초고속·내충격 소재 특성 평가, 변형률 속도 고려 必

서보 유압시스템·드롭 웨이트 타워, 변형률 속도 장비

방산·국방 소재, 개발 평가 기술 국산화 必

■초고속·내충격 소재기술

1. 기술의 개요

1.2 기술의 원리

자동차 충돌 수준의 변형률 속도 범위인 변형률 속도 102s-1 범위에서 가장 일반적으로 사용되는 시험장비는 서보 유압 시스템(servo-hydraulic system) 장비와 드롭 웨이트 타워(drop weight tower) 장비가 있다.

▲ <그림 1> 서보 유압 시스템 장비(Instron VHS 모델)

이 중 서보 유압 시스템을 이용한 고속인장시험의 경우에는 국제 규격으로 ISO 26203-2:2011(Metallic materials - Tensile testing at high strain rates - Part 2: Servo-hydraulic and other test systems)이 있다. 이 국제 규격은 금속 재료 시험에 대한 요구사항을 제공하며 평면(flat) 형태의 시편에 대한 예제만을 제공한다. 적용 변형률 속도 영역은 10-2s-1에서 103s-1 사이이다.

변형률 속도가 증가할수록 하중 떨림 현상이 발생해 하중 신호에 노이즈가 많이 발생하기 때문에 하중 떨림 현상을 줄이기 위한 기술 및 측정된 하중 신호를 필터링하는 분석 방법이 요구된다. ISO 규격에서는 일정 변형률 속도(50s-1) 이상에서는 시편에 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용한 국부적인 힘 변환기(force transducer) 사용을 권장하고 있다.

<그림 2>에서 변형률 속도 70s-1에서 시험기의 로드셀(load cell) 사용과 국부적인 힘변환기 사용의 하중 측정 결과를 비교할 수 있다.

▲ <그림 2> 변형률 속도 70s-1(test speed 5m/s)에서 시험기의 로드셀(load cell) 사용과 국부적 힘변환기 사용의 하중 측정 결과

또한, 목표로 한 변형률 속도에서 시편을 인장하기 위한 특별한 그립 시스템(grip system)이 요구된다. 이 특별한 그립 시스템은 시편의 한쪽 끝은 고정되어 있고 다른 쪽은 자유로우며 시험기의 액추에이터(actuator)가 목표 속도에 도달했을 때 시편을 그립할 수 있도록 특별히 설계돼 있다. ISO 규격에서는 두 종류의 그립 시스템(녹아웃 웨지 시스템(knock-out wedge system) 또는 슬랙 어댑터 시스템(slack adaptor system)) 사용을 규정하고 있다.

일반적인 연신율계나 스트레인 게이지는 시편의 고속 변형률을 측정하는데 사용할 수 없어 초창기 고속인장시험에서는 변형률을 측정하기 위한 기술로 LVDT(Longitudinal Velocity Differential Transformer)를 이용하여 액츄에이터의 변위를 측정하는 방법을 사용했다.

이 방법은 정확한 시편의 변형을 측정할 수 없어 해석과의 연계를 통한 보정이 필요했으나, 최근에는 고속카메라의 기술 발전으로 인해 동적 변형을 정확하게 측정할 수 있어 고속카메라를 이용한 디지털 이미지 상관(DIC, digital image correlation) 기법을 사용해 변형률을 측정하고 있다.

▲ <그림 3> 고속카메라를 이용한 시편의 변형률 측정

‘Drop weight tower’ 장비는 부품 단위의 구조물에 대한 충돌시험으로 고속인장시험에서 구한 물성 데이터의 정확도를 검증하는 데 주로 사용된다. 고속인장시험으로 구한 물성 데이터를 바탕으로 부품 단위의 충돌 해석을 수행하고, 이를 실제 drop weight tower 장비를 통해 얻은 결과와 비교해 해석의 정확성과 물성의 정확성을 검증한다.

▲ <그림 4> 충돌시험과 해석결과의 비교

Drop weight tower 장비를 이용한 시험에는 현재 국제 규격이 없으며 다양한 형태의 장비가 존재한다.

▲ <그림 5>Drop weight tower 장비

▲ <그림 6>수평식 고속충돌시험기(한국재료연구원 구축)

변형률 속도 103s-1 이상의 영역에서 소재를 평가하는 장비는 홉킨슨 바(Hopkinson bar) 장비가 가장 많이 사용되고 있다. 스플릿 홉킨스 바(Split Hopkinson bar, SHB)로도 불리는 Hopkinson bar 장비는 버트럼 홉킨슨(Bertram Hopkinson)이 최초로 개발한 장비로 싱글바(single bar) 타입으로 제작됐으며, 허버트 콜스키(Herbert Kolsky)에 의해 세컨드바(second bar)가 추가돼 현재 스플릿 홉킨슨 프레셔 바(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB) 또는 콜스키바(Kolsky bar)로 불리기도 한다.

Hopkinson bar 장비에는 압축뿐 아니라 인장, 비틀림 하중을 부과할 수 있는 다양한 형태가 있다. 고속인장시험과 마찬가지로 ISO 26203-1:2018(Metallic materials - Tensile testing at high strain rates - Part 1: Elastic-bar-type systems)과 같은 국제 시험 규격이 있으며, flat 타입의 인장형 시편 시험에 대해서만 시험 규격이 있다.

Hopkinson bar 시험의 기본 원리는 두 개의 막대, 인시던트바(incident bar)와 트랜스미터바(transmitter bar) 사이에 시편을 배치하고 스트라이커(striker)로 incident bar에 충격을 가해 시편을 향해 전파되는 음파(acoustic wave)로 소재 물성을 평가한다.

Incident bar와 시편 사이의 경계면에서 acoustic wave는 일부 시편으로 전달되고 일부는 Incident bar로 반사된다. 시편을 통과한 acoustic wave는 transmitter bar의 경계에서 다시 부분적으로 전송 및 반사가 이루어진다.

최종적으로 통과된 탄성파(elastic wave)는 transmitter bar로 이동한다. 최종적인 응력-변형률 관계의 유도는 incident bar와 transmitter bar에서 각각 측정된 strain gauge 신호를 사용한다. 응력-변형률 관계 유도 수식은 여기서는 생략한다.

Hopkinson bar 시험은 장비가 간단하고 시험이 편리해 고속 변형 거동 물성 평가에 가장 많이 사용되는 장비이다. 최근에는 시편의 변형 거동을 고속인장시험과 마찬가지로 고속카메라를 사용하여 DIC 기법을 사용하여 측정하고 있다.

▲ <그림 7>고속카메라를 이용한 SHPB 시험 변형률 측정

마지막으로 충격파(shock wave)에 의한 하중을 통해 발생하는 초고 변형률속도(extremely high strain rate) 영역에서의 평가 기술을 소개하고자 한다. 폭발이나 초고속 발사체의 충돌로 인해 충격 하중이 발생하면 소재가 겪는 변형률 속도는 104s-1에서 106s-1까지 올라가게 된다. 이러한 극한의 동적 조건에 대한 구조물의 거동을 시뮬레이션하려면 변형률 속도 측면에서 폭발과 같은 하중 발생 프로세스를 재현할 수 있는 시험 시설이 필요하다.

제프리 잉그램 테일러(G. I. Taylor)는 이와 같은 충격 하중 하에서 금속 재료의 소성 거동을 평가하기 원통형 시편을 이용한 평가 기술을 개발하였다. 가스건 시험(gas gun test)이라고도 불리는 이 시험은 초기 길이가 L0인 원통형 시편을 발사속도 vp로 강체 벽에 충돌시켜 시편의 변형된 길이 L1을 측정하는 형태로 수행된다.

▲ <그림 8>테일러 시험(Taylor test) 시편의 시험 및 측정

가스건 시험은 시험기의 구조와 발사 방식의 형태에 따라 시편의 발사속도를 수백 m/s에서 수 km/s까지 증가시켜 비행체의 충돌 모사나 탄환, 미사일 발사 더 나아가 우주 쓰레기에 의한 충돌까지 모사할 수 있다.

▲ <그림 9>가스건(gas gun) 시험기 모식도

▲ <그림 10>가스건 시험(gas gun test)을 이용한 충돌시험 결과

1.3 극한환경 소재기술 관점에서 기술의 중요성

앞서 살펴본 극한하중 환경에서의 소재 평가 기술은 최첨단 고부가가치 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 전통적인 기술 선진국인 미국과 일본, 유럽 등에서는 미사일 발사체, 탄두, 방탄·방호 소재 등의 첨단 무기 체계 개발에 극한하중 환경에서의 소재 평가 기술을 사용 중이며, 기술 발전을 선도해 나가고 있다.

방산·국방 소재 개발은 각 나라마다 극비리에 진행하는 연구 개발이며 기술의 유출을 극도로 꺼리는 분야이다. 따라서 이러한 소재 개발에 대한 평가 기술의 국산화는 절대적으로 중요하다고 할 수 있다.

또한, 평가 기술은 항공우주 개발에 있어서도 필수적으로 수행되어야 하는 것으로 우리나라는 최근 우주 개발을 위한 연구 개발에 총력을 기울이고 있으며 나로호의 발사 성공과 누리호의 추가 발사 시험도 진행 중에 있어 기술 구축의 중요성과 시급성이 더욱 커지고 있다.

앞서 설명한 바와 같이 우주 환경에서 발사체의 안전과 충돌로 인한 피해를 최소화하기 위해서도 우주 개발에 사용되는 소재에 대한 극한하중 환경 평가가 필수라고 할 수 있다. 극한하중 환경에서의 소재 평가 기술은 일반 국민들의 안전과도 직결되는 기술이다. 자동차의 차체 충돌 안전성 평가와 국가 기반시설의 안전성 평가, 재난 재해로 발생할 수 있는 안전사고를 방지할 수 있는 소재 개발 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다.

하지만 이러한 평가 기술은 국내에서는 상대적으로 낯설고 생소한 분야이며 전문적으로 평가를 수행하는 기관 또한 거의 없는 실정이다. 국내에서 극한하중 환경에서의 소재 평가 기술 개발이 활발히 진행되지 않는다면 기껏 소재를 개발해 놓고도 평가 기술이나 역량이 부족해 해외 평가 기관에 평가를 의뢰하여 고가의 평가 수수료를 지불해야 하는 상황이 발생할 수 있으며 개발한 극한환경 소재의 기술이 유출될 우려도 있다. 이처럼 극한하중 환경에서의 소재 평가 기술은 소재의 개발 못지않게 중요한 기술이라 할 수 있다.

2. 극한하중 환경에서의 소재 평가 기술 개발 동향

2.1 차체 구조용 소재의 고속물성 평가

1) 국내 동향

국내에서는 포스코(POSCO) 및 현대제철 등 자동차용 강판을 생산하는 업체에서 국내외 자동차 생산업체에 강판을 납품하기 위해 고속인장물성 평가를 위한 자체 인프라를 갖추어 물성 평가 및 데이터 제공을 하고 있다.

특히 POSCO의 경우, 최근 기가스틸(초고강도 경량강판, Giga Steel)을 개발하고 각종 매체를 통해 홍보 중이며 매년 오토모티브 스틸 데이터북(Automotive Steel Data Book)을 발간, 배포하고 있다. 한국과학기술원(KAIST)에서는 국가참조표준센터로 지정된 고속물성데이터센터 를 운영하며 자동차 구조용 소재에 대한 고속물성 데이터를 생성, 보급하고 있다.

자동차 부품 업체들은 차체 부재 경량화와 성능의 고강도화를 달성하기 위해 경량 금속 소재 및 탄소복합섬유 소재를 이용하여 하이브리드 부품 제작을 시도하고 있으며, 개발된 부재의 시험 평가를 위한 충돌시험을 수행 중이다.

▲ <그림 11>차체 경량화를 위한 고장력강 홍보(자료: POSCO)

2) 해외 동향

가. 독일

독일의 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소에서는 고강도강의 성형성과 차체 적용 시 안전성 평가를 위해 유압식 고속시험기(high speed testing machine)를 이용하여 다양한 변형률 속도에서의 소재 파단 시험을 수행했다. 그리고 이를 해석에 적용하여 자동차 충돌 시 소재 및 부재의 파단을 예측하는 연구를 수행했다.

나. 일본

일본의 코벨코(KOBELCO, 고베제강) 연구소는 자체적으로 유압식 고속인장시험기를 개발하여 소재의 고속인장 거동의 시험 및 해석을 수행하고, 다양한 재료의 변형률 속도에 따른 인장 강도, 안전성 평가 및 고속 변형 시의 시뮬레이션 물성 데이터로 활용하고 있다. 또한, 최고 낙하 높이 16.5m의 Drop weight tower 장비를 갖추고 차체 부재의 충돌 흡수능 평가를 수행하고 있다.

2.2 국방 및 국가 기반시설 안전성 평가 기술

1) 국내 동향

서울대학교 건설환경종합연구소에서는 인적·자연적 요인에 의해 발생할 수 있는 충격, 충돌, 극저온 등 극한하중 및 극한환경을 모사하여 재료 및 부재의 거동 및 성능을 평가할 수 있는 극한성능실험센터(EPTC) 를 ’18년에 개소하여 운영 중이다. 원자력발전소 격납 건물에 대한 항공기 충돌 모사실험을 위한 가스건(gas gun) 설비, 극한온도실험시설 등의 시험장비를 보유하고 있다.

▲ <그림 12>극한성능실험센터 주요 시험장비 소개(자료: 서울대학교 극한성능실험센터)

2) 해외 동향

가. 미국

샌디아국립연구소(Sandia National Laboratories, SNL)에서는 185피트(ft) 약 56.4미터 드롭타워(drop tower)를 이용하여 사용 후 핵연료 운반용 컨테이너의 드롭테스트(drop test)를 수행하고, 실제 컨테이너가 극한하중을 겪었을 때 발생하는 문제점과 파손 부위를 관찰하여 안전성 평가를 수행 중이다. 그리고 레일(rail)을 이용한 발사 시험장비를 통해 발사체 실물의 충격시험(impact test)을 수행하고 개발한 무기체계의 성능시험을 하고 있다. 참고로 1988년도에 실제 F4 전투기를 원자력 발전소 콘크리트 구조물에 충돌시켜 원자력 발전소 구조물의 안전성을 평가한 시험이 매우 유명하다.

▲ <그림 13> drop weight tower 시설을 이용한 사용 후 핵연료 컨테이너 안전성 평가(자료: 미국 샌디아국립연구소(SNL))

미국표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)는 911 테러 때 비행기 충돌로 무너진 건물의 사고분석과 향후 재발 방지 대책 마련을 위해 펄스히티드 콜스키바(pulse-heated Kolsky bar) 시험기를 활용하여 비행기 충돌 시 발생한 폭발로 인해 건물 부재가 받은 충격 하중과 순간적으로 상승한 온도 환경을 모사하여 소재 시험을 수행했다. 다양한 시험 평가를 통해 극한환경에서 구조물의 안전성 평가를 수행하기 위한 평가 절차를 수립하고 사고분석 보고서를 작성했다.

▲ <그림 14>short/long 급속 가열 테스트 수행 중 및 SHPB 충격시험 직후 공기 중에서 급속 퀜칭 후의 AISI 1045강의 미세 구조 상태 개략도