자동차공학

1. 자동차공학 건국대학교 기계공학과 박 정 규 기초전자

2. 자동차에 전자기술을 채용한 시기는 다른 분야에 비해 비교적 늦었다. 그러나 1970년대에 들어서면서 자동차에서 배출되는 유해배기가스와 연료경제성(연비향상)에 대한 환경규제가 강화되고 이에 대응하기 위하여 보다 정밀한 엔진의 제어가 필요했던 것이다. 따라서 저배기, 고연비 실현을 위해 흡입공기량의 정밀한 계측(AFS), 정확하고 확실한 점화(HEI, DLI), 그리고 흡입 공기량에 따른 정확한 연료분사(MPI) 등에 의한 엔진의 전자제어(ECU)가 도입되면서 자동차의 전자기술은 획기적으로 발전하게 된다. 최근에는 운전 안정성에 대한 관심 역시 커지면서 여러 가지 편의장비(ECS, Navigation, FATC 등)와 안전장비(ABS, Traction control 등)에 전자화가 더욱 보편화되며, 향후 2000년대에는 이러한 추세가 더욱 가속화 될 전망이다. 최근 자동차에 사용되는 전자소자의 특성과 동작원리에 대해 살펴본다. 일반적으로 사용되는 반도체 소자의 장·단점은 다음과 같다.

3. 1. 반도체(Semiconductor)(1) 순수반도체  도체와 부도체 사이의 중간적 성질을 갖는 물질로서 최외각에 4개의 가전자를 갖는 4가의 원소들이다. 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)과 같은 순도가 매우 높은 반도체를 진성반도체라 한다. 진성반도체는 평상시에는 부도체와 같이 전자의 이동이 어려우나 전기, 빛, 열 등의 자극을 받으면 공유결합을 하고 있던 소수의 전자가 튀어나와 이동하기 쉬운 전자로 되기 때문에 도체로 되어 전류를 흘려보낼 수 있게 된다. ※ 가전자는 8개일 때가 가장 안정하고 8개가 아닐 때는 될 수 있으면 8개가되어 가장 안정된 상태 를 유지하려고 하는 성질이 있다.

4. ■이온결합 : 전기적인 흡인력에 의해 원자들끼리 결합 (예) NaCl (8) = Na (1) + Cl (7) [ ( )안의 숫자는 가전자 수를 의미]   Na의 경우 가전자 (1)이므로 (7)개를 얻는 것보다는 (1)개를 버리는 편이 쉽게 안정될 수 있고,반면에 Cl의 경우에는 전자(1)개를 얻는 것이 쉽다. 따라서 Na는 전자 1개를 버려 (+) 성질을 띄고, Cl은 전자1개를 얻어 (-)성질을 띈다. 그 뒤에는 Na(+)와 Cl(-)의 전기적인 흡인력에 의해 결합을 한다. ■공유결합 : 이웃하는 원자들과 하나씩 전자를 공유하는 결합 (예) 2Si (8) = Si (4) + Si (4)   Si의 경우 가전자가 (4)개이므로 안정되기 위해서는 가전자 (4)개를 얻기도 어렵고, 버리기도 어렵다. 따라서 서로 뭉치면(서로 공유) 안정될 수 있다. ■Si(14)의 결합력 ≫ Ge(32)의 결합력 Si반도체가 Ge보다 높은 전압과 높은 온도에 이용된다. : 원자핵으로부터 가전자의 위치가 원자번호가 클수록 멀기 때문에 원자핵의 인력이 작기 때문에 외부로 떨어져 나가기 쉽다. 따라서 Si반도체가 Ge 보다 좀더 높은 전압과 온도를 가해야만 공유하던 전자가 튀어나오기 때문이다.

5. (2) P형 반도체 (Positive Semiconductor : (+)반도체)P형 반도체는 진성 반도체에 3가의 원소(B : 붕소, In : dlaseba, Ga: 갈륨)를 혼합하여 전자가 부족되는 불순물 반도체를 말한다. (예) Si (4) + Ga (3) = (7) : 전자 1개가 부족한 상태이다. 따라서 기회만 있으면 주위에서 전자(1)개를 끌어들 일려는 작용이 일어나게 된다. P형 반도체는 전자가(1)개 없으므로 (+)의 특성을 가지며 이때 전자의 빈자리를 정공(Positive hole)이라 한다. [그림 1] P형반도체와 N형 반도체 (3) N형 반도체 (Negative Semiconductor : (-)반도체)  N형 반도체는 진성 반도체에 5가의 원소(As : 비소, P : 인, Sb : 안티몬)를 혼합하여 전자가 과잉되는 불순물 반도체를 말한다. (예) Si (4) + Sb (5) = (8) : 전자 1개가 과잉된 상태이다. 즉, Sb의 (5)개 가전자 중 (4)개는 Si와 공유결합을 하고 나머지 (1)개는 결합이 할 곳이 없어서 남아 있으며, 따라서 기회만 있으면 이동하려는 작용이 일어나게 된다. N형 반도체는 전자가(1)개 많으므로 (-)의 특성을 가지며 이때 남는 전자를 과잉전자라 한다.

6. 2. 다이오드(diode) [그림 2] PN 접합 다이오드 P형 반도체와 N형 반도체를 접합(Juction)하고 각 반도체로부터 도선(리드선)을 내 놓으면 다이오드가 된다. P형과 N형 반도체의 접합부분에서는 정공과 전자가 결합을 하며, 결합된 부분은 과잉전자나 정공이 전혀 없는 절연 영역이 된다. 이 절연영역(공핍층)은 전자나 정공이 이동하기 매우 어려운 곳이 된다.(남·북의 대치상황과 비무장 지대를 연상하면 쉽다.)

7. (1) 순방향 전압 P형 반도체쪽에 (+), N형 반도체 쪽에는 (-)전원을 공급하면, N형 반도체 내의 전자는 전원의 (-)에 의하여 반발당하고, (+)측에서는 전자를 끌어 당기므로 전자는 N형에서 P형 반도체 쪽으로 이동하게 된다. [Ge 다이오드는 0.3∼0.4V, Si 다이오드는 0.6∼0.7V 이상의 전압만 가하면 다이오드의 접합부 전위장벽을 넘을 수 있다.] [그림3] 다이오드 순방향 접속

8. (2) 역방향 전압 P형 반도체쪽에 (-), N형 반도체 쪽에는 (+)전원을 공급하면, 공핍층의 전위차는 더욱 커지게 되어 자유전자가 이동할 수 없으므로 전류는 흐르지 않게 된다. 그림은 다이오드에 대한 기호 표현을 나타낸다. P형 반도체 단자를 A(애노드), P형 반도체 단자를 K (캐소드)라고 표현하며, 아래그림은 역방향전압과 순방향 전압을 인가했을 때 흐르는 전류를 나타낸다. 역방향 전압에는 미량의 누설전류가 흐르지만 매우 높은 역방향 전압이 인가되면 급작스럽게 큰 전류가 흐른다. 이때 인가된 전압을 항복전압이라 하고 이때 반도체는 파괴된다. [그림4] 다이오드 역방향 접속

9. (3) 다이오드의 응용 : 다이오드를 이용하여 교류를 직류로 정류할 수 있다. 4개의 다이오드를 이용하여 단상전파정류의 예를 아래 그림에 나타낸다. [그림5] 단상 전파정류

10. 1.3 트랜지스터(Transistor)트랜지스터는 P형 반도체와 N형 반도체 3개를 조합하여 구성되며, PNP형과 NPN형이 있다. 자동차에 사용되는 트랜지스터는 주로 스위칭 작용만을 담당하며 열에 강한 실리콘 트랜지스터가 주가 되며, 응답성이 좋고 소비전력이 적은 NPN형이 주로 사용된다. [그림6] 트랜지스터  ■트랜지스터의 구성 및 기본동작 ① 구성 베이스 (B : base) : 중앙에 위치한 반도체 이미터 (E : emitter) : 화살표가 있는 위치의 반도체 컬렉터 (C : collector) : 나머지 위치에 있는 반도체   ② 기본동작 PNP : 이미터에서 베이스로 전원을 공그보하면 이미터에서 컬렉터로 큰 전류가 흐른다. NPN : 베이스에서 이미터로 전원을 공급하면 컬렉터에서 이미터로 큰 전류가 흐른다. 바이어스 전압 : PNP형의 경우 이미터와 베이스 사이에 순방향 직류전원을 가하는 전압

11. [그림7] 트랜지스터의 동작

12. 트랜지스터의 증폭작용PNP의 경우, 이미터에서 베이스로 전원을 공급하면 이미터에서 컬렉터로 큰 전류가 흐른다. 이때 이미터에서 베이스로는 약 2∼5%, 이미터에서 컬렉터는 95∼98% 흘러간다. 따라서 IE = IB + IC가 된다. 이때 [IC / IB ] 전류증폭률이라 한다. • [그림 8] 트랜지스터의 증폭작용※ 트랜지스터에는 3가지 접지방식(이미터접지, 컬렉터접지, 베이스접지)을 사용하는데 전류증폭을 위해서는 주로 이미터 접지방식이 사용된다. ※ 포화영역 : 베이스 전류를 점점 크게 하여도 더 이상 컬렉터 전류가 증폭되지 않는 한계가 있는데 이러한 영역을 말한다. ※ 차단영역: 베이스 전류가 너무 미소하여(바이어스 전압이 너무 낮는 경우)트랜지스터가 동작하지 않는 영역

13. (2) 트랜지스터의 스위칭작용  베이스에 흐르는 전류를 단속함으로써 컬렉터 전류를 제어할 수 있는 스위칭 작용을 하게 되는데 기계식과 비교하여 다음과 같은 장점이 있다. ① 릴레이의 코일을 자화시키기 위한 전류보다 훨씬 미소한 베이스전류로 개폐동작을 할수 있다. ② 릴레이는 접점을 기계적으로 개폐하지만 트랜지스터는 전기적으로 수행함으로 1초에 1000회 이상으로 스위칭 작용을 수행할 수 있다. ③ 트랜지스터는 기계적 접점이 없으므로 개폐시의 접점의 진동(채터링)이 없고 동작이 안정된다. [그림9] 트랜지스터의 스위칭 작용

14. [그림 10] 트랜지스터의 작동회로 [그림11] 트랜지스터의 응용회로(점화장치)

15. 2. 기타 반도체 소자2.1 제너 다이오드 (Zener diode)역방향 전압을 증가시키면 어느 전압에서 급격히 전류가 증가하는 특성을 갖고 있다. - 제너전압(2∼100V) : 역방향 전류가 급격히 흐르기 시작하는 전압으로, 다이오드는 항복전압 이상이 되면 파손이 되지만 제너 다이오드는 순방향과 같이 흐른다. - 자동차 응용분야 : 발전기의 전압조정기, 각종 회로 보호기 [그림 12] 제너다이오드의 특성

16. [그림 13] 제너다이오드를 이용한 안정화 회로 2.2 포토 다이오드 (Photo diode)포토 다이오드는 역방향의 전압을 가한 상태에서 PN접합면에 빛을 받으면 전류가 흐르는 특성이 있다. - 포토 다이오드에서 발생되는 전류의 세기는 빛의 양에 비례하여 증가한다. - 자동차 응용분야 : 일사센서, 크랭크각 센서(CAS) [그림 14] 포토다이오드와 응용회로

17. 2.3 발광 다이오드 (LED : light emission diode)  PN접합 다이오드에 순방향 전압을 가했을 경우 빛을 발생하는 소자 - 전구에 비하여 수명이 길고, 빛의 강도가 높으며, 동작이 매우 빠르다. - 자동차 응용분야 : 디지털미터 표시장치, 차속센서, 크랭크각도 검출 [그림15] 발광 다이오드

18. 2.4 서미스터(Thermistor)반도체의 부온도 특성을 이용한 소자로 온도계측에 널리 사용  ■ 정온도 특성 [PTC] : 온도가 증가할수록 저항이 증가. 예) 일반금속   금속내의 분자운동(병진, 회전 등)이 온도 증가에 의해 활발해져 전류의 이동을 방해하기 때문. ■부온도 특성 [NTC] : 온도가 증가할수록 저항이 감소. 예) 반도체, WTC, ATS 등등   반도체의 경우, 온도가 증가할수록 가전자의 에너지가 많아져 자유전자로 되기 쉽다. 따라서 전류의 이동이 쉬워짐. [그림 16] 서미스터 응용

19. 2.5 사이리스터 (SCR : thyristor )전류에 대한 on/off 동작이 매우 빠르며, 내전압이 높기 때문에 트랜지스터의 스위칭 동작 대용으로 활용 [PNPN 접합으로, 애노드(양극), 캐소드(음극), 게이트 3개의 단자로 구성] [그림 17] 사이리스터(SCR) - 자동차의 CDI 점화장치에 활용되며 낮은 게이트 신호를 이용하여 부하로 향하는 큰 전력을 제어 할 수 있다. - 트랜지스터와 다른 점은 게이트 신호를 중단해도 애노드에서 캐소드로 전류는 계속 흐른다. (주로 콘덴서에 저장된 만큼의 전기를 한꺼번에 방출할 때 응용 : CDI)

20. 2.6 압전소자(Piezo-electric element)압전효과 : 늘어나그나 수축하는 기계적인 힘을 가하면, 그 응력에 비례하는 양, 음의 전하가 양 끝에 나타난다. 반대로 이 결정에전압을 가하면 전압에 비례하는 변형이 생긴다. -  티탄산바륨(BaTiO3)등을 재료로 쓰며, 노킹센서 등의 진동 검출센서로 사용된다. [그림 18] 압전소자

21. 2.7 산소센서(O2 sensor)고체전해질(실리코니아 소자) 양 표면에 백금의 얇은 층을 바르고 전극을 붙인 것으로 양쪽표면의 산소 농도차가 있으면 기전력을 발생하는 성질이 있다. [농후할수록 기전력이 크지고, 희박할수록 기전력이 낮다.] - 가솔린엔진에서 3원촉매 정화효율을 향상시키기 위해 공기와 연료의 완전연소 여부를 검출하는데 사용된다. [그림19] 산소센서 구조 및 출력전압

22. 2.8 홀소자(Hall element)- 홀효과: 반도체 소자에 전류를 흘리면서 직각방향으로 자계를 가하면 전자작용에 의하여 전자가 이동하기 때문에 전류의 방향과 자계의 방향에 대하여 직각방향으로 기전력이 발생하는 현상 VH = 홀 기전력[V], R = 홀계수(실리콘의 경우 10-8) I = 홀소자에 흘려주는 전류 [A], H = 자장의 세기, d = 홀소자의 두께 전류의 크기가 일정할 때 기전력은 자자의 세기에 비례함을 알수 있다. [그림 20] 홀효과

23. 3. 논리회로3.1 아날로그와 디지털(1) 아날로그(analogue) 시간의 변화에 따라 직선적으로 변화되는 신호의 형태로 배터리 전압, 발전기, 파형산소센서의 출력전압, 교류 등이 있다.  각종 센서에서 검출한 물리량, 화학량, 전기량 등을 처리한 결과는 아날로그 파형으로 검출된다. (2) 디지털(Digital) 전압의 변화가 시간의 변화에 대하여 계단형식의 값을 취하는 형식을 말한다. - 전기가 on/off 또는 1과 0의 조합으로 처리된다. 따라서 디지털 신호에서는 신호가 오직 2개로 High의 H (전기 on)와 Low의 L (전기 off)이 사용되며, 2진법 숫자로 표시하면 0과 1의 조합으로 정의된다. - 컴퓨터가 입력정보를 출력으로 변환하는 정보처리를 위한 기본적인 전기회로 [그림 21] 아날로그와 디지털 차이

24. (3) IC의 응용   아래의 그림은 OR 회로와 NAND 로 구성된 SN7432, SN7400 IC 이다. 논리회로를 알아야만 하는 이유는 여러 IC 들의 회로내부가 바로 논리회로로 구성되어 있기 때문이다 [그림22] IC

25. 3.2 논리회로 IC 회로에 주로 사용되는 논리회로는 AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR 등이 사용되며 이들의 활용을 통하여 다양한 파형을 만들 수 있다. (1) AND 회로 [그림 23] AND 회로

26. (2) OR 회로 [그림 24] OR 회로 (3) NOT 회로 [그림 25] NOT 회로

27. (4) NAND 회로 [그림26] NAND 회로 (5) NOR 회로 [그림27] NOR 회로

28. (6) XOR 회로 [그림 28] XOR 회로