1. 서 론
2. 실험 방법
2.1 시료 준비
2.2 마이크로파 조사 장비
2.3 물성 측정 방법
3. 실험 결과
3.1 마이크로파 조사 시간에 따른 물성 변화
3.2 일축압축강도(UCS) 및 탄성계수(Young’s modulus) 변화
3.3 시험편 온도 변화
4. 토 의
4.1 마이크로파 조사가 암석 물성에 미치는 영향
4.2 마이크로파 조사에 의한 현무암 강도 감소
4.3 달 심부 굴착에의 응용 가능성
5. 결 론
1. 서 론
최근 몇 년간 암석 역학 분야에서 마이크로파 에너지의 적용은 자원 개발 및 터널 산업에 광범위한 영향을 미치는 유망한 기술로 주목받고 있다(Wei et al., 2019, Deyab et al., 2021). 이 혁신적인 기술은 지구상의 자원 개발 및 건설 프로젝트뿐만 아니라, 달과 같은 극한 환경에서의 미래 우주 탐사 및 자원 개발에도 중요한 잠재력을 지니고 있다. 마이크로파 조사는 암석 재료 내에 열응력을 유도하여 미세균열을 형성하고 전파시킴으로써 궁극적으로 암석 강도를 감소시킨다(Ali and Bradshaw, 2009). 이러한 원리는 굴착 및 건설 산업에서 효율성 증가와 에너지 소비 감소라는 중요한 이점을 제공한다.
지구상의 터널 굴착, 특히 깊고 극한 환경에서의 마이크로파 전처리 굴착은 높은 강도를 가진 암석에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있는 잠재력을 보여주고 있다. Nekoovaght Motlagh(2009)의 연구에 따르면, 마이크로파 조사는 암석 내부에 열응력을 유발하여 미세균열을 생성하고, 이는 결과적으로 암석의 강도를 감소시킨다. 특히 압축강도 100~300 MPa를 가지는 고강도 암석인 현무암에 대한 실험에서, 마이크로파 조사 후 암석의 인장강도가 최대 80%까지 감소했음을 확인하였다(Prakash and Pham, 2023). 또한, 마이크로파 조사에 따른 현무암의 일축압축강도 감소에 관한 다수의 연구 결과도 보고되었다(Hassani et al., 2016, Lu et al., 2019). 이러한 결과는 마이크로파 조사가 고강도 암석 환경에서의 굴착 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 시사한다. 마이크로파 조사가 암석의 물성에 미치는 영향에 대한 국내 연구는 아직 제한적이지만, 고온 환경에서 암석 물성의 변화에 관한 연구는 이미 국내에서 활발히 진행되고 있다(Youn et al., 2022, Yoon et al., 2020).
달 암석의 특성, 특히 그 강도에 대한 이해는 달 탐사와 자원 개발 계획에 있어 매우 중요하다. 아폴로 임무에서 획득한 달 암석 샘플에 대한 직접적인 강도 시험은 제한적이지만, 밀도와 P파 속도 측정 결과로부터 얻은 간접적 증거는 달 암석, 특히 심부의 암석이 높은 일축압축강도(UCS)를 가질 수 있음을 시사한다(Table 1). Table 1에서 볼 수 있듯이, 달 현무암의 밀도는 3.2 g/cm3로 지구 현무암의 2.6-2.8 g/cm3보다 높으며, P파 속도 또한 6.9-7.4 km/s로 지구 현무암의 5.2-6.4 km/s보다 높은 값을 보인다. 이러한 물리적 특성의 차이는 달 암석, 특히 달 심부의 암석이 지구의 유사한 암석보다 더 높은 강도를 가질 수 있다는 점을 간접적으로 나타낸다.
Table 1.
Density and P-wave velocity of lunar and terrestrial rocks (Warren et al.,1973, Bell, 2007)
| Rock Type |
Density (g/cm3) |
P-wave velocity (km/s) |
UCS (MPa) |
| Lunar Basalt | 3.2 | 6.9~7.4 | N/A |
| Lunar Anorthosite | 2.6~3.0 | 5.8~7.3 | N/A |
| Terrestrial Basalt | 2.6~2.8 | 5.2~6.4 | 75~250 |
이러한 높은 강도 특성은 달 심부 굴착 작업에 상당한 도전이 될 수 있다. 마이크로파 조사는 유전 가열 원리를 이용하여 작용한다. Li et al.(2017)의 연구에 따르면, 마이크로파 흡수율이 높은 광물들은 많은 양의 마이크로파를 흡수하여 더 빠르게 가열되고 팽창된다. 따라서 열팽창 응력이 생성되고, 이로 인해 암석에 균열이 생겨 심한 경우 파손까지 일어날 수 있다. Browning et al.(2016)은 마이크로파 흡수 능력에 따른 선택적 가열이 암석 형성 광물 내에서 열적 불일치(Thermal mismatch)와 열적 기울기(Thermal gradient)를 유발하여 입계(Grain boundary)및 입내(Intragranular) 균열을 형성한다고 설명했다.
실제로, 지구상의 연구에서 마이크로파 조사 후 굴착 속도와 절삭력이 상당히 개선되었음이 확인되었다. Lindroth et al.(1993)과 Hartlieb and Grafe(2017)의 연구는 이러한 개선 효과를 명확히 보여주었다. 이러한 결과는 달 환경에서도 유사한 효과를 기대할 수 있게 한다. 특히, 달의 진공 환경은 마이크로파의 효율적인 전달을 가능케 하여, 지구상에서보다 더 효과적인 암석 약화를 이끌어낼 가능성도 있다.
본 연구에서는 마이크로파 조사가 암석 물성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하기 위해 다양한 측정 방법을 사용하였다. 노출 시간의 함수로서 P파 속도, Leeb 경도, Schmidt hammer 반발 경도, 세르샤 마모도 지수(CAI)의 변화를 측정하였다. Whittles et al.(2003)의 연구에서 언급된 바와 같이, 이러한 비파괴 검사 방법들은 암석 무결성의 점진적인 악화 과정을 수치적으로 파악할 수 있게 해준다. 또한, 일축압축강도(UCS) 시험을 수행하여 마이크로파 조사로 인한 실제 강도 감소 및 탄성계수(Young's modulus)의 변화를 정량화하였다.
이 연구의 궁극적인 목표는 암석의 물리적 특성 변화와 측정된 강도 감소 사이의 상관관계를 분석하여, 마이크로파에 의한 암석 약화 과정에 대한 포괄적인 이해를 확립하는 것이다. 이러한 연구 결과는 지구상의 자원 개발, 지하 굴착, 심층 터널 굴착뿐만 아니라 달과 같은 극한 환경에서의 미래 우주 탐사 및 자원 개발을 위한 굴착 기술 개발에 중요한 기초 자료를 제공할 것으로 기대된다.
마이크로파를 이용한 암석 전처리 기술은 특히 달 심부 굴착 작업의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이는 향후 달 기지 건설이나 자원 채굴과 같은 장기 우주 임무의 성공에 핵심적인 역할을 할 것으로 예상된다. 더 나아가, 이 기술은 화성이나 소행성과 같은 다른 천체에서의 탐사 및 자원 개발 계획에도 적용될 수 있어, 우주 개발의 새로운 지평을 열 수 있는 혁신적인 방법이 될 수 있다.
본 연구는 지구상의 암석을 대상으로 한 실험 결과를 바탕으로 하고 있지만, 이를 통해 얻은 지식과 기술은 향후 달 암석에 대한 유사한 연구의 기초가 될 것으로 판단된다. 또한, 이 연구는 마이크로파 조사 기술의 최적화, 에너지 효율성 향상, 그리고 다양한 암석 유형에 대한 적용 가능성 등 후속 연구의 방향을 제시하고자 한다.
2. 실험 방법
2.1 시료 준비
2.1.1 현무암 시료 선정 근거
달 표면을 덮고 있는 물질인 레골리스(Regolith)는 지구의 표토와는 상이한 특성을 지닌다. 이는 달에 산소와 유기물이 없으며, 대기가 부재하여 유성우 충돌 및 고에너지 태양풍에 직접 노출되어 있기 때문이다(Ryu et al., 2015). 아폴로 미션을 통해 지구로 가져온 월석 표본 중 상당수가 현무암으로 확인되었으며, 이는 달의 지질학적 특성을 이해하는 데 중요한 역할을 했다.
국제적으로 표준 인공월면토(Standardized Lunar Regolith Simulant – SLRS)로 인정받고 있는 JSC-1(Johnson Space Center lunar simulant No. 1)은 지구의 화산재와 현무암을 모암으로 사용하였다(Klosky et al., 2000). 현무암이 선택된 이유는 달 바다(mare) 지역 토양과 화학적, 광물학적, 그리고 공학적 거동이 유사한 특성을 지니고 있기 때문이다(Zeng et al., 2010, Alshibli and Hasan, 2009).
우리나라에서도 이러한 국제적 추세를 따라 한국건설기술연구원에서 'KLS-1'이라는 이름의 인공월면토를 제작하였다(Ryu et al., 2018). KLS-1 역시 현무암을 주요 원료로 사용하였으며, 특히 철원 현무암이 그 주원료로 선정되었다(Ryu et al., 2015, Ryu et al., 2018). 이러한 배경을 토대로, 본 연구에서는 마이크로파 조사 실험의 시료로 철원 현무암을 선택하였다. 이는 달 심부 굴착을 위한 마이크로파 조사의 영향을 연구하는 데 있어, 실제 달 환경과 유사한 조건을 제공할 것으로 판단된다.
2.1.2 시료 가공 및 전처리
본 연구에서는 철원 현무암을 주요 시료로 사용하였다. 총 60개의 시험편을 NX 코어 규격(직경 약 54 mm, 길이 약 110 mm)의 원통형으로 제작하여 물성 측정의 정확도를 높였다.
마이크로파 조사 실험에 앞서 모든 시험편은 105°C에서 최소 24시간동안 건조 전처리 과정을 거쳤다(ASTM, 2019). 이는 시료 내부의 수분을 최대한 제거하여 마이크로파 조사 효과가 수분에 영향받지 않도록 하고, 대기가 없는 달의 환경 조건을 최대한 모사하기 위함이다.
이러한 전처리 과정은 실험 조건을 일정하게 유지하면서 마이크로파 조사가 현무암 시료의 물성에 미치는 영향을 보다 정확하게 관찰하고 분석할 수 있게 되었다.
2.2 마이크로파 조사 장비
본 연구에서 사용한 마이크로파 조사 장비는 상업용 마이크로파 오븐으로, 주파수 2.45 GHz에서 작동하며 최대 1000 W의 출력을 지원한다. 장비의 내부 크기는 너비 322 mm, 높이 228 mm, 깊이 335 mm로, 직육면체로 구성되어 있어 암석 시험편에 마이크로파를 조사하기에 충분한 공간을 제공한다.
장비의 전력 소비량은 1570 W, 정격 전압은 220 V, 주파수는 60 Hz로 설정되어 있다. 이 장비는 출력 조절이 가능한 인버터 방식을 사용하여, 마이크로파가 암석 시험편에 균일하게 조사되도록 하여 고르게 가열될 수 있다. 또한 장비에 포함된 회전 링으로 인해 마이크로파 조사 시 안정적인 가열이 유지되며, 암석 시험편의 물성을 효과적으로 측정할 수 있는 성능을 제공한다.
2.3 물성 측정 방법
마이크로파 조사가 암석의 물성에 어떠한 영향을 미치는지 수치화하기 위해 물성 측정 시험을 수행하였다. 모든 암석 시험편들은 건조 후와 마이크로파 조사 후에 치수, P파 속도, Leeb 경도, Schmidt 해머 반발 경도, 세르샤 마모 지수, 일축압축강도, 온도가 측정되었다.
총 60개의 현무암 시험편 중 50개는 마이크로파 조사를 받았고, 나머지 10개는 대조군으로 사용되었다. 대조군 시험편은 마이크로파 조사 없이 동일한 환경 조건에서 보관되어, 마이크로파 조사의 순수한 효과를 평가하는 데 활용되었다. 50개의 시험편을 10개씩 5개 그룹으로 나눈 후, 각각 1, 3, 5, 7, 10분 동안 1000 W 출력의 마이크로파에 조사하였다. 이후, 시험편을 데시케이터 안에서 완전히 식힌 다음, 치수를 측정하고 시험을 진행하였다.
2.3.1 P파 속도 측정
P파 속도는 암석 시험편의 내부 무결성과 탄성 특성을 비파괴적으로 평가하는 지표로, 암석 유형, 수분 함량, 내부 공극 구조와 같은 다양한 요인의 영향을 받으며, 특히 동일한 암석 시험편일 경우, 주로 공극 구조 및 공극 크기에 영향을 받는다(Yao and Yao, 2023). 따라서 P파 속도의 감소는 마이크로파 조사 후 암석 시험편의 내부구조가 변했음을 의미하고(Lu et al., 2019), 이는 미세균열의 발생과 균열 전파의 지표로 사용될 수 있다.
2.3.2 Leeb 경도 측정
Leeb 경도 시험은 1975년 금속 재료에 대한 휴대용 경도 시험을 위해 개발된 시험법으로, 지질학 및 금속학 분야에서 널리 사용되는 시험 방법이다(Leeb, 1979). Leeb 해머는 Schmidt 해머와 같은 원리로 작용하는 비파괴 평가 방법이지만 Schmidt 해머보다 더 작고 가벼운 질량의 볼을 사용하여 타격한다. 따라서 Leeb 경도 시험은 Schmidt 해머 시험에 비해 시편에 손상을 입히지 않으며, 비교적 크기가 작아서 휴대성이 용이하다는 장점이 있다(Kovler et al., 2018, Corkum et al., 2018). 따라서 본 연구에서는 취급이 용이하고, 실험 방법이 간단한 Leeb 경도계를 사용하여 암석의 경도를 측정하였다. 본 연구에서 사용한 Leeb 경도계는 다음과 같으며(Fig. 1), 암석 시험편의 윗면을 타격하여 경도를 측정하였다.
2.3.3 Schmidt 해머 반발 경도 측정
Schmidt 해머 반발 경도는 암석 시험편의 압축강도와 표면 경도를 빠르게 평가할 수 있는 비파괴 평가 방법으로, 암석 표면의 특성 및 물성 변화의 값을 나타낸다. ISRM에서는 일반적으로 일축압축강도가 최소 80 MPa인 암석 시험편에 대해 비파괴적이라고 제안하며, ASTM에서는 일축압축강도가 각각 약 1 MPa 미만의 매우 연약한 암석과 100 MPa 초과인 매우 단단한 암석을 시험하는 데 제한적이라고 명시한다(ASTM, 2014). 본 연구에서는 암석 시험편의 옆면을 타격하여 경도를 측정하였다.
2.3.4 세르샤 마모 지수 측정
세르샤 마모 지수는 암석의 중요한 특성 중 하나로, 굴착 과정에서 고려되어야 하는 필수 요소이다(Kahraman et al., 2024). 암석의 마모도는 TBM에 장착되는 디스크 커터와 같은 암석 절삭 장비에 큰 영향을 미치며(West, 1981), West 세르샤 장비(Fig. 2a)를 사용하여 CAI를 측정하였다. 여기서, 0.1 mm의 마모 영역은 CAI값 1을 갖는다. 세르샤 마모 지수는 암석의 마모성을 정량적으로 나타내는 지표로, 값이 클수록 암석의 마모성이 높음을 의미한다.
2.3.5 시험편 온도 측정
온도 측정은 시험편이 다양한 마이크로파 조사 시간에 노출되었을 때의 온도변화 및 그에 따른 물리적 성질 변화를 관찰하기 위해 수행된다. 본 연구에서는 적외선 온도계를 이용하여, 마이크로파 조사 후 암석 시험편의 윗면과 옆면의 표면온도를 측정하였으며(Fig. 3a), 열화상 카메라를 통해 온도 분포를 확인하였다(Fig. 3b).
3. 실험 결과
3.1 마이크로파 조사 시간에 따른 물성 변화
Table 2는 마이크로파 조사 전에 측정된 현무암 암석 시험편의 기본 물성을 보여준다. 이 데이터는 총 10개의 시험편을 대상으로 측정한 값들의 평균을 나타낸다. 측정된 물성에는 밀도, P파 속도, Leeb 경도, Schmidt 해머 반발 경도, 세르샤 마모 지수(CAI), 일축압축강도(UCS), 탄성계수가 포함되었다.
Table 2.
Basic properties of rock samples measured prior to microwave irradiation
3.1.1 P파 속도 변화
마이크로파 조사 전후, 암석 시험편의 P파 속도는 Fig. 4에 제시되어 있다. P파 속도 측정은 암석 내부 구조의 변화를 비파괴적으로 평가할 수 있는 중요한 지표이다. 본 연구에서는 모든 마이크로파 조사 시간에서 암석 시험편의 P파 속도가 감소하였으며, 조사 시간이 증가함에 따라 P파 속도의 감소 폭이 더 커지는 경향을 보였다. 마이크로파 조사 전 초기 평균 P파 속도는 4354.8 m/s로 측정되었다. 1분간의 마이크로파 조사 후, P파 속도는 약 2% 감소하였으며, 이는 암석 내부에 미세한 구조적 변화가 시작되었음을 시사한다. 3분과 5분의 조사 시간에서는 각각 약 5%와 8%의 P파 속도 감소가 관찰되었다. 특히 7분과 10분의 장시간 조사 후에는 P파 속도가 초기값 대비 10% 이상 감소하여, 가장 큰 변화를 보였다.
이러한 P파 속도의 지속적인 감소는 마이크로파 조사로 인해 암석 내부에 미세균열이 형성되고 확장되었음을 강하게 시사한다. P파는 암석 매질을 통과할 때 공극이나 균열을 만나면 우회하거나 더 긴 경로를 통해 전파되기 때문에, P파 속도의 감소는 암석 내부의 균열 증가를 의미한다.
또한, P파 속도 감소 패턴은 마이크로파 조사 시간에 따라 비선형적인 경향을 보였다. 이는 초기에는 기존의 미세균열이 확장되다가, 조사 시간이 길어짐에 따라 새로운 균열이 생성되는 등 복합적인 과정이 진행됨을 시사한다.
3.1.2 Leeb 경도 변화
Leeb 경도 측정 결과는 마이크로파 조사가 현무암 시험편의 표면 경도에 미치는 영향을 보여주며, Fig. 5에 제시된 바와 같이 Leeb 경도는 모든 마이크로파 조사 시간에 대해 감소하는 경향을 나타냈다. 마이크로파 조사 전 초기 평균 Leeb 경도 값은 698.9로 측정되어 현무암이 상당히 높은 표면 경도를 가지고 있음을 보여주었으며, 마이크로파 조사 후 경도 값은 1분 조사에서 약 2%, 3분 조사에서 약 4% 감소하였고, 특히 5분 조사 후에는 가장 큰 감소 폭인 약 6.5%가 관찰되어 713.6에서 667.2로 감소하였다. 7분 및 10분 조사 후에는 5분 조사 때보다 약간 높은 값을 보이며 안정화되는 경향을 나타냈는데, 이는 5분이라는 특정 조사 시간에서 암석 표면의 구조적 변화가 가장 현저하게 발생했음을 시사한다.
Leeb 경도의 감소는 마이크로파 조사로 인한 암석 표면의 미세구조 변화를 반영하며, 이는 열응력으로 인한 표면 미세균열 형성, 광물 입자 간 결합력 약화, 표면 근처 공극의 확장 또는 새로운 공극 형성 등의 메커니즘으로 설명될 수 있다. 7분 이상의 장시간 조사에서 Leeb 경도가 약간 회복되는 현상을 보였다(Fig. 5a). 이는 마이크로파 조사로 인한 복합적인 물리적 변화의 결과로 해석될 수 있다. 광물의 완전한 재결정화나 표면 용융이 발생할 정도의 고온 상태는 아니지만, 다음과 같은 요인들이 경도 회복에 기여했을 것으로 추정된다. 장시간 열에 노출되면서 일부 미세균열이 열팽창으로 인해 좁아지거나 닫히는 미세균열의 부분적 폐쇄가 일어날 수 있다. 또한 초기에 형성된 열응력이 시간이 지남에 따라 부분적으로 완화되어 표면 강도가 일부 회복될 수 있다. 그리고 열에 의해 광물 입자들이 미세하게 재배열되어 표면 특성이 변할 수 있다. 이러한 복합적인 요인들이 작용하여 장시간 마이크로파 조사 후 Leeb 경도의 일부 회복을 야기했을 것으로 판단된다.
3.1.3 Schmidt 해머 반발 경도 측정
Schmidt 해머 반발 경도 측정 결과는 마이크로파 조사가 현무암 시험편의 표면 경도에 미치는 영향을 평가하는 또 다른 중요한 지표를 제공한다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이, Schmidt 해머 반발 경도는 마이크로파 조사에 따른 현저한 변동을 보이지 않았다.
마이크로파 조사 전 초기 평균 Schmidt 해머 반발 경도는 37.1으로 측정되었다. 마이크로파 조사 후, 반발 경도의 변화는 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았으며, 대부분의 시험편에서 ±5% 이내의 변동을 나타냈다. 이는 Leeb 경도 측정 결과와는 대조적인 양상을 보인다. 이러한 결과는 다음과 같은 요인들로 설명될 수 있다:
첫째, Schmidt 해머는 Leeb 경도계에 비해 더 깊은 층의 경도를 측정한다. 따라서 마이크로파 조사로 인한 표면 근처의 미세한 변화를 감지하기에는 덜 민감할 수 있다.
둘째, 본 연구에서 사용된 현무암의 평균 강도(98.2 MPa)는 ASTM에서 Schmidt 해머 반발 시험의 신뢰성 있는 측정 범위로 제시하는 100 MPa에 근접한다. 이는 본 실험에 사용된 현무암이 Schmidt 해머 측정의 상한선에 가까워, 미세한 변화를 감지하기 어려웠을 가능성을 시사한다.
셋째, 마이크로파 조사로 인한 열응력이 암석 표면에 미세균열을 형성했을지라도, 이러한 균열들이 Schmidt 해머의 충격에너지를 흡수하거나 분산시키는 데 충분하지 않았을 수 있다. 이러한 결과는 마이크로파 조사가 암석의 표면 특성에 미치는 영향이 측정 방법에 따라 다르게 나타날 수 있음을 보여준다.
3.1.4 세르샤 마모 지수 변화
Fig. 7은 마이크로파 조사 시간에 따른 현무암 시험편의 세르샤 마모 지수(CAI) 변화를 보여준다. 마이크로파에 노출되지 않은 대조군 시험편의 CAI 값은 대체로 3~4 사이에서 측정되었다. 이는 해당 현무암이 중간에서 높은 수준의 마모성을 가지고 있음을 나타낸다. 그러나 마이크로파에 노출된 시험편들은 조사 시간에 따라 CAI 값이 변동하는 흥미로운 패턴을 보였다.
초기 1분에서 3분간의 마이크로파 조사 후, CAI 값은 소폭 감소하는 경향을 보였다. 이는 마이크로파로 인한 초기 열응력이 암석 표면의 미세구조를 변화시켜 마모 저항성을 약간 증가시켰을 가능성을 시사한다. 그러나 5분 이상의 조사 시간에서는 CAI 값이 다시 증가하는 추세를 보였으며, 특히 7분과 10분 조사 후에는 초기값보다 더 높은 CAI 값이 관찰되었다.
이러한 CAI 값의 변동은 마이크로파 조사로 인한 복합적인 물리적 변화의 결과로 해석될 수 있다. 마이크로파 조사 초기에는 열응력으로 인해 표면에 미세균열이 형성되고, 이로 인해 표면 경도가 감소하여 CAI 값이 낮아질 수 있다. 장시간 조사 시에는 열에 의한 광물 입자의 재배열, 미세균열의 확장, 그리고 표면 거칠기의 증가 등이 복합적으로 작용하여 CAI 값을 증가시킬 수 있다. 또한, 마이크로파 조사로 인한 온도 상승은 현무암 구성 광물들의 선택적 가열을 유발할 수 있으며, 이로 인해 일부 광물의 물리적 특성이 변화하여 전체적인 마모 특성에 영향을 줄 수 있다. Sirdesai et al.(2017)의 연구에서 관찰된 바와 같이, 열에 의한 광물의 팽창은 새로운 미세균열을 형성하고 기존 균열을 확장시킬 수 있다. 이는 암석 시험편의 공극률 증가로 이어지며, 결과적으로 표면 거칠기를 증가시켜 CAI 값에 영향을 미칠 수 있다.
이러한 CAI 값의 변화 패턴은 마이크로파 조사가 암석의 마모 특성에 미치는 영향이 단순히 선형적이지 않으며, 조사 시간에 따라 복잡한 변화 과정을 거친다는 것을 보여준다. 이는 실제 굴착 작업에서 마이크로파 전처리 기술을 적용할 때, 목표하는 암석의 특성과 굴착 조건에 따라 최적의 조사 시간을 신중히 선택해야 함을 시사한다.
Fig. 8는 마이크로파에 노출되지 않은 암석과 마이크로파에 노출된 암석에 세르샤 마모 시험을 실시하여 얻은 핀의 마모된 면을 보여준다.
3.2 일축압축강도(UCS) 및 탄성계수(Young’s modulus) 변화
마이크로파 조사가 현무암의 강도 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 일축압축강도(UCS) 및 탄성계수 측정을 수행하였다. Fig. 9와 Fig. 10은 마이크로파 조사 시간에 따른 UCS 변화를, Fig. 11은 탄성계수의 변화를 보여준다. 마이크로파에 노출되지 않은 대조군 시험편의 평균 UCS는 98.2 MPa로 측정되었다. 이에 비해 마이크로파에 노출된 시험편들의 UCS는 전반적으로 낮은 값을 보였으며, 노출된 시험편의 전체 평균은 90.9 MPa로 나타났다. 이는 마이크로파 조사가 현무암의 일축압축강도가 평균적으로 7.4% 정도 저하되었음을 나타낸다.
마이크로파 조사 시간과 UCS 사이의 관계를 분석해보면, 주목할 만한 변화 양상이 드러난다. 조사 시간이 증가함에 따라 UCS가 초기에는 감소하다가 특정 시점 이후 다시 증가하는 비선형적 거동을 보였다. 특히 5분 동안 마이크로파를 조사했을 때 UCS가 78.5 MPa로 가장 크게 감소하여, 약 20%의 강도 저하가 발생하였다. 그러나 7분과 10분의 장시간 조사에서는 UCS가 다시 증가하는 경향을 나타냈다.
이러한 UCS 변화 패턴은 마이크로파 조사로 인한 복합적인 물리적 변화의 결과로 해석될 수 있다. 초기 강도 감소는 열응력으로 인한 미세균열의 형성 및 확장으로 설명될 수 있다. Sha et al.(2020)의 연구에서도 유사한 현상이 관찰되었으며, 이는 광물 입자 간 결합력 약화와 관련이 있다고 보고되었다.
장시간 조사 후 강도가 다시 증가하는 현상은 더욱 복잡한 메커니즘을 시사한다. Sirdesai et al.(2017)은 사암을 이용한 실험을 통해 400°C 에서 암석 내부의 기존 미세 공극과 균열이 닫힐 수 있다고 보고하였다. 이러한 현상이 강도 회복에 기여했을 가능성이 있다. 또한, 장시간 열 노출로 인한 광물 입자의 미세한 재배열이나 응력 완화 현상이 강도 특성 변화에 영향을 미쳤을 수 있다.
탄성계수의 변화 역시 UCS와 유사한 경향을 보였다. 초기 평균 탄성계수는 15.6 GPa이었으나, 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 점차 감소하는 추세를 보였다. 본 연구에서는 5분 동안 마이크로파에 조사된 현무암 시험편의 표면온도가 200°C에서 300°C 사이에서 측정되었으며, 이 구간에서 탄성계수가 8.4 GPa로 가장 낮게 측정되었다. 이는 초기값 대비 약 46%의 감소를 나타내며, 이는 Yang et al.(2020)의 연구와 비슷한 양상으로, 해당 연구에서도 현무암 시험편의 표면온도가 200°C일 때 탄성계수가 급격히 감소하는 것이 나타났다.
탄성계수의 감소는 암석 내부의 미세구조 변화, 특히 미세균열의 증가와 밀접한 관련이 있다. 미세균열은 암석의 변형 특성을 변화시키며, 동일한 응력 하에서 더 큰 변형을 유발한다. 이는 결과적으로 탄성계수의 감소로 나타난다.
이러한 UCS와 탄성계수의 변화는 마이크로파 조사가 현무암의 역학적 특성을 유의미하게 변화시킬 수 있음을 명확히 보여준다. 특히 5분의 조사 시간에서 가장 큰 강도 저하가 관찰된 점은 실제 굴착 작업에서 최적의 마이크로파 전처리 조건을 결정하는 데 중요한 지표가 될 수 있다.
3.3 시험편 온도 변화
현무암 시험편이 마이크로파에 노출되면서 겪는 온도변화의 추이가 Fig. 12에 도식화되어 있다. 실험 결과, 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 시험편의 표면온도가 상당히 상승하는 것으로 관찰되었다. 초기 상온 상태(약 27.5°C)에서 시작하여, 1분 조사 후 약 100°C, 3분 후 200°C, 5분 후 250°C, 7분 후 300°C, 그리고 10분 조사 후에는 최대 360°C까지 온도가 상승하였다. 마이크로파 조사 시간에 따른 시험편 표면온도의 상승률은 다음과 같으며(Table 3), 이는 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 온도 상승률은 감소함을 나타낸다.
Table 3.
The rate of increase in temperature according to microwave irradiation time
| Times (min) | The rates of increase in temperature (°C/sec) |
| 0 to 1 | 1.03 |
| 1 to 3 | 0.82 |
| 3 to 5 | 0.57 |
| 5 to 7 | 0.39 |
| 7 to 10 | 0.33 |
시험편의 표면 위치에 따라 온도 편차가 발생하였으며, 암석 시험편의 윗면에서 측정된 온도에 비해 옆면에서 측정된 온도가 더 높게 나타났다. 이러한 온도 분포의 불균일성은 마이크로파 조사의 특성과 시험편의 기하학적 형태에 기인한 것으로 판단된다. 온도 분포의 불균일성에 대해 다음과 같이 설명할 수 있다. 첫째, 본 연구에서 사용된 마이크로파 오븐의 크기에 비해 상대적으로 작은 암석 시험편을 사용하여 불균일한 가열이 발생했을 수 있다. Kingman et al.(2004)의 연구에서도 유사한 현상이 보고된 바 있다. 둘째, 시험편의 형상적 특성으로 인해 옆면이 더 넓은 표면적을 가지고 있어, 상대적으로 더 많은 마이크로파 에너지를 흡수했을 가능성이 있다.
또한, 암석 시험편의 내부 온도는 표면 온도는 시험편의 내부 온도보다 높을 것으로 판단된다. 마이크로파는 물체 내부로 침투하여 열로 변환되고, 변환된 열은 물체 내부에서 표면으로 전달되면서 물체의 외부보다 내부 온도가 더 높게 유지되기 때문이다(Pickles, 2009). Hartlieb et al.(2012)의 연구에서도, 마이크로파를 조사한 현무암 시험편의 표면온도가 250°C로 측정되었으나 내부 온도는 440°C로 측정된 결과를 보여주었고, 이는 내부 온도가 표면온도보다 훨씬 높아질 수 있음을 시사한다. 이러한 온도 상승 패턴은 앞서 관찰된 물성 변화와 밀접한 관련이 있다. 온도 상승에 따른 열응력의 발생은 미세균열의 형성과 확장을 촉진하며, 이는 P파 속도, 경도, 압축강도 등의 변화를 유발하는 주요 메커니즘으로 작용한다.
4. 토 의
4.1 마이크로파 조사가 암석 물성에 미치는 영향
4.1.1 물성 변화 메커니즘 분석
마이크로파 조사에 의한 현무암의 물성 변화는 복합적인 메커니즘에 의해 발생하는 것으로 분석된다. 이러한 변화의 핵심에는 마이크로파에 의한 선택적 가열과 그로 인한 열응력의 발생이 있다.
현무암을 구성하는 광물들은 각각의 유전 특성에 따라 마이크로파에 다르게 반응한다. Hartlieb et al.(2017)의 연구에 따르면, 광물마다 마이크로파 흡수율이 다르므로 광물의 가열속도, 그에 따른 광물의 온도 및 열팽창 정도가 불균일해지며, 이는 광물 입자 간 선택적 가열이라 볼 수 있다. 특히 현무암의 주요 구성 광물인 사장석, 감람석, 휘석, 흑운모 등은 서로 다른 마이크로파 흡수 특성을 가지고 있어, 불균일한 가열을 유발한다.
이러한 선택적 가열은 광물 입자 간 열팽창 차이를 야기하며, 이는 곧 내부 열응력의 발생으로 이어진다. 열응력은 미세균열의 형성과 확장을 촉진하는 주요 원인이 된다. Wei et al.(2019)의 연구에서는 온도가 증가함에 따라 마이크로파 흡수율이 높아지는 현상이 관찰되었는데, 이는 가열 과정이 진행될수록 열응력의 영향이 더욱 커질 수 있음을 시사한다.
미세균열의 형성과 확장은 암석의 물리적 특성 변화에 직접적인 영향을 미친다. P파 속도의 감소는 이러한 미세균열의 증가를 반영하는 대표적인 지표이다. 본 연구에서 관찰된 P파 속도의 지속적인 감소는 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 미세균열이 점진적으로 발달하고 있음을 나타낸다. 마이크로파의 조사에 의한 것은 아니지만, 온도증가에 따른 P파 속도의 지속적인 감소는 Liu and Xu(2015)의 연구에서도 나타났다. 이러한 P파 속도 감소의 주요원인으로 가열과정에서 암석 내부의 탈수 작용으로 인한 균열증가, 공극의 확장, 광물 입자간 결합력 약화, 미세균열의 생성 및 확장, 광물의 열팽창 차이로 인한 내부 응력 발생을 들었다.
또한, 일축압축강도와 탄성계수의 감소는 이러한 구조적 약화를 반영한다. 특히 5분 조사 후 관찰된 약 20%의 UCS 감소와 46%의 탄성계수 감소는 미세균열의 형성이 암석의 역학적 특성에 상당한 영향을 미쳤음을 보여준다.
표면 특성의 변화, 특히 Leeb 경도의 감소는 표면 근처에서 발생하는 미세구조 변화와 관련이 있다. 열응력으로 인한 표면 균열의 형성, 광물 입자 간 결합력 약화 등이 복합적으로 작용하여 표면 경도를 저하시키는 것으로 판단된다.
한편, 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 일부 물성이 다시 회복되는 현상도 관찰되었다. 이는 장시간 열 노출로 인한 복잡한 물리적 변화의 결과로 설명될 수 있다. Hartlieb et al.(2016)의 연구에서는 화강암과 사암의 경우 570~800°C 온도 범위에서 일부 미세균열이 닫히거나, 광물 입자의 재배열이 일어날 수 있음을 보고하였다. Sirdesai et al.(2017)은 사암을 이용한 실험을 통해 400°C에서 암석 내부의 기존 미세 공극과 균열이 닫힐 수 있다고 보고하였다. 본 연구의 온도 범위(400°C 이하)에서는 완전한 재결정화나 용융 현상은 발생하기 어렵다. Wang et al.(2024)의 연구에 따르면 화강암과 사암을 200°C의 온도까지 가열했을 때 온도 상승에 따라 암석의 강도가 감소하는 경향을 보였으나, 200°C 이상에서는 다시 증가하는 현상이 나타났다. 200°C의 온도까지는 암석 내부의 수분증발로 인한 미세균열의 생성과 열팽창으로 인한 내부응력의 발생을 강도 감소의 원인으로, 200°C 이상에서는 광물 입자의 팽창으로 인한 일부 미세균열 닫힘, 암석 내부 구조의 재배열 및 치밀화, 일부 광물의 상변화로 인한 강도 증가를 그 원인으로 제시하였다. 따라서 본 연구에서 관찰된 일축압축강도와 탄성계수의 회복은 장시간 열응력에 의한 기존 미세 공극과 미세균열의 닫힘과 광물 입자 간 경계의 미세한 재조정 등에 의한 것으로 판단된다. 다만, P파 속도 감소의 현상과는 일부 상충되는 면이 있다. 정확한 원인 규명을 위해서는 강도 전이가 생기는 온도에서 마이크로 CT 등을 이용한 내부구조 분석이 필요할 것으로 보인다.
4.1.2 현무암 특성과 마이크로파 효과의 관계
본 연구에서는 현무암 암석 시험편의 광물 조성을 정확하게 파악하기 위해 시험편으로부터 박편을 제작한 다음, 편광 현미경을 이용하여 PPL (Plane Polarized Light)과 XPL (Cross Polarized Light) 모드에서 광물의 광학적 특성을 분석하였다(Fig. 13). 편광 현미경 분석 결과, 본 연구에 사용된 현무암 시험편은 주로 사장석(plagioclase feldspar), 감람석(olivine), 휘석(pyroxene) 그리고 소량의 흑운모(biotite) 등으로 구성되어 있음이 확인되었다. 이러한 광물 구성은 전형적인 현무암의 특징을 잘 반영하고 있으며, 달 표면의 구성 물질과도 유사성을 보인다.
각 광물의 마이크로파 흡수 특성은 서로 다르며, 이는 마이크로파 조사 시 불균일한 가열의 주요 원인이 된다. 광물 간 열팽창 계수의 차이 또한 마이크로파 조사 효과를 증폭시키는 요인이 된다. Fei(1995)와 Siegesmund et al.(2018)의 연구에서 보고된 각 광물의 열팽창계수는 다음의 Table 4와 같다.
Table 4.
Thermal expansion coefficient of basalt minerals
| Minerals | Thermal Expansion Coefficients (10-6 K-1) |
| Plagioclase | 8.9~15.4 |
| Olivine | 41.1 |
| Pyroxenes | 8.8 |
| Biotite | 17.3 (c-axis direction), 9.65 (a, b-axis direction) |
이러한 열팽창계수의 차이는 마이크로파 가열 시 광물 입자 간 불균일한 팽창을 유발하며, 이는 입자 경계면에서의 응력 집중과 미세균열 형성의 주요 원인이 된다. 특히 흑운모의 경우, 결정 방향에 따라 열팽창계수가 크게 다르기 때문에 내부 응력을 더욱 복잡하게 만들 수 있다.
4.2 마이크로파 조사에 의한 현무암 강도 감소
본 연구의 실험 결과, 마이크로파 조사는 현무암의 강도 특성에 유의미한 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 특히 5분간의 마이크로파 조사 후 일축압축강도(UCS)가 약 20% 감소하고 탄성계수가 약 46% 감소한 점은 주목할 만하다. 이러한 강도 감소는 마이크로파 조사로 인한 열응력과 그로 인한 미세균열 형성 메커니즘으로 설명될 수 있다.
마이크로파 조사 초기에는 열응력으로 인해 미세균열이 형성되고 확장되어 강도가 감소한다. 그러나 장시간 조사 시에는 고온에서의 광물 입자 간 경계의 미세한 재조정, 일부 미세공극과 균열의 닫힘, 그리고 응력 완화 현상 등이 복합적으로 작용하여 강도의 부분적 회복을 유발할 수 있다.
본 연구에서는 마이크로파 조사가 현무암의 일축압축강도에 미치는 영향을 통계적으로 분석하기 위해 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)을 수행하였다. 분석에는 대조군과 1분, 3분, 5분, 7분, 10분 조사 그룹의 일축압축강도 데이터가 사용되었으며, 각 그룹별로 9-10개의 표본이 포함되었다. Table 5는 각 그룹의 기술 통계를 나타낸다. ANOVA 분석 결과, 마이크로파 조사 시간에 따른 일축압축강도 값의 차이가 통계적으로 유의미한 것으로 나타났다. 분석 결과 F 비는 3.545이고, P값은 0.0075로, 일반적으로 사용되는 유의수준 0.05보다 훨씬 낮은 값이다. 이는 마이크로파 조사가 현무암의 일축압축강도에 실질적인 영향을 미친다는 것을 의미한다.
Table 5.
Descriptive statistics of UCS according to microwave irradiation time
이러한 실험 결과는 마이크로파 조사 기술이 현무암의 강도를 효과적으로 저하시킬 수 있음을 명확히 보여준다. 특히 5분이라는 비교적 짧은 시간에 20%의 강도 저하가 가능하다는 점은 실제 굴착 작업에서 큰 의미를 가질 수 있다. 이는 마이크로파 전처리를 통해 굴착 효율을 크게 향상시킬 수 있는 가능성을 제시한다.
4.3 달 심부 굴착에의 응용 가능성
본 연구에서 얻은 결과들은 마이크로파 조사 기술이 달 심부 굴착 작업에 적용될 수 있는 높은 가능성을 시사한다. 달 환경의 특수성과 현무암의 물성 변화 결과를 종합적으로 고려할 때, 이 기술은 미래 달 탐사 및 자원 개발 미션에서 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
달은 대기가 없는 진공 상태이며, 극단적인 온도 변화를 겪는다. 또한, 지속적인 고에너지 태양풍과 우주 방사선, 그리고 미소 운석의 충돌에 노출되어 있다. 이러한 환경에서 효과적인 굴착 작업을 수행하기 위해서는 기존의 지구 기반 기술과는 다른 접근이 필요하다.
마이크로파 조사 기술은 이러한 달 환경의 제약 조건 하에서 여러 가지 이점을 제공할 수 있다. 진공 환경에서는 대류에 의한 열손실이 없기 때문에, 마이크로파 가열의 효율성이 더욱 높아질 수 있다. 이는 본 연구에서 관찰된 것보다 더 큰 강도 저하 효과를 얻을 수 있음을 의미한다.
그러나 실제 적용을 위해서는 몇 가지 추가적인 연구와 기술 개발이 필요하다. 먼저, 달의 진공 환경과 온도 조건을 정확히 모사한 실험이 수행되어야 한다. 또한, 마이크로파 발생 장치의 소형화와 효율화, 방향성 조사 기술, 그리고 달 탐사 로봇이나 굴착 장비와의 통합 방안에 대한 연구가 필요할 것이다.
특히, 본 연구에서 관찰된 조사 시간에 따른 비선형적 강도 변화는 실제 적용 시 중요하게 고려해야 할 사항이다. 최적의 조사 시간을 결정하기 위해서는 다양한 조건에서의 추가 실험과 모델링이 필요할 것이다.
5. 결 론
본 연구는 마이크로파 조사가 현무암의 물성에 미치는 영향을 분석하여, 달 표면 및 심부 굴착을 위한 효율적인 기술적 가능성을 탐구하였다. 다양한 실험을 통해 얻은 주요 결과는 다음과 같다.
마이크로파 조사는 현무암의 미세구조와 물리적 특성에 유의미한 변화를 일으키는 것으로 확인되었다. P파 속도 측정 결과, 조사 시간이 증가함에 따라 속도가 지속적으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 마이크로파 조사로 인해 암석 내부에 미세균열이 형성되고 확장되었음을 시사한다. 특히 7분과 10분의 장시간 조사 후에는 P파 속도가 초기값 대비 10% 이상 감소하여, 가장 큰 변화를 보였다.
Leeb 경도 측정에서는 모든 조사 시간에 대해 경도 값의 감소가 관찰되었으며, 특히 5분 조사 후 가장 큰 감소폭(약 6.5%)을 나타냈다. 이는 마이크로파 조사가 암석 표면의 역학적 특성을 변화시킬 수 있음을 보여준다. 반면, Schmidt 해머 반발 경도는 유의미한 변화를 보이지 않았는데, 이는 측정 방법의 특성과 관련이 있는 것으로 판단된다.
세르샤 마모 지수(CAI)의 변화는 복잡한 패턴을 보였다. 초기에는 감소하다가 장시간 조사 후 다시 증가하는 경향을 나타냈는데, 이는 마이크로파 조사로 인한 표면 미세구조의 변화와 관련이 있을 것으로 추정된다.
일축압축강도(UCS) 측정 결과, 마이크로파 조사는 현무암의 강도를 전반적으로 감소시키는 것으로 나타났다. 특히 5분 조사 후 UCS가 약 20% 감소하여 가장 큰 강도 저하를 보였다. 이와 유사하게, 탄성계수도 5분 조사 후 가장 큰 감소(약 46%)를 나타냈다. 이러한 결과는 마이크로파 조사가 암석의 강도 특성을 유의미하게 약화시킬 수 있음을 명확히 보여준다.
온도 측정 결과, 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 시험편의 표면 온도가 상당히 상승하는 것으로 관찰되었다. 10분 조사 후 최대 360°C까지 온도가 상승하였으며, 옆면의 온도가 윗면보다 더 높게 나타나는 불균일한 온도 분포가 관찰되었다. 이러한 온도 상승은 암석 내부의 열응력을 유발하여 미세균열 형성과 물성 변화의 주요 원인으로 작용한 것으로 판단된다.
이러한 연구 결과들은 마이크로파 조사 기술이 달 표면 및 심부 굴착 작업의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 시사한다. 특히 5분 정도의 조사 시간에서 대부분의 물성 변화가 가장 크게 나타난 점은, 실제 적용 시 에너지 효율성과 작업 효율성을 최적화할 수 있는 중요한 지표가 될 수 있다.
향후 본 연구 결과를 실제 달 환경에 적용하기 위해서는 몇 가지 추가적인 고려사항이 필요하다. 달의 진공 환경, 극단적인 온도변화, 중력 차이 등이 마이크로파 조사의 효과에 어떤 영향을 미칠지에 대한 추가 연구가 필요할 것이다. 또한, 실제 굴착 작업에서의 적용을 위해 마이크로파 발생 장치의 소형화, 에너지 효율 개선, 방향성 조사 기술 , 그리고 달 탐사 로봇이나 굴착 장비와의 통합 방안 등에 대한 추가적인 기술 개발이 요구된다.
