현대의 고성능 자전거 휠셋은 회전 질량의 최소화, 공기 저항의 감소, 그리고 동력 전달을 위한 측면 및 비틀림 강성의 극대화라는 세 가지 상충하는 물리적 과제를 동시에 해결해야 하는 기술적 난제에 직면해 있다.
독일 켐니츠 공과대학교(TU-Chemnitz)의 5년에 걸친 연구를 바탕으로 설립된 파이로프(PI ROPE)의 텍스타일 스포크 기술과, 프랑스의 하이엔드 카본 림 제조사인 듀크 레이싱 휠(DUKE RACING WHEELS)의 스트라다 에라(STRADA Æra) 56mm 카본 림의 결합은 현대 자전거 산업에서 가장 혁신적인 엔지니어링 솔루션 중 하나로 평가받고 있다.
전통적인 금속 스포크나 제한적인 유연성을 지닌 카본 파이버 스포크가 양분하는 시장에서, 액정 고분자(LCP) 합성 섬유인 벡트란(Vectran)을 활용한 텍스타일 휠셋 시스템은 56mm 딥섹션 카본 림이 가지는 회전 관성의 단점을 상쇄하는 동시에, 금속 스포크가 구현할 수 없는 뛰어난 진동 흡수 능력을 제공한다.

파이로프 듀크 스트라다 56 휠셋
소비자가격: 5,900,000원

벡트란 텍스타일 스포크의 물리화학적 특성

파이로프 휠셋 시스템의 가장 핵심적인 혁신은 전통적인 금속 기반의 스포크를 첨단 합성 섬유로 대체한 것에 있다. 자전거 휠의 스포크는 림과 허브 사이에서 압축 하중이 아닌 인장 하중만을 견디도록 설계된 구조물이라는 기본적인 역학에 착안하여, 파이로프의 엔지니어들은 오직 당기는 힘에만 완벽하게 저항하는 '로프(Rope)' 형태의 구조체를 휠셋에 적용한 것이다.

벡트란 섬유 스포크
휠셋 패키지에는 추가 스포크와 염색 도료가 기본 포함된다.

파이로프 스포크를 구성하는 핵심 소재는 쿠라레(Kuraray) 사에서 제조하는 벡트란(Vectran)이다.
벡트란은 일반적인 고분자 화합물과 달리 단단한 막대 형태의 분자 구조를 띠며, 특정 방향(스포크의 길이 방향)으로 극대화된 강성을 제공하는 것이 특징이다.
이러한 분자 수준의 구조적 이점으로 인해 벡트란은 질량 대비 인장 강도에서 타의 추종을 불허하는 성능을 자랑하는데, 강철과 비교했을 때 밀도는 5분의 1 수준에 불과하지만, 인장 강도는 강철의 5배, 알루미늄의 10배에 달한다.
이는, 전통적인 경량 블레이드 스틸 스포크의 두 배에 달하는 물리적 수치로, 휠셋 전체의 조립 장력을 비약적으로 높일 수 있는 기반을 제공한다.

벡트란은 강철에 비해 밀도 대비 25배의 높은 인장 강도를 제공한다.

기계적 결합 인터페이스

섬유 스포크 시스템의 가장 큰 어려움은, 부드러운 섬유를 단단한 림과 허브에 어떻게 손상 없이 고정할 것인가 하는 결합 설계에 있다.
파이로프는 2013년부터 진행된 대학 연구를 통해 완벽히 새로운 기계적 체결 방식을 고안해냈다. 300개의 개별 필라멘트를 무한 브레이딩 공법으로 엮어 만든 섬유 다발의 양 끝단에 금속 엔드 커넥터를 수작업으로 결합하는 특허 기술을 개발한 것이다.
이 특수 엔드 커넥터는, 섬유와 금속 간의 응력 집중을 막고 마찰력을 원천적으로 제거하여 스포크 섬유 본연의 성능을 최대한 끌어낸다.

300개의 필라멘트를 기계적으로 결합하는 특허 기술 개발

특히 이 체결 구조에는 고가의 카본 휠 파손을 막기 위한 '페일 세이프(Fail-safe)' 메커니즘이 설계되어 있다.
사고로 인해 나뭇가지나 외부 물체가 휠에 강하게 끼어 약 2800~3000N 이상의 하중이 발생할 경우, 허브 플랜지가 찢어지거나 카본 림의 스포크 홀이 파괴되기 전에 파이로프의 금속 끝단 결합부가 스스로 파괴되어 림과 허브를 보호하는 기술이다. 또한 스포크 섬유 다발 중 최대 40%가 끊어지거나 손상되더라도 잔여 섬유의 인장 강도만으로 라이딩을 안전하게 지속할 수 있는 다중 안전 구조를 보장한다.

강한 충격에 림과 허브를 보호하기 위한 페일-세이프 매커니즘 적용

듀크 스트라다 에라 56mm 카본 림의 가벼움

파이로프의 초경량 텍스타일 스포크와 결합되어 압도적인 성능을 완성하는 림은 프랑스 듀크 레이싱 휠(DUKE RACING WHEELS)의 스타라다(STRADA) 56mm 카본 림이다.
듀크는 자체적인 카본 금형 제조 설비와 R&D 센터를 보유한 하이엔드 브랜드로, 공기역학과 승차감을 조율하는 독자적인 기술력을 보유하고 있다.

SLR5 기술 적용으로 343g 초경량 림을 개발

듀크 스트라다 56 림의 설계에는 SLR5 (Super Light Road Series 5) 기술이 적용되었다.
이는 단순한 카본 적층의 변화가 아니라, 항공우주 산업에서 사용되는 특수 레진과 토레이 T1100 하이 모듈러스 카본 섬유의 조합을 통해 이전 세대인 SLR2 대비 구조적 강성을 향상시키는 동시에 무게를 20% 감량한 혁신적인 공법이다. 56mm라는 높은 에어로 림임에도 불구하고 림 단일 무게는 343g에 불과하며, 이는 평지 스피드와 오르막의 가속을 동시 만족시킬 수 있는 스펙이다.

앞 463g + 뒤 547g = 1010g의 초경량 휠셋

에어로다이나믹 최적화 설계

림의 형상은 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 다양한 각도의 측풍에서 공기 저항을 최소화하도록 재설계되었다. 스트라다 56 림은 새롭게 고안된 'UV 쉐이프(UV Shape)' 형상을 띠고 있으며, 림의 최대 외부 너비는 29.5mm에 달한다.
이러한 넓고 둥근 외곽 형상은 측면에서 불어오는 바람에 휠이 밀리거나 조향이 틀어지는 스티어링 모멘트를 극적으로 감소시킨다.

듀크 스트라다 에라 56 림의 표면에는 독자적인 '에라 릴리프(Æra relief)'라는 공기역학적 마이크로 프로파일(Micro-profile) 디자인이 적용되어 있다.
이 특수한 표면 굴곡 디자인은 공기 흐름을 의도적으로 교란시켜 난류를 감소시키는 역할을 한다. 이를 통해 동일한 림 높이를 가진 매끄러운 표면의 일반 림과 비교했을 때 공기역학 드래그를 최대 10%까지 감소시키는 효과를 발휘한다고 밝혔다.
특히, 이러한 표면 디자인이 공기 저항을 줄이면서도, 측풍이 부는 환경에서 조향 안정성을 유지해 준다.

림 표면에 에라 릴리프라는 디자인을 적용해, 최대 10%까지 공기역학 드래그를 감소시킨다.

후크 안쪽을 측정 시 내부 폭 25mm의 광폭 림이다.

외부 림 폭은 31mm

림 깊이는 56mm

후크드 튜블리스 인터페이스와 광폭 타이어 최적화

최근 경량화 에어로 성능을 위한 훅리스(Hookless) 림이 출시되고 있지만, 듀크 56 림은 높은 공기압에서의 안정성과 타이어 선택의 자유도를 보장하기 위해 전통적인 후크드(Hooked) 디자인을 유지하고 있다.

내부 폭은 25mm로 대폭 확장되어 최신 로드 사이클링 트렌드에 부합한다. 28mm 이상의 타이어부터 40mm 이상의 그래블 타이어까지 폭넓게 장착할 수 있으며, 최적화는 28mm 타이어를 장착했을 때이다.

후크드 림 디자인, 스포크홀의 몰드 성형 가공, 비대칭 홀 설계 등의 기술이 적용된 듀크 림

파이로프 텍스타일 스포크와 듀크 56 림의 시너지

파이로프의 텍스타일 스포크와 듀크 56 카본 림은 별개의 뛰어난 컴포넌트일 뿐만 아니라, 이들이 전용 허브를 통해 결합되었을 때 상호 간의 동역학적 시너지를 발휘한다.
파이로프 스포크는 특수한 나사산 결합 구조를 요구하기 때문에, 휠셋을 구성하기 위해서는 듀크 림에 섬유 굵기를 수용할 수 있는 확장된 스포크 홀 가공이 필수적이며, 독일 논플러스 컴포넌트(Nonplus Components)와의 협력을 통해 설계된 전용 알루미늄 허브가 사용된다. 이 허브는 앞 71g, 뒤 151g의 초경량 구조를 가지면서도, 리어 휠에 4개의 대형 베어링을 배치하고 45개의 톱니가 맞물리는 프리휠을 적용하여 8도의 즉각적인 반응성을 실현한다

인장 강도가 가해지면 타원형으로 변형되어, 에어로 스포크에 가까운 에어로 성능이 만들어진다.

또, 파이로프는 둥근 섬유 스포크가 초래할 수 있는 이 1~2 와트의 미세한 공기역학적 손실마저 극복하기 위해 고도의 유체역학적 튜닝을 가미했다. 300가닥의 벡트란 필라멘트를 무한 브레이딩 방식으로 엮은 이 스포크는 휠 빌딩 시 강한 인장력이 가해지면 둥근 단면이 납작한 타원형으로 물리적 변형을 일으킨다.
파이로프 팩토리의 미캐닉들은 수작업 빌딩 단계에서 모든 스포크의 방향을 미세하게 비틀어, 이 타원형 단면의 가장 얇은 부분이 휠의 주행 방향과 일치하도록 개별적으로 정렬한다.

이 타원 정렬 기술 덕분에 파이로프 텍스타일 스포크는 공기 저항 면적을 극적으로 줄여, 블레이드 스틸 스포크에 버금가는 에어로 성능을 확보하게 된다.

비틀림 강성과 승차감의 균형

섬유 스포크가 높은 승차감을 제공한다고 해서 구조적으로 무르거나 약하다는 것은 역학적 오해이다.
파이로프 벡트란 스포크는 스틸 스포크보다 오히려 높은 인장 강성을 바탕으로 휠을 조립할 수 있어, e-MTB나 엔듀로 휠셋에 적용될 만큼 횡방향 강성이 뛰어나다.

그러나 구동계에서 동력을 전달할 때 발생하는 비틀림 강성에 있어서는 스틸 스포크와 미세한 차이가 존재한다. 금속 스포크는 굽힘 강성을 가지고 있어 허브가 회전할 때 압축 하중을 미세하게 버텨내지만, 섬유 스포크는 오직 당겨지는 힘으로만 비틀림을 지지한다. 이로 인해 강력한 파워로 순간적인 스프린트를 발휘할 때, 금속 스포크 휠셋 특유의 단단하게 튕겨 나가는 피드백보다는 미세하게 유연하게 반응하는 것을 느낄 수 있따.

따라서 이 휠셋은 평지에서 순간적인 피크 파워를 터뜨려야 하는 크리테리움 레이스 등에서는 다소 불리하게 작용할 여지가 있으나, 일관된 파워로 밀어붙이는 클라이밍, 장거리 펠로톤 주행, 그래블 및 올로드 레이스에서는 이 유연성이 오히려 트랙션을 살려주어 퍼포먼스 우위를 점할 수 있다.

하이퍼-엔지니어링 휠셋

파이로프 텍스타일 스포크와 듀크 스트라다 에라 56mm 카본 림의 결합은 자전거 휠셋 공학이 직면한 딜레마를 혁신적인 신소재와 설계로 대응한 하이퍼-엔지니어링의 정수라고 볼 수 있다. 듀크 스트라다 에라 56mm 림의 에라 릴리프 디자인과 25mm의 확장된 내부 폭은 측풍에 대한 조향 안정성을 높이면서 평지 고속 주행 시 공기 저항을 줄여준다. 동시에 단 2.2g에 불과한 파이로프 벡트란 스포크는 56mm의 딥섹션 휠셋이 감수해야만 했던 회전 관성의 단점을 상쇄하며, 총중량 1,050g으로 초경량 클라이밍 휠셋을 능가하는 높은 가속 반응성을 라이더에게 제공한다.

'승차감, 경량, 에어로'의 완벽한 교집합을 원하며 비용의 제약을 두지 않는 퍼포먼스 지향형 라이더들에게, 이 독일과 프랑스의 공학적 결합체는 현재 시장에서 선택할 수 있는 가장 이상적이고 진보된 형태의 로드 휠셋 중에 하나가 될 것이다.

관련 웹사이트
JK레져: https://jkleisure.com/21/?idx=234