1. 서론
세계 자동차 센서 시장은 2012년 약 152억 달러의 시장규모를 기록하였으며 향후 연평균 7.7%의 성장률을 기록할 것으로 예상하고 있다(BCC Research, 2012). 미국, 영국, 독일, 일본 등의 일부 국가에서 세계시장의 약 70%를 점유하고 있으며 위치센서, 속도센서, 산소센서가 64% 시장을 형성하고 있다. 신규 개발 차량에 대해 편리함, 안전, 효율성, 연비 향상 등에 대한 시장의 기대가 커지고 있으며 전 세계적으로 배출가스 규제가 강화되는 추세로 볼 때 센서 시장은 지속적으로 성장할 것으로 보인다.

글 / 오광철 (자동차부품연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 9월호

차량에 장착되는 많은 센서들 중 OBD(On-Board Diagnostics)센서라 함은 차량 부품 고장 발생시 배기가스 배출에 영향을 미치게 되는 부품일 경우 사용자에게 알려 정비가 가능토록 하는 OBD 관련 부품의 상태를 모니터링하는 센서를 말한다.

OBD에서 제안하는 시스템 모니터링 중 후처리에 관련된 것은 촉매의 NMHC 모니터링, DPF의 PM 모니터링, SCR의 NOx 모니터링 등이 있으며 그에 따라 현재 쓰이고 있는 대표적인 후처리시스템용 OBD 센서로는 광대역 온도센서, 차압센서, 산소센서, NOx 센서 등이 있으며 향후 강화되는 OBD 규제 항목 중 PM 모니터링을 위한 PM 센서가 세계적으로 개발 중에 있으며 곧 상용화 예정이다. 이러한 OBD 센서는 배기가스 규제 강화와 안전성 강화 추세에 따라 연평균 복합성장률(CAGR)은 7% 내외의 성장이 예상된다(BBC Research, 2012).

본 고에서는 위에 언급되었던 후처리시스템과 연관된 OBD용 센서들의 특징 및 기술 동향을 간단하게 소개하고자 한다.

2. 배출가스 규제 강화와 OBD
배출가스 규제가 강화됨에 따라 그림 2와 같이 다양한 후처리시스템이 단계적으로 적용되어져 왔고 차량에서 질소산화물 및 PM 배출이 획기적으로 저감되었다. 이는 엔진 연소의 개선도 있었지만 후처리시스템 적용에 의한 저감이 두드러지며 심지어 연비 향상을 위해 후처리장치의 부담을 증가시키는 경향도 나타나고 있다. 따라서 후처리장치의 정상적인 작동은 차량의 배기수준을 유지하는 핵심이 되었고 실시간 검증을 요구받게 되면서 OBD 한계에 대한 규제가 강화되고 있는 경향이다.

그림 4는 Euro 6 엔진 및 후처리시스템의 OBD 시스템 및 센서 그리고 액추에이터를 나타내고 있다. 각각의 센서와 액추에이터 등은 자기 진단 기능이 포함되어 있으면서 타 시스템의 동작을 진단하는 기능을 한다. 이중에 배기계와 관련한 후처리시스템을 보면 입자상물질 제거를 위한 시스템과 질소산화물 저감을 위한 시스템이 적용되었고 그러한 시스템 주위로 산소, 온도, 차압, NOx,NH3 센서 등 여러 종류의 센서가 장착되어 정상동작을 위한 제어에 이용되거나 정상동작을 하는지를 판단하기 위한 센서로 이용된다.

배기계 센서는 고온의 배기가스에 노출되어 있으며 엔진의 진동, 산화/부식성가스, 응축수 등의 노출 등 장착환경이 매우 열악한 조건이다. 엔진 또는 배기단, 터보 근처 장착에 따라 온도 및 진동조건이 상이하고 급격한 압력 및 온도, 가스조성 변화에 센싱 감도가 영향을 받지 않아야 한다. 표 1은 배기계 센서 장착조건 및 현재 배기단에 적용되는 센서의 현황을 보여준다.

3. 온도센서
강화되는 배기규제에 대응하고 엔진의 성능 향상 및 오염물질 저감을 이루기 위해서는 고온, 고압의 연소 과정 중 엔진 및 배기계의 상태를 정확하고 빠르게 ECU(Electronic Control Unit, 전자제어장치)에 전달해야 한다. 이를 위해서넓은 온도 영역의 측정이 가능하고 응답속도가 빠른 온도센서가 배기계 부품에 필수적으로 적용되어야 한다.

산업 전반에 걸쳐 많이 사용되는 온도센서를 크게 나누어 보면 접촉식과 비접촉식으로 분류할 수 있다. 이중 자동차에는 주로 접촉식이 사용되며 온도 차이에 따라 변하는 저항 특성을 이용한 서미스터 방식(NTC,PTC 등)이 사용된다. 서미스터는 선형성, 감도 등이 상대적으로 좋지 않은 단점이 있지만 값이 싸고 소형화가 가능하여 자동차 온도센서로 다양한 부품에 사용되고 있다.

특히 후처리시스템용 온도센서로는 고온용 서미스터가 적용되어 일반적으로 100~800℃ 범위에서 배기라인, 촉매, DPF, SCR 시스템의 온도를 모니터링 한다. 부품 모니터링을 위해 배기계의 모든 부분에 온도센서를 장착하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 차량 ECU에서는 실제 센서(3개 내외, 승용 기준)에서 측정된 온도 정보를 바탕으로 배기계 각 부 온도를 차량 운행시 실시간으로 계산하고 그 값들을 통해 부품의 이상 유무를 체크하게 된다. 당연히 차량 개발시 배기계의 많은 부분에 온도센서를 장착하여 해당 모델링 값이 실제 값과 일치하도록 오랜 시간 매핑을 진행하게 된다.

후처리시스템의 상태에 대한 정보를 제공해 주는 온도 센서는 최근 기술 개발의 진보로 기존 서미스터의 단점이었던 출력 신호의 비선형성을 개선하여 ECU의 부하를 줄일 수 있는 온도센서나 극저온, 저온, 고온용의 센서들이 개발 또는 사중에 있으며 응용범위도 폭넓게 확대되고 있다.

4. 차압센서
후처리시스템용 차압센서는 두 지점간의 압력 차이를 측정하는 센서로써 PM 저감 장치인 DPF의 입/출구 압력 차이를 모니터링 하여 ECU에서 포집된 PM량을 계산하거나 차량 운행거리에 따른 DPF필터 용량감소 예측 등을 할 수 있도록 한다.

선형성이 우수하고 신호 처리가 용이한 압저항을(Piezo-Resistive) 이용한 MEMS, 세라믹 타입의 차압센서가 주로 사용된다. 내부에 두 개의 압력센서를 사용하여 전/후단 압력을 측정하여 차압을 측정하는 방식(BOSCH, DENSO 등)과 하나의 압력센서를 사용하여 차압을 측정하는 방식(SENSATA 등)이 있다.

가혹한 조건의 배기계 부분에 연결되어 사용되므로 수분, PM, 진동 등의 열악한 환경에서 오랜 내구성을 보장 받을 수 있는 센서기술, 트랜스듀서 패키징 기술 등이 필요하다. 이러한 문제로, 국내판매 차량에 적용되는 대부분의 차압센서는 수입에 의존하고 있는 형편으로 신뢰성과 내구성이 확보된 국내 개발품들의 상용화가 절실하다.

5. 산소센서
산소센서는 배기가스 중 함유된 산소의 양을 측정하여 ECU로 전압신호를 입력한다. 자동차에 적용되는 산소센서로는 지르코니아 소자를 이용한 센서가 대부분이며 그 외 티타니아 소자를 전도체로 이용한 센서가 일부 사용된다.

지르코니아 소자를 이용한 산소센서는 두 가지 방법으로 작동되어 Narrow Band, Wide Band 타입의 센서로 구분된다. Narrow Band Type 산소센서는 지르코니아 소자 양쪽에 백금전극을 설치하고 적절한 온도조건과 이론공연비 조건을 만나게 되면 배기가스와 대기의 산소 분압차이에 의한 전압을 발생시키는 것을 이용한 방식으로 일반적으로 가솔린 엔진의 이론 공연비 제어용으로 널리 사용된다.

또 다른 동작 방법으로 동일한 조건에서 지르코니아 소자 한쪽전극에 직류전류를 공급하면 산소가 펌핑되는 것을 이용한 방식이며 이론공연비보다 넓은 범위의 공기연료비에 대해 정량적으로 정확하게 알아낼 수 있어서 광역(Wide Band) 산소센서라 불리우며
린번, 가솔린 GDI, 디젤엔진 등의 희박 연소 시스템에 사용된다.

가솔린엔진에서 산소센서의 역할은 3원 촉매의 정화율을 높일 수 있는 공연비 제어에 그 목적을 두고 있지만, CRDI 디젤엔진의 경우는 Wideband 산소센서를 채용하여 연료분사/공기량 관련 부품들의 정밀도 편차, 관련 부품 노화 그리고 차량 간 편차에 따른 배기가스 배출량이 틀어지는 것을 보정(ECU에서 연료 분사량 보정)하기 위한 목적이 크다.

EURO 5 이상의 규제에 대응하기 위해 디젤 차량의 산소센서 적용(DPF 재생관련 모니터링, EGR 관련모델 검증 등)이 급격하게 증가하고 있으며 앞서 언급한대로 배기규제가 강화됨에 따라 꾸준한 시장 성장이 예상된다. 세계시장의 90% 이상을 일본(NGK, Denso), 독일(Bosch), 미국(Delphi)이 차지하고 있다. 국내에도 여러 가지 타입의 산소센서가 이미 어느 정도 개발 되었으나 상용화에 필요한 신뢰성 및 내구성 등의 검증이 미비하여 사업화 진출에 어려움을 겪고 있는 실정이다.

6. PM 센서
최근 디젤엔진은 기술진보를 거듭하면서 배기가스 클린화를 달성하기 위하여 후처리시스템 개발에 역점을 두고 개발이 급속히 진행되고 있다. Euro 6에서 권장하는 PM의 배출량(OBD Limit)은 PM< 0.009g/km(참고. PN<1.2*10E12) Euro 5(PM<0.05g/km)에서처럼 차압센서만을 이용한 판단으로는 검진이 힘든 상황이다. DPF의 고장 유무에 따른 PM 모니터링이 필수적이며 그에 따라 PM량을 정밀하게 측정할 수 있는 센서의 필요성이 대두되었다. 그에 따라 세계 각국의 부품업체들이 PM 센서 개발을 진행 중이며 Bosch,
Delphi 등으로부터 2014년 신규 개발 자동차에 적용 예정이다.

PM 센서는 크게 PM Accumulated 타입과 Real-time 타입으로 나눌 수 있다. 이 중
Accumulated 타입은 Bosch, Delphi, Denso, NGK, Continental, Stoneridge 등 대부분의 자동차 부품업체에서 채용하고 있는 방식으로 전압이 걸린 2개의 Digital Electronode에 PM의 쌓임에 따른 전류 흐름의 변화를 감지하는 방식이다. 센서 구조가 간단하여 신뢰성이 높고 제작 단가가 낮아 자동차에서 사용하기 적합한 반면 PM 퇴적이 일정량 이상이 되어 전류흐름이 발생할 때까지의 Response Time이 존재하는 것은 보완이 필요하다.

Real-time 타입 PM 센서는 PM의 이온화 반응(Natural Charge, Induced Charge, Contact Charge 등)을 검출하여 실시간으로 PM량을 모니터링할 수 있다. 하지만 복잡한 센서 구조와 민감도가 높고 고가의 부품이 사용되므로 아직 자동차에 적용되기엔 해결되어야 할 부분이 많을 것으로 보인다.

국내에서는 자동차부품연구원 및 서울대학교에서 선행연구를 하고 있지만, Bosch(독일)와 Delphi(미국) 등의 선진회사와 비교하였을 때 원천기술이 미흡한 상황이다.

7. 결론
OBD 센서는 배기규제 강화에 맞춰 꾸준히 성장세를 보이고 있으나 가혹한 작동 조건에서의 높은 정밀도, 신뢰성, 내구성 등을 만족시키기 위한 기술 장벽이 높아 소수의 선진 업체에 의해 세계시장 물량의 대부분이 공급되고 있는 실정이다.

국내 몇몇 업체에서는 실제로 광대역 온도센서, 차압센서, 산소센서 등의 OBD 관련 센서 개발을 완료하였지만 그러한 기술 장벽과 신뢰도 문제로 상용화가 어려워 시장 진입에 어려움을 겪고 있으며 그에 따라 신기술 센서의 개발은 더욱 어려워지고 있다.

이러한 자동차용 센서의 중요성과 국내 센서산업의 취약성을 개선하고자 정부에서는 2012년 12월 센서 산업 발전 전략을 수립(지식경제부)하여 국내 기업의 시장 진출과 사업화 개발 지원의 노력을 하고 있다. 자동차용 OBD 센서에 대한 국내 기업의 관심과 기술개발의 노력이 어느 때보다도 필요하다고 판단된다.