Introduction
농업에서 수소는 차량과 드론 등의 모빌리티와 스마트팜에서 사용할 에너지원으로 활용이 시도 중에 있으며, 각종 운송에 필요한 수소 트럭이 이미 개발 완료되었고, 트랙터 등의 작업기 개발이 진행 중에 있다(Kim, 2007; Lee and Rye, 2022). 이러한 모빌리티 또는 에너지원에 수소를 공급하기 위한 별도의 충전용 호스가 필요하다. Fig.1에 나타낸 바와 같이, 수소 충전용 호스는 기존의 고압 호스와는 다른 구조를 가지고 있어 독일, 일본 등의 제품이 국내 수소충전소에 장착되어 있으며(Seo, 2007), 국산화 개발을 위하여 고압용 호스 뿐 만 아니라 금구 등에 대한 연구도 같이 진행되고 있다.
수소용 고압 호스는 Fig.2 (A)와 같이 내부의 강선 층을 나선 형식으로 편조하여 내면 수지에 일정한 압력으로 감아 형성되는 내부 압력과 비틀림 등에 대한 형상을 유지하는 구조이며, 호스 어셈블리에 대한 인장, 내압 파열, 내압 임펄스, 비틀림 강도 및 굽힘 반경 등에 대한 능력이 요구된다.
사전에 해외 제품의 내면 튜브의 성분 분석을 실시하여 POM(Polyoxymethylene)의 단독 성분임을 확인하였으며, 내부 강층에 Vinylin과 PET 소재의 섬유사를 적용하여 인장파열 시험을 실시하였으나, 인장강도가 해외 제품과 비교하여 약 20%p 떨어지는 결과를 나타내어, 금속제 강선의 사용으로 인장력을 부여하는 것이 적절하다고 판단되었다.
Fig.2 (B)에 나타낸 Free Form Pin은 한 가닥의 강선이 나선 형태로 유지되면서 내면 수지에 감기도록 하는 역할을 하게 된다. 제시한 핀은 지름 6 mm의 제품을 나타내었으며, 핀의 지름과 간격에 따라 나선 형태와 피치 등이 결정되어, 다수의 강선 층을 형성해야 하는 고압용 수소 호스의 경우에는 더욱 촘촘한 나선 형태가 필요하여 핀의 지름을 작게 할 필요가 있다. 그러나 강선과 핀의 마찰로 인해 핀의 마루 부분이 파손되는 결과가 제작 공정에서 도출되므로, 적용하는 강선의 인장에 대한 물성 정보를 확보하여 제작 공정에 적절한 핀을 설계하여야 한다.
따라서 수소 충전용 호스의 원활한 편조 공정 진행과 호스의 내압 성능을 확보하고 임펄스와 비틀림 및 굽힘 능력을 확보를 위해 해외 제품과 동등 이상의 인장 능력을 가진 강선을 선정할 필요가 있다.
따라서 기준이 되는 해외 P사 제품과 지름이 다른 국내 H사 및 K사의 고압 호스용 강선 2종에 대하여 인장시험을 실시하고, 강도와 인장율의 비교를 통하여 금속제 강선의 규격을 선정하고, 향후 편조 공정의 핀 개발에 필요한 인자로 활용하고자 하였다.
Materials and Methods
공시재료
해외 P사의 강선 지름은 0.36 mm로 측정되었고, 그보다 지름이 크고 작은 H사의 Φ0.38 mm 강선과 K사의 Φ0.30 mm인 강선을 재료로 채택하였으며, 재료의 외관을 Fig.3에 나타냈다.
Φ0.38과 Φ0.30 mm 재료는 구리 함량이 각각 68.10%와 67.03%인 제품으로서, 각 재료를 500 mm 길이로 절단하고 지름별로 6 ea 씩의 샘플을 준비하였다.
시험에 사용한 인장시험기는 Fig.4와 같이 Instron사(미국)의 5944 모델을 사용하여 인장시험을 실시하였다.
시험방법
필라멘트사의 강도 및 신도 시험방법을 기준으로 하여, 절단시의 강도(kgf)와 신장 비율(%)을 도출하고자 하였다(KS, 2010).
각 재료를 Fig.4와 같이 인장시험기의 상하단 척에 고정하고 총 거치 길이는 200 mm로 하였으며(Kim, 2018; Kim et al., 2019), 기준길이 100 mm에 대하여 하중 2.5 kgf, 4.5 kgf 및 6.8 kgf 점에서 200 mm/min 의 속도로 파단이 이루어질 때까지 인장하여, 기준이 되는 Φ0.36 mm 재료와의 하중에 따른 파단강도와 인장율을 비교하였다.
Results and Discussion
시험 결과
기준 길이 100 mm 에 대하여 인장율에서 Φ0.36 mm 강선은 약 1.5~3.0%, Φ0.38 mm 강선은 약 0.5~1.0%, Φ0.30 mm 강선은 약 0.25~0.75% 의 비율로 인장 지연이 발생하며, 인장하중이 0 kgf를 나타내는 결과값이 나타났다.
인장 지연은 Fig.4에서 확인할 수 있는 것과 같이, 상하 지그에 묶는 방식으로서 소정의 유격이 발생할 수 밖에 없다. 그리고 상대적으로 지연이 큰 Φ0.36 mm 강선은 Fig.3의 A에 나타낸 것과 같이, 호스에서 강선만을 추출해 낸 재료로 나선 형태를 이미 갖추고 있어 지연이 약 1~2% 정도 더 크게 발생하였다고 판단되었다.
그리고 Fig.5~7에는 일정 부분에 대하여 지연을 제외한 인장시험 그래프를 나타내었으며(Lee et al., 2020), 하중과 변형에 대한 그래프의 형상은 정상적으로서 시험결과값은 정상이라고 판단되었다.
Table 1~3에는 Φ0.36, Φ0.38 및 Φ0.30 mm 강선의 인장시험 결과값을 작성하였으며, 2.5 kgf, 4.5 kgf, 6.8 kgf 및 파단점에서 기준 길이에 대한 인장율과 파단강도를 나타내었다.
Table 1은 Φ0.36 mm 강선의 인장시험 결과로서, 파단강도는 29.57~30.28 kgf 로 나타났으며, 그 평균값은 29.87 kgf 이었다. Table 2는 Φ0.38 mm 강선의 결과로서 파단강도는 34.65~35.74 kgf 로 나타났으며, 그 평균값은 35.30 kgf 이었다. Φ0.30 mm 강선의 결과는 Table 3에 나타내었으며 파단강도는 19.53~19.67 kgf로 나타났으며, 그 평균값은 19.62 kgf 이었다.
그리고 지연을 제외한 인장율에서는 Φ0.36 mm 강선은 3.0~4.0%, Φ0.38 mm 는 2.0~2.3%, Φ0.30 mm 는 2.2~2.3%에서 파단이 이루어졌다.
Conclusion
농업용과 산업물류용으로 사용이 확대되고 있는 수소 연료의 개발과 보급에 따라 그 관련 기자재들의 국산화가 필요한 시점이며, 그에 따라 현재 해외 제품이 차지하고 있는 수소 충전용 호스를 개발함에 있어, 내압과 동작에 대한 성능을 확보하기 위해, 해외 제품과 국내 고압 호스용 강선에 대하여 각 6 ea씩 인장 시험하였다.
파단강도에서 해외 P사의 Φ0.36 mm 강선은 평균 29.87 kgf, 국내 H사의 Φ0.38 mm강선은 평균 35.30 kgf, 국내 K사의 Φ0.30 mm 강선은 평균 19.62 kgf로 나타났으며, 강선의 굵기가 증가함에 따라 파단강도 또한 증가하는 변화를 확인할 수 있으며, 해외 제품과의 동등한 능력을 갖기 위해서는 Φ0.35 mm 정도의 강선을 적용하는 것이 적절한 요구 성능을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
그리고 인장율에서 해외 P사 강선과 비교하여 1~2% 정도 인장율이 낮은 것으로 나타나 상대적으로 시험에 사용한 재료의 연신 능력이 떨어지는 것으로 판단되었으나, 성능에 영향을 미칠 만큼의 요소는 아닌 것으로 판단된다.
따라서, 인장율은 중요한 고려대상으로 삼지 않고, 기준과 비교한 파단강도에서 Φ0.38 mm 강선은 약 20%p 높고 Φ0.30 mm 강선은 약 30%p 낮게 나타나, 그 사이의 Φ0.35 mm 규격의 강선을 적용하는 것이 가장 적절할 것으로 판단된다.
향후 Φ0.35 mm 강선의 나선 형상 제조 특성을 확인하기 위하여, Free Form Pin의 지름을 6 mm보다 작게 제작하고, 강선의 나선 형상 제작 공정의 문제점, 형상 유지 및 핀의 적정성 여부 등을 추가로 연구할 필요가 있다.
