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교차로는 도로의 심장이다. 사람의 심장처럼 교차로에도 판막, 동맥, 정맥들(신호제어기, 신호등, 차선 등)이 있어 원활하게 차량을 소통시키고 있다. 자동차 1천만대 시대. 교차로가 제 노릇을 못하면 도로 전체가 동맥경화증에 걸린다.

무수히 많은 약속들이 존재하는 곳이 교차로다. 달리던 자동차들은 마치 누가 시키기라도 한 듯 정지선에 멈춰 선다. 일차선에 있던 차들은 아주 자연스럽게 좌회전을 한다. 곧이어 좌회전 차선에 있던 차들은 모두 정지하고 다른 차선의 차들이 출발한다. 마치 차들이 서로의 갈 길을 이야기하며 출발과 정지를 반복하는 듯하다. 그들만의 언어인 신호등 불빛이 있기 때문에 가능한 일이다. 이외에 평소 무심코 지나쳤던 교차로 위의 세계를 하나씩 탐색해 보자.

1. 도로 보호막 아스팔트

근래에는 시골길이라도 차가 다니는 대부분의 도로는 포장이 잘 돼 있다. 10년 전만 해도 자동차로 비포장도로를 가려면 온몸이 차와 함께 춤을 춰야 했다. 여기에 비라도 오면 여기저기 움푹 패인 길 때문에 반대 방향으로 진행하는 차들은 물벼락을 맞기 일쑤였다. 이러던 것이 아스팔트 포장도로로 바뀌면서 어느덧 비포장도로는 시골길에 대한 향수로 남았다.

1969년 경부고속도로가 아스팔트 콘크리트로 포장되면서 대부분의 도로도 검은색의 아스팔트로 옷을 갈아 입었다. 그 당시에 아스팔트 포장도로는 사람들에게 경제 발전의 상징적의미로 다가갔다.

아스팔트는 석유 원유의 성분 중에서 휘발성 유분이 거의 증발하고 남은 물질이다. 아스팔트에는 천연적인 것과 인공적인 것이 있는데 도로 포장에 사용되는 아스팔트는 석유에서 인공적으로 만들어진 것이다. 이를 석유 아스팔트라고 한다.

아스팔트는 온도가 높으면 액체 상태가 되고 저온 상태가 되면 매우 딱딱해진다. 이는 무더운 여름 아스팔트가 녹아 자동차 바퀴에 끈적끈적하게 붙는 것으로도 확인할 수 있다. 온도에 따라 쉽게 모양이 변형되므로 가소성이 풍부하다. 또 방수성, 전기절연성, 접착성 등이 크고 화학적으로 안정돼 있어 도로포장 재료로 적당하다.

아스팔트 포장은 표층, 기층, 보조기층, 흙길로 이뤄져 있다(그림1). 원래의 길인 흙길 위에 50mm이하인 쇄석과 자갈을 깔아 보조기층을 만든다. 그리고 그 위인 기층과 표층에는 13-25mm의 골재를 아스팔트와 함께 가열해 혼합한 것을 고르게 갈아 롤러로 다진다.

일반 도로에서 아스팔트 포장의 두께(표층과 기층의 두께)가 25-30cm 정도이나 고속도로같이 차량통행이 많은 곳에는 40cm 정도로 더 두껍다. 이러한 아스팔트 포장의 특징은 외관이 곱고 티끌이나 먼지가 나지 않으며 소음이 적고 승차감이 좋다는 것이다. 또 방수성이 크고 청소가 쉬우며, 포장을 쉽게 걷어낼 수 있어 보수작업이 용이하다.

하지만 큰 물리적인 힘에 의해 패이면 이곳에 물이 고여 파손이 쉽게 일어난다는 단점이 있다. 특히 더운 여름철 아스팔트 표면 온도가 60℃ 이상 되면 차바퀴에 의해 쉽게 바닥이 팬다. 이러한 단점을 극복하기 위해 시멘트 콘크리트 포장을 하는 곳도 있다.

시멘트 포장은 아스팔트 포장에 비해 승차감은 좋지 않지만 외부의 온도나 물리적인 힘에 의한 변형이 적으므로 무거운 차량이 많이 다니는 곳에 이용된다. 중부고속도로와 88올림픽 고속도로가 그 대표적인 예다. 단 양생기간이 길어 포장 후 한 달을 기다려야 하고 부분 보수가 어려워 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 시간과 경제적인 측면에서 보면 대부분의 도로가 아스팔트 포장도로인 이유를 알 수 있다.

2. 밤길 밝히는 차선 속 유리구슬

교차로의 차들은 일정한 차선을 따라 진행한다. 물론 차선을 변경할 때도 있지만 주행 중에 차선을 지키는 것은 운전의 기본이다. 차선은 낮보다 밤에 더 중요하다. 어두운 밤에도 차선이 제 역할을 충실히 할 수 있는 이유는 무엇일까. 바로 차선 속에 숨은 유리구슬 덕분이다.

도로의 차선을 일반 페인트로 칠할 수 있을까. 물론 아니다. 소위 도로표지용 페인트로 불리는 유성페인트는 다음과 같은 특징이 있다. 첫째 건조속도가 빠르다. 둘째 아스팔트와 열팽창률이 비슷하다. 만약 다르다면 차선이 쉽게 갈라질 것이다. 실제로 아스팔트와 열팽창률이 똑같지 않기 때문에 기온 변화가 큰 여름과 겨울이 지나면 차선이 어느 정도 갈라진 것을 볼 수 있다.

셋째 밤중에도 차선이 잘 보일 수 있도록 만들어주는 유리구슬이 있다는 것이다. 운전자가 보낸 불빛은 도료 표면의 유리구슬을 통해 되돌아오기 때문에 차선을 쉽게 파악할 수 있다. 이는 좁쌀보다 작은 크기의 구슬로 페인트를 칠함과 동시에 그 위에 입혀진다. 따라서 페인트가 건조되면서 페인트 위의 유리구슬도 함께 고착된다. 풀칠을 하고 난 뒤 반짝거리는 가루를 붙이는 것과 마찬가지다.

마지막으로 일반 페인트와 다른 점은 광택이 없도록 만든다는 점이다. 광택이 있으면 빛을 받았을 때 반사가 생겨 차선이 명확히 보이기보다는 눈만 부시게 된다. 따라서 도로표지용 페인트에서는 반사를 없애기 위해 페인트 도막 표면에 요철을 만들었다. 이는 건조시 굴곡이 생기도록 한 것으로 빛을 받으면 산란돼 눈부심을 막은 것이다.

3. 중앙선 지킴이 코너큐브 프리즘

중앙선은 넘어서는 안될 생명선으로 비유된다. 따라서 가장 명시성이 높은 노란색으로 표시한다. 하지만 중앙선에 칠해진 도료 표면의 유리구슬만으로는 어둠으로부터 사람들을 보호하기에 부족하다. 두줄로 그어진 중앙선 가운데에 반짝이는 플라스틱 판이 붙어있다. 이것은 중앙선뿐만 아니라 가로등이 없거나 심하게 굽은 도로에서 주행의 방향을 알려주는 신호등 역할을 한다. 물론 전기가 연결된 것은 아니다. 외부에서 받은 빛을 되돌려 줄뿐이다.

중앙선에 설치된 이 플라스틱 판 안에는 일명 코너큐브 프리즘으로 불리는 재귀반사판이 붙어있다. 코너큐브 프리즘(그림2)은 정육면체의 각 세 모서리로 구성되는 사면체다. 항상 밑면으로 들어오는 빛을 들어온 방향으로 반사하는 일종의 전반사 프리즘이다. 이 밑면을 빛이 오는 방향으로 오게끔 고정시킨다. 주행 중에 전조등이 코너큐브 프리즘을 비추면 빛은 들어온 방향으로 반사되므로 운전자의 눈에 들어온다. 즉 어두운 밤에 중앙선과 굽은 도로를 쉽게 구별할 수 있다.

4. 신호등에 숨은 볼록렌즈?

오랜 옛날부터 사람들은 소리, 색깔, 빛, 모양 등의 일정한 부호를 사용해 떨어져있는 사람과 의사소통을 해왔다. 언어나 몸짓이 근거리 통신법이고, 문자가 거리와 시간을 초월한 통신법이라고 하면 신호는 인간의 시청각 범위 내에서 의사소통하는 중거리 통신법이다. 이중 교차로의 신호등은 색을 이용한 대표적인 시각신호다. 여기에는 빨강, 초록, 노랑의 3가지 색이 이용된다. 물론 광원의 색이 모두 다른 것은 아니다. 광원은 텅스텐 필라멘트의 백열전구일 뿐이다.

신호등의 색깔을 좌우하는 것은 안료를 착색시킨 플라스틱이다. 이 플라스틱은 일정한 파장의 빛만 투과되도록 만든 것으로 빨간색은 610-630nm(1nm=${10}^{-9}$m)의 파장이, 노란색은 587-596nm의 파장이, 초록색은 그 범위가 가장 넓은 500-550nm의 파장이 투과돼 나온다.

신호등 색은 처음부터 지금과 같은 3색으로 시작됐다. 사람들이 색에 대해 갖는 이미지에 따라 안전감을 주는 초록색이 진행신호로 쓰이고, 주의를 나타내는 노란색과 빨간색이 정지의 의미로 쓰였다는 것이 당연할지 모르지만 실은 더 과학적인 이유가 있다.

신호등에서 가장 중요한 것이 정지 신호다. 따라서 빨간색은 가능한 먼 곳에 있는 운전자까지도 볼 수 있어야 한다. 특히 안개가 낀 날에는 더욱 그렇다. 이러한 조건을 만족시키는 것이 장파장에 해당하는 빨간색 빛이다. 즉 파장이 길수록 투과가 잘 되므로 더 멀리까지 보인다는 얘기다. 이는 저녁놀이 태양빛이 통과하는 길이가 길기 때문에 붉게 보이는 것과 일맥상통한다.

신호등을 자세히 보면 마치 플라스틱 내부가 잠자리의 겹눈처럼 보인다. 표면이 매끄러우면 빛이 더 잘 보일텐데 왜 격자처럼 만들어 놓은 것일까. 그 이유는 운전자들이 더 밝은 신호등을 볼 수 있도록 하기 위해서다. 각 격자는 볼록렌즈의 역할을 한다. 신호등 전구 뒷면에는 오목거울과 같은 반사면이 붙어있다. 여기서 반사된 광선들은 서로 평행하게 진행하다 플라스틱의 격자를 통과하면서 어느정도 집속된다.

5. 안개와 궁합 맞는 나트륨등

언제부터인가 교차로에는 노란빛의 가로등인 나트륨등이 등장했다. 그 전까지만 해도 대부분은 수은등이었다. 수은등은 가정에서 사용하는 형광등과 같다. 단지 다르다면 형광물질을 등 내부에 칠하지 않았다는 점과 등 내부의 압력이 높다는 점이 다르다. 일반적인 수은등은 자외선이 많이 나오고, 이 자외선은 대부분 유리에 흡수된다. 하지만 고압 수은등은 모든 종류의 파장이 골고루 나와 백열등과 같은 효과를 낸다.

그렇다면 나트륨이 등장하게 된 배경은 무엇일까. 590nm에 가까운 빛을 주로 내놓기 때문에 노란색을 띠는 나트륨등은 다른 등에 비해 에너지를 가시영역의 빛으로 내놓는 효율이 높다. 점등 후 20-30분이 지나야 충분히 밝아지고, 황색 빛을 내므로 일반 조명으로는 사용하기 어렵지만 안개 속에서도 빛이 잘 투과하므로 장애물 발견에 효과적이다. 따라서 터널이나 안개가 자주 끼는 강변에 적당하다. 이러한 이유로 일부지역에서는 나트륨등이 수은등을 밀어냈다.

6. 가로등은 누가 켤까

가로등은 특정한 시간이 되면 일제히 꺼지거나 켜진다. 과연 어떻게 이런 일이 가능한 것일까. 가로등을 켜고 끄는 방법에는 여러 가지가 있다. 주변 빛의 양에 따라 반응하는 광센서에 의해 자동적으로 점멸되는 것과, 일정 구간 내에 설치돼 있는 자동제어기에 의해 조절되는 경우, 그리고 무선 전파를 통해 한 곳에서 사람이 조정하는 방법이 있다.

광센서에 있는 반도체에 빛이 닿으면 그 빛의 양에 따라 전기 저항이 변한다. 이 효과를 스위치로 이용한 것이 광센서를 이용한 자동점멸장치다. 또 일정한 구간 내에 설치된 자동제어기에는 매일의 일출시간과 일몰시간, 그리고 그에 따른 점등시간이 입력돼 있다. 따라서 제어기에서 조정하는 시간에 맞춰 가로등이 자동적으로 점멸된다는 얘기다.

마지막으로 100MHz 대역의 전파를 사용하는 경우가 있다. 서울시는 전지역의 가로등을 이 방법으로 점멸한다. 즉 사람이 정해진 시간에 전파를 보내 가로등을 끄거나 켠다. 실제로 한 관제소(중구 회현동 소재)에서 세곳(남산, 북악산, 안산)의 중계소에 전파를 보내고 이곳의 전파는 각각의 가로등을 켜거나 끈다.

7. 멍청이 신호등과 똑똑이 신호등

교차로의 신호등 근방에는 캐비닛 같은 상자가 있다. 이것이 신호등을 관리하는 현장제어기다. 여기서는 단순히 신호등을 켜고 끄는 일만 하는 것이 아니라 시간대별로 신호시간을 조정한다. 또 교차로 주변의 교통량에 대한 정보를 받아 직접 신호시간을 조정하거나 중앙통제 시스템으로부터 신호시간 조절 명령을 받기도 한다.

역사적으로 볼 때 도시들은 교통 소통을 원활히 하기 위해 여러 가지 아이디어를 냈다. 기원전 1세기에 줄리어스 시저는 낮시간에 사두마차가 로마시내로 들어오는 것을 금지했다. 그 후 사람들은 점점 늘어나는 교통 수단들로 복잡해지는 도로 문제를 해결하기 위해 교통신호기라는 것을 만들었다.

최초의 교통신호기는 1868년 영국 런던에서 사용된 수동 신호기였다. 오늘날 철도 건널목에 설치된 것처럼 신호 기둥에 설치된 팔을 올리거나 내림으로써 정지, 진행, 주의를 표시했다. 그 후 1913년 처음으로 전자신호기가 등장했다. 1930년대에는 교차로 한쪽 귀퉁이에 마이크를 설치하고 차에서 경음기를 울리면 청신호가 연장되는 장치도 한 때 사용했다.

그러다가 교통량을 파악할 수 있는 차량검지 방식과 컴퓨터를 이용한 교통통제가 1960년대에 도입됐다. 우리나라의 경우 1980년 이전에 설치된 전자신호기는 항상 같은 신호 패턴으로 운영됐으나 그 후 가변적인 교통량 흐름에 대처하기 위해 다양한 교통제어방식이 등장했다.

현재 사용되고 있는 교통제어방식에는 고정시간 신호제어와 교통대응 신호제어로 나눌 수 있다. 고정시간 신호제어는 말 그대로 고정된 시간엔 일정한 신호 패턴이 유지되는 것이다. 교통대응 신호제어는 교통량이 많은지 적은지 등의 교통 조건에 따라 신호시간이 조정되는 신호기다.

현재 사용되는 대부분의 신호등은 고정시간 신호제어 중 시간제어방식을 따른다. 이것은 교차로 부근의 교통량을 시간대별로 조사한 데이터를 근거로 예상되는 시간대별로 신호시간을 지정해 운영하는 방식이다. 하지만 이 방법도 날로 변하는 교통량변화 패턴에 능동적이지 못해 점차 실시간으로 대응할 수 있는 교통대응 신호제어방식이 도입되고 있다.

8. 교통량 감별사 루프검지기

교차로 바닥을 잘 살펴보면 1cm 두께의 흰줄로 그어진 팔각형을 찾아볼 수 있다. 이것은 바로 교통제어시스템에서 없어서는 안되는 루프검지기다. 루프검지기의 팔각형 틀 속에는 전선이 감겨있고 거기에는 고주파전류가 흐른다. 차량이 그 속에 들어가면 고주파전류의 주파수가 변하기 때문에 차량의 통행량과 막히는 정도를 알려주는 루프 점유시간까지 알 수 있다.

현재 대부분의 교차로에 사용되는 루프검지기로는 통행량만을 측정하지만 교통량 변화에 따라 신호가 자연적으로 바뀌는 지역에서는 루프검지기로부터 훨씬 다양한 정보를 얻는다. 예를 들어 통과차량수, 점유시간, 비점유시간을 측정해 도로가 얼마나 막히는지, 대기행렬 길이는 얼마나되는지, 그리고 차량속도 등을 예측한다. 이렇게 루프검지기를 통해 측정된 기본 데이터는 현장제어기와 지역컴퓨터, 그리고 중앙관제센터의 컴퓨터에 보내져 신호등의 등화 순서와 시간 등을 결정하는데 사용된다.

또 재미있는 사실은 검지 목적에 따라 루프검지기의 설치 장소가 다르다는 것이다. 예를 들어 포화도를 검지하기 위해서는 좌회전과 직진선에, 대기행렬 길이를 예측하기 위해서는 교차로와 교차로 사이에 설치한다.

빨간 마술사 네온사인

네온사인은 1874년 영국의 크룩스가 희유기체였던 네온 가스를 방전시키면서 빨간색의 선명한 불빛을 관찰한 후 약 50년이 지나서야 거리에 화려하게 등장했다. 네온사인은 가스가 들어간 유리관을 구부리고 필요없는 부분을 검은 테이프로 싸서 문자나 모양을 그리는 조명의 하나다. 일반 전구와 달리 네온등은 가는 대롱 형태를 띠고 있어 문자나 다른 여러 형태의 모양을 쉽게 표현할 수 있다.

구조적으로 기체의 방전을 이용한 것은 형광등과 비슷하나 유리관의 길이가 형광등보다 길기 때문에 방전시키는데 높은 전압(수천 V-1만V 이상)이 걸린다. 백색의 형광등과 달리 네온사인이 형형색색인 이유는 유리관 속에 놓은 가스의 종류가 다르기 때문이다. 예를 들어 네온가스는 적색, 아르곤 가스는 적자색, 수은은 푸른색, 나트륨은 노란색을 나타낸다. 따라서 정확하게 말하면 모두 네온사인이라고 말하는 것은 틀린 얘기다.

전기를 연결하면 유리관의 한쪽 끝에서 전자가 다른쪽 끝으로 이동하면서 네온 원자들과 충돌한다. 이런 충돌로 네온의 전자들이 궤도를 벗어나면서 높은 에너지 상태에 있게 된다. 이 전자들이 다시 원래의 궤도로 돌아가면서 에너지를 방출하는데 이 때의 빛이 우리 눈에 보이는 빨간색 빛이다. 수은이나 나트륨이 다른 색을 나타내는 것은 여러 기체들이 각각 다른 파장의 빛을 많이 방출하기 때문이다.