현재 세계적인 자동차 기술의 개발 트렌드는 1) 전기 자동차 및 자율주행 관련기술 개발과 2) 자동차 안전, 배출 가스 저감, 품질관리 및 경량구조 기술 개발로 나눌 수 있다. 이러한 다양한 기술개발 과제는 차세대 자동차 산업의 성장 동력 기술이 될 가능성이 높으며 기술개발이 성공하기 위해서는 현재의 기술레벨을 뛰어넘는 혁신적인 해결책이 요구된다. 또한 기술개발의 가장 기본적인 필수조건은 정확하고, 정밀한 센서들을 사용해야 한다는 것이다. 이와 관련하여, 현재 자동차 기술개발분야에 널리 적용되고 있는 압전(Piezoelectric) 센서 및 압전 소자의 측정 기술에 대해 알아보고자 한다.

압전 센서의 역사

1880년 Pierre와 Jacques Curie 형제는 특정한 크리스탈에 기계적 부하을 가하면, 전기 에너지의 한 종류인 전하가 발생하고, 기계적 부하량에 따라 전하의 발생량이 변하는 압전 효과<그림 1>를 발견하였다. 그러나 기계적 부하에 따른 발생 전하의 총량이 너무 작아, 실제 연구개발 및 산업 현장에 적용하기는 한계가 있음을 발견하였다.

1940년대 Walter�Kistler와 Hans Sonderegger는 SLM(Swiss Locomotive and Machine Works)에서 엔진 및 측정 시스템에 대해 업무를 하면서 압전소자의 기초지식을 습득하였으며 1950년에 Walter-Kistler는 압전 효과에 의해 발생되는 전하량을 증폭하는 Charge Amplifier를 개발하였다.

이 Charge Amplifier를 이용하여 압전소자를 측정 기술에 응용할 수 있게 되었으며 1959년에 스위스 Winterthur에 Kistler가 설립되어 압전소자 측정장비를 양산하게 되었다. 현재 압전 효과의 원리는 압력, 토크, 힘 및 가속도를 측정하는 센서에 적용되고 있으며, 자동차 산업을 기반으로, 항공, 우주 공항 및 스포츠 분야 등에 활용되고 있다.

자동차 측정 기술에 압전 센서 적용 현황

자동차 분야에서 압전 센서의 측정 기술은 엔진 성능 개발, 충돌 안전 개발 및 평가, 자동차역학 및 내구성 분야에 적용되고 있다. 각 분야에서 압전 센서(혹은 압전 소자)의 이용현황을 간략하게 살펴보고자 한다.

●자동차 엔진 성능 개발 분야
엔진을 개발할 때 가장 중요하고 기본이 되는 측정 항목은 크랭크 각도에 따른 실린더 압력이며, <그림 2>와 <그림 3>은 크랭크 각도에 따른 엔진 연소실의 압력을 나타내고 있다. 측정한 연소실 압력은 연소과정에 대한 분석(Pmax, IMEP & BMEP 등)을 가능하게 하며 엔진의 효율, 동력 향상 및 유해 배기 감소기술 개발의 기초자료가 된다.

최근에는 실제 주행 조건에서의 연소압력 평가의 필요성이 증가하고 있으며, INCA, 연소해석기 및 연소 압력센서를 이용하여, 매핑 및 압력 측정이 실시간으로 측정되어 ECU에 반영이 되고 있다. 따라서 크랭크 각도에 따른 실린더 압력은 정확하고 응답성이 좋은 센서가 요구 되고 있어 압전 효과를 이용한 연소 압력 센서가 전세계적으로 널리 사용되고 있다.

●자동차 안전 개발 분야
도로 교통량 증가 및 자율주행에 대한 관심이 커짐에 따라 자동차 관련 안전요구가 날로 엄격해 지고 있는 실정이며 특히, 충돌 시험은 자동차의 안전성을 개선하고, 승객 부상 위험을 획기적으로 줄이는 데 중요한 평가 방법이다. 따라서 충돌시험시 충돌 전, 충돌 중 혹은 충돌 후의 정확한 데이터 확보가 무엇보다도 중요하다. <그림 4>와 같은 충돌 테스트용 인체 모형에서는 차량의 사고 시 발생하는 충돌 및 충격에 대해, 상해 요인으로 작용하는 가속도, 모멘트 및 힘 등을 측정하는 센서에 압전 소자가 적용 되며 <그림 5>와 같은 차량 충돌 테스트에서도 차체에 가해지는 가속도, 모멘트 및 힘의 정밀한 측정에 적용된다.

또한 안전 관련 시험의 대표 기관인 미국 고속도로 안전협회(IIHS)의 충돌 테스트 규약, 자동차안전도에 따른 상품성 평가인 NCAP 시험 등 충돌 안전의 시험을 위해 장착되는 센서에도 압전 소자가 사용된다.

●자동차 동역학 개발 분야
<그림 6>과 같은, 도로 주행조건 및 차량 하중에 따른 자동차의 동역학 측정 테스트는 차량의 개발 및 품질 개선에 필수적인 검증 항목이다. 이 시험에서 자동차의 제동거리 측정, 원형 코스 주행의 안정성 여부 확인 및 이중 차선 변경 시험 등을 진행하게 된다. 이를 검증하기 위해서는 하중에 따른 휠 포스를 측정할 수 있는 센서와 속도를 측정할 수 있는 광센서, 차체의 위치를 측정할 수 있는 레이저 센서, 조향장치 작동에 따른 휠 거동을 측정할 수 있는 기계적 센서 등이 필요할 뿐만 아니라 Dynamic 시험 조건에 따른 센서의 견고한 내구성이 추가로 확보되어야 한다. 최근에는 무선 휠 토크센서가 자동차의 제동성능 및 연비 측정에 사용이 되고 있다.

●자동차 내구성 개발 분야
<그림 7>은 자동차 내구성 시험 장면을 보여주고 있다. 보통 내구성 테스트의 경우에는 실차 시험과 시뮬레이터를 이용한 실내 시험의 두 종류가 있으며, 개발 자동차의 내구성을 점검하고 품질을 개선하는 데 그 목적이 있다. 이를 위한 휠 포스 측정은 스트레인 게이지를 이용한 센서를 사용한다.

센서 기술 개발 동향

향후 미래 자동차 시장에 대응하기 위한 센서 개발 방향은 연구자가 좀더 정확하고, 효율적으로 데이터를 얻을 수있는 Total package 형태로 진행되고 있다. 대표적인 예로 자동차 충돌시험은 자동차의 교통안전성 증대 및 부상자의 수를 획기적으로 줄이기 위해 실시하는 중요한 평가 방법이다. 그러나 이 시험의 어려운 부분은 적게는 수십 개에서 많게는 수백 개에 이르는 센서와 와이어, DAQ 장치 등이 설치되어야 하며 이에 따른 Data 수집에 어려움이 있다는 점이다. 특히 단 한번의 시험을 통하여 원하는 결과 값을 얻어야 하는데 시험과 관련한 셋업 오류의 발생 가능성 때문에 연구자들이 부담을 매우 크게 가지게 된다.

현재 충돌테스트의 DTI(Digital Transducer Interface) 기술은 연구자의 이러한 어려움을 덜어주기 위하여 센서를 구성하고, 측정 데이터를 전송 및 동기화하고, 전원을 공급하는 각각의 케이블이 오직 한 개의 케이블로 통합되어 충돌시험의 정확성과 안정성을 활보할 수 있는 시스템이 개발되었다. 수십에서 수백에 이르던 케이블 수를 획기적으로 줄여, 시험 셋업의 오류를 줄일 수 있으며 시험 차량의 공간 확보에도 유리한 측면이 있다. 또한 이 기술은 기존에 보유중인 아날로그 방식의 센서를 디지털 방식의 센서로 컨버팅(Converting)하여 사용할 수 있는 기술로, 제품의 테이터 신뢰도 및 설정상 오류를 줄여 데이터의 신뢰성을 향상 시킬 수 있다는 점이다. 이런 DTI 기술은 향후 차량의 다이나믹 평가 및 작동 안정성 평가에도 적용 될 수 있을 것이다.

자율 주행 및 차량 주행 안전을 위한 신뢰성 있는 도로의 교통량 모니터링 시스템에 대한 연구를 위해 전문화된 센서, 신뢰할 수 있는 데이터 시스템 및 초고속 성능의 S/W의 서로간의 복합적인 융합이 필요하며, 관련 업체간의 유기적인 개발이 진행되고 있으며 압전 효과를 이용한 주행 차량 중량 측정(WIM) 시스템이 개발되어 도로 유지보수의 최적화 및 교통 흐름에 대한 분석이 가능하게 되었다.

글로벌 시장에서 환경보호에 대한 관심이 증대되면서 각 나라 마다 내연기관의 퇴출시기를 정할 뿐만 아니라 배기 규제를 더욱 강화하고 있다. 이에 따라 친환경 자동차의 대표주자인 전기자동차에 대한 관심이 크게 늘어나 글로벌 업체들의 표면적인 움직임을 보면 내연기관을 포기한 것처럼 보여진다.

그럼에도 불구하고 최근 3월 26일 해외 자동차 전문매체 카스쿱(Carscoops)은 독일의 자동차 선두그룹의 커뮤니케이션 담당자의 발언을 인용하여 “2025년에도 내연기관자동차의 비중은 80%에 달할 것으로 예측하고 있으며 자동차의 동력원이 완전히 전기화로 되기에는 아직 많은 시간을 요한다”고 전했으며 지난 3월 13일 한국자동차공학회에서 주관한 자동차 기술 및 정책개발 로드맵 발표회에서도 “2030년에도 내연기관이 탑재된 차가 80% 이상을 차지할 것으로 전망되며 엔진 자체의 고효율화에 대한 투자가 필요하다.”는 주장이 제기되었다.

이러한 전문가들의 주장과 같이 내연기관의 고효율화에 대한 연구가 집중적으로 추진되어야 할 것으로 보인다. 내연기관 자동차의 고효율화를 달성하기 위해서는 보다 정확하고 신뢰성이 확보된 센서들로 측정한 데이터를 바탕으로 시험결과를 평가하여야 할 것이며 이러한 결과들이 하이브리드를 포함한 엔진기반 동력원의 효율성 향상을 유도하는데 크게 도움이 될 것으로 기대한다.