카본 자전거 생산의 미래

2012년 6월호 자전거생활 원고 

 

컬럼제목 : Carbon Story

 

제목: 카본 자전거 생산의 미래

부제: 카본 자전거는 새로운 기술의 영향을 받아 생산방식이 변화될 것이며 그 결과 전체 자전거시장에 미치는 영향도 달라진다.

 

 

덴마크 바이오메가의 LDN 자전거

카본 자전거의 미래를 그린 듯한 LDN자전거이다. 프레임 소재는 카본 복합재이며 독특한 디자인으로 눈길을 끈다. LDN은 런던(London)을 의미한다. 바이오메가는 그들의 자전거에 베를린, 보스턴, 코펜하겐 등 대도시의 이름을 지어주는데 그 이유는 도시의 이동수단(Urban Tool)이자 도시를 아름답게 하기 위한 목적(Furniture for Urban Locomotion)으로 자전거를 만들기 때문이다. LDN 자전거는 세계적인 디자이너 로스 러드그로브(Ross Lovegrove)가 디자인한 것으로 자연을 닮은 유기적인 선들이 살아있다.

(출처. www.biomega.dk)

 

 

머리글: 불과 5년 전만해도 높은 가격으로 엄두도 낼 수 없었던 카본 자전거가 최근에는 그래도 한번 노려볼 만한 가격으로 내려왔다. 아직도 부담스러운 가격인 것은 사실이지만, 점점 더 빨리 저렴해지고 있다. 가격뿐만 아니라 디자인과 성능 또한 많이 바뀌어 왔는데 앞으로 카본 자전거가 어떻게 변모할지는 라이더 모두의 관심사가 아닐까 한다. 이번 호에서는 카본자전거의 미래에 대해서 카본복합재라는 소재를 기준으로 알아보도록 하자.

 

 

카본 자전거는 친환경을 고민하고 있다.

지구 온난화와 이산화탄소의 배출은 매일매일 텔레비전 뉴스를 장식한다. 그런데 '이산화탄소배출'이라는 단어의 '탄소'도 카본이다. 카본 자전거는 친환경적인 것일까? 카본소재가 아직은 재활용되지 않으므로 친환경과는 거리가 있어보인다. 그래서 카본자전거는 카본 이외의 천연섬유소재를 자전거에 불러들여왔다. 이 천연섬유복합재를 NFC(Natural Fiber Composites)라고 한다.

미국 슈윈(Schwinn)의 배스티지(Vestige)라는 자전거를 보자. 이 흥미로운 자전거는 천연 섬유를 소재로 채택하였는데 플랙스 화이버(Flax Fiber)라고하는 아마(亞麻)섬유이다. 이 섬유는 충격흡수, 인장강도 측면에서 뛰어난 물성치를 가지고 있다. 또한 자연계에서 스스로 분해(Biodegradation)되는데 바꾸어 말해 폐기하였을 때에 썩어서 없어질 수 있다.

베스티지는 탑튜브와 다운튜브 등에 이 섬유를 사용하여 반투명하게 처리하였다. 그리고 이 튜브 안에 LED전구를 심어서 야간에 주행할 때에 튜브 자체가 빛을 발광하는 효과를 구현하였다. 야간라이딩의 안전을 고려한 것 뿐만 아니라 디자인적으로 신비로운 아름다움 또한 연출하였다.

플랙스 화이버의 강성(Stiffness)이 충분하지 못하여 비비쉘과 헤드셋 등에는 카본섬유를 부분적으로 사용하였다. 그래도 전체 자전거에서 플랙스 섬유가 차지하는 비율은 80%에 달한다. 생활자전거에 1,470달러(한화로 약 166만원)라고 하는 가격이 약간 부담스러울 수 있지만, 자전거에 대한 친환경 이노베이션의 결과물이고 그 독특함을 생각한다면 충분히 매력적이다. 이 자전거는 2010년 유로바이크 전시회에서 이노베이션 디자인 부문 금상을 수상하였다. 베스티지는 카본자전거의 미래 중에 하나이다.

 

 

플랙스 화이버를 이용해 만든 슈윈의 베스티지 자전거

좌측의 사진이 자연에서 추출한 플렉스 섬유이다. 슈윈 베스티지이는 이 섬유를 이용하여 만들었으며 탑튜브와 다운튜브의 노란색 부분이 플랙스 섬유이다. 발전할 수 있는 다이나모가 허브에 장착되어 있어서 밤에 라이딩할 때에는 우측사진에서 보는바와 같이 탑튜브와 다운튜브에서 빛을 내어 신비로운 느낌을 준다. 

(출처. www.schwinnbikes.com)

 

 

숙련된 서람의 손이 가장 효과적이다.

현재는 사람손으로 카본 자전거를 만드는 방법이 훨씬 저렴하고 다양한 모델을 제조하는데 있어서도 장점을 가진다. 사람손으로 만든 카본 제품은 품질이 떨어지는 것일까? 모든 제품의 분야가 그러하듯이 최고의 제품은 사람손으로 만든다. 카본섬유에 에폭시레진이 함유되어있는 카본프리프레그는 수작업으로 고성능을 구현해왔다. 또한 다양한 설계가 가능한데 안쪽에 카본프리프레그 시트를 한두장 더 대거나 각도를 바꾸는 것만으로도 상당히 다른 카본자전거를 만들 수가 있는 것이다. 예를 들어 겉모습은 똑같아도 안쪽의 카본레이어의 적층구조와 레이어의 수를 다르게 함으로써 다른 성능의 자전거를 만들 수 있다. 이렇게 동일한 금형을 가지고 카본프레임 또는 카본휠을 전혀 다르게 만들 수 있는 점은 카본소재와 수작업의 큰 장점이다.

프랑스의 시팍(Cyfac), 미국의 팔리(Parlee), 캐나다의 구루(Guru) 등이 커스텀 카본 자전거를 제조하는 회사들이다. 라이더의 주문에 맞추어 카본 프레임의 지오메트리, 커스텀 페인팅의 서비스를 제공한다. 이들은 수십 년간 특화된 고가 틈새 시장에서 성공을 거두어 오고 있다.

 

 

프랑스의 시팍, 미국의 팔리, 캐나다의 구루 자전거

중국, 대만에서의 OEM 생산을 거부하고 자국 내에서 커스텀 자전거를 만드는 회사들이다.  카본 자전거도 양산이 아니라 하나하나 라이더의 특성에 맞출 수 있다는 점을 보여주고 있으며 고가의 하이엔드 시장에 자리를 잡고 있다. OEM방식 생산이 아니라는 것을 보여주기 위하여 이들은 생산과정에 자국인이 직접 손으로 작업을 하고 있는 사진을 강조한다.

(출처. www.cyfac.fr, www.parleecycles.com, www.gurubikes.com)

 

 

카본 자전거가 많아지려면 가격이 저렴해야 한다.

카본섬유가 매우 비쌀 때에는 우주선과 비행기에 쓰였고 가격이 저렴해지면서 점점 자전거를 비롯한 레저장비에도 적용되었다. 향후에 쏘나타와 같은 양산자동차의 차체에 카본부품이 대거 들어갈 정도가 된다면 소재의 가격이 정말 저렴해졌다고 말할 수 있겠다. 그런 날이 언제쯤 올까? 아직은 알 수 없다. 한국, 중국, 대만 등에서 본격적으로 카본 생산량을 늘린다고 해도 카본섬유는 1킬로그램당 가격을 기준으로 했을 때에 가장 비싼 소재 중에 하나이다. 카본섬유의 가격이 시간이 흐를 수록 저렴해지고 있는 것은 사실이지만, 짧은 시간 내에 획기적으로 내려갈 수는 없다. 

그러나 주목해야 할 것은 카본 자전거에서 카본 소재 비용 자체는 크게 차지하지 않는다는 사실이다. 대부분의 비용은 인건비로서 카본을 적층(Wrapping)하는 작업, 카본시트를 패턴에 맞게 커팅(Cutting)하는 작업, 적층된 카본을 금형에 세팅하고 탈거하는 작업, 구워진 카본을 샌딩(Sanding)하는 후공정 작업 등이 대부분 사람의 손으로 이루어지기 때문이다. 이러한 인건비의 비중을 낮춘다면 카본자전거의 가격은 하락할 것이다. 사람손 대신 기계를 통한 자동화와 대량생산이 해답일 수 있다. 그럼 카본자전거 생산에 있어서 수작업이 아닌 자동화가 가능할까?

 

 

카본 섬유 시장의 성장 예상표

카본 섬유에 대한 산업용 수요가 크게 증가할 것을 예상하고 있는 도레이 2008년 자료이다. 산업용 중에 에너지, 안전, 환경에 대한 이슈는 풍력발전기, 항공기 경량화, 자동차 부품 등을 예로 들 수 있다. 폭발적인 수요 증가에는 그 만큼 카본 섬유에 대한 저렴한 공급이 따라주고 있기 때문에 가능하다.

(출처. www.toray.com)

 

 

카본 인젝션 기술은 자동화의 한 방법이다.

긴섬유가 아닌 짧은 섬유를 레진과 섞은 다음 이 복합재를 사출기에 넣어 찍어내는 것이 카본 인젝션(Carbon Injection)방법이다. 사출기는 플라스틱을 찍어낼 때에 많이 쓰는 생산장비이다. 플라스틱이 되는 원재료인 펠렛(Pellet)을 녹여서 액체로 만들고 이 액체를 노즐을 통해서 빠르게 쏘아 금형을 채운다. 채워진 플라스틱을 마찬가지로 빠르게 냉각하여 꺼내면 플라스틱 제품이 나오는 것이다. 일상생활에서 마주치는 대부분의 플라스틱 제품은 사출을 통해 대량생산한 것이다.

카본복합재는 기본적으로 사출이 불가능하다. 카본복합재는 카본섬유와 에폭시레진으로 이루어져있는데 에폭시레진은 좁은 사출구를 통과할 수 있지만, 카본섬유는 매우 길게 연결이 되어있으므로 엉켜서 사출구를 통과하지 못하거나 하나의 제품을 성형한 후에 카본섬유가 잘 끊어지지 않아서 생산성이 현저하게 떨어진다.

그래서 사람들은 어떻게하면 사출의 장점을 카본 복합재에 연결시킬 수 있을까를 고민하였고 그 해답으로 나온 제조방법이 짧은 섬유를 인젝션하는 방식이다. 즉, 카본섬유를 일정한 길이로 끊고 이것을 열가소성 수지(일반적으로 카본자전거의 소재인 카본프리프레그에는 열경화성수지를 써왔다.)와 함께 굳혀서 펠렛을 만든다. 이 펠렛들이 사출구를 통과할 수 있게 하여 대량생산이 가능하게 한 것이다. 이러한 카본 펠렛을 재료로써 제조하고 공급하는 대표적인 기업은 일본의 도레이(Toray)이며 산업의 수요가 창출되면서 도레이 이외에도 다양한 업체들이 이 재료를 공급하고 있다.

카본 인젝션을 이용하여 만든 제품으로는 마구라(Magura)의 MT8 브레이크가 있는데 브레이크 레버와 마스터 실린더가 카본복합재로 만들어졌다. 시마노의 듀라에이스 페달 PD-7900도 카본 인젝션으로 제조하였다. 이러한 제품들에는 일반적인 카본제품 표면에 드러나게 되는 카본 특유의 체크무늬 패턴이 없다.

 

 

카본 펠렛의 두가지 구조

도레이가 제공하고 있는 카본 펠렛의 두 가지 구조이다. 하나는 상대적으로 긴 카본 섬유를 한 방향으로 끊어서 레진과 함께 굳혀 만든 것이고 또 하나는 더 짧은 카본 섬유를 일정한 방향 없이 섞어서 레진과 함께 만든 것이다. 이 펠렛들은 사출기에 넣어 플라스틱처럼 제품을 찍어낼 수 있다는 점에 있어서 수작업의 한계를 극복할 수 있는 재료이다.  

(출처. www.toray.com)

 

 

마구라의 MT8 브레이크와 시마노의 듀라에이스 PD7900 페달

카본 인젝션 방식으로 생산한 두가지 제품이다. 일반적으로 카본 레이어를 한장한장 적층하여 만든 것이 아니라 카본 인젝션 방법을 사용하여 제조한 제품이다. 마구라는 유압이 작용하는 마스터 실린더의 안쪽 형태까지 카본복합재로 정교하게 맞추었는데 적층방법으로는 쉽지 않은 형태이다.

(출처. www.magura.com, www.shimano.com)

 

 

방직기를 이용한 자동화 기술도 부각되고 있다.

위빙머신(Weaving Machine)이란 방직기를 말하는데 실이나 섬유로부터 천을 짜내는 기계를 말한다. 브레이딩(Braiding) 머신이라고도 한다. 이러한 위빙머신에 컴퓨터를 연결하여 섬유의 각도와 형상, 두께 등을 컨트롤하면서 자전거의 프레임을 짤 수 있다. 원리는 양말을 방직하는 방직기와 같지만, 섬유를 카본으로 바꾸고 자전거에 맞게 설계함으로써 새로운 제조방식이 개발된 것이다.

위빙머신으로 자전거를 제조하는 선구적인 기업으로는 독일의 뮌헨컴포지트(Munich Composites GmbH)가 있는데 이들이 제조한 브레이드(Braid) 자전거를 주목할 필요가 있다. 브레이드란 영어로 '실을 꼬아서 리본, 땋아내린 뒷머리' 등의 뜻을 가지고 있다. 이렇게 자전거 프레임형상으로 브레이딩(Braiding)한 카본섬유를 금형에 넣은 다음 레진을 강한 압력으로 밀어넣어서 구워낸다. 일반적인 카본 프리프레그 시트를 적층하는 방법과 공정은 달라질 수 밖에 없다.

자동차에서는 일본의 렉서스(Lexus)가 LF-A라는 스포츠카를 제조하는데 있어서 이러한 방직기(Weaving Machine)를 사용하여 카본복합재를 차량에 적용하였다. 특히 에이필러(A-Piller)를 방직하는 동영상은 유튜브(YouTube)를 통해 공개되어 자동차 매니아와 복합재전문가들에게 큰 반향을 일으킨 바 있다.

 

 

3차원 카본 직조기로 만든 브레이드 자전거

위 사진은 뮌헨컴포지트의 브레이드(Braid) 자전거이고 아래 사진은 카본 섬유를 이용하여 프레임 튜빙을 직조하는 장면이다. 직조 과정을 통하여 정교하게 섬유의 방향과 형태를 제어하며 균일한 품질의 자전거 부품을 제조할 수 있다. 현재는 3차원 카본 직조장비의 가격이 매우 비싸서 수작업으로 제조한 제품보다 자전거의 가격이 높다.

(출처. www.braid-bikes.de)

 

 

렉서스 LF-A와 3차원 카본 직조기

렉서스의 고성능 스포츠카인 LF-A는 카본 복합재가 차체의 많은 부분을 차지하고 있는데 그 중 에이필러를 카본섬유로 직조하는 장면이 유튜브에 공개되어 화재가 된 바 있다. 카본 섬유를 직조하여 형태를 만들어나가는 과정은 자전거 프레임의 튜빙을 직조하는 것과 크게 다르지 않다.

(출처. www.braid-bikes.de)

 

 

자동화가 주는 이점은 여러 가지가 있다.

자동화의 가장 큰 장점은? 균일한 품질의 자전거를 대량생산할 수 있다는 점이다. 사람손으로 생산해도 균일한 작업으로 대량생산은 가능하다. 하지만, 카본의 경우에 여러장의 카본시트를 정해진 각도로 각각 정교하게 붙어야 하는 점이 있고 작업 중에 사람손의 기름기나 머리카락, 먼지 등 이물질이 섞이면 안되기 때문에 엄격한 작업관리가 수반된다. 작업장의 온도와 습도도 365일 일정해야 한다. 균일함을 최고의 수준으로 유지하려면 이러한 작업관리가 필요한데 이 모든 것이 비용이다. 위빙머신을 사용할 경우에는 기계가 입력된 데이터에 따라서 섬유의 각도를 정확하게 제어하기 때문에 매번 직조하는 프레임은 완전히 동일한 성능을 갖는다. 이러한 장점을 양산자전거 생산에 적극적으로 도입한 곳은 스위스의 BMC다.

 

 

BMC는 위빙머신을 적극적으로 도입하였다.

BMC는 임펙(Impec)이라는 하이엔드 로드바이크 모델을 위하여 위빙머신과 로봇설비를 스위스 내에 구축하였다. 대만, 중국에서 OEM생산하지 않고 자동화 설비를 통하여 자국 내에서 생산을 시작하였다. 생산과정에서 사람이 범할 수 있는 실수를 최대한 배제함으로써 무결점의 완벽한 자전거를 제조하겠다는 것이 그들의 목표이자 마케팅 포인트이다. 프레임을 구성하는 각각의 튜빙을 위빙머신으로 방직하고 연결부위는 또다른 복합재를 이용해 접합하였다.

임펙은 완성차 기준으로 천만 원 가까이하고 임펙 람보르기니 모델(Impec Lamborghini Edition)은 삼천만 원에 육박하는 등 매우 높은 가격에 포지셔닝 되어있다. BMC는 사람의 손을 최소화하여 완벽한 자전거를 만들었다는 점 때문에 높은 가격을 책정하였다. 이것은 로봇을 이용한 자동화 생산 자체가 초기 단계여서 시설비와 개발비에 막대한 자금이 투여되었기 때문이다. 만일 이러한 카본자전거 생산에 있어서 기계를 이용한 자동화가 성공적인 케이스로 검증되고 다른 업체들도 자동화를 적극적으로 도입한다면 카본 자전거의 가격은 충분히 떨어질 수 있다. 3~5년 후면 자동화에 대한 명확한 움직임이 포착 될 것이다.

자동화를 통한 대량생산으로 카본 자전거가 저렴해진다면 더 많이 보급될 수 있는데 로드바이크와 산악자전거 등 전문 스포츠 자전거뿐만 아니라 고급형 생활자전거나 전기자전거에도 폭넓게 적용이 될 것이다.

 

 

BMC의 임펙 람보르기니 모델과 3차원 카본 직조기

카본 직조 장비를 이용하여 제조하는 것이 현재로서는 하이엔드에 맞추어져 있다. BMC의 임펙 람보르기니 모델은 30대만 한정생산하고 20,000 유로(€)의 높은 가격에 위치시켰다. BMC는 스위스에 설비를 구축하여 메이드 인 스위스(Made in Switzerland)를 마케팅 포인트로 삼고 있다. 

(출처. www.bmc-racing.com)

 

 

마치며

대략적으로 '카본 자전거 생산의 미래'라는 거창한 타이틀에 대해서 알아보았다. 필자의 개인적인 생각과 예측이 대부분이므로 사실 향후에 어떤 일이 벌어진다는 것을 확신할 수는 없다. 하지만 한 명의 라이더로서, 그리고 카본소재에 관심이 많은 사람으로서 미래를 점쳐보는 것은 하나의 기분 좋은 자극이다. 맞고 틀리고는 부차적인 이야기이므로 독자 여러분께서도 다양한 예측을 해보시면 라이딩은 더 즐거워질 것이다.