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자동차는 브레이크 덕분에 빨리 달리게 됐다

자동차의 기본적인 움직임은 달리고, 돌고, 멈추는 것입니다. 달리는 자동차는 언젠가 멈춰야 하기에, 브레이크는 자동차 성능의 완성이라고 할 수 있습니다. / 글 이동희 (자동차 칼럼니스트)

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자동차의 브레이크는 바퀴의 회전축에 원통(드럼)이나 금속 원판(디스크·휠 안으로 보이는 둥근 금속판)을 설치하고 여기에 마찰재(브레이크 패드)를 밀어붙여 속도를 줄이는 역할을 합니다. 오디오 CD를 막대기에 끼워서 돌리다 엄지와 검지로 잡으면 정지하게 되는 원리와 같습니다.

이 과정에서 열이 발생하는데, 계속 움직이려는 자동차의 운동 에너지를 열 에너지로 바꾸어 공기 중으로 내보냅니다. 가벼운 자동차도 무게가 1톤에 이르기 때문에, 이때 꽤나 많은 열이 발생합니다. 이 열을 다스리는 것이 브레이크의 핵심이라고 해도 과언이 아닙니다.

최초의 자동차 벤츠 페이턴트 모터바겐에는 가죽 벨트 브레이크가 쓰였습니다

최초의 자동차에도 제동장치가 있었습니다. 엔진에 연결되어 함께 회전하는 커다란 플라이휠에 가죽 벨트를 감고 이를 당기거나 풀어 차의 속도를 조절했습니다. 하지만 자동차의 엔진 성능이 좋아지고 차체가 무거워지면서 브레이크 역시 발전의 필요가 생겼습니다. 처음에는 마차처럼 회전하는 바퀴에 직접 사람의 힘으로 마찰재를 문지르다가, 곧 지렛대의 원리를 이용해 발로 밟는 브레이크가 나왔습니다. 이후 유압을 이용해 제동력을 높임과 동시에 바퀴에 연결된 차축과 함께 회전하는 드럼을 멈추는 방식을 거쳤고, 지금처럼 바퀴마다 디스크 브레이크를 다는 방식으로 발전했습니다.

1955년 르망 24시에서 벌어진 참사는 브레이크의 중요성을 보여줍니다

브레이크를 얘기하기 위해서는 모터스포츠를 빼놓을 수 없습니다. 모터스포츠 사상 최악의 사고가 발생했던 1955년 르망 24시 경주에서 디스크 브레이크가 모터스포츠에 처음 도입됐습니다. 당시에는 경주차 안쪽에 차축과 함께 회전하는 드럼을 달고 안쪽에서 바깥으로 브레이크 슈를 밀어붙이는 드럼 브레이크 방식이 주였습니다. 드럼 안쪽은 밀폐된 것이나 다름없는 데다 냉각도 쉽지 않았기에, 경기가 격렬해질수록 과열된 브레이크가 밀리는 일이 많았습니다(이를 페이드 현상이라고 합니다).

300마력의 힘을 가지고도 제대로 멈출 수 없었던 벤츠 300 SLR 경주차는 결국 앞에서 느리게 달리던 다른 경주차와 충돌하며 관중석을 덮쳤습니다. 사상자가 300여 명에 달할 만큼 큰 사고였습니다. 반면, 이 대회에서 처음으로 항공기에 쓰이던 디스크 브레이크를 달았던 다른 경주차는 그 해를 포함해 내리 3년 연속 우승을 차지합니다. 역설적으로 자동차에서 정지 역할을 담당하는 브레이크 덕분에 더욱 빨리 달릴 수 있게 된 것이죠.

자동차의 성능이 향상되고, 무거워질수록 강력한 브레이크가 필요합니다

앞서 설명한 것처럼 자동차가 무거워질수록, 그리고 빨리 달릴수록 강력한 브레이크가 필요합니다. 하지만 다양한 사람이 운전하기 때문에 브레이크 페달을 밟는 힘도, 차의 성격에 따라 필요로 하는 성능 수준도 모두 다릅니다. 이에 맞춰 디스크의 크기, 형상 및 재질이 달라지고, 마찰재인 브레이크 패드도 바뀝니다. 또 요즘 차에 모두 기본으로 달리는 ABS 모듈의 역할과 제어 범위도 크게 달라집니다.

드럼 브레이크와 디스크 브레이크의 작동 방식입니다

드럼 브레이크와 디스크 브레이크는 기본적으로 작동 방식이 비슷합니다. 이는 초등학교 때 배운 주사기의 원리와 같습니다. 양쪽 주사기를 호스로 연결하고 안을 액체로 채운 뒤 한쪽 주사기의 피스톤을 누르면 반대쪽은 액체가 넘어간 양만큼 올라옵니다. 자동차에서는 이 원리를 브레이크 시스템에 적용했습니다. 

양쪽 주사기는 각각 브레이크 페달과 바퀴 안의 피스톤에 해당하며, 주사기 안의 액체는 브레이크액에 해당합니다. 다만 사람이 밟는 힘만으로는 자동차를 멈출 만큼 충분한 힘이 나오지 않기 때문에, 엔진에서 발생하는 진공 압력을 활용해 밟는 힘을 5배 이상 높여주는 브레이크 부스터가 필요합니다. 이렇게 강해진 압력이 4개의 바퀴에 달린 피스톤을 밀어내고, 피스톤은 드럼 브레이크 내부의 마찰재인 브레이크 슈, 디스크 브레이크 내부의 마찰재인 브레이크 패드를 밀어서 드럼과 디스크 로터에 붙이는 방식입니다. 이때 발생하는 마찰력으로 차를 세우는 것입니다. 

디스크 브레이크는 디스크 로터의 형태에 따라 제동 성능에도 차이가 생깁니다

요즘 자동차에 보편적으로 쓰이는 디스크 브레이크의 경우, 자동차마다 가장 차이가 나는 것은 디스크 로터의 크기와 형상입니다. 디스크 로터가 커지는 이유는 회전 중심에서 가능한 바깥쪽으로 지름이 커질수록 더 적은 힘으로 멈출 수 있기 때문입니다. 이에 맞춰 휠도 커지는 것입니다. 디스크 로터가 커지면 열을 담을 수 있는 열용량도 함께 커져서 과열로 인해 마찰력 저하도 줄일 수 있습니다. 

두 개의 디스크 원반 사이에 공간을 두어 더 많은 열이 빠져나가도록 만든 벤틸래이티드(ventilated) 디스크는 제동 시 차의 무게가 쏠리는 앞 브레이크에 많이 씁니다. 물론 출력이 높은 고성능 스포츠카에는 앞뒤 모두 쓰는 경우도 있습니다. 디스크 로터 표면에 사선으로 그어진 선이나 구멍이 뚫린 것을 보신 적 있나요? 이 또한 디스크 로터 주변의 공기 흐름을 바꿔 조금이라도 열을 빨리 빼내기 위한 방법입니다. 게다가 고온일 때 패드에서 발생하는 가스를 함께 빼는 효과도 있습니다. 디스크 로터와 패드 사이에 가스층이 생기면 마찰력이 떨어집니다.

정말 고속으로 달려야 하는 스포츠카에는 카본 세라믹으로 만든 디스크 로터를 사용하기도 합니다. 높은 열이 발생해도 디스크 변형이 적고 일정한 제동력을 유지하는 것이 장점이지만, 매우 비싸고 오래 쓸 수 없다는 단점이 있습니다.

주차 브레이크에는 일반적으로 드럼 브레이크를 사용하지만, 점점 새로운 기술이 등장하고 있습니다

주차 브레이크는 어떨까요. 주차 브레이크의 경우 마찰재와 접촉면이 넓고 회전 방향에 상관없이 동일한 제동력을 발휘하는 드럼 브레이크가 주로 쓰입니다. 뒷바퀴에는 디스크 브레이크를 쓰더라도, 그 안쪽에는 드럼 방식의 주차 브레이크를 사용하는 겁니다. 최근에는 뒷바퀴에 디스크 브레이크를 쓰면서 캘리퍼에 달린 전동 모터로 패드를 세게 밀어내는 방식도 있습니다. 기존의 주차 브레이크에 쓰이던 부품들이 필요 없으니 무게가 줄어드는 효과까지 있습니다. 조만간 출시될 현대차의 새 모델에서도 만날 수 있는 기술입니다. 

브레이크 패드의 재질도 차의 성능에 따라 달라집니다. 일반 자동차에는 부드러운 제동감과 마찰 소음을 줄일 수 있는 유기 물질이 포함된 패드를 사용하고, 고성능차는 금속 성분이 포함되어 열에 대한 내구성이 좋고 제동 성능을 높일 수 있는 패드를 씁니다. 그래서 가끔 금속 조각이 디스크를 긁을 때 나는 소음이 나기도 하는데, 이는 제동 성능을 높이기 위해 포기하는 부분이기도 합니다.

ABS와 TCS, ECS 등 각종 주행 안정성 보조 장치도 브레이크를 활용하고 있습니다

요즘의 브레이크는 단순히 차를 멈추는 것에서 끝나지 않고 주행 안정성을 제어하는 기초가 되기도 합니다. 각 바퀴로 제동력을 보내거나 끊는 것은 물론, 유압까지 조절할 수 있는 ABS 모듈이 핵심입니다. 잠금 방지 제동 장치(ABS), 구동력 제어 장치(TCS), 자세 제어 장치(ECS) 모두 특정 조건의 바퀴에 제동력을 더하거나 빼는 방식입니다. 예를 들어 ABS는 바퀴가 잠겼다는 신호를 받으면 그 바퀴로 가는 제동력을 풀었다가 다시 보내는 것을 반복해 계속 굴러가면서 접지력을 되찾을 수 있게 합니다. 

TCS는 ABS와 반대로 작동합니다. 엔진에 연결된 구동 바퀴가 접지력을 잃을 정도로 다른 바퀴보다 더 빠르게 회전한다면, 그 바퀴에 제동력을 보내 접지력을 회복할 수 있도록 멈추는 역할을 합니다. ECS는 언더스티어나 오버스티어 상황에서 하나의 바퀴에만 편제동을 걸고 이를 축으로 차의 방향을 바로잡습니다. 물론 엔진의 출력을 제어하기도 하지만 브레이크 제어가 기본입니다.

카메라와 레이더가 위험을 감지하면 차를 멈춰 세우는 전방 충돌방지 보조 기능의 핵심은 브레이크에 달렸습니다

최근에는 여러 첨단 운전자 보조 기능(ADAS)에도 브레이크가 적극 활용되고 있습니다. 차선 이탈방지 보조 기능(LKA, Lane Keeping Assist)은 어떨까요? 뒤에서 달려오는 차가 있는데도 그 방향으로 차로를 변경하려고 한다면, 반대편 바퀴에 살짝 제동을 걸어 지금 달리는 차로를 유지하도록 합니다. 스티어링 휠을 반대로 돌리는 게 빠르다고 생각할 수 있지만, 이미 조작을 시작한 운전자의 의도와 반대로 운전대를 돌리려면 생각보다 큰 힘이 필요하고 차가 반대 방향으로 급하게 움직일 위험이 있어 브레이크를 제어하는 것이 더 안전합니다. 전방 충돌방지 보조(FCA, Forward Collison Assist) 등 긴급상황에서 차를 멈춰야 하는 기능도 같은 원리로 브레이크의 도움을 받습니다.

잘 멈추는 것은 잘 달리는 것만큼 중요합니다

그렇다면 미래의 자동차 브레이크는 어떻게 변할까요? 전기모터가 엔진을 대신하는 시대가 된다면 회생제동(주행 중 가속 페달에서 발을 떼면 바퀴를 돌리던 전기모터가 거꾸로 바퀴에 의해 강제로 돌아가면서 발전이 일어나 배터리를 충전하고 회전 저항을 이용해 자연스럽게 감속하는 기술)을 통해 전통적인 브레이크의 부담이 줄어듭니다. 

하지만 그렇다고 브레이크의 역할이 줄어들지는 않을 것입니다. 자동차를 안정시키고 위급한 상황에서 운전자를 든든히 뒷받침해줄 수 있는 최고의 파트너는 강력한 브레이크입니다. 자동차가 도로를 달리는 한 브레이크는 안전의 영원한 동반자가 될 것입니다.


글. 이동희

필자는 <자동차생활>에서 자동차 전문 기자로 사회 생활을 시작했다. 이후 “티뷰론 일기”, “69년식 랜드로버 복원기” 등 큰 화제를 불러모았던 기사를 쓰며 이름을 알렸다. 이후 크라이슬러 코리아와 재규어 랜드로버 코리아 등에서 영업 교육, 상품 기획 및 영업 기획 등을 맡았으며 딜러로 자리를 옮겨 영업 지점장을 맡았다. 현업의 경험과 이론을 모두 갖춘 칼럼니스트 및 컨설턴트로 활동 중이다. 

◆ 이 칼럼은 필자의 주관적인 견해이며, HMG 저널의 편집 방향과 다를 수 있습니다.

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