TPMS 간접방식의 역습

올해 1억 2천만 개 장착

TPMS 의무 장착은 전세계적 추세다. 1990년대 초반 미국에서 타이어 펑크 사고로 100명이 넘는 희생자가 발생한 후, 클린턴 정부는 널리 만연된 타이어 안전 무시로 인한 위험에 대응하기 위해 리콜 강화법(TREAD)을 제정했다. 그리고 미국고속도로교통안전국(NHTSA) 연방자동차안전기준에 TPMS 의무 장착 조항이 추가됐다. 미국 내 TPMS 장착 차량은 점진적으로 확대돼 2007년 9월1일 이후부터는 생산된 모든 승용차에 TPMS 장착이 의무화되고 있다.

스트레티지 애널리틱스(Strategy Analytics)는 세계 자동차 생산량이 2005년 6,300만 대에서 연평균 2.5% 성장해 2010년에는 7,200만 대에 이를 것으로 내다봤다. TPMS 센서 기준으로는 미국에서 올해 생산되는 차량에 약 7,000만 개가 장착될 전망이다.(그림 1) 세계적으로는 1억2,000만 개 수준.

미국 시장에 이어 유럽에서 의무장착 법안이 도입되면 TPMS 산업의 큰 성장이 기대된다. TPMS는 안전문제뿐 아니라 타이어 공기압에 따른 연비 효율, CO2 배출량 등 환경문제와도 직접적 연관을 갖는다.  

프로스트&설리반(Frost & Sullivan) 연구소의 로잔 디바도스(Roshan Devadoss) 애널리스트는 “유럽에서 법제화될 CO2 허용 수준은 TPMS 시장 촉진 정도를 좌우할 것”이라고 말했다. 유럽은 기존 자발적 CO2 감축 목표가 달성되기 힘들다고 판단, 2012년부터 법제화를 통해 온실가스 감축을 강제하는 방안을 추진 중이다. 목표 수치는 2012년 기준으로 120 g/㎞ 정도로 세계에서 가장 엄격한 기준이다. 유럽의 이 법안은 빠르면 내년 봄 공포될 전망이다. 

현재 유럽과 아시아 시장은 규제가 뒷받침되지 않아 느린 성장세를 보이고 있다. 이에 자동차 메이커들은 끊임없는 로비로 TPMS 의무화를 요청하고 있다.

YOLE 디벨롭먼트(Yole Development)는 압력 센서 시장 기준으로 유럽과 아시아에서 의무 장착 법제화가 되지 않을 경우 지난해 1억6,800만 달러 규모에서 2012년엔 1억8,300만 달러 수준이 될 것으로 내다봤다. TPMS 가격이 크게 내려갈 것이지만 연평균 2%씩 성장해 전체 규모로는 12% 성장을 전망했다. 그러나 유럽이 CO2 감소 수준을 높이고 TPMS 장착을 의무화할 경우엔 압력 센서 시장은 2012년 3억 달러에 이를 것으로 예측되고 있다. 
 
전력 소모를 줄여라

간접 방식은 정확성이 떨어져 FMVSS 138에 준할 수 없었다. 간접 방식은 ABS 시스템의 휠 스피드 센서의 신호를 이용해 공기압이 낮아지면 타이어 회전수가 증가하는 원리를 이용해 자동차의 모든 타이어 속도를 비교하는 소프트웨어적 방법을 이용한 것이다. 정확도가 떨어지고 결정적으로 개개 타이어의 공기압이 동시에 떨어질 경우 측정이 어려웠다. 반면, 직접 방식은 시스템 비용이 비싸고 배터리 수명이 제한적인 단점이 있지만 정확도 면에서 연방자동차안전기준을 따르며 TPMS의 중심이 됐다.

슈래이더 일렉트로닉스(Schrader Electronics)가 디자인한 1세대 직접방식 TPMS를 예로 들면 트랜스미터, 타이어 밸브에 장착한 센서, 새시에 장착된 RF 수신기 등 많은 부분에서 배터리 사용이 요구된다. 현재 시장의 전형적인 직접방식 RF TPMS 시스템에는 4~5개의 배터리가 쓰인다.
자동차 회사들은 최소 7~10년은 견딜 수 있는 배터리를 요구한다. 또 배터리 수명이 다하게 될 때마다 교환 비용 문제와 안전 문제로 인한 소비자들의 보증 요구나 소송을 걱정한다. 리튬 배터리로 인한 환경 문제도 커 배터리 수명이 늘어 교환 주기를 늘리거나 아예 TPMS 시스템에서 배터리가 제거되길 바라고 있다. 배터리 뿐 아니라 가격 부담이 큰 것도 문제다.

TRW Automotive 박영식 부장은 “미국에서 의무 장착되는 TPMS 배터리 수명은 10년이 기본으로 비용 대비 수명을 늘리기 위한 연구개발은 계속되고 있다. 배터리리스의 고민도 몇 배에 이르는 비용”이라고 말했다. 

TPMS 산업 티어1인 모듈 업체 리더들은 타이어 밸브와 RF기술 기반의 키리스(Keyless) 시스템 업체들이 많다. 베루(BERU), 퍼시픽 인더스트리얼(Pacific Industrial), 슈래이더, TRW 등이 선도 업체이다. 베루는 아우디, 폭스바겐, 벤츠, BMW 등 독일 메이커들을 비롯해 랜드로버, 포르쉐, 포드 등에 모듈 공급을 늘리고 있다. 일본의 퍼시픽 인더스트리얼 모듈은 렉서스 SC430에 기본 장착되고 있다. 아일랜드의 슈래이더는 포드, 클라이슬러, GM과 닛산에 채택되고 있다.

국내 업계는 TRW가 대부분 커버하고 있다. 수출용 차량 12개 모델에 TRW의 TPMS가 탑재됐다. 지난해부터 국내 TPMS 주파수 대역이 확정되면서 제네시스 등의 차량에 채택되며 향후 지속적으로 내수용 차량의 TPMS 장착이 늘어날 전망이다.

MEMS 센서 시장 리더는 인피니언, GE, TI 등이 메이저 플레이어이고, 이 외에 프리스케일(Freescale), 보쉬(Bosch), 멜렉시스(Melexis), 카블리코(Kavlico), 콘티넨탈(Continental) 등이 경합 중이다(그림 2). 이들은 자가 발전형 센서를 개발하거나, 기기 통합으로 전력 소모 감소와 가격 문제 해결을 꾀하고 있다.

기본적으로 직접 방식 TPMS는 차량에 설치한 ECU(Eelectronic Control Unit)에서 검지 명령을 받아 타이어 밸브에 장착한 림 모듈이 압력을 측정, 결과를 ECU로 되돌린다. ECU의 검출 요구는 타이어 근처 펜더에 위치한 LF트랜스미터로 전달된다. LF트랜스미터는 무선 신호를 각 타이어 림에 장착된 림 모듈로 보내 요구를 전달한다(그림 3).

타이어 림에 장착되는 림 모듈은 밸브와 일체화돼 있고, 모듈에는 한 장의 PCB가 사용되고 뒤에 리튬전지가 내장된 것이 통상적이다. 림 모듈은 LF트랜스미터 신호수신부, 신호처리 칩, 압력센서, UHF트랜스미터, 전지로 구성된다. 림 모듈은 온도와 압력을 측정해 UHF트랜스미터에서 차량 측 리시버로 계측 값을 송신한다. 온도센서는 림 모듈 내 신호처리 칩 안에 있고 압력센서는 신호처리 칩과 별도 칩에 배치돼 있다(그림 4).
공기압 부족 타이어가 검출된 경우 LF트랜스미터를 사용하는 방식은 4개 부분을 순차적으로 계측해 위치를 특정한다. 기술적으로 높은 신뢰성을 갖추고 있지만 4개 LF트랜스미터 장비와 케이블 레이아웃을 포함해 비용 부담이 크다.

이런 이유로 LF트랜스미터를 생략하고 가속도 센서를 이용하는 것도 있다. 림 모듈에 가속도 센서를 넣고 주행 중인지를 판정하고, 주행할 때만 공기압을 측정해 TPMS 배터리 소비를 억제한다. 이 방식은 개개의 림 모듈에 ID를 부여 가령 타이어의 장착 위치를 변경해도 판별할 수 있게 한다.

배터리리스로…

MEMS 센서 제조업자들에게 신호처리 칩을 제공하는 티어3인 NXP반도체의 경우엔 UHF 트랜스미터를 원칩화해 전력 소모를 줄인다. 통상적 시스템에서는 측정한 타이어 공기압과 온도 값을 차량 측 장치에 송신하는 UHF트랜스미터와 신호처리 칩이 별체인데, 이 차세대 신호처리 칩은 UHF트랜스미터를 내장 원칩화했다.

현재 신호처리 칩은 전원이 꺼진 상태에서도 외부 UHF 트랜스미터가 항상 얼마간 에너지를 소비하는데, UHF 트랜스미터가 원칩화된 NXP의 신호처리 칩은 완전히 전원을 끌 수 있어 전력 소모를 감소시킨다.

99%의 직접 방식 TPMS 시스템은 MEMS 압력 센서를 사용하고 있다. Lionax와 세미펩(Semefab)이 지난 4월 발표한 차세대 압력 센서는 Ring Oscillator 기술을 이용, 기존 피에조 소자를 사용한 저항형(piezo resistive) 또는 정전용량형 MEMS 센서보다 높은 성능을 구현하고 전력 소모를 줄였다. 세미펩의 알란 제임스 이사는 “아직 Ring Oscillator 기술을 이용한 센서는 없다.”고 말했다.

모건 일렉트로 세라믹(Morgan Electro Ceramic)의 경우엔 배터리를 쓰지 않고 휠의 움직임을 이용해 전력을 자체 조달하는 TPMS 센서 기술 솔루션을 개발해 최근 발표했다(그림 5). 압전 바이몰프(Piezoelectric Bimorph) 기술을 이용, TPMS 제조업자들에게 셀프-파워 센서(배터리리스) 개발을 지원한다. 지면의 모양, 굴곡 등에 따라 타이어, 휠이 받는 기울림, 쏠림 등 여러 형태의 압력을 전기 에너지로 변환하는 방법이다.

이 기술은 우스터셔(Worcestershire)의 에너지 소기(Energy-Scavenging) 바이몰프 기술에 기반하고 있다. 모건 일렉트로 세라믹의 이안 에드워즈 총괄 매니저는 “TPMS에서 전력를 필요로 하는 센서와 트랜스미터 등으로 배터리 문제가 골칫거리였다. 압전 바이몰프 기술은 이 같은 문제를 해결해 줄 수 있다.”고 말했다.

차세대 TPMS는 배터리리스다. 트랜센스(Transense) 사는 표면탄성파 기반 기술로 개발했고, VisiTyre는 전자기를 이용해 배터리를 제거하고 있다. VisiTyre의 배터리리스 TPMS는 2009년 모델 차량에 적용시키기 위한 TPMS다. 트랜센스의 배터리리스 기술은 몇몇 전장 회사가 채택했지만 아직 승용 차량에서 상용화되진 않았다.

이탈리아의 STE 엔지니어링은 새로운 제조 기술을 소개했다. 일반적인 TPMS가 전용 플라스틱 박스 안 PCB에 위치하는데, STE는 기본적인 타이어 스템 바디 안에 하이브리드 세라믹 회로와 통합하는 방식이다. 현 기술보다 전력 소모를 줄이고 더 작아진 배터리 전지를 사용할 수 있어 차량 중량도 10 K파운드 줄일 수 있다.

타이어 회사들도 스마트타이어를 지향하며 TPMS 산업에 나서고 있다. 그 동안 타이어 회사들은 전자산업과 거리가 있어 큰 성과를 내진 못했다. 그러나 최근에는 전자 업체들과 제휴를 통해 기술 개발에 참여하고 있다. 이 중 미셀린(Michelin)의 겨우 TRW와 조인트벤처회사 엔타이어 솔루션스(EnTire Solutions)를 설립해 TPMS 사업에 뛰어들었다.

피렐리의 경우엔 2006년 슈래이더와 제휴해 배터리리스 TPMS 센서 시스템 개발에 나섰다. 피렐리 측에 따르면 타이어 속에 시스템이 직접 들어가는 첫 케이스로, 최근 베를린에서 열린 AMAA(Advanced Microsystems for Automotive Applications) 2008에서 이 기술을 소개했다.
현재 TPMS 업계는 피에조 소자나 열전기(thermoelectric) 디바이스 등 다양한 기술 개발을 통해 기존 배터리 기반 솔루션 업체들이 선점한 시장에서 격차를 줄이려 애쓰고 있다. 한편 배터리리스는 비용 문제 해결이 큰 과제다(표 1). 현재 고급형 직접식 TPMS 시스템의 경우 100달러 수준으로까지 가격이 내려왔지만, 차에 장착되면 300~500달러 정도가 된다. 배터리리스는 이보다 3~5배는 더 든다. [AEM]

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