자동차용 센서의 기술적 요구
오늘날 환경문제는 대기오염, 수질오염, 소음 등 국지적인 문제에 그치지 않고 오존층 파괴나 산성비, 지구온난화 등 국경을 초월하여 범세계적인 문제로 대두되고 있다. 자동차의 배출가스가 지구환경에 악영향을 미치고 있다는 사실은 산성비나 광화학 스모그 등에 의해 분명하게 확인되고 있다. 따라서, 지구환경 보전과 자동차 업계의 생존을 위해서 배출가스의 클린화가 절실히 요구되고 있다. 자동차의 배출가스는 급유 시 연료 증발 가스와 배기관으로부터 방출되는 가스를 의미한다. 세계에서 가장 엄격한 자동차 배출가스 규제를 실시하고 있는 미국 캘리포니아 주의 경우 HC, CO, NOx의 배출량 규제 기준이 최근 10년 동안 크게 강화되었다. 이에 따라 저공해차 개발이 자동차 업계의 현안으로 떠올랐으며, 자동차 제조업체들은 ZEV(Zero-emissions vehicle)를 위한 하이브리드 전기자동차(HEV)의 실용화와 연료전지 전기자동차의 연구에 박차를 가하고 있다.
에너지 문제와 관련해서는 자원고갈 문제로부터 에너지 절약, 즉 자동차의 연비 향상이 앞으로 한층 중요해질 것으로 예상된다. 또 지구온난화 방지를 위해 1997년 지구온난화 방지 교토국제회의에서는 선진국 전체에서 최저 5%의 CO2 삭감 목표가 의정서에 채택되었다. 온실가스인 CO2 배출을 낮추기 위해 자동차의 연비 규제 목표기준치를 정하여 연비 향상을 위한 연구도 진행되고 있다.

센서의 기술적 요구
다양한 자동차의 기술과제 가운데 특히 지구환경 문제, 에너지 문제는 자동차 관련 엔지니어들이 극복해야 할 최대 과제가 되고 있다. 지구환경 보전 및 에너지 절약과 연비 향상은 배출가스 정화 시스템이나 가솔린 직접분사 린번(Lean Burn) 시스템과 같은 제어 시스템으로 대응하고 있어 파워트레인 제어 시스템의 체계로 자리를 굳히고 있다.
한편 안전성, 쾌적성, 편리성 향상 요구는 차량 제어, 보디 제어, 정보통신 시스템과 관련지을 수 있다. 차량용 센서는 이들의 제어 시스템에 필요한 검출 감도, 검출 정밀도, 응답속도 등의 기능을 자동차의 가혹한 사용환경에서 유지할 수 있는 것이 요구되므로 내열성이나 내진동성 등의 신뢰성 확보가 필수다. 또 대량생산되는 자동차 부품이라고 하는 관점에서 제조용이성과 경제성도 중요한 요건으로 꼽을 수 있다.

검출 대상의 확대와 통합화
보다 정밀하고 높은 응답성의 제어 시스템은 센서 성능이 좌우한다고 해도 과언은 아니다. 센서 검출 대상은 한층 확대되고 있으며, 하나의 센서가 복수의 정보를 처리하는 복합 센서에 대한 요구도 커지고 있다. 예를 들면, 배출가스 정화 시스템에서 사용되는 배기 가스 센서는 배출가스 가운데 산소 농도를 검출하는 것인데, 배출가스 정화 시스템의 수준 향상을 위해 연료 리치 영역에서의 HC 농도와 NOx 농도를 동시에 검출하는 복합 센서의 개발이 진행되고 있다.

센서 재료의 변천
센서에 사용되는 재료는 금속이나 세라믹스 외에 반도체의 사용이 늘어나고 있다. 예를 들면, 차체의 속도 변화를 검출하는 가속도(G) 센서에 있어서도 Strain Gage 재료로써 기존의 금속 저항체에서 실리콘 반도체로 바꿈으로써 게이지율을 50배 정도 높일 수 있어 센서 검출 정밀도의 대폭적인 향상이 이루어졌다.

작동원리, 변환기능의 다양화
센서를 변환 기능으로 분류할 수 있다. 이것은 검출하려는 외부 정보의 종류로 나눈 것으로, 모두 물리현상이나 화학현상을 이용하여 전기신호로 변환시키는 것이다. 역학적 센서는 역학적인 여러 가지 양을 전기신호로 변환하는 것이다. 역학적인 여러 양은 기계량과 유체량으로 분류된다. 기계량 가운데 기하학량의 시간적 변화를 운동량이라고 부르며 질량, 힘, 토크 등은 역학량이라고 부른다. 자동차용으로 속도 센서, 가속도 센서, 압력 센서, 공기량 센서 등이 많이 사용되고 있는데, 용도에 따라 다양한 작동원리, 변환 기능에 기인한 각종 센서가 활용되고 있다.
예를 들면, 공기량 센서는 흡입공기량을 정확하게 측정하는 것인데, 종래의 베인(기계)식 센서에 대해 열식 에어플로 미터, 반도체식 흡기압 센서 등이 실용화되었다.
전자적 센서는 전자기량을 전기신호로 변환하는 것으로, 전자 픽업 외에 자기저항효과, 홀효과 등을 이용한 반도체 자기 센서 등이 자동차용 차속 센서나 회전각 센서로 이용되고 있다.
온도 센서는 온도를 전기신호로 변환하는 것이다. 사용방법에 따라 접촉식과 비접촉식으로 분류되는데, 자동차용은 대부분 직접 물체에 접촉하여 검출하는 접촉식을 사용하고 있으며 서미스터(온도에 의해 저항이 변화하는 반도체) 소자나 바이메탈을 적용하는 경우가 많다. 비접촉식으로는 탑승자 센서로서 초전효과를 이용하는 적외선 센서를 예로 들 수 있다. 광학적 센서는 빛을 전기신호로 변환하여 빛과 반도체 간 상호작용에 의한 전자-정공 쌍의 발생을 검출하는 반도체 광센서가 사용된다. 자동차용으로서는 에어컨 제어용으로 포토다이오드를 적용한 일사 센서가 사용되고 있다.
이상의 역학적 센서, 전자적 센서, 온도센서, 광학적 센서는 물리변화량을 전기신호로 변환하기 때문에 총칭하여 물리 센서라고 부르는데, 전기화학적 센서는 화학변화량을 전기신호로 변환하는 것이다. 자동차용으로서는 배출가스 중 산소농도를 검출하기 위한 산화 지르코늄 세라믹스로 된 고체 전해질 소자를 이용한 O2센서(가스 센서의 일종)가 대표적인 예이다.

신호처리의 지능화
센서 소자에서 발생하는 전기신호는 미약하거나, 대상이 되는 물리량이나 화학량 이외의 파라미터 정보를 포함하고 있기도 하며 비직선적인 것이 많기 때문에 센서의 신호처리가 필요한 경우가 많다. 센서 신호처리의 목적은 센서로부터 발생하는 전기신호를 전송 또는 컴퓨터가 처리 가능한 전기량으로 증폭하거나 불필요한 정보를 제거하고 비직선성을 보정함으로써 정보의 질을 높이는 데 있다.
센서 본래의 기능인 물리량, 화학량의 변화를 전기신호로 변환하는 처리 이외에 그 신호를 증폭, 보상하는 신호 보정처리, 신호를 취급하기 쉬운 함수로 변환하는 연산처리, 제어를 위한 정보처리, 제어 대상에 신호를 보내기 위한 제어처리를 처리 기능으로 들 수 있다.
센서로부터 전송된 신호를 컴퓨터가 신호처리를 할 뿐만 아니라, 최근에는 센서 측에 마이크로컨트롤러를 통합하여 지능화시킨 스마트센서도 있다. 이것에 의해 센서 자체가 한층 고도의 신호처리를 담당할 수 있으므로 센서의 자기진단이나 자동교정, 데이터 기억, 복합 정보의 제공 등이 가능해졌다.
향후 자동차용 센서에 있어서도 이와 같은 센서의 집적화, 다기능화에 의한 지능화 경향이 더욱 뚜렷해질 것으로 예상된다. 집적화의 경우는 다소자화, 증폭기와의 일체화, 신호처리 기능의 일체화, 다른 기능 소자와 일체화하는 방향으로 진행되어 소형화, 경량화, 신기능화, 고성능화, 고신뢰성화를 꾀하는 것이다.
예를 들어, 정전용량식 가속도 센서는 마이크로머신(MEMS) 기술을 이용하여 검출소자와 신호처리 칩을 적층 구조로 집적화한 스마트센서의 일종이다. 이외에도 반도체식 흡기압 센서(공기량 센서)나 IC 자기센서를 예로 들 수 있다.

자동차용 센서의 분류
표 1에는 자동차용 센서를 파워트레인 제어, 차량 제어, 보디 제어, 정보통신 등 4가지 제어 시스템에 사용되는 주요 센서에 대해 변환 기능별로 분류해 놓았다. 이들 제어 시스템에 사용되는 주요 센서에 대해 설명한다.

자동차용 센서 동향

파워트레인 제어 시스템
파워트레인 제어란 연료분사 제어, 점화시기 제어, 아이들 회전수 제어 등과 같은 각종 엔진 제어 및 트랜스미션 등의 동력 전달계의 제어를 통합한 것이며 엔진을 최적 상태로 작동시키는 것이다. 특히, 환경문제, 에너지 문제에 대한 대응은 가솔린 엔진 제어 시스템 기술에 의해 배출가스 정화나 연비 향상이 이루어져 왔다.
연료분사 제어에서는 흡입 공기량을 기준으로 공연비를 제어하기 때문에 스로틀 개방 정도와 엔진 회전수로부터 공기량을 추정하는데, 공기량 센서는 이 흡입 공기량을 정확하게 측정하는 것이다. 열식 에어플로미터 외에 베인(기계)식 센서, 반도체식 흡기압 센서 등이 이용된다. 인젝터의 연료분사량은 공기량으로부터 결정할 수 있지만, 양자의 계량 오차는 이론 공연비로부터 오차를 일으키게 한다. 이 오차를 검출하여 삼원 촉매의 윈도 중심에 들어가도록 분사량을 보정하는 것이 공연비 피드백 시스템이며, 이 보정 신호를 컴퓨터에 보내는 것이 배출가스 중 산소 농도를 검출하는 O2센서이다. 또 O2센서는 OBD(On Board Diagnosis)로 촉매 등의 에미션 관련 부품의 열화를 검출하여 자기 진단하기 위한 정보제공 역할도 담당하고 있다.
한층 강화되고 있는 자동차 배출가스 규제에 대응하기 위해 기존 컵 형상의 검출소자인 O2센서로부터 조기 활성(속열성)의 점에서 구조상 높은 포텐셜을 갖는 적층 형상의 O2센서가 실용화되었다. 더구나 이론치로부터 공연비의 편차량을 검출하는 A/F센서와 O2센서를 조합한 정밀 공연비 제어 시스템에서도 조기 활성을 위해 적층 A/F센서화가 진행되고 있다.
가솔린 엔진의 점화시기 제어에서도 배출가스 정화와 연비 향상에 기여하고 있다. 엔진 회전수, 피스톤 위치를 검출하는 회전각 센서인 크랭크각 센서, 캠각 센서는 종래의 전자 픽업으로부터 제약이 적은 홀효과나 강자성체 자기저항효과(MRE) 소자를 이용하는 자기 센서로 전개가 진행되고 있다. 또 이외에도 압전효과를 이용한 노크 센서 등이 사용되고 있다.
디젤 엔진의 전자제어는 스로틀 개방도 센서, 회전수 센서, 크랭크각 센서 등을 이용하여 연료분사량, 연료분사 개시 시점, 흡기 조임 등을 제어하고 있다. 커먼레일 타입(축압식)에서는 180MPa까지의 고압을 검출하는 커먼레일압 센서가 사용되며, 거의 모든 운전 영역에서 일정한 분사 압력이 얻어지기 때문에 제어성이 향상되어 스모그 배출, 소음, 진동 등을 개선하고 있다.
전기자동차에서는 메인 배터리의 충방전 전류를 검출하는 전류 센서가 특징적이다. 또 엔진의 전자 스로틀 제어와 마찬가지로 운전자의 직접적인 액셀 조작에 의하지 않는 구동방식을 채택하고 있으며 액셀 센서를 통하여 모터에 정보를 보내어 제어하고 있다.

차량 제어 시스템
차량 제어란 자동차의 기본 동작을 전자적으로 제어하여 응답성, 조종 안정성, 쾌적성 등을 개선하는 시스템이다. 차량 제어에는 서스펜션 제어, 스티어링 제어, ABS 제어, 정속주행 제어, 트랙션 제어, 4륜조타(4WS) 제어, 차량안정성 제어(VSC) 시스템, 그리고 이들을 조합하여 새로운 기능을 창출한 것 등이 있으며 차높이 센서, 스티어링 센서, 차속 센서, 차륜 속도 센서, 가속도 센서, 각속도 센서 등이 사용된다.
이 중에서 차륜 속도 센서의 정보는 차량 제어 시스템 중에서 ABS, 트랙션 제어, 4WS 시스템에서 공통으로 사용되고 있다. 이와 같이 하나의 센서 정보가 복수의 시스템에서 사용되는 경우가 많다.
ABS(Anti-lock Braking System) 제어는 주로 차량의 제어 시 일어나는 차륜의 락을 방지하여 차량의 조타 안정성을 확보하는 것이다. 차륜 락 상태는 차체 속도와 차륜 속도를 비교하여 간접적으로 검출한다. 단, 차체 속도를 차륜 속도로부터 추정하는 방법에서는 타이어의 미끄러짐이 있으므로 정확성이 떨어진다.
ABS의 검출정밀도를 높이기 위해서는 타이어의 미끄러짐 영향을 배제할 수 있는 차륜 속도 이외의 신호에 의한 정확한 대지 차체 속도 센서의 개발이 필요하다.
정속주행 제어는 크루즈 컨트롤이라고도 불리며, 설정된 차속을 유지하도록 스로틀 밸브 개방도를 제어하는 것이다. 차속 센서의 일례로서는 MRE를 이용한 미션의 회전수를 검출하는 것이 있다.

보디 제어 시스템
보디 제어란 자동차의 안전성, 쾌적성 향상을 위한 에어백, 오토 에어컨, 디지털미터, 라이트 제어, 후방 장애물 감지장치, 와이퍼 제어, 파워 윈도, 도어락 등의 전자제어를 말한다. 에어백은 자동차의 충돌을 가속도 센서로 검출하여 스티어링휠 내부나 계기반 내부 등에 장착된 백에 질소가스 등을 급속 충전함으로써 풍선처럼 부풀러져 인명을 보호하는 시스템이다.
오토 에어컨은 온도설정 스위치에 의해 원하는 온도가 설정되면 차 실내를 그 설정온도에 가까워지도록 각종 온도 센서나 일사 센서 등으로 제어하는 시스템이며 분출구의 온도제어, 풍량제어, 분출구/흡입구의 제어, 컴프레서 등을 제어하여 쾌적성을 향상시킨다. 또 습도, 냄새 등도 에어컨의 제어 대상이 되지만 좁은 공간을 승차 인원에 따라 얼마나 균일한 환경으로 유지할 수 있는가 하는 점이 관건이다.
청각적인 쾌적성에서는 차량 자체가 내는 소리와 외부로부터 들어오는 불필요한 소음을 상쇄하는 식으로, 잡음에 대해 역위상의 소리를 중첩시키는 노이즈 캔슬러로 대응하는 방법이 있다.
자동차를 타고 있는 승차자 공간의 쾌적성 향상은 사람의 감성을 얼마나 측정할 수 있는가 하는 점이 핵심이다. 감성에 영향을 미치는 어떤 인자를 어떤 센서를 이용하여 측정하며, 얻어진 신호로 어떤 제어를 할 것인가는 개인의 기호 차이도 있기 때문에 일반적인 답이 있는 것은 아니므로 상당히 어려운 측면이 있다. 그러나 예를 들어, 온도에 대한 감성은 외부 공기에 노출된 피부의 온도를 적외선 센서로 검출하여 온도를 제어하는 등의 시도도 실시되고 있다. 쾌적성을 한층 향상시키기 위해서는 사람의 감성도 측정할 수 있는 센서의 개발이 핵심기술의 하나라고 할 수 있다.