[특집] 작고 저렴해지는 ADAS용 라이다 센서

이제는 센서 인터넷 시대 ②
  • 2016년 11월호
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr

미래의 IoT, 스마트 기기 등에 필요한 스마트센서와 함께 자율주행 자동차용 센서 역시 센서 시장을 견인하고 있다. 특히 ADAS의 중요성이 날로 부각되고 있는 추세로, 향후 자율주행 자동차용 ADAS에서 레이더와 라이다 센서가 중요한 역할을 담당할 것으로 전망된다.

스마트센서와 함께 센서 시장의 관심사는 차량용 ADAS 센서다. 첨단 운전자 지원 시스템(Advanced Driver Assistance System), 즉 ADAS는 차량용 센서와 카메라에서 감지한 외부환경 정보를 바탕으로 운전자로 하여금 적절한 조치를 취하거나 자율적으로 차량을 제어해 더욱 안전한 운전환경을 구축하는 시스템을 말한다.

완전한 자율주행 자동차 구현 단계인 운전자 지원(1단계), 부분 자동화(2단계), 조건부 자동화(3단계), 완전 자동화(4단계) 중 2단계에 해당하는 ADAS의 동작 과정은 인간의 행동과 유사하게 인식, 판단, 제어의 과정을 거친다. 이 동작 과정 중 인식 부분에 반드시 필요한 기술이 바로 센서다. 인식 기술은 주변을 인지하기 위해 카메라, 레이더(radar), 라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging), 초음파 센서, GPS, 가속도계, 자이로스코프 등을 사용하게 된다. 최근에는 이종 센서 간의 데이터를 종합해 장애물의 위치 정보를 정확하게 인식하기 위한 센서 융합 기술이 개발되는 추세다.

ADAS는 자율주행 자동차의 개발이 진척을 보임에 따라 지속적인 성장세를 보이고 있다. ABI 리서치는 ADAS 시장이 2016년 110억 달러에서 2026년 1,320억 달러로 연평균 약 29%라는 고성장률을 보일 것이라고 전망했다. 

ABI 리서치의 제임스 호지슨은 “보행자, 동물, 자전거 탐지 등을 포함한 약자 탐지 시스템(vulnerable user detection system)의 출하는 연평균 49%씩 성장하며 향후 10년간 매우 큰 성장세를 보일 것”이라며 “ADAS의 성장세는 주로 더욱 많은 운전 시나리오 안에서 효과적인 강력한 자동 긴급 제동 시스템을 개발하려는 OEM에 의해 이뤄질 것”이라고 말했다.

ADAS용 레이더, 77 GHz까지 탐지 가능 

시장조사기관 IHS에 따르면, 자율주행 자동차는 2035년 1,180만 대로 증가하며 2050년에는 대부분의 자동차가 자율주행 자동차로 대체될 전망이다. 특히 2030년부터는 대부분 자동차에서 리어뷰 미러, 클랙슨, 사이드 브레이크가 사라지고, 2035년부터는 핸들, 엑셀 및 브레이크 페달도 없어질지 모른다. 특히 레이더 기반의 ADAS는 2021년까지 5,000만 개 수준으로 향후 수년간 점유율이 급격히 늘어날 것으로 전망된다.

ADAS의 인식 기술에 필요한 센서중 초음파 센서는 가장 일반화된 것으로 5 m 내외의 거리에 있는 장애물을 식별하거나 주차 보조용으로, 카메라는 차선과 차량 인식에 활용되고 있다. 각 센서가 나름의 역할을 하며 자율주행 자동차의 구현에 있어 필요한 역할을 수행하고 있지만, 그 중에서도 가장 중요하다고 판단되는 센서는 레이더와 라이다다. 

레이더는 자동차 주변 환경을 정확하게 파악할 수 있는 수단을 제공해 운전자의 부담을 덜어줘 ADAS의 핵심 기술에 속하며, 대상과의 거리 및 상대 속도파악 등에 유용하다. 라이다의 경우 레이더나 카메라 등을 통해 감지한 사물을 3D 영상으로 구현하는 기술이다.

레이더 기술의 발전은 단거리에서 중장거리까지 인식이 가능한 방향으로 발전하고 있다. 최근 24 GHz 근거리 레이더에 이어 77 GHz 거리까지 감지할 수 있는 중장거리 레이더 기반 기술이 공개되기도 했다. 헬라(HELLA)는 NXP반도체가 출시한 77 GHz 레이더 단일칩 송수신기인 RFCMOS 레이더 시스템을 기반으로 컴팩트레이더 센서(CompactRadar sensor)를 개발했는데, 제스처 인식은 물론, 자동차 외부 주위 환경을 360도 감지할 수 있다. 



라이다 vs 오토파일럿

카메라 위주의 감지 시스템이 정밀도가 떨어지는 반면, 라이다 센서는 가격이 비싸다는 단점이 있으나 정밀한 측정이 가능하고 간섭이 덜하다는 점에서 향후 ADAS의 발전에 크게 기여할 것으로 전망된다.

라이다는 건설, 국방 등의 분야에서 활용되던 기술인데, 이를 자동차용으로 응용해 자동차와의 충돌을 피하거나 충격을 최소화할 수 있도록 차간 거리를 실시간으로 측정해 경고나 자동 제어를 가능하게 한다. 라이다 센서의 가장 큰 특징은 마이크로웨이브에 비해 측정 가능 거리와 공간 분해능이 매우 높다는 점이다. 또한 실시간 관측으로 2차원, 3차원 공간 분포 측정이 가능하다.

라이다는 1930년대 공기 밀도 분석을 위해 처음 개발이 시도됐다. 이후 레이저가 발명된 1960년대 본격적으로 개발이 진행되면서 위성이나 항공기 등에 적용됐고, 1970년대에는 항공지도 제작 등에도 활용됐다. 이후 1990년대를 기점으로 레이저를 이용한 다양한 응용분야에서 상용 제품들이 나오기 시작하면서 위성, 항공, 지구환경 측정, 우주선, 탐사로봇, 자율주행, 무인자동차 등 다양한 분야에서 상용화됐거나 상용화를 위한 기술 개발이 진행 중에 있다.

이 중 항공, 위성 및 우주 산업에 적용되는 경우에는 특수 목적에 맞게 소량으로 개발되기 때문에 제품 단가보다는 개발비의 비중이 높아 산업 측면에서의 수요는 많지 않은 편이다. 자율주행 자동차 관련한 라이다의 경우에는 아직까지 상용화된 제품이 많지 않고 단가 역시 높아 상용화를 위해서는 대량생산이 가능하고 저가격화와 소형화가 필요한 시점이다. 

라이다 센서 기술의 채택 여부는 자율주행 자동차를 개발하고 있는 기업마다 다르다. 더 정확히 말하자면 현재까지는 테슬라와 다른 완성차 업체의 구도로 흘러가고 있다. 테슬라는 라이다 센서 대신 오토파일럿(Autopilot) 기술을 지향하고 있다. 이에 대해 테슬라의 CEO인 엘론 머스크(Elon Musk)는 “비싼 센서를 사용한 자율주행 자동차를 개발하는 것은 과하며, 자동차를 완전히 자율주행화 할 필요도 없다”고 말한 바 있다.

테슬라는 고속도로에서 실시간 교통상황에 대응하기 위해 12개의 360도 장거리 초음파 센서와 전방 인지 레이더 시스템을 장착했다. 그리고 백미러에 부착된 전망 카메라를 통해 거리 측정과 신호 인식, 보행자 감지 기능을 수행하도록 했다. 

반면 구글은 라이다 기술을 채택, 4단계 수준의 자율주행 기술을 지향하고 있다. 벨로다인(Velodyne) 등 소수의 기업이 지닌 독점적 기술인 라이다가 워낙 고가여서 구글은 2015년부터 라이다를 자체 개발 중이다. 현재 벨로다인의 라이다 센서는 바이두, 구글, 포드, 닛산, 볼보 등의 테스트용 자율주행 자동차에 장착되어 있으며, 프랑스의 나브야 아마(Navya Arma) 역시 벨로다인 제품을 채택했다.

라이다, 소형화 & 저가격화가 관건 완성차 업체들이 테스트용 자율주행 자동차에 벨로다인 제품을 채택한 것은 개당 8,000달러(약 913만 원, 원래 가격은 개당 8만 달러(약 9,137만 원)로 최근 가격을 낮췄다)에 달하는 센서를 대체할 경쟁 제품이 없어서였다. 하지만 최근 미국 실리콘밸리에 위치한 쿼너지 시스템즈(Quanergy Systems)가 벨로다인 제품의 3분의 1 수준인 중저가 라이다 제품을 선보였다. 

성능 면에서는 구글의 자율주행 자동차에 적용된 라이다(벨로다인)가 가장 뛰어난 것으로 평가받고 있지만, 쿼너지 시스템즈의 마크 8(Mark Ⅷ)은 중저가용 라이다 상용 제품 중 가격 대비성능 면에서 가장 우수하다고 할 수 있다. 벨로다인의 HDL- 64E가 3D 레이저 스캐닝 기반으로 다수의 레이저 및 수신소자를 이용해 일정한 수직 또는 수평 시야각에 대해 동시 측정이 가능하도록 회전 스캐닝 방식으로 구성되어 있다면, 쿼너지 시스템즈의 마크 8은 8개의 레이저 및 수신 소자를 이용한 360도 회전 스캐닝 기반으로, 3D 영상 수집이 가능한 구조로 개발됐다.

쿼너지 시스템즈뿐만 아니라 노비즈 테크놀로지(Innoviz Technologies), 에어로스타(Aerostar), 레다테크(LeddarTech), 팬텀 인텔리전스(Phantom Intelligence), 트리루미나(TriLumina), 이베오 오토모티브 시스템즈(Ibeo Automotive Systems) 등도 라이다 센서 시장에 뛰어들어 벨로다인을 추격하고 있다. 

경쟁이 가시화됨에 따라 라이다 이슈는 어떻게 하면 자율주행 자동차에 맞는 성능을 구현하면서 더 저렴하게 제작할 수 있느냐에 집중되고 있다. 이와 관련해 지난 CES 2016에서 벨로다인과 쿼너지 시스템즈 등은 소형화와 단가를 낮춘 제품을 선보였다. 벨로다인은 ‘Solid- State Hybrid Ultra PUCK Auto’을 선보이면서 센서 및 프로세서를 원칩화해 저가격화, 소형화에 초점을 맞췄다. 또한 기존 16채널인 PUCK과 사양은 거의 같으면서도 최대 동작거리를 100 m에서 200 m로 증가시켰다.

쿼너지 시스템즈는 CES 2016에서 자율주행 자동차를 위한 마크 8과 솔리드스테이트 라이다(solid- state LiDAR)를 선보였다. 쿼너지 시스템즈는 벨로다인과 마찬가지로 센서와 프로세서를 칩으로 집적화했으며, 무회전 방식을 채택해 저가격화, 소형화에 초점을 맞췄다. 특히 솔리드 스테이트형 라이다를 개당 250달러까지 낮춰 공급하겠다는 계획을 발표하면서 앞으로 자율주행 자동차용 라이다 시장에서 가격경쟁은 더욱 치열해질 것으로 전망된다.

이처럼 라이다 센서 기술은 소형화, 저가격화에 집중되어 있는 양상이다. 또한 기존 고가의 모터 회전 방식 대신 일정한 시야각만 확보하는 무회전 라이다 제품도 공개되고 있는데, 이 역시 높은 사양을 추구하기 보다는 일정 사양을 준수하면서 구조를 단순화해 가격 경쟁력을 확보하고 최대한 작게 만들어 대량생산이 가능하도록 라이다 개발에 중점을 두고 있음을 알 수 있다.

완전한 자율주행 자동차를 실현하기에는 아직 갈 길이 멀다. 이는 센서 분야도 마찬가지다. 특히 라이다의 경우 날씨와 같은 외부 환경 요인이나 대량의 데이터처리, 다양한 노이즈와의 간섭 문제 등이 해결과제다. 따라서 향후 라이다 시장은 문제를 해결함과 동시에 자율주행 자동차에 필요한 일정한 성능을 담보하면서 누가 더 작고 싸게 만드느냐에 달렸다. 

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