자전거에서 가장 중요한 부분은 어쨌든 모든 것의 근본이 되는 프레임이다. 그리고, 언제나 내가 타는 자전거를 이야기 할 때는 항상 프레임 모델을 말하는 것도 여기에 있다.

지난 번 이야기에서 프레임에 사용되는 주요 소재들을 알아보았는데, 이번에는 그 소재들이 가지고 있는 물리적인 특성들은 어떻게 다른지 이야기 하고자 한다.
그래서 먼저 알아야 할 주요한 물리적인 특성들을 나열하면 다음과 같다.

스트렝쓰(strength) : 이 값이 크면 물체가 쉽게 변형이 되지 않는다. 자전거가 쉽게 굽혀지거나 부러지면 안되기 때문에 이 값은 중요하다.
일롱게이션(elongation) : 이 값이 크면 물체가 잘 늘어나고, 다시 원상 복구가 가능하다. 고무줄을 생각하면 되는데, 금속 소재도 이와 같이 늘어났다고 다시 원상복구 되는 능력을 가지고 있다.
밀도(density) : 같은 크기에 얼마나 무거운지 가벼운지를 알려주는 수치다. 밀도가 낮으면 같은 크기라도 그만큼 가볍게 되는 것이다.

스트렝쓰(좌)와 밀도(우) 그래프. 스트렝쓰는 클 수록 좋고, 밀도는 낮을 수록 좋다.

가볍고 강한 프레임, 이런 것이 우리가 바라는 성격의 자전거다. 하지만 위의 수치를 보면 철은 강하지만 밀도가 크고, 알루미늄은 밀도가 낮지만 스트렝쓰가 약하다. 그래서 밀도 대비 스트렝쓰로 가볍고 강한 소재를 나타내는데 그 값을 나누어보면 아래와 같이 나온다.

밀도 대비 스트렝쓰 높을 수록 좋지만, 소재별로 크게 차이를 보이지는 않는다.

이값은 클 수록 가볍고 강한 소재라는 의미를 갖는데, 세가지 금속(철,티타늄,알루미늄)은 그렇게 큰 차이가 나지 않는다. 그렇기 때문에 어떤 소재로 프레임을 만들더라도 보통 1.5kg~2kg 정도의 무게를 갖게 되는 것이며, 그 자전거의 강도는 크게 차이가 나지 않게 된다.
위에 표시하지는 않았지만, 카본은 거의 2000의 값을 갖는다. 그렇다면 거의 10배 차이가 나는 카본은 뭔가? 정말 1/10 무게로도 자전거가 나올 수 있다는 의미인가?

일롱게이션이 낮으면 쉽게 파괴될 수 있다. 순수한 카본은 일롱게이션이 매우 낮은 편이다.

카본에게 모자란 일롱게이션이란 값이 있다. 일롱게이션은 인성(toughness)이란 값과 관계를 갖는데, 인성이 약한 물체는 쉽게 파괴된다.
그런 이유로 초기의 카본 소재의 프레임들이 인성을 갖지 못하고 문제가 된 적이 많았지만, 지금은 가공 방법의 개발과 '레진'이란 접착제를 적절하게 이용하여면 카본 복합체로 발전이 되었다. 그것때문에 무게에 관한 수치는 많이 늘었지만, 인성이 강해져서 1kg~1.5kg 정도의 카본 프레임들이 생산되고 있다.

좋은 소재의 선택 만이 최선인가?

소재를 가공하면서 사람들은 새로운 것을 알게 되었다. 파이프의 형태가 바뀌는 것 만으로도 전체적인 강도가 더 강해진다는 것이다.
최근 많이 사용되는 오버사이즈 핸들바를 보자. 기존의 일반 사이즈 핸들바는 파이프의 지름이 25.4mm였는데, 오버사이즈로 바뀌면서 파이프의 지름이 38.1mm로 늘어나게 되었다.
더 크다고 멋지게 보여서였을까?

같은 부피라도 사이즈가 커지면 강성도 좋아진다. B의 강성 = A의 강성 X 1.6

같은 양의 소재를 사용하여 파이프를 만들었을 때 그 강성을 확인해 보았더니 다음과 같은 놀라운 사실을 알게 되었다.
파이프A : 지름=25.4mm, 벽면의 두께=1.244mm
파이프B : 지름=38.1mm, 벽면의 두께=0.812mm
강성 : B의 강성 = A의 강성 X 1.6

파이프 B는 같은 양의 소재로 만들려다 보니 파이프 벽면의 두께가 0.432mm만큼 얇아졌지만, 단지 파이프의 지름을 크게 한 것만으로 60%나 강성이 좋아진 것이다.
이렇게해서 상대적으로 밀도가 낮아 많은 양의 사용이 가능한 알루미늄 프레임들은 굵은 파이프를 사용하여 더욱 강한 강성을 유지할 수 있는 것이다.

파이프를 타원으로 만들면 넓은 쪽의 강성이 좋아진다.

파이프 모양에 대한 비밀이 하나 더 있는데, 그것은 타원형의 파이프다. 현재 자신의 자전거를 유심히 다운튜브의 모양을 관찰해보자.
헤드튜브와 만나는 부분을 보면 아래 위로 긴 타원형의 모양을 가졌고, BB쉘과 만나는 부분은 좌우로 긴 타원형의 모양을 가진 것이 많다는 것을 알게 될 것이다.
파이프를 타원으로 만들었을 경우 장축의 외경이 늘어남에 따라 외경의 제곱에 비례하여 강성이 좋아진다. 계산이 복잡하므로 이정도만 이야기를 하자.
어쨌든, 파이프를 힘이 많이 받는 방향으로 늘이기 위해 타원으로 만들면 좋고, 때로는 각을 주어 지름을 최대값으로 늘리기도 한다.

지금까지 구조에 따른 강성에 대해서만 이야기를 다루었는데, 잘 부서지지 않는 인성에 영향을 주는 일롱게이션과 구조와의 관계는 어떨까?
연구를 해 보니, 면적이 줄어들면 일롱게이션이 좋아진다는 것을 알았다. 예를 들면 프레임 파이프의 벽면 두께를 더 얇게 하면 강성은 약해지지만 일롱게이션은 좋아진다는 것이고, 그것때문에 버티드(butted) 파이프 등이 개발되었다.
우리는 흔히 더블 버티드, 트리플 버티드 등의 이야기를 많이 들었는데, 이것은 파이프를 생산한 후 안 쪽 벽면의 일부를 깎아내어 벽면의 두께를 얇게 만든 기술이다.

버티드 파이프는 일롱게이션을 좋게 하면서 무게를 줄일 수 있는 기술이다.

피로파괴? 이것은 무엇일까?

어떤 프레임을 망치로 강하게 내려치면 한번에 프레임이 부러질 수 있다. 하지만, 조금 약하게 때리면 겉으로는 전혀 문제가 없어 보이지만, 실제로는 그 피로가 계속 쌓이게 되어 어느순간 그 정도의 힘에 깨어지거나 부러질 수 있는데, 이런 것을 피로파괴라 한다.
이런 현상은 소재별로 각기 다른 강도를 보이는데, 여러가지 연구에 의해 발표된 자료에 의하면 다음과 같은 순으로 피로파괴에 강한 소재를 나타낼 수 있다.
카본복합체 > 철 > 티타늄 > 알루미늄 순이다.
특히 알루미늄은 한번에 깨어질 수 있는 힘의 30% 정도의 힘에도 피로가 쌓이게 되어 수명에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.
조금이라도 피로파괴에 강하게 하려면 어떻게 해야 하는가?

용접면을 깨끗하게 처리한 스무드 용접 공법. 이런 공정을 통해 피로파괴에 의한 강도를 높일 수 있다.

연구결과에 의하면 표면 상태가 거칠거나, 날카로운 가공 부분, 나사나 키홈 등이 피로파괴에 많은 영향을 준다는 것을 알았다. 조금 더 매끈하게 표면을 가공해야 하며, 용접 후 처리 부분을 깨끗하게 하는 스무드 용접(smooth weld) 등이 이런 이유로 발전하게 된 것이다.
또한 시트 포스트의 고정을 위해 시트 튜브 위의 갈라진 부분을 보면 끝이 둥그렇게 처리된 것을 볼 수 있는데 이런 것도 피로파괴에 많은 영향을 주게 된다.
그리고 알루미늄처럼 용접에 의한 소재의 변화가 잘 되는 프레임 등은 용접이 완료된 후 열처리를 통해 용접부위와 열이 닿지 않은 파이프 사이의 변화를 일정하게 조절해준다.

시트튜브에서 시트포스트를 잡아 주는 부분은 끝을 둥글게 처리하여 준다.

우리는 흔히 '6061-T6 트리플 버티드 프레임'이란 설명을 본 적이 있다. 6061은 알루미늄 소재의 이름이고, T6는 가공 후 열처리 공정을 의미한다. 트리플 버티드란 일롱게이션을 높이면서 무게를 줄인 가공 방법을 말한다.
이제 조금씩 프레임의 어려운 세계가 눈에 보이길 바라며, 다음 연재를 통해 소재별로 좀 더 자세한 종류와 가공 방법 등을 설명할 계획이다.


자료제공 : (주)제논스포츠인터내셔날(http://www.scott.co.kr)