자동차 신기술 동향 한국자동차공학회 조규현 1.ABS/TCS 의 진보된 기술 CDC(Car Dynamics Control 인간의 힘을 최대한 이용한 브레이크 시스템은 점차 유압 또는 공기를 이용한 기계식 브레이크로 발전되어 왔다. 그러나 안전을 고려한 브레이크 기술은 전자식을 결합한 ABS 와 TCS 를 등장시켰다. 또한 최근에는 이보다 진보된 CDC 라는 기술을 선보이고 있다. 달리는 마차를 세우던 간단한 기구에서 시작된 브레이크 시스템은 오늘날 자동차에 쓰이는 복잡한 조의 유압식 또는 공기압력식 브레이크로 발달되어 왔다. 이러한 기계식 브레이크는 그동안 부분적으로 성능을 향상시켜 왔으나 크게 기계식의 범주를 넘어서지 못하였다. 그러나 21 세기로 들어가는 현 시 에서 기계식에 전자식을 가미한 새로운 형태의 시스템이 상용화되기 시작했다. 이것은 자동차의 안전 을 고려한 측면에서 더욱 가속화되고 있는 실정이다. 또한 이는 자동차 기술의 전자화시대 부합되는 이기도 하다. 결국 자동차는 무인운전을 목표로 발달될 것이며, 이를 만족시키기 위해서도 브레이크 스템도 지능형으로 점진적으로 발달되어가고 있다. 대부분의 사고 발생 유형을 분석해보면 운전자의 수와 자체 제어불능 등 크게 두가지로 나눌 수 있다. 여기서 운전자의 실수가 가장 큰 비중을 차지하 만 제어불능으로 사로를 내는 경우도 25% 정도나 된다. 그러므로 운전자의 실수를 방지하는 것이 큰 효과를 얻을 수 있지만, 근본적으로 무인운전 자동차 시스템으로 가려면 제동, 조향, 구동의 3 가지 시 템의 컨트롤이 한꺼번에 이루어져야 한다. 예를 들어 빙판길, 눈길, 빗길 등에서 갑자기 장애물을 보고 급제동 할때는 운전자의 주의나 기술로 피해나가기 어렵다. 이것을 해결하기 위해 기계식 브레이크에 전자식, 즉 ABS(Anti lock BrakeSystem)을 추가하게 되었다. ABS 는 사실 1930 년대 이전부터 철도 량에 적용되었으며, 1948 년 보잉 B-47 에 HYDRO AIR 사의 초기 ABS 가 장착되었다. 또한 ABS 를 적 한 새로운 기술로 TCS(Traction Control System)가 선보였는데, 이것은 미끄러운 노면에서 출발시 퀴의 슬립(미끄러짐)을 최소화하여 가속을 도와주는 장치이다. TCS 는 엔진의 출력을 제어하는 방식과 브레이크를 제어하는 2 가지 방식이 주로 사용되며 LSD 제어 방식도 있다. 그러나 차선변경시나 돌발 태시의 제어불능 상태를 해결하기 위해 ABS/TCS + YMC(Yaw Moment Control)이라는 새로운 기 로 커버하고 있는데, 이것을 CDC(Car Dynamics Control) 또는 EPS(Electronic Stability Program), ASMS(Automatic Management System)등으로 개발사마다 다르게 부르고 있다. 앞서 언급한 ABS, TCS 는 차 바퀴가 미끄러운 노면에서 제동하거나 출발할 때 바퀴의 미끄러짐을 소화해 차량의 자세를 안정시키며, 제동거리를 단축하고 차를 부드럽게 구동할 수 있게 하는 장치에 과하다.
그러나 CDC 는 바퀴의 미끄럼 방지 제어장치로, 운전자가 주행하고자 하는 방향과 자동차 자체의 실제 슬립양의 차이를 감지해 그 차이를 전자적으로 최소화시켜 모든 운전상황에서도 안전한 운행을 유지 켜주는 획기적인 시스템이다. 즉 ABS 와 TCS 기술을 발전시켜 휠 슬립(Wheel Slip)을 요우 모멘 (Yaw Moment)로 제어하는 시스템이다. 최신기술인 CDC 는 독일 보쉬사와 벤츠사가 92 년부터 공동개발해 95 년 10 월부터 S 클래스 톱모델 종에 처음 적용했다. 그러나 보편화되기 위해서는 앞으로 많은 코스트 다운이 이루어져야 할 것으로 인다. 2.차세대 지능형 브레이크 제어 시스템 갈릴레오(GALILEO) 지능형 브레이크 컨트롤 시스템인 갈리레오가 가장 먼저 쓰인 차는 GM 의 EV1 이다. 그것은 갈릴레 가 최고 효율의 배터리 재충전에 적합한 희생제동과 마찰제동을 적절히 혼합해줄 수 있기 때문이다. 기자동차 EV1 에는 전자-유압 브레이크(Hydraulic Front Disc Brake)를 전륜에, 완전 전기 드럼 브 이크(Electric Rear Drum Brake))를 후륜에 장착되었다. 또 EV1 의 경우 브레이크 작동시 구동모터를 돌리던 힘의 차단과 동시에 여유 출력을 충전지에 다시 보낼 수 있는 브레이크 시스템을 갖추고 있다. 이 시스템은 역학적인 브레이크 균형 배분으로 차량 하중 및 브레이크 패드 마모도와 관계없이 이상 인 브레이크 균형을 잡아줌으로써 제동거리 단축과 차량 안정성이 높아졌다. 그러나 갈릴레오는 전기 에만 적용되는 기술은 아니다. 지금까지 델파이 오토모티브 시스템즈사의 다른 시스템들이 그랬던 것 럼 거의 모든 유형의 차에 응용될 수 있으며, 모듈로 설계되어 있어 적용기술 수준을 정확하게 맞출 수 있다. 갈리레오는 단일 모듈시스템에서 파워 지원(power assist), ABS, 마찰 조정, 페달의 느낌 조정 등을 쉽게 세팅할 수 있기 때문이다. 갈릴레오는 가변성을 최소화하고 전후좌우 브레이크 균형을 유 하기 위한 폐쇄회로 조정, 인터벤션 섀시 시스템에서 휠 각각에 대한 개별적인 브레이크 조정, 트랜스 션 및 엔진 제어와 같은 차량 내의 다른 시스템과의 적절한 인터페이스 등 장래의 통합 섀시 시스템이 필요로하는 특징을 제공할 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 자동차 시장에서의 이같은 장점 인식으로 델파이 측에서는 갈릴레오의 전기신호에 의한 와이어 작동식 브레이크(brake-by-wire) 기술과 완전 유압식 자동 조정모드를 응용한 제품을 요구하게 될 것으로 상하고 있다. 이러한 유형의 시스템에서는 페달 압력 전달장치가 피스톤 모터를 작동시켜 브레이크 레이브 실린더에서 이에 비례하는 유압이 생성되는 방식을 쓰게 된다. 즉 갈릴레오와 기존 유압식 브 이크 기술을 혼용하는 셈인데, 만약 전력공급이 중단되는 일이 발생할 경우에는 마스터 실린더와 휠
레이크 사이에 있는 솔레노이드 밸브가 열리면서 유압 조절이 재개되는 구조(전자-유압식 결합구조) 다. 또 설계시부터 2 중 안전장치(failsafe)와 보완 시스템 등을 필수적인 요소로 반영했다. 후륜 브레 크에는 직류 모터, 기어 트레인, 볼 스크류/너트 메커니즘을 적용할 수 있다. 이 시스템의 조정용 소 트웨어를 사용하면 페달의 느낌, 압력 대 감속비율, 기타 브레이크 특성을 신속하고 정확하게 조정할 수 있으며, 생산비와 업그레이드 비용도 저렴하다는 것이다. 전기 혹은 전자-유압식 브레이크 시스템은 른 차량 시스템에 장착된 기존의 유압 브레이크 시스템 보다 다른 요소의 결합도 쉬워진다. 특히 갈 레오는 ABS 에 의한 제동 및 트랙션 컨트롤에 요구되는 기능성을 통합하고 있으며, 능동적 충돌방지 스템(Forewarn : 충돌경고 시스템으로 고성능 센서가 차량 전후 측면에 물체를 발견하고 시스템에 장된 충돌방지 프로세서가 그에 따른 위험이 있다고 판단할 경우 차량의 브레이크 시스템을 통해 경 신호를 보내는 장치)과 같은 장치의 추가에도 적합한 플랫폼을 제공한다. 또한 소형에다가 진공 부스터(booster)가 필요치 않기 때문에 기존의 유압식 시스템에 비해 패키징이 단순하고 무게도 줄이 수 있어 '소형 경량화' 효과도 크다. 델파이는 현재 이같은 갈리레오 기술을이용해 몇몇 유럽의 자동차 메이커와 공동으로 미래의 응용 제품을 개발중이라고 한다. 3.ASV(Advence Safty Vehicle)를 통한 사고예방 인간공학적인 시각을 바탕으로 고도의 전자공학 기술 및 센서기술을 응용해 운전자의 부담을 줄이며, 사고를 미연에 방지할 수 있는 시스템이 ASV(Advence Safty Vehicle)의 연구 개발을 중심으로 운영 고 있으며, 일부 시스템은 이미 실용되고 있다. 운전자의 위기상태를 감지하여 경고하는 시스템 관련 구는 졸음 운전 감지와 졸음운전방지 기능을 중심으로 추진하고 있다. 졸음상태 감지 방법은 수정조타 주기를 측정하기 위한 조타각 센서 및 주행로의 백색차선을 감지하는 CCD 카메라 등을 활용해 운전 의 생리상태를 감지하는 방법으로 크게 구분된다. 졸음운전방지기능은 HUD(Head Up Display)나 인서트 표시, 경고음을 전달하여 운전자에게 휴식을 하도록 하는 방법, 의자나 스티어링 휠에 진동을 주기도 하고, 눈이 번쩍 뜨이게 할 정도의 향기를 방 하여 운전자의 각성도를 높이는 방법 등에 대한 연구가 진행되고 있다. 차량의 위험상황 모니터 시스 으로는 타이어 공기압이나 화재발생 등의 이상을 감지해 계기판에 표시하거나 음성으로 경보하는 기 도 소개되었다. 국내의 경우 현대자동차도 개발에 성공했다는 타이어의 공기압 부족 감지시스템은 ABS 차속감지센서에 의해 스프링 공진형상의 변화를 감지하는 방법, 휠 속도센서에 의한 타이어의 회전반경 변화를 감지하는 방법 등이 있다. 야간이나 악천후시에도 운전시계를 확보하기 위한 연구개발은 헤드 프 배광 제어시스템, 발수유리, 성애방지(Anti Frost) 시스템 등이 있다. 또한 프론트 범퍼 좌우에 설 한 CCD 카메라에 의해 사각지대의 시인성을 높이기 위한 브라인드 코너 모니터 시스템, 적외선 카메 에 의한 야간 투시 시스템 등의 개발도 추진되고 있다. 자동경보등 시스템에는 후방 스테레오 카메라,
레이저 레이다 등에 의해 후방에서 접근하는 차를 감지해 추돌 위험성이 있는 경우에는 후속차와 자 의 운전자에게 접근을 경고하는 시스템도 있다. 보행자와의 충돌을 방지하는 시스템으로는 차량의 전방에 보행자를 스캔(Scan)식 레이저 레이다로 지해 HUD 표시나 소리로 운전자에게 경고하는 시스템, 보행자로부터 발산되는 적외선을 감지해 운전 에게 경보하는 장치, 교차로에서의 좌우회전시 초음파 센서로 보도를 횡단중인 보행자를 감지하는 시 템도 선보이고 있다. 다음으로 주행상황 및 도로상의 장애물에 접근하는 등의 위험상황을 각종 센서로 감지해 운전자에 정보를 전달하는 것과 아울러 위험이 예측될 때와 위험정도가 높아질 때 자동제동이나 자동조타에 의해 사고를 회피하는 시스템이 ASV 를 중심으로 다양하게 연구되고 있으며, 일부 시스템은 이미 실용화되고 있다. 예를 들어 밀리파(Mili 波 )레이다 또는 레이저레이다와 CCD 카메라 로 앞차와의 차간거리나 앞차와의 상대적인 속도를 측정해 적정거리 이내로 접근하며 음성 등으로 경고하고, 추돌 위험성이 증가하면 자동 브레이크를 작동시켜 추돌사고를 미연에 방지하는 차간 거리 경보시스템은 국 GM 이나 도요다 등에서 이미 선보인 바 있다. 한편, 각종 센서나 카메라로 자차의 후측방차량을 지해 운전자가 측방에서 나란히 달리는 차가 있는 쪽으로 차선을 변경시 경고하거나 스티어링 조타력을 바꾸는 등 후측방 경보시스템, 흰샌 차선을 감지하는 CCD 카메라와 조타각 센터, 턴 시그널 스위치 의 상태를 감지하는 센서로 자차가 차선을 이탈하는 것을 인식하면 운전자 에게 경고 또는 자동조타에 의해 차선중앙으로 복귀시키는 차선이탈 경보시스템 관련 연구개발도 이루어지고 있다. 또 도로상의 기( 磁 氣 )표지나 신호탑을 활용한 코너 진입시 감속시스템이나 교차로 자동정지 시스템이 대한 연구 이 미국과 유럽에서 활발히 추진되고 있다. 4.가변압축비 엔진 VCR(Variable Compression Ratio) 메커니즘 압축비는 엔진의 설계변수 중 성능에 큰 영향을 미치는 중요한 인자의 하나다. 이론적으로 엔진의 축비를 높이면 엔진의 열역학적 사이클, 즉 압력-부피 선도에서 최대연소압이 증가하게 된다. 따라서 단위회전당 출력이 증가하게 되어 엔진 효율이 높아진다. 그러나 압축비를 높여 최대연소압을 높이는 것은 일정 한계를 넘으면 엔진의 이상연소현상인 노킹을 야기하여 연소효율을 급격히 떨어뜨리는 경 이 있다. 일반적으로 중 저부하시에는 혼합기의 흡입량이 적으므로 연소행정시 최대 연소압이 낮아서 엔진압축비를 높여 효율을 극대화시키고, 고부하시는 혼합기의 흡입량이 많아서 최대연소압이 높으므로 노킹현상을 피하기 위해 중 저부하시보다 엔진 압축비를 낮게 설정할 필요가 있다. 이에 엔진 압축비 경의 필요성이 있는 것이다. 이론적으로 엔진 압축비를 9.5-15 사이에서 최적으로 유지할때 기존 엔진 다 연료효율이 15%정도 상승했다는 연구결과가 나타났다. 현재까지 제안된 VCR 메커니즘은 여러 가 가 있으나 이중 작동 가능성이 높은 메커니즘은 대표적인 예를 보면 다음과 같은 것들이다. 먼저 이 구조의 실린더를 가진 CFR(Coorativw Fuel Rearch)엔진, 수평대향식 엔진에 일반적인 크랭크 기구 및 편심축에 의해 지지된 로커암이 결합된 구조로 되어 이 편심축을 적절히 회전시킴으로써 압축비를 변
시키는 방식, 그리고 폴란드의 Warsaw 대학의 연구진에 의해 시험제작된 가변압축비 엔진으로 크랭크 핀과 커넥팅로드 대단부 사이에 편심베어링을 삽입하여 이 편심을 조절함으로써 압축비를 변경시키는 VR/LE(Variable R/L Engine) 등이 있다. 또한 닛산에서 개발해 실용화한 가변압축비 엔진은 피스톤을 이중구조로 만들어 피스톤 크라운 부위가 피스톤핀에 대하여 상대운동할 수 있도록 구성한 메커니즘 로, 피스톤 내부에 상부유압실과 하부유압실이 있어 이 사이를 스풀벨브가 연소실의 압력에 따라 적 히 개폐되도록 되어 있다. 이처럼 엔진의 효율을 높이기 위해 압축비를 연속적으로 변경하는 많은 방법들이 제시되었으나 대부 의 실험실 수준에서 제작 작동되었을 뿐 엔진이 작동하는 도중 압축비를 연속적으로 변경시킬수 있는 실용화된 엔진은 닛산의 가변압축비 엔진방식 외에는 없다. 그러나 이 방식 역시 능동적으로 압축비를 바꿀 수 없고, 연소압에 따라 반능동적으로 압축비가 변하므로 가변 압축비의 잇점을 최대한 살릴 수 없다는 단점을 가지고 있다. 그런데 포항공대 최성호 손영준(포항공대) 씨가 공동개발한 VCR 엔진은 위에서 소개한 VL/RE 의 메 니즘과 원리가 비슷하나 크랭크핀과 커넥팅로드 대단부 사이에 편심베어링을 삽입한 VL/RE 의 메커니 과는 달리, 크랭크축 메인저어널과 메인저어널 베어링 캡 사이에 편심 베어링을 삽입하여 이 편심베 링을 조정해 압축비를 변경시키는 방식이다. 간단한 계산을 통해 내 외측 베어링의 편심이 압축비에 미치는 영향을 살펴보면 다음과 같다. 우선 각 베어링의 편심이 1mm 라고 가정하고 스트로크가 80mm, 연소실 체적이 8mm 에 해당하는 엔진에 대 여 Baseline 엔진의 압축비를 계산해보면 약 '11:1=(80+8):8'이 된다. 이 엔진에 편심 베어링을 적용할 경우 최대압축비는 연소실 체적 이 2mm 의 스트로크에 해당하는 만큼 줄게되므로 약 14.3:1=(80+8-2):(8-2)이 된다. 최소압축비도 같은 방법으로 계산하면 약 9:1=(80+8+2):(8+2)이다. 따라서 이 엔진의 경우 최소 9:1-14.3 까지 최적의 압축비를 자유롭게 선정할 수 있게 된다. 이같은 구조를 갖게되면, 우선 기존의 크랭크축, 커넥텡로드, 피스톤 등의 엔진부품들을 근본적인 변경없이 간의 설계변경만으로 사용할 수 있고, 또 가변압축비 기능의 부가에 따른 엔진 회전부위의 질량증가가 없어 동력손실 및 소음, 진동 등의 문제를 야기시키지 않는 등 기존 가변압축비 장치의 단점이 거의 모두 개선된다. 신제안 VCR 메커니즘의 작동을 좀더 자세히 설명하기 위하여 중간영역과 최대 압축비, 최소압축비 역에서의 신제안 VCR 메커니즘 동작을 도시하였다. 중간영역에서는 내측 편심베어링의 편심과 외측 어링의 편심이 서로 반대방향을 향하여 그 영향이 상쇄되어 압축비는 Baseline 엔진과 같은 값을 갖 된다.
최대압축비 영역에서는 내,외측 베어링의 편심이 모두 아래를 향하 여 크랭크축을 아래로 내려주므로 연소실 체적이 증가하여 압축비가 감소하게 된다. 실제의 동작은 내외측 편심베어링이 별도로 움직이지 않고 동기기 어에 의하여 두 편심기어가 같은 크기, 반대방향의 위상을 가짐으로써 크랭크축이 상하 만 이동하게 된다. 5.통신, 내비게이션, 인터넷까지 가능한 달리는 사무실모빌 미디어와 네트워크 자동차 자동차와 지내는 시간이 점점 많아지고 있다. 바쁜 일정에 쫓기는 사람들의 걱정도 해소될 전망이다. 앞으로는 달리는 차 안에서도 사무실처럼 다양한 업무를 볼 수 있기 때문이다. 올초 SAE 에서 선보인 모빌 미디어와 네트워크 자동차가 그 좋은 예이다. 두 컨셉트카는 한마디로 개인 사무실 자동차라고 할 수 있다. 운전자들은 차안에서 데스크탑 PC 정보에 접근함은 물론 내비게이션 지원을 받을 수 있으며, 다양한 터테인먼트를 즐길 수 있게된다. 델파이, 마이크로소프트, 사브와 손잡고 개발중인 '모빌 미디어'는 차와 일체화된 데스크탑 컴퓨터 기술, 통신 및 오락 기술이 탑재되어 있다. 또한 위성 수신용 평면 안테나를 이용해 네트워크 시스템 위주로 개발된 자동차도 소개되고 있다. 델파이 오토모티브 시스템즈, 마이크로소프트, 사브 등 3 개사의 기술력을 통합해 만든 모빌 미디어는 브 9-5 를 개조한 것으로 통신, 엔터테인먼트 및 데스크탑 컴퓨터 기능 등 최첨단 이동식 사무실 기술을 갖추고 있다. 사브 9-5 가 시험용으로 선택된 것은 광범위한 고객 기반과 항공기술로부터 파생된 테크 로지 등이 채용되어 있고, 또한 사브의 고객 30% 정도가 온라인 정보망과 연결되어 있었기 때문이다. 델파이 델코 일렉트로닉스 시스템즈의 자회사인 메셀 AB 사(스웨덴 괴테부르그 소재)가 개발한 모빌 디어는 PC 의 능력을 자동차에 부여한 것이라고 하겠다. 마이크로소프트 윈도우즈 2.0 CE 로 구동되는 오토 PC 플랫폼을 사용하는데 대화형 음성인식 기술 및 음성지원, 언어합성, 내비게이션 등을 이용해 운전자가 필요로하는 정보제공 기능을 갖추고 있다. 하드웨어 플랫폼에는 AM/FM 수신기가 일체형으로 장착되어 있고, 시리얼 포트, PCMCIA 확장 슬롯, 고해상도(256 64) 디스플레이 등을 갖추고 있다. 빌 미디어에는 핸들에 부착된 컨트롤 장치와 대화형 음성인식 기술 등을 통해 운전자의 지시에 따름과 동시에 언어합성 기술을 이용해 운전자가 핸들에서 손을 떼거나 도로에서 시선을 돌리지 않고도 문서 정보를 주고 받을 수 있게 해준다. 또 음성인식 기술을 이용해 운전자는 전자우편을 보내기도 하고, GPS 를 통해 목적지까지 가는 길을 상세히 안내 받기도 하며, 도로 상태 및 기상에 관한 정보, 레스토 이나 호텔의 위치를 확인, 그리고 오디오 작동시 마음대로 음악 선곡까지 바꾸기도 한다. 이 컨셉트 에는 셀룰러 모뎀이 장착되어 있어 응급구조를 요청할 수 있고, 전자우편과 인터넷을 사용한다. 또한 외선 데이타 링크를 통해 윈도우즈 CE 로 구동되는 핸드 PC, 팜톱 PC 등 기타 포터블데이터 처리수 과 연결, 차량의 데이터를 외부와 주고 받을 수도 있다. 오토 PC 플랫폼은 확장 및 업그레이드가 가 한 시스템으로 차와 일체형으로 조립되어 있지만, 각 시장의 요구에 따라 어플리케이션의 모습은 쉽게 수정할 수 있으며(표준 윈 32 API 를 통해 제 3 자인 업체들도 어플리케이션 개발 가능), 어플리케이션을 구동하는 프로그램은 CD-ROM 에 수록할 수 있다. 무선 모뎀, 이동전화 및 내비게이션 시스템 같은
들은 모두 이 플랫폼에 통합될 수 있다. 이 차에는 또 모빌 미디어 링크(MML)라는 것이 장착되어 있다. MML 은 초고속 광케이블 시리얼 링크를 통해 차량에 광대역 접속성을 제공한다. MML 은 헤드업 디 플레이, TV 안테나 및 튜너, DVD 플레이어, CD 플레이어, 디지털 스테레오 오디오, 디지털 스피커 프 등의 입 출력을 제어할 수 있다. 데이타는 광섬유 이용하는데 광케이블은 전자기 간섭의 방해를 받지 않고, 또한 어떤 전파도 내보내지 않으므로 MML 을 통해 항상 깨끗한 음질과 화질이 보장된다. MML 광섬유 버스는 1 초당 110 메가비 의 신호를 송신할 수 있고, 50 채널의 오디오, 20 채널의 TV 수준 압축 화면을 지원한다. 한편 네트 크 자동차는 IBM, 썬 마이크로 시스템즈, 넷스케이프 커뮤니케이션스, 델파이 오토모티브 시스템즈가 상호 협력해 만든 자동차다. 이 4 개 회사들은 무선통신, GPS 위성기술, 헤드업 디스플레이, 음성인식, 자바 기술, 마이크로 프로세서, 월드 와이드웹, 기타 인터넷과 인트라넷 기술 같은 기존의 하드웨어와 소프트 웨어 기술을 통합시킨 것으로, 이 기술은 어떤 모델에도 적용이 가능하다고 한다. 네트워크 자동차는 자동차의 지붕에 완전일체형으로 수납되는 평판 안테나를 통해 휴즈사의 DirecTV 와 DirecPC 위성이 방송하는 전파를 직접 수신한다. 이 네트워크를 이용해 탑승자는 도로 및 여행정보 등 다양한 정보를 얻을 수 있다. 또한 기존 시스템을 활용하면 도난방지와 구조요청, GPS 를 이용한 차량 위치 정보도 가능하다. 또한 헤드업 디스플레이를 이용해 운전자는 도로에서 눈을 떼지 않고도 운행 보를 얻을 수 있고, 옆좌석이나 뒷좌석 승객들은 다른 터미널을 이용해 인터넷 접속이나 고화질 TV 청, 혹은 컴퓨터 게임을 즐길 수 있다. 네트워크 자동차의 키 포인트는 안테나 기술과 기존 시스템간의 연결이라고 할 수 있다. 여기에 인터넷에 기반을 둔 서비스가 많은 시점이라는 것도 무한한 가능성을 보인다. 모빌 미디어와 네트워크 자동차는 차 안에서 많은 시간을 보내는 사람들에게 드라이빙의 즐 움과 다양한 정보의 전달이라는 기능을 동시에 만족시키기 위한컨셉트카라고 하겠다. 6.미래형 통합 섀시 제어 시스템트랙사(TRAXXAR) 델파이 오토모티브 시스템즈사의 트랙사는 ABS, TCS, 댐핑 컨트롤서스펜션, 엔진 제어, 그리고 요 레이트 센서 등을 통합해 핸들링과 주행안정성을 향상시킨 시스템이다. 자동차의 컨트롤에서 가장 기 이 되는 것은구동력이다. 달리고, 돌고, 서는 것을 잘 조절하면 적당한 구동력을 유지하면서 차를 안 하게 조종할수 있다. 그러나 이 가운데 어느 하나라도 제대로 작동하지 안으면 문제가 발생한다. 따라서 자동차 메이커들은 성능의 보완과 함께 이같은 기능들의 완벽한 조화를 위해 노력하고 있다. 델파이 토모티브 시스템즈사가 델코전자와 협력해 만든 트랙사(TRAXXA) 시스템은 스티어링, 브레이크, 서스 션, 엔진 등의 주요 섀시 제어시스템을 모두 통합해 최적으로 차의 균형을 잡아 차의 조정성과 안전성 향상을 목적으로 만든 것이다. 트랙사는 ABS, TCS, 댐핑 컨트롤 서스펜션, 스티어링 시스템, 엔진 제어 등 이미 적용된 기술을 모두 활용한다는 점에 특징이 있다. 따라서 이 시스템의 사용을 위해 재설계나 기존 부품을 재정비하는 것을 필요로하지 않는다. 트랙사는 스티어링 시스템의 센서로부터 받은 조향각, 바퀴의 속도 감지 센서, 횡적
가속계인 요 레이트(Yaw Rate) 센서, 서스펜션의 댐핑 센서 등으로 받은 신호는 모듈화된 이중통신 로를 통해 동력전달 모듈과 ABS, TCS, 서스펜션 및 엔진 컨트롤 등의 활용 가능한 모든 시스템을 용해 차의 자세와 스피드를 제어하는 것이라고 하겠다. 즉 지능적으로 통합된 기존 시스템들이 모든 스템의 변수를 추적하여 필요할 경우 각 장치들과 연계해 실시간으로 조치를 취한다. 그 결과 이제까지 생각하지 못했던 컨트롤과 안정성, 예측가능성을 확보하게 되었다. 특히 이 시스템에는 요 레이트 센 가 추가되는데, 이는 차의 회전시나 미끄러짐시 발생하는 횡가속을 측정해 통합시스템에 신호를 보내는 역할을 한다. 요 레이트와 운전자의 조향각도를 비교해 엔진 출력을 조절하고 선택적으로 각 바퀴의 브레이크를 개별 작동시켜 센서에서 측정된 실제 요레이트와 이상적인 요레이트를 일치하도록 만들어 차의 자세를 잡아아가는 중요한 역할을 한다. 요 레이트 센서는 BMW 에 ASC+T 에도 사용되고 있다. 실제로 제나잇(물을 뿌리면 빙판과 같은 미끄 운 노면이 되는 특수한 돌로 만든 노면)에서 실시한 이중 차선변경 시험, 굴곡이 심한 노면에서의 브 이킹 등을 통해 트랙사의 우수성을 잘 알 수 있었다. 또한 급선회시 미끄러짐이 발생할 경우 가속페 을 밟고 있어도 자동으로 엔진 제어와 ABS 가 작동되고, 조향각에 따른 차의 자세까지 제어한다. 눈길 나 빙판길 같이 마찰계수가 낮은 노면에서는 물론 자갈길이나 비포장길 등의 거친 노면에서의 조종안 성과 제동성이 크게 개선되었다. 급제동이나 급선회 등의 각종 운전상황하에서 차의 핸들링도 크게 상되는 결과를 가져왔다. 이처럼 트랙사는 어떤 노면, 어떤 기후에서도 작동하기 때문에 운전자에게 심감과 안락함을 줄 수 있다. 여기에 GM 의 전기차 EV1 에 적용된 전기를 이용한 외어어 형식의 브레 크 갈릴레오 시스템을 추가해 제동성능도 더욱 개선할 수 있게 되었다고 한다. 참고로 이 트랙사 시 템을 설계, 테스트에는 GM 에 근무하는 한국인 엔지니어들이 중추적인 역할을 했다고 한다. 현재 트 사 시스템은 96 년 이후 판매된 캐딜락의 드빌과 세빌의 모든 차종에 '스테빌리티트랙'이란 이름으로 장착되고 있다. 7.전기-자력 스티어링 시스템 Magnasteer TM 캐딜락, 올즈모빌, 시보레, 폰티액 등 GM 계열의 모든 메이커들은 델파이 오토모티브 시스템즈사의 기노 스티어링 시스템인 Magnasteer TM 시스템을 사용하고 있다. 다양한 기능을 발휘하는 첨단 전기 자력을 이용한 스티어링 시스템인 Magnasteer TM 시스템은 광범위한 자동차 조종 솔루션을 제공한다. 델파이의 새기노 스티어링에서는 그동안 공급되고 있는 스티어링 시스템보다 더욱 다양한 자동차 조종 솔루션을 제공하는 새로운 스티어링 시스템의 개발에 착수, Magnasteer TM 시스템을 선보였다. 전기- 자력 보조 스티어링 시스템인 Magnasteer TM 의 조종 및 성능 솔루션은 다음과 같다. 정확한 스티어링 작동 및 파워 보조 성능을 가능케하는 조정성( 調 整 性 ), 주차나 고속주행에 관계없이 자동차의 모든 작동 기능을 원활히 수행하고, 보다 편안하고 안전한 운전을 가능케하는 향상된 고속주행 감각과 안정성 이다. 또한 재래식 스티어링 시스템 및 장비외에도 적용할 수 있고, 간단한 업그레이드로 새로운 성능과 기술 적용 가능한 것이 특징이다. 독특한 수리학, 전자공학, 그리고 자기학 기술을 결합하여 개발된
Magnasteer TM 스티어링 시스템은 오늘날 고도의 성능이 요구되는 자동차에 속도, 민감성과 각종 동성능을 완수할 수 있는 파워 스티어링을 제공하도록 설계되었다. 이 스티어링 시스템은 기존의 회 식 밸브 랙과 피니언 스티어링 기어로 구성된다. 그리고 피니언에 통합된 스풀 밸브는 토션바를 거쳐 입력 샤프트에 적용된 토크 정도를 감지한다. 그리고 이 시스템의 가장자리에는 전기-자력 장비가 있 데, 이 장비는 스티어링 휠의 입력 샤프트와 병행 작용해 회전밸브 개폐에 필요한 스티어링 작동을 꾼다. 그리고 이 회전밸브는 필요할 때 유압을 제공한다. 전기-자력 장비는 전기제어로 가동되는데, 이 전기 제어기는 자동차 속도를 감지하여 각 속도에 가장 적합한 전류(양극 전류, 음극전류, 또는 중성 류)를 생성한다. 그리고 자력 장비 안에 있는 코일이 생성된 전류를 스티어링 작용으로 전환한다. 예를 들어 토션 비율(Torsional rate)이 밸브에서 낮아지므로 해서 주차시 스티어링 작용이 감소되는데, 자 차의 속도가 증가함에 따라 토션 비율도 증가하여하여 보다 향상된 고속주행 느낌과 안정성을 제공한다. 자력 장비에 적용된 전류의 양과 전극이 변동함에 따라 스티어링의 작용 정도를 올리거나 내릴 수 있다. 이 결과, 원활하고 광범위한 스티어링 작용이 실현된다. Magnasteer TM 시스템의 각종 스티어링 작동 성능은 자동차 산업계에서도 독특한 아이디어인 비 접촉식 기계화를 이용함으로써 가능한 것이다. 이 시스템에서는 유체 구속(Fluid restriction)이 사용되지 않는다. 유체 구속이 사용될 경우에는 운전자가 자주 느낄 수 있는 펌프 걸림(Pump catch)이 없고, 오히려 한 작동 단계에서 다른 작동 단계에 들어갈 때 원활한 파워 스티어링이 가능하다. 운전자는 주차시의 용이함은 물론 고속주행에서도 보다 자동차 제어를 느낄 것이다. 엔지니어 입장에서 볼 때, 이 시스템은 자동차의 방향 조정에 있어 특히 사용자 게 편리한 시스템이다. 휴대형 컴퓨터 인터페이스를 이용해 엔지니어는 자신이 원하는 스티어링 성능을 정확히 맞출 수 있다. 엔지니어들은 시간이 많이 걸리는 기계적인 교환 대신 소프트웨어를 사용해서 잛은 시간 안에 스티어링 시스템의 '성격'을 바꿀 수 있는 것이다. 이외에도 다른 입력 파라미터가 시스템의 전기 제어기에 추가 장착될 수 있기 때문에 더욱 정요한 스티어링 시스템 성능이 완성 될 수 있다. 기타 각종 스티어링 동성능을 지닌 시스템에는 많은 내부 이동 부품이 있다. 비 대칭적인 기계성 하중은 과다한 마찰과 기의 이력현상(또는 지체 현상)을 초래할 수 있다. Magnasteer TM 시스템은 매우 정교하면서도 이동 부품이 거의 없고, 자력으로 토션 비율을 조절한다. 이러한 시스템 접근 방법은 대칭적인 하중을 가능 하며 마찰율을 최소화한다. Magnasteer TM 은 올즈모빌 오로라에 최초로 장착되었다. 이후 뷰익, 캐 락, 폰티액 등에서 모두 이 스티어링 시스템을 이용하고 있다. 또한 이 시스템은 99 년에 선보일 대우의 아카디아 후속 모델에도 적요될 것으로 보인다. 8.레이더 이용한 정속 주행장치 ACC 헤드업 디스플레이 방식 이용한 NVS 크루즈 컨트롤 시스템에서 한단계 진보된 ACC(Adaptive Cruse Control :최적 정속주행 시스템)이다. 레이더를 이용한 이 시스템은 ACC 장착차량이 기존에 설정된 최근접 차와 일정거리를 유지하도록 브 이크를 작동시켜 자동으로 속도를 조절한다.
레이더가 전방 도로에 잠재적 위험성이 있는 물체를 발견하고 자동브레이크의 속도제한이 이 물체를 피하기에 적절하지 않을 때에는 운전자에게 시각 및 청각상으로 경고신호를 보낸다. ACC 와 함께 쓰 는 것이 Forewarn 이라 불리는 충돌경고 시스템이다. 운전중 어떠한 물체에 적절한 반응을 보이지 않을 때에는 "브레이크, 브레이크"라는 소리를 반복적으로 내고 붉은색의 정지사인이 차량의 전면 유리에 타나는 동시에 브레이크에 진동을 줌으로써 운전자가 경고신호를 느끼게 하는 것이다. 이 시스템들은 모든 기후조건하에서 작동이 가능하며 커브 주행에서도 동일한 성능을 낸다. 또한 앞서 언급한 것처럼 이같은 경고 시스템에 적용되는 기술이 헤드업 디스플레이다. 최근의 기술은 단순하게 차의 속도를 타내는 수준을 아니다. 차의 상태나 오디오, 통신, 항법장치 등에 관련된 광범위한 정보를 운전자의 면유리상의 시선 바로 아래지점에 투영하는 시스템이다. 디스플레이는 운전자의 기호에 맞게 구성내 의 변경이 가능하며, 자동 명암조절 기능으로 모든 주행조건하에서 정보 접근을 용하게 해준다. 델코 자(DELCO Electronics)에서 개발한 이 시스템들은 운전자의 시선을 전방의 도로를 계속 주시하면서 양한 주행정보를 얻을 수 있는 것이다. 한편 야간 운전시 안전성을 확보하기 위한 기술들도 경쟁적으로 선보이고 있다. 최근 세계적으로 많은 관심을 불러일으키고 있는 것이 스코틀랜드의 필킹톤 옵트로닉스(Pilkington Optronics)사, 그리고 델 전자에서 각각 선보인 NVS(Night Vision System : 야간 투시 시스템)이다. 두 시스템은 적외선 CC 카메라를 통해 얻어진 이미지를 특수처리된 앞유리(semi-reflecting : 반반사 유리)에 헤드업 디스플 이 방식으로 투사해 운전자가 야간에도 전방 상황을 정확히 보는 효과를 얻을 수 있다. 특히 NVS 는 전자에게 전조등이 미치치 못하는 부분까지 볼 수 있기 때문에 전조등에 비추어지지 않은 차량 전방의 보행자 또는 동물 등의 발견은 물론 조명시설이 되어 있지 않은 주차장 등에서도 유용하게 사용할 수 있다. 사실 이 시스템은 자동차에 이용시 기술적으로 매우 어려운 부분이 많은 것이었다. 현재 이같은 야간 투시 시스템은 해외는 물론 국내의 현대자동차에서도 관심을 갖고 있다고 한다. 필킹톤 옵트로 스사의 NVS 는 우선 재규어에 쓰일 계획이며, 이어 재규어의 모회사인 포드에도 적용될 것으로 보인다. 또한 델코전자의 제품은 GM 의 최고급 차종에 탑재될 것으로 예상된다. 9.회전 저항 줄이고, 소음은 적게차세대 타이어의 개발 동향 타이어는 자동차산업의 발전과 함께 발전해오고 있다. 최근 타이어의 개발 동향은 신소재와 수퍼 컴 터 등을 통해 낮은 회전저항, 저소음 뿐만 아니라 내구성, 승차감, 조정안정성 등을 동시에 개선시키는 노력이 진행되고 있다. 공기 주입식 타이어가 최초로 실용화된 것은 1888 년 영국 던롭사에 의해 개발 었다. 그러나 당시의 타이어는 수명이 매우 짧았고, 1915 년 압연 기술의 개발로 카카스 코드에 고무를 입힌 카카스 프라이를 사용한 뒤부터는 내구성이 크게 향상되었고, 이후 오늘날까지 사용되는 바이어스
타이어로 발전하게 된다. 레디얼 타이어는 1913 년 영국에서 특허 출원 되었으나 당시는 실용화되지 했고, 1947 년 프랑스 미쉐린사가 스틸 벨트를 사용한 레디얼 타이어를 선보이게 되었다. 현재 90% 상이 레디얼화 되어있는데, 이는 레디얼 타이어가 승차감을 제외한 내구성, 내마모성, 내발열성, 조종성, 회전저항 등이 바이어스 타이어에 비해 월등히 우수하기 때문이다. 최근에는 지속적인 개발에 힘입어 안전성, 내마모성, 승차감, 조종안정성을 보장하면서 최소한 10 만 km 를 주행할 수 있는 레디얼 승용차 타이어의 개발이 가능하게 되었다. 자동차의 진화와 함께 타이어에도 많은 변화가 요구되고 있다. 1990 년대까지는 안전성이 가장 우선 이었으나 오늘날은 경제성과 환경에 대한 요구가 이슈로 떠오르고 있다. 따라서 타이어의 개발 방향은 낮은 회전저항, 저중량, 저소음 뿐만 아니라 내구성, 승차감, 젖은 노면에서의 트랙션, 드라이한 노면 서의 트랙션, 스노우 퍼포먼스, 조정안정성을 동시에 개선시키는 것이요구된다. 연료를 절약하는 방법의 하나가 차의 무게를 줄이는 것이다. 승용차용 타이어의 중량은 차의 총 중량에서 약 4%를 차지한다. 소재와 컴퓨터를 이용한 구조 설계기술은 2020 년까지 약 30%까지 타이어 중량감소를 예상하고 있다. 예를 들면 스틸로 구성된 벨트와 비드는 아라미드로 대체되고, 컴퓨터를 이용한 최적의 구조설계로 능하다. 차의 연비를 향상시키는 또다른 방법은 타이어의 회전저항을 감소시키는 것이다. 대략 타이어 서 30%의 회전저항 감소는 연비 4%의 향상을 가져오는데, 이에 대해 세계적으로 법적 규제가 강화 고 있는 추세이다. 회전저항은 연료소비량에 비례하므로 경제성과도 관련되어, 타이어 재료의 연구와 불어 경량화를 위한 연구가 계속되고 있다. 일반적으로 타이어의 회전저항 감소와 젖은 노면에서의 인력은 상충되는 특성을 갖기 때문에 기술적인 난제가 되었다. 그런데 최근 실리카를 사용한 트레드 무 기술이 이같은 문제를 해결하고 30%의 회전저항을 감소시키는 것이 가능해졌다. 타이어의 소음은 차의 주행시 발생하는 전체 소음에 절반이나 차지하고 있다. 이같은 타이어의 소음은 주로 타어어 접지부의 진동이나 트레드 패턴의 홈에서 일어나는 공기 역학적인 현상에서 발생한다. 동차의 주행시 타이어 트레드 블록은 노면과 제한된 접지길이를 갖는데, 트레드 블록이 접지하기 전 는 어느정도의 수직방향 속도 성분을 가지나 노면과 접지하는 순간 수직방향의 속도성분은 0 이 되면서 감속되고, 다시 노면과 떨어질 때 가속되는 운동을 반복하면서 진동을 유발한다. 접지부에서 공기 역학적인 측면을 보면 트레드 블록은 노면과 접지할 때 압축되면서 블록의 홈에서 기가 빠져나오게 되는데 이러한 현상은 모노 폴(Mono pole) 형태의 소음원이 된다. 반대로 트레드 록이 노면에서 떨어질 대 다시 이완되면서 블록의 홈으로 공기가 급격히 유입되며, 이때 쇽 웨이 (Shock wave)에 의한 소음이 발생한다. 한편, 승용차 타이어의 경우 40-70 개의 피치가 원주상 반복 으로 배열되어 특정 주파수에서 음색의 소음이 발생된다. 이렇게 소음 에너지가 특정 주파수에 집중 는 것을 막기 위해 컴퓨터를 이용해 길이가 다른 피치를 사용하여 배열하는 방법 등을 쓴다. 차세대 이어의 개발은 수퍼 컴퓨터를 이용한 회전저항의 해석과 트래드 패턴의 설계로 저저항, 저소음을 추 하고 있다. 또한 환경친화적인 면에서는 타이어 제조 과정에서 사용되는 유해물질을 없애는 새로운 로세스의 개발 및 폐타이어를 활용처리하는 연구가 이루어지고 있다.
10.화재 감시와 자동소화 시스템에 대한 연구 자동차의 화재발생 원인은 크게 엔진과열, 전기장치 불량, 정비 및 세차 불량, 차내 담배불 관리 소홀, 그리고 교통사고에 의한 연료 누출과 엔진 과열 등으로 나눌 수 있다. 자동차 화재의 특징 중 하나는 사고의 원인을 정확히 밝혀내기 어려운 경우가 많고 각종 계기 장치류의 자동화, 전자화로 인해 복잡 진 전기배선이 자동차 화재의 주원인이 되고 있다. UV-Flame Detector 이용한 자동소화시스템은 소 의 약제로 조기진화 가능한 것이 특징 외국의 경우 자동차의 화재 감시 및 자동소화시스템에 관한 연 가 활발히 추진되어 왔다. 미 육군에서는 장갑차의 화재 진압 목적으로 자동 소화시스템을 개발해 실 화했고, 독일의 벤츠사에서도 자체적으로 자동 소화시스템을 개발해 옵션으로 장착시키고 있다.그리고 영국의 Lawson Eclipse 사에서는 청정 소화약제인 CEA-614 를 적용한 화재감지기로 Infra-Red Decto 를 사용한 Eclipse Fire Suppression System 을 개발해 시판하고 있다. 국내에도 자동차 메이커를 비롯한 다양한 연구진들이 을 모아 'G-7 차세대 자동차 개발'사업이 진행되고 있는데, 안전도 분야의일환으로 호서대학교 산업 전기술연구센터 에서는 자동차의 엔진룸에서 발생하는 화재를 효율적으로 감지하고 운전자에게 경보와 동시에 화재 발생 초기에 화재를 진압하기 위한 '차량 위험상태 감시시스템(Risk State Monitoring System for Automobiles)'을 개발했다고 한다. 이 시스템은 1m 이내의 엔진룸에서 발생하는 화재를 감지해 0.2 초 이내에 작동되며, 이와 동시에 경보와 소화약재를 분사해 조기에 화재를 진압하는 역할을 한다. 자동차의 엔진룸에 장착하기 위한 화재 감지기는 화재 유무를 빠른 시간에 감지는 물론 소화시스템을 작동시켜야 한다. 또 엔진룸 공간이 협소하기 때문에 간단하고 소형화되어야 한다. 화재 감지기는 Flame Detector(불꽃, 화염 감지기), Smoke Detector(연기 감지기), Heat Detector(열 감지기) 등이 있다. 그러나 Smoke Detector 는 엔진룸 안에 먼지나 이물질 때문에 적합하지 않고 감지 시간도 늦은 편이다. Heat Detector 는 주행 및 정차시 또는 계절에 따라 엔진룸 내부의 온도변화가 심하고, 엔진 자체의 온도가 높고 응답속도가 느리기 때문에 엔진룸 장착은 부적당하다. 따라서 화재감지 속도가 빠르고 신뢰성 면에서 적절한 Flame Detector 를 개발하게 되었고, 센서의 종류에 따른 응답시간(Respons Time)과 감지범위(Detecting Angle & Distance), 소화시간(Extinguishing Time)을 측정한 결과 가장 우수한 UV(Ultraviolet : 자외선)센서를 사용하여 개발한 UV-Flame Detector 가 사용되었다. 이 감지 는 자외선 화재 감시장치로 화염에서 방사되는 미약한 자외선을 감지하는 연소감지장치에 이용되는 으로, 밝은 장소나 어두운 장소에서도 5m 이상 떨어진 라이터나 성냥불에서 나오는 아주 미세한 자외 을 감지하고 경보를 내는 성능을 갖고 있다. 특히 UV Detector 는 화염에서 발생하는 185-260nm 의 외선 영역 파장을 감지하며, 작동원리는 자외선을 투과하는 용기(석영 또는 자외선 투과유리) 속에 기 를 봉입하고 설치된 2 개의 전극에서 음극에 자외선이 투과되면 음극 표면에 광전효과에 의해 광전자가 방출되어 봉입된 기체와 충돌에 의한 방전으로 UV Detector 가 작동한다. 성능은 기존의 다른 화재 지기보다 감지 및 응답 속도, 그리고 신뢰성이 뛰어나다고 한다. 전원은 자동차 배터리를 이용해 경보 와 노즐 개방장치인 솔레노이드 밸브를 구동시키고, 사용되는 소화약제는 HCFC-227ea 와 수용성 포말
약품인 AFFF(Aqeous Film Forming Foam) agents 로서 적은양으로도 화재발생을 막을 수 있다는 이 특징이다. 가솔린과 LPG 를 연료로 하는 2.0 리터 승용차의 엔진룸에 내장한 소화성능 테스터를 제작해 실험했고, 화재를 감지해 경보 및 시스템의 작동개시까지 응답시간과 시스템 작동부터 화재 진압까지 1/100 초 위까지 측정한 결과 1m 이내의 화염을 0.2 초 내에 감지하여 소화시스템이 작동했고, 화염의 크기가 수록 방사 에너지의 양이많아져 더 빨리 감지했다고 한다. 약제 방출시간은 1 분 30 초 정도지만 방출 기에 대부분의 약제가 분사되기 때문에 엔진룸을 순식간에 덮어 산소를 차단함과 동시에 냉각 효과 및 화학적 억제효과를 갖고 있어 주행중이나 정차시 발생하는 화재에 적합하며, 바람의 영향을 적게 받기 때문에 자동차에 적합한 자동 진화시스템으로 보인다.