[진화하는 스마트카 1] 전자화 통한 최적 시스템 ... 안전성, 편의성 지향하는 스마트 자동차 기술
[진화하는 스마트카 2] 전자화 통한 최적 시스템 ... 자동차 기술 요구 해법은 ‘전자화'
자동차 기술 요구의 해법은 ‘전자화’
환경, 에너지, 안전문제 등이 나날이 엄격해지고 까다로워지는 자동차 산업에서 요구 조건들을 충족시키려면 어떻게 해야 할까. 정답은 바로 자동차의 ‘전자화’이다. 이것은 크게 세 가지 요인(Driving Force)으로 나눌 수 있다.
첫 번째는 환경오염 방지를 위한 자동차 배기가스 저감, 유한한 지구 자원의 효율적 사용을 위한 연료 경제성, 승객 보호를 위한 안전 등에 대해 범국가적 차원에서 법적 규제를 강화하고 있다는 것을 들 수 있다.
두 번째는 소비자들의 경제력 향상 및 고품질에 대한 니즈 등으로 인해 자동차의 품질, 신뢰성, 편의성, 안전성 등에 대한 소비자 선호도가 증가했다는 것을 들 수 있다.
세 번째는 관련 부품이 계속해서 고성능화, 저가화됨에 따라 기존에는 엄두도 내지 못했던 고품질 시스템에 대한 소비자의 접근성을 높여 소비를 부추기는 기술 발전 자체를 들 수 있다.
자동차의 전자화란, 기존의 기계 구조에 전자 제어 기술을 결합하고 환경 변화에 따라 최적의 시스템을 구현하는 것이다. 이를 통해 환경, 에너지 문제 해결에 보다 근접하며, 특히 전기전자 기술을 사용한 새로운 영역의 시스템을 개발해 차량에 장착시킴으로써 안전은 물론, 편의성과 감성 측면에서 자동차 기술을 더욱 더 발전시킬 수 있다.
그림 4. Engine Management System (Bosch Motronic system)
그림 4는 전자 제어 전장 시스템의 일종으로 EMS(Engine Management System)의 시스템 블록을 도식화한 것이다[보쉬의 EMS 중 하나인 모트로닉(Motronic) 시스템 사례].
인간의 오감과 같은 센서들이 기계 구조에 붙어 주변 환경을 인식하고, 두뇌라고 할 수 있는 ECU(Electronic Control Unit)가 정해진 연산에 따라 최적의 해를 찾은 후, 이를 실제 손발과 같은 엑츄에이터에 의해 작동하게 함으로써 엔진 구동을 자동으로 통제하는 것이다.
이러한 전자 제어를 통해 기계적 움직임이 훨씬 정교하게 통제되며, 특히 주변 환경의 변화에 따라 자동으로 최적의 동작점을 찾고 실행함으로써 자동차에 대한 각종 요구사항을 충족시킨다.
이러한 전자 제어의 확대와, 전자기술을 적용한 추가적인 시스템 개발은 엔진 제어뿐 아니라 각종 안전, 편의 장비로 기존 자동차 시스템에도 적용되고 있다.
일반적으로 이러한 전자 제어 전장 시스템은 ① EMS, ② TMS(Transmission Management System), ③ Body Control System, ④ Chassis Control System, ⑤ Entertainment System 등 5가지 영역으로 나뉘어 개발되고 있다. 이러한 전장 시스템은 개발 업체의 의도에 따라 각각 다른 명칭, 다른 분류 기준으로 관리될 수도 있다.
보쉬가 제시하는 차량용 전자 제어 전장 시스템(그림 4)은 동력 전달(Drivetrain) 영역, 안전(Safety) 영역, 편의(Comfort & Convenience) 영역, 통신(Communication) 영역 등의 4가지 영역으로 전자 제어 전장 시스템을 분류, 개발품을 나타내고 있다.
결국 환경 및 에너지 문제 등에 대한 대응, 높아지는 안전 및 편의 욕구에 대한 대응이 전자기술에 의해 구현되며, 자동차는 이제 달리는 전자제품이라고 불릴 정도로 전자화가 중요해졌다. 실제로 BMW7 시리즈 MY2003의 경우 지각 기능을 담당하는 센서와 스위치가 각각 68개, 247개 탑재돼 있다.
또한 두뇌 역할을 하는 컴퓨터 모듈만 무려 76개가 탑재돼 있으며, 손발 역할을 하는 모터가 145개에 이르는 등 소비자 입장에서 느끼는 것 보다 훨씬 많은 전자적 기능을 수행하는 부품이 차량에 탑재되고 있는 것으로 알려져 있다(자료 : 선우명호, Megatrend of Core technologies and Market for NGV). 그 외에도 전자적으로 스위치를 작동시키는 릴레이 43개, 퓨즈 46개 등 방대한 전자부품이 약 3.5마일의 와이어 하니스(Wire Harness)에 의해 연결돼 작동하고 있다.
산업의 중심으로 떠오르는 전장 부품 시장
이와 같이 자동차의 기계 구조를 보다 효율적으로 제어하기 위해, 혹은 새로운 안전, 감성 품질을 위해 새롭게 탑재되는 전자 제어 전장 시스템이 자동차 산업 발전을 위한 핵심 기술 중 하나로 떠오르고 있다. 당연히 이러한 기술을 배경으로 하는 전장 부품(반도체 및 센서)도 자동차 산업에서 급부상하는 시장이 되고 있다.
차량마다 차이가 있겠지만, 1980년대∼1990년대 고급 세단을 기준으로 했을 때 차량당 약 40∼50개가 장착됐던 센서는 2005년에 평균 100개를 넘어섰고, 2010년대에는 100개 중반까지 확대됐다. 센서의 수가 많아졌다는 것은 그만큼 기계적인 움직임을 전자적으로 제어하기 위한 외부 조건, 즉 작동 환경을 측정할 필요성이 높아졌다는 것을 의미한다. 보다 정밀하게 측정해 이를 통제함으로써 효율성, 편의성, 안전성 등을 높이는 것이다.
각 시장조사 기관들의 시장 규모 산정치를 기준으로 봤을 때, 차량용 반도체의 시장 규모는 2005년 120억 달러에서 10여 년 만에 약 두 배 가까이 성장할 것으로 예측되고 있다. 전자 제어 전장 시스템에서 사람의 두뇌와 같은 ECU 등이 큰 폭으로 증가할 것이라고 해석할 수 있다.
차량용 전자 제어 전장 시스템에서 사람의 수족과 같은 역할을 하는 액추에이터에 주로 장착되는 모터의 경우에도 1990년대 말∼2000년대 초에는 차량 평균 15개 내외가 장착됐지만, 2005년에는 20개까지 증가했으며, 최근에는 차량이 점점 더 전자화됨에 따라 고급차의 경우 평균 100개에 육박하는 것으로 보인다.
자동차 전장 시스템의 구성 및 센서 적용 분야
표 2. 자동차 전자화 시스템별 센서 적용 분야
자동차 전장시스템은 유기 생명체와 마찬가지로 기본적으로 유기 생명체의 감각기관에 해당하는 감지부(Sensor Part : 예를 들면 압력 센서, 가속도 센서, 각속도 센서, 유량 센서, 온도 센서 등), 두뇌에 해당하는 전자 제어부(ECU Part), 근육에 해당하는 구동부(Actuator Part : 예를 들면 엔진, 모터, 솔레노이드 등) 세 가지 요소로 구성돼 있다(그림 5).
그림 5. 자동차 전자화 시스템 구성도
이러한 전장 시스템이 설계 대로 기능을 수행하고 효과적으로 작동하려면, 자동차의 동작 및 각종 물리량에 대해 정확하고도 신뢰성 있는 정보를 제공할 수 있는 고성능, 저가 센서가 우선 개발돼야 한다.
전장 시스템용 센서의 경우, 일반적인 산업용 센서나 성능 위주의 계측, 항공, 군수 분야용 센서와 달리, 자동차라는 열악한 환경에서 작동해야 하고 내구성이 우수해야 하며 고성능이면서 가격도 저렴해야 하는 다양한 제약 조건을 충족시킬 수 있어야 하므로, 이러한 센서를 개발하는 것이 가장 큰 과제이다.
자동차 전장 시스템별 소요 센서 시장
스트래티지 애널리틱스에 따르면, 세계 자동차 전장 시스템은 자동차 산업 성장률보다 월등히 높은 연평균 6.9% 이상의 고성장을 이룰 것으로 전망되며, 시스템별 센서 비중은 파워 트레인 40.9%, 안전 32%, 섀시 17.2%, 보디 7.7% 순이고, 성장률 측면에서는 운전정보 분야 14.2%, 안전 분야 10.6%, 보디 8.1%, 보안 8.0% 순으로 고성장을 이룰 것으로 전망된다.
세계 자동차 전장시스템에서 센서별 시장 규모를 살펴보면(그림 6), 위치 센서 17.6%, 압력 센서 16.7%, 가스 센서 11.7%, 가속도 센서 8.5%, 속도 센서 8.1%, 온도 센서 3.2% 순으로 높은 비중을 차지하고 있다.
그림 6. 세계 자동차 센서별 시장 규모 추이
기타 센서의 비중이 32.5%로 크고, 성장률 측면에서도 기타 센서 11.6%, 압력 센서 6.5%, 가스 센서 5.8%, 위치 센서 4.9%로 급성장하고 있다는 것은, 전장 시스템에서 사용되는 센서가 다양해졌으며 수량도 급증하고 있다는 의미라고 할 수 있다.
조남규 박사 _ 전자부품연구원 융합센서연구센터
