피렐리를 비롯한 타이어 제조사들은 영리한 기술을 통해 자동차가 가진 4개의 접촉면을 드라이빙 경험의 중심에 두고자 한다
타이어 얘기가 나오면 대부분의 운전자들이 가장 먼저 떠올리는 질문은 ‘얼마인가?’와 ‘다 닳을 때까지 얼마나 오래 쓸 수 있나?’이다. 열정적인 운전자라면 젖은 노면에서 얼마나 빨리 멈출 것인지, 코너링 그립이 얼마나 많은지를 따질 것이고, 정말 정통한 사람이라면 스티어링 및 구름 저항에 미치는 영향과 같이 더 많은 것을 궁금해할 것이다. 이런 것들은 타이어를 판단하는 전통적인 특성 중 일부이다. 하지만, 그리 오래 지나지 않아 자동차와 통신을 통제하는 것과 같은 훨씬 더 발전된 역할에 관여할 가능성이 높다.
피렐리는 미래를 내다보고 타이어가 운전자를 위해 무엇을 할 수 있는지 탐구하는 제조업체 중 하나이다. 작년에 맥라렌의 680마력 하이브리드 슈퍼카 아투라를 통해 데뷔한 “당신의 차와 대화하는 세계 최초의 타이어”라고 부르는 것을 개발했다. 사이버 타이어(Cyber Tyre)는 피렐리 P 제로를 기반으로 하지만, 모든 피렐리 타이어에 이와 동일한 기술을 적용할 수 있다. 타이어 거동의 미세한 세부 사항을 감지한 다음, 자동차로 다시 전송하여 그에 따라 반응할 수 있는 작은 칩으로 구성된다.
피렐리의 연구 개발 및 사이버 담당 부사장인 피에란젤로 미사니(영문)는 자동차의 섀시와 서스펜션 뒤에 있는 모든 정교한 작업에서 이 4개의 타이어 접촉면은 매우 중요하며, 이를 최대한 활용하는 것이 합리적이라고 설명한다.
“우리는 수년 전부터 타이어를 단순히 휠 허브에 전달되는 힘의 발생기로 생각하지 않기 시작했다”라고 그는 말한다. “지면과 접촉하는 유일한 부분이며, 손가락이 탁자 위에 있는 표면의 그립을 감지하는 것과 유사한 방식으로 감지할 수 있는 능력을 부여하면 이러한 감각을 데이터로 변환하여 자동차로 전송할 수 있다. 자동차의 논리 시스템에 연결된 타이어의 첫 번째 예가 아투라이다.”
피렐리가 타이어 ID라고 부르는 것이 이 콘셉트의 핵심이다. “매 순간 자동차는 각 코너의 타이어 유형을 감지하고 ID를 사용하여 서스펜션, 브레이크, 안정성 제어에 작용한다”라고 미사니는 설명한다. 따라서 이것이 장착된 차는 겨울용 또는 여름용 타이어에 필요한 다양한 특성에 맞게 섀시, 제동, ADAS 시스템을 자동으로 구성할 수 있다.
아투라는 생산량이 상대적으로 적지만, 미사니는 피렐리의 R&D 팀이 이미 대규모 생산을 위한 콘셉트를 개발하기 위해 노력하고 있다고 확인해 주었다. “타이어와 자동차의 연결성이 현실이 되고 있다”라고 그는 말한다. “그러나 미래에는 타이어와 인프라의 통신이 필요하므로 통신 네트워크를 구축하기 위해 타이어와 자동차, 자동차와 자동차의 통신이 필요하다.” 목표는 5G의 고속 리소스를 활용하여 타이어에서 생성된 데이터를 네트워크에 배포할 수 있도록 하는 것이다.
현재 타이어 공기압 모니터링 시스템은 휠에 장착되어 있지만 향후에는 타이어에 통합될 수 있다. 미사니는 “우리 타이어 센서는 이미 타이어의 온도와 압력을 측정할 수 있지만, 이제는 다른 정보도 제공할 수 있다. 예를 들어, 접촉면의 길이를 측정하여 수막 현상의 시작을 감지할 수 있다. 또한 4개의 바퀴에 대한 수직 질량 분포를 측정하고 단일 타이어에 유효 하중을 제공할 수 있다. 운전자에게 과부하를 경고하는 데 유용한 이 ‘코너 웨이트’는 모터스포츠에서 핸들링 및 제동 성능을 개선하는 데 사용되며, 즉석에서 서스펜션 설정을 조정할 수 있는 도로용 차들도 같은 방식으로 이점을 얻을 수 있다.
또한 타이어가 문제를 더 빨리 감지하여 안전 시스템이 더 효과적이 될 것으로 기대할 수 있다. “앞으로 우리는 자동차와 아스팔트의 상태와 주어진 순간에 사용할 수 있는 그립의 양에 대한 정보를 수집할 것이다”라고 미사니는 설명한다. 오늘날의 안전 시스템은 잘못되어가고 있는 문제들에 대응하고 있다. 그러나 사람의 손가락 끝과 거의 같은 방식으로 접지력을 모니터링할 수 있는 타이어는 자동차의 안전 시스템이 문제가 발생하기도 전에 싹을 자를 수 있게 한다. 중요한 밀리초의 찰나를 확보하고 정지 거리를 줄이며 임박한 문제에 안정성 제어 시스템이 더 빠르게 대응할 수 있도록 한다.
“이것은 미래에 더욱 중요해질 것이며 자율주행의 발전과 관련이 있다”라고 미사니는 말한다. “더 이상 오감을 가진 운전자가 자동차를 제어하지 않을 것이며, 운전은 자동차와 타이어의 센서에만 의존하게 될 것이다.”
연구 분야 중 하나는 타이어에 감지 기능을 제공하는 작은 칩에 동력을 공급하는 방법이다. 오늘날 전원 공급 장치는 똑같이 작은 배터리이다. “맥라렌 아투라는 시속 270km 이상의 속도를 견뎌야 하기 때문에 얼마나 오래 지속될 것인지에 대한 문제는 물론 수 천km 거리와 고온에서도 신뢰할 수 있는 능력이 있다”라고 미사니는 말한다.
하지만 피렐리 엔지니어들이 작업하고 있는 목표는 타이어가 도로를 따라 굴러가면서 변형될 때 움직임에 의해 구동되는 작은 피에조 크리스탈 제너레이터를 개발하는 것이다. 테스트는 최대 시속 450km에 해당하는 속도로 바퀴를 회전시킬 수 있는 기계에서 수행된다. 모터스포츠 타이어를 위해 특별히 설치된 새로운 기계는 최대 시속 500km까지 테스트할 수 있다.
다시 현실로 돌아와서, 우선 순위는 지속 가능성, 마모, 구름 저항 감소이다. 구식 시행착오 방법 대신 시뮬레이션 및 가상화 도구를 사용하여 프로토타입 타이어를 만들지 않고도 아이디어를 시험해 볼 수 있게 되었다. 이 접근 방식은 낭비가 적고, 물리적 프로토타입을 만들게 되면 값비싼 금형을 만드는 대신 레이저로 절단하여 다양한 유형의 일회용 트레드 패턴을 빠르게 테스트할 수 있다.
피렐리는 타이어 컴파운드에 사용되는 실리카를 생산하는 데 일반적으로 사용되는 석영 모래를 식품 산업의 폐기물인 왕겨로 대체한 최초의 타이어 제조업체라고 주장한다. 목재 펄프에서 추출한 제지 폐기물 제품인 리그닌(Lignin)은 타이어 컴파운드 소재의 주요 화석 기반 성분인 카본 블랙을 대체하고 있으며, 재활용 병의 폴리에스터는 코드용 레이온 대신 사용되고 있다. 타이어는 폴리머, 수지, 충전제, 분리가 불가능한 다양한 기타 화학 물질과 같은 성분의 복잡성과 범위로 인해 재활용이 어렵다. 미사니는 새로운 타이어 제조에 사용할 수 있는 재료를 생산하는 고온 열분해와 같은 공정을 통해 “재생”이라는 용어를 선호한다.
피렐리는 일렉트(Elect) 기술을 통해 플러그인 하이브리드 및 전기차를 위해 특별히 설계된 다른 종류의 타이어에 대한 보다 즉각적인 요구를 해결하고 있다. 2019년에 도입된 이 제품은 여름, 사계절, 겨울 버전의 P 제로, 신투라토, 스콜피온 제품군에서 OE 순정 타이어로 사용된다. 이 기술은 구름 저항과 소음을 줄이기 위해 특별히 설계되었으며 타이어 산업이 전기화에 얼마나 빨리 적응하고 있는지를 보여주는 예이기도 하다. 더 무거운 EV의 중량을 견딜 수 있도록 설계된 구조를 가지고 있다. 피렐리의 전기 타이어 물량은 현재 18인치 이상 사이즈의 OE 순정 타이어 중 17%를 차지하며, 이는 2021년보다 거의 3배 증가한 수치이다.
타이어 엔지니어링은 자동차의 성능과 안전에 있어 항상 숨은 영웅이었지만 미래에는 훨씬 더 많은 기여를 할 것으로 보인다.
자기 생각을 가진 타이어
콘티넨탈은 기존 타이어 공기압 모니터링 시스템을 뛰어넘는 타이어 감지 시스템을 개발하고 있다. 타이어 수명 동안 데이터를 수집하도록 타이어 내부에 장착된 차세대 타이어 센서를 계획하고 있다. 센서는 펑크 등으로 인한 팽창을 나타내는 좋은 표시인 비정상적인 온도를 등록한다. 또한 온도는 습기나 얼음의 존재와 같은 변화하는 도로 조건의 척도가 될 수 있다. 센서는 작은 펑크를 감지하고 손상된 노면과 같은 위험을 예측한다. 또한 트레드 깊이를 주시하고 하한선에 도달하면 경고한다. 이 외에도 휠에 내장된 원심 펌프를 사용하여 타이어가 자체 압력을 유지할 수 있도록 하는 계획이다. 콘티넨탈은 자율 주행을 염두에 두고 타이어가 클라우드를 통해 차량 간 데이터를 공유할 수 있는 가능성도 고려하고 있다.
EV 특성을 최대한 활용하기
전기차로 전환하게 되면 타이어도 바뀌어야 할까? 이는 쉬운 질문이 아니다. 특히 타이어 제조업체가 EV 타이어의 이점에 대해 의견이 분분한 것처럼 보이기 때문이다.
이를 수용한 브랜드 중 하나는 인도의 타이어 대기업 아폴로가 소유한 브레데스타인이다. 브레데스타인은 최근 콰트랙 프로 EV를 출시했는데, 이는 최초의 고성능 EV 전용 사계절 타이어라고 주장한다. 왜? 아폴로의 개발 책임자인 산제이 파텔은 운전자의 54%가 전기 자동차에 EV 전용 타이어를 장착해야 한다고 생각한다는 연구 결과를 인용한다.
“EV 운전자는 주행 거리에 관심이 많고 도로 소음을 훨씬 더 많이 알아차리기 때문에 우리는 이 문제를 해결하고 싶었다”라고 그는 말한다.
파텔은 타이어를 개발할 때 더 무거운 EV의 중량을 처리하고 주행 거리를 최대화하며 도로 소음을 줄이는 것이 목표였다고 설명한다. 생산 공정 전반에 걸쳐 변경이 이루어졌으며, 실리카와 폴리머의 재작업된 혼합, 더 가벼운 벨트 재료 및 더 얇은 측벽으로 시작되었다.
EV 타이어의 바깥쪽 숄더는 측면 변형을 줄이기 위해 표준보다 넓고, 홈은 왜곡을 줄이기 위해 더 가파르며, 비대칭 트레드 디자인은 증가된 코너링 하중을 처리하기 위해 더 단단한 블록을 특징으로 한다. 이 트레드 블록은 타이어의 피치를 줄이기 위해 재설계되어 소음을 더욱 줄였다.
그 결과 고하중(High Load) 인증을 받았으면서도 표준 사계절용 타이어보다 가볍고 조용한 타이어가 탄생했다고 파텔은 말한다. 그는 또한 더 나은 핸들링, 15% 더 적은 구름 저항 및 증가된 주행거리를 제공하는 동시에 제동 거리와 소음도 줄인다고 주장한다.
따라서 차이가 크진 않지만, 주행거리와 정숙성이 약간만 개선되어도 EV 운전자들은 환영할 것이며 잠재적으로 EV로의 전환을 생각하는 사람들에게 설득력이 있을 것이다.
3D 프린팅
3D 프린팅은 점점 더 정교해지고 있으므로 타이어 제조업체의 향후 계획에 포함될 수밖에 없다. 미쉐린은 이를 사용하여 타이어 몰드용 부품을 만들고, 비전(Vision) 콘셉트의 일환으로 3D 프린팅 고무 타이어 트레드를 통해 더 나아가고자 한다. 궁극적인 목표는 앱을 통해 액세스할 수 있는 주문형 서비스를 통해 트레드를 새로 고치거나 “충전”할 수 있으며, 타이어 사용을 여름에서 겨울 트레드 패턴으로 변경할 수도 있다.
3D 프린팅은 또한 전통적인 방법보다 더 검소하게 원료를 사용한다. 이 회사의 업티스(Uptis) 에어리스 타이어는 아직 승용차용이 아니지만 이미 현실화되었으며, 다른 타이어 제조업체와 마찬가지로 미쉐린은 화석 기반 원료를 바이오 소스 및 재활용 재료로 대체하는 방법을 찾는 데 많은 노력을 기울이고 있다. 예를 들어, 타이어 제조에 사용되는 석유 기반 부타디엔을 우드칩 바이오매스에서 추출한 에탄올로 대체하는 것을 목표로 하고 있다.
