스스로 에너지 충전하고 상태 체크하는 타이어

스마트 타이어가 상용화되면 차량용 컴퓨터를 통해 주행 중 바퀴의 회전 수, 타이어의 미끄러짐 등 각종 정보를 실시간으로 확인할 수 있다. 미래형 자율주행차 개발에도 큰 도움이 될 것으로 보인다. 한국기계연구원 제공

미래형 첨단 자동차에 필수적인 ‘스마트 타이어’를 실용화할 수 있는 원천기술을 국내 연구진이 개발했다. 자동차 타이어의 상태를 차량제어용 컴퓨터로 상시 확인할 수 있는 기술로, 첨단 미래형 자동차의 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.

한국기계연구원 기계시스템안전연구본부 김영철 책임연구원팀은 스마트 타이어 제조에 필요한 전력시스템 등 핵심 기술을 개발하고 그 기능을 실제 구현한 시제품도 함께 개발했다고 20일 밝혔다.

스마트 타이어는 타이어가 자동차와 신호를 주고받는 등 차량 성능과 안전성을 더 높여준다. 스마트 타이어를 실용화 단계까지 기술을 가다듬은 것은 이번이 처음이다.

한국기계연구원(기계연)이 개발한 스마트 타이어 시스템. 일반 타이어 내부에 그림과 같이 부착하면 스마트 타이어로 변신한다.

지금껏 스마트 타이어가 실용화되지 못했던 건 전력 공급이 어렵기 때문이었다. 타이어가 고무로 만들어져 있는 데다 계속 회전하기 때문에 전선을 연결하기 힘들다. 물론 타이어공기압경보장치(TPMS)가 기본으로 장착됐거나 타이어 과열을 사전에 알려주기 위한 온도 센서가 들어가 있는 자동차도 있다. 이런 기능은 대부분 내장형 배터리로 작동된다. 공기압이나 온도는 몇 초에 한 번씩만 측정해 차량에 신호를 보내주면 충분하다. 배터리를 이용하면 수년 동안 기능을 유지할 수 있다.

하지만 바퀴운동 상태까지 측정할 수 있는 ‘진짜 스마트 타이어’를 제작하려면 ‘가속도 센서’를 연결하고 각종 정보를 1초에 수십 번 측정해 차량의 메인 컴퓨터에 전달해야 한다. 일반 배터리로는 이만한 전력을 유지하는 게 불가능해 실용화의 걸림돌이 돼 왔다.

김영철 기계연 책임연구원이 스마트 타이어 원리를 소개하고 있다. 한국기계연구원 제공

기계연 연구진은 자동차 바퀴가 회전하면서 생기는 진동을 흡수해 전기로 바꾸는 ‘에너지 하베스팅’ 기술을 이용해 이 문제를 해결했다. 먼저 코일과 자석을 이용해 무게 10g 미만의 ‘초소형 발전장치’를 개발했다. 자동차 타이어에 생기는 진동 에너지를 가장 잘 흡수할 수 있는 형태로 가다듬기 위해 수십, 수백 차례 실험하며 효율을 높였다. 지금은 상시 발전용량 6mW(밀리와트) 정도로, 각종 센서 운영에 필요한 전력을 충분히 확보했다.

연구진은 한발 더 나아가 가속도 센서, 공기압 센서, 온도 센서 등을 모두 집어넣은 시제품까지 개발하고, 여기에 자동차 중앙의 컴퓨터와 무선으로 연결할 수 있는 통신 기능까지 탑재했다. 동전만 한 크기의 시제품을 타이어 안쪽 고무 부분에 부착하기만 하면 첨단 스마트 타이어로 변신한다. 1초에 60번 이상 차량 중앙의 컴퓨터와 다양한 신호를 주고받을 수 있다. 모든 센서와 통신장비를 합한 무게는 30g 미만. 연구진은 곧 자동차 전문기업에 관련 기술을 이전해 실용화를 준비할 계획이다. 기업과 공동으로 상용화 연구를 추가 진행하면 무게를 더 줄이고 여러 성능을 한층 더 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이 연구 성과가 상용화되면 인공지능이 차량을 직접 운전해야 하는 미래형 자율주행차 기술 개발도 한층 탄력을 받을 것으로 보인다. 자동차 바퀴 제어에 필요한 핵심 정보를 손쉽게 전달받을 수 있기 때문이다.

김영철 연구원은 “국제 공업 규격에 ‘타이어에 붙이는 보조 장치는 30g을 넘어선 안 된다’는 규정이 있어 이를 준수하기 위해 많은 공을 들였다”면서 “자동차 안정성 향상은 물론이고 미래형 자율주행차 실용화에 큰 보탬이 될 것”이라고 기대했다.

대전=전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com