1 서 론
아무리 정교하게 제작된 장비(설비)라고 하더라도, 움직이는 두 접 촉면에서는 반드시 마찰이 발생되며, 마찰에 의한 동력손실과 마찰⋅ 마모로 인한 고장을 방지하기 위해 장비(설비)에 윤활유를 사용한다 [1]. 윤활유제품은 일반적으로 윤활기유(base oil)에 기능성 첨가제를 일정 비율로 혼합하여 생산된다. 윤활유제품의 주성분인 윤활기유는 원유를 정제하여 만든 광유(mineral oil)와 저분자 단위체를 이용해 고 분자량으로 전환한 형태의 합성기유(synthetic base oil)로 구분된다. 합성기유는 일반 광유의 단점을 보완한 다양한 성능(내마모성, 산화 안정성 등)을 지니는 것으로 알려져 있다[2].
일반적으로 합성기유로는 에틸렌(ethylene)이나 1-데센(1-decene)과 같은 올레핀(olefin) 형태의 단량체(monomer)를 중합시켜 만든 PAO (poly alpha olefin)가 대표적이며, PAO는 윤활유산업 초기 광유의 열 악한 산화안정도 등을 보완하는 고성능 윤활기유로 알려져 있다[3,4]. 그 밖의 엔진오일용 합성기유로는 폴리부텐(polybutene), 알킬벤젠 (alkylbenzene), 디에스테르(diester), 폴리올 에스테르(polyolester), 폴 리알킬렌글리콜(polyalkylene glycol) 등이 있지만 대부분 사용량이 작 다[5,6].
Figure 1은 일반적인 윤활유 생산공정을 나타내고 있으며, 원유로부 터 기인된 윤활기유에 첨가제를 첨가하여 생산한 일반윤활유와 올레 핀과 같은 단량체로부터 인위적으로 합성된 합성기유에 첨가제를 첨 가하여 생산한 합성윤활유로 구분된다. 합성윤활유는 일반윤활유에 비해 비교적 비싼 가격으로 유통되고 있다.
국내에서는 합성윤활유 외에 KS 제품을 등록, 판매하고 있다. KS 표시 인증은 업계의 사내표준화와 품질경영을 도입, 촉진하고 우수 공산품의 보급확대로 소비자보호를 위해 특정상품이 한국산업표준 수준에 해당함을 인정하는 제품 인증제도이다[7]. KS로 등록된 윤활 유 제품은 3년에 한 번씩 한국표준협회 등 관련 기관의 정기심사를 받아야 하지만, 심사 주기가 비KS 석유제품에 비해 매우 길다.
국내 윤활유시장은 해마다 증가되고 있으며, 그중 35%가 자동차용 윤활유로 가장 큰 부분을 차지하고 있으며, 자동차용 윤활유 중 77% 가 엔진오일이 차지하고 있다[8]. 윤활유 시장의 가장 큰 비중을 차지 하고 있는 엔진오일은 국내⋅외 자동차시장의 호황에 따라 계속적으 로 증가되고 있어, 2016년 기준 475,088 kL의 생산량을 보였다[9].
이러한 엔진오일은 ‘석유 및 석유대체연료사업법’에 따라 품질관리 상태를 확인하기 위해 정기적으로 품질검사를 받아야 한다. 하지만 국내 유통되고 있는 엔진오일의 대부분을 차지하고 있는 합성엔진오 일과 KS제품은 ‘석유 및 석유대체연료사업법’에서 품질검사 제외대 상으로 정해져 있다. 따라서 품질검사 제외 대상에 대해서는 생산자 외에는 정기적인 품질관리가 이루어지고 있지 않은 상태이다.
우리 연구팀에서는 국내 유통되고 있는 합성엔진오일을 고온증류 모사시험(SIMDIST, simulated distillation)을 통해 분석한 결과, 합성 유로 광고, 판매되고 있는 대부분의 엔진오일이 합성기유인 PAO가 함유되어 있지 않거나, PAO함량이 매우 낮다는 것을 기존에 발표하 였다[10]. 하지만 기존 연구에서는 단지 SIMDIST를 통해 PAO함량에 대한 접근을 하였으며, 품질에 대한 접근은 하지 못했다.
본 연구에서는 석유 및 석유대체연료사업법에서 품질검사 대상은 아니지만, 국내 엔진오일 유통시장의 대부분을 차지하고 있는 합성엔 진오일 제품과 KS제품으로 등록, 판매된 30종의 엔진오일에 대해 품 질상태를 확인하기 위해 품질 모니터링을 실시하였다.
2 실 험
2.1 국내 유통 엔진오일
국내 판매량이 높은 엔진오일에 대한 품질 모니터링을 위해 30개 엔진오일 제품을 시중에서 구매하였다. 엔진오일은 KS제품 또는 합성 엔진오일로 등록되어져 있어 석유 및 석유대체연료사업법 상 품질검 사에서 제외된 제품들로 선정하였다.
2.2 엔진오일 품질 분석
2.2.1 동점도 및 저온겉보기점도 분석
동점도는 Cannon Instrument Company, CAV 2000 series의 Cannon 1257 유리제 모세관식 튜브를 이용하여 40 ℃와 100 ℃에서 ASTM D 445 방법에 따라 측정하였다. 모세관식 튜브에는 3개의 벌브(bulb) 가 있으며, 벌브 사이에 온도센서가 있어 시료 약 15 mL를 흡입 상승 시킨 뒤, 시료가 중력에 의해 하강하는 시간을 온도센서로 감지함으 로써 동점도를 측정하였다[12].
저온겉보기점도는 Cannon Instrument Company의 CCS-2000 series 를 이용하여 50 mL의 시료를 취해 해당 점도에 따라 -35, -30, -25 ℃ 에서 회전자의 속도와 점도와의 함수관계를 이용하여 저온겉보기점 도를 측정하였다[13].
2.2.2 인화점 및 유동점 분석
인화점은 용기에 시료 70 mL를 채운 뒤, Tanaka사의 ACO-T602장 비를 이용하여 클리브랜드 개방컵(Cleveland open cup), KS M ISO 2592 방법에 따라 분석하였다. 시료의 온도를 높이면서, 가열된 전기 코일에 의해 인화되는 최저온도를 인화점으로 측정하였다[14].
유동점(Pour point)은 ASTM D 97 방법에 의해 Tanaka사의 MPC-602를 이용하여 측정하였다. 4 mL의 시료를 용기에 채운 뒤, 45 ℃로 가온한 후, 분당 1 ℃의 속도로 냉각하면서 시료가 고체상으로 전환되어 유동되지 않는 온도를 유동점으로 측정(3 ℃ 단위로 측정) 하였다[15].
2.2.3 산화안정도 및 전산가
산화안정도는 Yoshida사의 ISOT-D8을 이용하였으며, KS M 2021 방법에 따라 시험하였다.
시료컵에 일정 크기의 강판과 구리판 촉매를 넣고, 250 mL의 시료 를 넣은 뒤, 165.5 ± 0.8 ℃로 승온하여 회전막대를 1300 ± 15 rpm으 로 회전시켜 24 h 동안 시료를 산화시킨 후, 40 ℃에서 동점도를 측정 하여 산화 전⋅후에 대한 동점도 변화정도와 함께 전산가를 측정해 산화 전⋅후에 대한 전산가 증가 정도를 측정하였다[16]. Table 1
전산가는 Metrohm사의 805 Dosimat을 이용하였으며, KS M ISO 6618방법에 의거해 분석하였다. 시료 1~2 g의 시료를 유리컵에 취한 뒤, 100 mL의 용매(Tol : IPA : Water = 50 : 49.5 : 0.5)로 시료를 녹 인 후, 0.1 N KOH를 이용하여 적정하여 전류값의 변환지점을 당량점 으로 인식하여, 시료의 전산가를 분석하였다[17]. 레커도(lacquer)는 산화안정도 시험에서 사용되는 유리막대에 윤활유의 산화생성물(열 화생성물)의 부착 여부를 육안으로 확인하였다. Table 2
2.3 고온모사증류시험 분석
일반 가스크로마토그래피를 이용해 윤활유분석을 할 경우, 일부 고비 점 성분이 컬럼을 통과하지 못해 분석결과에 오류를 범할 수 있다. 고온 모사증류시험(SIMDIST)은 이러한 고비점 물질에 대한 분석에 적합한 분석시험방법으로 윤활기유, PAO 및 유통 엔진오일에 대한 증류시험 분석을 위해 활용하였으며, 분석장비 및 시험방법은 Table 3과 같다[18].
3 결과 및 고찰
3.1 인화점, 저온겉보기점도 및 유동점 품질 모니터링
인화점은 점화원 존재하에서 시료를 서서히 가열하여, 불이 붙는 최저온도로 석유제품의 화재안전성과 연관되는 품질항목이다. 저온겉 보기점도는 엔진오일의 점도기준에 따라 일정한 온도(-35, -30, -25 ℃)에서 분석하였으며, 저온에서의 시동성과 연관되는 품질항목이다. 유동점은 온도를 낮추어 시료의 흐름성이 없는 최고 온도로 저온에서 의 시동성이나 흐름성과 연관되는 품질항목이다. 국내 유통되고 있는 30개 엔진오일 제품의 인화점, 저온겉보기점도 및 유동점에 대해 품 질 모니터링을 한 결과, 모두 품질기준에 적합하였다(Table 4). Table 5
3.2 동점도, 점도지수 및 산화안정도 품질 모니터링
동점도는 시료를 자유낙하 시켰을 때 낙하속도로부터 산출되며, 자 유낙하 속도가 늦으면, 높은 동점도를 갖게 되며, 높은 동점도는 윤활 성을 향상시킬 수 있으나, 동력손실에 따른 차량의 연비저하를 일으 킬 수 있다. 윤활유의 동점도는 높은 온도에서는 낮아지고, 낮은 온도 에서는 증가되는데, 온도변화에 따라 동점도 변화값이 작을수록 높은 점도지수를 갖게 된다. 점도지수가 높을수록 점도 측면에서는 좋은 윤활유제품으로 판단한다. 엔진오일은 고온의 엔진룸에서 장기간 사 용하기 때문에 산화안정도가 우수해야 한다. 엔진오일의 산화안정도 는 산화 전⋅후의 시료에 대한 점도비와 전산가 증가를 통해 판단하 며, 점도비와 전산가 증가가 낮을수록 산화안정도 면에서 우수한 제 품으로 판단할 수 있다.
30개 엔진오일제품에 대한 품질 모니터링 결과, 점도지수와 산화안 정도는 품질기준에 적합하였다. 하지만 22번 제품과 30번 제품은 동 점도 품질기준이 12.5~16.3 mm2/s이지만, 22번 제품은 12.13 mm2/s, 30번 제품은 9.691 mm2/s로 분석되어, 품질 부적합을 보였다. 22번 제 품은 해외에서 수입되고 있는 합성엔진오일이며, 30번 제품은 국내에 서 합성엔진오일로 광고, 판매되고 있는 제품이면서 KS제품으로 등록 된 제품이다.
3.3 윤활기유 및 PAO의 SIMDIST 분석[10]
광유로부터 생산된 윤활기유는 수천 가지 이상의 분자혼합물이기 때문에 SIMDIST를 이용해 분석할 경우, broad한 탄소수 분포 스펙트 럼(spectrum)이 얻어지며, PAO와 같은 합성유는 olefin의 중합반응에 의해 특정분자로 전환되었기 때문에 SIMDIST로 분석할 경우, 특정성 분의 sharp한 스펙트럼이 얻어진다. Figure 2는 광유 윤활기유(Base)에 합성기유(PAO)를 일정 비율로 혼합하여, SIMDIST를 분석한 결과이 다. 분석결과, 광유에 합성기유인 PAO가 함유될 경우, PAO 혼합비율 이 높아질수록 sharp한 PAO 특정피크가 증가되었다. 또한 PAO가 20%만 혼합되어도, PAO의 혼합여부를 SIMDIST를 통해 충분히 확인 이 가능할 수 있을 정도로 sharp한 PAO의 특정 피크가 검출됨을 볼 수 있다.
3.4 국내 유통 엔진오일 제품 SIMDIST 분석
순수한 윤활기유와 PAO를 일정 비율로 혼합하여 SIMDIST를 분석 한 후, 국내 유통 중인 30개 엔진오일 제품에 대해 SIMDIST 분석을 실시하였다. 석유 및 석유대체연료 사업법 상, 합성유는 합성기유가 30% 이상 함유되어져야 하며, 이들 제품에 대해서는 품질검사에서 제 외된다.
Figure 3에서 보는 바와 같이 Aral Super Tronic제품은 전형적인 합 성기유의 특정 페턴을 보였다. 하지만 몇몇 해외제품(Mobil 1, Castrol EDGE, Liqui Moly Top Tec, Aral Super Tronic)을 제외하고, 합성유 로 광고, 판매되고 있는 대부분의 제품들이 광유 윤활기유의 전형적 인 broad한 탄소수 분포 스펙트럼을 보였다. 이는 합성기유인 PAO가 30% 이상 혼합되지 않은 제품으로 판단할 수 있다.
4 결 론
국내 윤활유시장은 계속 증가하고 있으며, 윤활유시장 중에서 자동 차용 엔진오일이 차지하는 비중이 가장 높다. 운전자의 안전과 엔진 보호를 위해 엔진오일에 대한 품질검사가 정기적으로 이루어져야 하 지만, 석유 및 석유대체연료사업법에서는 국내 엔진오일의 대부분을 차지하고 있는 합성엔진오일과 KS제품을 품질검사 제외 대상으로 분 류하고 있다.
본 연구에서는 국내 판매량이 높은 엔진오일 30개 제품에 대해 품 질 모니터링을 실시하였다. 모니터링 결과 2개 제품이 동점도에서 품 질 부적합을 보였으며, 이들 중 1개는 해외에서 수입, 판매되는 합성 엔진오일이며, 다른 1개는 국내 합성엔진오일로 생산, 판매되고 있을 뿐만 아니라 KS제품으로 등록된 제품이다.
또한 이들 30개 엔진오일 제품을 대상으로 SIMDIST를 분석한 결과, 일부 해외 수입제품을 제외한 대부분의 제품들이 합성유로 광고, 판매 하고 있지만 광유 윤활기유의 전형적인 broad한 스펙트럼을 보임으로 써, 합성기유인 PAO가 30% 이하로 혼합되고 있는 것을 확인하였다.
따라서 기존 관련 법규의 개정 등을 통해 품질검사 사각지대에 있 는 윤활유제품(합성유, KS제품)에 대한 적절한 품질관리를 함으로써 소비자의 피해예방이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
