현대 사회를 사는 사람들이라면 누구나 자동차의 필요성을 느끼고 있다. 일상의 출퇴근에서나 회사의 업무를 볼 때에도 자가용이든 대중교통이든 자동차를 이용하면 업무의 신속성과 효율성이 극대화되는 것이다. 현대생활에서 인간을 편리하게 해주는 자동차를 움직이게 하는 동력은 엔진이지만, 이 엔진을 원활하게 작동하게 해주는 것은 바로 엔진오일이다.


엔진오일의 역할은 엔진내부에 유막을 형성하여 마찰을 완화하고 마모를 줄이는 내마모성, 외부의 공기나 수분을 차단하여 금속의 부식을 방지하는 작용, 엔진의 온도를 적절히 유지하고 열을 식혀주는 냉각작용, 연소가스가 밖으로 새 나가는 것을 막아주는 밀봉작용, 윤활부분의 불순물인 탄화물이나 마모금속 등을 씻어내는 세정작용, 그 외에 윤활부분에 가해지는 압력을 한 곳에 집중되지 않도록 골고루 분산시켜 주는 역학적 분산작용을 한다.


자동차는 연료만으로도 작동할 수 있지만 윤활유가 없으면 이내 고장이 나고 수명이 단축된다. 이는 마치 우리 몸이 활동하는데 탄수화물, 단백질 및 지방만을 섭취해도 에너지를 얻을 수 있지만, 이외에 효소 역할을 하는 비타민을 섭취해야 이들 영양소의 대사가 원활해지고 면역력을 증진시킬 수 있다. 즉, 곡물과 육류만 섭취해도 살 수는 있지만 비타민과 무기질이 풍부한 야채와 과일을 섭취해야 각종 질병 및 성인병에 걸리지 않고 장수를 할 수 있는 것과 같다.


엔진 오일은 기본적으로 윤활작용을 하는 광유 또는 합성유로 된 기유(base oil)와 오일의 기능을 보완해주는 첨가제(additives)의 혼합물로 구성이 된다. 여기에 최근 제3의 기능을 하는 엔진오일 코팅제가 첨가되어 엔진오일의 기능을 더욱 향상시켜주고 있다. 이 엔진오일 코팅제는 실린더 내벽과 피스톤 사이에서 완충역할을 하고, 액체윤활제의 윤활작용에 상승효과를 일으키는 고체윤활제의 역할을 한다. 즉, 엔진오일 코팅제를 사용하면 자동차의 엔진 내부를 이 고체윤활제로 코팅하여 자동차는 물론 작동하는 기계시스템의 마찰을 줄여 내마모성을 향상시키고 높은 온도에서도 작동할 수 있는 고온성을 확보하여 자동차 및 기계설비의 수명을 더욱 연장시킬 수가 있다.


그렇다면 이 엔진오일 코팅제는 어떤 소재를 사용하는 것일까? 비타민의 필요성이 대두된 역사가 그리 오래되지 않듯이, 이 고체윤활제의 역사도 그리 오래되지 않았다. 초기에 사용된 고체윤활제는 그래파이트(흑연)로서 이 물질은 지난 40여년 동안 공업윤활제로서 사용되어왔다. 그러나 그래파이트는 적절한 습기가 있는 환경에서만 잘 작동하는 문제점을 가지고 있어서 건조한 환경에서는 그 효과를 충분히 발휘하지 못한다. 3차원 판상구조를 가지고 있는 그래파이트는 물 분자가 그래파이트 내의 탄소박막 사이에 침투하여 박막을 미끄럽게 만드는데, 작동환경 내에 수분이 충분하지 못하면 그래파이트는 그 미끄러운 성질을 잃어버리게 된다.


반면에 몰리브덴 디설파이드(MoS2)는 흑연과 같은 층상구조를 가지는 고체물질로서 이와는 반대되는 문제점을 가지고 있다. 건조한 환경에서는 작동하지만 습도가 높은 곳에서는 잘 작동하지 않는다. 이러한 단점을 보완해주는 소재가 바로 텅스텐 디설파이드(WS2)이다. 이 텅스텐 디설파이드는 다층벽 구상형 구조를 가지는 새로운 고체윤활제로서 그래파이트나 MoS2에 비하여 내산화성이 크고 극저온이나 고온과 같은 가혹 환경에서의 윤활특성이 우수하여, 최근 자동차뿐만 아니라 정밀기계 및 우주선에도 적용이 되고 있다. 이는 마치 초소형 볼베어링과 같이 실린더 내벽와 피스톤 사이를 구르며 우수한 윤활작용을 한다. 이 WS2 고체윤활제는 1960년대 미국에서 합성되어 NASA의 화성 및 금성 탐사용 Mariner 우주선에 적용되어 극한 환경에서의 탁월한 윤활성을 입증한 후, 1980년대부터 미국에서 민수용 제품에 적용되기 시작하여 항공기 및 방위산업 부품에 주로 적용되고 있다. 얼마 전부터는 국내에서도 자동차에 적용한 제품이 출시되고 있다.


여기에 최근 국제 윤활유학회에서 차세대 고체윤활제의 소재로서 빈번히 다루어지고 있는 물질이 있으니, 그것은 바로 ‘꿈의 신소재’라고 불리는 그래핀(Graphene)이다. 그래핀은 탄소분자들이 SP2 혼성결합을 하고 있는 이차원 구조체로서, 나노미터 두께로 높은 물리적, 화학적 안정성을 가지며 강철보다 200배 이상 강한 강도와 매우 뛰어난 신축성을 가져 기계부품이나 강철 볼의 표면에 직접 부착될 수가 있다. 이러한 표면 부착력은 매우 뛰어나 실린더 내벽에 코팅하면 피스톤과 마찰을 줄여 자동차 엔진의 내마모성을 획기적으로 향상시킬 수가 있다. 그런데 이 물질의 한 가지 단점은 친유성이 아니므로 엔진오일에 바로 녹을 수가 없다. 그러나 그래핀의 표면을 친유성 기능기로 개질하면 엔진오일의 코팅제로 적용할 수 있다. 따라서 이 물질을 엔진오일에 첨가하면 가혹한 환경에서도 엔진을 보호하여 주행이 부드러우며, 자동차 엔진 수명을 연장시킬 수가 있다. 더 나아가서 앞에서 소개한 텅스텐 디설파이드와 기능화된 그래핀을 함께 사용하면 엔진오일에서 환상의 하모니가 이루어질 것으로 기대된다.


하지만 현재는 이와 같은 꿈의 신소재를 이용한 엔진오일 코팅제가 국내는 물론 국외에서도 상품화되지 않은 상태이기 때문에 앞으로 이를 활용한 신제품으로 자동차를 포함한 다른 기계 산업에서의 윤활효과를 기대해본다