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미래의 자동차는 어떠할까? '보다 빠르고 안전하고 쾌적한' 것을 목표로 자동차회사와 연구소에서는 차세대 자동차기술에 관한 연구가 진행되고 있다.

한국기계연구소는 최근 미국 IITRI연구소에 의뢰해 향후 5년내에 실용화될 '10대 자동차기술'의 최신동향을 조사했다. 조사결과에 따르면 미래의 자동차기술은 컴퓨터 전자기술을 응용한 자동화에 가장 초점이 모아지고 있는 것으로 나타났다. 위치만 알려주면 스스로 목적지를 찾아가는 자동운행장치, 자동으로 속도를 조절하는 전자변속기, 홀로그래피영상을 이용한 입체식계기판, 전방의 물체를 감지하여 사고를 예방하는 충돌예방장치 등이 그것이다. 이외에도 자동조절현가장치 복합전선장치 자동제동장치 견인력장치 등이 첨단전자기술을 응용한 것이다.

자동차의 전자화와 함께 차체를 가볍게 하고 부식으로부터 보호하기 위해 플라스틱재료를 사용하는 연구와 고갈돼가는 석유에너지를 다른 연료로 대체하려는 연구도 구체적으로 진행되고 있다.
입체식계기판과 충돌예방장치는 현재 항공기에서 이용되고 있는 기술로 5년안에 자동차분야에도 적용될 것으로 예상된다.

■플라스틱 엔진/경량화와 부식방지

현재로는 철이 아직도 자동차 구조의 주요한 재료이지만 앞으로는 알루미늄과 플라스틱과 같은 대체재료들의 활용이 예상된다. 자동차의 구조물 재료로 플라스틱의 활용이 대두되고 있는 이유는 철보다 플라스틱을 사용함으로써 자동차의 전체 중량을 감소시켜 리터당 주행거리를 증가시키고, 부품에 금속을 사용함으로써 생기는 녹과 부식의 문제를 해결할 수 있기 때문이다.

오늘날 자동차 제조에 사용되는 거의 모든 고강도 저합금 금속은 대부분 부식방지를 위해 한쪽면 또는 양쪽면 모드를 전기도금한다. 이 전기도금으로 인해 6~7년 동안은 부식이 방지될 수 있으나 10년 정도의 부식방지를 위하여는 플라스틱의 사용이 필수적이다. 최근에는 흡기다기관과 캠축을 포함한 중요 엔진부품을 고온의 플라스틱 페놀주조와 합성수지로 만들고 있으며, 플라스틱으로 만들어진 캠축의 경우 무게가 기존의 주철제품보다 거의 50%, 고열 단조제품보다는 약 40% 감소된다. 플라스틱캠축은 강철 또는 주철로 된 것보다 회전시 생기는 소음을 엔진블으로 적게 전달하는 장점도 갖고 있다.

자동차 동력장치를 플라스틱으로 만드는 연구도 현재 여러곳에서 진행중인데 폴리모터사가 이 부분에서 상당히 성공을 거둔 것으로 알려져있다. 이 회사는 엔진부품중 실린더라이너 크랭크축 기어 커넥팅로드 등이 플라스틱으로 된 엔진을 시험중이다. 엔진과는 달리 외부차체에 플라스틱 적용이 고려되지 않은 것은 수리시의 용이함과 강도면에 있어서 금속이 우수하기 때문이다. 그러나 90년대에도 전체가 플라스틱으로 된 엔진을 만들기는 어려울 것 같다.

■자동운행장치/스스로 목적지까지

오늘날의 자동차 자동운행장치는 카세트테이프에 저장된 디지틀지도 전자식표시판 컴퓨터 그리고 운전자의 위치를 지도위에 나타내는 센서로 구성되어 있다. 이 장치는 도로상에서 운전자의 위치를 정확히 알려주는 기능을 갖추고 있다.

이 장치에서 자동차의 위치를 판단하는 데는 다음의 4가지 방법이 가능하다. 첫째로는 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계 그리고 보조전자장치와 컴퓨터를 이용하는 관성운행법. 둘째로는 위성의 송신기와 자동차에 있는 수신기를 이용한 무선운행법이 있으며, 세째로는 송신기를 가지고 있는 도로표시판과 자동차에 있는 수신기, 컴퓨터 그리고 자료들로 구성된 도로표시판 운행법이 있다. 네째로는 수동으로 입력된 출발지점에 대한 자동차의 위치를 정확하게 알아내는 센서로 구성된 추측운행항법이 있다.

이중 추측운행항법이 요즈음 거의 모든 자동운행장치 자동차에 사용되고 있다. 이것은 전자식 자기나침판과 거리센서로 구성되어 있다. 자기나침판은 자동차의 진행방향을 결정하며, 거리센서는 자동차의 운전거리를 결정하는데 사용되는 것으로 운행된 거리와 방향으로 자동차의 위치를 정확히 파악하는데 사용되고 있다.

그런데 이러한 방법으로는 28%의 경우에만 아무런 문제없이 행선지에 도달할 수 있었고, 68%의 경우는 운행중에 자동차의 위치를 수정해야 했다.

이와 같이 오차가 생기는 이유는 자기나침판의 자기방해, 부적절하게 입력된 자료, 잘못된 길안내 등이었다.
따라서 자동차 운행장치에는 더욱 정밀한 디지틀 지도자료가 요구된다. 또한 지도자료에는 교차로와 도로경계표가 표시되어야 하며, 위치의 정확성을 개선하기 위해 인공위성을 이용하는 방법도 있다. 앞으로 몇년 후에는 운행경로 안내장치와 향상된 그래픽 표시장치, 정밀한 도로자료와 지도저장을 위한 컴팩트디스크의 사용이 증가될 것이며, 위성의 수신기가 비용면에서 싸게 되어서 추측운행항법 기술을 겸한 위성 수신방법이 보다 더 효율적인 운행경로 안내를 위한 방법이 될 것으로 예상된다.

■대체연료/메타놀이 가장 두각

자동차 생산업체들은 20여년 전부터 대체연료 자동차에 대하여 연구를 계속해 왔으며, 지금은 가능한 대체연료로 메타놀 에타놀 압축천연가스(CNG) 액화천연가스(LNG) 전기자동차 등을 연구하고 있다. 대체연료는 심각해지고 있는 자동차 배기가스의 공해문제를 해결하고 석유매장량의 한계를 극복할 수 있다는 매력을 갖고 있다.

대체연료 중에서 메타놀과 에타놀은 액체연료로서 고옥탄가를 갖고 있어 현재의 엔진에 사용하고 있는 석유연료를 대신하는 가장 확실한 대체 에너지로 생각된다. 메타놀은 석탄 천연가스 나무와 생태계로 부터 쉽게 얻을 수 있으며 또한 어떤 특정지역에서의 대기오염을 개선하는 장점이 있다. 그러나 가솔린보다 에너지 효율이 좋지만 단위체적당 에너지는 가솔린보다 낮아서 운전거리가 줄어드는 단점이 있다.

현재로는 포드사에서 메타놀만을 사용하는 자동차를 실제 주행시험 하고 있으며 '디트로이트디젤앨리슨'사에서는 처음으로 메타놀 연료의 압축점화엔진을 개발하고 있다. 제너럴모터스는 최근에 메타놀과 가솔린 또는 두종류의 혼합연료에도 사용될 수 있는 엔진을 개발했으며, 포드사도 가솔린 메타놀 에타놀 또는 혼합연료에도 적용될 수 있는 다종 대체연료 자동차 연구를 수행하고 있다.

이 장치는 연료의 종류에 따라 연료량을 결정하는 광학센서와 컴퓨터를 포함하고 있어서 운전자의 조작에 의하지 않고도 운행가능하다. 다종 대체연료자동차에서 해결해야 할 기술적 문제로는 연료에 따르는 부품내구성과 배기공해가스인 포름알데히드를 어떻게 줄이느냐에 있다.

■전자식 변속기/기어작동으로 부터 해방

동력전달장치는 엔진의 회전력을 변화시켜 구동바퀴에 전달하는 역할을 하는 것으로 엔진에서 발생된 동력을 클러치→변속기→추진축→종감속기어→차동기어→바퀴축을 거쳐서 바퀴에 전달한다.

이중 변속기는 엔진의 회전력을 차의 운행에 필요한 속도로 변환시켜주고 전진 후진 등 차의 진행방향을 결정한다.
변속기에는 수동변속기와 전자식 자동변속기가 있는데 자동변속기는 수동식 클러치 조작기구가 생략되어 있어서 운전자가 가속페달만 조작하여 차량의 전진 주행속도를 가감할 수 있는 변속기를 의미한다. 그러나 자동변속기에서도 운전자가 주행방향(전진 또는 후진)과 동력전달 여부(중립 또는 주행, 주차 등)는 선택해야 한다.

최근의 전자변속기는 주행 중에 요구되는 성능의 범위를 소프트웨어로 판단하는 컴퓨터가 부착되어 있어 전자센서가 변속기의 출력속도, 엔진의 부하, 엔진속도 선택기어 레버의 위치, 그리고 다른 조정 스위치의 위치를 감지하면 미리 입력된 데이터와 전자센서에 의해 얻어진 동력전달장치의 데이터와의 차이가 자동으로 계산되어 새로운 신호가 엑츄에이터(actuater)로 보내진다. 즉 자동변속기는 동력전달장치의 기능을 감지하고, 최악의 환경이나 마모 또는 다른 외부의 상황에 의해 발생하는 변수의 변화에도 불구하고 일정한 작동을 할 수 있도록 액츄에이터의 입력을 변화시킨다. 앞으로의 전자변속기는 속도의 감지와 엑튜에이팅을, 자동제동장치 그리고 견인력 제어장치와 공유하게 될 것이며 자동정속주행 제어시스템이 출현할 것으로 예상된다.

■입체식 계기판/홀로그래피영상

입체식 계기판은 속도나 회전방향표시 등 계기판의 정보를 홀로그래피상으로 앞 유리면에 투영하여 마치 앞 범퍼 위의 공간에 계기판의 정보가 떠 있는 것 같이 보이게 하는 것으로 운전자가 계기판을 보기위해 전방을 소홀히 하지 않게 한다.

이는 10년전 부터 군사용 초음속기에 사용되어 온 것으로 항상 정면을 주시하도록 하는 것이 목적이었다. 오늘날 자동차가 고속화됨에 따라 자동차에서도 입체식 계기판이 나타나게 되었다. 구형의 입체식 계기판은 두꺼운 박스 형태로 운전자의 정면 계기판 위에 있는데 앞으로 이 시스템은 계기판 안에 설계될 것이다.

입체식 계기판은 박스안에 있는 높은 광도의 진공형광튜브가 정보를 확대 반사경 안으로 반사하고 이것은 다시 그 정보를 앞유리면에 투영한다. 반사경의 경사에 의하여 앞유리면에서의 상의 표시높이를 높이거나 낮출 수 있는 조정이 외부적으로 가능하다.

입체식 계기판의 상이 맺히는 위치는 정면에서 좌측으로 10도의 위치가 가장 적절한 위치이며 이 위치는 도시 거리에서와 같은 복잡한 운전 상황하에서 차폐나 곤란을 피하는 적당한 위치이다. 앞 시야의 차폐와 시선의 유인은 입체식 계기판의 표시위치를 운전자의 정면에서 측면으로 이동함으로써 효과적으로 방지할 수 있다.

앞으로는 쉽게 상을 판단할 수 있는 초록 청색 오렌지색의 색상에 대한 연구가 진행될 것이다. 90년대 초까지는 계기판의 속도계 오일상태 온도 시간 등을 표시한 입체식 계기판이 나타나리라 예상되며 또한 계기판은 점차 소형화 될 추세이다.

■복합전선장치/전자제어방식

자동차의 동력전달장치 운전자정보시스템 차량제어 안전과 편의장치등의 전자화 추세가 매년 증가함에 따라 각 제어기와 제어를 받는 부품을 연결하는 전선장치가 복잡하게 되고 있다. 재래식 전선장치는 최근 전선의 두께가 얇은 피복선으로 대체되었고 고밀도의 커넥터를 사용하게 되었다. 그러나 재래식 전선장치로는 전자장치들간에 정보를 공유할 수 없기 때문에 전선의 부피는 줄어들었지만 필요한 전선의 수와 커넥터의 복잡성은 피할 수 없었다.

복합전선 장치에서는 제어정보가 동일한 전선을 통해서 모든 단자에 전해지기 때문에 제어정보를 공유할 수 있다. 따라서 전자부품들에 대하여 유용한 진단을 내릴 수 있고 센서의 수를 줄일 수 있다. 복합전선 장치에서는 종합버스라인을 통하여 각 단자에 제어정보가 전달되기 때문에 제어기와 전자장치들 사이의 교신은 미리 정해져 있는 전자장치의 번지수를 통하여 제어정보가 각 단자에 전달된다.

■보조안전장치/공기백

공기백은 안전벨트와 함께 사용하는 보조 안전장치로서 자동차가 정면충돌시 운전자와 조수석의 자리에 앉아 있는 사람에게 가해지는 충격을 경감시키고 특히 얼굴 가슴 머리를 보호한다. 이와같은 운전자석과 조수석의 공기백 안전장치는 미국내의 자동차에서만 볼 수 있는 장치로 3년전 포드사에서 처음으로 소개하였다.

이 장치는 차 앞부분의 4군데에 5개의 충격감지기를 가지고 있다. 이것은 장치되어 있는 차에 최소 시속 40㎞의 속도로 충돌하는 경우 공기백을 팽창시키기 위해 신호를 보내는 작용을 한다. 충격감지기에서 전달되는 신호가 진정한 충돌에서 오는 신호인지를 분석하는 것은 소형컴퓨터가 담당한다. 공기백을 채우는 가스는 무해한 질소가스로 되어 있고 충돌시에는 0.04초 이내에 완전히 부풀어진다. 운전자의 공기백은 계기판 뒤에 들어있다. 이와같은 장치는 포드사와 크라이슬러사에서 만들고 있으나 전자진단 모듈의 비싼 생산비용 때문에 일반 자동차에는 설치가 어렵다. 이들 회사들은 현재 1천달러 정도의 가격을 5백달러 이하로 낯추려고 노력중이다. 앞으로 5년내에 정면충돌에 제한되지 않고 측면충돌 등 보다 다양한 충돌시스템에 대비하는 디자인이 개발될 것이다.

■충돌예방장치/레이다가 한몫
 

자동차 사고의 대부분은 1초의 여유만 있었으면 피할 수 있는 것들이다. 이런 자동차 충돌을 예방하기 위하여 미국의 연구소나 대학의 연구원들은 자동차에 빠르게 접근하고 있는 물체를 감지하는 수단으로 자동차용 레이다 장치개발에 전력을 다하고 있다.

그러나 자동차 충돌예방기술은 기대는 크지만 아직 많은 문제가 있다. 즉 그 시스템이 기능을 발휘하기 위해서는 자동차의 속도, 근처 물체의 위치, 그들의 상대적인 접근속도, 그리고 노면의 조건 등을 포함하는 아주 광범위한 데이터를 재빨리 이해할 수 있어야 한다. 접근하고 있는 물체가 실제로 위험한 것인지 또는 단지 커브길의 길가 도로표시판이거나 인접한 차선을 통과하고 있는 차량이거나 또는 날고 있는 새인지를 판단해야 한다. 또한 필요하다면 차량을 정지키시기 위하여 브레이크를 작동시키거나 적어도 충격의 영향을 줄이기 위하여 속도를 줄여야 하며 잘못된 경보에 제동을 걸어서는 안된다. 왜냐하면 이것은 사고를 막는 것보다 더 많은 사고를 일으킬 수 있기 때문이다.

그리고 눈과 안개속에서, 고온이나 저온에서, 먼지가 많은 환경 그리고 모든 형태의 고속도로와 교통사정에서도 동작할 수 있어야 한다. 이제까지 개발된 자동차용 레이다장치는 많은 오(誤) 경보율을 가지고 있다. 오경보는 탐지범위를 1백m 이내로 제한하고 바로 앞 한 레인에만 초점을 맞추는 좁은 레이다법을 채택함으로써 해소될 수 있었으나 이 경우에도 길가의 물체와 커브길에서 접근하는 차량에 대해서는 여전히 문제가 발생했다. 또 도로표지판 나무 다리 그리고 커다란 금속난간들이 쉽게 레이다장치를 혼란에 빠뜨렸다.

또 다른 방법은 충돌경보시스템과 브레이크를 연결하지 않고 단지 경보불빛과 들을 수 있는 음성을 제공하여 인간의 두뇌가 컴퓨터의 프로세스 역할을 하여 오경보를 걸러내는 방법이 있다. 브레이크와 연결된 앞의 방법으로는 만일 이 장치가 오경보를 발하지 않는다고 가정할 때 30% 이상의 사고를 줄이는 반면, 브레이크와 연결되지 않는 경보만의 충돌경보 시스템은 20% 정도의 사고를 줄일 수 있는 것으로 확인됐다. 따라서 앞에서 언급된 문제들 때문에 이 경보만의 충돌 경보시스템이 가장 흥미를 끌고 있다. 앞으로 위와 같은 오경보를 거의 제거할 수 있는 충분한 신호처리능력이 주어지면 이 충돌경보장치와 차량 브레이크가 연결된 장치가 실용화될 것이다.

■자동조절현가장치/보다 쾌적하게

현가장치는 차축과 차대를 연결하고 주행중 노면에서 받는 진동이나 충격을 흡수하여 승차감과 안전성을 향상시키는 장치이다.
재래식 현가장치는 스프링 쇼크업소버안정조정기 등으로 구성되어 있으나 오늘날에 와서는 더 좋은 성능을 얻기 위하여 전자장치를 이용하게 되었다. 즉 재래식 쇼크업소버 대신에 자동적으로 제어되는 유압 작동기를 각 바퀴에 설치하여 차량의 여러곳에 설치한 변위센서 하중센서 가속도센서들로 부터의 신호를 컴퓨터에 보내고 컴퓨터는 다시 유압 작동기에 흐르는 유체의 양을 조절하게 되며, 자동적으로 제어되는 펌프는 이 유압장치에 필요한 압력을 유지시켜주고, 유압 작동기는 각 바퀴의 힘을 수정하여 더 편안한 승차감과 운전성 그리고 견인력을 얻게 한다.

자동조절현가장치는 차가 커브길을 돌 때 차체가 수평을 이루게 하며 컴퓨터는 도로위나 밖의 불규칙한 돌출부분에 대하여 그 크기를 감지하여 유압 작동기로 하여금 바퀴를 적당히 들어올리게 한다. 자동조절 현가장치는 더 부드러운 승차감과 더 좋은 견인력, 차량의 기울어짐의 감소 그리고 향상된 운전성을 제공한다. 앞으로 5~10년 사이에 전자식 현가장치는 완벽한 성능을 갖출 것이지만 상품화는 전자식 현가장치의 부품가격의 경제성에 의해 결정될 것이다.

■자동제동장치와 견인력 장치/신속한 정지
 

미래의 자동차는 가속능력이 큰 고성능차를 만들어 내는 것과 빠른 속도로 달릴 수 있는 차를 만들어 내는 것이다. 이와같이 고속 자동차의 기술발달과 교통량의 증가로 자동차의 충돌위험시나 미끄러운 도로상황에서 제어능력이 좋은 브레이크를 제작하는 것이 필요하다.
자동제동장치(ABS)는 피드백방식으로 브레이크의 제동압력을 전자식으로 조정하여 바퀴가 회전없이 미끄러지는 것을 방지하는 장치이다. 이 장치의 원리는 타이어와 도로면의 유효마찰계수는 미끄러짐이 10~20%일때 최고이며 1백% 미끄러짐에서는 이 값이 70~80%로 떨어지는 것을 응용한 것이다.

전형적인 자동제동장치는 다음과 같은 구성요소로 이루어져 있다. 바퀴의 속도를 감지하는 바퀴속도센서와 센서신호처리, 여러 종류의 자동제동장치의 밸브와 부품의 구동장치, 오동작 감지장치, 컴퓨터 기능을 가지고 있는 전자식 조절기 그리고 브레이크의 압력을 줄이거나 유지하거나 또는 증가시키는 역할을 하는 전자식 브레이크 압력조절기로 이루어져 있다.

견인력제어장치의 구조는 자동제동장치와 매우 흡사하며 가속시 바퀴의 공회전을 방지하고 제어력을 잃지 않도록 하는 장치이다.
1980년대 들어 소형 컴퓨터와 전자센서의 급격한 발전으로 자동제어장치와 자동견인력장치의 출현이 가능하게 됐는데 이들 장치에 들어가는 컴퓨터칩과 하드웨어는 크기가 점점 소형화되고 기억용량도 증가할 것이다. 현재 자동제동장치와 자동견인력장치는 고가장비여서 고급자동차와 트럭에만 사용되고 있으나 앞으로는 저렴한 대중형장치가 개발되어 일반 자동차에도 사용될 것이다.