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[오토저널] 압전 및 압저항 소재의 차량 응용

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-11-04 11:19:25

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압전(Piezoelectric) 소재는 기계적 에너지와 전기에너지의 상호 변환이 가능한 소재로, 변형에 의한 분극 현상에 기인한다. 티탄산바륨(BaTiO3) 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3)와 같은 벌크 세라믹소재가 대표적이며, (Na, K)NbO3나 Tungsten Bronze 등의 무연 소재 관련 연구도 활발히 진행되고 있다.

 

이러한 소재들은 ABO3의 Perovskite 결정구조를 가지는데, PZT소재를 예로 들자면, 정방격자의 모서리에 Pb2+가, 각 면의 중심에 O2-가 위치하며, Zr4+ 또는 Ti4+가 격자의 중심부에 위치하는 구조이다. 여기서 Ti4+ 또는 Zr4+의 위치가 정중앙이 아닌 상하로 치우친 위치에 존재함으로써 압전 현상이 나타나게 된다<그림 1>. 이와 같은 벌크 세라믹 소재 외에도 반도체 공정 기술의 발전에 따라 AlN, ZnO와 같은 압전 박막 소재에 대한 개발도 활발히 진행되고 있다.

 

 

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압전 현상은 <표 1>과 같은 형태로의 응용이 가능한데, 차량 분야에서는 센서로의 응용이 가장 활발하며, 특히 전기→ 기계 → 전기에너지 변환을 이용한 초음파 센서 기술이 주로 적용되어 있다. 또한 압전 인젝터, 압전 모터와 같은 액츄에이터로의 응용 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 압전과 유사한 특성으로 에너지 변환 개념은 아니지만,


변형에 의해 소재의 전기적 특성인 저항이 변화하는 압저항(Piezoresistivity)특성이 있다. 압저항 특성은 기하학적 변형(단면적/길이)에 의한 소재 저항 변화보다 압저항 효과에 의한 저항변화가 큰 소재로 NiCr과 같은 금속 및 Si 반도체, 일부 금속산화물이 이에 속한다. 특히 Si 반도체의 압저항 계수는 압저항 금속 대비 수십 배 수준(게이지 계수 : 80~200)으로 다양한 압저항 응용 부품에 활용되고 있다.

 

차량 부품으로는 거의 대부분의 압력 센서에 압저항 소재가 적용되고 있다. 본 고에서는 압전 및 압저항 소재의 차량 응용 분야를 센서 부품 위주로 소개하겠다.

압전 소자의 설계 및 차량 센서 응용 압전 소재는 일반적인 벌크 세라믹 소재의 제조 공정에 분극 처리(Poling)공정을 통해 압전 특성을 부여한다. 분극 처리 전 전기 쌍극자는 자발 분극에 의해 무작위로(Randomly) 배열되어 있지만, 분극 처리 후 일정한 방향으로 배열하게 된다. 이러한 압전 소재의 특성을 나타내는 지수로 전기기계결합계수(Kp), 기계적품질계수(Qm), 압전전하계수(d33) 등이 있으며, 이러한 소재의 고유 특성을 기반으로 사용 용도에 따른 최적의 소자 설계를 통해 원하는 특성을 구현할 수 있다.

 

사용 용도에 따른 주요 고려사항으로는 초음파의 감지거리 및 방사각, 감도 및 잔향시간 등이 있는데, 초음파 소재의 기하학적 형태 및 소자 주변 부품(매칭 레이어, 댐퍼 등)의 최적 설계가 이루어져야 한다. 가령 연료나 엔진오일 등의 양을 체크하기 위한 레벨센서는 감지거리가 수십 cm 이내의 짧은 경우에도, 소재의 유전 특성을 고려하여 고주파가 발생되도록 소자의 면적 및 두께를 설계하고, 반면 주차보조용 센서나 사각지대 감지용 센서와 같이 상대적으로 감지거리가 긴(4~5m 또는 그 이상 수준) 경우 레벨센서 대비 상대적으로 저주파 특성을 갖도록 소자 및 주변 부품을 설계한다.

 

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<표 2>는 압전소재의 고유 특성치에 대한 설명이다. 분극 처리한 시편의 압전 특성은 공진-반공진법에 의해 측정 가능한데, 압전 소자의 기하학적 형상에 따라 다양한 진동 모드가 존재하며, 각 진동 모드에 대한 Kp 계산식도 각각 존재한다.

 

앞서에도 언급했듯이, 압전소재는 초음파 센서의 형태로 자동차 분야에서 다양한 센서 부품으로 활용되고 있는데, 주차보조센서는 불과 몇 년 전만 해도 후면 범퍼에 3~4개가 장착되는 형태가 대부분이었으나 최근에는 단순 주차 보조시스템에서 자동 주차 지원 형태로 기술이 발전함에 따라 전면과 측면에도 감지센서가 추가되고 있다<그림 2>. 연료의 레벨을 측정하는 레벨센서는 기존 침적방식 센서의 부식 및 열화 가능성으로 비접촉식인 초음파 방식 센서로의 검토가 이루어지고 있으며, 연료 이외의 다른 성분 함유 여부를 감지할 수 있는 연료 품질 센서의 기능 추가도 함께 고려되고 있다. 특히 유럽의 강화된 배기규제 적용에 따라 상용차에 적용 중인, 요소수를 사용한 선택적 환원 촉매(SCR, Selective Catalytic Reduction) 시스템이 승용 디젤 차량에도 적용되어야 하는데, 요소수 보충 시기를 알려주는 레벨센서 또한 초음파센서가 주로 적용되고 있다<그림 3>.

 

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또한, 압전 소자는 센서 이외에도 다양한 액츄에이터 부품에 적용이 가능한데, 압전 소자에 전기장을 가할 때 압력이 발생하거나 압전 소자의 길이가 변경되는 원리를 이용한다. 자동차 부품은 대표적인 예로 디젤 연료 인젝터가 있다. 압전 액츄에이터 이전의 디젤 연료 인젝터에는 주로 솔레노이드 밸브가 사용되었다. 보다 낮은 수준의 배출가스 규제치와 향상된 연비를 달성하기 위하여 1 사이클에서의 디젤연료 분사 횟수가 2~3회에서 4~5회로 점차 많아지면서, 솔레노이드 밸브 인젝터로는 최소분사기간 및 최소분사간격 등의 제한조건 때문에 원하는 분사시기 및 분사량 등을 얻기가 어려워졌다. 압전 소자를 사용한 인젝터는 압전 소자의 빠른 응답속도를 이용하여 적은 양의 연료를 여러 번에 걸쳐보다 좁은 간격으로 분사하는 것이 가능해졌으며, 보다 정밀한 연료 분사를 구현할 수 있게 되었다. <그림 4>는 대표적인 압전 액추에이터 구조를 도시하였다.

 

압저항 소자의 설계 및 차량 센서 응용
압저항 소재는 벌크 세라믹 형태로 차량에 응용되는 압전 소재와 달리 다이아프램 상에 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 형태로 센서에 활용되고 있다. 여기서 다이아프램은 외부 압력이 인가되는 기판이다. 압저항 소재의 중요한 특징을 나타내는 지표로는 센서의 감도와 관련 있는 게이지계수(Gauge Factor)와 온도에 따른 저항변화율인 온도저항계수(TCR, Temperature Coefficient of Resistance) 등이 있으며 Si 반도체의 경우 게이지계수가, 금속계 소재의 경우는 온도저항계수가 우수하다(TCR금속=300ppm/℃, TCRSi=2,500ppm/℃). 게이지계수는 압저항 소재의 초기 저항값에 대한 변형 후 저항값의 변화로 나타낸다.

 

이러한 압저항 소재는 연료나 오일, 가스의 압력값을 전기적 신호로 변환하는 압력센서에 적용되는데, 현재는 일부 센서를 제외하고는 대부분 Si 반도체가 적용된다. 파워트레인이나 섀시 시스템에 장착되어 사용되므로 소형화가 중요한 설계 인자 중에 하나이며, MEMS 공정을 통해 수㎛ 크기로 형성된다. 우수한 감도 특성 및 신호처리부의 처리 사양을 고려하여 압저항 소재의 저항치를 설계하여야 하고, 이는 압저항체의 기하학적인 형상과 붕소(Boron)와 같은 불순물(도펀트) 첨가량에 의존한다.

 

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차량용 압력센서는 -1~2,500bar 수준의 압력 영역까지 다양하게 적용되며 이에 따라 다이아프램 소재를 달리하여야 한다. 주로 100bar 미만일 경우 Si을, 그 이상에서는 스테인레스 스틸계의 금속재질을 사용한다. 전자를 저압용, 후자를 고압용이라고 하였을 때 저압용 센서로는 대표적으로 흡기압, 연료탱크압, 연료 및 오일압 센서, 에어백 제어를 위한 충돌 센서 등이 있으며, 고압용으로는 차체자세제어용 브레이크유압 센서, 가솔린 직분사(GDI, Gasoline Direct Injection) 엔진용 연료압 센서, 디젤 엔진용 연료압 센서 등이 있다. 최근에는 다양한 연비 증대 및 안전 사양의 적용으로 압력 센서의 종류도 증가하고 있다. 대표적인 연비 개선 기술로 정차 중 시동이 OFF되는 STOP & GO 시스템이 있으며, 이를 위해 브레이크 부스터 압력 센서가 적용되며, 연료 및 오일 펌프를 연료, 오일 공급 상태에 따라 가변적으로 제어하기 위한 가변압 센서 등도 근래에 추가로 적용되는 압력센터 부품이다. <그림 5>에 대표적인 차량 압력 센서를 나타내었다.

 

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압전 및 압저항 소재와 같은 기능성 소재의 발견으로 거리 및 수위 감지, 유체의 품질 감지, 압력 감지 등을 편리하게 할 수 있게 되었다. 이러한 소재는 향후 자율주행 기술 및 정보통신기술, 헬스케어 기술 등의 차량 진입에 따라, 이와 관련한 다양한 센서의 추가 적용이 필요하게 될 것이고, 그 활용도가 더욱 커질 것이다. 또한, 반도체 공정 기술의 접목으로 센서 소형화 및 고집적, 다기능화가 이루어질 것으로 예측된다. 이러한 기회요인으로 기존의 센서 업체 뿐 아니라 유관 업체에서의 센서분야 진출이 증대되고 있으며, 차량 OEM에서도 센서 기술을 차량의 중요한 요소 기술로 인식하고 기술 변화에 발빠르게 대응하고 있다. 더불어 압전 소재를 이용한 액츄에이터 기술의 차량 적용 또한 증가하고 있으며, 차량 기술의 발전과 함께 압전, 압저항 소재 기술 및 그 응용 기술의 지속적인 발전이 기대된다.

 

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