국내 초고속·내충격 소재 평가기술, 국산화 연구 必

내충격 소재 평가기술, 중요성 인식 개선 요구

극한하중 환경 소재 평가 인프라·인증 시스템 구축 必

■초고속·내충격 소재기술

2. 극한하중 환경에서의 소재 평가 기술 개발 동향

2.3 국내외 선도기관

앞서 언급한 바와 같이 해외 선진 기술 국가에서는 극한하중 환경에서의 소재 평가와 관련해 활발한 연구 및 기술 개발이 이루어지고 있는 반면, 국내 인프라는 매우 열악하고 극한하중 환경에서의 소재 평가 기술에 대한 인지도 또한 매우 낮다.

국민의 안전과 국가 주도 첨단 산업 및 연구와 밀접한 관련이 있는 평가 기술인 만큼 향후 국내 평가 기술의 발전과 기술 국산화를 위한 연구가 필요하다고 판단된다.

극한하중 환경에서 사용되는 소재 평가 기술 분야의 국내외 선도 연구기관 및 주요 연구내용은 <표 1>, <표 2>와 같다.

▲ <표 1>고속물성 및 극한하중 환경 하 소재 평가 기술 - 국내 선도연구기관

▲ <표 2>극한하중 환경 하 소재부품 평가 기술 - 해외 선도연구기관

3. 산업 동향

최근 자동차 제조사들은 신차 공개 시 첨단 신기술과 더불어 경량화 기술을 내세워 소비자들에게 어필하고 있다. 이를 위해 다양한 소재가 적용되고 있는데 전통적인 강판에서부터 알루미늄 합금 및 마그네슘과 같은 경량소재, 탄소섬유복합재, 고장력강판 등에 이르기까지 차체에 사용되는 소재는 매우 다양해지고 있다.

하지만 이들 소재가 실제 자동차에 적용되기까지는 충돌 안전성을 만족하기 위한 설계, 시뮬레이션, 충돌 테스트와 이를 위한 동적물성평가가 필수적으로 수반돼야 한다. 이에 자동차 제조사는 소재 선정과 적용을 위해 소재 제조사에 다양한 물성 데이터를 요구하고 있는데, 최근에는 동적물성데이터를 필수로 요구하는 추세이다.

차체 설계를 위한 소재의 동적물성은 주로 변형률 속도 102 s-1 영역까지 수행되나 일본의 닛산(Nissan)에서는 103 s-1의 변형률 속도에서의 소재 물성도 제조사에게 요구하고 있다.

전기차 시대에는 이러한 요구가 더욱 커질 전망이다. 차체 경량화는 전기차의 주행거리와 직결되는 문제이며, 전기차의 충돌 시 발생할 수 있는 배터리 안전성 문제 또한 소재의 정확한 평가를 바탕으로 한다.

전기차뿐 아니라 수소를 연료로 하는 운송수단에서도 사고 발생 시 수소 저장용기의 안전성에 관한 평가가 필요하다. 수소 저장용기는 사고 시 안전성이 확보되지 않으면 대형 사고로 발전할 여지가 있으므로 이러한 평가에는 반드시 충돌, 충격 하중에 의한 소재 거동과 부품의 충돌 안전성 평가가 필수로 요구된다.

항공우주산업에서도 극한하중 환경에서의 소재 평가 기술은 매우 중요하다. 도심항공교통(UAM, Urban Air Mobility)이나 항공기 개발에 있어서도 경량화 및 안전성 평가는 필수적이다. UAM은 전기나 수소연료 등을 사용할 뿐만 아니라 공중에서 이동하기 때문에 사고 발생 시 안전성이 확보되지 않으면 대형 인명사고로 이어질 가능성이 자동차보다 현저히 높다.

▲ <그림 1>실물 크기의 발사체 충돌시험

이같이 차세대 에너지원을 사용하는 다양한 운송수단에서는 경량화와 안전을 위한 다양한 소재의 고속물성, 충돌 안전성 평가의 중요성이 더욱 커질 것이며 이러한 산업의 요구에 대응하지 못한다면 업체들은 미래 시장에서 경쟁력을 잃고 도태될 수밖에 없을 것이다.

원자력발전은 무엇보다 안전이 최우선돼야 하는 시설이다. 원자력발전소에서 발생할 수 있는 위험 요소 중 가장 큰 것은 발전소의 폭발이나 외부 재해에 대한 취약한 방호 능력이다. 실제 외국의 사례를 보면 실물에 대한 방호 능력 평가를 수행해 이에 대한 데이터를 확보하고 있다는 점에서 우리나라보다 연구와 기술 수준이 크게 앞서있다는 것을 알 수 있다.

▲ <그림 2>원자력 발전소 콘크리트 구조물의 항공기 충돌 안전성 평가

원자력 발전과 같은 국가기간산업의 국제 경쟁력은 이러한 안전성 평가가 매우 중요하며 후발주자들에게 우위를 점할 수 있는 분야도 바로 안전과 관련된 분야이다. 시설뿐 아니라 사용 후 핵연료 운반 시설도 마찬가지로 운송 및 저장 중 발생할 수 있는 다양한 사고 유형에서 최우선적으로 고려해야 할 부분이 바로 충돌, 충격, 지진과 같은 극한하중 환경 발생 시 안전성의 보장이다.

이처럼 충격에 대한 소재의 평가 기술은 산업의 발전과 더불어 기술 선진국으로 한 단계 더 나아가기 위해 필수적인 기술이다. 공공기관과 민간기업의 협력으로 지속적인 인프라 구축과 평가의 중요성에 관한 인식 개선을 통해 향후 미래 산업의 발전에 선도적이고 적극적인 대응이 필요할 것으로 판단된다.

4. 미래의 연구방향 및 정책 제언

4.1 미래의 연구방향

현재 당면하고 있는 신 기후체제와 글로벌 에너지 패러다임의 전환 속에서 이동수단의 에너지원 변화는 더욱 가속화될 전망이다. 급격하게 변화하는 시장과 그 안에서의 새로운 주도권 싸움에서 업체들은 경량화와 안전성 달성을 위한 소재의 중요성에 대해서 한목소리를 내고 있다.

이동수단뿐 아니라 국가기간산업, 국방, 항공우주 산업 등 국가 주도적인 첨단 기술 산업에서도 극한의 환경에서 사용할 수 있는 소재의 중요성은 더욱 커질 전망이다. 이러한 새로운 소재의 개발과 적용에는 반드시 평가가 수반된다. 그러므로 미래에는 누구나 쉽게 할 수 있는 소재 평가 기술이 아닌 고난도지만 필수적으로 수행돼야 하는 평가 기술을 선도 및 수행 가능 여부가 미래 기술 발전에 있어서 핵심이 될 것으로 보인다.

극한하중 환경에서 소재를 평가하는 기술은 우선 환경 모사가 매우 어려우며 위험성이 높아 측정이 어렵다. 미래에는 이러한 난제들을 해결하는 기술의 발전 방향으로 연구가 진행될 것이다.

예를 들어 과거 변형률 측정의 어려움은 고속 카메라의 기술 발전을 통해 어느 정도 해결이 됐으나, 하중 측정의 어려움은 여전한 난제이다. 하중 신호에서 효과적으로 노이즈(noise)를 제거하는 기술, 획득한 하중 신호를 후처리하는 기술 등이 필요하다. 그리고 평가 장비의 대형화 또는 정반대로 소형화의 요구도 있다. 마지막으로 폭발을 모사하는 장비와 낙하 시험장비 등 안전사고 발생의 위험성이 큰 장비에 대한 안전시설도 중요한 요구사항 중 하나이다.

4.2 정책 제언

충격, 폭발과 같은 환경의 모사 평가 장비는 기본적으로 대형이며 특수 안전시설이 요구되므로 인프라 구축에 막대한 비용이 들어간다. 또한, 평가에 상당히 높은 비용이 발생하지만, 평가 횟수가 일반적인 소재 평가 시험에 비해 상대적으로 매우 적은 데다 평가를 위한 전문성을 갖춘 인력까지 필요하기 때문에 기업에서 극한하중 환경 소재의 평가 인프라를 구축하는 데에 어려움이 있다.

선진국에서는 극한하중 환경 소재 평가 데이터를 소재나 제품의 해외 시장 진출 시 필수적으로 요구하는 추세가 강해지고 있다. 하지만 국내에는 이러한 요구에 대응할 수 있는 인프라가 부족하기 때문에 해외 시장 진출에 어려움이 많으며, 외국 평가 기관에 막대한 비용을 지불하면서 평가를 의뢰하는 경우도 발생하고 있다.

따라서 극한하중 환경 소재 평가 인프라는 국가 주도로 이루어져야 하며 인증 시스템까지 구축할 필요가 있다. 이미 미국과 일본, 독일 같은 기술 선진국들은 극한하중 환경 하 소재 평가의 중요성을 오래전부터 인지하고 있으며 이에 대한 평가 기술 발전을 위한 연구를 다양하게 진행하고 있다.

이제 우리나라도 소재 개발에서 평가의 중요성을 인지하고 고부가가치 평가 기술에 대한 적극적인 지원을 시행해야 할 시점이라 판단된다.