요리 프로그램에서 쉐프들이 만드는 요리는 참 맛있어 보이죠. 그런데 같은 레시피로 요리해서 먹어보면 TV를 보며 상상하던 맛이 아닌 경우가 많습니다. 똑같은 식재료와 조미료를 사용했는데 맛이 다른 이유는 무엇일까요? 여러 가지 이유가 있겠지만, 전문가들의 미세한 재료 배합을 따라 하기 어렵기 때문은 아닐까요?
갑자기 웬 음식 이야기냐고요? 사실 엔진오일도 마찬가지이기 때문입니다. 식재료와 조미료의 종류와 양이 맛을 좌우하는 것처럼, 어떤 기유와 어떤 첨가제를 어떻게 배합했느냐에 따라 엔진오일이 달라집니다.
특히, 엔진오일 첨가제는 기유에 비해 구성 비율은 낮지만 엔진오일의 성능을 디자인하는데 큰 영향력을 미치고 있죠. 그렇다면, 이렇게 중요한 엔진오일 첨가제, 어떤 종류가 있고 각각 어떤 역할을 할까요?
시작하기 전 상식! 엔진오일은 혼합물? 화합물?
엔진오일은 혼합물일까요? 화합물일까요? 먼저, 화합물과 혼합물의 차이를 설명하면 이렇습니다. 섞어놨을 때 화학반응이 없이, 고유의 성질대로 섞여 있다가 물리적인 방법에 의해서 서로 분리가 되는 것을 혼합물이라고 합니다. 물론 분리가 매우 어려운 경우도 있지만 불가능한 것은 아닙니다.
반면에 화합물은 두개 이상의 물질이 화학적 반응을 통해서 새로운 물질이 되는 것을 말합니다. 이렇게 형성된 화합물은 화학적인 반응에 의해서만 분리가 되거나 아예 분리가 불가능하죠. 우리가 흔히 얘기하는 소금물, 설탕물, 원유 등이 혼합물에 해당하고 물, 알코올, 고분자 화합물인 플라스틱, 고무 등이 대표적인 화합물입니다.
엔진오일도 전형적인 혼합물이죠. 엔진오일은 자동차나 엔진에 적합한, 또는 국제규격이나 OEM 규격에 만족하는 특성을 만들기 위해, 기유와 함께 적절한 첨가제를 혼합해 넣어 놓은 것입니다. 단맛이나 짠맛을 만들기 위해 물에 설탕이나 소금을 넣는 것처럼 말이죠.
자, 몸풀기는 끝! 이제부터 엔진오일의 첨가제를 본격적으로 알아볼까요? 쉽게 설명하기 위해, 자동차 엔진이 작동하면서 발생하는 현상이나 문제를 알아보고, 여기에 맞는 첨가제를 하나씩 살펴봅시다.
엔진을 깨끗하게 만들어요! 청정제와 분산제
나무나 석탄을 태우면? 연기와 그을음이 발생하겠죠. 엔진도 마찬가지 입니다. 엔진은 엔진 내 실린더 기관에서 연료를 폭발 연소시켜 발생하는 힘으로 움직이게 되는데요. 이때 연료의 연소로 인해 그을음, 즉 검댕(Soot)이라는 것이 발생합니다.
이외에도 연소의 부산물과 반응해서 생기는 다른 중간 물질들(남은 연료, 일산화탄소, SOx, NOx 등이 수분이나 산(Acid)과 함께 반응해서 생기는 오염물질들)이나 유기과산화물(Organic Peroxide, 엔진고온으로 인해 엔진오일이 열산화 반응에 의해 산화 분해로 생성되며 Micro Intermediate Compounds라고도 함)이 만들어지기도 합니다.
검댕(Soot), 연소부산물, 유기과산화물들은 엔진 내부를 돌아다니다가 서로 뭉쳐서 엔진에 붙어 굳어버리게 되는데요. 이는 부품의 마모를 일으키거나 슬러지(Sludge, 기름의 산화반응 후에 발생된 물질들이 주변의 부유물과 함께 결합하여 침전된 반고체 오염물질)를 형성해서 부품의 표면에 끈적끈적하게 붙어 관이나 필터를 막고 엔진오일이나 다른 유체의 흐름을 방해하기도 합니다. 따라서 이런 물질들을 제거하거나 사전에 뭉쳐 쌓이는 것을 방지해야 하는데 이를 해결해 주는 첨가제가 청정제(Detergent)와 분산제(Dispersant)이죠.
청정제는 우리가 흔히 쓰는 세제와 비슷한 OH기(하이드록시기)를 가지고 있습니다. 또한 청정제는 강한 극성과 화학적 안정성을 위해 금속 양이온, 즉 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na) 등도 가지고 있는데 이것의 강한 양극과 음극이 검댕(Soot)이나 오염 물질들이 서로 뭉치거나 표면에 붙기 전에 물질 전체를 감싸서 오일과 분리되도록 만들어 줍니다.
분산제는 청정제와는 다르게 금속 양이온은 없지만 양극을 가지고 있고 청정제보다는 긴 꼬리를 가지고 있습니다. 청정제로 인해 분리되어 떠다니는 검댕(Soot)과 연소 물질을 다시 한 겹 더 감싸서 단위체(Cluster)를 만들고 분산제가 가지고 있는 긴 꼬리를 활용하여 엔진오일의 액상을 둥둥 떠 다니게 만들어 줍니다. ‘엔진오일에 떠다니면 안 좋은 것 아니야?’라고 생각하시는 분들도 있을 텐데요.
검댕(Soot)이나 연소 물질이 떠다니게 되면 엔진 표면에 붙지 않기 때문에 부품을 망가트리지 않게 됩니다. 때론 떠다니다가 엔진오일 필터에 걸러지기도 하면서 제거되기도 하죠.
청정제와 분산제는 엔진의 연소로 생기는 연소 물질과 엔진오일의 노화로 인해 생성된 물질들이 퇴적해 쌓이는 것을 방지해 부품을 보호하는 중요한 역할을 합니다. 다른 기계장치, 즉 액슬기어(Axle Gear) 또는 변속기(Transmission) 등은 연소에 의한 폭발이 없으므로 엔진오일처럼 청정제와 분산제가 그렇게 크게 중요하지 않을 수 있습니다. 따라서 청정제와 분산제의 사용은 엔진오일의 가장 큰 특징이라고도 할 수 있죠.
엔진오일도 안티에이징이 필요해, 산화방지제
엔진내부 구석 구석을 거쳐 순환하는 엔진 오일은 고온에 장기간 노출될 수밖에 없습니다. 엔진에 연료가 투입되어 압축 폭발을 하면 순간적으로 500℃ 이상의 고온이 발생하는데, 자동차 주행 시 엔진이 계속 움직이면서 엔진 전체가 높은 온도로 유지되기 때문이죠. 이렇게 고온에 노출되면, 열에너지로 인해 엔진오일에 열산화 반응이 일어나고, 결국 엔진오일의 노화가 급속도로 진행됩니다.
엔진오일은 열산화 반응을 통해 산(Acid), 물, 중간 생성 물질, 즉 유기과산화물 등을 생성하게 됩니다. 이들이 뭉치면 바니시(Varnish, 기름이 산화반응을 일으켜, 액체 상태에서 끈적해지다가 결국에는 굳어져 경화된 물질을 말하며 부품의 표면에 늘어 붙어 진동이나 오작동을 일으킴)와 슬러지(Sludge) 등이 되어 부품을 망가뜨리기도 합니다.
이렇게 엔진 부품과 엔진오일을 망가뜨리는 물질을 제거하거나 형성을 억제하는 첨가제를 통틀어 산화방지제 (Anti-Oxidant)라고 합니다. 산화방지제는 엔진오일의 수명을 오래가도록 하는 특성이 있으므로 매우 중요한 첨가제 중 하나입니다만 많은 양을 넣으면 다른 첨가제의 기능을 저하시키거나 슬러지(Sludge) 발생을 가속시키기도 합니다. 따라서 이를 적절한 양으로 배합하는 게 굉장히 중요하죠.
부품 간 마찰로 인한 손실을 최소화하자, 마찰조정제와 마모방지제
엔진의 움직임을 상상해 봅시다. 엔진의 실린더에서 발생한 폭발에 의해 피스톤이 상하운동을 하고, 그 운동이 커넥터로드를 통해 크랭크 샤프트에 전달되고, 왕복운동이 회전운동으로 바뀌면서 기어를 회전시키고, 이 회전력이 미션 또는 변속기에 전달되어 비로소 차체가 움직일 수 있게 되는 것입니다.
이 과정에서 자연스럽게 부품 간 마모와 마찰이 발생하게 됩니다. 마찰이 일어날 때 마찰열도 함께 발생되는데 이로 인해 부품의 표면 온도가 매우 높게 올라가 변형이 일어나고 파손이 일어나게 됩니다. 따라서 마찰이 적게 발생되도록 하는 게 중요한데 이때 도움을 주는 첨가제가 마찰조정제 (Friction Modifier)입니다. 최근 연비 절감에 중점을 두는 자동차의 엔진오일에는 마찰조정제가 필수로 들어갑니다. 마찰이 발생하면 마찰열로 소멸되는 에너지가 많아서 연료의 소모가 많아지기 때문입니다.
한편, 마찰의 과정에서 금속의 표면이 부딪혀 부품의 표면의 일부가 변형되거나 떨어져 나가는 현상이 발생하는데 이를 마모라고 합니다. 이를 방지하기 위해 마모방지제 (Anti-Wear) 첨가제를 사용하는데요. 마모방지제는 표면에 발생하는 충격을 완화하고 표면의 손상을 막기 위해 얇은 코팅 막을 형성해주는 기능을 합니다.
마모방지제는 움직이는 장비에 사용되는 윤활유에는 반드시 들어가는 필수적인 첨가제이며, 엔진오일에서는 마모방지제 중 가장 성능이 좋은 ZDDP (Zinc Dialkyl Dithiophosphates)라는 아연(Zn) 타입 첨가제를 사용합니다. 엔진오일의 성분 분석을 하면 반드시 나오는 아연(Zn) 과 인(P) 성분이 여기서 나오는 것입니다.
엔진 부품이 열에 의해 붙어버리지 않게 도와주는 EP 첨가제!
엔진이 구동하면 일부 부품에서는 아주 큰 압력으로 서로 밀어내기도 하는데 이때 표면에서 열이 발생하면서 서로 융착(붙어버리는 현상)되어 표면의 일부가 떨어져 나오기도 합니다. 이렇게 되면 부품뿐만 아니라, 심할 경우, 엔진 전체에 파손이 일어나게 되죠. 이때 이 접촉면에 아주 얇은 막을 형성하면 융착이 일어나지 않게 방지할 수 있는데요. 이를 돕는 첨가제를 EP (Extreme Pressure) 첨가제라고 합니다. 주로 황(S) 성분을 가지는 첨가제들이 많이 사용됩니다.
엔진에 생기는 물이 모이지 않게, 유화제!
엔진은 외부의 환경과 분리를 위해 블록 등으로 싸여 있지만 엔진에 외부 공기가 유입하는 것을 완전히 막을 수는 없습니다. 이 과정에서 습도가 높은 공기가 유입되어 엔진에 머물게 되면, 일교차나 엔진 내부의 온도 차에 의해 물이 발생하기도 합니다.
또한 엔진오일의 열산화반응으로 인해 물이 발생하기도 하죠. 외부의 빗물이나 고인 물이 엔진 블럭의 틈을 통해 유입되기도 합니다. 엔진 내부에서 생성되거나 유입된 물은 모여서 관을 타고 돌아다니는데, 이 물이 얼기라도 하면 파열이 일어나 엔진 기능이 멈출 수 있는 상황이 발생되기도 합니다. 이를 방지하기 위해선 물 분자들이 엔진오일 내부에 골고루 퍼져 있도록 만들어 주어야겠죠? 이 역할을 하는 첨가제가 바로 유화제(Emulsifier)입니다.
거품을 줄이자, 거품방지제 (소포제)
엔진 오일이 오일 펌프의 힘으로 고속으로 관을 타고 순환하면서 유체의 흐름이 생기죠. 고속으로 흐르다 보면 난기류(터뷸런스)가 생기고 이로 인해 내부에 거품이 생길 수 밖에 없습니다.
당연한 현상이지만 거품이 오랫동안 제거되지 않으면 거품이 커지면서 엔진오일의 주요한 역할, 즉 윤활이나 냉각을 하지 못하게 됩니다. 따라서 발생된 거품을 터트려 없애 주어야 하는데요. 첨가제 중 거품방지제(Anti Foam or Defoamer, 소포제라고도 함)가 이 역할을 합니다.
점도 변화를 최소화하여 유막을 유지하자, 점도지수향상제 (점도조절제)
엔진오일은 점도가 매우 중요합니다. 적정한 점도가 유지가 되어야 엔진오일이 유막을 형성해 윤활을 하고 부품을 보호할 수 있습니다. 하지만 윤활유는 자연적으로 온도에 따라 점도의 변화가 일어납니다. 고온에서는 점도가 묽어지고 저온에서는 점도가 높아지는 것은 당연한 현상이죠.
만약 이를 인위적으로 조절을 할 수 있다면 어떨까요? 점도에 따라 만들 수 있는 특성을 원하는 대로 조정하기도 하고, 점도 변화로 발생할 수 있는 문제를 막을 수도 있겠죠? 이렇게 온도에 따른 점도의 변화를 최소화 하도록 사용하는 첨가제를 점도지수*향상제 (Viscosity Index Improver, VII) 또는 점도조절제(Viscosity Modifier, VM)라고 합니다.
*윤활유에서의 점도의 변화를 나타내는 척도를 점도지수(Viscosity Index)라고 합니다.
추울 때도 문제 없어요. 유동점강하제
엔진오일은 추운 지역에서도 아무 이상 없이 사용할 수 있어야 합니다. 하지만 엔진오일도 액체이다 보니 낮은 온도에서는 얼거나 굳는 현상이 생기기도 합니다. 윤활유가 순환되지 않으면 엔진이 구동되지 않다 보니 엔진이 저온 상태일 때의 시동성이 매우 중요합니다.
엔진오일이 저온에서 움직이지 않는 온도를 유동점(Pour Point, 유동점은 점도가 짙어져 흐르지 않게 되는 온도로 어는 점과 다름)이라고 하는데요. 이 유동점을 인위적으로 더 낮게 만들어 저온에서 시동을 걸 때 문제가 없도록 엔진오일을 만들기도 합니다. 이때 사용되는 첨가제가 유동점강하제(Pour Point Depressant)이죠.
녹과 부식은 안녕, 녹방지제와 부식방지제
엔진은 대부분 철로 만들어져 있으며 일부 베어링이나 부품은 구리 또는 알루미늄 등으로 만들어져 있습니다. 만약 녹이나 부식이 발생하면 부품의 파손이 생기고 심하면 엔진 전체를 교체해야 하는 문제가 발생하기도 하죠. 하지만 자연적으로 녹과 부식은 피할 수 없습니다.
엔진오일이 열산화 반응을 일으키거나 연료가 연소가 되면 다양한 화학적 반응에 의해 산(Acid)과 물이 발생하는데 이로 인해 표면에 녹과 부식이 발생하게 되죠. 이러한 문제를 최소화하기 위해 엔진오일에 첨가제를 사용하기도 합니다. 철의 녹을 방지하는 녹방지제(Anti Rust)와 비철금속의 부식을 방지하는 부식방지제(Anti Corrosion)가 대표적이죠.
이외에도 엔진오일의 새로운 기능을 추가하기 위해 추가적으로 넣는 첨가제들이 있습니다만, 보편적으로 넣는 것이 아니므로 생략하도록 하겠습니다.
엔진오일에 들어가는 첨가제는 각각의 역할을 부여 받고 혼합물로 섞여 있다가 엔진이 작동하면 본인의 역할을 수행하기 위해 묵묵히 움직입니다. 이들이 있기에 특성에 맞게 엔진오일의 성능을 디자인할 수 있습니다. 엔진의 부품이 보호되고, 크게는 엔진이 보호되며, 더 크게는 자동차가 보호가 되고, 결국 운전자, 즉 사람을 보호하게 되죠.
자동차 기술의 발달이 진행되면서 엔지니어들은 과거보다 크기는 더 작지만, 더 큰 힘을 내는 엔진을 만들어야 하는 어려운 도전을 지속하고 있습니다. 이 도전에 숨은 조력자를 꼽으라면 바로 윤활유 첨가제라고 할 수 있을 만큼 보이진 않지만 엔진이 제 성능을 낼 수 있도록 돕고 있죠.
자동차의 기술발전과 함께 엔진오일 첨가제도 계속 새롭게 개발되고, 또한 최적의 혼합 조합을 찾기 위해 지금도 수많은 과학자와 엔지니어, 화학자들이 밤낮으로 연구를 하고 있는 상황입니다. 음식의 맛을 보면서 어떻게 식재료와 조미료로 이런 맛을 내는지 감탄을 하는 것처럼, 자동차가 망가짐 없이 잘 작동하게 만들고 있는 숨은 공신에 한번쯤 관심을 가져보는 건 어떨까요?
이상, 엔진오일 첨가제에 이야기한, Kixx 엔진오일 이였습니다.
