[첨가제] WS2(텅스텐 디설파이트) 계열 엔진첨가제에 대한 개요

자동차 엔진오일 첨가제 가운데 WS2 제품이 최근에 인기를 끌고 있는데 제품에 대해 알고 사용해야 되기에 글을 씁니다. 이글은 논문, 실험자료 등을 근간으로 작성합니다. 따라서 실험기관, 사용물질 등에 따라 데이터가 약간씩 다를 수 있고 입력용량 문제로 요약한 수준이니 양해바랍니다.

지난번 MoS2에 대해 글을 올렸는데 거기에 WS2를 약간 언급했었습니다. 워낙 MoS2와 구조, 성질 등이 유사하기에 언급을 했는데 기본적인 것은 위키에서 검색하시고 실용적인 부분에서 MoS2와 WS2를 비교하여 언급을 하겠습니다.

텅스텐 디설파이드(WS2) 및 몰리브덴 디설파이드(MoS2)는 산업용으로 가장 많이 사용되는 필름 윤활제입니다. 둘 다 외관, 색상 및 높은 화학적 내구성면에서 유사합니다. 둘 다 비자성 윤활제이며 페인트, 오일, 연료 및 솔벤트와 같은 액체와 혼합됩니다.(섞인다는 표현이 맞을 거 같습니다. 특수공정을 거치지 않으면 분리됩니다. 물과 기름이라고 보시면 됩니다.) 철, 강철, 플라스틱, 알루미늄 및 구리를 포함한 거의 모든 표면에 적용 할 수 있습니다. 둘 다 동일한 화학군에서 나왔지만, 그것들을 각각 지닌 성질과 독특한 가공으로 특정 차이점이 있습니다.

이황화 텅스텐과 이황화 몰리브덴의 차이점

1. 마찰계수 : 이황화 텅스텐은 아마도 알려진 성분 가운데 가장 윤활성 높은 물질입니다. 매우 낮은 마찰계수(COF) 최대 0.01인 것으로 알려져 있습니다. 이황화 몰리브덴은 또한 우수한 마찰계수(COF)를 나타내는데 최대 0.05입니다. 둘 다 다양한 금속 표면에 쉽게 적용될 수 있습니다. 이것이 자동차 산업에 WS2와 MoS2의 가장 인기있는 응용 분야(첨가제 등) 중 하나인 이유입니다.

2. 중량 및 밀도 : 윤활제 코팅의 경우 분자량이 높을수록 더 안정적입니다. 이황화 텅스텐은 분자량이 248 인 반면, 이황화 몰리브덴은 160.08입니다. Ws2의 밀도는 7500 Kg.m-3이며 MoS2의 밀도는 5060 Kg.m-3입니다.

수치가 높다고 무조건 좋은 것은 아닙니다. 엔진에서는 중량이 문제가 됩니다. 엔진이 작동하는 동안은 문제가 없지만 엔진이 정지하고 있을 때 오일과 분리되어 침하가 되는 현상이 발생합니다. 이렇게 되면 침하된 분자들이 결합하여 문제를 야기할 수 있습니다. 그래서 나노입자의 WS2가 개발되었습니다. 통상 엔진오일에 첨가하는 WS2의 크기는 0.2~1.0미크론으로 다양합니다.(50nm도 있지만 굉장히 고가이고 엔진에 적용할 필요성은 의문입니다.) 요즘 유행하는 마스크 규격을 보면 얼마나 미세한 사이즈인지 이해가 쉬울 것입니다. 이런 이유로 WS2의 보편화가 느렸고 가격도 고가인 것입니다.(텅스텐 자체가 고가이기도 합니다.)

3. 하중지지력 : 이 부분이 이황화 텅스텐이 이황화 몰리브덴보다 더 큰 장점입니다. 하중지지력은 엔진내부의 극압의 환경을 견뎌야 되기에 중요한 지표입니다. 평균적으로 Ws2로 코팅된 필름층은 200,000 ~ 400,000 psi의 높은 하중지지력이 있습니다. 이에 반해 MoS2는 최대 250,000 psi의 하중지지력을 나타냅니다.

4. 내열성 : 이 부분도 윤활제 부분에서 매우 중요합니다. 엔진내부의 고열을 장시간 견뎌야하기에 중요한 지표입니다. 온도 범위를 보면 이황화 텅스텐은 -273도씨에서 650도씨 사이에서 정상적인 기능을 합니다. 이황화 몰리브덴은 -185도씨에서 350도씨 사이에서 정상적으로 작용합니다. 둘 다 엔진온도에는 버티지만 WS2가 Mos2에 비해 훨씬 안정적입니다.

5. 기타

WS2는 내부식성, 중량 및 밀도, 마찰계수, 하중지지력, 내열성 등 첨가제 성분으로 주로 사용하는 세라믹, ZDDP, MoS2 등과 비교하면 선택 1순위입니다. 엔진오일에도 WS2를 함유하고 있는 제품이 있는데 극히 낮은 용량을 첨가하여 뭇매를 맞기도 했습니다.

WS2는 기본원료가 텅스텐이기에 품질 좋은 곳에서 채굴하는 제품과 나쁜 곳에서 채굴하는 제품의 편차가 큽니다. 그리고 텅스텐 자체가 비싸기고 높은 비중으로 침하현상을 막기 위해서 나노공정까지 이르기까지 시간이 많이 소요되어 보편화가 늦었습니다. 현재 전세계적으로 널리 쓰이는 제품이 유롤社의 제품인데 WS2가 500~700ppm으로 많이 함유하고 있고 가격도 저렴하기 때문입니다. 리퀴몰리 제품가운데 WS2를 120~150ppm를 함유하는 제품보다 훨씬 저렴합니다. 그러나 단순비교가 어려운 점은 리퀴몰리社의 제품 같은 경우 다른 성분도 포함하고 있기 때문입니다. 엔진오일 5L 기준 120ppm은 충분히 성능을 느낄 수 있는 용량입니다.

통상 WS2가 20~50%의 마찰감소를 보여줍니다. 원재료인 텅스텐의 품질도 편차에 기여하지만 베이스오일에 따른 편차도 영향을 미칩니다. 낮은 품질의 베이스오일에 넣으면 평범한 첨가제가 된다는 것입니다. 유롤 제품도 마찬가지입니다. MSDS를 보면 첨가제의 상당부분을 차지하는 베이스오일이 3기유입니다. WS2는 PAO를 베이스오일로 했을 때 마찰감소가 70%에 달한다는 논문이 있습니다. 첨가제는 소량이고 엔진오일에 첨가하는 거라서 엔진오일의 기유에 따라 성능차이가 나타날 것입니다. 그리고 유롤 제품은 입자크기를 확인할 수 있는 방법이 없습니다. WS2를 사용하는 다른 제품들은 주로 0.5미크론 내외 사이즈의 입자를 사용합니다. 유롤은 어떤지 아시는 분 있으면 답변 좀 해주시길 바랍니다.

유롤 제품을 출시한지 언제인지 모르지만 제가 처음 사용한 게 2017년 유럽에서 사와서 사용을 했으니 최신 제품은 아닙니다. 당시 마약으로 불리던 P社의 MoS2 제품과 비교했을 때 첨가제는 장기간 비교를 해야 되고, 비슷한 성질인 WS2와 MoS2는 소음, 진동, 출력, 연비 등 외부적인 체크사항에서 큰 차이가 나지 않았습니다.

유롤 같은 제품은 현재 시판되는 첨가제 가운데 추천할만한 스펙과 가격을 가지고 있습니다. 특히 디젤엔진, PAO계열 오일 사용자에게는 추천합니다.

* 첨가제를 주입할 때는 가능한 첨가제를 따뜻하게 해서 잘 흔들어준 다음 주입하고 무부하상태(공회전)로 10~20분 정도 엔진을 가동해야 고르게 코팅이 됩니다. 이 부분을 무시하는 경우가 많은데 그렇게 되면 효과도 떨어질 뿐 아니라 오히려 엔진에 나쁜 영향을 미칩니다.