목차 v 미래 모빌리티 관련 주요 기술 동향 v 전기차 반도체 부품 v 자율주행차 반도체 부품 v 미래 모빌리티의 인포테인먼트 2/106 목차 v 미래 모빌리티 관련 주요 기술 동향 v 전기차 반도체 부품 v 자율주행차 반도체 부품 v 미래 모빌리티의 인포테인먼트 3/106 SDV 시장의 상승세 u SDV : Software Defined Vehicle • 전통적인 차량은 개발 초기 단계에 거의 모든 사양이 결정되게 되고, 완성차 개발 업체는 이를 구성하는 부품을 개발할 공급 업체를 선정 • SDV는 양산 및 출시 이후에도 다양한 추가 기능을 소프트웨어 업데이트에 의해 제공 4/106 SDV 시장의 상승세 u SDV : Software Defined Vehicle • 차량 전체를 단독 소프트웨어로 제어 à 업데이트가 용이하고, 완성차 제조사가 원하는 방향으로 즉각적인 반영이 가능 • 스마트폰 = 자동차 5/106 SDV 시장의 상승세 u SDV : Software Defined Vehicle • 중앙 컴퓨터의 복합적 제어에 따라 기존에는 각각 제 기능만 담당하던 부품들을 상호 연결하여 사용자 친화적인 복합 기능 구현 가능 • 단순 소프트웨어 업데이트 (OTA : Over the Air)를 통해 차량의 성능까지 개선 가능 6/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 • 현재 출시되는 차량은 대부분 레벨 1~2 • 자율주행시스템과 주행보조시스템을 반드시 구분하자! 7/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 • 레벨 1 : 차량 제어 중 ‘세로 방향’ 또는 ‘가로 방향’ 중 하나의 보조 업무를 시스템이 한정된 영역에서 수행 à 액셀ㆍ브레이크 조작을 통한 ‘전후(가속ㆍ감속)’ 제어, 또는 핸들 조작에 의한 ‘좌우’ 제어 중 하나의 조작을 시스템이 보조 • 예시 옵션 : ACC (어댑티브 크루즈 컨트롤), 차선이탈방지, 충돌피해 경감 브레이크(전방 추돌 경고) • 2020년의 승용차의 차량 안전 장비 장착 상황은 저속 영역을 포함한 충돌 피해 경감 브레이크의 장착률이 95.8%, 차량 속도 ACC는 32.6%, 차선이탈방지는 45.7% 8/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 9/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 • 레벨 2 : 차량 제어 중 세로 및 가로 방향의 보조 업무를 시스템이 한정적으로 수행 à 레벨1에서는 세로든 가로든 한쪽만 가능했지만, 레벨2는 두 가지가 다 가능 • ACC로 세로 방향의 제어를 지원하면서 차선이탈방지로 가로 방향의 제어도 지원하여, 같은 차로 내에서의 주행을 전체적으로 지원 • 2018년에 레벨2가 탑재된 차는 신차 기준 약 270만 대, 핸즈오프 등 레벨2를 고도화한 레벨2+는 2,000대였으며, 2030년에는 레벨2가 약 2,100만 대, 레벨2+는 약 3,100만 대로 증가할 것이라고 예측 10/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 11/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 12/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 13/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 • 레벨 3 : 자율주행 시스템이 작동할 때, 운전자는 주변 상황을 감시하지 않아도 되며, 핸들에서 손을 떼는 핸즈오프를 비롯하여 전방에서 눈을 떼는 아이즈오프 운전(아이즈 프리)도 할 수 있음 • 자율주행 시스템이 작동할 수 있는 ‘ODD’(운행 설계 영역)는 시스템마다 다르며, 예를 들어 맑은 날 고속도로에서 시속 80km 이하로 주행 중일 때와 같이 설정 • 전 세계적으로도 독일과 한국, 일본 등이 레벨3 인정하고 있으며, 미국은 각 주 별로 다름 • 자율주행 중에 운전자에게 허용되는 행위 ‘세컨더리 액티비티’에 대해서는 아직은 법적으로 대부분 금지됨 14/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 15/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 16/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 • 레벨 4 : 일정한 조건에서 모든 운전 조작을 시스템이 수행하고, 작동을 지속하기 어려운 경우에도 운전자 및 오퍼레이터 등의 개입을 기대하지 않는 수준 • 이동 서비스나 운송 서비스용으로 도입하려는 움직임이 활발하게 이루어지고 있음 • 공공도로에서는 미국의 Waymo가 애리조나주에서 2018년 12월, 세이프티 드라이버를 동승시키는 형태로 유상 자율주행 택시 서비스를 제공하면서 시작 • 2020년에 7,100대, 2023년에 20만 7,900대, 2025년에 약 180만 대, 2030년에 1,530만 대가 될 것으로 예측 17/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 18/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 19/106 자율주행 시장 u 현재 우리가 구매할 수 있는 차량 중에 자율주행차는 없다. 자율주행시스템과 주행보조시스템을 반드시 구분하자! 20/106 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 • 레벨 5 : ODD에 한정되지 않고 모든 상황에서 무인 운전을 실현하는 수준이며, 도로 종류나 속도, 지역에 상관없이 수동 운전이 가능한 모든 상황에서 자율주행이 이루어짐 • 돌발적인 악천후나 도로공사, 사고 등으로 일시적으로 주행할 수 없게 되었을 때도 상황이 회복되기까지 안전하게 정지하거나 주행할 수 있는 다른 경로를 찾아 운행을 지속 à 원칙적으로 원격 감지를 포함한 인간의 손을 거치지 않음 21/106 드라이빙 시뮬레이터 u 드라이빙 시뮬레이터란? • 자동차 개발에 필요한 모든 환경과 요소를 이 센터에서 시험하도록 설계 • 혁신적 엔터테인먼트 기술, 디스플레이, 조작 콘셉트, 승객과 차량 간 다양한 상호작용 수단, 섀시 정밀 조정, 완전 자율주행의 실내 공간 시나리오까지 포함하는 광범위한 운전자 보조 기능 등 가능 • 시뮬레이터를 이용하면 보다 안전한 환경에서 시간 제약을 받지 않고 다양한 시험 환경을 연출할 수 있음 22/106 드라이빙 시뮬레이터 23/106 드라이빙 시뮬레이터 u 드라이빙 시뮬레이터 • 정교한 물리적 시스템을 만드는 것도 중요하지만, 이 시스템을 실제처럼 구현할 가상환경(메타버스) 시스템을 구성하는 것도 매우 중요함 24/106 드라이빙 시뮬레이터 25/106 UAM 시장 u UAM : : Urban Air Mobility (도심항공교통) • 지상과 항공을 연결하는 3차원 도심 항공 교통체계로, 도심 상공에서 사람이나 화물을 운송할 수 있는 차세대 교통체계 26/106 UAM 시장 u UAM : : Urban Air Mobility (도심항공교통) • 지상과 항공을 연결하는 3차원 도심 항공 교통체계로, 도심 상공에서 사람이나 화물을 운송할 수 있는 차세대 교통체계 27/106 로봇 신사업 u 완성차업체 및 부품회사의 로봇 신사업 투자 • 로봇은 결국 수많은 모터와 센서와 AI의 결합체 • 미래 모빌리티에 들어가는 부품으로 결국 로봇을 만들 수 있지 않을까? 28/106 로봇 신사업 u 완성차업체 및 부품회사의 로봇 신사업 투자 • 현대자동차의 보스턴다니내믹스 인수 • 테슬라의 로봇 사업 29/106 로봇 신사업 u 로봇이 인간을 당장 대체할 수 있을까? • 아직 로봇산업은 산업현장에서만 주로 활용 • 조만간 우리 생활에도 확대 적용될 예정 30/106 로봇 신사업 u 로봇이 인간을 당장 대체할 수 있을까? • 아직 로봇산업은 산업현장에서만 주로 활용 • 조만간 우리 생활에도 확대 적용될 예정 31/106 로봇 신사업 u 결국 최종 목표는 스마트팩토리 • 현대자동차의 싱가포르 스마트팩토리 32/106 우리나라의 모빌리티 혁신 로드맵 33/106 목차 v 미래 모빌리티 관련 주요 기술 동향 v 전기차 반도체 부품 v 자율주행차 반도체 부품 v 미래 모빌리티의 인포테인먼트 34/106 전기차 반도체 부품 u 내연기관 자동차와 전기자동차의 차이 • 내연기관: 석유 연료, 엔진을 통한 동력 생성 • 전기차: 배터리 충전 전기, 전기모터를 통해 동력 생성 35/106 전기차 반도체 부품 u 친환경차의 종류 36/106 전기차 반도체 부품 u 최초의 전기차는 언제 나왔을까? • 1884년 공식적으로 ‘세계 최초’라 불리는 전기차가 영국인 발명가 토마스 파커에 의해 발명 • 가솔린 엔진 자동차가 처음 판매된 게 1891년인데 반해 전기차는 5년이나 빠른 1886년 판매 시작 • 1908년 헨리 포드가 대량 생산 방식의 가솔린 차를 선보이고, 1920년대에 저렴한 채굴 방식의 석유가 본격적으로 채굴되기 시작하면서 경쟁력을 상실함 37/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 구동모터, 감속기, 배터리, 온보드차져(OBC), 전력제어장치로 구성 • 배터리 충전 à 모터에 전류 공급 à 모터 구동 à 차량 주행 38/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 배터리 : 전기 에너지를 저장하는 장치 • 배터리 용량이 클수록 주행거리도 늘어남 • 셀-모듈-팩 순서로 조립되어 있으며, 셀 자체 출력 뿐 아니라 모듈/팩 구성에 따라 배터리 효율 결정 • 배터리 관리 시스템(BMS)은 수많은 셀을 하나의 배터리처럼 사용할 수 있도록 관리 39/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 : BMS • ① 모니터링 : 배터리 시스템 내 센서를 통해 측정한 전압, 전류, 온도 등을 모니터링합니다. 이를 통해 SoC(충전 상태), SoH(수명)을 예측 • ② 셀 관리 : 배터리 셀 간의 편차를 줄이는 셀 관리(밸런싱)를 수행 • ③ 제어: 배터리가 과충전, 과방전, 과전류가 발생하지 않게 제어 40/106 전기차 반도체 부품 u 토막 상식 : 전기차 배터리의 종류 • 파우치형 • 비싸지만 두께가 얇아 부피면적당 효율이 높음 • 직사각형 모양을 유지할 필요가 없어 높은 설계 자유도를 가지고 있어 다양한 전기차 업체의 요구사항에 대응이 가능 • 무게가 가볍고 에너지를 장기간 안정적으로 낼 수 있음. • 케이스가 단단하지 않아 보호 기술이 필요 41/106 전기차 반도체 부품 u 토막 상식 : 전기차 배터리의 종류 • 각형 • 사각형 알루미늄 캔에 배터리를 담는 형태로 내구성이 뛰어나고 생산비용이 상대적으로 저렴하지만 무거움 • 안전성을 중요시하는 유럽의 자동차 생산업체가 선호 • 대량생산할 경우 공정 단계가 파우치형보다 적어 원가 절감폭이 크다는 장점 • 알루미늄 캔을 사용해 무게가 많이 나가고 열 방출이 어려워서 고가의 냉각방식을 적용해야 하는 것이 단점. • 내부공간활용이 불리하고 제조 공정이 복잡 42/106 전기차 반도체 부품 u 토막 상식 : 전기차 배터리의 종류 • 원통형 • 가격이 가장 싸고 안정성과 수급 문제가 없다는 것이 장점 • 배터리 셀 하나당 높은 에너지를 낼 수 없다는 단점. • 충방전을 자주하면 다른 형태의 배터리에 비해 배터리 성능이 저하될 수 있음 43/106 전기차 반도체 부품 u 토막 상식 : 전기차 배터리의 종류 • 재료에 따라 크게 LFP와 NCM, NCA로 나눌 수 있음 • NCM 배터리는 니켈 소재로 만들어져 에너지 밀도가 높으나, 불안정함 à 불안정한 리튬 : 안전성이 떨어짐, 충격을 가하거나 짓눌리면 화재를 일으킬 가능성 높음 • LFP 배터리는 값비싼 코발트 대신 저렴한 철을 사용해 가격을 낮출 수 있고, 상대적으로 안전하지만, 에너지 밀도가 낮아 주행 가능 거리가 짧고 삼원계 배터리보다 출력도 떨어짐 à 더 많은 배터리의 장착이 필요하여 공간활용도 감소 44/106 전기차 반도체 부품 u 토막 상식 : 전기차 배터리의 종류 • 지금은 전기차 시장의 치킨게임 진행중! à 가격으로 승부 봐야 한다 45/106 전기차 반도체 부품 u 토막 상식 : 전기차 배터리의 종류 • 전고체 배터리 : 전고체배터리는 전해액과 분리막을 없애고 그 부분을 이온을 전도할 수 있는 고체 상태 물질, 즉 ‘고체 전해질’로 대체하여 사용하는 배터리 • 리튬이온전지는 올릴 수 있는 용량이 300~350Wh/㎏ 정도가 최대 한계, 전고체전지는 400~450Wh/㎏까지 충분히 나올 수 있음 46/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • On Board Charger(OBC) : 완속 충전을 하거나, 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치 • 충전 시설 종류 : 급속충전(직류), 완속충전(교류) 47/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 다이오드(diode) : 정류기와 컨버터의 2차측인 풀-브릿지 정류기(full-bridge rectifier) 핵심 • 스위칭 소자인 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)와 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)가 전력변환의 핵심 소자 48/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 전기차가 상용화되면 결국 급속충전시설이 중요하다! 49/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 고전압 배터리 및 충전시스템이 중요한 이유 : 충전속도 & 손실 개선 • 고전압을 사용할 경우 같은 전류로 더 많은 에너지를 이동(충전) 가능 à 충전시간 감소 • 동일한 에너지 충전에 고전압을 사용할 경우 작은 전류 사용 à 작은 전선 사용 가능 & 발열 감소 50/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 차량 배터리 전압, 그리고 급속충전기마다 다르다면, 일일이 맞는 곳을 찾아다녀야 할까? 51/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 자체적으로 800V Booster converter 장착 à 부품값이 매우 비쌈. (ex : 포르쉐 타이칸) • 배터리의 연결 구조를 변경시키는 방식 à 병렬로 연결하면 400V 시스템이 되고, 직렬로 연결하면 800V 시스템 (ex : GM 전기트럭) 52/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 전기차 구동용 모터와 인버터를 이용하여 전압을 승압하는 방식 à 별도의 장치가 필요없이 기존 장치를 이용하여 효율 증대 (ex : 현대자동차의 E-GMP) 53/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 급속충전기마다 정격 출력이 달라, 차종 별 알맞은 충전기를 사용해야 함 54/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 전력제어장치 : 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할 • 인버터, LDC(Low voltage DC-DC Converter), VCU(Vehicle Control Unit)로 구성 55/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 인버터 : 배터리의 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치 • 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기차의 운전성을 높이는 데 있어서 매우 중요한 역할 56/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 가속 : 배터리의 전기에너지를 인버터를 거쳐 모터로 전달하여 구동 • 감속 : 바퀴의 운동에너지가 모터를 발전기로 사용하여 유도되는 전기에너지를 배터리에 충전 E는 기전력, N은 코일을 감은 회수, Φ는 자속 57/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • LDC(Low voltage DC-DC Converter) : 전기차의 고전압 배터리의 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 시스템에 전력을 공급하는 장치 • 고전압 배터리는 높은 전압을 사용하지만, 자동차의 전장 시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 이를 변환하는 장치가 반드시 필요 58/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • VCU(Vehicle Control Unit) : 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워 • 모터 제어 : 각종 신호 → VCU → MCU → 인버터 59/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • VCU(Vehicle Control Unit) : 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워 • 회생제동 제어 : 회생 제동 요청량(AHB), 배터리 가용 파워(BMS) 및 모터 가용 토크를 고려하여 회생 제동을 위한 모터의 충전 토크 지령을 연산하여 실제 모터의 출력 토크(MCU)를 이용하여 회생 제동 실행량을 연산 60/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • VCU(Vehicle Control Unit) : 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워 • 공조부하 제어 : 공조 부하 제어에서 FATC(Full Automatic Temperature Control)는 운전자의 냉·난방 요구 시 VCU에 AC/PTC 요청 파워를 송신하고 VCU의 허용 파워 범위 내에서 공조 부하를 제어 61/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • VCU(Vehicle Control Unit) : 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워 • 전장 부하 제어: VCU는 배터리 정보 및 상태에 따른 LDC ON/OFF 및 동작 모드를 결정한다. LDC는 VCU의 명령에 따라 고전압을 저전압으로 변환하여 차량의 전장에 전원으로 공급 62/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 구동모터 : 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하여 바퀴를 굴리는 역할 à 엔진의 역할을 대신함 • 고효율, 고출력밀도, 저NVH(noise,vibration,harshness), 저가격의 방향성이 요구되며, 수냉식의 영구자석형 모터를 주로 사용 63/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 고정자 : 움직이지 않고 고정되어 있는 부품으로 회전자가 회전할 수 있도록 회전 자기장을 발생시키는 역할 • 고정자의 코어는 여러 장의 얇은 전기강판을 겹겹이 쌓은 형태로 제작이 되며 코일이 들어갈 수 있는 슬롯으로 이루어져 있음 64/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 회전자 : 고정자로부터 발생되는 회전 자기장에 반응하여 실제 구동 (회전) 에너지로 변환하는 역할 • 회전 자기장에 반응하는 회전자 코어, 자성체 (영구자석, 도체, 코일)와 회전 중심축을 이뤄 차량의 바퀴에 구동력을 전달할 수 있는 기어가 있는 샤프트로 구성 • 영구자석을 구성하는 주요 성분 : 그 이름도 유명한 희토류! 65/106 전기차 반도체 부품 u 전기차는 변속기가 필요없을까? • 내연기관: 엔진이 느리게 돌면 발생하는 출력과 토크도 적음 • 전기모터는 모터에 전기가 흐르는 순간부터 최대토크가 발휘되고, 이 토크는 모터의 최고 출력이 발생하는 시점까지 최대한 유지되다가 모터가 최고출력을 발휘하는 회전수에 도달한 후 최대토크는 서서히 하향곡선을 그림 • 일반적인 승용차 기준의 내연기관 엔진은 가솔린 6000~7000rpm, 디젤 4000~5000rpm 정도의 가용 회전수를 가지지만, 전기모터는 적어도 1만 1000rpm, 많으면 1만 8000rpm 이상도 사용 à 내연기관은 최소 4단 이상은 있어야 200km/h 돌파가 가능했다면 전기차는 변속기 없이도 160~200km/h까지는 문제없이 달릴 수 있음 66/106 전기차 반도체 부품 u 전기차는 변속기가 필요없을까? • 타이칸에는 2단 변속기가 탑재 • 일반적인 전기차의 최고 속도가 160km/h에서 빨라야 200km/h를 넘기기 힘든 반면 타이칸은 최고 250km/h까지 달릴 수 있다. 67/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 희토류 : 주기율표의 57번 ~ 71번 사이에 있는 15개 원소와 스칸듐, 이트륨까지 총 17가지 원소 • 매장량은 풍부한 편이지만, 광석에서부터 분리하는 과정이 까다로움 • 환경오염에 치명적이어서, 개발을 꺼려함 : 추출 과정에서 방사성 물질이 나오고, 희토류 1t을 처리하는 데 최대 2000t의 유독성 폐기물이 나옴 à 세계 최대 희토류 생산국가인 중국에서는 낮은 제조비용과 낮은 환경규제를 기반으로 전 세계 자석 생산량의 70~80%를 생산 • 토요타 프리우스(Prius) 1세대에서는 전동기 1대당 약 1kg의 희토류를 사용했으나 4세대에서는 1세대의 1/100 수준으로 희토류 양을 감소 68/106 전기차 반도체 부품 u 괜히 천조국이 아니다. 69/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 전기모터는 초반 저rpm부터 최대출력을 내기 때문에 폭발적인 가속력을 냄 • 보통 후륜에 1개 모터를 장착하나, 고출력/고급차량의 경우 앞뒤 듀얼모터 장착 70/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 양산차 중에는 현재 트라이 모터와 쿼드 모터까지 나와 있음 71/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 미래 모터의 기술 : 인-휠 모터 • 일반적으로 차체 중심에 위치하는 모터와는 다르게 휠 내부에 모터가 적용되어 휠이 모터를 둘러싸고 있는 구조를 형성하여 탑재성을 최적화하고 차량 내부의 공간, 또는 배터리 공간을 확보할 수 있는 미래 신기술 72/106 전기차 반도체 부품 u 전기차의 동작 원리 • 미래 모터의 기술 : 인-휠 모터 • 현대자동차에서는 최근 유니휠 기술을 발표하여, 인휠모터와 더불어 등속조인트 등 모든 기술을 바퀴 안에 탑재하여 공간 확보에 획기적으로 기여할 수 있는 가능성을 선보임 73/106 목차 v 미래 모빌리티 관련 주요 기술 동향 v 전기차 반도체 부품 v 자율주행차 반도체 부품 v 미래 모빌리티의 인포테인먼트 74/106 복습 : 자율주행 시장 u 자율주행 기술 현황 • 현재 출시되는 차량은 대부분 레벨 1~2 • 자율주행시스템과 주행보조시스템을 반드시 구분하자! 75/106 자율주행차 주요 장치 76/106 자율주행차 주요 장치 77/106 자율주행차 주요 장치 : 카메라 u 카메라 센서 • 색상을 인지하며, 고해상도의 이미지를 인식할 수 있다는 장점 • 객체와의 거리나 속도를 직접적으로 측정할 수 없고, 비가 오거나 안개가 끼는 등의 악천후에서 인지능력이 상당히 떨어지는 단점 • 예전에는 단순 블랙박스나 후방카메라 역할만 했다면, 이제는 외부 사물 인식을 통해 분석하여 자율주행을 돕는 기능까지 수행 à 고화소 고품질 센서 개발이 필요 78/106 자율주행차 주요 장치 : 카메라 u CIS (CMOS Image Sensor) • CIS: 렌즈를 통해 들어온 빛을 디지털 신호로 변환해 이미지를 구현하는 반도체 • 빛에 의해 발생한 전자를 각 화소 내에서 전압으로 변환한 후에 여러 CMOS 스위치를 통해 출력 • 주로 1화소를 구성하는 요소가 MOSFET 1개와 포토다이오드 1개로 구성 79/106 자율주행차 주요 장치 : 카메라 u CIS (CMOS Image Sensor) • BSI(Back-Side Illumination): Wafer 후면에 Photo-diode를 부착하여 빛을 100% 받아들이도록 공정 • 여전히 간섭 문제가 남아있음 à 간섭이란 특정 포토다이오드에 도달해야 할 빛이 인접한 포토다이오드로 번져 최종 이미지에 노이즈가 생기는 현상 80/106 자율주행차 주요 장치 : 카메라 u CIS (CMOS Image Sensor) • ISOCELL: 물리적인 장벽(금속그리드 등)으로 인접한 픽셀을 서로 분리하여 포토다이오드가 흡수하는 빛의 양을 늘림 à 후면조사형 픽셀과 비교했을 때 1세대 ISOCELL은 간섭이 약 30% 감소, 수광 면적 30% 증가 à 들어오는 빛을 메탈 그리드가 흡수하거나 인접 픽셀로 반사하여 광 손실 여전히 발생 • ISOCELL 2.0: 금속 장벽 대신 후지필름이 개발한 신소재가 사용되어 광 손실과 빛 반사가 최소화 81/106 자율주행차 주요 장치 : 카메라 u 카메라 센서 • 자동차 한 대당 사용되는 CIS 개수는 현재 평균 3~4개에서 2025년 6~7개 수준으로 늘어날 전망 • 2022년 글로벌 모바일 CIS 시장에서 매출액 기준 소니가 54% 점유율로 1위, 삼성전자는 2위(29%) • 차량용 CIS는 온세미컨덕터가 60% 이상으로 압도적 1위임 • 차량용 CIS의 경우 이미지 처리 능력이 더욱 중요함 • 이미지센서에서 AP(애플리케이션 프로세서)로 이어지는 데이터 전송 과정 중간에 D램이 들어가 처리속도를 높이는 역할 • 방대한 프레임 데이터를 D램에 저장해 왜곡 없는 고속촬영이 가능 82/106 자율주행차 주요 장치 : 레이더 u 레이더 (RADAR: RAdio Detection And Ranging) • 운전자의 차량에서 송신 전자파 신호를 송신해 상대 차량 혹은 장애물로부터 반사돼 돌아온 수신 전자파를 수신해, 두 신호간의 시간차와 도플러 주파수 변화량을 이용해 레이더와 상대 물체와의 거리와 상대속도를 추정 • 거리와 속도를 직접 감지하며 카메라가 가지는 단점을 보완 • 열악한 환경에서 라이다와 카메라 등이 인지 못 하는 원거리 인식이 가능 à 비가 올 때나 야간에도 인식이 용이함 • 형태인식이 불가능하며, 측정 거리와 각도를 동시에 늘리는 게 어렵고, 작은 물체 인식이 어려움 83/106 자율주행차 주요 장치 : 레이더 u 4D 레이더 (Radar) • 기존 3D Radar가 거리(Range), 방향(Azimuth, 방위각), 상대 속도(Doppler)를 식별했다면, 4D Imaging RADAR 기술은 여기서 높이(Elevation, 수직각)라는 또 한 가지 차원의 정보를 추가 • 수평 및 수직 데이터를 모두 이용해 다양한 반사 지점을 감지하고, 풍부하게 수집된 데이터는 4차원 고해상도로 형상 인식과 상황 판단을 가능하게 함 (기존 레이더와 달리 감지된 물체가 사람인지 차량인지 구분하는 단계까지 성능이 향상) • 대량 양산 시에 라이다 센서에 비해 가격이 저렴 84/106 자율주행차 주요 장치 : 라이다 u 라이다 (LiDAR: Light Detection And Ranging) • 직진성이 강한 고출력 펄스 레이저를 이용해 정보를 획득 à 레이더보다 정밀한 위치 정보를 획득 • 정확한 정보를 통해 객체와 거리 이미지를 분리해서 인식할 수 있다는 장점 •레이더 파장은 수㎝ 단위인 데 비해 라이다는 nm급으로, 레이더가 인식하지 못하는 사물까지 감지 • 단점은 속도를 직접 측정할 수 없으며, 강한 햇빛이나 악천후 시 원거리 인식능력이 대폭 감소, 다른 센서들보다 개발과 생산에 비용 소모가 큼 85/106 자율주행차 주요 장치 : 센서퓨젼 u 자율주행차용 센서 시장 전망 • 2030년 레이더, 카메라, 라이다, 초음파 등을 포함한 ADAS 센서 시장이 약 34조 원 규모로 성장할 전망 • ADAS 보급률은 2017년 기준 전체 신차의 약 19%이지만 2025년에는 절반을 넘은 59%까지 2030년에는 71%를 차지할 것으로 전망 86/106 자율주행차 주요 장치 : 센서퓨젼 u 다양한 센서를 복합적으로 사용하는 기술이 중요 • 센서 퓨전(Sensor Fusion): 여러 개의 센서를 하나로 결합하는 방식 • 센서와 센서를 하나로 합치는 물리적인 결합과 각각의 센서에서 얻어지는 데이터를 종합하는 소프트웨어적 결합 87/106 자율주행차 주요 장치 : 센서퓨젼 u 센서퓨젼의 업체별 전략 • 센서 단위의 통합: 각 센서의 형태나 기능을 직접 합치는 가장 직관적인 방식의 센서 퓨전 ex: 스타트업 에이아이(AEye)가 고정형 라이다와 저조도 카메라를 결합시킴으로써 새로운 방식으로 라이더를 활용할 수 있는 방법을 제시 • 프로세서 중심의 통합: 하나의 모듈로 여러 센서를 통합 제어하는 방식으로 대부분 기업이 개발 중 ex: NXP BlueBox는 NXP 칩을 탑재한 레이더, 라이다(LiDAR), 비전 센싱(Vision Sensing)과 온보드 보안 V2X 시스템을 중앙 ECU와 통합한 센서 퓨전 기술 • 인공지능(AI)과 소프트웨어 고도화 전략: 빅데이터와 머신러닝 등이 적용된 AI 기술은 자율주행을 위한 센서 퓨전에는 필수적인 솔루션 ex: BaseLabs는 자동차 관련 데이터 융합, 통계적 신호처리 알고리즘, 소프트웨어 개발 경험 등의 장점으로 모듈, 커넥트, 코드 등의 다양한 센서 퓨전 소프트웨어를 통해 프로토 타입 단계에서 실제 환경 인식 구현 등에 대해 빠른 해결책을 제시 • 전방위통합강화 전략: 주로 OEM들을 중심으로 티어1/티어2와의 결합 ex: 다임러-보쉬는 자율주행 실현을 위해 센서 퓨전을 포함한 오토모티브의 전 영역을 개발 중 88/106 자율주행차 주요 장치 : 센서퓨젼 u 센서퓨젼의 운영 방식: 중앙 집중 방식 • 모든 데이터 처리와 의사 결정이 단일 위치에서 이뤄짐 • 중앙 집중 방식의 센서 모듈은 감지와 데이터 전송만 필요하기 때문에 크기를 줄일 수 있고(차내에 차지하는 공간 감소), 비용과 전력 소모가 적음 • 센서의 장착 위치를 유연하게 선택할 수 있으며,. 센서 모듈이 특별히 데이터를 처리하거나 의사 결정을 하지 않기 때문에 기능 안전의 요구 사양도 적음 • 센서 데이터의 양을 실시간으로 처리할 수 있어야 하고, 전자기 간섭(EMI)이 높아질 수 있기 때문에 광대역 폭의 통신이 필요하다는 단점 • 수많은 양의 로우 데이터 처리를 위해 ECU에 높은 처리능력과 속도를 요구하며, 이에 따른 높은 전력 요구와 발열이 발생하고, 센서를 추가할 때마다 중앙 ECU의 성능 요구가 많이 증가 89/106 자율주행차 주요 장치 : 센서퓨젼 u 센서퓨젼의 운영 방식: 완전 분산 방식 • 객체에서 분석하고 처리한 데이터를 중앙의 퓨전 ECU로 보내어 데이터가 결합되며 행동과 대응 방법에 대한 최종 결정이 내려짐 • 센서 모듈은 더 낮은 대역폭으로 중앙 ECU와 소통이 가능하며, 간단하고 저렴한 인터페이스를 사용할 수 있음 • 센서 모듈에서 애플리케이션을 위한 프로세서가 더 필요해지며, 크기는 커지고 값이 비싸지고, 더 많은 전력을 필요로 하고, 의사처리를 직접 해야 되기 때문에 기능 안전 요구 사양도 더욱 커질 수밖에 없고, 센서 추가에 따른 비용 증가 폭도 커짐 • 중앙 ECU는 이미 처리된 오브젝트 데이터만 융합하기 때문에 처리 능력의 요구가 줄어들고, 모듈이 작기 때문에 전력 요구도 감소 • 중앙 의사 결정 ECU는 실제 센서 데이터에 접속하지 못하며 처리된 데이터만 가지고 있어, 데이터를 활용한 새로운 센싱이나 활용이 어려움 90/106 자율주행차 주요 장치 : 센서퓨젼 u 센서퓨젼의 운영 방식: 하이브리드 방식 • 차량이 요구하는 바에 따라 둘을 적절히 혼합하면 최적화된 방식 • 최근 대부분의 많은 센서 퓨전 시스템은 레이더, 라이다와 머신 비전 등을 위한 전면 카메라에는 개별 처리 기능이 있는 센서를 사용 (완전 분산 방식) • 서라운드(Surround) 뷰, 리어(Rear) 뷰 카메라 같은 시스템을 위한 센서 모듈은 비디오를 중앙 ECU에서 사용할 수 있게 해 주는 중앙집중방식 사용 • ADAS는 정보(Information)와 기능(Functional) 두 가지가 존재 à 정보는 운전자의 감각을 연장해 운전자가 차를 완전히 제어할 수 있도록 하는 것 ex: 서라운드 뷰, 야간 시력 à 기능은 머신 비전으로 자동차가 환경을 인지하고 자체적으로 결정이나 조치하는 것 ex: AEB(자동긴급제어)나 LKA(차선이탈방지보조) 91/106 자율주행차 주요 장치 : 센서퓨젼 u 테슬라의 패기: 비싸고 사용하기 어려운 라이다는 바보들이나 쓰는 장치 • 테슬라는 최근 북미에서 모델3와 모델Y의 레이더까지 제거, 8개의 카메라로 주행보조시스템 설계 à 8대의 카메라가 입체적으로 촬영하면 물체의 형태와 거리를 측정할 수 있다는 논리 • 현재 출시되는 라이다의 개당 가격은 500~1000달러(약 56만~110만원)로 5만~10만원에 불과한 레이더나 카메라보다 훨씬 고가임 92/106 자율주행차 주요 장치 : 센서퓨젼 u 테슬라의 패기: 비싸고 사용하기 어려운 라이다는 바보들이나 쓰는 장치 • 2019년 평가와 2021년 평가의 차이는 레이더의 차이 때문일까? • 결국 언젠가는 테슬라도 다시 레이더를 들고 돌아오지 않을까? 93/106 목차 v 미래 모빌리티 관련 주요 기술 동향 v 전기차 반도체 부품 v 자율주행차 반도체 부품 v 미래 모빌리티의 인포테인먼트 94/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 95/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 u 미래 모빌리티 인포테인먼트의 Key는 디스플레이! • 현재 출시되는 차량은 모두 한두개의 디스플레이만 장착하여 모든 것을 컨트롤 • 자율주행차 시대에서는 이동하는 동안 디스플레이를 통해 시간을 소비 96/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 u 미래 모빌리티 인포테인먼트의 Key는 디스플레이! • 초 고성능 대형 태블릿을 통해 자동차 전체를 컨트롤하는 방식 • 높은 신뢰성과 빠른 반응성이 필수 97/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 u 미래 모빌리티 인포테인먼트의 Key는 디스플레이! • 차량용 디스플레이 시장의 규모는 5년 동안 50% 이상 성장할 예정 98/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 u 미래 모빌리티 인포테인먼트의 Key는 디스플레이! • 자동차 실내에서 제일 많이 보이는 영역은? 99/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 u 디스플레이의 종류 • 현재 자동차에 널리 사용되는 디스플레이의 유형으로는 액정표시장치(LCD, Liquid Crystal Display)와 유기발광 다이오드 두 가지 유형 • LCD는 패널 자체에서 빛을 내지 않고 패널 뒷면에 비치된 백라이트로 빛을 냄, 차량 대부분 사용 • OLED는 스스로 빛을 내는 자발광 소자로 백라이트가 없어 박형으로 제조가 가능하여, 유연 디스플레이에 적용하기 쉬운 장점 100/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 u 디스플레이의 종류 • TFT: Thin Film Transistor • 유리기판 위에 silicon 증착을 통해 TFT 소자 제작 à OLED에서는 유기물 발광을 위한 에너지 공급, LCD에서는 액정 배열 역할 • Silicon 박막에 따라 세 가지의 TFT로 나뉨 101/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 u amorphous-Si vs. LTPS • amorphous-Si 위에 열처리 공정을 가하면 LTPS(Low Temperature Poly Silicon)가 됨 • 유리기판의 경우 열처리가 불가하여 레이저를 이용하여 형성 (ELA) • LTPS는 공정이 까다로움 102/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 u 미래 모빌리티 인포테인먼트의 Key는 디스플레이! • 투명 디스플레이는 미래의 이야기일까? • 지난해 7월부터 운행을 시작한 XR버스 양쪽 창문에 55인치 투명 OLED 디스플레이 12대를 탑재해 대표 관광지인 수원 행궁을 실제 정조대왕 행차 장면을 결합한 증강현실로 여행해볼 수 있도록 설계 • LG디스플레이는 투명 OLED 투과율을 40% 수준으로 끌어올려 상용화하는데 성공했다. 이미 45% 수준으로도 개발을 마친 상황 103/106 미래 모빌리티의 인포테인먼트 u 미래 모빌리티 인포테인먼트의 Key는 디스플레이! • 투명 OLED를 승용차에 본격적으로 적용하기에는 5년 이상 소요 예정 • 운전을 하는 전면 유리에 필요한 투과율은 70% 이상, 여기에 필요한 투명 OLED를 양산하기까지는 시간이 필요한 상황 • 일반적인 OLED에서는 빛을 외부로 보내는 양극은 투명한 소재를 사용하는 반면 음극은 알루미늄 등을 써왔으나, 투명 OLED에서는 색을 표현하는 부분을 제외한 양쪽 모두를 투명한 소재로 채택 • 투명전극은 ITO(Indium Tin Oxide,산화인듐주석) 주도, 그래핀, CNT(Carbon Nano Tube,탄소나노튜브), Ag nanowire가 차세대 주자로 주목받는 중 à 80% 이상의 투과도 + 면저항 500Ω/sqm이하 104/106 자율주행차 주요 장치 105/106 감사합니다. Q&A 106/106
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