카본 프레임, 어떻게 선택하면 좋을까?
2020-01-10   박창민 기자

자전거 프레임을 선택할 때 소재는 가장 중요한 선택 조건이다. 과거 나무로 자전거를 만들던 시절부터 시작해, 철과 스틸을 지나, 알루미늄까지 급격하게 발전한 자전거 프레임은, 티타늄과 카본까지 첨단 기술이 집약되고 있다.
이와 같은 소재 중에서도, 성능과 생산성에 있어서 탁월한 선택을 받고 있는 것이 바로 '카본파이버(carbon fiber)'다. 가볍고 높은 강성과 내구성으로 이미 다양한 산업에 적용되어왔던 카본은, 이제 자전거에 있어서 기본 소재가 되었다고 해도 과언이 아니다.


카본 프레임, 어떻게 만들어질까?

우리가 이곳에서 이야기하는 것은 '카본파이버'라는 섬유 형태의 카본을 의미한다. 얇은 실처럼 만들어졌기 때문에 섬유라는 의미의 카본파이버(carbon fiber)로 불리우고, 통상 카본이라는 이름으로 우리에게 익숙하다.
이런 섬유 형태의 실을 원단처럼 만든 것을 카본 시트라고 불렀고, 이것에 레진을 함유시켜 스티커처럼 바로 작업할 수 있게 만든 것을 프리프레그(prepreg)라고 한다.
최근 카본 제품들의 대부분이 이 프리프레그를 이용해 만들어진다. 마치 커팅시트처럼 만들어진 프리프레그를 적당한 형태로 재단하고, 강성과 내구성에 따라 여러 장을 겹쳐서 작업하는 것이다. 이렇게 작업된 제품은 마치 종이를 말아서 만든 것처럼 힘이 없고 흐물거리지만, 이것을 몰드에 넣고 고압과 고온으로 처리하면 강철보다도 단단한 형태의 자전거 프레임이 탄생되는 것이다.

여기서, 카본 프레임을 형성하는 소재가 카본파이버+레진이라는 점을 알 수 있다. 보통 카본파이버의 인장강도를 나타내는 수치로 이 카본의 등급을 말하곤 하며, 레진의 기술력에 따라 완성도에 영향을 준다. 그리고, 이와 같은 소재보다 더 중요한 것은 프리프레그의 재단 설계와 고온고압의 성형과정이라고 볼 수 있다.
재단에 대한 설계는 무게와 강성에 영향을 주고, 성형과정에서 프레임의 완성도가 크게 결정된다. 자전거 브랜드들은 이 성형방법에 대한 기술력으로 프레임 완성도와 가치를 이야기하는 경우도 있다.
고온고압 성형을 위해서는 몰드가 필요하다. 보통은 금속으로 만든 몰드가 이용되며, 이 몰드 하나를 만드는 것만으로도 수천만원 가량의 비용이 든다. 그리고, 프레임 형태가 변할 때마다 새로운 몰드가 필요하기 때문에, 요즘은 초기 프로토타입을 3D 프린터로 만들어 에어로 성능과 디자인을 결정하는 경우가 많다.

카본 원사에서 실처럼 뽑아져 나오는 카본파이버

단방향으로 만들어지는 카본 시트가 최근에는 자주 활용되고 있다.

카본에 레진을 합성하여 마치 커팅시트처럼 붙일 수 있도록 만든 것을 '프리프레그'라고 부른다.
프리프레그의 레진은 숙성과정 후, 유효기간 내에 사용해야 가장 좋은 품질을 유지한다.
사진은 자이언트 본사의 카본 프리프레그 작업.

이렇게 만들어진 프리프레그는 컴퓨터 재단에 의해 정확한 방향과 모양으로 커팅된다.

모든 카본 조각이 정확하게 배치되도록 프로세스를 만드는 것이 또 하나의 관건이다.

각 카본 조각을 매뉴얼에 맞추어 하나씩 포개듯이 감싸는 작업이 진행된다.

카본 조각이 하나 하나 붙어갈수록 자전거의 모양이 잡혀간다.

몰드에 넣어 형태를 잡는 작업이 마지막이다.

고온 고압의 성형 과정을 거치면 비로소 우리가 알고 있는 카본 프레임의 형태를 갖추게 되는 것이다.

이렇게 완성된 프레임은 샌딩 작업으로 표면을 말끔하게 처리한다.

페인팅으로 마무리.

카본 가공을 위한 프로세스가 워낙 복잡하기 때문에, 3D 프린터를 통한 프로토타입 작업도 최근에 많이 사용된다.


최상급 카본 프레임이란?

위에서 이야기한 것처럼 카본 프레임은 좋은 소재와 뛰어난 가공 기술로 만들어진다. 하지만, 카본파이버의 소재는 생산하는 곳이 얼마 되지 않고, 일본의 토레이와 같이 이미 잘 알려진 고급 소재가 주로 사용되어 큰 차별이 만들어지지는 않는다.
레진에 있어서는 각 제조사의 기술력이 어느정도 포함되며, 가공 온도와 프리프레그를 만든 후의 숙성 및 유효기간, 보관 온도 등의 차이로 품질에 차이가 발생하게 된다. 레진 자체의 특성은 자전거 프레임에 미치는 영향이 크게 없지만, 레진의 품질과 관리가 완성도에 미치는 영향은 적지 않기 때문이다.

카본은 많은 조각으로 이루어졌기 때문에, 매우 다양한 변수를 가진다. 그 변수를 어떻게 활용해 최고의 프레임을 만드냐가 중요한 것이다.
사진은 트렉의 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 변수 테스트 결과.

최상급 카본 프레임은, 사실 이와 같은 소재의 선택도 중요하지만, 그것의 가공 방법이 더욱 큰 영향을 미친다. 소재는 거의 오픈된 기술이다보니, 누구나 고급 소재를 구매하는 게 어렵지 않은 것도 그 이유다.
가공에 있어서, 가장 먼저 선택할 문제는 재단이다. 카본의 프리프레그는 원단처럼 생겼고, 의류 원단에 결이 있듯이 프리프레그도 결에 따라 강성 수치가 달라지게 되기 때문이다. 단순히, 사각형의 프리프레그 위에 빼곡하게 가공할 조각들을 그려서 재단하게 되면, 각 프레임 위치에서 가져가야 할 강성의 특성이 제대로 표현되지 않게 된다.
특히, 최근에는 이와같은 특성을 더욱 극대화 시키기 위해 단방향 카본 프리프레그를 자주 사용한다. 카본 원사가 단방향으로 가공되어 있기 때문에, 한쪽 방향은 높은 강성, 90도 다른 방향은 낮은 강성이 만들어지고, 각도에 따라 각기 다른 강성의 카본 조각이 재단되어 필요한 강성과 순응성을 최적화시켜 표현할 수 있게 된다.
그리고, 카본 프레임은 가공 특성상, 하나의 프레임으로 만들어질 수 없다. 보통 2~3개의 부분으로 나누어 작업을 하게 되는데, 이 설계에 있어서 어느 부분을 잘라서 만드냐에 따라 라이딩 품질도 차이가 날 수 있다. 가장 흔한 방법으로 시트스테이와 체인스테이를 하나의 조각으로 따로 만드는가 하면, 힘이 전달되는 부분을 하나의 피스로 만들기 위한 다양한 설계 기법이 적용되기도 한다.
이와 같은 카본 조각을 단 몇 장부터 수십 장까지 포개어 붙이는 작업이 그 뒤를 잇는데, 하나의 프레임을 이루는 카본은 200장 내외의 많은 조각으로 이루어져 있어서 실수 없이 정확하게 붙일 수 있는 작업 시스템과 숙련도 또한 중요하다.

카본 소재의 차이로 인한 성능 차이도 있겠지만, 얼마나 잘 설계된 카본을 잘 가공하느냐가 프리미엄 제품을 만드는 차이가 될 수도 있다.

이런 과정을 거친 카본은 고온고압의 성형과정에서 그 품질의 변화가 한번 더 만들어진다. 가공 중에 공기가 프레임 내부에 삽입되지 않아야 하고, 프레임을 굳히는데 필요한 레진 외에는 모두 빠지도록 하여 최적의 강성 대비 경량이 이루어져야 한다.
그리고, 정확한 온도와 시간을 통해 완벽한 결과물을 만드는 것 또한 정말 중요한 요소가 된다.

그리고, 가장 마지막 작업은 페인팅이다. 카본 페인팅이 어려운 점은 기존에 많이 사용해 왔던 금속 프레임의 페인팅과 다르게 적용해야 하기 때문이다. 금속에 사용하는 페인팅과 카본 프레임은 온도 변화에 따른 수축팽창율이 다르기 때문에, 과거의 카본 프레임에서 페인트 크랙이 자주 발생되는 원인 중에 하나였다.
최근에는, F1 레이스카처럼 카본으로 만들어지는 자동차와 동일한 페인트를 적용하는 것이 고급 프레임의 기준이다. F1 레이스를 통해 카본과 고속의 스피드에서도 견디는 페인팅이 충분히 테스트 되었고, 최근 고급 프레임들은 F1 레이스카 수준의 페인팅을 적용하는 것이다.

고압과 진공 시스템을 동시에 활용해 최적화된 품질을 유지하려는 노력 등이 요구되기도 한다.
사진은 바쏘의 몰드 작업.

페인팅은 카본과 스피드로 이미 다양한 테스트를 거친 F1 레이스카의 기법을 자전거 프레임에도 활용한다.


강성 높은 자전거가 최고? 그런 편견은 버리자.

위에서 최상급 카본 프레임에 대한 이야기를 했지만, 어떤 프레임의 특성이 더 좋은 것인지에 대한 이야기는 조금 더 복잡하다.
일반적인 로드바이크를 생각하면, 강성이 높은 프레임이 좋다는 견해가 지배적이다. 하지만, 무조건 강성이 높은 프레임이 좋은 것만은 아니다.

바로, 강성과 스피드는 서로 상반되는 특성을 가졌기 때문이다.
강성이 높은 프레임은 가속성능이 좋아진다. 가속성이 좋다는 의미는 속도를 높이는데 유리하다는 것이기에, 일반적으로 더 빠른 자전거라고 오해하기 쉽다. 속도를 높이는데 유리한 강성 높은 자전거는 반대로 빠르게 관성이 떨어지는 경향을 가지고 있어서, 가속은 잘 되지만 그 속도를 유지하기가 쉽지 않다.
그래서, 스피드에 유리한 자전거는 강성을 다소 떨어뜨리고 관성 유지에 더 유리한 순응성을 더하게 되는 것이다.

아직 잘 이해가 되지 않는다면, 풍선과 축구공의 예를 들 수 있다. 풍선은 매우 가볍고 살짝 건드리기만 해도 튀어나가는 가속성이 매우 좋다. 그에 비해 축구공은 무겁고 발로 강하게 차야 멀리 날아간다.
그렇다면 풍선과 축구공 중에 어떤 것이 더 빠를까? 일정 강도 이상으로 공을 찰 수 있다면 축구공이 풍선보다 훨씬 빠르다. 하지만, 풍선은 아주 작은 힘으로도 이동시킬 수 있기에 부담이 적다.
자전거 또한 이와 비슷한 이론이 적용된다. 에어로 바이크는 조금 더 무겁고 강성을 줄여 스피드를 높였고, 업힐에 유리한 자전거는 가볍고 강성을 높여 언덕을 오를 때 힘을 줄일 수 있게 되는 것이다.

강성과 스피드는 서로 상반되는 성격을 가진다.
고강성, 경량 프레임은 가속에 좋아 업힐을 잘 오를 수 있지만, 평지에서 스피드 유지하는 능력이 떨어진다.
대신, 스피드를 유지하기 위한 빠른 자전거는 충분한 순응성과 에어로 설계를 갖춰야만 한다.
그래서, 스피드를 위한 에어로 바이크는 일반적으로 올라운드 레이스 바이크에 비해 강성이 낮게 설계되는데, 가격이 비싼 데 더 강성 낮은(저렴한) 카본을 사용했다는 오해가 생길 수 있는 부분이다.

카본의 설계는 이와 같은 자전거의 성격에 맞추어 강성과 순응성을 설계하기에 쉽다. 알루미늄의 경우는 거의 불가능에 가까운 프레임 강성 설계를 카본에서는 레이어의 수와 디자인, 방향 등을 통해 만들어 낼 수 있게 된다.
그렇기에, 페달링 파워가 전달되는 부분의 강성은 높이고, 지면에서 전달되는 충격을 흡수하는 순응성을 동시에 높일 수 있으며, 에어로 다이나믹 디자인을 적용하고도 충분한 강성과 경량이 가능하게 되었다. 그 결과, 최근 로드바이크는 경량 레이스와 에어로 바이크의 경계가 많이 줄어들었다.
그렇다 하더라도, 스피드를 위한 순응성과 가속을 위한 강성과 경량을 모두 갖춘 프레임을 만드는 것은 어렵다. 자신이 원하는 스타일을 찾고, 그에 적합한 프레임을 고르는 기준을 정하는 것이 자전거를 선택하는 기준이 될 것이다.


브랜드별 최상급 카본 등급

카본은 다양한 소재와 가공의 차이로 등급이 구분되며, 각 브랜드는 자신의 등급 구분을 만들어 그 차이를 만들고 있다.
트렉(TREK)의 경우는 OCLV라는 가공법을 기준으로 하고 있는데, 최상급 로드바이크에는 700 시리즈 OCLV가 적용된다.
자이언트(GIANT)는 어드밴스(Advanced)라는 네이밍으로 카본 제품을 구분하며, 최상급 모델은 어드밴스 SL(Advanced SL)로 부른다.
캐논데일(Cannondale)은 과거부터 많은 개발을 카본에 투자하며 다양한 제품을 생산해 왔고, 현재는 하이-모드(HI-MOD) 시리즈가 최상급 카본을 대표하고 있다.
스페셜라이즈드(Specialized)는 최상급 카본 등급이 따로 정해지지는 않았다. 보통 S-Works 등급의 로드바이크에는 FACT 12r 또는 11r이 적용되며, 앞의 수치가 강성을 의미한다고 보면 된다.
유럽 카본의 명가로 불리우는 룩(LOOK)은 프레임 자체에 등급을 지정하기보다 최상급 카본인 UHM부터 VHM, HM 등의 순으로 어떤 카본이 더 많이 사용되었냐로 그 프레임의 특성을 이야기한다.
큐브(CUBE)는 최상급 카본에 C:68이라는 명칭을 더해 구분하고 있다.
스위스의 대표적인 자전거 브랜드 BMC는 프레임 명칭 뒤에 '01' 숫자로 최상급을 의미한다. 이것은 따로 카본이라는 의미보다는 그 자체로 최고의 프레임을 뜻하는 의미다.
포커스(FOCUS)는 'MAX'라는 네이밍을 이용해 최상급인 'MAX 기술 카본' 활용을 표시하고 있다.
온라인 판매로 잘 알려진 캐니언(Canyon)은 최상급 카본 등급을 CF SLX로 표기해 구분한다. 구매 시 최고의 프레임을 원한다면 CF SLX가 네이밍에 붙은 모델을 찾으면 된다.
메이드 인 이탈리아로 프리미엄을 유지하는 바쏘(Basso)는 디아만테(Diamante) 모델 자체가 최상급으로 사용되며, 프레임에 UCI 강성 테스트 결과 수치를 적어서 최상의 강성 수치를 표시하고 있다.

이 외에도 자전거 프레임에는 카본 원사의 인장강도를 의미하는 톤(T) 단위로 등급을 표시하기도 한다. 현재 거의 최고로 꼽히는 90T부터 60T, 45T 등의 변수가 프레임에 표시되는데, 이렇게 표시되었다 하더라도 최상급 카본은 매우 일부만 사용된다는 점도 인지해야 한다.

트렉의 700 시리즈 OCLV 카본. 소재 뿐 아니라 가공 공법을 최상의 프로세스로 유지하는 것이 700 OCLV의 특징이다. 참고로 OCLV는 카본 최적화를 통해 부피를 최소화시킨다는 의미의 약자다.

포커스는 MAX 카본 기술을 최상급으로 지정하고 있다.

자이언트는 어드밴스(Advanced)라는 명칭으로 카본을 구분하며, 어드밴스 SL이 최상급 모델이다.
어드밴스 SL은 다른 소재 뿐 아니라 프레임 형태까지 다르게 가져가며 확실한 플래그십 모델로 구분되는 것이 특징이다.

스페셜라이즈드는 FACT 카본의 숫자를 더해 등급을 표시한다. 현재 가장 높은 로드의 강성 등급인 fact 12r. 산악은 fact 12m으로 구분한다.

룩(LOOK)은 어떤 등급보다는 각 자전거의 특성마다 가져야 할 강성 및 순응성의 균형이 다르기 때문에, 각 자전거에 따라 구분된 카본 사용 내역을 예로 보여주기도 했다.
이처럼, 하나의 최상급 카본이 들어간 모델이라고 최고의 퍼포먼스를 보여주는 것이 아니라는 것을 뜻하는 내용이다.


카본의 관리와 수명

카본이라는 소재가 가진 가장 큰 특징은 피로누적이 거의 없고 녹이 스는 등의 노화가 거의 없다는 점이다. 이것은 반영구적인 소재라는 의미이기도 하다.10년이 넘은 카본 프레임도 하자가 없다면 초창기와 같은 강성을 가질 수 있다는 것이 카본 프레임의 장점이다.

카본은 기본적으로 매우 강성이 높은 소재이다보니, 견딜 수 있는 충격보다 강한 충격을 받게 되면 크랙 등의 손상이 발생한다. 그리고, 이런 손상은 전체적인 강성 밸런스를 무너뜨릴 수 있고, 점점 손상이 커지면서 프레임이 부러지는 사고까지 이어질 수 있다.
카본 프레임에 있어서 가장 어려운 문제 중에 하나가 이런 크랙이 쉽게 눈에 띄지 않는다는 것이다. 금속 프레임처럼 찌그러지는 등의 외형 변화가 거의 없고, 내부 레이어만 크랙이 가면 아예 외부에서 보이지도 않는다.
그렇기에, 자전거를 세차하면서 꼼꼼하게 프레임을 살펴보는 버릇이 필요하다. 혹시라도 페인팅이 이상하게 들뜨거나 떨어진 부분이 없는 지 등을 살피는 작업이 필요한 것이다.

카본은 매우 강하지만, 견딜 수 있는 충격 이상을 받으면 크랙이 발생한다.
여러 레이어로 만들어진 카본 프레임은 내부 레이어에 크랙이 발생할 경우 외부에 보이지 않기 때문에 라이딩 중 파손으로 인한 더 큰 사고로 이어질 수 있다.
사진은 라이트브라더스의 비파괴 검사.

또, 자주 실수하는 것 중에 하나는 차량에 자전거를 넣고 이동할 때 발생하곤 한다. 자전거가 꽉 들어차게 차 안에 넣은 상태로 문을 닫을 때 타이어가 부딪히게 된다면 힘으로 닫지 말자. 차 문을 닫는 힘과 문의 무게가 더해져 자전거에 전달되고, 자전거는 앞뒤 방향으로 받는 힘에 취약하기 때문에 그 힘에 의해 프레임 크랙이 발생할 수 있다.
자신은 넘어진 적도 없고 어디 부딪힌 적도 없는데 프레임 크랙이 발생했다면, 이와 같은 차량 이동 실수가 만든 것일 수도 있다.

이와 같은 크랙이 의심되는 상황이라면 비파괴검사를 통해 테스트를 해 봐도 좋다. '라이트브라더스'는 이와 같은 비파괴검사를 진행하여 카본의 성능을 인증하는 곳으로, 중고 판매 또는 자신의 프레임 신뢰도 확인을 위해 이용하면 좋은 곳이다.

가볍고 강하고, 다양한 특성을 가졌기에 자전거 프레임에 최적화된 소재가 카본이다.
카본 소재에 대한 이해를 통해 제품의 선택과 관리가 조금 더 나아지기를 바란다.


자전거 프레임의 변화는 지난 100여년간 많이 발전했다. 그리고, 현재는 카본보다 더 나은 소재가 발견되지 못했다. 아마도 더 나은 카본 기술력으로 더 높은 등급의 카본 프레임을 출시할 것이다.
카본 개발자들과 이야기를 하면 아직도 더 나은 프레임 개발을 위한 여지는 남아있다고 말한다. 물론, 과거 10년처럼 빠른 성장은 아니겠지만, 동일한 무게에 더 높은 강성 또는 더 성능 좋은 형태가 개발될 수 있을 것이다.
더 쉽게 오르고, 더 빠르게 달리고, 더 편하게 즐길 수 있는 자전거의 목표는 카본 프레임을 통해 더욱 현실화되고 있다. 앞으로 어떤 소재의 프레임이 또 발표될지 모르겠지만, 카본은 자전거에 있어서 확실한 존재감을 나타낸 소재임에는 틀림없다.



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