자전거는 우리의 생각보다 훨씬 진보된 공학에 의해 개발되고 생산되고 있다. 그 중에서도 우리가 먼저 다루고자 하는 것은 프레임에 사용된 소재들에 대한 이야기이다.

자전거 소재는 어떤 것들이 많이 사용되는가?
철, 알루미늄, 티타늄, 카본.
이렇게 4가지 종류가 주요 소재가 될 수 있다.
이 종류들에서 세부적으로 제조사에 따른 제조 방법이나 합금 처리 방법 등에 따라 여러 가지 종류가 분류되게 된다.
"이 중에 어떤 것이 더 좋은가?"
라는 질문을 하게 되면 사실 정답은 없다. 자전거는 소재의 종류 뿐만 아니라 가공 방법이나 프레임의 구조에 따라 그 품질이 많이 차이가 나고, 그 소재를 어떻게 다루어서 필요한 결과물을 만들었냐에 따라 다르기 때문에 어떤 것이 더 좋다고 이야기 할 수는 없는 것이다.

크로몰리 프레임으로 유명한 로키마운틴의 블리자드(BLIZZARD)

먼저 철(steel)에 대하여 이야기 해보자.
철은 가장 오래된 소재로 강도 및 가공상의 특성이 매우 좋은 편이다.  기본적으로 용접에 따른 성질 변형이 거의 없어 가공이 쉽다.
또한 손상이 가기 전에 미리 사용자에게 문제점을 알려준다는 장점이 있는데, 프레임에 손상이 발생하면 부러지기 전에 휘거나 소리가 나는 특징이 있어 사람에게 친근하게 다가온다. 갑자기 프레임이 부러지게 되면 사고가 날 수 있는데, 보통 철로 만들어진 프레임은 그 전에 사용자가 문제점을 알 수 있게 된다는 의미이다.
철의 가장 큰 단점은 무게다. 하지만 프레임으로 만들었을 경우 그 무게가 다른 소재의 프레임에 비해 몇백그램 정도의 차이 밖에 없어 일반 사용자에게 큰 의미가 아닐 수도 있다.
철로 만들어진 프레임은 다운힐이나 프리라이딩용 자전거 외에는 거의 모든 스타일의 자전거에 사용되고 있다. 생활용 자전거에서 고급 산악자전거나 로드 사이클까지 그 활용은 정말 다양하고 가격 차이도 엄청나다.
하지만, 소프트테일 자전거에 철을 사용하는 경우는 거의 없는데, 철의 특성이 많이 들어나지 않을 뿐 아니라 무게가 너무 무거워지는 경향이 있기 때문이다.
'크로몰리'로 불리우는 합금은 크롬과 몰리부덴을 섞은 탄소강으로 철 소재로써는 가장 유명하다고 볼 수 있다.

알로이 7005를 사용한 스캇 스케일 50

가장 많이 사용되는 알루미늄은 어떤가?
사실 알루미늄은 자전거에 사용되기에는 그다지 좋은 특성을 가지고 있지는 않다. 그 중에 가장 큰 문제는 손상을 입기 전에 문제가 있다는 것을 사용자에게 알려주는 시간이 적다. 그래서 미처 사용자가 대처하기 전에 손상이 발생하여 사고를 만드는 경우도 있다는 의미다.
또한 피로 파괴에 의한 손상에도 비교적 좋지 않은데, 이것은 작은 충격에도 꾸준히 받게 되면 손상될 수 있다는 의미다.
그럼에도 불구하고 알루미늄이 많이 사용되는 이유는 그것을 적절하게 가공하면 좋은 성질의 프레임으로 만들 수 있게 되고, 형태나 모양을 만드는 것도 쉽게 가공이 가능하다. 또한 금속으로는 매우 밀도가 낮은 편이어서 가벼운 프레임 제작이 가능해 진다.

다운힐 프레임 등은 거의 알루미늄 소재로 프레임이 제작된다.

그래서 좀 더 많은 양을 사용하여 필요한 곳은 더 강하게 만들 수 있는 특징이 있다.
용접은 생각보다 어려운데, 녹는 듯 싶다가 갑자기 물방울처럼 녹아버리는데 그런 문제도 용접 기술의 발전으로 해결된 상황이다.
알루미늄은 밀도가 낮아 가벼운 특성 때문에 거의 모든 종류의 자전거에 모두 사용되고 있다. 특히 다운힐 등의 자전거는 대부분 알루미늄으로 되어 있는데, 이것은 알루미늄의 단점을 서스펜션이 거의 상쇄하여 주고 무게를 줄이기 위해 가장 적당한 소재이기 때문이다.
6000 계열, 7000 계열 알로이와 마그네슘, 스칸듐 등이 알루미늄 합금과 그 동급 계열로 볼 수 있다.

티타늄은 알루미늄과 철의 중간 성질을 가졌다. 바움(baum)의 커스텀 프레임

고급 소재로 알려진 티타늄은?
순수한 티타늄은 너무 말랑하고 잘 휘어지는 특성이 있어, 다른 금속들처럼 합금을 만드는데, 알루미늄과 바나듐을 섞어 사용한다.
티타늄은 철과 알루미늄의 중간 정도의 특성을 가지고 있으면서 철의 장점과 알루미늄의 장점을 뽑은 듯한 특징이 있다. 철보다 강하지는 않지만 강도가 높은 편이고, 알루미늄처럼 가볍지는 않지만 충분히 가볍다. 또한 녹이 스는 것과 같은 부식에 매우 강한 편이다.
이런 특징때문에 티타늄은 금속으로 무게 대비 강성이 매우 뛰어난 좋은 특성을 가지고 있지만, 용접 등의 가공이 매우 어렵다. 용접 중에 산소가 닿게 되면 산화되어 손상되는 성질이 있어 진공 용접이나 아르곤을 사용한 용접 등을 하게 된다. 그런 이유로 가공비용이 올라가고 프레임의 가격도 덩달아 올라가게 되었다.
이 소재는 무게 대비 강성이 매우 뛰어나기 때문에 동호인들의 고급 자전거에 많이 사용하고 있지만 레이싱 선수들은 많이 사용하고 있지는 않은 편이다.
그것은 레이싱 선수들은 자전거의 순발력에 매우 민감하여 알루미늄처럼 힘을 빠르게 전달하는 프레임을 좋아하기 때문이다. 철이나 티타늄은 그에 비해 힘을 전달하는 속도가 조금 느리지만 동호인들이 느끼기에는 큰 차이가 있는 것은 아니다.

스캇의 카본 기술로 만들어진 스캇 스케일 RC 팀에디션

꿈의 자전거 소재가 되고 있는 카본
오랫동안 논란의 대상이 되어 왔던 카본은 최근 고급 자전거 프레임으로 많은 발전이 되었다. 과거 카본 기술이 발전되지 않아 가공 상의 문제로 많은 문제가 발생되어 왔지만 지금은 그런 부분들이 기술의 발달에 의해 충분히 해결 되어진 상황이다.
카본은 무게 대비 강성에 있어서 따라올 소재가 없는데, 밀도는 알루미늄보다도 훨씬 낮고, 강도는 철보다도 훨씬 강하다. 하지만 단점으로는 늘어나는 성질이 거의 없다는 것이다. 이런 문제를 해결하기 위해 카본을 섬유처럼 엮어서 짜고 거기에 레진이라는 접착제를 적절하게 포함시켜 프레임으로 사용하기에 적절한 특성을 만들어 냈다.
또한 카본은 원사의 짜임 형태와 레진의 양에 따라 강성이나 유연성을 조절할 수 있어 프레임 부분별로 필요한 특성에 따라 다른 종류의 카본을 사용할 수 있다.
이런 특성은 디자인도 자유롭고, 색상도 매우 쉽게 만들 수 있어 정말 꿈의 소재로 불려왔지만 어려운 점은 가공이 너무 오래 걸린다는 것이다. 금속처럼 용접하는 것이 아니라 카본 섬유로 형태를 만들고 빵 굽는 것처럼 고열과 압력으로 굳히는 시간이 필요하며 이 작업은 많은 부분 수작업으로 이루어지고 있다.
또한 이런 수작업의 품질을 일정하기 유지하기 위해서는 비교적 뛰어난 품질관리가 필요하게 된다.
이런 이유들로 카본은 비교적 비싼 가격대의 프레임에서만 사용되고 있다.

카본 소재는 형태를 만드는데 자유로워 보이는 것처럼 튜브도 필요한 곳을 더 두껍게 하는 것도 어렵지 않다.

자전거 프레임은 가벼워야 하고, 튼튼해야 하며, 디자인으로 멋지게 표현되어야 하는 등 소재로써의 많은 어려움이 있지만 지금까지 끊임없이 발전되어 왔다.
다음 연재를 통해 각 소재들의 물리적 특성에 대하여 알아보고, 또한 각 소재들의 특징과 활용에 대하여 조금 더 자세히 다루도록 하겠다.


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