Smart Sensor Symposium
자동차 전자화 가속…센서만 20조원 규모

이상조 현대 케피코 이사
전장용 반도체 센서의 동향

정리 안은혜 기자(atided@hellot.net)



현재 자동차는 과거와는 다르게 전자화 시스템이 가속화 되고 있는 추세이다. 자동차 부품의 약 50%가 전자 부품이 차지하고 있으며, 앞으로 계속 늘어날 전망이다. 자동차 전자 제어시스템의 핵심 부품을 개발·생산하고 있는  기업 현대케피코 이상조 이사의 ‘전장용 반도체 센서의 동향’을 소개한다.



센서 시장 예측

주로 자동차에 적용되고 있는 전자 시스템을 보면 크게 엔진을 제어하기 위한 시스템, 안전 시스템 등으로 구성되어 있다.
각각의 시스템은 향후 적용 확대의 필요성이 있다. 각각의 시스템이 원활한 기능을 수행하기 위해 반드시 필요한 부분이 센서와 액츄에이터이다. 그중에서 센서는 동력전달(Power Train) 뿐만 아니라 섀시(Chassis), 편의 장치, 안전장치, 멀티미디어에까지 적용되고 있다.
2014년까지 가장 많이 센서가 적용되는 시스템은 엔진과 변속기를 제어하기 위한 Power Train 시스템 부분이다. 그 다음 많이 적용되는 분야가 안전(Safety)이다. 시스템 적용은 계속 증가하는 추세이다. 2020년에는 전체 센서 시장의 규모는 약 25조 원으로 예측하고 있다.
한편, 차량에서 가장 많이 사용되는 센서는 압력 센서와 가속도 센서이다. 2020년을 기준으로 봤을 때 총 규모 25조 원에서 압력 센서가 차지하는 규모는 약 4조 원, 포지션 센서의 시장 규모 또한 약 4조 원을 예상하고 있다.
포지션 센서의 점유율은 약 20%, 압력 센서의 점유율은 약 17%로 예측하고 있다. 센서 종류별 물량을 예측해 보면, 압력 센서는 약 9억 개 정도를 사용할 것으로, 가속도 센서는 약 10억 개 정도의 물량이 사용되어 질 것으로 예측하고 있다. 

전장시스템 센서 적용 현황

자동차에 들어가는 여러 가지 시스템 중에서 엔진과 변속기를 제어하기 위해 사용되는 센서에 대한 설명이다. 기본적으로 엔진을 제어하는 시스템 구성은 실린더가 엔진이 동작하기 위해서는 엔진 내부에 연료를 분사시킨 뒤 점화시켜 폭파시키게 되어 있다.
그렇게 되면 가솔린이 폭파되면 실린더가 움직이게 되어 있는데, 문제는 갈수록 대기 환경을 오염시키는 물질에 대한 법규가 강화되고 있기 때문에 반드시 필요한 부분이 실린더 내에서 폭파한 가스가 대기 중으로 나올 때 유해 성분을 없애야 한다는 것이 전제 조건이다.
이를 위해 필요한 것이 엔진에 들어가는 공기 양과 가솔린 양이 14.7:1의 비율을 맞춰야만 엔진에서 완전 연소가 이루어진다고 보고 있다. 이를 위해 엔진에 투입되는 공기 양을 측정하기 위한 공기 유량 센서가 있고, 제어기를 통해 공기 양에 회전하는 가솔린을 분산시키는 기능을 수행한다.
파워트레인 제어시스템에서 엔진을 제어하기 위해 들어가는 센서로는 ▲연료탱크 압력 센서 ▲온도 센서 ▲차압 센서 ▲오일 압력 센서 ▲CVVL 포지션 센서 ▲스로틀 포지션 센서 ▲크랭크축 위치 센서 ▲캠축 위치 센서 ▲공기 유량 센서 ▲고압 센서 ▲산소 센서 ▲노킹 센서 등이 있다.
변속기 제어를 위해 사용하는 센서는 스피드 센서와 변속 내부의 위치를 측정하기 위한 인히비터스위치 등이 있다. 그 외에 연료전지 차량에 들어가는 전도도 센서와 사륜구동 커플링용 압력 센서가 있다.

센서 기술 개발 동향

압력 센서
앞에서도 언급했듯이 현재 가장 많이 사용되는 차량 센서 중 하나가 압력 센서이다. 압력 센서는 크게 측정 압력 범위, 측정 방식으로 나뉘는데, 측정 압력 범위는 14(bar)이하를 저압용 센서로 지칭, 14~50(bar)을 중압용, 50~3000(bar)까지를 고압용 센서로 구분한다.
압력 측정 방식은 절대압 방식과 상대압 방식으로 구분된다. 엔진을 끌 때 공기 양을 측정하는 센서인 맵 전사는 저압용 센서로 1bar부터 5bar까지 압력을 측정하기 위한 센서이다. 칩과 압력 측정 관련 회로가 일체형으로 구조가 단순하다. 주요 특징으로는 출력 전압의 높은 정밀도, 다양한 범위의 압력을 측정하며, 전자파 내성이 우수하다. 
과거에는 전장용 센서에서 가장 중요한 부분 중 하나가 성능 부분도 중요하지만 신뢰성 부분이 강조되고 있어, 칩을 구성하는 패키지가 플라스틱이 아닌 메탈로 되어 있어 신뢰성을 높이고자 했다. 때문에 가격이 올라가는 부분이 있어 현재는 플라스틱 패키지로 바뀌었고, 아울러 신뢰성을 높이기 위해 패키징 기술이 계속해서 발전하고 있다.
한편, 중압용 센서는 10bar부터 50bar까지 공용으로 사용되는 제품으로 저압용 센서와 동일한 구조와 특징을 갖고 있다. 다만 50bar의 압력을 견디기에는 플라스틱 패키지는 한계가 있기 때문에 알루미늄 패키징으로 되어 있고, 칩은 거의 공용으로 사용하고 있다.
고압용 센서는 저압용과 중압용 센서와 차이점이 반도체 센서를 사용할 수 있는 한계 압력은 현재 50bar 정도까지 보고 있다.
50bar 이상이 되면 반도체 센서가 견딜 수 없기 때문에 압력을 측정하는 센서를 반도체 칩이 아닌 메탈로 구성되어 있는 칩으로 변경시키고, 신호처리 칩을 별도로 분리시키는 구조가 된다. 이로써 50bar부터 3000bar까지 측정할 수 있는 센서 구성이 된다.

회전 센서
다음은 회전 센서이다. 회전 센서는 앞서 언급한 포지션 센서의 범주 안에 있으며, 정식 명칭은 Cam/Crank 센서이다. 실제 측정하는 것은 회전체의 회전 속도와 회전 위치를 측정하는 기능을 수행한다. 단일 부품으로 센싱 및 신호를 처리하고 자석과 센싱 소자 정렬의 향상으로 성능이 최적화 되었다.
보통 회전체의 회전 속도나 위치를 측정 센서에 주로 사용하는 자석은 히토류 자석이다. 왜냐 하면, 온도 안정성이 매우 뛰어나기 때문이다. 하지만 가격 변동성이 매우 심하다는 단점을 보완하기 위해 현대케피코에서는 비 히토류 자석을 개발, 적용하고 있다.
전원 인가 즉시 동작하거나 간극 학습하는 Auto-TPO 기능(캠위치 센서)과 타겟휠 형상의 인식을 통한 성능 최적화를 이루는 패턴인식 기능(캠위치 센서), ISG 기능 구현을 위한 역방향 회전을 측정하는 방향감지 기능(크랭크 센서) 등이 주요 특징이다.
한편, 스피드 센서는 변속기에 사용되는 센서로, 엔진 RPM(revolution per minute)과 차량의 속도를 측정하는 센서이다. 과거에는 두 개로 입력축(In-put) 스피드 센서와 출력축(Out-put) 스피드 센서 두 개로 구분되어 따로 사용되었던 것이 일체형 구조로 하나의 패키지 안에 두 개의 기능을 모듈화 시켰다.
이 센서는 측정 조건별 파형 출력(CW, CCW, SPEED)의 회전 속도와 회전 방향을 감지하고, 자석 탑재로 별도의 외부 자기력이 필요 없으며, 홀 효과 적용으로 자속 변화를 감지하여 디지털 출력을 발생한다.

가속도·위치 센서
에어백에 사용되고 있는 가속도 센서는 자기회로와 소자의 일체형 패키징으로 되어 있다. 센서의 내부는 정전용량형 MEMS 구조로 되어 있고, 우수한 출력 감도와 다양한 가속도 측정범위를 측정할 수 있는 것이 특징이다.
Moving mass 끝단에는 핑거가 달려있으며, 반대편에 고정되어 있는 핑거 사이를 움직이게 되면 핑거와 핑거 사이의 거리가 달라지면서 정전용량이 변하는 것 같고, 현재 가속도가 얼마인지 측정하는 시스템이다. 측정 범위는 max 500g까지 버틸 수 있고, 사용 범위는 ±200g 정도이다.
회전각을 측정하는 위치 센서는 자기회로와 소자의 일체형 패키징으로 구성되어 있고, 자기회로 최적화 각도측정 구조를 적용해 정밀한 가도 측정의 기능을 수행한다. 측정 정확도를 높이기 위해 x축과 y축의 자속의 크기를 측정한 뒤 그에 대한 비율로 회전 위치를 측정한다. 이를 통해 에어갭이나 정렬 상태에 따른 에러를 보정할 수 있는 기능을 수행한다.

공기 유량 센서
핫 필름 방식의 공기 유량 센서는 빠른 응답성과 외부환경에 강건한 Membrane(막) 구조를 갖고 있다. 센서 주위로 히터를 가열시킨 상태에서 공기가 지나가게 되면 히터에 있던 열이 공기 중에 뺏기는 열의 양이 공기 양에 비례하게 되어 있다.
얼마만큼의 열이 빼앗기는지를 측정하면 공기 양이 얼마나 들어가는지 알 수 있다. 구조는 마찬가지로 MEMS 구조를 갖고 있으며, 응답성의 구조를 갖고 있기 때문에 공기 중에 빼앗긴 열의 양을 얼마만큼 빨리 올려주느냐가 응답성에 비례하기 때문에 구조 자체가 압력 센서보다 훨씬 어렵게 되어 있다.
또한, 이물질 유입을 막기 위한 분리구조가 적용되어 있고, 역류 검출이 가능하고 맥동성능이 우수하여 유량 오차를 최소화 할 수 있다. 



결론

지금까지 센서는 측정을 통해 제어하는 기능을 위해 쓰여 졌지만 제어 시스템의 복잡도가 높아짐에 따라 향후 진단과 구동 기능이 엔진 제어기로부터 점차 분리될 것으로 예측하고 있다. 센서 자체적으로 센서에 이상이 있는지 없는지를 판단하는 진단 기능과 신호를 조정하기 위한 조정 기능, 제어기와 신호를 주고받기 위한 통신 기능 등이 일체되어 스마트 센서로 지능화 되고 있다.