자동차의 미래로 자리한 자율주행차 작동원리는 사람이 운전하는 것과 유사하다. 사람의 머리 역할을 하는 전자제어장치(ECU)나 팔다리 역할을 수행하는 수 많은 부품들도 중요하지만, 외부 주행상황을 정확하게 파악하기 위한 센서기술이 핵심이다. 때문에 많은 업체들이 이들 기술을 선제적으로 확보하기 위해 치열한 경쟁을 펼치고 있다.

외부환경 인지에 사용되는 센서는 대표적으로 카메라, 레이더, 라이다 등으로 구성된다. 이들 센서는 각각의 장단점이 뚜렷하기 때문에 단독으로 활용되기보단 복합적으로 적용돼 상호보완 작용을 하게 된다. 그 중 가장 많이 사용되는 센서는 레이더다.

원래 레이더는 군사목적으로 개발됐다. 정밀한 타격과 위치식별을 위해 1930년대 상용화됐다. 현재 레이더는 다양한 분야에서 활용되고 있다. 공항에서 비행기가 뜨고 내리는 상황을 모니터링하거나 기상환경을 측정하고, 이동식 속도위반 단속장비에도 사용하고 있다.

레이더는 전자파를 발사해 반사돼 돌아오는 신호를 기반으로 주변 사물과의 거리, 속도, 방향 등의 정보를 추출하는 센서다. 또 날씨, 시간과 관계없이 제 성능을 발휘해 자율주행 센서 중 신뢰도가 가장 높다. 레이더는 주파수에 따라 단거리부터 중거리, 장거리를 모두 감지 할 수 있어 현재도 긴급자동제동장치, 스마트 크루즈 컨트롤 등 다양한 첨단운전자보조시스템(ADAS) 기술에 적용되고 있다.

레이더 센서는 크게 고주파 전자파를 생성하고 처리하는 무선주파수(RF)부와 신호를 송수신하는 안테나부, 그리고 이 신호를 분석하는 디지털 신호처리부로 구성된다.

RF부는 처음 생성된 주파수를 국제 규격에 맞는 고주파 신호로 변환해 앰프를 통해 그 신호를 증폭시킨다. 발신용 안테나가 증폭된 고주파 신호를 방사하고, 수신용 안테나가 전방의 물체를 맞고 돌아오는 신호를 수신하게 된다. 수신한 신호는 다시 RF모듈로 흘러 들어가 장애물을 걸러내고 다시 낮은 주파수로 변환하는 작업을 거친다. 이후 컨버터를 통해 디지털 신호로 전환돼 신호처리 모듈로 전달하게 된다.

신호처리 모듈은 송신한 주파수 신호가 반사돼 돌아오기까지 걸리는 시간을 측정해 대상과의 거리를 추정한다. 또한 수신 안테나 간 위상의 차이를 이용해 대상의 방향을 감지하고, 신호의 도플러 효과를 분석하면 대상의 속도를 알아낼 수 있다.

레이더는 신호를 주고받는 거리에 따라 단거리, 중거리, 단거리로 구분할 수 있다. 국내에서는 현재 단거리와 장거리 레이더 개발이 한창이다. 레이더 센서는 77GHz대역과(장거리) 79GHz대역(단거리) 두 가지 대역을 사용할 수 있도록 국제 규격이 마련돼 있다.

주파수는 파장이 길수록(저주파일수록) 같은 출력으로 전파를 쏘아도 도달할 수 있는 거리가 길어지지만, 상대적으로 정확도가 떨어지게 된다. 이런 성질 때문에 장거리 레이더 센서에는 상대적으로 저주파인 77㎓ 대역을 사용한다. 보다 명확한 정보가 필요한 단거리 레이더 센서에는 대역폭이 넓은 79㎓ 대역을 사용한다. 장거리 레이더는 150~200m 이상을 확인하되 화각이 40도 안팎으로 좁고, 단거리 레이더는 100 m 이내 거리를 감지하되 화각이 100도 이상 된다.

이에 장거리 레이더 센서는 앞차와의 거리와 속도를 측정해 충돌을 피하는 전방충돌방지보조(FCA) 기술에 주로 활용되고, 단거리 레이더 센서는 후측방 사각지대 차량을 확인하는 사각지대감지(BSD) 기술에 주로 활용된다.

최근에는 100m 이내 상대 차량을 감지하는 중거리 레이더에 대한 연구도 활발히 이뤄지고 있다. 중거리 레이더는 장거리 레이더보다 크기도 작고, 가격도 저렴하다. 때문에 저가격의 중거리 레이더는 전 차종 레이더 장착을 위해서 보급형 시스템으로 유력한 상황이다. 이는 헬라, 발레오 등 해외 유명 레이더 제조업체들이 거의 독점하고 있는 시장이다. 국내 연구진들은 FCA, BSD, 차선변경보조(LCA) 등에 활용할 수 있는 중거리 레이더도 개발하고 있다.

레이더 센서는 대상과의 정확한 거리 측정을 하는 것도 물론 중요하지만 대상 물체와 그 옆의 다른 물체를 구분할 수 있는 식별 능력을 향상시키는 게 관건이다. 이에 업체들은 레이더 센서의 해상도를 높여 표적 식별 능력을 향상시키는 한편, 더 작고 저렴하게 만들기 위한 노력을 하고 있다.

국내 대표 전장기업인 현대모비스는 지난해 자율주행 독자센서를 2020년까지 모두 개발한다는 전략을 발표하고 관련 기술 확보에 박차를 가하고 있다. 핵심 센서 경쟁력을 빠르게 확보하기 위해 독자적으로 센서를 개발하는 것에 더해 해외 전문기업, 대학교, 스타트업 등과 협업을 강화하고 있다. 이를 통해 지난해 9월 국내 최초로 후측방 레이더를 독자 개발한 데 이어, 지난해 말까지 차량 주변 360도를 모두 센싱할 수 있도록 단ㆍ중ㆍ장거리 레이더 4종 기술을 모두 확보했다.

<류종은 기자>