윤활유
윤활유(Lubricating Oil, 潤滑油)는 상대 운동하는 물체를 윤활막에 의해 분리함으로써 표면 손상을 방지하는 것으로 이때 사용되는 물질이며 또는 기계의 마찰면에 생기는 마찰력을 줄이거나 마찰면에서 발생하는 마찰열을 분산시킬 목적으로 사용하는 유상물질로 주로 석탄계 광물유가 사용된다. 윤활은 움직이는 두 물체의 마찰면 사이에 적당한 액체, 고체를 적당한 방법으로 공급하여 마찰 저항을 줄임으로써, 움직임을 원활하게 하는 동시에 기계적인 소실을 줄이는 것을 말한다. 주로 내면 기관인 자동차용, 오토바이용, 선박용, 철도용 등이나 트랜스미션, 산업용 장비인 유압기, 압축기, 터빈 등에 사용된다.
역사[편집]
윤활유 혹은 윤활제라는 개념은 인류가 도구를 사용하는 시점부터 있었던 것으로 추정된다. 부딪히는 표면 간의 마찰과 부식을 방지하고, 열 발생을 억제하고, 청결하게 유지하며 근래의 절연 및 녹 발생 방지 효과까지 윤활유는 다양한 목적의 필수적인 제품으로서 존재해 왔다. 기록에 의하면 고대 이집트 시절 거대한 건축물들을 축조하는 데 있어 석재나 목재의 이동 등에 올리브 오일이, 이후 전차의 등장에서는 바퀴 축에 동물성 지방인 수지가 윤활제로써 사용되었다고 한다. 윤활제를 의미하는 그리스라는 말은 지방을 의미하는 라틴어 그루수스에 어원을 두고 있는데, 이는 초창기 그리스가 지방과 비슷한 모양을 하고 있었기 때문으로 추정된다. 중세 들어 철과 동을 이용한 보다 복잡한 기계류 사용이 확산하면서 향유고래 기름, 파마자유, 낙화생유, 평지 기름 등 보다 다양한 원료의 윤활 제품들이 등장했지만, 기본적으로 동물성 유지나 식물성 유지와 같은 기름에서 벗어나는 형태는 아니었으며 과학적인 분석에 의한 사용이 아닌 경험에 따른 사용례가 주류를 차지하였다. 본격적인 현대 윤활유의 역사는 19세기 미국 펜실베이니아에서의 석유 시추 개시와 함께 시작되었다. 당시 향유고래 기름이 방직 기계 윤활유로 사용되고 있었는데, 여기에 석유를 함께 섞어 사용하면 기존 대비 10년 이상 사용할 수 있다는 점이 발견되었고, 이후 윤활유는 석유를 기반으로 한 제품으로 빠르게 대체되기 시작하였다. 20세기 들어 시작된 대량생산 시대는 더욱 복잡하고 정교한 기계 설비들이 필요하였으며, 이에 따라 윤활 제품들도 과거와는 비교할 수 없을 정도의 가혹한 환경에서의 작동이 요구되기 시작하였다. 특히 제1, 2차 대전을 거치며 가속화된 자동차, 비행기, 디젤 기차, 미사일, 대형 선박들의 급속한 발전은 정유 및 윤활 제품의 고도화를 견인하였다. 1920년대에는 용제정제 공법이 발명되었고, 1930년대 들어서는 윤활유 제품의 성능을 향상하는 첨가제 투입이 산업 전반에 걸쳐 확산하기 시작하였다. 이후 1950년대에는 제트 여객기의 보급에 따라 영하 50도 이하의 환경에서도 원활하게 작동하는 윤활유 제품의 개발이 요구되어, 전합성유와 다급점도유 제품이 등장하였으며, 1970년대 수소화분해공법, 1990년대 현재에는 더욱 발전 된 수소 이성질체화 공법의 발견을 통해 일반 광유를 통해 서도 전합성유 성능에 근접하는 수준 높은 윤활유들이 광범위하게 개발, 생산되게 되었다. 더불어 윤활 제품의 성능뿐만 아니라 환경에 영향을 미치는 요소들도 중점적으로 고려되고 있으며, 많은 화학자, 과학자, 엔지니어, 정유업계 관계자, 금속학자 등 관련 업계 종사자들은 끊임없이 윤활 제품의 성능을 고도화하기 위해 연구를 지속하고 있다.[1]
특징[편집]
윤활유는 주로 석탄계 광물유가 쓰이며 동식물성유, 합성유 그리고 이들을 광물유와 배합한 배합유 등도 쓰인다. 윤활을 해야 하는 기계요소가 여러 가지이고 기계가 작동하는 조건도 많기 때문에 윤활유의 종류가 매우 많으며 품질도 각양각색이다. 기본적으로 필요한 성질은 사용온도에 적당한 점성을 유지하는 동시에 사용온도가 변해도 급격히 점도가 변하지 않는 성질, 경계윤활 상태에서도 안정한 유막을 형성하는 성질, 윤활 성능과 직접 관계는 없으나 열과 산화에 대해 안정도가 높을 것 등이다. 가장 대량으로 사용되는 석유계 윤활유 제조법을 예로 들면, 저점도 윤활유 원료는 끓는점이 약 300∼600도인 탄화수소가 사용된다. 즉, 원유의 상압증류로 얻어지는 연료용 경유보다 끓는점이 약간 높은 유분에서 감압증류로 얻어지는 중질경유 및 탈랍용 유출유에서 납을 분리한 잔류 등을 원료유로 한다. 이들 원료유 중에는 황소, 산소, 질소 등의 화합물이나 미량의 중금속 화합물이 혼입되어 윤활유로 사용될 때 금속 마찰면을 부식시키거나 윤활유 자체를 빨리 열화시키므로 불순물을 제거하기 위해 여러 가지 정제법이 사용되고 있다. 일반적인 정제법은 황산 세정과 백토 처리이다. 원료유를 황산과 접촉시킴으로써 불포화물이나 수지질의 형으로 존재하는 불순물을 황산 피치로서 침전 시켜 제거한다. 또한, 유분은 온탕으로 남아 있는 황산을 세정하고 마무리로서 활성백토 위에 100∼250도로 접촉시킨다. 백토는 기름 속에 남아 있는 수분, 착색성 물질, 수지질, 아스팔트질 등을 흡착 시켜 제거한다. 이 방법은 황과 결합하여 손실되는 부분이 많으므로 이것 대신에 소량의 수소를 첨가하는 수소화 처리를 통해 불순물을 제거하게 되었다.[2]
기능[편집]
용도에 맞는 윤활유를 선택하기 위해서는 우선 윤활유의 역할에 대해서 정확하게 이해하는 것이 필요하다. 이를 정확하게 이해하고 파악할 때, 목적에 맞는 윤활유의 선택과 관리가 가능하다. 윤활유는 5가지의 기능이 있는데, 먼저 마찰의 감소 기능이 있다. 금속 표면에 유막을 형성함으로써 고체 마찰을 액체 마찰로 변환 시켜 마찰을 감소시키는 것으로 윤활유에 있어 가장 일반적이고 중요한 기능으로, 마찰이 감소함으로써 동시에 발열이 방지되고 마찰면의 마멸도 제한한다. 냉각 기능은 마찰이 일어나는 부위에서는 반드시 마찰열이 발생하며, 특히 금속 간의 경우에는 더욱 그 정도가 심하다. 이에 해당 열을 흡수하거나 외부로 방출하는 것이 필요하며, 그렇지 않을 경우 시스템의 파손 및 변형을 가져오게 되는데 이것에 대한 저항 역할을 윤활유가 담당하며 특히 압연유, 절삭유, 내연 기관에 있어 매우 중요한 기능이다. 하중의 분산 기능은 기어나 베이링과 같은 부분 접촉 작업의 경우, 접촉면이 점이나 선 정도로 제한됨에 따라 순간적으로 높은 하중이 걸리고 이에 따른 설비 파괴 및 설비 간 부착의 위험성이 있다. 이에 윤활유를 도포할 경우 윤활유 유막이 해당 하중을 유막 내에 분산시키는 기능을 수행함으로써 높은 하중으로부터 시스템을 보호하게 된다. 더불어 세정 기능은 시스템을 장기간 사용하게 되면 장비의 부식이나 노후화에 따른 이물질이 발생할 가능성이 있고, 특히 유압유, 기어유의 경우 열화에 따른 슬러지 발생 등 윤활유 자체 퇴적물이 발생 되기도 한다. 특히 내연 연소 기관의 경우 그을음 등이 다량으로 발생하며, 이러한 부식물들이 시스템에 영향을 미쳐 수명을 단축하거나 원하는 작업을 수행치 못하는 결과를 낳게 되기 때문에 윤활유는 이러한 이물질들을 자체 성능으로 비누처럼 씻어내는 기능을 수행하고 있다. 밀봉 기능은 시스템 내의 미세한 틈 사이를 막는 역할을 뜻한다. 특히 내연기관이나 공기압축기와 같은 피스톤, 실린더 사이를 밀봉해 연소 가스의 누출, 외부 이물질의 내부 유입을 차단하여 당초 설계대로 내부 압력 등을 유지, 시스템을 보호하는 기능이며, 특히 유압장치에서는 윤활유의 유압막 형성 자체로 윤활유의 누유를 방지하는 역할도 수행한다. 마지막으로 방청 기능은 금속은 물과 산소에 장기간 노출 시 필연적으로 녹이 발생하게 되는데, 윤활막으로 금속 표면을 보호할 시 녹 발생은 억제되고 이에 따라 시스템의 작동 수명이 연장되는 효과가 있다.[3]
종류[편집]
윤활유로써 사용되고 있는 대부분은 원유에서 가솔린분을 빼낸 나머지의 비교적 비점이 높은 잔류분으로 만들어지고 있다. 이들은 직쇄상의 알킬기를 가지고 있거나, 나프탈렌 핵환상의 알킬기 및 이중결합 등을 갖는 화합물이 섞여 있는 것이다. 이들 원자단에는 부대 전자라고 하는 전자가 있으며, 이 부대 전자는 금속의 표면에 잘 밀착하기 때문에 안정한 기름 피막을 쉽게 만든다. 따라서 윤활로서는 이들의 기나 결합을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 의미에서 본다면 원유에서 얻는 것보다 동식물유에서 얻는 것이 유리하지만, 동식물유는 화학적으로 불안정하여 변질 및 부패하는 결점이 있다. 드물게 사용되고 있는 식물유에는 비교적 안정한 피마자유와 대두유가 있고 이것은 내연기관에도 사용되고 있다.
- 액체 윤활유 : 고온에서의 변질이나 내부식성이 우수한 광물 섬유와 점도 및 유동성이 우수한 광유 등의 동물성유가 있다.
- 고체 윤활유 : 흑연, 활성, 운모, 그래파이트, 이황화 몰리브덴 등이 있다.
- 반고체 윤활유 : 그리스 등이 해당한다.
- 특수 윤활유 : 인, 유황, 염소 등의 극압제를 첨가한 극압윤활유와 응고점이 영하 35도에서 50도인 부동성 기계유, 내한성이나 내열성이 우수한 실리콘유 등이 있다.[4]
성상[편집]
- 비중 : 윤활유의 성능을 나타내는 것과 직접적인 관련은 없으나 윤활유 이외의 이물질 혼입 여부 및 규정의 윤활유인지 아닌지를 판단하는 데 사용된다. 비중 15/4도는 15도의 기름과 4도의 동일 체적의 순수한 물과의 중량비를 나타내는 것으로 가장 널리 사용되고 있다. 비중 60/60℉는 60℉의 기름과 60℉의 동일 체적의 순수한 물과의 중량비이며 API도는 미국석유협회(API, American Petroleum Institute)에서 정한 비중이다.
- 점도 : 활유의 물리 화학적 성질 중 가장 기본이 되는 성질로서, 액체가 유동할 때 나타나는 내부저항을 말하며, 단위로는 CST를 사용한다. 점도를 선정할 때에는 설비의 특성을 고려하여 점도를 선택하여야 하나, 너무 높은 점도의 윤활유를 사용하게 되면 유체 유동에 대한 내부 저항이 커지게 되어 전력 소모 증대, 과부하 및 온도의 상승 등을 초래하게 되며, 지나치게 낮은 점도의 윤활유를 사용하게 되면 유막 파손에 따른 제반 문제를 발생하게 한다.
- 전산가 : 윤활유 중에 포함된 산성 물질의 양을 나타내는 것으로, 윤활유 1g 내에 들어 있는 산성 물질을 중화시키는데 필요한 KOH의 mg수를 나타낸다. 이러한 전산가는 윤활유 완제품에 들어 있는 산성 성분을 띄는 일부 첨가제에 의해 나타나기도 하며 윤활유의 지속적인 사용에 따른 산화 생성물의 발생에 따라 수치를 띄게 된다. 정제도가 우수한 윤활기유의 전산가는 0.01mg KOH/g 정도로서 거의 중성 상태를 나타낸다.
- 유동점 : 윤활유의 온도를 낮추게 되면 점도가 점차로 증대되면서 유동성을 잃고 굳어지는데, 유동성을 잃기 직전의 온도이다.
- 인화점 : 오일을 가열해서 발생한 증기에 불꽃을 접근시켰을 때 순간적으로 섬광을 발하는 온도를 말한다.
- 주도 : 윤활유에서는 점도를 사용하여 묽고 된 정도를 표시하나, 그리스에서는 주도를 사용하여 제품의 굳은 정도를 표시하며, 규정의 원추를 정해진 높이에서 떨어뜨려 일정 기간인 5초에 들어간 깊이를 mm 단위로 측정, 그 수치에 10을 곱하여 사용한다.
- 적점 : 온도의 상승에 따라 그리스가 반 고체상에서 액상으로 변하여 윤활제가 그리스 조직에서 분리되어 떨어지는 온도로서, 그리스의 사용온도 한계를 직접 나타내는 수치는 아니지만, 내열성을 추정하는 하나의 기준으로, 사용 개소의 온도보다 높은 적점의 그리스를 사용하는 것이 바람직하다.[3]
첨가제[편집]
- 산화방지제 : 윤활유가 공기 중의 산소에 의해 산화되는 것을 막아, 부식성의 산이나 슬럿지가 생성되는 것을 방지한다.
- 청정분산제 : 고온의 운전조건 하에서 발생하는 산화 생성물 및 외부로부터 침투된 이물질에 의해 생성된 슬럿지의 퇴적 및 부착을 방지하며, 기생성된 산화 생성물 및 슬럿지를 미세한 입자상으로 윤활유 중에 분산시키는 작용한다.
- 점도지수 향상제 : 윤활유의 점도지수를 높여 온도에 따른 점도의 변화를 줄여주는 첨가제이다.
- 유동점 강하제 : 윤활유가 저온 상태로 되면, 윤활유 중에 있는 WAX 성분이 석출되면서 윤활유의 유동을 저해하게 되는데, 이와 같은 왁스 성분의 응고를 막아 저온 유동성을 향상하는 작용한다.
- 극압제 : 고하중이 걸릴 때, 유막이 끊어지면서 금속 간의 접촉이 생길 경우, 금속 표면과 반응하여 새로운 극압막을 형성하여 금속 간의 직접적인 접촉을 막아준다.
- 유성향상제 : 윤활유의 점도만으로 충분한 유막을 형성하지 못할 경우, 금속 표면에 물리 화학적으로 흡착되어 마찰계수를 줄여주는 작용을 한다.
- 방청제 : 금속 표면에 피막을 형성하여, 공기나 수분의 접촉을 막아 금속 표면에 녹이 발생하는 것을 방지한다.
- 소포제 : 각종 원인에 의해 윤활유 중에 발생한 기포를 신속히 제거하여, 기포에 의한 유막의 파손을 방지하여 설비를 보호한다.[3]
활용[편집]
지에스칼텍스㈜[편집]
2021년 6월 14일, 지에스칼텍스㈜(GS Caltex)는 전기자동차 전용 윤활유 브랜드인 킥스 EV(Kixx EV)를 론칭했다. 전기자동차용 윤활유에는 차량 부품 마모를 방지하는 트랜스미션 윤활유와 배터리 열을 냉각시켜주는 냉각계 윤활유가 있는데, 지에스칼텍스㈜는 트랜스미션 윤활유 개발을 완료하고 냉각계 윤활유 개발을 진행 중이다. 지에스칼텍스㈜는 전기자동차용 윤활유 제품 개발이 완료되는 대로 제품을 본격적으로 출시할 계획이다. 지에스칼텍스㈜ 관계자는 "2020년 하이브리드차 전용 엔진오일 킥스 하이브리드 출시를 시작으로 전기자동차용 윤활유 제품 개발을 위한 노력을 지속하고 있다"며 "친환경 윤활유 기술 개발도 적극적으로 이어나갈 계획"이라고 밝혔다. 더불어 지에스칼텍스㈜는 2021년까지 바이오 원료를 활용해 만든 친환경 윤활유와 친환경 제품 용기를 개발할 계획이다.[5]
㈜포스코[편집]
㈜포스코(POSCO) 포항제철소는 작업자가 설비에 접근하지 않고 기계의 윤활유 상태를 점검하고 주입설비를 관리할 수 있는 스마트 급지 시스템을 개발했다. 해당 시스템은 포항제철소 제강부 2 제강공장에 도입됐으며 현장 작업자의 의견을 반영해 향후 타 공장으로 확대 적용할 예정이다. 포항제철소는 공정 특성상 설비가 원활히 작동하기 위해서는 주기적으로 설비에 그리스를 보충해야 한다. 기존에는 작업자가 직접 설비에 접근해 그리스 상태를 점검해야 했는데, 고열/고온, 가스 사용 등 고위험 장소는 실시간 점검이 어려워 설비 이상이 발생하기도 했다. 또한 안전 절차에 따라 작업 전 위험 요인을 점검하고 가스 차단, 설비 가동 중단 등 안전 조치 시간이 오래 걸렸다. 이에 포항제철소 제강설비부는 원격으로 급지 상태 점검과 그리스 보충이 가능한 장치를 개발했다. 이 장치는 실시간으로 급지 상태를 점검하고 급지 설비 동작을 제어하는 블루투스 급지기와 이를 제어하는 스마트 급지 시스템이다. 시스템을 활용하면 설비에서 5~20m 떨어진 거리에서까지 원격으로 블루투스 통신을 통해 급지기의 작동 상태를 모니터링하고 급지를 제어할 수 있고 모바일앱을 이용해 실시간으로 급지 상태를 확인할 수 있고 이상이 발생했을 때는 알림을 보내주어 신속하게 대응할 수 있다. 설비를 멈추지 않아도 원거리 점검이 가능하기 때문에 점검 소요 시간도 기존 대비 10% 수준으로 줄었다. 점검 결과를 모바일, 컴퓨터를 통해 확인할 수 있고 점검 결과가 시스템을 통해 자동으로 데이터화돼 설비 이상도 예방할 수 있다. 제강부 2 제강공장 조정식 주임은 “뜨거운 쇳물을 다루는 공장인 만큼 안전상의 이유로 접근이 어려워 상시 점검이 불가능한 설비가 많았는데 스마트 급지 시스템을 통해 원격점검으로 안전하고 효율적인 설비 관리가 가능하게 됐다”고 밝혔다.[6]
각주[편집]
- ↑ 에스오일 세븐 공식 홈페이지 - http://www.s-oil7.com/knowledge/basic/history.jsp
- ↑ 〈윤활유〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 3.0 3.1 3.2 에쓰오일토탈윤활유㈜ 공식 홈페이지 - http://www.s-oil-total.com/lubricantInfo/lubricantProperty.do
- ↑ 스트라이키, 〈(기계재료) 윤활유(윤활제)의 종류〉, 《티스토리》, 2017-09-28
- ↑ 김철선 기자, 〈GS칼텍스, 전기차 전용 윤활유 브랜드 '킥스 EV' 론칭〉, 《연합뉴스》, 2021-06-14
- ↑ 안창한 기자, 〈포스코 포항제철소, 스마트 윤활유 공급 시스템 개발〉, 《국민일보》, 2021-05-12
참고자료[편집]
- 〈윤활유〉, 《네이버 지식백과》
- 에스오일 세븐 공식 홈페이지 - http://www.s-oil7.com/knowledge/basic/history.jsp
- 스트라이키, 〈(기계재료) 윤활유(윤활제)의 종류〉, 《티스토리》, 2017-09-28
- 에쓰오일토탈윤활유㈜ 공식 홈페이지 - http://www.s-oil-total.com/lubricantInfo/lubricantProperty.do
- 김철선 기자, 〈GS칼텍스, 전기차 전용 윤활유 브랜드 '킥스 EV' 론칭〉, 《연합뉴스》, 2021-06-14
- 안창한 기자, 〈포스코 포항제철소, 스마트 윤활유 공급 시스템 개발〉, 《국민일보》, 2021-05-12
같이 보기[편집]
