윈터타이어 과학, 모든 논란 종결

겨울만 되면 윈터타이어의 필요성에 대한 논란이 반복됩니다. 이 번 글에서는 이러한 논란에 종지부를 찍을 수 있도록 윈터타이어의 특성에 대해 과학적으로 자세히 알아보도록 하겠습니다.

물체의 마찰력과 접지력

거울처럼 매끄럽게 잘 가공된 금속 표면도 고배율 전자현미경으로 확대해서 보면 실제로는 매우 거칠다는 것을 알 수 있습니다. 금속 표면의 마이크로 영상은 아래 사진과 같이 마치 산봉우리와 계곡처럼 들쭉날쭉 합니다.

금속표면의 마이크로 이미지

따라서 매우 편평한 두 물체가 서로 마찰되는 경계면도 이와 같이 현미경으로 확대해서 보면 요철에 의해 돌출된 부분만 서로 접촉되어 생각보다 마찰력이 크지 않습니다. (아래의 첫 번째 이미지 참조)

두 물체의 마찰면 (상), 위쪽이 고무일 때의 마찰면 (하)

이때 만약 위쪽에 유연성과 탄성이 좋은 고무 재질이 사용되면 위의 이미지에서 볼 수 있듯이 미세한 요철을 따라 고무 표면이 변형되면서 밀착됩니다.

따라서 경계면에서의 접촉 면적이 증가하고 고무 특유의 끈적이는 점착력으로 인해 마찰력은 크게 증가하므로 잘 움직이지 못하게 됩니다.

고무와 타이어의 특성

이와 같이 고무는 유연성, 고탄성, 높은 점착력과 마찰력을 갖지만 내구성이 약해 마모성이 큰 것이 특징인데 녹아내릴 정도의 지나친 고온이 아니라면 이러한 특성은 온도가 높을수록 강화되며 반대로 저온에서는 저하됩니다.

• 유연성, 고탄성
• 높은 점착력
• 높은 마찰력 (= 접지력)
• 높은 마모성
• 고무의 특성은 고온에서는 강화되지만 저온에서 저하됩니다. 그러나 지나친 고온에서는 녹아내립니다.

이 때문에 고무 제품은 수많은 분야에 사용되며 자동차 타이어에도 적용됩니다.

타이어는 합성 고무에 다양한 화학 물질을 혼합하고 복잡한 구조로 제조되지만 주목해야 할 점은 타이어를 단단하게 만드는 블랙 카본과 부드럽게 만드는 실리카 성분입니다.

• 타이어 : 합성 고무 + 블랙 카본 + 실리카 + 경화제/가소제 등 혼합하여 제조합니다. (다층 구조와 코어)
• 블랙 카본 성분이 많이 들어가는 서머(스포츠) 타이어는 단단하고 내구성(내열성)이 좋아집니다.
• 실리카 성분이 많이 들어가는 윈터타이어는 유연함과 탄성이 증가하지만 내구성은 약해집니다.

바로 이들 성분의 차이가 서머 타이어와 윈터타이어의 온도에 따른 접지력을 다르게 만들기 때문입니다.

온도에 따른 타이어 접지력의 변화

온도에 따른 타이어의 접지력 변화를 아래의 그래프를 통해 살펴보면 서머 타이어는 고온에서 최대 접지력 나타내지만 온도가 낮아지면서 특히 영상 7도 이하에서 급격히 저하됩니다.

온도에 따른 각 타이의 접지력 변화

반면 윈터타이어는 고온에서 낮은 접지력을 갖지만 저온에서 최대 접지력을 갖게 됩니다. 사계절 타이어는 중간적인 특성을 띠지만 역시 저온에서는 접지력이 많이 낮아집니다.

온도가 높은 여름철의 서머 타이어는 아래의 왼쪽 이미지와 같이 유연성, 탄성, 점착력이 향상되므로 타이어 트레드가 변형되면서 도로의 요철 사이를 파고들고 마치 움켜쥐는 듯한 강한 접지력으로 주행할 수 있습니다.

여름철의 노면 온도는 기본적으로 높은데 특히 고속에서는 마찰열에 의해 타이어 온도가 과도하게 상승하므로 서머 타이어는 블랙 카본을 증가시켜서 더욱 단단하게 내구성을 높이는 것입니다.

여름철의 서머타이어 (좌), 겨울철의 서머타이어 (우)

서머 타이어의 이러한 특성은 겨울철 저온에서 심각한 문제를 일으킵니다.

위의 오른쪽 이미지와 같이 타이어가 딱딱해지면서 도로 요철의 위쪽 끝 부분에만 접촉하고 점착력도 저하되면서 접지력이 급격히 떨어지므로 가속과 감속에서 바퀴가 헛돌거나 미끄러지게 되는 것입니다.

겨울철의 서머 타이어는 눈길이나 빙판길이 아니라더라도 이미 일반도로에서 조차 주행 안전을 위한 기본적인 노면 접지력을 가질 수 없는 것입니다.

윈터타이어의 차별점

수막현상으로 타이어가 미끄러지는 빗길만 아니라면 타이어는 F1 경주차의 타이어처럼 트레드가 아예 없거나 있더라도 깊지 않아야 노면과 접촉하는 면적이 커지면서 접지력이 극대화되고 초고속 주행이 가능합니다. (아래 첫 번째 이미지)

왼쪽부터 F1 경주용 타이어, 서머(스포츠)타이어, 윈터타이어

그러나 승용차용 서머 타이어에는 젖은 노면에서의 배수 기능을 위한 중심부의 굵고 깊은 홈과 가늘고 얕은 패턴의 트레드를 가지고 있어 노면과의 접촉 면적을 최대한 유지하는 구조입니다. (위의 두 번째 이미지)

반면 윈터타이어는 노면 접촉 면적을 다소 손해 보더라도 눈길에서 타이어 트레드가 더 잘 박힐 수 있도록 아일랜드 패턴 형태의 트레드가 적용되면서 가로나 사선 방향의 깊은 홈이 적용됩니다. (위의 세 번째 이미지)

특히 윈터타이어를 확대해서 보면 아일랜드 패턴 표면에는 미세한 틈이 있는데 윤활 작용으로 빙판에서 미끄러지게 만드는 수분을 모세관 현상을 통해 빨아들여 접지력 잃지 않도록 하는 기능의 특수 패턴입니다. (아래 이미지의 적색 타원 참조)

윈터타이어의 아일랜드 패턴과 특수 패턴

이와 같이 윈터타이어는 실리카 성분 증가로 저온에서도 유연성과 탄력을 잃지 않고 눈길과 빙판길 주행을 위한 특수한 트레드 구조와 미세 패턴이 적용되어 겨울철에도 우수한 접지력 성능을 발휘하는 것입니다.