)가 약 80% 시장을 점유하고 있다. 모빌아이는 센서모듈 핵심기술인 영상처리 SW에 특화된 기술을 보유하고 있다. 국내에서는 넥스트칩이 ADAS SoC인 APACHE4(아파치)를 개발하고 있다. 영상기반 ADAS 시스템에 적용 가능한 통합칩으로 보행자검출, 차량검출, 차선검출, 이동물체감지가 가능하다.

칩과 시스템 업체도 자체적으로 영상처리 SW를 개발하고 있다. 칩 업체 앱티나는 소니와 영상처리기술 특허 크로스 라이선스를 맺었으며 프리스케일도 중국 뉴소프트(Neusoft)와 SW 공동개발에 합의했다. 시스템 업체 콘티넨탈은 카메라용 SW 개발업체 ASL Vision을 인수하고 TRW는 모빌아이와 카메라 센서를 공동개발하고 있다. 보쉬, 콘티넨탈은 스테레오 카메라를 독자 개발하고 있다.

사진제공 = 현대자동차
<사진제공 = 현대자동차>

◇경량화〃소형화로 더 똑똑해지는 전천후 레이더

레이더는 전파를 발사해 돌아오는 전파 소요 시간과 주파수 편이를 측정해 주변 사물과 거리 및 속도를 탐지하는 장치다. 카메라처럼 탐지 대상 형상 정보를 판별할 수는 없지만 전파를 이용해 야간이나 기상 환경이 나빠도 안정적으로 작동하고 양측이 모두 움직이는 상태에서도 거리를 측정할 수 있다.

레이더는 ADAS에서 SCC, AEB, BSD 등에 이용된다. 레이더는 측정 거리와 측정 각도를 동시에 늘리는 게 어려워 ADAS 기능에 따라 장거리 레이더와 중〃단거리 레이더로 나뉜다. 앞차와 간격을 자동으로 조절하는 SCC는 장거리 레이더, AEB와 BSD에는 중〃단거리 레이더가 사용된다.

레이더도 경량화〃소형화〃저가화가 진행되고 있다. 레이더 전파의 주파수 대역폭도 확대돼 탐지 대상의 거리와 윤곽 정보가 더 정확해졌다. BSD 단거리 레이더는 주로 24㎓ 대역폭이었는데 최근 77~79㎓ 대역폭으로 확대되고 있다.

실리콘 칩 소재의 통합형 레이더가 개발돼 비용도 절감되고 있다. 안테나, 송수신기 기술이 발전해 통합형 레이더는 한 개의 레이더로 단거리와 장거리 기능을 동시에 수행할 수 있다. 통합형 레이더는 차량 레이더 센서 수를 줄여 ADAS 원가를 낮출 수 있다.

레이더 센서는 소수의 칩 생산업체와 모듈〃시스템 업체가 독점하고 있다. 차량용 레이더 시장 규모가 작고 고주파가 요구되는 제품이라 개발 장비도 고가이기 때문이다. 고주파 칩은 인피니언, 프리스케일, 르네사스 등 소수 반도체 업체에서 공급하고 있다. 장거리 레이더용 저가형 소재 기반의 칩은 인피니언과 프리스케일에서 공급하고 있다. 레이더 모듈〃시스템 업체 콘티넨탈은 지멘스 VDO를 인수해 단거리 레이더 기술과 마그나의 레이더 엔지니어링 부문을 인수해 장거리 레이더 기술을 확보했다. 오토리브도 메이콤을 인수해 단거리 레이더 기술과 아스틱스를 인수해 장거리 레이더 기술을 획득했다. 이들 업체는 고속에서 저속까지 모든 주행 속도에서 차간거리를 유지할 수 있는 시스템을 개발하고 있다. 또 단거리 레이더 감지거리를 늘려 고가인 장거리 레이더와 유사한 성능을 낼 수 있는 보급형 제품을 개발했다.

사진제공=보쉬코리아
<사진제공=보쉬코리아>
사진제공=현대자동차
<사진제공=현대자동차>

◇범위 제한해 가격 낮춘 3D 라이더, 올해 비상한다

라이더 원리는 레이더와 같지만 발사하고 수신하는 대상이 전파가 아니라 고출력 펄스 레이저를 이용해 거리정보를 얻는다. 차량 라이더는 주로 905㎚ 파장의 레이저 빔을 사용하는데, 퍼지지 않고 나아가는 직진성이 강해 레이더 대비 정밀한 위치 정보를 얻는다. 라이더 기술은 레이저를 조사하는 능동형과 레이저를 조사하지 않는 수동형으로 나뉜다. ADAS 라이더는 주〃야간 사용이 가능하고 100m 이상 범위의 주변 상황을 고해상도 3차원 공간정보로 검출 가능해야 한다.

라이더는 평면적 정보를 얻는 2D 스캔 라이더와 공간적 정보를 얻는 3D 스캔 라이더가 있는 데 3D 스캔 라이더 정보가 더 정밀하고 가격도 높다. 3D 스캔 라이더는 다수의 레이저 광원을 모터로 회전시켜 360도 범위를 자세히 탐지하는 방식이다.

기업들은 360도 회전 스캐닝 방식보다 제한된 수평시야각 고정형 방식을 선호하고 있다. 탐지 범위를 전후방으로 제한하면 광원수가 감소하고 내부 구조도 단순해져 가격을 낮추고 크기를 줄일 수 있기 때문이다. 향후 이 라이더는 레이더를 대체할 수 있을 것으로 예상된다. 저가형 3D 스캔 라이더 양산이 본격화되는 올해 라이더 시장 성장도 가파를 전망이다.

부품업체는 라이더 센서 스펙을 낮춰 저가화〃소형화에 집중하고 있다. 구글도 2014년 직접 자율주행 자동차를 만들면서 라이더를 소형화했다. 포드가 2016년 시연한 야간주행이 가능한 자율주행차도 벨로다인의 32채널 라이더를 장착했다. 쿼너지 시스템즈는 솔리드 스테이트 스캔 방식의 8채널 회전형 라이더를 선보였다.

포드차에 장착된 벨로다인 라이더. 사진=벨로다인 홈페이지
<포드차에 장착된 벨로다인 라이더. 사진=벨로다인 홈페이지>

◇국산 ADAS 센서 기술 확보 시급

현재 센서 요소부품인 칩과 모듈은 미국, 일본, 유럽업체가 시장을 장악하고 있다. 향후 자율주행차 시대를 대비하려면 정부와 자동차 업계가 힘을 모아 국내 센서 칩과 모듈 산업을 육성해야 한다. 요소부품은 오랜 개발기간이 필요해 투자가 늦어질수록 기술 확보가 어려워진다. 업계 관계자들은 “민관 협력을 통해 국내 반도체 및 센서업체들이 ADAS용 센서개발에 참여하고 향후 자율자동차 산업의 차별화 요소가 되는 SW 개발도 적극 나서야 한다”고 강조했다.

이향선기자 hyangseon.lee@etnews.com

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