글로벌오토뉴스

상단배너
  • 검색
  • 시승기검색

타이어 압력 모니터링을 위한 무전지형 MEMS 복합센서 기술 동향

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2012-12-30 16:46:06

본문

1. MEMS 기반 TPMS의 개발 필요성
TPMS(Tire Pressure Monitoring System)는 타이어 상태, 특히 공기압을 정확히 측정하여 운전자에게 경고함으로써 피해 절감, 연비, 타이어 수명 향상, 정숙 주행 등을 도모하는 차량 전장 시스템으로, 국내에서는 고급 승용차를 중심으로 장착이 확장되고 있다. 세계 타이어 공기압 감지 시스템 기술은 독일, 미국 등 일부 몇몇 선진 기업에 의해 주도되고 있으며, 2007년 9월 이후 미국에서의 출고되는 신차의 강제 장착 의무화 고시와 EU에서의 차량 CO2 절감 규제화 움직임에 의한 산업 파급효과로 인하여 나날이 그 시장이 점증하고 있어 선진국에서도 중점 육성하고 있는 고부가가치 기술 분야이다.

글 / 이동원 (전남대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 10월호

36300_1.jpg

현재 상용 출하된 일반적인 TPMS 시스템<그림 1>은 타이어 내부의 공기압을 센서로 직접 측정하는 직접식과 ABS(Anti-Braking System)의 전장품을 이용하여 타이어 압력을 추산하는 간접식으로 분류되며, 직접식이 정확도 면에서 우수하여 점차 시장의 주류가 되고 있다. TPMS는 약 10년의 수명이 요구되어 낮은 소비전력을 가지며, 현재는 <그림 2>와 같이 차량의 주행 시에만 정보를 획득하는 형태로 전력을 절감하는 방법이 사용되어, 최근 TPMS 모듈에 장착되는 핵심 저전력형 MEMS 부품을 개발하는 것이 중요하게 부각되고 있다.

36300_2.jpg

국내에서도 수년 전부터 개발 필요성이 제기되어 차량 전장업체 및 일부 중소기업을 중심으로 전지 동작형 으로 타이어 내에 장착된 센서로써 타이어 공기압을 감지하는 직접식 방식의 TPMS의 개발이 시도되었으나, 핵심부품의 수입에 따른 고비용 문제로 아직까지 국내 수요 및 수출 차량에는 거의 전량 해외업체 제품이 탑재되어 출시되고 있어 근원적인 해결책이 필요하다.

미래의 TPMS는 단순한 압력/온도 정보 이외에 특히 가속도를 함께 감지하여 타이어의 물리량을 보다 정교하게 실시간으로 획득하는 형태로 진화됨과 함께 타이어 내부에 전지가 장착되지 않는 무전지형(Batteryless) 형태로 발전될 것으로 예측되고 있다.

최근 보고에 따르면 2013년경 전 세계에 출시되는 신차의 60% 이상이 TPMS를 장착할 것으로 예상되어 관련 핵심부품의 국산화는 국내 차량 부품업체 및 센서업체에 있어 더 이상 미룰 수 없는 현실이 되고 있다. 그리고 수년 이내에 타이어 내부에서의 진동 등 기계에너지를 전기에너지로 변환하여 건전지 없이 자체 생성하는 전력을 전원으로 이용하는 무전지형 TPMS가 시장 주류 제품군의 하나로 등장할 것으로 전망되고 있으며, 점차 그 시장을 확장할 것으로 전망되어 범 국가적 차원에서 적극적인 대처가 필요하다. 또한 기존의 전지형 TPMS는 전지교환에 부가적인 비용이 발생할 뿐만 아니라 배터리 교환의 주기를 늘이기 위해 신호의 전송주기를 늘려야 하는 문제점이 있어 타이어 내부에 장착이 가능한 가속도계 등 각종 센서들의 다양한 활용은 미미하다.

무전지형 TPMS용 MEMS 기반 핵심부품은 크게 MEMS 마이크로 발전부품, 초저전력 MEMS 다중 센서 모듈, 가혹조건 TPMS용 통신 및 패키지 기술 등으로 구성된다. 이들 부품은 MEMS 기술로 초소형화, 초경량화, 고감도화를 도모할 수 있으며, 높은 신뢰성을 보장하는 패키지 기술에 의해 모듈 형태로 구현되어 타이어 내부에서 동작됨으로써 차량의 안전성, 운행성, 수명, 연비 등을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 무전지형 TPMS의 전원으로 유도결합, Backscatter 방식이 일부 구현되었으나 크기, 무게, 정렬 매칭, 간섭,추가 비용 등의 문제점을 가진다는 단점이 있다.

향후에는 타이어 내에 장착할 정도로 소형, 경량이면서도 주변 환경을 이용해 자체 전력 생성이 가능한 저가격 MEMS 마이크로 발전기의 활용이 유력 시 된다. 기존 타이어 내 물리량 정보 감지 센서로는 압저항 방식의 MEMS 센서가 적용되어 왔으나 전력소모가 크고 온도 등의 영향이 커 더욱 진보된 형태로서 낮은 소모 전력과 주변 환경의 영향이 적은 MEMS 기반 초저전력 정전용량 방식의 공기압/온도/가속도 감지용 다중 센서가 대두되고 있으며, 특히 무전지형 TPMS를 위해서는 이의 개발이 필수적으로 요구된다.

차량 타이어 내와 같은 가혹한 조건에서 적용이 가능한 칩 및 모듈 패키징 기술은 무전지형 TPMS의 소형화와 경량화는 물론 고도의 신뢰성을 유지할 수 있는 개별 패키지와 조합, 모듈을 구현하는 기술로서, 국내에 자체적으로 보유하고 있지 않아 고부가가치화와 생산기술 확립을 위해 모듈 교정시스템 기술과 함께 시급히 확보하여야 할 핵심기술 중 하나이다.

2. TPMS용 MEMS 기반 핵심부품의 산업 동향
2.1 해외 시장 및 동향
TPMS 모듈의 세계시장은 CAGR 15%로 산정 시 2010년 1억 5,100만 대에서 3억 400만 대, 2020년 6억1,100만 대로 성장할 것으로 전망되며, 모듈의 최소 가격을 35달러로 추산할 경우 2010년 52억 8천만 달러, 2015년 106억 3천만 달러, 2020년 213억 8천만 달러 규모로 시장이 확대될 것으로 전망된다.

36300_3.jpg

현재 미국시장의 경우 대상 차량이 약 1,900만 대로 연간 22억 달러에 달하는 거대시장을 형성하고 있다. 그리고 아직은 시장 형성 초기이나 상용 트럭, 버스, RV, SUV, 중장비, 비행기, 오토바이 등 운송수단 전반으로 확대 시 TPMS 모듈 및 핵심부품 시장은 더욱 확대될 것으로 예상된다. 2007년 TPMS 센서의 시장 주도회사는 Infineon으로 약 56%, 그리고 GE는 약 34%의 세계시장 점유율을 보이고 있다<그림 3>.

2.2 국내 시장 및 동향
2008년 국내 TPMS 시장은 내수용으로 120만 대의 신차에 대해 적용률 8%로 150억 원, 그리고 수출용으로 280만 대의 신차에 대해 적용률 60%로 2,600억 원의 시장이 형성되어 있다(KETI, 2008). 최근 들어 현대∙기아자동차, 쌍용자동차 일부 자동차 업체에서 TPMS를 해외에서 수입하여 자동차 고급사양 모델을 중심으로 적용을 시작하였고, 추후 수년 이내에 완성차 업체의 수요자의 지속적인 향상 요구 및 세계적인 친환경 제품에의 요구에 부응하기 위해 무전지형 TPMS에 대한 제품화와 시장 형성이 지속적으로 증가할 것으로 예측된다.

향후 무전지형 TPMS의 칩, 부품, 모듈, 시스템에 대한 요구가 급증할 것으로 예상됨에도 불구하고 대부분의 국내 부품 제조업체들은 무전지형 TPMS 관련 부품의 제조 능력 부족 및 핵심기술 부족으로 인해 해외 선진업체들과의 기술 격차를 극복하지 못하고, 급신장이 예측되는 국내외 시장과 수출용 차량에 대한 물량등을 전량 외국 기업에 의존할 수밖에 없는 상황에 처할 수 있다.

현재 시장에서 종래 방식의 전지 동작형 TPMS 모듈의 경우 부품의 전량수입에 의한 조립으로 국내 중소업체에서 일반 사용자 대상으로 소규모 생산하고 있으나, 자동차 산업에 적용 가능한 정도의 TPMS 모듈은 아직까지 국내에서 개발에 성공하지 못하고 있는 실정이다. 그리고 차세대 제품군인 무전지형은 칩, 부품,모듈 등의 영역에 걸쳐 국내 기술 개발이 거의 전무한 상황이다.

국내에는 타이어 공기압 관련 규제가 없어 국내 자체 수요의 TPMS 시장은 아직 본격적으로 형성되지 않고 있으나, 앞으로 최소 몇 년 이내에 점진적으로 미국과 같은 규제가 이루어질 경우 연간 국내 내수 시장은 2008년 국내 내수 신차 기준으로 환산하면 최소 1,200억 원 규모 이상의 시장이 형성될 것으로 예상된다.

36300_4.jpg

국내 완성차 업체 및 부품 업체는 자동차 부품의 Global-Sourcing을 지속적으로 확대하고 있고 글로벌 생산거점 건설이 증가되고 있어 친환경, 원가절감 및 생산성 향상을 목표로 차세대 TPMS 제품군인 무전지형 방식에 대한 수요가 수출품을 중심으로 지속적으로 확대될 것으로 예측된다.

3. 무전지형 TPMS 활용을 위한 MEMS 기반 핵심부품
무전지형 TPMS 모듈은 <그림 5>와 같이 크게 MEMS 기반 마이크로 발전기, 에너지 저장부, MEMS 기반 압력센서 및 가속도 센서, 안테나, 클록 등의 수동전자부품류, ADC, 메모리, 마이크로 콘트롤러, LF,RF, IC류, 전원 관리부, PCB 및 밸브, 하우징 등의 요소부품, 개별 칩 및 모듈 패키지 등으로 구성되며, 이중에서 MEMS 마이크로 발전부품, MEMS 다중 감지
센서, 가혹조건 TPMS용 패키지가 성능 및 품질을 좌우하는 핵심 구성품이다.

36300_5.jpg

<그림 6>은 MEMS 기반 TPMS용 다중센서의 구조도를 보여준다. TPMS에는 기본적으로 타이어 내부의 공기압을 감지하는 센서가 필수적으로 요구되며 직접방식의 대부분은 MEMS 센서가 사용되고 있다. 무전지형 TPMS를 실현하기 위해서는 마이크로 발전부품을 통해 변환된 전기 에너지의 양이 일반 상시전원을 사용하는 센서에 비해 극히 미약하므로 전원 체계의
효율화를 위한 저전력 소모의 압력센서의 개발이 요구된다.

아울러 TPMS와 같이 타이어 공기압의 연산에 의한 차량의 수직력(Vertical Loading)뿐 아니라, 타이어 휠의 종/횡방향 차량 거동(혹은 힘)을 계측하기 위해서는 가속도 센서와 압력 정보 교정을 위한 온도 센서 역시 집적화가 필요하다.

현재까지 TPMS의 용도는 압력센서 및 기타 타이어 FL/FR/RL/RR 위치의 자동인식을 위한 가속도 센서 활용 정도에 국한되어 있으므로 전력소모 측면에서 큰 소모 요인으로 작용하고 있지 않다. 반면 압력, 타이어 거동에 따른 3축(수직/종/횡력) 분력을 통한 차량 제어(조향 및 현가) 용도로 다중센서 모듈을 사용할 경우 타이어 장착 센서로부터 데이터 획득빈도가 높아지게 되므로 센서 모듈의 전체적인 에너지 소모량은 커질 수 밖에 없다. 따라서 다중센서 활용을 통한 무전지형 Advanced TPMS 및 섀시 제어 변수로 활용하기 위해서는 다중센서의 저전력화는 필수적으로 개발되어야 할 요소이다.

4. 무전지형 TPMS용 MEMS 기반 핵심부품의 전략적 중요성
MEMS 기반 저전력 센서 시스템을 개발하고 이를 무전지형 TPMS 모듈에 활용하여 개선된 차량 안전시스템에 적용함으로써 종전의 전지 동작형 TPMS 경우에 비하여 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.

∙무전지형 TPMS의 기술적인 구현과 거의 무제한적인 동작수명 보장
∙무전지형 TPMS에 의한 전지 폐기문제 해결로 친환경 제품 기술 확보
∙무전지형 TPMS의 소형, 저전력, 고효율, 고신뢰성 형태 실현
∙무전지형 TPMS의 국내 자체 기술 확보 및 제조원가 대폭 절감
∙무전지형 TPMS 핵심기술의 해외 종속 탈피와 원가 경쟁력 확보
∙무전지형 TPMS 핵심부품의 협력사, 산∙학∙연 연계로 제품화 기반 확보
∙무전지형 TPMS 핵심부품을 차세대 수출 전략품으로 육성 도모

선진국의 탑재 의무화에 대비한 TPMS용 핵심부품 개발은 현재 국내 시장을 100% 장악하고 있는 선진업체 TPMS 제품의 국산화 대체를 도모하고, 나아가 급격히 성장하고 있는 차세대 TPMS 시스템 관련 핵심부품시장에 진입에 있어 매우 중요하다. 세계 5위권인 국내 자동차 산업의 위상과 시장성을 감안할 때, 세계시장을 주도하고 있는 외국업체에 대응, 차세대 TPMS 관련 핵심부품 기술의 국산화를 도모하고, 나아가 급격히 성장하고 있는 세계시장에의 진입 방안을 조속히 강구해야만 할 것이다. 특히, 타이어 내의 자가발전 등을 이용한 차세대 무전지형 방식은 이미 선진업체들이 상당한 진전을 보이고 있는 바, 이에 대한 적극적인 대처가 요망되고 있다.

한국소비자보호원과 타이어공업협회에 따르면 2010년 국내 차량의 60%는 공기압 부족상태로 운행되고 있어 주행 시 사고위험이 상존하고 있다고 보고되고 있다. TPMS와 같은 지능형 MEMS 센서기반의 차량안전기술 개발은 재산손실의 최소화를 꾀할 수 있을 뿐만 아니라 인명피해를 줄여 국민 복지향상에 기여가 가능하다. 나아가 타이어 수명 향상, 차량 연비 향상 등 장점이 있으며, 아울러 세계적으로 문제가 되고 있는 CO2 방출량 절감 등 환경 대책에도 부응이 가능할 것으로 기대된다.

5. MEMS 기반 발전소자 기술개발 현황
에너지 수확형 MEMS 발전 방식을 연구 개발하고 있는 업체 및 기관으로는, TPMS용 MEMS 센서 생산업체인 Infineon, Kavlico, Bosch, Freescale, GE, VTI가 있고, TPMS 모듈 제조업체인 Siemens VDO(Continental), Beru, Schrader 그리고 타이어 업체인 Pirelli, Michelin 역시 개발하고 있다. 또한 신생 개발 업체로는 LV Sensors, EnOcean, PiezoTag, KCF와 Omron이 참여를 시작하였으며, 연구기관으로는 IMEC, Leti 등도 활발히 개발을 진행하고 있다. 현재 TPMS 직접 관련 업체들은 초소형 발전소자의 원천기술 유출을 막기 위해 무전지형 TPMS의 구체적인 세부 내용을 공개하고 있지 않다.

일반적으로 TPMS용 MEMS 기반 마이크로 발전부품은 타이어 내부에 장착되어 주위 환경을 이용하여 자체적으로 전력을 생성하는 소형, 경량의 마이크로 발전기로서, 주로 타이어의 진동이나 관성 에너지 변화를 전력으로 변환하며 이때 발전소자는 크게 압전형, 정전형, 전자기형 방식 등의 원리를 사용한다.

36300_6.jpg

생성된 전력은 전원관리 회로에 제어되어 무전지형 TPMS 센서 모듈의 구동을 위한 전원으로 사용된다. TPMS용 MEMS 마이크로 발전부품의 주요 작용 단계를 <그림 7>에 나타내었다. MEMS 마이크로 발전소자에 의해 타이어 내부 환경에서 존재하는 진동, 열 등의 에너지가 전기에너지로 효율적으로 변환되며, 이 전기에너지는 정류 회로, 정전압 회로 등의 전원 관리부에 의해 안정적으로 제어되어, 최종적으로 커패시터나 박막 배터리 등의 에너지 저장부로 충전되어 사용된다. <그림 8>과 <표 1>은 MEMS 기술을 활용하여 발전소자의 제작이 가능한 일련의 기술을 나열하였으며, 현재 압전체 기반의 진동형 발전소자의 개발이 주류를 이루고 있다.

6. 무전지형 TPMS용 MEMS 기반 핵심부품의 추진방향
국내 부품업체는 현재 국내시장을 거의 장악하고 있는 해외 TPMS 업체에 대응하여 특히 차세대 제품군인 무전지형 TPMS 모듈 구현에 핵심적인 역할을 하는 MEMS 부품들의 국산화를 우선적으로 도모하고, 나아가 급격히 성장하고 있는 TPMS 관련 부품, 모듈의 개발을 완료하여 세계시장에 진입하는 방안을 조속히 강구하여야 할 것이다. 이를 위해서는 2013년부터 초기 시장 형성이 예상되는 무전지형 TPMS용의 핵심 MEMS 부품기술인 에너지 수확형 마이크로 발전부품, 다중 감지 센서, 가혹조건 TPMS용 패키지 및 모듈교정시스템 기술을 우선적으로 확보하는 것에 주력하여 국내 기술 인프라의 저변을 확대하여야 할 것으로 사료된다. 개발 성공 후 2014년 국내 무전지형 TPMS용 MEMS 기반 핵심부품을 적용한 신규 생산 라인 구축을 통해 국제적인 경쟁력을 확보하면 국내시장 점유율을 50% 달성하고 나아가 세계 무전지형 TPMS 관련 부품, 모듈, 시스템 시장에도 참여할 수 있을 것으로 예측된다. 이를 통해 세계 5위권인 국내 자동차 산업에 부응하는 차량 부품산업의 위상을 확보하여 세계적으로 급격히 형성되고 있는 TPMS 분야의 세계 시장 지배력을 강화할 수 있을 것이다.

7. 결론
2007년 북미시장의 법규화에 따른 급격한 시장성장(연간 2조 원 이상)이 예상되고 있는 TPMS 시스템은 현재 최소한의 법규충족 요건만 만족하는 시스템으로 운영되며 향후 CO2 저감 방안이 추가 검토 및 강화된 규정으로 법규화가 진행될 예정이다. 법규화가 진행되고 있지 않는 일부 나라에서도 판매하고 있으며 향후 내비게이션 등과 연동 및 전 세계적으로 법제화의 가속화가 진행될 것으로 기대되고 있다. 무전지형 TPMS 관련 부품, 모듈, 시스템 세계 시장에서의 선점을 위해 MEMS 기반 TPMS 핵심 센서 국산화 및 초소형 발전소자 기술 개발에 더욱 더 박차를 가해야 한다. 또한 MEMS 기술을 이용한 각종 센서 장치는 자동차의 안전과 관련한 부분이므로 향후 추가적인 법제화의 가속이 예상되며 관련분야의 연구/개발 확대 및 사업화 방안 창출 역시 지속적으로 검토될 필요가 있다.
  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기
하단배너
우측배너(위)
우측배너(아래)