전문가칼럼

들리지 않는 기술: 전기차의 ‘조용한’ 전쟁

센터플러스 — Wed, 25 Mar 2026 10:47:34 +0900

윤태영 교수 (국립창원대학교 기계공학부)

“전기차는 엔진이 없으니 훨씬 조용한 차 아닐까?”

전기차가 대중화되면서 많은 이들이 당연하게 던지는 질문입니다. 실제로 내연기관의 핵심 소음원이었던 엔진 폭발음과 배기음이 사라지면서, 차량 내부의 전체적인 소음 수치가 낮아진 것은 분명한 사실인데요.

하지만 역설적이게도 전기차가 조용해질수록 운전자의 귀에는 이전에는 미처 몰랐던 새로운 소음들이 선명하게 파고들기 시작했습니다. 가속 페달을 밟을 때 들리는 특유의 ‘윙’ 하는 고주파 음이나, 일정 속도에서 신경을 자극하는 얇은 톤의 기계음이 대표적이죠.

이러한 소음은 주로 전기모터와 감속기(Reduction Gear)에서 발생합니다. 내연기관 차량에서는 거대한 엔진 소리에 묻혀 들리지 않던 미세한 진동과 마찰음들이, 전기차 내부에서는 차량의 감성 품질을 좌우하는 결정적인 요소가 된 것입니다.

여기서 우리는 흥미로운 질문 하나를 마주하게 됩니다.

“과연 윤활유를 바꾸는 것만으로도 기어 소음을 잡을 수 있을까?”

“전기차 특유의 날카로운 고주파 소음에도 윤활유가 영향을 미칠 수 있을까?”

이 질문에 대한 해답을 찾기 위해서는 먼저, 전기차 구동계에서 소음이 어떻게 발생하는지 구조적으로 이해할 필요가 있습니다.

엔진보다 예민한 전기차 기어, ‘기어 메쉬’ 현상이 정숙성을 결정한다?

전기차의 심장부라 할 수 있는 구동계는 전기모터, 감속기, 베어링 등 정밀한 기계 요소들로 정교하게 구성됩니다. 특히 전기모터는 내연기관보다 훨씬 높은 회전수로 작동하기 때문에, 이 회전을 바퀴에 적합한 속도로 낮추면서 동시에 토크를 증폭해 전달하는 ‘감속기’의 역할이 매우 중요합니다.

그리고 이러한 동력 전달 과정에서는 감속기 내부의 기어들이 서로 맞물려 힘을 주고받는 기어 메쉬(Gear Mesh) 현상이 쉴 새 없이 반복됩니다. 톱니가 접촉하며 회전하는 이 물리적 상호작용은 필연적으로 주기적인 힘을 발생시키며, 이 에너지가 차체 구조물로 전달되면서 특정 주파수 대역의 소음으로 변모합니다.

그리고 이때 들리는 날카롭고 얇은 톤의 고주파 음을 바로 기어 와인(Gear Whine)이라고 부르는데요. 기어 접촉면에서 발생한 미세한 진동이 차량의 구조를 타고 증폭되며 운전자의 귀에 도달하는 것입니다.

특히 전기차는 모터의 회전수가 매우 높을 뿐만 아니라 가속과 감속 반응이 즉각적이기 때문에, 기어가 견뎌야 하는 하중의 변화 역시 매우 빠르고 급격하게 반복됩니다. 이러한 극한의 구동 조건에서는 아주 미세한 진동조차 쉽게 부각될 수밖에 없죠.

즉, 과거 내연기관 차량에서는 거대한 엔진 소음에 가려져 들리지 않던 미세한 기계음들이, 적막한 전기차 내부에서는 차량의 전체적인 정숙성을 좌우하는 결정적인 요소로 드러나게 된 셈입니다.

결국 전기차의 정숙성은 단순히 ‘모터가 조용하다’는 차원의 문제가 아닙니다. 기어와 베어링을 포함한 구동계 전반의 진동 특성을 얼마나 정밀하게 제어하느냐가 완성도를 좌우합니다. 제조사의 구조적 설계와 진동 관리 기술이 만들어내는 결과라고 볼 수 있지요.

오일만 바꿔도 조용해질까? 기어 소음을 잡아주는 윤활유의 비밀

기어가 맞물리는 순간, 금속 표면에는 높은 접촉 압력이 형성됩니다. 이때 금속이 직접 맞닿는 상태가 반복되면 미세한 충격이 지속적으로 발생하며, 이 에너지가 진동으로 전환되어 소음의 출발점이 되는 것입니다.

윤활유는 이 접촉면 사이에 유막(Oil Film)을 형성해 금속 간의 직접 접촉을 제어하는 역할을 합니다. 유막이 안정적으로 유지되면 기어가 맞물릴 때의 충격이 완화되고, 하중 전달이 보다 연속적이고 부드럽게 이루어집니다. 결과적으로 기어 접촉부에서 발생하는 진동의 진폭 자체가 낮아지는 효과를 얻게 됩니다.

또한 윤활유는 일정한 점도를 지닌 유체이기 때문에, 접촉면에서 발생한 미세 진동이 구조물로 전파되는 과정에서 진동 에너지를 흡수하고 완화하는 특성을 보입니다. 진동이 차체로 직접 전달되지 않고 유체 내부에서 일부 억제되면서, 최종적으로 전달되는 에너지의 총량이 줄어드는 것입니다.

따라서 윤활유 사용에 따른 기어 소음 감소는 단순히 "기름칠을 해서 조용해진다"는 개념을 넘어섭니다. 이는 유막 형성을 통해 기어의 접촉 조건을 변화시키고, 소음의 근원인 진동의 시작점을 물리적으로 약화시킨 결과로 이해하는 것이 정확합니다.

윤활유, 윙- 하는 전기차 고주파 소음에도 영향을 줄까?

전기차 가속 시 들려오는 날카로운 ‘윙-’ 하는 고주파 소음은 어디서 시작되는 것일까요? 흔히 윤활유 부족이나 오염을 먼저 의심하곤 하지만, 이 소음의 근본적인 원인은 모터 내부의 전자기적 설계와 구조적 특성에 있습니다.

전기를 이용해 회전력을 만드는 과정에서 발생하는 ‘전자기력’과, 이 힘에 의해 모터 케이스 및 주변 부품들이 미세하게 떨리는 ‘구조 진동’이 만나 소음의 원형을 만들어내는 것이죠. 즉, 소음의 발생 그 자체는 윤활유보다는 기계적인 설계의 영역이라 할 수 있습니다.

하지만 실제 주행 상황에서 소음의 양상은 조금 더 복잡해집니다. 차량 내에서 모터는 단독으로 작동하지 않기 때문입니다. 모터는 감속기, 베어링, 샤프트와 유기적으로 맞물려 하나의 거대한 구동 시스템(Power Electric System)을 이룹니다. 따라서 각 부품에서 발생한 개별적인 진동들은 서로 영향을 주고받으며 증폭되거나 변형되어, 최종적으로 차량 전체의 소음 특성을 결정짓게 됩니다.

이 과정에서 윤활유는 소음의 전달을 제어하는 핵심 역할을 수행합니다. 구동계 부품들이 맞물리는 접촉 상태를 안정적으로 유지해주고, 특히 기어와 베어링 사이에서 발생하는 미세한 진동을 흡수하죠. 결과적으로 잘 관리된 윤활유는 구동계 전체의 진동 전달량을 억제하여, 운전자가 느끼는 소음의 날카로움이나 거친 질감을 부드럽게 다듬어줄 수 있습니다.

즉 전기차에 있어서 윤활유 관리는 소음을 없애는 수단이라기보다, 구동 시스템 전체의 조화를 통해 차량의 완성도를 높이는 필수 요소에 가깝다고 볼 수 있습니다.

전기차 시대, 더욱 확장되는 윤활 기술의 역할

전기차의 성능 경쟁은 대개 배터리 용량이나 1회 충전 주행거리처럼 수치로 드러나는 요소에 초점이 맞춰집니다. 하지만 실제로 차량의 완성도를 가르는 기준에는 정숙성 품질 역시 중요한 비중을 차지합니다. 눈에 보이는 스펙 못지않게, 체감되는 소음 수준이 브랜드 경쟁력을 좌우하기 때문입니다.

특히 전기차가 조용해질수록, 이전에는 크게 의식되지 않던 미세한 기계적 소음이 새로운 기술 과제로 떠오릅니다. 이를 해결하기 위해 제조사들은 모터 설계, 기어 형상 최적화, 차체 및 하우징 강성 설계는 물론, 윤활 조건까지 포함한 구동계 전체의 특성을 종합적으로 검토하죠. 소음은 단일 부품이 아니라 시스템 차원에서 관리해야 하는 문제이기 때문입니다.

한편 윤활유는 겉으로 드러나지 않지만, 기계적 접촉에서 발생하는 진동의 특성을 근본적으로 변화시키는 핵심 요소입니다. 이제 전기차 시대의 윤활 기술은 단순히 마찰을 줄이는 전통적 역할을 넘어, 차량의 효율과 내구성은 물론 ’정숙성의 완성도’를 높이는 고도의 감성 기술로 그 의미가 확장되고 있습니다.

결국 전기차의 정숙성은 단순히 엔진이 사라졌기 때문에 얻어진 것이 아닙니다. 보이지 않는 곳에서 정교하게 맞물려 돌아가는 구동계 기술들이 완벽한 조화를 이룰 때 비로소 완성되는 기술적 결실이라 할 수 있습니다.

윤활유의 새로운 역할, 이제는 ‘냉각’까지 책임진다

센터플러스 — Mon, 08 Dec 2025 09:35:20 +0900

이무연 교수 (동아대학교 기계공학과)

“엔진오일 시장이 축소되면 윤활유 산업 전체도 타격을 받지 않을까?” 전기차 시대가 본격화되면서 자연스럽게 떠오르는 질문입니다. 전기차에는 엔진이 없고, 따라서 엔진오일도 필요하지 않기 때문입니다.

오랫동안 엔진오일은 내연기관 차량에서 가장 큰 비중을 차지한 핵심 소모품이었고, 윤활유 산업의 중심축 역할을 해왔습니다. 이런 배경 때문에 산업 위축 우려가 제기되는 것은 충분히 이해할 만합니다.

하지만 실제 시장 흐름은 예상과는 전혀 다른 방향으로 움직이고 있습니다. 전기차 보급이 확대될수록 기존과는 성격이 다른 열관리 수요가 빠르게 증가하며, 냉각 기술 자체가 새로운 전환점을 맞이하고 있기 때문입니다.

내연기관 냉각 방식과 전기차의 구조적 차이

내연기관 시대의 냉각 기술은 비열이 높고 열전달 효율이 뛰어난 물(냉각수)을 사용하는 수냉식 방식이 표준이었습니다. 엔진 블록처럼 전기적 위험이 없는 금속 구조에서는 물이 가장 효율적인 냉각 매체로 작동했기 때문입니다.

반면, 전기차의 핵심 부품은 모터, 인버터, 배터리 등 고전압이 집중된 영역입니다. 이들 주변에서 물을 사용하는 것은 누설 시 단락·전기 손상·열폭주 같은 심각한 위험을 동반합니다. 때문에 전기차는 발열체와 직접 접촉하지 않는 ‘간접 냉각’ 구조를 채택하고 있는데요.

문제는 이 간접 냉각 방식이 전기차 환경에서 점점 더 뚜렷한 한계를 드러내고 있다는 점입니다. 대표적인 문제점은 다음과 같습니다.

전기차 열관리에서 수냉식 방식이 직면한 구조적 문제

① 고전압 장치와의 적용성 문제

물은 기본적으로 전기전도도(Conductivity)를 가지므로, 고전압 회로 주변에서 냉각수가 누설되면 단락(Short), 전기적 손상, 시스템 셧다운으로 이어질 수 있습니다. 특히 배터리에서는 냉각수 누설이 열폭주의 직접적인 방아쇠가 되어 화재 위험을 크게 높이는데요.

여기에 배터리 셀 파우치, 절연재, 도전재(구리·알루미늄), 수지류 등 주요 고전압 부품이 모두 수분에 취약하다는 특성까지 겹치면서, 전기적 손상과 열폭주 위험은 더 크게 확대됩니다.

② 간접 수냉식의 냉각 성능 한계

전기차는 구성 부품마다 요구되는 최적 작동온도가 모두 다르기 때문에 열관리 기준이 매우 까다롭습니다. 하지만 간접 수냉식은 발열체와 냉각유체 사이에 하우징·냉각판 같은 열저항층이 존재해, 급격한 열 발생에 빠르게 대응하기 어렵습니다.

예컨대 구동모터는 온도 변화에 매우 민감해, 권선 온도가 약 10℃만 상승해도 절연 수명이 절반으로 줄어드는 것으로 알려져 있습니다. 이는 곧 모터 효율 저하와 신뢰성 감소로 이어지게 됩니다.

배터리 역시 약 15~35℃(특히 20~30℃)라는 좁은 온도 범위에서만 최적 성능을 발휘합니다. 고온에 노출되면 열화가 가속되고 열폭주 위험이 커지며, 저온 상태에서는 출력 저하와 가용 용량 감소가 발생하는데요. 이러한 온도 민감성은 겨울철 전기차 주행거리가 짧아지는 주요 원인이 되기도 합니다.

결국 물 기반 냉각만으로는 전기차의 고도화된 열관리 기준을 충족하기 어렵고, 발열체와 직접 접촉하면서도 고전압 환경에서 안전한 냉각유가 필요해졌습니다. 이 과정에서 윤활유는 단순한 마찰 저감제를 넘어, 절연과 냉각 기능을 동시에 수행해야 하는 새로운 역할을 요구받고 있습니다.

내연기관 시대에는 유체의 역할이 명확히 분리되어 있었습니다. 엔진오일은 ‘윤활’, 냉각수는 ‘열제어’, 절연유는 ‘전자장치 보호’ 등과 같이 각자가 맡은 기능이 뚜렷했죠. 하지만 전기차 구동계에서는 상황이 완전히 달라집니다. 이제는 ‘윤활’, ‘절연’, ‘냉각’ 기능을 하나의 유체가 동시에 책임져야 하기 때문입니다.

뿐만 아니라 전기차는 이전보다 훨씬 높은 안정성·내열성·절연 성능까지 요구합니다. 이로 인해 전통적인 냉각유와 윤활유의 기능적 구분이 빠르게 희미해지고 있고, 두 기능을 통합한 고기능 유체가 새로운 표준으로 떠오르고 있습니다.

즉 전기차 시대의 도래로 인해 엔진오일 사용량이 감소하더라도, 이를 윤활유 산업 전체의 축소로 단정하기는 어렵습니다. 오히려 새로운 역할로의 재편이 시작되는 시점이며, 차세대 열관리 기술에서 윤활유의 중요성은 더욱 커지고 있습니다.

열관리 경쟁력을 결정하는 윤활유 기술

전기차뿐 아니라 데이터센터, 반도체 공정 등 고출력 전자장비에서도 물 대신 절연 가능한 윤활유(냉각유)를 사용해야 하는 환경이 확대되면서, 냉각 기술의 기준도 달라지고 있습니다.

이제 냉각의 핵심은 단순히 ‘어떻게 식히느냐’의 문제가 아니라, ‘어떤 유체로 식혀야 안전한가’, 즉 냉각과 절연을 동시에 만족시키는 최적의 유체를 선택하는 방향으로 패러다임이 바뀌고 있는 것입니다.

예를 들어 전기차의 구동모터, 인버터, 배터리처럼 발열이 큰 핵심 장치는 모두 고전압 시스템으로 구성되어 있어 물 기반 수냉식이 가진 누설·단락·부식과 같은 전기적 리스크를 근본적으로 피할 수 없습니다. 따라서 전기차에서 사용되는 냉각유는 △절연 성능 △고전압 부품과의 화학적 안정성 △고온 장기 내구성 △열전달 성능을 모두 충족해야 합니다.

그리고 이렇게 복합적인 요구를 해결하기 위해 등장한 기술이 바로 ‘액침냉각(Immersion Cooling)’입니다. 액침냉각의 주요 장점은 다음과 같습니다.

① 전기적 안전성 보장(절연)

액침냉각은 발열체를 전기전도도가 매우 낮은 절연유 속에 직접 담가 식히는 방식입니다. 유체 자체가 전기를 거의 통하지 않기 때문에, 고전압 부품을 다루는 전기차나 전자장비에서 전기적 누설·단락·부식 위험을 구조적으로 차단할 수 있습니다.

② 수냉식 한계 극복(직접 접촉 냉각)

기존 간접 수냉식은 하우징이나 냉각판을 반드시 통과해야 하므로 그 구조 자체가 하나의 열저항층이 됩니다. 때문에 열 전달 속도가 늦어지고, 급격한 열 상승 상황에서 대응 능력이 떨어진다는 한계가 있었죠.

반면 액침냉각은 냉각유가 발열체와 직접 접촉하기 때문에 열저항이 거의 없고, 열이 발생하는 즉시 제거됩니다. 즉, 온도 변화에 대한 반응 속도가 크게 향상되는 것이 핵심입니다.

그렇다면 기존에 개발된 ‘절연도 되고, 냉각도 잘되는’ 유체를 전기차에 그대로 적용하면 해결될까요? 결론부터 말하면 그렇지 않습니다.

전력 변압기나 고압 스위치에 사용되던 절연유는 기본 목적이 전기 절연에 있었고, 냉각유체로서 필요한 점도·밀도·비열·열전도도 같은 핵심 물성은 충분히 고려되지 않은 경우가 많았습니다.

문제는 이러한 열유동 특성이 실제 냉각 성능을 좌우하는 핵심 요소라는 점입니다. 따라서 절연만 뛰어난 유체를 전기차 액침냉각에 그대로 적용하면 전기적으로는 안전하더라도, 냉각 성능은 기존 간접 수냉식보다 떨어질 수 있습니다.

게다가 전기차는 훨씬 더 복잡한 조건을 요구합니다. 모터·인버터·배터리의 온도 특성에 맞춰 인화점은 충분히 높아야 하고, 혹한 환경을 고려해 유동점은 낮아야 하며, ODP·GWP 같은 환경 규제 지표, 독성, 생분해성, 금속·플라스틱과의 화학적 호환성까지 모두 충족해야 합니다.

즉, 기존 절연유가 전기 절연에 초점을 맞추고 설계되었다면, 전기차 액침냉각은 고전압 안전성, 빠른 열 제거, 장기 내구성을 동시에 만족해야 하는 복합 요구 조건을 갖고 있는 셈입니다.

다시 말해 액침냉각은 단순히 ‘물 대신 절연유로 바꾸는 기술’이 아니라, 윤활유 자체가 열관리 성능을 결정하는 핵심 기술로 격상된 단계입니다. 때문에 고전압 안정성, 고열 내구성, 소재 호환성, 환경성, 열전달 성능을 모두 만족하는 유체를 만들어내는 것이 새로운 경쟁력이 되고 있습니다.

신소재 경쟁, 실리콘·불소계 유체의 부상

액침냉각 시장이 빠르게 확대되면서 냉각유의 선택 기준도 과거와 크게 달라졌습니다. 기존 절연유의 대부분은 미네랄유 기반이었지만, 전기차·데이터센터·ESS에 요구되는 고전압·고열·안전성의 수준은 미네랄유로 대응하기 어려워졌기 때문입니다.

이 때문에 산업계는 단순 정제유가 아닌, 목적에 맞게 분자를 설계해 기능을 조절한 ‘신소재 냉각유’ 개발에 집중하고 있습니다. 열안정성·절연성·안전성·친환경성을 한층 강화한 유체들이 시장의 중심으로 떠오르고 있으며, 그 핵심이 바로 실리콘계(Silicone-based)와 불소계(Fluorinated) 유체입니다.

① 실리콘계 유체

실리콘유는 고온과 저온에서 모두 안정적인 성능을 유지하는 것이 가장 큰 장점입니다. 온도가 변해도 점도 변화가 크지 않아, 계절별 외기 온도 차이가 큰 전기차 열관리 환경에서 특히 유리하게 작동하죠.

이러한 특성을 바탕으로 실리콘계 유체는 용도에 따라 다양한 형태로 발전해 왔습니다. 고온 안정성이 뛰어난 실록산(Siloxane)을 비롯해, 액침냉각 적용을 위해 점도를 낮춘 개질 실록산(Modified Siloxane), 그리고 실리콘과 불소의 장점을 결합해 내열성과 절연성을 높인 플루오로실록산(Fluorosiloxane) 등이 대표적인 종류입니다.

② 불소계 유체

불소계 유체는 C–F 결합(탄소–플루오린 결합)이 갖는 높은 결합 에너지와 낮은 반응성 덕분에 최근 빠르게 주목받고 있습니다. 불소가 탄소를 안정적으로 둘러싼 구조를 이루기 때문에 산소, 습기, 금속과 거의 반응하지 않으며, 고온 환경에서도 분해나 산화가 매우 적은 것이 특징이죠. 이런 특성 덕분에 장기간 사용해도 물성이 크게 변하지 않고, 전기장이 강한 환경에서도 절연 성능이 안정적으로 유지됩니다.

또한 다수의 불소계 유체는 불연성에 가까운 안전성을 보여 ESS나 데이터센터처럼 화재 위험 관리가 중요한 분야에서 빠르게 채택되고 있습니다. 장비 표면에 잔유나 부산물이 남지 않는 점도 정밀 전자장비 운용에서 큰 장점으로 평가됩니다.

대표적인 불소계 유체로는 완전 불소화 구조로 안정성이 뛰어난 PFPE(Perfluoropolyether: 퍼플루오로폴리에테르), 저점도·저휘발 특성을 갖춘 HFE(Hydrofluoroether: 하이드로플루오로에테르), 높은 불연성과 절연성을 제공하는 PFC(Perfluorocarbon: 퍼플루오로카본, 완전불소화탄화수소) 계열 등이 있습니다.

최근 실리콘·불소계 유체가 ‘신소재 냉각유’로 주목받는 이유는, 이들 유체가 분자 설계를 통해 냉각유의 특성을 목적에 맞게 조정할 수 있기 때문입니다. 점도·열전달·절연·내열·안전성 같은 핵심 물성을 설계 단계에서 정밀하게 맞출 수 있어, 기존 미네랄유로는 대응할 수 없던 고열·고전압·장기 내구성 요구를 구조적으로 해결할 수 있죠.

이러한 특성 덕분에 신소재 절연유는 최근 발열량이 급격히 증가한 GPU와 HBM(High Bandwidth Memory)의 열관리에도 높은 적합성을 보이고 있습니다. 더불어 자율주행·전기구동이 중심이 되는 차세대 모빌리티 산업은 물론, AI와 빅데이터가 주도하는 4차 산업혁명 환경에서 핵심 역할을 하는 전력변환장치, ESS, 데이터센터 같은 고출력 장비에서도 적용 범위를 빠르게 확대하며 주요 냉각유로 자리 잡고 있습니다.

전기차 시대, 윤활유 기업의 새로운 역할

윤활유 산업은 새로운 역할로의 재편과 도약의 국면에 서 있습니다. 냉각 기술의 변화는 곧 윤활 기술의 진화를 의미하며, 고기능 유체를 설계하는 역량은 전기차뿐 아니라 데이터센터, 전력변환장치, ESS 등 모든 ‘열을 다루는 산업’에서 경쟁력을 좌우하는 핵심 기술이 되고 있습니다.

이러한 변화는 글로벌 시장조사 기관들의 전망에서도 분명하게 나타납니다. 액침냉각 시장은 빠른 성장이 예상되며, 기관별 분석에 따르면 2030년대 초중반에는 약 10억~100억 달러 규모로 확대될 것으로 보입니다. 특히 인사이트 파트너스(Insight Partners)는 전기차 액침냉각 시장이 2023년 210만 달러에서 2031년 2억 7,845만 달러로 늘어나며, 100배 이상의 고성장이 예상됩니다.

주목해야 할 점은, 액침냉각에 사용되는 고성능 절연유가 단순히 등장한 신기술이 아니라는 것입니다. 윤활유 기업이 오랜 시간 축적해 온 핵심 역량과 직접적으로 연결되는 기술 분야지요.

고온 안정성, 합성기유 기반 설계, 첨가제 기술, 소재 내구성 평가 등은 엔진오일·산업용 윤활유 개발 과정에서 이미 체계적으로 발전해 온 기술이며, 이러한 기반은 전기차 액침냉각·절연 냉각유 시장으로 자연스럽게 확장될 수 있습니다.

그리고 바로 이 지점이 윤활유 기업에게 전기차 시대에도 소재 기업으로서의 주도권을 확보할 수 있는 분명한 기회가 되고 있습니다. 결국 전기차 시대의 경쟁력은 “얼마나 잘 식히느냐”가 아니라, “어떤 유체로 식히느냐”가 결정하게 될 것입니다.

합성유 전성시대! 이제는 오일이 차를 바꾼다?

센터플러스 — Wed, 24 Sep 2025 10:09:23 +0900

성균관대학교 기계공학부(트라이볼로지) 이영제 교수

자동차용 엔진오일 시장은 오랫동안 광유(미네랄오일)가 중심이었지만, 이제는 합성유가 확고히 주류를 형성하며 시장 구조를 바꿔 놓았습니다. 이는 단순히 오일의 종류가 바뀐 것이 아니라, 엔진 보호와 차량 성능 향상에 대한 접근 방식 자체가 새로운 단계로 진입했음을 보여줍니다.

특히 최근 들어 다운사이징 터보차량, 하이브리드 모델, 고출력 SUV가 대중화되면서 기존 광유로는 대응하기 어려운 까다로운 성능 요구가 늘어났습니다. 이에 따라 0W-20, 5W-30 등 저점도 합성유의 선호도가 높아지고 있으며, 연비 최적화와 강화된 환경 규제 충족을 위해 필수적인 변화로 자리 잡고 있습니다.

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그렇다면 합성유가 이런 까다로운 조건에서도 뛰어난 성능을 발휘하는 비밀은 무엇일까요?

경계윤활의 극한 상황에서 보여주는 합성유와 광유의 성능 격차

과거 기계요소 설계에서는 두꺼운 유막을 형성하는 유체윤활(fluid lubrication) 조건을 선호했습니다. 그러나 이러한 조건은 움직이는 표면에서 진동과 소음을 유발해 부품의 정밀한 운동을 방해했습니다. 이에 따라 정밀한 움직임이 요구되는 부품을 설계하려면 오히려 유막 두께를 줄이는 것이 필수적이 되었고, 오늘날에는 경계윤활 조건과 얇은 유막의 적용이 요소 설계의 핵심 기준으로 자리 잡았습니다.

여기서 ‘경계윤활(boundary lubrication)’이란 엔진 부품 사이에 극도로 얇은 오일막만 남아 금속 표면이 직접 접촉하기 쉬운 상태를 말하는데요. 실제로 미국의 일부 연구재단은 환경 보호와 에너지 절감을 위해 모든 윤활 연구 과제의 핵심 조건을 ‘경계윤활 상태에서의 마찰 감소’로 규정할 만큼 이 영역의 중요성을 강조하고 있습니다.

이처럼 경계윤활이 중요한 이유는 자동차 엔진 내부에서 이런 상황이 자주 발생하기 때문입니다. 엔진, 베어링, 기어, 축, 클러치 같은 부품들은 얇은 오일막으로 인해 금속 표면이 직접 맞닿기 쉬운데, 이때 마찰과 마모가 빠르게 늘어납니다. 그리고 그 결과 표면이 거칠어지고 온도가 올라가며, 심하면 표면 파괴(scuffing·scoring)로 이어질 수 있습니다. 특히 엔진 시동 직후나 고부하 상태에서는 이런 경계윤활 현상이 더 자주 나타나죠.

경계윤활 조건의 특징은 유막계수*가 매우 작다는 점입니다. 전통적인 설계에서는 유막계수를 크게 확보하는 것이 보편적이었지만, 실제 환경에서는 상황이 다릅니다. 예를 들어 진공과 유사한 조건에서는 유막계수가 1에 가까워지면 표면 파괴가 발생합니다. 공기 중에서 광유를 사용할 경우 약 0.8 수준에서 파괴가 나타나지만, 합성유를 사용할 경우 유막계수가 0.01까지 내려가도 파괴가 일어나지 않습니다.

* 유막계수(Λ, film parameter): 유막 두께와 표면 거칠기의 비율

쉽게 말해, 광유는 얇은 오일막이 조금만 약해져도 표면이 손상되지만, 합성유는 극도로 열악한 상황에서도 표면을 지켜내는 힘이 훨씬 강하다는 의미입니다.

이는 합성유에 고성능 첨가제가 포함되어 있어, 공기 중에서 금속, 특히 철강과 반응해 수 나노미터에서 수 마이크로미터 두께의 보호막(protective layer)을 형성하기 때문입니다. 이 보호막은 모재 성분*을 일부 포함하고 있으며, 크게 얇은 조각 형태의 ‘산화금속혼합막(OMM, Oxide Metal Mixture)’과 반고체 형태의 ‘유기철화합물(OIC, Organo-Iron Compound)’로 구분됩니다.

* 모재(母材, Base material) 성분: 어떤 부품이나 구조물을 이루는 주재료(모재)가 원래 가지고 있는 화학적 구성 요소

하중이 커지면 보호막이 차례대로 두께를 형성합니다. OMM은 약 60옹스트롬, OIC는 약 80옹스트롬 정도인데요. 임계 하중을 넘어서면 OIC의 두께는 줄어들어 결국 표면 파괴로 이어집니다. 반면 OMM은 한동안 두께를 유지하며 표면을 지켜줍니다. 흥미로운 것은, 하중이 다시 줄어들면 OIC가 원래 두께로 돌아오는 ‘자기 복원력’을 보여준다는 점입니다.*

* 참고: Cavdar and Ludema, Wear 1991

또, 이에 비해 광유는 보호막이 충분히 형성되지 못해 그 두께조차 측정하기 어려울 만큼 미미합니다.

보호막 종류	두께	특성
합성유: 산화금속혼합막(OMM)	약 60옹스트롬	얇은 조각 형태, 하중 증가 시에도 두께 유지
합성유: 유기철화합물(OIC)	약 80옹스트롬	반고체 형태, 자기 복원력 보유
광유	측정 어려움	두께가 미미하여 측정 어려움

이 같은 차이는 실제 핀온디스크(Pin-on-disk)* 형태의 미끄럼 마찰 실험에서도 입증됩니다. 경계윤활 조건에서 합성유가 형성하는 보호막의 마찰계수**는 약 0.12였던 반면, 광유는 약 0.25로 나타났습니다(유체윤활 조건에서는 차이는 있지만 두 경우 모두 낮은 마찰계수를 보임). 이는 곧 합성유가 경계윤활 상태에서 마찰을 절반 수준으로 줄일 수 있다는 의미입니다.

* 핀온디스크(Pin-on-disk): 재료의 마찰·마모 특성을 실험하는 대표적인 장치와 시험 방법으로, 핀을 디스크 위에 눌러서 돌려보며 마찰과 마모를 측정

** 마찰계수: 두 물체가 맞닿아 움직일 때 생기는 저항의 크기를 나타내는 값. 값이 높을수록 잘 미끄러지지 않아 마모와 열 발생이 증가하며, 낮을수록 마찰이 줄고 에너지 손실도 감소함

윤활유 종류	마찰계수
합성유	약 0.12
광유	약 0.25

금속 표면을 지키는 비밀, 화학적 균형

상대운동을 하는 두 표면을 보호하기 위해서는 윤활유와 금속 사이의 화학적 반응성(chemical reactivity)이 매우 중요합니다.

윤활유가 금속과 반응해 형성한 보호막은 마모가 진행될 때 금속 성분과 함께 떨어져 나가며 마모 입자를 만듭니다. 이때 화학 반응이 지나치게 느리면 보호막 형성이 마모 속도를 따라가지 못해 균형이 깨지고, 반대로 반응이 지나치게 빠르면 모재 금속이 급격히 부식되어 오히려 마모량이 증가하게 되죠.

따라서 금속 가공이나 엔진, 기어에 사용되는 윤활유는 화학적 균형(chemical balance)을 유지하는 것이 무엇보다 중요한데요. 합성유는 바로 이 균형을 정교하게 제어하도록 설계되어 있으며, 그 결과 금속 표면에 안정적인 보호막을 형성할 수 있습니다.

즉, 윤활유의 핵심 역할은 ‘보호막을 어떻게 형성하고 유지하느냐’에 달려 있고, 이 원리는 ‘길들이기(break-in, run-in)’ 과정과 ‘표면 파괴(scuffing)’ 현상을 이해하는 데 중요한 열쇠가 됩니다.

그렇다면 길들이기 과정에서는 이 보호막이 실제로 어떤 방식으로 작용할까요?

표면 수명을 늘려주는 길들이기 과정은 보호막이 얼마나 균일하게 자라고, 또 마모와 어떤 균형을 이루는지에 달려 있습니다. 특히 길들이기 과정에서 중요한 건 보호막의 고른 성장과 표면에 분포하는 잔류응력의 안정성입니다. 일단 표면 위에 보호막이 안정적으로 형성되면, 더 큰 하중이 걸리더라도 금속이 직접 부딪히는 일을 막아 수명을 크게 늘릴 수 있죠.

실제 핀온디스크 시험에서는 길들이기를 하지 않은 경우 약 1,300사이클 만에 표면이 파괴됐지만, 길들이기를 거친 경우에는 무려 10,000사이클까지 버텼습니다. 약 8배의 수명 연장 효과를 보인 셈입니다.

그뿐 아닙니다. 합성유의 가치는 엔진 부품 수명에서도 분명하게 드러납니다. 저주기 표면 파괴 실험을 보면, 합성유를 사용한 시편은 조건에 따라 63,000사이클에서 70,000사이클 이상 버텼습니다. 반면 광유를 사용했을 때는 고작 43사이클에서 2,850사이클 수준에 머물렀죠. 이는 최대 25배 이상의 차이로, 합성유와 광유가 형성하는 보호막의 성질 차이가 그대로 표면 수명의 차이로 이어진다는 사실을 보여줍니다.

즉, 합성유는 단순히 윤활유의 한 종류가 아니라 금속 표면에 형성되는 보호막의 성능 자체를 바꾸는 기술이라 할 수 있습니다. 보호막이 얼마나 두껍고 안정적으로 유지되는지, 하중이 걸릴 때 어떻게 반응하는지에서 합성유와 광유는 확연히 다른 결과를 보여줍니다.

그리고 이런 과학적 차이는 실제 운전 환경에서도 뚜렷한 효과로 이어집니다. 합성유를 사용할 경우 엔진오일의 교환주기가 연장되면서 연간 정비 횟수가 줄어들어 전체 유지비용 절감으로 이어집니다. 또한 산화에 강하고 점도를 안정적으로 유지해 장시간 사용에도 성능이 꾸준히 유지되며, 기존 광유와 비교했을 때 슬러지 축적과 열화 속도 역시 현저히 낮죠.

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전기차 시대, 더 커지는 윤활 기술의 중요성

결론적으로 합성유에 포함된 첨가제가 만들어내는 보호막은 마찰계수, 마모량, 그리고 표면 수명에 결정적인 영향을 미칩니다. 하지만 현재 산업계의 기계요소 설계에서는 이 보호막의 효과를 제대로 반영하지 못하고 있죠.

그럼에도 불구하고 보호막은 보이지 않는 곳에서 제 역할을 다하고 있습니다. 아무도 주목하지 않더라도 금속 표면 위에 형성된 보호막은 부품의 수명을 연장시키며, 혹독한 조건에서도 기계 요소를 지켜내고 있습니다.

따라서 이제 산업계도 이 보호막을 주의 깊게 바라봐야 합니다. 첨가제에 따라 달라지는 보호막의 물성과 두께는 표면 수명, 나아가 기계 요소 전체의 수명에 절대적인 영향을 미칩니다. 이는 산업 분야뿐 아니라 일반 소비자에게도 직접적인 의미가 있습니다. 제품의 내구성과 에너지 절약 효과가 모두 이 보호막의 성능과 직결되기 때문입니다.

특히 전기차 시대를 앞두고 윤활 기술의 중요성은 더 커질 수밖에 없습니다. 전기차의 감속기, 베어링, 그리고 여전히 필요한 기계적 구동부에서 보호막은 핵심 역할을 담당하게 될 것입니다.

결국 합성유와 첨가제의 발전은 단순히 제품의 수명을 늘리는 것을 넘어, 소비자의 신뢰 확보, 환경 보존(표면 수명 연장·내마모성 향상), 그리고 에너지 절약(저마찰 실현)에 절대적인 기여를 하게 될 것입니다.

차량용 AI 비서란? 음성 명령을 넘어선 스마트한 진화

센터플러스 — Wed, 25 Jun 2025 09:29:54 +0900

한양대학교 전기공학과 강창묵 교수

자동차 산업에서 차량용 인공지능(AI) 비서는 단순 음성 제어를 넘어 인포테인먼트, 공조 시스템, 차량 설정 등 차량 내 모든 인터페이스를 통합 제어하는 중심 허브로 빠르게 진화하고 있습니다.

과거에는 내비게이션 설정, 전화 응답, 음악 재생 정도의 단순 명령 수행에 그쳤다면, 이제는 자연어 처리(NLP)와 대규모 언어 모델(LLM)의 비약적 발전을 기반으로 사용자의 질문 의도를 스스로 파악하고, 맥락을 이해하며 대화형 인터페이스를 제공하는 수준까지 올라왔습니다.

이를 대표하는 혁신 사례로는 2024년 CES에서 소개된 ‘폭스바겐 ChatGPT 기반 AI 비서’가 있습니다. 이 시스템은 단순한 명령 수행을 넘어, 사용자의 질문 의도를 파악하여 △일정 조회 △날씨 확인 △목적지 추천 등 복합적인 질의응답을 자연스럽게 처리하며, 다단계 흐름의 대화도 가능하게 설계되었습니다.

또한 일부 프리미엄 차량 모델에는 운전자의 감정 상태를 실시간으로 파악하고, 이에 따라 차량 내 환경을 자동으로 조절해주는 ‘감성 인식 기술(Affective Computing)’이 적용되기도 했습니다. 이 기술은 운전자의 음성 높낮이와 말투, 얼굴 표정의 변화, 시선의 움직임 등 다양한 비언어적 신호를 종합적으로 분석해 감정 상태를 인식하는 고도화된 시스템입니다.

이렇게 분석된 정서적 반응을 바탕으로, 차량은 자동으로 실내 조명 색상, 음악 장르, 공조 설정 등을 조정합니다. 예를 들어, 운전자의 목소리에 피로감이 감지되거나 표정이 경직되어 있다면, 부드러운 조명과 잔잔한 음악을 재생하고 실내 온도도 쾌적한 수준으로 맞추는 방식입니다. 이는 단순한 음성 명령을 넘어, 운전자와 차량이 정서적으로 연결되는 새로운 사용자 경험을 만들어냅니다.

이 시스템은 감정에 따라 반응하는 ‘감정 코디네이터’ 역할을 수행하며, 점차 인간 중심의 운전 환경을 만들어가는 방향으로 진화하고 있습니다. 향후에는 심박수, 피부 온도, 호흡 패턴 등의 생체 신호 분석 기술과 통합되어, 더욱 세밀하고 개인 맞춤형 대응이 가능한 스마트 운전 파트너로 발전할 전망입니다.

또 이 밖에도 이미 상용화된 플랫폼으로 애플의 '카플레이(CarPlay)', 구글의 '안드로이드 오토(Android Auto)', 그리고 현대자동차와 카카오가 협력해 개발한 '카카오 i' 등이 있습니다.

애플 카플레이는 iOS 생태계와 연동되어 시리(Siri) 기반 음성 명령에 맞춤형 제안 기능을 강화했고, 구글 안드로이드 오토는 문자 요약·스트리밍 앱 제어·실시간 교통 정보 등 폭넓은 확장성을 제공합니다. 현대차의 카카오 i는 지역 기반 콘텐츠 추천과 선호도 분석으로 국내 사용자 경험을 최적화하며, OTA(Over-the-Air) 업데이트를 통해 지속적으로 기능을 고도화하고 있습니다.

이처럼 개별 기능을 넘어 실시간 상황 인식과 예측 기반 반응이 가능해지면서, AI 비서는 단순 보조 도구에서 벗어나 운전자의 요구를 선제적으로 파악하고 대응하는 ‘지능형 동반자’ 로 확장되고 있습니다.

AI 비서, 단순 제어에서 ‘지능형 동반자’로 발전하다

차량용 AI 비서는 이제 운전자의 주행 습관과 패턴을 학습해 예측 기반 맞춤형 서비스를 제공합니다. 단순히 내비게이션 설정이나 음악 재생 명령을 수행하는 수준을 넘어, 사용자의 일상과 운전 패턴을 분석하여 맞춤형 서비스를 선제적으로 제공하는 방식으로 발전하고 있는 것이죠.

예를 들어, AI 비서가 출근 시간에 맞춰 교통 상황을 미리 안내하거나, 사용자의 캘린더와 연동해 미팅 일정에 따라 자동으로 목적지를 설정해 줍니다. 사용자의 위치 데이터와 과거 기록을 기반으로 자주 방문하는 장소를 자동으로 추천하며, 운전자의 하루를 함께 계획해주는 역할을 수행하기도 합니다.

또, 운전자의 스트레스 상태를 감지해 편안한 음악을 재생하고, 운전자의 운전 스타일을 학습하여 드라이브 모드나 공조 시스템을 자동 조정하는 등 정서적 반응까지 고려한 개인화 시스템도 상용화 되어 있습니다.

이러한 변화는 단순히 기능 확장에 그치지 않습니다. 기존의 HMI(Human-Machine Interface)가 운전자의 명령에 따라 움직이는 수동적인 방식이었다면, 최신 AI 비서는 사용자의 상황과 감정을 스스로 인식하고 선제적으로 반응하는 능동적 시스템으로 바뀌고 있습니다. 여기에 OTA(Over-the-Air) 기술이 더해지면서, AI 비서가 자체적인 학습과 업데이트를 진행하며 운전자와의 관계를 깊이 있게 형성할 수 있게 되었죠.

자동차는 더 이상 ‘운전자의 명령을 따르는 기계’가 아니라, ‘함께 움직이고 판단하는 파트너’로 진화하고 있는 셈입니다.

이런 흐름 속에서 현대자동차그룹은 2025년 ‘HMG 개발자 컨퍼런스’를 통해 차량용 AI 플랫폼의 미래를 구체화한 ‘Pleos 25’를 공개하며 주목을 받았습니다. Pleos는 ‘Pervasive(언제 어디서나)’, ‘Learning(지속적 학습)’, ‘Emotionally-Oriented(감성 지향)’의 약자로, 운전자와 정서적으로 교감하고, 맥락 기반으로 대응하는 AI 비서를 지향하는 기술 체계입니다.

Pleos 25는 다음과 같은 4가지 핵심 구성요소로 이루어져 있습니다.

① Pleos Connect

Android Automotive OS 기반의 인포테인먼트 시스템으로, 스마트폰과 유사한 UX와 AI 음성 비서의 깊이 있는 통합을 제공합니다.

② Gleo AI

LLM 기반 자연어 처리 기술을 바탕으로 사용자의 말투, 감정, 맥락을 실시간 학습하며 상황에 따라 반응하는 차세대 대화형 AI 비서입니다.

③ Pleos Vehicle OS

고성능 차량용 컴퓨터와 중앙 집중형 제어 아키텍처를 통해 차량 내 모든 시스템을 통합하고, OTA 업데이트를 통해 기능을 지속적으로 확장합니다.

④ Pleos Playground

개발자 친화적인 개방형 API 생태계를 제공해, 외부 앱과 서비스를 차량 시스템에 유연하게 통합할 수 있도록 지원합니다.

이러한 플랫폼은 단순히 AI 비서를 ‘차량의 기능 일부’로 보지 않고, 운전자와 지속적으로 상호작용하는 주체로 설정하고 있다는 점에서 큰 의미를 가집니다. 특히 Pleos는 차량의 하드웨어와 소프트웨어, 사용자 경험 전체를 유기적으로 연결하여, AI가 차량이라는 공간에서 지능적인 존재로 자리 잡게 하는 근본적 패러다임 전환을 상징합니다.

최근에는 이러한 AI 비서의 역할이 인포테인먼트 제어를 넘어, ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)와의 통합까지 지향하며 더욱 진화하고 있습니다. 특히 LLM(대규모 언어 모델) 기반 기술을 차량 내에 경량화하여 적용하는 ‘온디바이스 AI’ 방식이 주목받고 있는데요, 이를 통해 AI는 운전자의 성향과 실시간 주행 조건을 파악하여 차간 거리 유지나 위험 상황 대응, 피로도 인식 등의 실질적인 주행 의사결정에도 개입할 수 있게 됩니다.

이는 단순한 정보 제공자를 넘어, 차량 제어와 판단을 함께 수행하는 ‘공동 운전자(co-pilot)’의 개념으로 확장되고 있다는 뜻입니다. AI 비서는 이제, 함께 상황을 인식하고 대응하며 나아가 감정까지 이해하는 존재가 되고 있는 것입니다.

결론적으로 차량용 AI 비서는 이제 단순한 기능 수행자나 음성 명령 처리기기가 아니라, 운전자와 정서적·인지적으로 상호작용하는 ‘스마트한 동반자’로 자리잡고 있습니다. 이러한 기술은 자동차를 단순한 이동수단에서 ‘지능형·관계형 공간’으로 전환시키는 핵심 기반이 되고 있으며, 향후 자동차의 개념을 완전히 새롭게 정의하는 변곡점이 될 것입니다.

조작이 아닌 대화, 반응이 아닌 이해. 운전자가 차량을 믿고 의지할 수 있는 시대, 그 중심에는 차량용 AI 비서가 있을 것입니다.

SDV(Software Defined Vehicle) 자동차가 가져올 미래는?

센터플러스 — Mon, 24 Mar 2025 09:30:02 +0900

김필수 자동차연구소 소장, 대림대학교 교수

지난 130여 년 동안 자동차 산업을 이끌어 온 것은 내연기관차였습니다. 하지만 하드웨어보다 소프트웨어가 핵심 역할을 하며 지속적인 기능 업그레이드가 가능한 ‘SDV’의 등장으로, 이제 자동차는 단순한 이동수단이 아닌 ‘움직이는 생활공간’이자 ‘바퀴 달린 스마트폰’으로 진화하게 되었는데요.

여기서 ‘SDV(Software Defined Vehicle: 소프트웨어 정의 자동차)’란 소프트웨어로 하드웨어를 제어하고 관리하는 자동차를 의미합니다. 자동차의 편의기능 뿐 아니라 주행성능, 안전사양, 감성 품질까지 지속적으로 업데이트할 수 있다는 특징이 있죠.

이에 따라 과거 자동차 기술 개발의 목표가 연비 개선과 배출가스 저감이었다면, SDV 시대에는 △자율주행 △안전성 강화 △편의성 향상이 그 핵심으로 자리 잡고 있습니다. 자동차 산업에 혁신을 가져다 준 SDV의 핵심 기술과 그 역할을 자세히 살펴보겠습니다.

전기차, 소프트웨어 중심 자동차의 시대를 열다

기후 변화 대응이 국제 사회의 필수 과제가 되면서 자동차 산업도 빠르게 변하고 있습니다. 특히 수송 부문에서 배출되는 온실가스의 감축 규제가 강화됨에 따라, 내연기관차에서 전기차로의 전환이 가속화되었습니다. 전기차는 배출가스를 없애는 동시에 부품 수를 절반 가까이 줄였고, 엔진과 변속기를 배터리와 모터로 대체하면서 구조의 단순화를 실현했습니다.

이 과정에서 전기전자 시스템과 알고리즘이 역할이 더욱 중요해졌으며, 내연기관차 또한 강화된 배출가스 기준을 충족하기 위해 전기전자 기술을 적극적으로 도입하고 있습니다. 즉, 이제 하드웨어보다 소프트웨어에 의해 자동차 산업의 경쟁력이 좌우되는 시대가 된 것입니다.

SDV와 OTA 기술의 발전

자동차 산업에서 소프트웨어의 중요성이 점점 커지면서 자동차의 개념도 변화하고 있습니다. 특히 SDV의 등장은 자동차산업의 판도를 흔들었다고 해도 과언이 아니죠.

과거의 자동차가 기계 부품을 중심으로 운영되었다면, SDV에서는 센서와 전자제어 시스템이 핵심적인 역할을 합니다. 이를 ‘엑스-바이-와이어(X-by-Wire)’ 기술이라고 하는데요. 예를 들어 기존에는 가속페달이 물리적으로 엔진과 연결되어 있었다면, SDV에서는 센서가 가속 정보를 감지해 전자적으로 제어하는 방식으로 변화하고 있는 것입니다.

이러한 변화는 부품의 단순화, 정밀성 향상, 내구성 증대 등의 장점을 제공하며, SDV의 확산을 더욱 가속화하고 있습니다.

SDV의 핵심 요소 중 또다른 하나는 ‘OTA(Over The Air)’ 기술입니다. OTA란 무선통신을 통해 소프트웨어를 업데이트하는 기술로, SDV는 OTA 기술을 통해 지속적으로 성능을 개선하고 새로운 기능을 추가할 수 있습니다. 즉, OTA가 SDV의 운영 체제라고 볼 수 있죠.

이러한 OTA 기술의 발전은 차량 유지보수 방식도 변화시키고 있습니다. 기존에는 문제가 발생하면 리콜이 필요했지만, 이제는 OTA를 통해 원격으로 해결할 수 있는 시대가 되었습니다. 차량을 오래 사용할수록 성능이 점점 향상되는 새로운 패러다임이 열린 것입니다.

OTA 기술은 약 10년 전 테슬라가 처음 도입했습니다. 당시 대부분의 자동차 제조사들은 법적 규제와 기술적 한계를 이유로 이를 도입하지 않았지만, 테슬라의 성공적인 적용을 계기로 각국 정부가 이를 허용하기 시작했습니다. 이후 OTA 기술은 널리 확산되었으며, 현재는 현대자동차그룹을 포함한 대부분의 제조사가 이를 적극 활용하고 있습니다.

뿐만 아니라 OTA 기술의 발전은 자율주행 기술에도 큰 영향을 미치고 있습니다. 현재 자율주행은 레벨 3(운전 보조) 수준이지만, 2029~2030년경에는 레벨 4(운전자 개입 없이 주행 가능) 수준으로 발전할 것으로 예상됩니다. 이 시점이 되면 운전자가 직접 운전 여부를 선택할 수 있는 완전 자율주행 시대가 도래할 것으로 전망되는데요.

OTA 기술을 활용한 지속적인 업데이트는 자율주행 기능의 개선과 안전성 향상을 지원하며, 미래 모빌리티 시장에서 더욱 중요한 역할을 하게 될 것입니다.

미래 자동차 시장의 변화와 SDV의 역할

SDV는 자율주행 기술의 핵심 기반이 되는 개념입니다. 앞에서 간단히 언급되었지만, SDV의 가장 큰 장점 중 하나는 차량 상태를 실시간으로 분석하고, 고장을 예측하여 선제적인 조치를 취할 수 있다는 점입니다.

예를 들어 부품의 마모 상태를 감지하고 교체 시점을 사전에 예측하는 기능을 통해 유지보수를 최적화할 수 있으며, 전기차 배터리의 내구성과 각 셀 및 모듈의 상태를 실시간 모니터링하여 화재 위험을 사전에 감지하고 예방하는 기능도 제공합니다.

뿐만 아니라 SDV는 데이터 수집 및 활용에서도 혁신적인 변화를 가져오고 있습니다. 차량의 운행 정보가 단순히 블랙박스에만 저장되는 것이 아니라, 실시간으로 클라우드 및 인공위성 시스템과 연동되어 분석될 수 있습니다.

예컨대 테슬라는 자율주행 소프트웨어인 ‘풀 셀프 드라이빙(Full Self Driving)’을 지속적으로 개선하고 있으며, 이렇게 클라우드에 저장된 실시간 운행 데이터를 활용하여 사고 발생 시 사고의 원인을 정확하게 분석한 사례도 있습니다.

향후 2029~2033년은 자동차 산업의 중요한 변곡점이 될 것입니다. △본격적인 자율주행 시대의 개막 △전고체 배터리 상용화로 인한 전기차 화재 문제 해결 △전기차 보급 정체 현상(캐즘*) 극복 △내연기관 제조사의 배터리 내재화 등의 변화가 예상됩니다. 이러한 변화 속에서 SDV는 자동차 산업을 주도하는 핵심 요소로 자리 잡을 것으로 전망됩니다.

* 캐즘(chasm): 새로운 기술이나 제품이 개발돼 대중에게 소개된 뒤 이것이 대중화되는 과정에서, 처음의 수요가 후퇴하거나 정체하는 현상

이에 따라 자동차 제조사들은 SDV 기술을 활용해 차별화된 경쟁력을 확보하려는 노력을 기울이고 있습니다. 미래 모빌리티 시장은 ‘모빌리티 파운드리(기본 플랫폼 제공 기업)’와 ‘소프트웨어 기업(차별화된 알고리즘을 통한 시장 지배)’으로 나뉠 것이며, SDV의 내재화 여부가 기업의 생존을 좌우할 것입니다.

SDV가 해결해야 할 과제

한편, SDV의 확산과 함께 떠오르는 문제점도 있습니다. 바로 보안 및 개인정보 보호 문제입니다. 자동차가 네트워크에 연결되면서 해킹의 위험성이 증가하고 있으며, 해킹을 통한 차량 제어 문제는 안전을 위협하는 요소로 작용할 수 있습니다. 일각에서는 미래, 해킹으로 인해 교통사고가 발생할 수 있을 것으로 전망하고 있기도 하죠. 따라서 SDV 발전과 동시에 보안 기술을 강화하는 것이 자동차 산업의 중요한 과제가 될 것입니다.

마치며.

미래 모빌리티 시장에서 SDV의 중요성은 점점 더 커지고 있습니다. SDV의 도입 여부가 자동차 제조사의 생존과 경쟁력을 결정하는 핵심 요소로 자리 잡고 있으며, 자율주행, OTA, 전기차 기술과의 융합을 통해 더욱 발전할 것입니다. 그리고 자동차 제조사들은 본격화되는 SDV 시대를 대비해 소프트웨어 내재화를 적극적으로 추진해야 하며, 보안 문제에 대한 대비도 철저히 해야 할 것입니다.

그렇다면 SDV는 과연 자동차 산업을 어떻게 변화시킬까요? 또, 우리는 SDV의 발전을 통해 어떤 새로운 기회를 맞이하게 될까요? SDV가 우리 삶과 모빌리티 시장을 어떻게 바꿔 나갈지 계속해서 주목해야 할 것입니다.

AI 시대 데이터센터의 게임 체인저, 액침냉각을 주목하라!

센터플러스 — Wed, 13 Nov 2024 09:44:46 +0900

국립한밭대학교 설비공학과 조진균 교수

2022년 11월, 전 산업을 흔드는 존재가 나타납니다. 바로 인공지능 대형 언어 모델을 기반으로 하는 대화형 인공지능 챗봇 ‘챗GPT’입니다. 오픈AI의 챗GPT는 등장한지 하루만에 수억 명의 사용자를 확보하였고, 이후 AI는 IT 산업의 전면에 자리잡아 우리의 삶 곳곳에 스며들었습니다. 그리고 이후, AI 시스템의 작동 매커니즘이 알려지면서 이제는 거의 모든 산업에서 프로세스를 간소화하고 결과를 개선할 수 있는 새로운 AI 기술을 찾고 있습니다.

오늘은, AI의 발전을 바탕으로 빠르게 달라지는 디지털 환경에 있어 필수불가결한 존재, ‘데이터센터’에 대하여 이야기해 보려고 합니다.

데이터센터(Data Center)란 애플리케이션과 서비스를 구축·실행 및 제공하기 위한 IT인프라를 보관하는 물리적 공간 또는 시설을 말합니다. 즉 컴퓨터, 서버, 네트워크, 저장장치 등 방대한 양의 IT 장비를 설치·운영하는 전용 시설이죠. AI 산업에서의 데이터센터는 AI가 대량의 데이터를 처리·분석하기 위해 필요한 고성능 컴퓨팅 자원과 안정적인 데이터 저장소를 제공하는 역할을 합니다.

시장 조사 업체 스태티스타는 글로벌 데이터센터 시장 규모가 2022년 기준 3135억 달러(약 427조 원)에서 2028년 4386억 달러(약 598조 원)로 약 40% 성장할 것으로 전망하고 있는데요. 이 같은 시장 변화에 맞춰 데이터센터 역시, 보다 더 안전하고 효율적인 서비스를 제공할 수 있도록 기술과 환경 측면에서의 발전을 거듭하고 있습니다.

데이터센터 발전의 키워드 ‘냉각’

IT 장비에 공급되는 거의 모든 전력은 열로 변환됩니다. 그런데 이렇게 발생하는 열을 효과적으로 제거하지 않으면 시스템 성능이 저하되거나 심한 경우 장비가 영구적으로 손상될 수 있습니다. 원활한 작동을 위해서는 반드시 열을 관리·제거해야 하죠. 즉, 데이터센터 운영과 발전의 핵심은 ‘냉각 시스템’에 있습니다. 냉각 시스템은 데이터센터의 온도를 안정적으로 유지하여 장비가 최적의 성능을 발휘할 수 있게 하고, 장비의 수명을 연장하며, 운영 비용을 절감하는 데 중요한 역할을 합니다.

참고로, 현재 전 세계 대부분의 데이터센터에 적용된 냉각 시스템은 공랭식입니다. 단어 그대로 공기를 이용하여 서버와 IT 장비에서 발생하는 열을 제거하는 방식이죠. 이는 설치가 간단하고 유지보수가 상대적으로 쉽다는 장점이 있지만, 대규모 데이터센터에 있어서는 에너지 효율이 떨어지고 공기의 열 전달 효율이 낮아 온도 제어에 한계가 있다는 단점도 있습니다.

최근 생성형 AI 등 발전하고 있는 인공지능 기술을 실현할 GPU/NPU가 적용된 IT 장비의 발열 부하가 꾸준히 증가하면서, 많은 데이터센터의 냉각 능력이 한계에 다다르고 있다고 알려져 있는데요. 이는 즉, 전통적인 공랭식 냉각의 한계에 봉착한 상황이라고 볼 수 있으며, 이에 따라 액체기반 냉각방식(수랭식), IT 장비를 비전도성 액체에 직접 담그는 액침냉각 등 차세대 냉각시스템들이 대안으로 신중하게 고려되고 있습니다.

냉각 시스템의 새로운 게임체인저 ‘액침냉각’

최근 다양한 연구에서 데이터센터의 기존 공랭식에 대한 대안으로 액침냉각 시스템의 효율성을 제시하고 있습니다. 액침냉각은 비전도성 액체 냉매를 열교환 매체로 사용하여 IT 장비를 냉각하는 방식으로, 이를 포함한 데이터센터의 액체기반 냉각 시스템은 기존의 공랭식 냉각방식과는 완전히 다른 시스템입니다.

액침냉각 방식에서는 서버 전체가 비전도성 액체에 잠기게 되며, 장비에서 발생한 열이 액체로 바로 전달되어 빠르게 제거됩니다. 이 방식은 공기(공랭식)나 물(수랭식)보다 훨씬 더 높은 열전달 효율을 제공합니다. 또, 팬과 같은 공기 순환 장비가 필요하지 않기 때문에 소음도 크게 줄어듭니다.

무엇보다도, 기존 공랭식 시스템 대비 냉각 전력이 감소하기 때문에 전체 전력 소비량을 약 30% 줄일 수 있으며, 그에 비례하여 탄소배출 감축 효과도 증가합니다. 다시 말해 액침냉각은 데이터센터의 에너지 효율성을 극대화하면서 탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 혁신 기술로, 글로벌 탄소중립 목표를 실현하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

AI 시대, 데이터센터 시장을 선도할 이는?

액침냉각이 기존의 공랭식 시스템과 구성부터 차이가 있다는 것은, 기존의 공랭식 냉각 시장을 선점하고 있는 기업이 액체기반 냉각 시장에서도 그 우위를 보장받을 수 없고, 다시 동일한 출발선상에 서게 된다는 의미이기도 합니다. 이것은 위기일 수도 있지만 기회가 될 수 있는 변화입니다.

때문에 업계 전문가들은 액침냉각이 데이터센터 발전에 있어 게임체인저(Game Changer)가 될 수 있을지 주목하고 있습니다. 브라운관에서 PDP 또는 LCD로 변화하는 시기의 TV 산업, 피처폰에서 스마트폰으로 변화하는 시기의 휴대폰 산업처럼 데이터센터 시장에서도 부동의 글로벌 플레이어가 무너지고 새로운 강자가 나타날지, 아니면 기존 시장을 주도했던 플레이어가 새로운 액침냉각 시스템의 발전을 주도하여 강자의 자리를 공고히 할지 지켜보고 있는 것입니다.

한편, 새롭게 변화하는 시장에서는 필연적으로 구성요소의 변화가 이뤄지며, 이에 따른 새로운 사업 대상도 생성됩니다. 액침냉각 시장에서 주목할 만한 대표적인 구성요소는 ‘엔지니어링 냉각 유체(Engineered Fluids)’입니다.

액침냉각은 공기보다 열 전도율이 상당히 높은 전기 비전도성 유전체 유체를 사용합니다. 일반적인 물은 전기 전도성이 있어 전자부품을 파손시키기 때문에 액침냉각에 사용되는 유체는 전류가 흐르는 전자부품과 안전하게 접촉이 가능한 액체여야 하죠. 뿐만 아니라, 최근 환경이슈와 맞물려 저점도, 높은 유전체 강도, 무색, 무향, 무독성, 무알레르기, 장수명, 친환경 등 사용 안전성 및 화학적 안정성이 엄격하게 요구됩니다.

액침냉각 시장이 발전하기 위해서는 관련 애플리케이션과 엔지니어링 유전체 유체를 개발 및 생산하는 것이 급선무인 상황입니다. 그러나 누가 할 것인가는 아직 정해진바가 없죠. 이것이 바로 누군가에게는 기회가 될 수 있을 것입니다.

‘자율주행’을 가능하게 만드는 핵심 기술은 무엇인가?

센터플러스 — Wed, 31 Jul 2024 10:05:53 +0900

서울과학기술대학교 기계자동차공학과 조교수 정용환

아침 출근길. 커피 한 잔을 손에 들고 차에 올라탄 순간, 차량이 별도의 제어 활동 필요 없이 스스로 운전을 시작한다면 어떨까요? 아마 차창 밖으로 펼쳐지는 도시의 풍경을 바라보거나, 오늘의 뉴스 헤드라인을 확인하거나, 중요한 업무 메일을 체크할 여유가 생길 것입니다.

과거에는 공상과학 영화나 상상을 통해서만 가능했던 일이 이제는 점점 현실로 다가오고 있습니다. 바로 ‘자율주행’ 기술 덕분입니다. 그렇다면, 자율주행을 가능하게 만드는 핵심 기술은 무엇일까요? 지금부터 자율주행의 심장이라고 할 수 있는 주요 기술들에 대해 알아보겠습니다.

자율주행 핵심기술 ① 시각 정보 기술 ‘라이다’와 ‘비전’

자율주행은 사람을 대신하여 ① 자동차가 스스로 주행 환경을 ‘인지’하고 ② 이를 바탕으로 상황을 ‘판단’하며 ③ 판단에 따라 안전하게 주행할 수 있도록 차량을 ‘제어’하는 기술을 의미합니다. 이중 가장 첫 단계인 ‘인지’는 사람으로 따지자면 도로의 정보를 시각을 활용하여 파악하는 과정에 해당합니다. ‘라이다’와 ‘비전’은 사람의 눈을 대신하여 주행 환경을 인식하는 핵심 기술로 꼽히죠.

먼저 ‘라이다(LiDAR: Light Detection And Ranging)’는 자율주행 기술을 구현하기 위한 핵심 센서입니다. 레이저 펄스를 발사하여 반사된 빛을 분석하여 주변 정보를 이미지화 합니다.

최근 ADAS(첨단 지능형 운전자 보조 시스템)를 뛰어 넘는 기술로 주목받고 있는 라이다 센서의 개념은 사실 이미 약 100년 전에 등장했습니다. 1930년대 아일랜드의 물리학자인 에드워드 허친슨 신지(Edward Hutchinson Synge)가 고안했죠. 그는 당시 강력한 탐조등인 서치라이트를 이용해 대기를 조사하는 방식을 구상했는데, 1960년에 들어서 휴즈 항공산업이 이 방식의 대기 측정 시스템을 도입하면서 본격적으로 산업 현장에 등장했습니다. 그리고 이후 점차 소형화·첨단화 되어 현재는 △항공 △우주 △지질 분석 △로봇 △자율주행 등의 분야에서 널리 활용되고 있습니다.

라이다는 빛의 일종인 레이저를 이용하여 주변을 스캐닝하기 때문에 매우 정확하게 거리 및 방위 정보를 획득할 수 있습니다. △라이다에서 발산한 빛이 반사되어 돌아오는 시간을 측정하는 ToF(Time of Flight) 방식, 또는 △라이다가 발산한 빛과 반사되어 되돌아온 빛의 위상 변화량을 측정하는 위상변이(Phase shift) 방식으로 거리를 측정하죠. 특히 먼 거리의 객체들을 인식해야 하는 차량환경에서는 일반적으로 ToF 방식이 사용되고 있습니다.

라이다는 매 측정 순간마다 수천개의 빛을 발사하여 차량 주변의 3차원 공간을 실시간으로 시각화합니다. 이를 통해 사람의 눈으로 직접 본 것과 같은 주행 환경을 구현해 내는 것입니다.

그런데 라이다처럼 사람의 눈과 흡사하게 세상을 바라볼 수 있는 장치가 있습니다. 바로 카메라입니다. 카메라는 빛을 인식한다는 점에서 사람의 눈과 매우 흡사한 구조를 가지고 있습니다. 카메라의 렌즈는 눈의 각막 및 수정체의 역할을 하고, 이미지 센서는 망막의 역할을 하죠.

자율주행을 실현하는 또 하나의 시각 정보 기술 ‘비전(Vision)’은 바로 이 ‘카메라’를 통하여 주변 환경의 데이터를 수집합니다.

조금 더 면밀히 들여다보자면, 비전은 차량 주변에 설치된 여러 대의 카메라를 통해 모든 방향의 시각 정보를 수집합니다. 그리고 비전이 탑재된 차량은 카메라를 통해 수집한 정보를 딥러닝 기술로 학습하여 차량 앞에 어떤 장애물이 있는지, 현재 도로의 상황은 어떠한 지 등을 예측하면서 자율주행을 실현합니다.

비전은 사람이 눈으로 보는 것과 가장 유사한 인지 기술이기 때문에 자율주행 기술 구현을 위한 핵심 기술로 평가받고 있습니다. 특히 비전에 탑재되는 카메라는 라이다와 비교했을 때 상대적으로 매우 저렴하기 때문에 자율주행 상용화에 있어 매우 중요한 역할을 할 것으로 보입니다.

한편, 비전 기술 구현을 위한 자율주행용 카메라로는 렌즈가 한 개인 모노 카메라와 두 개의 렌즈를 갖는 스테레오 카메라가 주로 활용됩니다.

이중 스테레오 카메라는 이미지로부터의 거리를 사람이 양쪽 눈을 통해 거리를 인식하는 것과 같은 원리로 계산할 수 있어 모노 카메라 대비 더 정밀한 환경 인식이 가능합니다. 다만 모노 카메라와 비교했을 때 알고리즘의 복잡성이 높아 고성능 프로세서가 요구된다는 것이 단점으로 꼽혀 왔는데요. 최근에는 반도체 기술이 발전을 거듭하면서 일부 차종에 본격적으로 활용되고 있습니다.

하지만 여전히 개선돼야 하는 부분도 있습니다. 신뢰도 높은 비전 기술을 구현하기 위해서는 다량의 데이터에 기반한 딥러닝 기술이 요구되기 때문입니다. 즉, 비전 기반 자율주행차 구현의 열쇠는 자율주행 기술 개발사의 데이터 수집력과 분석 기술력이라고 할 수 있습니다.

자율주행 핵심기술 ② 위치 정보 기술 ‘SLAM 알고리즘’

방안을 자유자재로 돌아다니며 청소하는 로봇청소기. 음식점을 돌아다니며 서비스를 제공하는 서빙 로봇. 이제는 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 ‘로봇 기술’입니다. 그런데 이 로봇들은 대체 어떻게 실내를 자유롭게 돌아다니며 자신의 역할을 수행하는 것일까요? 이들은 스스로 만든 위치 지도를 활용하여 자신의 위치를 추정합니다. 이를 통해 장애물을 피하기도 하고, 목적지를 찾아 이동할 수도 있죠.

이처럼 미지의 환경을 센서로 스캐닝하여 자신의 위치를 파악하면서 지도를 그려가는 방법을 SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)이라고 합니다. SLAM은 운전자의 조작없이 스스로 도로를 주행하는 자율주행차에 있어서도 매우 중요한 기술입니다.

SLAM에서 지도를 그려 나가기 위해서는 센서를 통해 측정한 정보를 쌓아야 합니다. 이때, 사용되는 센서의 종류에 따라 비주얼 SLAM(Visual SLAM)과 라이다 SLAM(LiDAR SLAM)으로 구분됩니다.

이중 비주얼 SLAM은 카메라로 획득한 이미지 정보에서의 특징점의 이동을 바탕으로 오도메트리(Odometry: 모션 센서 데이터를 사용하여 시간 경과에 따른 위치 변화를 추정하는 것)를 측정하여 SLAM 기술을 구현한 것입니다. 비주얼 SLAM은 카메라 종류에 따라 세부적으로 모노 카메라 SLAM과 스테레오 카메라 SLAM으로 나뉩니다.

라이다 SLAM은 라이다를 활용하여 정밀 측정한 포인트 클라우드를 활용하여 지도를 생성하고 위치 추정을 수행합니다. 라이다 SLAM은 비주얼 SLAM과 유사하게 라이다 포인트 클라우드로부터 특징점들을 찾고, 이를 매순간 매칭하여 오도메트리를 측정하는 방식으로 SLAM 기술을 구현합니다. 앞서 소개한바와 같이 라이다는 레이저를 쏘아 주행 환경을 스캐닝하는 방식이기 때문에 비주얼 SLAM과 달리 조도가 낮은 환경에서 SLAM을 구현할 수 있습니다.

또, 최근에는 SLAM의 정확성을 향상시키고 안정적인 위치 추정을 수행할 수 있게 하기 위하여 카메라, 라이다, IMU(Inertial Measurement Unit), GPS 등의 다양한 센서를 활용하는 멀티 센서 퓨전 SLAM(Multi-Sensor Fusion SLAM)이 연구되고 있습니다.

자율주행 핵심기술 ③ 주행 환경 및 정보 통신 기술 ‘V2X’

자율주행을 실현하기 위해서는 주행 환경에 대한 정확한 인식이 필요합니다. 하지만, 차량에 장착된 센서에만 의존한다면 사각지대나 인지 성능의 한계로 인해 완벽한 자율주행 구현에 어려움이 따를 수 있습니다. 이러한 한계점을 보완하기 위하여 무선 통신 기술을 통해 자율주행차가 주변 기기 또는 인프라로부터 데이터를 주고받음으로써 주행 환경을 보다 정확하게 인식하는 기술을 ‘V2X(Vehicle-to-Everything)’라고 부릅니다. 그리고 이는 자율주행차와 소통할 수 있는 대상이 무엇인지에 따라 다음과 같은 하위 기술로 구성됩니다.

1) V2V(Vehicle to Vehicle)

차량 간의 통신 기술을 의미합니다. 차량간 통신을 통해 각자의 위치, 속도 정보와 주변 교통 상황 정보 등을 공유하며 자율주행차의 인식 범위를 확장할 수 있습니다.

2) V2I(Vehicle to Infrastructure)

차량과 도로변에 설치된 기지국과의 통신을 통해 인프라와 통신하는 기술을 의미합니다. 인프라는 V2I로 연결된 차량의 주행 정보를 수집하여 중앙 서버에서 분석하게 됩니다. 이를 통해 차량은 인프라로부터 교통상황 및 사고정보 등 차량에서 직접 인식할 수 없는 정보를 얻을 수 있습니다.

3) V2P(Vehicle to Pedestrian)

차량과 보행자 간의 통신 기술을 의미합니다. 차량은 V2P를 통해 보행자의 위치와 이동 경로를 정확하게 파악할 수 있어 추돌 사고 등을 사전에 방지할 수 있습니다. 또한 차량의 이동 정보를 주변의 보행자에게 송신함으로써 보행자의 향후 이동 경로를 결정하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

이 모든 기술을 아우르는 V2X는 차량과 차량, 인프라, 보행자 등 다양한 교통 참여자가 각각의 정보를 공유함으로써 자율주행의 완성도를 높이는 주요 기술입니다. 하지만 무선 통신을 통해 상호 연결되므로 사이버 보안에 대한 우려가 있으며, 원활한 통신을 위한 인프라의 개발이 요구됩니다.

오늘 소개한 라이다와 비전, SLAM 알고리즘, V2X는 자율주행 구현을 위한 3가지 핵심 기술입니다. LiDAR와 비전이 사람의 눈을 대신하여 주행 환경을 인식하고, SLAM 알고리즘을 통해 자율주행차가 스스로 지도를 만들고 위치를 추정하여 미지의 환경을 주행할 때, V2X 기술이 주변의 차량, 인프라, 보행자 등과 통신을 하며 자율주행의 완성도를 높일 수 있습니다.

이 같은 기술의 융합은 운전의 개념을 재정립하며, 우리를 보다 편리하고 안전한 미래로 이끌어줄 것입니다. 앞으로 다양한 요소 기술들이 탄탄한 발전을 거듭하여 더욱 완벽한 자율주행차가 등장할 수 있기를 바랍니다.

내연기관 자동차와는 다른 전기차의 구동원리, <회생제동>이란 무엇일까?

센터플러스 — Mon, 29 Apr 2024 10:18:59 +0900

한국폴리텍대학 광주캠퍼스 스마트전기자동차과 교수

공학박사 인곡 홍성인

내연기관 자동차의 제동장치

기존 내연기관 자동차의 제동장치는 자동차를 감속 또는 정지시키거나 주차 상태를 유지하기 위하여 사용된다. 일반적으로 마찰력(브레이크 패드 등)을 이용하여 자동차의 주행 중 생성된 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 제동 작용을 하는 것이다. 내연기관 자동차의 경우 운전자가 운전 중 액셀러레이터 페달을 놓으면 관성주행을 하면서 동시에 약간의 엔진 브레이크가 작동 하면서 감속이 진행된다.

내연기관 자동차: 운동에너지 → 열에너지 = 에너지 소멸

전기자동차의 제동장치 <회생제동>

전기자동차도 내연기관 자동차처럼 유압식 브레이크가 장착되어 있다. 다만, 내연기관과 다른 점은 엔진이 없다는 것이다. 엔진이 없는 관계로 엔진 브레이크 대신 전기모터가 발전기 역할을 하면서 발전과 감속이 동시에 진행된다. 이것이 바로 회생제동이다. 다시 말해, 전기자동차의 회생제동은 구동 모터를 발전기로 사용하여 발생하는 전기(AC)를 통해 제동력을 얻는 방식이다.

전기자동차는 일반적인 브레이크와 회생제동 두 가지 시스템을 같이 사용한다. 정해진 제동력 내에서 유압 제동과 회생 제동의 비율을 조절한다. 전기자동차는 회생제동을 우선적으로 사용한 뒤 유압 제동을 하는 구조를 가진 덕분에 브레이크 시스템의 부담이 적은 편이다.

회생제동의 역할: 배터리 충전

인버터(AC*→DC**)를 적절히 제어해 고전압 배터리 충전이 가능하다. 가속 페달에서 발을 떼는 순간부터 배터리 충전이 시작되는데 이는 모터의 속성을 알면 이해가 쉽다.

*AC: alternating current, 교류 전기

**DC: Direct Current, 직류 전기

구동 모터의 코일은 회전자에 있는 자석에 반발하는 자기장이 생성되는데, 코일에 전력을 공급할 때는 모터가 구동해서 자동차가 주행한다. 반대로 제동 시에는 자동차의 운동력이 거꾸로 진행되어 자석이 코일에서 전기를 발생시키게 되고 이렇게 발생 된 전기를 인버터(AC→DC)를 통해 배터리에 충전할 수 있는 것이다.

전기자동차 : 운동에너지 → 전기에너지 = 재사용(충전)

이렇게 회생제동의 충전을 통한 에너지 환수율은 배터리 용량과 모터의 종류, 차량에 따라 차이가 있지만, 보통은 최대 60~70% 정도의 에너지를 회수할 수 있다고 알려져 있다. 전기자동차의 회생 제동은 에너지 손실을 최소화하여 주행 가능 거리를 약 20~30% 향상시키는데 연비개선 효과가 매우 크며, 특히 내리막길과 가속 및 감속이 반복되는 도로를 주행 시에 연비 향상의 효과가 뛰어나다.

전기자동차의 제동 원리

전기자동차 제동 시스템은 제동 중 배터리 충전을 위해 회생 제동 브레이크 시스템인 능동 유압 부스터 즉 AHB*를 적용한다. 능동 유압 부스터(AHB)는 운전자 요구에 따른 총 제동량을 제어 유닛으로 송부하고, 모터 회생 제동량에 따른 유압 제동량을 보정하는 역할을 한다. 차종에 따라 다르지만 0~3단계로 나누어져 회생제동의 크기를 상황에 맞게 선택할 수 있다. (자세한 설정 방법은 차량 취급설명서 참고)

*AHB : Active Hydraulic Booster, 능동 유압 부스터

회생 제동 시 차량통합제어기는 능동 유압 부스터(AHB)로 부터 회생 제동 요청량, 배터리 관리시스템(BMS**)로부터 가용 파워, 모터제어기(MCU***)로부터 모터 가용 토크 등의 정보를 받아서 회생 제동을 위한 모터 가용 토크를 계산하고 전체 회생 제동이 실행하는 양인 회생제동 실행량을 명령하는 역할을 한다.

**BMS : Battery Management System, 배터리 관리 시스템

***MCU : Motor Control Unit, 모터 컨트롤 유닛

이러한 기능으로 인하여 감속 시에는 약간의 울컥거림이 발생하는데 주행감이 떨어지고 멀미 현상이 일어날 수도 있으므로 회생제동 단계를 0~3단계를 적절히 조절하면 된다. 또한 엔진 브레이크와 같은 꾸준한 제동력을 유지한 상태로 가파른 언덕을 내려오고 싶다면 회생제동의 단계를 올려주는 등 주행환경에 따라 회생 제동 단계를 조절할 수 있다.

다음과 같은 경우 회생제동이 약하게 작동될 수 있다.

1. 고전압 배터리 SOC* 100%

2. 고전압 배터리 온도가 너무 높음

3. 고전압 배터리 온도가 너무 낮음

*SOC : State Of Charge, 충전 상태

전기자동차는 고전압 전기를 이용하여 모터의 구동력으로 운행되는 운송 수단이다. 그러하기에 항상 고전압 감전 위험에 노출되어 있고 사고나 고장 시에도 고압전기의 활선 상태로 사고처리 및 수리를 진행하기 때문에 반드시 전문가의 취급이 요구되므로 운전자 분들은 차량 계통의 점검(일상점검) 시 반드시 전문가의 도움을 받아야 안전하다. 특히 주황색으로 되어있는 배선은 고전압(400V, 800V)이 흐르므로 절대 만지지 말아야 한다. 전기자동차는 여러 가지 장단점이 있기에 취급(사용)설명서를 충분히 숙지하시고 사용하기를 바란다.

소방차부터 캠핑카까지! 특수 목적용 차량의 관리법

센터플러스 — Wed, 31 Jan 2024 10:22:09 +0900

중부대학교 자동차시스템공학전공 이흥식 교수

특수 목적용 차량이란 사전적 의미로 ‘어떤 특수한 활동에 적당한 차체와 장비를 갖춘 차량’을 의미한다. 즉, 특수 활동에 최적화된 개조를 거친 차량들이다. 이러한 특수 목적용 차량들은 우리 생활에서 다양한 형태로 사용되고 있다.

경찰차, 소방차 등 관공용으로 쓰이는 차량은 물론 이삿짐을 옮기는 사다리차, 캠핑 용도에 맞게 개조한 캠핑카 등도 특수 목적용 차량에 속한다. 특수차량으로 분류되는 특장차는 사용목적에 따라 구조가 달라진다. 대표 범주는 크게 관공용으로 쓰이는 ‘공공차량’, 고층 작업이나 화물운반에 특화된 ‘고소작업차량’, 기타 세분화된 목적에 맞게 설계된 ‘다목적 차량’으로 나누어 볼 수 있다.

1. 특수 목적용 차량의 주요 역할

1) 고층 작업용 ‘고소작업차량’

높은 층에 화물을 옮기거나 고층 작업을 할 때 쓰이는 고소작업차량은 크게 ‘카고크레인’, ‘고소작업차’, ‘사다리차’ 등 세 가지 차종으로 구분된다. 우선 카고크레인은 무거운 화물을 고층까지 운반하는 데 특화됐다. 갈고리 형태로 생긴 크레인 끝부분에 화물을 매달면 이를 들어 올려 고층까지 운반하는 형태다. 크레인의 성능은 화물을 들어 올리는 인양능력과 무게를 버티는 하중능력, 그리고 최대로 크레인이 최대로 닿을 수 있는 작업반경과 작업높이 등으로 평가된다.

고소작업차와 사다리차는 비슷한 성격을 띤다. 다만, 크레인 형태에 조금 차이가 있다. 고소작업차는 크레인 끝부분에 사람이 탑승할 수 있는 바구니 형태의 탑승구를 장착한 반면, 사다리차는 물건을 옮기기 쉽게 끝부분이 평평한 형태다. 사용하는 목적도 조금 다르다. 고소작업차는 가로등 보수, 간판 작업 등 고층에서 오랜 시간 머물러야 할 때 사용되며, 사다리차는 이삿짐 운반 등 간단한 화물을 상·하차하거나 비교적 높은 건물에 물건을 운반할 때 활용된다.

2) 다양한 형태의 ‘공공차량’

경찰·소방 등 관공용으로 쓰이는 공공차량은 사용 기관의 성격에 따라 종류가 나뉜다. 가령 경찰용의 경우 피의자나 죄수를 호송하는 ‘호송차’가 주력 특수차량이다. 호송차는 대부분 밴이나 중·대형버스를 개조해 제작한다. 창문에 철창을 달고, 내부 격문을 설치하는 등 호송 중인 피의자나 죄수가 탈출하지 못하게 보안성을 높인 것이 특징이다.

소방용의 경우 화재 진화에 필수적인 ‘펌프차’와 ‘물탱크차’가 주를 이룬다. 펌프차의 경우 대개 중형트럭 섀시에 물탱크와 고성능 펌프를 얹는다. 구동 방식은 차량에 장착된 동력인출기(PTO, Power Take-Off)’를 변속기에 연결해 작동시키면 호스에서 물을 방출하는 형태다. 용량은 보통 2,800리터의 물과 200리터의 소화약제를 탑재할 수 있는 수준으로 제작된다. 물탱크차는 펌프차를 지원하는 성격이 강하다. 물을 공급하는 목적으로 운용되는 차량인 만큼 펌프차보다 월등히 많은 5,000~6,000리터의 물을 실을 수 있다.

3) 다목적의 특수차량

갖가지 목적에 특화된 다목적 차량도 특수차량의 한 종류다. 대표적인 특수차량으로는 의료차, 복지차, 집무차, 방송차, 캠핑카 등이 있다. 그중 가장 많은 운행대수를 보유한 것은 복지차량이다. 어린이통학버스, 장애인 수송차 등이 다수 등록되어 있다. 복지차량은 대부분 교통약자를 위해 개조된 만큼 승·하차 편의성과 안정성을 강화한 것이 특징이다. 어린이통학버스의 경우 보조발판과 조절식 안전벨트를, 장애인 수송차의 경우 휠체어리프트나 슬로프를 설치한 것이 대표적이다.

집무차와 캠핑카도 영역을 넓혀가고 있다. 이동성 및 주거성 확보에 특화된 이 차종들은 크게 부수차를 끌고 다니는 트레일러 형태나 차체를 개조하는 두 가지 형태로 제작된다. 집무차의 경우 차체 자체를 개조하는 경우가 많고, 캠핑카는 견인형 트레일러가 대세다.

이 밖에 방송사에서 사용하는 방송차량도 있다. 방송용으로 등록된 차량은 대부분 중계차인데, 스튜디오가 아닌 현장에서 진행되는 스포츠, 쇼, 콘서트, 드라마 등을 중계하는 역할을 한다. 차급은 주로 중·대형 트럭이다. 차량 내부에 방송영상을 송출하기 위한 다양한 방송장비가 구비되다 보니 넓은 공간이 필요해서다. 아울러 고가의 방송장비를 보호하고, 원활한 방송 중계를 돕기 위해 단열, 방수, 방음 등에 효과적인 소재로 작업공간을 제작하는 경우가 많다.

2. 특수 목적용 차량의 엔진오일 관리

특수 목적용 차량은 일반 화물차와 달리 특정한 목적을 위해 설계된 차량으로, 일반 화물차보다 부품 관리가 더욱 중요하다. 그 중 엔진오일은 엔진의 마모를 방지하고 윤활을 도와주는 역할을 한다. 따라서 엔진오일은 정기적으로 교환해야 한다. 특수 목적용 차량의 경우, 일반 화물차보다 고 하중이나 고속 운행을 하는 경우가 많으므로, 엔진오일 교환 주기를 짧게 설정하는 것이 좋다. 일반적으로 5,000km~ 10,000km마다 엔진오일을 교환하는 것을 권장한다.

*정확한 엔진오일 교환주기는 차량제조사 매뉴얼을 참고할 것.

3. 일반 승용차와는 다른 예외적인 관리사항

1) 에어드라이

에어드라이(Air Dryer)는 에어컨 시스템의 압축기에서 나온 압축된 냉매를 응축시키기 위해 사용하는 부품이다. 에어드라이에는 에어 필터와 흡수제가 들어 있어 냉매에 포함된 수분이나 오염물을 제거하는 역할을 한다. 에어드라이의 수명은 일반적으로 2 ~ 3년 정도이다. 에어드라이의 수명이 다하면 새 에어드라이어로 교체해야 한다.

* 에어드라이 관리 시 주요사항

- 주기적으로 에어 필터를 청소하거나 교체한다.

- 에어드라이의 흡수제 상태를 주기적으로 확인한다.

- 에어드라이의 누유 여부를 주기적으로 점검한다.

2) 요소수

요소수는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템에서 배출되는 질소산화물을 질소와 물로 전환하기 위해 사용하는 물질이다. SCR 시스템은 디젤 엔진을 장착한 차량에 필수적으로 장착되는 시스템이다. 요소수의 양이 부족하면 SCR 시스템이 제대로 작동하지 않아 배출가스 기준을 만족하지 못할 수 있다.

* 요소수 관리 시 주요사항

- 요소수 탱크의 요소수 양을 주기적으로 확인한다.

- 요소수 탱크의 뚜껑을 덮지 않고 주행하지 않는다.

- 요소수의 유통기한을 확인한다.

3) 화물차 연료필터

화물차 연료필터는 연료에 포함된 불순물을 제거하는 역할을 하는 필터이다. 화물차는 일반 승용차와 달리 연료탱크의 용량이 크고, 연료의 양을 많이 주입하는 경우가 많으므로, 연료필터의 관리가 더욱 중요하다. 연료필터의 수명은 일반적으로 10,000km ~ 20,000km 정도이다. 연료필터의 수명이 다하면 새 연료필터로 교체해야 한다.

* 연료필터 관리 시 주요사항

- 연료필터의 교환 주기를 준수한다.

- 연료필터의 상태를 주기적으로 점검한다.

특수 목적용 차량의 경우, 일반 화물차보다 고 하중이나 고속 운행을 하는 경우가 많으므로 더 각별히 차량 점검에 신경을 써주어야 한다. 특수 목적용 차량의 부품 관리와 차량 관리를 철저히 함으로써 차량의 안전과 성능을 유지하고, 비용 절감에도 도움이 될 수 있다.

자동차 배기가스를 정화하는 촉매변환기의 모든 것

센터플러스 — Mon, 30 Oct 2023 10:19:46 +0900

김 필 수 (김필수 자동차연구소 소장, 대림대 교수)

내연기관차의 장점은 연비나 유지비, 자동차의 완성도는 물론이고 내구성 등 장점이 이루 말할 수 없으나 가장 큰 취약점은 다양한 배출가스가 존재한다는 것이다. 특히 아무리 좋은 내연기관차 내지는 하이브리드차라고 하여도 결국 엔진을 가동하면 배출가스는 배출되는 만큼 다양한 배기후 처리장치를 통하여 최대한 배출가스를 줄이는 것이 핵심이라 할 수 있다. 자동차의 배출가스는 이산화탄소, 질소, 물 등 인체에 무해한 가스도 있지만 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물은 물론이고 매연 등 직접적인 영향을 크게 주는 유해 가스도 많다는 것이다.

촉매변환기의 등장

40~50년 전에는 대부분의 배출가스에 대한 규제가 없었으나 1970년대 초에 배기후 처리장치인 촉매변환기(Catalytic Converter)가 배기가스 배출 중간 부위에 탑재되면서 규제가 시작되었다. 이 장치는 백금*이나 팔라듐**, 로듐***등 부가가치가 높은 귀금속을 많이 함유하여 화학작용을 통하여 각종 배출가스를 줄이는 작용을 한다.

*백금: 밀도가 높고 연성과 전성이 좋은 은백색의 귀금속

**팔라듐: 백금에서 분리된 금속으로 자동차 촉매 전환기에 백금과 함께 기체의 촉매로 사용됨

***로듐: 천연 합금 형태로 백금이 들어있는 광석에 함께 들어 있는 백금족 금속 중 하나

1970년대 초에는 이원 촉매 기능이라고 하여 백금과 팔라듐은 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 물 등으로 환원하는 역할을 담당하였으나 점차 환경 기준이 강화되면서 1980년대 초에 삼원 촉매 기능이 강화되면서 부가된 로듐이 질소산화물을 질소로 환원시키는 작용을 하게 되었다. 물론 그렇다고 완전히 없애는 것은 아니고 감소시키는 역할을 한다고 판단하면 된다. 사계절 특히 겨울철 배기구를 통하여 물이 많이 배출되는 경우를 많이 보게 되는데 엔진에서 완전연소를 이끌면서 배출가스가 그만큼 줄어든다는 뜻이다.

연료에 따른 배기후 처리장치의 종류

가솔린 : 삼원 촉매변환기

내연기관차는 엔진에 따라 원리도 다르고 배출가스도 다른 만큼 각각에 특징에 맞는 배기 후 처리장치가 장착된다고 할 수 있다. 가솔린차는 디젤차 대비 배출되는 가스가 적은 만큼 장착되는 배기후 처리장치는 디젤차 대비 훨씬 적다고 할 수 있다. 가솔린차는 삼원 촉매변환기(TXC)가 장착되어 있고 최근에는 가솔린 미립자 필터(GPF)도 장착을 고려하면서 가솔린 엔진에서 배출되는 입자상 물질(PM)를 포착, 제거하는 장치도 중요해지기 시작했다고 할 수 있다.

디젤 : 디젤산화촉매장치 / 배기가스 재순환장치 / 선택적 환원촉매장치

상대적으로 디젤차는 배기후 처리장치가 매우 다양하고 많다고 할 수 있다. 배기가스 중 일산화탄소와 탄화수소를 줄이기 위하여 디젤산화촉매장치(DOC;Diesel Oxidation Catalyst)가 장착되어 약 80% 이상 줄이는 효과가 있다고 할 수 있다. 또한 질소산화물을 제어하여 더욱 감소시키는 배기가스 재순환장치(EGR;Exhaust Gas Recirculation)이 장착되고 있고 여기에 더욱 질소산화물을 줄이는 선택적 환원촉매장치(SCR;Selective Catalytic Reduction)가 장착되어 운행되고 있다.

- 배기가스 재순환장치(EGR)

EGR은 엔진의 연소특성이 고온, 고압에서 잘 연소되면 탄화수소나 이산화탄소는 줄어드나 도리어 질소산화물은 급증하는 특성을 개선하고자 배출가스 일부를 다시 엔진에 유입시켜 반응 온도를 낮추어 질소산화물을 줄이는 방법으로, 의무적으로 장착된 장치라 할 수 있다. 그러나 낮아진 엔진 반응 온도로 인하여 연비 저하, 출력 저하 등의 문제점도 발생하고 있다. 엔진의 반응이 워낙 복합적이라 모든 배출가스를 완벽하게 제어하기란 불가능하기 때문이다. 즉, 상대적인 반응이 달라진다는 뜻이기도 하다. 보통은 디젤 차량에 장착되지만 간혹 가솔린 차량에도 장착된다.

- 선택적 환원촉매장치(SCR)

현재 디젤 차에 모두 장착되는 다중 질소산화물 장치 중 SCR은 마지막 부위에 장착되는 저감장치라 할 수 있다. 질소산화물은 공기 중 화학반응을 일으켜 미세먼지를 일으키는 주요 물질이라 할 수 있다. SCR은 요소수를 주입하여 고온의 배기가스에 분사하면 열분해 반응과 가수분해가 발생하여 인체에 무해한 질소와 물로 변환시키는 장치라 할 수 있다. 물론 일정 주행 후 정기적으로 요소수를 보충해야 하는 만큼 불편하고 비용도 추가되는 만큼 부담이 된다고 할 수 있다. 특히 고장이라도 발생하면 고가의 수리비가 소요되는 만큼 부담이 큰 장치라 할 수 있다.

약 3년 전 중국산 요소수 부족으로 발생한 요소수 문제가 바로 SCR에 소모되는 액체라 할 수 있다. 국내 소요되는 요소수의 거의 100%를 중국산에 의지하는 만큼 해외 수입 다변화를 진행하고 있으나 아직도 중국산에 의지하는 부분이 대부분이라 할 수 있으며, 최근 다시 중국에서의 요소 수출 규제가 부각되면서 긴장도를 높이고 있는 상황이다.

- 매연저감장치(DPF)

또한 인간에게 직접 폐암 등을 유발하는 1급 발암물질인 검댕이라 불리는 매연을 줄이는 매연저감장치(DPF;Diesel Particulate Filter)도 의무적으로 장착되어 있다.

*DPF 관련 콘텐츠 바로가기

촉매변환기 관리의 중요성

내연기관차는 앞으로 최소한 20년 이상은 존재한다고 할 수 있다. 아직 대부분의 차종으로 역할을 하고 있고 이를 효과적으로 제어하기 위한 배기후 처리장치는 중요한 역할을 한다고 할 수 있다. 이중 촉매변환기는 백금 등 고부가가치로 이루어져 관리가 중요한 품목이라 할 수 있다. 고장이 나면 수리 비용도 높기도 하지만 각 국가에서 도난도 많은 품목이라 할 수 있다.

캐나다와 미국 등에서는 촉매변환기 도난이 사회적 문제가 된 지 오래라 할 수 있다. 중소형 대중 모델의 촉매변환기를 훔쳐서 시장에 파는 불법 사례가 늘고 있다는 것이다. 대략 장물 가격은 30여만 원이 되지만 도난 당한 차종의 경우 차주가 새로운 촉매변환기 100~200만 원의 비용과 더불어 공임도 추가된다고 할 수 있다. 일부 차종은 엔진룸에 위치하여 훔치기 어렵지만 일부 차종은 차량 하부에 위치하여 차량을 들어 올리고 분리하여 훔치는 사례가 늘고 있는 상황이다. 국내는 드물지만 간혹 발생하는 도난사고라 할 수 있다.

자신의 차량에 어떠한 장치가 장착되어 있는지도 상식적으로 알고 있으면 도움이 될 것이다. 특히 배기후 처리장치는 차량의 수명과 함께하는 영구적 부품이 아닌 만큼 항상 관리하고 상태를 확인하면 많은 도움이 된다고 할 수 있다. 더욱이 최근에는 에너지 발생 장치에 따라 다양한 차종이 존재하는 시대이다. 가솔린차, 디젤차, LPG차, 하이브리드차, 플러그 인 하이브리드차, 전기차, 수소전기차 등에 따라 시스템이 크게 다른 차종이 존재하는 만큼 아는 것이 중요한 시대이다. 내 차의 상태를 잘 아는 것은 차량의 내구성, 유지비 등 관리 비용은 물론 환경까지도 영향을 준다. 따라서 자신의 소유 차종에 대한 상식적인 부분과 함께 차종에 따른 올바른 관리가 필요하다.

오직 나만을 위한 맞춤 자동차, 튜닝 산업의 전망

센터플러스 — Wed, 02 Aug 2023 10:30:22 +0900

아주자동차대학교 자동차튜닝전공 이제욱교수

자동차는 보행자와 승객의 안전을 위하여 자동차관리법에 의하여 엄격히 관리되어 왔으나, 튜닝시장의 가치창출에 대한 인식변화로 법과 제도 개선 및 튜닝 산업의 전반에 긍정적인 변화가 나타나고 있다.

자동차튜닝은 자동차가 출고된 이후 차량의 성능을 향상시키거나 사용목적에 적합하게 실내 및 외관을 변경하는 작업을 말한다. 대부분의 튜닝은 한국교통안전공단의 승인 절차에 따라 행하여야 하지만 경미한 튜닝의 경우 인증부품을 사용하거나 자유롭게 작업할 수 있다.

우리나라에서는 2015년 1월 자동차관리법 개정 이후 자동차 구조장치변경에서 튜닝으로 명칭이 바뀌었고, 2019년 8월 ‘자동차튜닝 활성화 대책’및 12월에는 소량생산자동차 규제완화, 튜닝창업지원, 전문인력양성 등 구체적 실행계획을 발표했다.

자동차 튜닝의 정의와 분류

자동차튜닝이란 차량 소유자가 자동차의 성능 및 외관을 변경하기 위해 구조 및 장치의 일부를 변경하거나 부착물을 추가하는 것으로 자동차의 외장(Exterior), 내장(Interior) 부품을 포함하며 사용목적에 따라 빌드업튜닝(Build up tuning)*, 튠업튜닝(Tune up tuning)**, 드레스업튜닝(Dress up tuning)***으로 구분된다. 또한 분류 주체에 따라 소비자의 취향에 따라 외관 등을 변경하는 소비자 튜닝과 자동차제작자가 옵션주문을 받고 소비자에게 판매할 목적으로 제작하는 제작자 튜닝으로 구분한다.

*빌드업튜닝(Build up tuning): 일반승합 및 화물자동차를 사용목적에 적합하게 특수한 적재함이나 차실 등의 구조를 변경하거나 원래 형태로 변경하는 튜닝

**튠업튜닝(Tune up tuning): 엔진 및 동력전달장치, 주행, 조향, 제동, 연료, 차체와차대, 연결 및 견인, 승차, 소음방지, 배출가스 발산 방지, 등화장치, 완충장치 등의 성능 향상을 목적으로 하는 튜닝

***드레스업튜닝(Dress up tuning): 주로 개인의 취향에 맞게 자동차를 꾸미기 위하여 외관을 변경, 색칠하거나 부착물 등을 추가하는 튜닝

[출처 : 한국교통안전공단]

국내 자동차튜닝 시장 현황

2022년 기준 우리나라 자동차 등록대수는 총 25,503,078대(출처: 통계청)로 자동차 생산을 보면 자동차용 반도체 수급난 완화등에 따라 생산량이 전년동월 대비 13.2% 증가한 30.7만 대에 달하며 수입자동차 시장도 점차 회복되고 있다.

우리나라의 자동차 산업은 세계 5번째로 규모가 큰 것에 반해 우리나라 자동차 튜닝 시장의 규모는 2012년 기준 약 5,000억원 규모에 불과하였으나, 지난 2013년 국토교통부의 자동차 튜닝산업 진흥대책을 발표하면서 각종 불필요한 규제를 완화하는 등 자동차 튜닝 시장을 확대시키고자 하는 노력이 진행되고 있으며, 2016년 2조1000억원 규모에서 2020년 5조9000억원 규모로 성장했다. 오는 2030년에는 10조5000억원 규모로 커지고, 관련한 일자리는 2020년 5만1000명에서 2030년 7만4000여명으로 늘어날 것으로 전망된다.

국내 자동차튜닝 시장 전망

빌드업 튜닝(Build up tuning)

한국자동차제작자협회를 중심으로 자동차제작에 대한 기술개발 촉진과 상호협력사업, 기술인력의 양성 및 자동차인증 및 튜닝검사에 대한 지원을 하고 있다. 회원사에서는 탑차, 친환경자동차제작, 소방차, 구급차, 장애인자동차, 캠핑용자동차, 트레일러, 가변축 장착, 사다리차, 고소작업차, 구난형자동차, 방송차 등 국민의 일상과 산업의 근간이 되는 다양한 차량을 생산하고 있다. 이러한 특장차 분야는 다변화되는 사회환경에 맞추어 다품목 소량생산의 장점을 특징으로 발전해갈 것으로 예측된다.

튠업튜닝(Tune up tuning)

튠업튜닝은 대한자동차경주협회와 관련 동호회, 자동차튜닝협회, 자동차튜닝산업협회, 자동차튜너협회등이 중심이 되어 각 분야별 회원사간의 협업과 튜닝관련 부품 인증등 상호 발전되고 있다. 자동차튜닝 관련 법규의 완화로 빠르게 성장하고 있으며 소규모 전문분야별 튜닝샵이 튜닝기술의 발전과 건전한 튜닝 문화 정착에 앞장서고 있다.

드레스업튜닝(Dress up tuning)

자동차 도장의 보호와 개성을 표현하기 위한 자동차랩핑 및 PPF(Paint Protection Film)는 2000년대 중반 도입되기 시작했으며, 짧은 수명과 황변현상 그리고 시공기술의 부족으로 소비자로부터 외면당해 왔다. 그러나 최근 보호 필름에 대한 성능개선과 전문 시공점을 중심으로 시장이 확대되고 있다.

최근 드레스업 튜닝의 각광받는 분야로는 자동차유리에 자외선차단, 열차단 및 개인 프라이버시 보호등을 목적으로 특수하게 제작된 필름을 유리에 시공하는 작업인 윈도우틴팅(Window Tinting), 자동차 외관 표면을 도색하는 대신 차량 전용 시트지(필름)을 이용하여 차량의 색상을 바꿔주거나 꾸미는 작업인 자동차랩핑(Car Skin), 1960년대 군용헬기의 프로펠러 날 보호를 목적으로 개발되었으며 항공, 레이싱 등 다양한 분야에서 사용되었고 요즘에는 신차 페키지등 미래의 수익 창출 분야로 기대되는 PPF(Paint Protection Film), 물위에 얇은 필름을 띄우고 활성제(Activator*)를 도포한 후 대상 물체에 필름을 입히는 작업으로 다양한 산업에 적용 가능한 기술인 수전사(Watertransfer), 고객의 요청에 따라 제품의 표면을 아름답게 표현해 주는 페인팅인 커스텀페인팅(Custom Painting) 등이 있다.

*활성제(Activator) : 전사필름를 수조에 띄우고 인쇄패턴을 소재 표면에 평활성 및 점착성을 주기 위하여 필름의 고정층을 녹이는 물질

기존에는 소규모 전문샵에서 도제식으로 기술교육이 이루어져왔다. 그러나 최근 필름유통회사가 전문가 양성과정을 운영하고 있으며, 지자체가 운영하는 기술학교 및 전문대학의 자동차튜닝전공 등을 통해 드레스업튜닝 인력양성 분야가 확대되고 있다. 전문기술을 바탕으로한 소자본 창업이 가능하여 청년들과 직업전환을 원하는 사람들에 추천한다.

자유로운 튜닝을 원한다면? 경미한 튜닝 기준

길이•너비 및 높이

- 플라스틱 재질의 보조범퍼, 차체 및 후부에 탈•부착하는 자전거 캐리어, 스키캐리어(SnowPack/자동차 지붕에 설치하여 스키 및 보드를 운반하기 위한 고정장치), 승하차용 보조발판, 루프캐리어(Roof Carrier/부피가 큰 짐을 싣기 위해 자동차 지붕에 설치한 장치), 루프탑텐트와 어닝(Roof top tent & Awning/캠핑을 위하여 자동차 지붕에 설치한 텐트와 그늘막), 수화물 운반구(천정절개형 제외), 컨버터블 롤바(Convertible Roll bar/주로 픽업트럭의 적재함에 화물고정과 차체 보강을 목적으로 설치하는 철재 파이프), 환기장치, 무시동에어컨, 무시동 히터, 태양전지판 등

원동기 및 동력전달장치

- 흡기 및 배기다기관(Intake & Exhaust Manifold/엔진의 각 실린더에 들어가는 공기의 통로를 흡기다기관, 연소된 가스를 내보내는 통로를 배기다기관이라 함), 에어크리너(Air Cleaner/엔진의 실린더에 들어가는 공기를 정화하는 장치), 스노클(Snorkel/자동차의 도강 시 엔진의 실린더에 물이 들어가는 것을 방지하기 위하여 흡입공기 입구를 높게 연결하는 장치), 클러치디스크(Clutch Disk/엔진에서 발생되는 출력을 변속기에 전달하거나 차단할때 사용되는 부품) 및 압력판 등 변속기, 동력인출장치(PTO: Power Take Off/엔진의 회전력을 타이어의 회전 이외의 용도로 사용하고자 할때 사용되는 장치) 및 BCT공기압축기(BCT Air compressors/변속기 동력을 이용해 공기압축기 작동)

소음방지장치

- 배기관팁, 자동차관리법에 따라 자기인증을 한 소음방지 장치

조향장치

- 직경이 동일한 핸들, 핸들 손잡이, 레버손잡이(장애인운전보조장치)

제동장치

- 브레이크 자동잠금 및 해제 장치, ABS보조장치, 캘리퍼(Caliper/브레이크 패드를 브레이크디스크에 밀착시켜 바퀴의 회전을 멈추게 하는 장치) 및 부속장치 변경, 보조브레이크 페달, 가속 및 브레이크 페달, 브레이크 디스크 및 패드

연료장치 및 전기 전자 장치

- 연료절감장치

차체 및 차대

- 범퍼(Bumper/충돌 시 충격을 완화시키기 위하여 자동차의 앞과 뒤에 설치한 장치), 에어스포일러(Air Spoiler/고속 주행 시 접지력을 향상을 목적으로 공기의 흐름을 변화시켜 자동차를 밑으로 누르는 작용을 하는 장치), 에어댐(Air Dam/고속주행 시 차체가 뜨거나 저항을 막기 위한 장치), 사이드스커트(Sideskirt/차체의 옆면에 장착하여 공기의 흐름을 변환시켜 주행안정성을 향상시키는 장치), 후드/윈도우 디프렉터(Hood/Window Deflector/공기저항을 낮추기 위하여 설치하는 장치), 후드스쿠프(Hood Scoop/엔진룸 덮개의 터보차져 공기흡입구), 윈도우썬바이져(Window sunvisor/창틀에 설치하여 빗방울이 실내로 들어오는 것을 방지하고 햇빛을 가리는 장치), 범퍼가드(Bumper Guard/범퍼를 보호하는 부품), 그릴가드(Grill Guard/앞범퍼 전면 또는 상단에 설치하여 차체를 보호하는 장치), 썬루프(Sun Roof/ 내부 환기와 개방감을 위하여 지붕에 설치하는 창문) 등

연결 및 견인장치

- 단순한 전기식 윈치, 자동차관리법에 따라 자기인증을 한 연결장치

승차장치 및 물품적재장치

- 화물자동차의 적재함 내부 칸막이 및 선반, 밴형화물자동차 적재장치의 창유리, 픽업덮개 제거, 화물자동차 난간대 제거, 롤바, 픽업형 난간대

등화장치

- 자동차관리법에 따라 자기인증을 한 등화장치, LED번호등, 경광등 제거, 튜닝부품인증된 부품 설치

아직까지 한국 튜닝시장의 잠재력은 엄청나다. 그렇다 할만한 선두주자가 없을 뿐 더러 발전 가능성이 무궁무진하기 때문이다. 특히 현재 튜닝 산업의 부흥을 이끌고 있는 캠핑카는 정부의 정책 완화에 따라 전 차종 튜닝이 가능해졌다. 승용차에 대한 규제 또한 대폭 완화되어 절차가 간소화되고 비용도 줄어들었다. 자동차 튜닝에 관심이 있는 분이라면 이제 선택하여 직접 경험해 보는 일만 남았다. 모두가 예쁜 옷을 입고 싶은 욕구가 있는 것처럼 자동차 튜닝 또한 같은 맥락이다. 법과 제도 안에서 나만의 개성을 뽐내고 오직 자신이 원하는 미세한 영역을 맞추는 섬세한 작업에 튜닝의 매력을 느껴보시길 바란다.

[레이싱카] 궁금해? 카레이서의 엔진관리와 레이싱 노하우

센터플러스 — Mon, 24 Apr 2023 01:46:05 +0900

속이 답답하거나 자유를 만끽하고 싶을 때 도로 위를 빠르게 달리고 싶지 않으셨나요? ‘스피드’가 매력인 카레이싱! 한번쯤 시도 해 보고 싶지만 쉽게 접할 수 없어 제대로 알지 못했을 분야이기도 한데요. 모터스포츠 전문가 손성욱님의 레이싱카 엔진 관리 비법과 안전한 레이싱 노하우를 담은 카레이싱 이야기를 만나보세요.

(삼성물산 에버랜드 스피드웨이 부서장, 손성욱님)

Q1. 현재 하고 있는 일, 카레이서 경력 등 소개 부탁드립니다.

안녕하세요. 손성욱입니다. 저는 1999년 발보린컵 코리아 카트 챔피언십 준우승을 시작으로 투어링B 클래스 우승 외 시리즈 종합챔피언을 차지하는 등 카레이서로 활동하였으며, 현재 삼성물산 에버랜드 스피드웨이 부서장(파트장)으로 서킷을 총괄하고 있습니다. 뿐만 아니라 ADA(AMG Driving Academy) 치프 인스트럭터 한국자동차공학회 자작자동차대회 운영위원 그 외 다양한 모터스포츠 관련 활동을 하고 있습니다.

Q2. 일반 차량과는 다른 레이싱카가 갖는 매력포인트는 무엇인가요?

일반 차량은 운송수단의 목적으로 다양한 편의 장비와 기능, 안락함 등에 충실하여 만들어지지만 레이싱카는 오로지 빠른 기록에 최우선하여 만들어집니다. 그래서 일반 차량의 기본적인 편의장비 조차도 찾아볼 수 없습니다. '스피드'라는 목적 하나를 위해 탄생된 배경이 가장 큰 매력이 아닐까 합니다.

Q3. 레이싱카의 정비를 따로 도와주시는 분이 따로 계신가요?

미케닉(mechanic)이라고 부르는 모터스포츠 전문 정비사가 종사하고 있습니다. 레이싱카의 정비와 관리진행을 하게 됩니다. 아무래도 일반차량과는 다른 구조를 가진 부분이 많기 때문에 특화되어 있는 기술직이라고 볼 수 있습니다.

Q4. 미케닉(mechanic)의 레이싱카 엔진오일 교환은 어떻게, 어떤 주기로 이루어지나요?

미케닉(mechanic)이 매 경기마다 점검·수리·조정을 진행한다고 생각하면 됩니다. 레이스에서 최고 성능 발휘를 위한 엔진오일 및 소모품 교환을 비롯하여 차량의 전반적인 오버홀(분해/조립)과 세팅 작업을 하고 레이스를 준비하게 됩니다. 레이싱카는 항상 최대 출력을 사용하기 때문에 높은 엔진 회전수(고RPM)를 유지하게 됩니다. 보통 일반 차량이 2~3,000rpm을 사용한다면 레이스카는 5~6,000rpm 이상을 사용하게 됩니다. 그만큼 엔진의 가혹도가 높기 때문에 매 경기 또는 엔진 상태에 따라서는 더욱 짧은 주기(연습주행 전/후)로 엔진오일을 교환하기도 합니다.

Q5. 엔진 가혹도가 높다고 하셨는데, 엔진 관리에 있어서 가장 기본적이고 중요한 점은 무엇일까요?

레이스카는 한 경기를 위해 모든 셋업이 이뤄지고, 대회가 끝나게 되면 다시 전반적인 점검·수리·조정을 거쳐 다음 대회를 준비하게 됩니다. 스피드가 승부인 레이스에서는 레이싱카가 최상의 컨디션과 최고 출력을 발휘해야 하는데, 이를 위해 가장 중요한 부분 중 하나가 바로 엔진 관리입니다.

미케닉(mechanic)은 한치의 오차 없이 정비와 각 구성품 상태를 확인하며, 엔진데이터를 지속적으로 모니터링 하게 됩니다. 레이싱카 엔진은 항상 최고 출력을 사용하며, 가혹한 조건에서 사용되기 때문에 매우 민감하며, 작은 부분에도 주의를 기울여야 하죠.

드라이버는 엔진의 허용범위 내 적절한 엔진 회전수(rpm)를 사용하는 것이 중요합니다. 언급했듯이 최대 출력을 끌어내기 위해 드라이버는 지속적으로 엔진의 한계 회전 수에 근접한 주행을 하게 됩니다. 일반 차량 계기판에서도 확인 가능한 RPM 게이지의 붉은색 영역(Red zone)에 근접해 주행하기 때문에 작은 실수로 한계 rpm을 벗어나게 되면 엔진 손상에 치명적이기도 합니다. 이처럼 미케닉(mechanic)의 점검·수리·조정/세팅과 드라이버의 테크닉 조화가 엔진관리의 기본이며, 가장 중요한 부분이라 생각됩니다.

Q7. 엔진관리 외에 레이싱카를 위해 특별히 신경 써서 관리하는 부분이 있나요?

레이싱카는 1/1000초 스피드 경쟁을 하기 때문에 매우 민감한 특성을 가지고 있으며, 고속의 주행과 극한의 조건(브레이킹, 코너링 등)에서 레이싱카가 입는 피해는 상상을 초월합니다. 이러한 이유로 자동차의 부품 하나 하나가 매우 중요한 역할을 하고 레이스 중 작은 볼트 하나가 풀려서 사고가 발생하는 경우도 종종 있습니다.

따라서 극한의 스피드 속 드라이버의 안전이 매우 중요한데, 레이싱카와 드라이버 안전을 위한 전원차단장치(내 외부에 장착된 전원 킬스위치), 차량 내 화재진압 소화장치, 견고한 드라이버 버킷시트, 6점식벨트(전투기 안전벨트 타입) 등 안전 시스템에도 각별히 신경쓰고 관리해야 하는 것이 포인트입니다.

Q8. 모터스포츠를 경험해보고 싶은데, 비용과 복장 등 애로사항이 있나요?

우선 이제 막 모터스포츠에 관심을 가지기 시작한 분들을 기준으로 비용을 말씀 드리자면, 다양한 레이서 입문과정들이 있어서 본인의 상황에 따라 선택할 수 있습니다. 국내 많은 브랜드에서 드라이빙 아카데미를 운영하고 있으며, 차량과 모든 교육과정이 제공되기 때문에 아카데미를 통해 비교적 접근에 비용 부담 없이 입문할 수 있습니다.

다음으로 본인 차량이 있다면 모터스포츠의 기초 종목인 짐카나(장애물경주) 스쿨/대회 참가나 트랙 드라이빙에 입문할 수도 있습니다. 각 서킷 프로그램에 따라 차이가 있겠지만 보통 1일 서킷 주행은 30~50만원 주행료 그리고 주유비 및 차량의 각종 소모품과 이동 경비가 소요됩니다.

어느 정도 서킷 주행에 익숙해 진다면 아마추어 대회 입문을 고려해볼 수 있는데 대회 종류 및 차량에 따라 상당히 큰 차이가 있습니다. 대회 출전 차량이 준비되어 있다면 경기 당 최소 2~300만원 이상은 소요되고, 사고나 차량 문제가 생긴다면 그 이상의 예상치 못한 비용이 발생하게 됩니다.

서킷을 주행하기 위한 복장은 기본적으로 헬멧과 글러브는 필수입니다. 그리고 레이싱 슈즈(또는 스니커즈와 같은 굽이 없는 신발)와 신체가 노출되지 않는 편안한 복장을 추천합니다. 물론 대회를 출전하기 위해서는 레이싱 슈트와 한스(FHR)라고 불리는 경추 보호 장비, 그리고 각종 방염 소재의 내의가 필요합니다. 두건, 상하내의, 양말 외에도 자금 여력이 된다면 추가로 구입할 수 있는 장비들이 있습니다. 부담이 될 수 있지만 본인의 안전을 책임지는 장비로 자신에게 잘 맞는 공인 된 제품을 추천 드리며, 이러한 안전 장비에는 절대 인색해서는 안됩니다.

Q9. 안전장비가 정말 중요한 것 같은데, 안전한 라이딩 요령은 무엇인가요?

무엇보다 운전에 임하는 마인드 셋을 요청 드리고 싶습니다. 최근 증가하고 있는 사고 유형 중 하나가 운전 중 핸드폰 조작에 의한 사고입니다. 그만큼 드라이빙에 대한 집중과 안전 인식이 낮다고 생각됩니다. 특히 핸들을 잡는 방법을 언급하고 싶습니다. 정석적인 방법은 대부분 알고 있지만 실천되지 않고 있는데, 핸들은 반드시 양손으로 3, 9시 방향을 유지해야지만 어떠한 상황에서도 차량을 가장 안정적으로 정확히 제어할 수 있습니다. 이러한 이유로 카레이서들도 경기 중 항상 양손으로 핸들 그립을 유지하고 레이싱카를 핸들링하고 있습니다.

그리고 스포츠 드라이빙을 즐기는 입문자와 마니아들은 일반도로에서 무리한 주행과 사고로 인적/물적 피해를 보는 경우를 자주 목격하게 됩니다. 때문에 안전하고 합법적인 드라이빙을 위해서는 “서킷”을 찾는 것이 첫 번째입니다. 많은 입문자들이 서킷 드라이빙을 일반 운전의 연장선으로 접근하는 경우가 많습니다. 하지만 서킷 주행은 모터스포츠로의 인식 전환이 매우 중요합니다. 여느 스포츠와 마찬가지로 이론부터 하나씩 배워나간다는 마음가짐과 여유가 된다면 코칭을 받는 것도 적극 추천합니다. 이러한 자세와 준비가 안전한 스포츠 드라이빙의 전제 조건이라고 생각됩니다.

Q10. 미래 카레이서 유망주들과 모터스포츠를 관심 있게 지켜 봐주시는 분들께 한마디 부탁드립니다.

우리나라에서도 모터스포츠의 저변 확대가 빠르게 진행되고 있습니다. 마니아뿐만 아니라 주말이면 가족단위로 모터스포츠 대회를 찾는 문화가 확산되고 있으며, 현장에서의 흥미진진하고 박진감 넘치는 레이스에 빠져들고 있습니다. 아직 서킷을 방문하지 못하셨다면 서둘러 코스인 해보시길 추천 드리며, 아직은 F1과 같은 세계 무대의 벽이 높지만 계속해서 문을 두드리고 도전하는 꿈나무 선수들이 있고, 머지않아 슈퍼스타가 탄생할 것이라고 확신합니다. 대한민국 모터스포츠에 대한 관심과 응원 그리고 멋진 질주를 함께 해주시길 부탁 드립니다.

자동차 윤활과 윤활유의 기능

센터플러스 — Fri, 27 Jan 2023 14:14:45 +0900

서울과학기술대학교 명예교수 안 효 석

자동차 윤활이 필요한 이유

자동차는 엔진연소실에서 연료와 공기의 혼합가스가 폭발하여 발생한 열에너지가 운동에너지로 전환되어 바퀴까지 전달되는 과정에는 많은 기계 부품을 거치며 이런 부품들이 원활히 움직이려면 마찰을 줄여 출력손실을 줄이고 내구성을 확보해야 하는데 이를 위해 윤활이 매우 중요합니다.

자동차 엔진에서 발생하는 에너지 손실 중 기계적 마찰에 의한 손실은 약 9 %에 달한다고 하는데요. 이는 마찰접촉 부품의 저마찰화를 통해 마찰 손실을 줄이고 부품의 내마모성을 향상시킬 경우, 자동차 성능 및 수명 향상과 연비 절감 등의 목표를 달성하는 데에 기여하는 바가 클 것입니다. 마찰에 의한 손실을 좀 더 살펴보면 피스톤링 계통에서 45~50 %, 엔진베어링에서 20~30 %, 밸브트레인 계통에서 7~15 %에 달하는 손실이 발생하고 있으며, 이 외에도 동력 전달 장치인 변속기에서도 20~25 %에 달하는 마찰 손실이 발생합니다.

윤활유의 역할과 기능

피스톤링에서의 윤활유 역할

피스톤링은 피스톤 바깥 둘레에 있는 홈에 부착되며 피스톤과 실린더 내벽 사이의 기밀을 유지하고 커넥팅로드와 연결된 피스톤의 상하 이동 시 윤활을 통해 실린더 내벽과의 마찰을 줄입니다. 이때 유막의 두께는 유체윤활이 원활할 경우 1~50 μm 정도가 되나 유막의 형성이 완전하지 않은 혼합윤활의 영역일 경우에는 0.01~1 μm 정도의 매우 얇은 유막이 불균질하게 형성됩니다. 피스톤링은 윤활기능 외에 밀봉기능과 흡입행정 시 윤활유를 긁어내리는 기능을 가지며 주로 세 개의 금속계 링으로 구성되어 있습니다.

가장 상단에 있는 압축링과 중간에 위치한 와이퍼링은 실린더 내부의 혼합기와 연소과정에서 발생한 고압의 폭발가스가 및 연소가스가 피스톤과 실린더 내벽 사이의 개구부를 통해 누설되지 않게 실린더 내벽에 피스톤링을 눌러 밀봉하는 역할을 합니다. 가장 아래 위치한 오일링은 두 개의 얇은 레일 형태의 링과 그 사이에 위치한 스페이서로 구성되는데 피스톤이 움직일 때 실린더 내벽에 잔류하는 윤활유를 긁어내어 두 레일 사이에 위치한 배출구멍을 통해 윤활유를 배출하고 윤활유의 소모를 방지하는 역할을 합니다.

한편, 연소실 안의 온도는 고압폭발로 인해 매우 높아져 피스톤크라운의 온도가 300 oC 이상이 되는 고온 상태가 되어 피스톤의 손상을 초래할 수 있는데 피스톤링은 피스톤에 축적된 열을 실린더 내벽으로 방출하는 열전달 기능도 합니다. 만일 피스톤의 움직임에 따른 왕복운동 과정에 피스톤링에 과다한 마모가 발생하면 밀봉 및 윤활 성능이 현저히 저하되어 심각한 연비의 손실과 윤활유의 소모를 초래할 수 있습니다.

엔진베어링에서의 윤활유 역할

엔진베어링(Big-end bearing)은 커넥팅로드의 대단부에 조립되어 크랭크축의 저널부와 마찰접촉을 하며 엔진구동부의 동력을 크랭크축으로 전달하는 핵심부품이므로 엔진의 흡입-압축-폭발-배기 과정에서 발생하는 변동하중을 잘 담당하여 마찰손실을 최대한 줄이고 마찰력에 의한 온도상승을 억제하는 윤활작용을 효과적으로 수행해야 합니다. 보통 분할형 평 베어링(plain bearing)을 사용하며 완전유체윤활 영역에서 작동하여 유막두께는 5~50 μm에 달합니다.

밸브트레인에서의 윤활유 역할

밸브트레인 시스템은 연소실 흡기 및 배기 밸브의 작동을 제어하는 기계 시스템인데 캠과 종동자(follower)가 서로 접촉해서 상대운동을 하며 주로 탄성유체윤활이 이루어지는 부품입니다. 탄성유체윤활은 아주 작은 접촉면에 높은 하중이 집중되어 유막의 두께는 0.1~10 μm 범위로 얇고 소재 표면에 탄성변형이 발생하는데 그 깊이가 유막의 두께보다 크게 됩니다. 이때 윤활유의 점도가 접촉압력에 좌우되므로 안정화된 저점도 윤활유의 적용이 요구됩니다.

변속기에서의 윤활유 역할

엔진구동부 외에 윤활이 매우 중요한 기계장치가 동력전달 장치의 하나인 변속기입니다. 변속기의 기어장치는 높은 속도와 높은 부하 조건에서 작동하며 하중이 극소부위에 집중되어 탄성유체윤활이 적용되는 부품입니다. 변속기용 윤활유는 마모와 피로로부터 기어 치형을 보호해야 하는데요. 수동변속기에서는 윤활작용만을 하지만 자동변속기에서는 윤활기능과 아울러 유압작동유의 역할도 담당하므로 오일의 선택이 까다롭습니다.

적절한 윤활유 선택과 윤활유의 작용

마찰손실을 줄이기 위한 가장 직접적인 방안은 적절한 윤활유의 선택입니다. 윤활유는 크게 여섯 가지의 작용을 하는데요. 기계 부품들의 마찰접촉이 발생하는 부분에서 윤활막을 형성하여 부품 간의 직접적 접촉을 방지해 마찰을 줄이는 마찰저감작용, 부품의 접촉부에 가해지는 하중이 극소 부위에 집중되지 않고 유막을 통해 분산되게 하는 하중분산작용, 기계의 지속적인 작동 시 필연적으로 발생하는 과도한 마찰열을 흡수하고 외부로 방출하여 과열을 방지하는 냉각작용, 수분, 연료나 윤활유의 황 성분과 열에 의한 산화 등을 유막을 이용해 방지하는 방청작용, 부품 사이의 미세한 틈(간극)을 유막으로 막아 누설이 발생하는 것을 봉쇄하는 밀봉작용, 그리고 외부에서 윤활계통에 유입하는 이물질이나 운전 중에 생성되는 슬러지, 수트 등의 부식물을 걸러주는 세정작용이 있습니다.

엔진오일은 기유에 첨가제를 추가하여 제조됩니다. 기유와 첨가제 비율은 제조사에 따라 다르고 첨가제의 조성에 따라 다르지만 8:2~9:1 범위에 있습니다. 기유는 원유에서 정제된 광유와 합성유로 나뉘는데요. 합성유는 광유의 단점을 보완해 화학적, 열적 안정성을 강화하여 최적의 윤활성을 갖도록 화학적 합성을 통해 얻으며 에스테르계, 탄화수소계(대표적 예로 폴리알파올레핀), 에테르계, 불소계와 실리콘계로 구분됩니다. 기유에 첨가되는 첨가제에는 산화방지제, 마찰저감제, 점도지수향상제, 청정분산제, 유성향상제, 방청제, 극압첨가제, 소포제, 유동점강화제 등 종류가 많습니다. 자동차엔진에서 사용되는 윤활유는 다양한 운전 조건에서 윤활효과를 극대화하기 위해 점도지수 향상제, 유동점 강하제, 내마모 첨가제, 산화 방지제, 청정분산제 등의 다양한 첨가제를 사용하게 됩니다.

친환경 시대에 경유차 필수장치가 된 매연 여과장치 DPF

센터플러스 — Mon, 24 Oct 2022 16:03:53 +0900

김 필수 (김필수 자동차연구소 소장, 대림대 교수)

최근 전기차의 득세가 심상치가 않다. 전기차의 보급이 빠르게 이뤄지며 내연기관차의 수명도 더욱 짧아지고 있는 추세라고 할 수 있다. 요즘 대두되는 이슈인 지구 온난화 등의 환경적 문제를 고려하면, 이는 지구의 생존과 직결된 만큼 무공해차의 보급은 필연적이다. 이에 따라 전기차의 보급이 기하급수적으로 증가하는 추세를 보이지만 빠른 보급에 따른 각종 부작용으로 템포조절이 필요하다는 언급도 자주 나온다. 따라서 아직은 주력모델로서 내연기관차가 차지하는 역할이 크다는 언급이 힘을 얻고 있다. 수년 후 주력 모델이 전기차 등으로 가는 것은 분명하지만 내연 기관차의 역할이 아직은 상당 기간 동안 핵심적인 역할을 한다는 뜻이다. 더욱이 내연기관차가 글로벌 시장의 이동수단으로 대부분을 차지하고 있어서 이후에도 상당 기간 동안 관리적인 측면도 자동차 산업에서 중요한 역할을 하게 될 것이다.

디젤차의 역할과 위치

내연 기관차 중 디젤차는 유럽을 중심으로 중요한 역할을 지속하여 왔다. 우리나라도 10여년 전에 디젤차가 가솔린차 대비 더 적은 이산화탄소를 배출한다하여 친환경차의 한 종류로 간주하고 보급한 측면도 강했다. 디젤기관은 저속 고토크 특성으로 인류가 제작한 기계 장치 중 가장 뛰어난 장치 중 하나이다. 배출가스 문제만 제외하면 가장 확실한 에너지 장치로서 중요한 역할을 수행하고 있다는 뜻이다. 우리 정부 등 선진 국가에서 디젤차 퇴출이 많아지고 있고 규제도 강화되고 있으나 대형트럭, 트레일러, 건설기계 등 아직은 디젤기관을 대신할 수 있는 대체장치가 없는 상황이다. 물론 일선 시장에서 전기차 등이 득세를 하기 시작했으나 자동차 선택에 있어서 보수적인 측면이 강한 것을 고려하면 아직은 디젤차량을 선호하는 소비자가 많다는 것을 부인할 수 없다.

디젤차의 배출가스 문제를 해결해주는 DPF장치

디젤차는 연비나 출력 등 특유의 장점이 뛰어나지만 역시 배출가스 문제로 인하여 규제가 거세다. 그래서 장착한 의무장치가 바로 매연을 걸러주는 매연여과장치(DPF)와 미세먼지의 원인물질인 질소산화물을 걸러주는 선택적 촉매환원(SCR) 장치이다. 특히 DPF는 Diesel Particulate Filter의 약자로 매연을 여과시키는 제 1종 저감장치이다. 인체 및 환경에 악영향을 주는 엔진의 찌꺼기 중의 하나인 매연 알갱이를 DPF 장치 내의 아주 작은 구멍으로 모아서 높은 열로 태우는 방법으로 매연을 여과시킨다. DPF의 소재는 세라믹이나 소결금속 등 고가 재료로 되어 있으며, 매연이 쌓여서 걸러주지 못하면 차량에 문제가 발생하는 만큼 높은 열을 이용하여 다시 활성화시키는 작업이 필요하다고 할 수 있다. 이 과정을 '재생'이라 한다. 이렇게 매연이 쌓여서 제대로 여과가 되지 못하면 차량 출력이나 연비가 나빠지는 만큼 부지런하게 활성화시키는 것이 중요하다고 할 수 있다. DPF는 그냥 장착만하여 사용하는 것이 아니라 1년을 사용했거나 약 10만Km 운행 후에는 재생과정을 통하여 새 것과 같이 사용하는 것이 필요하다.

DPF 구조와 관리의 필요성

아마 내연기관차 종식과정 중 가장 먼저 퇴출되는 차종이 디젤차라고 할 수 있을 만큼 최근 글로벌 제작사들의 새로운 디젤차 생산을 중단하는 사례가 늘고 있다. 디젤차를 운행하는 소유자들에게도 불편을 가중시켜 5등급 차량은 도심지 진입을 못하게 하거나 환경개선부담금 등 부담을 늘리게 하는 상황이다. 여기에 최근에는 유가 정책도 달리하여 가솔린보다 리터당 약 100원 이상 고가로 디젤유를 책정하여 부담을 늘리게 하고 있다. 불편함을 많게 하여 퇴출 속도를 높인다는 전략이다. 그러나 연비 좋고 힘도 좋은 디젤차를 선호하는 소비자들이 아직 많고, 고장도 적은 만큼 애호도가 높다. 따라서 관리적인 측면에서 디젤차의 DPF의 관리는 더욱 중요한 과정이 되었다고 할 수 있다.

일각에서는 디젤차에 애프터마켓용으로 DPF를 장착하면 연비와 출력 등이 떨어진다고 하여 장착을 꺼려하거나 장착 후 구멍을 내거나 제거하는 편법을 쓰는 경우도 있다. 그러나 이는 환경적인 측면에서도 큰 문제가 되는 것은 물론 형사적인 처벌조항도 강화된 만큼 절대로 하면 안되는 행위이다. 노후화된 디젤차에 DPF를 장착하면 출력과 연비가 떨어진다는 일각의 목소리가 있다. DPF가 내연기관 중 배출 과정에 장착되다 보니 어느 정도는 출력과 연비에 영향을 준다고도 할 수 있다. 그러나 우선 운전자로서 환경 보호의 측면에서 책임감을 가져야 하고, 또 이후 관리만 잘한다면 큰 문제가 되지 않는다는 것이다. 그 만큼 장착 의지와 올바른 관리가 중요하다. 엔진오일 교체와 같이 DPF필터도 주기적인 청소가 필요하다. 또한 필터에 황, 인과 같은 물질이 쌓여 성능을 저하시키지 않도록 이런 물질이 낮게 함유된 DPF 전용 엔진오일을 사용하는 것도 도움이 된다.

특수 영역에서의 DPF 필요성

향후 디젤차의 DPF는 일반 디젤차가 아닌 앞서 언급한 특수 영역에 더욱 필요할 것으로 판단된다. 디젤을 연료로 사용하는 트럭과 장거리 트레일러, 그리고 중장비라 일컫는 건설기계 들이 그에 해당된다. 이러한 장비는 결국 수소연료전지 스택을 활용한 시스템으로 전환되기 전까지는 지속적으로 사용된다는 것이다. 물론 시간이 많이 필요하고 최근 일부에서는 건설기계 중 소형 기계에 배터리를 활용한 전기 기계가 출시되고 있으나 기술적 한계 등으로 역시 아직 상용화에는 시간이 많이 필요하다고 할 수 있다. 아직 이 영역 등은 디젤차가 필요하고 DPF 장착도 유용하다는 것이다.

친환경 시대에서의 DPF 필요성

친환경 시대가 점차 강화되고 있는 요즘 디젤차도 함께 존재하는 유용한 이동수단이다. 즉 디젤차의 친환경을 이끄는 핵심적인 장치 중의 하나가 바로 DPF라 할 수 있는 것이다. 올바른 DPF의 사용과 인식으로 환경이라는 숙제를 확실히 수행할 것으로 확신한다. 친환경시대로의 도약을 위해 당장 우리가 항상 사용하는 디젤 차량의 DPF부터 제대로 관리하는 자세가 더욱 중요하다.

자동차의 모빌리티 혁명의 필수 전제조건-SDV/OTA

센터플러스 — Wed, 27 Jul 2022 15:03:29 +0900

글 : 오산대학교 자동차학과 문학훈 교수

자동차가 1980년대 초반부터 전자제어화 되면서 하드웨어 시스템만으로 작동되는 장치에서 하드웨어와 소프트 웨어를 포함한 컴퓨터가 자동차를 제어하고, 정밀한 주변상황에 대한 감지와 제어를 함으로써 성능향상과 감성이나 브렌드 아이덴티티에 지대한 영향을 끼쳐왔다. 이러한 것을 기반으로 소프트웨어를 통한 파워는 이제 자동차에서 없어서는 안되는 존재가 되었다. 사람으로 구분했을 때 인체 골격을 하드웨어라고 하면 지식은 소프트웨어가 되는 것이다. 지식을 수시로 업데이트 함으로써 풍부한 논리로 사용 할 수가 있는 것과 같이 자동차에도 소프트 웨어를 통한 업데이트로 성능향상에 기여한다. 자동차에서 모빌리티 시대로의 전환은 아주 의미 있는 이야기이다.

SDV(Software Defined Vehicle) 발전의 가속화

전기차(EV)와 자율주행차의 확산으로 대두되는 개념이 바로 SDV(Software Defined Vehicle)이고 소프트웨어로 정의되는 차량을 의미한다. 즉, 차량도 소프트웨어 중심으로 변화한다는 것이다. 프리미엄 자동차에 옵션으로 장착되던 운전자보조시스템(ADAS)같은 전자제어 시스템이나 첨단 기술은 기술의 표준화로 옵션에 적용되기도 하며 긴급호출이나 원격시동은 물론 영상이나 음원 등의 콘텐츠사용 및 위치탐색, 결제까지도 가능해지고 있으며 자동차 인공지능화가 진행 중이다. SDV의 발전은 인포테인먼트, 자율주행 소프트웨어 업데이트, 음원 업데이트, 내비게이션 업데이트, 도로기반 시설 업데이트 등 엄청난 활용이 될 것으로 기대한다.

한층 더 업그레이드 된 OTA란?

이러한 모빌리티 산업 발전에 발맞춰 최근에는 정부로부터 OTA(Over The Air)가 허가되었다. OTA란 무선 통신 기술을 통해 소프트웨어를 실시간으로 업데이트 할 수 있는 기술이다. 이는 차량에 적용하면 서비스센터를 방문하지 않고도 새 기능을 추가, 오류, 개선, 보안, 강화 등이 가능하다. 자동차의 성능 향상을 위한 무선 업데이트가 이루어지면서 네비게이션 업데이트, 시스템 업데이트가 활발하게 진행되고 있다. 기존에는 자동차의 시스템에 품질향상을 위해 서비스센터에 방문하여 업데이트를 받았다면 지금은 자동으로 업데이트가 이루어 지는 시대가 되었다.

자동차 소프트웨어 시장은 무한하게 확장될 상황이다. 전기자동차, 자율주행 자동차등과 같이 시스템에 전자제어화가 많은 부분을 차지하고 있으므로 소프트웨어 시장은 기하 급수적으로 증가할 전망이다.

단순 내비게이션 업데이트 정도 가능한 'SOTA(Software OTA)'를 제공해왔던 글로벌 자동차 업계는 최근 한층 진화된 'FOTA(Firmware OTA)' 수준의 OTA 기술을 선보이고 있다. FOTA는 자동차 업계가 최종적으로 실현하고자 하는 OTA라 할 수 있다. FOTA 기술이 적용되면 업데이트만으로 브레이크 기능부터 주행거리 설정, 배터리 용량 조작, 운전자 보조 기능 개선 등 폭넓은 업데이트가 가능하다. SW 조작에서 나아가 차량 하드웨어까지 통제 가능한 수준에 이를 수 있다.

소프트웨어를 기반으로 한 이러한 서비스는 자동차와 사람, 사물과 초고속 통신망으로 연결하여 양방향 소통이 가능하게 하는 서비스로 긴급 서비스와 실시간 차량 관리 등에 운전자가 필요로 하는 콘텐츠를 제공해 전체적으로 교통상황을 개선하는데 기여하게 된다.

새로운 패러다임을 위한 사이버 보안

커넥티드 카, 자율주행의 발전과 사이버 보안에 중요성도 높아지고 있다. 대표적으로 체로키 해킹 사건은 미국의 화이트 해커가 지프 체로키에 탑재된 디지털 시스템을 해킹해 크라이슬러는 해당 모델을 리콜하게 된 경우이다. 따라서 완성차 업체들은 소프트웨어 보안강화에 신경 쓰고 다양한 국제 표준 법규를 제정하고 있다. 결론적으로 소프트웨어의 영역 확장은 새로운 패러다임 변화에 미래를 준비하는 모빌리티 업계의 혁신적인 변화이며 이를 통한 새로운 기술의 진화가 진행 중이다.

그러나 아직까지는 무선 업데이트가 자동차에 안전과 관련해 OTA를 통해 펌웨어 소프트웨어를 업데이트 하는 것은 조심해야하는 부분이다. 정부에 신고 후 프로세스를 처리해야 하는 부분도 있다. 즉 전기 차에 구동모터, 고전압 배터리에 안전과 관련된 부분을 모르게 업데이트 하게 되면 어떤 부분을 개선하여 업데이트하게 되었는지가 불분명 해지게 되면서 사고로 이어질 수 있으므로 유의해야 한다.

자동차 모빌리티 시대의 개막

자동차는 일상의 이동 수단뿐만 아니라 데이터의 활용을 포함한 모빌리티라는 넓은 개념으로 사회와 접속되고 있으며 주행 데이터가 차세대 교통 서비스 영역에서의 차량 위치 데이터로 활용되고 있다. 이제는 소프트웨어의 플랫폼 시대이며 서비스 플랫폼을 통한 도시 OS(스마트 시티 플랫폼)와의 접속도 가능하며 다른 단말 어플리케이션과의 접속 할 수 있는 환경이 마련 되기도 할 것이다.

자동차의 소프트웨어는 모빌리티의 중심이며 사용자의 안전을 보장하기 위하여 보안과 버전관리 등의 관점에서 IT기업을 비롯한 타 업종의 플레이어 등장으로 소프트웨어 시대에 자동차 산업이 키플레이어(Key Player)로 향후 전개가 될 것으로 생각한다.