윤활유: 종류, 용도 및 성능

배경

로마 시대부터 물 등 다양한 액체가 맞물린 기계 부품 간의 마찰, 열, 마모를 줄이는 윤활제로 사용되어 왔습니다. 오늘날 윤활유, 즉 루브 오일은 광범위한 응용 범위 덕분에 가장 흔하게 쓰이는 윤활제입니다. 루브 오일의 두 기본 범주는 광유와 합성유입니다. 광유는 천연 석유(원유)를 정제해 얻으며, 합성유는 제조된 폴리알파올레핀, 즉 탄화수소 기반 폴리글리콜 또는 에스테르 오일입니다.

많은 종류의 루브 오일 중 광유가 가장 널리 쓰이는 이유는 원유 공급이 풍부해 저렴하고, 그 특성과 용도에 대한 방대한 데이터가 축적되어 있기 때문입니다. 또 다른 장점은 다양한 점도(물질의 흐름에 대한 저항)로 생산 가능하다는 점입니다. 분자량 200 amu(원자질량단위) 정도의 수소-탄소 사슬로 된 저점도 오일부터 분자량 1000 amu에 이르는 고점도 윤활제까지 범위가 넓습니다. 서로 다른 점도의 광유를 블렌딩해 특정 용도에서 성능을 높일 수도 있습니다. 흔한 10W-30 엔진오일은 저온 시동성을 위한 저점도 오일과 정상 주행 온도에서 엔진 보호를 위한 고점도 오일의 혼합물입니다.

합성 윤활제는 항공우주 산업에서 처음 사용되었으며, 광유가 부적합한 특수 용도에 맞춰 제조되는 경우가 많습니다. 예를 들어 극도로 높은 작동 온도나 내화성이 요구되는 환경에서 쓰입니다. 본문은 광물 기반 루브 오일에 초점을 맞춥니다.

원료

루브 오일은 원유에서 얻을 수 있는 여러 분획(성분) 중 하나입니다. 원유는 유전에서 황색에서 흑색의 인화성 액체 혼합물로 나오며, 수천 종의 탄화수소(탄소와 수소만으로 된 유기 화합물, 모든 화석 연료에 존재)로 구성됩니다. 석유 매장량은 약 4억 년 전 살았던 미세 동식물의 분해로 형성되었습니다. 당시 기후와 지리적 변화로 인해 유기물의 분해 속도가 지역마다 달랐습니다.

이러한 분해 속도 차이로 인해 생성된 탄화수소의 종류와 비율이 크게 달라지고, 결과적으로 서로 다른 유전에서 채굴되는 원유의 물리·화학적 특성도 다양합니다. 예컨대 캘리포니아산 원유의 비중은 0.92 g/mL인 반면, 더 가벼운 펜실베이니아산은 0.81 g/mL입니다. 비중(물질의 무게와 같은 부피의 물 무게 비율)은 원유의 중요한 특성입니다. 전반적으로 원유 비중은 0.80~0.97 g/mL 사이입니다.

용도에 따라 첨가제가 정제유에 혼합되어 원하는 물성을 부여합니다. 침전 공정으로 정제된 원유는 거대한 분별탑에서 가열됩니다. 연료, 왁스, 프로판 등 다양한 물질로 쓰이는 증기들이 끓는점에 따라 탑의 여러 지점에서 포집됩니다. 수집된 루브 오일은 여과된 뒤 첨가제가 혼합됩니다. 대표적 첨가제로 납이나 금속 황화물 같은 금속이 있어 극한 압력에서 금속 면 간 마모와 스코어링을 방지합니다. 고분자 폴리머는 점도를 개선해 고온에서 오일이 묽어지는 경향을 상쇄합니다. 니트로소아민은 산을 중화하고 금속 표면에 보호막을 형성해 산화 방지제 및 부식 억제제로 쓰입니다.

제조 공정

루브 오일은 예비 정제(침전)를 거친 원유를 분별탑으로 펌핑해 추출합니다. 직경 7.6~10.6m, 높이 최대 122m의 고효율 분별탑은 고급 강철로 만들어 원유의 부식성 화합물을 견디며, 내부에는 응축액 수집 트레이가 계단식으로 설치되어 있습니다. 탑 내부에서 원유의 수천 종 탄화수소는 분별 증류로 분리됩니다. 증기가 상승하면서 각 분획의 끓는점에 따라 냉각·응축·액화되는 높이가 달라집니다(끓는점이 낮을수록 높은 곳에서 응축). 천연가스, 가솔린, 등유, 중유, 윤활유, 타르 순으로 끓는점에 도달합니다.

침전

• 1 원유는 파이프라인이나 유조선으로 정제소에 이송됩니다. 정제소에서 침전 과정을 거쳐 물과 모래·암석 같은 고형 오염물을 제거합니다. 원유를 대형 저장 탱크에 넣어 물과 기름이 분리되고 오염물이 가라앉게 합니다.

분별

• 2 원유를 약 371°C(700°F)까지 가열하면 뜨거운 증기와 액체 혼합물이 되어 첫 번째 분별탑 하부로 펌핑됩니다. 탄화수소 증기가 위로 오르며 냉각돼 탑 내 여러 높이의 트레이에 포집됩니다. 이 탑은 상압을 유지하며 원유의 약 80%가 기화됩니다.
• 3 남은 20%는 재가열돼 두 번째 탑으로 들어가며, 진공 압력으로 잔여유의 끓는점을 낮춰 더 낮은 온도에서 기화시킵니다. 타르, 무기 화합물 등 끓는점이 높은 무거운 성분은 추가 처리를 위해 남습니다.

여과 및 용매 추출

• 4 불순물 추가 제거 후 두 탑에서 수집된 루브 오일은 여러 초미세 필터를 통과해 잔여 불순물을 걸러냅니다. 방향족 화합물은 6개 탄소 고리를 포함해 점도에 영향을 주므로 용매 추출로 제거합니다. 방향족은 루브 오일 분획보다 용매에 더 잘 녹기 때문입니다. 용매 처리 시 방향족이 녹아나오고, 나중에 용매를 제거하면 방향족을 회수할 수 있습니다.

첨가제 혼합, 검사, 포장

• 5 마지막으로 오일에 첨가제를 섞어 저온 내성 등 원하는 물성을 부여합니다. 이 단계에서 점도, 비중, 색상, 인화점, 발화점 등 다양한 품질 검사를 실시합니다. 기준을 충족한 오일은 포장돼 판매·유통됩니다.

품질 관리

대부분의 루브 오일 용도는 비수지성, 연한 색, 무취, 내산화성을 요구합니다. 십여 가지 물리·화학 시험으로 윤활유의 등급을 판정합니다. 대표적 물리 시험은 점도, 비중, 색상 측정이며, 화학 시험으로는 인화점과 발화점 시험이 있습니다.

모든 특성 중 점도(특정 온도·압력에서 오일의 흐름 저항)가 단연 가장 중요합니다. 용도와 작동 온도 범위가 적정 점도를 결정하는 핵심 요소입니다. 오일이 너무 점성이 높으면 맞물린 금속 부품의 움직임을 과도하게 방해하고, 너무 낮으면 짝지어지는 면 사이에서 짜여져 충분한 윤활을 못 합니다. 세이볼트 표준 범용 점도계는 21~99°C(70~210°F) 사이 석유 윤활유의 점도 측정에 표준 기기입니다. 점도는 세이볼트 범용 초로 표시하며, 주어진 온도에서 50mL 오일이 세이볼트 점도계 컵의 보정된 관을 통해 흘러나오는 데 걸리는 초 수입니다.

오일의 비중은 정제 방법과 납 같은 첨가제 유형에 따라 달라지며, 납은 극한 면압과 저온에 대한 저항력을 줍니다. 색상은 특정 등급·브랜드의 균일성을 나타냅니다. 인화점과 발화점은 원유 산지에 따라 다릅니다. 인화점은 오일을 가열해 인화성 증기가 충분히 나와 불꽃 접촉 시 섬광이 일어나는 온도입니다. 발화점은 점화 시 오일 증기가 계속 타는 더 높은 온도입니다.

일반 엔진오일은 미국자동차기술자협회(SAE) 규격에 따라 점도와 성능으로 분류됩니다. 성능 요소에는 마모 방지, 오일 슬러지 생성, 오일 점도 증가가 포함됩니다.

미래 전망

광물 기반 윤활유의 미래는 한정적입니다. 천연 석유 매장량은 유한하고 재생 불가능하기 때문입니다. 전문가들은 회수 가능한 경질~중질 석유 매장량을 1.6조 배럴로 추산하며, 그중 3분의 1이 이미 사용되었습니다. 따라서 천연 매장량이 고갈됨에 따라 합성 기반 오일의 중요성이 점점 커질 것입니다. 이는 윤활유뿐만 아니라 석유 정제의 다른 제품에도 해당됩니다.