자동차 시스템에서 SOI의 역할

소개

최근 몇 년 동안 자동차 기술은 특히 전기차(EV), 자율 주행, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)의 등장으로 급격히 발전하고 있습니다. 차량이 점점 더 정교해지면서 에너지 효율과 안정성을 유지하면서 복잡한 고성능 컴퓨팅 작업을 처리할 수 있는 반도체 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

이러한 요구를 해결하는 가장 중요한 혁신 중 하나가 바로 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기술입니다. SOI는 특히 안전성, 효율성, 내구성이 가장 중요한 자동차 애플리케이션에서 반도체 디바이스의 성능과 신뢰성을 향상시키는 데 중요한 역할을 하는 것으로 입증되었습니다.

SOI 기술이란?

SOI는 절연 기판(일반적으로 이산화규소(SiO2))에 얇은 실리콘 층을 배치하는 반도체 제조 기술입니다. 이 구조는 기생 커패시턴스를 줄여 트랜지스터의 전기적 성능을 향상시켜 속도를 향상시키고 전력 소비를 줄이며 열 효율을 개선합니다. SOI 기반 디바이스는 소비자 가전, 통신을 비롯한 다양한 분야에서 일반적으로 사용되고 있으며, 최근에는 자동차 시스템에서도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

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자동차 시스템에 SOI가 중요한 이유

최신 차량에는 높은 연산 능력을 요구하는 센서, 컨트롤러, 통신 시스템이 가득합니다. 이러한 시스템은 극한의 온도, 진동, 전자기 간섭을 견디며 열악한 조건에서 안정적으로 작동해야 합니다. SOI 기술은 자동차 애플리케이션에 이상적인 몇 가지 주요 이점을 제공합니다:

1. 낮은 전력 소비

SOI 기술의 주요 장점 중 하나는 낮은 전력 수준에서 작동할 수 있다는 점입니다. 전력 효율은 자동차 시스템, 특히 배터리 수명 보존이 최우선 과제인 전기 자동차(EV)와 하이브리드 전기 자동차(HEV)에서 매우 중요합니다. SOI 디바이스는 누설 전류를 줄여 에너지 손실을 최소화하고 전반적인 효율을 향상시킵니다. 글로벌파운드리의 연구에 따르면, SOI 기반 칩은 기존의 벌크 실리콘 칩보다 최대 30% 적은 전력을 소비하므로 ADAS 및 인포테인먼트 시스템과 같이 전력에 민감한 애플리케이션에 이상적입니다.

2. 향상된 열 성능

자동차 환경은 부품이 고온에 자주 노출되는 극한의 환경일 수 있습니다. SOI 구조의 절연 층은 실리콘 기판과 다른 부품 사이의 열 전달을 줄여 열 관리를 개선합니다.

ST마이크로일렉트로닉스는 SOI 디바이스가 200°C의 높은 온도에서도 작동할 수 있어 자동차 파워트레인 제어 장치 및 엔진 관리 시스템에 특히 적합하다는 것을 입증했습니다. 이렇게 향상된 열 성능은 SOI 기반 칩의 수명과 신뢰성을 높여 시간이 지나도 일관된 성능을 보장합니다.

3. ADAS 및 자율 주행을 위한 향상된 성능

ADAS 및 자율주행 시스템은 다양한 센서, 카메라, 레이더 장치에서 발생하는 대량의 데이터를 빠르게 처리하는 데 의존합니다. 이러한 시스템은 차선 유지 지원, 자동 긴급 제동, 어댑티브 크루즈 컨트롤과 같은 작업을 수행하기 위해 고속 처리와 실시간 데이터 분석이 필요합니다.

프랑스 연구 기관인 Leti의 최근 연구에 따르면 SOI 기술은 기존 실리콘 장치에 비해 ADAS 시스템의 처리 속도가 30% 더 빠른 것으로 나타났습니다. SOI 기반 칩은 더 빠를 뿐만 아니라 에너지 효율도 높기 때문에 ADAS 모듈에 통합하기에 이상적입니다.

4. 뛰어난 신호 무결성 및 잡음 내성

자동차 환경은 다양한 전자 시스템이 동시에 작동하기 때문에 전자기 간섭(EMI) 측면에서 노이즈가 발생하는 경우가 많습니다. SOI 기술은 본질적으로 뛰어난 신호 무결성을 제공하고 잡음에 대한 민감성을 줄여줍니다. SOI 기판의 절연 층은 트랜지스터를 간섭으로부터 보호하여 자동차 전자 시스템의 견고성을 향상시킵니다.

주요 자동차 애플리케이션에서의 SOI

자동차 부문이 차세대 기술을 수용함에 따라 SOI는 다양한 주요 시스템에서 응용 분야를 찾고 있습니다.

1. ADAS(첨단 운전자 지원 시스템)

어댑티브 크루즈 컨트롤, 차선 이탈 경고, 사각지대 감지, 자동 긴급 제동과 같은 ADAS 기능은 센서 데이터의 고속, 저전력 처리에 의존합니다. SOI 기술은 ADAS 기능을 지원하는 프로세서와 제어 장치에 사용되어 센서 입력을 실시간으로 해석하는 데 필요한 연산 능력을 제공합니다.

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2020년에는 SOI 기술을 활용하여 높은 처리 성능을 유지하면서 전력 소비를 50% 절감할 수 있는 ADAS용 S32 마이크로컨트롤러 제품군이 출시되었습니다. 이러한 혁신을 통해 자동차 제조업체는 에너지 효율을 저하시키지 않으면서도 더욱 진보된 ADAS 기능을 통합할 수 있습니다.

2. 파워트레인 및 배터리 관리

엔진 성능을 최적화하고 배기가스를 줄이며 연비를 개선하는 파워트레인 제어 장치에 SOI 기술이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 전기 자동차(EV)에서는 배터리 충전 및 방전을 모니터링하고 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS)에서도 SOI 기반 칩을 찾을 수 있습니다.

예를 들어, 최고의 SOI 기반 배터리 관리 시스템 중 하나는 에너지 효율적인 작동과 더 나은 열 처리로 배터리 수명을 15%까지 향상시키는 것으로 나타났습니다. 이러한 시스템은 배터리 수명을 연장하고 에너지 사용을 최적화하기 위해 효율적으로 작동해야 하며, 이 부분에서 SOI의 저전력 기능이 빛을 발합니다.

3. 인포테인먼트 시스템

최신 인포테인먼트 시스템은 GPS 내비게이션, 멀티미디어 재생, 무선 통신과 같은 기능을 제공하며, 모두 전력 효율을 유지하면서 높은 처리 성능을 요구합니다. SOI 기술을 통해 과도한 발열이나 전력 소비 없이 이러한 시스템에 필요한 복잡한 작업을 처리할 수 있는 프로세서를 개발할 수 있습니다.

4. 차량-사물(V2X) 통신

V2X 통신을 통해 차량은 다른 차량, 인프라, 보행자와 정보를 교환할 수 있습니다. 이러한 통신은 사고를 예방하고 교통 흐름을 원활하게 하기 때문에 커넥티드 및 자율 주행 차량의 미래에 매우 중요합니다. SOI 기술은 V2X 통신을 관리하는 프로세서에 필요한 성능과 안정성을 제공하여 짧은 지연 시간과 높은 데이터 처리량을 제공합니다.

자동차 안전 및 신뢰성에 대한 SOI의 영향

안전과 신뢰성은 자동차 산업에서 중요한 관심사이며, SOI 기술은 이러한 과제를 해결하는 데 중추적인 역할을 합니다. SOI 디바이스의 향상된 열 성능과 낮은 전력 소비는 과열 또는 과도한 전력 소모로 인한 고장 위험을 줄여줍니다. 또한 SOI 기반 칩의 향상된 잡음 내성과 신호 무결성은 강력한 전자기 간섭이 있는 경우에도 자동차 시스템이 안정적으로 작동할 수 있도록 보장합니다.

ADAS와 같이 안전이 중요한 애플리케이션에서는 신뢰성이 가장 중요합니다. 한 연구에 따르면 ADAS 시스템의 SOI 기반 센서는 시스템 고장을 25% 줄여주므로 안전을 중시하는 자동차 제조업체가 선호하는 선택입니다. 이러한 시스템의 오작동이나 고장은 사고로 이어질 수 있으므로 SOI와 같이 뛰어난 성능과 안정성을 제공하는 반도체 기술을 사용하는 것이 필수적입니다.

자동차 시스템에서 SOI의 미래

자동차 산업이 완전 자율 주행 차량과 첨단 전기 자동차로 계속 발전함에 따라 고성능, 에너지 효율적인 반도체 솔루션에 대한 수요는 더욱 증가할 것입니다. 전력 효율, 열 관리, 신호 무결성에서 독보적인 장점을 지닌 SOI 기술은 이러한 요구를 충족할 수 있는 유리한 위치에 있습니다. 또한 ADAS뿐만 아니라 첨단 인포테인먼트, V2X 통신 및 기타 신흥 자동차 기술을 지원하면서 응용 분야가 더욱 확대될 것입니다.

결론

한마디로 SOI(실리콘 온 인슐레이터) 기술은 자동차 분야, 특히 열악한 조건에서 고성능, 저전력 소비, 신뢰성이 요구되는 시스템에서 판도를 바꿀 수 있는 기술임이 입증되고 있습니다. 차량이 더욱 스마트해지고 자동화됨에 따라 SOI는 혁신을 주도하고 최신 자동차 시스템의 안전과 효율성을 보장하는 데 계속해서 핵심적인 역할을 할 것입니다. SOI에 대한 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)에서 확인하세요.

참고자료

[1] 치펭고, 우세마조로. (2018). 가드레일 레이더의 전체 물리 시뮬레이션 연구-77GHz 차량용 레이더 시스템의 반환. IEEE Access. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2018.2881101.