스마트카

기존과는 색다른 자동차, 스마트카의 등장

우리가 살고 있는 지금 이 시대는 개인들 간의 연결 가능성이 무궁무진한 세계이다. 낯선 외국에 살고 있는 사람과도 온라인으로 커뮤니케이션할 수 있는 시대이다. 게다가 스마트폰이 등장하면서, 우리는 매일, 매시간, 매분, 매초마다 누군가와 연결된다. 이러한 상황에서 이제는 사람뿐만 아니라, 사물간의 연결, 사물과 사람간의 연결을 가능하게 하는 IoT, 사물 인터넷이라는 말을 한 번쯤은 들어보았을 것이다. 이러한 사물 인터넷의 커다란 흐름 위에, 자동차의 개념 또한 거대한 변화를 맞이하고 있다.

스마트카는 바로 이러한 배경에 의해 등장하게 되었다. 우리나라에서 '스마트카'라는 단어가 널리 사용되기 시작한 이유는 독일의 자동차 회사인 메르세데스 벤츠의 차세대 도심용 전기차인 '스마트'라는 모델의 이름 때문이다. 이 자동차는 기존 자동차와는 색다른 모습으로 사람들에게 다가왔고, 차세대 자동차에 대한 포괄적인 대명사처럼 사용되기 시작했다. 현재 '스마트카'라는 단어에는 여러 가지 자동차에 대한 개념들이 혼재되어 있다. 그 개념들을 2가지로 나누자면 바로 '자율 주행 자동차'와 '무인 자동차'이다.

메르세데스 벤츠의 도심형 소형 전기차 스마트

자동차와 정보통신기술의 융합

현 시대에 없어서는 안 될 자동차! 우리나라 국민들은 3명당 1대의 자동차를 사용하고 있다. 자동차는 우리 삶에서 빠질 수 없는 제품이 되었다. 이러한 자동차는 사용자에게 더 편리한 형태로 발전하다가 스마트 단말기와 자동차가 연동되는 단계에까지 왔다. 스마트 단말기와 연동되어 하드웨어 제어를 포함해, 여러 콘텐츠 사용에 이르기까지 새로운 서비스 플랫폼을 제공해 주며 다른 차량이나 교통 인프라와도 무선으로 통신할 수 있는 발전된 자동차를 커넥티드카라고 한다. 이것이 대표적인 자동차와 정보통신기술(ICT)의 융합 형태이다.

자동차와 정보통신기술의 연결고리

스마트카에는 어떤 기술이 숨겨져 있을까? 첫 번째 기술은 정확한 위치 찾기. 정밀 측위 기술 및 디지털맵 기술이다. GPS는 인공위성을 이용한 측위 기술로 정확한 위치를 알고 있는 위성에서 발사한 전파를 받아 그 전파의 도달 시간차를 계산하여 위치를 측정하게 된다. 현재 총 24개의 GPS 위성이 지구 위를 돌고 있는데, 이 중 4개 이상을 이용하여 3차원적인 위치를 측정할 수 있다. 현재 이 기술은 국가적 업무뿐만 아니라 경제 산업, 과학기술 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며 오차범위는 현재 3미터 이내이지만 앞으로 GPS, 레이더, 각종 센서들이 융합적으로 정보를 수집한다면 그 오차범위는 아주 작아질 것으로 예상된다.

디지털맵 기술은 상용화 중에 있으며 지도라는 방대한 양의 데이터를 모델링하는 데 많은 시간이 소요되어 아직 그 단계가 미미한 것이 사실이지만 전자지도의 도로지도, 바탕지도, 시설물 지도들의 데이터들이 3D화 된다면 운전하는 혹은 디지털맵을 이용하는 이용자들은 실제로 해당 지역에 들어온 듯한 느낌을 받을 수 있을 것이며, 이는 운전자에게 많은 편의성을 제공할 것으로 예측된다.

두 번째 기술은 운전자의 운행 상태를 체크해 주는 시스템! ADAS이다. ADAS(Advanced Driving Assistant System), 첨단 운전자 보조 시스템은 자율 주행 기술의 기초가 되는 시스템이다. 운행 중 위험을 미리 감지하고, 이에 대해 운전자가 반응하기 전에 미리 운전을 제어하는 시스템이다. 예를 들면, 안개가 자욱히 낀 날 앞차도 보이지 않는 상황에서 갑자기 앞에 있던 트럭이 사고가 나면, ADAS는 그 트럭의 이상 상태를 사전에 감지하고 운전자에게 경고를 주거나, 운전자가 당황하여 운전을 잘못하더라도, 트럭에 충돌하지 않게 미리 브레이크를 잡아주는 역할을 한다.

첨단 운전자 보조 시스템, ADAS

어떻게 ADAS를 갖춘 자동차가 앞의 트럭이 사고가 났는지를 알 수 있을까? 바로 자동차 센서와 센서 융합 기술이 적용되었기 때문이다. 센서와 센서 융합 기술은 자동차에 센서를 부착하고 이를 가지고 주변 상황을 인지하는 기술이다. ADAS를 위해서는 여러 가지 기술들이 필요하다. V2V, V2X 통신과 자동차 센서 기술 및 센서 융합 기술, 그리고 정밀 측위 및 디지털 맵 들이다. 이 기술들은 레이더 센서와, 초음파 센서, 카메라 센서를 기반으로 하고 있으나, 향후 자율 주행 시스템을 이루기 위해서는 보다 정교하고 정확하게 상황을 인지할 수 있도록 기존 센서들을 융합하는 센서 퓨전 기술이나 레이저 센서와 같은 새로운 고성능 인지 기술이 필수적이다.

세 번째 기술은 ADAS를 위해서 사용되는 센서 및 센서 융합 기술이다. 다양한 기술에 고성능의 센서가 필요하다고 하는데 과연 센서 기술은 무슨 장점이 있기에 ADAS를 위해서 사용되는 것일까? 센서 기술은 차량이 스스로 주변 상황을 인지하는 데 도움을 준다. 센서 기술에는 레이더^각주2) /라이더^각주3) 기반 센서와 영상 센서가 있다. 레이더/라이더 기반 센서는 운전 중 다양한 대상 물체(또는 장애물)의 거리 및 부피를 측정하여 대상 물체의 정확한 거리와 공간 정보를 인식하는 인식 및 검출 기술이다. 예를 들어, 10미터 앞에 빨간색 오토바이와 파란색 자동차가 있을 때 레이더/라이더 기반 센서는 10미터 전방에 어떤 물체 2개가 있다는 것을 알려준다. 하지만 이 물체가 빨간 오토바이인지, 파란 자동차인지 구분할 수는 없다. 이런 문제를 보완하기 위해서는 영상 센서 기술이 필요하다. 영상 센서 기술은 쉽게 말해서 카메라를 이용해 영상을 녹화하고 이 영상 정보를 가지고 좀 더 완벽하게 주행 상황을 인식하는 기술이다.

레이더 기반 센서 기술

네 번째 기술은 자동차의 대화. 차량 통신 시스템이다. 이 센서들을 장착한 자동차 한 대만 있으면 주변 상황을 파악할 수 없다. 그렇기 때문에 자동차와 자동차 간의 커뮤니케이션이 가능해야 한다. 또한 신호등 앞에서 신호를 대기 중인 자동차는 신호등과 통신을 통해 신호등이 초록불인지, 빨간불인지 알아내야만 한다. 그리고 자동차와 신호등 외에도 여러 가지 다른 사물들과 연결도 필요하다. 그렇기 때문에 차량 통신 시스템(Vehicle Communication System, VCS) 기술이 등장하게 된 것이다. 그런데 통신을 하기 위해서는 메시지를 보내는 사람만 있어서는 안된다. 이 정보를 받을 사람이 존재해야 한다. 그래서 이 커뮤니케이션의 상대에 따라 VCS는 3가지의 분류로 나눌 수 있다. 하나는 차량과 차량간의 통신 시스템(Vehicle-to-Vehicle, V2V)이다. 또 다른 하나는 차량과 모든 사물들과의 연결된 시스템(Vehicle-to-Everything, V2X)이다. 마지막 하나는 차량과 인프라들 사이의 커뮤니케이션 시스템(Vehicle-to-Infrasturcture, V2I)이다.

V2V는 여러분이 타고 다니는 자동차들이 무엇을 하고 있는지를 다른 차들에게 메시지를 보내 알려주는 무선 네트워크의 일종이다. 이 커뮤니케이션에는 자동차가 얼마나 빠르게 달리고 있는지, 어떻게 해서 여기까지 왔는지, 감속을 하는데 얼마나 걸리는지, 그리고 사고의 위험이 있는지를 포함하고 있다. V2V는 단거리 전용 통신(DSRC) 규약^각주4) 을 사용한다.

차량 통신 시스템(V2V)

다섯 번째 기술은 자동차를 문화 · 생활공간으로 활용할 수 있는 인포테이먼트 및 HMI 시스템이다. 운송수단에 불과했던 자동차가 진화를 거쳐 문화 · 생활공간으로 거듭나고 있다. 보다 편리하고 인간 친화적인 첨단 기능들이 속속 등장하면서 가능해진 얘기다. 이러한 기능을 흔히 차량용 '인포테이먼트' 시스템이라고 한다. 운전과 길 안내 등 필요한 정보를 뜻하는 인포메이션(information)과 다양한 오락거리와 인간친화적인 기능을 말하는 엔터테인먼트(entertainment)의 통합시스템이라고 할 수 있다. 특히 차량 내 내비게이션, 오디오와 비디오, 그리고 인터넷을 결합을 넘어 최근 스마트폰과 태블릿PC의 대중화, 정보기술(IT)의 발달로 기술 수준과 시장은 해를 거듭할수록 성장을 보이고 있다.

스마트폰 기반 차량용 인포테인먼트(in-vehicle infotainment, IVI) 시스템은 새로운 차원의 모바일 편리성으로, 자동차에서 바로 휴대용 기기의 컨텐츠에 접속해서 각종 자료와 앱을 자동차 계기판의 헤드 유닛을 통해 이용할 수 있도록 한다. 구글 지도 또는 스마트폰 내비게이션 앱을 자동차 디스플레이 화면으로 전송하여 제어할 수도 있고 운전 중에 음악을 듣기 위해 휴대 장치를 조작할 필요 없이 큰 디스플레이를 이용해 쉽게 조작할 수도 있다. 스마트폰과 연계한 차량용 앱 서비스 제공을 위한 터치 스크린이나 개인용 IT 기기와의 자연스러운 연동을 위한 연구, 차량 제스처 인식 및 3D 그래픽과 같은 고급 입출력 기술, 미래 무인자동차를 대비한 자동 HMI(Human-Machine Interface) 콘셉트 연구, 차량 내 디스플레이 및 제어 장비들의 미래지향적 통합 디자인 방안에 대한 연구 등 고도의 HMI 기술을 활발히 연구하고 있으며 아울러 다양한 차량 내 정보 및 신기술에 따른 운전자 주의분산 방지를 위한 연구도 활발하게 진행되고 있다.

인포테이먼트 자동차-모바일

여섯 번째 기술은 전자 통신 기기와 운전자가 상호 작용을 할 수 있도록 해주는 HVI(Human-Vehicle Interface System) 시스템이다. 이 시스템은 운전자가 보다 효율적인 방법으로 자동차와 소통 할 수 있도록 지원하는 시스템이다. 소통과 효율의 의미는 '안전'과 연결된다. 운전자 부주의로 인한 사고발생에 대한 예방은 HMI를 연구하는 사람들이 해결해야 할 가장 큰 이슈 중 하나이다. 과거의 자동차와 다르게, 현재의 자동차는 좀 더 다양한 기능들과 편의를 제공할 수 있는 스마트카로의 진화가 예상된다. 따라서 안전성과 편의성을 증대시키는 HVI 설계가 갈수록 중요해지고 있다.

최근 자동차 사고의 원인을 분석해 보면 전방주시 태만, 판단오류, 발견 지연 등의 운전자 부주의로 인한 사고가 절대적인 비율을 차지하고 있다. 우리나라의 도로교통안전 관리공단이 조사한 자료에 따르면 67.6%가 운전 부주의로 인한 사고였다. 특히 모바일폰 사용과 내비게이션, 오디오, 공조장치 등 대시보드 제어 과정에서 발생하는 전방 주시 태만이 62.7%에 해당했다. 반면 자동차와 관련된 발생 사고는 20~30%에 불과했다. 자동차에는 핸즈프리, 내비게이션 시스템, 각종 AV 플레이어 등 다양한 차량 정보, 엔터테인먼트, 운전자 보조 시스템의 장착이 갈수록 늘고 있다. 이에 따라 부적절하게 설계된 HVI로 인해 운전자의 안전이 위협받고 있다.

인구 연령의 변화(고령사회) 또한 HVI가 대응해야 할 큰 이슈 중 하나이다. 고령 운전자들은 인지능력, 반응 속도가 떨어지기 때문에 더욱 위험에 노출돼 있다. 선진국의 고령 인구는 갈수록 증가하고 있다. 2025년이 되면 고령자가 전체 운전자의 25%가 될 것이고, 이 중 85세 이상의 고령자가 급격히 증가할 전망이다. 고령화가 급속도로 진행됨에 따라 고령 운전자의 운전면허증 취득 및 운전 비율 역시 증가할 전망이다. 자동차에는 갈수록 많은 기술이 탑재되며 복잡화되고, 운전자들은 새로운 기술을 조작해보고 어떻게 작동되는지 보고 싶어 하는 욕구도 커질 것이다. 이 같은 상황에 고령 운전자 비율이 늘면서 운전 부주의로 인한 사고는 더욱 늘게 될 것이다.

운전자 인적 유발 요인별 교통사고율(%)

너 언제까지 기름 넣을래?

친환경 자동차 개발의 필요성이 대두된 것은 석유자원 고갈문제로 석유값 폭등과 그에 따른 전반적인 산업구조의 변화 때문이다. 게다가 온실가스로 인해 지구 곳곳에 일어나는 환경변화를 방지하기 위해, 각 세계 정상들이 모여 탄소 배출을 줄이고, 대체 에너지 자원 개발에 힘을 쏟기로 했는데, 그 노력 중 하나가 친환경 자동차 개발이다.

국내의 경우 친환경 자동차를 '친환경적 자동차'라고 말하며 종류를 분류해 놓고 있다. 전기를 충전해서 움직이는 전기자동차, 태양에너지를 동력으로 움직이는 태양광자동차, 수소를 사용하여 발생시킨 전기 에너지를 동력원으로 사용하는 수소연료전지차, 천연가스를 사용하는 천연가스자동차가 있다. 이와 같이 무공해 또는 저공해 기준을 충족하는 자동차를 우린 친환경 자동차라고 한다.

	전기자동차	하이브리드차	플러그인하이브리드차	수소연료전지차
동력발생장치	모터	엔진+모터(보조동력)	모터. 엔진(방전시)	모터
에너지원	전기	전기. 화석연료	전기, 화석연료(방전시)	전기(수소로 생성)
구동형태
특징	충전된 전기 에너지만으로 주행, 무공해 차량	엔진과 모터를 조합한 최적운행으로 연비 향상	단거리는 전기로만 주행, 장거리 주행시 엔진 사용, 하이브리드+전기차의 특성을 가짐	무공해 차량
적용사례	닛산 리프 미쯔비시 아이미브 테슬라 모델S	토요타 프리우스 혼다 시빅	GM 볼트 BYD F3DM 피스커 카르마	현대 투싼 다임러 B클래스 토요타 FCHV-adv

친환경 자동차 종류 이미지

전기자동차(EV)는 내연기관이 없고 순수하게 배터리의 전기를 이용하여 모터를 구동시키는 방식이다. 수소연료전지(FCEV)는 배터리 용량을 줄이고, 수소연료통을 차에 장착하여 수소로 전기를 만들어 자동차를 움직이는데, 장점은 배터리 무게를 줄임으로써 차량 무게가 줄어 그 만큼 연료효율도 좋다. 두 종류 모두 내연기관이 없기에 시동을 걸어도 소음이 매우 작으며 친환경 자동차의 대표 주자로 손꼽히고 있다.

전기 자동차

하이브리드차(HEV)는 기존 내연기관에 배터리로 구동하는 모터가 결합되어 있는 형태이다. 배터리는 따로 외부 충전은 못하고 일정 속도 이상이 되면 엔진을 구동시키는 힘이 전달되어 충전되는 방식이다. 기존 내연기관 자동차보다 연비가 높고 공해 및 이산화탄소 배출량이 적은 것이 장점이다. 친환경 차라고 보기에는 아쉬운 부분이 있는데, 공해를 완전히 차단하지는 못한다.

플러그인 하이브리드차(PHEV)는 하이브리드차에서 한 단계 전기자동차에 가까워진 형태로, 기존 가전제품처럼 충전할 수 있는 전기 플러그가 장착되어 있다. 충전한 전기로 주행을 하다가 전기가 소모되면 엔진을 작동시켜 추가로 전기에너지를 보충하는 방식을 사용한다. 단거리는 배터리를 통해서 동력을 얻어 순수 전기차와 같이 공해 및 이산화탄소 배출이 없고, 장거리는 하이브리드와 같은 구동방법으로 엔진을 통해 동력을 얻는다. 하이브리드와 비교하여 상대적으로 큰 배터리 용량이 요구된다.

수소연료전지차는 수소와 공기 중 산소를 반응시켜 전기로 모터를 돌려 구동력을 얻는다. 연료전지가 내연기관을 대체하는 친환경 자동차를 말한다. 장점으로는 연료가 가솔린의 3분의 1 수준이며 엔진이 없기 때문에 배기가스가 나오지 않고, 최대 효율이 85%로 가솔린 27%, 디젤 35%보다 높고 충전시간도 전기차와 달리 빠르다. 단점으로는 수소를 생산하는 데 에너지가 많이 필요하고, 수소를 안정적으로 투과하는 팔라듐과 백금, 세륨 확보가 쉽지 않다는 것이다. 또한 수소는 불에 타는 성질이 있기 때문에 자칫 폭발할 수 있다는 위험이 있다. 이러한 단점을 극복해야 대중화될 수 있을 것이다.

수소연료전지차인 토요타 미라이