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자동차 전장
전장(電裝)이란 자동차에 들어가는 전기 및 전자 장치와 설비를 말한다.
목차
개요
전장은 자동차 전기 및 전자 장비를 뜻한다. 모터, 블랙박스, 중앙제어장치, 속도 센서, 스위치, 스피커, 오디오, 카메라 등 전기가 흐르는 모든 부품이나 장치를 의미한다. 전 세계가 친환경 정책을 펼치고 완성차 업체들의 공격적인 투자로 전기차, 수소차 시장이 급속도로 성장함과 동시에 자동차 전기, 전자 장비 시장 역시 급속도로 성장하고 있다. 그 때문에 전장이라는 단어가 TV, 뉴스, 칼럼 등에서 등장하기 시작했다. 또한 자율주행 기술이 발달해 가면서 운송수단에 불과하던 자동차가 문화, 생활공간으로 탈바꿈하며 발전에 발전을 거듭하고 있다. 이러한 기능들을 차량용 인포테인먼트 시스템이라 부르고 관련 기능들이 탑재된 차량을 스마트카라고 부르기도 한다. 자율주행, 5G를 포함한 각종 IT기술의 발전, 플렉시블 OLED의 등장 등으로 인해 SF 영화 속의 자동차들이 현실에 가까워지고 있다.[1]
탑재 이유
환경
70년대 후반이 되면서 이산화탄소의 배출 부작용에 대한 심각성을 인식하게 되었다. 이후 가스 배출량이 제한되기 시작했다. 자동차의 연비는 모의 주행 시 채취한 배기가스를 분석하여 그 중 탄소 성분을 통해 사용된 연료의 양을 산출하게 된다. 즉 연비가 낮은 자동차는 이산화탄소를 많이 배출한다. 그 결과 가스 배출량에 직접적인 영향을 주는 자동차의 연비 개선이 중요한 기술적 과제로 부상했다. 연비를 개선하기 위해서는 엔진의 상황에 따른 적절한 연료 공급량 제어, 정확한 점화 타이밍이 중요하다. 전장화가 되면서 각종 센서로 차량의 전체적인 상태를 정확하게 파악하여 연료량을 결정하고, 정확한 타이밍에 점화가 가능하게 되었다. 또 친환경 자동차를 개발하여 이산화탄소 같은 유해한 물질을 줄이기 위한 노력을 하고 있다. 친환경 자동차는 하이브리드 자동차, 수소연료전지 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 등이 있다. 친환경 자동차는 전기 에너지를 이용하는데 전장화는 전기 에너지 효율을 극대화하는 데 필수적이다.
안전
지금까지 자동차의 안전은 차체 프레임의 강성 강화 및 충동 시의 충격 흡수, 탑승자에 대한 에어백 동작 등 위기 발생 사후에 대한 대책이 많았다. 하지만 최근에는 전자기기 성능 향상으로 위기 발생 전의 대책에 초점이 맞춰지고 있다. 전자기기는 자동차 카메라 및 센서 정밀도, 동작 신뢰성의 향상을 통해 자동차의 주행 안전을 실현하는 하나의 중요한 분야로서 확립되고 있다. 전자 센서들이 자동차의 감각 기관이 되어, 현재 바퀴의 방향이 어떠한지, 어느 방향으로 차체가 기울어져 있는지도 알 수 있게 되었다. 또 다른 자동차가 근접한 경우 운전자에게 경고음을 내고, ABS 브레이크를 장착하여 급정거 시 차체가 옆으로 쏠리는 현상을 줄이고, 정지거리 역시 줄였다. 이렇게 자동차의 전장화는 자동차의 현재 상태와 주변 상황을 파악하고 능동적으로 대처하여 안전한 운전에 기여하고 있다.
엔터테인먼트
자동차 본래의 목적인 이동수단뿐만 아니라 운전의 즐거움이 곧 자동차의 경쟁력이 되어, 차별화된 요소를 누가 먼저 갖느냐가 이미 자동차의 기준이 되었다. 자동차 뒷자석에 LCD 스크린을 설치하여 실시간으로 영상을 시청하고, 와이파이 핫스팟 기능을 탑재하여 게임, 영화, 음악을 즐길 수 있게 되었다. 또 운전 그 자체에 초점을 두고 스포츠 모드로 변속이 가능하게 하며, 크루즈 컨트롤 모드로 일정 속도를 유지하게 해주어 편안한 운전이 가능하게 되었다.[2]
구분
전자제어장치
전자제어장치는 컴퓨터의 중앙처리장치를 포함하면서 물리적 제어 영역으로 확장된 개념이다. 인지, 산술·명령, 실행의 흐름으로 모터와 유압장치, 점화장치, 표시장치 등 자동차를 작동하는 기능에 특화된 것이다. 또한 극한의 내구 조건에 맞게 내진동과 내열, 내한 성능 등이 일반 IT 기기와는 비교 불가할 만큼 까다로운 조건에서 설계된다. 전자제어장치는 입력장치와 저장장치, 정보처리장치와 출력장치로 구성된다. 주행 중에 쌓이는 데이터 등은 주로 휘발성 메모리에 저장하고 데이터 처리를 위한 운영체제 등은 비휘발성 메모리에 저장한다. 알고리즘에 따른 연산처리를 위해 고성능 정보처리장치가 적용되고 오작동 등의 상황을 가정해 백업 장치가 추가되기도 한다. 최근 들어 이런 전자제어장치는 점차 고성능화하고 있다. 차 한 대는 약 60개에서 100개의 전자제어장치가 사용된다. 이러한 전자제어장치들은 위계 구조를 갖추고 고유 기능도 수행하면서 다른 전자제어장치들과 협조-제어하기도 한다. ACU가 에어백을 전개하면 긴급구난통신장치가 사고 정보를 관제 센터에 자동 전송하는 식이다. 하이브리드차의 제어장치인 HCU도 엔진제어장치, 모터제어장치, 차체자세제어장치와 배터리제어장치 등 차량 각 부의 주요 제어장치에 가·감속과 배터리 충전 등의 작동 명령을 내리는 구조를 갖추고 있다. 싱글코어 8개가 제각각 수행하던 작업을 옥타 코어 하나가 처리하는 등의 방식으로 데이터 처리와 공간 활용 효율성을 높이는 것이다. 특히 인공지능과 딥러닝 등이 적용되는 미래의 완전자율주행, 커넥티드카는 한층 고차원적인 제어 성능이 요구된다. 따라서 분산된 전자제어장치를 합치고 통제 기능을 중앙화해야 한다. 전자제어장치 통합 과정에서 운영체제와 통신 방식, 코딩언어 등이 일관성 있게 적용돼야 한다. 이것이 이뤄져야 다수의 업체가 협력 개발하는 자동차 산업에서 설계 기간을 단축하고 성능과 품질까지 확보할 수 있다. 이를 위해 글로벌 완성차 제조사들은 자동차 소프트웨어 국제표준 플랫폼 오토사를 기반으로 자동차 소프트웨어를 설계하고 있다.[3]
액추에이터
액추에이터는 전기나 유압, 압축 공기 등을 이용하는 원동구동장치를 두루 일컫는 용어이다. 일반적으로 전류, 작동유압, 기력압 형태로 된 에너지원으로 작동하며 이 에너지를 어떠한 종류의 움직임으로 변환한다. 에너지를 움직임으로 변환하는 장치라는 액추에이터의 가장 대표적인 예가 모터다. 하지만 액추에이터에는 이외에도 보일러에서 난방 용수의 공급을 제어하는 밸브 구동기, 그리고 스피커나 이어폰에서 소리를 내는 진동판에 진동을 드는 부분도 액추에이터라고 볼 수 있기 때문에 모터는 액추에이터의 일부분이라고 할 수 있다. 하지만 실제 현장에서 액추에이터와 모터의 구분은 조금 다른 의미를 갖는다. 일반적으로 완벽한 원운동을 하는 경우를 모터, 그렇지 않고 정해진 범위 안에서만 움직이는 경우, 혹은 직선 운동을 하는 경우를 액추에이터라고 하는 경우가 많다. 하지만 이 구분은 절대적인 것이 아닌 편의상 사람들이 구분하는 방식이라고 이해하는 것이 좋다.[4]
텔레매틱스
텔레매틱스는 무선통신과 GPS 기술이 결합디어 자동차 안에서 다양한 이동통신 서비스를 제공하는 기술을 말한다. 통신과 정보과학의 합성어이다. 텔레매틱스라는 용어가 처음 등장한 것은 1978년이었다. 시몬 노라(Simon Nora)와 알랭 멩크(Alain Minc)가 당시 프랑스 대통령에게 제출한 보고서에서 처음 사용됐다. 그 후 보고서가 '사회의 컴퓨터화(The Computerizatiom of Society)'로 번역돼 출간되면서 텔레매틱스라는 용어가 대중화되기 시작했다. 본래 텔레매틱스는 거대 네트워크에서 정보를 효과적으로 전달할 목적으로 컴퓨터와 무선통신 기술을 혼합한 것을 뜻한다. 텔레매틱스는 의료 정보과학, 원격 교육, 환경 감시, 국가 및 기업의 정보 전달 등 응용 범위가 매우 광범위했다. 텔레매틱스의 가장 두드러진 예는 인터넷이다. 인터넷이 정보통신 백본을 통해 전지구적으로 연결된 다수의 컴퓨터 네트워크에 의존하고 있기 때문이다. 텔레매틱스는 자동구난 및 원격 진단을 위해 위성위치확인(GPS) 기술과 기타 무선 통신 기술을 결합한 자동차 시스템을 지칭하는 것으로 발전했다. 텔레매틱스 서비스는 주로 생산성과 편의성 그리고 오락 서비스에 초점이 맞춰졌다. 생산성 향상을 위해 전자뱅킹, 주식시세정보, 음성 전자 우편 등의 서비스가 편의성 향상을 위해서는 안내, 날씨 정보, 뉴스, 스포츠 정보 등의 서비스가 제공됐다. 마지막 오락 서비스에는 게임, MP3, 영화 등이 포함됐다. 자동차에 안테나, 수신장치, 발신기 등을 갖춰 씬 클라이언트로 활용하는 것이다. 저장장치나 프로세서 없이 서비스에 가입함으로써 원하는 정보를 받을 수 있었으며, 컴퓨팅 자체가 원격 서버에 의해 조정됐기 때문에 SW 업그레이드나 새로운 서비스 추가 등과 같은 작업을 자동차에서 할 필요가 없다.[5]
차량용 디스플레이
차량용 디스플레이는 차의 안과 밖의 다양한 정보를 운전자에게 직관적으로 전달하는 화면을 뜻한다. 차량의 전반적인 정보를 알려주는 차량용 정보안내 디스플레이와 운전석에 있는 속도 및 엔진 상태를 나타내는 계기판, 차량 내부 전면 유리창에 디스플레이를 비춰주는 헤드업 디스플레이 등이 있다. 이 외에도 다양한 디스플레이가 운전자와 탑승자에게 필요한 정보를 제공하고 있다. 차량용 디스플레이의 대표적인 기술은 내비게이션이다. 가고 싶은 주소를 입력하면 차량이 최적의 루트를 추천해준다. 길이 막히거나 다른 길을 원하면 다른 길을 찾아주고 우선순위를 알려주기도 한다. 교통 정보, 온도, 차량 외부 환경뿐만 아니라 최근 자동차에 도입되고 있는 음성인식, 안면인식, 제스처 인식 등 신기술까지 차량용 디스플레이에서 인식하고 있다. 과거에는 운전 정보, 교통 정보 등 한정된 정보만 차량용 디스플레이에서 볼 수 있었다. 하지만 이제는 다양한 정보가 차 안에 업데이트 된다. 차 안의 운전자 및 탑승자를 인식한 뒤 연령, 나이, 요일, 시간대에 맞춘 다양한 정보를 제공할 것이다. 차량용 디스플레이는 차량과 차량 외부 다른 기기가 연결될 때, '커넥티비티 서비스(Connectivity Service)'를 하는 브리지(Bridge) 역할을 하고 있다. 내비게이션, 라디오 등 대중적인 기능만 사용할 수 있던 과거와 달리 이제는 점점 탑승자가 편리하게 사용할 수 있도록 개인화되고 있다. 운전자 혹은 동승자는 차량용 디스플레이에 개인 스마트폰을 연결해 스케줄을 보거나 회사 업무를 볼 수도 있습니다. 또한 등록된 개인 프로필 정보에 맞춰 음악을 듣거나 지도를 확인할 때 관련된 정보를 보여주기도 한다. 이렇게 개인 맞춤형으로 바뀌는 디스플레이를 통해 버튼 터치 한 번만으로 차량을 나에게 맞는 세팅으로 손쉽게 바꿀 수 있다.[6]
배터리
전기차는 배터리와 함께 달린다. 일반적으로 배터리는 셀, 모듈, 팩으로 구성된다. 셀은 배터리의 가장 작은 단위로, 전기차의 전반적인 성능에 중심적 역할을 한다. 모듈은 배터리 셀을 회부 충격으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 것이다. 이 모듈 여러 개를 모아 배터리의 온도나 전압 등을 관리하는 배터리 관리 시스템과 냉각장치 등을 추가한 것이 팩이다. 최종적으로 배터리는 전기차에 하나의 팩으로 들어가게 된다. 현재 전기차에 대중적으로 사용되는 배터리는 이차전지의 일종인 리튬이온 배터리다. 이차전지는 계속 충전해 사용할 수 있는 배터리로, 방전되면 재사용이 불가능한 일차전지와 다르다. 리튬이온 배터리의 4대 구성요소는 양극, 음극, 전해액, 분리막이다. 양극과 음극이 배터리의 기본 성능을, 전해액과 분리막은 배터리의 안정성을 결정한다고 할 수 있다. 리튬이온 배터리의 장점은 기존 이차전지의 단점이었던 메모리 현상이 없다는 것이다. 메모리 현상이란 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전 시 배터리 수명이 줄어들게 되는 현상이다. 그러나 리튬이온 배터리는 온도에 민감해 폭발이나 화재 위험성이 크다는 치명적인 단점이 있다. 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받는 건 전고체 배터리다. 전해질이 고체 상태인 전고체 배터리는 구조적으로 단단해 안정적이며, 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있어 폭발이나 화재 위험에서 자유롭다. 또한 1회 충전으로 최대 800km 이상을 주행할 수 있고, 배터리를 80%까지 충전하는 데 약 5분밖에 걸리지 않는다.[7]
ABS
ABS는 자동차가 급제동하거나 선회 시 미끄러질 때 자동으로 브레이크를 초당 수 십 번 반복적으로 작동시켜 제동거리를 줄여주는 정지마찰력의 원리를 이용한 시스템이다. 급제동 때 타이어는 순간적으로 잠김(Lock)현상이 발생하게 되면 자동차는 조향력과 제동력을 상실한 채 지명 위에서 관성력에 의해 미끄러지는 현상이 발생한다. 즉 미끄러짐이 발생하는 순간 최대 정지마찰력이 발생하게 되고 미끄러지기 시작하면서부터는 마찰력에 상대적으로 적은 운동마찰력이 작용하게 된다. 이러한 최대 정지마찰력이 작동하는 짧은 순간을 반복적으로 발생시키는 것이 ABS의 작동원리라 할 수 있다. 최대정지마찰력이 작용하는 시점에서 초당 수 십번씩 브레이크를 작동시켜 마찰력을 극대화함으로써 제동거리를 줄여주는 것이다. 이를 좀 더 미세하게 이야기하면 타이어가 구르기 시작할 때 브레이크를 작동시켜 멈춰주고 곧 바로 브레이크를 해제해 타이어가 구르기 시작하는 즉, 초당 수 십번씩 가다 서다를 반복시키는 것이다.[8]
센서
센서는 자동차의 눈 역할을 하는 부품이다. 자동차의 주변 환경 인식은 크게 카메라와 레이더, 라이다 등을 포함한 3개의 센서에서 시작된다. 카메라 센서는 사람과 사물, 차량 등으로 분류하면서 주변 물체 식별에 사용된다. 다만 어두운 공간이나 악천후 상황에선 확실한 사물 식별이 어렵다. 카메라를 차선 인식 용도로만 이용했던 과거와는 달라졌다. 최근 들어서 테슬라와 현대모비스 등이 연석이나 자갈, 잔디를 인식하는 카메라 기술 개발에 성공해 양산 중이다. 평면에만 국한됐던 인식 기능이 돌출된 구조물 파악까지 가능해졌다. 원래 군사 목적으로 개발됐던 레이더의 경우엔 전자기파를 발사하고 반사돼 돌아오는 신호를 기반으로 주변 사물과의 거리, 속도, 방향 등의 정보를 추출하는 센서다. 또 날씨, 시간과 관계없이 제 성능을 발휘한다. 레이더는 주파수에 따라 단거리부터 중거리, 장거리를 모두 감지할 수 있다는 점에서 현재도 긴급자동제동장치, 스마트크루즈컨트롤 등 다양한 첨단운전자보조시스템 기술에 적용되고 있다. 레이더는 비싸고, 무겁고, 크기 때문에 아직 카메라 센서만큼 상용화되어 있지는 않다. 그러나 단계별 자율주행으로 가면서 레이더 센서는 필수적으로 들어가야 하므로 수요는 견고하고 기술 개발도 계속되고 있다. 주파수는 긴 파장의 저주파일수록 상대적으로 동일한 출력의 전파를 쏘아도 도달 거리가 길어지지만 정확도는 떨어진다. 이런 특성으로 장거리 레이더 센서는 저주파인 77㎓ 대역을 사용한다. 더욱 명확한 정보가 요구되는 단거리 레이더 센서의 대역폭은 79㎓ 대역을 이용한다. 장거리 레이더는 150~200m 이상까지 확인되지만, 화각이 40도 안팎이다. 단거리 레이더의 경우엔 100m 이내 거리를 감지하지만, 화각은 100도 이상이다. 라이다는 레이저를 물체와 주고받으면 3차원 지도를 만들어낸다. 905nm의 짧은 파장을 이용해 레이더보다 공간 분해 능력이 훨씬 정밀하다. 또 자체 광원으로 빛이 부족한 환경에서도 성능에 영향을 덜 받는다. 그 때문에 카메라 레이더가 감지하지 못하는 환경에서도 활용할 수 있다.[9][10]
전장사업
전장사업이란 자동차의 전장부품 관련 사업을 총칭하는 말이다. 전장부품이란 쉽게 말해 전기장치부품의 약어이다. 전장부품과 자동차 부품의 차이점은 자동차 부품은 기계와 전기장치가 모두 포함되는 용어이고, 전장부품은 전기계통의 부품만을 통칭한다. 따라서 전장사업이란 자동차의 전기부품 관련 사업을 의미하는 말이다. 전장사업은 구체적으로 차량용 반도체, 텔레매텍스, 차량용디스플레이, 배터리, 모터, 카메라 모듈 등이 있다.
전장사업 전망
전자장치라는 속성 때문에 삼성전자, LG전자 등 관련 기업에서 전장 산업에 많은 공을 들이고 있다. 기존에도 자동차에 전자 장치가 없었던 것은 아니지만 최근 전기차 등 친환경차로 넘어가는 추세에서 자동차 부품의 패러다임이 변화하고 있다고 업계는 보고 있다. 전자 업계는 거대한 시장이 변화하는 틈을 타서 주도권을 가지려는 전략을 펼치고 있는 것으로 보인다. 핵심은 엔진이 배터리로 변화하면서 차 내 공간이 많아지고, 자율주행 기술이 도입되면 운전자가 운전하지 않아도 된다는 것이다. 자동차 자체와 그 안에서 운전자의 행위가 변화하면서 앞으로 자동차 내 전자 장치는 지금과는 크게 다른 모습을 보일 것으로 보인다. 전자업계는 본인들의 강점인 가전, 디스플레이 등을 차량 내에 탑재할 수 있을 것으로 보고 있다. 자율주행차에 필요한 인공지능(AI), 카메라, 이미지 센서 등의 기술도 전장에 포함되는 만큼 시장은 무궁무진하다고 볼 수 있다. 국내에서는 전장산업을 통해 자동차를 '차량'을 넘어 '제2의 집', '제2의 사무실' 등 개인적인 공간으로 만들려는 움직임에 주력하고 있다. 특히 차량 내 엔터테인먼트를 뜻하는 인포테인먼트에 집중하고 있는데, 대표적으로 디스플레이와 오디오 장치를 강화해 동영상이나 영화 시청, 음악 감상, 게임 등 기능을 강화하는 데 주력하고 있다. 또한 원격 근무나 화상회의 등 업무를 비롯해 인터넷 쇼핑 등 다양한 일을 차량 내에서 처리할 수 있는 환경을 구축하고 있다. 차량 후미에 디스플레이를 탑재해 외부에서도 디스플레이를 활용하는 방안, 창문이나 자동차 천장 등에도 디스플레이를 적용하는 방안, 차량 내에 냉장고, 커피머신, 신발·의류 관리기 등을 탑재하는 방안 등 다양한 활용법이 구체적으로 논의되고 있다.[11]
각주
- ↑ 쿠킷리스트, 〈전기차로 핫한 자동차 전장 이란 무엇일까? 전장 사업 뜻 알아보기〉, 《티스토리》, 2020-09-12
- ↑ 슈어소프트테크, 〈(슈어소프트테크)자동차의 전장화〉, 《네이버 블로그》, 2017-09-05
- ↑ 〈(현대모비스 공학교실) 차량두뇌 'ECU'통합이 완전 자율주행차 만들 핵심열쇠〉, 《매일경제》, 2017-12-11
- ↑ 신동윤 기자, 〈장난감부터 전기자동차까지 구현하는 액추에이터의 꽃, 전기 모터〉, 《테크월드》, 2018-07-10
- ↑ 권정수 기자, 〈(IT 산업 20년 전) 떠오르는 신기술 ‘텔레매틱스’〉, 《아이티데일리》, 2021-08-31
- ↑ 정순인 책임연구원, 〈LG전자가 만드는 미래차의 핵심 #10 차량용 디스플레이 트렌드〉, 《LG전자 소셜 매거진》, 2021-03-18
- ↑ 이재민 기자, 〈(TECH웨이브) 전기차 배터리 시장 동향과 전망〉, 《테크월드뉴스》, 2021-11-01
- ↑ 오토헤럴드, 〈(아롱테크) 자동차 속 과학① ABS의 작동원리〉, 《오토헤럴드》, 2017-01-05
- ↑ CheonanCtz, 〈(공부용리포트) 자동차 전장부품 투자자를 위한 기초 개념 정리〉, 《티스토리》, 2021-04-17
- ↑ 류종은 기자, 〈자율주행차, 사람보다 안전한 운전 비밀은 ‘센서 3형제’에 있다〉, 《한국일보》, 2021-07-17
- ↑ 장문기 기자, 〈(아주 쉬운 뉴스 Q&A) 자동차 전장 산업, 삼성·LG 사활 건 이유는?〉, 《아주경제》, 2021-05-12
참고자료
- 〈(현대모비스 공학교실) 차량두뇌 'ECU'통합이 완전 자율주행차 만들 핵심열쇠〉, 《매일경제》, 2017-12-11
- 쿠킷리스트, 〈전기차로 핫한 자동차 전장 이란 무엇일까? 전장 사업 뜻 알아보기〉, 《티스토리》, 2020-09-12
- 슈어소프트테크, 〈(슈어소프트테크)자동차의 전장화〉, 《네이버 블로그》, 2017-09-05
- CheonanCtz, 〈(공부용리포트) 자동차 전장부품 투자자를 위한 기초 개념 정리〉, 《티스토리》, 2021-04-17
- 류종은 기자, 〈자율주행차, 사람보다 안전한 운전 비밀은 ‘센서 3형제’에 있다〉, 《한국일보》, 2021-07-17
- 신동윤 기자, 〈장난감부터 전기자동차까지 구현하는 액추에이터의 꽃, 전기 모터〉, 《테크월드》, 2018-07-10
- 장문기 기자, 〈(아주 쉬운 뉴스 Q&A) 자동차 전장 산업, 삼성·LG 사활 건 이유는?〉, 《아주경제》, 2021-05-12
같이 보기
