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본 연구에 사용된 FRP 시편의 매트와 로빙은 Owens Corning Korea의 M723-450과 WR-570-100, 수지는 (주)폴린트컴포지트코리아의 G-613BT(R), 경화제는 대한화학공업사의 UPR 경화제 WD, 알루미나 분말은 (주)알앤비의 AP-100 1μm를 사용하였으며 물성은 Table 1-3과 같다. 매트와 로빙은 UP 수지와 함침 및 적층시킨 후 강도를 측정한 영국 선급(Lloyd’s classification society) 인증 결과값이다.

적층 순서는 실제 소형어선 건조 시 적용하는 매트(Mat)-로빙(Roving) 적층 방법을 사용하였고 가운데 층인 5번째 매트와 6번째 로빙 층 사이에 수지와 알루미나 분말의 혼합 비율을 각각 0%, 1%, 5% 및 10%로 혼합한 수지를 사용하여 수적층(hand-layer) 공법으로 FRP 외판을 대기압 상온에서 Fig. 2와 같이 적층하였다.

Fig 2 
Schematic drawings of the specimen

알루미나 분말과 수지의 비율은 Table 4와 같이 수지 2,000 mL에 알루미나 분말을 각각 20 mL, 100 mL, 200 mL를 넣고, 경화제는 같은 양인 10 mL를 넣고 10분간 저어준 뒤¹⁰⁾ 적용하였다. 시험편은 「강화플라스틱선의 구조기준」별표3과 별표6의 시험편 규격을 따라 비율별 인장 및 굽힘 시험편을 각각 10개씩 총 80개를 제작하였다.

Fig. 3은 SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 촬영한 단면이며, 분말을 적용하지 않은 기준재는 수지가 불규칙한 양상을 띠지만 AL5L-10은 수지가 점성을 이룬 찰흙과 같이 불규칙한 모습이 없어진 형태를 볼 수 있다.

Fig. 3 
SEM images of specimen (a) Neat resin and (b) AL5L-10

1) 인장강도 시험편 제작

인장강도 시험편은 Fig. 4와 같은 형상으로 t는 원두께로 하고, F는 평행부 거리로 60±0.5 mm, G는 표점거리로 50±0.5 mm, R은 어깨부의 반지름으로 60 mm 이상, W는 너비로 25~30 mm를 기준으로 하였다.¹²⁾ 수적층 공법으로 인해 시험편의 두께가 고르지는 않았으며 시험편의 두께는 6.93 ~ 7.75 mm였다.

Fig. 4 
Tensile test specimen⁽¹²⁾

2) 굽힘강도 시험편 제작

굽힘강도 시험편은 Fig. 5와 같은 형상이며 t는 두께로 원두께로 하고, W는 너비로 50 mm, ℓ은 길이로 두께 t의 20배 이상으로 하였다.¹²⁾ 시험편의 두께는 6.73 ~ 7.72 mm였다.

Fig. 5 
Flexural test specimen

인장강도 시험은 뉴원시스템의 R25243 인장 및 압축 시험기를 사용하여 「강화플라스틱선의 구조기준」 별표3의 인장강도와 인장탄성계수의 규정에 따른 시험방법을 준용하여 알루미나 분말의 혼합 비율 0%, 1%, 5% 및 10% 시험편을 5개씩 총 20개의 시험편에 대하여 인장 하중 속도를 분당 5 mm로 Fig. 6과 같이 실시하였다.¹²⁾

Fig. 6 
Tensile test

Fig. 7은 기준재와 알루미나 분말을 수지에 0%, 1%, 5% 및 10%로 혼합한 수지를 가운데 층(5~6층)에 적용한 시험편의 인장강도 시험결과이며 인장강도 기준값은 98 MPa로 모든 시험편이 기준치를 초과하였다.¹²⁾ 알루미나 분말을 5% 혼합한 AL5L-5의 평균값이 153.5 MPa로 가장 높았으며 기준재의 평균값보다 5.4% 높았다.

Fig. 7 
Comparison of tensile strength with alumina powder composites

AL5L-1의 평균값과 AL5L-10의 평균값은 132.2 MPa, 135 MPa로 기준재(145.6 MPa)보다 낮은 강도 평균값을 보였다. 평균값으로 확인한 인장강도는 알루미나 분말의 혼합비가 증가할수록 강도가 줄거나 증가하지 않았고 5%를 혼합한 AL5L-5에서 강도가 가장 높은 결과를 보였다.

Fig. 8은 시험편의 인장강도-변위 시험결과이다. 인장강도-변위 곡선은 평균값과 가장 비슷한 인장강도 값을 가진 시험편의 인장강도-변위 곡선을 대표적으로 확인하였다. 곡선 분석 결과, 4개의 시험편이 모두 최종 파단면에서 수직으로 급하게 꺾이는 모습을 보였다. 알루미늄 분말을 혼합한 시험편에서는 기준재에서는 없었던 순간적으로 강도가 꺾였다가 다시 증가하는 팝인(pop-in) 현상이 원과 같이 나타났으며, 이는 시험편 균열 진행 방향의 하중이 수지액 내부의 알루미나 분말 영역과 만나면서 그 하중이 순간적으로 변하였기 때문이며, 알루미나 분말의 혼합 비율이 높은 AL5L-10에서 두 번의 큰 팝인 현상을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 
Tensile stress versus table position

Fig. 9는 인장강도 파단 후 시험편이며 파단면 주변으로 매트와 로빙의 경계면에 박리가 발생하며 로빙의 형태를 확인할 수 있을 정도로 하얗게 변한 것을 볼 수 있다. 하지만 그 박리의 면적이 알루미나 분말의 혼합 비율이 높아질수록 줄어들었으며, (d)의 경우는 파단 경계면에서 로빙과 매트의 박리 발생 여부를 확인하기 어려울 만큼 불투명하였다. 알루미나 분말을 혼합한 수지는 알루미나 분말이 수지에 녹아 불투명한 백색을 띠었고 이 수지를 가운데 층에만 적용하였지만 수지가 가운데 층(5번째)에만 영향을 미치지 않고 시편 전체에 영향을 준다는 것을 확인하였다.

Fig. 9 
Failure patterns (a) neat resin, (b) AL5L-1, (c) AL5L-5 and (d) AL5L-10 of tensile test

굽힘강도 시험은 인장강도 시험에 사용한 같은 시험기를 사용하여 강화플라스틱선 선박의 구조기준 별표 6의 굽힘강도와 굽힘 탄성계수의 규정에 따른 시험방법을 준용하여 알루미나 분말의 혼합 비율 0%, 1%, 5% 및 10% 시험편을 5개씩 총 20개의 시험편에 대하여 Fig. 10과 같이 3점 굽힘강도 시험을 하였다. 시험편의 두께는 6.73 ~ 7.72 mm이었으며, 굽힘강도 결과에서 중요한 지지점(ℓ) 간의 거리는 공통으로 100 mm를 적용하였다.

Fig. 10 
3-point flexural test

굽힘강도식은 (1)과 같으며, P는 파단하중(kg), ℓ은 지지점 간의 거리(mm), b는 시험편의 너비(mm), t는 시험편의 두께(mm)로 계산할 수 있으며 하중 속도는 분당 시험편 두께의 2분의 1(mm)을 표준으로 하였다.¹²⁾

Fig. 11은 알루미나 분말을 수지에 0%, 1%, 5% 및 10%로 혼합한 수지를 가운데 층(5~6층)에 적용한 시험편의 굽힘강도 시험결과이며, 굽힘강도 기준값은 147.1 MPa로 모든 시험편이 기준치를 초과하였다.¹²⁾

Fig. 11 
Comparison of flexural strength with alumina powder composites

알루미나 분말을 혼합하지 않은 기준재의 강도가 257.7 MPa로 가장 높았으며. AL5L-10, AL5L-5, AL5L-1 순서로 240.2 MPa, 218.5 MPa, 195 MPa 강도를 보였다. 알루미나 분말을 혼합한 수지를 사용한 시험편의 굽힘강도가 기준재보다 전반적으로 낮았으나, 알루미나 분말 혼합 비율이 높을수록 굽힘강도는 증가하는 양상을 보였다.

Fig. 12는 알루미나 분말을 수지에 0%, 1%, 5% 및 10%로 혼합한 수지를 가운데 층에 적용한 시험편의 굽힘 탄성계수 값이다. 굽힘 탄성계수 식은 (2)와 같으며. ℓ은 지지점 간의 거리(mm), b는 시험편의 너비(mm), t는 시험편의 두께(mm)로 계산할 수 있다.¹²⁾

Fig. 12 
Comparison of flexural modulus with alumina powder composites

하중 처짐 곡선도의 초기 직선 부분의 접선 기울기 m은 굽힘강도 응력-변위 값의 파괴응력 값 100%를 기준으로 20-50%의 응력 값에서 20~50%의 변위 값을 나누어 적용하였다.¹³⁾

알루미나 분말을 수지에 혼합한 시험편의 굽힘강도 탄성계수는 기준재와 AL5L-10이 10.66 GPa과 10.26 GPa로 비슷한 결과를 보였고, AL5L-1과 AL5L-5는 7.9 GPa과 8.5 GPa로 기준재보다 낮은 결과를 보였다. 알루미나 분말 혼합 비율이 증가할수록 탄성계수가 증가하는 양상을 보였다.

Fig. 13은 DIMIS사의 DIMIS-M 디지털 현미경을 사용하여 기준재, AL5L-1, AL5L-5, AL5L-10 굽힘강도 시험편 파단면을 나타낸 사진이다. 기준재의 경우, 지그가 누르는 반대 면인 시험편의 하부에서 균열이 시작되어 상부 쪽으로 수직 진행되다가 로빙과 매트의 경계면을 기준으로 시험편 수평 방향으로 균열 확장을 확인할 수 있었다. 반면 알루미나 분말을 혼합한 시험편은 혼합 비율이 커질수록 시험편 하부에서 균열이 시작하는 양상은 같았으나 수직 방향으로 균열 성장이 줄어드는 모습을 보였다. 수직 방향으로 균열이 줄어드는 만큼 로빙과 매트의 경계 부분의 층간박리(delamination) 길이와 면적도 줄어드는 모습을 보였다.

Fig. 13 
Fracture shape of (a) neat resin, (b) AL5L-1, (c) AL5L-5 and (d) AL5L-10 flexural specimen

기준재(a)는 매트와 수지 함침 층에서 미세한 균열을 많이 발견할 수 있었다. AL5L-1에서는 첫 번째 로빙까지는 시험편 방향으로 긴 균열을 발견할 수 있었지만, 균열이 표면 방향으로 성장하지는 않았다. AL5L-5와 AL5L-10에서는 굽힘강도 시험으로 인한 하부의 균열이 발생하였고, 하부층에서 매트와 로빙 사이에서 층간박리가 주로 발생하였다. 알루미나 분말을 혼합한 수지가 기준재와 비교하여 수지 자체의 미세한 균열의 발생이 줄어드는 현상을 확인하였다.

이를 통해 알루미나 분말을 혼합한 수지액이 로빙과 매트의 경계면 접합력의 향상을 통해 내부의 균열 확장을 제한하는 효과가 있으며, 층간박리 현상 감소 효과를 가져올 수 있다고 사료된다.

시험편은 복합재료의 특성과 수적 층의 한계로 인해 같은 시험판에서 제작된 시험편임에도 불구하고 기계적 특성과 두께가 같은 결과를 얻기 어려운 복합재료와 수적 층의 한계를 확인하였다.

전체적으로 알루미나 분말 혼합 수지를 가운데 층에만 적용하였을 때 강도적인 측면에서는 큰 장점을 갖지는 못하였다. 하지만 균열의 성장 억제에는 효과가 있었으며, 이를 통해 전체 균열 면적이 줄어드는 특성을 확인하였다. 기준재와 비교하여 인장강도, 굽힘강도 및 탄성계수가 비슷한 값을 보이는 ALM-10은 기계적 특성은 비슷하지만 기준재에 비해 균열의 확장과 면적을 줄여 줄 수 있어 선박의 정비, 취급 및 관리 분야에 응용이 가능한 기초 자료로서 해양사고 예방에 도움을 줄 수 있겠다.¹⁴⁾

굽힘강도 시험에서는 알루미나 분말의 혼합 비율이 증가할수록 굽힘강도와 탄성계수가 증가하였다. 중간층을 제외하고는 모두 같은 재료를 사용하였으므로 두께 차이의 변수는 중간층에 적용한 알루미나 분말이고, 이는 알루미나 분말을 혼합한 중간층 두께가 두꺼워질수록 하중이 줄어든다고 사료된다. 또한 굽힘강도에서는 알루미나 분말 혼합 비율이 증가할수록 강도와 탄성계수 값이 증가하였는데 본 연구에서는 10% 혼합 비율까지만 시험을 수행하였다. 향후 알루미나 분말을 혼합한 중간층의 두께 차이와 1~5%, 5~10% 사이에서 한가지 혼합 상황을 추가하여 실험의 신뢰성을 향상할 필요가 있다.