미국의 전기화

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  • 토머스 휴즈, "미국의 전기화: 시스템 건설자로서의 에디슨" 3~4절.
  • 번역 : 송성수 (일부 오역 수정)
  • 파일  : media:미국의 전기화.pdf

III

연구소 참모진의 보조와 로웨이의 지원으로 에디슨은 기술변화와 관련된 다양한 수준의 문제들을 체계적인 방식으로 해결하였다 문제 풀이에 관한 그의 시스템적 접근법은 백열등 기술의 발명 과정에서 잘 드러난다. 에디슨은 기술을 경제와 동떨어진 것으로 인식하지 않았다. 백열등 개발 프로젝트를 발주한 이후 에디슨은 가스등 시스템의 경제성에 관한 많은 문헌들을 심도있게 검토하였다. 또한 그는 최초의 중앙 발전소를 뉴욕 펄가에 설치하기로 결정한 후 그곳의 잠재적인 전등 시장을 점검하였다. 그의 노트는 그가 그램(Gramme) 아크등 발전기와 왈라스(Wallace) 아크등 발전기의 작동 비용을 분석했음을 보여준다.[1] 또한 그와 업턴은 다양한 문헌을 활용히여 지블로흐코프 아크등 시스템의 작동 비용을 결정하였다. 연구소 노트에 의하면, 에디슨은 특히 발전기와 배전선에서 사용되는 구리의 가격에 관심을 두면서 그것의 절감을 원하였다.[2] 1878년 12월에 그는 그의 시스템에서 백열등 하나를 작동시키는 데 필요한 비용을 11달러로 평가하였다. 그는 투자액에 대한 10%의 이자율과 연간 300시간의 전등 사용 시간을 가정하여 전등의 작동 비용이 1시간당 0.00366달러 이상이 되어야 한다고 결론지었다.[3] 에디슨은 분명히 자본주의 체제의 맥락에서 사고했던 것이다.

에디슨의 노트를 면밀히 검토해 보면 그가 단순히 정교한 장치의 발명에 만족하는 사람이 아님을 알 수 있다. 노트의 곳곳에서는 개념, 기발한 실험, 주의깊은 추리, 긴밀한 경제적 계산이 나타난다. 예를 들어 1880년에 쓰여진 것으로 보이는 120번 노트에는 전등 10,000개를 작동시킬 수 있는 중앙 발전소의 수지타산에 관한 계산이 30페이지 분량으로 기록되어 있다. 그것은 아마 뉴욕에 건설될 펄가 시스템을 염두에 둔 계산임에 틀림없다. 이러한 계산은 에디슨과 업턴이 수행한 것인데, 그들은 다양한 실험과 문헌 조사에 입각하여 1마력의 증기기관과 발전기가 16촉짜리 백열등 8개를 작동시킬 수 있다고 가정하였다. 따라서 10,000개의 전등을 갖춘 시스템은 1,200마력을 요구하였다. 그들은 철제 발전소 건물에는 8,500달러가 소요되며, 밥콕(Babcock)과 윌콕스(WIlcox)의 제안을 따라 보일러 및 보조장치에는 30,180달러가 소요된다고 평가하였다. 크레어시는 증기기관과 발전기의 건설 비용을 48,000달러로 추정하였다. 그들은 집중적인 계산을 통하여 시스템에 사용될 전도체의 비용은 57,000달러, 계량기의 비용은 5,000달러로 예상하였다. 연간 사용량에 입각한 감가상각 비율을 감안하면 이러한 비용은 감소할 것인데, 건물, 보일러, 증기기관, 발전기, 계량기, 전도체의 감가상각비는 6,058달러로 책정되었다. 일일 노무비는 주엔지니어 5달러, 보조 엔지니어 3달러, 청소부 1.5달러, 주요 직장 2.25달러, 보조 직장 1.75달러, 주 전압 조정자 2.25달러, 보조 전압 조정자 1.75달러, 두 명의 노동자 3달러로 각각 계산되었다. 따라서 일일 총노무비는 20.5달러가 되었고 연간 총 노무비는 7,482달러가 되었다. 또한 연간 관리자 임금은 4,000달러, 지대와 보험료 및 세금은 7,000달러로 각각 책정되었다. 석탄은 1톤당 2.8달러이고 1마력당 3파운드가 소요되묘로 연간 석탄 비용은 8,212달러로 계산되었으며, 유류와 폐기물 및 물은 석탄의 1/3인 2,737달러로 계산되었다. 중앙 발전소에는 35센트짜리 전등 30,000개가 설치되므로 그 비용은 연간 10,500달러가 소요될 예정이었다. 따라서 연간 총 비용은 45,989달러가 되었다. 수입의 평가와 관련히여 에디슨과 업턴은 하루에 5시간, 연간 18,250,000시간 전등을 사용할 경우에 10,000개가 팔릴 것으로 예상하였다. 그들은 15촉짜리 가스등 10,000개가 하루에 5시간씩 사용되면 하루에 250,000ft3, 연간 91,250,000ft3의 가스가 소요된다는 것을 알았다. 가스 회사들은 고객에게 1,000ft3당 1.5달러를 청구하고 있었는데, 동일한 서비스 요금을 가정한다면 에디슨 중앙 발전소의 수입은 136,875달러가 되었다. 그렇다면 고객에게 가스등 시스템과 동일한 가격을 요구할 경우에도 에디슨은 90,886달러의 순이익을 거둘 수 있는 것이다.

여기서 초과 비용은 “특허권에 대한 이자를 지불하는 것”뿐이었다.[4] 중앙 발전소는 자본투자 예상액인 150,680달러의 2배 정도의 자본을 확보해야 했는데, 그것은 특허권의 소유자인 에디슨 전기 조명사에게 투자액의 30%를 이익 배당금으로 지불해야 하기 때문이었다.

이상과 같은 계산은 에디슨이 전기 조명 시스템을 발명하고 개발하는 과정에서 필수적인 조건으로 간주되었다. 예를 들어 비용 분석은 전기 조명 시스템의 핵심 기술인 필라멘트의 탐색 활동에서 중요한 역할을 담당하였다. 에디슨이 기존의 저저항 전등에 대비되는 고저항 전등에 주목했다는 점은 널리 알려져 있지만, 이러한 결정이 비용 분석에서 비롯되었다는 사실은 잘 인식되지 않았다. 이것을 설명하기 위해서 우리는 비용 분석은 물론 과학의 도입도 고려해야 한다. 그렇다면 에디슨이 전기 조명 시스템을 발명하고 개괄하는 과정에는 기술적 요소는 물론 경제적 요소와 과학적 요소가 모두 개입되었던 것이다. 그의 노트에서 경제적 계산과 뒤범벅되어 있는 실험 데이티는 종종 과학에서 비롯된 추론적 설명 및 가설의 구성과 결부되어 있었다. 이처럼 경제-기술-과학의 연결망은 끝없이 이어지는 것이다. 먼로 파크에서 물적·인적 자원을 통합적으로 활용했던 것과 마찬가지로 에디슨은 시스템의 개발에 있어서도 다양한 요소들을 종합하는 데 자신의 독창성과 영향력을 발휘하였다.

앞에 기록된 항목 중에서 전도체는 고자본 품목이다. 전도체에 관한 비용 57,000달러 중에서 27,000달리는 구리 전도체를 위한 것이었고, 25,000달러는 그것을 포함하고 있는 파이프에 관한 비용이었으며, 2,000달러는 절연에 필요한 것이었다. 프로젝트의 초기 시절에 에디슨은 구리의 가격이 비용 방정식의 주요 변수라는 점과 그것이 전도체의 굵기와 길이에 의존한다는 점을 알았다. 전도체의 길이가 매우 길어지면 전등의 가격이 가스등보다 높아질 것이었다. 전도체의 길이를 줄이고 굵기를 작게 하기 위하여 그는 옴(Ohm)과 줄(Joule)의 과학적 법칙을 활용하였다. 몇몇 노트에 의하면 에디슨과 업턴은 줄의 법칙(열량 또는 에너지=전류의 제곱×저항=전압×전류)을 사용하여 백열등에서 소비되는 에너지를 계산하였다. 그들은 또한 전도체의 에너지 손실을 보여주기 위히여 줄의 법칙을 활용하였다. 에너지 손실은 (전류의 제곱)×(전도체의 길이)÷(전도체의 굵기)×(사용된 구리의 성질에 의존하는 상수)에 비례하는 것으로 간주되었다. 이 공식에는 수수께끼가 담겨져 있었다. 만약 에디슨이 배전의 손실을 줄이기 위하여 구리의 굵기를 늘리면 자신이 피하려고 했던 구리 비용의 증가가 수반되었던 것이다. 따라서 중도를 취하는 방법이 모색되어야 했는데, 그것을 위해서는 전류라는 다른 변수가 고려되어야 했다. 만약 전류가 감소될 수 있다면 전도체의 굵기가 그렇게 클 필요가 없었던 것이다. 그러나 백열등을 밝히려면 전류가 필요한데 어떻게 전류를 줄일 수 있을 것인가?

이러한 딜레마를 해결하기 위하여 에디슨은 다음과 같이 추론하였다. 전류를 감소시켜 전도체의 손실을 줄이려고 했던 그는 전압을 증가시킴으로써 전등에 전달되는 에너지의 수준을 벌충하고 유지할 수 있다고 생각하였다(전력=전류×전압). 그리고 그는 “저항=전압/전류”라는 옴의 법칙을 적용하였다. 그는 백열등 필라멘트의 저항을 증가시킴으로써 전류에 대한 전압의 비율을 증가시킬 수 있었다(저항은 비율로 나타나는 값이다). 이처럼 그는 많은 시간이 소요된 탐색 활동을 통하여 고저항 필라멘트라는 개념에 도달하였는데, 그것은 동시에 논리적 추론의 과정이기도 했다.

이상의 논의에서 보듯이 에디슨은 고저항 필라멘트를 통해 전등에 필요한 에너지를 공급하면서도 에너지 손실과 구리의 함량을 감소시킴으로써 전도체의 경제성을 보장할 수 있는 방법을 찾았다 그러나 나는 에디슨이 이러한 추론에 도달했던 정확한 날짜를 아직 찾지 못했다. 에디슨은 1926년에 헨리 포드에게 보낸 에세이에서 "1878년 가을에 탄소 필라멘트로 실험을 했지만 저저항이 문제가 되었다"고 말한 후 "전기 조명 시스템에서 전등을 밝히는 데 필요한 전류는 대량의 구리 전도체를 요구한다. 전도체에 사용되는 구리의 양이 핵심적인 상업적 문제이다"라고 지적하였다. 그는 "1878년 12월경에 나는 프란시스 업턴이라는 청년 수학자와 함께 … 전등이 가스등과 상업적으로 경쟁하기 위해서는 적어도 100옴의 저항을 가져야 한다는 것을 증명하였다"라고 말하면서 자신이 고저항 개념에 착안했던 시점을 암시하였다. 그리고 에디슨은 고저항 필라멘트를 획득하기 위해 탄소 이외의 다른 금속에 주의를 기울였고 1879년 4월에는 차단 기체가 방출되어 불용해성을 증가시키는 백금에 주목하였음을 밝혔다. 따라서 에디슨이 고저항 필라멘트를 탐색하는 활동은 적어도 1878년 12월에서 1879년 4월에 걸쳐 진행되었음을 알 수 있다. 제엘의 『먼로파크 회고록』에 의하면, 에디슨은 1878년 10월에 고저항 전등을 전통 시스템의 필수적 요소로 파악했으며 줄과 옴의 법칙을 적용하여 시스템의 본질에 접근하였다.

에디슨의 추론은 근사치를 사용한 간단한 사례를 통하여 설명될 수 있다. 1880년 쯤에 에디슨은 저항이 70-80옴에서 130옴에 이르는 탄화 종이 필라멘트를 획득하였다(그는 I00옴을 원했다). 가스등과 동일한 촉광을 원했던 그는 이 필라멘트가 대략 100와트에 접근한다는 것을 알았다. 이것은 전등의 전압과 전류의 곱이 100와트가 된다는 것을 의미했다. 저항이 100옴이면 열에너지가 전류의 제곱과 저항의 곱과 같다는 줄의 법칙에 따라 전류는 1암페어가 되었다(100=전류2×100. 전류=1) 그렇다면 필요 에너지를 만족시키기 위해서는 전압이 100볼트가 되어야 한다(전력=전류×전압. 전압=100/1=100). 여기서 우리는 에디슨 시스템에서의 견적이 오늘날의 기준으로 되었음을 알 수 있다. 즉 100와트, 1암페어, 100옴.

IV

지면 관계상 에디슨이 그의 시스템의 다른 부품들을 발명한 방식에 대해서는 분석하지 않겠다. 그러나 고저항 필라멘트의 발명에서 나타나 는 그의 연구 방식은 그의 창의력을 구성한 핵심적인 요소를 보여주기에 충분하다. 그가 공언하였고 심지어 피상적인 전기 작가들도 지적 하였듯이 그의 발명 과정은 수많은 시행착오와 고통으로 가득차 있었다. 에디슨적 방법을 평가절하하는 사람들은 연구소 과학자들의 소위 ‘과학적’ 방법과 비교하여 그의 방법이 ‘경험적’ 이라고 강조한다. 이러한 견해는 피상적이고 왜곡된 것으로서 창의력의 성격에 대한 혼동에 입각하고 있다. 내부의 발명가의 영감은 그의 소망이 잘 정돈되어 있는 경우에만 발생한다. 다른 발명가, 엔지니어, 과학자와 마찬가지로 에디슨은 우선 결정적인 문제를 규정하였는데, 그것은 해결책을 강구하기 위한 주요한 단계였다 그의 일차적인 소망은 가스등과 경제적으로 경쟁할 수 있는 백열등을 개발하는 데 있었다. 그의 시스템에서 핵심적인 기술적 변수들의 관계를 규정하고 경제성을 달성할 수 있도록 그것 들을 조작히는 데 있어서 옴과 줄의 법칙을 활용한 것은 에디슨의 가장 주요한 통찰력에 해당한다. 이러한 점을 수용할 때 우리는 연구소 보조원 제엘이 그의 회고록에서 에디슨의 창조적인 성공을 설명하기 위하여 에디슨이 옴의 법칙을 잘 알고 있었다고 반복적으로 강조한 이유를 알 수 았다. 또한 우리는 에디슨이 과학자 특히 수학자를 멸시했기 때문에 그가 과학을 활용하지 않았다는 기존의 많은 해석들이 잘못된 것임을 이해할 수 있다.

백열등의 발명과 개발은 에디슨의 시스템적 접근법을 잘 보여준다 그는 전등의 특성을 고려한 후에 발전기 설계의 문제를 규정하였다. 즉 발전기는 병렬식 백열등을 위히여 100볼트를 제공해야 했으며 전류는 1암페어짜리 전등의 갯수와 동일한 크기를 가져야 했다. 발전기와 전등의 관계는 전등을 병렬식으로 설치하려는 결정에 의해 규정되었는데, 그것은 시스템의 전압을 안정한 수준으로 유지하고 한 전등을 다른 전등에 무관하게 독립적으로 작동시키려는 요구에서 비롯되었다. 에디슨의 시스템은 아이디어의 개발과 상호작용이 연루된 한 편의 드라마처럼 진화했던 것이다.

실용적인 필라멘트를 최초로 발견했던 1879년 10월에 에디슨은 그의 시스템을 위한 발전기를 공표하였다. 1882년 9월에 펄가의 시스템은 월가 지역에 전등을 공급하기 시작하였다. 에디슨 조명사의 펄가 발전소가 개장됨으로써 중앙 발전소 백열등 시대, 즉 공공 전기 공급의 시대가 시작된 것이었다. 그러나 에디슨은 점차 전등 분야에서 물러섰다. 이러한 현상은 1892년에 분명히 나타나는데, 그의 제조업체인 에디슨 제너럴 일렉트릭과 다른 전기 제조업체인 톰슨-휴스턴사의 합병으로 그의 이름이 나타나지 않는 제너럴 일렉트릭(General Electric)이라는 새로운 회사가 구성되었던 것이다. 그리나 여전히 미국의 대도시에는 에디슨의 이름을 지니고 있는 수많은 설비 회사들이 전등을 공급하고 있었다.

주석

  1. Menlo Park Notebook, No. 6 (Dec. 4, 1878 - Jan. 30, 1879), pp. 22-30.
  2. Menlo Park Notebook, No. 1
  3. Notebook, No. 6, p. 177. Notebook, No. 120 (Nov. - Dec., 1880, approximate date), pp. 71-101.
  4. Notebook, No. 120, p. 99.

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