초음파 진동 와이퍼: 자율주행차 라이다 센서 세정 혁신

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 자동차는 화물 적재와 승객 탑승의 장점을 가지고 있으며, 신속하게 이동할 수 있는 대표적인 수단임.
• 최근 자율주행차량이 주목받고 있으며, 이러한 차량은 외부 정보를 감지하고 처리하여 주행 경로를 자체적으로 결정할 수 있음. 운전자가 조작하지 않더라도 장애물과 충돌을 피하면서 주행 가능함.
• 라이다 센서는 빛을 활용해 거리 측정 및 물체를 감지하는 장치로, 자율주행차량에서 중요한 역할을 함. 레이더와 유사하지만, 펄스레이저를 발사해 높은 정밀도와 해상도로 사물을 입체적으로 파악함.
• 라이다 센서는 외부에 노출되어 있어 먼지 등 오염물질이 쉽게 쌓여 감지 성능이 저하될 수 있음. 이를 해결하기 위해 라이다 센서의 전면을 세정하는 장치의 필요성이 증대됨.

기술의 필요성

• 자율주행차량의 안전성과 정확성을 높이기 위해 라이다 센서의 전면 세정이 필수적임.
• 기존의 세정 장치들은 만족스러운 결과를 제공하지 못하였음.
• 라이다 센서의 감지 성능을 유지하고, 오염물질로 인한 간섭을 최소화하기 위한 효과적인 세정 장치의 개발이 시급함.

구현방법

기술의 원리 및 구체적인 구현 방법

• 본 발명의 초음파 진동 와이퍼는 라이다 센서 상단의 물 공급 부재, 승강 모듈에 의해 전면을 이동하는 와이퍼 및 초음파 진동자로 구성됨.
• 물 공급 부재는 저장조, 펌프 및 물의 유동 경로를 제공하는 관체를 포함하며, 저장된 물을 통해 라이다 센서 전면으로 물을 흘려 세정함.
• 와이퍼는 승강 모듈에 연결되어 있으며, 라이다 센서 전면에 밀착하여 상하로 이동하면서 세정을 수행함.
• 초음파 진동자는 와이퍼의 이동 중 초음파를 발생시켜 와이퍼 날 부위를 진동시키고, 이를 통해 라이다 센서 전면의 오염물질을 제거함.
• 에어 분사 부재는 초음파 진동 후 잔여 물기를 제거하여 2차 오염을 방지함.

발명의 활용 방안

활용 방안

• 본 발명은 자율주행차량의 라이다 센서 세정에 직접 사용 가능함.
• 다른 차량용 센서, 예를 들어 카메라나 레이더 등의 세정에도 적용 가능함.
• 산업용 로봇이나 드론 등 다양한 분야의 외부 센서 세정에 활용할 수 있음.
• 라이다 센서의 성능 유지와 관련된 자동차 산업 외의 다른 기술에도 적용 가능성이 높음.

기대효과

기대효과

• 라이다 센서의 감지 정확도가 유지되어 자율주행차량의 안전성이 향상됨.
• 센서의 세정이 자동으로 이루어져 유지보수 비용 및 시간이 절감됨.
• 에어 분사 기능을 통해 2차 오염을 방지하고 세정 효과를 극대화함.
• 자율주행 기술 발전을 가속화하고 시장 경쟁력을 높이는 데 기여할 수 있음.

시장 동향

자율주행차량 시장 동향

• 글로벌 자율주행차 시장 규모는 2023년 2조 달러에 달하며 2024년부터 2032년까지 연평균 성장률(CAGR) 13.5%를 기록할 것으로 예상됨
• 2035년 세계 자율주행차 시장 규모는 현재보다 150배 이상 성장하여 1천334조원에 이를 것으로 전망됨
• 2030년 글로벌 자율주행차 시장 규모는 1332억 달러로 성장할 것으로 전망됨
• 2023년 북미 자율주행차 시장은 전 세계 매출의 19%를 차지하였으며, 정부의 규제 및 지침 개발을 통해 더 안전하고 효율적인 운송 옵션을 제공하기 위한 노력이 이어지고 있음
• 자율주행 자동차 시장의 주요 기업으로는 도요타 모터 공사, 폭스 바겐 AG, 테슬라 Inc. 등이 있음
• 중국 로보택시 시장은 2030년까지 630억 달러 규모로 성장할 것으로 예상됨. 이는 자율주행 기술의 상용화 노력과 정부 지원의 결과임
• 자율주행 기술의 단계 중 4단계는 완전한 자율주행을 의미하며, 미국과 중국은 이미 이 상용화 경쟁에 돌입함
• 자율주행 승용차가 시장을 이끌고 있으며, 다목적 차량(MPV)과 목적 기반 모빌리티(PBV) 등이 신시장을 창출하고 있음

라이다 센서 시장 동향

• LiDAR 센서 시장 규모는 2022년에 15억 달러 이상이며, 2023-2032년 동안 20% 이상의 연평균 성장률(CAGR)로 성장할 것으로 예상됨. 시장 가치는 2032년까지 100억 달러에 도달할 전망임
• LiDAR 기술은 고해상도 토포그래피 제공, 보수 관리, 홍수 완화, 국가 보안, 교육, 인프라 개발, 과학 연구 등에서 급속히 침투하고 있음. 해당 기술의 편리성과 정확성이 시장 성장을 촉진하고 있음
• 자동차용 LiDAR 시장은 자율주행차 및 ADAS의 증가로 인해 2030년까지 150억 달러에 도달할 것으로 예상되며, 연평균 성장률(CAGR)은 65.9%에 이를 것으로 보임
• 2021년 자동차용 LiDAR 시장은 약 1억 달러로 평가되었으며, 이는 Toyota, Honda, 중국의 Xpeng과 같은 자동차 제조업체들이 LiDAR를 탑재한 모델을 출시한 덕분임
• 단거리 LiDAR 세그먼트는 2022년에 LiDAR 센서 시장의 35% 이상의 점유율을 기록했으며, 단거리 LiDAR 모듈의 강력한 수요가 존재함

자동차 센서 세정 기술

• 현대기아차가 빗물로 라이다 센서를 세척하는 방식을 통해 자율주행의 정확도와 안전성을 높이고자 함. 이 기술은 차량 외부에 탑재된 센서를 세척하는 것으로, 차량 앞유리창에 흐르는 빗물을 모아 두었다가 각 센서 근처에 설치된 공기 압축기를 통해 뿜어내는 방식으로 이루어짐.
• 정상국 명지대 기계공학과 교수가 자율주행 자동차의 라이다 센서와 같은 광학센서에 묻은 오염물을 효과적으로 제거하는 전자식 자가세정 유리를 개발함. 전자식 자가세정 유리는 빗물, 서리, 눈, 기름 등의 오염물을 전기 신호로 제거하는 방식으로, 소형화가 용이하고 소모전력이 낮음.
• 전자식 자가세정 유리는 패턴이 새겨진 투명 전극을 소수성 절연막으로 코팅한 구조로, 전기 신호로 오염물을 빠르게 제거함. 이 기술은 내구성이 우수하며, 세정 속도가 빠르고 세정 효율도 높음.

초음파 진동 와이퍼 시장 동향

센서 세정 응용 분야

• 한국기계연구원이 오프로드 자율주행 시 센서 표면에 튈 수 있는 흙탕물 등을 실시간으로 닦아내는 '센서 보호 및 세정 모듈' 기술을 개발하였음. 이 기술은 굴착기, 덤프트럭, 수색 차량 등 자율주행 차량에 적용 가능함.
• 정 교수가 개발한 전자식 자가세정 유리는 전기습윤 원리를 응용하여 차량 주행 중 광학센서 표면에 발생한 오염물을 빠르게 제거하는 기술임. 이 기술은 자동차, 영상감시 카메라 등에 상용화되고 있음.
• 전자식 자가세정 유리는 패턴이 새겨진 투명 전극을 소수성 절연막으로 코팅한 간단한 구조로 전기적 진동을 이용해 오염물을 빠르게 제거함. 세정 속도 1초 이내, 세정 효율 95% 이상임.