마찰재

마찰재(friction material)란 자동차, 철도, 항공기, 중장비 엘리베이터 등 다양한 수송기기와 가전제품의 제동 장치에 필요한 범용 부품이다. 자동차에서 마찰재는 브레이크를 구성하는 요소로 라이닝이라 불리고, 넓은 의미로 브레이크 패드라고 통칭하는 경우도 있다.

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개요

자동차에서 가장 많이 사용하는 장치를 따지자면 스티어링 휠, 엑셀러레이터, 브레이크 정도로 꼽을 수 있는데, 이들은 차체를 진행시키고, 방향을 바꾸고, 멈추게 할 수 있는 운행 또는 주행에 필수 요소이다. 세 장치 중 운전자가 가장 중요시 여기는 것은 브레이크일 것이다. 잘나가는 것과 못지않게 제때 멈추는 것 또한 안전운전에서 필요충분조건이기 때문이다. 브레이크의 성능은 브레이크에 장착된 마찰재가 좌우한다. 마찰재가 제동 시 운동에너지를 마찰 에너지로 전환시켜 자동차의 속도를 감속시키는 데 가장 직접적 역할을 하기 때문이다. 자전거 브레이크를 밟을 때 잡아주는 듯한 고무로 된 부분을 떠올리면 된다. 안락함과 안전성이 모두 요구되는 부품으로 마찰재 재료는 흑연, 고무 분말을 비롯해 많게는 수십 가지에 달하고 속성이 복잡하여 제품개발에 오랜 시간과 경험이 필요하다. 그리하여 자동차 브레이크의 핵심 부품인 마찰재를 '검은 예술'(Black art)로 불린다.

발전

1900년 초에 면직물에 고부 또는 아스팔트를 함침시켜 만든 직물(Woven)계가 최초의 마찰재로 사용되었으며, 1906년에는 열 안정성이 우수한 석면(Asbestos)이 주성분으로 이루어진 브레이크 라이닝을 제동장치에 처음으로 사용하였다. 1927년에는 페놀 수지(phenol resin)가 개발되면서 1960년부터 수지형(Resin Mold)계의 마찰재가 본격적으로 생산되기 시작하였다. 1980년대 후반에 접어들면서 석면이 미국 환경 보호국(EPA)에 의해 발암물질로 판명되면서 각종 제품에 규제를 받기 시작하자 환경문제의 고조로 석면 대체 물질의 개발이 시작되었다. 그렇게 반금속성 마찰재(SEMI METALIC:금속분 30%이상)과 저금 속성 마찰재(LOW MWTALIC: 금속분30%이하), 비석면계 유기질(NON-ASBESTOS ORGANIC:NAO) 등으로 꾸준히 개발됐다. 개발된 마찰재 중 일본 및 미국은 비석면계 유기질을 자동차에 주로 사용하고, 한국 자동차 시장에는 대부분 저금속성 마찰재, 비석면계 유기질 두 마찰재가 점유하기 시작하면서 같은 차종이라도 수출지역 운전자들과 운전 습관에 따라 각각 다른 마찰재를 적용하고 있다. 이전에 사용되었던 금속성 마찰재는 자동차 시장에서 디스크 공격성 및 잦은 소음 등의 문제로 점유율이 매우 낮고, 철도차량의 마찰재에 주로 사용되고 있다. 하지만 논 스틸(NON MWTALIC)과 로스틸(LOW MWTALIC)의 고유의 단점이 있어서 이들의 단점을 보완하고 장점을 극대화하는 하이브리드(hybrid) 마찰재 개발에 전 세계가 활발히 연구하고 있다.

요구 성능

안정성

• 마찰 계수: 브레이크 마찰재는 자동차가 제동될 수 있는 일정 수준의 마찰계수를 가져야 하나 차종마다 고유의 제원이 있는 까닭에 브레이크 설계 시 그 고유의 마찰계수 값을 정해야 한다.
• 마찰 안정성: 마찰 속도 및 제동 감속도에 마찰계수의 변동(산포)이 적을 수록 좋다.
• WATER RECOVERY: 마찰면에 물이 침입될 경우 마찰계수가 저하되는 데, 물로 인해 마찰력이 저하한 후 마찰계수가 회복하는 정도가 높아야 한다. 너무 높은 회복력을 가져도 문제가 된다.
• EARLY MORNING SICKNESS (조변 효과): 수분이 어느 정도 이상이 된다면 물이 윤활작용을 하게 되어 마찰계수가 저하되는 것이 당연하지만 마찰면에 적당한 양의 수분이 존재하면 마찰계수가 높아지는 현상이 있다. 이를 조변 효과라고 하며 여러 회의 브레이크 사용으로 수분이 날아가 버리면 마찰계수는 원래의 상태로 돌아온다.
• STABILITY IN MILEAGE (경시 효과): 브레이크의 사용 중 마찰재의 표면 상태가 변화되고 열에 의해서 마찰재가 변질하여 효과가 변화되는 것으로 표면이 경화되어 반질반질하게 윤이 나는 상태이다.
• FADE 현상 (밀림 현상): 고속의 주행 시 제동을 걸면 마찰 에너지가 매우 크기 때문에 온도와 마찰재의 마모가 이루어져서 마찰계수가 저하된다. 일반적으로 드럼브레이크가 드럼 내부에 열이 축적이 되어 발열성이 떨어지기 때문에 내부가 열린 디스크 브레이크보다 밀림현상이 심하다.
• 접착 강도: 브레이크에 마찰재를 부착하는 방법은 접착제와 리벳 또는 볼트 등으로 기계적으로 부착하는 방법과 마찰재를 동시에 성형하는 방법 등이 있는데 브레이크 사용 중 마찰재의 이탈과 손상될 경우가 있어 접착강도와 접착면에 신중을 가해야 한다.

내구성

• 마모: 마찰재의 내마모성은 마찰면의 온도, 속도, 마찰 상대면(노면)의 상태 등에 따라 영향을 받는데 온도에 따라서 마모가 급증하게 된다. 일반적으로 브레이크 마찰재에 사용하는 결합재의 내열 한계온도는 250~300℃으로 이 온도를 넘으면 마모는 더 빨라진다. 즉, 마찰 속도가 높으면 온도가 높아지게 됨으로 마모가 더 빨리 이루어질 수 있다.
• 노면: 마찰재마다 성질이 다르기 때문에 손상 원인이 상이할 수 있지만 마찰면의 모래나 이물질의 침입이 주원인이 될 수 있다. 더하여 노면이 고르지 못한 상태에서의 제동은 마찰 방향과 직각으로 파열, 마찰 방향으로 파열 등 요철현상에 의한 파열이 진행될 수 있다.
• 소음 및 진동:이는 마찰재의 특성과 관계가 있는 사항으로 마찰로 인하여 생기는 진동음과 브레이크 작동 시 느껴지는 떨림이 불쾌감을 줄 수 있음으로 브레이크 사용 시 감도가 적고 부드러워야 한다.

종류

마찰재는 기본적으로 마찰계수가 높고, 변형이 적으며 사용 범위가 넓고, 마모가 적어야 한다. 부가적으로 제동성능과 직접적인 관계는 없지만 제동할 때 소음이 발생하지 않아야 하고 제동 느낌 또한 좋아야 한다. 마찰재는 구성 물질에 따라서 세라믹이나 탄소 복합재료를 사용하는 무기 마찰재와 페놀수지 등의 유기 화합물을 결합한 유기 마찰재로 나눌 수 있는데, 자동차에서는 페놀수지를 사용하여 경제성이 높은 동시에 양호한 내열성을 가지고 있는 유기 마찰재를 선호한다. 이렇게 페놀수지를 사용하여 내열성을 확보하고, 쉽게 마모되는 것을 방지하기 위해 강화섬유를 사용과 동시에 일정한 마찰력을 유지하는 윤활제를 사용하는 등 10종류 이상의 재료가 각각 목적에 부응하도록 적절하게 배합됨에 따라서 제조사마다 구성하는 성분의 배합비율을 달리하고 있다. 그리하여 2000년대를 접어들면서 사용되고 있는 브레이크 패드 마찰재는 대표적으로 유기질 패드, 세미 메탈릭, 세라믹 패드, 메탈 패드 등으로 나누어져서 각 고유한 특징을 가지고 있다.

• 오가닉 패드: 오가닉 패드(Organic pad)는 레진 패드라고도 하며 수지와 혼합 섬유와 이 재료를 결합시키는 충전재를 기본 재료로 하고 있다. 일반적으로 유리 성분, 고강도 섬유 그리고 탄소 등이 함유되어 가장 경제적인 마찰재 유형이다. 오가닉 마찰재는 열전도가 낮아 로터와의 마찰로 인한 열이 대부분 로터쪽으로 발산되고 캘리퍼쪽으로는 적게 전달되어 과격한 다운힐에도 캘리퍼 온도를 크게 올리지 않아서 레버감 변화나 베이퍼 록 현상을 최소화할 수 있다. 아무래도 금속성이 아닌 유기화합물로 이루어졌기 때문에 제동력이 부드럽다는 느낌을 받는다. 브레이크 레버를 살살 잡으면 작은 제동력을 세게 잡으면 큰 제동력이 나오는 등 레버를 쥐는 힘에 따라서 섬세한 제동력 조절이 용이하다는 뜻이다. 이 같이 안락함을 제공하는 반면에 굉장히 한정적인 온도 범위를 가지고 있다. 마찰이 지속되면서 조기에 최대 작동 온도에 도달하게 되고 마찰 계수를 잃어서 마찰재가 타버린다. 즉, 수명이 짧다. 그리하여 브레이킹 성능에 크게 영향을 받지 않는 평소 도로 주행에 적합하다.
• 세미 메탈릭 패드: 세미 메탈릭 패드(Semi-metallic pad)는 강모, 철, 구리에 마찰 저감재와 윤활제, 충전재를 혼합한 마찰재를 사용한다. 이 마찰재 같은경우에는 높은 온도에서도 페이딩 현상이 늦게 일어나서 높은 제동력을 발휘할 수 있고, 열에 강해서 오가닉 패드보다는 수명이 길다. 수명이 높지만 금속 성분으로 인해서 로터의 마모가 쉽고, 마찰열을 캘리퍼 쪽으로 더 쉽게 전달하여 캘리퍼의 온도 상승이 쉬워 브레이크의 성능을 저하시킨다. 더하여 소음과 먼지를 더 발생시키고, 저온에서는 마찰력이 떨어진다. 용도로는 제동 성능이 좋아서 길고 험한 다운힐을 포함한 야외를 달리는 크로스컨트리나 트레일 또는 올마운틴 라이딩과 같이 거의 대부분이 레이스 차에 적용되고 있다.
• 세라믹 패드: 세라믹 패드(Semi-metallic pad)에 금속 유기물질도 아닌 무기물질을 재료로 분말 소결 방식으로 가공하여 만든 마찰재로 이루어져 있다. 세라믹 마찰재는 적은 분진과 저소음이 장점으로 오가닉 마찰재보다는 더욱 오래 사용이 가능하고 조금 열전도가 낮아서 캘리퍼와 로터에 친화적이다. 온도에 관계없이 항상 최대의 제동력을 내고 마찰하는 속도에 따른 마찰계수의 변화를 유지하는 세라믹 재질의 특성상 페이딩 현상이 발생하지 않는다. 성능이 워낙 좋아서 여러 곳에서 사용할 수 있지만 비싼 가격을 가지고 있고 극한의 성능이 필요하지 않는 자전거 등에서 필요로 하지 않는다.
• 메탈 패드: 메탈 패드는 100% 금속으로 이루어진 마찰재를 가진다. 구리와 황동 금속재료를 분망 형태로 틀에 넣고 금속 용융점에 이르는 고온 고압에서 압착하는 신터링 공정을 사용하여 신터드 패드(Sintered pad)라고도 한다. 이러한 공정 방식으로 금속 분말의 표면이 일부 녹으면서 서로 단단히 결합되어 마모가 적어 수명이 길고, 고온 고압 압착방식을 통하여 고온과 저온에서도 안정된 마찰계수를 제공한다. 즉, 세라믹 패드와 마찬가지로 우수한 제동력을 위하여 특정한 온도가 필요하지 않다. 단, 금속을 사용했기 때문에 로터와 마찰에서 발생한 열을 아주 쉽게 캘리퍼 쪽으로 전달하여 베이퍼 록 현상을 일으키기 쉽고, 제동이 유연하지 않고 딱딱한 느낌이며 소음이 매우 크다는 단점을 가진다. 메탈 패드도 재료와 공정 등으로 인해 제조원가가 가장 비싸고, 어떠한 상황에서도 제동력을 유지해야 하는 극한 라이딩을 추구하는 다운힐차에 적합하다.

마찰재별 특성

마찰재	오가닉	세미 메탈릭	세라믹	메탈 및 신터드
용도	일반 도로	레이스 및 경주용	일반 도로	레이스 및 경주용
소음	적음	중간이거나 높음	적음	낮거나 높음
분진	상황에 따라 상이함(Varies)	많음	적음	Varies
떨림	Varies	Varies	Varies	적음
임계 온도	낮음	높음	낮음	높음
수명	Varies	Varies	Varies	Varies
로터 공격성	낮음	높음	낮음	Varies
냉간성능	보통	낮음	낮음	높음
패드침전물	Varies	Varies	Varies	적음
압축률	높음	낮음	보통	낮음
가격	낮음	높음	보통	높음

공정

마찰재의 공정은 제조사마다 상의할 수 있으나 보통의 공정은 크게 원료 혼합, 열성형, 연마, 선별 및 포장 순으로 진행된다. 첫 단계는 원료 혼합으로 금속원료, 유기원료, 무기원료, 첨가제를 적당한 비율로 섞는 공정이다. 마찰현상을 이용한 부품 소재들 중 가장 변수가 많고 체계적으로 접근하기 어려운 대상을 꼽는다면 많은 마찰 학문분야의 연구자들이 자동차 브레이크용 마찰재를 거론한다. 특수조건의 제동력과 마찰 계면의 소음과 떨림을 고려하여 제품을 개발하기 위하여 많은 원료를 포함하는 복합재료로 발전하고 제조사마다 원료의 비율도 천차만별이다. 원료 혼합을 마치고 열성형과정에 들어간다. 메인 성형을 하기 전에 가성형을 진행하고, 프레스 기계에 원료를 틀에 넣고 고온 압력을 가하여 메인 성형을 진행한다. 원료 혼합과 예비 성형과 열처리 과정을 마친 뒤 자연 건조를 하고, 건조후 제품에 색깔을 입히기도 하고 다듬는다. 다듬는 과정은 사용될 차량의 규격에 맞게 하고, 홈을 내거나 마찰재의 양쪽 끝단 부위를 경사지게 하여 소음에 효과를 주거나 마찰재에 쇠심을 박아서 마찰재의 마모의 정도를 알려주는 역할을 하도록 하는 등의 연마가 진행된다. 모든 공정을 마치면 제품의 깨짐과 녹, 찍힘 등 이상 유무를 검사하고 포장에 들어간다. 약간의 금속재료가 포함되어 있다면 앞서 말한 방식을 따르지만 과거에 주로 사용되었던 직물계같은 경우에는 방직기를 이용하여 원단을 직조하여 약품에 소재들을 혼합하고 원단을 함침하고 건조하기를 반복한 다음 별도의 가공을 통하여 납품하게 된다.

참고자료

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• 오재현 기자, 〈‘블랙 아트’ 마찰재, 브레이크의 심장을 만들다〉, 《매일노동뉴스》, 2008-05-25
• sd5000vt, 〈마찰재의 정의〉, 《네이버 블로그》, 2004-12-28
• 장호, 〈브레이크 성능 개발에 액셀러레이터 밟아라〉, 《시사저널》, 2007-06-04
• 쭈니청, 〈디스크브레이크 패드 종류와 특징〉, 《네이버 블로그》, 2014-05-27
• 김현태, 〈브레이크 패드의 재질별 특성〉, 《testdrive》, 2011-01-16
• 〈마찰재의 제조공정〉, 《홍성브레이크》
• 〈브레이크 라이닝의 제조공정〉, 《태성라이닝》

같이 보기

• 브레이크패드
• 브레이크
• 바닥재
• 내장재
• 천장재

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