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[오토저널] 스마트 재료를 이용한 자동차용 센서 및 작동기

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-10-31 11:30:34

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최근 기존 재료와 달리 외부의 자극 또는 제어 입력에 의해 재료 특성이 변하는 기능성 지능 재료(Smart, Intelligent Material)를 사용하여 공학적 문제를 해결하고자 하는 다양한 시도가 기계, 항공, 의료 산업 영역에서 광범위하게 이루어지고 있다. 대표적인 예를 들면, 압전(Piezoelectric) 재료를 이용한 다양한 기계 센서(Sensor) 및 변환기(Transducers), 선형 액추에이터(Linear Actuator)가 꾸준히 개발되고 있다. 이외에도 진동 제어(Vibration Control), 에너지 하베스팅(Energy Harvesting), 구조물 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring) 기술 등에도 다양한 지능 재료가 확대 적용되고 있다.

 

이러한 목적을 달성하기 위해 현재 <그림 1>에 나타낸 바와 같이 다양한 지능 재료가 사용되고 있으며 최근에는 기존에 많이 사용되는 압전 세라믹(Piezoelectric Ceramics), 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy, SMA), 자기유변유체(Magneto- Rheological Fluids, MRFs) 이외에도 카본 나노튜브(Carbon Nanotube, CNTs), 유전체 엘라스토머 (Dielectric Elastomer) 등도 새로운 지능 재료로 각광받고 있다.

 

이러한 지능 재료 기반 기술은 항공, 로봇, 토목, 생명, 스포츠 분야 등 다양한 분야에서 활발하게 응용되고 있으며 관련 기술이 점진적으로 성숙되어 가고 있지만 자동차 분야에서는 보수적인 자동차 산업 특성으로 인해 아직 응용 사례가 많지 않은 실정이다. 본 고에서는현재 개발 완료된 또는 진행중인 지능 재료 기반 자동차 센서 및 작동기 기술 현황에 대해 소개하고 미래 기술 발전에 대한 긍정적인 전망을 제시하였다.

 

Smart Material-based Automotive Actuators
기존 전기 모터를 대체하여 자동차용 작동기로 사용할 수 있는 유망한 지능 재료는 형상 기억 합금(SMA)이다. 일반적으로 형상 기억 합금은 두 가지 주요 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.

 

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첫 번째는 온도가 낮을 때 변형시킨 후 열을 가하여 고온으로 만들면 원래의 형태로 회복되는 특성으로 Martensit로 구조가 변화되었다가 온도가 올라가면서 Austenite로 회복되면서 큰 변형률이 발생된다<그림 2>. 이때 전압을 가하면 SMA와이어의 전기 저항에 의해 Joule Heat(줄열)가 발생되기 때문에 이를 이용하여 고온을 가할 수 있으므로 작동기 및 제어 응용 장치에 적합하다. 두 번째 특성은 특정 온도 구간에서 하중을 주면 쭉 늘어나며 Martensite가 되었다가 다시 하중을 제거하면 원래의 형태로 고무줄처럼 돌아오는 초탄성(Superelasticity) 현상이다. 최초의 형상 기억 합금은 ‘Nitinol’이라 불리는, 니켈-티타늄 합금으로 가장 강력한 기억력을 보유하고 있지만 니켈과 티타늄의 값이 워낙 비싸기 때문에 다양한 분야에 적용이 어려워 보다 저렴한 대체재가 연구되고 있다.

 

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이러한 특성을 이용하여 최근 자동차 메이커 GM에서는 <그림 3>과 같이 Rear Cabin Vent를 기존 모터에 의해 구동하는 대신 SMA를 이용하여 주변 온도에 의해 액티브(Active)하게 개폐하는 기술을 2014년에 선보였다. GM은 미시건 대학교와의 공동 연구를 통해 SMA에 대한 특허만 200여개 보유하고 있을 정도로 활발하게 SMA 응용 연구를 수행하고 있다.

 

이와 유사한 SMA 작동기 응용 장치로는 <그림 4>와 같은 액티브 에어 플랩(Active Air Flap) 작동기이다. 전방 범퍼그릴 안쪽에 개폐 가능한 플랩(덮개)을 설치해, 차량의 냉각이 불필요한 경우 차량 내부로 유입되는 공기를 차단하여 주행저항을 감소시키고 공력 성능을 개선해 차량의 연비를 높이는 장치로 기존에는 주로 모터를 이용해 플랩을 개폐한 반면 SMA를 사용하면 시스템 전체 구조가 매우 단순해지며 경량화가 가능하여 파워 밀도(Power Density)가 낮은 기존모터 작동기의 단점을 개선할 수 있다.

 

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SMA를 작동기로 사용하기 위해서는 Antagonistic(반대편)근육 역할을 담당하는 Bias 스프링이 반드시 필요하며 이러한 특성을 이용하여 자동차에 응용할 수 있는 대표적인 자동차 부품이 <그림 5>와 같은 사이드 미러 구동 시스템이다.

 

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SMA 이외에 역압전 효과(Inverse Piezoelectric Effect)를 이용하는 압전 스택 작동기도 <그림 6>과 같은 디젤엔진의 커먼레일 인젝터(Common Rail Injector)에 밸브 작동기로 성공적으로 적용되었다. 기존 솔레노이드 밸브에 비해 월등히 우수한 압전 작동기의 광대역(Bandwidth) 성능으로 인해 커먼레일(High Pressure Reservoir)의 고압 연료를 고주파수로보다 효율적으로 분사할 수 있게 되었다.

 

Smart Material-based Automotive Sensors
외부 응력을 가할 때 자화율(Magnetic Susceptibility)과 같은 자기 특성이 변하는 Inverse Magnetostrictive (Magnetoelastic 또는 Villari) 효과를 나타내는 agnetoelastic 재료의 특성을 축 토크 센서(Shaft Torque Sensor)에 적용하면 비접촉(Non-contacting)으로 회전축에 작용하는 토크를 측정할 수 있다.

 

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이러한 비접촉 측정 원리를 이용한 대표적인 개발 사례로 미국 Methode에서 개발한 변속기 출력축 토크 측정용토크 센서이다<그림 7>. 압전 재료를 이용하여 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave, SAW)를 발생 시켜 온도, 토크와 같은 기계 물리량을 측정하는 측정 방식(그림 8)에 비해 구조가 보다 단순하기 때문에 Magnetoelastic 재료의 내구성이 확보되면 보다 다양한 분야로 응용이 확대될 것으로 예상된다.

 

이외에도 이미 Yaw Rate 센서, 가속도계 등에 압전 재료가 사용되어 왔으며 에어백 센서와 같은 MEMS 센서 등에 PVDF와 같은 보다 다양한 지능 재료를 응용하는 시도가 필요하다.

 

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카본나노튜브는 큰 종횡비(Aspect Ratio) 때문에 폴리머와 같은 기저(Matrix) 재료에 균질하게 분산시켰을 때 전도성 및 Piezoresistive 효과가 나타나는 특성으로 인해 최근 나노복합재(Nanocomposite) 센서 분야에 광범위하게 응용되고 있다. 대표적인 성공 사례로는 변형률, 응력 센서 등 이 있으며, 미네소타 대학의 연구원들은 <그림 9>와 같이 포장 도로의 재료로 사용하는 시멘트와 혼합하여 특정 구간을 통과하는 차량의 숫자를 모니터링하는 ITS(Intelligent Transportation System)의 핵심 센서로 응용할 수 있는 가능성을 보여주었다.

 

향후 지능 재료를 이용한 자동차용 센서 및 작동기에 대한 응용 연구가 지속적으로 이루어질 것으로 예상되며 대학 연구소를 중심으로 새로운 지능 재료의 개발 및 발견에 대한 연구 개발도 활발하게 이루어 질것으로 판단된다. 현재 안전성을 생명으로 하는 자동차 특성으로 인해 지능 재료를 이용한 자동차 부품의 적용이 매우 제한적이지만 과감한 연구개발 투자 및 신기술 개발에 대한 열망을 통해 Breakthrough 재료 기술이 개발될 경우 지능 재료를 이용한 자동차 센서 및 액추에이터 응용 연구 분야의 전망은 매우 밝을 것으로 예상된다.

 

글 / 김기우 (인하대학교)
출처 / 오토저널 16년 5월호 (http://www.ksae.org) 
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