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實事求是2015. 06 Vol. 63

www.rist.re.kr

RIST NEWS사외이사로 김이환 한국산업기술진흥협회 상임부회장 선임발명의 날 산업부장관상 수상정세훈 연구원, 젊은분석과학자상 수상국내최우수 KOLAS 국제공인시험기관으로 선정

Research & Development마이크로그리드 관련 연구와 발전방향

Research & Development

판형 열교환기용 고가공성 티타늄 판재 제조기술


강구조물 부식 방식기술

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▲표지

스마트그리드 TFT

정희돈 명예연구원

Contents

정세훈 연구원, 젊은분석과학자상 수상국내최우수 KOLAS 국제공인시험기관으로 선정사외이사로 김이환 한국산업기술진흥협회 상임부회장 선임발명의 날 산업부장관상 수상


마이크로그리드 관련 연구와 발전 방향

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06

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발행인 : 우종수 본 부 : 경상북도 포항시 남구 청암로 67 T. (054)279-6333│F. (054)279-6099

편집인 : 주상훈 강 원 연 구 소 : 강원도 강릉시 과학단지로 57-34 T. (033)655-1740│F. (033)655-1749

발행일 : 2015. 06. 30 (계간) 청정석탄화학연구센터 : 전남 광양시 금호로 187-12 T. (061)799-2723│F. (061)792-0768

E S S 재 료 연 구 소 : 인천광역시 연수구 송도과학로 100 포스코글로벌 R&D센터 T. (032)200-2416)│F. (032)200-2419



RIST NEWS

2015. 06 Vol. 63


강구조물 부식 방식기술 16

정세훈 연구원, 젊은분석과학자상 수상

정세훈 연구원이 2015년 한국분석과학학회

춘계학술대회에서 젊은분석과학자상을 수상

했다.

젊은분석과학자상은 젊은 과학자들의 학술

활동을 촉진시키기 위한 목적으로 올해 제

정된 상으로 분석과학관련 분야에서 연구

업적이 탁월하며 학문적 창의성과 잠재력

이 있는 만 40세 이하의 젊은 과학자에게

수여된다.

정세훈 책임연구원(80년생)은 ■ ICP-MS,

GD-MS 등을 이용한 극미량 원소분석 연

구, ■ 철강표면 산화층 및 아연 코팅 층 조

성 및 구조분석 연구, ■ 무기 재료 신속 분

석 및 상태별 분석 연구, ■ 철강표준물질

개발 등 분석 분야의 탁월한 연구업적을 인

정받았다.

정 연구원은 최근 5년간 국내 및 국제학회에서 22건의 학술결과를 발표했으며 포스코 및 국책연구과제를 포함, 32건의 과제를 수행하면서

활발한 연구활동을 해왔다.

또한 지난 2011년부터 현재까지 철강 슬래그 재생원료를 제조하는 지역업체인 ㈜KWC의 제품 분석 및 품질 보증지원을 하는 등 지역 중소기

업의 기술지원 활동에도 적극적으로 임했다.

충남대에서 화학을 전공한 정 연구원은 포스텍 화학박사를 거쳐 현재 RIST 분석평가그룹에 재직 중이다.

1 ) ICP-MS : Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer

(유도결합 플라즈마를 이용한 질량분석기)

2 ) GD-MS : Glow Discharge Mass Spectrometer

(글로우 방전을 이용한 질량 분석기)

두 장비 모두 고순도 물질, 복합재료 및 반도체 등의 구성원소 조성 분석에 사용되며 1조분의 1단위까지 분석할 수 있는 최첨단 분석장비임

World Top 실용화 전문연구기관 RIST 33 2015. 06 Vol. 63 |實事求是|

국내최우수 KOLAS 국제공인시험기관으로 선정매년 1천건 이상의 국제공인시험성적서 발행

RIST가 6월 9일 적합성평가분야 산업통상자원부장관 표창을 수상하며 국내 최고 시험

인증기관으로 선정됐다.

제8회 세계 인정의 날을 맞아 국가기술표준원에서 주최한 우수 적합성평가분야의

유공자 및 단체 기관 포상에서 RIST는 매년 200개 이상의 기업을 대상으로 250

여건의 KOLAS국제공인시험성적서를 발행하는 등 국가 시험인증산업발전에 기여

한 공을 인정받아 KOLAS의 우수 국제공인시험기관 단체부문에 선정됐다.

인정이란, 국가 및 국제적으로 공인되는 표준에 의거하여 수행하는 권위 있는 기

관에 의해 실시되며 특정 활동 또는 서비스를 제공하는 기관들의 역량을 독립적이

고 공정하게 평가하는 것으로, IAF/ILAC은 인정제도의 중요성 홍보 및 이해증진을

위해 매년 6월 9일을 “세계 인정의 날”로 지정하고 있으며 금년이 8회째 이다.

RIST는 1995년 금속분야 국내최초 국제공인시험기관으로 지정된 후, 신뢰성 있는

시험분석데이터를 고객에게 제공하는 국내최고수준의 시험분석평가기관으로 거

듭나고 있다.

기술책임자 14명, 품질책임자 3명, 분석인원 54명으로 구성되어 있는 RIST 분석평

가그룹은 금속소재의 화학조성, 역학시험, 환경분석 분야의 총 138개 규격에 대한

KOLAS 국제공인시험성적서 발급을 통해 중소기업의 연구개발 및 제품 판매 업무

를 지원하고 있으며, 2007년 KOLAS 표준물질생산기관으로도 지정되어 스테인리스강, 고탄소강, 저합금강 등 철강소재의 표준물질의 생산

및 보급으로 국내산업체의 품질향상에도 기여해왔다. 또한 최근 3년간 8건의 ISO 및 한국산업표준 제·개정 업무를 수행하였고 , 2년마다 한

번씩 총 4회에 걸쳐 한일공동워크숍을 개최하는 등 국내외의 분석기술의 전파에도 활발한 활동을 수행하고 있다.

박신화 RIST 분석평가그룹장은 “일반외주시험성적서 발급을 포함하면 매년 1천건이 넘는 시험성적서를 발행하고 있는 RIST는 eKOLAS,

QSS, Best Lab 등 의 최신시스템과 혁신활동을 통해 공인시험성적서의 신뢰성을 높이고 있으며, 연구개발지원, 고장원인분석, 품질개선 서

비스 등 Total Solution 제공을 통해 고객만족을 실현해 나갈 계획”이라고 말했다.

■KOLAS(Korea Laboratory Accreditation Scheme : 한국인정기구)는 '국가표준기본법' 및 ISO/IEC 17011의 규정에 따라 교정기관, 시험기관, 검사기

관, 표준물질생산기관, 메디칼시험기관, 숙련도시험기관, 제품인정기관을 평가하여 인정하는 산업통상자원부 국가기술표준원의 산하 기구이며 현재

KOLAS로 부터 인정받은 국제공인시험기관은 670여곳이 있다.

■eKOLAS : 시험분석 의뢰~성적서 발행까지 분석과정에서 생산되는 모든 데이터의 관리, 그리고 표준문서의 제·개정에서 폐기에 이르기까지 일

련의 절차를 시스템화하여 실시간 대응이 가능한 시스템

4 2015. 03 Vol. 62 |實事求是|

사외이사로 김이환 한국산업기술진흥협회 상임부회장 선임

RIST는 지난 5월 13일 12시 제 77회 임시이사회를 개최하고 사외이사를 신규 선임했다.

권오준 이사장을 비롯해 이사진 7명이 참석한 가운데 열린 이날 이사회에서는 박호군 사외이사의 임기

만료에 따른 후임이사로 김이환 한국산업기술진흥협회 상임부회장이 추천되었으며 원안대로 의결되었

다.

김이환(金二換, 1957년생)씨는 서울대 기계공학과를 졸업하고, 한국과학기술원 석사, 케이스웨스턴리저

브대 박사를 지내고, 교육과학기술부 과학기술정책기획관, 대통령 과학기술비서관 등을 역임했으며, 현

재 한국산업기술진흥협회 상임부회장을 지내고 있다.

임기는 2018년 5월까지 3년이다.

발명의 날 산업부장관상 수상최근 5년간 산업재산권 2,100여건 출원

RIST는 '제 50회 발명의 날 기념식'에서 연구성과의 적극적인 권리화와 지속적인 특허출원을 통해 국가기술발전에 기여한 공로를 인정받아 단체부문

산업통상자원부장관 표창을 수상했다.

특허청이 주최하고 한국발명진흥회가 주관한 이날 행사는 범국민적 발명분위기 확산과 발명가의 사기앙양을 통해 우수발명 창출 및 활용을

촉진하기 위해 마련됐다.

RIST는 연구원의 직무발명 의식고취를 위한 맞춤형 직무발명교육을 실시하고 지속적인 특허상담실을 운영하여 최근 5년간 2천 100여건의

산업재산권을 출원하고 1천 600여건의 산업재산권을 신규로 취득하는 등 실용화전문 연구기관으로써 국가기술발전에 기여한 공로를 인정

받았다.

포스코패밀리의 신성장사업부문 연구개발을 맡고 있는 RIST는 산화아연 제조기술과 초박막 인공뼈 코팅기술을 사업화하기 위해 창업전문회

사 ㈜리스텍비즈와 ㈜메디엠을 각각 설립해 운영하고 있으며, 혁신적인 리튬직접추출기술을 세계최초로 개발해 지난해 포스코를 통해 아르

헨티나 Exar사에 기술이전하는 등 기술이전 및 사업화를 통한 국가이미지 향상에 기여해 왔다.

또한 지난해 설립된 포스코 포항창조경제혁신센터의 설립 지원은 물론 지자체 및 지역 산업체, 연구기관과의 지속적인 연계를 통해, 지역 강

소기업 육성 및 기술사업화에 기여하고 있다.

위현곤 RIST 기술실용화그룹장은 “직무발명의 체계적 관리 및 사업화 핵심기술의 법적보호, 특허 리스크 관리를 위해 직무발명 접수에서 출

원, 사후관리까지 특허통합관리시스템을 구축해 운영하고 있다”며 “보유기술의 실용화 성과창출과 기술이전을 통한 지역중소기업과의 상생

을 위해 장기적인 플랜을 운영할 계획”이라고 말했다.

World Top 실용화 전문연구기관 RIST 5

Research & DevelopmentResearch & Development

스마트그리드 TFT 목임수 054-279-6709 / 이성희 054-279-6724

Microgrid의 개요

스마트그리드와 마이크로그리드

지금까지의 전력 공급 시스템은 대부분 원거리에 위치하고 있

는 대형 발전소에서 생산된 전기가 일방적으로 소비자 측에 전

달되는, 즉 단 방향 중앙집중식으로 구성, 운영되어 왔다. 그러

나 급격한 전력 소비 증가에 따라 이와 같은 대규모 중앙집중

식 전력망에서 많은 문제점들이 발생하고 있다. 다시 말해서

신규 발전소의 건설과 장거리에 이르는 송배전 설비들의 구축

은 비용 문제뿐만 아니라 환경 보전 논리와 이해 관계자들의

다양한 요구에 의해서 첨예한 충돌과 수 많은 어려움에 봉착하

고 있다. 국내의 경우만 보더라도 태백 지역 주민들의 발전소

건설 반대 시위 그리고 밀양 765kV송전탑 건설로 인하여 발생

하고 있는 주민들과의 갈등은 현재의 전력 시스템의 현황과 문

제점들을 잘 대변해주고 있다.

향후 인간 생활의 질적 향상과 더불어 전력을 비롯한 각종 에

너지의 사용량은 증가할 수 밖에 없을 것이며 이를 위한 다각

적인 대책 수립이 시급한 시점이다.

이와 같은 문제점들에 대처하기 위한 방안을 찾는 과정에서 지

금까지 취해 왔던 공급위주의 정책뿐만 아니라 에너지의 수요

관리 및 이용 효율화에 대한 중요성도 대두되기 시작했다.

근래에 들어 효율적인 에너지 이용과 수요관리를 위해서 “스

마트그리드(Smart Grid)”라는 새로운 기술적 개념이 도입되기

시작했다. 스마트그리드는 기존에 전력망에 정보통신 기술을

접목하여 전력의 생산과 송배전 그리고 소비에 이르기까지 모

든 현황을 가시화하고 전력의 낭비 요소를 최소화함과 동시에

전력이용의 최적화를 통하여 전술한 문제들을 해결하려는 노

력의 일환이라고 볼 수 있다. 세계적으로 ICT 기술에 있어서 선

두 위치를 차지하고 있는 우리나라는 스마트그리드의 선도국

가로 지정된 것을 계기로, 2009년부터 4년여에 걸친 제주도에

서의 세계 최대의 스마트그리드 실증사업을 마치고 참여 기업

들을 중심으로 상업화 단계에 들어섰다.

본 실증 사업에서는 스마트그리드의 개념을 완성하기 위해서

필수적인 주요 요소기술들이 개발 검증되었다. 이러한 스마트

그리드는 광의(廣義)의 목표를 생산된 전력의 효율적인 수송과

소비에 주안점을 두고 개발되어 왔다. 반면, 다른 한편에서는

특정 지역 내에서 고품질의 전력을 안정적으로 생산하고 공급

하기 위한 별도의 전력 계통 시스템이 구상되어 왔고 그 결과

로서 마이크로그리드(Micro Grid)라는 소규모의 전력 시스템이

주목을 받기 시작했다.

●●●

특정 지역 내에서 고품질의 전력을 안정적으로

생산하고 공급하기 위한 별도의 전력 계통 시스템이

구상되어 왔고 그 결과로서 마이크로그리드(Micro Grid)라는

소규모의 전력 시스템이 주목을 받기 시작했다.●●●


6 2015. 06 Vol. 63 |實事求是|

여기서 마이크로그리드는 다음절에서 설명하는 바와 같이 그

규모의 차이만 빼면 발전, 배전 그리고 소비의 과정을 모두 포

함하고 있어서, 스마트그리드의 개념과 요소 기술들이 그대로

적용될 수 있는 있는 관계로 앞에서 설명한 바와 같은 전력 에

너지에 대한 다양한 문제들을 해결하는 데에 중요한 역할을 할

것으로 기대되고 있다.

마이크로그리드의 정의와 특징

마이크로그리드란 [그림1]에 보이는 바와 같이 국가적 차원에

서 이루어지는 Macro Grid(또는 Utility Grid, National Grid)와 같

은 대규모 중앙 집중식 시스템이 아니라, 전력 에너지를 생산

하고 공급하여 소비에 이르는 모든 과정이 독립된 지역 내에서

소규모로 이루어지는 전력 시스템, 즉 특정 지역 내에서 전력

에너지의 자급자족이 가능한 전력 시스템을 “마이크로그리드

(Micro Grid)”라고 부른다. 다시 말해서 대형 발전원(또는 발전

단지)과 동떨어진 고립지역이나, 독립적인 기능을 가지는 지역

(대학 캠퍼스, 군부대, 산업단지 등) 그리고 사막이나 섬 등에

서 에너지의 효율성과 장기적인 운용 비용을 고려하여 지역 특

성에 맞게 독자적으로 운용되는 전력망을 뜻하고 있다. 이러한

특성 때문에 지산지소(地産地消) 전력시스템이라는 용어로도

표현되기도 한다.

에너지효율 신뢰도 공해물질 안전도 서비스 경제성

기존 중앙

집중형Grid

30 ~ 50 % 99.97 % 매우 심각 위험

고급 서비스

곤란

점점 나빠짐

Micro Grid 70 ~ 90 % 99.99% 거의 없음 안전

고급 서비스

제공 가능

점점 좋아짐

이와 같은 전력 시스템의 확산은 전체 에너지 소모량을 줄일

수 있을 뿐 아니라 세계적으로 문제가 되고 있는 배출가스 및

기후변화 문제 또한 상당 부분을 경감시켜 줄 것으로 기대된

다. [표1]에 기존의 중앙집중식 그리드와 마이크로그리드의 특

성 비교를 설명한다.

마이크로그리드는 기존의 그리드와의 연계여부 그리고 용량과

목적에 따라 분류할 수 있다. 현재 IEEE(국제전기전자기술자협

회)에서는 10MW이하의 마이크로그리드 만에 대해서 관련 기

준을 제공하고 있으나, [그림 2]에 보이는 바와 같이 그 목적과

운용주체에 따라 다양한 용량의 마이크로그리드가 구축될 수

있으며, 우리나라의 전체 전력 설비의 용량이 약 92GW(‘15년 1

월 기준)임을 고려하면 거론되고 있는 마이크로그리드의 크기

를 짐작할 수 있을 것이다.

●●●

특정 지역 내에서 전력 에너지의 자급자족이 가능한

전력 시스템을 “마이크로그리드(Micro Grid)”라고 부른다.●●●

마이크로그리드의 종류

한편 기존의 Macro 계통과 연계되어 상호 보완적으로 운용되

는 시스템 [그림 2]의 상부에 표시되어 있는 Grid접점의 on-

off에 의해서 기존 시스템과 연결과 탈락 가능)을 계통연계형

(Grid connected mode)하며, 기존 전력망과는 완벽하게 독립

그림 1 중앙집중식 전력계통과 마이크로그리드

표 1 기존의 중앙집중식 그리드와 마이크로그리드의 특성 비교

그림 2 마이크로그리드의 용량




되어 독자적으로 운용되는 시스템을 독립형(Island mode) 마이

크로그리드라고 한다.

또한 마이크로그리드의 설치 장소 및 용도에 따라 다음과 같이

분류할 수 있다. 즉,

캠퍼스용 마이크로그리드 : 대학 캠퍼스를 중심으로 구축되며, 현

재까지 설치 용량 측면에서 Micro Grid 시장성이 가장 큰 영역

이라 할 수 있음 (대체적으로 4MW~ 40MW의 용량을 가짐).

각종 발전원들과 수많은 부하들이 단일 Owner인 관계로 각종

규제로부터 자유로운 것이 특징이다.

군기지용 마이크로그리드 : 현재까지는 미국 국방부가 가장 큰

수요가이며, 최근에는 캐나다, 영국, 프랑스에서 관심을 보이

고 있음 (미국방부, ~’18년까지 600MW 보유 예정). 여기서

가장 중요시 되는 사항은 Cyber 또는 물리적인 테러에 대한

Security 확보이다.

상업 및 공단용 마이크로그리드 : 북미와 Asia Pacific 영역에서 관

심을 받기 시작했으며, 관련 요소기술 그리고 설계 기준 미비

로 인하여 시장 활성화에 어려움이 있으며, 연료비의 지속적인

상승으로 인하여 Micro Grid의 도입 필요성이 증대(향후 시장

의 선도 역할을 할 가능성 있음)되고 있고, 대용량 DC배전 기

술이 각광을 받을 것으로 예상된다.

낙도형(고립형) 마이크로그리드 : 국가전력망 또는 거대 전력망으

로부터 떨어져 있을 경우와 같은 대표적인 독립형 마이크로그

리드 형태로서, 인도네시아와 같은 수많은 섬으로 이루어진 국

가, 중동 지역과 같은 곳에서 급격하게 확대될 것으로 예상된

다. 이 마이크로그리드는 머지 않는 시간 내에 캠퍼스나 군기

지용 Micro Grid 시장을 뛰어 넘을 것으로 예상되고 있다.

●●●

특정 지역 내에서 전력 에너지의

자급자족이 가능한 전력 시스템을

“마이크로그리드(Micro Grid)”라고 부른다.●●●

마이크로그리드의 현황과 시장

현재 마이크로그리드의 시장은 성장기에 들어 섰다고 볼 수 있

으며 [그림3], 우리나라의 경우에는 선진국과 비교하여 3~4

년의 시장 진입 격차를 보이고 있다. 마이크로그리드 시장은

2013년에 폭발적으로 증가하기 시작했으며, 약 17%의 CAGR

을 보이면서 2022년에 이르러서는 15MW이상의 마이크로그리

드가 구축 될 것으로 예상되고 있다. 당분간 마이크로그리드

시장은 주로 미국과 아태지역이 주도할 것이며 [그림4], ’20년

에 이르러서는 약 200백억 달러의 시장이 형성될 것으로 보고

되고 있다. 장기적으로 보면 일부 중동 지역(사우디, UAE를 위

시한 GCC국가)에서의 마이크로그리드 시장이 활성화 될 것으

로 예상되고 있다. 구축 비용 중 분산전원(PV, CHP, WT, 연료

전지, ESS)의 비용이 가장 큰 비율을 차지하고 있으며, 총 구

축 비용 중 S/W control 비용은 15% 정도로 알려져 있다. 마이

크로그리드는 초기 투자비의 단기 회수가 어려운 만큼 정부나

지자체에서 일정 금액 이상으로 전력을 구매하는 PPA(Power

Purchase Agreement)를 기반으로 구축하는 경우가 많다.

그림 3 마이크로그리드의 현황

그림 4 마이크로그리드의 시장 분포

8 2015. 06 Vol. 63 |實事求是|

마이크로그리드의 구성 요소

마이크로그리드를 구성하는 요소와 요소 기술들의 기능을 [그

림5]에 나타낸 바와 같이 다섯 가지로 설명할 수 있다. 즉 ①

신재생에너지를 포함하는 분산전원, ② 분산전원과 계통 및 수

요가를 연계하는 기술, ③ 기존의 전력망(계통), ④ 전력 수요가

그리고 ⑤ 이러한 요소와 유틸리티들을 동시에 monitoring하고

제어하는 에너지관리시스템(EMS)로 구성된다.

RIST에서의 마이크로그리드 연구 방향

RIST 스마트그리드 TFT팀에서는 2012년부터 마이크로그리드

를 연구팀의 미래기술로 선정하고 관련 연구의 수행과 기획을

진행하여 왔다. 특히 글로벌 녹색성장기구(GGGI)의 지원 하에

아랍에미레이트의 공과대학(MIST)과의 공동연구를 주관하여

실증 연구를 위한 기반을 마련했으며, 국가 연구개발 기획에

참여하여 지속적인 연구개발을 위한 발판을 마련해 왔다. 한편

2014년 7월 산업부에서 기후변화 대응 6개 에너지 신산업 창

출방안 발표했고, 이 중에는 독립형 마이크로그리드 사업이 포

함되어 있다. 또한 올해부터는 63개의 섬에 대한 에너지 자립

사업과 스마트그리드 확산 사업이 시작되기 때문에 지금까지

축적해 온 연구팀의 역량을 이용하여 사업 참여에 대한 기회를

확보할 예정이다. 한편으로는 향후 패밀리사의 적극적인 국내

외 시장 진출을 위해서 기존의 기술들과 차별화된 요소기술 개

발을 중심으로 아래와 같은 내용의 연구를 진행해 나갈 예정이

다.

해외진출용 마이크로그리드 구축을 위한 요소기술 개발

아직까지는 한국전력을 위시한 관련 업체들이 국내 시장에 초

점을 맞추고 있지만 향후에 전개될 해외 시장진출을 위한 차별

화된 요소기술의 개발에 노력을 경주해야 할 것이다. 선진국에

비해서 후발 업체인 입장에서, 앞으로 전개될 것으로 예상되는

전력 인프라가 취약한 지역 또는 인구 밀도가 낮은 지역을 중

심으로 확대되어 갈 국내외 마이크로그리드 시장을 눈 여겨 볼


그림 5 마이크로그리드의 구성 요소와 기능



필요가 있다.

특히, 중소형(수백~수MW급) 마이크로그리드의 적용이 적합한

중동 사막 지역이나 동남아의 시장을 선점하기 위한 기술 확

보도 필요하다고 본다. 이러한 기술들의 개발에 있어서는 시스

템의 단순화 및 효율화에 의한 기술적 차별화와 구축비용 절감

을 통해 대외 사업 경쟁력을 확보하는 것을 최우선시 해야 할

것이다. 이러한 관점에서 본 연구는, 동남아 섬 지역과 중동 사

막 지역을 대상으로 분산전원(PV 등)과 전력저장장치(ESS)로

구성되고 독립운전이 가능한 DC 마이크로그리드 시스템 체계

개발 및 실증을 목표로 하고 있다. 구체적인 목표는 (1) 7kW급

DC Microgrid block화 및 병렬 연계 scale-up 기술 개발과 (2)

기존 Microgrid 대비 8% 이상의 효율 향상, 10% 이상의 비용

저감 달성을 들 수 있다.

이를 위한 연구 개발 범위를 [그림 6]에 나타내며, 구체적인 연

구 내용은 다음과 같다. 즉,

(1) Battery ESS의 충전/방전 제어가 가능한 고효율 PV 발전 마

이크로그리드 체계를 확보하기 위해서, 기존 대비 10% 이상 구

축비용 저감을 목표로 하면서 Battery 운용과 PV 출력을 동시

에 제어할 수 있는 PV용 PCS 개발

(2) DC 전력계통과 AC 전력계통을 연계시키기 위한 저비용

AC-DC 계통 연결용 고효율 bi-directional Converter 개발

(3) 보급 모델 개발을 위한 성능 평가 및 신뢰성 확보(실증연구)

스마트 산업단지를 위한 마이크로그리드 기술 접목

스마트그리드 TFT팀에서는 국가 에너지의 50%이상이 산업체

에서 소비되는 점을 감안하여 2010년부터 공장의 에너지 효율

화를 위해서 Smart Industry라는 기술 개념을 정립하고 실증 연

구를 수행해 왔고 그러한 결과는 패밀리사의 전략과 연계되어

사업화가 진행되고 있다. 한편 공장 단위 공장뿐만 아니라 공

장들의 복합체인 각종 산업 단지에서의 에너지 절약과 자급자

족은 단위 공장에 비해서 에너지 절약 및 이용 효율화의 효과

가 극대화될 수 있다는 점에 착안하여 Smart Industry기술을 뛰

어 넘는 새로운 영역의 기술 개발에 전념하고 있다. 즉, 스마트

그리드 개념과 마이크로그리드를 접목시킨 새로운 산업 단지

의 에너지 효율화 모델의 구축하기 위해서 분산전원, 전력저장

장치, AMI, 등과 에너지 절약 솔루션을 결합한 산업 단지의

에너지 효율 최적 운영 모델과 사업화 모델을 개발할 예정이

다. 이러한 개념은 당 TFT팀에서 작성한 “국가 에너지 이노베

이션 로드맵 2015”에 수록되어 있다 [표 2참조]

●●●

분산전원, 전력저장장치, AMI, 등과 에너지 절약 솔루션을

결합한 산업 단지의 에너지 효율 최적 운영

모델과 사업화 모델을 개발할 예정이다.●●●

본 연구 개발의 목표는 10%의 산업단지의 전력 피크 및 에너

지 비용 절감을 목표로 하고 있으며, 이를 달성하기 위한 수행

예정의 연구 내용은 다음과 같다.

(1) 에너지 효율화와 에너지 최적 운영을 위한 분산발전원과

ESS 및 에너지 관리 시스템을 연계한 산업단지용 스마트팩토

리(마이크로그리드 연계) 모델 개발

(2) 경제성 극대화와 피크 저감을 위한 산업단지용 ESS 최적화

를 위한 고효율 PCS와 PMS 기술

(3) 사업화의 기반 조성을 위한 산업단지에서의 스마트 산업단

지 실증연구

이와 같은 요소 기술들이 접목된 스마트산업단지의 모습을 [그

림 7]에 나타낸다.

그림 6 해외 진출용 마이크로그리드 모델 개발을 위한 연구 범위

10 2015. 06 Vol. 63 |實事求是|

맺음말

미래 에너지의 발전 방향은 에너지의 경제적 그리고 안정적인

공급과 더불어 효율적인 이용으로 귀결될 것이다. 이를 달성하

는 데에 있어서 앞으로 스마트그리드와 마이크로그리드 기술

의 중요성은 더욱 더 증대될 것으로 생각된다. 또한 이와 관련

된 사업에 있어서의 기술적 경쟁은 갈수록 치열해 질 것이다.

당 연구팀은 경쟁력 확보를 통한 패밀리사의 사업 기회를 확장

시키기 위해서 차별화된 관련 기술 개발에 전념할 예정이다.

그림 7 스마트산업단지의 미래 모습


표 2 스마트 산업단지 구축을 위한 이노베이션 로드맵 내용



티타늄연구 TFT 정기조

티타늄 판재를 이용한 열교환기

국내 티타늄 압연 판재의 상업화 기술 개발에 따라 티타늄 소

재의 고유 특성을 이용한 용도 개발과 시장 확대가 주목을 받

고 있다. 특히 바닷물을 이용해서 냉각되는 발전설비, 담수화

설비, 선박 엔진오일 냉각기의 경우 뛰어난 내식성이 요구되기

때문에 티타늄 판재가 가장 많이 사용되고 있다. 티타늄은 해

수에 대한 내식성이 우수할 뿐만 아니라 상온에서 성형가공성

이 풍부하기 때문에 압연 판재로부터 프레스 성형 또는 튜브로

가공된 후 열교환기로 제작되어 사용된다. 열교환기는 부품의

구조와 형태에 따라 주로 선박용으로 사용되는 판형 열교환기

(PHE, Plate Heat Exchanger)와 발전 또는 담수화 설비용으로

사용되는 튜브형(Tube type)으로 구분된다. 판형 열교환기는

높은 열 교환 효율과 설비가 차지하는 공간이 협소한 조건에

서, 튜브형 열교환기는 고온, 고압 조건에서 주로 사용된다. 열

교환기용으로 사용되는 티타늄 소재는 대부분 고순도의 공업

용 순 티타늄(CP Ti, Commercially Pure Titanium)이 사용되고

있다. 판형 열교환기용 CP Ti의 시장 규모는 세계적으로 년간

약 5,000~7,000톤으로 CP Ti 전체 시장의 약 15~20%를 차지

하는 것으로 알려져 있다.

[표 1]은 판형 열교환기와 튜브형 열교환기의 일반적인 특성을

나타낸 것이다. 열교환기의 종류에 따라 판재 가공방법이 다르

고 그에 따라 판재 요구특성도 다르다는 것을 알 수 있다. 판형

열교환기의 경우 압연 판재로부터 프레스에 의해 plate 형태로

성형되지만, 튜브형의 경우 roll forming에 의해 원형으로 성형

하고 용접하여 튜브 형태로 가공하게 된다. 따라서 판형 열교

환기용 소재의 경우 높은 프레스 성형가공성이 요구되고, 튜브

용의 경우 고강도 특성이 요구된다.

구분

판형 열교환기 (plate Geat Exchanger) 튜브형 열교환기

(Tube type)Gasketed PHE Brazed PHE Welded PHE

사용 온도(℃) <180 180~360 360~720 >720

사용 압력(bar) <25 25~40 40~100 >100

열교환 원리

-적층된 plate간 sealing 방식 차이로 구분

-Plate 사이에서 유체에 의해 열교환

튜브(tube)와 몸체

(shell)간 열교환

주요 특성

-저온/저압 환경

-열교환능력 높음

-유지 보수 쉬움

-비교적 높은 온도/압력 환경

-열교환 능력 높음

-유지 보수 어려움

-고온/고압 환경

-열교환능력 낮음

판재 가공방법 프레스 성형 Roll forming

판재 요구특성 고가공성 고강도

●●●

티타늄은 해수에 대한 내식성이 우수할 뿐만 아니라

상온에서 성형가공성이 풍부하기 때문에

압연 판재로부터 프레스 성형 또는 튜브로 가공된 후

열교환기로 제작되어 사용된다.●●●

최근 판형 열교환기용 소재는 열전달 효율을 증가하기 위하여

점차 대형화되는 경향이 뚜렷하고 프레스로 가공되는 형상도

복잡하게 변화되고 있다. 가공 형상이 복잡하게 변화되는 것은

표 1 열교환기 종류별 사용환경 및 티타늄 판재의 특성

판형 열교환기용

고가공성 티타늄 판재 제조기술

12 2015. 06 Vol. 63 |實事求是|


접촉면 증가에 의한 열전달 효과를 증대시키고, 고압 사용 조

건에서 플레이트가 변형되는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻기

위해 실시되고 있다. 아울러 재료비의 절감을 목적으로 판재의

두께는 점차 극박화되는 경향이 있다. 따라서 판형 열교환기용

티타늄 판재에 대한 극박화, 광폭화 요구가 계속해서 증가되고

있고, 재질 측면에서는 보다 우수한 가공성이 요구되고 있다.

[그림 1]에 상업적으로 사용되고 있는 열교환기와 프레스에 의

해 복잡한 형상으로 성형가공된 플레이트 부품을 나타내었다.

판형 열교환기는 여러 장의 성형가공 플레이트를 적층하여 제

작되는데, 플레이트의 형상이 다양하고 복잡하기 때문에 성형

가공성이 풍부한 소재가 요구된다. 통상적으로 판형열교환기

에 사용되는 티타늄 판재는 두께 0.5mm, 폭 700~1350mm,

CP-Ti Grade 1이 대표적이다. 틈부식 저항성이 요구되는 용도

에는 Pd가 첨가된 고내식 CP-Ti Grade 11이 사용되기도 한다.

●●●

가공 형상이 복잡하게 변화되는 것은 접촉면 증가에 의한

열전달 효과를 증대, 고압 사용 조건에서 플레이트가 변형되

는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻기 위해 실시되고 있다.●●●

티타늄 판재의 제조공정

판형 열교환기용 티타늄 판재에 프레스 성형성을 부여하기 위

해서는 화학성분과 제조공정의 최적화가 필요하다. 통상 프레

스 조건에서 요구되는 재질 특성으로는 항복강도를 포함하는

인장특성과 결정립의 크기 그리고 에릭센 값 등이 있지만, 고

객사별 설비 및 가공조건이 다르기 때문에 재질 특성에 대한

요구 수준에도 차이가 있다. 따라서 티타늄 판재 제조공정에서

는 Fe, O등의 불순물 농도 제어는 물론 열간압연, 냉간압연 및

소둔조건을 최적화하는 기술개발이 필요하다.

그림 2는 티타늄 판재를 제조하기 위한 일반적인 공정흐름을

도식화하여 나타내었다. 고가공성의 티타늄 압연판재를 얻기

위해서는 화학성분이 중요하기 때문에 초기 원료인 스폰지의

산소와 철의 농도 범위 설정과 용해공정에서 이들 원소가 균

일하게 분포되도록 제어되어야 한다. 슬라브로부터 적절한 압

연 온도, 두께 감소 및 형상 제어에 의해 얻어진 열간압연 판

재는 소둔산세 공정을 거쳐 열간압연 코일 제품 또는 냉간압

연용 소재로 공급된다. 소둔산세 공정에서는 열연 변형립에 대

한 재결정을 일으켜 연성이 부여되고, 혼산(질산, 불산) 산세에

의해 표면의 산화층이 제거된다. 냉간압연은 최종 제품의 두께

에 따라 실시되는데 통상 두께 감소률이 85% 까지 실시되며,

더 높은 두께 감소율은 중간소둔을 거친후 실시된다. 냉간압연

재는 최종 제품의 재질을 확보하기 위하여 상소둔 또는 연속소

둔방식으로 재결정 소둔공정을 거치게 되며 이 공정에서 재질

과 결정립의 크기를 제어하여 고가공성의 재질을 얻을 수 있도

록 온도 및 패턴 등 소둔조건을 최적화 한다. 통상 판형열교환

기용으로 사용되는 고가공성 티타늄 판재의 대표적인 화학성

분의 범위는 산소 0.18%이하, Fe 0.2%이하, 탄소 0.08%이하이

고, 재질 수준은 항복강도 170MPa이상, 연신율 35%이상, 결정

립 30~65㎛ 정도이며, 두께는 0.5mm인 연질 냉연 판재이다.

그림 1 티타늄 판재를 이용한 판형 열교환기

(a) 티타늄 판재를 이용한 판형 열교환기 (b) 성형가공후 플레이트의 형상 패턴

그림 2 CP Ti 압연 판재의 제조공정



판형 열교환기 플레이트의 성형특성

판형 열교환기는 티타늄 판재로부터 성형된 플레이트를 적층

하여 제작되며, 이때 티타늄 판재는 프레스에 의해 다양한 형

태로 소성 변형을 받게 된다. 가공변형 패턴의 결정은 열전달

효율 향상과 고압인 사용 조건에서 적층 플레이트의 변형 억제

를 위한 구조적 강성 향상을 기본으로 한다. 이를 동시에 만족

하기 위한 조건으로 변형부의 기하학적 형태와 분포를 고려하

게 되며 변형모드의 복잡화와 더불어 변형량이 증가하게 되고

이로 인하여 고가공성 티타늄 판재에 대한 요구가 점차 증가하

게 된다. 전체적으로 성형에서의 변형은 스트레칭(stretching)과

드로우잉(drawing)이 조합된 복잡한 변형 모드로 진행되고, 판

재의 재질은 가공 중 넥킹(necking)이나 크랙(crack)이 발생되

지 않도록 충분한 가공성을 가져야 한다

[그림 3]에는 상업용 판형열교환기용으로 가공된 플레이트의

가공 형태에 따른 변형모드를 구분하여 나타내었다. 가공 형태

는 하나의 플레이트내에서 다양한 변형이 동시에 형성되는 특

징을 가지고 있기 때문에 재질 설계 단계에서부터 복잡변형 조

건에서 티타늄 판재의 성형성이 확보되도록 성분 및 공정을 제

어하는 것이 기술개발의 핵심이라고 볼 수 있다.

그림 3 티타늄 판재를 이용한 판형 열교환기중 플레이트의 주요 변형모드

●●●

재질 설계 단계에서부터 복잡변형 조건에서

티타늄 판재의 성형성이 확보되도록 성분 및 공정을 제어하

는 것이 기술개발의 핵심이라고 볼 수 있다.●●●

티타늄 판재의 프레스 가공성 향상 기술

그림 4 티타늄 소둔판재의 재질 및 결정립 크기에 미치는 Fe 농도의 영향

공정별 제조조건을 도출하여 적용하였으며 고객사 평가를 통

하여 조건을 재설정하여 상업생산이 가능하도록 공정별 최적

화 기술을 개발하였다.

[Stretching mode] [Drawing mode]

εy

Εx<0 Ε

y>0

n-value (lnσ/lnε) r-value (εw/ε

t)

Εx>0 Ε

y>0

εx

εx

a. 항복강도

b. 결정립 크기

c. 냉연소둔재의 결정립과 항복강도의 상관성

14 2015. 06 Vol. 63 |實事求是|

일반적으로 프레스 성형용 판재의 가공성은 인장특성에 의해

영향을 받게 되며 기본적으로 요구되는 항복강도, 연신율 및

결정립 크기를 우선적으로 고려하여 최적의 공정 제어인자를

도출하게 된다. 재질특성은 주로 소재의 화학성분과 소둔공정

에서 제어된다. 화학성분으로는 결정립의 크기에 영향을 미치

는 Fe함량과 강도에 영향을 미치는 O의 함량이 대표적이고,

주요한 공정요인으로는 냉간압연후 실시되는 소둔 온도, 열처

리 패턴 및 형상교정 조건 등이 있다.

[그림 4]에는 티타늄 판재 제조에서의 주요 공정인자와 재질과

의 상관성을 나타내었다. 냉간압연후 진공소둔이 완료된 판재

에서 소재중 Fe함량의 증가에 따라 항복강도가 점차 증가하고

결정립 크기는 감소하는 경향이 뚜렷하다. 이러한 결과로부터

최적의 Fe 농도 범위와 소둔 온도 설정과 더불어 가공성이 우

수한 판재 제조가 이루어진다.

[그림 5]는 판형 열교환기용으로 양산 중인 고가공성 티타늄

판재에 대하여 스트레칭과 드로우잉의 변형모드를 모두 포함

한 프레스 성형 한계도를 나타내고 있다. 소재의 변형한계는

평면소성변형조건에서 40%이상의 변형능력을 보여 주고 있으

며, 일반적으로 사용되는 판형 열교환기용 판재 보다 높은 성

형성 수준을 나타내었다.

그림 5 판형열고환기용 티타늄 판재의 성형한계도

●●●

재질특성은 주로 소재의 화학성분과

소둔공정에서 제어된다.●●●

기대효과

포스코는 2010년 티타늄 판재 상업화 이래 제조 공정조건의

최적화와 제품의 품질 향상 및 다양화에 꾸준한 노력을 기울여

왔다. 그 일환으로 판형 열교환기용 고가공성 티타늄 판재 제

조기술 개발을 추진하였으며, 고객사의 엄격한 요구수준을 만

족하기 위하여 재질특성 개선에 필요한 공정조건의 최적화를

지속적으로 실시하고 있다.

고가공성 티타늄 판재를 개발하기 위해서 소재의 주요 화학성

분에 대한 최적 범위 설정과 압연 및 소둔 공정에서의 조건 최

적화 등 실험실적 제조기준 도출과 최종 제품의 평탄도 확보를

위한 형상제어 등 상업설비를 활용하는 공정조건 최적화를 위

한 연구가 병행되었다. 특히 엄격한 공정제어가 요구되는 판형

열교환기용 고가공성 판재 제품에 대하서 생산 현장과의 협업

을 통해 국내외 시장에서 경쟁 가능한 제품의 품질을 확보하게

되었다. 판형 열교환기용 티타늄 판재는 ‘16년 국내외 주요 5개

고객사를 대상으로 약 500톤이 판매될 계획이며 향후 수익성

제품으로서 역할이 기대된다.

향후 계획

판형 열교환기용 티타늄 판재는 고객사들의 제품 사용 조건에

서 차이가 있으므로 일부 공급재에 대해서는 재질 수준을 차별

화할 필요가 있고, 그에 따른 생산설비에 대해서는 제조조건의

미세 조정과 품질 안정화를 진행하고자 한다. 최근 판형열교환

기용 가공 패턴이 고변형률화하기 때문에 이에 대응하기 위해

서 소재의 고가공성 향상에 대한 지속적인 연구개발이 필요하

다. 또한, 향후 신규 고객사의 개발 및 원활한 제품 공급을 위

해서 제품에 대한 성형성 예측 기술의 개발은 물론 고객사와의

긴밀한 협력을 위한 적극적인 EVI의 활동을 진행할 예정이다.




포항산업과학연구원 융합소재연구그룹 박종원

강구조물

부식 방식기술

서 론

부식 손상에 따른 강구조물의 수명예측은 강구조물 및 강구조

구성부품에 대한 수명을 설계할 경우 매우 중요한 사항이다.

특히, 수명예측은 구조물의 설계는 물론 유지관리에 따른 경제

적 비용 등을 산출할 경우 매우 중요한 항목이므로 정확한 예

측 결과는 전체 구조물의 경제성에 많은 영향을 미치게 된다.

그림 1 균일부식 및 국부부식 진행의 모식도

강구조물의 부식손상은 균일부식과 국부부식으로 대별할 수

있으며, 그 중에서 부식손상이나 수명의 예측이 곤란한 것은

국부부식이다. [그림 1]에 균일부식과 국부부식의 부식진행도

를 개략적으로 나타내었다. [그림 1]에서와 같이 균일부식의 경

우는 부식이 진행됨에 따라 비교적 일정한 속도로 두께가 감소

하고, 구조물 및 구성 부품의 허용두께의 한계치에 도달할 때

까지의 시간이 부식수명이 된다. 즉, 평균부식속도와 이의 시

간의존성을 알면 간단히 수명을 예측할 수 있다.

●●●

균일부식의 경우는 부식이 진행됨에 따라

비교적 일정한 속도로 두께가 감소하고,

구조물 및 구성 부품의 허용두께의 한계치에

도달할 때까지의 시간이 부식수명이 된다.

●●●

산업구조의 고도화에 따라 초고층 빌딩, 해양 플랜트, 핵융합발전로 등의 철강으로 구성된 산업 구조물들이 산업계에 널리 보급 되

고 있다. 이러한 강구조물들의 특징은 매우 거대하며 안전 사고 발생시 막대한 피해를 유발할 수 있다는 점에서 그 편의성에 반한

안전 사고의 위험을 내재하고 있다. 따라서 설계 단계에서부터 시공까지 구조물의 수명을 고려한 안전율을 반영하여 매우 보수적으

로 접근하는 것이 바람직하며 특히, 다양한 철강 소재가 다양한 환경에 적용되므로 강재 자체가 가지는 부식성에 대해 장기간 수명

에 대한 정확한 예측 및 이를 기반한 적절한 방식 기법의 채용이 매우 중요하다고 할 수 있다. 이러한 배경으로 본 기고에서는 강구

조물의 수명을 예측할 수 있는 다양한 평가법과 이를 보호하는 방식 기법에 대해 설명하고자 한다.

Keyword : 강구조물, 부식, 방식, 수명예측

16 2015. 06 Vol. 63 |實事求是|

강구조물의 부식 평가는 단기간에 평가되는 실내 시험과 실제

환경에서 장시간 폭로시험으로 구분할 수 있다. 옥외폭로시험

의 경우 실제 환경에서의 수명을 정확하게 측정할 수 있다는

장점이 있으나, 몇 년간의 오랜 기간 평가가 필요하다는 문제

점이 있다. 이를 극복하기 위해 실제 환경에서 부식을 유발시

키는 인자를 이용하여 단기간 내 부식 수명을 평가할 수 있는

실내가속시험들이 개발 및 표준화 되어 적용되고 있으나, 이를

이용하여 실제 환경에서 부식 수명을 예측하기 위해서는 다양

한 통계학적 검토가 필요하다.

국부부식은 부식반응이 시작되는 장소와 시간이나 형성된 부

식층의 전파방향과 속도를 본질적으로 예측하기 어렵다는 점

과 이에 영향을 주는 변수가 많다는 점, 그리고 이들 인자에 의

한 불예측성으로 인해 국부부식에 의한 경우의 수명예측에는

많은 어려움이 따른다. 국부부식에 의한 부식수명예측은 다음

의 두 가지 방법이 있다. 그 하나는 공식이나 틈부식과 같은 국

부부식 기구를 모델화하여, 그 진행속도를 추정하거나, 부식피

로 등에 있어 파괴역학적 방법에 의해 균열진전속도를 추정하

고자 하는 방법이며 부식학의 입장에서는 확정론적 방법이라

고 할 수 있다. 또 하나의 방법은 국부부식의 확률적 성격에 주

목하여 확률·통계론적으로 수명을 예측하고자 하는 확률론적

방법이며, 비교적 최근에 이용되기 시작하였다.

●●●

국부부식에 의한 부식수명예측은 확정론적 방법과

확률·통계론적 방법 두 가지 방법이 있다.●●●

확정론적 방법은 먼저 관심의 대상이 되는 계의 양상을 규정짓

고 이러한 현상에 기여하는 계의 중요한 물리적 과정과 그들

간의 상호반응이 일련의 수식으로 표현될 수 있어야 하며, 이

러한 식들은 수식에 필요한 변수들의 실험데이타를 필요로 하

게 된다. 일단 모델이 완성되면 타당성과 적용정도에 대한 평

가가 요구된다. 확정론적 방법은 종종 각각의 단계에서 가정을

평가 결과에 의해 수정하는 되풀이 과정에 의해 만들어진다.

확률·통계론적 방법은 좀 더 직접적인 부식자료를 이용하고

있다. 일반적으로 이 방법들은 계를 지배하는 물리적 화학적

과정이 쉽게 정의될 수 없는 상황에서 사용한다. 이 모델들은

실험 데이터의 다양한 통계적 처리를 거쳐서 계산된 수의 변수

들을 포함하게 된다.

이 두 방법의 장단점을 정리해보면, 확률·통계적 방법에 의한

수명예측은 실제 사용 조건에 근접한 비교적 정확한 수명 예측

이 가능하다는 점과 부식진행과정, 복잡한 부식기구의 이해 없

이 수명예측이 가능하다는 장점을 갖고 있으나 정확한 수명예

측을 위해서는 많은 실측 부식 데이터가 소요되며 실제로 이

데이터의 획득에 장기간이 소요되고 비용과 노력이 필요하다

는 문제점이 있다.

반면 기구학적 방법에 의한 확정론적 수명예측은 부식수명과

부식기구의 예측가능한 점과 한 모델링으로 유사재료, 환경에

대하여 부식수명 예측이 가능하다는 장점이 있으나, 현 단계에

서 많은 부식 변수를 모두 고려하는 모델링이 불가능하고, 모

델링에 이용되는 부식데이터의 부정확성의 문제가 존재한다.

본 연구에서는 실험실적 환경에서 단기간 내 부식 거동을 규명

하기 위한 실제 환경 모사 시험 방법의 개요와 이를 이용한 부

식수명예측에의 확률·통계도입 및 이의 응용에 대하여 설명

하고자 한다.

강재의 가속 부식수명 평가 실험

1 부식평가 개요

실내 환경에서의 강재 부식 평가는 실제 환경에서 강재가 노출

되는 환경을 최대한 유사하게 모사하는 것을 목표로 다양한 국

내외적 시험평가 방법이 규정되어 있다. 본 장에서 이러한 시

험 방법을 자세하게 설명하기는 어려우나 대표적인 시험방법

을 소개하면 하기와 같다.




ISO 9223:1992 Corrosion of Metals and Alloys – Corrosivity of

Atmospheres –Classification (옥외 부식)

IEC 60654-4: 1987 Operating Conditions for Industrial-

Process Measurement and Control Equipment: Part 4 –

Corrosive and Erosive Influence (대기 오염물 부식 포함)

ISO 11844-1:2006 Corrosion of Metals and Al loys

– Classification of Low Corrosivity of Indoor

Atmospheres: Part 1 – Classification of Indoor Atmospheres (실내 부식)

2 부식 평가 방법

현재 주요 가속부식평가 방법은 일정조건하 챔버 평가와 사이

클 조건하 챔버 평가로 분류될 수 있다. 일정조건하 챔버 평가

는 오랜 기간 다양한 분야에서 가속부식 평가 방법으로 적용되

고 있으나, 실제 환경과의 유사성이 떨어지므로 실제 환경에서

의 부식 수명을 고려한 상관관계를 도출하기에는 어려움이 있

다. 반면에, 사이클 챔버 평가법은 좁은 조건에의 평가에 응용

될 수 있으나, 실제 환경을 실내 챔버에서 비교적 유사하게 구

현이 가능하므로 실제 환경에서의 부식 수명을 유추할 수 있는

상관관계를 도출 할 수 있다는 장점이 있다.

(1) 응축수를 이용한 평가

어떤 특정 조건하에서 부식을 유발시키는 주요 인자는 응축

수이며, IEC 60068-2-30:2005에서는 이를 모사하고 있다.

평가 조건은 높은 습도(RH 95~100%)에서 3시간, 낮은 습도

(90~96%)에서 9시간, 그리고 높은 습도 조건에서 12시간을 유

지시키는 사이클 조건으로 구성되어 있다. 챔버 온도는 낮은

습도 영역에서는 40℃를 유지하여야 하며, 높은 습도 영역에

서는 25℃를 유지하여야 한다. 이 평가 방법은 순수한 대기 환

경에서 깨끗한 금속 표면에 응축수가 발생할 경우의 부식 현상

을 모사한 것이나, 이와 같은 조건은 실제 대기 환경 및 건축물

의 부식에는 공업지대 및 해양으로 부터의 오염물 및 염분 등

이 포함되어 부식을 촉진시키므로 실제 환경을 대변하는 부식

시험으로는 적절하지 않다.

(2) 염수분무 평가

중성의 염수가 연속적으로 분무되는 자연염수분무 평가(NSS)

는 1914년 이래로 지속적으로 부식 시험평가에 적용되어 왔

으며, 이 평가 방법은 ASTM B117로 규격화되어 있다. 또한,

NSS 평가 및 이와 연관된 아세트산 염수분무 평가(AASS), 그

리고 구리, 아세트산 염수분무 평가(CASS)는 ISO 9227:2006

Corrosion Tests in Artificial Atmospheres – Salt Spray Tests에

규정되어 있다.

NSS 평가는 해양환경으로 유발되는 염수 입자가 표면에 농축

되어 부식을 촉진시키는 원리를 모사한 시험 방법이다. 그리

고, AASS 평가는 공업환경에서 유래되는 오염물이 동시에 부

식에 영향을 미치는 것을 모사하기 위해 산 전해질인 아세트산

을 포함한 평가 방법이며 이는 5% 염수와 빙초산을 혼합하여

pH 3.1~3.3으로 제조된 용액을 분무하는 형태로 구성되어 있

다. CASS 평가는 AASS 평가법에 온도를 상승시키고 이가 구

리 이온을 용액에 첨가함으로서 부식을 가속화 시키는 방법으

로 자동차 분야 강재의 부식 평가에 널리 사용되는 방벙이다.

[표 1]에 각각의 부식 평가 방법에 대한 개요를 나타내고 있다.

표 1 다양한 염수분무 평가방법 조건 비교

변수 NSS AASS CASS

pH 6.5 ~ 7.2 3.1 ~ 3.3 3.1 ~ 3.3

염분(%) 5 5 5

온도(℃) 35 35 50

시편 각도(°) 15 ~ 30 15 ~ 30 15 ~ 30

다양한 염수분무 평가방법이 광범위한 영역에 걸쳐 국제표준

화 되어 사용되고 있으며, 특정환경 및 염수분무환경하에서 금

속 소재의 부식 특성에 대한 많은 데이터베이스가 구축되어 있

다. 그러나 상기에 서술한 바와 같이 연속적인 염수분무 시험

은 실제환경과 상관관계를 도출하기 매우 어렵다는 단점으로

최근에는 사이클 부식 시험 등을 선호하고 있는 실정이다.

(3) 사이클 부식 평가

사이클 부식 평가방법은 금속 소재의 부식속도를 비교평가하

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기에 매우 유용하며, 실제 환경과의 유사성을 근간으로 실 수

명을 예측하기에 매우 유용한 방법이다. 이러한 평가법의 요

구 사항들은 ISO 14993:2001 Corrosion of Metals and Alloys

– Accelerated Testing Involving Cyclic Exposure to Salt Mist,

‘Dry’and ‘Wet’conditions에 잘 요약되어 있으며, 이 규격에 포

함된 사이클 부식 시험(CCT)는 자동차의 부식 현상을 연구하

는 과정에서 파생된 방법이다 [표 2 참조].

표 2 ISO 14993규격 내 사이클 부식 시험 조건

Stage Action Condition

1

염수분무

온도(℃)

염수농도, %

35±2

5±.5

2

건조

온도(℃)

RH(%)

60±2

<60

3

습윤

온도(℃)

RH(%)

50±2

>95

4

단계별 시간

염수분무

건조

습윤

8

2

4

2

5 실환경 상관관계45사이클당 실환경

13개월 해당

*실환경 상관관계는 일본 오키나와 기준

또한 코팅 물질에 대한 특정 평가 방법도 개발되었으며, 이는

ISO 11997-1:2005 Paints and Varnishes – Determination of

Resistances to Cyclic Corrosion Conditions: Part 1 – Wet(Salt

Fog)/Dry/Humidity와 ISO 11997-2:2000 Paints and Varnishes

– Determination of Resistance to Cyclic Conditions: Part 2 –

Wet(Salt Fog)/Dry/Humidity/UV Light에 잘 요약되어 있다.

ISO 11997-1 평가법은 해양 대기 환경을 모사한 실험방법으로

3가지 파트의 사이클로 구성되어 있다. 사이클 A는 미국과 일

본의 해양환경을 모사한 시험 조건이며, 사이클 B는 유럽 국가

들의 해양 대기 환경을 모사한 시험 조건이다. 반면에 사이클

C는 수성 및 그와 유사한 코팅 소재에 대해 실제 해양 대기 환

경에서의 부식 특성을 모사하는 시험 조건으로 구성되어 있다.

사이클 A와 B에서는 pH 5~8사이의 50g/L 염화나트륨이 사

용되나, 사이클 C에서는 0.31g/L의 염화나트륨과 4.1g/L의 황

화 암모니움이 사용된다.

ISO 11997-2 규격 내 가속시험방법은 ISO 11997-1과 유사하나

습윤 사이클에서 UV 광을 조사시키는 것이 차별화된 점이다.

시험평가는 사이클 부식 시험기와 UV 광 조사가 가능한 시험

기를 동시에 적용해야 하며, 1시간의 염수분무(0.05% 염화나트

륨 및 0.35% 황화암모니움 사용)와 35℃ 1시간의 건조(168시간

반복)과 함께 60℃ 4시간의 UV 조사와 50℃ 4시간의 습윤 공

정을 거치는 복잡한 시험평가 방법이다.

●●●

연속적인 염수분무 시험은 실제환경과 상관관계를

도출하기 매우 어렵다는 단점으로 최근에는

사이클 부식 시험 등을 선호하고 있는 실정이다. ●●●

가속부식 시험 결과 기반 부식 수명 예측

1 균일 부식 수명 예측

(1) 부식 속도

부식반응은 전기화학 반응이므로 부식속도는 전류로서 측정하

여 표시할 수 있다. 표면적 S, 원자량 M인 금속이 n가의 이온

으로서 용출하여 기간 t동안 ΔW의 중량손실이 발생한다고 하

면, 이때의 반응속도는 전류밀도 I로 나타낼 수 있다. (F=96485

Coul/g-eq)

(1)

또한, 부식속도는 용출되는 부식량을 기준으로 하는 방법(부식




도)과 침식되는 두께방향의 깊이를 기준으로 하는 방법(침식

도)의 두 가지 표시 방법이 있다.

(2)

(3)

여기서 ρ는 금속의 밀도이고, ΔL은 평분침식깊이이며, 경우에

따라서는 최대 침식깊이/t를 취할 수도 있다. 각 종 단위에 의

한 수치환산표를 [표 3]과 [표 4]에 정리하였다. 부식도와 침식

도는 W = ρL로서 쉽게 환산되며, mdd를 구하기 위해서는 ipy

에 696 X 밀도를 곱하면 되고 ipy는 mdd에 0.00144/ρ를 곱하

면 얻을 수 있다.

표 3 부식도의 환산

mdd* g·m-2·h-1

1mdd 1 4.17 x 10-3

1g·m-2·h-1 2.4 x 102 1

Fe 10μA/cm2 25.0 0.104

*mdd : mg/dm2/day

표 4 침식도의 환산

mm/yr mpy* m/s

1mm/yr 1 3.94 x 10 3.17 x 10-11

1mpy* 2.54 x 10-2 1 8.05 x 10-13

1m/s 3.15 x 1010 1.24 x 1012 1

Fe 10μA/cm2 0.116 4.57 3.68 x 10-12

*mpy = mil per year, ipy = inch per year

(2) 부식 속도 모델

가장 일반적인 재료의 사용환경인, 대기와 접한 중성 자연수

환경에서 탄소강의 부식속도를 생각해 보자.

이 때의 부식 반응은

Fe → Fe2+ + 2e (산화) (4)

O2 + 2H2O + 4e → 4OH- (환원) (5)

이며, 위의 두 반응의 속도가 같은 조건하에서 탄소강의 부식

반응이 진행된다. 이 반응의 특징은 용존산소 환원지배형으로

이 반응의 속도는 산소확산한계 전류밀도, iLO2에 의존하며, 본

질적으로는 (4)식의 금속측 인자의 부식속도에 영향받지 않는

다.

(6)

여기서 n=4 g-eq/mol, F=9.65 x 104 Coul/g-eq이며, 25℃에

서 용존산소의 확산계수는 DO2=10-5 cm2/s, 1기압의 대기와 평

형을 이루는 물의 경우 용액 중의 용존산소의 농도, CO2=2.5 x

10-7 mol/cm3이다. 정지된 상태의 물에서 확산층의 두께, δ=5 x

10-2 cm를 적용하면, iLO2= 20 μA/cm2에 대응하는 철의 부식속

도는 약 0.2 mm/yr가 된다.

실제로는 표면에 부식산화물층이 형성됨에 따라 부식속도는

0.1 mm/yr정도, 또는 그 이하로 감소한다. 이는 형성되는 부식

생성물층이 산소확산의 장애 역할을 하여 산소의 실효확산계

수를 저하시키기 때문이다. 부식속도의 경시변화는 표면산화

층의 형성속도, 밀도, 조성 등에 의존하며 직선형, 포물선형, 입

방형 등과 같이 평균침식깊이가 시간의 n승에 비례하는 형태

로 모델화하는 것이 일반적이다.

가장 많이 적용되고 있는 포물선형(n=1/2)의 경우를 예를 들어

보자. 초기 부식속도를 r0[mm/yr], 속도상수를 k[yr]라고 할 때,

평균침식 깊이 a[mm]와 시간 t[yr]사이의 관계는 다음 식으로

표시된다.

(7)

●●●

부식속도의 경시변화는 평균침식깊이가

시간의 n승에 비례하는 형태로 모델화하는 것이 일반적이다.●●●

20 2015. 06 Vol. 63 |實事求是|

해수중에서 탄소강의 문헌상의 각종 부식 데이터를 (7)식에 의

해 정리한 결과를 [그림 2]에 나타내었다. 실제부식결과는 속도

상수 k=0.80에서 포물선형 모델과 잘 일치하고 있음을 알 수

있다. 상기에서 설명한 방법을 통해 실제 가속부식시험 결과를

이용하여 측정된 부식 속도를 부식속도 모델링에 적용하면 균

일 부식의 경우 실제 환경에서의 부식 수명을 예측하는 것이

용이하다.

2 국부 부식 수명 예측

(1) 국부부식의 특징과 통계 분석

공식, 틈부식, 응력부식균열(SCC)등의 국부부식에 의한 강재의

수명(tf)은 사용 시작 후 국부부식 발생까지의 시간(ti:잠복 기간)

과 국부부식이 진행하여 재료의 허용두께를 관통할 때까지의

시간(tp:진행 기간)의 합이 되며, 그 모식도를 [그림 3]에 나타내

었다.

국부부식 진행곡선을 나타내는 속도식으로는

(8)

이 일반적이다. 여기서 a0는 한계 국부 부식 성장 깊이이다.

SCC의 경우, n=1의 직선형이 많으며, Al합금의 공식, 스테인레

스강/중성염화물 수용액의 틈부식 등에서는 n이 1/3정도이다.

이와 같이 잠복기간을 포함한 국부부식의 속도식이 부식 테이

터로부터 확정된다면 쉽게 수명예측이 가능하다. 그러나 국부

부식 현상이 본질적으로 확률적 성격을 갖고 있기 때문에 확정

론적 입장만의 접근은 불충분하며 또한 부식과 관련된 변수가

매우 많고 복합적으로 작용하게 되므로 확률·통계적 접근이

필요하게 된다.

●●●

잠복기간을 포함한 국부부식의 속도식이 부식 테이터로부터

확정된다면 쉽게 수명예측이 가능하다.

그러나 부식과 관련된 변수가 매우 많고 복합적으로 작용하

게 되므로 확률·통계적 접근이 필요하게 된다. ●●●

균일부식의 경우는 확률 분포의 선택 시 평균부식 속도와 같이

평균치 문제이나, 국부부식의 경우에는 최대침식깊이, 최소발

생시간과 같이 최대치, 최소치의 극치가 문제가 되며 극치 통

계를 이용하여 해석한다.

그림 3 국부부식의 진행과정

(2) 가속부식시험 결과를 통한 국부부식 수명예측

소수의 면적이 작은 시험편의 최대 공식깊이로부터 대면적

의 재료에 대해 공식깊이를 추정해 보자. 예로서 시편수 N=10


그림 2 탄소강 / 해수계의 부식속도 모델



의 최대공식깊이를 측정한 부식데이터를 통계 처리하여, 누적

분포(F)를 구해 이를 Gumbel 확률지에 plot하여 직선성을 얻

은 경우의 모식도를 [그림 4]에 나타내었다. X축은 최대공식깊

이(x)이며, Y축은 누적분포(F)이다. 오른쪽 Y축은 재귀기간(T :

return period)을 나타낸다. 재귀기간 T는 다음 식으로 표현된

다.

(9)

N=10이므로 부식데이터의 plot은 평균랭크법에 의해 F=N/

N+1=10/11=0.91까지 존재한다. 여기서, 500배의 면적을 갖

는 시험편에 발생하는 최대공식깊이를 추정해 보자. 500배

의 면적은 갖는 시험편은 시편수 N=500의 작은 면적 시험편

을 실험한 경우와 같다고 하면, 이 때의 부식데이터의 plot은

F=N/N+1=500/501=0.998까지 존재할 것이다. 또한 T=1/1-

F=N+1=501이 된다. 여기서, T=501의 횡축이 데이터의 직선과

교차하는점 A를 구해 A점의 확률변수 x의 값, x500이 구하고

자 하는 500배의 면적은 갖는 시험편에서의 최대공식깊이로서

추정할 수 있다.

일반적으로 N의 값이 크므로 T=N이라고 할 수 있으며, 시편면

적이 N배의 시편에서 측정되는 최대 침식깊이는 T=N이 나타

내는 확률변수의 값이 된다고 할 수 있다. 이 방법을 이용하면

실험실에서 소수의 시험편에 대한 부식시험결과나 강재의 일

정부분에서의 부식측정데이터로부터 강재 전채의 최대 부식속

도를 예측하는 것이 가능하다.

●●●

국부부식을 이용하면 실험실에서 소수의 시험편에 대한 부식

시험결과나 강재의 일정부분에서의 부식측정데이터로부터

강재 전채의 최대 부식속도를 예측하는 것이 가능하다. ●●●

그림 4 최대 피트 깊이의 Gumbel 분포

맺음말

자연 상태에서 다양한 부식 환경에 노출되는 강구조물은 자체

의 기능성은 물론 안전성 확보를 위해 엄격한 부식 수명을 고

려하여 설계 및 시공 되어져야 하며, 이를 위해 다양한 평가 및

해석과정을 거쳐 신뢰성 있는 결과를 확보하여야 한다. 장기간

옥외폭로시험을 대체하기 위해 다양한 실내가속시험법들이 개

발 및 규격화 되어 있으며, 사용자는 적절한 시험법을 통해 강

구조물에 적용하고자 하는 강재의 부식성능을 평가하여야 하

며, 이를 통해 얻어진 결과는 통계학적인 해석을 통해 신뢰성

있는 실제환경에서의 부식 수명을 예측할 수 있다.

22 2015. 06 Vol. 63 |實事求是|

참고문헌

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5. T. Shibata, “Historical and Teoretical Background of

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Corrodible Structure, NACE, pp 64 (1994)

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Process”, Corrosion, Vol. 47, pp 659 (1991)


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