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J. Ocean Eng. Technol. > Volume 31(3); 2017 > Article
LNG운반선 방열시스템에 적용되는 적층형 플라이우드의 극저온 기계적 특성 분석

Abstract

Plywood, which is created by bonding an odd number of thin veneers perpendicular to the grain orientation of an adjacent layer, was developed to supplement the weak points such as contraction and expansion of conventional wood materials. With structural merits such as strength, durability, and good absorption against impact loads, plywood has been adopted as a structural material in the insulation system of a membrane type liquefied natural gas (LNG) carrier. In the present study, as an attempt to resolve recent failure problems with plywood in an LNG insulation system, conventional PF (phenolic-formaldehyde) resin plywood and its alternative MUF (melamine-urea-formaldehyde) resin bonded plywood were investigated by performing material bending tests at ambient (20℃) and cryogenic (-163℃) temperatures to understand the resin and grain effects on the mechanical behavior of the plywood. In addition, the failure characteristics of the plywood were investigated with regard to the grain orientation and testing temperature.

1. 서 론

메탄을 주 성분으로 하는 천연가스를 액화시키면 부피가 약 600배 줄어들어 저장 및 운송이 용이하게 되는데 이 상태의 천연가스를 액화천연가스(Liquefied natural gas, LNG)라 한다. 최근 선박의 배출가스로 환경적 규제가 강화되고 있는 시점에서 LNG를 연료로 사용하는 추진기관이 주목받고 있으며 미국의 셰일가스 개발, 호주의 해상가스전 생산이 본격적으로 진행됨에 따라 LNG의 소비가 점점 더 증가할 것으로 예상된다(Jung et al., 2016; Park et al., 2015). LNG는 대기압 상태에서의 액화온도가 영하 163도 이므로, 이를 저장 및 운송하기 위해서는 화물탱크 내부 온도를 극저온 상태로 유지시킬 수 있는 단열기술이 무엇보다도 중요하며, 이러한 이유로 화물창 내부에 특수 단열시스템을 설치한 LNG 운반선에 의해 운송된다(Choi et al., 2011; Park et al., 2016). 최근 LNG 저장공간 및 구조적 신뢰성으로 인해 가장 널리 건조되고 있는 멤브레인 타입 LNG선박의 경우 극한환경에서도 충분한 안전성을 확보하기 위해 메탈 계열의 저온용 특수소재와 복합재료가 다층으로 배치되어 단열시스템을 구성하고 있으며 탱크 구성재료 및 구조형상에 따라 Mark-III 타입과 No96 타입으로 분류할 수 있다. 전자의 경우 주름이 있는 오스테나이트계 스테인리스 강(Austenitic stainless steel)이 1차 방벽의 역할을 하며 플라이우드(Plywood), 강화폴리우레탄 폼(Reinforced polyurethane foam, R-PUF)이 단열재로 이용된다. 후자의 경우 36% 니켈강(Nickel alloy)이 1차 방벽의 역할을 하며 플라이우드로 제작된 박스 내부에 펄라이트(Perlite) 혹은 그라스울(Glasswool)이 충진 되어 단열의 기능을 수행하게 된다(Kim et al., 2014). 플라이우드는 Fig. 1에 나타나 있듯이, Mark-III와 No96에 공통적으로 적용되는 구조용 재료로 구조적으로 튼튼하여 충격을 흡수하는 역할을 한다.
Fig. 1

Schematic diagram of NO96- and Mark-III-type LNG insulation systems

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플라이우드는 수축, 팽창, 쪼개짐, 휨 현상 등의 목재의 단점을 보완하기 위한 목적으로 개발 된 것으로 얇게 절삭한 두께 1-3mm의 단판(Veneer)에 레진(Resin)을 도포하여 적층 시키되, 인접한 층의 단판이 섬유방향에 직교하도록 홀수로 겹쳐 쌓은 판을 말한다(Grexa et al., 1999). 상기 제작상 특이성으로 인해 목재의 종, 단판의 수, 단판의 품질에 따라 기계적 물성이 상이하다고 보고되고 있으나, 동일한 단판인 경우 적용 레진에 의해 기계적 물성이 크게 영향을 받는다고 알려져 있다(Hoong et al., 2012; Lee and Yun, 2005).
과거 연구자들에 의해 플라이우드의 레진과 관련된 연구가 몇몇 보고 되었다. Moubariket et al.(2009)은 PF(Phenolic-formaldehyde) 레진의 경우 레진의 안정성으로 인해 단판과 레진 사이에서 층간박리(Delamination) 파손이 거의 발생하지 않는다고 보고하였다(Moubarik et al., 2009). No and Kim(2004)의 연구 결과에 의하면 안정적인 분자구조로 인해 MUF(Melamine-urea-formaldehyde) 레진은 포름알데히드 방출량이 낮고 수분 저항성이 높은 것으로 보고되었다(No and Kim, 2004). Aydin et al.(2006)은 MUF 레진을 적용한 플라이우드의 전단강도, 굽힘 강도, 탄성계수가 레진의 양에 의해 크게 좌우된다고 보고하였다(Aydin et al., 2006). 과거 연구 결과를 바탕으로 플라이우드의 레진과 관련된 몇몇 연구가 보고되었으나 대부분 상온 및 고온 환경에 초점을 맞추어 수행되었으며, 저온 환경을 고려한 연구는 찾아보기 힘든 실정이다. 더욱이 LNG 방열시스템 내부와 같이 영하 163도 이하의 극저온 환경에 노출되는 플라이우드의 적용 레진에 의존한 기계적 거동변화에 관한 연구는 수행된 바 없다. 특히 MUF 레진 플라이우드의 경우 가격이 상대적으로 저렴하고 공정시간이 비교적 짧아 PF 레진의 단점을 보완할 수 있는 재료 후보 군으로 거론되고 있으나 저온 환경 하 기계적 거동에 관한 연구의 부재로 적용성에 어려움을 겪고 있다.
본 연구에서는 우수한 저온성능으로 인해 널리 이용되고 있는 PF 레진 플라이우드와 이를 대체하기 위한 MUF 레진 플라이우드를 대상으로 재료단위 굽힘 시험을 수행하여 온도, 섬유방향에 의존한 적층 플라이우드의 기계적 거동에 대해 조사하였다. 아울러 온도 및 적용 레진에 의존한 파손특성에 대해서도 분석하였다.

2. 실 험

2.1 레진

플라이우드는 인접한 층의 단판이 섬유방향에 직교하도록 홀수개의 단판을 겹쳐 놓 판을 말하며, 각각의 층과 층 사이에는 레진을 이용하여 접착시켜 제작된다. 본 연구에서는 MUF 및 PF 레진을 적용시킨 플라이우드의 기계적 특성에 관한 연구를 수행하기 위해 산업현장에서 접착 혹은 함침의 용도로 가장 널리 이용되고 있는 MUF와 PF 레진을 선정하였다. 일반적으로 레진은 천연레진과 합성레진으로 분류할 수 있으며, MUF와 PF는 대표적 합성 레진으로 알려져 있다. MUF 레진은 Urea-formaldehyde(UF) 및 Melamine-formaldehyde(MF) 레진의 질량비를 1:1로, PF 레진은 Formaldehyde와 Phenol을 2.2:1의 비율로 하여 제작되었다. MUF 레진과 PF 레진의 pH는 각각 7.9와 10.5이며 비중은 각각 1.2와 1.3이다.

2.2 시험편

Fig. 2(a)에 나타난 것과 같이, 본 연구에서는 두께 9mm의 일곱 층의 단판이 종방향 횡방향으로 적층되어 있는 플라이우드를 대상으로 실험을 진행 하였으며, Fig. 2(b)에 나타난 것과 같이 표면 층의 섬유방향을 기준으로 플라이우드 시험편을 LTL과 TLT 두 가지 종류로 분류 하였다. LTL 시험편의 경우 첫 번째, 세 번째, 다섯 번째, 일곱 번째 층이 종방향(Longitudinal Direction)으로 배열되어 있으며, 두 번째 네 번째, 여섯 번째 층은 횡방향(Tangential Direction)으로 배열되어 있다. 종방향을 L, 횡방향을 T라고 했을 때(L/T/L/T/L/T/L)로 적층되어 있는 것이다. 같은 맥락으로 TLT 시험편의 경우 첫 번째, 세 번째, 다섯 번째, 일곱 번째 층이 횡방향으로 배열되어 있으며, 두 번째, 네 번째, 여섯 번째 층은 종방향으로 배열되어 있어 T/L/T/L/T/L/T 적층 형태를 보인다. 시험편의 제작 및 굽힘 시험 방법은 EN-310(Wood-based panels: Determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength)을 참고하였으며, 굽힘 시험을 수행하기 위한 적층 플라이우드 시험편의 길이, 폭, 두께는 각각 230mm, 50mm, 9mm이다.
Fig. 2

(a) Photograph of the seven layered plywood bending specimen, and (b) schematic diagram of the plywood panels depending on grain orientations

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2.3 실험장비 및 시나리오

상온 및 극저온 환경에서의 적층 플라이우드 굽힘 시험을 수행하기 위해 특수 제작된 극저온용 챔버를 탑재한 만능재료시험기(KSU-5M, Korea)를 이용하였다. LNG 액화온도인 영하 163도의 극저온 환경을 조성하기 위해 극저온용 챔버 내부에 액체질소를 가스 형태로 분사시켰으며, 자동온도조절 시스템을 이용하여 챔버 내부 온도계 및 제어 시스템이 질소가스의 유동을 제어하고 일정한 온도로 유지시켜줄 수 있도록 하였다. Fig. 3에 본 연구에서 수행했던 상온 및 극저온 환경 하 굽힘 시험 장면을 보인다. 본 시험 시 고려한 실험 변수로는 시험 온도, 레진, 섬유방향으로 요약할 수 있으며, 이들 변수를 고려한 시험 시나리오를 Table 1에 정리하였다.
Fig. 3

Photographs of the (a) ambient and (b) cryogenic bending tests using a universal testing machine

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Table 1

Bending test scenario for plywood considering resin, temperature, and grain orientation

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3. 결과 및 고찰

3.1 적층된 플라이우드의 기계적 거동

Fig. 4에 적층 플라이우드의 온도, 레진, 섬유방향의 실험 변수를 고려한 힘-변위 곡선(Force-displacement curve)의 대표적 시험 결과를 정리하였으며, Fig. 5는 굽힘 강도의 경향을 이해하기 위해 강도적 관점에서 정리한 그래프이다. Fig. 4에서 명확히 확인할 수 있듯이 적층 플라이우드의 경우 섬유 방향, 온도, 레진에 의존하여 기계적 거동이 크게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 가장 먼저 섬유 방향의 관점에서 Fig. 4(a)Fig. 4(b)를 비교했을 때 LTL 시험편이 TLT 시험편에 비해 상대적으로 굽힘강도가 더 높게 계측되는 것을 확인할 수 있다. PF 레진 플라이우드의 극저온 시험결과를 살펴보면 LTL 시험편이 TLT 시험편에 비해 약 31.3MPa이 더 높게 계측 되었으며 상온에서의 경우에도 LTL 시험편이 TLT 시험편에 비해 약 15.5MPa이 높은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 앞서 시험편의 구성에서 소개 하였듯이 일곱 층의 단판으로 구성된 LTL 시험편의 경우 종방향으로 네개의 단판이 배열되어 있고 횡방향으로 세개의 단판이 배열되어 있다. 종방향 단판의 경우 하중을 가하는 굽힘 지그와 수직으로 배열되어 있어 횡방향 단판 대비 굽힘에 저항하는 정도가 상대적으로 크며, 같은 맥락으로 종방향 단판의 수가 더 많은 LTL 시험편의 기계적 강도가 TLT 시험편 보다 더 높은 것으로 생각 된다. 이러한 현상은 과거 연구를 통해서도 알려진 바 있다(Arriaga-Martitegui et al., 2008).
Fig. 4

Bending test results for PF and MUF resin plywood for (a) LTL and (b) TLT specimens

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Fig. 5

Comparison of the bending strength characteristics between PF and MUF resin plywood

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또한, 실험 온도의 관점에서 플라이우드의 기계적 거동은 온도에 의존하여 서로 상의하게 계측된 것을 확인할 수 있다. 특히, 극저온 환경에서의 플라이우드 힘-변위 곡선은 거의 선형적으로 증가하다가 갑자기 파단되는 거동을 보였으며 기계적 강도 또한 상온에서의 실험 결과 대비 높게 계측 되었다. 상온 및 극저온 PF 플라이우드 시험편의 굽힘강도를 비교해 보면 LTL 시험편은 약 48.6MPa, TLT 시험편은 약 32.7MPa의 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. MUF 레진 플라이우드의 경우에도 LTL 시험편은 약 49.3MPa, TLT 시험편은 약 43.6MPa의 차이를 보였다. 이러한 전반적 거동 및 굽힘강도의 차이는 극저온 환경에서의 레진 및 우드의 경화현상으로 인해 발생한 것으로 생각된다. 과거 연구 결과를 살펴보면 저온 및 극저온 영역에서 플라이우드의 기계적 강도가 증가하고, 상온을 기준으로 온도가 높아지면 기계적 강도 또한 저하된다고 보고된 바 있다. 플라이우드와 같은 우드 계열의 소재는 수분 흡수율의 영향을 많이 받는다고 알려져 있으며, 이는 수분을 흡수한 우드가 저온환경에 노출되었을 때 분자들의 거리가 가까워짐과 동시에 그들 사이의 결합력이 강화되기 때문이다. 또한, 높은 수분 흡수율은 세포 벽으로 둘러 쌓인 빈 공간(Cell lumen)에 내부압력을 증가시키게 되고, 그 결과 강성이나 굽힘강도가 증가하게 되는 것이다(Green et al., 1999; Bekhta and Marutzky, 2007). 상온 대비 저온 환경에서 기계적 강도가 향상되는 플라이우드의 기계적 특성으로 인해 적층 플라이우드는 LNG 운반선 방열시스템 등 저온 환경에서의 사용이 적합하다고 판단된다.
레진의 종류(PF 및 MUF)에 의해서도 플라이우드의 기계적 거동이 다르게 계측되었다. Fig. 5(a)의 LTL 시험편의 경우 PF 레진 및 MUF 레진 플라이우드의 굽힘강도의 차이는 극저온에서 약 2.1MPa, 상온에서 약2.9MPa로 나타났으며, TLT시험편의 경우 극저온에서 약 16.2MPa, 상온에서 약 5.4MPa의 굽힘강도 차이를 보였다. LTL 시험편의 경우 상온 및 극저온 환경에서 PF 및 MUF를 이용한 시험편의 기계적 강도 차이는 약 2~3MPa로 앞서 분석했던 섬유방향 및 온도 변수에 의한 영향과 비교했을때 아주 미미하다고 할 수 있으나, 이는 다시 말해 MUF 레진 플라이우드가 PF 레진 플라이우드 수준의 기계적 강도를 확보하고 있다는 것을 의미한다. 또한, 파단변위의 관점에서 Fig. 4(b)를 보면 PF 레진 플라이우드의 파단변위가 MUF 레진 플라이우드에 비해 큰 것을 확인할 수 있는데, 이는 레진-우드의 접착강도와 파단 시 변형정도에 기인한 것으로 생각 된다. MUF 레진 플라이우드는 (TLT 시험편) 파단 시 단판이 큰 변형을 일으키고 분리되는 동시에 시험이 종료된 반면, PF 레진 플라이우드는 레진-우드의 접착강도가 우수하여 쉽게 분리되거나 파손 시 변형이 크게 발생하지 않아 단판에서 파단이 발생하더라도 강성이 급격하게 감소되지 않고, 시험이 계속 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 이유로 TLT 시험편에서의 MUF 레진 플라이우드 변위가 큰 것으로 생각 된다.

3.2 파손 거동

PF 레진 및 MUF 레진 플라이우드의 파손 거동의 경우에도 섬유방향, 온도에 의존하여 상이하게 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. Fig. 6은 상온에서의 섬유방향에 의존한 MUF 레진 플라이우드 파손거동을 나타낸 그림이다. 그림에서 볼 수 있듯이 PF 및 MUF 레진 플라이우드의 경우 굽힘하중에 가장 취약한 단판에서 파손이 먼저 발생하고 이후 인접한 단판으로 파손이 진전되어 가능 경향을 보이는 등 플라이우드의 파손이 섬유방향에 의존한다는 사실을 확인할 수 있었다. LTL 시험편의 경우 최 외곽 단판과 인접한 단판에서 파손이 먼저 발생하고 섬유 방향이 동일한 다른 단판으로 진전되어 발생하는 경향을 확인할 수 있었으나, TLT 시험편의 경우 굽힘 하중에 취약한 최외곽 층에서 먼저 파손이 발생하고, 섬유 방향과 동일한 단판에서 순차적으로 파손이 발생하는 현상을 관찰할 수 있었다.
Fig. 6

Failure characteritiscs of MUF resin plywood with regard to grain orientations at ambient temperature

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이와는 달리 극저온 파손 특성은 레진의 종류 및 온도에 의존하여 상이하게 발생하였다. PF 레진 플라이우드의 극저온 거동의 경우 상온과 마찬가지로 굽힘 하중에 취약한 단판에서 가장 먼저 파손이 발생하고, 파손되지 않은 동일 섬유방향의 단판으로 진전되어 가는 경향을 보였으나, MUF 레진 플라이우드의 경우 조금 다른 거동을 보였다. Fig. 7은 PF 레진 및 MUF 레진 플라이우드의 극저온 실험 중 촬영한 사진이다. Fig. 7(b)의 MUF 레진 플라이우드의 경우 Fig. 7(a)의 PF 레진 플라이우드처럼 굽힘하중에 상대적으로 취약한 단판이 파손되는 것이 아니라, 단판과 레진 사이에서 뜯어지는 듯한 파손형태, 즉 층간 박리 파손이 발생하는 것을 확인 하였으며, 심할 경우 시험편이 두 개로 분리되는 파손 거동을 보였다.
Fig. 7

Failure characteristics of (a) PF and (b) MUF resin plywood with regard to resins at cryogenic temperatures

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이러한 파손거동을 더욱 더 면밀히 살펴보기 위해 광학현미경(Amscope, U.S.)을 이용한 표면분석을 수행하였다. 우선 Fig. 8(a)의 PF 레진 플라이우드의 표면의 경우 곳곳에 플라이우드 단판이 일부 붙어 있거나 뜯어져 나간듯한 흔적으로 인해 표면이 울퉁불퉁(Uneven)한 것을 확인할 수 있었으며, 층간박리 파손은 확인할 수 없었다. 반면 층간박리 파손이 발생하였던 Fig. 8(b)의 MUF 레진 플라이우드 표면의 경우 레진이 떨어져 나간 Debonding 현상을 적잟이 발견할 수 있었다. 이러한 결과를 종합해 볼 때, MUF 레진 플라이우드의 경우 레진 성분 자체에 대한 온도반응 발생으로 극저온 환경에서 Debonding 현상이 발생하게되고, 이는 레진-우드의 접착력 저하로 이어져 레진과 우드의 경계면에서 층간박리 파손 현상이 발생한 것으로 생각된다. 과거 문헌조사를 통해 PF 레진의 경우 온도에 대한 안정성이 우수하여 인접한 층에서의 층간박리 파손이 잘 발생하지 않는다고 보고된 바 있지만, MUF 레진의 경우 저온 안정성에 관한 연구를 찾아 보기 어려웠으나, 극저온 영역에서의 MUF 레진의 온도 안정성이 저하되어 층간박리 파손으로 이어진 것으로 생각된다(Moubarik et al., 2009). 비록 앞선 3.1절에서 MUF 레진 플라이우드의 굽힘 강도가 PF 레진 플라이우드의 굽힘강도와 비등한 결과를 보여, 기계적 강도 측면에서 우수하다고 하더라도 극저온 환경에서 발생되는 MUF 레진 플라이우드의 층간박리 파손 현상에 대한 보다 심화된 연구를 수행하고 설계 단계에서 충분히 고려해서 적용되어야 할 것으로 사료된다.
Fig. 8

Failure characteristics at cryogenic temperatures for (a) PF resin and (b) MUF resin plywood

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4. 결 론

본 연구에서는 PF레진 플라이우드와 MUF레진 플라이우드를 대상으로 재료단위 굽힘 시험을 수행하여 섬유방향, 온도, 레진의 종류에 의존한 적층형 플라이우드의 기계적거동 및 파손거동에 대해 분석 하였으며 아래와 같이 정리 하였다.
(1) 섬유방향의 관점에서 굽힘 지그와 수직한 단판의 수가 상대적으로 많이 분포되어 있는 LTL 시험편이 TLT 시험편에 비해 기계적 강도가 더 높게 계측 되었다. LTL 시험편의 경우 최 외곽 단판과 인접한 단판에서, 그리고 TLT 시험편은 최외곽 단판에서 파손이 먼저 발생하였다.
(2) 극저온에서의 굽힘강도는 상온에 비해 약 40MPa 정도 높게 계측 되었으며, 이러한 현상은 극저온에서의 레진 및 우드의 경화현상, 그리고 얼음결정의 배열변화에 기인한 것으로 분석되었다.
(3) 상온 및 극저온 온도 범위에서 MUF레진 플라이우드는 PF레진 플라이우드 수준의 기계적 강도를 확보하였지만, 극저온 환경 하 MUF 레진의 경우 단판과 레진 사이에서 층간박리 파손이 지배적으로 발생하였다.
(4) 광학현미경 분석 결과 MUF 레진의 층간박리 파손 현상은 극저온 환경 하 Debonding 현상으로 인해 레진-우드의 접착력이 저하되어 발생한 것으로 분석되었다. 극저온에서의 신뢰성 확보를 위해서는 MUF 레진 플라이우드의 온도안정성에 관한 연구가 더 필요할 것으로 생각된다.

감사의 글

이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2015R1A2A1A15052688). 이 논문은 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2011-0030013).

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