카본 파이버 디스크 브레이크 로터, 실용적일까? 사무엘의 테스트.

카본 파이버 디스크 로터는 의문을 불러일으킵니다. 림 브레이크 분야에서 카본의 열 방출 성능이 좋지 않다는 평판은 충분한 근거가 있으므로, 제동 표면 근처에 카본이 사용되어도 되는지 묻는 것은 타당합니다. Samuel은 데이터로 답하기 위해 TC-160을 제3자 인증 시험에 제출했습니다.

카본 림 브레이크에 대한 주장과 이것이 디스크 로터에는 적용되지 않는 이유

이미지 1: 출처: dandyhorse.cc, 손상된 카본 림 브레이크 트랙 이미지.

비판의 요지는 다음과 같습니다. 카본 파이버는 열전도율이 낮기 때문에 지속적인 제동이 이어지면 카본 림이 열을 충분히 방출하지 못하고 림 온도가 상승합니다. 이로 인해 림이 파손되거나 심지어 타이어가 파열될 수 있습니다.

카본 파이버 복합재는 2가지 소재로 구성됩니다. 하나는 카본 파이버 필라멘트이고, 다른 하나는 이를 결합하는 에폭시 수지입니다. 

카본 파이버 필라멘트 자체의 내열성이 일반적으로 문제가 되는 것은 아닙니다. 문제는 주로 에폭시 수지, 특히 유리전이온도(Tg)입니다.

수지가 Tg에 도달하면 부드러워지고 구조적 완전성을 잃습니다.

많은 림 제조업체는 문서상 200-230°C 등급의 높은 Tg 수지를 사용한다고 홍보하지만, 생산 과정에서 중요한 후경화 단계를 생략합니다. 적절한 후경화(일반적으로 고온에서 90-120분)를 거치지 않으면 수지는 정격 Tg에 도달하지 못하며, 100°C에 불과한 온도에서도 파손이 발생할 수 있습니다.

후경화는 생산 처리량과 상충합니다. 시간이 오래 걸리고 일일 생산량을 제한하며 비용을 증가시킵니다.

중국 본토의 많은 림 브랜드는 높은 생산량과 낮은 가격을 광고합니다. 많은 경우 그 이유는 단순히 후경화 단계를 완전히 생략하기 때문입니다. 후경화 없이는 고온 내성을 갖춘 림을 생산할 수 없습니다. 공기역학적으로 최적화된 휠셋을 추구하면서 제동 안전성을 일부 희생해야 했던 것이 업계가 림 브레이크에서 디스크 브레이크로 전환한 또 다른 이유입니다.

이미지 2: 카본 핀이 적용된 Aero Samuel Rotor.

그러나 디스크 브레이크에서는 카본 구조에 가해지는 열 부하가 완전히 달라집니다. 제동 표면은 일반적으로 스테인리스 스틸 또는 Shimano에서 사용하는 것과 같은 스틸+알루미늄+스틸 구조의 별도 소재입니다. 휠의 카본은 더 이상 열 순환 경로에 포함되지 않습니다.

그렇다면 카본 파이버 핀 로터는 열 부하에서 어떤 성능을 발휘할까요?

먼저 TC-160 카본 파이버 핀 로터가 어떻게 다른지 살펴보겠습니다.

TC-160은 어떻게 다른가?

TC-160은 항공우주 등급 수지를 사용하고 후경화까지 완료하여, 카본 핀이 최대 350°C까지 구조적 완전성을 유지하도록 합니다.

반면 알루미늄 합금의 안전 작동 범위는 약 110-120°C에 불과합니다.

중간에서 높은 탄성률의 카본 파이버 적층 구조와 결합된 이 로터는 알루미늄 제품보다 구조적으로 더 강성이 높아 열로 인한 로터 휨과 그에 따른 브레이크 마찰 위험을 줄입니다.

후경화 공정은 배치당 8-9시간 동안 진행됩니다. 급격한 온도 변화로 인한 내부 응력을 방지하기 위해 부품은 오븐 내부에서 자연 냉각되며, 이로 인해 생산량은 하루 오븐 사이클 1회, 주 2-3회로 제한됩니다.

많은 업체가 수요를 맞추기 위해 후경화 공정을 생략하고 싶은 유혹을 받는 이유를 알 수 있습니다. 그러나 Samuel은 지름길을 택하지 않고 생산 능력을 희생하면서도 올바른 방식으로 제조하는 것을 선택합니다. 

많은 사람이 잘 모르는 또 하나의 점은 카본 파이버가 금속보다 자연 진동 주파수가 높다는 것입니다. 이는 TC-160이 본질적으로 브레이크 소음 발생 가능성이 낮다는 의미입니다. 제동 중 마찰로 발생하는 브레이크 소음이 알루미늄 핀을 사용한 일반 로터보다 적습니다.

TC-160은 Shimano와 어떻게 비교되는가? 

Samuel은 열화상 카메라를 사용해 시험을 진행했습니다. 표시되는 색상은 절대 온도가 아닌 상대 온도입니다.

절대 온도를 측정하려면 각 소재의 방사율에 맞게 매개변수를 조정해야 각 위치의 실제 온도를 얻을 수 있습니다. 따라서 현재의 색상 블록은 시각적 식별 목적으로만 사용됩니다.

알루미늄 핀을 사용한 2피스 로터(기준 모델: Shimano Dura-Ace)는 열을 효과적으로 전도하여 스테인리스 스틸 제동 트랙에서 열을 빠르게 분산시킵니다.

이미지 3: Dura-Ace 로터의 열화상 이미지

이미지 3은 뛰어난 열전도성을 보여줍니다. 이미지의 붉은 부분에서 보이듯 열이 브레이크 트랙에서 알루미늄 핀으로 이동합니다.

이미지 4: TC-160 로터의 열화상 이미지.

TC-160의 카본 핀은 실제로 Dura-Ace 로터보다 열전도율이 낮습니다. 그러나 다음과 같은 특성이 있습니다.

1. 스테인리스 스틸 리벳은 카본 핀과 제동 트랙이 연결되는 지점에서 열 장벽 역할을 하여 카본 구조로 전달되는 열을 제한합니다.
2. 카본 복합재 자체는 열전도율이 낮고 내열성이 높습니다.

요약하면 알루미늄 핀은 열전도율은 우수하지만 카본 파이버보다 강성이 낮습니다.

TC-160은 열을 그만큼 효율적으로 방출하지는 않지만, 핀 전체의 뛰어난 강성을 유지하여 로터가 휘는 위험을 줄이도록 높은 내열성을 중심으로 설계되었습니다.

카본 핀은 열 부하에서 어떤 성능을 발휘하는가?

이미지 5: 15% 급경사와 강한 제동 후 수집한 온도 데이터.

이미지 6: 15% 경사 구간 주행 10초 후 수집한 온도 데이터.

이미지 5는 스테인리스 스틸 브레이크 트랙의 온도가 높아진 반면, 주변 영역은 여전히 낮은 온도를 유지하고 있음을 보여줍니다. 15% 내리막에서 강하게 제동한 후의 차가운 파란색/연녹색 영역에서 이를 확인할 수 있습니다.

이미지 6은 스테인리스 스틸 브레이크 트랙의 온도가 점차 낮아지는 모습을 보여줍니다. 한편 스테인리스 스틸 리브의 열은 리벳 지점으로 서서히 이동한 뒤 카본 파이버 핀 상단으로 확산됩니다.

이는 스테인리스 스틸 마찰 플레이트의 높은 열이 리브를 통해 리벳 지점으로 점차 확산된다는 것을 의미합니다. 따라서 리벳 지점 주변에서 녹색을 띠는 따뜻한 영역이 보입니다.

수지는 열 저장 매체이지만 카본 파이버의 축방향 열전도율(k) 값은 여전히 놀라울 정도로 높기 때문에 카본 파이버가 열을 분산시키는 지점에서 색상 영역이 계속 관찰됩니다.

제3자 검증: CHC 시험 보고서

Samuel은 TAF(Taiwan Accreditation Foundation) 인증을 받은 대만 시험 기관인 CHC(Cycling and Health Tech Industry R&D Center)를 통해 TC-160을 독립 시험에 제출했습니다. TAF 인증은 시험 결과가 국제적으로 인정된다는 의미입니다.

CHC 보고서는 TC-160이 디스크 브레이크 로터의 열 성능 기준을 충족한다는 것을 확인했습니다.

시험 장비를 사용한 실제 시험에서 스테인리스 스틸 제동 표면은 600°C를 초과했지만, 동일한 조건에서 카본 핀 부분은 100°C를 조금 넘는 수준으로 측정되어 350°C 한계보다 훨씬 낮았습니다.

실제로 로드 바이크는 600°C를 초과하는 디스크 브레이크 마찰 온도를 발생시킬 수 없으므로, 이는 이 로터의 견고성을 입증합니다.

Aero 버전

TC-160/140 Aero 버전은 축방향 접선 기류의 간섭을 최소화하도록 수정된 핀 프로파일을 사용합니다. 그 대가로 표준 TC-160보다 측풍 민감도가 약간 높아집니다. 이러한 절충이 적합한 전용 Aero 로드 바이크와 트라이애슬론 구성에 알맞습니다.

요약

카본 디스크 로터는 카본 림 브레이크가 아닙니다. 카본 디스크 로터는 설계 방식의 차이로 인해 카본 림 브레이크에서 발생하는 문제에 취약하지 않습니다.

카본 파이버 복합재의 적절한 후경화는 필수이며, 이는 로터의 견고성을 높입니다. 따라서 실제 사용 조건에서 에폭시가 연화되어 TC-160 로터가 파손되는 일은 사실상 불가능하며, Taiwan Accreditation Foundation의 인증을 받은 CHC 인증을 통과할 수 있었습니다.