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문제 정의
- 이 글은 국내 최초로 진행한 장단역증기기관차의 보존 조치를 위해 실험한 왁스계 피복재 3종의 내후성을 시험한 결과를 소개한 것이다.
제안 방법
- 7m 규모의 무게 80t이나 되는 철제 증기기관차를 과학적으로 보존처리하기 위하여 DMZ 현장에서 4km 떨어진 임진각 관광지 내에 임시보존처리센터를 설치하고 이곳으로 안전하게 이송하여 처리작업을 진행하게 되었다. 과학적 정밀 조사를 통하여 수립된 최적의 처리 방안에 따라 녹 제거, 방식 처리 등을 수행하였고, 마지막 조치로서 야외에서 보호각 없이 전시될 기관차의 재부식을 최대한 억제하기 위해 표면에 피복제를 도포해야만 했다.
- 문화재청은 (주)포스코(POSCO)와 ‘한문화재 한지킴이 운동’ 협약을 맺고 장단역증기기관차를 보존조치하기로 결정하였고, (주)포스코는 (재)포항산업과학연구원(RIST)에 보존처리 업무를 연구과제로 위임하여 증기기관차 보존 사업을 추진하게 되었다. 길이 15m, 폭 3.2m, 높이 4.7m 규모의 무게 80t이나 되는 철제 증기기관차를 과학적으로 보존처리하기 위하여 DMZ 현장에서 4km 떨어진 임진각 관광지 내에 임시보존처리센터를 설치하고 이곳으로 안전하게 이송하여 처리작업을 진행하게 되었다. 과학적 정밀 조사를 통하여 수립된 최적의 처리 방안에 따라 녹 제거, 방식 처리 등을 수행하였고, 마지막 조치로서 야외에서 보호각 없이 전시될 기관차의 재부식을 최대한 억제하기 위해 표면에 피복제를 도포해야만 했다.
- 내후성 시험 전 후 시편의 단면을 절단하여 왁스의 종류별 피막 형성과 변화 양상을 금속현미경을 통해 관찰하였다. 시편을 고정한 뒤 에폭시수지로 포매[包埋, Mounting]고정하고 단면을 연마하여 관찰했다(Figure 5).
- 내후성 시험 전과 후에 시편의 수분 접촉각을 측정하여 발수력의 변화상을 파악하였다(Table 4, Figure 6).
- 내후성 시험을 거친 시료의 앞면과 뒷면을 비교 관찰하 였다. 앞․뒷면이 동일하게 피복된 시편이지만 결과는 크 게 다르게 나타났다(Figure 2).
- 녹을 제거한 철편 시료에 3종의 왁스와 MC-고온형과 봉밀 왁스를 1:1로 혼합한 왁스 1종 등 모두 4종의 왁스 피복제를 각각 가열 용융시켜 피복하는 방법으로 앞면과 뒷면 모두 적용하여 시편을 제작하였다.
- 모든 시료는 피복 후 코팅 두께와 상태를 동일하게 만들고 시편에 잔존할 수 있는 수분제거를 위해 공업용 드라이어를 이용해 재가열하며 같은 조건이 되도록 조정하였다. 대조군로 코팅처리하지 않은 맨 철편 1점도 첨가하여 시료의 종류는 총 5종이 되었다(Table 2).
- 시험기 안에서 시편은 수평으로 장착되어 윗면이 시험 조건에 직접 노출되게 된다. 빛 조사량의 변화 사이클을 통해 밤과 낮의 일조량 변화상을 적용하였고 동시에 물 분무와 상대습도 조절을 통해 강우(降雨) 환경을 재현하면서 수분에 의한 재부식 손상을 예측하고자 하였고, 온도 변화를 주어 철편의 열팽창수축에 따른 왁스 코팅재의 손상을 촉진시키는 환경조건을 만들었다.5
- 시료제작 방법은 절단기를 이용하여 크기 가로 4㎝, 세로 4㎝의 철편으로 절단한 뒤 표면에 생성된 철 부식을 스테인리스 솔로 제거하였다. 시료표면은 옥시수산화철계열인 침철석(Goethite, -Fe00H)과 인철석(Lepidocrocite, -Fe00H) 등을 제거하고 산화철계열인 자철석(Magnetite, Fe3O4)은 가능한 많이 남겨 증기기관차의 녹을 제거한 상태와 유사하게 만들었다.
- 내후성 시험 전 후 시편의 단면을 절단하여 왁스의 종류별 피막 형성과 변화 양상을 금속현미경을 통해 관찰하였다. 시편을 고정한 뒤 에폭시수지로 포매[包埋, Mounting]고정하고 단면을 연마하여 관찰했다(Figure 5).
- 실험 방법은 증기기관차에서 떨어진 부식된 강철판을 적당한 크기로 자르고 표면의 부식을 적절히 제거한 다음 그 위에 피복재인 왁스를 피복한 시편을 제작하였다. 시편을 제논아크 촉진내후성시험기 속에 넣고 낮과 밤, 강우, 온습도 변화 등의 야외조건을 반복하며 1,000 시간을 가동하면서 매 200 시간마다 1편씩 시편을 선택하여 그 색상과 질감의 변화, 단면 파괴 등의 관찰과 분석을 하였고 실험 전·후 수분 접촉각을 측정하여 비교함으로서 내후성을 판단하였다.
- 시험 1,000시간 후 시편의 변화 정도를 관찰하기 위해 시험 전 시편의 특정지점을 디지털 현미경(모델명: DG-2) 을 통해 200배 확대영상으로 관찰하였다(Figure 3)
- 시험 전 후 변화된 시편 표면을 가장 심각하게 풍화된 부분을 전자현미경(모델명: JSM-7000F)을 통해 500배로 확대하여 관찰하였다(Figure 4).
- 실외에서 노출된 상태로 전시될 증기기관차를 영구히 보존하고자 내후성이 뛰어난 피복재를 찾기 위해서 미정질 왁스 2종과 봉밀 왁스 1종 그리고 봉밀왁스와 미정질왁스의 혼합물 등 모두 4종의 왁스에 대한 내후성 시험을 실시하였다. 실험 방법은 증기기관차에서 떨어진 부식된 강철판을 적당한 크기로 자르고 표면의 부식을 적절히 제거한 다음 그 위에 피복재인 왁스를 피복한 시편을 제작하였다.
- 실외에서 노출된 상태로 전시될 증기기관차를 영구히 보존하고자 내후성이 뛰어난 피복재를 찾기 위해서 미정질 왁스 2종과 봉밀 왁스 1종 그리고 봉밀왁스와 미정질왁스의 혼합물 등 모두 4종의 왁스에 대한 내후성 시험을 실시하였다. 실험 방법은 증기기관차에서 떨어진 부식된 강철판을 적당한 크기로 자르고 표면의 부식을 적절히 제거한 다음 그 위에 피복재인 왁스를 피복한 시편을 제작하였다. 시편을 제논아크 촉진내후성시험기 속에 넣고 낮과 밤, 강우, 온습도 변화 등의 야외조건을 반복하며 1,000 시간을 가동하면서 매 200 시간마다 1편씩 시편을 선택하여 그 색상과 질감의 변화, 단면 파괴 등의 관찰과 분석을 하였고 실험 전·후 수분 접촉각을 측정하여 비교함으로서 내후성을 판단하였다.
- 이러한 환경의 영향을 조사 하는 시험은 실험실에서 수행하는 촉진내후성시험과 야외에서 직접 수행하는 폭로시험으로 나눠진다. 야외 시험은 환경조건을 제어하기가 어렵고 오랜 기간이 소요되므로 본 실험은 실내에서 그 결과를 빠른 시간 내에 확인할 수 있는 제논아크 촉진 내후성시험을 채택하였다.
- 제논아크 촉진 내후성 시험이 진행되는 동안 시편에 도포된 왁스 피복재가 변화되는 양상을 면밀히 조사하였다.
- 촉진 내후성시험 시간은 총 1,000 시간으로 정했고 매 200시간마다 1회씩 시편 1개를 취하여 그 변화상을 정밀 관찰하였다.
- 코팅재의 수분 차단효과는 내후성 시험전과 시험후 시편 위에 물방울을 떨어뜨려 수분 접촉각을 측정한 뒤 비교하는 방법으로 하였다.
대상 데이터
- 모든 시료는 피복 후 코팅 두께와 상태를 동일하게 만들고 시편에 잔존할 수 있는 수분제거를 위해 공업용 드라이어를 이용해 재가열하며 같은 조건이 되도록 조정하였다. 대조군로 코팅처리하지 않은 맨 철편 1점도 첨가하여 시료의 종류는 총 5종이 되었다(Table 2). 시편의 수량은 종류별로 각각 5개씩 제작하였다.
- 시편은 장단역증기기관차를 감싸고 있는 철제 방열판에 서 떨어진 파편을 이용하였다. 파편은 표면과 뒷면 모두 산 화철 또는 수산화철 부식이 심하게 슨 상태였다.
- 대조군로 코팅처리하지 않은 맨 철편 1점도 첨가하여 시료의 종류는 총 5종이 되었다(Table 2). 시편의 수량은 종류별로 각각 5개씩 제작하였다.
- 실험에 사용된 제논아크 촉진 내후성 시험기(Xenon-Arc Accelerated Weathering Tester, Q-panel, USA)는 코팅 금속 편의 내후성을 알아보기 위한 실험기기로 야외 환경에 노출된 금속이나 코팅재의 내후성과 관련된 ISO 4892- 1981, ISO 11341, ASTM G26-88의 규격을 만족하는 조건으로 제작되었다.4 시험조건을 간단하게 요약하면 Table 3과 같다.
- 실험재료는 야외 전시중인 증기기관차의 표면 보호피복제로 많이 사용되는 미정질[微晶質, Micro crystalline] 왁스 2종과 봉밀 왁스[蜂蜜, Bee's Wax] 1종 등 모두 3종을 선정하였다.
성능/효과
- 이처럼 내후성 시험 전․후의 접촉각은 크게 달라졌는데 이 결과를 통해 노천에 전시될 증기기관차의 수분 차단효과를 장피복재를 결정하는데 큰 역할을 였다. 3종의 왁스 가운데 MC-고온형 즉 미정질 고온형 왁스가 내후성이 가장 좋은 것으로 나타났다. 3종의 왁스 가운데 MC-고온형 즉 미정질 고온형 왁스가 내후성이 가장 좋은 것으로 나타났다.
- 수분 접촉각이 크고 시간이 지나도 그 변화 폭이 적은 재료가 야외 환경에서도 방수효과가 크고 효과가 오래 지속되므로 증기기관차에 적합한 피복제로 판단할 수 있다. 내후성 시험 전 시편의 접촉각을 측정한 결과는 왁스의 종별 차이는 크지 않고 대체로 50 ~ 57 정도의 값을 가지고 있는 것으로 나타났다. 하지만 내후성 시험 후 측정한 접촉각의 차이는 크게 달라졌다.
- 수분 접촉각 측정값을 측정 전·후 변화한 차이로 표시하면 MCC > MCC+MC-고온형> MC-일반형 > MC-고온형 순으로 되어 변화가 적은 MC고온형이 내후성이 가장 강한 것을 알게 되었다. 따라서 경의선 장단역증기기관차의 표면 보호피복재로서 MC-고온형이 가장 적합하다고 판단되었다.
- 모든 왁스 피복 시편은 내후성 시험 이 진행되는 동안 수산화철 부식이 생성되어 약간 황갈색을 띄게 되었고, 특히 시차를 두고 표면이 하얗게 변하는 백화현상이 나타났다. 이러한 백화현상은 MCC, MCC+MC-고온형이 400시간 후에, MC-일반형, MC-고온형은 800시간 후부터 확인되었다.
- 이러한 백화현상은 MCC, MCC+MC-고온형이 400시간 후에, MC-일반형, MC-고온형은 800시간 후부터 확인되었다. 모든 종류의 왁스가 부식 생성을 완전히 방어하지는 못했지만 백화현상은 미정질 왁스가 봉밀왁스에 비해 약 2배정도 안정성이 있음을 확인할 수 있었다.
- 시편의 단면 조사결과 왁스 피복층은 크게 손상되지 않은 것으로 나타났지만 수분 접촉각 측정결과는 왁스의 종류별로 크게 달라졌음을 확인할 수 있었다. 수분 접촉각 측정값을 측정 전·후 변화한 차이로 표시하면 MCC > MCC+MC-고온형> MC-일반형 > MC-고온형 순으로 되어 변화가 적은 MC고온형이 내후성이 가장 강한 것을 알게 되었다. 따라서 경의선 장단역증기기관차의 표면 보호피복재로서 MC-고온형이 가장 적합하다고 판단되었다.
- 시험 결과 4종의 왁스시편 가운데 봉밀 왁스 2종(MCC와 MCC+MC-고온형)에서 400시간 후부터 백화현상이 나타났으며 미정질 왁스 2종(MC-일반형과 MC-고온형)은 800시간 이 경과한 후부터 상태가 변화하였다. 시편의 단면 조사결과 왁스 피복층은 크게 손상되지 않은 것으로 나타났지만 수분 접촉각 측정결과는 왁스의 종류별로 크게 달라졌음을 확인할 수 있었다. 수분 접촉각 측정값을 측정 전·후 변화한 차이로 표시하면 MCC > MCC+MC-고온형> MC-일반형 > MC-고온형 순으로 되어 변화가 적은 MC고온형이 내후성이 가장 강한 것을 알게 되었다.
- 시험 결과 4종의 왁스시편 가운데 봉밀 왁스 2종(MCC와 MCC+MC-고온형)에서 400시간 후부터 백화현상이 나타났으며 미정질 왁스 2종(MC-일반형과 MC-고온형)은 800시간 이 경과한 후부터 상태가 변화하였다. 시편의 단면 조사결과 왁스 피복층은 크게 손상되지 않은 것으로 나타났지만 수분 접촉각 측정결과는 왁스의 종류별로 크게 달라졌음을 확인할 수 있었다.
- 피막의 두께는 대체로 10~30㎛ 정도로 측정되었다. 시험 전 후 왁스층의 변화상을 직접 비교하기는 불가능했지만 대체로 피막의 두께가 약간 얇아졌고 매끈했던 표면이 부식층의 요철과 같은 모양으로 변모하였음을 발견할 수 있었다. 다행히 왁스 자체가 노화되었다거나 씻겨나가지 않은 것만은 분명히 확인이 되고 있었다.
- 이처럼 내후성 시험 전․후의 접촉각은 크게 달라졌는데 이 결과를 통해 노천에 전시될 증기기관차의 수분 차단효과를 장피복재를 결정하는데 큰 역할을 였다. 3종의 왁스 가운데 MC-고온형 즉 미정질 고온형 왁스가 내후성이 가장 좋은 것으로 나타났다.
- 변화된 상태는 백화현상이 발생했고 붉은색의 산화철 부식이 다수 관찰되었다. 전체적인 변화정도를 비교하면 MCC가 가장 심했고, MCC+MC-고온형, MC일반형 그리고 변화가 가장 적은 것은 MC-고온형 순서로 나타났다. MCC의 경우 내후성 시험 전에는 표면 상태가 상당히 좋았지만 400시간 경과 후부터 흰 반점과 함께 새로운 부식이 생성되었고 시간이 경과하며 대부분 하얗게 변했다.
- 접촉각 측정 결과를 정리해 보면 내후성 시험 전 왁스의 종별 발수력은 MC-일반형, MC-고온형, MCC 그리고 MCC+MC-고온형 순으로 파악되었지만, 내후성 시험 1,000시간 후에는 MC-고온형이 가장 강했고, 다음은 MC일반형이, 그 뒤를 MCC+MC-고온형 그리고 MCC가 가장 약한 것으로 나타났다.
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