극저온(cryogenic temperature)은 대체로 120K 이하의 온도를 말하며, 이와 관련된 기술은 항공우주 분야, 진공 관련 분야, 에너지 관련 분야, 의료분야, 수송기기 관련 분야 등에서 연구중심으로 이루어지다가 최근 실용화가 가속적으로 이루어지면서 각각의 산업계의 수요가 급증하고 있으며, 수소는 다른 연료에 비하여 질량 당 고에너지 밀도(142kJ/g)로 월등히 우수하며, 높은 발전효율(연료전지 기준 47%), 경량성(액체 기준 : 0.07g/cm3)과 청정에너지로 활용하기 위해서는 극저온 발생 및 응용기술과 극저온용 소재 및 공정기술확보가 관건이다.
수소의 저장 방식은 고압 기체수소, 액체수소, 고체수소 방식, 물질 변환 방식 등이 있다. 국내에서 상용화되어온 고압 기체수소 방식은 수소 저장 밀도를 높이기 위한 압력증가로 인한 용기 두께(무게)증가, 큰 부피로 인한 저장량의 한계, 폭발 위험성 등의 제약으로 대체 수단으로 액체수소 활용이 주목받고 있다. 기체수소를 액체 변환 시 기체대비 부피는 1/800로 감소하여 기체수소는 1L당 0.3g이고, 액체수소는 1L당 70.8g으로 저장능력은 크게 증가하며, 대기압에서 저장이 가능하므로 기존 고압 기체 수소 대비 폭발 위험성 또한 낮다. 즉, 액체수소는 영하 253℃(대기압)에서 1L당 70.8g으로 극저온 저장될 수 있으며, 이는 상온의 700bar에서 1L당 39.6g의 기체 상태로서 초고압 저장되는 경우보다 거의 2배의 질량이 되므로 큰 에너지 효율증가로 연결된다.
본 연구에서는 보다 정확한 초저온 물성 시험을 위하여 초저온용 시험기와 초저온 챔버를 개발하고 이를 활용하여 초저온 환경에서 실제로 사용되는 STS 316L 및 중엔트로피강 재료를 대상으로 -265℃, -190℃, 상온에서의 온도별 기계적 성질을 연구하고자 한다.
초저온 시험 시 온도의 영향으로 인해 센서의 데이터 계측 오차 및 구동부의 열팽창 및 열수축을 최소화하기 위하여 가능한 챔버의 온도 영향이 미치지 않도록 기구 구동부를 ASTM E1450의 구조로 설계되어 있으며 서보 모터, 볼 스크류, 그립, 그립 교체장치, 하중센서, 변위센서 등으로 구성되고 그립 교체 장치부를 이용하여 사용자는 다양한 형태의 그립을 이용하여 시험이 가능하며 시편 길이에 따라 Cross head를 이동하여 시험이 가능하도록하였다.
초저온 챔버는 진공단열을 기본으로 하며 진공 단열부 내부에 접착형 단열재를 부착하여 열손실을 최소화 하였으며 열해석하여 내부 온도차가 최소화 되도록 설계하였으며, 특히 하부의 저온 가스 공급라인을 진공단열부로 통과시켜 대기중의 열손실을 최소화 하여 냉각 효율을 극대화 할 수 있는 구조와 그립의 소재는 ASTM E1450 액체 헬륨 인장 시험 규격의 사용 가능 소재인 Ti-6Al-4V를 사용하여 제작하였다.
STS 316L, 중엔트로피강 소재를 -265℃에서 시험 시 변형율-응력 그래프에서 상, 하로 움직이는 떨림인 Adiabatic heating 현상이 관찰되었는데, 떨림구간은 불안정한 소성 유동과 구속의 반복으로 인한 발생으로 불안정한 소성 유동은 시편의 내부 열 발생을 수반하는 일반 변형속도보다 높은 변형속도에서 단면 감소부의 국부적인 위치에서 발생한다고 조사되고 있다.
현재 시험기의 온도 제어 한계로 인해 -196 ~ -265℃의 온도 사이의 임의 온도 시험이 불가능하여 Adiabatic heating 현상이 발생하는 정확한 온도를 확인하기 어려움이 있다.
추후 소재별 Adiabatic heating 현상이 일어나는 온도 점을 찾는 연구와 Adiabatic heating이 발생하는 온도별 데이터를 분석하는 연구가 필요할 것으로 생각한다.