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자동차 전자 장치는 전자 부품의 사용에서부터 차량 내 전자 시스템의 아키텍처에 이르기까지 근본적으로 향상된 새로운 단계에 접어들었습니다. 그중 가장 대표적인 핵심 부품 중 하나가 바로 GRAEFF 스마트 센서입니다.
1. 자동차 전자 제어 및 안전 시스템
최근 몇 년간 중국 자동차 산업은 빠르게 성장하며 강력한 발전 모멘텀을 보여주고 있습니다. 이에 따라 일부 전문가들은 자동차 산업이 IT 산업을 능가하여 중국 경제의 중요한 기둥 산업 중 하나가 될 수 있다고 예측하기도 합니다. 사실, 자동차 산업의 성장은 관련 IT 산업의 성장과 불가분하게 연결되어 있습니다. 예를 들어, 현재 중국 FAW 차량 제품에서 전자 제품과 기술의 가치 비중은 약 10~15%에 불과하지만, 외국 자동차의 전자 제품과 기술 평균 가치 비중은 약 22%이며, 중고급 차량에서는 30% 이상을 차지하고 있습니다. 이 비중은 여전히 빠르게 증가하고 있으며, 곧 50%에 이를 것으로 예상됩니다.
전자 정보 기술은 신세대 자동차 개발 방향을 결정하는 주요 요인이 되었습니다. 자동차(자동차) 성능의 여러 측면, 예를 들어 동력 성능, 조작성, 안전성, 편의성 향상은 기계 시스템 및 구조와 전자 제품, 정보 기술의 완벽한 결합에 의존하게 됩니다. 자동차 공학 분야 전문가들은 전자 기술의 발전이 자동차 제품 개념에 깊은 변화를 가져왔다고 지적합니다. 이 때문에 전자 정보 산업이 최근 자동차 전자 장치에 전례 없는 관심을 기울이고 있는 이유 중 하나이기도 합니다.
하지만 주목해야 할 점은, 일부 차량용 오디오·비디오 장치, 차량 통신 및 내비게이션 시스템, 차량 내 사무 시스템, 네트워크 시스템 등 일부 전자 장치를 제외하면, 현대 자동차 전자 장치는 사용되는 전자 부품(센서, 액추에이터, 마이크로 회로 등)과 차량 내 전자 시스템 아키텍처 측면에서 근본적인 개선의 새로운 단계에 진입했다는 것입니다. 그중 가장 대표적인 핵심 부품이 바로 지능형 센서(스마트 액추에이터, 스마트 트랜스미터)입니다.
사실, 자동차 전자 장치는 몇 가지 발전 단계를 거쳐왔습니다. 초기에는 개별 전자 부품으로 구축된 회로 감시 및 제어 단계, 그다음 전자 부품 또는 모듈과 마이크로프로세서를 활용한 독립형·전용형·반자동 및 자동 제어 시스템 단계, 그리고 현재는 고속 버스를 이용하여 다양한 전자 장치와 시스템의 데이터를 통합 교환하고 종합적이고 지능적인 제어를 실현하는 새로운 단계에 이르렀습니다.
신형 자동차 전자 시스템은 서로 독립적으로 제어가 가능하면서도 조율을 통해 최적의 전체 운용을 달성하는 다양한 전자 제어 장치(ECU)로 구성됩니다.
예를 들어, 엔진을 최적의 작업 상태로 유지하기 위해서는 먼저 흡기 실린더의 공기 유량과 흡입 압력을 측정하고, 수온과 공기 온도 등 작업 환경 파라미터를 기반으로 기본 연료 분사량을 계산해야 합니다. 동시에 스로틀 위치 센서를 이용하여 스로틀 밸브의 개도를 감지하고 엔진의 운전 상태를 판단한 후, 최적의 연료 분사량을 제어·조정합니다. 마지막으로 크랭크축 각속도 센서를 사용해 크랭크축 각도와 엔진 속도를 모니터링하며, 이를 통해 최적 점화 시기를 계산하고 명령을 내립니다. 이러한 엔진 연료 분사 시스템과 점화 통합 제어 시스템은 배출가스 모니터링 시스템 및 시동 시스템과 결합되어, 자동차 엔진의 출력과 토크를 극대화하면서 연료 소비와 배출가스를 최소화하는 지능형 시스템을 구축할 수 있습니다.
안전 주행의 또 다른 예를 들 수 있습니다. 원활하고 안전한 주행을 위해 4개의 바퀴 조작만을 고려하더라도, 다수의 압력 센서와 ABS(잠김 방지 브레이크 시스템) 설치 외에, 많은 차량, 특히 국내 차량에서는 전자식 제동력 배분 시스템(EBD)을 추가로 장착하고 있습니다. ABS와 EBD의 결합은 비나 눈이 오는 도로에서도 주행 안정성을 최대화할 수 있습니다.
현재 일부 국내외 차량에는 비상 상황 시 운전자가 브레이크 페달을 밟는 속도와 힘을 자동으로 감지하여 비상 제동력이 충분한지 판단하고, 필요시 제동력을 자동으로 증가시키는 긴급 제동 보조 시스템(EBA)이 장착되어 있습니다. EBA의 자체 제어 동작은 매우 짧은 시간(예: 1백만 분의 1초) 내에 완료되어야 하며, 이를 통해 시속 200km 고속 차량의 제동 및 슬라이딩 거리를 약 20m 단축할 수 있습니다. 또한 바퀴에는 각 바퀴의 상대 속도를 차량 속도와 비교하여 균형 있게 동력을 배분해 험로에서도 바퀴 간 균형과 접지력을 확보하는 전자식 트랙션 컨트롤(ETC) 시스템도 적용됩니다.
위 두 가지 사례를 통해 알 수 있듯, 자동차 개발에는 자동차 전자 장치에 대한 몇 가지 기본 요구 사항이 있습니다.
- 전자 제어 시스템의 동작은 빠르고, 정확하며, 신뢰할 수 있어야 합니다. 센서(+보정 회로)+마이크로프로세서, 이후 마이크로프로세서(+전력 증폭 회로)+액추에이터라는 기존 기술적 접근만으로는 현대 자동차의 요구를 충족시킬 수 없습니다. 제어 장치의 동작 정확성, 신뢰성, 실시간성을 보장하기 위해 하드웨어 통합, 직접 데이터 교환, 회로 단순화, 지능 향상이 필요합니다.
- 자동차의 거의 모든 기계 구조 부품이 전자 장치로 제어되지만, 차체 내부 공간과 부품 시스템 공간은 매우 제한적입니다. 이상적인 상황은 전자 제어 장치가 제어 대상 부품과 밀접하게 통합되어 하나의 전체를 이루는 것입니다. 따라서 장치와 회로의 소형화 및 통합은 필연적인 경로입니다.
- 전자 제어 장치(ECU)는 충분한 지능을 갖추어야 합니다. 예를 들어 에어백을 들 수 있습니다. 에어백은 결정적인 순간에 적시에 정확하게 전개되어야 하지만, 대부분의 시간 동안은 대기 상태에 있습니다. 따라서 에어백 ECU는 자가 점검과 자가 유지 관리 기능을 갖추어야 하며, 에어백 시스템이 정상적으로 작동할 수 있는 신뢰성을 지속적으로 확인하고, 그 동작이 “실수 없이(foolproof)” 이루어지도록 보장해야 합니다.
- 자동차의 각 기능 부품은 고유한 움직임과 조작 특성을 가지고 있으며, 전자 제품의 경우 대부분 매우 열악한 환경에서 작동합니다. 이러한 환경은 부품마다 다르며, 예를 들어 작동 중 높은 온도, 정지 대기 상태에서 낮은 온도, 높은 농도의 오일 증기 및 반응성(유독) 가스, 고속 움직임, 강한 충격과 진동 등이 있습니다. 따라서 전자 부품과 회로는 높은 안정성, 환경 저항성, 그리고 적응 및 자기 보정(Self-compensation) 능력을 갖추어야 합니다.
동시에 위의 요구 사항만큼 중요하거나 때로는 핵심적인 것은, 자동차 전자 제어 장치에 사용되는 전자 부품과 모듈이 대규모 산업 생산이 가능하며, 생산 비용을 허용 가능한 수준으로 낮출 수 있어야 한다는 점입니다.
이와 관련된 예로 일부 마이크로 센서와 스마트 센서를 들 수 있습니다. 예를 들어, 지능형 가속도 센서는 현대 자동차의 다양한 요구를 충족시킬 뿐만 아니라, 집적회로(IC) 표준 실리콘 공정 라인에서 대량 생산이 가능하고 생산 비용이 낮아(몇 달러에서 수십 달러 수준) 자동차 산업에서 가장 큰 응용 시장을 확보하게 되었습니다. 이는 결과적으로 자동차 산업의 전자화(전자 정보화)를 효과적으로 촉진하는 역할을 합니다.
2. 지능형 센서: 마이크로 센서와 집적회로를 통합한 차세대 전자 장치
마이크로 센서와 지능형 센서는 최근에야 빠르게 발전한 신흥 기술입니다. 현재 중국 신문과 잡지에서 사용되는 기술 명칭은 여전히 다소 모호하며, 일반적으로 센서로 언급되거나 모호하게 자동차용 반도체 장치 범주로 분류됩니다. 일부에서는 스마트 센서(또는 스마트 액추에이터, 스마트 트랜스미터)와 마이크로 시스템, MEMS 등을 MEMS(마이크로 전자기계 시스템)라는 이름으로 분류하기도 합니다. 아래는 현재 유럽과 미국의 저서에서 사용되는 기술 용어의 정의와 기술적 의미입니다.
우선, 이 글에서 언급되는 센서는 대부분 세 가지 장치 유형을 의미합니다.
- 비전기적 입력 파라미터를 전자기 신호 출력으로 변환하는 센서
- 전기 신호를 비전기적 출력으로 변환하는 액추에이터
- 센서와 액추에이터 모두로 사용 가능한 장치, 그중 다수는 하나의 전자기 신호 형태를 다른 형태로 변환해 출력하는 트랜스미터
즉, 마이크로 센서와 지능형 센서의 기술 특성은 마이크로 액추에이터, 마이크로 트랜스미터에도 적용될 수 있으며, 센서(또는 액추에이터, 트랜스미터)의 물리적 크기 중 적어도 하나가 서브밀리미터 수준 이하인 경우를 의미합니다.
마이크로 센서는 단순히 기존 센서를 소형화한 제품이 아니라, 반도체 공정 기술을 기반으로 한 차세대 장치입니다. 새로운 작동 원리와 물리화학적 효과를 사용하고, 표준 반도체 공정과 호환되는 재료를 활용하며, 마이크로 제작 기술로 제조됩니다. 이 때문에 종종 실리콘 센서라고도 불립니다. 마이크로 액추에이터와 마이크로 트랜스미터에도 유사한 정의와 기술적 특성이 적용됩니다.
마이크로 센서는 일반적으로 두 개의 칩으로 구성됩니다. 하나는 자가 감지 기능을 갖춘 마이크로 가속도 센서, 다른 하나는 마이크로 센서와 마이크로프로세서(MCU) 사이의 인터페이스 회로와 MCU입니다. 이는 1996년경 개발된 초기 장치지만, 이미 자동차의 자동 제동 및 서스펜션 시스템에 실용적으로 적용될 수 있으며, 마이크로 가속도 센서의 자가 점검 기능 덕분에 에어백에도 활용될 수 있습니다. 이 예를 통해 마이크로 센서의 장점은 단순한 소형화뿐만 아니라 집적회로와 결합이 용이하고 대량 생산이 가능하다는 점임을 알 수 있습니다. 또한, 두 칩 솔루션을 채택하면 설계 주기를 단축하고 초기 소규모 시제품 비용을 낮출 수 있습니다. 하지만 실제 시장과 적용을 위해서는 단일 칩 솔루션이 생산 비용을 낮추고 활용 가치를 높이는 데 더 적합합니다.
스마트 센서, 스마트 액추에이터, 스마트 트랜스미터는 마이크로 센서(또는 마이크로 액추에이터, 마이크로 트랜스미터)와 일부 또는 모든 처리 장치와 회로를 단일 칩에 통합한 장치를 말합니다. 예를 들어 위에서 언급한 마이크로 가속도 센서의 단일 칩 솔루션이 이에 해당합니다. 지능형 센서는 모호 논리 연산, 환경의 능동적 인식, 자동 조정 및 보상, 자가 진단, 자가 유지 관리 등 일부 생체 모방 기능을 갖추고 있습니다. 대규모 생산과 비용 절감을 위해, 지능형 센서의 설계 개념, 재료 선택, 생산 공정은 집적회로의 표준 실리콘 평면 공정과 최대한 일치해야 합니다. 정상 공정 전, 중, 후에 특수 공정을 추가할 수 있으나 과도하지 않아야 합니다.
예를 들어, 하나의 패키지 내에 마이크로 기계식 압력 센서가 아날로그 사용자 인터페이스, 8비트 아날로그-디지털 변환기(SAR), 마이크로프로세서(Motorola 69HC08), 메모리, 직렬 인터페이스(SPI)와 단일 칩으로 통합됩니다. 전단부의 실리콘 압력 센서는 벌크 실리콘 마이크로 제작 기술로 제작됩니다. 실리콘 압력 센서 제작 과정은 집적 CMOS 회로 공정 전후로 배치될 수 있습니다. 이 지능형 압력 센서의 기술과 시장은 성숙하여, 자동차용 다양한 압력 측정 및 제어 장치, 예를 들어 기압계, 노즐 매니폴드 압력, 배기, 연료, 타이어, 유압 전달 장치 등에서 널리 사용됩니다.
지능형 압력 센서의 적용 범위는 매우 넓으며, 자동차 산업에 국한되지 않습니다. 현재 많은 제조사가 지능형 압력 센서를 생산하며, 다양한 상용 제품이 존재해 경쟁이 치열합니다. 그 결과, 스마트 압력 센서는 점점 작아지고, 제어 장치에 필요한 주변 커넥터와 개별 부품이 줄어드는 반면, 기능과 성능은 강화되고 생산 비용은 급격히 낮아지고 있습니다(현재 개당 몇 달러 수준).
한편, 일부 중국 자료, 특히 제품 홍보 자료에서는 SmartSensor(또는 장치)와 Intelligentsensor(또는 장치)를 일반적으로 스마트 센서로 통칭하기도 하지만, 유럽·미국 문헌에서는 차이가 있습니다. 서구 전문가와 일반 대중은 Smart sensor가 Intelligent sensor보다 더 높은 지능과 기능을 갖춘 것으로 평가합니다. 물론 지식 기반 장치의 개념은 계속 진화하지만, 환경 변화에 대응하고 보상하며 동작을 조정할 수 있으나, 통합 프로세서가 필요 없는 장치는 지능 수준이 낮아 일반적으로 지능형 장치로 분류되지 않습니다.
가장 익숙한 스마트 센서는 카메라, 디지털 카메라, 캠코더, 휴대폰 카메라에 사용되는 CCD 이미지 센서입니다.
CCD 어레이의 각 실리콘 단위에서 변환된 전기 신호는 매우 약하며, 이를 즉시 이동, 저장, 표준 이미지 형식 신호로 처리해야 합니다. 또한 중고급 장거리(IOX) 광학 줌 디지털 카메라와 캠코더에는 전자·광학식 이미지 안정화 시스템이 장착되어 있으며, 고급 제품의 진정 광학식 안정화 시스템은 2축 또는 3축 마이크로 가속도 센서 또는 마이크로 자이로스코프를 핵심으로 하여, 카메라 흔들림을 감지하고 렌즈 이동으로 변환해 광학 경로의 안정성을 유지합니다.
마이크로 시스템(Microsystems)과 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)
마이크로 센서, 마이크로 전자 회로(신호 처리, 제어 회로, 통신 커넥터 등), 마이크로 액추에이터가 단일 칩에 통합된 삼단계 계단식 시스템을 마이크로 시스템이라 합니다. 장치에 기계적 링크나 기계식 액추에이터 같은 마이크로 기계 부품이 포함되면 MEMS라고 부릅니다.
MEMS 칩의 좌측은 칩 제조에 필요한 기본 공정 기술을, 우측에는 주요 응용 분야를 나타냅니다. MEMS의 최적 솔루션은 실리콘 기술과 호환되는 재료 및 물리적 효과, 설계 개념과 공정 흐름을 활용하는 것이며, 표준 CMOS 기술과 2D·3D 마이크로 제작 기술을 결합하여 마이크로 기계 구조 부품을 생산합니다.
마이크로 센서 발전의 논리적 확장은 지능형 센서, 지능형 센서의 자연적 확장은 마이크로 시스템과 MEMS입니다. MEMS의 추가 발전은 외부 신호와 명령을 자율적으로 수신·구분하고, 독립적·정확하게 마이크로 기계 장치로 동작할 수 있는 능력입니다. 현재 성공적으로 개발되어 상용화된 MEMS 제품이 많으며, 다양한 분야에서 활용됩니다. 여기에는 2D 및 3D MEMS 광 스위치가 포함되며, 이는 전광학 통신과 전광학 컴퓨터의 핵심 부품입니다.
칩 위 마이크로 미러 배열을 제어함으로써 광 입력/출력의 교차 연결이 가능하며, 이는 현재 전광학 스위칭 기술에서 가장 성숙하고 최적의 솔루션으로 평가됩니다. 시장에는 1296개의 MEMS 광 스위치가 있으며, 스위칭 시간은 약 20ms입니다.
마이크로 기계(나노 기계라고도 함)는 아직 개발·실험 단계에 있지만, 유명한 나노 모터, 마이크로 곤충, 마이크로 헬리콥터, 잠수함 등 중요한 연구 제품이 이미 등장했습니다. 기술 산업은 이러한 성공적 개발과 실용적 응용이 산업 기술과 삶의 질에 깊은 영향을 미칠 것으로 보고 있습니다.
“지속 가능한 생태와 스마트 기술로 만물을 연결합니다.”
GRAEFF는 모든 정밀한 측정이 산업 문명의 새로운 정의라고 굳게 믿으며, 모든 기술 혁신이 지속 가능한 인간 발전에 지능적 동력을 불어넣는다고 생각합니다.
우리는 센서를 매개로 물리적 세계와 디지털 미래를 연결하며, 전 세계 산업에 중국 제조의 혁신과 역량을 보여주고자 합니다.