타이어의 접지력은 트레드 컴파운드(Tread Compound)가 주도한다. 특히 모터스포츠처럼 극한의 경쟁이 일어나는 환경에서 타이어 컴파운드 성능은 승패를 가르는 결정적인 요소가 된다. 모터스포츠에서 사용하는 슬릭 타이어는 트레드 패턴이 없지만, 일반 자동차가 사용하는 타이어에서도 컴파운드의 중요성은 강조된다. 

컴파운드는 접지력, 한계 특성을 비롯해 조종 안정성, 소음 및 마모, 승차감, 연비 등 타이어 성능이 평가되는 대부분의 요소에 영향을 준다.

타이어 트레드 컴파운드의 기본 재료는 고무와 오일, 카본 블랙(숯) 그리고 황이다. 여기에 스테아르산과 산화아연이 추가로 들어가고 배합 가속재로 활용되는 화학재료가 섞인다. 일부 화학재료들은 오존과 산화로부터 타이어를 보호하는 역할을 한다. 또한 타이어의 성격에 따라 카본 블랙 대신 실리카를 넣는다.

고무는 주로 SBR 합성고무 또는 이소프렌 고무, 고무나무에서 채취한 생고무를 쓴다. 여기에 오일을 넣어 고무를 부드럽게 만든다. 이 오일은 유리 전이 온도(Glass transition temperature)에도 영향을 준다. 

고무는 고분자 물질이다. 높은 분자량을 가진 물질이며 우리 주변의 고무 혹은 플라스틱이 고분자 물질에 해당한다. 유리 전이 온도는 고분자 물질이 온도에 의해 분자들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 온도 대역을 의미한다. 

우리가 자주 십는 껌을 예로 들어보자. 껌을 포장지에서 막 꺼내면 딱딱한 상태다. 하지만 손으로 주무르거나 입으로 십기 시작하면 부드러워진다. 이때 찬물을 마시면 입안의 껌이 순간 다시 딱딱 해진다. 이를 통해 껌의 유리 전이 온도가 사람의 체온 정도와 유사하다는 것을 예측할 수 있다. 

마찬가지로 타이어 컴파운드 또한 고분자이므로 특정 온도 이하에서는 딱딱하고 깨지기 쉬운 상태가 된다. 반면, 특정 온도 이상이 되면 우리가 잘 알고 있는 고무처럼 탄성을 가지면서 질긴 상태를 유지하게 된다. 

타이어는 왜 항상 검은색인지 궁금해하는 독자도 있을 것이다. 그것은 카본 블랙이라는 첨가물 때문이다. 물론 카본 블랙도 유리 전이 온도에 영향을 준다. 우리가 사용하고 있는 대부분의 타이어 컴파운드가 가진 유리 전이 온도는 겨울용 타이어 기준 영하 50도, 사계절 또는 여름용 타이어가 약 영하 35도의 기준에 맞춰져 만들어진다. 반면 F1 레이스에서 사용되는 슬릭 타이어는 영하 10도라는 가장 높은 유리 전이 온도를 가진다. 

높은 유리 전이 온도를 가진 F1 타이어가 고무 같은 성질을 확보하는 온도 대역은 영상 50도에 달한다. 보통 실온이라 칭하는 대기 온도가 영상 50도에 가까운 경우는 없기 때문에 F1 타이어는 사용 전부터 온도를 미리 올려놓기 위해 타이어 워머(Warmer)라는 제품을 사용할 수밖에 없다.

카본 블랙은 생고무의 연약하고 부드러운 성질을 개선하는 역할을 담당한다. 이 때 카본 블랙의 입자 크기가 매우 중요하다. 타이어의 성격에 따라서 입자 크기를 결정하게 되는데 보통 15나노미터에서 250나노미터 사이의 입자 크기를 가진 카본 블랙을 고무와 배합한다. 참고로 1나노미터는 인체를 이루고 있는 세포의 DNA 너비와 같다. 

대부분의 타이어 회사들은 컴파운드에 가능한 작은 카본 블랙 입자를 사용하려 노력한다. 통상 30 나노미터 정도를 사용하는 것으로 알려져 있다. 고무에는 끈적한 성질의 점착력이 존재한다. 이러한 성질이 카본 블랙 표면에 고무가 잘 뭉치게 해준다. 또한 카본 블랙은 동일한 카본 블랙 입자와 쉽게 뭉치는 성질을 갖는다. 

이 성질 때문에 카본 블랙 배합은 타이어 회사에게도 가장 까다로운 숙제가 된다. 그리고 고무와 오일 그리고 카본 블랙을 배합할 때 입자가 고루 퍼지도록 해야 한다. 고무 컴파운드에 카본 블랙이 배합되면 성질이 변한다. 고무 컴파운드는 더 강해지고 단단한 탄성을 지니게 되며, 복잡성을 띠게 된다. 일반적인 고무(폴리머)의 이론적인 성격을 벗어나기 때문이다. 어떤 성질을 지닐지 예측하기 어려워지는 것이다.

마지막으로 황을 배합한다. 황은 고무를 교차결합(Cross-link) 시키는 역할을 한다. 교차결합이란 두 개 이상의 분자를 화학적으로 결합하는 과정을 말한다. 앞서 말한 오일, 카본 블랙과 다른 시점에 배합된다는 것도 특징이다. 하지만 배합이 되어도 특정 온도 영역까지 오르지 않으면 별다른 반응을 하지 않는다. 

황은 온도가 140~150도에 도달하게 되면 그제서야 다른 물질들과 반응한다. 타이어가 생산될 때 이 같은 열에 도달하는 과정은 타이어 몰드에서 쪄낼 때다. 고온에 도달한 트레드 컴파운드 내부에서 8개의 원자로 이루어진 황의 결합이 끊어진다. 결합이 끊어진 황은 탄소와 탄소를 결합시키는데 이때 황이 다른 원자들을 연결해주는 다리 역할을 해낸다. 이것이 교차결합이다.

황을 첨가하고 쪄내는 것을 가황 방법이라 부른다. 일반 고무와 타이어의 고무를 구분하는 가장 큰 요소다. 가황이란 황을 첨가한다는 의미다. 교차결합 구조 때문에 변형 시켰을 때 본래 모습으로 돌아가려는 분자적 특성이 생기고, 이것이 곧 타이어의 특성이 된다. 또한 교차결합 구조는 어떤 작용에 의해 부풀지라도 녹지는 않는다.

가황 방법은 미국의 찰스 굿이어(Charles Goodyear)가 발견했다. 고무의 가공을 반복적으로 시험하다 지친 굿이어가 아침에 일어나 부엌에 나가보니, 전날 밤 뜨거운 오븐 위에 던져뒀던 고무덩어리가 좋은 탄성을 발휘한 것을 발견하게 된 것이 계기가 됐다. 우연이었다. 이것이 타이어 회사 굿이어(Goodyear)의 유래다.

몰드가 식을 때까지 이 과정이 계속 이어진다. 이로 인해 고무는 더욱 단단해지며, 우리가 알고 있는 타이어 트레드의 고정된 형태를 가지게 된다. 

타이어 제작 공정에서는 트레드 컴파운드 배합도 중요하다. 트레드 컴파운드는 타이어가 미끄러졌을 때의 성향을 비롯해 한계 특성에 가장 크게 기여하기 때문이다. 타이어 컴파운드 배합에도 레시피가 있다. phr(Parts per Hundred resin/rubber)은 고분자 100(kg) 당 첨가되는 첨가제 중량을 의미한다. 예를 들어 100 phr의 SBR,이라고 한다면 100kg의 SBR 고무를 뜻한다. 

여기에 30phr 오일, 70phr N330 카본블랙, 1.8phr의 황이라고 한다면, SBR 고무 100kg당 30kg 오일, 70kg 카본블랙, 1.8kg의 황이 첨가된다는 레시피가 된다. N330은 카본블랙의 등급을 말한다.

앞서 고무 컴파운드의 성질이 위와 같은 배합 과정을 통해서 복잡성을 띠게 된다고 설명했다. 대부분의 타이어 회사들이 어려움을 겪는 것은 바로 배합 이후 어떠한 성질을 갖게 될지 예측하는 부분이다. 일부 일류 타이어 제조사만이 배합 재료에 따른 타이어 성능 예측이 가능하며 이것이 다른 제조사와 격차를 벌이는 경쟁력이 되기도 한다. 

다음에 소개할 내용은 타이어의 골격이라고 할 수 있는 카카스(Carcass)에 대한 이야기이다.

오토뷰 | 전인호 기자 (epsilonic@autoview.co.kr)