카본파이버(Carbon Fiber, 탄소섬유)의 정의와 카본 복합재

카본섬유란 유기 섬유를 불활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유를 의미한다(IT용어사전, 네이버)

무게나 강도, 내구성, 적용성 측면에서 자전거 부품에 사용 가능한 소재 중 최고이다.

탄소(Carbon)는 석탄을 뜻하는 라틴어인 카르보(carbo)에서 유래했으며, 수소, 산소, 질소와 함께 유기물을 이루는 원소이다.

탄소의 녹는점은 3,550℃(비결정형), 끓는점은 4,827℃이이다.

카본파이버의 원료는 셀룰로스, 아크릴 섬유, 비닐론, 피치(pitch) 등을 사용하며 1000~3000도로 열처리하여 생산한다

(기계공학용어사전, 기계공학사전편집위원회, 1995.3.1; 두산백과).

공기가 없는 분위기에서 유기물(원료)을 1000℃이상으로 열처리하면

탄소는 3550도가 녹는 점이기 때문에 이외의 원소는 휘발성기체성분으로 모두 방출되고 탄소만 남게 된다.

나무를 숯으로 만드는 과정을 보면 쉽게 이해할 수 있다. 나무에 산소를 차단하고 고열로 구우면(숯가마),

나무를 구성하고 있는 원소 중 다른 성분들이 고열에서 산화되고 탄소만 남아 숯이 된다.

탄소는 자연상태에서도 관찰되는데 이러한 탄소가 자연상태에서 고온고압의 과정을 거치게 되면

흑연이 되고 흑연이 더욱 고온고압의 과정을 거치게 되면 다이아몬드가 된다.

결국 다이아몬드의 성분은 탄소인 것이다.

카본섬유는 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하고 해충에 대한 저항성이 크다.

생산과정에서 고열을 가하게 되는데 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로

알루미늄보다 가볍고 반면에 철에 비해 탄성과 강도가 뛰어나다.

이런 특성으로 인해 스포츠용품(낚싯대, 골프채, 테니스 라켓), 항공우주산업(내열재, 항공기 동체),

자동차, 토목건축(경량재, 내장재), 전기전자, 통신(안테나), 환경산업(공기정화기, 정수기) 등 각 분야의 고성능 산업용 소재로 쓰인다. (두산백과)

6마이크로미터의 카본섬유. 사람의 머리카락과 비교한 사진

카본 복합재 (Carbon composite)는 이렇게 생성된 카본 섬유에 경화재(Matrix,기지재료)를 혼합하여 만든 재료를 의미한다.

비유하자면 콘크리트에 철근을 넣어 콘크리트의 강도를 강화시키는 것과 같다. 철근으로 콘크리트를 보강하지 않는다면 3층 정도의 건물도 지어 올리지 못할 것이다.

복합재의 효시는 1940년대 초 유리섬유복합재료이다.

1960년대 이후 유리섬유보다 뛰어난 카본섬유가 출현하면서 여러 가지 복합재가 생겨나게 되었다.

이렇게 강화된 카본 복합재는 경화재 자체보다 강도는 약 40배, 강성은 약 70배 이상 높아진다. (두산백과, 네이버)

카본섬유는 인간이 개발한 완전히 비등방성 소재이다.

(등방성 재료는 어느 방향이든 재료의 물리적 특성이 동일하다 것을 의미하며 어느 방향에서든 강도, 굴절률 등이 모두 동일하다.)

예를 들어 말하면 상하로는 매우 강한 물리적 특성을 보이는 반면, 측면으로는 전혀 그렇지 못하다.

이러한 카본섬유의 특징을 이용하면 프레임의 어떤 부분에서든 최적의 강성도를 만들어 내기 위해

카본파이버를 어떻게 적층하고 어떤 프로세스로 만들 것인가만 정하면 된다. 프레임의 강도를 높이기 위해 구조적인 변화를 줄 필요는 없다.

강도를 높이려고 하는 방향으로 카본섬유를 적절히 배치하기만 하면 된다.

그러나 파본파이버의 적절한 적층과 제작과정은 비용이 많이 들기 때문에,

비용을 줄이기 위해 혁신적인 모양과 기계적인 방법으로 강성도를 증가시키려고 하는 것을 종종 발견할 수 있다.

자전거에 사용되는 카본파이버의 종류와 특징

총 카본 시장에서 스포츠 분야가 차지하는 비중은 20%정도에 지나지 않으며,

자전거 분야에는 사용되는 카본은 총 카본시장의 약 5%에 지나지 않는다(velocite-bikes.com).

이것은 자전거 산업에서 사용하는 카본 소재와 합성수지는 원래 항공분야와 같은 타 분야를 위해 개발되었으며,

자전거에 대한 적용은 상당히 미미하다고 봐야 한다.

자전거 광고에서 환상적으로 표현되는 자전거만을 위한 특별한 카본이란 존재하지 않으며 이미 타 분야에서 사용되고 있는 변형하여 적용하고 있을 뿐이다.

카본 자전거 시장의 70%를 공급하는 대표적인 회사는 Toho Tenax, Toray Industrial, 그리고 Mitsubishi Rayon이고 이 3개 회사는 모두 일본회사이다.

이 회사들이 일반적으로 1k, 3k, 12k, UD카본(단방향 카본) 등으로 알려져 있는 카본원사를 공급하는 메인 회사들이다.

탄소섬유 원사 가닥을 필라멘트(filament)라고 하는데 원사 필라멘트 1천 가닥을 직조하여 만들면 1k, 3천가닥을 직조하여 만들면 3k라고 한다.

1k는 m2당 100g, 3k는 200g, 12k는 600g으로 상당히 무거워 진다.

UD카본의 경우는 대부분 프리프레그 형태로 공급된다. 프리프레그는 미리 경화수지를 입혀놓은 카본 섬유를 의미한다(일반적으로 시트 형태의 제품으로 나온다).

얼마만큼 어떤 종류의 수지를 사용할 지는 카본 프리프레그의 최종 사용 목적과 등급에 따라 다르다.

거의 모든 카본 자전거 프레임은 브랜드는 다를지라도 중국과 대만의 몇몇 공장에서 생산된다.

이 공장들은 각 브랜드들이 제시하는 요구사항을 연구하고 제품에 적용하는 카본 기술자들을 채용한다.

따라서 카본의 품질과 가격은 같은 공장에서 생산된다고 할지라도 주문자의 요구사항과 공정에 따라서 가격이 결정된다고 할 수 있다.

예를 들면 1k카본을 6장 적층 할 것인가 아니면 3k 카본은 2장 적층 할 것인가는 같은 양의 원사를 쓰더라도 인건비 측면에서 차이가 난다.

또한 1k, 2k, UD 등으로 표시되는 카본은 카본원사의 직조방식이지 카본파이퍼 자체의 특징이 아니다.

동일한 1k카본이라도 원사의 종류에 따라 강도와 강성도가 달라진다는 점을 알아야 한다.

12k 카본이지만 직조하지 않고 UD카본은 잘라서 교차하여 만든 카본이다.

직조한 12k보다 공정을 줄일 수 있어 비용측면에서 유리하다.

자전거 부품, 특히 자전거 프레임은 인장강도(strength)와 강성도(stiffness)가 다른 다양한 등급의 카본 섬유로 만들어 진다. 인장강도는 섬유가 끊어지기 전까지 견디는 힘의 크기이고, 강성도는 재료에 힘이 가해졌을 때 변형에 저항하는 정도를 말한다. 강성도는 일반용어로‘탄성’ 정도로 이해하면 될 듯 하다. 다시 말하면 강도가 크면 잘 부러지지 않는다는 의미이고, 강성도가 크면 동일한 힘에도 휨이나 비틀어짐이 적다는 뜻이다.

일반적으로 인장강도와 인장탄성계수가 높을수록 재료의 가격은 상승한다. 원사직조 방법도 또한 가격을 결정하는데, 예를 들면 12k 프리프레그는 적층수가 줄어들어 생산비용이 적게 들기 때문에 작은 단위당 단가가 더 싸다. 아래 차트는 토레이 인더스트리얼(Toray Industrial, 일본의 카본 파이버 생산회사)에서 생산하는 카본 프리프레그의 성격을 설명해 놓은 차트이다. 차트를 보면 왜 더 성능 좋고 안전하고 강한 자전거 프래임을 만들기 위해 다양한 특성의 카본을 덧대어서 만들어야 하는지 알 수 있다.

차트를 보면, 인장강도(Tensile Strength)와 인장탄성계수(Tensile modulus = Stiffness)가 거의 반비례한다는 것을 알 수 있다.

그것은 카본섬유의 인장강도가 강할수록(잘 끊어지지 않을수록) 강성도(Stiffness)가 약하다는 의미이다.

이 때문에 자전거 프레임 생산에 있어서 가벼우면서 넘어져도 크랙이나 데미지가 없고(강도가 강하고)

동시에 패달링 시 힘 손실이 없는(강성도 높은) 프레임을 만든다는 것은 거의 불가능해 보인다.

이러한 이유로 카본 프레임은 대부분 특정부위에 여러 가지 카본을 다층구조로 적층하여 제작함으로써 원하는 강도와 내구성에 도달할 수 있다.

참고로 피나렐로사의 도그마 모델의 경우 토레이사의 60HM을 1k로 사용한다고 되어있다(www.neofly.co.kr).

이 뜻은 High Modulus 계열의 카본을 사용하고 있고 M60J를 1k로 직조한 카본을 사용하고 있다는 의미이다.

자이언트사의 경우 T-800 복합재를 사용한다고 설명되어 있는데(www.giant-korea.com) 이것은 High Strength계열의 T-800S 카본을 사용하고 있다는 의미이다.

두 카본을 비교하면 피나렐로사의 경우는 강성도는 뛰어나나 강도가 약하고, 자이언트사의 경우 강도는 높으나 강성도가 낮다.

필자의 생각으로는 각 사에서 언급한 카본을 주로 쓰되 다른 특성의 카본도 함께 적층하여 쓸 것으로 추측된다.

각 회사에서는 구체적으로 자료를 공개하지 않고 있지만 한가지 카본으로는 강도와 강성도를 동시에 구현할 수 없기 때문이다.

만일 피나렐로가 60HM 카본만을 사용한다면 자전거의 파손은 고려하지 않고 오로지 힘의 전달(강성도)만을 염두에 두고 만든 프레임이 될 것이다.

Carbon fiber layup

서로 다른 성격의 카본 프리프레그와 원사는 각 프레임의 모델과 사이즈 별로 레이업 차트에 따라 작은 패치로 절단된다.

벨로사이트의 ‘지오스’ 프레임을 예로 들면, 이 프레임은 4개의 사이즈가 있는데 하나의 모델에 4개의 개별적인 레이업 차트가 있다는 뜻이다

위의 그림은 벨로사이트사의 지오스 프레임에 실제로 사용되는 레이업 다이아그램이다.

(여기에서 위치와 카본의 등급과 결의 방향 등에 대한 정보는 회사의 기술정보이므로 삭제되었다.)

이 그림에는 3개의 서로 다른 타입의 카본파이버가 8개 층을 이루고 있다.

이 레이업은 프레임이 특정 방향으로 가해지는 힘을 가장 잘 견디도록 최적화시킨 것이다.

다시 말하면, 다운튜브-탑튜브-싯스테이-체인스테이 순으로 뒤틀림에 대해 우선순위를 두고 제작된다고 한다

(www.velocite-bikes.com/carbon-fiber.html).

프레임을 제작할 때 카본파이버 프리프레그 패치를 서로 다른 방향으로 층을 이루게 하는 것은 매우 중요한데,

그 이유는 카본파이버는 길이 방향으로 최대 강도를 발휘하기 때문이다.

이것은 왜 UD카본(Uni-directional)으로 직조된 카본(예를 들면 1k, 3k, 12k)보다 더 강한 프레임을 만들 수 있는지를 설명해준다.

직조카본은 어느 경우에서든 절반의 카본섬유는 힘의 방향과 다른 방향으로 향하게 되어있다.

물론 직조카본을 서로 다른 방향으로 여러 층으로 겹쳐 이런 문제를 최소화 하기는 하지만 말이다.

직조카본의 또 다른 문제점은 현지사용 용도에 따라 현지에서 직조를 해야 한다는 데 있다.

이 문제는 모든 직조카본에 있어서 극복하기 어려운 문제점이며 비용측면에서도 상당히 불리하다.

따라서 자전거 프레임 제작에 있어서 1k, 3k 드물게 12k의 직조카본이 사용되는데

이것은 ‘카본문양’을 보여주기 위해서 사용되는 경우가 많다.