자동차의 성능과 안전에 결정적인 역할을 담당하는 타이어. 지금처럼 공기를 넣는 타이어가 당연시된 것은 19세기 후반 자전거를 시작으로 공기입 타이어(Pneumatic Tire)가 널리 쓰이게 되면서부터다. 하지만 미래 타이어는 더 이상 공기를 필요로 하지 않을 수도 있다.
Ventus, 극한의 퍼포먼스 속에서도 안락한 승차감을 유지하다
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공기는 빼고 혁신을 더하는 미래, Airless 타이어
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CES 2022를 통해 선보였던 자율주행 모빌리티에 최적화한 비공기입 타이어 아이플렉스(iFLEX)의 키 비주얼
자동차의 수많은 부품 중 유일하게 노면과 접촉하며 안전한 주행을 완성하는 주역이 타이어다. 이는 동력원이나 제어장치, 디자인 변화에 따라 아무리 미래형 탈것으로 바뀌더라도 자동차가 노면과 마찰하며 달리는 한 달라지지 않을 사실이다. 심지어 항공기가 그렇듯 ‘하늘을 나는 자동차’가 실현된다고 해도 랜딩 기어(Landing Gear)로써 타이어는 여전히 제 역할을 수행할 것이다.1800년대 중반 나무 바퀴에 두르던 철테나 가죽 대신 통 고무를 쓰고, 수십 년 뒤에는 고무 튜브 속에 공기를 주입하기 시작한 이래 고무와 공기라는 두 가지 물질을 바탕으로 혁신을 거듭해 온 타이어. 언젠가는, 적어도 어떤 부문에서는 타이어가 공기와 이별할 수도 있다. 비공기입 타이어(Non-Pneumatic Tire, NPT)가 미래 모빌리티의 주축으로 떠오를 전망이기 때문이다.
‘한국타이어 디자인 이노베이션 2022’ 결과물인 미래 교통수단 ‘공간 이동형 모빌리티SSM’의 핵심인 휠봇(Wheelbot) 역시 비공기입 타이어 기술을 적용했다.
전혀 다른 구조의 타이어
일상 주행에서 승차감 차이를 확연히 느낄 때는 타이어를 교체했을 때다. 늘 타던 익숙한 차라도 타이어를 바꾸면 새로운 차를 타는 것처럼 달라진 승차감을 실감한다. 하지만 새 타이어로 바꾸지 않더라도 서비스 센터에서 공기를 더 넣거나 빼는 것만으로도 주행 느낌이 달라진다. 이렇듯 타이어에게 공기의 역할은 절대적이다.
타이어마다 적정 공기압이 정해져 있고, 계절에 따라 또는 주행 환경에 따라 공기를 더 채우거나 빼야 한다는 것을 모든 운전자는 상식으로 알고 있다. 하지만 향후에는 이런 번거로움이 사라질 것으로 보인다. 공기가 필요 없는 비공기입 타이어가 개발되고 있기 때문이다. 비공기입 타이어는 기존 공기입 타이어보다 친환경 측면에서 획기적인 개선이 기대되는 타이어로, 자연스럽게 전기차 · 수소차 등 미래형 친환경차에 적합한 타이어로 주목받는다.
미국 <파퓰러 사이언스> 1938년 5월호 뉴스 지면에 소개된 J. V. 마틴의 에어리스 세이프티 타이어.
공기를 사용하지 않기에 ‘에어리스 타이어(Airless Tire)’로도 불리는 비공기입 타이어는 1938년 미국 J. V. 마틴이 X자형 스포크로 지탱하는 안전 타이어를 선보인 이후 꾸준한 관심을 받았다. 실제 자동차용 타이어로 개발되기 시작한 것은 2000년대부터. 국내에서는 한국타이어앤테크놀로지가 2012년 부산국제모터쇼와 지식경제부 R&D 성과 전시회에서 선보인 아이플렉스(i-Flex)가 최초의 제품이다. 한국타이어는 2010년부터 비공기입 타이어를 본격 개발하기 시작했다.
2015년에는 국내 최초로 양산 승용차에 장착해 고속 주행까지 가능한 비공기입 타이어를 선보였다. 우레탄 소재로 만든 시제작 타이어는 일반 타이어에 버금가는 130km/h 고속 주행 시험, 측면 강성 안정성 시험, 100km/h 실차 주행 시험, 슬라럼 주행 시험을 통해 성능과 안정성 측면에서 기술력을 인정받았다. 이후 2022년에는 군사용 차량과 자율주행 모빌리티에 적용할 수 있도록 한층 진화된 아이플렉스 모델을 선보였다.
비공기입 타이어에 대한 투자를 계속하고 있는 한국타이어는 계열사 모델솔루션의 미래 모빌리티 콘셉트에 11” 규격의 비공기입 타이어를 적용해 지난 2021년 iF 디자인 어워드에서 본상(Winner)을 수상했다. 자동차용 타이어로서도 미래 비공기입 타이어를 기반으로 디자인한 ‘HPS-Cell’로 2021 iF 콘셉트 부문 본상(Winner)을 수상했으며, 2021 레드닷 어워드 본상(Winner)과 2021 IDEA 본상(Finalist)까지 휩쓸었다.
이동의 본질인 타이어를 기반으로 한 미래형 이동 플랫폼 HPS-Cell에 장착된 비공기입 타이어는 3차원 단위 격자(Unit-cell) 형태의 구조체가 적용됐다. 비공기입 타이어라서 가능한 미래 기술도 담았다. 즉 가변 휠과 센서 기술을 활용, 타이어 표면과 노면 상태를 실시간으로 파악하며 마모에 따른 위험에 대응해 최적의 트레드 패턴으로 교체할 수 있는 콘셉트다.
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‘디자인 이노베이션 2020’ 프로젝트의 일환으로, 한국타이어의 첨단 기술력 ‘H.I.P(Hankook Innovative Performance)’가 적용된 이동의 본질이 되는 타이어 기반 플랫폼 HPS Cell
지금까지 사용하는 일반 타이어는 적정하게 주입된 공기의 압력으로 차량 무게를 지지하고 노면에서 접지력을 유지한다. 그러나 우리가 잘 알다시피 압력이 낮아지면 접지력이 떨어져 주행 안정성에 문제가 발생할 수 있어 주기적으로 타이어와 공기압을 점검하고 관리해야 한다. 주행 중에 예상치 못한 이물질을 밟고 ‘펑크(Puncture)’로 인해 공기압이 유실되는 사고를 겪을 수도 있다.
번거로움뿐 아니라 수명이 다한 폐타이어도 환경에 영향을 덜 줄 수 있도록 신경 써서 처리해야 한다. 세계적으로 연간 폐타이어 배출 규모는 10억 개 이상으로 추산되며, 대한타이어산업협회 발표에 의하면 2022년 한 해 국내 폐타이어 발생량은 37만 톤에 달한다(재활용 실적은 32만 9000톤 예상).
이러한 일반 타이어의 단점을 극복하기 위해 개발된 비공기입 타이어는 말 그대로 내부에 공기를 주입하지 않고도 차량을 지탱할 수 있는 타이어를 말한다. 축을 중심으로 한 원형의 회전체 디자인은 동일하지만 휠과 트레드 사이의 구조가 완전히 다르다. 공기를 채우지 않는 비공기입 타이어는 스포크(Spoke)의 구조적 형상만으로 차량 하중을 지지한다. 노면에서 발생하는 충격을 흡수하고 타이어 형상을 복원하는 역할도 스포크가 담당한다.
내부에 공기를 품고 있지 않기 때문에 트레드에 구멍이 나더라도 타이어 구조가 붕괴되지 않아 펑크가 발생하지 않는다. 수시로 공기압을 확인하고 조정할 필요가 없어 유지 및 관리가 용이하다. 공기압 저하로 인한 연비 손실이 없으며 소음 또한 현저히 줄어든다. 이러한 장점을 기반으로 비공기입 타이어는 일부 자전거와 골프 카트, 소형 지게차 등의 특수 자동차 분야에서 먼저 실용화에 도달하고 있다.
공기 없는 우주, 타이어도 공기 없이
비공기입 타이어가 제작돼 실제로 활용된 최초의 사례는 달 탐사 프로젝트라 할 수 있다. 사람을 달에 보내는 우주 경쟁에서 미국에 뒤진 (구)소련은 결국 사람 대신 무인 탐사차를 달에 보냈다. 1970년 달에 착륙한 원격조종 로버 루노호트(Луноход) 1호는 자전거 바퀴처럼 철사 스포크로 지탱하는 금속제 림과 철망 트레드로 구성된 비공기입 타이어를 장착했다.
(구)소련의 무인 달 탐사차 루노호트-1은 사상 최초로 외계 천체에서 주행한 자동차다. 바퀴살로 지탱하는 철망 타이어를 장착했다.
루노호트가 이렇게 생긴 바퀴를 단 까닭은 달의 환경을 견디기 위해서였다. 달 표면은 낮과 밤의 기온차가 최대 300℃일 정도로 극심하며, 대기가 없어 차량이 주행하는 동안 타이어에 마찰열이 발생하더라도 열을 발산하지 못한다. 금속제 비공기입 타이어는 내구성이 우수하고 손상의 가능성도 낮으며, 무엇보다 수리할 수 있는 여지조차 없는 달에서 사용해야 했기 때문에 선택됐다.
미국 또한 달에 자동차를 가져갔다. 1969년 아폴로 11호의 닐 암스트롱이 인류 최초로 달에 발자국을 남긴 다음 NASA(미항공우주국)는 달 탐사차(Lunar Roving Vehicle, LRV)를 완성했다. 1971~1972년 아폴로 15 · 16 · 17호의 우주비행사들이 달 표면에서 타고 다닌 2인승의 LRV는 사륜구동 전기차로서 일반 고무 타이어 대신 철망(Mesh) 구조의 비공기입 타이어를 장착했다. 아연을 도금한 0.84mm 굵기의 강철 철사로 짠 직경 81cm, 폭 23cm의 타이어는 제법 탄성을 발휘하기까지 했다.
아폴로 17호의 달 탐사차LRV는 사흘 동안 세 번의 탐사 임무에 나선 우주비행사를 태우고 총 22시간에 걸쳐 35.7km를 달렸으며 최고 속도는 18km/h였다.
비공기입 타이어의 활약은 달을 넘어 더 먼 우주까지 이어졌다. 1997년 NASA의 화성 탐사선 패스파인더에 실려 붉은 행성에 착륙한 무인 로버 소저너(Sojourner)는 독립 서스펜션과 전기모터를 갖춘 6개의 작은 비공기입 타이어를 장착했다. 2004년 각각 화성에 도착한 쌍둥이 탐사 로버(Rover) 스피릿(Spirit)과 오퍼튜니티(Opportunity)도 6개의 비공기입 타이어를 달고 황량한 화성 표면을 누볐다.
특히 오퍼튜니티는 2018년까지 설계 수명의 57배에 달하는 14년 동안 45.2km를 주행하며 열심히 화성을 탐사해 ‘외계 주행 최장 기록’을 세웠다. 2012년에 도착한 로버 큐리오시티(Curiosity)도 지금까지 계속해서 화성 표면을 달리고 있다. 이러한 장시간 임무를 가능케 한 요소 중 하나가 내구성 좋은 비공기입 타이어란 점은 두말할 나위가 없다. 2021년 화성에 착륙한 퍼서비어런스(Perseverance)는 큐리오시티보다 더 견고한 비공기입 타이어를 장착했다.
10년 넘게 화성을 탐사 중인 무인 로버 큐리오시티는 직경 50cm의 비공기입 타이어 6개를 장착했다.
NASA는 현재 니켈-티타늄으로 만든 형상 기억 합금(Shape Memory Alloys)을 촘촘한 그물처럼 짠 초탄성 타이어(Superelastic Tire)를 연구하고 있다. 이름처럼 탄성도 충분히 제공하는 것으로 알려진 새로운 비공기입 타이어는 차세대 화성 로버나 두 번째 유인 달 탐사 프로젝트인 ‘아르테미스(Artemis)’의 달 자동차(Lunar Terrain Vehicle, LTV)에 사용될 수도 있다.
한편 NASA는 아폴로 프로젝트의 LRV 제작을 함께했던 GM과 손을 잡고 새로운 달 자동차 또한 개발하고 있다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA)도 토요타와 공동으로 연료전지로 구동되는 유인 탐사차를 개발해 2029년 달에 보낼 계획이다. 이러한 우주 자동차에 장착되는 타이어는 모두 비공기입 타이어다.
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영화 <더 문>의 한 장면. 한국의 달 탐사대 월면차가 한국타이어의 비공기입 타이어를 장착했다는 설정이다.
한국타이어는 지구와 조건이 다른 달 표면에서 임무 수행이 가능한 첨단 타이어 개발 의지를 영화 <더 문>을 통해 선보인 바 있다. 올 여름 국내 개봉된 <더 문>에서 한국타이어 비공기입 타이어를 장착한 월면차는 쏟아지는 유성우와 폭발을 뚫고 거친 달 표면을 내달린다. 타이어 디자인과 제작 모두 한국타이어가 담당했으며 월면차 타이어답게 비공기입으로 설계됐다.
공기 없는 우주, 타이어도 공기 없이
일반 도로가 아닌 오프로드에서는 특별하게 디자인된 전용 타이어가 필요하다. 험준한 산맥과 바윗돌이 널린 지형, 진창과 늪으로 이뤄진 정글, 눈밭과 얼어붙은 빙판길 주행을 감당해야 하는 탐사용 차량과 군사용 차량에는 비공기입 타이어가 탁월한 가치를 발휘한다. 비공기입 타이어의 가장 빛나는 장점인 내구성 덕분이다. 한국타이어가 대한민국방위산업전, DX KOREA 2022을 통해 선보인 아이플렉스2(i-Flex 2)가 바로 오지 탐험이나 군사용으로 활용될 수 있는 미래형 콘셉트 타이어다
아이플렉스 군용 콘셉트는 오프로드 노면 주행에 적합한 형태로 개발돼 현대로템이 출품한 군사 작전 지원용 다목적 무인 차량 HR-Sherpa에 장착됐다. 1세대 비공기입 타이어 아이플렉스를 한층 개선한 것으로, DX KOREA 2022에 출품한 제품은 17” 사이즈로 개발됐다. 작전 중 펑크로 인한 돌발 상황에서도 안전 확보가 가능하고 공기압 관리가 필요하지 않아 전시와 훈련 중 최상의 기동성 유지가 가능한 타이어다.
정확도 높은 정특성(강성 및 접지 형상) 스포크 설계와 동적 시뮬레이션에 기반한 패턴 설계로 제작된 한국타이어의 비공기입 타이어 아이플렉스 2.
하중 지지에 용이하고 압축 하중을 골고루 분산시킬 수 있는 이중 아치(Arch) 구조를 적용한 아이플렉스 2는 외측 아치가 험한 노면에서 전달되는 불규칙한 충격을 일차적으로 흡수한다. 내측 아치는 차량 구동부에 전달되는 진동을 완화하며, 내 · 외측 아치를 연결하는 힌지 구조를 통해 안정된 타이어 형태를 구현했다. 트레드에는 제자리 선회가 가능한 모빌리티 특성을 고려해 최적화된 패턴을 적용했다. 특히 무인 차량의 모터 회전력이 지면까지 빠르게 전달되도록 트레드의 측면 프로파일을 사다리꼴로 설계해 자율 선회 주행 시 타이어를 통해 구동력 전달이 신속하게 이뤄지도록 제작됐다.
미래 자율주행 모빌리티에 최적화
미래 모빌리티로 꼽히는 자율주행 자동차에도 비공기입 타이어가 각광 받을 것으로 보인다. 타이어에 펑크가 나거나 파손 등으로 주행이 어려울 경우 ‘자율’ 해결이 어렵기 때문이다. 평상 시 공기압 유지 관리도 자율로 하기 쉽지 않다. 따라서 자율주행 모빌리티에 적합하도록 내구성이 뛰어나며 친환경 요소가 고려된 새로운 타이어가 지속적으로 개발되고 있다.
매년 1월 미국 라스베이거스에서 열리는 세계 최대 소비자가전전시회(Consumer Electronics Show, CES)는 10여 년 전부터 자동차 분야의 출품작이 많아졌다. 한국타이어 역시 CES 2022를 통해 자율주행 모빌리티에 최적화한 비공기입 타이어 아이플렉스를 선보였다. 2010년부터 정부 과제의 하나로 비공기입 타이어 연구를 본격 시작한 한국타이어는 안전성, 보전성, 지속 가능성을 핵심으로 미래 모빌리티에 적합한 비공기입 타이어를 혁신하고 있는 중이다.
CES 2022에 소개된 한국타이어의 비공기입 타이어 아이플렉스와 단면 구조.
자율주행 모빌리티용 아이플렉스는 주행 중 필요한 충격 흡수와 하중 지지 성능을 위해 생물 세포 구조에서 착안한 멀티 레이어 인터로킹 스포크(Multi-layer Interlocking Spoke) 디자인으로 설계한 3차원 구조의 입체 셀(Cell)이 노면에서 발생하는 충격을 흡수한다. 또 서로 다른 강성의 육각 · 사각형 셸이 유기적으로 맞물리게 설계해 안정적인 하중 지지가 가능하다. 트레드에도 육각형 셀 구조를 형상화해 자율 선회 주행에도 최적화된 패턴을 적용했다. 아이플렉스 또한 2022 레드닷 콘셉트 본상(Winner) 및 2022 IDEA 본상(Finalist)을 수상했다.
최근 소개되는 미래형 모빌리티에는 거의 예외 없이 비공기입 타이어가 적용되고 있다. 특히 기존 합성고무와 카본 블랙 등 석유계 화학 소재에서 재활용이 가능한 폴리우레탄 유니 소재(UNI-Material)로 제작된다는 점도 아이플렉스 같은 비공기입 타이어의 미래지향적 특징이다. 유니 소재란 제품 본래의 성능과 기능은 유지하면서 기존 제품의 재질을 단일화하거나 단순화함으로써 제품의 생산 공정 축소를 통해 생산성을 높이고 소재의 재활용을 용이하게 하는 것을 말한다.
2021 메이드 인 한국에 전시되었던 비공기압 타이어
인간이 숨 쉬며 사는 한 없어서는 안 되는 물질이 공기인 것처럼 타이어 역시 공기가 필수적이었다. 1888년 아들을 부상에서 보호하려는 어느 수의사의 자식 사랑으로 발명된 공기입 타이어는 130년 넘게 타이어의 기본 기술로 여겨져 왔다. 하지만 무게를 떠받치는 고된 역할에서 공기를 놓아줄 날이 머지 않았다. 고정축 방식의 바퀴를 장착하는 기존의 교통수단뿐 아니라 공간과 위치에 구애 받지 않고 360°로 자유롭게 이동하는 휠봇(Wheelbot)에 이르기까지 미래 모빌리티 일상에서 비공기입 타이어는 무한히 발전할 것이다.
