ABS는 왜 바퀴를 완전히 멈추지 않는가 — 약간 미끄러져야 더 잘 선다

비 오는 저녁, 신호가 바뀌자 앞차가 급히 멈추고 뒤따르던 운전자는 브레이크를 힘껏 밟는다. 발밑에서 1초에 열 번이 넘는 작은 진동이 '드르륵' 하고 올라오고, 차는 미끄러지지 않고 그대로 정지한다. 운전자는 '브레이크가 고장 났나' 싶어 발을 떼고 싶어지지만, 사실 그 떨림이야말로 차가 넘어지지 않게 붙잡아 주는 신호다.

ABS(잠김 방지 제동장치)는 흔히 '바퀴가 미끄러지지 않게 잠그는 걸 막는 장치'라고 설명된다. 그런데 잘못된 통념이 따라붙는다. '브레이크를 세게 밟으면 타이어가 노면을 꽉 붙잡아 가장 빨리 선다', 'ABS는 그저 페달을 알아서 밟았다 뗐다 하는 장치일 뿐'이라는 것이다. 이 두 문장은 절반만 맞고 절반은 거꾸로다.

왜 바퀴를 '완전히' 멈추면 오히려 더 멀리 가는가

타이어가 노면에 전달할 수 있는 힘은 두 가지로 나뉜다. 진행 방향으로 밀어내는 제동력과, 앞뒤좌우로 방향을 꺾는 횡력이다. 이 둘은 같은 마찰 한 덩어리에서 나뉘어 나가기 때문에 하나를 다 쓰면 다른 하나는 남지 않는다. 바퀴가 완전히 잠겨 도로 위를 그대로 긁으며 나아갈 때(슬라이딩 마찰)는 제동력만 남고 조향력은 거의 사라진다. 그 상태로는 핸들을 돌려도 차가 시키는 대로 돌아가지 않는다.

여기에 계산이 더 있다. 굴러가는 타이어가 지면과 접촉하는 지점은 그 순간 지면에 대해 속도가 0이다. 정지해 있다가 접촉했다 떨어지는 셈이므로 잠깐 '붙는' 구간이 생기고, 이 정지 마찰 쪽이 계속 미끄러지는 상태보다 최대 제동력이 크다. 그래서 '완전히 잠그면 더 잘 선다'는 통념은 마른 포장에서 뒤집힌다. 실제로 어느 정도 미끄러지는가, 즉 슬립률이 제동력의 크기를 좌우한다.

슬립률이라는 눈금 — 0퍼센트와 100퍼센트 사이 어딘가

슬립률은 바퀴의 회전 속도와 차체의 진행 속도가 얼마나 어긋났는지를 백분율로 나타낸 값이다. 0퍼센트는 아무 제동 없이 그냥 굴러가는 상태, 100퍼센트는 바퀴가 완전히 멈춰 도로를 긁으며 미끄러지는 상태다. 타이어 공학 교재에서 반복해 다뤄 온 곡선에 따르면 마른 노면에서 제동력은 이 두 극단 사이, 슬립률 약 10~20퍼센트 근처에서 정점을 찍는다. 즉 약간 미끄러져야 가장 잘 선다는 뜻이고, 이는 직관과 정반대다.

ABS 장착 차량과 미장착 차량의 제동거리 비교 도해. 종축은 제동거리, 횡축은 초기 속도이며, 빨간 선이 ABS 미장착, 초록 선이 장착 차량이다 — Stefan-Xp, CC BY-SA 3.0 (Wikimedia Commons)

이 곡선이 알려 주는 바람직한 목표는 '잠그지 않는다'가 아니라 '끊임없이 미끄러지되, 정확히 그 봉우리 근처에 머문다'는 것이다. 사람의 발로는 1초에 서너 번 리듬을 맞추기가 어렵지만, 전자 제어 장치는 그 일을 초당 열 번 이상 해낸다.

센서가 먼저 '곧 잠긴다'고 알린다

구조는 단순하다. 네 바퀴 허브에 붙은 휠 스피드 센서가 각 바퀴의 회전수를 세고, 그 값을 ECU(전자 제어 장치)가 계속 비교한다. 차체는 대략 시속 60km로 달리는데 한 바퀴만 유난히 빨리 둔해지면, 그 바퀴가 곧 잠기려 한다는 뜻이다. 이때 ECU는 유압 밸브를 열어 그 바퀴의 브레이크 압력을 줄인다. 압력이 빠지면 바퀴는 다시 굴러가기 시작하고, 다시 돌기 시작하면 밸브를 닫아 압력을 되돌린다.

이 '빼고 다시 넣기'가 초당 10~15회 반복된다. 운전자가 발밑에서 느끼는 진동은 고장이 아니라 이 왕복의 흔적이다. 흥미로운 점은 ECU가 네 바퀴의 회전수 차이가 일정 수준 이하일 때는 아예 반응하지 않는다는 것이다. 곡선을 돌 때 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴는 원래 속도가 다르기 때문에, 그 차이를 오작동으로 읽지 않도록 문턱값을 두었다.

압력을 '빼는' 쪽이 핵심 기술인 이유

브레이크는 원래 운전자의 발이 만드는 압력으로 작동한다. ABS가 할 수 있는 일은 그 압력을 더하는 것이 아니라 잠깐 빼주는 것이다. 1978년 벤츠 W116에 처음 옵션으로 실린 보쉬의 전자식 ABS도 이 원리에서 출발했다. 유압 회로에 밸브를 끼워 넣고, 잠김이 감지된 그 찰나에만 압력을 뒤로 빼는 방식이다.

보쉬 ABS-2 제어 유닛(독일, 1978년). 컴퓨터박물관 소장품으로, 회로 기판이 그대로 노출된 초기 전자식 제어기다 — Tomwsulcer, CC0 (Wikimedia Commons)

사진 속 기판은 오늘날 손바닥만 한 모듈로 줄었지만, 하는 일은 같다. 센서의 속도·가속도 정보를 받아 솔레노이드 밸브를 열고 닫으며 제동 압력을 조율한다. 덧붙여, 한쪽 바퀴만 유난히 빨리 돌면 그 바퀴의 압력을 다시 올려 제동을 걸어 속도를 맞춘다. 빼기와 더하기를 번갈아 하며 슬립률을 봉우리 근처에 붙잡아 두는 셈이다.

제동거리, 실제로 얼마나 줄어드는가

여기서 숫자를 하나 짚어야 한다. 미국 도로교통안전국(NHTSA)이 1999년 6월에 발표한 연구에 따르면, 자갈 같은 느슨한 노면에서 ABS 장착 차량의 제동거리는 미장착 차량보다 평균 27.2퍼센트 길어졌다. 마른 아스팔트에서는 대체로 짧아지지만, 노면이 헐거우면 이야기가 뒤집힌다. 같은 연구 계열의 자료에서 ABS는 다중 추돌 위험을 18퍼센트 줄인 반면, 도로 이탈 사고 위험은 35퍼센트 늘린 것으로도 보고됐다(2004년 모나시 대학 사고연구센터).

왜 그럴까. 자갈이나 눈 위에서는 잠긴 바퀴가 재료를 파고들어 '쐐기'처럼 버티며 멈춘다. ABS는 그 파고듦 자체를 막기 때문에 오히려 더 미끄러진다. 그래서 ABS의 진짜 상품은 제동거리 단축이 아니라 조향 능력 유지라는 점을 분리해서 봐야 한다.

이 설명이 틀리는 경우

첫째, 위에서 본 자갈·모래·깊은 눈이다. 일부 제조사는 이 상황을 위해 ABS를 끄는 '오프로드' 버튼을 따로 둔다. 둘째, 노면이 너무 미끄러워 네 바퀴가 동시에 잠기는 경우다. 빙판에서는 비교 대상 자체가 사라져 ABS가 판단할 근거를 잃는다. 셋째, 요철이 심한 길에서 바퀴 속도가 들쭉날쭉해지면 ABS가 이를 잠김으로 오인해 제동력을 스스로 크게 줄이는 '아이스 모드'에 들어갈 수 있다.

또 하나 흔한 오해가 있다. ABS가 있으면 위험한 운전을 해도 된다고 믿는 위험 보상 현상이다. 뮌헨에서 택시 절반에만 ABS를 달아 비교한 연구에서는 두 집단의 사고율이 비슷하게 나왔다. 장치가 안전을 보태 준 만큼 운전자가 그만큼 과감해졌다는 해석이 붙는다. 장비가 사람의 판단을 대신하지는 않는다는 뜻이다.

생활에 적용되는 판단 세 가지

첫째, 급제동 상황에서는 페달을 끝까지 밟고 떼지 않는 것이 정답이다. 떨림이 느껴져도 발을 떼면 ABS가 하는 일이 무효가 된다. 둘째, 브레이크를 밟은 채로 핸들을 돌려 장애물을 피할 수 있다는 점을 기억해야 한다. ABS의 값은 '덜 미끄러짐'이 아니라 '피할 수 있음'에 있다. 셋째, 자갈길이나 눈길에서는 평소보다 훨씬 앞서 속도를 줄여야 한다. 이때 ABS는 거리를 줄여 주는 장치가 아니다.

계기판의 ABS 경고등이 켜진 채로 주행하면, 그 차는 더 이상 ABS 없이 굴러가는 평범한 차다. 고장이 났다는 사실을 잊고 평소처럼 급제동을 걸면 안 된다. 정비소에서 센서와 배선을 확인하는 것이 우선이다.

독자에게

여러분은 급제동 때 페달이 떨리면 본능적으로 발을 떼는 쪽인가, 아니면 더 세게 밟는 쪽인가. 그 본능이 어디서 길러졌는지 한번 떠올려 보면, 자동차가 우리 몸에 남긴 습관의 지도가 그려질지도 모른다.

참고 자료

· Wikipedia, 'Anti-lock braking system' — 작동 원리, 초당 10~15회 압력 조절, 1978년 벤츠 W116/보쉬 도입, 자갈 노면 제동거리 27.2퍼센트(NHTSA 1999), 모나시대 연구(2004), 뮌헨 택시 위험 보상 연구. https://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system
· Wikimedia Commons, 'ABS-Bremsweg vs. Bremsweg.png' — Stefan-Xp, CC BY-SA 3.0.
· Wikimedia Commons, 'Bosch ABS-2 anti-lock brake controller at CHM.jpg' — Tomwsulcer, CC0, 컴퓨터박물관 소장.