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[오토저널] 스마트 타이어 센서용 에너지 하베스팅 기술

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-08-29 07:49:18

본문

최근 타이어에 각종 센서를 내장하여 타이어 변형과 같은 유용한 제어 정보를 직접 실시간으로 측정하는 지능형(Smart/Intelligent) 타이어를 개발하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 기술이 차량에 적용되면 타이어에 작용하는 수직력(Normal force)을 샤시통합제어시스템에 적용하여 차량 운전성 및 안정성을 획기적으로 개선할 수 있다. 또한 횡슬립각(Sideslip or slip angle), 노면 마찰계수 및 마찰력 정보의 실시간 측정이 가능해져 보다 우수한 제어 성능을 기대할 수 있다.

 

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<그림 1>에 나타낸 바와 같이 타이어에 작용하는 수직력 이외에도 타이어 내부 압력, 온도, 마모 상태 등 다양한 타이어 정보에 대한 실시간 측정도 가능해지면 차량의 안전에 크게 영향을 미치는 타이어의 상태를 사전에 모니터링하여 안전성을 확보할 수 있다.

<그림 2>에 대표적인 타이어 센서 개발 사례를 나타내었다. Darmstadt 대학에서 타이어의 변형량을 측정하기 위해 개발한 타이어 센서로 Hall 센서를 이용해 타이어 변형에 의한 마그넷 위치의 변화를 Hall 센서로 측정하는 원리이다. 이러한 타이어 변형량 센서를 타이어 내부에 장착하고 센서신호를 무선으로 송신하여 중앙 제어기에서 타이어 힘 등 제어에 필요한 정보로 변환하거나 센서 융합(Sensor fusion)에 이용한다. 이외에도 Sidewall 비틀림 센서, 탄성 표면파(Surface Acoustic Wave, SAW) 센서, Optical 센서 등 다양한 센서 기술이 타이어에 적용되고 있다. 스마트 타이어 기술의 개발을 위해서는 센서 이외에도 <그림 3>에 나타낸 바와 같이 Bluetooth, ZigBee와 같은 무선 통신 프로토콜을 이용한 무선 송수신 장치의 개발도 병행해야 한다.

Power Sources for Smart Tire Sensors

전원 공급이 필요 없는 무전지형(Passive type) SAW 센서를 제외하고 압력 센서와 같은 Active 센서를 사용하는 대부분의 타이어 센서와 무선 송수신 장치는 안정적인 전원공급이 반드시 필요하다. 이러한 지능형 타이어 센서에 전원을 공급하는 수단은 타이어 내부에 센서를 장착하고 자동차가 주행시 회전하는 구동축을 통해 센서 정보를 수신하기 어려운 작동 환경 때문에 현재 대부분 2차 전지(Battery)를 사용하고 있는 실정이다.

<그림 4>에 나타낸 대표적인 스마트 타이어 기술인 타이어 압력 모니터링 시스템(Tire Pressure Monitoring System, TPMS)은 2007년 북미에서 강제법규화가 시행되었으며 2014년부터 확대 적용되고 있는 처음으로 상용화된 스마트 센서 기술이다. 그러나 대부분 전원 공급원으로 소형 화학 배터리가 사용되고 있기 때문에 배터리의 평균 수명이 1~2년에 불과하여 주기적으로 교체해야 하기 때문에 번거롭고 교체 비용이 추가되는 단점이 발생한다.

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따라서 이러한 단점을 해결하기 위한 방안으로 전력 소모가 아주 작은 저전력 MEMS 부품을 사용하거나 샘플링 주기를 길게 하는 방법 등 전력 소비를 최소화하는 다양한 기술 개발이 시도 되고 있지만 근본적으로 배터리 수명을 획기적으로 늘리기 어렵기 때문에 최근 첨단 재료를 이용한 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술이 각광받기 시작했다. 많은 에너지 하베스팅 기술중 Micro Electromagnetic 발전방식과 압전(Piezoelectric) 방식이 활발하게 연구되고 있다.

Electromagnetic Generator

이 방식은 자석(Magnet)을 이용한 소형 발전기와 작동 원리가 동일하며 타이어가 회전하면서 주기적으로 편평한 도로면과 접촉하는 Contact Patch 면에 의해 발생되는 수직 가속도에 의해 발전기 내부의 자석이 상하로 진동하면서 전기 에너지를 수확하는 원리로 작동한다. 이러한 원리를 이용한 대표적인 개발 사례로 세계적인 타이어 제조사인 브리지스톤은 제42회 동경모터쇼 2011에서 타이어 내부에 매립한 소형 발전기와 센서 모듈을 이용하여 차량이 주행하고 있는 노면 태를 판단하는 기술을 발표하였다. 타이어 접지면 정보(Contact Area Sensing Information)를 수집/해석해 타이어에 새로운 가치를 제공하기 위한 미래기술이다. 

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소형 발전기는 약 2cm 반경에서 회전하는 자석과 코일로 구성된 Electromagnetic generator 방식으로 타이어가 접지할 때의 충격에 의해 자석을 회전시켜 발전한다. 한편, 센서 모듈은 1축 가속도, 온도, 대기압을 검지하고, 그러한 센서 데이터를 리얼타임으로 차량 내부에 탑재된 해석 장치에 무선통신으로 송신할 수 있다. 소형 발전기 발전량은 차량 속도가 50km/h일 때 약 60mW로 센서 모듈 동작에 필요한 전력인 40mW을 충분히 공급할 수 있지만 고속주행 시에만 충분한 전력이 생산되므로 축전기 같은 배터리 관리 기술이 추가로 필요하다.

Piezoelectric Energy Harvester

압전 재료(Piezoelectric material)에 응력을 가했을 때 전하(또는 전압)을 발생시키는 압전 효과(Piezoelectric effect)를 이용한 이 방식도 타이어가 회전하면서 주기적으로 편평한 도로면과 접촉하는 Contact Patch 면이 발생되어 응력변화가 발생되는 현상에 기초하여 작동된다. <그림 6>과 같이 타이어 내부 라이너등에 압전 패치등을 접착하여 타이어 변형률 변화에 의해 발생되는 주기적인 출력을 정류 회로(Rectifying circuit)을 이용하여 직류로 변환하여 전원으로 사용하는 방식이다. 압전 재료의 내구성을 감안하여 <그림 7>과 같이 외팔보(Cantilever beam) 표면에 부착한 후 자석을 이용한 방식과 마찬가지로 반복적으로 발생되는 가속력에 의해 가진되어 발생되는 진동의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방식으로도 많은 연구가 진행되고 있다.

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최근 세라믹 재질의 기존 압전 재료의 단점을 보완하기 위해 유연한 형태의 압전 트랜스듀서가 개발되고 있다. 대표적인 예로 2000년대 초반 미국 NASA Langley 연구소에서 사각형 단면 형상의 압전 세라믹 파이버를 기반으로 한 Macro Fiber Composite(MFC)를 개발하였으며, Smart Material사에서 상용화하여 현재 다양한 분야에 활용되고 있다. 이와 같이 유연한 MFC를 기반으로 <그림 8>과 같이 타이어 내측 표면에 접착이 가능한 에너지 하베스팅 장치개발이 가능하다. 이외에도 압전 성질이 나타나는 Electroactive Polymer(EAP), ZnO nanowire(NW)로 구성된 Nano Generator(NG) <그림 9>에 대한 연구도 시도되고 있다.

향 후 타이어에 각종 센서를 내장하여 유용한 제어 정보를 직접 실시간으로 측정하는 지능형 타이어의 적용이 지속적으로 확대 될 것으로 예상되며 대중화를 위한 가장 큰 기술적 이슈는 배터리에 의존하지 않는 자체 에너지 하베스팅에 의한 전원 공급일 것으로 판단된다. 현재 압전 재료를 이용한 에너지 수확 기술이 부분적으로 적용되고 있지만 확대적용시키기 위해서는 타이어 회사의 관심과 과감한 연구개발 투자, 새로운 재료 기술을 이용한 신기술을 지속적으로개발할 필요가 있다.

글 / 김기우 (인하대학교)

출처 / 오토저널 16년 1월호 (http://www.ksae.org)   
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