ADAS(지능형운전자보조시스템)의 핵심부품(센서) 개발 전략

[조던]

ADAS(지능형운전자보조시스템)의 핵심부품(센서) 개발 전략

강산들 연구원 / 한국자동차산업연구소


　최근 도요타, BMW 등 완성차업체는 물론 인터넷 업체인 구글까지 앞 다투어 자율주행자동차 상용화 계획을 발표하고 있다. 완성차업체는 자율주행차를 구현하기 위해 지능형 운전자보조시스템(ADAS) 개발에 주력하고 있다. ADAS 기술 개발을 위해서는 외부 환경을 인지하기 위한 센서의 역할이 중요하다. 이에 ADAS용 카메라, 레이더¹⁾, 라이다 등의 센서시장이 빠르게 성장하고 있다. 하지만 ADAS용 센서시장은 핵심기술을 보유한 해외 선진업체들이 독과점하고 있는 상황이다. 이번 보고서에서는 ADAS용 센서 시장, 기술 동향, 업체별 전략을 살펴보고 국내 부품업체들에게 대응 방향을 제시하고자 한다.

1. ADAS 시장 현황 및 전망

　지능형운전자보조시스템(ADAS) 시장이 빠르게 성장하고 있다. ADAS 시장규모는 지난해 6,700만개를 기록하였으며 향후 연평균 15.3% 성장하며 2020년에는 1억 8,100만개까지 증가할 것으로 예상된다.
　ADAS 시장이 이토록 급속하게 성장하는 이유는 크게 3가지이다. 첫째, 각국 정부에서 ADAS 장착을 의무화하거나, 신차안전도평가(NCAP²⁾)에 ADAS를 평가항목으로 추가하고 있기 때문이다. 2012년부터 미국과 일본은 상용차에 LDWS³⁾ 장착을 의무화하고 있다. 또한 유럽은 올해부터 LDWS, AEB⁴⁾ 등을 NCAP 평가항목에 추가하였다. 따라서 완성차업체가 안전규제를 만족하거나 NCAP에서 최고등급을 받기 위해서는 해당 시스템을 장착할 수 밖에 없다.
　둘째, 소비자의 ADAS에 대한 관심이 높아지고 있기 때문이다. 광고를 통해 소비자의 ADAS에 대한 인지도가 높아진 것도 있지만, 여성과 고령운전자가 늘어난 영향도 크다. 북미 소비자 조사⁵⁾에 따르면 전체 응답자의 69%가 ADAS에 관심을 가지고 있으며, 응답자의 50% 이상이 ADAS에 돈을 지불할 의사가 있는 것으로 나타났다.
　셋째, 완성차업체가 ADAS 기술을 발전시켜 자율주행차를 개발하고 있기 때문이다. 완성차업체는 기존의 ADAS를 조합하거나 개선함으로써 보다 다양한 도로상황에 대응할 수 있는 시스템을 개발하고 있다. 미래의 자동차는 고속도로, 일반도로, 주차장 등에서도 자율주행을 하게 될 것이며, 이를 구현하기 위해 ADAS의 장착 개수도 점차 늘어날 것으로 예상된다.

< 자율주행차 가이드라인 및 핵심 기술 >

　ADAS 기술 개발은 궁극적으로 자율주행차 상용화를 목표로 하고 있다. 따라서 ADAS는 미국 도로교통안전국(NHTSA)이 제시한 자율주행차 가이드라인에 맞춰 발전하고 있다. 과거에는 개별 시스템을 차량에 장착하는 수준(1단계)에 불과했지만, 현재는 2개 이상의 시스템을 동시에 장착할 수 있는 수준(2단계)까지 발전했다. 최근 완성차업체들은 현 단계를 넘어 고속도로, 주차장 등 특정 도로환경에서 자율주행할 수 있는 제한적 자율주행차(3단계)를 구현하기 위해 노력하고 있다.
　2단계에서 3단계로의 발전은 안전사고의 책임 주체가 운전자에서 안전시스템으로 변경된다는 점에서 큰 의미를 가진다. 이는 ADAS가 도로 위에서 발생 가능한 모든 상황에 대응할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 따라서 차량이 현재보다 더 정확하고 빠르게 주변 상황을 인지할 수 있도록 센서기술이 발전해야 한다.
　이를 위해 각 센서의 성능(탐지 가능영역, 정밀도, 신뢰도 등)이 개선되어야 하며, 센서의 속도도 실시간으로 데이터를 분석할 수 있는 수준으로 향상되어야 한다. 센서간 상호보완을 위해 센서를 융합하는 것도 필요하다. 더불어 인지 수준을 높이기 위한 소프트웨어(S/W) 기술 발전도 요구된다.

2. 센서시장과 기술 발전 방향

1) 시장

　과거에는 센서가 차량 내부의 작동 상태나 주행상황 등을 측정하는 목적으로 사용되었다. 그러나 ADAS 적용이 확대되면서 외부환경을 인지할 수 있는 센서가 빠르게 성장하고 있다. 특히 전방충돌방지, 차선이탈방지 등 ADAS의 주요 기능에서 활용도가 높은 카메라, 레이더, 라이다를 중심으로 수요가 증가할 전망이다.
　ADAS용 센서의 시장규모⁶⁾는 2013년 2억개에서 2020년 4억개까지 연평균 10.4%의 빠른 성장세를 보이며 성장할 것으로 예상된다. 이러한 성장률은 가속도센서, 자이로센서 등을 포함하는 일반 센서시장의 연평균 성장률 6.9%를 크게 상회하는 수준이다.
　센서별로 살펴보면 카메라가 시장에서 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 카메라 센서의 시장규모는 2013년 2,346만개에서 2020년 1억 400만개로 증가하여 ADAS용 센서시장의 69%를 차지할 것으로 예상된다. 카메라 센서가 이처럼 높은 비중을 차지하는 이유는 카메라만이 제공할 수 있는 물체 판독 기능 때문이다. 예를 들어 카메라는 레이더로는 불가능한 도로면에 그려진 차선이나 표지판 정보를 읽어낼 수 있다. 따라서 차선이탈방지(LDWS), 교통표지판인식(TSR⁷⁾) 등을 구현하기 위해서는 카메라 센서가 필수적이다. 또한 가격적인 측면에서도 레이더, 라이다에 비해 유리하기 때문에 완성차업체는 카메라 센서를 적용한 시스템을 선호하고 있다.
　레이더 시장은 2013년 1,003만개에서 2020년 4,420만개로 연평균 29% 성장하여 카메라 다음으로 높은 비중을 차지할 것으로 예상된다. 레이더는 카메라처럼 탐지 물체의 종류를 판독할 수는 없으나, 카메라보다 어두운 밤이나 악천후 상황에서도 사용이 가능하고 측정거리가 길다는 장점이 있다. 따라서 레이더는 ADAS 기술의 안정성 및 신뢰성 확보를 위해 카메라를 보완하는 역할을 하며 발전할 전망이다.
　라이다 센서는 레이저를 사용하여 측정각도가 넓고 주변을 3차원으로 인지할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 다른 센서에 비해 환경의 영향을 많이 받고 가격이 비싸 양산화가 어려운 단점이 있다. 하지만 일부 부품업체가 2016년을 목표로 양산화를 추진하는 등 시장이 조금씩 형성되어 가고 있어 2020년에는 시장규모가 350만개 수준까지 이를 전망이다.

< ADAS 주요 센서 시장 전망 >	< 각 센서별 성능 비교 >
출처: 출처: Strategy Analysis	출처: 출처: 콘티넨탈, 프로스트&설리번

2) 기술

　차량용 카메라는 단안에서 스테레오로 발전하고 있다. 스테레오 카메라는 하나의 렌즈를 사용하는 단안 카메라와 달리 두 개의 렌즈를 사용하는 방식으로 렌즈간 시각차를 이용하여 물체를 3차원으로 인지할 수 있다. 덕분에 기존에 단안 카메라만으로는 어려웠던 정확한 거리 측정이 가능하다. 하지만 스테레오 카메라는 측정 길이와 정확도를 높이기 위해 두 렌즈 간 일정 이상의 거리가 필요해 소형화가 어려우며, 단안카메라에 비해 상대적으로 가격이 비싼 단점이 있다. 그러나 최근 영상처리 S/W의 성능 개선으로 이러한 문제가 점차 해결되면서 고가의 레이더를 대체하는 역할도 하고 있다.
　또한 카메라로 구현되는 자율주행기술이 늘어나면서 한 개의 카메라가 다양한 기능을 동시에 수행할 수 있는 기술이 개발되고 있다. 기존에는 한 개의 카메라가 한 개의 기능을 수행하고 있었으나 최근 카메라는 5～7개의 기능을 동시에 수행할 수 있도록 개발되고 있다. 이처럼 여러 기능을 동시에 처리하기 위해서는 빠른 신호처리속도가 요구되므로, 부품업체들은 연산처리 속도가 높은 ECU 적용 및 효율적인 S/W를 개발하여 이를 해결해나가고 있다.
　레이더 생산업체는 비용절감을 위해 통합형 레이더와 실리콘 기반의 칩을 개발하고 있다. 기존에는 레이더의 측정거리와 각도를 동시에 늘리기 어려웠기 때문에, 단거리와 장거리용 레이더를 구분하여 개발하였다. 그러나 안테나, 송수신기 등의 기술이 발전하면서 최근 개발되는 통합형 레이더는 한 개의 레이더로 단거리와 장거리의 기능을 동시에 수행할 수 있다. 통합형 레이더를 적용하면 차량 한 대에 적용되는 레이더 센서의 수를 줄일 수 있으므로 ADAS의 원가를 낮출 수 있다.
　예컨대 기존에는 ‘차간거리유지’ 기능을 구현하기 위해 단거리 레이더 2개와 장거리 레이더 1개가 필요하였으나, 통합형 레이더를 사용하면 1개의 레이더로 필요한 정보를 모두 수집할 수 있게 된다.
　또한 반도체 생산업체는 레이더 칩의 소재를 실리콘으로 변경하여 비용절감을 추진하고 있다. 기존의 레이더 칩은 고성능 구현을 위해 갈륨비소(GaAs)라는 화합물을 이용하였다. 갈륨비소는 성능은 우수하지만 생산성이 낮고 전력 소모가 심하다는 단점이 있다. 따라서 최근에는 반도체 소재 중 가장 저렴하며 제조가 용이하고 생산성이 높은 실리콘을 기반으로 한 레이더 칩이 개발되고 있다. 실리콘 기반의 레이더 칩이 상용화될 경우 레이더 가격이 크게 하락할 것으로 예상된다.
　라이다는 이전부터 항공, 지질 분야에서 3차원 지도 제작에 사용되면서 기본적인 측정 기술은 개발이 완료된 상태다. 구글의 자율주행차에 사용되는 라이다 센서는 64개의 레이저 광원을 모터로 회전시켜 360도 범위를 세밀하게 탐지하는데 사용되고 있다. 하지만 이 센서는 특수한 목적으로 제작되어 가격이 8만 달러에 이르고 크기가 커서 양산차에 적용되기 어렵다.
　이에 최근 부품업체들은 라이다 센서의 사양을 낮춰 저가화, 소형화에 집중하고 있다. 탐지 범위를 전후방으로 제한할 경우 광원 수 감소 및 내부 구조 단순화 등으로 가격이 낮아지고 크기도 작아지게 된다. 향후 이러한 라이다 센서는 레이더 센서를 대체할 수 있는 방향으로 발전할 것으로 예상된다.

3. 센서업체의 전략 비교

　ADAS용 센서의 밸류체인은 칩, 모듈, 시스템으로 구분된다. 칩을 생산하는 업체는 주변 환경을 감지하여 전자신호로 변환하는 소자를 모듈업체에게 제공한다. 그리고 모듈업체는 신호를 분석하여 주변 사물을 인지할 수 있는 소프트웨어를 탑재한 모듈을 시스템업체에게 공급한다. 시스템업체는 센서모듈을 조합하고 ADAS 기능을 구현할 수 있는 로직을 개발하여 완성차업체에 공급하고 있다.

< ADAS용 센서업체 >

1) 카메라

　카메라 센서업계에서의 최대 화두는 센서 모듈기술 확보이다. 카메라 센서의 칩과 시스템 기술이 보편화되고 있기 때문이다. 칩의 경우 옴니비전(Omnivision)과 앱티나(Aptina)가 시장을 과점하고 있지만, 향후 차량용 카메라 수요 증가와 휴대폰용 시장 내 경쟁심화로 IT 반도체업체들의 진입이 확대될 전망이다. 또한 시스템의 경우에는 대부분의 대형 부품업체들이 기술을 보유하고 있는 상태이다.
　하지만 센서모듈은 이스라엘의 모빌아이(Mobileye)가 약 80%의 시장을 점유하고 있다. 모빌아이가 시장을 독점한 이유는 센서모듈의 핵심기술인 영상처리 S/W에 특화되어 오랜 기간 역량을 집중해 왔기 때문이다. 영상처리의 수준을 높이기 위해서는 소프트웨어 기술뿐만 아니라 많은 테스트경험이 필요하다. 모빌아이는 1999년부터 이 분야에 대해 연구해왔으며, 지역별 특성에 맞는 제품을 공급하기 위해 국가별로 테스트를 진행했을 정도로 방대한 데이터를 보유하고 있다.
　카메라 센서의 중요성이 커지면서 칩과 시스템 업체도 자체적으로 영상처리 S/W를 개발하고 있다. 칩 업체들은 제품의 고부가가치화와 더불어 신규 진입업체와의 차별화를 위해 영상처리기술을 확보하고 있다. 앱티나는 지난해 소니와 영상처리기술 특허에 대한 크로스 라이선스를 맺었으며, 프리스케일도 중국 최대 IT솔루션 업체인 뉴소프트(Neusoft)와 S/W 공동개발에 합의했다.
　시스템업체도 모빌아이에 대한 의존도를 낮추기 위해 영상처리 S/W 개발에 집중하고 있다. 콘티넨탈은 지난해 카메라용 소프트웨어 개발업체인 ASL Vision을 인수하여 개발 인력을 흡수하였으며, TRW는 모빌아이와 기술제휴를 맺고 카메라 센서를 공동으로 개발하며 노하우를 축적하고 있다. 또한 모빌아이가 단안카메라 영역에 특화되어 있기 때문에 보쉬, 콘티넨탈 등은 스테레오카메라에 대해서는 독자 개발을 진행하고 있다.

2) 레이더

　레이더 센서는 소수의 칩 생산업체와 모듈/시스템업체가 독점하고 있다. 차량용 레이더의 시장 규모가 크지 않을 뿐만 아니라, 고주파가 요구되는 제품의 특성상 개발장비가 고가이기 때문이다. 고주파 칩은 인피니언, 프리스케일, 르네사스 등 소수의 반도체업체만 공급하고 있다. 특히 장거리 레이더용 저가형 소재 기반의 칩의 경우에는 인피니언과 프리스케일만 양산체제를 갖춘 상황이다.
　레이더는 카메라, 라이다와 달리 차량에 적용된 기간이 길어 시스템업체가 모듈까지 생산하고 있다. 레이더 모듈/시스템 업체의 경쟁구도는 단거리와 장거리 레이더에 따라 다르나, 최근 일부 업체들이 두 기술 모두를 보유하려는 움직임을 보이고 있는 상황이다. 콘티넨탈은 2007년 지멘스 VDO를 인수하며 단거리 레이더 기술을 확보하고, 2011년에는 마그나의 레이더 엔지니어링 부문을 인수하여 장거리 레이더 기술을 확보했다. 오토리브도 2008년 메이콤을 인수하여 단거리 레이더 기술을 확보하고, 2011년 아스틱스를 인수하여 장거리 레이더 기술을 획득했다.
　이들 업체들은 확보한 기술을 기반으로 고속에서 저속까지 모든 주행 속도에서 차간거리를 유지할 수 있는 시스템을 개발하고 있다. 또한 단거리 레이더의 감지거리를 늘려 고가인 장거리 레이더와 유사한 성능을 낼 수 있는 보급형 제품을 개발함으로써, 레이더의 보급 확대에 주력하고 있다.

< 카메라모듈 업체 시장점유율 >	< 레이더 모듈/시스템 업체 시장점유율 >
출처: 아노경제연구소(2012)	출처 : 야노경제연구소(2012)

3) 라이다

　일부 선도업체가 라이다 센서를 개발하고 있으나 양산화는 아직 이루어지지 못하고 있다. 라이다 센서의 칩(광원)은 기존에 레이저 관련 반도체 제품을 생산하던 오스람옵토(Osram opto), 트라이루미나(TriLumina), 맥심(Maxim Integrated) 등 일부 업체들이 시장 선점을 위해 개발을 추진하고 있다. 이들 업체는 소형화, 저전력화가 가능한 반도체 레이저 다이오드로 현재 1,500달러인 레이저 칩 가격을 낮추는데 집중하고 있다.
　라이다 센서 모듈은 독일업체 이베오(Ibeo)가 적극적으로 양산제품 개발에 나서고 있다. 이베오는 2000년에 산업용 레이저 센서를 생산하는 시크에 인수된 이후 지난 14년간 라이다 센서 개발에만 집중하고 있다. 2010년부터는 발레오와 양산형 라이다 센서 개발을 위해 기술 제휴를 맺고 1,000달러 미만의 양산형 제품을 개발하고 있다. 발레오는 이 라이다 센서를 자동주차시스템, 보행자감지 등의 ADAS에 적용할 계획이다. 이 센서는 지붕 위가 아닌 차량 전면에 장착할 수 있고 높은 해상도를 가지고 있어 스테레오 카메라처럼 전방의 차량이나 보행자 등을 인지하는데 사용될 수 있을 것으로 보인다. 발레오는 양산에 성공할 경우 2016년부터 아우디에 공급할 예정이다.
　라이다 센서는 아직 기술 상용화 시기가 불투명한 기술이라 대형 부품업체들도 적극적으로 투자를 진행하지는 않고 있다. 현재 라이다 센서 개발에 투자하고 있는 업체는 발레오, 덴소, 콘티넨탈로 소수에 그친다. 발레오가 2016년 출시하는 제품의 성공여부가 향후 부품업체들의 시장 진입 속도를 판가름하는 중요한 분기점이 될 것으로 예상된다.

4) 센서융합

　센서 시스템업체는 주로 대형 부품업체로서, 대부분 2개 이상의 센서 기술을 보유하고 있다. 특히 ADAS 영역에서 선도업체로 평가 받는 콘티넨탈의 경우에는 카메라, 단거리/장거리 레이더, 라이다 등 주요 ADAS용 센서 기술은 모두 확보하고 있다. 대형 부품업체들은 이러한 기술력을 바탕으로 두 가지 이상의 센서를 융합한 통합센서를 개발하고 있는 중이다.

< 대형 부품업체의 센서 시스템기술 보유 현황 >

출처: 각 사


　통합센서는 각각의 센서가 부족한 부분을 보완하여 성능을 향상시킬 수 있으며, 다양한 기능을 구현할 수 있다는 이점이 있다. 고가의 고사양 센서를 사용하지 않아도 높은 성능을 낼 수 있으므로, 보급형 제품으로 양산차에 공급하기도 유리하다. 또한 공통 부품들을 통합할 수 있어 제품의 소형화도 가능하다. 이에 부품업체들은 적극적으로 통합센서를 개발하고 있다. 일례로 델파이는 카메라와 레이더를 통합한 ‘RACam’을 개발하여 올해부터 볼보에 공급할 예정이다.
　대형 부품업체들은 여러 센서와 제어시스템을 통합적으로 제어하기 위한 ECU 개발에도 주력하고 있다. 차량 내 다양한 ADAS가 적용됨에 따라 하나의 카메라 센서가 전방충돌감지, 차선유지 등 다수의 ADAS에 적용되는 한편, 반대로 하나의 ADAS 시스템에도 다수의 센서가 활용되고 있기 때문이다. 이처럼 센서와 시스템이 서로 복잡하게 연계되면서, 이를 통합 제어할 수 있는 ECU의 중요성이 커지고 있다. 이에 대형 부품업체들은 이를 위한 통합제어용 ECU를 개발하고 있다. 일례로 TRW는 모든 ADAS 기능을 통합 제어할 수 있는 SDE(Safety Domain ECU)를 2016년에 출시할 계획이다.

< 대형 부품업체의 센서 시스템기술 보유 현황 >

4. 시사점

　능동안전시스템에 사용되는 센서의 모듈은 소수의 업체가 독점하고 있다. 센서모듈에 대한 기술력, 특히 핵심기술인 신호처리(인지)기술을 확보하지 않는다면 이들 업체에 대한 의존도가 계속 높아질 수밖에 없다.
　따라서 국내 부품업체도 해외 선진 부품업체와 같이 센서모듈기술 확보에 투자를 확대할 필요가 있다. 우선 기술력을 가진 강소업체를 발굴하여 인수함으로써 센서모듈기술을 확보할 수 있을 것이다. 콘티넨탈, 오토리브 등은 특정 센서모듈에 특화된 기술력을 가지고 있는 업체를 인수하여 센서모듈기술을 단기간에 확보할 수 있었다. 또한 아우디, 발레오, 이베오가 함께 양산형 라이다 센서를 개발하는 사례처럼 완성차업체-시스템업체-모듈업체가 공동으로 선행기술을 개발함으로써 관련 기술을 확보할 수도 있다.
　또한 정부와 자동차업계가 국내에 센서 칩과 모듈업체를 육성하기 위해 노력할 필요가 있다. 현재 센서의 요소부품인 칩과 모듈은 미국, 일본, 유럽업체가 거의 독점하고 있다. 이러한 요소부품은 오랜 개발기간이 요구되기 때문에 투자시기가 늦어질수록 기술 확보가 더욱 어렵다. 하지만 자동차용 센서의 시장규모가 크지 않아 중소․중견업체가 독자적으로 시장에 진입하기는 쉽지 않다. 따라서 민관협력을 통해 국내의 반도체 및 센서업체들이 ADAS용 센서개발에 참여하도록 유도할 필요가 있다. 개발초기부터 센서 수요업체가 참여한다면 반도체/센서업체들은 안정적인 수요처를 확보할 수 있고, 센서 수요업체는 맞춤형 센서를 안정적으로 공급받을 수 있을 것이다.
　국내 부품업체와 완성차업체는 S/W 기술력 제고를 위해 노력할 필요가 있다. 향후 S/W는 업체간 차별화 요소로서 중요성이 더욱 커질 전망이다. 그러므로 국내 업체들도 소프트웨어 개발인력을 육성하여 S/W 기술을 확보해 나가야 한다. 현재 콘티넨탈은 ADAS를 포함한 스마트카 기능 구현을 위해 1만명 이상의 S/W 개발인력을 보유하고 있으며, 2015년까지 1,500명 정도의 소프트웨어 인력을 더 충원할 계획이다. S/W 전문업체와 협력을 강화하는 것도 하나의 방안이 될 수 있다. 다임러는 ADAS 기능에 대해서 어떻게 구현할 것인지 구체적인 사양만 결정하고, 실제 S/W 설계는 전문업체인 독일의 엘렉트로비트(Elektrobit)에 모두 위임할 계획이다. 해외 업체들이 S/W 기술력 제고에 주력하고 있는 것처럼 국내 업체들도 소프트웨어 기술력 확보를 위한 투자를 확대해야 할 것이다.



1) 레이더는 전파를 이용하며, 라이다는 레이저(빛)를 이용한 센서
2) New Car Assessment Program
3) 차선이탈경고시스템(Lane Departure Warning System)
4) 긴급제동시스템(Autonomous Emergency Braking)
5) Strategy Analytics(2012)
6) 카메라, 레이더, 라이다 센서 기준, 초음파와 적외선 센서 제외
7) Traffic Sign Recognition

http://kaica.or.kr/data_room/post/view.php?indexnum=1098