수소용기의 종류와 Type IV 구조

고압가스 저장용기는 재료와 구조에 따라 Type I부터 Type IV까지 구분됩니다. Type I은 금속으로 제작하고, Type II와 Type III는 금속 라이너와 복합재를 함께 사용합니다.

수소전기차에는 무게를 줄이면서 높은 압력을 견딜 수 있도록 플라스틱 라이너 외부를 탄소섬유 복합재로 감싼 Type IV 수소용기가 주로 사용됩니다.

라이너가 수소를 밀폐하는 역할을 담당한다면 탄소섬유 복합재층은 압력을 견디는 역할을 담당합니다. 두 부품 중 하나만 제대로 만들어져도 되는 것이 아니라 재료와 제조공정이 하나의 시스템으로 관리되어야 합니다.

1단계: 플라스틱 라이너 성형

Type IV 수소용기의 가장 안쪽에는 수소를 담는 플라스틱 라이너가 있습니다. 라이너에는 제품 설계에 따라 고밀도 폴리에틸렌이나 폴리아미드 계열과 같은 고분자 재료가 사용될 수 있습니다.

라이너는 블로 성형, 회전 성형 또는 제조사가 개발한 별도의 성형공정으로 제작됩니다. 성형방식은 용기의 크기와 형상, 사용 재료, 생산량에 따라 달라집니다.

플라스틱은 금속보다 가볍고 부식에 강하지만 수소가 고분자 내부를 통과하는 투과 현상을 완전히 무시할 수는 없습니다. 따라서 라이너 재료와 두께는 수소 투과성, 온도변화, 반복 충전 조건을 함께 고려해 결정합니다.

2단계: 금속 보스 결합

보스는 수소용기 입구에 설치되는 금속 부품입니다. 용기밸브와 배관을 연결하는 나사부를 제공하며, 충전된 수소가 차량의 연료전지 시스템으로 공급되는 통로가 됩니다.

보스는 라이너와 서로 다른 재료로 만들어지기 때문에 접합부의 밀폐성과 치수 관리가 중요합니다. 플라스틱 라이너와 금속 보스의 열팽창 특성이 다르고, 충전과 방전 과정에서 압력과 온도가 반복적으로 변하기 때문입니다.

보스가 설계 위치에서 벗어나거나 중심 정렬이 맞지 않으면 이후 와인딩 과정에서 섬유 배열이 불균일해질 수 있습니다. 보스 주변은 돔 부위의 섬유가 방향을 바꾸는 구간이기 때문에 형상과 위치를 정밀하게 관리해야 합니다.

3단계: 표면 준비와 와인딩 설계

라이너와 보스가 준비되면 외관과 치수를 검사하고 복합재 적층에 필요한 표면 상태를 준비합니다. 먼지, 수분, 오염물질은 수지 접착과 복합재 품질에 영향을 줄 수 있으므로 제조 기준에 따라 세척하고 건조합니다.

그다음에는 용기 형상과 목표 압력에 맞는 와인딩 패턴을 설정합니다. 원통부와 돔부는 압력을 받을 때 발생하는 응력의 방향과 크기가 다르기 때문에 모든 구간에 탄소섬유를 같은 방향과 두께로 감지 않습니다.

• 후프 와인딩: 원통부의 원주 방향 하중을 견디도록 섬유를 원주 방향에 가깝게 감습니다.
• 헬리컬 와인딩: 섬유를 기울어진 각도로 감아 원통부와 돔부를 연속적으로 보강합니다.
• 돔부 보강: 보스 주변의 하중과 섬유 경로를 고려해 적층 패턴과 두께를 조절합니다.

와인딩 각도와 적층 순서, 탄소섬유 장력은 용기의 강도와 무게를 좌우합니다. 탄소섬유를 많이 사용하면 무조건 좋은 것이 아니라 필요한 위치에 필요한 방향으로 배치하는 것이 중요합니다.

4단계: 필라멘트 와인딩

수소용기 제조공정에서 필라멘트 와인딩은 연속된 탄소섬유를 라이너 외부에 일정한 각도와 장력으로 감는 핵심 단계입니다.

탄소섬유에 수지를 공급하는 방법은 제조공정에 따라 달라질 수 있습니다. 섬유에 액상 수지를 묻혀 감는 방식과 미리 수지가 함침된 토우프리프레그를 사용하는 방식 등이 있습니다.

장력이 너무 낮으면 섬유 배열이 흐트러지거나 빈 공간이 생길 수 있고, 너무 높으면 라이너가 변형되거나 섬유에 불필요한 하중이 가해질 수 있습니다. 섬유가 지나치게 겹치거나 벌어진 부분도 국부적인 두께와 강도 편차로 이어질 수 있습니다.

특히 돔부는 곡률이 변하고 보스 주변에서 섬유가 방향을 바꾸기 때문에 원통부보다 와인딩 경로를 설정하기 어렵습니다. 설계해석 결과와 실제 제조 가능성을 함께 고려해 패턴을 결정해야 하는 이유입니다.

5단계: 수지 경화

와인딩이 끝난 직후의 탄소섬유층은 최종 강도를 갖춘 상태가 아닙니다. 탄소섬유 사이에 공급된 수지를 정해진 온도와 시간 조건으로 경화해야 섬유와 수지가 하나의 복합재 구조를 형성합니다.

경화공정에서는 온도를 한 번에 높이는 것이 아니라 수지 특성과 용기 구조에 맞는 온도 이력을 적용합니다. 가열속도, 유지온도, 유지시간과 냉각조건을 관리하지 못하면 수지의 경화상태가 불균일해지거나 라이너가 변형될 수 있습니다.

경화 중에는 수지 흐름과 기포, 내부 잔류응력도 고려해야 합니다. 겉으로는 정상으로 보이더라도 복합재 내부에 공극이나 층간 결함이 존재하면 반복 압력을 받을 때 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

6단계: 마감과 품질검사

경화가 완료된 용기는 표면과 치수를 확인하고 필요한 경우 보호층, 라벨, 밸브와 부속품을 장착합니다. 이후 제품과 생산단계에 맞는 검사와 시험을 진행합니다.

모든 용기에 파열시험이나 화염시험을 실시하는 것은 아닙니다. 파괴를 수반하는 시험은 일반적으로 인증 또는 설계 검증을 위해 선정된 시료에 적용하고, 양산품은 관련 규정과 품질계획에 따라 제품검사와 공정검사를 받습니다.

따라서 수소용기의 안전성은 마지막 검사 한 번으로 확보되는 것이 아닙니다. 원재료 입고부터 라이너 성형, 와인딩, 경화와 최종검사까지 각 단계의 기록과 추적성이 함께 관리되어야 합니다.

수소용기 제조공정에서 관리해야 할 핵심 요소

Type IV 수소용기 제조공정에서 중요한 것은 단순히 설비를 자동화하는 것이 아닙니다. 설계에서 정한 성능이 실제 제품에서도 반복적으로 구현되도록 재료와 공정조건을 일정하게 유지해야 합니다.

1. 원재료 관리
   탄소섬유와 수지, 라이너 재료의 보관조건과 사용기한을 관리해야 합니다.
2. 섬유 장력과 와인딩 위치
   설계된 각도와 경로대로 섬유가 배치되는지 지속적으로 확인해야 합니다.
3. 경화조건
   제품 내부와 외부의 온도차 및 실제 경화 이력을 관리해야 합니다.
4. 치수와 중량
   용기의 외형뿐 아니라 복합재 사용량과 부위별 두께 편차도 관리 대상입니다.
5. 생산 이력 추적
   사용한 재료의 로트와 주요 공정조건, 검사결과를 제품별로 확인할 수 있어야 합니다.

정리

수소용기 제조공정은 플라스틱 라이너 위에 탄소섬유를 감는 것만으로 완성되지 않습니다.

제조가 완료된 후에도 외관과 치수, 기밀성과 내압성능을 확인하고 인증단계에서는 파열과 압력반복, 화염과 충격 등 다양한 조건에서 안전성을 검증합니다.

결국 수소용기의 품질은 하나의 특별한 단계가 아니라 재료 선정부터 최종검사까지 이어지는 수소용기 제조공정 전체에서 결정됩니다.

자주 묻는 질문

함께 읽으면 좋은 글

• 700bar 수소 저장기술｜수소차가 700bar를 사용하는 이유
• 차량용 수소저장시스템의 구조와 원리
• 수소 안전장치｜TPRD·체크밸브·센서 원리

참고자료 및 출처

이 글은 수소용기 제조공정과 안전기준을 설명하기 위해 다음 공식 기술자료를 참고했습니다.

• 미국 에너지부｜700 Bar COPV Manufacturing
• UNECE｜UN Global Technical Regulation No.13