나노 윤활유 (Nano Lubricant)

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1 나노 윤활유 (Nano Lubricant)
냉동공조에너지연구실 이광호

2 윤활유의 기능 윤활유(Lubricant)의 정의 윤활유(Lubricant)의 기능
- 윤활 : 마찰학의 한 분야로서 마찰과 마모를 감소시키기 위한 작용 - 윤활유 : 마찰 및 마모 저감하기 위하여 사용되는 오일 윤활유(Lubricant)의 기능 1. 마찰과 마멸의 감소 (감마작용) 2. 냉각작용 : 접촉면에 생기는 열을 방출하여 연속적인 기계운동을 할 수 있게 함 3. 밀봉작용 : 압축기 등의 피스톤과 실린더간에 유막을 형성하여 감마작용을 하는 동시에 압축가스의 누설을 방지 4. 응력분산작용 : 집중하중을 받는 마찰면에 유막에 의해 하중의 전달면적을 확대 5. 방청 및 청정 작용 : 금속면에 공기의 접촉을 차단하여 녹을 방지하고 이물질의 침입방지 접촉면에 금속마분, 이물질 등을 반출하여 효율적인 윤활작용

3 제주 행원 풍력발전 시스템 고장 횟수와 정지시간
윤활유 관리의 필요성 광유로 관리한 엔진 100% 합성유로 관리한 엔진 마모발생으로 인한 기어의 표면손상 설비의 대형화, 복잡화 : 마모 및 접촉하중 증가 / 윤활유의 고온 운전 증가 : 유압 시스템 고장의 80% 이상이 오염된 윤활유에 의해 발생 : 기계 및 산업설비의 신뢰성과 내구성 저하 마찰/마모 관련된 에너지와 재료의 손실은 GDP의 약 5% 제주 행원 풍력발전 시스템 고장 횟수와 정지시간 출처: 제주대학교 석사학위 논문(2007)

4 Nano Fluids 나노 유체란? 나노 유체의 분야 나노 윤활유란? Nanofluids Magnetic ↑
알곤국립연구소, Dr. Stephen U. S. Choi 최초 아이디어 제시 - 일반유체에 나노크기( < 100 nm )의 입자를 안정되게 분산, 부유시킨 것 유체의 적용 목적에 따라 성질이 다른 나노 입자를 사용하여 효과를 증대 시킴 나노 유체의 분야 Nanofluids Heat Transfer ↑ (Carbon, CuO, Ag) Magnetic ↑ (Fe, Co, Ni) Lubrication ↑ (Carbon, Cu) Nano-lubricant 나노 윤활유란? 기존 윤활유에 윤활성능이 뛰어난 나노입자를 첨가하여 윤활유의 기본성능(마찰계수, 내마모성)을 향상 시킴과 동시에 손상된 마찰 표면을 개선해주는 새로운 윤활유

5 Stribeck Curve

6 나노 입자 TEM Ag 7nm Graphite 55nm Cu 25nm Ag 50nm Carbon Black 58nm
Fullerene (Agglomerated) (30K/Scale Bar=50nm))

7 나노 윤활유 제조 장치 Ultrasonicator Microfluidizer
초음파에 의해 발생하는 공동화 기포의 성장과 파열로 인한 고온 고압의 충격파가 높은 에너지원으로 작용하여 응집된 입자를 분산시킴 (100 nm ~) Microfluidizer 고압의 펌프를 통해 강한 압력을 유체에 가한 후 좁은 유로를 통과하면서 콜로이드 속의 입자에 강한 전단력을 주어 분산시킴 (50 nm ~ )

8 나노 윤활유의 효과 및 적용 예 나노 윤활유의 효과 나노 윤활유의 실제 적용 예
마찰 계수 저감으로 인한 마찰 손실 저감 -> 에너지 효율 증대 마찰 계수 저감으로 인한 마찰 열 발생량 감소 -> 작동 온도 저감에 기여 마찰 표면 내마모성 증가 -> 기구의 수명 증대 오일의 내하중성 증가 -> 제품의 신뢰성 증가 마찰 표면의 수리 및 보수 효과 -> 유지 및 보수 비용 감소 나노 윤활유의 실제 적용 예 차량용 엔진 치료제 -> 연비와 출력이 최대 15% 증가, 소음진동, 오일소모, 매연 최대 50% 감소 발전소 미분기 기어 박스 윤활유 -> 대형, 고가의 기어의 수명 증대 냉장고용 압축기 냉동기유 -> 압축기 dome 온도 저감 (50℃->46℃)

9 나노윤활유 연구 흐름 나노윤활 제조 및 윤활특성 향상 기술
나노윤활 제조 및 윤활특성 향상 기술 나노윤활 제조 Wenyu et al. (2005), TiO2: 최적의 농도 0.25% Weimin et al. (2000), ZnS: 최적의 농도 0.1wt% Lee et al. (2007), Fullerene: 최적의 농도 0.1 vol.% Jingfang et al. (2002), LaF3: 최적의 농도 1% A. Hernandez et al. (2007),. 입자의 경도와 크기가 중요 윤활특성 향상 메커니즘 B. M. et al. (2002), Rolling Effect G. Liu et al. (2001), Mending effect F. Chinas et al. (2003), Rolling Effect Guang et al. (2007), Boundary film L. Rapoport et al. (2002), Third body Effect Z.S et al. (2002), Shearing Effect B. Li et al. (2006), Tribochemical film 마찰저감 및 극압, 내마모 향상 G. Liu et al. (2004), Al/Sn: 내마모 10% 향상 Qiu et al. (1999), CeF3: 마찰계수 25% 감소 Y.Y et al. (2006), CuO: 마찰계수 20% 감소 A. Hernandez et al. (2007) ZnO: 극압 27% 향상 R. Greenberg et al. (2003), IF-WS2: 마찰계수 20% 감소 E. Fernandez et al. (2007), PTFE: 극압 294% 향상 Sunqing et al. (2001), Ni: 마찰곗수 26% 감소 S. Tarasov et al. (2002), Cu: 마찰계수 35% 감소 Jingfang et al. (2006), LaF3: 내마모 31% 향상 Yanbao et al. (2005), Pb: 내마모 15% 향상

10 나노윤활유의 윤활성능 향상 메커니즘 개념도 (a) 입자 자체의 효과 (b) 표면 개선 효과

11 나노윤활유의 윤활 성능 향상 메커니즘 Mechanical Protection Third Body Effect
(Ref. : Fernandez et al., 2007) Point A, C, E : 입자가 존재하여 유체의 배출을 막아 마찰면 사이의 하중 지지 능력을 상승 Point B : 입자가 존재하여 마찰면의 직접적인 마찰 방지 Third Body Effect (Ref. : Rapoport et al., 2003) 저하중 영역에서는 나노 입자가 구름 접촉을 수행하고, 고하중 영역에서는 초기에 돌기들에서 마모되어 나온 파편과 나노 입자들이 윤활유에 혼합되어 제 3의 물체로서 작용. 높은 하중을 지지하고, 표면의 접촉을 방지

12 마찰계수 측정 장비 Rotating Speed (rpm) 1,000 Normal Force (N) 200 ~ 800
Test condition Rotating Speed (rpm) 1,000 Normal Force (N) 200 ~ 800 Time Duration for Each Load (min) 30 Initial Temperature (ºC) 35 [Fixed Plate] [Rotating Plate] (재질: GC200, KS; 표면 거칠기: Ra= 0.2 μm) Disc-on-Disc Tribotester

13 연구 목적 및 실험 방법 연구 목적 : Fullerene 입자를 첨가한 나노오일의 윤활 성능 향상 메커니즘 분석
입자 자체의 효과 vs. 표면 개선 효과 실험 방법 : 30분 간격으로 하중을 200~800N까지 200N씩 증가와 감소를 2회 반복 실험 내용 실험 시편 오일 나노입자 효과 1 New 일반 윤활유 X 2 일반 윤활유로 표면이 개선된 시편 3 나노 윤활유 입자 자체 + 표면개선 4 나노오일로 표면이 개선된 시편 표면개선 실험 1과 3의 비교 : 입자 자체의 효과 + 나노 윤활유의 표면 개선 효과 실험 2와 4의 비교 : 나노윤활유의 표면 개선 효과 실험 3과 4의 비교 : 입자 자체의 효과

14 실험 결과 실험 시편 오일 나노입자 효과 1 New 일반 윤활유 X 2 일반 윤활유로 표면이 개선된 시편 3 나노 윤활유
입자 자체 + 표면개선 4 나노오일로 표면이 개선된 시편 표면개선

15 실험 후 마찰 표면 <일반 오일 사용 후 시편 표면> <나노 오일 사용 후 시편 표면>

16 감사합니다.