바퀴의 역사에 대해서는 다양한 접근법이 존재합니다. 제가 정리한 내용은 <바퀴, 세계를 굴리다>라는 책의 내용을 중심으로 했는데요. 이 책은 “바퀴는 가장 위대한 발명품이다”라는 기존의 관점을 반박하며 시작해, 제 시선을 단숨에 사로잡았거든요.
바퀴의 역사는 생각보다 접근해야 할 부분이 많았습니다. 바퀴의 종류, 바퀴살의 구조, 바퀴의 소재, 조향장치 등등. 결국 몇가지는 조사를 해두고도 분량이 너무 많아 빠지게 되었네요. 다음에 기회가 되면 다뤄보도록 하겠습니다.
Fig.1 바퀴는 쓸모없다?!
남부 멕시코에서 1900년 전에 만들어진 것으로 추정되는 바퀴 달린 강아지 모양의 장난감이 발견되었습니다. 흥미로운 점은, 이 지역의 원주민이었던 올메크인은 수레나 우마차 같은 바퀴 달린 이동수단을 만든 적이 없었다고 알려져 있다는 사실이었죠. 이 모순을 설명하기 위해 여러 가지 주장이 제기되어 왔습니다. 그중에서도 가장 유명한 것은 제레드 다이아몬드Jared Diamond 가 <총, 균, 쇠>에서 제시한 주장이었죠. 그는 바퀴 달린 이동수단을 끌기 위해서는 가축이 필요한데 서반구에는 가축으로 삼기에 마땅한 가축이 없었다고 설명했습니다.
하지만 바퀴가 처음부터 동물의 힘에 의존했던 것은 아니었습니다. 최초로 바퀴가 등장했던 약 5000년 전에도 사람들은 가축을 이용하지 않고 손으로 광차를 밀어 사용했습니다. 게다가 바퀴를 둘러싼 의문은 멕시코 남부뿐만 아니라 다른 지역에서도 나타났습니다. 예를 들어, 고대 이집트에서는 도자기 물레가 사용되고 있었음에도 오랜 시간 바퀴를 사용하지 않았습니다. 이들은 기원전 1600년이 되어서야 바퀴를 이용한 전차를 도입했죠. 당시 이집트와 무역하고 있던 메소포타미아에서 이미 바퀴가 널리 사용되고 있었음에도 불구하고 말이죠. 기원전 3000년경에 이륜수레와 사륜 전투차를 사용했던 중동에서는 기원 후 첫 5세기 동안 바퀴 기술이 거의 사용되지 않았습니다.
이와 관련해 <바퀴, 세계를 굴리다>의 저자 리처드 불리엣Richard W. Bulliet 은 고대인들이 바퀴를 사용하지 않은 이유가 단순히 가축의 부재 때문이 아니라 바퀴가 당시 상황에서 유용하지 않았기 때문이라고 보았습니다. 가축을 이용하면 포장도로가 없어도 되고, 험한 지형에서 장애물을 넘는 데에도 유리했습니다. 반면, 당시 바퀴는 내구성이 떨어져 쉽게 망가졌기 때문에 효율적인 선택지가 되지 못했죠.
Fig.2 유목 생활로 인해 진화한 바퀴
바퀴에 대한 가장 오래된 유물은 기원전 약 4000년 전의 황소 모양 장난감입니다. 그리고 얼마 지나지 않아, 카르파티아 산맥 주변에서 약 150여 점의 사륜차 점토 모형이 출토되죠. 이 유물을 기반으로, 바퀴가 동유럽의 카르파티아 산맥에 있는 구리 광산에서 사용하기 위해 발명되었을 것으로 추측됩니다. 당시 바퀴는 차축 양쪽에 바퀴가 고정된 윤축이었습니다.
윤축이 처음 등장한 지 약 천 년이 지난 기원전 3000~2000년, 유럽 남동부 지역에서는 각 바퀴가 독립적으로 움직이는 독립차륜이 발견됩니다. 그것은 바퀴의 구조가 완전히 새롭게 설계되었음을 보여주는 유적이었습니다. 리처드 불리엣은 이 독립차륜에 대해 흥미로운 해석을 제시합니다. 그는 이 바퀴들이 이동식 주택을 위해 사용되었다고 주장합니다. 당시 농부들은 기후 변화와 수로 문제로 인해 더 이상 한곳에 머물 수 없게 되었고, 유목 생활을 시작해야 했습니다. 그리고 그 유목 생활은 단순한 거주지를 넘어 새로운 이동 기술을 필요로 했고, 그에 따라 등장한 것이 독립차륜이라는 거죠.
Fig.3 바퀴의 다이어트
독립차륜은 윤축보다 훨씬 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 윤축은 차축 끝을 단순히 사라형(차축 끝이 넓게 퍼진 형태)으로 만들어 바퀴 중심부의 네모난 구멍에 끼우면 완성되죠. 하지만 독립차륜은 그렇게 간단히 만들어지지 않습니다. 차축이 통과하는 바퀴 중앙의 구멍이 크면, 얇은 바퀴는 기울어지기 쉽고, 회전 시에는 흔들거리며 차축을 닳게 만듭니다.
이를 방지하려면 바퀴가 부드럽게 회전할 수 있도록 중심부의 두께가 충분히 두꺼워야 합니다. 계산에 따르면, 독립차륜의 바퀴 두께는 적어도 15cm 이상이 되어야 안정적으로 작동합니다. 문제는 두께를 늘리면 바퀴가 지나치게 무거워진다는 점입니다. 바퀴를 만드는 재료로 주로 사용된 참나무는 속이 꽉 찬 단단한 나무였는데, 참나무로 15cm 두께의 바퀴를 만들면 무게는 약 30kg에 달했습니다. 현재 자동차 타이어 무게의 세 배 이상이죠. 이런 무게는 이동수단으로 사용하는 데 큰 부담이 되었습니다.
이 문제를 해결하기 위해 바퀴의 중심부는 두껍게 유지하면서도 가장자리는 얇게 만든 디자인이 등장합니다. 이런 구조는 무게를 줄이면서도 안정성을 확보할 수 있었죠. 바퀴 중심부에는 바퀴를 안정적으로 고정시키는 장치인 바퀴통이 추가되었는데, 이는 독립차륜의 핵심적인 특징으로 자리 잡았습니다.
이처럼 바퀴의 구조는 단순한 기술적 필요에 따라 점점 더 복잡해졌습니다. 독립차륜이 등장하면서 바퀴 제작은 이전보다 정교한 기술을 요구하게 되었습니다. 하지만 이 시점에서도 여전히 바퀴 제작은 전문가가 필요한 수준까지는 아니었습니다.
Fig.4 바퀴살의 등장
기원전 2000년경, 바퀴살이 있는 바퀴가 등장했습니다. 바퀴살의 개발 배경에 대해서는 두 가지 주요 이유가 제시되는데요. 첫 번째는 운반 효율성을 높이기 위해 바퀴를 가볍게 만들려는 노력에서 비롯되었다는 것이고, 두 번째는 바퀴를 제작할 만큼 큰 나무의 공급이 부족해졌기 때문이라는 것입니다. 실제로 흑해 평야에서는 기원전 4000년경부터 숲이 점차 초원으로 바뀌기 시작했고, 기원전 2000년경에는 속이 꽉 찬 바퀴를 만들기에 충분히 큰 나무를 구하는 것이 점점 어려워졌을 것으로 추정되죠.
이유야 어찌되었건 바퀴살의 도입은 바퀴의 크기를 획기적으로 키웠습니다. 과거 30~70cm 크기로 추정되던 고대의 바퀴는 미 대륙 개척시대에 이르러 1.5~1.8m에 달하는 마차 뒷바퀴로 발전했죠. 덕분에 긴 풀밭을 헤치며 이동하는 것이 한결 수월해졌습니다.
바퀴살은 바퀴를 더 가볍고 크게 만들 수 있는 혁신적 기술이었지만, 동시에 제작 난이도를 높이는 요인이기도 했습니다. 바퀴살이 있는 바퀴는 길이와 각도를 정확히 계산해야 했고, 바퀴살들이 완벽한 원을 이루도록 정밀하게 제작해야 했습니다. 이로 인해 바퀴 장인이라는 전문 직종이 등장했고, 바퀴 장인이 없는 마을에서는 20세기까지도 속이 꽉 찬 바퀴를 계속 사용했습니다.
Fig.5 바퀴살의 진화 - 와이어휠
바퀴살은 나무에서 와이어로 진화합니다. 와이어 휠의 개념은 1808년 조지 케일리George Cayley 에 의해 처음 등장했지만, 그는 특허를 신청하지 않았습니다. 결국 와이어 휠에 대한 최초의 특허는 1826년 영국의 시어도어 존스Theodore Jones 가 획득했으며, 자전거 와이어 휠에 대한 최초의 특허는 1869년 프랑스의 외젠 메이어Eugène Meyer 에게 돌아갔죠.
초기 와이어 휠은 기존 나무 바퀴와 동일하게 축에서 바퀴의 림까지 연결되어 있는 방사형이었습니다. 방사형 와이어 휠은 제동과 가속 시 발생하는 회전력에 대한 저항이 약했는데요. 따라서 고속으로 달리는 경우 사용하기 어려웠죠.
이를 해결하기 위해 1874년 제임스 스탈리James Starley 는 접선형 배열을 최초로 도입한 자전거 에리얼Ariel 을 설계합니다. 접선형 와이어 휠은 와이어가 휠의 중심을 비스듬히 지나가도록 설계되어, 와이어에 장력이 고르게 분배되도록 해 회전력과 제동 응력에 훨씬 강하게 작용했죠. 반면, 접선형 와이어 휠은 측면 강도가 낮아 코너링을 견디는 힘이 적었는데요. 이런 이유로 와이어 휠은 자전거와 오토바이, 삼륜차에는 빠르게 자리 잡았지만, 자동차에서 사용되기에는 강도와 내구성 문제로 인해 1907년까지 잘 쓰이지 않았습니다.
와이어 휠이 자동차에서 본격적으로 사용되기 시작한 것은 20세기 초 존 퓨John Pugh 가 설계한 러지-위트워스Rudge-Whitworth 의 바퀴가 등장하면서 부터였습니다. 러지위트워스의 바퀴는 이중구조로 되어있었는데요. 내부 행은 접선형 와어어 휠로 되어 회전력에 대한 저항력을, 외부 행은 방사형 와이어 휠로 되어 측면 강도를 확보했죠. 또한, 바퀴를 쉽게 분리 및 교체가 가능하게 만들어 실용성을 높였죠. 이러한 기술 덕분에 와이어 휠은 자동차에서도 점차 보편화되었지만, 1920년대 후반 조셉 샌키Joseph Sankey 가 개발한 프레스 강철 휠의 등장으로 점차 그 자리를 내주게 되었습니다.
Fig.7 캐스터의 등장
윤축과 독립차륜을 이어 가장 늦게 등장한 바퀴는 캐스터입니다. 이 바퀴는 수평 회전과 수직 회전을 모두 할 수 있는 하나짜리 바퀴로, 마트에 있는 카트의 바퀴를 떠올리면 쉽게 이해가 됩니다. 캐스터를 사용하면 바퀴를 직접 조작하지 않아도 원하는 방향으로 밀거나 끌고 갈 수 있죠. 이것은 사람의 힘으로 움직이는 바퀴 기술에 있어 대단한 혁신이었습니다.
캐스터의 개발자가 누구인지는 알려지지 않았습니다. 가장 오래된 캐스터 관련 문서는 1876년에 작성된 것으로, 데이비드 피셔 주니어David Fisher Jr. 가 특허를 등록한 ‘가구용 캐스터의 개선안’이라는 제목의 증서입니다. 여기서 ‘개선안’이라는 단어를 보면, 이미 당시에도 캐스터는 흔하게 쓰이고 있었음을 알 수 있습니다. 1766년 핀란드의 한 그림에도 휠체어 속에 캐스터가 달려 있는데요. 이로 미뤄보면 캐스터는 적어도 18세기 중반부터 실생활에서 사용되고 있었던 것으로 보입니다.
Fig.8 공기 타이어의 발명
타이어는 바퀴의 림을 감싸는 링 모양의 구성 요소로, 가장 초기의 타이어는 기원전부터 있었던 것으로 추정됩니다. 나무 바퀴를 보호하기 위해 덧댄 가죽에서 시작해 이후 철, 강철 링으로 진화했습니다. 이러한 타이어는 나무 바퀴의 내구도를 높이고 충격을 완화해 주었죠.
공기 타이어가 등장한 것은 1847년 로버트 윌리엄 톰슨Robert William Thomson 이 공기 타이어 특허를 받으면서 부터입니다. 하지만 톰슨의 아이디어는 실제 생산으로 이어지지 못했습니다.
최초의 실용적인 공기 타이어는 1888년 존 보이드 던롭John Boyd Dunlop 이 개발했습니다. 던롭은 자전거 타는 아들을 위해 공기 타이어를 발명했다고 알려져 였죠. 던롭의 타이어의 초기 구매자 중에는 자전거 선수 윌리 흄William Hume 이 있었는데요. 흄은 던롭의 타이어가 달린 자전거를 타고 1889년 퀸스 칼리지 스포츠 경기에서 4개의 사이클 종목에서 모두 우승하며 공기 타이어의 우수성을 입증합니다.
마침 그 경기에는 금융가 윌리엄 하비 뒤 크로스William Harvey du Cros 는 의 두 아들이 참가해 크로스도 경기를 보고 있었는데요. 공기 타이어에 감명받아 던롭에게 3000파운드에 특허권을 취득해 1896년 최초의 공압 타이어 회사인 던롭 공기 타이어 회사Dunlop Pneumatic Tyre Company 를 시작합니다. 하지만 이미 톰슨의 특허가 있었기 때문에 던롭의 타이어 특허는 무효가 되었는데요. 그럼에도 회사는 성공했다고 합니다.
공기 타이어를 최초로 자동차용으로 선보인 사람은 앙드레 미슐랭André Jules Michelin 판한 그 미슐랭 맞습니다. 미슐랭은 1888년 미슐랭 타이어 회사를 설립했는데요. 1889년 지인이 자전거 타이어가 펑크났다며 도움을 요청했는데, 당시 공기 타이어 수리는 복잡한 일이어서 자전거를 고치는데 오랜 시간이 걸렸죠. 이 일을 계기로 미슐랭은 수리를 더 빨리 할 수 있는 방법만 있다면 공기 타이어에 대한 수요가 많을 것이라는 것을 깨닫고, 1891년 분리형 타이어에 대한 특허를 취득합니다.
Fig.9 타이어의 진화
공기 타이어가 대중화되면서 고무는 바퀴의 핵심적인 요소로 자리 잡았습니다. 하지만 미슐랭의 바퀴가 등장했을 때까지만 해도 타이어의 내구도는 좋지 않았습니다. 1895년 미슐랭은 자동차 경주에서 처음 튜브형 타이어를 선보였는데요. 파리에서 보르도를 달리는 동안 22차례나 펑크나 났죠. 다행히도, 1898년 조지 굿이어가 고무를 열과 황으로 처리해 강도와 탄성을 높이는 가황 공정을 발명하면서 타이어의 내구성은 크게 향상되었습니다.
그 다음 고무에 대한 가장 큰 문제는 공급이었습니다. 당시 고무는 고무나무에서 채취한 수액을 굳혀 얻는 방식으로 생산되었는데요. 고무 바퀴가 널리 쓰이게 됨에 따라 공급이 수요를 따라가기 벅차지죠. 이 문제를 실마리를 제시한 것은 1909년 독일의 바이엘 사의 프리츠 호프만Fritz Hofmann 이었습니다. 그는 이소프렌을 중합하여 세계 최초의 합성 고무를 만들어냈습니다. 이후, 1931년 듀폰DuPont 에서 네오프렌이라는 이름으로 최초의 상업적으로 성공한 합성 고무를 개발하며 고무의 새로운 시대가 열리게 되었죠.
2차 세계 대전 중에는 추축국이 천연 고무 수출을 통제하면서 미국의 합성고무 개발을 촉진하는데요. 이로서 전세계 고무 합성량이 1941년 8000톤에서 1945년 80만 톤이 되어 전체 고무 소비량의 절반 이상을 합성 고무로 대체하게 됩니다.
초기 자동차용 타이어는 고무로만 만들어졌지만 천연 고무는 내구도가 약해 고무 내부에 면을 넣어 내구성을 높이기 시작했습니다. 1940년에는 면 대신 레이온을 넣어 타이어의 내구도를 몇 배나 끌어 올립니다. 이후 고분자 화학이 발달하며 1960년대에는 나일론, 1970년대 부터는 폴리에스터를 사용하죠.
타이어는 재료뿐만 아니라 구조적인 면에서도 변화를 겪었습니다. 초기 타이어는 소재들을 서로 다른 각도로 층층이 쌓아 제작하는 바이어스Bias 구조를 가지고 있었는데요. 1946년, 미쉐린에서 소재를 타이어의 중심선과 수직으로 적층해 제작한 레디얼Radial 타이어를 개발합니다. 레디얼 타이어는 연비와 핸들링 성능 면에서 혁신적인 진전을 이루었죠. 하지만 제작 비용이 비쌌기 때문에 1980년대가 되어서야 모든 신형 미국 차에 레디얼 타이어가 기본 장착되죠.
Reference.리처드 불리엣. (2016). 바퀴, 세계를 굴리다. MID