센서가 너희를 자유케 하리라

센서(Sensor)는 자동차 전자화에 있어서 가장 중요한 핵심 부품이며 최종 고객인 소비자의 요구 실현과 규제를 만족시키기 위한 도구가 되고 있다. 오늘날 센서는 자동차의 광범위한 애플리케이션 분야에 영향을 미치고 있다. 또한 기술 혁신에 의해, MEMS를 비롯해 기타 솔리드 스테이트(solid state) 기술이 한층 발전하고 광범위한 물리·화학량의 측정을 가능케 하는 고성능 센서가 저가격에 공급되고 있다.
자동차용 센서에는 엔진 제어 시스템용 센서, 새시 제어 시스템용 센서, 안전·쾌적 제어 시스템용 센서, 통신 시스템용 센서 등이 있다. 이러한 분야의 수요 증가로 세계 자동차용 센서 시장은 2007년 80억 달러에서 연평균 성장률 10.8%를 기록하며 2012년엔 135억 달러로 성장할 전망이다(BCC Research 자료 인용).
BCC Research의 기술 리포트에 의하면, 파워트레인 센서는 2007년에 47억 달러를 기록하며 가장 큰 규모의 시장을 형성했다. 새시 센서는 21억 달러로 그 뒤를 이었으며 바디 센서는 13억 달러를 기록했다. 향후 5년간 모든 센서 시장은 연평균 10% 이상 성장할 것으로 BCC는 예측했다. 파워트레인 센서는 10.5%의 연평균 성장률을 기록하며 2012년에 77억 달러에 이를 전망이다. 새시 센서 시장은 연평균 성장률 11%로 2012년에 35억 달러, 바디 센서는 11.7%로 22억 달러를 기록할 전망이다.
자동차의 화두가 친환경, 안전성, 편의성 분야로 집약되면서, 그 핵심 부품으로 센서의 활용 영역도 점차 확대되고 있다. 탑승자를 검지하여 시트벨트 미착용 시 경고하는 시트벨트 리마인더나 탑승자가 어린이인지 어른인지 판정하여 에어백을 전개 제어하는 용도로 센서가 사용되고 있다. 또 전자식으로 눈부심을 막아주는 ECM 룸미러는 반사되는 빛의 양을 측정하기 위해 센서를 이용한다. 요즘 개발 열기가 후끈 달아오른 안전을 위한 편의장치인 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)도 센서의 유망 수요처이다. 쾌적한 자동차 실내 환경을 만들어주는 유해가스 차단장치(AQS)에도 센서의 진가가 톡톡히 발휘된다.

기분 좋은 ‘구속’

요즘엔 자동차가 운전자의 피부를 검사하여 음주상태인지 아닌지를 판단하고, 음주상태이면 발진이 되지 않는다. 또 음주운전을 방지하기 위해서 시프트레버는 운전자 손바닥의 땀에서 알코올을 감지하여 음성이나 문자로 경보 메시지를 보낸다. 경보 메시지가 자동차 내비게이션 화면에 뜨게 되며 레버도 고정되어 운전을 할 수 없게 된다. 또 미터기 안에 장착된 카메라를 통해 운전자의 얼굴을 모니터링 해 각성도를 측정한다. 이를 토대로 졸음상태 등 음주운전 가능성이 있다고 판단되면 역시 음성과 내비게이션 화면을 통해 운전자에게 경고 신호를 보낸다. 이와 함께 차량의 운전 거동을 검출해 졸음 등 운전자의 상태를 평가함으로써 음주운전의 가능성이 있다고 판단될 경우 경고를 한다.
최근에는 운전석이나 조수석에 센서를 장착하여 탑승자를 검지하는 차량이 늘고 있다. 탑승자가 있는지 없는지 검지해서 시트벨트의 경고에 이용하는 탑승자 검지 센서는 에어백의 작동에 사용하는 타입도 있다. 탑승자 검지 센서의 구조는 비교적 단순하다. 센서 상하에 전극이 있고, 탑승자가 앉으면 그 무게로 두 개의 전극이 접촉하게 되는 구조다. 저항값의 차이로 탑승자의 유무를 판정한다.
델파이의 모터 구동형 시트벨트는 기존의 충돌 후 탑승자의 상해 정도를 경감하는 기능에 더해 각종 센서와의 연결을 통해 졸음 운전 및 차선 이탈 등 위험 상황을 미리 감지해 벨트를 흔들어 주어 운전자에게 경고함으로써 사고를 막아준다. 또한 운전자의 체형을 인지해 조임 상태를 최적으로 유지하는가 하면, 사고발생 시 자동으로 벨트의 조임 상태를 조절해 시트와의 밀착을 도와 상해치를 줄여준다.
체중을 검지해서 어린이인지 어른인지를 판정해서 에어백을 작동시키는 체중검지 센서와 프리크래시 세이프티 시스템과 연동해서 두부의 위치를 검출하는 정전용량 센서 등도 있다. 정전용량 센서는 추돌을 피할 수 없는 경우에 두부와 헤드레스트의 거리가 멀면 헤드레스트를 두부에 가깝게 해서 적합한 위치에서 정지할 수 있도록 정보를 제공한다. 여기서 정전용량 센서는 헤드레스트 내부에 있다. 추돌 피해를 경감하는 프리크래시 세이프티 시스템의 ECU가 추돌을 피할 수 없다고 판단한 경우 헤드레스트 내부의 DC 브러시리스 모터를 작동시켜 헤드레스트를 앞으로 움직이게 한다.
체중검지 센서는 변형 게이지라는 원리로 하중을 측정한다. 변형 게이지는 하중으로 부재에 발생하는 변형을 검지해서 저항이 변화하는 성질을 이용하고 있다. 변형 게이지는 접착제로 기판이 되는 게이트 플레이트에 붙어 있다. 탑승자가 앉아 있을 경우, 게이트 플레이트의 한 쪽에 탑승자의 하중이 실린다. 하중이 실리면 게이트 플레이트가 구부러져 게이지 플레이트가 늘어난다. 동시에 게이지 플레이트에 달려 있던 변형 게이지도 늘어난다. 저항값이 변하면 출력 전압도 변해 탑승자의 하중을 판정하게 되는 원리다.
에어백 제어에 사용되는 시트 센서로는 시트레일 센서도 실용화되었다. 시트 위치가 앞에 있는지를 검출한다.
시트 위치가 앞에 있을 경우에는 에어백의 전개 시 내압을 조금 낮춰 탑승자가 에어백 작동에 의한 부상이 일어나지 않도록 한다.
델파이가 개발하고 있는 에어백의 경우는 Front Impact Sensor와 Side Impact Sensor, Passenger Occupant Detection System(PODS), Belt Tension Sensor, Seat Track Position Sensor 등을 통해 내외부의 차량 상태를 정확히 파악하여 에어백을 전개시키는 스마트 시스템에 기반을 두고 있다.

안전·친환경 자동차의 척도

수많은 자동차용 센서 중에서도 가장 많이 사용되고 있는 센서는 회전속도나 각도를 검출하는 비접촉 자기 센서다. 자기 센서가 사용되는 예로는 자동차의 안전성을 높일 수 있는 ABS가 있다. ABS는 각 차륜의 회전속도를 검출하여 이를 비교한다. ABS와 마찬가지로 차륜의 회전속도를 검출하여 미끄럼 시에 브레이크 뿐 아니라 엔진 출력도 억제하는 트랙션 컨트롤(TCS)이나 TPMS 등도 있다.
안전성 이외에도 환경이나 쾌적성을 향상시키는데 자기 센서가 사용된다. 예를 들면 엔진 제어나 가변 밸브 타이밍, 전자 스로틀 제어, 능동 서스펜션이나 전동 파워 스티어링 등이 있다. 특히 파워트레인 계통은 연비 향상을 위해서 고정도화에 대한 요구가 높다. 자기 센서는 용도에 따라 회전속도 센서와 각도 센서로 사용된다. 회전속도 센서는 엔진의 캠축이나 크랭크축, 자동변속기, ABS 등에 사용된다. 각도 센서는 와이퍼의 작동각, 스티어링의 조타각, 미러의 위치, 도어나 시트의 위치, 헤드램프의 위치, 스로틀 밸브의 위치 검출에 사용되고 있다.
회전이나 각도를 검출하는 센서의 수요가 늘고 있는 상황을 나타내는 예로, 스티어링의 타각 센서를 들 수 있다. 스티어링의 타각 센서는 홀 센서나 자기저항 센서를 포함한다. SA(Strategy Analytics)의 조사에 의하면, 세계 스티어링 센서의 수량은 2007년에 3000만 대를 넘어선 것으로 추산된다.
자기 센서의 활용 증가를 부추기는 배경에는 차량용 네트워크의 도입을 들 수 있다. 브레이크 페달을 밟은 양을 각도 센서로 검지해서 브레이크를 작동시키는 시스템이나 가속 페달을 밟은 것을 각도 센서로 검지해서 스로틀 밸브나 밸브의 리프트 양을 조정하는 시스템, 스티어링의 각도에 따라 차륜의 방향각을 변화시키는 능동 스티어 등이 실용화되고 있다.
자동차 스티어링 기술은 획기적인 변화의 시기를 맞고 있다. 유압식이 아닌 전동 파워 스티어링(Electric Power Steering, EPS)이 큰 폭으로 성장하게 된 이유는 더 경제적이고, 가볍고, 재활용이 가능하며 패키징 및 설치가 편리하기 때문이다. 또한 전동 스티어링이 유압식 시스템에 비해서 3%의 연비 절감을 제공하는 것으로 추정되고 있다. EPS는 운전자가 추가한 스티어링 휠의 회전 토오크를 전자적으로 측정하고 부족한 토오크를 모터로 지원하는 시스템이다. 운전자가 스티어링 휠을 회전시키면 입력축과 출력축의 회전 엇갈림이 발생해서 토션 바가 뒤틀린다. 토오크 센서가 토션 바의 뒤틀림을 검지하면 ECU는 EPS의 모터를 회전시켜 입력축의 회전 방향과 같은 방향으로 출력축을 회전시킨다. 토오크 센서의 종류는 토션 바의 물리적 뒤틀림을 전자기적으로 측정해서 토오크를 검출하는 점에서는 공통이며 자기인덕턴스식, 트윈 레조르바식, 홀IC식이 있다. 앞으로 신뢰성과 성능이 모두 뛰어난 홀IC식의 사용이 늘 전망이다.

똑똑함의 비밀

똑똑한 자동차의 등장은 전자 제어 시스템과 각종 IT 기술의 결합을 들 수 있다. 그러나 아무리 똑똑한 자동차라도 센서가 없이는 실력 발휘가 되지 않는다. 충돌 직전 브레이크가 작동하고, 좁은 공간에서 저절로 주차를 하고, 더 나아가 무인자동차를 구현하기 위해서는 센서 기능에 절대적으로 의존해야 된다.
최근의 자동차에는 대단히 많은 센서가 사용되고 있다. 또 센서의 사용량은 고급차일수록 많다. 많은 자동차 구매자들은 개인적 취향뿐 아니라 연비, 배기, 안전, 고급성 또는 편리성을 기준으로 차량 브랜드를 선택한다. 구매 과정에서 동기를 유발하는 이러한 요인들과 법률적 요구사항들이 자동차용 지능형 센서 수요를 촉진하고 있다.
오늘날의 자동차 전자 시스템은 가속, 압력, 온도, 엔진 속도, 회전 속도, 각도, 힘, 거리, 유체 수위 및 공기 또는 오일 양 등 여러 센서 입력 변수들을 기록하고 처리한다. 진화된 센서들은 센서 요소 이외에도 주변 기능을 통합했다. 그 전형적인 모델로 TPMS를 들 수 있다.

센서는 이미 자동차에 널리 사용되고 있으며 향후 애플리케이션에서 필수 불가결한 부품으로 취급될 것이다. 자동차 애플리케이션용 센서는 신뢰성, 가격, 견고성, 소형 풋프린트, 고정밀도에 대한 지속적인 요구로 진화를 거듭하게 될 것이다.