‘브레이크를 잘 사용하면 더 빠르다’


자동차 레이스에서 전해져 내려오는 격언입니다. 언뜻 보면 앞뒤가 맞지 않는 말 같습니다. 브레이크는 자동차의 속도를 줄이는 장치인데 어떻게 이것이 자동차를 더 빠르게 만든다는 것인지 이해가 되질 않습니다. 


바로 여기에 브레이크의 신비가 있습니다. 처음에는 그저 멈추기 위한 도구였던 브레이크가 차량을 드라이버가 마음대로 조종하기 위한 중요한 도구로 발전한 것입니다. 브레이크를 잘 사용하면 결과적으로 빨라질 수 있다는 뜻입니다. 그런데 이제는 브레이크가 실제로 자동차를 더 잘 달리게 할 수도 있는 시대가 왔습니다. 브레이크의 아이러니. 이제부터 알아보겠습니다.


물체를 움직이게 하는 것 자체가 힘들었을 때는 브레이크는 필요하지 않았습니다. 그런데 통나무를 무거운 물체 아래에 놓고 굴리기 시작하면서 상황이 달라졌습니다. 즉 원시적인 바퀴가 탄생하면서 물체를 움직이게 하는 만큼 멈추게 하는 것이 중요해진 것입니다. 일단 움직이기 시작한 물체를 원하는 곳에 멈추게 해야 할 필요가 생겼고, 심지어는 내리막에서 커다란 석재가 엄청난 속도로 미끄러져 내려가 사람들을 위험에 빠뜨리지 않도록 속도를 제어해야 했습니다. 


브레이크의 원리는 물리적으로는 아주 단순합니다. 움직이는 물체는 운동에너지를 갖는데 이 에너지를 빼앗아서 다른 형태로 바꿔버리면 속도가 줄어들게 되는 것입니다. 어렸을 적에 바퀴가 달린 말이나 발로 미는 자전거, 혹은 세 바퀴 자전거를 타면서 이것들을 멈출 때 우리는 발바닥을 땅에 문지르며 속도를 줄였습니다. 즉 지면과의 마찰력을 이용했던 겁니다. 마찰력은 운동에너지를 열에너지로 바꾸기 때문에 속도가 줄어듭니다. 애니메이션이나 영화에서 발바닥을 이용하여 가까스로 멈추는 장면 끝에는 발바닥에 불이 붙거나 연기가 나는 장면이 반드시 뒤따릅니다. 물리학적으로 옳은 장면입니다.


현대적 자동차용 브레이크 시스템은 1900년에 마이바흐에 최초로 적용된 드럼 브레이크였습니다. 회전축에 부착된 원통형 드럼의 안쪽에 브레이크 슈shoe를 마찰시키는 방식의 드럼 브레이크는 흙이나 물 등의 이물질에 마찰력이 영향을 받지 않으므로 안정적인 제동력을 발휘할 수 있었습니다. 초기에는 케이블이나 레버 등으로 작동되던 드럼 브레이크는 1930년대가 되면서 브레이크 페달은 유압을 이용해 드럼 브레이크에 제동을 가하는 유압식으로 발전합니다. 


하지만 자동차가 빨라지고 무거워지면서 드럼 브레이크는 한계에 봉착합니다. 그것은 바로 열이었습니다. 무겁고 빠른 차의 더 많은 운동에너지를 더 많은 열에너지로 변환시키자 밀폐된 구조의 드럼 브레이크는 열을 충분히 배출할 수 없었던 겁니다. 가열된 드럼은 팽창하게 되고, 브레이크 슈는 마찰력이 급격하게 떨어졌으며 휠 실린더 안의 유압액은 끓어오르며 페달의 제동력을 전달하지 못했습니다. 그래서 요즘은 드럼 브레이크는 속도가 느린 트럭이나 무게가 가벼운 소형차의 뒷바퀴용 제동 장치에 제한적으로 사용됩니다. 제동력의 큰 부분을 담당하는 앞바퀴는 방열성이 뛰어난 디스크 브레이크에게 넘어갑니다.


디스크 브레이크의 위력이 여실히 증명된 것은 1953년 르망 24시간 레이스였습니다. 여전히 드럼 브레이크를 사용하던 경쟁자들과 달리 재규어는 C-타입 경주차에 디스크 브레이크를 적용하였고 우승까지 차지합니다. 재규어의 우승은 거의 순전히 디스크 브레이크의 덕택이었습니다. 브레이크를 한계까지 몰아붙이는 내구 레이스는 잘 멈출 수 있다는 성능에 대한 믿음이 더욱 빠른 스피드를 내는 원동력이라는 것을 증명한 것입니다. 그 후 1980년대까지 거의 모든 승용차의 전륜 브레이크는 디스크로 바뀌었고 현재는 승용차의 약 80% 이상이 디스크 브레이크를 사용합니다.

▲ 재규어 C-타입 경주차


사실 디스크 브레이크는 드럼 브레이크와 거의 같은 시기인 1902년에 윌리엄 란체스터(William Lanchester)에 의해 개발되었습니다. 그러나 외부로 노출되는 구조는 비포장도로가 대부분이었던 당시 도로 상황에 취약했고 브레이크 패드에 마땅한 소재가 없어서 구리를 사용했기 때문에 패드의 수명이 너무 짧아서 널리 사용되지 못했습니다. 디스크 브레이크가 다시 빛을 보게 된 것은 2차대전을 앞둔 1930년대였습니다. 비용보다 절대 성능이 중요했던 항공 분야, 그리고 군용 중장갑 차량 등이 디스크 브레이크를 채용한 것입니다. 


자동차의 성능이 향상되면서 디스크 브레이크의 성능도 발전했습니다. 디스크의 면적은 더욱 넓어지고 브레이크 패드의 개수와 면적도 넓어졌습니다. 그래서 등장한 것이 8 피스톤 캘리퍼 등 대형 캘리퍼입니다. 디스크의 열 발산 성능을 높이기 위하여 디스크 사이에 환기용 홈이 패인 벤틸레이티드 디스크가 출현했고 패드와 디스크 사이의 마찰력 증가를 위하여 구멍이나 홈이 패인 드릴드 로터, 슬롯티드 로터 등이 나타났습니다. 하지만 엔진의 성능은 비약적으로 향상되었고 이제는 디스크 브레이크도 근본적인 혁신이 필요해졌습니다. 그것은 바로 새로운 소재의 적용이었습니다.


디스크와 캘리퍼가 커질수록 바퀴의 무게는 무거워집니다. 바퀴의 무게, 즉 서스펜션 아래 중량이 무거워지면 차량의 조종 성능이 급격히 악화됩니다. 따라서 무턱대고 디스크와 캘리퍼를 크게 만들 수는 없었습니다. 그리고 열을 더욱 잘 발산시키는 소재가 필요했습니다. 그래서 등장한 것이 세라믹 소재의 디스크, 그리고 알루미늄 소재의 캘리퍼입니다. 


세라믹 이외에 알루미늄이나 카본 파이버 등도 디스크의 소재로 실험되었습니다. 로터스의 경량 스포츠 카인 엘리제(Elise)는 알루미늄 디스크를 사용했지만 약한 내구성 때문에 고성능 모델에는 주철 브레이크를 사용할 수밖에 없었습니다. 카본 파이버 디스크는 1969년 콩코드 초음속 여객기에 처음 적용되어 탁월한 극한 성능을 증명합니다. 그러나 엄청나게 비싼 가격, 고온에서만 우수한 성능을 발휘하고 물기가 묻으면 제동력이 전혀 발휘되지 않는 등의 까다로운 특성 때문에 일반 차량에는 사용되지 않고 항공기나 포뮬러 1 경주차에만 사용됩니다. 




▲ 에어버스 A350에 사용되는 카본 디스크 브레이크


세라믹 복합 소재로 만든 브레이크 디스크가 최초로 사용된 것도 자동차는 아니었습니다. 고속 열차의 대명사인 TGV가 바로 그 장본인입니다. 그리고 1999년 프랑크푸르트 모터쇼를 통하여 세계 최초의 카본 세라믹 브레이크 디스크가 선을 보이고 2001년 포르쉐의 고성능 모델인 911 GT2를 통하여 최초로 자동차에 적용됩니다. 그리고 부가티 등의 슈퍼카, 그리고 독일 3사의 고성능 모델 등에 적용됩니다. 주철 디스크에 비하여 절반 이하의 무게로 차량의 조종 성능을 높이고 가혹하게 사용해도 제동력이 떨어지지 않으며 페달 감각도 명료한 데다 카본 디스크와는 달리 차가울 때나 물에 젖어도 제동력에 변화가 없는 카본 세라믹 디스크는 디스크의 결정판이었습니다. 하지만 대당 1천만 원을 넘나드는 가격이 문제입니다. 




▲ 포르쉐 PCCB 카본 세라믹 브레이크 디스크


충분한 제동력을 확보한 브레이크 시스템은 다른 방향의 진화를 시작합니다. 그것은 제동력의 조절이었습니다. 브레이크를 너무 강하게 밟았거나 노면이 미끄러워서 타이어가 미끄러지기 시작하면 제동 거리도 길어지지만, 운전자가 마음대로 차를 조종하기가 어려워집니다. 그래서 발명된 것이 ABS(Anti-Lock Brake System) 입니다. ABS의 획기적인 점은 네 바퀴의 제동력을 제각기 조절할 수 있다는 점입니다. 아무리 운전을 잘 하는 프로 드라이버라도 이것은 불가능합니다. ABS는 차량의 조종 안정성을 비약적으로 향상시키고 브레이크 시스템의 역할을 제동 이상의 영역으로 확장한 일대 사건이었습니다.


ABS가 네 바퀴의 제동력을 조절할 수 있게 되자 브레이크 시스템은 완전히 새로운 단계로 접어듭니다. 그 첫 번째는 전자 제어 차동 장치, 즉 EDL(Electronic Differential Lock)입니다. 미끄러운 노면에 한쪽 바퀴만 놓여있을 때 출발하려고 가속 페달을 밟으면 한쪽 바퀴만 헛돌고 차는 움직이지 못합니다. 이런 상황을 방지하려면 별도의 차동 제한 장치, 즉 LSD가 필요했습니다. 하지만 ABS의 기구를 이용하여 헛도는 바퀴에만 브레이크를 걸 수 있게 되자 이 문제는 간단하게 해결되었습니다. 


더 나아가 브레이크는 차량의 조종 특성에 능동적으로 개입하기 시작합니다. 전자제어 주행안정장치, 즉 ESC(Electronic Stability Control)이 그것입니다. 운전자가 스티어링 휠을 돌린 것만큼 차량이 선회하지 못하고 부족하거나 과도하게 선회하는 언더스티어와 오버스티어 현상을 제어하는 데에 ABS의 ‘한 바퀴 브레이킹’이 효과적이었던 것입니다. 이제는 ESC가 엔진의 출력을 포함한 차량의 주행 장비의 대부분을 총괄하여 제어하는 안전 운전의 최고 사령관이 되었을 정도입니다.


그리고 마지막으로 브레이크 시스템은 글자 그대로 차를 빠르게 달리게 하는 단계까지 발전했습니다. 그것은 바로 회생 제동 장치입니다. 지금까지의 제동 장치가 운동에너지를 마찰력을 통하여 열에너지로 발산시키면서 속도를 떨어뜨린 것이었다면 회생 제동 장치는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 다시 거두어들입니다. 이때 사용되는 제동력의 원천은 마찰력이 아니라 발전기 내부의 자석에서 나오는 자기장의 힘입니다. 거둬들인 에너지는 다시 가속할 때 모터를 돌려 실제로 차를 더 민첩하게 달리도록 도와줍니다. 이처럼 회생 제동 장치는 에너지 효율을 높일 뿐만 아니라 가속력을 향상시킨 것입니다. 회생 제동 장치는 전기차나 하이브리드 자동차 등 전기 구동 장치가 있는 모델은 모두, 그리고 ISG 시동 차단 장치가 있는 차량들에게도 널리 적용되고 있습니다.




▲ 토요타 하이브리드 구동 장치의 모터

회생 제동용 발전기의 역할도 함께 수행한다.


‘브레이크를 잘 사용하면 더 빠르다’ 이 말은 이제 자동차 경주뿐만 아니라 실제 생활에서도 통하는 원칙입니다. 그것을 현대적 브레이크 시스템이 가능하게 했습니다.





※ 본 콘텐츠는 집필가의 의견으로, 삼성화재의 생각과는 다를 수 있습니다. 






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요즘 전기차가 화제입니다. 이제는 한 번 충전으로 300km를 넘게 달릴 수 있는 모델도 있고 정부 보조금을 받으면 가격도 나쁘지 않다고 합니다. 유지비는 다른 자동차들보다 훨씬 적게 드는데 그래서인지 예산이 한정되어 있는 일부 지방자치단체의 경우는 보조금을 받기 위하여 밤새도록 줄을 서는 진풍경이 연출되기도 했답니다.


전기차가 이전에 비해 가까워진 것은 사실이지만 아직 본격적이라고는 할 수 없습니다. 앞서 말씀 드렸듯이 보조금이 없으면 비싼 가격과 번거로운 충전으로 일반 자동차에 비해 큰 메리트가 느껴지지 않기 때문이죠. 플러그 인 하이브리드 모델을 포함하여 배터리를 미리 충전할 수 있는 전기차의 작년 세계 판매량은 77만5천대로 전체 자동차 판매량의 1%가 채 되지 않습니다. 우리 나라는 이보다 점유율이 더 낮아서 0.3% 수준입니다. 


그렇습니다. 아직은 아닙니다. 우리는 아직 – 그리고 앞으로도 최소한 십 년 이상은 – 내연 기관이 이끄는 자동차의 세상을 살 것이라는 뜻입니다. 그만큼 내연 기관은 매력적이고 효율적이며 실용적이기 때문입니다. 하지만 당연히 내연 기관이 처음부터 지금처럼 좋았을 리는 만무합니다. 지난 20세기 내내 자동차와 함께 내연 기관은 꾸준히, 그리고 동시에 빠르게 발전해왔습니다. 그래서 우리는 20세기를 자동차의 세기라고 부르기도 합니다. 그리고 IT의 시대라고 하는 21세기에도 내연 기관의 지위는 여전히 굳건합니다.

 

▲ 내연 기관의 원리


내연 기관이란 내연(內燃)이라는 말에서 알 수 있듯이 이 엔진은 엔진 안에서 연료를 태워서 힘을 얻는 방식입니다. 내연이 있으면 외연(外燃) 도 있겠지요? 외연 기관은 엔진 바깥에서 연료를 태우고 그 열기를 이용하여 엔진을 굴리는 방식을 말하며, 대표적인 외연 기관으로는 증기 기관과 증기 터번 등이 있습니다. 증기 기관은 보일러에서 석탄을 태워서 얻은 열로 물을 끓여서 증기를 만든 다음 그 증기로 피스톤을 밀어내면서 힘을 얻습니다. 원자력 발전소의 증기 터빈도 외연 기관입니다. 이에 비하여 가솔린 엔진과 디젤 엔진 같은 내연 기관은 연소실에서 직접 연료를 태울 때 발생하는 에너지로 직접 피스톤을 아래로 밀어내면서 힘을 얻습니다. 


  


증기 기관은 18세기 말과 19세기에 증기 기관차와 공장 등지에 사용되면서 이미 상당히 발전했습니다. 최초의 자동차가 증기 기관을 사용했던 것은 어쩌면 자연스러운 결과일지도 모르겠습니다. 


도로에서의 자유롭게 움직여야 할 자동차는 기차보다 훨씬 작아야 하지만 증기 기관은 보일러와 물탱크, 석탄 저장고 등이 필요했기 때문에 자동차에 비하여 부피가 너무 크고 컸습니다. 하지만 증기 기관 이외에는 마땅한 동력 기관이 없었기 때문에 증기 기관을 자동차에 사용하려는 노력은 계속되었고 19세기에는 증기 자동차가 버스 크기의 자동차에서는 꽤 실용적인 수준까지 발전합니다. 놀라운 사실은 내연 기관이 이미 실용적인 수준으로 발달한 1920년대에 소형화된 증기 기관을 사용하여 당시의 내연 기관 승용차와 겉모습에서는 거의 구분하기 힘들 정도로 발달한 증기 기관 승용차가 있었다는 점입니다. 




▲ 1924년식 Doble Model E 증기 자동차


내연 기관의 이론적인 기틀도 18세기 말부터 서서히 갖추어집니다. 하지만 내연 기관이 자동차에 적용되는 데에는 거의 100년의 시간이 필요했습니다. 가장 큰 걸림돌은 바로 연료였습니다. 내연 기관은 엔진 안에서 연료를 태웁니다. 따라서 증기 기관처럼 석탄을 태우고 재를 걷어내는 방식은 불가능합니다. 즉 타고 남은 다음에 기체가 되어 사라지고 아무런 찌꺼기를 남기지 않는 연료가 필요했습니다. 하지만 당시에는 지금처럼 원유를 정제해서 휘발유나 경유와 같은 연료를 만드는 기술이 없었습니다. 


그래서 초기의 내연 기관들은 수소와 같은 기체 연료를 사용했습니다. 하지만 기체를 액체 상태로 압축하여 저장하는 기술이 없었던 당시에는 한 번에 싣고 다닐 수 있는 기체 연료의 양은 아주 적을 수 밖에 없었고 주행할 수 있는 거리도 제한적이었습니다. 1860년 벨기에의 에띠엔 르누아르(Etienne Lenoir)가 고안한 가스 엔진이 세계 최초로 제품화된 내연 기관으로 알려지고 있습니다.

 


▲ 에띠엔 르누아르(Etienne Lenoir)의 가스 엔진


내연 기관의 역사에도 자동차의 아버지인 벤츠는 역시 빠지지 않습니다. 바로 오늘날 우리가 타는 자동차처럼 액체 연료를 사용하는 내연 기관을 최초로 사용한 자동차가 벤츠가 만든 공식적으로 세계 최초의 자동차인 파텐트모터바겐(Der Patentmotorwagen, 특허자동차)이기 때문이죠. 1886년에 특허를 획득한 이 차에 실린 엔진은 4행정 휘발유 엔진이었습니다. 이 탄생하기까지 칼 벤츠는 휘발유 엔진의 원리를 발명한 니콜라스 오토 Nikolaus Otto, 동업자였던 고트리프 다임러 Gottlieb Daimler, 그리고 빌헬름 마이바흐 Wilhelm Maybach 등과 함께 약 20여 년에 걸쳐 가솔린 엔진의 이론적 배경과 특허, 시제품들을 개발해왔습니다. 

 


▲ 벤츠의 파텐트 모터바겐


이외에도 디젤 엔진, 슈퍼 챠저, 터보 챠저 연료 공급용 캬부레터, 점화 장치 등 내연 기관과 관련된 핵심 기술들은 20세기의 여명기 이전에 이론적 바탕이 거의 완성됩니다. 심지어는 요즘 하이브리드 자동차와 함께 각광을 받는 고효율 가솔린 엔진의 원리인 앳킨슨 사이클도 이미 1882년에 확립된 것입니다. 자동차 기술의 공룡인 로버트 보쉬도 1897년 자석 유도식 점화 장치를 개발하는 것으로 지금의 역사가 시작되었습니다. 

 



이렇듯 내연 기관은 19세기 후반에 정립되어 20세기에서 꽃을 피웁니다. 내연 기관의 비약적 발전에는 크게 세 가지의 동기가 있었습니다. 첫 번째는 자동차 레이스입니다. 1920년대부터 본격적으로 시작된 자동차 레이스는 지금까지도 자동차 성능 향상의 가장 큰 역할을 합니다. 승리를 위해서는 고성능 엔진이 꼭 필요하기 때문이죠. 또한 레이스 전체를 견디어야 하는 내구성, 연료 보급을 최소화하여 시간과 무게를 줄여야 승리할 수 있다는 효율성 등 자동차 엔진의 발전과 레이스는 동반 성장할 수 밖에 없는 숙명의 존재입니다.


두 번째는 전쟁입니다. 세계 대전은 추위에도 얼어 죽지 않는 철마의 수송 능력과 무거운 장갑을 덮고 전장을 누비는 육중한 전차, 하늘을 지배하는 비행기 등 내연 기관의 전천후 성능과 고성능에 집중하였습니다. 전쟁이 역사적으로 기술 발전의 강력한 동기였듯이 내연 기관에게도 이것은 마찬가지였습니다. 비용보다는 성능이 중요한 군사용으로 개발된 기술이 향후 상품성을 갖추면서 일반 대중에게 전파된 예는 무수하듯이 말입니다.


 


세 번째는 1970년대 이후의 오일 쇼크와 환경 오염 문제입니다. 기름값이 폭등하면서 연료 소모율이 중요해졌고, 이산화탄소 온실효과와 대도시의 광학스모그, 미세먼지 등의 오염 문제가 대두되면서 엔진의 배출가스에 관심을 갖게 되었습니다. 20세기 말부터 지구 온난화, 그리고 재작년의 디젤 게이트 등으로 내연 기관들은 이전에 없던 강력한 기준으로 관리 대상이 되었습니다.


요즈음의 전기 모터는 내연 기관을 대체할 만큼 큰 힘을 낼 수 있습니다. 하지만 문제는 연료에 있습니다. 내연 기관은 연료 탱크 하나로 수백 킬로미터를 달리고 단 몇 분만에 재보급이 가능하지만 전기 모터의 연료 탱크인 배터리는 아직은 훨씬 무겁고 비싸며 충전하는 데에 시간이 오래 걸리기 때문에 실용적이지 못하지요. 이 문제를 해결하려는 시도가 교환식 배터리나 수소 연료 전지입니다. 우리는 어쩌면 역사적 전환기에 살고 있는지도 모릅니다. 짧게는 몇 세기, 길게는 수천 년마다 일어나는 동력 기관의 전환기가 우리 인생에 다가올 수도 있기 때문입니다. 하지만 여전히 전기차는 미래이고 현실은 내연 기관입니다.




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지난달, 저는 한 자동차 전문지와 함께 시속 100km 가속 시간이 3초대인 모델들을 한 자리에서 경험하는 기획을 진행했었습니다. 속칭 ‘제로백’ 3초대라면 불과 몇 년 전까지만 해도 초고가의 슈퍼카들이나 가능했던 엄청난 고성능이었는데, 그것도 옛말인가 봅니다. 이날 한자리에 모인 다섯 대의 모델 가운데 세단이 두 대나 있었을 정도니까요. 자동차 마니아의 입장에선 지금도 잊을 수 없는 기억입니다. 


 


자동차의 성능은 날로 발전하고 있습니다. 하지만 성능이 확 달라진다 해도 여전히 바뀌지 않는 게 있습니다. 그중 하나가 바로 ‘타이어’입니다. 3톤에 육박하는 SUV나 최고급 리무진, 1,000마력을 능가하는 슈퍼카도 결국은 각각 손바닥 하나만큼 땅에 닿아 있는 타이어가 전부입니다. 이 ‘손바닥 네 개’가 말 1천 마리의 힘을 땅으로 전달하고, 집채만 한 차체를 조종하는 유일한 물리적 연결이라는 뜻입니다. 생각할수록 기특한 타이어입니다.


물론 지금 우리가 사용하는 타이어가 갑자기 등장한 건 아닙니다. 그 원조는 6천 년 전 나무를 켜서 만든 원시적 형태의 바퀴라 할 수 있겠죠. 그러다 19세기 중반 고무로 만든 타이어가 등장했는데, 그나마도 속이 꽉 찬 이른바 ‘통 고무’ 타이어였습니다. 1845년에 이미 특허를 받은 공기 주입식 타이어가 있었지만, 도로 사정이 나빴던 당시에는 펑크가 나지 않는 통 고무 타이어가 더욱 사랑받았다고 합니다. 




19세기 말까지 타이어가 본격적으로 발달하지 않았던 이유는 타이어의 역할이 미미했기 때문입니다. 당시의 타이어들은 비포장도로의 요철을 잘 흡수하여 승차감을 높이고 바퀴가 부서지지 않도록 보호하며, 짐을 많이 실은 마차의 바퀴가 진흙탕에 빠지지 않도록 떠받치는 역할 정도면 충분했습니다. 즉, 바퀴는 말을 따라 굴러가기만 하면 되는 역할이었습니다. 


하지만 자동차의 등장으로 상황이 반전합니다. 차를 움직이고, 방향을 바꾸고, 멈추게 하는 등, 차량을 조종할 때 바퀴의 비중이 커졌기 때문입니다. 차량을 뜻대로 조종하려면 바닥에 요철이 있더라도 타이어가 노면을 잘 움켜쥐어 접지력을 잃지 않아야 합니다. 그런 점에서 충격 흡수력이 우수한 공기 주입식 타이어가 충격을 받으면 튀어 오르는 통 고무 타이어를 밀어내고 빛을 보게 되었습니다. 




사실 공기 주입식 타이어는 자전거에 먼저 사용되었습니다. 엔진 대신 사람이 바퀴를 굴리지만, 타이어 자체의 역할은 자동차와 똑같았기 때문이었습니다. 자전거용 공기 주입식 타이어는 영국, 정확하게는 북아일랜드의 보이드 던롭(Boyd Dunlop)이란 사람이 사라질 뻔했던 1945년의 공기 주입식 타이어의 특허를 되살려 세계 최초로 제품화에 성공합니다. 


자동차에 공기식 타이어를 최초로 사용한 것은 1895년 프랑스 파리-보르도 자동차 레이스에 참가한 미쉐린(Michelin) 형제였습니다. 그들은 비록 우승엔 실패했지만, 공기 주입식 타이어에 대한 관심을 끄는 데에는 성공하였고, 이는 공기 주입식 타이어가 대중화되는 계기가 되었습니다. 


이렇게 19세기 말부터 본격적으로 사용된 공기 주입식 타이어는 불과 100년 조금 넘는 기간 동안 눈부신 발전을 이뤘습니다. 


우선 소재, 즉 타이어를 만드는 고무부터 볼까요? 천연 그대로의 고무는 탄성만 훌륭할 뿐 타이어의 소재로 사용하기에는 안정성이 부족했습니다. 여름에는 지나치게 물렁거리거나 심할 경우 녹아버렸고, 공기를 넣으면 압력이 차는 대신 고무풍선처럼 부풀어 버리기 일쑤였죠. 이 문제를 해결한 것이 굳이어(Goodyear)가 천연고무에 황을 첨가하여 발명한 가황 고무(Vulcanized rubber)였습니다. 물리적으로 훨씬 안정적인 가황 고무의 탄생으로 비로소 공기 주입식 타이어를 제대로 만들 수 있는 길이 열린 것입니다. 이어서 1931년 미국의 듀퐁 사(Dupont)가 합성 고무를 개발, 포드 T 모델이 가져온 자동차의 대중화에 발맞춘 타이어의 대량 생산의 길을 열었습니다.




또 하나의 분기점은 저압 타이어의 출현입니다. 


초기의 자동차는 오늘날의 자전거나 리어카처럼 가느다란 공기 주입식 타이어로도 충분했습니다. 하지만 자동차의 성능이 향상되면서 상황이 달라집니다. 자동차의 속도가 빨라지면서 노면의 충격이 더 강하고 빠르게 타이어를 공격하기 시작한 것이지요. 이전의 가느다란 타이어로는 더이상 안정적으로 달릴 수 없었습니다. 


그래서 나온 것이 타이어 안에 더 많은 공기를 담는 대신 공기의 압력을 낮춘 저압 타이어였습니다. 노면의 요철을 타이어가 훨씬 안정적으로 흡수하기 위해선 저런 구조가 안성맞춤이었죠. 타이어의 접지 면적이 넓어지며 조종 성능까지 향상되었으니 일석이조였습니다. 우리가 지금 사용하는 대부분의 자동차용 타이어가 공기압 2~3 바아(bar) 내외의 저압 타이어인 것도 이런 이유입니다. 단, 초기의 타이어처럼 얇은 자전거용 타이어 가운데에는 5 바아 이상의 고압 타이어도 아직 많습니다.


1950년대 이후 자동차가 더욱 고성능으로 발전하면서 타이어는 ‘원심력’이란 새로운 도전에 직면합니다. 자동차가 빨라지면서 덩달아 회전 속도가 빨라진 타이어는 원심력에 의하여 스스로를 파괴할 위기에 처한 것입니다. 


이를 막기 위해 타이어 내부에 질긴 직물이나 강철 와이어 등을 넣어 원심력을 버티게 하려는 시도가 진행되었습니다. 초기에는 타이어의 회전 방향과 나란하게 강화 섬유를 넣었던 바이어스(bias) 타이어였지만, 지금은 거의 모두 타이어의 둘레를 직각 방향으로 강화한 래디얼(radial) 타이어를 사용합니다. 승차감은 조금 단단해졌지만, 형태를 안정적으로 유지하는 래디얼 타이어가 자동차의 고성능화에 적합했기 때문입니다. 이로써 타이어는 자동차 서스펜션의 일부분으로 매우 중요한 역할을 충실히 수행할 수 있도록 진화하였습니다.

 



하지만 아직 과제가 남았습니다. 공기가 들어 있는 타이어의 가장 큰 걱정거리인 ‘펑크’입니다. 타이어의 공기가 빠져 주저앉으면 더 달릴 수가 없기 때문입니다. 초창기, 공기를 가두는 고무 주머니인 튜브를 사용하는 튜브 타이어는 펑크에 취약했지만, 타이어 자체가 공기를 담는 튜브 리스 타이어로 발전하며 이런 문제는 서서히 보완되었습니다. 튜브 리스 타이어는 타이어에 작은 구멍이 나더라도 단번에 주저앉지 않고 공기가 서서히 빠지는 구조였기 때문에 탑승자의 안전을 지켜주었습니다. 


여기서 그치지 않고, 작은 구멍은 스스로 수리할 수 있는 셀프 씰링 타이어(self sealing tire)와 공기가 빠져도 낮은 속도로 어느 정도의 거리를 달릴 수 있는 런 플랫 타이어(run flat tire)가 연이어 탄생합니다. 더 나아가, 탄성과 구조적 안정성을 동시에 가진 신소재를 사용하여 공기가 없어도 충분한 성능을 발휘하는 비공기압 타이어(NPT, Non Pneumatic Tire)로 진화하고 있습니다. 이제는 공기를 사용하지 않아도 된다는, 또 한 번의 커다란 변화가 시작되고 있는 것입니다.


현대적 개념의 타이어는 백 년 남짓한 기간에 비약적인 발전을 이룩했습니다. 자동차의 성능이 비약적으로 향상되고 자동차가 생활필수품, 그리고 문화적 도구로 발전하면서 타이어에 대한 기준과 기대치가 올라갔기 때문입니다. 그리고 21세기 들어서 대두된 환경과 안전에 대한 관심이 또 한 번의 발전을 가속하고 있지요.


‘No pain, No gain’이라는 말이 있습니다. 타이어의 발전 역시 도전과 시련이 원동력이 되었습니다. 우리도 도전을 두려워하지 맙시다. 거기에 발전이 있지 않겠습니까? 


아 참, 아무리 우수한 요즘의 타이어라고 해도 타이어의 공기압이 올바르지 않으면 위험합니다. 나들이가 많은 계절입니다. 차량 탑승 전 공기압 체크부터 꼼꼼히 하셔서 안전하고 즐거운 기억을 많이 남기시길 바랍니다.




※ 본 콘텐츠는 집필가의 의견으로, 삼성화재의 생각과는 다를 수 있습니다. 








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전기차의 리턴 매치


예 맞습니다. 요즘 가까운 미래의 자동차에 대하여 이야기할 때 빠지지 않는 전기차. 우리가 이제 맞아들이려 하는 전기차가 사실은 이미 과거에도 있었다는 뜻입니다. 게다가 전기차가 내연기관자동차보다 역사가 더 오래 되었고 자동차의 주류였었다는 사실을 아십니까? 오늘은 전기차의 숨겨진 이야기를 알아보겠습니다.


우리는 메르세데스 벤츠의 창립자 가운데 한명인 칼 벤츠(Karl Benz)가 1885년에 만든 ‘파텐트 모터바겐 (Patent-Motorwagen)’을 세계 최초의 자동차라고 이야기합니다. 하지만 이것이 정확한 대답이 아닐 수도 있습니다. 이 파텐트 모터바겐은 이름이 설명하듯이 동력 기관을 사용하여 달리도록 처음부터 고안되어 특허를 취득한 최초의 자동차를 뜻합니다. 보다 정확하게 이 모델의 중요성을 표현한다면 ‘세계 최초로 내연기관을 사용하여 작동한 오늘날의 자동차의 선조가 되는 자동차’가 되겠습니다. 


제가 세계 최초의 자동차라고 단순하게 표현하지 않는 데에는 다 이유가 있습니다. 내연기관이 아닌 다른 동력 기관을 사용한 자동차들이 이 파텐트 모터바겐보다 앞서 있었기 때문입니다. 무려 120년이나 앞선 1769년에 프랑스의 니콜라스 조셉 퀴뇨(Nicolas-Joseph Cugnot)가 프랑스군이 대포를 견인하기 위하여 만들었던 증기 자동차가 스스로 움직이는 차, 즉 자동차의 시효입니다. 그리고 그 다음이 바로 전기차입니다. 스코틀랜드의 로버트 앤더슨(Robert Anderson)이 배터리를 이용하여 움직이는 최초의 전기차를 만든 것이 1830년대니까 파텐트 모터바겐보다 대략 50년이나 앞선 셈입니다. 단, 이 최초의 전기차는 한 번 방전되면 다시 사용할 수 없는 배터리를 사용했다는 점이 한계였습니다. 

즉 배터리가 다 될 때까지 갖고 노는 장난감 같은 존재였고 아직은 본격적인 교통수단이라고 볼 수는 없었습니다. 




충전해서 다시 사용할 수 있는 2차 전지가 1859년에 발명되자 비로소 전기차가 쓸모 있는 교통수단으로 발전할 수 있는 길이 열렸습니다. 요즘의 순수 전기차와 기본적으로 같은 방식의 충전식 전기차가 등장한 것은 파텐트 모터바겐보다 2년 늦은 1887년 이었습니다. 미국인 화학자 윌리엄 모리슨(William Morrison)이 만든 이 충전식 전기차는 1888년 그가 살던 아이오와 주 데스 모이네스에서 열린 퍼레이드에서 대중들에게 첫 선을 보였습니다. 1890년 그는 4마력 모터와 24 배터리 셀을 갖춘 신형 모델로 특허를 출원합니다. 이 모델은 최고 속도가 시속 약 20km, 1회 충전으로 무려 100마일, 즉 160km 이상도 달릴 수 있는 본격적인 모델이었고 1893년 시카고 만국 박람회에서 스터지스(Sturgis)와 손잡고 만든 새로운 모델을 전시하여 전기차와 배터리의 실용성을 홍보하였습니다. 모리슨의 전기차는 이후 전기차가 20세기 초의 대세가 되는 데에 중요한 초석이 되었습니다.


시속 100km의 벽을 처음으로 허문 자동차도 전기차였습니다. 초기의 자동차가 사람이 걷는 속도인 시속 4km, 칼 벤츠의 파텐트 모터바겐이 시속10km, 그리고 모리슨의 전기차도 사람이 빠르게 달리면 잡을 수 있는 시속 20km 정도였고 당시 가장 빠른 교통수단이던 말도 평균 시속 50km, 최고 속도 80km/h 전후였습니다. 레일 위를 달리는 기차들의 극소수만이 유일하게 시속 100km의 벽을 넘을 수 있었습니다. 그러니 비포장 도로를 흙먼지 가득 일으키며 시속 100km로 달리는 자동차는 엄청난 충격이었을 겁니다. 시속 100km를 최초로 기록한 자동차는 프랑스의 ‘La Jamais Contente’입니다. 프랑스어라서 발음은 힘들지만 뜻은 아주 명쾌합니다. 그 뜻은 바로 ‘절대 만족하지 않는다(Never satisfied)’. 두 개의 68마력짜리 모터로 바퀴를 직접 구동하는 어뢰를 닮은 유선형 차체가 인상적인 이 전기차는 20세기가 오기 직전인 1899년 4월 29일 파리 근교에서 사상 최초로 시속 100km의 벽을 뛰어넘었습니다. 이것은 한 달 전에 가솔린 엔진을 단 자동차가 세운 기록을 갈아치우며 전기차의 우세를 확고히 한 전기가 되었습니다.


20세기 초에도 전기차의 우세는 이어집니다. 그 이유는 첫째 전기차의 단순한 구조입니다. 지금도 그렇지만 전기차는 엔진처럼 ‘시동’이라는 개념이 없고 전기를 모터에 전달하면 바퀴가 굴러갑니다. 따라서 엔진은 시동되어 있지만 달리지 않을 때를 위하여 엔진과 바퀴의 연결을 끊어주는 클러치가 필요 없습니다. 또한 초창기의 엔진은 회전수에 따라 점화 시기를 운전자가 직접 조절해야 하는 등 조작하기가 매우 복잡합니다. 걸핏하면 망가지고 사람이 기름범벅이 되기 십상인 엔진의 신뢰성도 문제였습니다. 그리고 또 한가지 이유는 시동입니다. 당시의 엔진에는 지금과 같은 전기식 시동 모터가 없고 사람이 크랭크 축에 손잡이를 꽂아서 돌려서 시동해야 했습니다. 그런데 이것이 어지간한 남자에게도 힘든 일이었습니다. 여러모로 엔진 자동차는 깔끔하고 조용한 전기차에 비하여 성가시고 불편한 물건이었던 것입니다. 당대의 발명왕이자 재산가였던 토머스 에디슨이 관심을 가질 정도로 전기차는 미래가 밝아 보였습니다.




그런데 이런 전기차가 1920년대에 갑자기 사라졌습니다. 왜일까요? 이유는 간단했습니다. 가격입니다. 지금의 전기차도 정부 보조금이 없으면 가격 경쟁력이 없는 것과 마찬가지입니다. 헨리 포드가 모델 T로 생산 라인의 개념을 도입하면서 엔진 자동차는 품질은 향상되고 가격은 훨씬 저렴해졌습니다. 1912년 기준으로 전기차의 가격이 1750 달러였던 것에 비하여 포드 모델 T의 가격은 단 650 달러였습니다. 그리고 전기식 시동 모터가 발명되면서 엔진을 시동하는 것이 손쉬워졌습니다. 1회 충전으로 달릴 수 있는 거리가 짧고 충전에 오랜 시간이 걸리는 전기차의 한계가 더욱 드러나기 시작했습니다. 휘발유도 구하기 쉬워졌습니다. 마침내 전기차는 실질적으로 퇴장합니다.


20세기의 시작을 희망차게 함께 했던 전기차가 20세기를 마무리하기 직전에 다시 돌아왔었습니다. 1996년에 만들어진 제너럴 모터스의 EV1이라는 전기차입니다. EV1은 배출가스를 전혀 배출하지 않는 차를 의무적으로 판매하도록 강제하는 캘리포니아 주의 환경보호법에 대비하면서, 동시에 전기차 판매의 사업성을 검토하기 위하여 리스 프로그램으로 진행되던 시범 사업이었습니다. 프로그램에 참여한 소비자들의 반응이 전반적으로 호의적이었고 전기차가 실용적일 수 있다는 점이 증명되어가던 중, 1999년 제너럴 모터스는 EV1 전체를 수거하여 거의 대부분을 폐차함으로써 갑자기 종료되었습니다. 정유 업계의 로비설 등 수많은 의혹을 불러일으켰고 이와 관련된 다큐멘터리인 ‘Who Killed the Electric Car?’가 제작되기도 했었습니다. 하지만 진실은 밝혀지지 않았고 잊혀져갔습니다.




그리고 이제 전기차가 다시 다가옵니다. 이번에는 쉽게 물러서지 않을 듯합니다. 이전에는 신기한 장난감, 상대적으로 편리한 도구, 혹은 미래를 가늠하는 제한적 실험이었다면, 이번에 돌아온 전기차는 ‘달리는 스마트 폰’이라는 말이 설명하듯 IT와 자동차의 융합이라는 새로운 종의 탄생을 예고합니다. 


일백년 만에 벌어지는 전기차의 리턴매치. 이번에는 결과가 달라질 것 같습니다.




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자동차의 안전에 대한 이야기에서 절대 빠지지 않는 브랜드가 있습니다. 바로 볼보입니다. ’가장 안전한 차는 무엇이냐?’는 질문에 반사적으로 ‘볼보’라는 말이 나올 정도로 이 브랜드가 가진 안전에 대한 이미지는 절대적입니다. 볼보가 자동차 안전 기술의 발전에 남긴 족적은 정말 대단합니다. 하나 예를 들어 볼까요? 여러분은 아마도 3점식 안전 벨트가 없는 자동차를 상상하기 어려우실 겁니다. 당연한 것이니까요. 하지만 모든 것에는 최초가 있고 3점식 안전 벨트의 최초가 바로 볼보입니다. 그게 1959년도의 일이니까 내년이면 자동차의 3점식 안전 벨트도 환갑이군요. 


하지만 오늘 제가 드리고 싶은 말은 ‘안전의 대명사 볼보’가 아닙니다. 이 이야기는 너무나 많은 사람들이 다루어서 조금은 식상하실 테니까 저는 조금 다른 방향에서 접근해보려 합니다. 그것은 바로 ‘볼보는 왜 그토록 안전에 집중하는가?’ 입니다. 얼마 뒤면 100주년이 되는 긴 역사를 가진 브랜드인 볼보가 두 번이나 주인이 바뀌는 위기 속에도 절대 놓지 않았던 주제인 안전. 그 뒤에 숨어있는 이유를 알아보고자 하는 것입니다.


3점식 안전 벨트 이외에도 볼보가 세계 최초로 선보인 원조 기술과 제품은 많습니다. 유아 및 어린이용 후향식 카 시트, 유소년용 부스터 시트와 뒷 시트 내장형 부스터 시트, 측면 충격 보호 시스템(SIPS), 사이드 에어백, 커튼형 에어백, 후방 추돌용 경추 보호 시스템, 전복 방지 시스템(ROPS), 사각지대 경보 시스템(BLIS), 시티 세이프티, 비상 자동 제동 기능(AEB), 그리고 람다 센서, 왜건과 크로스오버 등등 이름만 나열해도 상당히 깁니다. 


그런데 장황한 목록에는 안전이라는 단어로 묶기에는 뭔가 어색한 것들도 섞여 있습니다. 람다 센서와 왜건, 크로스오버 모델들과 같은 것들이 그렇습니다. 람다 센서는 엔진의 유해 배출 가스를 혁신적으로 감소시킨 기술입니다. 왜건이나 크로스오버 모델들은 실용성이 강조된 모델이며 동시에 그 당시에 가장 대표적인 레저용 승용차의 하나입니다. 안전, 환경, 그리고 실용성과 레저. 이것들을 하나로 묶는 공통점은 무엇일까요?




볼보 홈페이지는 이렇게 말합니다. ‘볼보가 탄생한 스웨덴에서는 ‘사람’을 가장 먼저 생각합니다.’ 그렇습니다. 볼보의 최대 관심사는 바로 ‘사람’입니다. 볼보는 우리 사람들의 행복을 위해 노력했고, 그러한 노력 중 하나가 ‘안전’이었던 것입니다. 볼보의 안전 기술들이 나와 가족, 그리고 보행자를 포함한 모든 사람들의 안전을 위한 것이었다면 배출 가스를 감소시킨 람다 센서는 우리 사람들이 사는 환경을 보호하기 위한 것이었습니다. 그리고 왜건이나 크로스오버 모델이 선사하는 실용성과 레저 라이프는 삶의 질까지도 챙기려는 볼보의 꼼꼼함을 보여줍니다.




최근 볼보는 두 가지 슬로건을 선보였습니다. 그 첫 번째는 ‘스웨디시 럭셔리’입니다. 스웨덴의 시각에서, 즉 인간을 중시하는 입장에서 새롭게 해석한 럭셔리의 정의입니다. 그 설명에는 이런 말이 있습니다. ‘스웨덴의 자연 환경은 가혹합니다. 사람들은 오랜 시간을 실내에서 보낼 수 밖에 없습니다. 그래서 스웨덴은 인간이 최대한 안락하고 쾌적하게 지낼 수 있는 실내를 잘 알고 있습니다.’ 보여주는 화려함이 아닌, 직접 느끼고 만끽하는 럭셔리, 라는 의미입니다.




두 번째 슬로건은 ‘비전 2020’입니다. 2020년까지 볼보는 볼보 자동차 때문에 죽거나 심하게 부상을 입는 사람이 단 한 명도 없도록 하겠다는 결심을 밝힌 것입니다. 승객의 안전에만 집중하는 대부분의 브랜드와 달리, 모든 사람들의 안녕을 중요하게 생각한다는 점을 밝힘으로써 스웨덴 브랜드 볼보는 다시 한 번 차별화에 성공할 수 있었습니다.


볼보 브랜드가 안전이라는 키워드와 강력하게 연결된 것은 브랜드의 파워를 위해서도 매우 유용했습니다. 앞서 말했듯이 볼보는 두 번이나 주인이 바뀐, 다시 말하자면 망해서 다른 이에게 팔려간 회사입니다. 게다가 1년에 50만대 남짓 생산하는 그리 크지도 않은 브랜드입니다. 그런데 볼보가 자동차 안전을 좌지우지하는 파워는 엄청납니다. 60년 전 발표한 3점식 안전 벨트가 자동차의 표준이 되었듯, 21세기에는 볼보가 새롭게 선보인 비상 자동 제동 기능(AEB)이 없으면 미국 IIHS, 즉 미국 고속도로 안전보험협회가 최고의 안전도를 보증하는 ‘Top Safety Pick Plus’에 선정될 수 없습니다. 그리고 볼보는 IIHS가 시행하는 세계에서 가장 가혹한 충돌 시험인 스몰 오버랩 테스트에서 우수 등급을 받은 최초의 브랜드이기도 합니다. 


이렇듯 자동차가 존재하는 한 사라지지 않을 테마인 ‘안전’을 자신의 주제로 선점한 볼보는 대표적인 강소(强小) 브랜드입니다. 회사의 생사가 불분명했던 20세기 말과는 대조적으로 새로운 볼보는 우리 나라를 포함한 전 세계 시장에서 호평을 받고 있으며 그 결과 2016년에는 53만대 이상의 글로벌 판매로 사상 최고의 판매 기록을 달성하였습니다.


볼보에게 안전은 목표가 아니었습니다. 안전은 사람을 가장 중요하게 생각하는 브랜드인 볼보에게는 필수적으로 갖추어야 했던 요소일 뿐이었습니다. 하지만 그 덕분에 자동차는 발전하고 우리 인간은 더욱 안전해질 수 있었습니다. 자칫하면 ‘과거에 무식하게 튼튼했던 차’로 남을 뻔했던 볼보 브랜드가 21세기의 새로운 럭셔리 브랜드로 강력하게 부상하고 있는 것은 어쩌면 당연한 일일지도 모릅니다. 




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