경제야 놀자

고층 건물의 필수품 엘리베이터의 원리

bluewaves 2010. 11. 13. 14:08

엘리베이터 원리

“가장 높이 나는 새가 가장 멀리 본다.”는 리처드 바크(Richard Bach)의 [갈매기의 꿈]에 나오는 글이다. 새만 높이 올라가고 싶을까? 사람도 높이 올라가고 싶고, 높은 건물을 짓고 싶고, 그 곳에서 생활하고 싶을 것이다. 그래서 아마 높은 곳은 설화의 대상이었고 신앙의 대상이었으리라. 높은 곳에 대한 작은 꿈과 생활의 불편함을 해결해 주는 것 중에 하나가 엘리베이터가 아닐까?

엘리베이터의 역사

엘리베이터는 승강기라고도 하며, 영국에서는 리프트(lift)라고도 한다. 엘리베이터의 가장 기본적인 장치인 도르래는 무거운 물체를 손쉽게 끌어올리고자 했던 사람들의 단순한 생각에서 출발했다. BC 200년경 그리스의 아르키메데스(Archimedes)가 개발한 도르래는 깊은 우물에서 물을 길어 올릴 때 사용했던 두레박으로 이 도르래는 결국 사람까지 들어 올리는 엘리베이터의 도구로 발전하게 되었다.

지금으로부터 약 200년 전 나폴레옹은 자신이 살고 있는 왕궁에서 계단대신 의자와 도르래를 이용해 여왕을 층과 층사이로 수직으로 이동시킬 수 있었다고 한다. 또한, 루이 15세가 베르사유 궁전에 '나는 의자'라고 불리는 엘리베이터를 가지고 있었다는 것도 여러 문헌을 통해 알려져 있다. 그러나 당시에 엘리베이터는 안전한 것이 아니어서 줄이 끊어져 추락해 죽거나 다치는 사람들이 많았다 고한다.


1861년 오티스의 엘리베이터 특허 설계도 <출처: wikipedia>

현재의 엘리베이터 기본 구조와 가장 흡사한 엘리베이터가 실용화된 것은 오티스(E. G. Otis)의 발명이 있은 19세기의 일이다. 1853년 오티스는 밧줄이 장력 을 못이길 때 두 개의 철로 만든 톱니가 제어 역할을 할 수 있도록 안전한 낙하방지장치를 발명하여 세계 최초로 안전한 엘리베이터를 개발하였다. 지금도 오티스 이름의 엘리베이터는 전 세계에 애용되고 있다. 이렇게 시작된 엘리베이터의 역사는 수력이나 수압을 이용하던 형태에서 단계적으로 증기 기관을 거쳐 전동기에 의한 구동 방식으로 일반화되었다. 지금과 같은 형태의 전동기에 의한 동력 발생 엘리베이터는 1880년 독일의 지멘스 회사가 제작하였다. 안전한 엘리베이터의 개발로 인하여 19세기 말경에는 건축 기술의 발달과 더불어 높은 건물들이 많이 생기게 되었으며, 1990년대 중반부터는 손으로 누르는 푸시버튼에 의한 엘리베이터가 나오게 되었다.

그렇다면, 우리나라에 현대식 승강기가 설치된 시기는 언제일까? 한국에 승강기가 처음 소개된 것은 1900년 전후로 추정되며 1910년 조선은행(지금의 화폐금융박물관)에 처음으로 설치되었다고 한다. 승객용 엘리베이터는 1914년 철도호텔(지금의 웨스턴 조선호텔)에 맨 처음으로 설치되었다. 2010년은 우리나라에 엘리베이터가 처음으로 설치된 지 100년이 되는 해이다.

엘리베이터는 어떻게 작동되는가?

흔히 우리는 승객이 타는 밀폐된 공간인 카(car)를 엘리베이터의 전부라고 생각한다. 그러나 보이지 않는 곳에 오르내리는 길과 10여 개의 안전장치가 있는 정밀한 기계이다. 이 기계는 기본적으로 도르래, 줄, 카, 평형추, 그리고 3만여 개의 부품으로 구성되어 있다. 엘리베이터는 용도에 따라서 승용, 화물용, 자동차용, 덤웨이터 등 여러 가지가 있고 승강기 속도에 따라 저속(15∼45m/min), 중속(60 ∼105m/min)), 고속(200∼300m/min)으로 구분하며, 구동 방식에 따라 로프식(rope system), 유압식 (oil hydraulic system) 등으로 나눌 수 있다. 여기에서는 많이 사용하고 있는 로프식 엘리베이터에 대하여 알아보기로 한다.

엘리베이터가 운행하는 길의 가장 위에는 고정도르래가 있으며 이 고정도르래에 두꺼운 쇠줄(로프)이 연결되어 있다. 쇠줄의 한쪽 끝에는 사람이나 화물이 탈 수 있는 카(car)가 연결되어 있으며, 전동기가 쇠줄을 풀었다 감았다 하면서 카를 움직인다. 쇠줄의 다른 쪽 끝에는 카(car)의 무게와 거의 같거나 1.5배 정도의 무게인 평형추가 연결되어 있다. 평형추는 카(car)의 반대편에 위치하고 있어 전동기의 부하를 줄여주는 역할을 한다. 평형추의 무게는 대체로 최대 정원의 40∼50% 정도, 쇠줄의 장력은 최대 정원 무게의 약 2배 이상으로 설계된다고 한다. 제어반은 하나의 컴퓨터라고 할 수 있다. 승강기의 속도, 운행 및 기타 필요한 전반적인 것을 모두 제어하는 마이컴 이다. 그러면 내가 엘리베이터를 탄다고 하자. 엘리베이터 타는 곳 앞에서 버튼을 누르면 제어반에서 전동기에 버튼을 누르는 층으로 가라는 명령을 하고, 전동기는 명령에 따라 회전하여 카를 움직여 버튼을 누르는 층에 도착하면 멈추고 문을 연다. 카(car)에 들어가서 원하는 층을 누르면 같은 방법으로 카(car)를 원하는 층으로 이동하여 자동으로 문을 열고 닫는다.

로프식 엘리베이터의 구조

엘리베이터의 안전장치

엘리베이터에는 어떤 안전장치가 있을까? 엘리베이터 쇠줄이 끊어질 확률은 희박하지만 만약에 끊어질 경우 자유낙하하지는 않는다. 속도가 정규속도보다 빨라지면 조속기에서 전동기의 전원을 차단하여 브레이크를 작동시키고 계속 속도가 빨라지면 비상정지 장치를 작동시킨다. 가이드레일 일정 간격마다 위치한 비상정지 장치에서는 가이드레일을 잡아 카를 정지시킨다. 그래도 카가 낙하한다면 바닥에 충격을 흡수할 수 있는 카 완충기가 있어 안전하다. 또한, 문과 문 사이에 사람이나 물건이 끼는 것을 방지하는 장치인 문 닫힘 안전장치가 있다. 엘리베이터에 늦게 타거나 늦게 내릴 때 출입문에 낀 경우가 있는 데, 그럴 경우 자동으로 문이 열리게 되는 것은 이 장치가 안전하게 보호해주기 때문이다. 이 이외에도 10여개 이상의 안전장치가 있다. 이 이외 몇 가지 장치와 주요기능은 다음과 같다.

권상기 : 권상기는 전동기축의 회전력을 시브(권상기의 출력축에 있는 도르래)에 전달하는 장치이다. 종류로는 기어드형(전동기축의 회전을 감속기어에 의해 감속하여 시브를 회전시킴)과 기어리스형(전동기축에 시브를 직접 연결)이 있다.
카 가이드 레일 : 카, 균형추 등을 안내하는 궤도이다.
상승과속 방지장치 : 엘리베이터가 상승 방향으로 과속 운행될 경우 순간적으로 엘리베이터 견인 로프를 조이도록 하여 미끄럼과 과속을 방지할 수 있는 보조 제동장치이다.
조속기 로프 : 카의 과속운행에 의해 조속기가 동작할 때, 카의 비상정지장치를 동작시키는 쇠줄(로프)이다.
균형추 가이드 레일 : 엘리베이터 등의 카, 균형추 등을 안내하는 궤도이다.
균형추 가이드 롤러 : 엘리베이터의 카, 균형추를 레일을 따라 안내하기 위한 장치이다.
균형추 완충기 : 카나 균형추가 최하층을 통과하여 바닥보다 낮은 곳에 도달했을 때 카(car)나 균형추의 충격을 완화시켜 주는 장치로써 카가 승강로의 최상층을 초과하여 진행하는 것에 대비하여 균형추의 바로 아래에 설치한다.

엘리베이터와 관련된 재미있는 것들

줄이 없는 엘리베이터는 없을까? 줄이 없는 엘리베이터는 선형모터와 전자석을 이용하면 가능하다. LCD공장에 화물 리프트로 수직형 자기부상방식 선형이송시스템을 사용하고 있다. 이 엘리베이터의 원리는 로프대신 벽에 자석이 붙어 있는 레일이 설치된다. 여기에 전기의 양극과 음극을 연속해서 바꿔주면 자석의 극성이 바뀌면서 엘리베이터가 위아래로 움직이는 힘을 만든다. 이는 자기부상열차가 움직이는 원리와 비슷하다.

보통 엘리베이터라고 하면 사람이 타는 공간이 하나라고 생각하지만 더블 데크 엘리베이터는 위아래로 두 칸에 사람이 탈 수 있다. 마치 2층 버스처럼 위아래 층이 함께 붙어서 이동해 한꺼번에 더 많은 사람을 실어 나를 수 있으며 승객의 대기 시간도 절약하여 효율적이다. 더블 데크 엘리베이터와 비슷한 것으로 트윈 엘리베이터가 있다. 차이점은 더블데크는 상부 카와 하부 카가 동시에 움직이므로 로프식과 비슷하지만 트윈은 상부 카와 하부 카가 독립적으로 움직이므로 모든 부품이 2세트로 구성되어 있다는 것이 차이점이라고 할 수 있다.


현재 가장 빠른 엘리베이터는 대만 타이베이 금융센터 건물 안에 있는 엘리베이터라고 한다. 이 건물엔 세계 최고속도의 엘리베이터가 있다. 속도가 무려분당 1,010m로 시속으로 환산하면 약60km/h이다. 우리나라에서는 가장 빠른 엘리베이터로 아산 테스트타워에 분당 600m인 엘리베이터가 설치되어 있다. 또한, 이곳에는 세계에서 가장 빠른 분속 1080m인 엘리베이터가 선보이고 있다고 한다. 하지만 엘리베이터의 속도를 무한정 올릴 수 없다. 그 이유는 이동거리가 짧고 승객의 안전이 최선이기 때문이다.

엘리베이터 타고 우주여행 간다

미국 항공 우주국(NASA)과 미국의 기업들은 대단한 계획을 세우고 있다고 한다. 이들의 목표는 적도상의 한 곳과 고도 3만5700㎞의 정지궤도에 있는 위성을 케이블로 연결하고 그 사이를 엘리베이터가 운행할 수 있도록 한다는 것이다. 정지궤도에 있는 위성은 지구와 같은 주기로 돌기 때문에 케이블이 항상 직선을 유지할 수 있다. 강철의 5분의 1 질량으로 강철보다 100배 강한 탄소나노튜브가 케이블의 소재로 생각하고 있다. 차량으론 시속 수천㎞를 낼 수 있는 자기부상열차가 유력하다. 우주엘리베이터는 화물운송비가 우주왕복선의 수십~수백분의 1에 불과할 것으로 기대되고 있다. 미국 언론에서는 이 계획이 향후 20∼50 년 내에 실현될 수 있다고 보도하고 있다.


엘리베이터에서 로프가 사라질 날도 머지않았다. 일본에서는 2025년쯤 500층 초고층 빌딩을 세운다는 계획이다. 여기에 들어가는 엘리베이터는 승강로 벽면에 레일처럼 달린 선형모터(linear motor)의 힘을 받아 로프가 없이도 자유자재로 움직일 수 있도록 하는 것이다. 미래의 엘리베이터는 더 높이, 더 빠르게, 더 편안하게 운행하는 엘리베이터가 되어 인간이 원하는 어느 곳이든지 편안하고 안전하게 갈 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌: 송길영, [100만인의 전기상식 알기 쉬운 전기의 세계]. (동일출판사, 2004, 김형자); [과학에 둘러싸인 하루], (살림출판사, 2008)

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  1. 장력

    줄에 걸리는 힘의 크기를 장력이라고 한다.

  2. 덤웨이터

    서적이나 음식물 등 작은 화물을 운반하기에 적합한 엘리베이터를 덤웨이터라 고한다. 식당, 병원 등에 많이 사용하고 있다.

  3. 유압식

    기름의 압력으로 오르내리는 엘리베이터를 유압식 엘리베이터라고 한다. 기계실을 승강기 밑에 둘 수 있어 공간 확보가 쉽다는 장점과 행정거리가 짧고 소음이 크다는 단점이 있다.

  4. 마이컴

    마이컴은 마이크로컴퓨터의 줄인 말로 쓰이며 마이크로프로세서와 메모리를 하나의 IC(집적회로)로 합친 것을 말한다.

글 임병욱 / 부천북고등학교 교사, 서울과학교사모임
서울과학교사 모임은 딱딱한 과학수업을 재미있게 풀기 위해 모인 수도권 지역 과학선생님들의 모임이다. 재미있는 과학 교육을 위해 [묻고 답하는 과학 톡톡 카페1,2], [숨은 과학] 등을 출간하였다.


발행일 2010.11.11

그림 곽윤환 / 일러스트레이터
전남 진도 출생으로 홍익대학교 미술교육원에서 수묵화를 전공하고 만화, 일러스트 작가로 활동 중이다. 최근에는 동화, 교과서 삽화 등을 그리고 있으며 한국교육과정평가원의 삽화팀을 맡고 있다. http://blog.naver.com/redeye21c

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[출처: 네이버캐스트]