미래 모빌리티 첨단 전자부품기술 동향

 

<출처 : KEIT 이슈리뷰 2023-10월호>

 

1. 미래 모빌리티 첨단 전자부품 개요

첨단 전자부품의 성장 동력 이동

• 우리나라의 대표 먹거리 사업 중 하나인 스마트폰 시장이 교체 수요에 의존하는 성숙기 시장으로 진입하고 있다. 미래 모빌리티 시장은 기계산업 중심의 내연기관차에서 전자산업 중심의 전기차와 자율차로 시장이 빠르게 전환되면서 관련 시장이 급격히 성장하고 있다.

그림 1. 전기·전자부품 수요 시장의 이동

 

• 내연기관차를 포함한 전체 자동차 부품 시장에서 전장 부품 원가는 지속적으로 증가(40%, 2020년)하고 있으며, 전기차의 경우 약 70% 수준까지 상승할 것으로 예측된다. 이에 따라 전기차 내 전장 부품 시장은 914억 달러(2021년)에서 3,748억 달러(2025년)로 연평균 42.3%의 가파른 성장이 예상된다.

그림 2. 전장 부품의 원가 비중 및 전장 부품의 시장 전망

 

• 국내 핸드폰과 TV 등 기존 IT 부품의 주요 제조사들은 이미 전장 부품 산업을 핵심 新성장 동력으로 파악하고 사업 포트폴리오를 전환하거나 전환 중이다. 대표적으로 삼성과 LG의 전장용 유연 디스플레이와 삼성전기와 LGI의 전장용 수동 소자, 카메라 모듈 등을 들 수 있다. 모빌리티용 전자부품의 고성능·고품질·고신뢰성 요구 사양은 가전용 전자부품 대비 기술적 진입 장벽이 높아 단기 투자를 통한 시장 진입이 어렵다. 그러나 모빌리티 산업의 높은 성장성을 고려하여 지속적으로 시장 진입을 위한 투자를 이어가고 있다.

그림 3. 국내 IT 부품사의 전장품向 매출 비중

 

첨단 전자부품의 미래 모빌리티 안전·통신·전력 계통에의 적용

• 첨단 전자부품은 미래 모빌리티의 안전·통신·전력 등 계통별 적용 범위가 다양하고, 새로운 부품을 창출하거나 기존 부품의 특성을 향상시켜 신뢰성을 고도화하는 방향으로 개발이 진행되고 있다. 인공지능과 딥러닝 기술이 적용되는 미래차의 완전자율주행 실현을 위해서는 ECU(Electrical Control Unit)의 연산 고도화와 더불어 인지(센서) 기능의 민감도 향상 및 장기 신뢰성 확보가 필수적이다. WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment), C-V2X(Cellular-Vehicle-To-Everything) 등 V2X 통신 기술 융합 자율협력주행을 위해서는 SW 인프라 뿐만 아니라 차체 내부 및 외부(인프라, 차량, 사람)와 무선 통신을 할 수 있는 통신 모듈이 다양한 확장성을 가져야 한다. 또 차체 경량화, 공간 활용 효율 향상, 배터리 고밀도화 및 전력 효율 극대화 등 전기차의 주행 성능 향상을 실현하기 위해서는, 고전압과 고온에서도 신뢰성이 확보될 수 있는 전장용 수동 부품(MLCC, Inductor)의 고용량·고밀도화·소형화 기술이 필요하다.
• 본 보고서에서는 미래 모빌리티 첨단 부품 가운데 안전 기술 분야인 비노출 인식 센서, 통신 기술 분야인 투명 전극 안테나, 전력 기술 분야인 파워인덕터 및 칩인덕터에 대해 기술적·산업적 동향을 구체적으로 다루고자 한다.

그림 4. 미래차 요구기술 및 첨단 전자부품

 

 

2. 미래 모빌리티 첨단 전자부품 : 비노출 인식센서 비노출 인식센서의 특징

 

• 기존 차량에서 인식센서는 차량 외부로 도출된 반면, 미래 모빌리티의 경우 초음파 센서를 차량 외장재(범퍼, 펜더, 도어, 트렁크 등) 내부에 실장하여 안전성을 확보함과 동시에 비용 절감과 차량 디자인 개선을 추진하고 있다. 기존 노출형 초음파 센서는 초음파 소자가 하우징 구조와 일체화되어 발진(Actuating)과 감지를 하는 형태였으나, 무인·미래차의 높은 안전 사양 대응을 위해서는 전후방과 좌우 측면에도 적용이 필요하다.
  
  

그림 5. 노출형 및 비노출형 인식 센서

 

비노출 인식센서 산업현황

 

• 차량 외부환경에 대한 안전성*과 내구성** 강화를 위해 비노출형 사물 인지 센서에 대한 수요가 증가하고 있다. 일부 해외 자동차 제조사는 이미 상용 차량에 비노출형 사물 인지 센서를 채용하고 있다. 중국의 샤오펑은 전기차 모델 P7의 가위문(Scissor Door)에 비노출형을 고려하였으나 기술력 부족으로 인해 현재 노출형 48㎑ 사물 인지 안전 센서를 장착하여 판매하고 있다. 미국의 테슬라는 전기차 모델 X에 자동 조종 기능을 위한 근접 센서와 날개문(Wing Door) 자동 개폐를 위한 사물 인지 안전 센서를 비노출형으로 장착해 최초로 상용화했다. 테슬라와 샤오펑 등 글로벌 선도 기업의 비노출형 센서 적용에 따른 파급 효과로 해당 기업의 후속 모델과 경쟁 모델로의 보급 적용이 확대될 것으로 전망된다. 또한 해당 기술이나 유사 기술을 보유 중인 국내 전문기업***들의 관심도 높아지고 있다.

* 일정 거리 이내 사물 인지시 문 열림 방지

** 주행 중 외부 물체와의 접촉으로 인한 부품 성능 저하 또는 파손 방지

*** 한화시스템, LG이노텍, (주)나노신소재, 코오롱티슈진, 엘에스일렉트릭(주), (주)이에스이 등

그림 6. 노출형과 비노출형 센서 장착 차량의 비교

• 기존 노출형 초음파 센서는 초음파 소자가 하우징 구조와 일체화되어 발진과 감지를 하는 형태이다. 향후에는 디자인 자유도와 주변 환경에 대한 내구성 제고 등의 목적으로 비노출형 인식 센서가 필수적으로 장착될 것으로 전망된다. 비노출형 센서는 차체를 하우징으로 이용하는 구조로, 노출형 센서 대비 소재, 소자, 부품의 고성능, 고신뢰 특성 확보가 필요하다. 현재 국내 제조사들은 주로 노출형 센서를 제조하여 국내외 자동차 제조사에 납품 중이며, 비노출형 센서에 대한 기술 개발은 미흡한 상태다.

표 1. 국내 노출형 센서 제조사의 제품 현황

 

비노출 인식센서 기술현황

 

• 비노출형 센서는 노출형 센서 대비 소재와 소자 측면에서 발진(액추에이팅), 인지(센싱) 특성이 우월해야 하고 차체와 매칭되는 패키징 및 실장 제조에 대한 기술 개발도 필요하다. 소재 특성 개선은 무라타제작소(日), 베이징대(中), 버지니아공대(美) 등이 연구 중이며, 자동차용 부품은 테슬라(美)가 선도하고 있다. 실제 버지니아공대는 압전세라믹(Piezoelectric Ceramics) 소재의 결정립 배향 공정 기술을 이용한 初고변위 특성을 갖는 초음파 소자 연구를 발표했다. 테슬라(美)는 차체 내장된 초음파 센서의 진동, 노이즈, 온도 변화, 부착 물질 대응 등 장착 환경에서 발생하는 간섭 신호의 보상과 처리를 위한 알고리즘 및 성능 최적화 기술에 관한 연구를 진행 중이다.

표 2. 기존 기술과 개발 기술의 비교

• 현재 국내 모빌리티용 인식센서 기술은 해외 선도 기업보다 미흡한 상황이다. 해외 선도 기업에서 선제적으로 비노출형 센서를 시장에 출시할 경우 국내 인식센서 부품 시장의 급격한 축소 및 상실의 위기와 동시에 향후 미래 모빌리티 산업 공급망에 위협 요인이 될 것으로 우려된다.

 

3. 미래 모빌리티 첨단 전자부품

투명전극 안테나 투명전극 안테나의 특징

• 자율차의 V2X 통신을 위해 차량 유리에 통신용 안테나를 직접 패터닝(형성)하는 투명 전극 안테나 기술로, 기존 외부 돌출형 샤크핀 타입 안테나의 형상과 배치 한계를 극복한 차세대 모빌리티 안테나 부품이다.

그림 7. 기존 샤크핀 안테나와 투명 전극 안테나

 

투명전극 안테나 산업현황

• 미래 모빌리티 안테나는 차량 외부 돌출형보다는 곡선 및 유리에 쉽게 장착될 수 있는 투명전극 안테나의 장착이 더 확대될 것으로 전망된다. 투명전극 안테나는 우수한 광학 투명도, 높은 감도, 최소한의 설치 체적으로 창이나 디스플레이 패널의 표면에 쉽게 통합할 수 있는 장점 때문에 미래 모빌리티의 주요 부품으로 적용될 것으로 예상된다. 그러나 실제 모빌리티에 적용하기 위해서는 차량 내 다른 전도성 부품이나 센서와 분리되어야 하며, 올바른 방법으로 사용하지 않으면 효율성이 크게 저하된다. 그러므로 자율운행 단계의 진화에 맞추어 자동차 외부와의 통신이 끊기지 않고 안정적 상태를 유지해야 하는 기술적 문제부터 해결해야 한다.

그림 8. 자동차에서 안테나의 배치 가능 위치

 

• 나노 카본, 금속 나노 와이어 등을 이용한 나노 패턴은 투명전극 안테나의 효율과 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 소재를 적용한 투명필름의 개발은 차량용 투명안테나의 적용 시기를 앞당기고 수요를 증가시킬 것으로 기대된다. 아사히글래스(日)는 2020년 6월 NTT 도코모와 공동으로 5G용 유리부착형 안테나인 ‘WAVE ATTOCH’를 개발했고 2021년에는 건물 유리창의 안쪽에 설치한 유리 안테나를 천장 뒤에 위치한 무선 장치와 케이블로 접속하여 넓은 각도로 발신 가능한 와이드 빔 형태의 안테나를 제안했다. KDDI(日)는 2017년 일본전업공작과 공동으로 TDK의 투명 전도성 필름을 사용한 가시광선 투과 안테나를 세계 최초로 개발했다. NTT 도코모(日)는 2019년 광케이블, 동축 커넥터, 전선 및 무선기기와 연결된 투명안테나를 실제 유리창에 부착하여 시연하기도 했다.

표 3. 해외 투명안테나 개발 사례

• 국내 투명안테나 개발은 통신 업체와의 협업을 통해 기술력 있는 중소기업 중심으로 진행되고 있다. 그러나 전장용 투명안테나는 아직 시제품 개발 단계에 있다. 최근 SK텔레콤, LG U+, KT 등의 이동통신 업체들이 투명안테나를 적용한 5G 기지국 시제품을 개발하고 있다. 현대자동차는 관련 업체들과의 기술협력을 통해 시인성이 확보된 투명안테나를 적용한 시작품 단계의 안테나 모듈을 개발하고 있다. 양산기술 확보를 위해서는 단순 평면구조가 아닌 곡면구조에서 격자구조의 메탈 메시가 안정적인 내구성과 견고성을 가질 수 있도록 추가기술 개발이 필요하다.

 

투명전극 안테나 기술현황

• 미래 모빌리티용 투명전극 안테나는 구조나 전극 설계에 따라 동작 주파수와 투명도가 달라지며, 곡면에 맞는 투명소재 및 전극메시 설계기술 개발이 필요하다.
• 캐나다 퀘벡대에서는 얇은 보호막을 적용하면서도 70% 이상의 투명도를 보이는 투명안테나를 개발했다. 매우 정교한 메시를 사용해 27∼35GHz 대역 사이에서 동작하며, 기본적인 토폴로지 (Topology)를 제공하여 주기 구조의 필터 특성을 이용하므로 원하는 주파수 신호를 자유롭게 선택 가능하다고 알려져 있다.

그림 9. 밀리미터파 대역의 주파수 선택형 투명 안테나 예시

• 미국의 빙햄턴대와 GM은 Flexible glass와 Cu 투명전극을 Roll-to-roll 공정으로 제작한 투명전극 안테나를 실제 자동차에 탑재하여 안테나 성능을 평가했다.

그림 10. Flexible glass 및 Cu 투명 전극으로 제작된 투명 전극 안테나 실차 평가

 

4. 미래 모빌리티 첨단 전자부품

 

파워인덕터와 칩인덕터 전장용 인덕터(파워인덕터, 칩인덕터)의 특징

• 전기동력 기반 미래 모빌리티 산업에서, 소형화와 효율향상이라는 경쟁력 확보를 위해 고주파 파워인덕터, 칩인덕터 등 전기에너지를 변환·저장하는 전력 전장용 인덕터 부품에 대한 기술개발 역량을 고도화하고 있다.
• 전장용 수동부품은 미래 모빌리티 시장 선점을 위해 가혹한 동작 환경*에서 안정적 특성 유지가 가능한 초격차 하이엔드 부품을 중심으로 기술개발이 진행 중이다.

* 높고 광범위한 동작 온도, 고전압, 대전류, 고진동/충격 환경 등

• 모빌리티 내 전기에너지 사용량의 증가에 따라 탑재형 충전기(OBC)나 저전압 컨버터(LDC) 등 전력 전장품의 고용량화 개발이 진행되고 있다. 파워인덕터는 주로 고용량의 구동계 및 충전계통에 적용되며, 칩인덕터는 고주파의 자율주행 제어계 및 통신과 센서 계통에 적용되고 있다.

그림 11. 칩인덕터와 파워인덕터의 용량과 주파수 특성 및 적용 대상

 

전장용 인덕터(파워인덕터, 칩인덕터) 산업현황

• 글로벌 파워인덕터 시장은 하이브리드차, 전기차, UAM 등 미래 모빌리티의 전기동력화 확산 기조에 따른 전력전장부품의 시장 확대와 함께 급성장하고 있다.
• 일본 TDK社와 TDK의 독일 자회사인 EPCOS는 자성체 설계 제조기술 및 다양한 제품군을 기반으로, 모빌리티용 고용량·고부가가치 파워인덕터 시장을 선도하고 점유율을 확대하고 있다.
• 독일 Würth Elektronik社는 전기·전자·자동차 산업용 부품 제조업체로, AEC Q200 인증을 획득한 사용온도 범위가 넓고 공차가 적은 파워인덕터 제품을 보유하고 있다. 미국의 Bourns는 자동차 센서, 마그네틱 부품 등 차량 부품 제조업체로 IATF 16949 적합 차량용 부품을 제조하여 신뢰성을 확보하고 있다.

그림 12. 전기차에 적용된 파워인덕터 및 파워변압기(Tesla model 3)

그림 13. 미래 모빌리티용 파워인덕터 제품

 

• 미래 모빌리티 전장부품의 전력효율 제고를 위한 광대역 임피던스와 고전류 성능이 조합된 초소형 칩인덕터가 전력 전장부품 선도기업에서 잇따라 출시되고 있다. TDK는 고정밀 박막 다층기술을 적용하여 수 uH 이상의 인덕턴스를 갖는 칩인덕터를 개발했으며, 높은 투자율과 손실이 적은 새로운 자성소재를 적용하여 저손실 고효율을 달성했다.

표 4. 미래 모빌리티용 칩인덕터 개발 현황

• 국내 자동차업체에 전력 전장품을 공급하는 기업은 연계성이 높은 1차·2차 협력사가 다수이다. kW급 대용량 파워인덕터나 전장용 칩인덕터를 공급하는 업체는 제한적으로, 수요 대비 국내 공급망이 미흡한 실정이다. 국내 완성차 업체로의 전력 전장품 공급에, 1차·2차 협력사에 해당하는 국내 중소·중견기업이 일부 참여하고 있으나, 대용량의 파워인덕터나 변압기를 공급하는 업체는 해외로부터 핵심 구성요소인 코어와 권선을 수입하여 조립·공급하는 실정이다. 모바일 기기나 소형 IT기기용 칩인덕터는 대부분의 제품군을 국내 대기업이나 중소기업에서 양산하고 있으나, 모빌리티 적용을 위한 칩인덕터는 Automotive 신뢰성 규격(AEC-Q200) 준수 등 높은 진입장벽으로 인해 양산 중인 제품군은 협소하다.

 

전장용 인덕터(파워인덕터, 칩인덕터) 기술현황

• 미래 모빌리티 제조업체(OEM)는 전력부품의 고전력밀도화와 고주파화가 가능한 인덕터 부품을 요구하고 있으며, 이로 인해 전장부품 기업들은 고온·고주파 조건에서도 손실폭을 줄일 수 있는 소재와 제조기술 개발에 집중하고 있다.
• 포화 자속밀도 및 투자율 향상을 위한 전문소재 개발로 전력 전장부품의 고주파 성능을 확보하는 기술이 부각되고 있다. 다만 자성재료의 히스테리시스(Hysteresis) 손실 저감을 위한 투자율 제어기술, 입계(粒界) 절연층 형성을 통한 와류손실 저감기술 개발 등이 주요 이슈다.

표 5. 자성 소재별 온도 특성 분석 기술의 사례(TDK)

• 2010년 초부터 일본 기업들을 중심으로 페라이트 칩인덕터의 한계를 극복하기 위해 Metal Composite 소재 변경을 통한 칩인덕터 개발이 활발히 진행되었다. 수년 전부터 다양한 제품군에 적용하기 위한 칩인덕터 제품 출시가 진행되고 있다. 해당 제품들은 기존 소재로서는 동작하기 어려운 -50°C~+150°C 온도 환경(AEC-Q200, Grade 0)에서 0.10~100μH의 용량특성 구현이 가능한 것으로 알려져 있다.
• 국내의 경우 모빌리티 전력 전자부품용 공급망 확보를 위해서는 국내 중소·중견기업의 전력 전장부품 제조기술 개발과, IT용 제품보다 가혹 환경조건에서도 성능이 보장되는 신뢰성기술 개발이 필요하다(AEC 규격 만족 등). 파워인덕터는 kW급 파워인덕터와 변압기의 200kHz 이상 고주파수 동작을 위해 직경 0.1mm 이하의 극세선으로 구성된 권선 제조기술이 요구된다. 그러나 현재 국내 기술 수준은 저주파수용으로 제한된 수준이다. 칩인덕터는 최근에 국내 대기업(삼성전기)에서 전장용으로 일부 제품군의 양산을 시작하였으나, 모빌리티용 제품군 Line-up 확충을 위한 요소 기술 및 공정 기술 개발이 시급한 실정이다.

 

5. 맺음말

 

향후 첨단 전자부품은 미래 모빌리티 시장에서 성장

• 지능화(AI), 연결성(IoT)을 활용한 4차산업 혁신기술이 주요 산업에 빠르게 확산 중이며, 전자정보통신 및 전자부품 산업은 가전과 핸드폰에서 미래 모빌리티 전장부품으로 빠르게 전환되고 있다.
• 삼성과 LG 등 국내 전자 분야 대기업 및 전자부품 제조사들은 전장사업 부문을 신설·확대하여 고부가가치 대형 시장을 준비 중이다. 협력 생태계의 전문 중소기업들 또한 제조 경쟁력 강화와 부문별 특화 신시장의 기회를 미래 모빌리티 전장부품에서 탐색하고 있다.
• 미래 모빌리티 전자부품은 안전, 통신, 전력, 조향, 제어 등 다양한 세부 분야로 적용이 확대되고 있으며, 자율주행 자동차의 시장수요 확대로 인해 관련 전자부품 수요도 급격히 증가할 것으로 전망되고 있다.
• 따라서 본고에서는 미래 모빌리티 안전, 통신, 전력 분야에 핵심적으로 적용되는 대표적 전자부품 (비노출형 인식 센서, 투명 전극 안테나, 파워인덕터와 칩인덕터) 중심으로 기술·산업 현황을 분석하여 모빌리티向 첨단 전자부품의 특징을 설명하였다.

 

미래 모빌리티 첨단 전자부품은 高기능·高품질·高신뢰성이 필수

• 기능성과 편의성 중심의 IT 기기와 달리 모빌리티(자동차)는 안전 및 구동 사양에 있어 高품질·高신뢰성 확보를 위한 기술 진입 장벽이 존재한다. 국내 전자부품 기업의 글로벌 전장부품 시장 진출과 시장점유율 확대를 위해서는 소재, 설계, 제조, 패키징, 모듈화 등 다양한 요소기술 개발이 필요하다.
• TV, 핸드폰, 자동차 등 글로벌 선도 지위를 확보해 온 우리나라 전자산업의 기술과 제조 경쟁력을 기반으로 선도 산업의 초격차 유지와 동시에 고부가가치 신시장 선점이 유망한 전자부품의 핵심 및 원천 기술을 적기에 확보하기 위한 정부 R&D 지원과 모빌리티 전자부품 산업의 생태계 육성이 시급한 것으로 파악된다.

 

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