윤활유 역할과 첨가제

왜 배우는가: 윤활유 첨가제는 엔진과 건설기계의 마찰, 마모, 연비, 수명을 좌우하는 핵심 요소이다. 기술사 시험에서는 첨가제의 종류와 기능을 짝지어 답하는 문제가 여러 회차에 걸쳐 출제되었으므로 정의와 분류를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제135회 2교시 6번, 제99회 1교시 6번, 제90회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

윤활유 첨가제는 기유에 소량 배합하여 윤활 성능을 개선하거나 기유에 없는 성질을 새로 부여하는 화학 물질이다.

답안 첫 줄에 쓸 정의는 이 문장이다. 핵심 키워드는 다음 여덟 가지이다.

• 윤활유 첨가제: 기유(base oil)의 부족한 성질을 보완하는 소량의 화학 물질이다.
• 극압제: 고압을 받는 금속 표면과 결합하여 금속끼리 직접 닿는 것을 막는 첨가제이다.
• 내마모제: 금속 표면에 피막을 만들어 부품 사이의 마모를 줄이는 첨가제이다.
• 마찰조정제: 기유의 윤활성을 바꿔 마찰 손실을 줄이는 첨가제이다.
• 점도지수향상제: 고온에서 점도가 과도하게 낮아지지 않도록 하는 첨가제이다.
• 청정분산제: 연소 생성물과 슬러지를 분산시켜 금속 표면에 쌓이지 않게 하는 첨가제이다.
• 산화방지제: 윤활유의 산화 변질을 늦춰 점도 상승과 찌꺼기 생성을 억제하는 첨가제이다.
• 방청제: 물과 공기의 접촉으로 생기는 녹을 막는 보호막을 금속 표면에 만드는 첨가제이다.

2. 개념 풀이

윤활유 첨가제는 기유의 물리·화학적 성질을 개선하거나 기유에 없는 성질을 새로 부여하기 위해 배합하는 화학 물질이다. 기유는 마찰, 마모, 산화, 저온 유동성 측면에서 한계가 있으므로 첨가제가 그 부족분을 보완한다. 첨가제의 농도는 수 ppm에서 수 %까지 넓은 범위에 걸치며, 현대 자동차용 윤활유에는 여러 종류가 함께 들어가 전체의 최대 20% 정도를 차지한다. 첨가제의 본래 역할은 기유를 대체하는 것이 아니라 기유가 못 하는 기능을 더하는 것이다.

첨가제는 작용 방식에 따라 크게 세 가지로 나뉜다. 첫째는 기유의 고유 성질을 바꾸는 첨가제로 점도지수향상제와 유동점강하제가 여기에 속한다. 점도지수향상제는 고분자 물질로 온도에 따른 점도 변화를 줄이고, 유동점강하제는 저온에서 왁스 결정이 자라는 것을 막아 기름이 흐르도록 한다. 둘째는 기유를 보호하는 산화방지제이다. 셋째는 금속 표면에 새로운 특성을 부여하는 첨가제로 청정분산제, 마찰조정제, 내마모제, 극압제, 방청제가 있다.

극압제는 고압을 받는 기어 표면에서 금속과 결합하여 마모를 막는다. 내마모제는 저하중 영역에서 금속 부품 사이에 얇은 막을 형성하여 부품을 분리한다. 극압 조건에서는 내마모제의 성능이 부족해지므로 별도의 극압제가 필요하다. 다만 극압제에 쓰이는 황 또는 염소 화합물은 물이나 연소 부산물과 반응하여 산을 만들고, 이 산이 엔진 부품과 베어링의 부식을 촉진할 수 있다. 이 때문에 극압제는 기어유와 절삭유에 주로 쓰이고 엔진오일에는 드물게 쓰이며, 기어박스 계열 윤활유와 엔진오일에서 사용 범위가 달라진다.

• 극압제(EP): 기어와 같이 고압이 걸리는 부품에서 금속과 결합하여 마모를 줄이는 첨가제이다. 황 또는 염소 화합물이 주로 쓰이며 기어유와 절삭유에 많이 쓰인다.
• 내마모제(AW): 저하중 영역에서 금속 표면에 피막을 형성해 부품을 분리하는 첨가제이다. 대표 물질인 아연 디알킬디티오인산염(ZDDP)은 부식 억제와 산화 방지 효과도 함께 가진다.
• 마찰조정제: 기유의 윤활성을 바꿔 마찰 손실을 줄이는 첨가제이다. 이황화몰리브덴이 대표적이며 연비 향상에 기여한다.
• 점도지수향상제(VII): 고온에서 점도가 과도하게 떨어지지 않도록 하는 고분자 첨가제이다. 이 첨가제를 쓴 엔진오일은 multi-grade로 분류된다.
• 청정분산제: 연소 생성물과 슬러지를 잘게 분산시켜 금속 표면에 쌓이지 않도록 하는 첨가제이다. 가솔린에도 함께 첨가된다.
• 방청제: 물과 공기의 접촉으로 생기는 녹을 막기 위해 금속 표면에 보호막을 만드는 첨가제이다.

3. 등장 배경과 필요성

기계 윤활의 초기에는 동식물유와 고래기름이 쓰였다. 동식물유는 화학적으로 불안정하여 변질과 부패가 쉽고, 원유에서 가솔린분을 빼낸 잔류분으로 만든 광유가 안정성과 대량 공급 면에서 유리하다. 현재 윤활유의 대부분은 이 광유를 기유로 쓴다.

그러나 광유 기유만으로는 고속, 고온, 고하중 기계가 요구하는 성능을 충족하기 어렵다. 내연기관은 피스톤과 실린더, 베어링이 높은 온도와 압력에서 움직이므로 마찰 저감, 냉각, 밀봉, 세정, 방청 기능을 동시에 확보해야 한다. 이 요구를 채우기 위해 기유에 첨가제를 배합하는 기술이 발전하였다.

첨가제의 필요성은 환경 규제에서도 커졌다. 가솔린의 옥탄값 향상제로 널리 쓰인 테트라에틸납은 대기오염을 일으켜 사용이 제한되었으며, 이를 대체할 첨가제 개발이 요구되었다. 디젤 차량에서는 매연 저감 장치가 보급되면서 후처리 장치를 보호하는 윤활유 규격이 중요해졌다.