1. 서 론
미국의 셰일가스 개발 및 석유자원과의 가격경쟁 우위를 발판 삼아 액화천연가스(Liquefied natural gas, LNG)의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 뿐만 아니라, 국제해사기구의 배출가스 규제로 인해, 황산화물과 질소산화물이 다량 포함되어 있는 중유계열의 연료를 청정에너지로 대체하기 위한 규제를 공표하였으며, 그 결과 (액화)천연가스가 가장 현실성 있는 대안으로 다시금 주목받고 있다. 그 결과, LNG를 연료로 추진되는 선박 및 저장탱크 개발과 관련된 신 시장이 형성되는가 하면, 전 세계적인 경기 불황에도 불구하고 LNG선의 발주 또한 증가하고 있는 추세이다(Kim et al., 2013). 국내에서 소비되는 LNG는 100% 수입에 의존하기 때문에 이를 안전하게 저장/운송하는 것이 무엇보다도 중요하다. LNG는 영하 163도의 극저온 환경에서 천연가스를 액화시켜 부피를 약 630배 줄인 것으로 특수 방열시스템을 탑재한 LNG운반선에 의해 운송된다. LNG운반선의 운항기간중 유체 충격하중에도 충분한 안전성을 확보하고 단열성을 충분히 확보하는 것이 LNG운반선의 기술 핵심으로 알려져 있으며 이로 인해 다양한 형태의 방열시스템을 탑재한 LNG선이 건조되고 있다. LNG선의 방열시스템은 크게 독립형 탱크와 멤브레인 탱크로 구분할 수 있으며, 멤브레인 타입 LNG선이 높은 용적성 및 경제성을 인정받아 널리 건조되고 있다. 멤브레인 타입 LNG선의 경우 단열시스템의 소재 및 구조형상에 따라 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 MARK-III와 NO96타입으로 나뉠 수 있다(Jang et al. 2013; Kim et al., 2014). 본 연구의 대상 구조물인 NO96타입의 경우 Figure 1에서 확인할 수 있듯이 1차 방벽 및 2차 방벽의 역할을 수행하는 소재는 36% 니켈강이다(Kim et al. 2008). 인바강(Invar steel)으로도 알려져 있는 36% 니켈강은 온도의 변화에도 소재의 수축 및 팽창이 거의 발생하지 않아, LNG의 선적 및 하역 시 발생하는 열 변형에도 쉽게 대응이 가능한 장점이 있다. 또한, NO96타입 LNG선의 방열시스템의 경우 플라이우드를 격자 형 박스 형태로 구성하여 내부에 펄라이트 혹은 그라스울을 충진시킨 것으로, 영하 163도의 극저온 온도를 유지시켜주는 역할을 수행한다(Chun et al. 2009). 뿐만 아니라 Fig. 1의 하부에 보이는 것과 같이 NO96타입 방열시스템의 측면부는 Divinycell이 적용된다. Divinycell은 닫힌 셀(Closed-cell) 구조를 가지고 있는 고강도, 저중량의 고분자 물질로 해양, 육상수송, 풍력발전, 도시공학 등 여러 분야에서 사용되고 있다(DIAB, 2016). 특히 주위 온도가 낮아지면 물질의 열전도도 역시 낮아지는 특성을 가지고 있어 단열재로도 각광받고 있다. NO96타입 LNG선에 적용되는 Divynycell의 경우 방열시스템 내에서 영하 163도의 LNG를 안전하게 운송할 수 있는 단열의 역할과 지지부재의 역할을 동시에 수행하고 있다. 과거 연구에 의해 NO96타입 LNG선에 적용되는 36% 니켈강, 플라이우드, 펄라이트, 그라스울에 관한 연구는 다수 보고 되었지만, 유독 단열 및 충격완화의 역할을 수행하는 Divynycell에 관한 연구는 거의 수행되지 않았으며, 더욱이 극저온 환경에서의 온도 및 변형률 속도에 의존한 기계적 특성에 관한 연구는 찾아볼 수 없다. 이러한 이유로 본 연구에서는 실제 NO96타입 LNG선에 적용되고 있는 Divynycell에 관한 특성 분석을 수행하기 위해 기계적 강도 및 단열성능에 관한 연구를 수행하고자 한다. 이의 첫 단계로 본 연구에서는 Divynycell의 상온 및 극저온환경에서 변형률 속도에 의존한 기계적 거동을 평가하였으며, 시험 결과를 정량적으로 제시하여 활용가능할 수 있도록 하였다.
2. 실 험
2.1 실험 재료 및 실험 장비
본 연구에서는 Divinycell의 온도 및 변형률속도에 의존한 압축시험을 수행하였다. 우선 우성단열(주)에서 제작되어 NO96타입 LNG선에 적용되는 Divinycell 구조 시험편을 이용하여 압축 시험편을 제작하였다. 압축시험을 수행하기 위해 제작된 모든 시험편은 한국산업규격(KSMISO 844)을 준수하여 50×50×25mm 크기로 제작되었다. 소재의 밀도는 직접 계측 하였으며, 압축시험편 중 5개를 임의로 선정하여 평균값으로 결정하였다. 그 결과 약 54.57kg/m3의 밀도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
시험 장비와 관련하여 본 연구에서는 재료가 극저온 환경에 노출될 수 있도록 Fig. 2(a)와 같이 극저온용 챔버를 만능재료시험기(KSU-5M)에 설치하여 압축시험을 수행하였다(Park et al. 2015). 극저온용 챔버는 내부에 세 개의 온도계가 장착되어있으며, 자동온도조절장치를 통해 요구되는 온도를 유지 할 수 있다. 극저온 상태 구현은 액체질소를 이용하였다.
또한, 압축시험 후 Divinycell의 미세구조를 관찰하기 위해 Field emission scanning electron microsope(FE-SEM, SUPRA 25)장비를 이용하였다(Fig. 2(b)).
2.2 실험 시나리오
본 연구에서는 Table 1에 나타낸 것과 같이 실험 재료의 정적 상태의 거동을 확인하기 위하여 실험온도 및 변형률 속도를 변수로 하여 시험을 수행하였으며, 반복성 검증을 위해 각 케이스 별로 Divinycell 시편을 5개씩 준비하였다. 특히, 극저온 시험의 경우 각 실험 시 해당 시편은 30분간 예냉하여 시편 내부의 온도가 주위 온도와 동일해지도록 하였으며 버니어 캘리퍼를 이용하여 실험 직후와 1시간 후의 높이를 각각 측정하여 재료의 탄성회복이 발생하는 정도를 확인하였다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 실험의 반복성 검증
본 연구에서는 실험의 반복성 검증을 위해 각 Case별로 5회의 실험을 수행하였으며, 5번의 테스트 중 평균에 근접한 3개 데이터의 평균값을 이용하여 각 시나리오의 대푯값으로 설정하였다. Fig. 3은 각 Case별 평균값에 근접한 3개의 결과를 나타낸 것으로, 대다수의 실험이 평균값에 근접하여 유사한 거동을 보이는 것을 알 수 있다. 다시 말해 상온-극저온 실험의 신뢰성을 확보하였다.
3.2 응력-변형률 거동
Fig. 4에 온도 및 변형률속도에 의존한 Divinycell의 응력-변형률 그래프를 정리하여 나타내었다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 선형탄성구간, 평탄부 구간, 그리고 고밀도화 구간을 확인할 수 있다. Closed-cell 구조를 가지는 고분자 물질이 압축하중을 받는 경우, 선형탄성구간은 셀의 벽이 굽힘 혹은 인장을 받게 되며, 이는 셀 내부에 갇힌 가스가 압축되는 과정이라고 할 수 있다. 또한, 평탄부 구간은 응력이 거의 증가하지 않으면서 소성 변형이 일어나는 구간으로, 셀의 붕괴와 파열이 일어나는 구간이며, 최종적으로 셀의 고밀도화 구간은 붕괴된 셀들이 서로 압축되면서 발생하는 구간이다(Tu et al., 2001). Divinycell의 선형탄성구간의 최대 변형률은 상온과 극저온 모두 크게 다르지 않았으나, 극저온의 경우 상온에 비해 약 1.2배 가량의 높은 압축강도를 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 극저온 시험의 경우 평탄부 구간이 상온에 비해 상대적으로 더 안정적으로 발생하는 동시에 고밀도화가 진행되는 시점 및 기울기가 더 급격히 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 변형률 속도에 따른 차이는 확인 할 수 없었다. Table 2에 압축강도의 평균값을 정량적으로 나타내었다.
3.3 복원률
Fig. 5는 압축 시험 전 시편과 압축 후 형상이 복원된 시편을 나타낸 것이다. 상온의 경우 압축 직후 시편의 높이는 평균 10.99cm로 측정 되었으나, 시간이 지남에 따라 평균적으로 14.09cm로 복원되는 것을 확인하였다. 또한, 극저온 환경에서 시험을 수행했던 Case 3과 4의 경우 평균적으로 10.78cm에서 16.41cm로 복원되는 것을 확인하여, 극저온에서 압축된 Divinycell이 상온에서 압축된 것에 비해 약 2배 가량의 복원률을 가짐을 알 수 있었다.
압축 속도에 따른 복원률의 경향을 분석해보면 극저온 실험에서는 압축 속도가 빠른 경우, 상온 실험에서는 압축 속도가 느린 경우에 복원률이 높은 것을 확인하였다. 이를 정리하여 Fig. 6과 같이 나타내었다.
3.4 폴리우레탄 폼과의 강도 및 파손특성 비교
본 연구에서는 Divinycell의 기계적 강도 및 극저온 파손특성을 저온용 단열재로 가장 널리 이용되고 있는 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam, PUF) 단열재와 비교 해 보았다. 일반적으로 폴리머 폼의 경우 밀도 변수에 의존하여 기계적 거동 및 열적 거동이 크게 변화한다고 알려져 있는 이유로, 본 연구에서는 시험을 수행했던 Divinycell과 유사한 밀도 범위에 있는 폴리우레탄 폼 시험 데이터를 추가적으로 확보하여 비교⋅분석하였다 (Seo et al., 2003; Thirumal et al., 2008). Table 3에 나타나 있는 것과 같이 단열재의 열적성능을 제외하고, 파손특성을 우선적으로 고려하였을 때 유사 밀도 범위에 있는 Divinycell의 압축강도가 폴리우레탄 폼 대비 약 2배 정도 높은 압축강도를 유지하였다. 다시 말해, 폴리우레탄 폼의 경우 Divinycell의 압축강도와 동일한 강도를 내기 위해서는 약 2배의 밀도를 가진 폴리우레탄 폼이 필요한 것으로 나타났다. 본 저자는 과거 연구를 통해 폴리우레탄 폼의 상온 및 극저온 환경 하 파손특성을 분석한 경험을 보유하고 있다. Figure 7은 상온 및 극저온 환경에서의 폴리우레탄 폼(Park et al., 2014)과 Divinycell의 파손특성을 비교한 사진이다. 그림에서 볼 수 있듯이 폴리우레탄 폼은 극저온 환경에서 복원율을 측정할 수 없을 정도의 심각한 파손이 발생하는 것을 확인하였으나, Divinycell의 경우 극저온 환경에서도 우수한 기계적 강도를 보임과 동시에 초기 압축시험편의 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
3.5 미시적 구조 분석
Fig. 8은 온도 및 변형률 속도에 따른 압축시험 전 후로 나누어 Divinycell의 미세구조를 관찰 한 결과이다. 상온 압축 실험의 경우 (b)와 (c)에 나타난 것과 같이 셀이 압축되어 찌그러져 셀의 표면에 주름이 생긴 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 일부 셀에서 압축이 진행됨에 따라 기체가 빠져나가기 위하여 셀의 벽에 구멍이 난 것을 관찰하였다. 반면, 극저온에서 실험한 경우를 살펴보면 셀이 파괴되어 더 이상 셀 구조를 이루지 못한 것으로 보인다. 이는 상온과 달리 압축이 진행됨에 따라 셀의 벽에 생긴 구멍이 취성 파괴되어 찢어지는 현상이 발생하였기 때문이다.
Fig. 8의 (b)는 (c)에 비해 셀의 벽이 압축에 의해 찌그러진 모습이 많이 관측되는 것을 알 수 있다. 이로 인해 상대적으로 셀 표면의 주름이 적은 (c)가 (b)에 비해 더 높은 복원률을 가진 것으로 보인다. 반면, 극저온에서의 압축 속도에 따른 압축된 셀 구조의 차이점은 확인하기 어려웠다. 이러한 현상 때문에 극저온상 압축 속도에 따른 복원률의 차이가 상온에 비해 적은 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 Divinycell의 온도 및 변형률속도에 의존한 기계적 거동 및 온도의존 파손특성에 대해 분석하였으며 정량적으로 데이터를 제시하였다. 또한, 이러한 데이터를 기 연구된 폴리우레탄 폼과 비교하여 Divinycell의 우수성을 검증하였다. 아래에 본 연구에서 수행된 내용을 간략히 정리하였다.
(1) Divinycell은 폴리우레탄 폼과 마찬가지로 상온보다 영하 163도의 극저온환경에서 압축 강도가 크게 상승하는 특성을 가진 것을 확인 할 수 있었다. 밀도가 비슷한 범위에서 Divinycell의 강도는 폴리우레탄 폼 대비 약 2배 정도 높게 나타났다. Divinycell과 폴리우레탄 폼 모두 Closed-cell 구조를 가지는 고분자 물질이므로 cell 구조로 인한 압축 강도의 차이는 크지 않을 것으로 보인다. 따라서 각 재료의 합성에 사용된 원료 간 결합 강도의 차이에 의하여 압축 강도의 차이가 나타나는 것으로 사료된다.
(2) 과거 폴리우레탄 폼의 극저온 시험의 경우(Park et al., 2014), 시험 후 균열 일어나 시편이 쪼개어지거나 가루가 되어 부서지는 현상을 발견할 수 있는 반면, Divinycell의 경우 복원률을 계측할 수 있을 정도로 온전한 시험편 형상이 보존되는 것을 확인할 수 있었다.
(3) Divinycell의 압축 복원률은 약 10-20% 내외로, 기 연구된 폴리우레탄폼(Park et al., 2014)의 압축 복원률이 약 20-30%인 것에 비하면 다소 낮은 편이다. 그러나 연구된 폴리우레탄 폼의 경우 그 밀도가 110kg/m3로 본 연구에 사용된 Divinycell의 약 2배이므로 밀도차로 인해 압축 복원률의 차이가 크게 나타난 것으로 사료된다.
(4) FE-SEM 장비를 이용한 미세구조 관찰 결과, 상온 압축 실험을 실시한 시편에서는 셀에 갇혀있던 기체가 빠져나간 구멍을 확인할 수 있었다. 또한, 압축 속도가 빠를수록 셀의 찌그러짐이 지배적으로 발생하여, 압축 복원률이 저하됨을 알 수 있었다. 반면, 극저온 압축 실험을 실시한 시편은 셀이 취성 파괴되어 더 이상 정상적인 Divinycell의 셀 구조를 이루지 못하는 것을 확인하였으며, 압축 속도에 의한 차이점은 발견할 수 없었다.
본 연구를 통하여 Divinycell의 밀도 대비 기계적 강도가 폴리우레탄 폼에 비하여 우수함을 검증하였다. 그러나 LNG 단열 시스템의 주요한 재료로 사용되기 위해서는 우수한 기계적 강도뿐만 아니라 단열 성능에 대한 연구 역시 이루어져야한다고 판단되며, 추후 연구를 통해 Divinycell의 극저온 열적성능 및 기존 폴리우레탄 폼을 비롯한 활용 가능한 단열재와의 비교⋅분석을 수행하여 LNG 저장탱크의 주 단열재로의 적용성을 검토 할 계획이다.
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