Fig. 1은 MARK-III의 2차 방벽인 Triplex의 모식도를 나타낸다. Triplex는 FSB와 RSB의 복합재료로 이루어져 있으며 각 복합재료는 Fig. 2와 같이 구성되어 있다. FSB는 E-유리섬유와 알루미늄 호일로 이루어진 복합재료로서 고무로 결합되어 있어 유연함의 특징을 가진다. RSB도 FSB와 마찬가지로 E-유리섬유와 알루미늄 호일로 이루어진 복합재료이다. 하지만, 레진(resin)으로 결합되어 있어 FSB와 달리 견고함의 특징을 가진다. 2차 방벽에 사용되는 E-유리섬유는 강도, 절연, 부식에 강한 특성을 지니며 Triplex는 이를 이용해 기계적 성능을 개선시킨다고 보고된다 (Han et al., 2009). FSB와 RSB 사이의 접착제(bonding)로는 PU(Polyurethane) Glue를 사용하며 이는 극저온에서 접착성능이 우수하다고 보고된다 (Nam et al. 2014).

Fig. 1 
Schematic of triplex composed of FSB & RSB

Fig. 2 
Schematic diagram of FSB & RSB materials

본 연구에서는 섬유방향, 실험온도, 2차 방벽 재료를 변수로 선정하였으며 ISO 1421의 스트립 시험 규격에 따라 인장시험을 수행하였다. 섬유방향의 경우는 이방성재료임을 고려하여 2차 방벽의 실제 기계방향(machine direction)을 X방향, 기계횡방향을 Y방향으로 설정하였다. 온도의 경우는 MARK-III LNG CCS의 열 구조해석의 적층 구간 별 온도를 기반으로 (Choi et al. 2012) 실험온도를 설정하였으며 각 온도 별 시편은 열적 평형 상태를 고려하여 액체질소(LN2)로 채워진 극저온 단열 챔버 안에 1시간 동안의 예비냉각을 실시하였다. 2차 방벽 재료로는 FSB와 RSB를 사용하였으며 섬유방향을 고려하여 수직 및 수평 방향으로 구분하였고 각 설정온도마다 5 mm/min의 속도로 인장시험을 수행하였다. 열팽창 계수 측정은 ASTM C 479 시험규격에 따라 수행하였다.

실험의 신뢰성 확보를 위해 각 시나리오 별 5회의 반복실험을 수행하였으며, 최대 최솟값을 제외한 3개의 데이터의 평균값을 이용하여 결과값을 나타내었다. Table 1은 인장시험을 수행하기 위한 시험 시나리오를 나타내었고 Table 2는 열팽창 계수를 측정하기 위한 시험 시나리오를 나타내었다.

본 연구에서는 2차 방벽의 온도 별 인장시험을 수행하기 위해 일정한 속도로 움직이는 크로스헤드를 장착한 만능재료시험기(KSU-5M, KYONG SONG)을 이용하였다. 만능재료시험기는 –200~50℃까지 단열이 되는 특수 제작된 극저온용 챔버가 장착되어 있으며 온도구현을 위해 챔버 내부에 액체질소를 주입하였고, 자동 온도조절 장치를 통해 설정 온도를 유지하였다.

시험 간의 정확한 변위를 측정하기 위해 극저온용 신율계(3542-050-100-LT, Epsilon)를 시험 편 중앙부에 장착하여 인장시험을 수행하였다. 또한 열팽창 계수 측정을 수행하기 위해 수직형 열팽창계수 측정 장비(TMA 402 F1, NETZSCH)을 이용하였다. Fig. 3-(a)은 본 연구에서 이용된 인장시험기의 모습을 나타내었으며 Fig. 3-(b)는 열팽창계수 측정기의 모습을 나타내었다.

Fig. 3 
Schematic diagram of test apparatus

본 연구에서는 2차 방벽의 온도 별 기계적 거동을 살펴보기 위하여 응력-변형도 선도를 나타내었다. 응력의 경우는 인장시험에서의 하중을 2차 방벽의 면적 37.5 ㎟로 나누어 나타내었다. 변형률의 경우, 극저온용 신율계를 통해 얻은 변위를 표점거리 50 ㎜로 나누어 나타내었다. 실제 기계 방향의 FSB와 RSB의 파단이후를 포함한 응력-변형도 선도 전체를 Fig. 4(a)-(b)에 나타내었으며 각 곡선은 Toe region, 탄성영역, 소성영역으로 나눌 수 있다 (Ristaniemi et al., 2018). Toe region은 권축(crimp)되어 있는 유리섬유가 인장력을 받아 펴지는 영역을 말하며 주로 비선형 기울기를 나타낸다. 탄성영역은 인장력이 선형적으로 증가하는 영역을 말하며 선형적 기울기를 탄성계수라고 말한다. 일반적으로 탄성영역은 외력이 사라지면 다시 본래의 길이로 돌아가는 상태를 말한다. 소성영역은 재료의 전체적인 영구변형이 시작되는 영역을 말하며 이후 파단이 일어난다. 온도 별 인장시험을 통해 얻은 기계적 물성은 아래의 Table 3에 나타내었다.

Fig. 4 
Stress-strain curves of machine direction

본 연구는 5 mm/min의 일정한 속도로 준정적 인장 시험을 수행하였고 FSB와 RSB의 온도 및 방향 별 응력-변형도 선도를 나타내었으며, Fig. 5(a)-(b)와 Fig. 6(a)-(b)에 나타내었다. 온도의 관점에서 2차 방벽의 기계적 거동을 보면 대체적으로 저온으로 갈수록 기계적 강도가 증가하였으며 이는 저온에서 취성화 되기 때문이라고 사료된다. 기계방향의 FSB는 극저온에서 상온대비 기계적 강도를 약 100% 이상 증가시켰으며 기계횡방향의 FSB는 기계적 강도를 약 50% 이상 증가시켰다. FSB의 기계적 거동차이가 확연하게 드러나는 온도구간을 살펴보면, -70℃ 전후로 다른 것을 확인하였다. 이는 고무의 저온 취성이 -70℃에서 나타나는 것과 유사한 경향을 보인다 (Dondi et al., 2014). 상온에서 -70℃의 온도 범위에서의 응력-변형도 선도는 초기 비선형구간이 길게 나타났지만 이후 극저온으로 갈수록 초기 비선형구간이 확연하게 줄어든 것을 확인하였다. 이는 FSB의 유리섬유가 고무로 접착되어 있는 것을 고려 할 때, 고무의 저온취성이 유리섬유의 권축신장에 영향을 준 것으로 사료된다. 기계방향의 RSB는 극저온에서 상온 대비 기계적 강도를 약 100% 이상 증가시켰고, 기계횡방향의 RSB는 상온 대비 기계적 강도를 약 110% 이상 증가시켰다. RSB의 경우, 온도에 상관없이 초기 비선형구간이 거의 나타나지 않음을 확인하였다. 이는 RSB의 유리섬유가 레진과 접착되어 있는 것을 고려 할 때, 레진의 경화가 유리섬유의 권축 신장을 방지한 것으로 사료된다. RSB의 기계적 거동차이가 확연하게 드러나는 온도구간을 살펴보면, 20℃ 전후로 다른 것을 확인하였다. 이는 레진의 저온 취성이 20℃에서 나타나는 것과 유사한 경향을 보인다 (Choi et al., 2013). FSB와 RSB를 살펴보면, 기계적강도 측면에서 RSB가 FSB보다 약 50% 이상 우수하였다. 이는 RSB의 접착제인 레진이 인장 에너지를 대신 흡수하여 기계적 강도가 증가한 것으로 보고된다 (Lee et al., 2017). 하지만 연신율 측면에서 RSB는 FSB보다 약 50% 이상 낮았으며 이는 굽힘 하중의 변형에 취약한 지점에서 파손의 위험이 있을 것으로 사료된다. 설계 안전성 측면에서, 변형에 취약한 지점에는 FSB의 사용이 적절한 것으로 사료되며, 반대로 하중이 많이 작용하는 지점에는 RSB의 사용이 적절한 것으로 사료된다. Fig. 7은 응력-변형도 선도의 탄성영역의 선형적 기울기를 통해 방향 별 인장탄성계수를 막대그래프로 나타내었다. 비교 결과, 인장탄성계수는 섬유 방향에 상관없이 저온으로 갈수록 증가하는 것을 확인하였다.

Fig. 5 
Stress-strain curves for (a) FSB(X), (b) FSB(Y)

Fig. 6 
Stress-strain curves for (a) RSB(X), (b) RSB(Y)

Fig. 7 
Young's modulus-temperature error bar graph

Fig. 8(a)-(b)는 FSB의 유리섬유 실 구조의 실제사진 및 구조 모식도를 나타낸다. 아라미드 섬유의 경사 인터로크(warp interlock) 구조의 방향 별 인장시험 (Abtew et al., 2018)과 본 연구의 방향 별 인장시험을 비교하였을 때, 기계방향의 FSB의 인장 거동은 위사 방향(weft direction)의 거동과 유사하였고, 기계횡방향은 경사 방향(warp direction)의 거동과 유사함을 확인하였다. 위사 방향 실 구조는 경사 방향과는 다르게 위 아래로 구부러진 형태로 섬유 실 길이가 더 긴 특징을 가진다. 따라서 위사 방향으로 인장력을 받을 경우, 사이사이 경사 방향의 유리섬유가 구속역할을 하여 전단력이 함께 작용하며 Stick-slip 현상이 나타나 기계적 강도가 높고 파단연신율은 낮은 것으로 보고된다 (Bai et al., 2020).

Fig. 8 
Schematic of FSB fabric structure

Fig. 9(a)-(b)는 RSB의 유리섬유 실 구조의 실제사진 및 구조 모식도를 나타낸다. 방향 별 기계적 성능 및 거동에 차이가 있는 FSB와 달리 RSB는 방향 별 기계적 성능에 차이가 거의 없었다. 이는 레진이 첨가된 유리섬유의 경우, 레진이 인장 에너지를 대신 흡수하여 Stick-Slip 현상보다 Stable brittle 현상의 경향을 보이는 것이 원인으로 보고된다 (Lee et al., 2017).

Fig. 9 
Schematic of RSB fabric structure

본 연구에서는 MARK-III LNG CCS의 2차 방벽을 대상으로 -150℃에서 20℃ 사이의 열팽창 계수를 측정하였다. 유리섬유 방향에 따라 측정하였으며, 측정결과 방향 별 열팽창 계수가 서로 다름을 확인하였다. 이러한 열팽창 계수의 차이는 굽힘 변형을 야기 시키며 형상왜곡 및 기계적 성능을 저하 시키는 요인으로 보고된다 (Kim et al., 2014). Fig. 10은 방향 별 열팽창 계수의 차이를 곡선으로 나타내었다. 비교 결과, FSB의 경우 -144.4℃에서 차이가 가장 컸으며 RSB의 경우 상온 20℃에서 가장 차이가 큰 것을 확인하였다.

Fig. 10 
CTE difference curve of FSB & RSB