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공기타이어
공기타이어(pneumatic tire)는 공기가 가진 탄성을 이용하여 바퀴의 충격을 줄이도록 튜브에 압축된 공기를 불어 넣어 만든 고무타이어이다.
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개요[편집]
공기타이어는 공기가 들어 있는 타이어다. 그 주된 기능은 차체 등의 하중을 견디고, 구동력이나 제동력을 노면에 전하며, 코너를 돌기 위한 힘을 노면에 전하는 동시에 노면의 요철에 의한 충격을 완화시키는 것이다.[1] 솔리드타이어에 비하여 견고성과 큰 하중에 견디는 힘은 적지만 승차감, 주행성, 소음·충격 흡수 등의 장점이 뛰어나 자전거, 자동차, 항공기의 등의 바퀴에 널리 쓰인다. 하지만 공기타이어를 장착한 차량은 거친 환경이나 폭발물 등에 펑크가 날 가능성이 높기 때문에 군사용 차량에서는 약점으로 여겨지기도 한다. 이에 대한 대안으로 공기를 넣지 않아도 되는 공기 없는 타이어, 즉 에어리스 타이어가 고려되고 있다.[2]
역사[편집]
발명 (로버트 톰슨)[편집]
스코틀랜드 출신의 공학자인 로버트 윌리엄 톰슨(Robert William Thomson, 1822~1873)[3]은 14세에 학교를 그만두었으나 몇 년 이내에 스스로 천문학, 화학, 전기 물리학을 공부하였다. 17세가 될 때 이미 자신의 작업장을 운영하던 톰슨은 23세의 어린 나이에 공기타이어로 알려져 있는 에어리얼 휠(aerial wheel)의 특허를 취득하였다. 그의 타이어는 인도 고무를 사용하였으며 땅, 레일 혹은 트랙에서 공기 쿠션으로 부풀려져 속이 빈 벨트로 구성되었다. 이 아이디어는 울퉁불퉁한 지면을 이동하는 사람들이 부드러운 승차감을 느낄 수 있게 했다. 유감스럽게도 1845년에는 이러한 타이어의 이점을 활용할 수 있는 자동차와 자전거가 개발되지 않았다. 그가 개발한 기술을 응용할 수 있는 곳이라고는 마차와 소수의 증기기관차뿐이었다. 톰슨은 쿠션 바퀴의 장점을 알리기 위해 런던의 리젠트 파크에서 일부 기자들과 사전에 약속을 잡고, 바퀴가 달린 마차와 공기타이어가 부착된 마차를 끌고 나왔다. 많은 관중은 공기 타이어가 부드럽기 때문에 마차를 이동시키기 힘들 것이라고 예상했다. 그러나 톰슨은 그들의 예상이 틀렸다는 것을 증명했으며 공기타이어는 고체 바퀴가 만드는 소음에 비해 적은 소음을 발생시킨다는 것을 보여주었다. 톰슨의 공기 타이어 1세트는 현저한 품질 저하 없이 1,931킬로미터의 거리를 운행하였다. 톰슨이 공기타이어를 발명했을 시기에는 타이어 튜브 제작에 필요한 얇은 고무가 부족했으며, 유감스럽게도 젊은 발명가는 자신의 발명품을 대중화할 수 없었다. 그리하여 톰슨은 그 당시 널리 쓰이던 고체 고무타이어로 관심을 돌렸다. 존 던롭이 톰슨의 아이디어를 재발견하고 이것을 사용하여 글로벌 브랜드를 구축하기까지는 또 다시 40년의 세월이 흘러야 했다.[4]
실용화 (존 던롭)[편집]
공기가 담긴 타이어를 실용화한 사람은 엉뚱하게도 수의사였던 존 보이드 던롭(John Boyd Dunlop, 1840~1921)이다. 그의 개발은 외아들 조니에 대한 사랑에서 시작됐다. 영국의 작은 도시 벨파스트에 살던 던롭의 열 살 아들 조니가 삼륜자전거를 타고 놀다가 넘어져 얼굴을 심하게 다쳤다. 당시의 모든 바퀴는 무쇠로 만들어졌거나 나무바퀴 위에 무쇠를 씌운 것들이었다. 때문에 작은 돌멩이에 부딪히기만 해도 크게 흔들리기 일쑤여서 자주 사고가 났다. 사랑하는 아들의 상처를 본 던롭은 안전한 타이어가 있어야 겠다고 생각했다. 궁리하던 던롭에게 떠오른 생각은 말랑말랑한 고무를 입히는 것이었다. 때마침 집에서 쓰던 고무호스가 눈에 띄자 나무바퀴의 무쇠를 벗겨 내고 그것을 씌워 보았다. 그러나 신통치 않았다. 덜덜거림은 조금 줄었지만 불편하기는 마찬가지였다. 고민을 계속하던 어느 날, 조니가 쭈그러든 축구공을 들고 와 팽팽하게 공기를 넣어 달라고 졸랐다. 팽팽해진 축구공을 안고 있는 아들의 모습을 본 순간, 던롭은 새로운 아이디어가 떠올랐다. 자전거 바퀴에 고무를 씌우고 그 속에 공기를 넣어 탄력을 갖도록 하는 것이었다. 던롭은 곧 실험을 시작했고, 1888년 2월 28일 결국 공기가 든 최초의 타이어를 만들어 아들의 자전거에 달았다. 탄력이 있어 승차감도 좋고 바퀴도 잘 굴렀다. 아들이 신나게 타는 모습을 보던 던롭은 공기타이어를 모든 사람들이 쉽게 이용하도록 하자고 마음먹었다. 그는 수의사 일을 그만두고 타이어에 대한 특허를 얻은 뒤 ‘던롭 공기타이어 회사’를 세웠다. 엄청난 인기를 끈 것은 당연했다. 유럽과 미국 등 전 세계에서 주문이 밀려왔다. 마침 자전거가 널리 보급되는 시기여서 매년 필요한 타이어 숫자만 해도 1억 개가 넘었다. 게다가 타이어는 당시 막 개발되기 시작한 자동차에 없어서는 안 될 부품이었다. 독일의 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)와 미국의 포드(Ford)에도 공기타이어를 독점적으로 납품했다. 아들을 사랑하는 마음에서 궁리한 타이어 덕분에 던롭은 평범한 수의사에서 대기업의 사장이 됐다. 던롭이 세운 회사는 지금도 세계적인 타이어 제조회사로 남아 있다.[5]
적용 (미쉐린 형제)[편집]
1895년에 파리 보르도(Bordeaux)에서 자동차의 역사에 결정적인 영향을 준 경주가 열렸는데 세계 최초로 스피드를 겨루었던 이 레이스는 가솔린차 대 증기자동차의 대결로 잘 알려져 있다. 미쉐린(Michelin)의 창업자인 미쉐린 형제(앙드레 미쉐린, 에두아르 미쉐린)가 개발한 공기타이어가 최초로 솔리드타이어를 대체하는 차량용 타이어로 등장하여 주목을 모았다. 고무만으로 이루어진 솔리드타이어의 마찰력을 크게 하기 위해서는 바퀴를 크게 하고 고무의 양을 증가시켜 노면과의 접촉면적을 크게 하면 되지만 이렇게 하면 무게가 무거워진다. 공기타이어는 중량이 큰 폭으로 감소됨과 동시에 접촉면적은 10배로 커지고, 게다가 잘 튀어 오르지도 않는다. 이것이 공기타이어를 자동차용으로 실용화한 미쉐린 형제의 착안점이었으며, 내구성이 부족하여 자주 교환을 해야 했지만, 솔리드타이어의 결점을 한 번에 해결해주는 획기적인 타이어였다.[6] 이 레이스에서 미쉐린 형제의 공기타이어는 솔리드타이어와 비교하여 현격하게 우수한 구동성능의 실현, 최고속도 61km/h라는 당시로서는 놀랄만한 속도를 기록했다. 그러나 경쾌한 마차용으로서 와이어 휠에 장착되거나, 10km/h 전후의 속도로 사용되고 있는 특대 자전거용 타이어에 있어 자동차는 무게가 너무 무겁고 속도가 너무 빨라 거의 150km마다 펑크가 반복되는 문제에 휩싸였다. 미쉐린 공기타이어가 어떠한 원인으로 펑크가 났는지는 명확하지 않지만 변형이 크고, 타이어를 형성하고 있는 직물의 섬유가 심하게 엉켜 끊어졌을 가능성이 높다.[7]
진화[편집]
마차에 비해 무게가 무거운 자동차를 지지하는 타이어의 변형을 작게 하기 위해서는 타이어를 크게 하거나 공기압을 높이는 방법 밖에 없는데, 두꺼운 타이어를 만드는 기술이 없었던 당시에는 공기압을 높게 하는 방법이 이용되었다.[8] 1920년대까지 고압 타이어(압력 3.5~4.2kgf/cm2)라고 불리며, 소형트럭에 사용되고 있는 공기압 타이어가 승용차, 화물차용 구분 없이 사용되었다. 그 후 1920년대에 들어 타이어의 제조기술이 발전되어 현재와 거의 같은 2.0kgf/cm2 전후의 것을 사용이 가능한 벌룬타이어가 만들어지게 된 것이다. 이에 따라 타이어의 내구성을 높이기 위해 타이어의 크기가 커지게 되었으며, 동시에 접지면이 커지고 트레드의 마찰력도 커지는 장점을 얻을 수 있었다. 그러나 타이어의 크기가 커지면서 구름저항이 증대되고 차고가 높아지는 단점도 있다. 타이어의 다음 발전과정은 단면의 형태를 원형에서 타원형으로 하는 것이었다. 이것에 의해 타이어의 접지면을 넓게 확보하고 구름저항도 그다지 커지지 않으면서 타이어의 높이를 낮출 수 있게 되었다. 타이어를 편평화하는 시도는 1930년대에 시작되어 레이디얼 타이어(radial tire)의 보급과 병행하여 확산되어 오늘에 이르게 된 것이다.[7]
한계[편집]
공기타이어가 발명된 이후부터 타이어의 구조는 크게 달라지지 않았다. 타이어 제조사들은 공기타이어의 단점과 한계를 알고 있었지만 오랫동안 그것을 피할 명쾌한 답을 내놓지 못했다. 공기타이어는 공기 주입량에 따라 타이어의 특성이나 성격이 제대로 발휘되지 못하는 경우도 있고, 타이어가 파손된 경우 공기가 빠져나가면서 타이어가 제 역할을 하지 못했다. 또 타이어의 공기압은 온도에 따라 달라지기도 하는데, 그래서 안전운전과 효율적인 주행을 위해서는 주기적으로 공기압을 점검해야 한다. 그런데 공기압 점검이 점점 사소하게 느껴져서 주기적으로 공기압을 측정하는 운전자는 그리 많지 않다.[9] 물론 타이어가 파손되어 공기압이 줄어들어도, 단단한 사이드월로 타이어 형상을 유지하며 일정 속도로 일정 거리를 주행할 수 있는 런플랫 타이어(run-flat tire)도 존재하긴 하지만, 이것도 공기타이어의 명확한 단점을 완전히 극복하지는 못한다. 임시방편일 뿐 결국 타이어를 수리해야 교체해야 한다.[10]
전망[편집]
에어리스 타이어[편집]
공기타이어의 한계를 극복하는 방법으로 타이어 제조사들이 선택한 것은 다름 아닌 공기를 아예 배제시키는 것이었다. 공기 없이 자동차의 무게를 견딜 수 있게 새로운 구조를 지닌 타이어를 계획했다. 사실 전 세계 유수 타이어 제조사들이 수십 년 전부터 개발에 뛰어들었지만 비용, 기술 부족 등 문제로 상용화에는 실패했다. 하지만 2015년부터 본격적으로 에어리스 타이어(airless tire)의 콘셉트들이 등장하기 시작했다. 타이어 고무에 구멍을 뻥뻥 뚫어 공기를 주입하지 않는 대신 벌집, 나뭇잎의 비정형적 패턴 등을 사용해 구조의 안정성을 높인 형태가 적용되기 시작했다. 새로운 구조를 지닌 에어리스 타이어는 트레드, 구조물 등이 서로 얽혀있어서 적절하게 자동차의 하중을 견딜 수 있다. 또 기존의 공기타이어에 비해 유지비가 절감되고 타이어 공기압 경보장치(TPMS)와 같은 센서가 필요하지 않기 때문에 제품의 단순화도 유리하다.[9] 무엇보다 에어리스 타이어의 가장 큰 장점은 펑크를 방지해 타이어 손상으로 인한 사고를 줄일 수 있다는 점이다. 타이어 공기압을 확인하고 조정하는 등 유지보수가 필요 없다는 점도 업계 내 큰 경쟁력으로 꼽힌다. 또 하나의 경쟁력은 지속가능성이다. 타이어 수명이 늘어나면서 쓰레기 매립지에 쌓이는 타이어 개수를 줄이는 데 도움이 되기 때문이다. 에어리스 타이어 수명은 일반 타이어보다 3배 이상 오래 지속된다고 알려졌다. 또 타이어 원자재 사용량과 생산 에너지를 줄이는 효과까지 있다. 원재료와 폐기물을 모두 줄이는 셈이다. 타이어 교체 시기가 다가오면 허브와 스포크는 동일하게 유지하면서 트레드 부분만 새것으로 교체하면 된다.[11] 실제로 미쉐린에 따르면 전 세계에서 매년 폐기되는 타이어는 10억개에 이른다. 이 중 부적절한 공기압으로 타이어 마모가 불규칙해져 폐기되는게 8%이고, 공기 손실을 더이상 고칠 수 없어서 폐기되는게 12%, 총 20% 비중을 차지하고 있다. 에어리스 타이어가 도입되면 연간 2억개의 폐타이어를 줄일 수 있는 셈이다. 타이어 2억개 무게는 에펠탑 200개와 같다고 한다.[12]
각주[편집]
- ↑ 천상천하, 〈소음과 발열이 감소된 새로운 무공기 타이어〉, 《네이버 블로그》, 2008-07-01
- ↑ 〈뉴매틱 타이어 ( pneumatic tire )〉, 《자동차 용어사전》
- ↑ 〈로버트 윌리엄 톰슨〉, 《위키백과》
- ↑ 〈죽기 전에 꼭 알아야 할 세상을 바꾼 발명품 1001 - 공기 타이어〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈던롭의 공기타이어 - 축구공에서 착상이 떠오른 안전한 타이어〉, 《발명상식사전》
- ↑ 사와타리 쇼지, 〈셰시는 이렇게 되어 있다 - 서스펜션의 기능〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 7.0 7.1 사와타리 쇼지, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 공기 주입식 타이어의 진화〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 넥센타이어렌탈서비스, 〈공기 주입식 타이어의 진화!〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-22
- ↑ 9.0 9.1 한국교통안전공단, 〈타이어 역사상 가장 큰 변화...'공기없는 타이어'가 상용화를 준비하고 있다!〉, 《네이버 블로그》, 2021-12-29
- ↑ 이승훈 기자, 〈타이어의 진화...펑크나도 달리고 빗길에도 안전하게〉, 《매일경제》, 2011-02-14
- ↑ 이후림 기자, 〈펑크 걱정 없는 에어리스 타이어, 친환경도 잡을까? 〉, 《뉴스펭귄》, 2022-05-23
- ↑ 변지희 기자, 〈친환경차 바람 타고… 공기 없는 ‘에어리스 타이어’ 상용화 채비〉, 《조선일보》, 2022-02-24
참고자료[편집]
- 〈뉴매틱 타이어 ( pneumatic tire )〉, 《자동차 용어사전》
- 〈죽기 전에 꼭 알아야 할 세상을 바꾼 발명품 1001 - 공기 타이어〉, 《네이버 지식백과》
- 〈던롭의 공기타이어 - 축구공에서 착상이 떠오른 안전한 타이어〉, 《발명상식사전》
- 천상천하, 〈소음과 발열이 감소된 새로운 무공기 타이어〉, 《네이버 블로그》, 2008-07-01
- 사와타리 쇼지, 〈셰시는 이렇게 되어 있다 - 서스펜션의 기능〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- 사와타리 쇼지, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 공기 주입식 타이어의 진화〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- 이승훈 기자, 〈타이어의 진화...펑크나도 달리고 빗길에도 안전하게〉, 《매일경제》, 2011-02-14
- 넥센타이어렌탈서비스, 〈공기 주입식 타이어의 진화!〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-22
- 한국교통안전공단, 〈타이어 역사상 가장 큰 변화...'공기없는 타이어'가 상용화를 준비하고 있다!〉, 《네이버 포스트》, 2021-12-29
- 변지희 기자, 〈친환경차 바람 타고… 공기 없는 ‘에어리스 타이어’ 상용화 채비〉, 《조선일보》, 2022-02-24
- 이후림 기자, 〈펑크 걱정 없는 에어리스 타이어, 친환경도 잡을까? 〉, 《뉴스펭귄》, 2022-05-23
같이 보기[편집]
