KR20110005860A - 윤활유 열화도 평가 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, pH-ISFET를 사용하여 윤활유의 수소 농도 변화를, 드레인과 소스 사이에 일정 전압을 인가한 경우의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류의 변화 또는 드레인과 소스 사이에 일정 전류를 흘린 경우의 드레인과 소스 사이의 전압의 변화를 출력으로서 측정함으로써 윤활유의 열화 상태를 판별하는 윤활유 열화도 평가 장치, 윤활유 열화도 평가 방법 및 그것을 사용한 온라인 윤활유 관리 장치에 의해 윤활유의 열화도를 간단하면서도 안정적으로 측정할 수 있는 윤활유 열화도 평가 장치, 윤활유 열화도 평가 방법 및 온라인 윤활유 관리 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 윤활유의 열화도 평가 장치, 열화도 평가 방법 및 온라인 윤활유 관리 장치에 관한 것이다.
윤활유, 특히 엔진유는 그의 열화가 사용 대상인 엔진 등의 장치의 가동 효율이나 내구성 등을 낮추는 원인이 되기 때문에, 정상적인 상태로 관리할 필요가 있다.
그 때문에, 열화도를 간편히 측정할 수 있는 장치ㆍ방법이 요망되고 있지만 이러한 장치ㆍ방법은 없으며, 사용 시간을 열화도의 기준으로 하는 관리나, 윤활유를 분석하여 얻어진 많은 성상값으로부터 열화도를 판단하는 것이 행해지고 있었다.
예를 들면, 윤활유의 유전율과 사용 시간 및 사용 중의 과혹도(過酷度) 등을 가미하여 열화도를 평가하는 방법이 많이 제안되어 있다. 그러나, 이들 방법은 모두 윤활유의 열화도 그 자체를 측정한 것은 아니며, 신뢰성이 높은 열화도 측정법이 없다는 것을 전제로 구성된 방법이고, 윤활유의 종류나 사용 조건에 따라 결과가 크게 상이해질 것으로 예상되기 때문에 신뢰성이 낮은 것이다.
한편, 윤활유에 포함되는 알칼리 토류 금속, 특히 칼슘의 오일 중 수분에 의한 이온화의 변화를 윤활유의 열화로 파악하고, ISFET를 사용하여 비교 전극과 ISFET의 전위차로부터 해당 이온화의 정도를 측정하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조). 그러나, 비수계의 윤활유 중에서 금속 이온은 안정적으로 존재할 수 없으며, 수분이 적은 경우에는 정확한 측정이 불가능하다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 결점을 불식시킨, 윤활유의 열화도를 간단하면서도 안정적으로 측정할 수 있는 윤활유 열화도 평가 장치, 윤활유 열화도 평가 방법 및 온라인 윤활유 관리 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 진행시킨 결과, 윤활유의 산성도가 윤활유의 진정한 열화를 나타낸다는 것과, pH-ISFET를 적절한 방법으로 사용함으로써 비수계의 윤활유의 산성도를 측정할 수 있다는 것에 주목하여, 본 발명에 도달한 것이다. 즉, 본 발명은,
〔1〕 pH-ISFET 및 상기 pH-ISFET의 드레인과 소스 사이에 일정 전압을 인가하여 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류를 측정하는 회로 또는 드레인과 소스 사이에 일정 전류를 흘려 드레인과 소스 사이의 전압을 측정하는 회로를 구비하여 이루어지는 윤활유 열화도 평가 장치,
〔2〕 상기 〔1〕에 있어서, pH-ISFET에 대한 비교 전극을 구비하지 않는 윤활유 열화도 평가 장치,
〔3〕 상기 〔1〕 또는 〔2〕에 있어서, 윤활유가 엔진유인 윤활유 열화도 평가 장치,
〔4〕 상기 〔1〕 내지 〔3〕 중 어느 하나에 기재된 윤활유 열화도 평가 장치를 사용하여, 윤활유의 산성도를, 드레인과 소스 사이에 일정 전압을 인가한 경우의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류 또는 드레인과 소스 사이에 일정 전류를 흘린 경우의 드레인과 소스 사이의 전압을 출력으로서 측정하는 것을 포함하는 윤활유 열화도 평가 방법,
〔5〕 상기 〔4〕에 있어서, 드레인과 소스 사이에 일정 전압을 단속적으로 인가하거나 또는 드레인과 소스 사이에 일정 전류를 단속적으로 흘림으로써, 비측정 시간을 두는 윤활유 열화도 평가 방법,
〔6〕 상기 〔4〕 또는 〔5〕에 있어서, 드레인과 소스 사이에 상이한 전압을 단속적으로 인가하거나 또는 드레인과 소스 사이에 상이한 전류를 단속적으로 흘림으로써, 상이한 전압값 또는 상이한 전류값에서의 드레인과 소스 사이 전류 또는 드레인과 소스 사이 전압의 차를 측정하는 윤활유 열화도 평가 방법,
〔7〕 상기 〔4〕 내지 〔6〕 중 어느 하나에 있어서, 윤활유가 엔진유인 윤활유 열화도 평가 방법, 및
〔8〕 상기 〔1〕 내지 〔3〕중 어느 하나에 기재된 윤활유 열화도 평가 장치를 사용하여 이루어지는 온라인 윤활유 관리 장치
를 제공하는 것이다.
또한, pH-ISFET는, 수소 이온 감응형의 이온 감응성 전계 효과형 트랜지스터(Ion Sensitive Field Effect Transistor)를 의미한다.
본 발명에 따르면, 윤활유의 장기간에 걸친 열화 상태를 정확하게 측정할 수 있는 장치 및 방법이 얻어진다. 또한, pH-ISFET에 대한 비교 전극을 설치하지 않는 형태로 하면 장치의 회로가 더욱 간단해지고, 측정값의 안정성을 증가시킬 수도 있다.
[도 1] 본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치의 하나의 예를 나타내는 모식도이다.
[도 2] 본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치의 다른 예를 나타내는 모식도이다.
[도 3] 본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치를 사용하여 윤활유의 열화도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
[부호의 설명]
1: P형 반도체
2: 드레인(N형 반도체)
2': 드레인 전극
3: 소스(N형 반도체)
3': 소스 전극
4: 게이트
5: 윤활유
6: 수소 이온 투과막
7: 비교 전극
[도 2] 본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치의 다른 예를 나타내는 모식도이다.
[도 3] 본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치를 사용하여 윤활유의 열화도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
[부호의 설명]
1: P형 반도체
2: 드레인(N형 반도체)
2': 드레인 전극
3: 소스(N형 반도체)
3': 소스 전극
4: 게이트
5: 윤활유
6: 수소 이온 투과막
7: 비교 전극
본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치에서 사용하는 pH-ISFET로서는, 통상적으로 사용되는 수소 이온 감응형의 ISFET가 사용 가능하다.
pH-ISFET는 P형 기판 위에 N형 반도체의 섬(소스 및 드레인)을 2개소 형성하고, 절연 피막을 포함하는 게이트를 설치한 통상적으로 사용되는 것이며, 게이트 재료로서는, 예를 들면 산화탄탈(Ta2O5)이나 질화규소(Si3N4) 등을 예시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치의 하나의 예를 나타내는 모식도이며, 도 2는 본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치의 다른 예를 나타내는 모식도이다. 이하, 도 1 및 도 2에 기초하여 윤활유 열화도 평가 장치 및 윤활유 열화도 평가 방법을 설명한다.
P형 반도체 (1)의 양끝에 2개의 N형 반도체의 섬, 드레인 (2)와 소스 (3)이 형성되어 있으며, 각각의 섬에 접하는 드레인 전극 (2')과 소스 전극 (3')으로부터 배선이 나와 있다. 드레인 (2)와 소스 (3)이 형성된 P형 반도체 (1)의 한쪽면에는 게이트 (4)가 형성되어 있으며, 이 게이트 (4)의 표면이 윤활유 (5)와 접촉하고 있다.
윤활유 (5)의 수소 이온이 게이트 (4)에 저장되면, P형 반도체의 주된 캐리어인 자유홀은 반발하여 게이트 (4)로부터 멀어지고, 반대로 P형 반도체에 소수파로서 존재하는 전자는 게이트 (4)로 끌어 당겨져 N 채널을 형성한다. 그 결과, 드레인 (2)와 소스 (3) 사이에 전류가 흐르게 된다.
또한, 도 2의 예에서는 수소 이온 투과막 (6)이 설치되어 있지만, ISFET에서 원리적으로 게이트의 전위를 측정하는 것으로, 본 발명에서는 반드시 필요하지 않다.
이 N 채널은 윤활유 (5)의 수소 이온이 높을수록 두꺼워지고, 드레인 (2)와 소스 (3) 사이에 보다 많은 전류가 흐르게 된다.
따라서, 드레인 (2)와 소스 (3) 사이에 인가하는 전압(Vds)을 일정하게 한 경우에는, 윤활유 (5)의 수소 이온이 높아질수록 드레인 (2)와 소스 (3) 사이에 흐르는 전류(Ids)가 커지고, 드레인 (2)와 소스 (3) 사이에 흘리는 전류(Ids)를 일정하게 한 경우에는, 윤활유의 수소 이온이 높아질수록 드레인 (2)와 소스 (3) 사이의 전압(Vds)이 작아진다.
이 일정한 전압을 인가한 경우의 전류값 또는 일정한 전류를 흘린 경우의 전압값을 측정함으로써 윤활유의 수소 이온 농도, 바꾸어 말하면 열화의 정도를 판정할 수 있으며, 장기간에 걸쳐서 이들의 전류값 또는 전압값을 측정함으로써 열화의 진행 상황을 파악할 수 있다.
pH-ISFET는 통상적인 경우와 마찬가지로 도 2의 예에 나타낸 바와 같이 비교 전극 (7)을 설치하여 사용할 수도 있지만, 비교 전극 (7)을 설치하지 않고 사용하는 것이 가능하며, 설치하지 않는 편이 회로가 간단해지고, 비교 전극의 관리도 불필요하다는 점에서 바람직하다.
또한, 도시하지 않았지만 실제적으로 윤활유 열화도 평가 장치는 윤활유 중에 침지하고, 게이트 (4)(도 2의 예에서는 수소 이온 투과막 (6))를 윤활유 (5)와 접촉시켜 사용하기 때문에 그것을 가능하게 하는 구조를 취하게 된다. 또한, 드레인 (2)와 소스 (3) 사이에는, 정전압 장치에 의해 일정한 전압을 인가하여 그 때의 전류값을 측정하기 위한 측정 회로, 또는 정전류 장치에 의해 일정한 전류를 흘려 그 때의 전압값을 측정하기 위한 측정 회로를 결합한다.
일정한 전압을 인가하거나 일정 전류를 흘려 측정을 개시한 직후에는 측정값이 안정되지 않으며, 일정한 전압을 인가한 경우의 전류값 Ids는 점차 커지고, 일정한 전류를 흘린 경우의 전압값 Vds는 점차 작아지는 경향이 있지만, 어떠한 경우에도 점차 일정값이 된다. 따라서, 측정 시간은 5초 이상, 특히 10초 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 1회뿐인 측정에서는 최초의 출력만이 측정되어 측정값이 안정되지 않는 경향이 있기 때문에, 일정 전압을 인가하지 않는 시간 또는 일정 전류를 흘리지 않는 비측정 시간을 두고 복수회 측정하는 것이 바람직하며, 비측정 시간으로서는 10초 이내가, 측정 횟수로서는 5회 이상에서 측정값이 수렴하는 조건이 바람직하다.
드레인과 소스 사이에 상이한 전압을 단속적으로 인가하거나 또는 드레인과 소스 사이에 상이한 전류를 단속적으로 흘림으로써, 상이한 전압값 또는 상이한 전류값에서의 드레인과 소스 사이 전류 또는 드레인과 소스 사이 전압의 차를 측정하는 방법도 이용할 수 있으며, 이 경우에는 일정 전압을 인가하거나 또는 일정 전류를 흘리는 시간을 30초 이내의 일정 시간으로 하고, 상이한 일정 전압을 인가하거나 또는 상이한 일정 전류를 흘리기 시작하여 측정을 개시한 지 30초 이내의 일정 시간 후에 측정하는 것을 반복함으로써 측정한 값의 차에 의해 열화 상태를 판별한다.
본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치는, 예를 들면 엔진 운전 제어 시스템의 일부로서 조립하여 온라인 윤활유 관리 장치로서 기능시킬 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예를 나타내어 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되지 않는다.
실시예 1
표준 시험유 JASO DD6유에 대하여 JASO 336-98 자동차용 디젤 기관용 윤활유-청정성 시험 방법을 행하며, 시험 개시로부터 200 시간 경과할 때까지의 시험유에 대하여 도 1에 나타낸 장치를 사용하여 드레인 (2)와 소스 (3) 사이에 0.5 mA의 일정 전류를 흘리고, 드레인 (2)와 소스 (3) 사이의 전압(Vds)을 일정 시간마다 측정하였다. 측정은 비측정 시간을 2초간으로 하고, 측정 개시 후(일정 전류를 흘리기 시작한 지) 18초 후의 전압을 측정하였다. 이 측정 조작을 10회 반복하고, 측정된 전압값의 수렴값을 그 시점에서의 드레인-소스 사이 전압(Vds)으로서 이용하였다.
그 결과를 그래프로서 표시하면 도 3과 같이 된다.
이 결과로부터 엔진 시험 시간이 길어져 윤활유의 열화가 진행되면 드레인-소스 사이 전압(Vds)이 내려가고, 산성도가 높아진다는 것을 알 수 있었다. 또한, 오일의 열화 정도가 거의 같다고 생각되는 100 시간과 200 시간의 값이 거의 동일한 값을 나타내고 있다.
본 발명의 윤활유 열화도 평가 장치 및 방법은 윤활유의 장기간에 걸친 열화 상태를 정확하게 측정할 수 있는 장치 및 방법이며, 각종 엔진 등의 윤활유를 사용하는 장치의 분야에서 매우 유용한 장치 및 방법으로서 이용할 수 있다.
Claims (8)
- pH-ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor; 이온 감응성 전계 효과형 트랜지스터) 및 상기 pH-ISFET의 드레인과 소스 사이에 일정 전압을 인가하여 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류를 측정하는 회로 또는 드레인과 소스 사이에 일정 전류를 흘려 드레인과 소스 사이의 전압을 측정하는 회로를 구비하여 이루어지는 윤활유 열화도 평가 장치.
- 제1항에 있어서, pH-ISFET에 대한 비교 전극을 구비하지 않는 윤활유 열화도 평가 장치.
- 제1항에 있어서, 윤활유가 엔진유인 윤활유 열화도 평가 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 윤활유 열화도 평가 장치를 사용하여, 윤활유의 산성도를, 드레인과 소스 사이에 일정 전압을 인가한 경우의 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류 또는 드레인과 소스 사이에 일정 전류를 흘린 경우의 드레인과 소스 사이의 전압을 출력으로서 측정하는 것을 포함하는 윤활유 열화도 평가 방법.
- 제4항에 있어서, 드레인과 소스 사이에 일정 전압을 단속적으로 인가하거나 또는 드레인과 소스 사이에 일정 전류를 단속적으로 흘림으로써, 비측정 시간을 두는 윤활유 열화도 평가 방법.
- 제4항에 있어서, 드레인과 소스 사이에 상이한 전압을 단속적으로 인가하거나 또는 드레인과 소스 사이에 상이한 전류를 단속적으로 흘림으로써, 상이한 전압값 또는 상이한 전류값에서의 드레인과 소스 사이 전류 또는 드레인과 소스 사이 전압의 차를 측정하는 윤활유 열화도 평가 방법.
- 제4항에 있어서, 윤활유가 엔진유인 윤활유 열화도 평가 방법.
- 제1항에 기재된 윤활유 열화도 평가 장치를 사용하여 이루어지는 온라인 윤활유 관리 장치.
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