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DAILY PICK_Car&Tech

SPINNING CARBON

새로운 최첨단 휠 기술이 전면에 부상하고 있다

2018.09.12

 

1970년대 초반, 미쉐린은 유리섬유와 수지를 합성한 소재로 휠을 개발했다. 이 휠을 처음 장착한 시트로엥 SM 기반 경주차는 첫 경주인 1971년 모나코 랠리에서 우승했다. 이후 1972년 미쉐린은 그 휠을 일반도로용 SM에 제공할 수 있겠느냐는 제안을 받았다. 1980년대에 들어서자 닷지와 캐럴 셸비가 힘을 합쳐 만든 CSX의 최종판(1989년형 CSX-VNT)에 파이버라이즈(Fiberrides)라는 이름의 합성소재 휠이 적용됐다. 미쉐린-시트로엥의 그것처럼 그 휠 역시 유리섬유 구조였다.  


시간을 훌쩍 뛰어넘어 2013년, 초호화 슈퍼카 브랜드 쾨닉세그가 일체형 탄소섬유 휠을 시속 400킬로미터짜리 차에 장착했다. 하지만 가격이 너무 비쌌는데, 차값만 200만 달러가 넘는 슈퍼카에 그 휠을 쓰려면 4만 달러를 더 지불해야 했다. 


지금은 양산 자동차 회사 중 유일하게 포르쉐 정도만 일체형 탄소섬유 휠을 자체 개발하고 있다. 양산차를 위한 탄소섬유 휠 공급업체는 카본 레볼루션(Carbon Revolution)이라는 회사가 유일하다. 이 회사의 휠을 사용하는 차로는 포드 GT, 머스탱 GT350R 등이 있으며 다른 회사에서 향후 출시할 모델들도 이 휠을 사용할 예정이다. 한편 상당수의 다른 회사들은 탄소섬유와 합금을 섞은 하이브리드 휠을 자동차 부품시장에 공급하고 있다. 카본 레볼루션은 일체형 탄소섬유 휠을 지금보다 더 큰 규모로 생산한다는 원대한 계획을 갖고 있다. 올해에만 수십만 개 규모의 휠을 생산하고 향후 10년 동안 생산량을 100만 단위로 늘린다는 계획이다. 아마도 조만간 이 회사의 공동 창립자인 브렛 개스의 뜻이 제대로 이루어질 것 같다. “정통 오프로드 SUV를 위한 22인치 탄소섬유 휠을 개발 중입니다. 그리고 그 수요는 전 세계적으로 수만 개가 넘지요. 대단히 규모가 큰 개발 계획입니다.”


<오토모빌> 편집장인 마이크 플로이드가 올해 제네바모터쇼에서 취재한 바에 따르면 카본 레볼루션은 페라리와 협력해 488 피스타를 위한 휠도 개발 중이다. “우리는 그런 종류의 휠이 꼭 필요합니다.” 페라리의 488 피스타 홍보 책임자 에두아르 도로시의 말이다. 그에 따르면 두 회사는 피스타에 선택사양으로 제공되는 특별한 휠을 개발하고 있다. “휠의 스포크는 일반적인 탄소섬유 휠에서 볼 수 있는 그렇게 거창한 크기가 아닙니다. 아주 가늘게 만들어지기 때문에 다른 기술을 적용해야 하지요. 그래서 안쪽을 흰색으로 코팅하는 것으로 문제를 해결하려 합니다. 우주선에 사용되는 코팅 방식인데 브레이크 마찰열로부터 탄소섬유 휠을 보호해줍니다.”

 

탄소섬유 휠에서 중요하지 않은 부분은 없다. 하지만 중심부의 강성과 내구성은 엔진 토크를 노면에 전달하고 제동력을 떠안을 때 중요한 역할을 한다. 

 

탄소섬유 휠, 무엇이 좋길래
가벼운 무게는 합성 소재로 만든 휠, 특히 탄소섬유 휠의 가장 중요한 장점이지만 동시에 소음과 진동도 크게 줄일 수 있다. 강철과 알루미늄 등 금속으로 만든 휠의 경우 도로의 고주파 진동과 소음이 상당 부분 서스펜션을 따라 차체 구조로 전달된다. 탄소섬유 휠은 그런 진동과 소음을 약하게 만들며 시작 지점부터 그 전달을 가로막을 수 있다. 자동차 회사들은 흡음재를 추가로 보충하는 일 없이 더 조용한 실내를 만들 수 있는 것이다. “탄소섬유 휠은 무게도 가볍고 강성도 뛰어나지만, 특히 고급 전기차에서 많이 발생하는 고주파 소음과 진동을 실제로 크게 줄여줍니다. 전기차에는 엔진과 배기음 등이 처음부터 없으니까 상대적으로 이런 고주파 소음이 크게 두드러지지요.” 개스의 설명이다.


휠이 가벼워지면 가속력과 제동력도 함께 향상된다. 엔진과 브레이크가 많은 힘을 사용할 필요가 없기 때문이다. 또 자이로스코프 효과(gyroscopic effects)도 줄여줘 차가 굽은 구간에 들어갈 때 보다 정교하고 예민한 주행을 가능하게 한다. 아울러 서스펜션에 걸리는 전체적인 부담이 줄어들면서 차의 네 바퀴에 몰리는 무게도 줄어들기 때문에 향상된 주행성능과 더 능동적인 핸들링을 가능하게 한다.
차의 성능 향상에 기여하는 탄소섬유의 모든 장점은 차의 효율과 관련된 장점이기도 하다. 더 적은 에너지로 더 많은 일을 할 수 있기 때문이다. 예컨대 빠른 속도나 강한 운동성능을 지향하지 않는 하이브리드나 전기차의 경우 대신 주행거리를 크게 늘릴 수 있다. 휠의 무게가 줄면 차의 속도를 올리거나 줄일 때마다 소모되는 에너지 총량도 줄고 그렇게 되면 충전된 전기나 연료를 절약할 수 있다.

 

단점은 없을까?
이처럼 탄소섬유 휠이 더 향상된 성능과 연비, 그리고 더 조용하고 편안한 승차감을 보장한다면 그야말로 완벽한 해결책이 되는 셈이다. 그럼에도 많은 사람이 이 휠의 사용에 의구심을 표시하는 건 가격과 선입견이라는 두 가지 이유 때문이다.


카본 레볼루션이 부품시장에 공급하는 휠의 경우 그 가격이 4짝에 1만2000달러에 달한다. 최고급 단조합금 휠과 비교하면 경쟁력이 있다고도 볼 수 있지만 탄소섬유 휠을 4개에 1000달러 정도로 해결할 수 있는 방법은 아직 존재하지 않는다. 하지만 개스는 이 문제는 시간이 지나고 생산 규모가 늘면 해결돼 결국 어느 정도 경쟁력을 갖출 것으로 예상하고 있다. “현재로서는 실질적으로 시장에 영향을 미칠 만한 기술은 아니라고 생각합니다. 지나치게 비싸고 또 낯선 기술이니까요. 그렇지만 3세대 탄소섬유 휠 정도에 이르면 일반 금속 휠과 비교해 가격경쟁력을 갖출 수 있을 것 같고 성능은 가장 우수한 휠이 되겠지요. 그렇게 되면 기존의 휠 시장에 무시 못 할 위협이 될 겁니다. 그리 멀지 않았어요. 지금은 2세대쯤의 기술이라고 봅니다. 향후 2~3년 안에 판도가 크게 달라질 겁니다.”


개스가 이른바 ‘오늘날 현존하는 가장 특별한 자동차 경량화 기술’이라고 부르는 이 탄소섬유 휠을 과연 향후 10년 안에 어디서든 쉽게 볼 수 있게 될까? 그의 주장에 따르면 지금은 일체형 탄소섬유 휠 제조업체보다 슈퍼카인 페라리 라페라리 KERS 하이브리드 시스템 관련 제조업체가 더 많은 실정이다. 하지만 슈퍼카가 아닌 모든 자동차에 이렇게 탄소섬유 휠이 장착되려면 우선 무엇보다 탄소섬유 휠에 대한 잘못된 선입견부터 바로잡아야 할 것이다.

 

 

중앙부는 합금 구조를 사용해 휠을 허브에 결합시킨다. 모든 금속부품은 주형 과정 후에 프레스 작업을 거치며 간단한 수동 공구로 마무리할 수 있다.  휠의 각 부분은 탄소섬유를 여러 겹 겹쳐서 만드는데, 강성을 최고로 높이기 위해 각각 다른 소재 특성에 따라 모든 겹이 다른 방향으로 겹쳐져 있다. 구리가 들어간 이 특이한 부분은 카본 레볼루션에서 각 휠의 생산과 제품 검수 과정을 추적하기 위해 삽입한 RFID 칩이다.  이 가볍고 단단한 폼은 휠 생산 과정에서 내부 구멍을 통해 주입된 것이다. 탄소섬유의 내부 표면이 주형 과정에서 그대로 형태와 위치를 유지하도록 해준다. 폼 자체는 완성된 휠의 구조적 강성에는 아무런 영향을 주지 못한다.  휠의 외부는 순수하게 보이기 위한 목적으로 탄소섬유 위를 반짝이는 에폭시수지로 마감했다. 겉면을 이렇게 처리함으로써 다양한 색이나 디자인을 적용할 수 있다.

 

잘 알지도 못하면서 
탄소섬유는 약하다! 탄소섬유는 깨진다! 그러면 고칠 수도 없다! 탄소섬유 휠은 열을 받으면 녹는다! 날이 추우면 부스러진다! 어쨌든 위험하다! 
탄소섬유 휠의 치명적 단점이라고 흘러나오는 가짜 정보는 끝이 없을뿐더러 그 내용도 광범위하다. 그렇지만 모두 다 거짓이다. 최소한 제대로만 만든다면 저런 일들은 벌어지지 않는다. 이런 선입견을 퍼트린 주범은 소수의 부품시장 휠들이며, 이들 대부분은 탄소섬유와 합금 등 두세 가지 부분이 결합된 하이브리드 휠이다. 그리고 이들 중 어느 것도 일반도로 사용을 위한 OEM 테스트를 거치지 않았다. 이런 휠들은 완전한 테스트를 마친 포르쉐나 쾨닉세그, 그리고 카본 레볼루션의 일체형 휠과는 완전히 다른 제품들이다.


다양한 소재와 다수의 부분들로 이뤄진 하이브리드 탄소섬유 합금 휠들은 그 소재에 상관없이 전통적인 일체형 휠과 비교했을 때 또 다른 실패의 요인을 안고 있다. 예컨대 합금으로 만든 중앙 부분은 탄소섬유 본체와 볼트를 사용해 연결돼야 하는데, 그런 부분은 파손이나 피로 누적의 가능성을 안고 있다. 알루미늄 중앙 부분을 탄소섬유 본체와 볼트로 연결할 경우 상황은 더 나빠질 수 있다. 비틀리는 현상이 생겨 내부에 충격이 더해지다 휠이 제자리를 벗어나는 경우도 있다.


모든 하이브리드 방식 휠이 결함이 있다거나 좋지 않다는 이야기는 아니다. BMW와 롤스로이스, 그리고 맥라렌의 일반도로용 탄소섬유 모노코크 차체에 하이브리드 탄소섬유 휠을 공급하는 카보 테크(Carbo Tech)나 게릭(Geric) 같은 업체들의 하이브리드 휠은 일반적인 합금 휠을 훨씬 능가하는 내구성과 강성, 그리고 성능을 보여주기도 한다. 핸들링과 성능을 중시하는 BMW의 M4 GTS 같은 고성능 차는 공장에서 아예 이런 하이브리드 휠을 장착해 출고되기도 한다.


탄소섬유 휠의 수리 문제라면 일체형이든 하이브리드형이든 상관없이 겉으로 나는 상처가 에폭시수지 표면에 국한된다. 그 밑의 탄소섬유에는 영향을 미치지 않기 때문에 그 부분만 연마하고 재처리하면 된다. 이는 합금 휠의 처리 방법과 거의 다르지 않고, 큰 부분이 떨어져 나가거나 크게 변형이 되면 원래의 강성을 유지하도록 수리할 수 없는 것은 어떤 소재의 휠이든 다 똑같다.


파괴나 변형 과정 없이 급격한 온도 변화를 견뎌내는 탄소섬유의 특성은 탄소 자체가 아닌 그 주변을 둘러싸고 있는 에폭시수지에 의해 좌우된다. 카본 레볼루션과 같은 휠 제조업체는 이와 관련해 많은 투자와 연구를 진행하고 있다. 예를 들어 휠 안쪽에 플라즈마 코팅을 하면 브레이크에서 발생하는 열로부터 에폭시수지를 보호할 수 있다. 그러면 휠은 남극은 물론 뜨거운 열대 태양 아래서도 안전하고 강하게 유지된다. 그런 기술이 아니라면 포드 GT 같은 차에 절대로 장착될 수는 없을 것이다.

 

 

포드 GT가 탄소섬유를 사용하는 건 단순한 멋이 아닌 속도를 위해서다. 트랙과 공도를 가리지 않고 누비는 GT로서는, 만일 탄소섬유가 적합하지 않다면 휠의 소재로 채택할 이유가 없다.

 

카본 레볼루션 휠의 내부 금속세라믹 코팅은 휠이 장착되는 자동차에 따라 대단히 다양하게 활용되거나 사용하지 않을 수도 있다.

 

탄소섬유 휠의 현재와 미래
향후 포르쉐 911 터보 S 익스클루시브 시리즈에 선택사양으로 들어갈 휠은 탄소섬유를 엮어 일체형으로 만든다. 이 휠은 제작 공정이 상당히 까다롭다. 포르쉐는 탄소섬유를 휠 형태로 엮어 가공하기 위해 세계에서 가장 큰 특별한 원통형 제조기계를 새로 제작해야만 했다. 포드는 머스탱 GT350R과 GT 슈퍼카용 휠을 위해 카본 레볼루션과 협업하기로 결정했다. 이는 구매자가 신경 쓸 부분이 많다 하더라도 일체형 탄소섬유 휠에 투자할 가치가 있음을 말해주는 결정이라 할 수 있다.


일체형 탄소섬유 개발은 또한 스마트 휠을 포함해 장차 2차 부품시장을 크게 키울 수 있는 기회가 될 수 있다. 개스는 이렇게 설명했다. “카본 휠뿐만 아니라 생산 과정과 관련해서도 수많은 부품이 필요합니다. 휠 안쪽에 센서와 전자장치를 삽입하면 자체와 통합해 운용할 수 있는 모든 기술과 선택사양이 새롭게 만들어질 것입니다.” 사실 카본 레볼루션의 모든 휠은 이미 안쪽에 RFID 칩이 내장돼 있다. 이는 공정과정 전체에 걸쳐 휠의 품질을 확인하는 데 사용되고 있다.


압력과 온도 및 기타 다른 센서를 직접 탄소섬유 휠과 통합하는 것을 넘어 그 독특한 구성 방식 덕분에 새로운 디자인과 구조, 혹은 배치도 현실화될 것이다. “자전거 산업도 영향을 받을 수 있습니다. 초기의 탄소섬유 로 프레임을 만든 자전거들은 그냥 맞대어 접합을 했습니다. 거기에 도색을 하고 나면 본체가 그냥 금속인지 탄소섬유인지 구분할 수 없었지요. 제조 문제를 넘어 그 기술이 산업디자인 쪽으로 발전하기 시작하면 구조와 겉모습만 보고도 탄소섬유인지 알아볼 수 있게 만들어질 겁니다. 휠의 경우 아직 거기까지 도달하지 못했지만 어쨌든 디자인 부서에서 이 기술에 대해 충분히 알게 되면 모든 것이 가능해지겠지요.”


디자이너들이 탄소섬유 휠의 제조공정에 대해 더 자세히 알게 되면 이제는 미적인 측면 한 가지에만 집중해 개발하는 것을 넘어서는 역량을 갖추게 될 것이다. 예컨대 컴퓨터를 활용하는 유체역학자가 참여하면 일반승용차에 F1 수준의 공력성능을 지닌 휠 기술을 개발하는 데 박차를 가할 수 있다. “미래 자동차의 효율성에 대해 생각할 때 또 한 가지 중요한 문제는 공기역학입니다. 휠 개발에 있어서도 공기역학 문제가 중요한 역할을 하게 될 것입니다.” 


대기 중의 탄소가스를 어떻게 줄이느냐 고군분투하고 있는 이 시점에서 바로 그런 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있는 기술 중 하나가 탄소 자체에서 비롯된다는 사실은 얄궂은 일이 아닐 수 없다. 그렇지만 탄소 시대의 그다음 단계가 우리 앞에 성큼 다가와  있다는 사실은 이제 더 이상 부인할 수 없을 것이다. 
글_Nelson Ireson(<Automobile> 에디터)

 

 

 

 

모터트렌드, 자동차, 휠, 카본

CREDIT

EDITOR / 이진우 / PHOTO / Darren Martin / MOTOR TREND

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