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    (연구자인터뷰)

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    • 석창성 교수
      가스터빈용 열차폐 코팅의 내구성능 향상을 위한 설계 기술
      석창성 교수(성균관대학교 기계공학부)
      이메일:seok at skku.edu
      장소:서면인터뷰
      808 0 0

    안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!

    오늘은 대한기계학회 재료 및 파괴부문 춘계학술대회의 초청강연자이신 석창성 교수(성균관대학교 기계공학부)를 인터뷰하였습니다. 교수님은 재료파괴를 40년 가까이 연구하셨고, 성균관대학교의 건전성평가연구실과 석천대형구조물시험동을 운영하고 계시며, 우리나라 공학한림원의 회원이십니다. 교수님의 연구와 대외활동에 대한 자세한 설명 들어보도록 하겠습니다.


    1. 현재 하고 계시는 연구에 대한 간략한 소개를 부탁드립니다.

    성균관대학교 건전성평가연구실(Integrity Evaluation Lab.)에서는 다양한 기계부품 및 구조물에 대한 건전성평가 및 신뢰성 확보에  대한 연구를 수행하고 있습니다. 대표적으로 가스터빈에 적용되는 열차폐코팅에 대한 내구수명 평가 및 이를 활용한 열차폐코팅 설계에 대한 연구를 진행하고 있으며, 원자력 발전소의 안전성평가를 위한 연구를 수행하여 그 동안 국내외에서 건설했거나 건설 중인 모든 한국표준형 원전의 파단전누설 평가에 참여해왔습니다. 그 밖에도 한국생산기술연구원, 한국원자력연구원, 한국철도기술연구원, 한국전력, 한전연구원, 삼성전자, 현대자동차, 두산중공업 등과 기계부품의 건전성 및 신뢰성 확보에 관한 연구를 수행해 왔습니다.


    2. 우주선 발사체나 항공기엔진, 발전용 가스터빈 등의 고온부 부품은 용융점을 훨씬 넘는 1,500~3,000℃ 열을 견뎌야만 합니다.  이를 위해 열차폐 코팅 기술이 반드시 필요하다고 알고 있습니다.  열차폐 코팅기술을 간단하게 설명해 주신다면?

    1,500~3,000℃의 열을 견디기 위해서는 열차폐코팅 뿐만 아니라 막냉각, 내부냉각 기술 등 더 많은 기술들이 필요합니다. 열차폐코팅 기술은 고온 부품 표면에 열전달률이 낮은 세라믹 코팅을 하여 금속 모재가 화염에 직접적으로 노출되는 것을 막아 고온 부품을 보호하는 기술입니다. 열차폐코팅의 열차폐 성능은 화염온도, 열전달 계수, 막냉각 유량, 내부냉각 온도 및 유량 등 다양한 인자에 의해 결정되는데, 일반적으로 금속 모재의 표면온도를 150~200℃ 정도 감소시키는 것으로 알려져 있습니다.




    3. 열차폐 코팅기술은 크게 내산화코팅(Overlay Coating)과 열차폐코팅(Thermal Barrier Coating)으로 나뉘는데 두 방식의 차이에 대해서 설명을 부탁드립니다.

    먼저, 열차폐코팅(Thermal Barrier Coating)은 초고온 환경에서 부품을 보호하기 위하여 사용되며, 주로 가동온도가 높은 1단 및 2단 터빈 블레이드와 베인에 적용되고 있습니다. 이러한 열차폐코팅은 일반적으로 열전달을 막아주는 탑코팅(Top coat)과 탑코팅과 금속모재의 결합력을 올려주는 본드코팅(Bond coat), 그리고 본드코팅과 탑코팅 사이의 계면에서 열화에 따라 생성되는 열생선산화물(TGO; Thermally Grown Oxide)로 구성됩니다.

    내산화코팅(Overlay Coating)은 고온부품의 산화를 방지하는 것이 주 목적이기에 열차폐코팅과 달리 금속 모재의 온도를 낮추기 위한 세라믹재질의 탑코팅이 적용되지 않고, 부품 산화 방지 역할을 하는 크롬(Chromium), 알루미늄(Aluminium)과 고온 안정성을 높이기 위한 이트륨(Yttrium)을 첨가한 금속 소재를 부품 표면에 용사하여 제작됩니다.
     



    4. 터빈 블레이드의 주요한 파손의 원인은 어떤 것들이 있나요?
    (열피로와 TGO층의 성장/ 이종간 열팽창 계수의 열응력, 원심력, 가동정지에 따른 기계적 피로)


    열차폐코팅의 주요 파손 원인 중 하나로, 금속 부품과 열차폐코팅 사이의 열팽창계수 차이와 열차폐코팅을 구성하는 탑코팅, 본드코팅, 열생성산화물 사이의 열팽창계수 차이로 인하여 발생되는 열응력이 있습니다. 이러한 열응력은 열차폐코팅이 가동환경에 장시간 노출되어 TGO층이 굴곡지게 성장함에 따라서 점차 증가하는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 국내 가스터빈의 경우 전력량에 따라 가스터빈을 유동적으로 사용하기 때문에 잦은 가동 및 정지로 인한 열피로에 의하여 열차폐코팅의 파손이 발생될 수 있으며, 약 3,600 rpm으로 고속 회전하는 블레이드로 인하여 열차폐코팅에 작용하는 기계적 피로 또한 열차폐코팅의 주요 파손 원인으로 알려져 있습니다.




    5. 코팅이 박리되는 주요 원인으로 TGO층의 성장을 예측하고 해석하는 기술이 필요할거 같습니다. 이를 위해 어떤 실험들을 수행하고 계신가요?

    TGO층의 성장은 가동온도와 열화 시간에 직접적인 영향을 받습니다. 따라서 고온 퍼니스를 이용하여 다양한 온도조건에서 열차폐코팅을 장시간 등온열화하여 TGO층의 온도별 성장거동을 분석하고, 이를 수식화하여 TGO층의 성장을 예측할 수 있는 예측 모델을 정립하는 연구를 수행하였습니다. 정립된 TGO층의 성장 예측모델을 기반으로 유한요소해석을 수행하여 TGO층이 성장함에 따라서 증가되는 열응력을 예측하였으며, 최종적으로 가동온도와 열화 시간에 따른 열차폐코팅의 박리수명 예측모델을 도출하는 연구를 수행하고 있습니다.




    6. 열차폐 코팅은 연소기 종류 및 사용 환경에 따라 구조 및 조성, 코팅 방법이 각기 달라 핵심 기술로 분류되는데요, 그렇기 때문에 선진국에서도  대외 유출을 통제하고 있는 걸로 알고 있습니다. 현재 한국의 열차폐 코팅 기술은 어느 정도의 수준인지?

    현재 국내의 열차폐코팅 기술은 선진국에 비하여 아직 미비한 실정입니다. 해외 선진사들의 경우 정부 주도하에 지속적으로 열차폐코팅 관련 기술을 개발하고 있으며, 최근 EB-PVD(Electron-Beam Physical Vapor Deposition), SPPS(Solution Precursor Plasma Spray) 등과 같은 내구성이 우수하고 특성이 향상된 새로운 열차폐코팅 공정기술에 대한 연구를 진행하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 국내의 경우에는 해외 선진사로부터 현재 상용화된 기술을 이전받아 열차폐코팅을 제작하고 있으며, 이전 받은 기술을 바탕으로 자체기술을 개발하기 위한 연구를 수행하고 있습니다. 많은 연구자들과 기업들이 열차폐코팅의 중요성을 인지하고 다양한 연구를 수행하고 있지만, 국내 기술 수준이 선진국과 같은 수준으로 발전하기까지는 많은 시간과 노력이 필요할 것으로 판단됩니다.


    7. 건전성평가연구실에서 열차폐 코팅평가 기술외에도 여러가지 다양한 시험들을 수행하고 계신걸로 알고 있습니다. 어떤 다른 연구들을 수행하고 있는지 소개를 부탁드립니다.

    우선 가스터빈 분야에서 열차폐코팅 뿐만 아니라 블레이드 소재에 대한 연구도 진행하고 있습니다. 대표적으로 두산중공업이 주관하는 대형가스터빈 개발사업과 한국로스트왁스가 주관하는 1단 단결정 회전익 개발 과제에 참여하여 단결정 초내열합금 및 일방향응고 초내열합금의 고온환경하 내구특성에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 가스터빈 이외의 분야에서는 원자력 실 배관 및 실 증기발생기의 에그크레이트에 대한 파괴특성 연구, 철도 실차륜과 실레일의 파손특성에 관한 연구, 400km/h 급 고속철도 전차선 및 드롭퍼의 파괴특성에 관한 실험적 연구, 자동차 엔진밸브용 내열강 및 실 엔진 벨브에 대한 피로특성 연구, 타이어 고무 소재의 수명예측 및 노화특성 연구, 항공 우주용 복합재의 파괴특성에 관한 연구 등 다양한 연구를 수행하고 있습니다.
     


     



    8. 평가 실험을 위해서는 여러  가지 비용이나 환경적인 어려움이 있을 거 같습니다.  실제 어떤 어려움이 있고 이를 어떻게 극복하시는지요?

    대학 연구소에서 자체적으로 연구를 수행하고 있다 보니, 아무래도 비용적인 면과 연구에 필요한 자재 공급에 대한 어려움이 많습니다. 특히, 가스터빈용 열차폐코팅 및 고온부품 소재의 경우 자재 공급 및 평가 시스템 구축에 어려움이 많은데, 이러한 어려움을 다년간 연구를 수행하며 구축된 인적, 물적 인프라를 최대한 활용하여 극복하고 있습니다. 대표적으로 가스터빈 개발업체들인 두산중공업, 한국로스트왁스, 한전KPS 등과 협력 체계를 구축하여 연구를 수행하고 있습니다.


    9. 건전성평가연구실에 많은 장비들을 보유하고 활용하고 계시고, 직접 실험 장비를 제작하시기도 하셨다고 들었습니다.  어떤 실험장비들이 있나요?

    열차폐코팅을 평가하기 위한 장비를 전문적으로 취급하는 국내업체가 없고, 해외업체의 평가 장비는 너무 고가이기 때문에 저희 같은 대학교 연구소에서는 대부분 자체적으로 평가 장비를 제작하여 활용하고 있습니다. 저희 연구실에서는 열차폐코팅 특성평가를 위하여 열피로 시험장치, 버너리그 시험장치, 열-기계 피로 시험장치 등을 자체적으로 제작하였고, 이를 활용하여 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 또한 원전 배관의 실 배관 시험장치, 철도 차량의 실조건 시험장치, 대형구조물 시험을 위한 6mx12m 대형 스트롱플로어, 200톤급과 50톤급 유압식 피로 시험기 등을 보유하고 있습니다. 그 외에도 필요에 따라 시험 지그를 제작하거나 시험기 자체를 제작하여 연구를 수행하고 있습니다. 또한 시험 후 분석을 위하여 폴리싱 머신, 광학현미경, 경도시험기 등을 보유하고 있습니다.




    10. 앞으로 연구방향 및 목표 계획이 있으시다면

    제가 대학 교수로서 앞으로 연구를 얼마나 더 오래 수행할 수 있을지 모르지만 하고 싶은 일이 많습니다.
    먼저 열차폐코팅 평가기술 및 설계기술 분야에 대하여 큰 틀을 정립하고 싶습니다. 열차폐코팅 제작기술에 대해서는 해외 선진사로부터 기술이전을 받아 어느 정도 기반이 잡힌 반면에 평가기술 및 설계기술에 대해서는 아직 미비한 점이 많은 것 같습니다.

    원자력 분야에서는 불확실성으로 인해 매우 보수적으로 설계하는 분야가 많은데, 새로운 평가법을 개발하여 안정성을 확보하고 불필요한 보수성을 줄이는데 기여하고 싶습니다. 예로 실배관 시험을 통한 파단전 누설평가를 할 경우 많은 보수성과 불확실성을 줄일 수 있으나, 시험이 매우 어렵고 비용이 매우 많이 소요됩니다. 이에 시편시험을 통하여 실배관과 같은 실험결과를 얻을 수 있는 시험법을 개발한다면 매우 경제적이고 효율적으로 파단전 누설설계를 할 수 있을 것입니다.

    자동차 분야에서도 하고 싶은 분야가 많은데, 경제적이고 기능이 뛰어난 차동제한장치의 개발과 차량 추돌시의 안전성 향상을 위한 장치 등에 관한 연구를 수행한 바 있는데, 이 결과들을 실용화 시킬 수 있었으면 좋겠습니다.


    11. 같은 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 비젼을 제시해 주신다면?

    먼저 대학원 학생들에게는 문제 해결능력을 키우라고 조언하고 싶습니다.

    실험을 위주로 하거나 전산해석을 위주로 하거나 먼저 기초가 튼튼해야 합니다. 물리, 화학, 수학, 기초역학에 대한 기초가 부족하면 유능한 연구자가 되기 어렵습니다. 튼튼한 기초에 더하여 많은 공부와 연구를 통한 공학적인 센스를 키워나가기 바랍니다. 그게 문제해결 능력이 되고 창의력이 됩니다. 문제해결 능력과 창의력이 뛰어나면 세상이 어떻게 바뀌어도 성공할 수 있을 것이며, 훌륭한 연구자가 될 것입니다.


     

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