이 글에서는 초음파 센서의 발전 과정을 살펴보고, 관련 애플리케이션을 소개한다. 또한, 자동차 및 자율 이동 로봇(AMR)과 같은 산업용 애플리케이션을 위한 차세대 센싱 시스템을 이끌 온세미(onsemi)의 혁신 기술을 조망하며, 초음파 기술의 미래를 전망한다. 



차량이 더욱 지능적이고 자율적으로 동작하려면 주변 환경을 감지할 수 있어야 한다. 다양한 감지 방식이 존재하지만, 그중 가장 오래된 방식은 초음파 센싱이다. 이 다목적 센서는 초기에는 주차 시 주변 물체를 감지하는 주차 보조 시스템에 사용되었으며, 이후 사각지대 감지, 차선 변경 지원, 내비게이션, 운전자 및 탑승자 모니터링 등 다양한 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 애플리케이션으로 발전해 왔다.

이 글에서는 초음파 센서의 발전 과정을 살펴보고, 관련 애플리케이션을 소개한다. 또한, 자동차 및 자율 이동 로봇(AMR)과 같은 산업용 애플리케이션을 위한 차세대 센싱 시스템을 이끌 온세미(onsemi)의 혁신 기술을 조망하며, 초음파 기술의 미래를 전망한다. 이와 같은 포괄적인 개요를 통해 독자들은 안전성과 자동화가 점점 더 중요해지는 환경 속에서 초음파 센서의 뛰어난 적응력과 다용성에 대해 한층 깊이 이해할 수 있을 것이다.

간략하게 보는 초음파 센서의 역사

초음파 기술은 약 100년 전, 물체를 감지하고 고체 재료의 결함을 찾아내기 위해 처음 개발되었으며, 1931년에 최초로 특허를 받았다. 이후 전자 기술의 발전과 함께 초음파 변환기는 침입자 경보 시스템에 널리 활용되기 시작했다.

자동차 분야에서 초음파 센서는 운전자의 시야에 들어오지 않는 장애물을 감지하는 주차 보조 시스템에 처음 도입되었다. 일반적으로는 후방 범퍼에 장착되었지만, 고급 차량에서는 전방 범퍼에도 초음파 센서가 적용되는 경우가 많았다.




온세미는 2007년, 최초의 초음파 주차 보조 센서를 출시한 이후 지속적으로 기술을 발전시켜 왔다. 20년 동안 6세대에 걸친 진화를 거쳐, 현재는 더 폭넓은 애플리케이션을 겨냥한 7세대 디바이스로 진화하고 있다. 이러한 발전의 핵심은 온세미 고유의 고전압 반도체 프로세스를 700nm에서 65nm로 미세화한 것에 있다. 이로 인해 신호 대 잡음비(SNR)가 향상되고 감지 거리도 증가하여 전반적인 성능이 크게 개선되었다.

이러한 기술적 진보를 바탕으로 초음파 센서는 더욱 다양한 용도로 활용될 수 있게 되었으며, 사각지대 감지와 같은 차량 외부 애플리케이션은 물론, 탑승자 감지 및 제스처 인식 등 새로운 차량 내부 애플리케이션에도 적용되고 있다.

초음파 센서의 수요는 빠르게 증가하고 있다. 온세미는 2009년 300만 개의 디바이스를 출하했으며, 이듬해인 2010년에는 출하량을 두 배로 늘려 600만 개를 기록했다. 이후 10년이 지난 2018년에는 연간 1억 개 이상을 출하하게 되었고, 2023년에는 그 수치가 다시 두 배로 증가해 연간 2억 개에 달했다. 지금까지 누적 출하량은 10억 개를 넘어섰다.

최신 자동차 애플리케이션에서의 초음파 센서 

대부분의 차량에는 운전자가 거울을 보거나 고개를 돌려도 확인할 수 없는 ‘사각지대’가 존재하며, 이는 차량의 후방과 측면에 위치한다. 운전자가 이 사각지대에 접근하는 차량을 인지하지 못한 채 차선을 변경하거나 추월을 시도할 때 문제가 발생할 수 있다. 초음파 센서를 적절한 위치에 배치하면 이 영역을 효과적으로 모니터링할 수 있으며, 운전자에게 시각적 또는 청각적 경고를 제공해 안전하지 않은 상황을 알리고 충돌을 예방할 수 있다.

최신 자동 주차 시스템(Automated Parking System, APS)은 초음파 센서를 자동 조향, 가속, 제동 기능과 결합해 차량을 주차 공간에 자동으로 주차시킨다. 운전자는 단지 주차 공간 근처에 차량을 정차하고 자동 주차 기능을 활성화하는 것만으로, 나머지 모든 과정을 시스템이 스스로 수행한다.

마찬가지로, 운전자가 주차 공간에서 후진할 때 시야 확보가 어려운 경우가 많다. 이때 차량을 천천히 움직이면, 초음파 센서를 활용한 교차 교통 감지 기능이 접근하는 차량을 감지하고 경고를 제공한다. 현재 많은 차량에는 이러한 경고를 무시할 경우 자동으로 브레이크를 작동시키는 기능이 탑재되어 있다.
 

최근 초음파 센서의 활용 범위가 차량 내부로까지 확대되고 있다. 유로 NCAP 등 법규 및 인증 프로그램에 따라 탑승자 감지가 의무화되면서, 초음파 센서는 탑승자를 감지하고 안전벨트 착용 경고를 작동시키며, 탑승자의 크기와 체중에 따라 에어백이 안전하게 전개되도록 지원한다. 또한, 영유아가 차량에 방치된 경우 경고를 제공할 수 있으며, 운전자의 호흡과 심박을 감지해 주의력 상태를 모니터링하는 데에도 활용된다.

차량의 인포테인먼트 시스템이 점점 정교해지면서 버튼을 위한 공간이 부족해지는 경우가 많고, 운전 중 적절한 버튼을 찾는 것은 자칫 위험할 수 있다. 그러나 초음파 기술을 활용하면 손을 돌려 볼륨을 조절하는 등 간단한 제스처만으로 다양한 차량 기능을 제어할 수 있어, 편의성과 안전성을 모두 높일 수 있다.

미래 트렌드와 혁신: 자동차부터 산업까지

초음파 기술은 자동차 분야에만 국한되지 않는다. 산업 현장에서는 창고의 무인 운반차(AGV)나 배송 및 운송 애플리케이션에 활용되는 자율 이동 로봇(AMR)에 단거리 깊이 감지 기능을 제공한다. 자동차 분야와 마찬가지로, 초음파 센서는 AMR과 AGV가 근거리의 물체를 감지하고 작업 환경을 효과적으로 탐색할 수 있도록 돕는다. 또한, 공장의 생산 라인에서는 공정 매개변수를 모니터링하고 제어하는 데에도 활용된다.

초음파 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 새로운 애플리케이션도 계속해서 등장하고 있다. 앞으로는 이러한 변화의 속도가 더욱 빨라질 것으로 예상된다. 예를 들어, 초음파 센서와 MEMS 마이크를 함께 배치하는 기술이 개발 중이다. MEMS 마이크는 초음파 신호뿐만 아니라 접근하는 차량의 소리 등 다양한 음향 신호를 감지할 수 있으며, 긴급 차량의 사이렌 소리를 구별해 운전자에게 적절한 조치를 취할 수 있도록 경고를 제공할 수도 있다.

먼지와 빗물은 초음파 센서뿐만 아니라 전방 카메라의 성능에도 영향을 줄 수 있다. 이를 해결하기 위해 센서 하우징에 압전 소자(piezoelectric device)를 통합하면, 센서를 진동시켜 빗물, 먼지, 심지어 얼음까지 제거할 수 있어 안전에 필수적인 센서가 정상적으로 작동하도록 도와준다. 다만, 향후 초음파 센서는 범퍼를 관통하지 않고 내부에 장착되는 방식으로 발전할 가능성이 높기 때문에, 이러한 기능이 필요하지 않은 경우도 있을 수 있다.

차량의 전기화가 확대됨에 따라 배터리 상태를 정확히 파악하는 것이 매우 중요해지고 있다. 현재는 배터리의 전압, 전류, 온도를 외부에서 측정해 상태를 진단하지만, 배터리 내부에 초음파 센서를 장착하면 충전 상태(State of Charge)와 건강 상태(State of Health)를 훨씬 더 정밀하게 평가할 수 있다.

결론

온세미는 지난 20년간 주요 자동차 OEM에 주차 보조 및 자율주행 애플리케이션용 맞춤형 초음파 센서 인터페이스를 공급해 온 시장 선도 기업이다. 온세미의 NCV75215는 외부 회로와 변환기만 연결하면 완성되는 단일 칩 솔루션을 제공한다. 고감도·저소음 특성을 갖춘 이 제품은 표준 75mm 폴 기준으로 0.15m에서 4.5m까지의 거리에서 물체를 감지할 수 있다. 또한, 설계자가 프로토타입을 제작하고 설계를 완벽하게 디버깅할 수 있도록 지원하는 초음파 주차 보조 평가 키트도 함께 제공된다.

초음파 센싱은 이미 검증된 기술로, 차량의 지능화, 안전성, 자동화가 가속화됨에 따라 자동차 분야에서 그 중요성이 더욱 부각되고 있다. 빠르게 진화하는 기술 혁신과 고도화된 ADAS 및 자율주행 시스템에 대한 지속적인 수요는 초음파 기술의 센서 성능 향상을 이끌고 있다. 이에 따라 자동차뿐만 아니라 산업, 의료, 소비자 분야에서도 새로운 활용 사례가 속속 등장하고 있다.