섬유강화플라스틱은 철과 비교하여 가볍고 해양 환경에서 내식성이 우수하고, 낮은 열전도성 및 저렴한 유지보수 비용의 장점이 있으며 설계 및 가공에 있어서 제작이 자유로워 국내에서 선박의 재료로 많이 사용되고 있다.
강선의 경우 보수를 위한 방법으로 용접을 주된 방법으로 사용하는데 보수를 위한 용접면은 모재와 유사한 강도 특성을 보이지만 섬유 강화플라스틱의 경우 접합 방법에 따라 모재의 19.8∼57.8% 수준의 강도값 감소를 가져와 보수 이후 안전성 감소로 또 다른 해양사고를 일으킬 수 있어 소재의 강도 증가를 위한 연구가 필요하다.
본 연구는 섬유강화플라스틱 선박의 외판 손상면에 대한 보수 방법으로 허용되는 스카프 이음에 대한 접합부 강도 효율 향상을 위한 목적으로 선박 외판을 1:12 스카프 비율로 가공한 후 맞댄 후 시편을 보강한 후 인장, 굽힘 시험을 하였고 그 특성을 확인하였다. 접합부 강도 효율 시험을 위한 시편 제작과 동시에 선체 외판으로 제작하여 시편의 기본 특성을 확인하였고, 접합부에 보강면으로 사용하였을 때와 비교하여 복합재료의 특성을 확인하였다. 선체 외판 제작과 보수면 접합 방법으로 알루미나 분말을 수지에 1%, 5%, 10% 혼합하여 적용한 방법과 강화재로 사용된 유리섬유 로빙을 탄소와 아라미드 섬유로 수량을 변경하여 대체한 하이브리드 복합재를 통해 기존 선체의 외판과 유리 섬유로 보강된 시편과의 특성을 비교하였다.
알루미나 분말을 혼합한 수지를 사용하여 선체 외판을 제작하였을 경우 인장강도에서는 기존 선체 대비 ?5.5∼11.0%의 강도 결과를 보였으며 알루미나 분말을 5%와 10% 혼합한 시편의 인장강도 값이 기존 선체보다 0.5, 10.9% 증가하였다. 굽힘에서는 ?14.3∼-8.9%로 강도가 감소하는 결과를 보였다. 알루미나 분말의 혼합 비율이 증가할수록 인장과 굽힘 강도값이 증가하는 특성을 보였으나 기존 선체보다 인장과 굽힘 강도 양방향에서 강점을 보이지는 않았다.
알루미나 분말을 혼합한 수지를 사용하여 외판 보수면에 적용한 결과 인장 하중 값은 선체 외판 하중 값 2679.4 kgf 대비 ?41.1∼-26.2%로 접합 효율이 감소하였고 굽힘 하중은 모재 393.6 kgf 대비 36.0∼74.7%로 접합 효율이 향상하는 결과를 보였다. 접합 효율은 알루미나 분말 혼합 비율 10%에서 ?26.2%로 가장 컸으며 굽힘강도 접합 효율은 알루미나 분말 혼합 비율 1%와 5%에서 72.7%와 74.4%로 향상되는 결과를 보였다.
탄소와 아라미드 섬유를 사용한 하이브리드 복합재료를 선박 외판으로 제작하였을 경우, 탄소 섬유를 강화재로 사용한 하이브리드 인장강도는 기존의 유리 섬유만을 사용한 외판의 10.3∼21.4%로 강도가 증가하였고 굽힘강도는 ?7.4∼-3.5%로 감소하였다. 아라미드 섬유를 강화재로 사용한 하이브리드 인장강도는 17.9∼26.9%의 강도 향상을 보였고 굽힘강도는 아라미드 섬유를 1개 적층한 시편과 2개 적층한 시편에서 6.2%와 7.4%의 강도 향상을 보였지만 4개 적층한 시편에서는 -10.1%의 강도 감소가 나타났다.
탄소와 아라미드 섬유를 사용한 하이브리드 복합재료를 선체 손상면 보수에 적용하였을 경우, 탄소 섬유를 강화재로 사용한 하이브리드 보수 시편의 인장하중은 기존 외판 하중과 비교하여 ?12.9∼1.4%의 접합 효율을 보였고 굽힘에서는 ?41.0∼1.7의 접합 효율을 보였다.
아라미드 섬유를 강화재로 사용한 하이브리드 보수 시편의 인장 하중은 ?25.6∼-18.9% 접합 효율 감소를 보였고 굽힘에서는 27.5∼77.4%의 효율 증가를 보였다. 탄소 섬유 하이브리드 보수 시편의 경우 인장과 굽힘에서 기존의 유리 섬유 보수 시편보다 접합 효율 증가의 효과는 없었지만 아라미드 섬유의 경우에는 특히 굽힘에서 높은 접합 효율을 보였다.
국외와 항공분야 또는 건설 분야에서는 기존의 구조물에 대한 물성값의 변화와 기계적 강도 개선을 위해 다양한 연구가 활발하고 선도적으로 시행되고 있으나 해양 분야에서는 다양한 재료를 연구한 결과도 부족하며 연구 결과가 현장에서 적용되기 위해선 현재 법적 기준에 막혀 자칫 불법 건조 또는 보수로 인한 범법 행위가 될 우려가 있어 현실적으로 어려운 면이 많다.
선체 보수면의 강도와 물성값 개선을 통한 선체 안전을 위해 최초 건조 시 제출된 강도값 대비 일정 부분의 강도 이상의 보수방법에 대한 법적 규제 완화와 해당 기관에서의 보수방법과 재료의 사용 등에 구체적인 섬유강화플라스틱 선체 보수방법에 대한 지침의 제정 등의 업무가 필요하다.