스크랩 비싼 티타늄 프레임이 좋다..하지만.....넘 비싸다....프레임의 재질과 수명...

[도농에니멀]

프레임의 재질

프레임을 제작하는데 사용되는 재료는 크게 강철, 알루미늄, 카본 (Carbon-Fiber:탄소강화섬유), 티타늄 등 4가지로 분류할 수 있다.

가장 전통적인 재료는 강철이다. 자전거가 만들어진 당시부터 사용되었고 지금도 가장 많이 사용된다.
주로 고급 자전거 재료로 사용되는 알루미늄은 가볍다는 장점을 가지고 있다. 강철과 알루미늄은 다양한 방법들을 통해 강도가 높여져 왔다. 하지만 지금은 거의 개발 한계상황에 도달했다고 한다. 그러면서 주목을 받게된 재질이 바로 카본이었다. 카본은 전통적인 재료인 강철에서는 꿈도 꿀 수 없었던 가벼움, 강도, 내구성을 가지고 있다. 카본은 필요한 부분만 쉽게 강도를 높일 수 있다는 이점 때문에 자전거 모양에 많은 변화를 가져왔다.

1986년에 월드 챔피언쉽(World Championship)에 등장했던 카본으로 제작된 특이한 모양의 자전거는 UCI에 의해 하나의 모노-코크 프레임은 불법이라는 결론을 내려 참가가 거부된 어처구니 없는 일도 있었다고 한다.

UCI (Union Cyclist International) : 국제 사이클 스포츠를 총괄하는 기구이다.

가장 최근에 도입된 재료가 티타늄이다. 티타늄의 가장 큰 특징은 탄력이 굉장히 뛰어나다는 것이다. 그리고 무게 대비 강도의 비가 매우 뛰어나다.
티타늄은 MTB에서 큰 인기를 얻고 있는 반면에 사이클 쪽에서는 선호하는 편이 아니다.

① 하이-텐 (Hi-Ten : High Tensile Steel)
자전거에서 사용되는 하위 등급의 재료이다. 말 그대로 철의 장력을 높인 강철이다. 철에 탄소 함유량이 적어 강도가 그리 높지는 않다. 그래서 튜브는 두껍고 무겁다. 쉽게 녹이 슨다는 단점도 있다.

②하이 카본(High-Carbon Steel)
철의 탄소 함유량을 높인 것으로 하이-텐보다 강도가 높지만 전체적인 기능 면에서 볼 때 하이-텐과 비슷하다.

③ 크로몰리(Chromium Molybdenum Steel)
강철에 탄소와, 몰리브덴을 첨가하여 강철의 강도를 상당히 향상시킨 재질이다.
따라서 좀더 충분한 강도를 유지하면서 가벼운 자전거를 제작할 수 있다. 게다가 다른 강철에 비해 녹이 잘 슬지 않는다. 지금까지는 강철 합금 중 가장 좋다.
그리고 사람들이 가장 많이 애용하는 재질이다.

④ 알루미늄
알루미늄 프레임은 강철 프레임보다 가볍다. 알루미늄 자체로는 너무 약해서 크롬, 구리 그리고 마그네슘 등을 혼합한 합금으로 사용한다. 프레임의 강도를 높이기 위해 오버사이즈 튜브를 주로 사용한다.
알루미늄 프레임의 또 다른 장점은 녹이 전혀 발생하지 않는다는 것이다. 물론 녹이 안 생긴다고 해서 부식이 안 되는 것은 아니다. (<= 고등학교 화학 시간에 배우죠 ^^;)

⑤ 카본 (Carbon-Fiber)
카본은 무게에 대한 딱딱함의 정도가 다른 어떤 재료보다 높다. 그래서 가장 가벼운 프레임을 만들 수 있는 것이 바로 카본이다. 카본 프레임은 이전 강철과 알루미늄 프레임에서는 볼 수 없었던 수행능력을 가지고 있다고 한다.
그리고 많은 테스터들은 카본이 자전거 프레임을 위한 최고의 재료라고 생각한다고 한다. 강철이나 알루미늄과 같은 금속의 경우는 모든 방향에 있어서 강도가 동일하지만 카본은 섬유의 결에 따라 강하고 단단하다. 이러한 카본의 특성 때문에 어떤 특정부위에만 강도를 더해 줄 수 있어서 어떠한 모양으로도 프레임 제작이 가능하다고 한다.
한가지 단점은 보통 카본만으로는 프레임을 만들 수 없다. 최소한 프레임에 바텀 브라켓(B.B.)을 고정시키기 위해 알루미늄 재질이 들어가게 되고 거의 모든 자전거는 뒷바퀴가 고정되는 부분인 드롭아웃(Drop out)부분을 알루미늄으로 만들어 카본 프레임에 본드로 접착시킨다. 근래에 나온 연구 결과에 의하면 카본과 알루미늄간의 상성이 나빠 접착 강도를 오랜 시간 유지할 수 없다고 한다.

⑥티타늄(Titanium)
티타늄은 무게에 대한 강도의 비가 굉장히 뛰어나고 무엇보다도 다른 재료와는 비교도 안 될 정도의 탄력을 가지고 있다. 프레임의 탄력이 좋으면 도로로부터 오는 충격을 프레임에서 흡수할 수 있다.
티타늄의 탄력은 상상을 초월한다. 미국에서 여행중에 나를 많이 도와 주었던 죤(John)이란 사람은 전직 프레임 제작자였다. 죤의 친구가 자신을 위해 이번에 만들어 주었다는 자전거를 보여주었다. 놀라웠던 사실은 뒷 서스펜션이 있었음에도 불구하고 어떠한 회전축도 없었다.
뒷서스펜션이 존재할 경우 체인 스태이 (chainstay)와 시트 튜브(seat tube), 시트 스태이(seat stay)와 시트 튜브 (seat tube) 사이에 회전축이 존재하지만 티타늄의 탄력은 서스펜션의 움직임을 회전축 없이 커버할 수 있단다. 후에 잡지를 보다 안 사실이지만 아이비스(IBIS)사의 보우-티타늄도 이러한 티타늄의 탄력을 이용하여 뒷 서스펜션을 회전핀 없이 사용한다.
보우-티타늄의 경우 5 inches (127mm)의 트래벌(travel)을 제공한다고 하니 더욱 놀랍기만 하다. 프레임의 탄력이 좋으면 자전거가 도로에서 전달되는 충격을 흡수하여 주행이 좀 더 편해질 수 있지만 사람이 몸을 좌우로 흔들며 힘있게 페달을 돌릴 때 사람의 힘을 탄력이 좋은 자전거 프레임이 흡수를 해서 효율을 떨어뜨린다는 단점을 가지고 있다. 그래서 단거리 경주용 사이클의 경우는 절대로 티타늄 프레임을 쓰지 않는다.

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프레임의 재질에 따른 수명
어떻게 보면 프레임의 수명을 논한다는 것은 무의미하다. 아무리 좋은 프레임의 자전거라도 거칠게 탄다면 그 수명은 짧아질 것이고 싼 자전거를 탄다해도 조심스럽게 탄다면 좋은 프레임의 자전거보다 수명이 오래 갈 것이기 때문이다.
그리고 요즘 나오는 좋은 프레임은 어떤 재질을 사용했더라도 그 수명이 사용자가 질려서 버려질 때까지 사용할 수 있도록 충분히 강하기 때문이다.

피로 한계선(fatigue-limits)이란?
금속에는 피로 한계선이라는 것이 있다. 피로 한계선을 가진 금속은 피로 한계선 이하의 충격은 계속 받아도 바로 원상태로 회복된다.
그렇기 때문에 피로 한계선만 충분히 크게 해준다면 항상 새것과 같은 성능의 프레임을 유지할 수 있다.


① 강철 프레임
강철 프레임이란 하이-텐, 하이 카본 그리고 크로몰리 프레임을 통합해서 말하는 것이다. 각각 피로 한계선은 다르지만 여하튼 강철 프레임은 피로 한계선을 가지고 있다.
한 마디로 말해 강철 프레임은 피로 한계선을 넘는 강한 충격을 받지 않는 이상 휘거나 부러질 가능성은 없다. 한 마디로 말해 강철(Still) 프레임은 영원히 스틸(Still: 변함이 없는)하다.
물론 잘 제작된 강철 프레임만이 수명을 오래할 수 있다. 왜냐하면 강철 프레임은 용접을 통해 각 튜브를 결합시키는데 싼 제품의 경우 이런 결합 부위가 약할 수 있기 때문이다.
그리고 녹이 슬거나 부식이 일어난다면 피로 한계선과 같은 얘기는 물건너간 얘기나 다름이 없다. 그러므로 강철 프레임은 조금은 세심한 관리가 요구된다.

②알루미늄 프레임
알루미늄은 피로 한계선이 없다. 그래서 조그만 충격에도 계속 피로가 누적되어 결국에는 부러지거나 깨지게 된다. 알루미늄 프레임 제작자들은 이러한 사실을 염두해서 오랜 기간을 안전하게 사용할 수 있도록 프레임을 충분히 강하게 만든다. 보통 알루미늄 프레임은 5년 정도를 적정 수명으로 본다.

③카본 프레임
카본은 신소재라 아직까지 그 수명을 결정짓기 어렵다고 한다. 카본 그 자체는 강철 이상의 튼튼함을 가지고 있다. 그래서 카본으로 만들어진 MTB용 핸들바 같은 부품들은 그 수명이 굉장히 길 것이라 예상하고 있다. 문제는 프레임이다.
앞서서도 말했듯이 카본 프레임은 알루미늄 부분을 포함한다. 각 카본 튜브를 연결시킬 때 그 이음새 부분을 알루미늄으로 사용한다.
이음새가 없는 모노코크(Mono-Corque)프레임도 때로는 튜브를 강화시키기 위해 알루미늄을 내부에 붙이는 경우도 있고 드롭-아웃(drop-out: 뒷 바퀴 끼우는 곳)부분은 알루미늄을 사용하는 경우가 대부분이다.
그리고 위 모든것을 카본으로 처리 한다고 해도 최소한 바텀 브라켓(B.B.)을 고정시키는 부분은 알루미늄을 사용 한다.
근래의 연구 보고에 의하면 카본과 알루미늄의 접합은 시간이 흐를수록 서로의 내부 마찰에 의해 약화될 수 있다고 한다. 일부 뜬 소문(?)에 의하면 카본 프레임은 쉽게 깨진다는 소리가 있지만 어느 잡지나 책을 보아도 그러한 언급은 전혀 없으며 실제 카본이 깨지는 것을 보았다는 사람도 만나보지 못했다.
그리고 카본은 부식이 잘 된다는 우려의 목소리도 있으나 크로몰리만큼 걱정할 정도도 못 될 뿐더러 최근에는 완벽한 화학처리로 전혀 걱정할 대상이 아니다. 크로몰리 프레임의 경우 내부로 들어간 물이 B.B 쪽에 고여서 부식을 일으키기 쉽기 때문에 안장대(seat post)를 제거한 후 프레임 내부에 오일을 뿌려주는 것이 권장되는데 TREK사의 카본 프레임 설명서에 의하면 이러한 것이 전혀 불필요하다고 되어있다.

④티타늄 프레임
처음 티타늄 프레임이 나왔을때는 강철처럼 피로 한계선을 가지고 있다고 했다.
그러나 요즘 다시 나오는 얘기에 의하면 티타늄은 피로 한계선이 없지만 그 수명은 상당히 길다고 한다.