미래 전장 경량화·고강도화 必

■ 기술의 정의 및 분류

다양한 국방 소재 중 특히 구조 재료의 경우, 무기 체계의 성능을 근본적으로 결정지을 수 있고 지상 병력의 기동성과 직접적으로 관계되므로 그것의 역할이 매우 중요한 경우가 대부분이다.

또한, 근래에 이르러 무기 체계가 고도로 발달함에 따라 증가 또는 개선된 화력 대비 화기의 내구성 및 안정성 보장을 위한 고강도화 및 지상 병력의 신속한 이동성 확보와 해상 및 공중 작전 반경 확대 등의 목적으로 경량화가 요구되고 있다.

국방 소재의 경우 주로 육상, 해상 및 공중 운송장비에 자동차를 포함하는 일반 수송기기와 거의 유사한 개념으로 고강도 및 경량 소재가 적용되고 있다. 특히 경량화는 크게 두 가지 개념으로 적용되는데, 고강도화를 통하여 장갑 판재의 두께를 줄이거나 구동 부품의 중량을 감소시키는 개념과 낮은 밀도를 가지는 경량 금속 소재로 기존 부품을 치환함으로써 중량을 감소시킬 수 있는 개념을 의미한다. 단순하게 고강도 국방 소재를 적용하는 경우는 주로 무기의 성능, 수명 및 신뢰성 향상을 목적으로 적용하는 경우가 대부분이다.

실제 육상 전차의 경우 <그림 1>과 같이 전차병의 생존능력 강화를 목적으로 장갑 및 무장량이 증가추세에 있었으나, 고강도 및 경량 구조용 소재를 도입함으로써 전체 중량은 크게 감소하면서 무장량과 생존 가능성 및 기동성까지 비약적으로 향상되었다. 이에 따라 고강도 및 경량화 추세는 지속될 것으로 보인다.

한편 군사 장비에 IT 기술을 접목함으로써 병사 개인이 지녀야 할 각종 탐지 및 보호 장비가 증가하고 개인 무장 중량 또한 점점 증가하는 추세이므로 개인 화기 및 장비에 대한 경량화 역시 요구되고 있다.

<표 1>의 국방과학기술 표준분류체계에 의하면 본 원고에서 다루고자 하는 고강도 및 경량 구조재료는 대분류 T07 소재, 중분류 T070101 고강도 구조재료 및 소분류 T070102 경량 구조재료로 구분된다. 또한, 표준분류체계에 따른 정의에 의하면 고강도 구조재료는 ‘높은 강도를 보유한 재료’ 및 경량 구조재료는 ‘비강성(강도/밀도)이 우수한 재료’로 정의하였다. 따라서 본 기술에서는 이와 관련된 고강도 및 경량 구조재료인 타이타늄, 알루미늄 및 마그네슘 합금 등에 대한 기술을 소개하고자 한다.

■ 기술의 원리

고강도화는 주로 합금 설계를 이용한 새로운 합금계 개발 또는 열처리 및 소성가공을 통한 미세조직의 최적 제어를 통하여 기존 대비 향상된 기계적 특성을 얻는 방법을 기초로 적용하고 있다. 특히 합금 설계에는 열역학에 기초한 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어를 사용함으로써 제한적인 합금 및 원소 수를 사용하던 전통적인 방법에서 벗어나 다원계 상태도를 획득할 수 있게 되었다. 그리고 이 다원계 상태도를 활용한 다양하고 복합적인 미세조직 및 석출물 등에 대한 거동을 이해함으로써 최종 물리적 및 기계적 특성을 예측하고 확보하는 단계에 이르게 되었다. 이에 가공 열처리 기술을 이용한 금속의 미세조직 제어 및 냉각 시 냉각속도와 유지 시간 등을 효과적으로 조합하여 금속 내부의 다양한 미세조직의 특성과 구성을 변화 시켜 높은 강도를 얻어내는 방법도 중요한 고강도화의 원리라 할 수 있다. 금속의 종류 또는 합금원소의 다양한 조합과 적용, 복합 재료의 특성이 다르다 하더라도, <그림 2>와 같이 대부분 유사한 원리를 가지고 국방 구조 재료를 개발하고 실제 활용하고 있다.

경량화 측면에서는 앞서 언급한 바와 같이 고강도화를 통한 두께 및 중량 감소로써 경량화에 도달할 수 있으나, 가장 기본적으로 적용되는 원리는 중량 소재로 운용 중인 부품을 경량 소재로 치환하는 방법과 복합재료의 활용 또는 경량 구조(벌집구조 또는 트러스 구조)로 설계하여 적용하는 기술이다. 통상적인 경우 경량 재료의 강도는 기존의 그것보다 대부분 낮은 경우가 많으므로, 경량 금속 소재의 고강도화가 필수가 될 것이며, 고강도화와 경량화는 불가분의 관계가 될 것이다.

<그림 3>에는 고강도 및 경량 소재를 적용하여 운송장비 운용 측면에서 얻을 수 있는 장점과 국방 또는 방위산업 측면에서 목표로 하는 내용을 표현하였다.

고강도화는 주로 무기체계의 성능, 수명 및 신뢰성 향상을 목적으로 적용되는 경우가 많으며, 최근의 사례인 ‘복합형 소총의 사격 충격특성에 관한 분석’에 의하면 향상된 기능 확보 목적으로 ‘FCS Fire Control System, 사격통제장치 하우징 강도 향상’을 제언하였다. FCS 하우징 재료강도는 반복적인 사격 충격에 따른 응력집중으로 인해 반영구적인 사용이 제한된다고 분석하였으며, 이를 개선하기 위해서 상대적으로 강도가 우수한 알루미늄 합금 등의 국방 소재가 필요하다고 언급하였다. 즉, 고강도 국방 소재는 이처럼 높은 강도에 의한 피로 성능의 향상이 기대되므로 무기 체계의 신뢰 및 안정성 측면에서 반드시 필요하다고 볼 수 있을 것이다.

고강도화 통한 두께·중량 감소 경량화 달성

중량소재 운용부품 경량소재·복합재료 전환

경량화는 기동성 향상 및 병사의 피로도 감소 측면에서 적용하는 경우가 대부분이다. 이와 연관된 대표적인 최근 사례는 <그림 4>와 같이 2019년 현대위아(주)가 개발한 신형 박격포에서도 매우 큰 효과를 얻을 수 있었다. 급변하는 전시 상황에서 기동성을 높이기 위해 포신과 포판, 포다리 등 모든 부품에서 티타늄과 고강도 알루미늄 등 첨단 소재를 이용해 무게를 기존 박격포 대비 약 20% 줄였다. 운용 인원도 기존 6명에서 5명으로 줄였다. 운용 병사의 피로도와 부상 위험을 낮출 수 있었다고 보도되었다.

■ 미래 국방소재 관점에서 기술의 중요성 및 전망

미래 전쟁은 4차 산업혁명에 힘입어 전장 공간의 확장 등 전쟁의 양상 자체가 변화할 것이다. 보다 구체적으로는 전장 공간 측면에서 지상·해양·공중 중심의 전통적 공간에서 사이버 및 우주 공간이 추가된 네트워크 중심의 5차원 공간으로 전장이 확장될 것이다. 그리고 전투 수단 측면에서 네트워크 중심, 무인·로봇 및 신개념 무기체계 등의 활용이 증가할 것으로 예상된다. 또한, 첨단 정보체계를 통해 과거의 대량 파괴·살상을 수반하지 않고 전략적 중심을 마비시키는 스마트 전쟁이 가능할 것으로 보인다. 즉 실시간으로 정보수집과 전달을 수행함으로써 전장 운용인력 절감 및 인명피해 최소화가 가능하게 될 것이다.

위와 같이 예견되는 미래 전쟁의 모습에서 4차 산업혁명과 국방소재의 고강도화 및 경량화는 특별한 관련이 없는 것으로 보일 수도 있다. 그러나 사물인터넷을 적용한 보병 시스템 및 군사작전 등의 혁신으로 ‘웨어러블 디바이스를 장착한 병사의 기동성’을 높이기 위한 측면에서 경량화와 ‘생존 가능성을 높이려는 방호능’ 향상 목적으로 고강도화가 요구될 것이다. 유사한 개념으로 병사 착용형 로봇인 ‘3세대 외골격 시스템’도 적용될 가능성이 매우 높다. 따라서 경량 국방소재를 적용하려는 노력과 고강도화를 통하여 자체 중량을 줄이려는 노력은 지속해서 요구될 것이다.

■ 철강계 구조 재료

1) 국내 동향

국방 무기체계 및 운송장비 등에 활용되는 금속 구조재료의 경우 경량 비철강 금속의 다양한 적용과 이에 대한 연구개발이 활발하나, 현재까지는 철강계 구조재료가 가장 많이 활용되고 있다. 이것은 타 산업분야와 마찬가지로 철강계 구조재료가 가격 대비 성능, 가공성 및 열처리 성능이 우수하여 적용이 매우 용이하기 때문이다. 따라서 굳이 국방 소재에 한정하지 않더라도 철강 분야에서 많은 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다. 2015년 발간된 ‘방위산업기술 식별 연구’에 의하면 산업통상자원부 고시(제2015-186호(2015.9.7.))에 의거 철강 분야 국가핵심기술 지정 현황을 소개하였다(표 2).

이는 국가안보 및 국민경제에 미치는 파급효과, 관련 제품의 국내외 시장점유율, 해당 분야의 연구동향 및 기술 확산과의 조화들을 종합적으로 고려하여 선정된 것이며, 국방·방산 분야뿐만 아니라 산업 전반적인 영역에 미치는 효과가 매우 큰 중요한 기술을 엄선한 것이다. 국가가 지정한 기술 외에도 민간 영역 즉, 산·학·연 영역에서도 우수한 국방 소재가 개발되었으며, 이는 주로 특수한 목적으로 사용될 가능성이 매우 높은 기술을 기반으로 개발된 것이다. 한국원자력연구원에서는 기존 상용소재보다 고온과 중성자에 월등히 강한 ‘산화물분산강화(ODS) 소재’를 이용한 첨단 신소재를 개발하였으며, 이 소재는 철강 내부에 열에 강한 나노산화물을 미세하고 균일하게 섞어 제조하는 고강도 합금이다. 고온에서도 잘 변형되지 않고, 핵반응 시 나오는 중성자에 노출되어도 물질 구조가 쉽게 변하지 않는다. 핵연료 피복관을 비롯해 항공 엔진, 터빈 블레이드, 선박 엔진용 노즐, 우주선 소재 등 항공우주, 국방, 원자력·화력발전, 선박 산업 전반에서 핵심 소재로 주목받고 있다.

재료연구소에는 수송기기용 고비강도 고연성 경량철강을 개발하였으며, 기존 철강소재 대비 약 7% 밀도가 낮으면서도 강도와 연성이 우수하다고 알려져 있다. 이는 <그림 5>와 같이 다상계 경량철강의 미세조직 제어와 변형유기변태 현상을 이용하여 연성을 비약적으로 향상시켰다.

국방과학연구소는 포항공과대학교 철강대학원과 함께 탄소함량과 항온 열처리를 효과적으로 조합하여 기계적 성질이 우수한 초고강도 베이나이트강 개발에 노력하고 있다. 초고강도 베이나이트강은 높은 농도의 탄소(1wt% C 내외) 및 실리콘을 함유한 강재로서 오스테나이트화 처리 후 비교적 저온(200∼300℃)에서 장시간 항온열처리(오스템퍼링)를 받는다. 이를 통해 나노 구조의 베이나이트와 잔류오스테나이트 복합조직을 구현하여 인장강도 2.0 GPa 수준의 초고강도 성질을 얻을 수 있었다고 알려져 있다.

2) 해외 동향

자동차 산업에서 중심이 되는 미국, 일본 및 유럽에서 초고강도강에 대한 개발이 상당히 진척되어 있고, 적용 또한 활발한 수준이다. 대부분 국방 소재 적용 이전에 자동차 등의 운송기기를 중심으로 활발한 연구개발과 적용이 이루어졌다. 경량화 효과를 높이기 위해 강판 또는 구조용 철강제품을 기반으로 강도를 높이려는 노력은 지금도 지속적으로 진행 중이다.

참고로, 국내 기술 역시 해외 기술과 대비하여 손색이 없는 수준이며, 기술격차는 그리 높지 않은 수준으로 판단된다.

세계 각국은 <그림 6>과 같이 이미 1세대강인 연질 강판을 거쳐, 상용화 단계에 있는 TRIP, CP, DP, MART 등의 2세대강과 TWIP, AMP 등과 같은 강도 및 가공성이 우수하나 제조비용이 높은 3세대강을 동시에 개발 중인 것으로 알려져 있다.

향후 초고강도강의 수요는 `15∼`23년 중 연평균 15.1%의 높은 성장률을 보일 것으로 예상되며, 주도적으로 개발하고 있는 국가로는 한국을 포함하여 미국, 일본, 유럽 등이 있다. 일본은 Kobe steel 및 NSC를 중심으로 TRIP 강의 성형성 개선에 주력하고 있으며, 유럽 역시 알루미늄을 첨가한 저밀도 경량 철강 제품 개발을 추진하고 있다.

▲ <그림 1>시대별 지상 운송장비 중량의 급격한 변화

▲ <그림 2>고강도 및 경량 구조재료 개발의 기본 원리

▲ <그림 3>방위산업에서의 경량화 효과

▲ 현대위아가 개발한 신형 81 mm 박격포-Ⅱ

▲ <표 2>철강 분야 국가핵심기술 지정현황

▲ <그림 5>고연성 경량철강 기술의 주요 내용

▲ <그림 6>해외 고강도 철강 재료의 개발 현황과 3세대 철강 개발 영역