자동차 배기장치용 온도센서 개발 현황

정 우 영_ 자동차부품연구원 친환경소재부품연구센터 선임연구원
김 경 아_ 자동차부품연구원 친환경소재부품연구센터 연구원
정 재 문_ 태성전장(고온센서 개발)
민 준 원_ 자동차부품연구원 친환경소재부품연구센터 센터장
유 승 을_ 자동차부품연구원 자동차소재기술연구본부 본부장

1. 서 론

산업화가 지속되고 경제가 발전함에 따라 석유자원 고갈 및 온실가스 문제 등 환경에 대한 인식이 높아지면서 자동차 산업분야에도 더 많은 기술 및 이에 따른 환경 규제가 강화되고 있다(그림1)(1). 미국, 유럽을 중심으로 환경규제에 따른 배기가스 배출 허용 기준도 강화되어 이에 대응하는 배기 관련 환경 기술의 발전을 더욱 요구하고 있으며 이러한 흐름은 국외뿐 아니라 국내에서도 점차 확대 적용되고 있는 추세이며(2), EU의 경우 2020년 온실가스 배출기준을 95g/km 수준으로 강화할 예정이다(그림2)(3).
EU는 휘발유차에서 디젤차로의 변화되고 있는 추세에 있으며 영국의 경우 새로 등록되는 차량 중 디젤 차량이 2000년 이후로 꾸준히 증가되어 2011년의 경우 52%의 등록률을 보였다(그림3). 이러한 디젤 차량으로의 이동 핵심 요인은 디젤차가 휘발유 차량 대비 CO2 배출 저감에 있어서 효과가 높았기 때문이다.
디젤차 기준으로 환경규제와 이를 해결하는 노력으로서, 엔진 및 전자기술의 동향을 추정한 덴소의 자료(그림4)에 나타냈으며, 배출가스에 대한 규제가 높아질수록 후처리 기술에 대한 보다 높은 기술이 필요함을 알 수 있다(4).
2000년에 DPF 후처리 기술을 개발한 독일정부는 DPF 장착차량에 신차는 600유로, 중고차는 300유로의 세금이 감면혜택을 주고 있으며 앞으로 DPF등 배기후처리 관련 자동차 부품산업의 중요한 영역으로 자리 잡을 것으로 예측된다(5). 본고에서는 배기 후처리 장치의 개념 및 여기에 사용되는 다양한 온도센서에 대한 특징을 살펴보고 국내외 기술 동향 및 수준을 검토하고자 한다.

그림 1. 오일생산량 예측

그림 2. 전세계 승용차기준 CO2 규정 비교(NEDC)

그림 3. 영국에서의 디젤차 점유율 변화(SMMT data)

그림 4. 디젤 엔진과 전자기술의 동향

2. 배기후처리장치용 온도센서 개발 원리 및 특징

2-1. 배기후처리장치

디젤차에서 발생하는 배기가스는 질소산화물(NOx) 및 입자상물질(PM)을 대폭적으로 줄이기 위하여 배기 후처리 장치인 디젤산화촉매(DOC, Diesel Oxidation Catalysts), 디젤미립자필터(DPF, Diesel Particulate Filters), 선택적환원촉매(SCR, Selective Catalyst Reduction) 등을 거친후에 배출되고 있으며 각각의 용도는 다음과 같다(그림5)(6).
디젤산화촉매(DOC)는 배기가스 중 HC, CO, SOF(입자상물질 중의 용해성유기물, Soluble Organic Fraction) 등을 무해한 성분으로 산화시켜 제거하는 장치로 디젤 미립자필터(DPF) 전단에 위치하여 NO를 NO2로 전환시키고(Passive Regeneration) 배기관 내 분사된 연료가 DOC를 거치면서 발열되어 배기가스의 온도를 상승시키는 역할을 한다(Active Regeneration)(그림6). 디젤미립자필터(DPF)는 유해한 배기 가스 성분 중에서 아주 미세한 입자인 PM (Particulate Matter,입 자상 물질)를 포집하는 장치로 Wall Flow Substrate를 사용하여 Gas는 통과시키고, PM는 Wall 내부 및 표면에서 걸러주는 구조를 가지고 있다. DPF 내에 계속적으로 PM가 축적될 경우 엔진 배압이 상승되므로 적절한 시기에 DPF내에 축적된 Soot를 제거하기 위하여 재생(Regeneration) 시키는 동작을 반복 하고 이 때 온도가 상당히 높아지므로 고온에서도 견딜 수 있는 세라믹 재질이 사용된다. 선택적 환원 촉매(SCR)는 유해한 배기가스에 있는 질소 산화물(NOx)을 저감하는 장치로 요소 수용액(Urea water solution)을 고온의 배기가스에 분사하면 열분해 반응과 가수분해 반응이 일어나 NH3가 발생하고 발생한 NH3가 촉매 내에서 산화질소와 반응을 일으켜 인체에 무해한 질소와 물로 환원시킨다(그림7)(7).

그림 5. 디젤차에서 배기후처리 장치 위치

그림 6. DOC 및 DPF 개념도 (7)

그림 7. SCR 개념도 (7)

2-2. 온도센서

이러한 후처리 장치들을 작동하기 위해서 몇 가지 부수적인 센서를 갖추어야 하는데 그 중 하나가 배기가스의 높은 온도를 측정하는 온도센서이다. 온도센서로 사용하기 위해 아래와 같은 조건(표1)을 만족해야 한다(8). 배기가스용 온도센서로 열전대(Thermercouple), 백금저항형 온도센서(RTD, Resistance Temperature Detector 그리고 서미스터(Thermistor, Thermally Sensitive Resistro) 3종류의 온도센서가 있다. 서머커플은 저렴하고, 빠른 응답속도를 가지고 있지만 RTD와 서미스터는 절대온도를 측정하는 반면, 열전대는 팁과 리드선 사이의 상대적인 온도 차이를 측정함에 따라 정확도와 감도가 떨어진다. RTD는 재현성, 안전성 및 정확도의 측면에서는 우수하지만, 반응속도가 상대적으로 느리고 고가인 단점이 있다. 서미스터가 빠른 출력과 상대적으로 저렴한 가격으로 배기온도센서로 적합하다(표2). 그중에서도 NTC Thermistor는, 특히 상온영역의 많은 응용분야에서 활용되고 있고(8), 앞으로도 그 수요는 보다 많아 질 것이라 예상된다(9).
온도가 상승하면 저항이 변화하는 센서를 Thermistor라 하며 다음과 같은 종류로 나뉜다. NTC Thermistor (Ne-gative Temperature Coefficient Thermistor)는 (-)온도계수를 갖으며, 광범위한 온도 범위에서 저항이 지수적으로 떨어지는 반도체 성질을 이용하며, PTC Thermistor (Po-sitive Temperature Coefficient Thermistor)는 (+)온도계수를 갖으며, 아주 작은 온도 범위에서도 큰 저항 변화를 일으키는 전기적인 성질을 가지는 소재를 사용한다. 또한 CTR Thermistor(cirtical temperature resistor)는 특정 온도에서 전기저항이 급격히 변화하는 특성을 가지고 있다(그림8)(12). 현재 온도센서로 가장 널리 사용되고 있는 NTC thermistor는 1930년대에 Fe3O4와 같은 산화물에서 큰 부 온도계수가 발견됨으로 인해 상용화의 가능성이 제시되기 시작 하였고(13), 1940년대에 반도성 산화물의 저항 조절 mechanism이 밝혀지고 (14), 그 이후 다양한 물질을 적용하는 연구들이 진행되어 왔다. NTC thermistor는 온도에 대한 저항온도계수가 커서 미소온도 및 정밀측정이 양호하고, 구조가 간단하여 소형화가 가능하며 양산성이 우수하여 안정한 가격으로 대량공급이 가능 및 기계적 강도와 가공성이 우수하여 현재 자동차용뿐만 아니라 산업전반의 온도센서로서 매우 광범위 하게 사용되어 지고 있다. 이를 사용 온도 환경에 따라 분류를 하면 상온용, 중온용, 고온용으로 구분할 수 있으며, 온도센서 중 환경규제에 적용되는 고온용 온도센서와 관련하여 문헌상에 나타나 있는 대표적인 고온용 온도센서의 조성 시스템을 <표 3>에 나타내었다(15).
표 1. 온도센서로서의 만족 조건

--------------이하 생략(자세한 내용은 세라믹코리아 2012년 11월호를 참조바랍니다. ----------

정 우 영
- 건국대학교 공업화학 학사
- 건국대학교 신소재공학 석사
- 현재 자동차부품연구원 친환경소재부품연구센터 선임연구원

김 경 아
- 호서대학교 신소재공학 학사
- 호서대학교 반도체디스플레이공학 석사
- 현재 자동차부품연구원 친환경소재부품연구센터 연구원

정 재 문
- 충남대학교 재료공학 석사
- GE Sensing Korea
- 현재 태성전장 근무 (고온센서 개발)

민 준 원
- 서울대학교 무기재료공학 학사
- 서울대학교 무기재료공학 석사
- 충남대학교 재료공학 박사
- 쌍용양회 중앙연구소 주임연구원
- 일본 무기재질연구소 객원연구원
- 현재 자동차부품연구원 친환경소재부품연구센터 센터장

유 승 을
- 연세대학교 세라믹공학 학사
- 도쿄공업대학 재료공학 석사
- 도쿄공업대학 재료공학 박사
- 현재 자동차부품연구원 자동차소재기술연구본부 본부장