전기차 위한 차량용 션트저항 전류센서 개발
자율주행에 필요한 라이다 및 레이더 센서 기술 초점
 
핵심 센서소자 개발 어디까지 왔나. 이번 주는 지난주에 이어 차량용 센서 중심으로 개발현황을 소개한다. 정부는 10대 핵심 센서 소자를 개발 및 국산화를 위해 올해부터 2020년까지 총 1,508억 원(국비 1,148억 원)을 투자하기로 했다. 
 
이들 센서의 개발 현황 및 개발 목표를 살펴봄으로써 국내 센서 산업의 경쟁력을 가늠해 보았다. 지난 주에는 센서산업 고도화 기술개발에 선정된 기술 중 ▲9축 스마트 모션센서 ▲대사량 측정 시스템 ▲초소형 유해가스 센서 ▲광센서 등을 소개했다. 
 
이에 지난주 스마트 모션센서, 대사량 측정 센서, 유해가스 센서, 광센서 개발 현황에 이어 ▲차량용 션트저항 전류센서 ▲자율주행 자동차용 라이다 센서 ▲차량용 79GHz 레이더 센서 기술을 소개한다. 
 
지능형 전류센서, 차량용 션트 저항 개발 박차
 
먼저, 차량용 션트 저항 전류센서 모듈 개발은 민영산업과 자동차부품연구원이 참여하였고, 태성전장이 주관한다. 익히 알고 있듯 자동차 센서는 기계식 센서(1세대), 반도체 센서(2세대)를 거쳐 지능형 센서(3세대)로 진화하고 있다. 자동차의 편리성 증대, 환경문제로 인한 연비제어의 필요성, 안전성 등의 요구가 늘어나면서 기계식 센서의 제어방식이 한계에 도달했기 때문이다. 지능형 센서는 시스템 진단, 엔진 제어, 차량 안전, 시스템 모니터링이 가능하다. 
 
현재 자동차의 주전원과 사용전류는 내연기관 차량의 경우 12V 50~100A, 300A인데 반해, 하이브리드 차량은 48V/12V, 200~350A이며 전기자동차로 가면 최대 450V, 500A까지 요구된다. 이 같은 전원체계에 대응하기 위해 기존의 홀방식 전류센서에서 다채널 전류센서, 지능형 전류센서(션트저항)로 발전하고 있다. 다기능을 보유한 스마트 전류센서 개발이 필요해진 배경이다. 
 
자동차에 적용하는 션트저항은 전류를 측정하기 위해 회로 중간에 저항체를 삽입하고 저항 양단에서 발생하는 전압차를 이용하여 전류 값을 측정하는 부품이다. 전체 전류 센서 시장(약 5400억원) 중 배터리 모니터링 분야 전류센서가 전체의 75% 이상을 차지하고 있다. 
 
션트저항은 현재 총 13개 전장부품 분야에 적용되고 있으며 배터리 모니터링 분야에는 지능형 제어형 전류센서에 적용하고 있다. 주요 적용 분야는 스티어링 시스템(EPS, MDPS 시스템), 12V AMS, ISG 시스템 등이다. 12V AMS, ISG 시스템 생산은 국내에선 현대 모비스가, 해외에서는 보쉬, 헬라 등이 있으며 최근엔 컨티넨탈도 확대하고 있다. 이들 기업이 쓰는 션트저항은 이사벨렌휴테가 공급하고 있다. 24V 시스템에서의 전류센서는 현대 자동차가 개발하고 있다. 
 
이번 사업의 목표에 대해 태성전장의 박종민 부장은 “차량용 션트저항 모듈 차량 적용기술과 고저전압 전류센서 모듈 개발이 목표”라며, “우선 션트 저항 국산화 기술을 확보하고 이후에 상용화 기술을 확대할 계획”이라고 말했다. 여기에는 12V 저전압용 전류센서 모듈 개발, 전기자동차 고전압용 전류센서 모듈 개발, 12V 상용화 전류센서 모듈, 24V 상용화 전류센서 모듈 기술 개발 등이 포함된다. 
 
상용화 스캐닝 라이다 개발 통한 이동기기 분야 센서 국산화
 
자율주행차 상용화를 위한 핵심 센서 개발에는, 라이다 센서 개발과 레이더센서 RFIC 개발 2건이 진행된다.  우선 자율주행 자동차용 8채널 15f/s급 스캐닝 라이다 센서 개발은 정상라이다, 전자부품연구원, 경북아이티융합산업기술원, 영남대학교 등이 연구기관으로 참여했다. 
 
자율주행 자동차는 도로 표면과 전방 실시간 3차원 영상 정보를 요구하기 때문에 고속 스캐닝 라이다(LIDAR) 센서가 필요하다. 공간 좌표와 거리를 기반으로 한 3차원 정보를 감지하는 라이다 센서는 8채널 레이저 빔을 6.4도 각도로 방사하여 최대 200m 거리까지의 물체를 탐색하고 이미지화를 지원한다. 
 
이에 상용화 스캐닝 라이다 제품 개발을 통한 이동기기 분야의 센서를 국산화해야한다는 목소리가 커지고 있다. 이 기술이 상용화되면 로봇, 무인항공, 국방 등 다양한 산업 분야의 무인화 및 공간정보 탐색기술에 영향을 끼칠 전망이다. 하지만 라이다 센서는 미국과 독일 기업이 시장을 선점한 상황이며 국내에서는 1채널 2D 스캐너 기초연구 단계에 머물고 있다. 라이다 센서 다채널 확장에 따른 고속화 스캐닝 및 소형화 구조 개발이 필요한 이유다. 
 
이에 사업단은 3차원 공간 영상 정보 탐색용 레이저 센서를 개발할 목표를 세웠다. 8개의 레이저 빔을 적용하여 하위 4빔은 주행 차로의 형상 이미지 정보를 탐색하고 상위 4빔은 전방의 차량, 보행자, 이륜차의 물체 탐지 및 이미지화가 가능한 라이다 센서를 개발한다는 것이다. 이 8채널 미러 회전형 고속 스캐닝 라이다 기술은 최대 측정 거리가 200m이며 구동 범위는 수평 145도, 수직 6.4도이며 일체형 송수광학계로 개발된다. 
 
카네비컴의 윤재준 차장은 “1차 년도에 측정거리 100m 2D 스캐닝 라이다 핵심모듈을 개발하여 신뢰성을 확보할 계획”이라며 “2~3차 년도에는 이를 4~8채널로 확장하고 수요자 반영 모델을 개발하여 양산화를 추진하겠다”고 밝혔다. 
 
상용화된 77GHz 레이더보다는 79GHz 레이더에 목표
 
레이더 센서 개발은 두 과제로 진행된다. 하나는 ETRI와 KAIST 중심의 차량용 79GHZ 레이더센서 RFIC 및 어레이 안테나 기술 개발이고, 다른 하나의 과제는 KETI 중심의 차량용 79GHz 레이더 센서 RFIC 및 어레이 안테나 기술 개발이다. 
 
차량 레이더는 높은 사상자를 줄이는 차원에서 장착이 의무화되는 추세다. 레이더 장착여부에 따라 차량 안전도 등급이 적용되고 시장 규모도 확대되어 새로운 수요 증대가 기대된다. 또한 자율 행을 위한 핵심 센서기술로 360도 뷰 레이더 센서가 주목되고 있다. 레이더는 비나 안개의 영향을 덜 받고 밤과 낮, 센서 오염도 영향을 적으며 탐지거리를 늘릴 수 있는 장점이 있다. 
 
과제는 현재 상용화된 77GHz 레이더보다는 79GHz 레이더에 목표를 두고 있다. 79GHz 레이더 다채널 송수신 단일 칩 CMOS RFIC와 79GHz 대역 소형 어레이 안테나를 개발할 계획이다. 또한 차량적용 신뢰성 향상기술 및 진단/보상회로와 RFIC+어레이 안테나 프런트엔드 모듈을 개발하고 모듈 성능 검증용 거리 속도 각도 탐지 신호처리 플랫폼과 레이돔을 적용한 기술도 상용화한다는 방침이다. 
 
이를 실현하기 위해서는 CMOS 레이더 칩, 어레이 안테나를 집적한 저가격/소형화 솔루션 개발이 핵심이다. ETRI의 김천수 실장은 “대량보급을 위한 저가격화를 위해서는 CMOS 기술이 절대적으로 유리하다”며, “CMOS 레이더는 선진기관과 동시 연구 개발로 원천기술 확보가 가능하다”고 말했다.  
 
차량용 레이더 시장은 연간 23%의 성장률을 보이며 2020년 4200만대, 180억 달러의 시장 규모를 차지할 것으로 전망된다. 현재 ETRI는 77GHz 레이더 칩 및 시스템 기술을 보유하고 있으며 광운대학교는 W대역 4채널 I/Q 수신기 IP를 확보하고 있다. KAIST는 울트라 로우 파워 26Ghz UWB 레이더 칩과 24GHz FMCW 레이더 칩을 개발했으며 구미전자정보기술원은 칩안테나 및 RFIC 기술을 보유하고 있다. 특히 모비스는 전방 및 후방 레이더 설계 및 평가 관련 전문 인력(레이더 관련 설계 및 평가 인력 50여명)을 보유하고 있으며 후방 레이더용 흡수재 자체 개발 및 양산을 적용하고 있다. 
 
차량용 레이더 개발의 또 다른 축인 차량용 79GHz 레이더 센서 RFIC 및 어레이 안테나 기술도 진행된다. 전자부품연구원(KETI)을 총괄 주관기관으로 디지털엣지, 충남대학교, 숭실대학교가 참여하는 이 사업 또한 79GHz 레이더 개발에 있다. 사업단은 제품 개발 공정을 CMOS를 고민하다가 BiCMOS 공정으로 결정했다. BiCMOS 공정이 CMOS 공정보다 가격 측면에서 유리하고 노이즈나 안정성 면에서 우수하다고 판단했기 때문이다. 현재 인피니언, 프리스케일반도체 등에서 77Ghz SiGe 공정으로 양산에 성공한 상태이다. 
 
KETI의 안광호 책임은 “사업 1차 년도에 MPW를 개발하고 2차 년도에는 RFIC 팹리스가 참여해 PCB&모듈 업체가 참여한 가운데 트랜시버를, 3차 년도에는 차량용 신뢰성을 검증하여 레이더 모듈을 개발할 것”이라며 “이렇게 되면 4차 년도에 최종 개발품으로 76~81GHz DBF 레이더 모듈과 레이더 모듈에 적용되는 안테나 & 레이더칩, DSP 신호처리 기술이 나올 것”이라고 말했다.