원리에서 개발 동향까지! 현대로템의 자기부상열차 기술력

누구나 한 번쯤 들어봤을 법하지만 쉽게 만날 수 없는 열차, 바로 ‘자기부상열차’입니다. 자기부상열차는 상당한 기술력이 필요하기에 일부 국가에서만 상용화되어 있는데요. 그렇다면 과연 자기부상열차란 무엇이며 어떤 잠재력을 지니고 있을까요? 자기력을 이용하는 열차의 원리에서 자기부상열차의 역사와 국내외 개발 동향 그리고 현대로템이 개발한 자기부상열차의 기술력까지! 현대로템 블로그에서 소개해 드립니다.

자석의 힘을 이용한 열차, 원리와 그 장·단점은?

자기부상열차는 이름 그대로 자기력을 이용해 선로 위에 부상하여 움직이는 열차입니다. 자기부상열차가 움직이기 위해서는 열차를 선로에서 띄우는 자석의 반발력과 열차를 진행하게 하는 선형유도전동기의 힘이 필요합니다. 우리나라의 자기부상열차는 선형전동기를 차량에 설치하여, 외부 전차선 등을 통해 전력을 수전 받는 경우도 있습니다. 한편, 독일이나 일본의 경우에는 초고속 주행을 위해 대용량의 추진 파워를 필요로 하는데요. 크기와 용량 등의 문제로 추진용 선형전동기(1차코일) 및 전력공급장치 등을 궤도에 설치하기도 합니다.

자기부상열차는 전자기력을 이용하기 때문에 바퀴가 없고, 레일에서 부상하여 운행하는 것이 특징입니다. 독일, 일본 그리고 우리나라에서의 부상 높이는 부상 원리에 따라 조금씩 차이가 나는데요. 독일의 경우에는 상전도흡인식 및 선형동기전동기를 사용하여, 부상 및 안내용 전자석에 높이가 각각 적용되어 저속으로 운영할 때는 약 12mm, 고속으로 운영할 때는 약 18mm의 부상 높이를 갖습니다. 일본의 경우, 지진에 따른 지반침하 등을 고려하여 부상 높이를 약 100mm 정도로 유지하며, 이 높이를 유지하기 위해서 초전도(액체헬륨) 자석을 적용한 초전도부상식 및 선형동기전동기를 사용하고, 저속 시에는 바퀴를 이용하여 운행합니다. 우리나라의 경우에는 전력 소모 저감을 위해 약 8mm의 부상 높이로 운행합니다. 또한 부상용 전자석의 자체 복원력 등을 이용하여, 안내용 전자석 없이도 안내하는 기능을 포함하고 있어 더욱 효율적입니다.

▲자기부상열차 원리 및 기술적 특징 (왼쪽부터 독일식, 일본식, 한국식)

또한 선로에 떠서 움직이는 자기부상열차는 기본적으로 철로를 사용하지 않습니다. 궤도와 바퀴의 접촉이 없으니 소음과 진동이 적고, 전자석을 이용한 가·감속도 효율적이죠. 게다가 분진이 발생하지 않아 환경친화적이라는 장점도 있습니다.

▲자기부상열차 체험 및 설명을 들을 수 있는 국립중앙과학관(출처 : 국립중앙과학관 공식 유튜브)

이러한 장점을 강조해 국내에서는 국립중앙과학관 시험선과 인천공항 자기부상열차를 운영하고 있는데요. 국립중앙박물관에서는 원리 설명과 자기부상열차가 떠오르는 모습을 관람한 뒤, 열차 탑승 체험도 가능합니다. 인천공항 자기부상열차는 인천공항 1터미널 역과 용유역 사이를 잇는 도시형 자기부상열차로, 현재 무료로 운영되는 시범 노선입니다.

▲세계 2번째로 상용화된 인천공항 자기부상열차(좌), 상하이에서 운행 중인 자기부상열차(우)

자기부상열차는 비접촉으로 운행되는 덕분에 일반 열차보다 빠른 속력을 자랑합니다. 독일의 기술을 차용한 중국 상하이의 자기부상열차는 최고 속력 430km/h로, 지역을 대표하는 하나의 관광상품이 되기도 했습니다.

자기부상열차의 특징을 한눈에 정리해보면 다음과 같습니다.

자기부상열차의 주요 특징

◎ 환경친화적 : 바퀴가 없어 레일과 비접촉으로 운행하므로, 소음 및 진동이 적고 분진 등이 발생하지 않아 동일 조건에서 바퀴식 열차보다 소음 및 진동이 현저히 낮다.
◎ 우수한 주행 성능 : 바퀴와 레일의 점착력에 의한 운행이 아니므로, 공전이나 활주 등이 없고 언덕을 오르는 등판능력이 우수하다.
◎ 뛰어난 경제성 : 회전체(바퀴, 구동기어, 베어링 등)가 없고 차량 하중이 집중되는 구조가 아니기 때문에, 인프라 구축 비용 및 유지보수비용이 절감된다.

이처럼 매력적으로 보이는 자기부상열차에도 단점은 존재합니다. 특히 기존 철로가 아닌 전용 선로를 건설해야 한다는 점에서 비용 문제가 발생하는데요. 도시 간 열차 선로가 이미 존재하는 경우에는 자기부상열차 전용 궤도 설치가 쉽지 않습니다. 또한, 열차를 부상하는 데 에너지가 많이 소모되어 수송능력이 낮은 편입니다. 따라서 화물 수송이 아닌 승객 수송용으로만 사용할 수 있죠.

이러한 단점에도 불구하고 세계 여러 나라가 자기부상열차 연구를 지속하고 있습니다. 특히 초고속 자기부상열차인 튜브트레인은 미래의 대중교통수단으로 주목받고 있는데요. 이 기술은 철도의 궤도를 진공 상태의 튜브로 감싸 공기저항을 최소화한 것이 특징입니다. 아직은 비용과 기술 등 현실적인 어려움이 많지만, 에너지와 환경 문제를 해결할 수 있다는 점에서 대표적인 미래 교통수단으로 꼽힙니다. 적은 에너지로 700km/h 이상의 속력을 낼 수 있는 초고속 자기부상열차를 직접 만날 날이 기대됩니다.

국내외 자기부상열차 개발 동향

그렇다면 국내외 자기부상열차 개발 동향에 대해 알아볼까요? 자기부상열차는 1934년 독일의 헤르만 캠퍼(Herman Kemper)라는 엔지니어의 아이디어에서 출발하였습니다. 이는 리니어 모터 추진방식에서 착안한 것인데, 1940년대 후반에 와서는 그 아이디어가 제품으로 개발되기 시작했습니다. 이어 영국에서 최초의 리니어 모터를 개발에 성공하고 미국에서 1961년 고속 자기부상열차의 기본 개념이 정립되며, 본격적인 자기부상열차의 시대가 도래하였습니다. 

1979년 독일 함부르크에서 열린 ‘국제운송박람회 – IVA 79’에서는 세계 최초의 여객 수송용 자기부상열차를 선보였습니다. 차량 길이는 총 26m에 달하였으며, 최고속도는 약 75km/h에 이르렀습니다. 여객 수송이 가능한 열차인 만큼 68석의 좌석을 포함하고 있었습니다.

▲세계 최초의 여객수송 자기부상열차 (1979년 국제운송박람회)

이처럼 자기부상열차의 기술개발은 독일에서 빠른 상승세를 보였는데요. 독일은 1960년대 말 중/저속용 자기부상열차 기술개발에 착수하였고, 1970년대 중반에는 ‘500km/h 급 초고속용 자기부상열차(Transrapid)’ 개발로 전환하였습니다. 그 결과, 2005년까지 총 9회의 시험 및 개발에 성공하였고, 이를 기반으로 2001년에는 독일의 튀센크룹/지멘스 컨소시움과 중국 정부가 자기부상열차 실용화 노선 건설계약을 체결하여, 2004년 1월부터 상하이에서 자기부상열차의 영업 운행을 시작하였습니다.

이 열차는 완전 자동운전이 가능한 5량 1편성의 차량을 갖추고 있으며, 574명을 수송합니다. 최고속도 480km/h에 이르는 운행 능력으로 푸동 국제공항역에서 상하이 교외의 룽양루역까지 약 30km 구간을 약 7분 20초 만에 주파할 수 있죠. 또한 지하철역과의 연계를 통해, 공항 터미널의 핵심 요소로 부상하고 있습니다.

▲상용화 노선, 상하이-푸둥공항(33km) Transrapid

일본은 독일보다 조금 늦은 1973년에 동경과 오사카(약 500km)를 연결하는 ‘리니어 중앙 신칸센 계획’을 수립하였습니다. 이후 초고속 자기부상열차 개발에 매진했는데요. 1996년 야마사이에 시험선 완공 후, 2005년까지 총 5회의 초전도 부상식(500km/h) 시험 및 개발에 성공하였고, 2010년에는 최고속도 582km/h를 달성하기도 했죠. 이에 일본은 2013년 9월 자기부상열차 노선 상용화 계획을 발표하고, 동경과 나고야(270km)를 잇는 구간을 2014년부터 2027년까지 건설한 후 2045년까지 나고야에서 오사카(230km)까지의 구간을 연장할 계획을 가지고 있습니다. 동경에서 나고야까지 운행하는 신칸센 열차가 90분의 시간이 소요되는 반면, 자기부상열차는 50분을 절약하여 단 40분 만에 도달할 수 있다고 하네요. 

한편, 1970년 중반부터는 중/저속 도시형 자기부상열차도 개발을 시작했는데요. 1999년까지 총 9회의 시험 및 개발에 성공하였습니다. 3량 1편성의 최고속도 100km/h의 상용화 모델을 개발하였는데, 이 모델은 우리나라의 자기부상열차와 가장 유사합니다.

▲고속형 자기부상열차 MLX-01(좌), 중/저속용 자기부상열차 Linimo(우)

우리나라의 자기부상열차 개발은 1988년에 본격화 되었습니다. HML-01의 초소형 모델을 활용하여, 해석 툴 개발과 주요 기술인 부상 및 추진시스템의 개발을 시작하였는데요. 이후 1989년에는 국내 최초로 사람이 탈 수 있는 HML-02 차량을 개발하였고, 이와 더불어 대차 및 궤도 기술도 발전하였습니다. 

자기부상열차가 본격적으로 지금과 같은 모습을 갖추게 된 시기는 1991년 현대로템이 개발에 참여하면서부터입니다. 1993년 대전 EXPO 기간에는 시범 운행을 선보였는데요. 엑스포가 개최되는 93일 동안 120,000명의 승객을 싣고 약 3010km를 운행하기도 했습니다. 이를 통해 실차형 설계 제작기술을 습득하고, 인프라 관련 기술도 구축하며, 자기부상열차의 실용화 가능성을 확인하는 계기가 되었죠. 

이후 우리나라의 자기부상열차는 교육과학기술부의 국책과제로 발전하여, 한국기계연구원과 현대로템의 협업 아래 급물살을 타게 됩니다. UTM-01 모델을 공동으로 개발하여 2량 1편성의 기술을 확보하면서 도시형 경전철 시스템으로서 자기부상열차의 적용 가능성을 입증하기도 했습니다. 산업통상자원부의 국책과제를 통해서는 UTM-02 모델을 제작하면서 무인자동운전이 가능한 2량 1편성의 시스템을 개발하였습니다. 국립중앙과학관에서 엑스포공원까지의 시범 운행 등 상용화 기술을 바탕으로 2006년부터 2013년까지 국토교통부 주관으로 자기부상열차 실용화 사업을 추진한 결과, 지금의 인천국제공항노선의 상용화가 이루어지게 되었습니다.

앞서 설명한 것처럼 자기부상열차는 고속과 중/저속의 개발로 이원화되어 있는데요. 물론 열차의 속도는 빠를수록 좋겠지만, 막대한 초기 건설비가 발생하는 고속 자기부상열차 분야는 독일의 상용화를 끝으로 더 이상의 영업운행이 없는 상태입니다. 일본의 경우에는 지속적인 영업활동을 추진했으나, 자국 내 영업운행 실적이 없어 사업성이 불투명한 상황이라고 합니다. 

하지만 중/저속 분야는 상황이 다릅니다. 기술적인 우수성뿐만 아니라 유지보수 비용이 일반 바퀴식 열차보다 저렴하기 때문에 상용화의 가능성이 높습니다. 영업실적 및 안정성의 추가 확보는 여전히 해결되어야 할 과제이지만, 한국의 중/저속 자기부상열차는 건설비 측면에서도 일본보다 경쟁력 우위를 점하며 상용화 가능성을 높이고 있습니다.

▲자기부상열차 국내외 현황

 

세계 두 번째로 상용화된 도심형 자기부상열차

▲인천공항 자기부상열차

우리가 가장 가까이에서 자기부상열차를 만나볼 수 있는 곳은 인천과 대전입니다. 국내에 처음 자기부상열차가 도입된 것은 1993년 대전 EXPO를 통해서였는데요. 이후 시범 노선을 구축하면서 그 실용성을 검증하는 단계에 있습니다.

▲우리나라의 자기부상열차 개발 이력

▲인천공항 자기부상열차 시범노선 조감도

우리나라 최초로 상용화된 자기부상열차는 인천공항에서 용유역을 연결하는 인천국제공항 자기부상열차 노선입니다. 이 노선은 향후 영종도를 순환하는 국내 최대 규모의 순환선으로 연장될 예정이라고 합니다.

이처럼 인천공항 자기부상열차는 인천을 오가는 사람들의 다리이자, 특별한 체험의 장으로 자리 잡았습니다. 일반 철도와 달리 ‘조용하고 흔들림이 없다’는 긍정적인 반응을 얻으며, 그 인지도를 넓혀 나가고 있답니다.

현대로템의 자기부상열차 기술력

오늘 소개해드린 인천공항 자기부상열차와 국립중앙과학관 자기부상열차는 모두 현대로템의 기술력으로 탄생한 독자적 모델입니다.

▲현대로템 자기부상열차의 주요 특장점

현대로템의 자기부상열차는 고려청자의 유선형 디자인을 적용하였는데요. 벌집 모형의 데칼과 유선형 의자를 자연스럽게 배치하였고, 차체는 알루미늄 압출재를 적용하여 경량화를 도모하였습니다. 육면체 모듈화 적용을 통해 강도 및 생산성도 향상했죠. 또한 주거지역과 근접하여 운행해야 하는 열차의 특성을 고려, ‘Mist Glass’ 기술을 적용하여 주거지역 진입 시 창문이 흐려지는 기능으로 주민들의 사생활을 보호할 수 있도록 하였습니다. 

대차의 경우, 조향 메커니즘을 적용하여 곡선 주행성능을 향상하고, 슬라이딩 테이블 구조로 횡 방향 변위를 흡수하여 주행 안정성을 높였습니다. 비상 바퀴 기술이 적용되어 있어 비상운행 시, 부상하지 않고도 약 20km/h의 속도로 주행할 수 있습니다. 부상 시스템은 경량화를 위해 롱폴 형식의 전자석을 사용하였습니다. 부상 높이를 최소화(8mm)하여 전력 소모도 저감시켰죠. 이와 더불어 추진시스템에 사용되는 선형전동기의 공극을 최소화(11mm)하여 전력 소모를 줄였습니다. 스위칭주파수 증대를 통해서 선형전동기의 자기음도 줄일 수 있었습니다. 정전 시 부상을 유지하는 백업 배터리와 열차 주행성능을 향상시킨 제어 알고리즘, 고주파를 이용한 선형유도전동기 등 주행 성능과 에너지 저감의 두 마리 토끼를 모두 잡은 것이 현대로템 자기부상열차만의 특징입니다. 

전자석으로 열차를 레일 위에 띄워 운행하는 미래형 열차에서 어느덧 우리와 가까운 대중교통수단으로 발돋움하고 있는 자기부상열차! 친환경적인 측면과 안정적인 주행, 뛰어난 경제성 등의 다양한 강점을 강화하면서 멀지 않은 미래에 더욱 친숙한 교통수단이 될 것으로 보입니다. 도시와 도시를 연결하는 초고속 자기부상열차가 대중화된 미래, 기대해 봐도 좋겠죠?