윤활유

3. 윤활유의 성질

기계의 베어링 등 움직임이 원활하지 않을 때 기름을 사용하면 축과 베어링 사이의 마찰이 줄어 움직임이 부드러워진다. 이처럼 서로 상대적으로 움직이는 물체 사이의 마찰을 줄이기 위해 다양한 종류의 윤활유가 사용된다. 좋은 윤활유는 적절한 점도를 가져야 하며, 온도 변화에 따른 점도 변화가 적어야 한다. 또한, 고체 표면에 안정적인 기름 막을 형성하는 능력이 중요하며, 갑작스러운 큰 힘에도 이 막이 파괴되지 않아야 한다. 더불어 인화성이 없고, 열이나 산에 안정하며, 부식성도 없어야 한다.

일반적으로 우수한 윤활유는 다음과 같은 특성을 지닌다.

• 높은 비점과 낮은 어는점: 넓은 온도 범위에서 액체 상태를 유지하기 위함이다.
• 높은 점도 지수: 온도 변화에 따른 점도 변화가 적음을 의미한다.
• 열적 안정성: 고온에서도 성질이 변하지 않아야 한다.
• 유압 안정성: 압력 변화에도 안정성을 유지해야 한다.
• 유화 방지성: 물과 섞여 유화되지 않아야 한다.
• 부식 방지: 접촉하는 금속 표면을 부식시키지 않아야 한다.
• 높은 산화 저항성: 공기 중 산소와 반응하여 변질되는 것을 막아야 한다.
• 낮은 유동점: 낮은 온도에서도 오일이 흐를 수 있어야 한다. (규정된 시험 조건 기준 최저 온도)

4. 윤활유의 종류

윤활유는 사용되는 상태에 따라 크게 액체 윤활유, 반고체 윤활유(그리스), 고체 윤활유로 나눌 수 있다.
액체 윤활유현재 사용되는 윤활유의 대부분은 원유에서 가솔린 성분을 분리하고 남은, 비교적 끓는점이 높은 잔류분으로 만들어진다. 이들은 직쇄상(直鎖狀)의 알킬기를 가지거나, 나프탈렌 핵, 환상의 알킬기 및 이중결합 등을 갖는 화합물이 섞여 있다. 이러한 구조는 금속 표면에 잘 밀착하여 안정적인 기름 막을 형성하는 데 유리하다. 원유에서 얻는 광유계 윤활유 외에도 동식물성 기름이나 합성 물질을 기반으로 한 윤활유도 있다.

• 동식물성 윤활유: 피마자유나 대두유 등이 사용되기도 하지만, 화학적으로 불안정하여 변질되거나 부패하기 쉬운 단점이 있다. 내연기관에도 일부 사용되고 있다. 고래 기름은 역사적으로 중요한 윤활유였으며, 20세기 후반까지 자동 변속기 오일 첨가제로 사용되었다.^[11]
• 합성 윤활유: 정밀 기계(카메라, 시계 등)나 특정 환경에 사용하기 위해 화학적으로 합성된 윤활유이다. 예를 들어, 나프탈렌 핵에 알킬기를 첨가한 합성 윤활유는 나프탈렌 핵이 금속 표면에 밀착하고 알킬기가 표면을 덮어 마찰을 줄이는 방식으로 작용하는 것으로 추정된다. 주요 합성 윤활유 기유는 다음과 같다.
• 폴리알파올레핀 (PAO)
• 합성 에스터
• 폴리알킬렌 글리콜 (PAG)
• 인산 에스테르
• 과불화폴리에테르 (PFPE)
• 알킬화 나프탈렌 (AN)
• 규산 에스테르
• 이온성 액체
• 다중 알킬화 사이클로펜탄 (MAC)
• 수성 윤활유: 물을 기반으로 하며, 특정 기술 응용 분야에서 연구되고 있다. PEG와 같은 강하게 수화된 브러시 고분자를 이용하여 액체-고체 계면에서 낮은 마찰 계수를 구현할 수 있다.^[8]
• 바이오 윤활유^[9]: 식물성 기름이나 기타 재생 가능한 자원에서 파생된 윤활유이다. 주로 트라이글리세리드 에스테르 형태이며, 고올레산 카놀라유, 피마자유, 팜유, 해바라기씨유, 톨유 등이 원료로 사용된다. 식물성 기름을 가수분해하여 얻은 산을 이용해 특수 합성 에스테르를 만들기도 한다. 라놀린(양모 그리스)도 천연 윤활제의 일종이다.^[10] 2008년 영국 윤활유 시장에서 바이오 윤활유는 약 1%를 차지했다.^[12] 호주 CSIRO에서는 홍화유를 이용한 엔진 윤활제를 연구하여, 기존 석유 기반 윤활유보다 우수한 성능과 낮은 배출량을 확인했다. 유전자 변형을 통해 오일 함량을 최대 93%까지 높인 품종도 개발되었다.^[13]

• PTFE (테플론): 달라붙지 않는 특성으로 잘 알려져 있으며, 최대 350°C까지 사용 가능하고 화학적으로 안정하다. 특수 그리스에 첨가되어 증점제 및 윤활제 역할을 하기도 한다. 그러나 극한의 압력 하에서는 마모되기 쉬워 효과가 떨어진다.^[7]
• 무기 고체: 흑연, 육방정계 질화 붕소, 이황화 몰리브덴, 이황화 텅스텐 등이 있다. 일부는 매우 높은 온도에서도 윤활성을 유지하지만, 산화에 약한 단점이 있다 (예: 이황화 몰리브덴은 공기 중에서 350°C 이상에서 분해되지만, 환원 환경에서는 1100°C에서 분해된다).
• 금속/합금: 카드뮴, 금 등은 표면 도금에 사용되어 내식성과 미끄럼 특성을 향상시킨다. 납, 주석, 아연 합금 및 다양한 청동 합금은 슬라이딩 베어링 재료로 사용되거나, 분말 형태로 직접 윤활에 사용될 수 있다.

4. 1. 윤활유 첨가제

• 유동점 강하제: 낮은 온도에서 왁스 성분이 결정화되는 것을 방지한다. 긴 사슬 알킬벤젠과 같은 화합물이 작은 왁스 결정에 부착하여 결정 성장을 억제하는 방식으로 작용한다.
• 소포제: 거품 발생을 억제하는 역할을 한다. 주로 표면 장력을 증가시키는 실리콘 화합물이 사용된다.
• 점도 지수 향상제 (VII): 윤활유가 고온에서도 점성을 유지하도록 돕는 화합물이다. 폴리아크릴레이트나 부타디엔 등이 대표적이다. 이 첨가제는 윤활유의 온도에 따른 점도 변화를 줄여 점도 지수를 개선할 목적으로 사용된다.
• 산화 방지제: 윤활유 내 탄화수소 분자가 산화되어 분해되는 속도를 늦춘다. 저온에서는 부틸화 히드록시톨루엔과 같은 입체 장애 페놀 계열의 자유 라디칼 억제제가 사용된다. 90°C 이상의 고온에서는 금속이 산화 과정을 촉매하기 때문에, 디티오포스페이트 계열이 더 효과적이다. 이러한 경우 첨가제는 금속 비활성화제라고도 불린다.
• 세제: 고온에서 엔진 부품 표면에 침전물이 형성되는 것을 방지하여 부품의 청결을 유지한다.
• 부식 억제제 (방청제): 금속 부품을 부식시킬 수 있는 산성 물질을 흡수하여 부식을 방지한다. 주로 알킬술폰산염과 같은 알칼리성 물질이 사용된다.
• 마모 방지 첨가제: 금속 부품 표면에 보호막(트라이보필름)을 형성하여 마모를 억제한다. 표면에 결합하는 강도에 따라 여러 종류로 나뉜다. 인산 에스테르와 아연 디티오포스페이트가 널리 사용되는 예이다.^[2]
• 극압 첨가제 (EP 첨가제): 마찰이 심한 금속 부품 표면에 보호막을 형성하여 긁힘이나 소착(seizure)을 방지한다. 이러한 첨가제는 종종 디티오포스페이트와 같은 황 화합물이다. 특히 엔진 오일에 사용되는 극압 첨가제는 아연이나 몰리브덴 등의 금속계 화합물을 주성분으로 하며, 실린더나 피스톤 링 표면에 흡착하여 윤활막을 형성하고 경계 마찰 상태에서도 모재를 보호한다.
• 마찰 조정제: 금속 표면이 직접 접촉하는 경계 윤활 영역에서 마찰과 마모를 줄이는 데 특화된 첨가제이다.^[3]

5. 윤활유의 기능

윤활유는 기계의 움직이는 부분 사이에 사용되어 여러 중요한 기능을 수행한다. 가장 기본적인 기능은 상대 운동을 하는 물체 사이의 마찰을 줄여 움직임을 부드럽게 하는 것이다. 이를 위해 윤활유는 적절한 점도를 가져야 하며, 온도 변화에도 점도가 크게 변하지 않아야 하고, 고체 표면에 안정적인 유막을 형성할 수 있어야 한다. 또한 갑작스러운 힘에도 유막이 파괴되지 않는 강도가 요구된다.

윤활유의 주요 기능은 다음과 같다.

• 마찰 감소 및 마모 방지: 윤활유는 움직이는 부품 사이에 물리적인 막(유막)을 형성하여 부품 간의 직접적인 접촉을 막는다. 이는 마찰과 마모, 표면 피로를 줄여 부품의 수명을 연장하고 기계의 효율성을 높인다. 유막이 얇아지는 고압, 고온 조건이나 시동 시와 같이 유막 형성이 어려운 상황에서는 오일 첨가제(마찰 조정제, 마모 방지 첨가제, 극압 첨가제 등)가 부품 표면에 화학적으로 결합하여 마찰과 마모를 줄이는 역할을 한다. 이를 통해 밸브트레인과 같은 엔진 부품을 보호할 수 있다.
• 냉각 작용: 기계 작동 중 마찰이나 연소 등으로 인해 발생하는 열을 흡수하고 시스템의 다른 부분으로 전달하여 식히는 역할을 한다. 특히 액체 윤활유는 비열이 높아 냉각 효과가 뛰어나며, 시스템 내부를 순환하면서 열을 효과적으로 제거한다. 자동차의 오일 냉각식 터보차저처럼 고온 환경에서는 윤활유의 순환이 냉각에 매우 중요하다. 하지만 순환이 멈추면 과열로 인해 윤활유가 변질되거나 부품이 손상될 수 있다. 그리스와 같이 흐르지 않는 윤활제는 냉각 효과는 적지만, 마찰 자체를 줄여 열 발생을 억제하는 데 기여한다.
• 오염 물질 제거 (청정 분산 작용): 작동 중 발생하는 마모 입자나 외부에서 유입되는 먼지 등의 오염 물질을 윤활유가 흡수하여 필터로 운반하고 제거하는 역할을 한다. 특히 엔진 오일에는 세정 분산제가 첨가되어 이러한 오염 물질을 효과적으로 처리한다. 오염 물질이 쌓이면 필터가 막히므로, 정기적인 윤활유 및 필터 교체가 필요하다.
• 응력 분산 작용: 기어나 베어링과 같이 좁은 면적에 큰 힘이 집중되는 경우, 윤활유의 유막이 쿠션 역할을 하여 압력을 분산시키고 부품의 손상을 막는다. 점도가 높은 윤활유일수록 응력 분산 효과가 크다.
• 밀봉 작용: 피스톤과 실린더 사이처럼 부품 간의 미세한 틈새를 윤활유가 채워 내부의 압력이 새거나 외부의 오염 물질이 들어오는 것을 막는다. 엔진 오일은 엔진의 기밀 유지에 중요한 역할을 한다.
• 부식 및 녹 방지 (방청 작용): 금속 표면에 막을 형성하여 공기나 수분과의 접촉을 차단하고, 부식 방지 첨가제를 통해 화학적으로 금속 표면을 보호하여 녹이나 부식이 발생하는 것을 막는다.
• 동력 전달: 유압 시스템에서는 유압 작동유라는 이름으로 사용되어 힘을 전달하는 매개체 역할을 한다. 자동변속기의 토크 컨버터 역시 윤활유를 이용해 동력을 전달하는 예시다.
• 방진 작용: 주로 그리스 윤활의 경우, 외부로부터의 먼지나 이물질의 침입을 막는 역할을 한다.

6. 윤활유의 응용 분야

윤활유의 가장 큰 용도 중 하나는 엔진 오일 형태로 내연 기관을 보호하는 것으로, 자동차 및 동력 장비에 사용된다.

유압 작동유라고 알려진 윤활유는 정압 동력 전달 장치에서 작동 유체로 사용된다. 유압 작동유는 전 세계에서 생산되는 모든 윤활유의 상당 부분을 차지한다. 자동변속기의 토크 컨버터는 윤활유를 사용한 동력 전달의 또 다른 중요한 응용 분야이다.

윤활유는 다음과 같은 다양한 분야에서 사용된다.

7. 윤활유와 환경

윤활유의 약 50%가 환경으로 배출되는 것으로 추정된다. 환경으로 직접 유입되는 윤활유의 상당 부분은 일반 대중이 사용한 윤활유를 땅에 버리거나, 배수구에 흘려보내거나, 일반 쓰레기와 함께 매립하기 때문에 발생한다. 도로 유출수, 사고로 인한 유출, 자연재해나 인재, 파이프라인 누출 등도 오염원이 된다.

윤활유는 새것이든 사용된 것이든 심각한 수질 오염을 유발할 가능성이 높아 환경에 큰 피해를 줄 수 있다. 윤활유에 포함된 첨가제는 동식물에 독성을 나타낼 수 있으며, 사용된 윤활유의 산화 생성물 역시 독성을 가질 수 있다. 윤활유가 환경에 잔류하는 정도는 주로 기유에 따라 달라지지만, 독성이 강한 첨가제는 환경 잔류성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

일반적인 폐윤활유 처리 방법으로는 재활용, 소각, 매립, 수계 배출 등이 있다. 하지만 소량의 윤활유라도 많은 양의 물을 오염시킬 수 있기 때문에, 대부분의 국가에서는 매립이나 수계 배출을 엄격하게 규제하고 있다. 기업들은 폐수 내 윤활유 농도를 허용 기준치 이하로 처리하기 위해 많은 비용을 지출한다. 윤활유를 연료로 사용하여 소각하는 것(주로 전기 생산 목적) 역시 규제 대상이다. 윤활유에는 비교적 높은 농도의 첨가제가 포함되어 있어 연소 시 대기 오염 물질과 중금속 화합물이 풍부한 유독성 재를 생성하기 때문이다. 따라서 윤활유 소각은 대기 오염 물질 제거를 위한 특수 정화 장치와 유독성 재 처리가 허가된 매립지를 갖춘 전문 시설에서 이루어져야 한다.

최근 여과 기술과 공정의 발달, 그리고 원유 가격 상승으로 인해 폐윤활유 재활용이 점점 더 현실적인 대안이 되고 있다. 다양한 여과 시스템을 통해 미립자, 첨가제, 산화 생성물을 제거하여 기유를 회수할 수 있으며, 이 과정에서 오일을 정제할 수도 있다. 사용된 윤활유를 분별 증류하여 얻은 기유는 천연 기유보다 우수한 특성을 가질 수도 있지만, 경제성은 여러 요인에 따라 달라진다. 하지만 재활용된 오일은 일반적으로 품질이 낮다는 인식 때문에 사용에 대한 거부감이 존재한다. 또한, 사용된 윤활유를 정유 공정의 원료로 사용하는 방안도 있으나, 첨가제, 그을음, 마모 금속 등이 공정 촉매를 비활성화시킬 수 있어 어려움이 따른다. 지속적인 대량 공급(탱크로리, 철도 탱크 규모) 확보의 어려움도 재활용의 주요 장애물 중 하나이다. 사용하지 않은 윤활유는 제조업체에 반환하여 새 제품 생산에 활용하는 것이 가장 좋다.

환경 문제에 대한 관심이 높아지면서 친환경적인 윤활유 개발도 활발히 이루어지고 있다. 바이오 윤활유^[9]는 식물성 기름이나 기타 재생 가능한 자원(주로 트라이글리세리드 에스테르)에서 파생된다. 고올레산 카놀라유, 피마자유, 팜유, 해바라기씨유, 톨유 등이 대표적인 예이다. 라놀린(양모 그리스)과 같은 천연 윤활제도 있다.^[10] 이러한 바이오 윤활유는 생분해성이라는 장점이 있다. 호주 CSIRO의 연구원들은 홍화유를 엔진 윤활제로 연구하여, 잔디 깎는 기계, 체인톱 등에서 석유 기반 윤활유보다 우수한 성능과 낮은 배출량을 확인했다.^[13] 이 홍화유는 정제가 거의 필요 없고 생분해성이며, 바이오에너지 및 바이오연료로도 활용될 수 있다. 과학자들은 유전자 침묵 기술을 이용해 오일 함량을 최대 93%까지 높인 품종을 개발하기도 했다. 미국 몬태나 주립 대학교 연구진 역시 대형 디젤 엔진에서 홍화유의 성능을 시험하고 긍정적인 평가를 내렸다.^[13] 라놀린 기반 윤활유는 무독성이며 환경 친화적인 대안으로 꼽힌다.

8. 관련 단체

• 미국 석유 협회 (American Petroleum Institute^eng, API)
• 마찰학 및 윤활 공학회 (Society of Tribologists and Lubrication Engineers^eng, STLE)
• 전미 윤활유 그리스 협회 (National Lubricating Grease Institute^eng, NLGI)
• 자동차 기술 학회 (Society of Automotive Engineers^eng, SAE)
• 독립 윤활유 제조업체 협회 (Independent Lubricant Manufacturer Association^eng, ILMA)
• 유럽 자동차 제조 협회 (European Automobile Manufacturers Association^eng, ACEA)
• 일본 자동차 표준 기구 (Japanese Automotive Standards Organization^jpn, JASO)
• 석유 포장 위원회 (Petroleum Packaging Council^eng, PPC)

9. 기타

고온에서의 마모 방지 및 윤활과 관련된 현상 중 하나로 압축 산화물 층 글레이즈 형성이 있다. 이 글레이즈는 금속 표면이 서로 미끄러지거나 세라믹 표면과 마찰할 때 발생하는 고온 환경에서, 압축된 산화물 층이 소결(燒結)되면서 생성된다. 이렇게 만들어진 글레이즈는 도자기의 비정질(非晶質) 글레이즈와는 달리 결정질(結晶質) 구조를 가진다.

글레이즈 층은 산화물을 통해 금속 간의 직접적인 접촉이나 부착을 방지하여 마찰과 마모를 줄이는 효과를 낸다. 이 때문에 글레이즈가 형성된 표면은 마치 스스로 윤활하는 것처럼 작동한다. 글레이즈는 이미 산화된 상태이므로 공기 중이나 산화 환경의 매우 높은 온도에서도 안정적으로 유지될 수 있다는 장점이 있다.

그러나 글레이즈가 효과적으로 형성되려면, 먼저 기초가 되는 금속이나 세라믹 표면에서 어느 정도 마모가 일어나 충분한 양의 산화물 파편이 생성되어야 한다는 점이 고려되어야 한다.

참조

_[1] 서적 Lubrication Fundamentals CRC Press
_[2] 학술지 The History and Mechanisms of ZDDP 2004-10-01
_[3] 학술지 Friction Modifier Additives http://spiral.imperi[...] 2015-10-01
_[4] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
_[5] 학술지 Tribology Online 2019-12-12
_[6] 웹사이트 Engine Oil Publications http://www.api.org/c[...]
_[7] 학술지 Historical developments and new trends in tribological and solid lubricant coatings
_[8] 학술지 Macrotribological Studies of Poly(L-lysine)-graft-Poly(ethylene glycol) in Aqueous Glycerol Mixtures http://doc.rero.ch/r[...]
_[9] 학술지 Mechanical behavior and semiempirical force model of aerospace aluminum alloy milling using nano biological lubricant https://doi.org/10.1[...] 2023-02-20
_[10] 학술지 Biolubricants: raw materials, chemical modifications and environmental benefits
_[11] 서적 The Turbo Hydra-Matic 350 Handbook https://books.google[...]
_[12] 웹사이트 NNFCC Conference Poster. Improved winter rape varieties for biolubricants http://www.nnfcc.co.[...]
_[13] 웹사이트 Safflower oil hailed by scientists as possible recyclable, biodegradable replacement for petroleum https://www.abc.net.[...] Australian Broadcasting Corporation 2020-06-07
_[14] 웹사이트 Graisses lubrifiantes : Normes internationales https://wodoil.ch/gr[...] 2024-10-18