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자동차 MEMS 센서 기술 동향 및 전망

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2012-12-30 16:44:48

본문

자동차에는 구동부, 안전 및 편의성을 목적으로 다양한 종류 및 다량의 센서가 사용되고 있다. 자동차 센서로서 요구되는 저가, 소형, 고 신뢰성 등의 특성을 대응하기 위해 최근 마이크로 기계, 마이크로 전자 및 반도체 공정기술을 융합한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)형 자동차 센서가 활발히 연구 개발∙적용되고 있는 추세이다. 본 고에서는 자동차 센서의 개발 방향, 주요 차량용 MEMS 센서의 구조와 개발 동향 및 앞으로의 전망을 살펴보고자 한다.

글 / 임시형 (국민대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 10월호

1. 자동차 센서의 개발 방향
1.1 자동차 센서의 종류

자동차 센서는 구동계, 차량제어, 승객편의, 배기제어, 충돌회피, 안전, 신개념 차량 등의 여러 분야에서 다양하게 활용되고 있으며, 전체 자동차 센서는 최근 기준 약 6조 원 이상의 시장 규모로 파악되고 있다. <그림 1>은 Bosch에서 제작되고 있는 다양한 자동차 센서의 종류와 응용 예를 보여주고 있다.

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1.2 자동차 센서에서 MEMS 기술의 도입
앞에서 언급한 바와 같이 차량에 적용되는 센서의 종류와 개수가 급격히 증가하면서, 센서모듈을 장착할 수 있는 공간이 작아지고 있어, 센서 모듈을 초소형화하는 기술에 대한 필요성이 증대되어왔다. 특히 자동차센서는 고 신뢰성, 낮은 생산 비용, 혹독한 환경 조건, 작은 크기, 높은 정밀도 등을 요구하고 있으며, 이에 대량생산이 용이하고, 고 저항성 패키징, 소형화 등이 가능한 기술이 절실히 요구되어 왔다. 1990년대 이후, 반도체 공정, 마이크로 기계역학, 마이크로 광학 및 패키징 기술을 포함하는 마이크로 시스템기술<그림 2>의 도입으로 저가, 소형, 고 신뢰성이 가능하여 마이크로 시스템 기술을 활용한 초소형 센싱 소자의 개발이 활발히 이루어지고 있다. <그림 3, 4>는 MEMS 가속도 센서 및 자이로 센서의 예를 각각 보여주고 있다.

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1.3 자동차에서 MEMS의 응용 및 시장
<그림 5>는 자동차에서 MEMS 기술의 응용 예를 보여주고 있다. 최근 운전자의 편의성 및 안전성을 위한 압력센서, 자이로 센서, 가속도 센서, 유량센서 등의 MEMS 센서의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 차량 안전제어(Vehicle Stability Control)와 관련하여 가속도 센서와 자이로 센서는 일체화되며, 전자엔진제어(Electronic Engine Control)와 관련하여 흡/배기 압력센서, 흡기 유량센서의 개발이 활발히 진행되고 있다. 자동차용 MEMS 센서의 시장은 압력, 자이로, 가속도, 유량센서를 중심으로 연평균 7%의 고속성장을 하는 추세이며, 2011년은 시장규모로 약 2조원 이상으로 파악되고 있다<그림 6>.

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<표 1>은 현재 MEMS 차량용 센서 제품의 시판 현황을 보여주고 있다. 미국, 유럽 등의 기업에서 압저항, 정전용량 등 다양한 센싱 방법과 체적, 표면 마이크로 머니싱 기술을 통하여 압력, 유량, 가속도, 자이로 센서 등을 개발하여 판매하고 있음을 알 수 있다.

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2. 주요 MEMS 센서의 구조 및 국내외 기술 개발 동향
2.1 가속도 센서
자동차에서 가속도 센싱은 1g 이하의 낮은 가속도 수준에서부터, 50g 이상의 높은 가속도 수준에 이르기까지 차체 섀시제어, 녹킹제어, 충돌 및 전복 시의 안전 제어용으로 많이 활용되고 있다. 벌크 및 표면 마이크로 머시닝 기술과 압전형, 압저항형, 정전용량형 등의 다양한 센싱 방법을 활용한 MEMS 가속도 센서가 제작∙개발되고 있다.

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특히 정전용량형 MEMS 센서는 저전력 소비 및 높은 밴드폭의 장점으로 판매되는 센서의 주종을 이루고 있다. <그림 7>과 같이 정전용량형 자이로 센서는 가속도의 작용에 의한 질량체의 움직임에 발생된 센싱 전극사이의 정전용량 변화를 통해 질량체에 작용한 가속도의 크기를 측정하는 방식을 가진다. 현재 아날로그 디바이스, 프리스케일 등 다양한 외국 기업에 의해 활발한 제품 개발 및 판매가 이루어지고 있으나, 국내에서는 가속도 센싱에 대한 원천기술을 확보하고 있지 못한 실정이다.

2.2 자이로 센서
1991년 Charles Stark Draper Laboratory에서 실리콘-유리 구조의 두 개의 가속도계를 기반으로 한 튜닝 포크 방식의 진동형 자이로 스코프를 발표한 후, 많은 연구가 진행되어 현재까지 튜닝 포크형, 진동 쉘형, 진동 빔 구조 등 매우 다양한 종류의 마이크로 자이로 센서가 발표되었다. 몸체 미세 가공기술로 제작된 정전 구동 및 정전 용량 검출형 자이로 센서가 Jet Propulsion Lab과 University of California, Los
Angeles에서 개발되었으며, 저가의 간단한 공정으로 제작되고, 고성능에 필요한 고종횡비의 구조물을 제작 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 현재 시판되고 있는 자이로 센서는 대부분이 정전용량형이며, 정전용량형자이로 센서는 회전속도에 비례하는 코리올리힘에 의한 미세기계구조물의 변형을 정전용량 변화로 검출하는 방식을 취하고 있다. <그림 8>과 같이 물체의 회전과 자이로 센서 내부 프레임에 있는 진동 질량의 움직임에 의해 코리올리힘이 내부 프레임에 작용하여 내부 프레임을 좌측 또는 우측으로 이동하여 내부 프레임과 외부에 장착된 센싱부 사이의 상대적 거리가 변화한다. 이러한 상대적 거리의 변화는 정전용량의 변화를 유발하게 된다. 정전용량 변화에 의한 전압 변화신호를 토대로 물체의 회전속도의 크기 변화를 측정하게 된다.

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현재 Delphi, BOSCH, Analog Device 등에서는 다양한 형태의 자이로 센서를 판매하고 있으나, 현재 국내에서는 자이로 센서에 대한 원천기술이 전무한 상태이며 국내 기술을 이용한 자이로 센서 생산업체, 시스템화 업체 등이 전무한 상태이다.

현재 국내의 모든 자이로 센서는 전량 수입에 의존하고 있어, 자이로 센서의 동작원리에 대한 새로운 원천기술의 확보에 대한 연구가 절실히 필요하다.

2.3 압력센서
자동차에서 압력센싱은 연료압력, 연소실 압력, 브레이크 압력, 타이어 압력 등 여러 요소에서 이루고 지고있으며 0.5~100bar 수준의 압력 센싱이 요구되고 있다. MEMS 기술을 활용한 압력센서는 압저항형, 압전형, 정전용량형 센싱 원리를 기초로 개발되고 있으며, 압저항형과 정전용량형 압력센서가 주종을 이루고 있다. 압저항형 압력센서는 얇은 박막의 테두리에 장착된 마이크로 스트레인 게이지가 압력 작용에 의해 변형하여 저항 변화를 유발하고, 유발된 저항변화를 전압으로 센싱하는 원리를 가지고 있다.

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한편, 정전용량형 압력 센서는 박막에 작용하는 압력에 의한 박막의 기계적 변형을 박막 및 센서 바닥에 장착된 전극사이의 정전용량 변화로 변화하는 원리를 가지고 있다. 정전용량형 압력센서는 압저항형 압력센서에 비해 전력소모가 ~ 1,000배 정도 작으므로 타이어 압력모니터링 시스템과 같은 저전력 소모를 요구하는 부위에 장착되어 사용되고 있다.

<그림 10>은 Freescale의 정전 용량형 압력센서칩의 단면도와 전체 칩 외형을 보여주고 있다.

압력 작용에 의해 상부 센싱 다이아프램이 변형하게 되고, 상부 다이아프램측 전극과 실리콘 기판측 전극사이의 거리가 변화하면서 정전용량의 변화를 센싱하는 구조로 되어있다.

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국내의 경우 오토닉스, 맨텍 등과 같은 일부 중소업체에서 저가 압저항식 압력 센서를 제작하고 있으며, 전자통신연구원 등에서 압력센서에 대한 연구가 진행 중에 있다. 특히 고압력 측정을 위한 압력 센서는 대부분 수입에 의존하고 있다. 미래 기술 동향은 다양한 압력에 견디며 높은 분해능력을 갖고 빠른 반응속도를 갖는 압력센서의 개발로 집중되고 있다.

2.4 유량센서
차량 엔진 제어 시 흡기, 배기부의 공기유량과 연료유량에 대한 센싱이 필요하며, 기존의 오리피스형<그림 11> 핫와이어 방식으로부터 핫와이어 방식을 개선한 핫필름형태의 유량센서가 개발되고 있다. 또한 MEMS 기술을 적용한 초소형 열식 유량센서가 연구 개발되고 있다. 최근 보쉬에서는 핫와이어 방식을 개선한 핫필름 형태의 유량센서를 세라믹 칩에 구현하여 흡기부의 공기유량을 측정하는 유량센서를 개발하였다. <그림 12>.

3. 앞으로의 전망과 과제
최근 차량의 지능화를 위해 센싱, 네트워킹, 컴퓨팅 및 엑츄에이팅 기능이 융복합된 기술이 적용되고 있으며, 엔진/변속기, 실내환경, 텔레메틱스, 충돌/안전, 조향/현가, 편의성, 친환경을 중심으로 마이크로/나노기술을 이용한 미래 첨단 자동차용 센서가 활발히 연구 개발되고 있다. 또한, SoC(System-on-Chip) 기술의 도입과 MCU(Micro Controller Unit)가 센서에 내장되면서 논리제어 및 처리, 메모리, 통신기능을 동시
에 가진 차세대 스마트 센서로 발전되어 가고 있는 추세이다.

현재 자동차용 MEMS 센서는 전체 자동차 센서 시장규모의 1/3 이상을 차지하고 있으며, 향후 MEMS 센서를 포함한 반도체 센서의 시장은 지속적으로 증대될 것으로 예측된다. 보쉬, 지멘스 등 외국 기업들의 활발한 제품 개발과는 달리, 국내에서는 관련 기술의 연구 개발 및 원천기술의 확보가 활발히 이루어지고 있지 않은 실정이다. 국내 자동차 업계 및 정부에서도 차량용 반도체 센서 개발에 대한 연구 개발의 필요성 및 중요성을 인식하고, 현재 전량 수입에 의존하고 있는 차량용 MEMS 센서 칩, 모듈, 시스템에 대한 국산화 및 원천기술 확보를 위해 노력해야 할 것이다.
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