미래의 스마트 자동차는 환경성, 안정성, 편리성 면에서 획기적으로 변화될 것이며, 전자 및 IT 기술, ITS 구축 등이 조화를 이루며 사회 구조를 변화시켜 삶의 질을 높일 것으로 점쳐지고 있다. 이 모든 변화의 첫 번째 관문은 센서 기술 확보인데, 이는 자동차 산업에서 새로운 전장 시스템을 창출하고 기존 시스템 경쟁력을 높이기 위해 선행돼야 할 조건이다.
스마트 자동차는 최신 전자·제어, 정보통신, 센서 기술을 자동차에 적용해 운전자에게 고도의 안전과 편의를 제공하는 자동차를 의미하며, 자동차가 통신망에 연결돼 운전자와 차량에 각종 정보를 제공하는 커넥티드카(Connected Car) 개념과 자동차 구동계를 제어해 운행하는 자율주행자동차(Autonomous Car) 개념으로 구분할 수 있다. 차량 내부 작동 상태와 차체의 움직임 및 주변 환경 정보를 수집하는 센서, 차량 자체의 내부 통신 시스템, 전자 제어 시스템, 차량 외부 통신 시스템, 통신 기반 시설 인프라가 주요 구성 요소이다(그림 1).
그림 1. 스마트 자동차 및 주요 구성 요소
스마트 자동차를 구현하는 기술은 목적에 따라 차량 안전 기술(운용 및 모니터링 시스템 포함)과 운전자의 편의를 위해 서비스를 제공하는 차량 편의 기술로 나눌 수 있다.
그림 2. 스마트 자동차용 주요 센서 및 배치도
전 세계 스마트 자동차 시장은 소비자 수요가 계속해서 증가함에 따라 급속히 확대되고 있으며, 시장조사기관인 스트래티지 애널리틱스(Strategy Analytics)는 2010년 394억 달러에서 2019년 783억 달러로 성장할 것으로 전망했다. 국내 스마트 자동차 시장도 21억 달러에서 37억 달러로 급격하게 성장할 것이라고 예상했다(그림 3).
그림 3. 세계 및 국내 스마트 자동차 시장 현황 및 전망 [출처 : Strategy Analytics(2012)]
안전성, 편의성을 지향하는 스마트 자동차 기술
스마트 자동차 기술은 크게 안전과 편의 측면으로 나눌 수 있으며, 궁극적으로는 자율주행 기술로 발전해 나갈 것으로 전망된다.
•스마트 안전 측면 : 차량 결함, 충돌 등 위험 상황에서 운전자와 탑승자를 보호하여 교통사고를 예방하고 피해를 획기적으로 줄이는 기술
•스마트 편의 측면 : 자동차에 흥미를 부여하고 운전자 편의를 극대화하여 자동차를 가정, 사무실에 이은 제3의 주거공간으로 활용하는 기술(스마트카 표준화 동향, KATS, 2013)
•자율주행 : 차량에 설치된 센서나 카메라 등으로 교통신호, 차선, 장애물 등에 대한 정보를 수집하고, 이를 차량에 내장된 컴퓨터로 수집해 주변 상황에 맞게 차량을 운행하는 기술
1. 자동차 안전 기술
자동차 안전 기술은 자동차와 도로, 기후, 장애물 등의 주변 상황을 인식하여 자동차를 능동적으로 제어함으로써 안전도를 높이는 기술을 말한다. V2X(Vehicle to Vehicle, Vehicle to Infrastructure, Vehicle to Nomadic 등) 통신 기술과의 융합으로 교통사고를 획기적으로 줄일 수 있을 것이라고 기대되고 있다(표 1).
표 1. 자동차 안전 기술
2. 자동차 편의 기술
자동차 편의 기술에는 HMI(Human Machine Interface) 시스템, 모니터링, 운전 지원 단말, 무선 통신 등의 기술이 있으며 일부 기능은 현재 상용화되고 있다. 기존의 도난, 사고 등과 관련된 안전 기능에서 모바일과의 연동, 네트워크 업그레이드를 통해 통합 서비스가 시작됐다. 운전 중에 사용해도 안전에 문제가 없도록 음성 컨트롤에 초점을 맞추고 있으며, 디스플레이 방식 역시 HUD(Head Up Display) 등 운전에 방해를 주지 않는 방법이 연구되고 있다. 세계이동통신사업자협회(GSMA)는 전 세계 커넥티드 카 시장 규모가 2018년 400억 유로로 성장할 것이라고 예상했다. 엔터테인먼트 같은 정보 서비스 분야는 245억 유로로 가장 큰 비중을 차지하며, 하드웨어 69억 유로, 텔레매틱스 45억 유로, 통신은 40억 유로에 이를 것으로 전망했다.
한편 스마트폰의 앞선 IT 기술을 차량용 인포테인먼트 기술에 접목하려는 움직임도 나타나고 있는데, 이 중 대표적인 기술이 미러링크(MirrorLink)이다. 미러링크 솔루션은 CCC(Car Connectivity Consortium)에서 발표된 국제 표준 스마트 자동차 인포테인먼트 시스템 연결 솔루션으로, 현재 1.2 버전까지 발표됐다. 이것은 스마트폰을 자동차의 IVI (In-Vehicle Infotainment) 장치와 연동해 동일한 사용자 경험을 제공하는 서비스이며, 전문 시장조사기관인 ABI 리서치(ABI Research)는, 2018년까지 전 세계적으로 스마트폰과 연동되는 IVI 장치가 3천 5백만 대까지 증가할 것으로 전망했다.
3. 자율주행 기술
자율주행 자동차는 크게 센서, 프로세서, 알고리즘, 액추에이터 등으로 구성된다. 자율주행은 센서를 통해 차량 주변 환경에 대한 데이터를 수집한 후, 이 데이터를 프로세서에서 미리 정의된 알고리즘을 통해 그 결과를 해석하여 주행에 관한 의사결정을 내린 후, 액추에이터를 통해 실행된다. 이러한 일련의 과정에서 가장 중요한 것은 센서를 통해 수집된 대량의 데이터를 바탕으로 조향, 속도, 정지에 관한 의사결정을 내리는 소프트웨어 알고리즘이다.
무인자동차 부문에서 가장 앞서 있다고 평가 받는 구글이 끊임없이 무인자동차의 운행을 통해 정보를 수집하는 것 역시 더욱 더 완벽한 알고리즘을 만들어 내기 위해서이다. 지금은 레이더, 초음파, 카메라 등을 활용한 센서 기반 안전 기술에서 V2X(Vehicle to X, 인프라 연계 교통정보 통합)로 발전해 나가고 있다.
자동차 기술 요구의 해법은 ‘전자화’
환경, 에너지, 안전문제 등이 나날이 엄격해지고 까다로워지는 자동차 산업에서 요구 조건들을 충족시키려면 어떻게 해야 할까. 정답은 바로 자동차의 ‘전자화’이다. 이것은 크게 세 가지 요인(Driving Force)으로 나눌 수 있다.
첫 번째는 환경오염 방지를 위한 자동차 배기가스 저감, 유한한 지구 자원의 효율적 사용을 위한 연료 경제성, 승객 보호를 위한 안전 등에 대해 범국가적 차원에서 법적 규제를 강화하고 있다는 것을 들 수 있다.
두 번째는 소비자들의 경제력 향상 및 고품질에 대한 니즈 등으로 인해 자동차의 품질, 신뢰성, 편의성, 안전성 등에 대한 소비자 선호도가 증가했다는 것을 들 수 있다.
세 번째는 관련 부품이 계속해서 고성능화, 저가화됨에 따라 기존에는 엄두도 내지 못했던 고품질 시스템에 대한 소비자의 접근성을 높여 소비를 부추기는 기술 발전 자체를 들 수 있다.
자동차의 전자화란, 기존의 기계 구조에 전자 제어 기술을 결합하고 환경 변화에 따라 최적의 시스템을 구현하는 것이다. 이를 통해 환경, 에너지 문제 해결에 보다 근접하며, 특히 전기전자 기술을 사용한 새로운 영역의 시스템을 개발해 차량에 장착시킴으로써 안전은 물론, 편의성과 감성 측면에서 자동차 기술을 더욱 더 발전시킬 수 있다.
그림 4. Engine Management System (Bosch Motronic system)
그림 4는 전자 제어 전장 시스템의 일종으로 EMS(Engine Management System)의 시스템 블록을 도식화한 것이다[보쉬의 EMS 중 하나인 모트로닉(Motronic) 시스템 사례]. 인간의 오감과 같은 센서들이 기계 구조에 붙어 주변 환경을 인식하고, 두뇌라고 할 수 있는 ECU(Electronic Control Unit)가 정해진 연산에 따라 최적의 해를 찾은 후, 이를 실제 손발과 같은 엑츄에이터에 의해 작동하게 함으로써 엔진 구동을 자동으로 통제하는 것이다. 이러한 전자 제어를 통해 기계적 움직임이 훨씬 정교하게 통제되며, 특히 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 최적의 동작점을 찾고 실행함으로써 자동차에 대한 각종 요구사항을 충족시킨다.
이러한 전자 제어의 확대와, 전자기술을 적용한 추가적인 시스템 개발은 엔진 제어뿐 아니라 각종 안전, 편의 장비로 기존 자동차 시스템에도 적용되고 있다. 일반적으로 이러한 전자 제어 전장 시스템은 ① EMS, ② TMS(Transmission Management System), ③ Body Control System, ④ Chassis Control System, ⑤ Entertainment System 등 5가지 영역으로 나뉘어 개발되고 있다. 이러한 전장 시스템은 개발 업체의 의도에 따라 각각 다른 명칭, 다른 분류 기준으로 관리될 수도 있다. 보쉬가 제시하는 차량용 전자 제어 전장 시스템(그림 4)은 동력 전달(Drivetrain) 영역, 안전(Safety) 영역, 편의(Comfort & Convenience) 영역, 통신(Communication) 영역 등의 4가지 영역으로 전자 제어 전장 시스템을 분류, 개발품을 나타내고 있다.
결국 환경 및 에너지 문제 등에 대한 대응, 높아지는 안전 및 편의 욕구에 대한 대응이 전자기술에 의해 구현되며, 자동차는 이제 달리는 전자제품이라고 불릴 정도로 전자화가 중요해졌다. 실제로 BMW7 시리즈 MY2003의 경우 지각 기능을 담당하는 센서와 스위치가 각각 68개, 247개 탑재돼 있다. 또한 두뇌 역할을 하는 컴퓨터 모듈만 무려 76개가 탑재돼 있으며, 손발 역할을 하는 모터가 145개에 이르는 등 소비자 입장에서 느끼는 것 보다 훨씬 많은 전자적 기능을 수행하는 부품이 차량에 탑재되고 있는 것으로 알려져 있다(자료 : 선우명호, Megatrend of Core technologies and Market for NGV). 그 외에도 전자적으로 스위치를 작동시키는 릴레이 43개, 퓨즈 46개 등 방대한 전자부품이 약 3.5마일의 와이어 하니스(Wire Harness)에 의해 연결돼 작동하고 있다.
산업의 중심으로 떠오르는 전장 부품 시장
이와 같이 자동차의 기계 구조를 보다 효율적으로 제어하기 위해, 혹은 새로운 안전, 감성 품질을 위해 새롭게 탑재되는 전자 제어 전장 시스템이 자동차 산업 발전을 위한 핵심 기술 중 하나로 떠오르고 있다. 당연히 이러한 기술을 배경으로 하는 전장 부품(반도체 및 센서)도 자동차 산업에서 급부상하는 시장이 되고 있다.
차량마다 차이가 있겠지만, 1980년대∼1990년대 고급 세단을 기준으로 했을 때 차량당 약 40∼50개가 장착됐던 센서는 2005년에 평균 100개를 넘어섰고, 2010년대에는 100개 중반까지 확대됐다. 센서의 수가 많아졌다는 것은 그만큼 기계적인 움직임을 전자적으로 제어하기 위한 외부 조건, 즉 작동 환경을 측정할 필요성이 높아졌다는 것을 의미한다. 보다 정밀하게 측정해 이를 통제함으로써 효율성, 편의성, 안전성 등을 높이는 것이다.
각 시장조사 기관들의 시장 규모 산정치를 기준으로 봤을 때, 차량용 반도체의 시장 규모는 2005년 120억 달러에서 10여 년 만에 약 두 배 가까이 성장할 것으로 예측되고 있다. 전자 제어 전장 시스템에서 사람의 두뇌와 같은 ECU 등이 큰 폭으로 증가할 것이라고 해석할 수 있다.
차량용 전자 제어 전장 시스템에서 사람의 수족과 같은 역할을 하는 액추에이터에 주로 장착되는 모터의 경우에도 1990년대 말∼2000년대 초에는 차량 평균 15개 내외가 장착됐지만, 2005년에는 20개까지 증가했으며, 최근에는 차량이 점점 더 전자화됨에 따라 고급차의 경우 평균 100개에 육박하는 것으로 보인다.
자동차 전장 시스템의 구성 및 센서 적용 분야
표 2. 자동차 전자화 시스템별 센서 적용 분야
자동차 전장시스템은 유기 생명체와 마찬가지로 기본적으로 유기 생명체의 감각기관에 해당하는 감지부(Sensor Part : 예를 들면 압력 센서, 가속도 센서, 각속도 센서, 유량 센서, 온도 센서 등), 두뇌에 해당하는 전자 제어부(ECU Part), 근육에 해당하는 구동부(Actuator Part : 예를 들면 엔진, 모터, 솔레노이드 등) 세 가지 요소로 구성돼 있다(그림 5).
그림 5. 자동차 전자화 시스템 구성도
이러한 전장 시스템이 설계 대로 기능을 수행하고 효과적으로 작동하려면, 자동차의 동작 및 각종 물리량에 대해 정확하고도 신뢰성 있는 정보를 제공할 수 있는 고성능, 저가 센서가 우선 개발돼야 한다. 전장 시스템용 센서의 경우, 일반적인 산업용 센서나 성능 위주의 계측, 항공, 군수 분야용 센서와 달리, 자동차라는 열악한 환경에서 작동해야 하고 내구성이 우수해야 하며 고성능이면서 가격도 저렴해야 하는 다양한 제약 조건을 충족시킬 수 있어야 하므로, 이러한 센서를 개발하는 것이 가장 큰 과제이다.
자동차 전장 시스템별 소요 센서 시장
스트래티지 애널리틱스에 따르면, 세계 자동차 전장 시스템은 자동차 산업 성장률보다 월등히 높은 연평균 6.9% 이상의 고성장을 이룰 것으로 전망되며, 시스템별 센서 비중은 파워 트레인 40.9%, 안전 32%, 섀시 17.2%, 보디 7.7% 순이고, 성장률 측면에서는 운전정보 분야 14.2%, 안전 분야 10.6%, 보디 8.1%, 보안 8.0% 순으로 고성장을 이룰 것으로 전망된다.
세계 자동차 전장시스템에서 센서별 시장 규모를 살펴보면(그림 6), 위치 센서 17.6%, 압력 센서 16.7%, 가스 센서 11.7%, 가속도 센서 8.5%, 속도 센서 8.1%, 온도 센서 3.2% 순으로 높은 비중을 차지하고 있다.
그림 6. 세계 자동차 센서별 시장 규모 추이
기타 센서의 비중이 32.5%로 크고, 성장률 측면에서도 기타 센서 11.6%, 압력 센서 6.5%, 가스 센서 5.8%, 위치 센서 4.9%로 급성장하고 있다는 것은, 전장 시스템에서 사용되는 센서가 다양해졌으며 수량도 급증하고 있다는 의미라고 할 수 있다.
조남규 박사, 전자부품연구원 융합센서연구센터
