카본과 카본휠

2012년 09월호 원고

제목 : 카본과 카본휠

부제목 : 카본휠은 어떻게 만들어지는가?

 

머리글 : 카본 휠을 처음으로 타본 때를 기억하는가? 폭발할 듯한 160psi의 엄청난 공기압을 튜블라 타이어에 밀어 넣고 가벼운 로드레이서에 몸을 얹어 크랭크를 돌렸던 첫 기억은 지금도 생생하다. 그것은 마치 빙판 위에 스케이트 날을 세운 것처럼 미끄러지듯이 도로를 탄다. 크랭크를 힘껏 저으면 어느덧 시속 50킬로미터가 넘는 속도계에 놀라곤 한다. 그 자유로운 느낌은 매력적인 카본휠에 빠져들도록 라이더를 유혹한다.

 

카본휠을 장착하고 지로드이탈리아 대회를 달리고 있는 테일러 피니선수

카본휠은 많은 선수들이 선택하고 있는 장비이다. 알루미늄휠도 매우 훌륭하지만 각 코스의 특성별로 카본휠이 더 적합한 경우도 많다. 사진은 이스턴의 EC90 에어로 휠을 장착하고 달리는 BMC 팀의 테일러 피니(Taylor Phinney)선수이다.

 

우리는 왜 카본휠을 타는 것일까?

카본휠의 장점은 무엇이고 어떻게 만들어지는 것일까? 카본휠은 매우 딱딱하다. 게다가 카본 튜블라 휠의 경우에 130~160 psi의 고압의 공기를 주입하기 때문에 더 딱딱하다. 그래서 어떠한 경우에도 그것은 원(Circle)의 형태를 유지한다. 이렇게 자전거가 지면과 닿는 면적과 최소화하면서 미끄러지듯 구르는 것이 카본휠이다.

그러나 카본휠을 장착하고 타는 라이더를 우리는 자주 만나지 못한다. 카본휠이 단지 비싸서일까? 비싼 것은 사실이다. 자전거의 가격을 논할 때에 이제는 천만 원이 넘는 자전거도 많아졌지만, 몇몇 카본휠은 전체 자전거 가격에서 휠값이 절반을 넘는 경우도 생긴다. 이럴 때에는 카본휠에 자전거를 올렸다는 표현이 더 어울리기도 한다. 카본휠이 널리 보급되지 못하는 이유는 가격 때문만은 아니다.

 

라이트웨이트 오베마이어 골드 한정판

사진의 카본휠은 라이트웨이트 오베마이어 골드 한정판으로 전세계에서 99세트만 공급된다고 한다. 오베마이어의 사인이 들어있으며 특별히 금색으로 액센트를 주어 차별화한 이 한정판의 가격은 천만원이 넘는다.

출처. www.lightweight.info

 

카본휠은 튜블라 형식이 인기다.

카본휠은 클린처 타입도 있으나 튜블라 형식을 더 많이 쓴다. 튜블라 타이어는 일명 통타이어라고 하는데 안에 튜브가 있고 바깥을 타이어가 동그랗게 감싸고 있어서 고압의 공기를 넣을 수 있다. 그런데 이 타이어가 펑크 나면 튜브만 교체할 수가 없고 타이어 전체를 버리고 새로 사야 한다.

단체 라이딩을 갔을 때에 튜블라 타이어에 펑크가 나서 택시를 잡아타고 집에 돌아가는 동호회장님을 본 적이 있다. 튜블라 타이어는 고압의 공기를 쓸 수 있다는 장점이 있지만, 반대로 현장에서 응급처치가 되지 않기 때문에 라이딩 자체를 중단해야 하고 자동차에 자전거를 싣고 집에 가는 수 밖에 없다. 물론 튜블라 타이어를 따로 말아서 자전거에 장착하고 타는 라이더들도 많이 계신다. 하지만, 튜브와 타이어가 같이 붙어있는 튜블라 타이어의 무게는 160~260 그램인데 그 동안 해왔던 모든 경량화의 노력을 비웃을 지도 모른다. 게다가 펑크가 났을 때에는 길거리에 앉아서 본드칠을 하고 있어야 한다.

 

투포 튜블라 타이어

700c 로드레이스용 타이어로 200 psi의 고압의 공기를 넣을 수 있다. 일반 승용차의 공기압이 30 psi 정도니까 200 psi는 자동차 타이어보다 6배 이상 고압의 공기를 넣을 수 있는 셈이다. 이렇게 튜블라 타이어는 높은 공기압을 유지하면서 주행할 수 있다는 장점이 있다.

(출처. www.tufo.com)

 

카본 클린처 휠은 왜 튜블라보다 더 드물까?

카본 클린처 휠은 타이어를 잡고 있어야 하는 클린처 형상 때문에 카본 튜블라 휠보다 무거울 수 밖에 없다. 게다가 카본으로 클린처 부분을 만드는 것이 쉽지 않기 때문에 가격도 튜블라 휠에 비해서 비싸진다. 그리고 튜블라에 비해 고압의 공기(130psi 이상)를 넣을 수 없는 경우가 대부분이다. 무겁고 비싸기 때문에 많은 사람이 선택하지 않지만, 카본 클린처 휠에도 선택할 만한 장점은 충분히 많다. 먼저 작은 펑크에 대한 수리 부분이다. 일반 알루미늄 휠처럼 튜브만 갈아 끼고 타이어는 버리지 않아도 된다. 두번째는 타이어와 림이 만나는 면적이 튜블라에 비해 넓기 때문에 림과 타이어 사이에서 일어날 수 있는 힘 손실이 적다.

 

카본휠 최대의 적은 오버히팅

카본휠은 또다른 약점은 오버히팅으로부터 자유롭지 못하다는 점이다. 카본휠은 섭씨 125~135도에서 성형이 되는데 우리가 브레이크를 잡을 경우에 브레이크 패드와 맞닿는 부분이 130도 이상이 되면 그 부분의 카본 조직이 손상되기 시작한다. 이것은 카본섬유의 잘못이 아니라 레진(Resin)이 주된 원인이다. 카본섬유는 열에 매우 강한 편이며 탄화되는 온도가 800도 이상이기 때문에 130도에는 반응하지 않는다. 카본이라고 할 때 우리는 카본 복합재 또는 카본섬유 강화 플라스틱을 줄여서 말한 것이기 때문에 문제는 플라스틱에서 나온다. 그 플라스틱이 레진이다. 그래서 카본휠을 사용한다면 다운힐에서 브레이크를 지속적으로 잡지 말고 나눠서 잡거나 최소한만 잡아야 하며 브레이크 패드는 꼭 제조사가 권하는 전용 카본림 브레이크를 사용해야 한다. 사용해서 속도를 줄이라고 있는 것이 브레이크인데 이것을 아껴가며 잡으라니 아이러니하다.

 

카본휠의 오버히팅 현상

주행 중 브레이크 패드와의 마찰면에서 고열이 발생하면 사진에서 보는 바와 같이 카본조직에 손상이 가게 된다. 이 현상은 가격의 높고 낮음과 상관 없이 거의 모든 카본휠에서 나타나는 현상이며 이를 막기 위해서는 브레이크를 최소한으로 잡거나 중간중간 끊어 잡도록 한다. 특히 내리막 코스가 연속되어 매우 길 경우에는 주의를 기울여야 한다. 그리고 브레이크 패드는 카본휠 제조사가 권해주는 카본 전용 브레이크패드를 사용한다. 

 

카본휠을 만드는 회사가 적은 이유

왜 카본휠은 카본프레임만큼 다양하지 못한 걸까? 카본휠을 만드는 회사는 왜 카본프레임을 만드는 회사보다 적을까? 카본휠하면 떠오르는 회사는 열손가락 안에 꼽을 수 있을 것이다. 열손가락이 부족하다면 정말 카본휠에 대해서는 전문가라 할 수 있겠다. 그 회사는 짚, 깜파놀로, 펄크럼, 마빅, 레이놀즈, 이스턴, 라이트웨이트, 시마노, 디티 스위스 등이다.

카본휠을 만드는 기술은 카본프레임을 만드는 기술과 다르다. 어느 쪽이 우위의 기술이라고 단정하기 보다는 서로 닮은 점이 많지 않다. 카본휠은 기본적으로 항상 고속으로 회전하고 있다. 그렇기 때문에 휠의 중심으로부터 단면을 살펴봤을 때에 항상 고르게 카본 섬유와 레진이 분포해야 하고 카본 섬유의 적층각도 일정하게 나와야 한다. 프레임은 부분별로 다른 적층 레이어의 숫자를 가지며 레진의 함량도 부분별로 다르다. 그래서 카본휠과 카본프레임을 동시에 같이 만드는 공장은 거의 없다. 두 기술이 다르다 보니 휠만 만들기에도, 프레임만 만들기에도 바쁜 것이다.

 

개와 충돌한 후 파손된 카본휠

2007년 7월 17일에 뚜르드 프랑스에서 한 선수가 지나가던 견공과 충돌하는 장면이다. 사진의 휠은 라이트웨이트 카본휠인데 라이트웨이트는 로드레이서가 고속으로 달릴 수 있게끔 아주 잘 만들어진 휠이지만, 개와의 충돌까지 대비하여 설계하지는 않는다. 선수는 시합을 망쳤겠지만, 의외로 개는 멀쩡하게 일어나서 가던 길을 갔다.

 

카본휠 제조는 대부분 수작업으로 이루어진다.

많은 카본 제품들이 그러하듯이 카본휠도 자동화된 생산라인에서 나오기보다는 수작업에 많이 의존한다. 독일의 라이트웨이트의 경우에는 하나의 휠이 완성되기까지 2주의 시간이 걸리고 그보다 많이 만드는 미국 이스턴의 경우에는 공장이 멕시코에 있는데 완성까지 약 7시간이 걸린다고 한다. 라이트웨이트의 카본휠셋은 하나의 공예품에 가까운 수준이라고 보여진다. 게다가 프리드리히샤펜이라고 하는 독일 남부 지방에서 자국 내 생산을 고집하고 있으니 가격이 비싼 이유가 있다. 참고로 프리드리히샤펜은 해마다 유로바이크가 열리는 곳으로 유로바이크의 라이트웨이트 부스에서는 수석엔지니어인 오베마이어를 만날 수 있다. 세계 각지에서 날아온 라이트웨이트의 젊은 라이더들과 질문과 답변을 친절하게 나누는 어르신을 만나면 우리도 저런 역사와 전통을 가져야 겠다는 부러운 생각이 든다. 

 

카본휠을 만들 때 고압의 공기로 레진을 밀어낸다.

그럼 다시 제조로 넘어가보자. 카본휠을 제조할 때에는 고압의 공기를 사용한다. 고압의 공기가 하는 역할은 카본림을 제조할 때에 레진을 최대한 밀어냄으로써 잔존하는 레진의 양을 최소화하는 것이 첫번째이고 두번째는 카본 복합재 안에 마이크로 버블 등의 보이드(Void)를 없애기 위함이다. 카본 복합재를 성형할 때에는 레진과 섬유사이에 눈에는 보이지 않는 공기방울이 끼어드는 부분과 섬유와 레진이 안정적으로 링크되지 않는 부분이 발생하는데 이것이 복합재의 구조를 약하게 하는 보이드이다. 보이드를 고압의 공기로 밀어내서 좀더 튼튼한 구조를 만들 수 있다. 보이드가 많이 있는 카본복합재에서는 그곳으로부터 크랙이 발생할 가능성이 높아지기 때문이다.

그러므로 카본휠을 금형에서 꺼낼 때에 누런색 플라스틱이 카본림 주변부에 붙어있는 것을 볼 수가 있는데 이것이 바로 고압의 공기로 짜낸 에폭시이다. 이 여분의 레진은 모두 손이나 기계로 떼어낸다.

 

카본림 제조를 위한 금형 단면

좌측이 튜블라 형태의 카본림을 제조하기 위한 금형 단면이고 우측이 클린처 타입이다. 클린처는 안쪽 금형(Inner Mold)의 형상이 복잡해지기 때문에 금형의 제작비도 비싸지고 카본시트 적층 공정의 난이도가 높아서 제품이 비싸진다. 빨간색 부분이 카본이 자리하는 곳이며 노란색은 공기압을 불어넣어 형태를 만들고 안을 비워서 가벼워지도록 하는 부분이다.

출처. www.focus-carbon.com

 

이스턴은 자신들의 제조과정을 오픈했다.

최근 이스턴(EASTON)사는 카본림을 성형하는 과정을 자신들의 홈페이지(www.eastoncycling.com)를 통하여 공개하였는데 동종 업계에 몸 담았던 필자로서는 그들의 용기있는 행동에 찬사를 보내고 싶다. 카본림을 제조하는 과정은 각 회사의 소중한 노하우가 담겨있어서 극도로 외부에 노출을 꺼리는데 이스턴은 꽤 상세하게 자신들의 공정을 공개하였다.

특히 유디카본 프리프레그시트(UD Carbon Prepreg Sheet)를 가지고 프리폼(Pre-Form)을 적층하는 공정은 이스턴사의 기술적 진보가 담겨있는 부분이라고 보여진다. 유디카본 프리프레그시트란 한쪽방향으로 카본섬유가 일정하게 되어있는 한 장의 시트를 말한다. 이 시트에는 30~50% 가량의 에폭시 레진이 발라져있다. 이스턴은 금형에 바로 카본시트를 적층하는 것이 아니라 먼저 반원형태의 라텍스에 시트들을 적층하여 형태를 잡는다. 그리고 그것을 냉장고에 넣어서 식힌 후 낮은 온도에서 형태가 줄어든 라텍스를 제거한다. 그리고 반원형태를 원형으로 잡는다. 그 다음에 금형에 프리폼을 장착하고 굽는다. 굽는 것과 동시에 공기압을 가해주는데 여기에서의 굽는 온도와 시간, 공기압은 카본휠 제조업체마다의 기술력이 담겨있는 부분이어서 공개되지 않는다.

 

카본휠에서 중요한 것은 스포크의 텐션이다.

스포크의 텐션이 높을수록 휠의 느낌은 딱딱해지만, 경기력에 있어서는 페달링의 파워에 대한 손실 없이 최대한 성능을 발휘할 수 있는 조건이 된다. 성형된 카본림에 스포크를 장착하기 위해서는 부득이하게 구멍을 뚫어야 하는데 그 구멍 뚫린 부분부터 크랙이 발생할 가능성이 높다. 그래서 카본휠의 바깥쪽은 니쁠을 조정할 수 있도록 큰 구멍을 만들고 안쪽에는 스포크 철사만 지나갈 정도로 작은 구멍을 뚫어서 홀의 크기를 최소화한다. 이렇게 되면 니쁠이 림 안쪽에 숨게 되어 공기역학적인 이점이 있고 작은 구멍을 통하여 더 세게 스포크를 당길 수 있다. 하지만 휠을 정비할 때에는 니쁠이 안에 숨어있기 때문에 매번 타이어를 뜯어내야 하는 불편함도 감수해야 한다. 하지만, 선수라면 그 정도 불편함을 무릅쓰고서라도 성적을 내야 하기 때문에 큰 단점은 될 수 없다.

 

이스턴의 카본휠 제조 과정

 

1단계. 카본 재료 준비 및 패턴 커팅

카본 프리프레그 시트를 일정한 크기로 먼저 자른다. 커팅한 시트에 플라스틱 비닐을 압착한 후에 이 재료를 레이저 커팅기에 넣고 설계한 패턴에 맞게 또 다시 커팅한다.

카본 프리프레그 시트에는 카본 섬유와 함께 에폭시 레진이 30~50% 정도 섞여있기 때문에 작업과정에서 다루기가 용이하다. 카본 섬유 자체는 매우 가늘기 때문에 종이처럼 일정한 형태를 가지게끔 하려면 이와 같이 에폭시를 함께 바르고 기름종이를 뒤에 대서 스티커 용지처럼 만드는 것이 필요하다.

 

2단계. 프리폼제작을 위한 적층

금형에 넣기 전에 카본림의 형상을 만드는 것을 프리폼(Pre-Form) 작업이라고 한다. 프리폼을 만들기 위해서는 반원형상의 라텍스를 준비하고 이것을 카본시트로 적층하는 과정이 필요하다.

이때에 원의 어떤 각도에서도 동일한 카본의 적층각이 나와야 하기 때문에 정밀한 패턴설계는 필수이다. 반씩 적층한 프리폼을 냉장고에 넣고 식히면 안쪽에 라텍스는 형태가 줄어들어서 제거하기가 용이해진다.

라텍스를 제거한 후에는 반원 두개를 합쳐서 원으로 만든다. 연결부위는 추가로 카본시트를 적층하여 이어준다. 카본휠을 제조하는 공정에 있어서 이렇게 프리폼을 제작하는 작업장은 일년 내내 일정한 온도가 유지되고 가장 고급인력이 배치되며 그만큼 중요하다.

라텍스를 제거한 프리폼 안쪽에는 비닐튜브를 넣어서 구울 때 공기압으로 카본을 금형에 밀착시키게 된다. 이 비닐튜브를 에어 블래더(Air Bladder)라고 하는데 이 안으로 고압의 공기가 꽉 차서 카본림의 형상이 구현되도록 한다.

 

3단계. 금형에 넣고 굽기

전단계에서 제작된 프리폼을 금형에 넣는다. 굽기 전에는 금형의 온도를 면밀하게 체크하는데 이 온도가 제품의 품질에 지대한 영향을 미치기 때문이다. 적정한 온도로 굽지 않을 경우에는 불량품이 나오게 된다. 이 굽는 작업을 전문용어로 큐어링(Curing)이라고 한다.

금형은 여기서 두가지 역할을 하게 되는데 하나는 카본림의 형상을 만들어주는 것이고 또 하나는 공기주머니에 꽉 찬 공기를 견디는 내압기능이다.

 

4단계. 금형에서 꺼낸 후 레진제거 및 드릴링

고압의 공기로 레진을 밀어냈기 때문에 금형에서 막 꺼낸 카본림 주변에는 여분의 반투명한 레진이 남아있게 된다. 이렇게 흘러 넘치면서 굳은 레진은 손이나 기계로 제거한다.

제거한 후에는 스포크 장착을 위하여 드릴링을 한다. 바깥쪽은 니쁠이 들어갈 수 있게끔 큰 구멍을 뚫고 안쪽은 스포크만 지나갈 정도의 작은 구멍을 뚫는다.

 

5단계. 샌딩 및 데칼작업

금형에서 막 꺼낸 카본림은 이와 같이 표면의 품질이 일정하지 않고 나중에 클리어 코팅으로 페인팅까지 해야 하기 때문에 표면을 사포로 일정하게 갈아내는 작업을 한다. 이 작업을 샌딩이라고 하는데 카본가루가 날리기 때문에 물과 함께 작업하여 분진발생을 막는다. 에폭시 레진은 방수재로 쓰일 정도로 방수효과가 뛰어나기 때문에 물과 함께 작업을 해도 제품의 품질에는 지장이 없다.

형상을 잘 다듬은 다음 데칼을 붙이고 클리어코팅작업을 하여 먼지나 화학물질 등으로 인한 변화를 막는다. 각각의 작업에는 10~20분 정도 70~80도 정도의 상대적으로 약한 온도에서 굽는 작업이 들어간다.

 

6단계. 휠빌딩

스포크와 허브를 조립하여 카본림을 카본휠로 만든다. 카본휠의 품질에 있어서 스포크를 얼마나 세게 당기느냐는 매우 중요한 요인이기 때문에 스포크 텐션을 최대한 올리는 작업을 한다.

고르게 텐션이 걸렸는지를 체크하기 위하여 트루잉 전문 미케닉들은 헤드폰을 통하여 들려오는 소리가 일정한지를 기준으로 휠빌딩의 완성도를 높인다.

 

7단계. 제품검수 및 포장

가장 중요하게 보는 것은 휠의 외관이다. 이것은 상품성을 결정하기 때문인데 라이더들도 예쁘게 마무리 되지 않는 물건에 대해서는 아무리 성능이 뛰어나더라도 의심의 눈초리부터 보내기 때문이다.

다음은 트루잉의 상태이다. 이것을 보기 위하여 검수자는 모든 스포크의 텐션을 일일이 다시 측정하여 데이터 베이스로 저장한다. 모든 제품에는 시리얼넘버가 있으므로 카본휠이 전세계의 라이더를 주인으로 만나더라도 어떤 상태로 출고되었는지 관리된다.

(출처. www.eastoncycling.com)

  

마치며

이상으로 카본휠의 특징과 함께 제조하는 과정까지 살펴보았다. 몇 가지 단점이 있지만, 카본휠은 라이더에게 매력적인 파트이다. 특히 높은 프로파일의 카본휠이 주는 안정감은 장거리 라이딩에 있어서 큰 장점을 주며 내리막길, 어택 등의 다양한 상황에서 위축되지 않고 공격적인 라이딩을 가능하게 해준다. 비록 사용자수가 폭발적으로 늘지는 않겠지만, 다른 소재가 주지 못하는 카본만의 장점으로 카본휠은 지속적으로 사랑 받을 것이다.