L2+ 자율주행 구현을 위한 핵심 센서 ‘4D 이미징 레이더(RADAR)’
4D 이미징 레이더 기술의 등장으로 자동차 센싱 및 자율주행 기술의 발전시기와 경제성이 재편되고 있다. 이 기술은 L0(레벌0) 단계에서 완전 자율주행 L5(레벨5) 단계로의 진화 과정에서 중요한 전환점을 마련하고 있으며, 환경을 정밀하게 매핑할 수 있는 새로운 능력을 통해 차량의 인지 및 센싱 역량을 획기적으로 향상시킨다. 그 결과 기존에는 카메라와 라이다(LiDAR)에 집중됐던 센서역할에 대한 업계의 기대치가 레이더(Radar) 중심으로 재정립되고 있다.
이미징 레이더는 다양한 성능 및 신뢰성 지표에서 라이다와의 격차를 좁혔으며, 일부 영역에서는 라이다를 능가하는 수준에 도달했다. 특히, 레이더는 라이다 대비 훨씬 상업적인 비용 구조에서 이러한 성능을 실현하고 있어 라이다가 해당 수준을 따라잡을 수있을지에 대한 의문도 제기되고 있다.
자율주행 단계별 차이
4D 이미징 레이더가 ADAS 및 자율주행(AD) 기술에 어떤 영향을 미칠 수 있는지를 이해하려면, 이를 SAE의 자율주행 5단계와 연계해 살펴보는 것이 도움이 된다. L2 단계에서는 운전자의 지속적인 주의가 요구되며, 사고 발생 시 책임은 운전자에게 있다. 하지만 L3 단계부터는 차량 내 탑재된 안전 자동화 시스템이 충분히 신뢰할 수 있어야 하며, 이로 인해 사고가 발생했을 경우 제조사(OEM)가 법적 책임을 지게 된다.
또한 L3와 L4/L5 사이에도 중요한 차이가 존재한다. L3 단계에서는 특정 상황에서 운전자의 개입이 필요하지만, L4와 L5에서는 운전자의 개입이 아예 필요하지 않거나, 기술적으로 불가능한 경우도 존재한다. 최소한 L4 및 L5 차량은 어떠한 상황에서도 스스로 안전하게 정지할 수 있어야 한다는 것이 기본 전제다.
이처럼 자율주행 단계가 올라갈수록 운전 책임이 차량 시스템에 점점 더 많이 전가되며, 이에 따라 시스템 전반에 걸쳐 중복 설계 (redundancy)가 필수적으로 요구된다. 예를 들어 L3 차량에서는 운전자가 위급 상황 시 차량 제어권을 넘겨받을 수 있어야 하며, 이 과정에는 최대 1분 가량의 전환 시간이 소요될 수 있다.
결국, L3 수준을 충족하기 위해 차량 1대에 얼마나 많은 카메라, 레이더, 라이다 센서가 필요하고, 그 구성이 L2 차량대비 어떻게 달라지는지는 OEM의 제조원가에 막대한 영향을 미치는 핵심 변수가 될 것이다.
이러한 배경은 L2+ 기술의 부상을 이해하는 데 큰도움이 된다. L2+는 OEM들이 기존 L2 대비 비용 부담을 최소화하면서도, 고객에게 L3 수준에 근접한 첨단 ADAS 기능을 제공할 수 있는 현실적인 해법으로 자리 잡고 있다. 무엇보다도 책임 주체가 운전자에서 제조사로 전가되는 L3의 법적 문턱을 넘지 않으면서도, 사용자 경험은 크게 개선할 수 있다는 점에서 L2+는 매력적인 대안인 것이다.
<그림1> 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 및 자율주행 단계
L2+, 자율주행 경쟁의 격전지
OEM 입장에서 L2+는 L3에서 요구되는 높은 중복 설계 비용과 예외 상황(Corner Case) 대응 부담을 피할 수 있는 현실적인 대안이다. 이러한 비용은 자칫 L3 차량의 시장성 자체를 저해할 수있는 수준이기 때문이다. 또한 L2+는 OEM들이 고급 안전 및 편의 기능을 단계적으로 도입할 수 있게 해주며, 이를 통해 센서 기술이 더 상용화되기까지 시간을 벌 수 있는 장점도 제공한다.
시장조사기관 Yole Development에 따르면, L4/L5 자율주행차의 시장 점유율은 2030년까지도 한 자릿수에 머무를 것으로 예측되며, 이 중 일부는 로보택시와 같은 형태로 사용될 것으로 보인다. 반면 L0~L2 차량의 비중은 점차 줄어들고, L2+ 차량은 지속적으로 확대되어 2030년경에는 전체 차량 시장의 약 50%를 차지할 것이라는 전망이다. 이에 따라 L2+는 향후 10년간 자동차 산업의 중심축이 될 가능성이 매우 높다.
<그림2> 자율주행 기술 시장 진입률 전망 (2021–2030년)
3가지 센서, 단일 해법은 없다
ADAS 및 자율주행(AD)을 가능하게 하는 핵심 센서기술인 카메라, 레이더, 라이다는 각각 고유한 강점과 약점을 갖고 있으며, 서로를 보완하거나 중복 기능을 제공할 수 있다. 특히 4D 이미징 레이더의 진가는 이들 센서를 종합적으로 분석할 때 더욱 분명해진다.
카메라와 레이더는 기술 성숙도와 비용 효율성 덕분에 이미 광범위하게 활용되고 있다. 반면, 라이다는 카메라나 레이더와 직접적인 기능 보완성은 떨어지며, 주로 이들을 보완하는 중복계층으로 활용될 가능성이 크다.
카메라는 RGB 컬러 인식과 고해상도 덕분에 교통표지 인식 등 정밀한 객체 식별에 필수적이다. 하지만 조명 변화나 악천후, 도로 환경에서는 신뢰성이 떨어진다. 최근에는 렌즈의 습기나 이물질을 자동으로 제거하는 기술도 등장했지만, 이는 비용 증가와 시스템 복잡성, 기계적 취약성을 초래할 수 있다.
또한 카메라는 거리 및 속도 측정 능력이 제한적이다. 스테레오 카메라를 통해 속도와 깊이 정보를 얻을 수는 있으나 정확도는 낮으며, 이 한계는 레이더가 보완한다.
복잡한 상황에 강한 ‘라이다’
라이다(LiDAR)는 수평 및 수직 방향 모두에서 서브디그리급의 정밀한 각 해상도와 긴 거리에서도 뛰어난 분해능을 제공하는 것이 가장 큰 차별점이다. 이는 짧은 파장과 펄스를 이용한 덕분으로 고해상도 3D 환경 매핑에 적합하며, 자율주행 차량이 주행 가능한 공간, 경계선, 자차 위치를 정밀하게 파악할 수 있도록 돕는다.
그러나 라이다도 카메라와 유사한 한계를 갖고 있다. 속도 추정이나 장거리 물체 인식면에서는 레이더보다 성능이 떨어지며, 악천후나 도로 상태에 대한 민감성으로 인해 견고성과 유지보수 측면에서 더 높은 비용이 발생한다.
최근 몇 년간, 솔리드 스테이트 라이다, MEMS 라이다, 전자식 스캐닝 라이다 등 새로운 기술들이 등장하며, 라이다의 소형화, 비용 절감, 견고성 향상을 목표로 발전하고 있다. 이들 기술은 기존 기계식 회전 라이다에 비해 개선된 면이 있지만, 여전히 다른 ADAS 센서에 비해 성숙도 측면에서는 시간이 더 필요하다.
가장 큰 보급 장벽은 여전히 가격이다. 한 완성차 업체의 평가에 따르면, 2021년 기준 소량 생산 시 라이다는 4개 레이더 트랜시버를 탑재한 이미징 레이더보다 약 10배 더 비쌌다. 시간이 지나며 양쪽 모두 가격이 하락하겠지만, 2030년까지도 라이다는 레이더의 약 두 배 수준의 비용을 유지할 것으로 전망된다.
레이더, 4D 이미징 기술로 도약하다
레이더는 다양한 센서기술 중에서도 속도와 거리 측정에 있어 가장 높은 정확도를 자랑한다. 라이다가 드문 간격으로 배치된 레이저 빔으로 장면을 비추는 반면, 레이더는 장면 전체를 빈틈없이 조사한다. 이로 인해 라이다는 장거리에서 작고 세밀한 객체를 놓칠 수 있지만, 레이더는 장거리 상황에서도 훨씬 더 안정적인 성능을 발휘한다. 최근 레이더의 탐지 범위는 300m에 이르렀으며, 앞으로는 그 이상까지 확장될 전망이다. 이는 카메라나 대부분의 라이다가 제공하지 못하는 수준이다.
게다가 레이더는 빛이나 날씨에 영향을 받지 않는다. 비, 눈, 안개 같은 악천후 상황에서도 성능저하없이 작동하며, mmWave 주파수를 사용해 차량 범퍼 같은 유전체 재료도 투과할 수 있어 별도의 개구부 없이도 설치가 가능하다. 이는 내구성과 디자인 측면에서도 유리하다.
레이더의 단점은 색상 정보 획득이 불가능하고, 카메라나 라이다에 비해 각도 해상도가 낮다는 점이다. 하지만 최근의 4D 이미징 레이더는 각도 해상도를 획기적으로 개선하면서 이 격차를 줄이고 있다. 특히 레벨 5 완전 자율주행을 목표로하는 기술발전 속에서, 4D 이미징 레이더는 기존 센서 구성의 주요 역할을 대체하거나 보완할 수 있는 잠재력을 입증하고 있다.
기존의 자동차용 레이더는 일반적으로 방위각과 고도각을 구분할 수 없었지만, 4D 이미징 레이더는 두 방향 모두의 도착 각과 거리까지 정밀하게 계산할 수 있다. 기존 레이더가 5~8도 수준의 각도 해상도를 제공하는 반면, 4D 이미징 레이더는 1도 이하의 정밀한 해상도를 구현한다.
<그림3> 단거리, 중거리, 장거리 동시 감지를 위한 3중 빔 멀티모드 운용
<그림4> 4D 이미징 레이더가 도심 환경에서 움직이는 객체들의 속도 및 거리를 인식하는 모습을 시각적으로 표현한 것.
4D 이미징 레이더는 단일 모드가 아닌, 근거리부터 최대 300m에 이르는 장거리까지 모든 거리대역을 동시에 감지할수 있는 멀티모드 감지능력도 갖췄다. 예를들어 터널 진입이 안전한지, 주행 차선의 장애물을 넘을 수 있는지 판단하는 등 기존 레이더로는 불가능했던 고차원적인 의사결정도 가능하게 만든다.
또한, 최대 300m 전방까지 정지된 물체와 움직이는 물체를 구분하고 추적할 수 있으며, 여러 객체가 밀접해 있어도 개별적으로 감지할 수 있다. 이는 카메라나 라이다의 한계를 넘어서는 수준이다.
상업적으로 실현 가능한 4D 이미징 레이더 기술의 등장은 L2+ 이상 등급의 ADAS 센서 구성에 중대한 변화를 불러올 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 이 기술은 L2+ 수준의 안전 및 편의 기능의 대중화를 가속화할 뿐만 아니라, 궁극적으로 L4 및 L5 완전 자율주행으로 가는 길을 여는 핵심 요소가 될 것으로 기대된다.
카메라, 레이더, 라이다 각 센서기술의 상대적인 강점은 자율주행의 각 단계별로 해당 기술의 역할과 중요도를 결정짓는다. 특히 레이더센서는 모든 단계에서 핵심적인 센서로 자리매김할 가능성이 높으며, L2+와 L3 단계에서는 카메라와 함께, L4와 L5 단계에서는 카메라 및 라이다와 함께 사용되어 상호 보완적인 센서 조합을 구성할 것으로 전망된다.
자료제공: NXP(www.nxp.com)
