제2장 생존 및 방호소재-장갑(Armor) 소재기술(1)-김수현(재료연)-신소재경제·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2019(14)

제2장 생존 및 방호소재-장갑(Armor) 소재기술(1)-김수현(재료연)-신소재경제·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2019(14) - ‘적층제조·AI·데이터’ 장갑 소재 개발 핵심

기사등록 2021-05-03 12:42:48
수정 2021-09-17 10:15:27

재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 11번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘미래국방소재’다. 미래 전장 환경 변화, 병력대상 인구의 감소, 해외 주요국의 국방력 강화 등 미래국방 관련 기술개발의 요인이 갈수록 증가하고 있고, 우리나라 또한 정부 국정과제 및 주요 국방 관련 정책 대응을 위한 기술현황 파악에 적극적으로 나서고 있다. 소재기술백서 2019는 이러한 ‘미래국방을 위한 소재기술’을 주제로, 내열 및 구조 소재, 생존 및 방호 소재, 첨단지능형 방산기능 소재와 관련한 기술동향을 분석하는데 집중했다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2019’를 연재한다.

‘적층제조·AI·데이터’ 장갑 소재 개발 핵심

적층제조, 소재·형상 자유도 높아 핵심공정 활용

장갑성능 발현 해석 위한 시뮬레이션 기술 필요

■ 기술의 정의 및 분류

국제 냉전시대가 지난 지금도 전 세계적으로 다양한 양상의 전쟁 및 유사전쟁 상황이 발생하고 있으며 이와 같은 전쟁터에서는 적으로부터 수많은 형태의 공격을 받게 된다. 과거의 세계 대전과 같은 전면전은 벌어지고 있지 않는 상황이지만, 여전히 국지전 및 테러행위가 빈번하게 일어나고 있는 것이 사실이다.

병력의 생존성 측면에서 보면 과거의 위협요소가 소총 및 기관총 등의 운동에너지탄 위주였다면 최근에는 성형작약탄, 폭발물 등 매우 다양한 형태의 위협이 존재한다. 전시상황에서 외부 위협으로부터 병력을 효과적으로 보호하기 위해서는 방탄, 방폭 특성이 향상된 장갑 소재의 개발이 요구되고 있다.

전투차량의 성능은 기본적으로 화력으로 결정되지만, 최근의 다양한 유사 전시 환경에서는 생존성과 기동성이 더욱 중요하게 부각되고 있다. 이러한 경향은 전투차량에 사용되는 소재의 방호특성과 경량성을 요구하게 되고 다양한 소재의 조합을 통한 장갑 소재의 개발이 활발히 진행되고 있다.

또한, 최근의 국지전 상황에서는 장갑 소재의 방탄 특성뿐만 아니라 방폭 특성이 매우 중요한 이슈로 대두되고 있다. 특히 테러가 일상화된 중동지역 외에도 미국, 유럽 등도 더 이상 테러에서 자유로울 수 없으며, 테러 집단이 직접 제조하거나 개조한 형태의 급조폭발물(Improvised Explosive Device, IED)의 등장은 방폭 소재의 개발을 더욱 가속화시키고 있다.

장갑 소재의 장갑능력은 기본적으로 사용되는 소재의 경도를 향상시키거나 두께를 증가시킴으로써 확보할 수 있다. 제 1차 세계대전에서 약 18mm 두께의 균질압연 장갑판재(Rolled Homogenized Armor, RHA)가 사용된 이후로 두께를 증가시키거나 다양한 특성을 갖는 소재를 조합한 다층판재를 적용하여 장갑특성을 개선시킬 수 있었다.

이와 같이 외부로부터의 충격을 흡수하는 방식으로서 장갑 소재는 수동 장갑(passive armor)으로 정의할 수 있다. 반면, 반응 장갑(reactive armor)은 장갑판이 탄두에 의해서 충격을 받게 되면 물리적, 화학적 반응이 일어나면서 장갑 특성이 발현된다. 반응 장갑은 장갑판재 내부에 폭약을 주입하여 피탄 시 폭약이 폭발하면서 외부에서 가해진 폭탄에 의하여 제트 흐름을 약화시키는 방법으로 방탄특성이 강화된다.

수동 장갑 및 반응 장갑과는 별개로 능동 장갑(active armor)의 경우는 피탄 이전에 탄두를 탐지하여 제거하거나 회피하는 방식이다. 전투차량의 경우 수동 장갑, 반응 장갑, 능동 장갑 등이 모두 고려될 수 있는 반면, 개인방호의 경우에는 주로 수동 장갑이 적용된다.

외부 무기로부터의 위협은 크게 운동에너지탄, 화학에너지탄 및 폭탄 등으로 구분할 수 있는데, 미사일 등에 의한 화학에너지탄은 주로 능동 장갑을 통한 방어가 필요한 반면, 총기류에 의한 운동에너지탄과 폭탄에 의한 폭압의 경우 수동 장갑으로 일정 수준의 방어가 가능하다. 본고에서는 주로 방탄 및 방폭 특성이 요구되는 수동 장갑 소재 위주로 서술하고자 한다.

전투차량용 장갑 소재로서 널리 사용되고 있는 금속장갑재의 경우 크게 철계와 비철계로 구분할 수 있으며, 장갑 소재의 성능을 검증하기 위하여 다음의 표와 같이 규격화하여 관리하고 있다.

장갑 소재로 가장 널리 사용된 소재는 철계 합금으로 MIL-A-12560 규격인 균질압연 장갑판재가 대표적이다. 균질압연 장갑판재는 Fe-3Ni-15Cr-0.5Mo 합금으로서 주조 및 압연을 통하여 제조한 판재이다. 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 조직을 가지며, 강도, 인성, 용접성이 우수하며 내부에 기공이나 결함이 존재할 수 있는 주조재에 비하여 내부 결함이 거의 없어서 장갑판재로서 이미 제 1차 세계 대전부터 사용되어 왔다.

대부분 복합장갑을 사용하고 있는 현재에도 기본적으로 사용이 고려되거나 장갑성능을 비교하는 지표로 사용되는 소재이다. 균질압연 장갑판재 외에 MIL-A-46100에 의해 정의된 고경도 장갑판재(High Hardness Armor, HHA)는 경도가 높아서 장갑특성이 우수하지만, 용접성이 불량하여 주로 보강 장갑 소재로 사용되고 있다. 스웨덴의 SSAB사에서 개발한 Armox는 군용 장갑차량이나 방탄 리무진 등에 사용되는 균질압연 장갑판재로서 우수한 관통저항과 탁월한 인성을 보유하고 있다.

1) 장갑성능의 정의

장갑 소재의 장갑성능은 방탄효율, 방탄한계속도 등으로 표현할 수 있다. 여러 장갑판의 방탄 성능을 가장 대표적인 장갑 소재인 균질압연 장갑판재와 단순 비교하여 나타낼 수 있는데 이를 방탄효율(Ballistic Mass Efficiency, BME)이라고 하고 이 값은 동등 방호 능력을 갖출 때 균질압연 장갑판재와의 면밀도 비율인 균질압연 장갑판재 면밀도/대상판재 면밀도로 정의한다. 여기서 면밀도(area density)는 장갑판의 단위 면적당 중량(kg/mm2)으로 정의한다.

일반적으로 장갑판재는 서로 다른 특성을 갖는 여러 겹의 판재로 구성되고, 방탄특성에서 부피보다는 면적이 더 중요한 인자이므로 밀도보다 면밀도가 주로 비교 물성으로 사용된다. 방탄한계속도(ballistic limit velocity)는 장갑판이 탄환에 의하여 충격을 받았을 때 50%의 확률로 완전 관통(complete penetration)되는 탄환의 충격 속도(impact velocity)로 정의하는 V50으로 정의할 수 있다.

방탄시험은 <그림 1>과 같이 철갑탄(Armor Piercing Projectile, AP)을 장갑 소재에 발사한 후 관통 거동을 관찰하여 판단한다. <그림 2>는 방탄시험 방법을 도식적으로 보여주고 있으며 장갑판의 두께와 피탄각(Obliquity)를 일정하게 한 상태에서 추진제의 양을 달리하여 철갑탄의 비행속도를 달리하여 방탄판에 관통되는 정도를 측정하게 되는데, 탄두의 충격 속도에 따라서 장갑판재가 관통되는 확률은 <그림 3>과 같은 거동을 보이게 된다.

이때 탄환이 완전히 관통되지 않는 경우를 부분 관통(Partial Penetration, PP), 완전히 관통하여 지나간 경우를 완전 관통(Complete Penetration, CP)라고 명명한다. 충격 속도가 증가할수록 탄환이 장갑판재를 관통할 확률이 증가하고 관통 확률이 50%가 되는 충격 속도 V50를 방탄한계속도로 정의한다.

장갑 소재의 방호 성능의 경우 파편모의탄(Fragment Simulating Projectile, FSP)을 사용하여 파편 발생에 의한 소재의 손상여부로부터 판단할 수 있다. 이 방법은 실제 폭발 환경에서 소재의 방호성능을 간접적으로 평가하기 위한 시험법으로서 <그림 1>과 같은 형태를 갖는 파편모의탄이 장갑판에 피탄 되었을 때 장갑판재의 손상여부를 조사한다.

방탄시험 대상별로 시험 방법은 평가소재에 따라서 <표 2<와 같이 구분할 수 있으며 기본적으로 철갑탄 및 파편모의탄에 대한 평가가 이루어진다.</p>

장갑판이 탄환에 의하여 충격을 받았을 때 발생하는 파괴 거동은 <그림 4>와 같이 구분할 수 있다. Ductile hole formation(DHF)은 단일 소재로 구성된 장갑판에서 주로 관찰되며 장갑 소재로서 이상적인 거동으로 간주되곤 한다.

탄두에 의한 충격은 방탄판의 소성변형에 의해서 흡수가 되며 재료의 손실은 발생하지 않는다. 따라서 방탄특성은 주로 재료의 유동응력에 의해서 결정된다. Plugging 역시 단일소재에서 발생하는 관통기구인데 탄두가 납작한 형상을 가질 때 주로 관찰되며 DHF에 비하여 상대적으로 흡수되는 에너지양이 작으므로 실제 방탄판으로서의 역할을 충분히 하지 못한다.

Plugging 파괴시에는 탄두가 지나가는 위치에서 재료의 전단이 발생하게 되며 소성변형의 양이 크지 않게 된다. Delamination은 주로 다층판재 형태에서 관찰되며 판 분리 및 연신에 의하여 에너지가 흡수된다.

복합재로 구성된 복합장갑판재의 경우 흔히 관찰되며 에너지흡수거동의 정량적인 평가가 어려운 단점이 있다. Discing은 판재의 후면에서 디스크 형태로 분리가 일어나는 관통기구이다. 대부분의 금속 및 다층판재에서 일어날 수 있으며 delamination이 선행되기도 한다. Conoidal fracture의 경우 주로 유리, 세라믹 등 경한 소재에서 관찰되는데 표면에서 발생한 균열이 내부로 전파하면서 파괴가 일어나는 현상이다.

2) 방폭 특성의 정의

방폭 특성의 평가를 위해서는 평가 대상소재가 다이너마이트, TNT 등 실제 폭발에 의한 폭압에 노출되도록 설계되어야 한다. 폭발이 일어날 경우 높은 열이 발생하는데, 이러한 열은 생성가스의 압력을 상승시킴으로써 높은 압력의 폭압을 발생시키게 되고 이러한 폭압은 다시 고열을 발생시킨다.

폭발 환경에서 발생하는 폭발 압력은 <그림 5>와 같이 시간에 따라서 변화하는 양상을 보이며, 초기에 순간적으로 압력상승을 보이다가 다시 급격한 감소 후 완만하게 0으로 수렴하는 거동을 보인다.

방폭 시험은 <그림 6>과 같이 폭발물을 시험재의 중심에 두고 폭파시켰을 때 시험재의 손상 정도를 평가하는 아레나 시험(arena test)을 실시하게 된다. 일반적으로 폭발물은 C4 및 펜토라이트(pentolite)를 사용한다. 이 방법은 실제 폭발환경을 구현함으로써 장갑 소재의 방폭 특성을 직접적으로 평가할 수 있는 것이 장점이다.

■ 기술의 원리

1) 균질압연 장갑판재

균질압연 장갑판재(RHA)는 열간압연법으로 만든 장갑판용 철강소재이다. 제 2차 세계 대전 이후로 널리 사용되어 왔으며 주조법으로 제조한 장갑판에 비하여 내부 조직이 치밀하고 균일하여 보다 우수한 장갑 성능을 보이지만, 최근의 다양한 탄두가 개발되면서 전투차량에 널리 쓰이지는 않는다.

이후 경도를 증가시킨 고경도 장갑판재(high hardness armor, HHA)가 개발되었는데, 이 소재는 급랭을 통하여 경도를 매우 증가시킴으로써 장갑 성능을 크게 향상시켰다. 최근에는 장갑 성능을 결정하는 주요 소재 특성인 경도와 인성을 모두 향상시킨 Armox 장갑 소재가 개발되었다. 이 소재는 스웨덴 SSAB 사에서 개발한 소재로서 경도 480∼540HBW, 인장강도 1,450∼1,750MPa, 연신율 8∼10%의 기계적 특성을 갖는 장갑판재이다.

2) 경량장갑

최근 방탄소재 개발 경향은 철강 소재에서 비철금속 및 복합재료의 개발로 이동하고 있다. 특히 전투차량의 기동성이 요구되면서 알루미늄과 같은 경량금속의 적용이 적극 검토되고 있다. 방탄 알루미늄 합금은 2519, 7017 합금 등이 개발되어 미국 및 영국 등에서 기존의 장갑재료를 대체하고 있다. 타이타늄 합금의 경우 Ti-6Al-4V 합금이 대표적인 방탄소재로 검토되고 있다.

알코아(Alcoa)에서는 기존 알루미늄 합금 대비 방탄특성이 향상된 새로운 7000계 합금을 개발하였다. 이 합금은 실제로 미 육군(US Army)으로부터 새로운 종류의 방탄 알루미늄 합금으로 인정받았다. 이 합금의 종류는 Al-Zn계 7085로서 열처리를 통하여 방탄 특성 또는 방폭 특성을 강화할 수 있음을 보였다. 실제로 <그림 7>과 같이 이 소재를 적용한 장갑차량을 개발하기도 하였다.

이 합금의 경우 특정 열처리를 함으로써 재료의 강도를 제어할 수 있고 이에 따라서 철갑탄 및 파편모의탄에 대한 방호특성이 향상됨을 확인하였다(그림 8). 카이저(Kaiser)의 경우도 고강도 알루미늄 합금을 적용한 방탄판을 개발하였으며 <그림 9>와 같이 실제 전투차량에 적용 가능함을 확인할 수 있다.

3) 복합장갑

실제로 충분한 방탄특성을 발휘하기 위해서는 여러 종류의 소재를 조합하여 사용한다. 섬유강화 복합재료는 개인방호용 헬멧, 방탄복 등에 주로 사용되며, 그 자체만으로는 충분한 강도를 가지지 못하는 경우가 많아서 복합장갑형태로 사용되는 것이 일반적이다. 고속의 탄환으로부터 충격을 효과적으로 흡수하기 위하여 금속 및 세라믹 소재와 접합한 형태를 사용하기도 한다.

금속소재는 철강, 알루미늄, 타이타늄 등이 사용될 수 있으며 섬유강화 복합재료로는 아라미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 유리섬유, 카본섬유 등이 사용될 수 있다. 복합장갑의 경우 서로 다른 특징을 갖는 소재를 어떤 방식으로 조합하느냐에 따라서 방탄 특성이 결정되므로 구조설계가 매우 중요하며, 층분리(delamination)에 의한 파괴가 주로 일어나므로 서로 다른 면재 간의 접합강도를 향상시키는 것이 중요하다.

4) 방폭 소재

방폭 기술은 전시 환경에서 폭발에 의한 피해를 최소화하기 위하여 적용된다. 특히 국지전 및 테러 시 다양한 종류의 폭탄에 대하여 전투차량, 병사 및 주요 시설물을 보호하기 위하여 최근 중요성이 더욱 강조되고 있다. <그림 11>은 차량 폭발 시 주변의 건물에 가해지는 폭발압력의 영향을 도식적으로 보여준다. 하지만 실제 환경은 더욱 복잡하여 지면 상태 등 다양한 요소와 상관관계를 가지게 되어 이론적인 해석을 어렵게 한다.

폭발에 의한 손상은 구조물의 파편에 의한 파손뿐만 아니라 폭발에 따른 충격파 발생에 의한 차량 및 구조물에 심각한 파손을 일으킬 수 있다. 폭발에 의한 피해를 최소화하기 위해서는 전투차량 및 구조물의 방폭 설계 및 방폭 소재 적용이 필수적이다. 특히 전시환경에서 기동성이 요구되는 전투차량의 경우 경량 방폭 소재 개발이 절실히 필요하다.

방폭 소재는 폭발압에 대한 방호 특성을 필요로 하므로 방탄소재와 달리 단순히 경도가 높다고 해서 우수한 방폭 특성을 보이지는 않는다. 오히려 너무 높은 경도를 갖는 소재는 폭발 압력을 받을 때 파괴가 일어날 수 있다. 따라서 경도와 인성 등을 고려하여 최적의 소재 조합을 설계해야 한다.

폭발에 의한 폭압으로부터 시스템을 보호하기 위한 효과적인 방법으로서 내부에 기공이 존재하는 다공성 소재를 들 수 있다. 대표적인 다공성 소재는 발포 알루미늄이 있으며 실제로 전투차량에서 발포 알루미늄의 적용 가능성이 검토되었다.

발포 알루미늄은 그 자체로는 충분한 기계적 성질을 가지고 있지는 않으나, 폭발 압력을 받았을 때 소재 자체가 압착되면서 충격량을 감소시켜서 내부의 인명 피해를 최소화할 수 있다. 발포 알루미늄 외에 최근 미국 노스캐롤라이나 주립 대학교(North Carolina State University)에서는 철계 합금 내부에 중공체를 분산시킴으로써 방탄 및 방폭 특성을 향상시킬 수 있음을 보인 바 있다.

■ 4차 산업혁명 관점에서 기술의 중요성

미래 전시환경은 무인기, 로봇, 인공지능 등 과거와는 전혀 다른 양상으로 전개될 가능성이 높다. 장갑 소재 역시 다양한 형태의 외부 공격으로부터 방어 성능을 확보해야 하는 과제를 안고 있다. 단순히 기계적 성질만 향상시킨 단일소재만으로는 더 이상 효과적으로 장갑성능을 발휘할 수 없다.

또한, 제조 기술에 있어서도 과거의 대량생산 방식에서 수요 맞춤형 주문생산 방식으로의 전환이 예고된다. 이러한 변화에 대응하여 장갑 소재의 개발에 최근 빠른 속도로 발전하고 있는 적층제조(additive manufacturing) 기술을 적용할 수 있는 가능성도 점차 증가하고 있다.

장갑 소재의 내부구조를 자유자재로 구현할 수 있다면 탄두와 폭발에 의한 충격을 효과적으로 흡수할 수 있으며, 서로 다른 특성을 갖는 소재를 조합함으로써 보다 향상된 장갑성능을 갖는 장갑재 개발이 가능하다. 소재 및 형상 자유도가 높은 적층제조 기술은 향후 장갑 소재의 제조기술의 핵심공정으로 활용될 가능성이 높으며 이를 위해서는 제조공정 기술뿐만 아니라 장갑성능 발현 해석을 위한 시뮬레이션 기술도 필요하다.

소재 물성의 해석 및 예측 분야는 과거 실험 기반에서 데이터 기반으로 빠르게 전환되고 있으며 인공지능 기술은 이러한 영역에서 더 큰 힘을 발휘하게 될 것이다. 또한, 이러한 인공지능 기술의 활용을 위해서는 소재 데이터의 확보가 무엇보다 중요하다.

산업의 특성상 장갑 소재의 물성에 관한 대량의 데이터를 수집하는 것은 불가능하므로 국가적인 차원에서 소재 데이터의 생성과 관리가 필요할 것으로 예상된다. 결국 4차 산업혁명의 핵심 분야인 적층제조 기술, 인공지능 기술, 데이터 기술은 향후 장갑 소재 개발에 있어서도 핵심적인 역할을 하게 될 것으로 전망되며 이에 대한 지속적인 연구개발이 필요할 것으로 예상된다.