타이어는 자동차와 지면을 연결해 주는 부분으로 자동차의 가장 핵심적인 요소 중 하나다. 타이어의 성능 발전은 자동차 성능에 발맞춰 진화했으며, 오늘날 차의 성격을 결정짓는 가장 중요한 요소다.
타이어는 단순히 생각하면 그저 고무 덩어리에 불과하지만, 그 안에는 첨단 기술이 녹아들어 있다. 먼저 타이어는 주재료인 고무를 바탕으로 다양한 재료들이 배합돼 만들어진다. 고무는 지구 상의 원재료 중 가장 까다로운 물질 중 하나로 현재도 다양한 측면에서의 연구가 진행되고 있다.
인류의 고무 가공 역사는 500년
인류가 고무를 사용하기 시작한 것은 500여년에 불과하다. 고무는 탄성이 있는 탄화 수소의 중합체로 우유의 콜로이드 부유물이나 라텍스와 같이 고무나무의 수액 안에서 자연스럽게 만들어진다. 기본적으로 고온에서 끈적거리고 저온에서 딱딱해지는 점탄성을 가지며, 변형과 복원이 가능하다.
천연고무는 고무나무의 수액을 채취해 굳힌 것으로 농산물에 속한다. 세계적으로 널리 알려지게 된 계기는 14세기 말 콜롬부스에 의해서다. 당시 하이티 원주민들이 고무나무에서 채취한 유액으로 만든 고무공을 유럽으로 가져왔는데, 이 정체불명의 물건이 연필 자국을 지우는 것을 발견한 영국의 과학자가 지우개(rubber)라고 이름 붙였다.
19세기 중반까지 천연고무는 전량 남미지역 생산에 의존했다. 이후 천연고무의 원활한 공급을 위해 고무 종자를 말레이시아 등 동남아 지역에 이식, 고무원을 만들면서 오늘날 천연고무의 90%를 동남아 지역에서 생산하게 됐다.
천연고무가 타이어의 주요 원료가 된 것은 우연한 발견된 고무의 두 가지 특성에서 기인한다. 첫째, 고무 원액을 추출해 고무공을 만들었는데 이상하게도 타이티 원주민이 가지고 논 고무공처럼 탄력성이 없었다.
타이어가 검은색인 이유
이후 원주민들의 고무공 제조과정을 관찰한 결과, 라텍스 상태의 고무를 모닥불 옆에서 말리는 과정을 통해 모닥불의 그을음이 고무의 탄성을 좋게 해준다는 것을 알게 됐다. 이것이 바로 오늘날 타이어를 만들기 위해 빠질 수 없는 기본 원재료인 카본 블랙의 발견이었다. 타이어가 검은색을 띄는 이유이기도 하다.
둘째로 1839년 찰스 굿이어에 의해 발견된 가황성질로서 가열된 고무가 유황과 결합하면 전혀 다른 성질을 나타내는 점을 발견했다. 생고무는 탄성이 강하지 못하고 오래 지나면 노화해 버리기 쉽지만 130℃에서 유황을 반응시켜 가황하면 대단히 탄력이 강한 고무로 만들 수 있다는 것을 발견했다.
카본 블랙과 가황 성질, 이 두 가지 발견은 오늘날 타이어를 만들 수 있는데 결정적인 역할을 했다. 하지만 천연고무의 생산량이 한정돼 있어, 오늘날에는 합성고무와 일정량을 섞어 사용하면서 부족한 생산량을 보완하기 시작했다.
합성고무란 무엇인가?
그렇다면 합성고무는 과연 무엇일까? 합성고무는 고무가 아닌 물질을 섞어 만든 화합물로서 플라스틱을 만드는 것과 같은 원리로 만들어진다. 고무인 듯, 고무가 아닌, 고무 같은 존재, 그것이 바로 합성고무라고 할 수 있다.
천연고무를 현미경으로 자세히 들여다보면, 마치 실이 엉켜있는 것처럼 보이는 데 이 실의 길이를 비교해 보면 천연고무가 합성고무보다 더 길다. 분자량이 더 커서 서로 단단히 얽히게 되는 이 특징으로 인해 천연고무는 상대적으로 내구성이 더 중요한 대형차량용(TBR, Truck Bus Radial) 타이어에 많이 사용된다.
합성고무에 대한 기술 연구가 본격적으로 이뤄진 시기와 원인은 전쟁을 통해서다. 1차 세계대전 당시 군용 무기에 필수적으로 사용되는 천연고무를 독일과 이탈리아가 구할 수 없도록, 영국은 해상봉쇄 작전을 통해 이들이 동남아시아에 접근하는 것을 막았다.
전쟁이 가져온 합성고무의 발전
천연고무 조달이 어려워진 독일은 천연고무의 대체재를 개발해야 했고, 아스피린으로 유명한 바이엘이 합성고무를 개량해 최초로 양산을 시작했다.
이후, 2차 세계대전에서 미국 또한 전쟁 중 천연고무의 공급이 끊기자 군용차의 타이어 제조와 생산에 큰 어려움을 겪게 되자 합성고무의 생산 연구에 집중, 상업적으로 생산하게 되면서 오늘날 타이어 테크놀로지에서 빼놓을 수 없는 합성고무 기술이 탄생했다.
일반적으로 타이어에 사용되는 합성고무는 스타이렌-부타디엔이다. 스타이렌은 액체, 부타디엔은 기체로 이 두 물질을 최적의 상태로 섞어야 고무의 특성을 갖게 된다. 스타이렌은 스티로폼을 만드는 원료로 딱딱한 성질을 가지고 있어, 스타이렌이 많이 섞이게 되면 보다 더 딱딱한 고무를 만들 수 있게 된다.
스타이렌과 부타디엔, 이 두 가지 물질의 혼합 비율과 결합 형태 등에 따라 합성고무는 타이어 제조사가 원하는 다양한 특성을 가지게 된다. 합성고무는 보통 고속주행성능, 승차감, 소음, 연비 등 다양한 성능이 요구되는 승용차용 타이어에 주로 사용된다.
타이어에 있어 또 하나의 중요한 단어는 컴파운드다. 타이어는 사용되는 차종에 따라 최적화된 반제품으로 제작된 후, 차량에 장착 가능한 다양한 사이즈와 패턴의 완제품 형태로 완성되는데, 타이어 각 부위에 사용되는 고무 반제품을 컴파운드라고 부른다.
타이어 컴파운드는 일반적으로 15종류 이상의 원료를 혼합하여 만들어지는데, 천연고무, 합성고무, 카본블랙, 황, 실리카, 오일 등 다양한 원료가 사용 목적에 따라 혼합된다. 각각의 컴파운드는 목적에 최적화되게 능력을 발휘할 수 있도록 원료가 배합돼야 하며 이것이 바로 전 세계 타이어 제조사들이 갖는 기술력이다.
