자동차는 현대 사회에 가장 중요한 교통수단이라고 할 수 있다. 마치 현대 사회에서 스마트 폰(Smart Phone)과 같이 생활에서 선택이 아니라 필수적인 물건이 됐다. 자동차는 인간에게 편리하고 윤택한 생활을 제공해 주고 있지만, 공기오염 및 지구환경 파괴에 가장 주된 원인이 되고 있다. 우리 생활에서 자동차가 없다면 어떤 모습일지 상상해 보라. 그나마 대한민국 서울처럼 지하철이 발달한 도시의 경우는 많은 사람들이 지하철을 이용했겠지만, 미국처럼 땅이 넓은 나라의 경우, 마치 신발처럼 자동차는 이동할 때 꼭 필요한 존재라고 할 수 있을 것이다. 오늘날 도로의 대부분을 가솔린, 또는 경유차가 주행하고 있다. 그러나 최초의 자동차에 대해서 아직도 많은 사람들은 가솔린 자동차라고 알고 있는 것 같다. 하지만, 분명한 사실은 최초의 자동차는 완전 무(無)공해자동차인 전기자동차라는 것이다.
우리나라에서 자동차 산업은 1990년대 이후 경제성장을 주도한 제조업의 핵심 산업으로, 지난 20년간 연평균 6.0%의 성장세를 지속하고 있다. 고용·생산·수출등 국민경제에서 차지하는 비중이 10%에 달하는 국가경쟁력의 근간이다1). 전 세계적으로 자동차 산업의 이슈는 환경, 안전, 에너지에 관한 것으로서 석유자원 고갈, 지구온난화 등 유한자원과 환경보호와 연관되어 있고, 자동차는 내연기관에서 친환경 전기자동차로 이동 중이다. 친환경 전기자동차는 자동차의 엔진구조가 기존 엔진과 같은 연소로부터 에너지를 얻는 구조가 아닌 전기에너지를통해 구동되는 엔진이 설치된 자동차이며, 배기가스나 환경오염이 없으며 소음도 적다는 장점을 갖고 있다.
2008년 이후 전 세계 금융위기로 인해 2008년부터 2010년 사이에 미국 자동차 산업은 생과 사를 오가는 상황을 맞았고, 미국의 3대 자동차 제조업체2) 중 적어도 두 업체는 정부의 도움이 없었다면, 그대로 파산하고 말았을 것으로 평가되고 있다. 미국 정부는 자동차 제조업체들을 상대로 보다 연료효율성이 뛰어난 차량 생산을 독려했고, 미국 에너지부(DOC)를 통해서 자동차 제조업체들에게 친환경 전기자동차 생산과 연계하여 다양한 대출금과 보조금을 지원했다3).
오바마 대통령은 2011년 연설에서 2015년까지 최소 100만 대의 전기 자동차가 도로를 달리게 하는 것이 목표라고 발표했으며, 캘리포니아 주 대기자연위원회(CARB)는 2025년까지 신규 판매차량의 16%는 무공해 자동차여야 한다는 의무 생산규정을 발표해 미국도 국가적으로 친환경 전기자동차 산업의 활성화를 추진하고 있다4). 2003년부터 미국 실리콘 밸리에서 일반적인 자동차 회사와 상이한 자동차 회사가 탄생했다. 기존까지 전기자동차는 연비가 좋다는 점을 부각하기 위해 모양이 작고, 디자인이 세련되지도 않았으며 느리고 짧은 주행속도일 것이라는 고정관념이 있었다. 그러나 엘론 머스크(Elon Reeve Musk)5)의 테슬라(TESLA)6) 자동차는 기존 전기자동차의 고정관념을 깨고, 2차 전지 약 7,000개를 사용해 최고시속 394km를 내는 후륜구동 방식과 영국 로터스 엘리스 세시를 이용한 고가의 스포츠카(로드스터 [그림 1])를 개발했다. 이를 발판으로 중고가 스포츠 세단(모델 S), 일반인을 위한 상용 자동차 세단(모델 E), 중고가 스포츠 SUV(모델 X)를 연달아 발표, 세계적으로 이목을 집중시키고 있는 중이다.7)
[그림 1] 테슬라 전기자동차 최초 차량 2인승 스포츠카 로드스터(Roadster), 2 0 06년 7월 출시 현재 생산과 판매가 중단됐다.
2. 전기자동차의 최초 발명과 그 쇠퇴(1824년~1920년)
1900년대 초 미국 자동차의 약 38%가 전기자동차였을만큼 전기자동차의 역사는 오래됐다고 할 수 있다.8) 발명왕 토머스 에디슨(Thomas Alva Edison)9)은 전기자동차 및 전기철도와 관련하여 총 48건의 특허를 등록했다. 특히 에디슨은 전기자동차의 에너지 독립을 위해 충·방전이 가능한 2차 전지10)에 관한 총 135건의 특허를 출원 및 실용화했다11). 세계 최초의 전기자동차는 1824년 헝가리의 발명가 앤요스 제드릭(Ányos Jedlik)12)이 자신이 발명한 전기모터를 적용하여 개발을 시도한 것이 효시다.([그림 2])
이후 1830년대 스코틀랜드에서 전기자동차 및 전기철도를 개발하기 위한 초창기 연구가 시도됐으며, 전기자동차는 1834년 로버트 앤더슨(Robert Anderson)13)이 개발했다. 전기철도는 1837년 로버트 데이비슨(Robert Davidson)14)이 배터리를 사용하여 개발했다. 하지만, 앤요스 제드릭(Ányos Jedlik), 로버트 앤더슨(Robert Anderson) 및 로버트 데이비슨(Robert Davidson)의 발명은 실용화에는 부족한 점이 많았으며, 1800년대 중반 이후에 다양한 발명가들이 전기자동차 개발에 뛰어들었다. 실질적으로 전기자동차 상용화를 추구한 발명가는 영국의 토머스 파커(Thomas Parker)15) 와 미국의 알버트 포프(Albert A. Pope)16)이며, 이들이 [그림 3] 및 [그림 4]의 전기자동차를 개발하고, 각각 유럽과 미국에서 상용화를 위해 노력했다.
[그림 2] 앤요스 제드릭과 그가 세계 최초로 발명한 전기자동차
[그림 3] 토머스 파커와 그가 개발한 전기자동차(1884년)
[그림 4] 알버트 포프와 그가 개발한 전기자동차(1899년)
토머스 에디슨은 토머스 파커(Thomas Parker) 및 알버트 포프(Albert A. Pope)보다 늦게 전기철도 및 전기자동차 분야에 뛰어들었다. 하지만, 전구의 조도(照度)제어 및 발전기의 속도제어는 에디슨이 전기 기기 속도제어 기술을 바탕으로 전기철도 및 전기자동차 기술개발에 누구보다 많은 총 48건의 특허기술을 발명했다. 토머스 에디슨은 자신은 가장 완숙한 발명을 수행할 수 있던 36세부터 86세까지, 즉 30대 중반부터 평생 동안 전기자동차 및 전기철도 기술개발보다 더욱 집중(集中)한 것은 발전소와 전력배선으로부터 완전히 자유로운 전기 에너지의 독립(獨立)이다. 토머스 에디슨은 일생동안 충·방전이 가능한 2차 전지에 관한 총 135건의 특허를 출원 및 실용화했다.
토머스 에디슨의 특허(特許)를 검토하면서 감탄한 점은(지금도 마찬가지이지만) 전기자동차의 성공의 핵심은 에너지 밀도가 높은 배터리17)라는 것을 100년 전에 이미 알고 있었다는 사실이다. 전기자동차와 배터리의 역사에서 많은 사람들이 토머스 에디슨의 존재를 잘 모르고 있는 것 같다.
[그림 5] 석유왕 록펠러(좌)와 자동차왕 헨리 포드(우)
전기공학 분야를 전공한 필자(筆者)도 에디슨의 특허를 검토하기 전에는 잘 몰랐으니 전문가급의 지식을 가진 극소수를 제외하고, 전기자동차와 배터리 분야에서 토머스 에디슨이라는 존재는 생소하게 여겨지는 것이 당연할지 모르겠다. 토머스 에디슨은 전기자동차 및 전기철도에 총 48건의 특허를 발명하여 세계에서 가장 많은 연구를 수행한 발명가다. 전기 에너지 독립을 위한 충·방전이 가능한 2차 전지 배터리에 총 135건의 특허를 발명, 세계에서 2차 전지 배터리분야 가장 많은 특허를 출원했으며, 현재 가장 앞서가는 배터리 재료인 니켈, 리튬을 가장 먼저 사용했다. 현재 전기자동차의 초석을 다진 발명가로 평가할 수 있을 것이다.
이렇게 토머스 에디슨이 전기자동차, 전기철도 및 2차 전지 배터리분야에 지대한 공헌을 했지만, 별로 부각되지 못한 이유는 미국의 석유 왕 록펠러(John Rockefeller)18)와 자동차 왕 헨리 포드(Henry Ford)19) 때문으로 생각된다.([그림 5]) 전기자동차는 가솔린자동차보다 먼저 발명됐다. 1920년 까지 전기자동차와 가솔린자동차는 공존 및 경쟁관계였지만, 1908년 자동차 왕인 헨리 포드가 개발·상용화한 모델 T([그림 6])와 1920년 석유 왕 록펠러가 텍사스 원유 발견 및 석유산업 개발로, 가솔린자동차는 혁신적으로 평균 500달러~1000달러 가격이 하락했다. 이를 계기로 휘발유 및 경유 자동차가 자동차를 지칭하는 대명사가
됐다. 이후 전기모터와 배터리로 구동하는 전기자동차는 1920년대부터 지금까지 약 100년 동안은 유명무실해지고, 아직까지도 전기자동차는 자동차 분야에서 조금 어색한 호칭이라고 할 수 있다.
[그림 6] 헨리 포드가 상용화한 휘발유 자동차 모델 T
3. GM의 혁신과 실패(1996년~2005년)
1990년대 미국 캘리포니아 주 정부는 전체 자동차 회사를 대상으로 캘리포니아에서 1년에 판매되는 자동차의 10% 정도는 배기가스가 전혀 나오지 않는 자동차를 판매해야 한다는 ‘배기가스 제로법(ZEV: Zero Emission Vehicle)’을 제정했다20). 이 법은 1990년 미국의 세계적인 자동차 기업인 GM(General Motors)21)이 전기자동차 EV1을 LA 모터쇼에 선보이는 계기가 됐다. 1996년 GM은 배기가스 및 소음이 전혀 없으며, 시속 130km(최고속도 150km)로 주행이 가능한 전기자동차를 양산하기 시작했다. GM은 1996년부터 2000년까지 800대의 EV1을 소비자에게 대여하여 큰 호응을 얻었다.22)
GM이 개발한 EV1은 2인승 전륜(前輪)구동 방식으로, 전기콘센트가 있는 곳이면 어디든 충전이 가능하고, 플러그를 꽂은 뒤 4시간이면 완전 충전이 가능하다. 무게를 가볍게 하기 위해 알루미늄 프레임에 복합소재를 사용했으며, 차고 벽에 설치된 소형 액자크기의 충전기를 사용하여 한번 충전에 110~130km(최대 160km)의 주행이 가능한 것이 특징이다.([그림 7]) GM은 EV1 개발을 위해 15억 달러(한화로 약 1조5천억 원)이상을 투자했으며, 저렴한 충전비용 덕분에 EV1은 신청자가 증가했고, 기존의 휘발유 자동차 업체는 위협을 받기 시작했다.
[그림 7] GM의 전기자동차 EV1 및 충전 모습
전기자동차는 화석연료 즉, 석유를 사용하는 내연기관이 아닌 전기 모터로 주행하기 때문에 엔진오일과 오일필터 등이 필요하지 않다. 따라서 정유업체를 포함하는 자동차 정비 및 부품업체에 큰 위협으로 다가왔다. 급기야 메이저 석유회사 및 자동차 업체는 전기자동차 EV1의 인기에 위기의식을 느끼고, “전기자동차의 전지에 문제가 많고 비싸다”는 문제점을 언론에 퍼트리는 동시에 로비를 통해 캘리포니아 주정부를 압박, 결국 공청회를 거쳐 2003년 ‘배기가스 제로법’을 철폐했다. GM은 배기가스 제로법이 사라지자 전기자동차 EV1의 생산라인을 철수하고 직원을 해고했으며, 마지막으로 남은 78대의 EV1도 2005년 사막 한가운데서 조용하게 폐차하기에 이르렀다.23)([그림 8])
소니 픽처스가 2006년에 제작한 ‘누가 전기자동차를 죽였나(Who Killed the electric car)’란 다큐멘터리에서는 GM의 전기자동차 EV1을 리스(lease)한 다수의 EV1 사용자들의 인터뷰를 통해 혁신적인 전기자동차가 갑자기 사라진 것에 대해 아쉬움을 나타냈다. 이는 미국·중동·유럽 등 석유 회사들의 석유판매에 따른 세금 문제가 복잡하게 얽혀있으며, 기존의 메이저 자동차 회사가 내연기관 자동차의 생산을 중단하면 수익성이 나빠질 것이란 우려가 작용했음을 나타내고 있다. 이 다큐멘터리에서 미국의 역대 대통령인 카터(Jimmy Carter), 레이건(Ronald Reagan), 클린턴(Bill Clinton) 등이 중동의 석유 중독을 끊겠다는 공언을 했으나, 메이저 석유회사 및 자동차 회사의 로비, 메이저 석유회사 및 자동차 회사에 굴복한 미국 정부, 큰 차를 좋아하는 미국 소비자의 성향이 GM의 전기자동차 EV1을 결국 죽였다는 내용을 담고 있다.24) 하지만, 2005년 GM EV1이 폐차되는 그 순간, 테슬라 자동차의 엘론 머스크는 최고급 전기자동차의 출시를 준비하고 있었고, 2006년 7월에 세상에서 가장 아름다운 2인승 스포츠카를 탄생시켜 세상에 전기자동차 돌풍을 일으키고 있다.
[그림 8] 소니 픽처스의 포스터 및 GM EV1 폐차모습
(주) 1) 김정욱, 미국 자동차 산업현황 및 전망, 지식경제부, 한국산업기술진흥원, 2012. pp. 6. 2) 포드, GM, 크라이슬러
3) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, 2015.07. pp. 36~37.
4) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, 2015.07. pp. 37~39.
5) 엘론 리브 머스크(Elon Reeve Musk : 1971년 ~ 현재) : 남아프리카공화국의 프리토리아 태생. 전기 및 기계 엔지니어인 아버지 에롤 머스크(Errol Musk)의 영향으로 어릴 때부터, 컴퓨터 게임 및 프로그램 분야에 집중적으로 관심을 가졌다. 캐나다 온타리오 퀸즈대학교에서 경영학을 전공하고, 미국 펜실베니아 대학에 편입해 경제학 및 물리학 2중 전공으로 학사를 마쳤다. 에너지 물리학 분야 박사학위 취득을 목적으로 1995년 스탠퍼드 대학교에 입학했으나, 집투 코퍼레이션(Zip2 Corporation), 온라인 은행 사업인 엑스닷컴(X.com) 및 페이팔(Paypal), 민간 우주사업인 스페이스X(SpaceX)를 창업한 후 2003년부터 테슬라를 창업, 운영 중이다.
6) 테슬라 자동차는 전기자동차의 엔진으로 사용된 유도전동기의 발명가인 미국의 니콜라 테스라의 이름을 바탕으로 테슬라라는 이름을 사용했다.
7) Wikipedia 인터넷 사이트, 테슬라 모터스, https://namu.wiki/w/테슬라 모터스
8) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, 2015.07. pp. 27.
9) 토머스 에디슨(Thomas Alva Edison : 1847년 ~ 1931년) : 일명 발명왕이라고 불린다. 전구를 세계 최초로 발명하고, 이 실험 중에 발견한 ‘에디슨 효과’는 20세기 들어와 열전자 현상으로 발달하여 전자공업의 초석을 마련한다. 평생 1093개의 특허를 출원했고, 잘 알려지지 않았지만, 전기자동차, 전기철도 및 2차 전지 배터리에 대해서도 수많은 연구를 수행했다.
10) 1차 전지는 방전한 뒤에 충전을 통해서 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 전지. 대표적으로 건전지, 알라라인 전지가 있으며, 세계 최초로 이탈리아 과학자 볼타에 의해서 발명됐다. 2차 전지는 충전과 방전이 반복적으로 가능한 전지로서, 대표적으로 납축전지, 니켈전지, 리튬전지가 있다.
11) 토머스 에디슨의 전기자동차 및 배터리에 관한 특허는 필자가 직접 조사함.
12) 앤요스 제드릭(Ányos Jedlik: 1800년~1895년): 1800년대 초반에 전기모터에 대하여 집중적으로 연구한 헝가리 물리학자로 엔지니어 및 발명가이며, 자신이 개발한 모터를 이용해 세계 최초의 전기자동차를 발명했다.
13) 로버트 앤더슨(Robert Anderson: 미상): 19세기 배터리를 사용하여 최초로 전기자동차를 연구한 스코틀랜드 발명가.
14) 로버트 데이비슨(Robert Davidson: 1804년~1894년): 배터리를 사용하여 최초로 전기철도를 연구한 스코틀랜드 발명가.
15) 토머스 파커(Thomas Parker: 1843년~1915년): 자동차 분야 기술자로서 엘웰-파커(Elwell-Parker)社를 공동으로 창업하고 납 축전기 및 모터를 이용하여 전기자동차를 상용화한 영국의 발명가.
16) 알버트 포프(Albert A. Pope: 1843년~1909년): 군인 출신으로 콜롬비아(Columbia)社를 창업하여 자전거 생산을 시작으로 전기자동차 실용화를 추진했으며, 가솔린자동차 등을 생산 및 판매한 미국의 발명가이자 사업가.
17) 우리나라 기업인 삼성 SDI, LG 화학, SK 이노베이션은 2차 전지 배터리 개발에 박차를 가하고 있다. 우리나라는 리튬이온 배터리 분야에서 세계 최고양산시스템을 가지고 있으며, 국가발전에 기여하고 있다.
18) 록펠러(John Davison Rockefeller: 1839년~1937년): 미국 오하이오 스탠더드 석유회사를 설립하여, 1900년대 초반에 미국 정유소의 95%를 지배한 미국의 석유 사업가이자 석유 왕.
19) 헨리 포드(Henry Ford: 1863년~1947년): 에디슨의 컨베이어 벨트 발명으로부터 영감을 받아 자동차 분야의 혁신적인 조립 라인인 포드시스템을 확립하였고, 미국 자동차 대표기업인 포드사를 설립한 자동차 기업가. 발명가이자 자동차 왕으로 통한다. 20) Louise Wells Bedsworth and Margaret R. Taylor,“ Learning from California’s Zero-Emission Vehicle Program”, CEP(California Economic Policy), Vol. 3, Num, 4, 2007.09.
21) GM(General Motors)社: 1904년 윌리엄 듀랜트(William Durant)가 뷰익(Buick)社의 지분을 사들여서 1908년 9월에 GM社를 설립했고, 지속적으로 성장하여 현재는 미국의 3대 자동차 회사로 등극했다. GM社는 뷰익(Buick), 캐딜락(Cadillac), 쉐보레(Chevrolet), GMC, 오펠(Opel), 복스홀(Vauxhall) 및 홀덴(Holden) 등 미국을 대표하는 자동차 브랜드를 만들어 냈으며, 2011년 대한민국의 대우자동차를 인수하여 쉐보레(Chevrolet)라는 브랜드를 주력으로 사용하고 있다. 1996년 전기자동차를 부활시켰지만, 상당한 실패를 맛봤던 자동차 기업.
22) Wikipedia 인터넷 사이트, Who Killed the Electric Car, https://en.wikipedia.org/wiki/Who_Killed_the_Electric_Car%
23) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, 2013.08. pp. 38~39.
24) Youtube 인터넷 사이트,“ Who Killed the Electric Car? report”, https://www.youtube.com/watch?v=h85IT8hadyk
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