[논문]복수 경로를 지닌 자외선 형광측정기를 이용한 오일 산화도 측정장치

공호성; 한흥구

doi:10.9725/kstle.2010.26.3.167

문제 정의

또한 상기 장비를 효과적으로 활용하기 위하여는 오일을 매우 얇은 두께로 최소화하여 오일 매체에 의한 광감쇠 효과를 최소화함이 요구되나, 이와 같은 측정이 가능한 오일 두께의 제약 조건 때문에 상기 측정 장치를 작업현장에서 실시간으로 적용하기가 용이하지 않다. 따라서 오일의 형광 특성을 측정하여 오일의 상태를 진단함에 있어서 보다 간편하고도 효과적인 측정 장치들의 개발이 요구되고 있으며, 본 연구를 통하여 이를 해결하고자 하였다.
본 연구에서의 측정 장치는 주로 윤활유의 산화에 의하여 초래되는 오일 열화도를 측정하기 위하여, 윤활유 내에 2개 혹은 그 이상의 실린더형 형광 빛 측정센서를 위치하고 오일의 열화됨에 따라서 형광 빛이 증가됨을 실시간적으로 측정함으로써 이 결과를 이용하여 오일의 열화도를 평가하기 위한 방법을 제시하고 있다. 특히 본 연구에서는 2개 이상의 광측정 센서를 복합하여 사용함으로써 오일이 열화됨에 따라 오일의 색이 어두워지고 이에 따라 오일의 형광 빛이 감소하는 문제점을 효과적으로 개선하는 방법을 제시한 것으로 사료된다.
본 연구에서의 측정 장치는 주로 윤활유의 산화에 의하여 초래되는 오일 열화도를 측정하기 위하여, 윤활유 내에 2개 혹은 그 이상의 실린더형 형광 빛 측정센서를 위치하고 오일의 열화됨에 따라서 형광 빛이 증가됨을 실시간적으로 측정함으로써 이 결과를 이용하여 오일의 열화도를 평가하기 위한 방법을 제시하고 있다. 특히 본 연구에서는 2개 이상의 광측정 센서를 복합하여 사용함으로써 오일이 열화됨에 따라 오일의 색이 어두워지고 이에 따라 오일의 형광 빛이 감소하는 문제점을 효과적으로 개선하는 방법을 제시한 것으로 사료된다. 따라서 본 연구를 통하여 개발한 오일열화도 센서는 윤활유의 산화에 의하여 초래되는 오일열화도 경향을 평가하는 간편한 스크린 테스트용 센서로서 향후 활용이 기대된다.

제안 방법

5. A cross sectional view showing an apparatus for= measuring oil oxidation in accordance with a preferred= embodiment in this work(22 - UV LED, 34, 36 -photodetectors, 24, 26 - inlet and outlet optical fibers, 28, 29 - optical windows, net screen 50 and mirror 30)[7].
오일의 실제 사용조건 하에서의 특성을 상사하기 위하여, 시험 오일을 비이커에 넣고 저어주면서 160℃ 온도 하에서 가열하였다. 또한 오일 속으로 포화된 습도를 갖는 일정량의 공기를 불어넣음으로써 높은 습도 하에서의 환경 조건을 상사하였다. 이와 같은 조건 하에서 시험 오일을 65일 이상 열화시키고 매 1내지 4일 간격으로 오일을 샘플링 하여 각 시험 샘플들을 형광 분광분석기로 분석하였다.
광검출기 회로는 광검출기 및 공진주파수 1 kHz이며 주파수의 대역너비(bandwidth)가 약 4 kHz를 갖는 트랜스임피던스 증폭기(transimpedance amplifier)로서 구성되어 있다. 시험 오일을 통과하면서 변조된 자외선 LED(modulated radiation of UV LED) 신호는 광검출기로 전달되고 트랜스임피던스 증폭기를 거치면서 광검출기의 측정 전류를 전위 값으로 전환한 이후에 광검출기의 전류의 직류 성분을 필터링 한다. 상기의 결과로서 증폭기에는 −4에서 +4 V 전위차 신호가 출력되며, 온도 측정센서는 시험 오일의 온도를 측정하기 위하여 사용하였다.
Stellman 등[3]은 다양한 종류의 군용 헬리콥터 내 기어박스에서 사용하고 있는 에스테르계 합성유 윤활유들의 형광 특성들에 관하여 연구 결과를 제시한 바 있다. 오일의 실제 사용조건 하에서의 특성을 상사하기 위하여, 시험 오일을 비이커에 넣고 저어주면서 160℃ 온도 하에서 가열하였다. 또한 오일 속으로 포화된 습도를 갖는 일정량의 공기를 불어넣음으로써 높은 습도 하에서의 환경 조건을 상사하였다.
또한 Keller 등[4]은 폴리페닐 에테르계 기유를 사용하여 각기 다른 종류의 산화방지제를 사용하고 있는 두 종류의 합성유(PPE-1 및 PPE-2)를 분석하고 결과를 발표하였다. 윤활유는 320℃ 고온 하에서 산화시키면서 40℃에서의 동점도가 50% 증가될 때까지 산화가속 시험을 행하였으며, 시험 중간에 샘플 오일을 채취하고 형광 분광분석을 하였다. 분석 결과에서 산화된 PPE-2 시료의 경우, 시험시간에 따라서 형광 빛의 세기가 증가한 반면에, PPE-1 시료의 경우는 신유에 비하여 형광 빛이 감소함을 발견하였다.
또한 오일 속으로 포화된 습도를 갖는 일정량의 공기를 불어넣음으로써 높은 습도 하에서의 환경 조건을 상사하였다. 이와 같은 조건 하에서 시험 오일을 65일 이상 열화시키고 매 1내지 4일 간격으로 오일을 샘플링 하여 각 시험 샘플들을 형광 분광분석기로 분석하였다. 신유와 가장 열화된 샘플 오일을 비교 분석한 결과, 360 나노미터 파장 대에서 가장 높은 형광 양자수득률이 나타나며400~450 나노미터 파장 대역에서 가장 현저한 스펙트럼 차이가 존재함을 발견하였다.
3에서와 같이 고안된 형광 측정기는 두 개의 광검출기(2, 8)를 갖도록 구성하였다. 자외선 광원으로부터 d₁ 및 d₂거리에 각각 하나씩의 광 반사판(7)을 설치하고 광검출기에서 출력을 측정한다. 이 경우에 있어서 광검출기 (2, d=2d₁) 위치에서의 출력(P₁)과 광검출기 (8, d=2d₂)에서의 출력(P₂)은, 전술한 수식 (12)로부터 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.
본 시험에는 40℃ 온도에서의 동점도가 468 cSt인 기어유(Super Gear EP 460)가 사용되었으며, 신유와 일정 기간 동안 산업 현장에서 사용한 사용유를 시험에 사용하고 비교하였다. 측정기의 광전달거리(d_i)는 자외선 광원으로부터의 거리가 각각 0.4, 1.5, 2.3, 3.5, 4.3, 5.5 mm로 변화하였으며, 광전달거리가 고정되지 않은 경우도 측정하였다. 측정 결과는 Table 1에서 보인 바와 같다.
시험 대상 오일은 40℃ 온도에서의 동점도가 300cSt인 폴리알파올레핀(PAO)계 합성유인 기어유(Ultra Gear Oil, 320)가 사용되었으며, 사용되었으며, 신유와 일정 기간 동안 산업 현장에서 사용한 사용유를 시험에 사용하고 비교하였다. 측정기의 광전달거리는 자외선 광원으로부터의 거리가 각각 0, 2, 4 mm 및 거울 반사판이 없는 경우들을 시험하였다. 측정 결과는 Table 3에서 보인 바와 같다.

대상 데이터

본 시험에는 40℃ 온도에서의 동점도가 468 cSt인 기어유(Super Gear EP 460)가 사용되었으며, 신유와 일정 기간 동안 산업 현장에서 사용한 사용유를 시험에 사용하고 비교하였다. 측정기의 광전달거리(d_i)는 자외선 광원으로부터의 거리가 각각 0.
시험 대상 오일은 40℃ 온도에서의 동점도가 300cSt인 폴리알파올레핀(PAO)계 합성유인 기어유(Ultra Gear Oil, 320)가 사용되었으며, 사용되었으며, 신유와 일정 기간 동안 산업 현장에서 사용한 사용유를 시험에 사용하고 비교하였다. 측정기의 광전달거리는 자외선 광원으로부터의 거리가 각각 0, 2, 4 mm 및 거울 반사판이 없는 경우들을 시험하였다.
자외선 LED 광원은 파장이 370 나노미터를 갖는 것을 사용하였고 광섬유는 지름이 1 밀리미터인 폴리머 재질의 광섬유를 사용하였다. 시험 오일과 광섬유 사이에는 일정한 두께를 갖는 광학 유리창을 삽입하여 사용하였다. 광검출기 회로는 광검출기 및 공진주파수 1 kHz이며 주파수의 대역너비(bandwidth)가 약 4 kHz를 갖는 트랜스임피던스 증폭기(transimpedance amplifier)로서 구성되어 있다.
자외선 LED 광원은 파장이 370 나노미터를 갖는 것을 사용하였고 광섬유는 지름이 1 밀리미터인 폴리머 재질의 광섬유를 사용하였다. 시험 오일과 광섬유 사이에는 일정한 두께를 갖는 광학 유리창을 삽입하여 사용하였다.

성능/효과

PAO계 합성유의 경우 형광 양자수득률은 평균적으로 0.002 (mm^-1)을 얻을 수 있었고, 사용유의 형광 양자수득률은 0.022 (mm^-1)을 얻을 수 있었으며, 사용유의 형광 양자수득률이 신유보다 증가함을 알 수 있었다. 따라서 상기 오일이 사용됨에 따라 오일이 어둡게 변색함과 동시에 형광 양자 수득률 증가를 동반한 오일의 열화가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
022 (mm^-1)을 얻을 수 있었으며, 사용유의 형광 양자수득률이 신유보다 증가함을 알 수 있었다. 따라서 상기 오일이 사용됨에 따라 오일이 어둡게 변색함과 동시에 형광 양자 수득률 증가를 동반한 오일의 열화가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이 때 U_o는 광전달거리가 0일 때의 측정 출력값, U₁은 광전달거리 d_i에서의 측정값, U₂는 광전달거리가 x_max에서의 측정값이다. 따라서 신유의 양자수득률은 평균적으로 0.054(mm^-1)을 얻을 수 있었으며, 사용유의 양자수득률은 0.065 (mm^-1)을 얻을 수 있었다. 또한 신유의 광흡수계수는 약 0.
065 (mm^-1)을 얻을 수 있었다. 또한 신유의 광흡수계수는 약 0.295 (mm^-1)인 반면에, 사용유의 평균 광흡수계수는 0.626 (mm^-1)을 얻을 수 있었다. 즉 오일이 열화됨에 따라서 산화되는 현상을 본 연구에서와 같이 사용유에서의 형광 양자수득률을 측정하여 정량적으로 평가할 수 있음을 확인하였다.
윤활유는 320℃ 고온 하에서 산화시키면서 40℃에서의 동점도가 50% 증가될 때까지 산화가속 시험을 행하였으며, 시험 중간에 샘플 오일을 채취하고 형광 분광분석을 하였다. 분석 결과에서 산화된 PPE-2 시료의 경우, 시험시간에 따라서 형광 빛의 세기가 증가한 반면에, PPE-1 시료의 경우는 신유에 비하여 형광 빛이 감소함을 발견하였다. PPE-1 시료의 경우에 있어서 산화가 진행됨에 따라서 오일의 색이 상대적으로 더 어두워졌다.
PPE-1 시료의 경우에 있어서 산화가 진행됨에 따라서 오일의 색이 상대적으로 더 어두워졌다. 상기의 광감쇠 효과를 저감하기 위하여 샘플 오일을 두 개의 슬라이드 글래스 사이에 한 방울 떨어뜨리고 압력을 가하여 압착시킴으로써 광이 투과하는 샘플 오일의 두께를 최소화한 결과, PPE-1 시료의 경우에서도 형광 빛 세기가 산화에 따라서 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 이들은 형광 빛 세기와 점도 증가 사이에 선형적인 관계가 있음을 주장한 바 있다.
이와 같은 조건 하에서 시험 오일을 65일 이상 열화시키고 매 1내지 4일 간격으로 오일을 샘플링 하여 각 시험 샘플들을 형광 분광분석기로 분석하였다. 신유와 가장 열화된 샘플 오일을 비교 분석한 결과, 360 나노미터 파장 대에서 가장 높은 형광 양자수득률이 나타나며400~450 나노미터 파장 대역에서 가장 현저한 스펙트럼 차이가 존재함을 발견하였다.
이상과 같은 두 가지 종류의 오일 시료에서 얻은 시험 결과들은 일정한 두께를 갖는 오일을 통과하는 자외선 형광 빛 세기의 변화만을 측정하였더라면 사용유에서의 형광 빛 감소로 인하여 사용유에서의 형광 양자수득률이 신유에 비하여 감소한 것으로 잘못 판단할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 만약 오일 매질에서 빛이 흡수되는 양이 무시될 정도로 시험 대상 오일의 두께를 최소화하여 측정하였다면 본 고안의 결과들과 같은 결과를 얻을 수 있으나, 상기 측정 센서를 탑재형으로 사용할 경우에 시험 대상 오일의 두께를 최소화하는 데에 많은 어려움이 있을 것이다.
Table 2는 측정결과들의 요약으로서 오일의 전산가(TAN) 측정값들과의 비교를 보이고 있다. 즉 본 고안에 의한 오일의 열화 측정방법에서의 결과가 종래의 전산가 측정에 의한 오일의 열화 측정 결과와 잘 일치하는 모습을 나내내고 있다.
626 (mm^-1)을 얻을 수 있었다. 즉 오일이 열화됨에 따라서 산화되는 현상을 본 연구에서와 같이 사용유에서의 형광 양자수득률을 측정하여 정량적으로 평가할 수 있음을 확인하였다. 특히 오일이 열화됨에 따라서 오일의 색이 어두워지는 상황 하에서도 오일의 형광 특성을 효과적으로 측정할 수 있음을 확인할 수 있었다.
즉 오일이 열화됨에 따라서 산화되는 현상을 본 연구에서와 같이 사용유에서의 형광 양자수득률을 측정하여 정량적으로 평가할 수 있음을 확인하였다. 특히 오일이 열화됨에 따라서 오일의 색이 어두워지는 상황 하에서도 오일의 형광 특성을 효과적으로 측정할 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

특히 본 연구에서는 2개 이상의 광측정 센서를 복합하여 사용함으로써 오일이 열화됨에 따라 오일의 색이 어두워지고 이에 따라 오일의 형광 빛이 감소하는 문제점을 효과적으로 개선하는 방법을 제시한 것으로 사료된다. 따라서 본 연구를 통하여 개발한 오일열화도 센서는 윤활유의 산화에 의하여 초래되는 오일열화도 경향을 평가하는 간편한 스크린 테스트용 센서로서 향후 활용이 기대된다.
이상과 같은 두 가지 종류의 오일 시료에서 얻은 시험 결과들은 일정한 두께를 갖는 오일을 통과하는 자외선 형광 빛 세기의 변화만을 측정하였더라면 사용유에서의 형광 빛 감소로 인하여 사용유에서의 형광 양자수득률이 신유에 비하여 감소한 것으로 잘못 판단할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 만약 오일 매질에서 빛이 흡수되는 양이 무시될 정도로 시험 대상 오일의 두께를 최소화하여 측정하였다면 본 고안의 결과들과 같은 결과를 얻을 수 있으나, 상기 측정 센서를 탑재형으로 사용할 경우에 시험 대상 오일의 두께를 최소화하는 데에 많은 어려움이 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오일의 열화를 판정하기 위해 형광 분광분석기를 사용할 때 어떠한 장단점이 있는가?	오일의 열화를 판정할 수 있는, 현재까지 알려진 측정방법들 중에서 형광 분광분석기(fluorescence spectrometer)는 오일의 화학적 상태 변화를 진단하는 능력에 있어서 제한적이기는 하나, 오일의 상태 변화를 통합적인 의미로서 판단하는 유용한 수단으로 사용될 수 있다. 따라서 오일에 관한 상세한 화학적 변화를 측정함이 크게 요구되지 않는 상황에서는 상기 기술 적용이 매우 효과적이며 경제적이라고 할 수 있다.
	형광이란 어떠한 현상인가?	적외선 분광분석기와 함께 형광분석기(fluorescence spectroscopy)는 윤활유의 상태를 진단하는데 사용하는 주요한 분광분석기 중의 하나이다. 형광(Fluorescence)이란 물질이 외부 에너지를 받아 valence band(VB)에서 conduction band(CB)로 천이(excite)되었던 전자가 불안정한 에너지 상태를 가지므로 다시 VB로 되돌아오려고 할 때 자신이 가졌던 에너지만큼을 발산하면서 원위치로 돌아오는데 물질이 가진 에너지 밴드 갭의 상태에 따라 에너지를 발산하는 물리적인 현상을 의미한다. 상기 빛의 방출은 대부분 자외선에서 가시광선 파장 영역의 빛을 방출하며, 간혹 근적외선 영역의 빛을 방출하기도 한다[2].
	형광 현상은 주로 어떤 파장의 빛을 방출하는가?	형광(Fluorescence)이란 물질이 외부 에너지를 받아 valence band(VB)에서 conduction band(CB)로 천이(excite)되었던 전자가 불안정한 에너지 상태를 가지므로 다시 VB로 되돌아오려고 할 때 자신이 가졌던 에너지만큼을 발산하면서 원위치로 돌아오는데 물질이 가진 에너지 밴드 갭의 상태에 따라 에너지를 발산하는 물리적인 현상을 의미한다. 상기 빛의 방출은 대부분 자외선에서 가시광선 파장 영역의 빛을 방출하며, 간혹 근적외선 영역의 빛을 방출하기도 한다[2].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

복수 경로를 지닌 자외선 형광측정기를 이용한 오일 산화도 측정장치
Apparatus for Monitoring Oil Oxidation Using a Plurality of UV Fluorescence Light-reflecting Members 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

복수 경로를 지닌 자외선 형광측정기를 이용한 오일 산화도 측정장치 Apparatus for Monitoring Oil Oxidation Using a Plurality of UV Fluorescence Light-reflecting Members 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

공호성 (21) 한흥구 (13)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

복수 경로를 지닌 자외선 형광측정기를 이용한 오일 산화도 측정장치
Apparatus for Monitoring Oil Oxidation Using a Plurality of UV Fluorescence Light-reflecting Members 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper