에너지 산업분야에서는 대기오염 및 지구온난화 등의 환경문제를 해결하기 위해 고효율의 환경 친화적인 청정에너지의 기술개발을 수행하고 있다. 액체수소는 우주항공, 자동차 및 대용량 연료전지와 같은 산업분야에서 차세대 청정 에너지원으로 고려되고 있다. 액체수소의 저장용기 재료는 낮은 온도에서 미세조직의 우수한 안정성뿐만 아니라 내식성과 용접성이 양호한 오스테나이트 계열의 스테인레스강이 거론되고 있다. 스테인레스강을 액체수소 저장용기로 활용하기 위해서는 재료특성의 기초적인 평가와 수소취화에 의한 손상평가 및 예측에 관한 체계적인 연구가 반드시 필요하다.
본 연구에서는 오스테나이트계 스테인레스강(STS 304, STS 304L, STS 316L)의 수소장입 특성을 평가하기 위해 전기화학법을 이용하여 수소를 장입하고 인장특성, 충격특성, 경도, 미세조직 분석 및 파괴기구 해석을 실시하여 수소장입시간에 따른 재료물성에 대한 기반 데이터를 확보하고자 하였다. 초음파를 이용한 비파괴기법을 사용하여 초음파 속도와 감쇠계수를 조사하여 재료특성과 감쇠계수의 상관성을 명확히 조사하여 수소장입시간의 변화에 따른 재료 특성을 예측하고자 하였다. 또한 음향방출기법을 이용하여 수소가 장입된 스테인레스강의 인장부하 과정에서 발생하는 재료의 동적인 거동을 평가하여 수소장입시간에 따른 재료 손상을 조사하였다.
수소의 장입은 오스테나이트 계열 스테인레스강의 기계적 특성, 초음파 감쇠계수 및 음향방출 특성의 변화를 초래하였다. STS 304강은 STS 304L강과 316L강에 비해 높은 인장강도와 항복강도를 보유하지만 수소장입에 매우 민감하여 수소장입시간이 증가함에 따라 최대인장도, 항복강도 및 재료 연성이 급격히 저하되었다. 특히 STS 304L강과 316L강은 24시간 이상의 수소장입에도 최대인장강도를 일정 수준으로 유지하며 수소장입시간이 증가함에 따라 STS 304강과 304L강의 표면경도는 서서히 증가하지만 STS 316L강의 경도는 12시간의 수소 장입 후 급격히 상승하는 경화현상을 나내었다. STS 304L강과 316L강은 STS 304강에 비해 높은 연실율을 나타내며 수소장입시간이 증가하더라도 일정한 수준을 유지하였다. STS 304L강과 316L강의 충격흡수에너지는 48시간의 수소장입 이후에 회복하는 경향을 나타내며 STS 304L강은 수소장입시간이 증가함에 따라 STS 316L강에 비해 높은 수준의 충격흡수에너지를 나타내었다. 최대인장강도, 연성 및 경도의 안정성 측면을 고려하면 STS 304L강이 STS 304L강과 316L강에 비해 수소장입에 따른 취화에 우수한 저항성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
초음파의 종파와 횡파 속도는 수소장입에 대체로 변화없이 일정하였으며 스테인레스강의 기계적 특성은 초음파 감쇠계수와 연관성을 가지는 것을 알 수 있었다. 수소장입 시간이 증가함에 따라 감쇠계수는 선형적으로 변화하였으며 감쇠계수를 사용함으로써 STS 316L강에 비해 STS 304강과 STS 304L강에 대한 기계적 특성의 추정이 가능함을 알 수 있었다. 또한 음향방출 실험을 통해 발생되는 이벤트, 에너지, 진폭 및 카운터 등의 파라미터들을 통해 수소장입에 의한 표면손상 거동이 발생함을 알 수 있었다. 특히 수소를 장입한 스테인레스강에서는 전형적인 취성재료의 파괴에서 나타나는 고주파수의 신호가 발생함에 따라 수소의 영향에 의해 재료가 취화된다는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 얻어진 결과는 액체수소와 장시간 접촉하는 수소 저장용기 혹은 운송배관 등의 설계 및 제작에 필요한 기초 자료로서 제공되며 수소장입재료의 신뢰성 확보에 활용이 가능할 것으로 생각된다. 또한 수소 저장설비의 구조재료에서 발생하는 수소취화에 따른 안정성 및 건전성 평가에 비파괴기법의 활용이 기대된다.