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전력 송신의 개념을 만든 선구자
니콜라 테슬라의 도전

Nikola Tesla

“전력을 보내는 방법은 교류가 유리합니다.” “천만에! 교류는 지나치게 고압이어서 위험하기 그지없다네.
전력은 직류로 송전하는 게 정답일세.” 이 대화의 주인공은 니콜라 테슬라와 토마스 에디슨이다.
이른바
‘전류전쟁(War of Currents)’을 일으킨 당사자들이 같은 길을 가다 갈라서게 된 배경이다.

글 편집실 일러스트 임성구

니콜라 테슬라

니콜라 테슬라
Nikola Tesla 1856~1943
수년간 발전기와 전동기를 연구하였으며, 테슬라 연구소를 설립하고
최초의 교류유도전동기와 테슬라 변압기 등을 만들었다. 무선통신기술
을 비롯해 수력발전소, 전자현미경 등 그가 남긴 업적은 무궁무진하다.
자기력선속밀도의 단위인 ‘테슬라’는 그의 이름에서 딴 것이다.

유명한 과학자이자 발명가였던 에디슨에 반기를 들며 교류의 중요성을 피력한 인물은 니콜라 테슬라(Nikola Tesla, 1856~1943)다. 테슬라는 세르비아계 오스트리아 사람으로, 가난했지만 수학에 천재적인 소질이 있었다. 덕분에 군대의 장학금을 받으며 1875년 오스트리아 그라츠종합기술학교에 입학했지만 경제적 여건으로 공부를 중단할 수밖에 없었다. 그럼에도 독학을 통해 전기에 흥미를 가지게 됐고, 에디슨을 만나 자신의 교류 전기 활성화에 대한 꿈을 갖게 됐다.

N i k o l a T e s l a

Nikola Tesla

교류의 발견은 전화로부터

역사적으로 전화기를 처음 만든 사람은 미국의 알렉산더 그레이엄 벨로 알려져 있지만 시작은 이탈리아 피렌체에서 태어난 안토니오 메우치라는 인물이다. 그는 그레이엄 벨보다 무려 21년이나 앞서 전화기를 발명했지만 특허를 낼 비용이 없어 임시 특허를 활용했고, 이를 알게 된 알렉산더 그레이엄 벨이 1876년 전화기 발명 특허를 미국 특허청에 정식으로 등록했다. 메우치는 소송을 걸었지만 승소 직전 심장마비로 생을 마치며 전화기의 최초 발명가는 알렉산더 그레이엄 벨이 된 것이다. 그러다 2002년 미국 의회는 최초의 전화 발명자를 안토니오 메우치로 인정하기도 했다.
테슬라 얘기에 전화기를 언급한 이유는 교류의 발견 때문이다. 1854년 안토니오 메우치가 최초의 전화기를 완성한 뒤 유럽에선 전화가 널리 퍼져나갔다. 그러자 토머스 에디슨 또한 유럽에 지사를 설립했고, 헝가리 부다페스트에 전화 교환소가 문을 열었다. 마침 부다페스트에 도착한 테슬라는 친척의 도움으로 헝가리 정부의 중앙 전신국에 근무를 했는데, 이때 오스트리아 그라츠종합기술학교에 다니며 흥미를 가졌던 교류 전기 장치 연구를 시작했다.
그는 직류의 문제 해결 방법이 교류밖에 없다는 확신을 가지고 이를 생존의 문제로 연결 지으며 연구에 매진했다. 이 시기 교류 전기를 생산해서 전송하고, 이용 가능한 모든 주변 장치들을 직접 설계했다. 그리고 여러 실험을 바탕으로 교류 시스템이 당시의 직류보다 훨씬 월등하다는 것을 증명하며 교류의 잠재적 가치를 알리기 위해 노력을 기울였다. 이를 옆에서 지켜본 에디슨의 동료였던 찰스 바첼러는 테슬라에게 미국행을 권유했고, 그의 추천을 통해 테슬라와 에디슨의 역사적 만남이 이뤄지게 된다.

운명을 가른 전류 방식

에디슨 연구실에 합류한 테슬라는 이후 에디슨과 함께 다양한 발명품을 만들며 승승장구 했다. 역사가들은 에디슨의 전구 발명에 큰 역할을 했던 인물이 니콜라 테슬라였음을 부인하지 않는다. 발명의 역사에서 주인공은 에디슨이었지만 테슬라가 없었다면 전구 발명 또한 늦춰졌을 것이라는 의견이다. 그런데 둘의 사이를 갈라놓는 사건이 생겼으니, 바로 전류를 흘려보내는 방식이다. 테슬라가 에디슨과 달리 교류를 주목한 것은 전기 이용자의 저변 확대를 위해서였는데, 전구를 밝히는 에디슨의 직류 방식은 지나치게 많은 비용이 들어 가난한 사람의 전기 이용을 막는다고 생각했다.
발전소가 직류로 전력을 보내는 과정에서 손실이 너무 많고, 직류를 가정까지 공급하려면 중간에 전력 중계소가 필요해 그만큼 과도한 투자가 뒤따라야 했다. 다시 말해 송전 방식에서 많은 비용이 투입되는 원가 부담이 전기의 대중화를 막고 있다는 생각을 떨칠 수 없었다.
그래서 테슬라는 발전소에서 만든 전기를 가정에 공급하는 저렴한 방법으로 교류에 주목했다. 이미 에디슨과 손을 잡기 전부터 교류 전동기를 만들었던 테슬라로선 전류의 흐름을 한 방향으로만 흐르는 직류에서 양극과 음극을 수시로 오가는 교류로 바꾸면 송전이 쉽다는 판단에 도달했다. 그럼 여기서 한 가지, 직류와 교류는 무엇이 다른 것일까. 전류는 흐르는 방향에 따라 직류와 교류로 구분되는데, 직류는 말 그대로 양극(+)에서 음극(-)으로 일정한 방향으로만 흐르는 것을 말한다. 일반적으로 양극과 음극이 명확히 분리된 건전지 등은 직류 전기가 활용된다. 반면 교류는 전류가 흐를 때 양극(+)에서 음극(-)으로 흐르다가 다시 음극(-)에서 양극(+)으로 일정하게 바뀌는 전류다. 교류는 전류 방향이 바뀐다는 점에서 송전에 필요한 전압을 손쉽게 높이고 내릴 수 있는 장점이 있다. 수도 호스로 물을 보낼 때 수압을 높이면 호스 안의 물이 강력하게 멀리 가는 원리를 생각하면 이해가 쉽다. 이렇게 보낸 전기는 변압기를 통해 다시 전압이 낮아져 가정에 공급된다. 직류 송전을 위한 전력 중계소가 아니라 전선으로만 송전이 돼 전기 이용료도 낮아지게 된다. 이것이 테슬라가 발전소의 송전 시스템으로 교류를 사용해야 한다고 주장한 배경이다.
물론 에디슨은 테슬라의 교류를 반대했다. 하지만 반대의 이면을 들여다보면 과학적이지 못한 측면이 더 컸다. 에디슨도 교류의 송전이 직류보다 유리한 것은 알고 있었지만 이미 수많은 투자자로부터 직류 기반의 사업을 제안, 투자를 받은 터라 테슬라의 교류를 인정하는 것은 곧 사업 실패를 의미했다. 그리고 사업 실패는 에디슨의 명성에 흠이 가는 것이었고, 자존심을 훼손하는 일이었다. 테슬라가 떠날 때 에디슨이 그를 잡지 않은 이유다.

테슬라의 교류 독립

천재 과학자이자 수학자였던 테슬라는 교류에 엄청난 열정을 쏟아 부었다. 전기의 대중화는 단순히 전기를 공급하는 것이 아니라 전기를 싸고 손쉽게 쓰도록 만드는게 필요하다는 사실을 잊지 않았다. 그리고 교류 발전 사업을 구상, 결국 투자를 이끌어냈고 이후 교류 전력 공급에 적극 나서게 된다.

테슬라의 교류 독립

그러나 테슬라는 교류에 엄청난 열정을 쏟아부었다. 전기의 대중화는 단순히 전기를 공급하는 것이 아니라 전기를 싸고 손쉽게 쓰도록 만드는 게 필요하다는 사실을 잊지 않았다. 그리고 교류 발전 사업을 구상, 결국 투자를 이끌어냈고 이후 교류 전력 공급에 적극 나서게 된다. 테슬라의 교류는 에디슨의 직류와 발전 비용은 같았지만 송전 방식에서 훨씬 비용이 저렴해 에디슨의 직류를 제치고 빠르게 확산됐다. 물론 이 과정에서 에디슨의 공격도 만만치 않았다. 에디슨은 교류의 위험성을 알리는 자료를 배포하며 테슬라의 교류를 깎아내리기 시작했다. 심지어 교류를 막기 위해 전압을 800V로 제한하는 법안을 통과시키려 했고, 사형수에게 교류 전기 충격을 사용하자는 주장도 했다. 반대로 테슬라는 투자사인 웨스팅하우스와 함께 교류의 장점을 부각시키는 데 집중했다. 이후 에디슨의 직류보다 테슬라의 교류가 서서히 힘을 얻기 시작했다. 결국 테슬라의 투자자였던 웨스팅하우스가 1891년 교류 시스템을 이용한 발전소를 세워 광산 지역에 전기를 공급하면서 전류 전쟁은 막을 내리게 됐다. 에디슨 또한 교류를 인정하지 않을 수 없었던 셈이다.
그러나 교류가 전부도 아니었다. 지금 우리가 사용하는 전기는 필요에 따라 직류와 교류를 번갈아가며 적절히 활용하고 있다. 테슬라의 선구자적 정신이 단순히 교류에 머무른 건 아니다. 자기장을 이용해 세계의 기상을 조절하고, 무선으로 에너지를 보내는 방법과 무선 통신 방법에 대한 아이디어도 테슬라의 생각에서 비롯됐다. 특히 무선 통신, 무선 에너지 전송, 운송 수단 등에 활용한 ‘X선’의 개념도 테슬라가 설계했다. 1893년 필라델피아에 있는 프랭클린연구소와 세인트루이스에 있는 국립전등협회의 연설에서 최초로 무선통신 시범을 보인 것도 끝없는 관심이 가져온 성공의 결과였다. 많은 사람들이 1895년 굴리엘모 마르코니가 무선 통신을 최초로 개발한 것으로 알고 있지만 실제로는 테슬라가 2년 더 앞섰다. 덕분에 테슬라는 1915년 노벨상 후보에 오르기도 했다.

자동차의 직류와 교류

역사적으로 자동차에서 전기는 직류만 활용됐다. 흔히 알고 있는 자동차용 배터리는 양극과 음극이 정해져 있어 전류가 한 방향으로만 흐르기 때문이다. 그런데 EV의 등장이 자동차에서도 직류와 교류의 혼용을 일으키는 중이다. 일반적으로 전기차는 배터리에 저장된 전력을 뽑아내 전기모터를 구동시키는 방식이다. 그런데 전력이 필요하면 외부로부터 전기를 얻어 배터리에 저장도 해야 한다. 이때 직류와 교류의 장단점이 적절히 활용된다. 먼저 직류는 전기를 손쉽게 저장할 수 있지만 구동 모터를 돌리기 위한 고전압으로 변압이 어렵다. 그래서 모터를 돌릴 때는 직류를 교류로 바꿔야 하는데, 이때 컨버터가 필요하다. 반대로 교류는 저장 능력은 없지만 고전압으로 높이는 게 자유로운 만큼 교류 모터를 구동하기 위해선 배터리의 직류를 다시 교류로 변환하는 인버터도 있어야 한다. 그래서 현재 전기는 직류와 교류가 각각의 방식에 따라 활용된다.또 하나는 ‘무선 충전(Inductive Charging)’이다.
테슬라가 개념을 밝혔던 무선 충전은 이제 주변에서 흔히 볼 정도로 일반화되었다. 전선으로 전력을 전송하는 대신 공기를 통해 무선으로 충전하는 방식이다. 최근 나오는 자동차에 속속 상용화되는 중이며, 한국과학기술원(KAIST)은 무선 전력 충전 전기 버스를 개발해 시범 운용할 만큼 미래의 대세 기술이다. 더 이상 복잡한 전선을 이용하지 않아도 되는 만큼 전선 비용도 줄일 수 있다. 그렇게 보면 테슬라는 교류에서 벗어나 이른바 전력 송신의 개념과 시작을 만들어 낸 선구자가 아닐 수 없다. 하지만 이 과정에서 에디슨이 없었다면 성과는 오히려 묻혔을지도 모른다. 위대한 발명품은 언제나 선의의 경쟁에서 나오기 마련이다.

자동차의 직류와 교류
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