자율주행차는 말 그대로 자동차가 스스로 교통 상황을 판단해서 운전자의 개입 없이 주행하는 차량을 말한다. 최근 글로벌 자동차 기업들은 자사의 자율주행 기술을 도입한 차량 출시에 혈안을 올리고 있다. 이 글에서는 자율주행차의 핵심 중 하나인 레이더 시스템에 대해 소개한다.
레이더 기술이 발전함에 따라, 운전은 수년 간 점점 더 안전해지고 있다. 지난 수십 년에 걸쳐 우리는 심각하거나 치명적인 상해를 초래하는 도로 교통사고 수치가 크게 줄어드는 것을 보아왔다. 이러한 추세는 브레이크 잠김 방지 장치(ABS 1978), 전방 에어백(1980), 측면 에어백(1996)이 도입되면서 시작되었다.
최근에는 안전 시스템과 관련해 더욱 향상된 기술이 속속 등장하고 있다. 이러한 향상된 시스템은 운전자에게 경고를 보내거나 보다 적극적으로 운전 과정에 개입함으로써 충돌을 피하거나 충돌의 영향을 최소화한다.
이러한 종류의 안전 시스템의 예로는 보행자 탐지, 차간거리 경고, 사각지대 지원 등이 있다. 이와 같은 많은 안전 시스템은 매우 높은 주파수 범위에서 전자파를 송수신하는 레이더 칩을 사용하는 레이더 기술을 이용하고 있다. 다른 대부분의 카메라 기반, 운전자 지원 기술에 비해 레이더 기술은 눈, 안개, 폭우, 눈부신 백라이트에 의해 초래되는 가시성이 나쁜 조건에서도 신뢰할 수 있게 동작한다.
레이더 시스템, 프리미엄 차량에서 소형차로 확산
자동차 제조업체 메르세데스 벤츠는 1998년 최초로 S 클래스 차종에 차간거리 감지 레이더 시스템을 설치했다. 그 당시 필요한 고주파수 부품을 제조하는 비용은 지극히 높았다. 뿐만 아니라 갈륨 비소(GaAs) 반도체에 필요한 재료는 고가인데다 공정도 까다로웠다. 그에 따라 초기에 레이더 기술은 프리미엄급 차량에 제한되었다.
그러나 그 당시에도 인피니언은 적극적 안전을 향상시키는 레이더 기술의 잠재성에 확신을 갖고 수년간 당시의 기술적 한계를 극복할 새로운 솔루션을 찾아 연구를 진행했다. 마침내 실리콘 게르마늄 기반(SiGe) 레이더 센서 칩의 제조와 새로운 eWLB(embedded Wafer-Level Ball Grid Array) 패키징 기술이라는 두 가지 혁신으로 한계를 돌파할 수 있었다.
이들 두 가지 혁신적인 제조 공정 덕분에 레이더 시스템은 모든 운전자가 저렴한 가격으로 이용할 수 있게 되었다. 이전에 프리미엄 차량의 소유자에게만 제공되었던 기술이 이제는 모든 클래스의 차량에 적극적 충돌 방지를 위해 채택되었다. 한편 비상 제동 보조 시스템이 소형차에도 종종 금속 방식보다 낮은 가격에 저렴한 옵션으로 제공되고 있다.
더 간단하고 비용효율적으로 진화 …
실리콘 게르마늄 사용 레이더 칩 제조
레이더는 밀리미터 파로 방출되는 고주파수의 전자기적 진동으로 동작한다. 77GHz 레이더 기술은 초당 770억 번의 진동을 처리한다. 이는 모바일 통신에 사용되는 가장 높은 주파수의 30배가 넘는다.
2009년까지는 GaAs 기반 반도체만 이러한 높은 주파수를 처리할 수 있었다. 그러나 실리콘 게르마늄(GaAs) 칩의 제조 공정은 실리콘 기반 칩 공정보다 훨씬 기술 성숙도가 낮아 더 많은 비용이 들었다. 또 통합 수준이 낮아 GaAs 칩 표면에 적은 기능만 탑재할 수 있다는 단점이 있었다.
2009년 수년의 연구개발을 통해 인피니언은 반도체 제조에 가장 많이 이용되는 실리콘 및 실리콘 게르마늄에 기반해 이러한 고주파수 범위를 위한 고집적 회로를 공급하는 회사가 되었다.
이에 따라 메모리, 로직, 마이크로프로세서 부품의 대량 생산에 사용되는 동일한 종류의 표준 생산 기법을 적용할 수 있게 되었다. 뿐만 아니라 인피니언 팀은 다양한 레이더 모듈 기능을, 이전에 8개의 GaAs 칩이 필요했었다면, 최대
2개의 SiGe 칩으로 압축할 수 있었다. 이러한 혁신적 도약은 대량 시장을 위한 가능성을 열어놓았다.
레이더 칩의 공정에 초소형 eWLB 패키징 적용
다음의 결정적 혁신은 모바일 통신 분야의 eWLB 모바일 패키징 기술을 자동차 레이더로 적용하려는 아이디어에서 나왔다. 처음, 업계 전문가들은 eWLB 기술이 자동차 부문의 높은 신뢰성 요구를 만족할 수 있을지 확신하지 못했다. 그러나 인피니언 팀은 낙관적 시각을 견지하고 당시 독일 연방 교육연구부(Federal Ministry of Education and Research)의 자금 지원을 받으며 이에 대한 연구를 지속했다. 마침내 자동차 시스템 공급업체와 고객사 보쉬(Bosch)와의 긴밀한 협력을 통해 솔루션을 찾아냈다. 그 결과, 이제 인피니언은 패키징되지 않은 “naked” 칩을 제공하는 대신 견고한 패키지에 담아 제공할 수 있게 됐다.
레이더 시스템 공급업체가 얻는 이점은 두 가지다. 첫째, 부품은 고주파수 범위 요구사항을 명백하게 만족할 수 있다. 둘째, 레이더 시스템의 시스템 공급업체는 레이더 칩의 추가적 공정을 위해 저렴한 표준 기술을 이용할 수 있다. 하지만, 무엇보다 이 모든 것이 전체 비용을 최소화하면서 성능을 극대화한다는 것이 가장 큰 장점이다.
인피니언 칩으로 구현하는 자동차 레이더 시스템
레이더 시스템에 사용되는 SiGe 및 eWLB 기술에 대한 추가적인 개발을 통해 인피니언은 미국과 아시아의 경쟁 업체들보다 약 2~3년 앞선 경쟁 우위를 확보할 수 있었다. 이들 기술에 대한 연구개발은 독일의 뮌헨, 레겐스부르크, 드레스덴과 오스트리아의 린츠에서 수행되었다.
레이더 시스템 자체는 독일에서 전량 생산된다. 칩 제조에서부터 패키지 프로세싱에 이르기까지 공정의 모든 단계는 레겐스부르크와 드레스덴에 있는 인피니언의 생산시설에서 이루어진다. 이들 시설은 자동차 안전 시스템에 요구되는 품질을 제공할 수 있으며, 혁신적 제조 공정 덕분에 비용을 최저 수준으로 유지할 수 있다. SiGe 및 eWLB 기술은 레이더 시스템을 프리미엄급에서 자동차 대량 시장으로 옮겨가게 만들었다.
현재 레이더 시스템은 전세계적으로 수요가 증가하고 있다. 77GHz 레이더 시스템 시장은 2009년 약 50만대에서 2015년에는 약 700만대로 껑충 뛰었다. 시장분석에 의하면 2020년에는 수요가 2000만대 시스템에 이를 것으로 전망되고 있다. 이는 전세계 신차의 약 20퍼센트가 레이더 기반 차간거리 경고 시스템을 탑재해 출시된다는 것을 의미한다.
레이더 시스템은 자동차를 더 안전하고 더 효율적으로 만든다. 운전자를 지원하는 시스템을 넘어, 다음 단계는 자율 운전 솔루션이 될 것이며, 여기에서도 레이더 시스템은 핵심적인 역할을 하게 될 것이다.
아우디의 A7은 2015년 1월 캘리포니아 샌프란시스코에서 네바다주 라스베이거스까지 운전자의 개입 없이 자율주행에 성공했다. 구글의 자율 운전 자동차는 이미 150대가 인피니언의 레이더 칩을 탑재하고 이미 도로에 투입되어 실제적인 경험을 수집하고 있다. (자료 : 인피니언테크놀로지)
정리 : 김진희 기자 (eled@hellot.net)
