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새로운 소재의 개발과 더불어 이의 특성을 평가하기 위한 방법들도 개발, 적용되어 왔다. 동일한 소재라도 사용 환경에 따라서 그 특성은 다르게 나타나기 때문에 사용 적정성의 평가는 반드시 수행되어야 한다. 특히 소재의 내구성이 한계에 달하는 극한환경에서의 사용을 목적으로 할 경우 더욱 그러하다. 이 분야의 연구는 전통적으로 미국, 일본, 독일 등을 중심으로 개발되어 왔으나 근래 국내에서도 산학연을 중심으로 활발한 연구개발 활동이 진행되고 있다.
재료가 가지고 있는 내재적인 특성 또는 합금에 의해 발현하는 이차적인 특성에 대해 정확한 정보를 얻고자 하는 노력은 아주 오래전부터 수행되어
왔다. 재료가 일반적 환경이 아닌 극한환경에 적용 되었을 때 지속적인 소재 고유의 특성을 유지할 수 있는지에 대한 개별 특성평가 등도 동 분야의 연구에서는 기반기술로써 매우 중요하다.
고온 환경에서의 사용을 목적으로 개발되는 복합소재의 경우 주로 항공우주, 방위산업 및 발전설비와 관련되어 있다. 선진국은 이 분야의 사용을 목적으로 개발되는 소재에 대한 비파괴시험을 적극적으로 수행하고 있다. 우리나라도 소재산업의 중요성이 부각되면서 소재의 효용성을 증명할 수 있는 특성평가 기술 개발은 개발 소재의 상용화를 위해 필수적으로 해결해야 할 부분이 되었다.
전통적으로 복합재료 등에서의 비파괴시험 등은 항공기 동체 등의 면허생산과 관련하여 사전에 주어진 장비 및 시편과 절차서에 따라서 검사를 수행하는 정도로 이 분야의 시험기술 확대 및 실제적 응용이 절실히 요구되어 왔다. 고온, 고압 또는 극저온 등 극한환경에서 사용되는 소재의 실제 응용 및 사용조건에서의 개별 특성평가 등이 관심의 초점이 되어 왔고, 특히 이 분야의 후보 소재인 탄소-탄소 복합재료는 고온에서 내열성이 요구되는 구조물 응용에 적합한 재료로 그 특성은 재료 내부의 밀도 또는 탄성계수와 같은 성질의 균질성에 의해 좌우되므로 이들 성질의 검사, 특히 비파괴적 검사 평가(NDE)가 필수적이라 할 수 있다.
그러나 초음파는 재료 내부의 결함이나 성질의 불균질성에 민감한 만큼 복합소재의 특성상 그 결과의 해석이 용이하지는 않다. 극한환경에서 사용되는 소재의 경우, 특성평가를 위한 환경조건의 구현 및 관련 장비의 구축이 현재는 미흡한 부분이 있고, 이러한 문제는 국·내외 대부분의 연구그룹에서 공통적으로 안고 있는 문제이다. 하지만 연구 성과가 미흡한 만큼 이 분야에 대한 부가가치 및 개발의지가 높아 연구 네트워크의 구성이 쉽고, 빠르게 진전될 수 있을 것으로 전망된다.
 국외 현황
미국 NASA의 경우 복합재료의 비파괴특성 평가 관련 주로 초음파를 사용해 평가하는데, 1982년 처음으로 발견된 leaky lamb wave(LLW)를 이용한 평가가 폭넓게 연구되어 왔다.
보잉(Boeing)사의 경우 품질보증을 위해 미세결함의 정밀 분석과 같은 고도의 비파괴시험 기술과 응용을 요구하고 있다. 여기서 비파괴시험은 항공기의 각 부품 즉 공정제어, 손상 분석과 결부된 하드웨어의 건전성을 보증하기 위해 수행된다.
일본의 대표적 재료연구소인 NIMS는 ‘A vision of materials science in the year 2020’에 재료 특성평가와 관련한 명확한 범위를 제시하고 있다.
현대의 일본 사회에서 재료의 예기치 못한 손상과 파괴는 많은 인명 또는 사회적 손실을 초래하였고, 과거 수 십년간 수행되어온 연구에도 불구하고 아직까지 규명되지 못한 재료 파괴의 수많은 메커니즘이 과제로 남아있다.
NIMS의 재료연구가 발전설비, 화학플랜트와 같은 고온, 고압 환경에서 사용되는 재료에 대해 재료별 데이터베이스, 재료시험 및 평가 방법, 손상기구, 파괴특성에 실제적인 결과를 제시하여 재료연구 분야에 기여하고 있다. 이 연구결과들은 시험방법에 있어서 국가표준에 반영되었고 재료의 신뢰성을 개선하는 지속적인 행위와 안전사회를 실현하는데 기여하고 있다. 이러한 면에서 NIMS는 기초적인 데이터의 구축과 신뢰성 평가 시스템을 개발하는 것 뿐만 아니라 신 재료의 개발 시 이를 평가하기 위한 새로운 재료평가 기술과 기존 평가법의 획기적인 진보를 보여주는 새로운 비파괴 평가방법의 개발을 진전시키는 것을 필수적인 것으로 명시하고 있다.
프랑스 ONERA의 경우 연구 특성상 재료 특성평가를 위한 기술적 분석과 지원이 설립 주요 목적에 명시될 정도로 중요한 임무이다. 항공 및 방위산업과 관련된 창조적이고 경쟁력있는 기술로 열화기구 평가를 위해 특정 원소의 luminescence의 분석과 분광학을 응용한 비파괴평가 기법의 개발이 지속적으로 추진되고 있다. 이를 위해서 ‘structural health monitoring’과 같은 프로그램을 통해 비파괴평가법의 기술지도도 수행하고 있다.
중국의 항공기 제조기술 연구소의 복합소재 비파괴평가 센터는 비접촉식에 의한 미세조직의 3D 영상구현에 관한 기술을 보고하고 있다. 이 방법으로 공간분해능 60μm, 수직분해능 80μm의 해상도를 얻을 수 있다. 즉 시험체내의 깊이방향에 있어서 마이크론 결함을 비파괴적으로 얻을 수 있었고, 내면의 기계적 특성의 손상원인들을 구분할 수 있었다.
소재의 궁극적인 물리적 특성을 평가하는 방법으로 초음파는 매우 효과적이다. 소재 물성변화에 기인한 탄성계수의 변화 등은 소재를 전파하는 초음파의 속도를 측정하는 방법으로 1/106의 감도로 측정하는 것이 가능하다.
이 방법에서는 저온환경과 고온 환경에서의 특성변화를 실시간적으로 측정할 수도 있는 장점이 있다.
국내 현황
국내의 연구개발 환경을 살펴보면 비파괴검사를 주 업무로 직접적 서비스를 제공하는 비파괴시험 업체와 비파괴시험이 요구되는 기업의 품질보증부 그리고 재료연구소와 같은 정부 출연연구소나 학교 등이 관련된 새로운 시험평가 기술의 연구와 개발에 앞장서 왔다.
포항산업과학연구원은 고온소재의 평가를 위해 누설자속을 측정해 표면 및 표면하 평가를 수행한 연구 사례가 있다. 이 방법은 감도면에서는 초음파법에 비해 단점이 있지만 적용의 용이성과 경제성 면에서 상대적 장점이 있다.
근래 산업체에서 비약적인 연구개발이 수행되고 있는데, 전통적으로 연구 분야가 취약했던 비파괴 관련 중소기업이 경쟁력 강화를 목적으로 연구비의 집중적인 투자, 국가 연구개발 사업의 적극적인 수주, 해외로의 기술 수출 등에 활발하게 참여하고 있다.
재료연구소는 복합재료의 평가와 관련하여 이미 ’89년부터 국가 연구사업을 수행해 왔고 응력해석 등과 관련하여 KAIST 등과 공동 연구를 통해 연구 인프라를 구축하고 있다. 주로 초음파를 이용한 내면의 3차원 영상화 기술과 감마선 등을 이용한 유리섬유 및 탄소섬유의 체적율 측정기술로 특허를 보유하고 있다.
소재 특성평가분야는 일반 제품의 제조기술과는 달리 적용시험을 통한 경험축적과 전문 인력의 양성 없이는 기술의 적용과 결과의 분석, 평가가 어려운 기술이다. 동일한 공정에 동일한 방법을 적용하여도 그것을 평가하는 전문가의 경험축적이 최고의 고려 요소가 되기 때문에 선진국으로부터의 기술도입이나 기타 다른 방법을 고려하는 것은 의미가 없다.
이에 따라 정부 주도의 개발이 지속돼야 한다.
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| 출처) 원순호 ‘고온 환경용 복합소재의 비파괴평가’ [기계와재료] 제21권 4호 |
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