잠수함은 압력선체와 비 압력선체로 구성되어 있다. 압력선체는 심해의 높은 수압을 견딜 수 있도록 고장력강(HY80, HY100강)으로 된 원통형 구조물로 이루어져 있으며 내부에는 주요 장비와 승조원 거주구역이 배치되어 있다. 비 압력선체는 주로 압력선체 외부를 감싸고 있는 케이싱을 의미하며 압력선체 외부에 설치되어 있는 장비들을 보호하고 함의 형상을 유선형으로 만들어 유체저항을 줄이는 역할을 한다. 비 압력선체는 해수가 유입되는 자유충수구역이로 높은 수압을 견딜 필요가 없기 때문에 중량과 부력조절이 용이한 복합소재 구조물로 구성된다.

현재 대한민국 해군에서 운용하고 있는 장보고-I, 장보고-II급 잠수함과 건조중인 장보고-III급 잠수함에는 장비보호 및 함 외형유지를 위하여 복합소재 구조물이 사용되고 있다. 잠수함 비 압력선체용 복합소재는 주로 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic, 이하 GFRP)와 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic, 이하 CFRP)가 있다. 잠수함에서 눈과 같은 역할을 하는 SONAR(Sound Navigation and Ranging)시스템의 마이크로폰 주변에 사용되며 이를 제외한 부위는 GFRP(Glass Fiber reinforced plastic)로 제작된 구조물로 이루어진다. GFRP는 금속구조물 대비 가볍고 단단하여 수리와 교체가 쉽고 함 중량과 부력조절, 유지보수가 용이하여 잠수함에 적합한 소재라고 할 수 있다.

GFRP는 합성수지류와 강화섬유, 심재로 구성되며 몰드 위로 강화섬유와 수지의 적층과 경화과정을 반복하여 제작한다. GFRP의 제작방법으로는 크게 핸드레이업(Hand Lay-up), 진공성형법(VARTM: Vaccum Assisted Resin Transfer Molding, 이하 진공성형법), 가압성형법(Pressing Technique)이 있으며, 이중 핸드레이업 공법은 설비비용이 저렴하나 기포와 같은 표면결함이 다수 발생되며 구조강도가 비교적 낮은 단점을 가지고 있다.

일반적으로 GFRP 래미네이트(Laminate)에 균열이 발생하거나 강화섬유층이 전단되어 구조적 손상이 발생하는 경우 Figure 2. (a)와 같이 스카프 재적층 수리법(Scarf Re-Laminating Repairing Method)으로 수리하게 되며 스카프 각도와 형상, 경화방법 등을 적절히 조절하여 정상제품과 동일한 강도를 가지도록 수리가 가능하다.[1][6][7][8] 반면 래미네이트 표면에 발생하는 기포와 균열, 찍힘과 같은 표면손상은 시간과 비용측면에서 효율적인 Putty 수리법을 사용할 수 있다. Putty는 래미네이트에 사용된 수지와 잘게 자른 강화섬유 조각을 혼합하여 Fig. 2. (b)와 같이 손상부위에 도포하는 것으로 시공이 간편하며 수리 후 외관이 우수한 장점이 있다. 장보고-I급과 장보고-II급 잠수함에 사용되는 GFRP 구조물은 모두 핸드레이업 공법으로 제작된 GFRP가 사용되는데, 제작공정에서 실제로 기포나 균열, 찍힘 등 표면결함과 손상이 다수 발생되며 이를 수리하기 위하여 Putty 수리법이 현장에서 자주 사용되고 있다.

이처럼 GFRP 제작과 이송 및 설치과정에서 발생되는 표면결함에 대하여 Putty를 이용한 수리가 통상적으로 사용되고 있으나 Putty 수리 적용기준이나 작업을 위한 시방서가 없으며, 특히 수리 후 구조강도 변화에 대해 수행한 시험이나 연구가 없어 단순히 작업자와 검수자의 주관적인 판단에 따라 사용되고 있는 실정이다. 이 때문에 Putty 수리 가이드라인이 필요하게 되었고 본 연구에서는 Putty 수리가 구조강도 요구조건을 만족시킬 수 있는지 여부와 구조강도 변화를 확인하기 위하여 GFRP 시편시험을 수행하였다. DSME, ㈜수성과 공동으로 선행연구를 수행한 결과, 래미네이트의 강화섬유층 손상정도가 구조강도 변화에 영향을 미치는 주요한 요인인 것을 유추할 수 있었다. 이에 따라 본 연구에서는 래미네이트에 발생된 결함의 깊이를 시험 조작변인으로 설정하고 본 연구를 설계, 수행하였다.

결함의 깊이가 구조강도 변화에 미치는 영향에 대한 가설을 검증하기 위하여 각 유형별 시편시험결과를 정리하여 비교하여 보았다. 각 시편의 구조강도 요구조건 만족여부를 확인하고 정상시편 0 ° 시험결과와 비교하여 강도감소율을 산출하여 보았다. 또 시험시편의 파단면과 수리면 관찰을 통하여 강도감소 원인을 유추하여 보았다.

본 연구에서는 함 건조현장과 GFRP 제작공장에서 사용되고 있는 Putty 수리법에 대한 적용기준을 마련하기 위하여 Putty 수리 후 GFRP의 구조강도 변화를 살펴보고 요구강도 충족여부를 확인하여 보았다. 기포, 균열, 찍힘과 같은 표면결함이 발생하는 경우 강화섬유층의 손상정도가 구조강도 저하의 주요 요인일 것으로 보고, GFRP 시편시험을 통해 가설을 검증하여 보았다. 대한민국 해군에서 운용중인 장보고-I급 잠수함용 GFRP를 연구대상으로 선정하여 핸드레이업 제작법을 통해 Panel과 인장, 굽힘 시험시편을 제작하였고, 손상의 깊이를 조작변인으로 설정하여 1, 2, 3, 4 mm의 손상을 인위적으로 만든 후 Putty 수리법으로 수리한 후 강도시험을 수행하였다.

인장강도 시편시험결과, 결함의 깊이가 1 mm 이하인 경우에는 DIN EN 61에서 제시하는 강도 요구조건을 만족하였으나 2 mm 이상의 결함깊이에서는 인장강도 요구조건을 만족하지 못하였다. 그러나 굽힘 강도 시험에서는 결함의 깊이에 상관없이 모든 시험유형에서 강도요구조건을 충족하여 우수한 굽힘 강도 성능을 나타내었다. 인장시험과 굽힘 강도 시험결과에서 결함의 깊이가 깊어질수록 구조강도가 저하되는 특성이 나타났는데, 시험시편의 단면을 관찰한 결과 결함의 깊이가 1 mm 씩 깊어질수록 시편 래미네이트의 강화섬유층이 한 층씩 손상되어, 하중을 견디는 강화섬유층이 감소되기 때문인 것으로 확인되었다. 인장시험과 굽힘 시험 후 시편의 Putty 수리부위를 관찰한 결과, 시편과 수리부위의 경계면을 따라 Putty가 분리되는 현상이 나타났는데, 이는 Putty 수리부위에 시편과 Putty의 결합력이 약하여 낮은 하중에서 수리면의 분리가 발생되며 하중을 견디는 역할을 수행하지 못하기 때문인 것으로 보였다. 즉 Putty 수리법은 인장강도나 굽힘 강도와는 무관하게 외관을 미려하게 개선하고 노치를 제거하여 응력집중이 발생되는 것을 예방하는 차원에서 사용될 수 있으나, 수리부위는 하중이 작용할 때 구조적으로 취약하다는 것을 확인할 수 있었다.

결론적으로 Putty 수리법은 래미네이트의 Roving 층(Second layer)에 손상이 가지 않은, 깊이가 2 mm 미만의 크기가 작은 결함에 한하여 적용하는 것이 구조강도를 고려하였을 때 적절할 것으로 보였으며, 강화섬유층이 손상되지 않은 단순 표면기포, 미세균열과 같은 결함에는 Putty 수리를 사용하는 것이 적절할 것으로 판단되었다.

함 건조현장과 GFRP 공장에서는 핸드레이업 공법뿐만 아니라 진공성형법으로 래미네이트를 제작하는 경우에도 표면손상 발생시 Putty 수리법이 주로 사용되고 있는데, 잠수함용 GRFP 래미네이트들의 적층구조적형상은 서로 유사하므로 모든 잠수함용 GFRP 제품에 대하여 본 연구결과를 적용할 수 있을 것으로 생각된다. 향후 조선소와 GFRP 제작업체에 본 시험결과를 공유하여 잠수함용 GFRP를 제작하는 과정에 적용할 수 있을 것이며, 관련기관과 업체의 추가 검토를 통해 형상식별서나 기술문서, 시방서에 반영하여 품질향상에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.