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제2장 생존 및 방호소재-장갑(Armor) 소재기술(1)-김수현(재료연)-신소재경제신문·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2019(14) - 장갑소재 국방력 직결, 경제 논리 벗어나 적극적 지원 必
  • 기사등록 2021-05-03 12:44:26
  • 수정 2021-09-17 10:15:01
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재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 11번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘미래국방소재’다. 미래 전장 환경 변화, 병력대상 인구의 감소, 해외 주요국의 국방력 강화 등 미래국방 관련 기술개발의 요인이 갈수록 증가하고 있고, 우리나라 또한 정부 국정과제 및 주요 국방 관련 정책 대응을 위한 기술현황 파악에 적극적으로 나서고 있다. 소재기술백서 2019는 이러한 ‘미래국방을 위한 소재기술’을 주제로, 내열 및 구조 소재, 생존 및 방호 소재, 첨단지능형 방산기능 소재와 관련한 기술동향을 분석하는데 집중했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2019’를 연재한다.

장갑소재 국방력 직결, 경제 논리 벗어나 적극적 지원 必


정부 투자 美 1/10·日 1/5 불과, 선진국 군사기밀로 통제

다층판재 기술·경사기능 기술·표면코팅 기술 등 개발 요구


■ 연구개발 국내 동향


현재 장갑 소재가 적용되는 전차, 장갑차 등은 주로 한화디펜스에서 생산하고 있다. 한화디펜스는 과거 삼성테크윈, 한화테크윈 등으로부터 방산 분야만 전문적으로 수행하는 기업으로 발전하였다. 현대로템은 철도차량을 주 생산품으로 하면서 K1 전차, K1A1 성능개량 전차, K2 흑표전차 등을 개발하였으며 최근에는 차륜형 전투차량, 로봇 및 첨단무기체계의 연구개발을 수행중이다.


최근의 전시환경 변화에 적응하기 위하여 국내에서도 기동성, 적재능력, 생존성 등을 모두 만족하는 균형적 요구 성능이 중시되고 있다. 기아자동차에서는 미래 전장 환경과 효율적인 전력운영에 적합한 한국형 소형전술차량(Light Tactical Vehicle, LTV)를 개발하였으며, 측후면에 탈부착이 가능한 방탄판 구조를 채택함으로써 방호성능 조절이 가능하도록 하였다.


장갑 소재의 경우 80년대 후반부터 금속장갑 소재에 대한 연구개발이 진행되었으며, 지금까지 방탄성능이 향상된 경량장갑 소재에 대한 연구개발이 진행 중이다. 철계 합금은 주강(cast steel), 균질압연 장갑판재, 고경도 장갑판재 등으로 구분할 수 있는데 우수한 경도와 인성을 동시에 확보하기 위하여 Fe-Ni-Cr-Mo 및 Fe-Mn-B 계 합금을 이용하여 내부 조직을 템퍼드 마르텐사이트로 제어하는 기술이 개발되고 있다.


또한, 최근에는 인장강도 1,900MPa 급 초고강도강을 개발하여 장갑판재로 사용하고자 하는 연구가 수행되고 있다. 비철합금의 경우는 알루미늄 합금에서 방탄특성을 향상시키고 생산성을 확보하고자 하는 연구개발이 진행 중이다. 알루미늄 합금은 대표적인 경량 방탄 소재이나 부식 환경에서 응력부식에 의한 균열발생이 문제점으로 제기됨에 따라서 내식성 향상을 위한 연구가 진행 중이다.


가장 대표적인 장갑판재인 균질압연 장갑판재의 경우 두산중공업, 포스코 등에서 생산이 가능하나 고경도장갑(HHA) 및 초고경도장갑(UHHA)의 경우 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다. 최근에는 국내에서도 철강회사를 중심으로 고경도 장갑 소재의 개발이 진행 중이며 실제 전투차량에 사용이 검토되고 있다.


최근 재료연구소는 인장강도 1,200MPa 이상, 밀도 6.7g/cm3 이하이고 균질압연 장갑판재 대비 동등 이상의 방탄특성을 갖는 기동무기체계용 경량철강 장갑판재를 개발하였으며, 두산중공업에서 상용 설비를 이용한 경량철강 제조에 성공함에 따라 상용화 가능성이 확인되었다.


■ 연구개발 해외 동향


최근 장갑재료의 기술개발은 미래 전시환경에 적합한 고성능, 경량 소재의 개발에 중점을 두고 있다. 지금까지 균질압연 장갑으로부터 고경도장갑, 초고경도장갑에 이르기까지 경도 증가를 통한 장갑기술의 발전을 목표로 하였다면, 미래에는 생존성과 기동성을 동시에 확보하면서 다양한 외부 공격에 대한 방어를 위하여 보다 복잡한 구조의 장갑재료의 개발과 반응 장갑 및 능동 장갑에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.


특히 테러와 국지전에서 빈번히 사용되고 있는 급조 폭발물에 대한 장갑능력을 강화하기 위하여 열화우라늄을 이용한 복합장갑 기술이 적극적으로 적용되고 있다. 또한, 방탄 및 방폭 특성을 향상시키기 위한 방법으로서 내부 기공을 포함하는 다공체 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 미국 노스캐롤라이나 주립 대학교에서는 철계 합금 내부에 중공체를 분산시킴으로써 방탄 및 방폭 특성을 향상시킬 수 있음을 보인 바 있다.


경량화가 가능한 대표적인 소재인 알루미늄 합금은 5000계 및 7000계 합금을 이용하여 주로 방탄판을 제조하여 왔다. 5000계 합금의 경우 가공경화된 상태에서 주로 사용되며, 7000계는 석출강화에 의하여 강도를 향상시킴으로써 장갑 소재로서 적합한 특성을 갖도록 만든다. 대표적인 방탄 알루미늄 합금인 5083과 7039는 1970년대까지 가장 널리 사용되어온 경량 방탄 소재이다.


한편 2219 및 2519와 같은 2000계 합금의 경우 방탄 특성이 충분하지 않아 많이 사용되지는 않는다. 최근 전시 환경 변화에 따라서 기존 5083합금을 대체하기 위한 6061-T651 합금이 제안된 바 있다. 또한, 2000계 합금에 있어서도 2139, 2195 등 새로운 합금이 제안되었고, 7000계에서도 알코아에서 7085 합금이, 유럽 국가에서 7018, 7019, 7020 합금이 제안되었다. 특히 7085 합금은 T711, T721 등 알코아 고유의 열처리를 통하여 방탄 및 방폭 특성을 향상시킬 수 있음을 보였다(그림 13).


미국은 3세대 주력전차인 M1 에이브람스(Abrams)의 경우 열화우라늄을 이용한 복합장갑 방식을 채택하였다. 또한, 급조 폭발물에 대응하기 위하여 추가적인 장갑 능력 향상을 위한 개발이 진행 중이다.


소형전술차량의 경우 미국의 험비(Humvee)가 대표적이며 AM제너럴사에서 1980년대 이후부터 생산되고 있다. 험비에 사용되는 장갑 소재는 경량화 추세에 따라서 철강에서 알루미늄 및 복합소재로 변화하고 있다. 전술차량은 장갑성능 및 화력 강화를 위하여 무게가 증가하므로 기동성 확보를 위해서는 경량소재의 적용이 필수적으로 요구된다.


러시아에서는 기존 Kontakt 장갑을 대체하기 위하여 신형 반응 장갑인 레릭트(Relikt) 반응 장갑을 개발하였으며, 이 3세대 반응 장갑은 미국의 M829A2 및 M829A3 APFSDS 전차탄에 대응하도록 설계되었다.


또한, 4세대 반응 장갑인 말라키트(Malakhit)의 경우 장갑판에 충격이 가해지기 전에 타일의 폭발물이 폭발하도록 설계됨으로써 생존성을 향상시켰다.


독일의 다이너마이트 노벨사(Dynamit Nobel)에서는 클라라(CLARA)로 명명된 비금속 반응 장갑을 개발하였다고 보고하였다. 이 반응 장갑의 경우 폭발물의 파편보다는 폭풍파를 이용하여 장갑성능이 발현되므로 파편에 의한 피해를 최소화할 수 있는 것이 장점이다.


■ 국내외 선도기관


국내의 경우 1990년대부터 철계 장갑판재에 관한 연구개발이 진행되었다. 주로 학교 및 연구소를 중심으로 해외 소재의 특성 향상 기술 및 장갑 특성 기구 해석에 관한 연구가 진행되었다. 이후 포스코, 두산중공업 등의 소재 기업에서 균질압연 장갑 소재의 판재 제조 기술, 단조 기술 등의 개발이 진행되었다.


포스텍에서는 방탄성 향상을 위하여 강판 표면에 고연성 재료와 고경도 재료를 다층으로 육성용접하는 기술과 고경도 철계합금을 육성용접하는 기술을 개발하였다. 최외 표면층에 고연성 재료를 용접함으로써 탄자가 충돌하였을 때 진행방향이 유지되도록 하여 방탄성을 향상시킬 수 있음을 관찰하고 특허화하였다. 국방과학연구소는 실제 체계 적용을 고려한 다양한 종류의 장갑 소재의 방탄, 방폭 특성 평가 및 시험 절차 개발 등의 업무를 수행 중이다.


재료연구소에서는 장갑판재 및 개인방호 방탄판용 철강소재, 알루미늄 소재, 복합소재 등의 연구개발이 진행되었다. 최근의 연구방향은 장갑특성을 향상시키면서 경량화 할 수 있는 기술개발이 주류를 이루고 있으며 이를 구현하기 위한 경량철강 기술, 알루미늄 복합소재 기술, 알루미늄 폼 기술 등이 개발 중이다.


알루미늄 폼의 경우 경량성이 우수한 알루미늄 합금 내부에 중공체가 분산됨으로써 경량성을 극대화 할 수 있고 폭발에너지 흡수능을 향상시킴으로써 방폭 성능이 부여되도록 설계되었다. 사용되는 알루미늄 합금 및 중공체의 종류를 변화시켜서 다양한 특성을 갖는 알루미늄 폼 제작이 가능하고 복합장갑의 핵심소재로 적용이 가능할 것으로 예상된다.


해외의 경우 가장 대표적인 장갑 소재 제조업체인 ARMOX를 생산하는 스웨덴의 사브(SSAB), 알루미늄 합금을 생산하는 미국의 알코아(ALCOA), 복합소재를 생산하는 미국의 MC21 등이 있다. 사브(SSAB)는 ARMOX라는 자체 브랜드의 철계 장갑 소재를 생산하고 있고 알코아(ALCOA)에서는 방탄소재로서 Armx 7085 합금을 개발하였다.


복합소재의 경우 미국의 CPS사, MC21사가 대표적이며 주로 알루미늄 기지 복합소재를 이용한 경량 방탄 소재를 생산하고 있다. 미육군연구소(Army Research Laboratory)는 고성능, 경량 장갑 소재 개발을 위한 프로그램을 수행 중이다.


미국 노스캐롤라이나 주립 대학교의 Afsaneh Rabiei 교수는 철계 합금 내부에 중공체를 분산시킴으로써 방탄 및 방폭 특성을 향상시킬 수 있음을 보였다. 이 철계 폼은 내부에 기공을 포함하는 구조로 되어 있어서 일반적인 금속소재에 비하여 경량화가 가능하고 충돌 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있도록 설계되었다.


Popular Mechanics에 따르면 매우 우수한 방탄특성을 보이고 있으며 폭발에 의한 폭발파에 대한 에너지 흡수능도 우수하다고 보고하였다. 무게 또한 가벼워서 기존 균질압연 장갑판재에 비하여 삼분의 일의 무게로 동일한 수준의 장갑 성능을 발휘하는 것으로 보고된 바 있다.


방탄판용 금속복합소재의 경우 재료연구소, 한국생산기술연구원, 한국과학기술연구원 등의 정부출연연구소 및 한국과학기술원, 포스텍, 한양대 등의 대학을 중심으로 연구개발이 진행되고 있으며 내부 분산 강화재의 부피분율을 증가시킬 수 있는 기술을 개발 중이다.


■ 산업 및 시장 국내 동향


1) 시장규모 및 전망


국내 장갑재료의 경우 실제 제조되는 전차 및 장갑차량의 생산량에 의해서 결정된다. 2019년 1월 발표에 의하면 K2 전차의 3차 생산계획은 54대이며 총 생산량은 260대이다. K2 전차는 능동방어체계와 반응 장갑 등이 장착되어 있으므로 이에 따른 장갑 소재의 국내시장도 동반 성장할 것으로 예상할 수 있다.


민수산업에 비하여 매우 작은 시장을 형성하고 있지만, 상대적으로 고부가가치 기술 개발이 필요한 분야이며 대부분 수입에 의존하는 상황을 고려할 때 중장기적으로 소재 국산화가 필요할 것으로 예상된다. 또한, 경량장갑을 실현하기 위해서는 경량소재 적용이 필수적이며 기존 철강소재를 대체할 고강도 경량금속 및 복합소재 시장은 꾸준히 증가할 것으로 예상된다.


2) 기업 현황


국내의 경우 장갑 소재 관련 기업은 장갑 소재 생산업체, 부품 생산업체, 체계업체로 구분할 수 있다. 체계업체는 한화디펜스 및 현대로템이 대표적으로서 장갑 소재를 적용하여 자주포, 장갑차 등의 제조가 가능한 업체이다.


장갑판용 철강소재의 경우 포스코, 두산중공업 등 철강 생산을 전문으로 하는 기업 및 특수강 업체에서 고경도 철강소재에 대한 사업 영역을 구축하고 있다. 장갑판용 고강도 알루미늄 합금의 경우 동양에이케이코리아, 알코닉코리아 등의 기업에서 빌렛 및 슬라브의 생산 능력을 갖추고 있다.

방탄용 복합소재를 생산하는 대표적인 기업은 삼양컴텍이 있으며 지상장비방호제품, 개인방호제품 및 항공부품을 생산할 수 있다. 특히 전차 및 장갑차용 방탄장갑의 개발과 함께 방탄시험을 수행할 수 있는 자격을 갖춘 업체이다. 웰크론은 섬유 전문기업으로서 방탄복에 삽입되는 초고분자 폴리에틸렌과 세라믹 소재로 구성된 복합소재를 이용한 방탄판 제조 능력을 확보하고 있다.


■ 산업 및 시장 해외 동향


1) 시장규모 및 전망


전차는 1차 세계 대전에 처음으로 등장하였으며 이후 중동지역 전쟁을 거치며 발전하여 왔다. 세계 전차시장은 <표 9>에서와 같이 2015년 기준 23.1억 달러 수준이며 향후 10년간 15~20억 달러의 시장을 형성할 것으로 예측된다. 제품별로 보면 미국의 General Dynamics Land System사의 제품이 가장 큰 시장 점유율을 차지하는 가운데 중국, 독일, 러시아 등에서 전차를 생산하고 있으며, 국내의 경우는 약 1%의 수준인 24억 달러 규모를 형성하고 있다.


경량장갑판재로 사용가능한 고강도 알루미늄합금의 경우 전차 및 전투차량의 기동성이 더욱 중요해지면서 사용량이 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.


2) 기업 현황


가장 대표적인 장갑 소재 기업은 철계 소재인 ARMOX를 생산하는 스웨덴의 SSAB, 알루미늄 합금을 생산하는 미국의 ALCOA, 복합소재를 생산하는 미국의 MC21을 들 수 있다. ARMOX의 경우 등급에 따라서 매우 높은 경도를 갖고 있고 방탄 및 방폭 특성 발현을 위한 경도와 인성을 조합할 수 있는 기술을 보유하고 있다.


미국의 ALCOA 사는 초거대(超巨大) 알루미늄 생산업체로서 최근 Armx 7085 알루미늄 합금을 개발하여 우수한 방탄 및 방폭 특성을 증명하였다. MC21의 경우 다양한 종류의 금속복합소재를 생산할 수 있는 업체로서 특히 고부피분율 Al-SiC 복합소재의 대량생산 기술을 보유하고 있다. 미국의 CPS사에서는 방탄용 금속복합소재를 개발하였으며 이를 이용하여 반도체 패키징 사업에도 진입하였다. 미국의 MC21은 대표적인 금속복합소재 생산업체로서 방탄판 및 자동차 부품용 금속복합소재를 대량생산할 수 있는 능력을 갖추고 있다.


■ 국내외 선도기업


국내의 경우 장갑 소재를 생산하는 업체, 부품을 제조하는 업체, 체계 업체 등으로 구분할 수 있다. 한화디펜스는 국내의 대표적인 방산 체계업체로서 장갑차량 및 자주포 등을 생산하고 있다. 삼양컴텍은 방탄판 및 개인방호 제품을 생산하는 대표적인 업체이며 전차 및 장갑차량용 방탄장갑 및 이에 사용되는 세라믹 기판 및 복합재를 개발·생산하고 있다. 미국의 CPS사 및 MC21사는 금속복합소재를 생산 중이다.


■ 미래의 연구방향


장갑 소재는 1차 세계 대전부터 개발되어 왔으며 이후 장갑성능 향상을 위하여 복합장갑, 반응 장갑 등 다양한 소재 및 성능을 조합한 기술개발이 이루어져 왔다. 시시각각 변화하는 외부 위협으로부터 무기체계 및 병사를 보호하기 위해서는 방탄 및 방폭에 대한 명확한 기준을 필요로 하며 특히 국내 환경에 적합한 장갑 소재의 개발이 필수적으로 요구된다.


또한, 장갑 소재의 성능 평가 방법에 있어서도 해외에서 적용되는 방법을 사용하는 경우가 많고 평가 노하우 및 인프라 역시 부족한 상황이므로 국내 실정에 적합한 시험 평가 방법 및 절차의 개발도 필요하다.


기존에 사용되어 온 철강, 비철금속, 세라믹, 복합소재는 단일 소재의 특성도 향상되어야 할 뿐만 아니라 이들의 조합을 이용한 복합장갑 기술이 필요할 것으로 예상된다. 소재의 경도와 인성의 증가를 통하여 방호능력을 향상시키고 방탄 및 방폭 메커니즘 규명을 통하여 최적 설계 기술이 확보되어야 한다.


또한, 무기체계와 병사의 기동성 확보를 위하여 경량화 기술 개발도 병행되어야 한다. 금속장갑재료의 경우 고경도, 고인성, 경량성을 모두 갖춘 합금 개발이 미래의 주된 연구방향이 될 것이다. 이를 위해서는 신합금 개발뿐만 아니라 내부 조직의 제어를 위한 특수 제조 공정 기술 개발도 병행되어야 한다.


또한, 관통저항성을 평가하고 예측하기 위한 시험법 및 시뮬레이션 기술이 정립되어야 한다. 단일 소재로 구현하기 어려운 장갑성능은 결국 다층 판재 기술, 경사 기능 기술 및 표면 코팅 기술 등이 개발되어야 한다.


미래에는 다양한 환경에서의 생존성이 중요해짐에 따라서 장갑재 추가에 따른 전투차량의 무게 증가가 큰 이슈가 될 것으로 예상된다. 중량화 경향은 결국 전투차량의 기동성에 문제가 되므로 결국은 장갑 소재의 경량화가 필수적으로 요구된다. 이는 기존의 수동 장갑의 경량화뿐만 아니라 반응 장갑의 적용확대를 예상할 수 있다.


과거의 전쟁이 전면전의 양상을 보이고 현재의 전쟁이 국지전과 테러로 정의할 수 있다면 미래의 전시환경에서는 로봇, 드론 등 다양한 형태의 무기가 활용되는 첨단 기술 전쟁터로 예상할 수 있다. 기존의 장갑 소재가 주로 전투차량과 병사의 생존성에 초점이 맞추어져 있었다면, 미래에는 각종 무인 무기체계의 성능향상을 위한 특수 소재로 응용분야가 확대될 것이다. 또한, 본고에서 주로 서술한 수동형 장갑 외에 반응 장갑 및 능동 장갑의 개발 및 이들을 조합한 복합 기능 장갑의 개발이 필요할 것으로 예상된다.


■ 정책 제언


장갑 소재는 국가 방위산업에서, 없어서는 안 될 핵심소재로서 국방력과 직결되며, 무기체계 및 병사의 생존성과 기동성을 동시에 확보하기 위해서 반드시 개발되어야 하는 기술이다. 일부 특수 장갑 소재의 경우 선진국에서 군사기밀로 분류되어 기술 유출이 통제되고 있는 상황으로서 국가적으로 볼 때 국산화 기술을 보유할 필요가 있다.


대부분의 국방용 소재와 마찬가지로 장갑 소재 역시 단순한 시장논리로만 접근해서는 연구개발에 어려움이 있다. 따라서 국내 기업을 통한 국산화에 성공하더라도 실제 체계 사업에 적용되기 위해서는 정부의 적극적인 지원이 필요하다. 특히 수입규제 품목에 포함되어 있거나 노하우 전수도 어려운 최신 장갑 소재의 경우 독자 기술 확보가 필수적이나, 실제로 장갑 소재 개발을 위한 정부의 투자는 선진국인 미국의 1/10, 일본의 1/5 수준에 머무르고 있다.


또한, 대부분의 연구개발 사업이 단기 연구에 그치고 있어서 실제 방산품에 적용되기까지 어려움이 있는 것도 사실이다. 이와 같이 장갑 소재는 국가적으로 반드시 확보되어야 할 기술이므로 장기적인 정부의 투자를 통하여 연구개발이 이루어질 수 있도록 노력을 기울여야 할 것으로 생각된다.



▲ <그림 12>기아자동차의 소형전술차(K151)



▲ <그림 13>알코아 7085 소재의 방탄 특성



▲ <표 4>미국 전차의 장갑성능 비교



▲ <그림 14>AM 제너럴의 험비(Humvee)



▲ <표 5>러시아 전차의 장갑성능 비교



▲ <표 6>독일 전차의 장갑성능 비교



▲ <그림 14>미국 North Carolina State University에서 개발한 철계 폼



▲ <표 7>철계합금 장갑 기술-국내외 선도연구기관



▲ <표 8>비철합금 장갑 기술-국내외 선도연구기관



▲ <표 9>세계 전차 시장 전망



▲ <표 10>국방, 항공용 고강도 알루미늄 합금 시장 전망



▲ <그림 16>MC21 사의 알루미늄 복합소재의 방탄 특성



▲ <표 11>장갑 소재 기술-국내 선도기업



▲ <표 12>장갑 소재 기술-해외 선도기업



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