1. 서 론

탄소중립 사회로의 전환과 수소경제의 확대에 따라 대용량 수소 저장기술은 미래 에너지 인프라 구축을 위한 핵심 기술로 인식되고 있다(Andersson and Grönkvist, 2019). 수소는 단위 질량당 에너지 밀도가 높고 이용 단계에서 탄소를 직접 배출하지 않는 에너지 운반체로 평가되며, 생산, 운송 및 저장 기술의 발전과 함께 다양한 산업 분야로 활용 범위가 확대되고 있다. 특히 수소를 액화하면 상온·대기압 상태의 기체수소보다 단위부피당 약 800배 많은 수소를 저장할 수 있다. 이러한 높은 체적 저장밀도로 인해 액체수소를 이용한 저장·운송 방식은 대용량 저장과 장거리 운송에 적합한 대안으로 주목받고 있다(Wijayanta et al., 2019). 그러나 저장 용량이 증가할수록 지상 저장시설은 부지 확보, 안전거리 확보 및 경제성 측면에서 한계를 가지므로, 최근에는 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 지하 암반을 활용한 복공식 액체수소 저장방식(Lined Rock Cavern, LRC)이 검토되고 있다(Lee et al., 2025).

복공식 액체수소 저장시스템은 일반적으로 금속 라이너(Metal liner), 단열재(Thermal insulator), 콘크리트 라이너(Concrete liner) 및 주변 암반(Rock mass)으로 구성된다(Masoudi et al., 2024). 금속 라이너는 저장 유체의 기밀성을 확보하고, 단열재는 외부로부터 저장 유체로 유입되는 열을 최소화하며, 콘크리트 라이너는 구조적 안정성과 단열재의 지지 기능을 담당한다. 이러한 내조 시스템은 궁극적으로 주변 암반에 의해 지지되므로 저장공동의 장기 안정성은 내조 시스템뿐만 아니라 암반의 열-역학적 거동에 직접적인 영향을 받는다. 단열재의 두께와 열적 성능은 주변 암반으로 전달되는 저온 열하중과 온도 분포를 결정하며, 이에 따른 암반의 변형 및 손상 거동은 저장공동의 구조적 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 저온 조건에서 암반의 열변형 특성을 신뢰성 있게 평가하는 것은 저장공동의 열응력 해석과 안정성 평가를 위한 중요한 기초자료가 된다.

액체수소는 약 -253°C에서 저장되는 극저온 유체이지만, 저장공동 주변 암반의 실제 온도는 라이너와 단열재의 구성 및 열적 성능에 따라 달라진다. 그럼에도 주변 암반은 일반적인 지하구조물과 달리 상당한 냉각과 온도구배를 경험할 수 있다. 냉각 과정에서 암반은 열수축을 일으키며 저장공동 주변에는 온도구배에 따른 열응력이 발생한다. 또한 화강암과 같은 결정질 암석은 석영, 장석 및 흑운모 등 서로 다른 열팽창 특성을 갖는 광물로 구성되어 있어, 냉각 과정에서 구성 광물 간 열변형 차이가 발생한다(Vázquez et al., 2015; Wong and Liu, 2025). 이와 같은 열변형 차이는 광물 입자 경계에서 국부적인 응력 집중을 유발하여 미세균열의 생성 및 진전으로 이어질 수 있다. 따라서 이러한 저온 환경에서의 열-역학적 거동은 암반의 변형 및 손상 특성과 저장공동의 장기 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로, 암반의 열변형 특성을 정량적으로 평가하는 것은 저장공동 주변의 열응력 해석 및 암반 안정성 평가의 신뢰성을 향상시키는 데 중요하다.

저온 조건의 암석을 대상으로 수행된 열변형 특성 관련 기존 연구는 주로 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 지하저장공동을 대상으로 저온에서의 열팽창계수 및 열변형 특성 평가를 중심으로 수행되어 왔다(Jung et al., 2001; Park et al., 2004; Zhang et al., 2025). 또한 저온 환경에서 변형률 게이지(strain gauge)의 열출력과 계측 시스템의 온도 의존적 특성에 의해 발생하는 계측 오차를 보정하기 위한 연구도 보고된 바 있다(Park et al., 2007). 그러나 기존 연구는 대부분 변형률 게이지를 이용하여 암반의 열변형 특성을 정량적으로 평가하는 데 중점을 두고 있으며, 열변형과 내부 미세손상 거동의 상관성을 함께 분석한 연구는 제한적이다. 특히 음향방출(Acoustic Emission, AE)은 재료 내부의 미세균열 생성 및 진전 과정에서 발생하는 탄성파를 측정하는 비파괴 계측기법으로, 열변형만으로는 확인하기 어려운 내부 손상 거동을 간접적으로 평가하는 데 널리 활용되고 있다(Ishida et al., 2017). 따라서 복공식 액체수소 저장시스템과 같이 암반이 저온 열하중을 받을 수 있는 조건에서는 신뢰성 있는 열변형 측정과 더불어 AE를 활용하여 거시적 열변형과 내부 미세손상 거동을 종합적으로 평가하는 연구가 요구된다.

본 연구에서는 액체수소 지하저장 적용 가능성을 고려한 기초 실내시험의 일환으로, 상온에서 -63°C까지의 저온 조건에서 NIST (National Institute of Standards and Technology) 표준물질인 구리와 붕규산 유리 및 TPRC (Thermophysical Research Center) Data Series에 기준 열팽창 자료가 제시된 티타늄 합금을 이용하여 저온 환경에서 변형률게이지 및 계측 시스템의 온도 의존적 특성을 보정하고, 이를 이용하여 화강암의 계측오차가 보정된 열변형 특성을 정량적으로 평가하였다. 또한 보정된 열변형 데이터를 이용하여 화강암의 온도–열변형 관계를 분석하고, 저온 냉각 과정에서 획득한 AE 모니터링 결과를 함께 비교하여 내부 미세손상 거동을 평가하였다. 이를 통해 저온 조건에서 화강암의 거시적 열변형과 AE 활동의 관계를 분석하고, 향후 액체수소 지하저장공동 주변 암반의 열-역학적 거동 및 안정성 평가를 위한 실험적 기초자료를 제공하고자 하였다.

2. 시험 재료 및 방법

2.1 화강암 시편 및 실험장비

본 연구에서는 저온 조건에서 화강암의 열변형 특성을 평가하기 위한 시험 재료로 황등화강암을 사용하였다. 시편은 NX 규격의 원기둥 형태로 제작하였으며, 평균 직경과 길이는 각각 약 53.8 mm와 101.8 mm이다. 시험 대상 암석의 기본적인 물리·역학적 특성을 사전에 파악하기 위해 총 9개의 시편을 이용하여 밀도, 공극률, P파 속도, S파 속도, 일축압축강도, 영률 및 포아송비를 측정하였다. 측정한 기본 물성의 평균값과 표준편차는 Table 1에 정리하였다.

저온 조건 구현을 위해 사용한 환경챔버는 -70°C에서 120°C까지의 온도 설정이 가능하며, 설정 온도와 시간으로 온도 변화 패턴을 사용자가 직접 입력할 수 있다. 또한, 온도경사(thermal gradient)는 0.1°C 단위로 설정할 수 있어 시험 목적에 따라 냉각 조건을 세부적으로 제어할 수 있다. 환경챔버 전면에는 터치스크린 방식의 제어기(controller)가 설치되어 있으며, 이를 통해 목표 온도, 온도경사, 온도 변화 패턴 및 단계별 온도 유지시간 등을 설정할 수 있다.

온도 측정을 위해 데이터로거와 T-type 열전대(thermocouple)를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 데이터로거는 최대 10채널을 지원하며, 최소 10 ms의 샘플링 간격으로 데이터를 취득할 수 있다. 시편의 온도는 T-type 열전대를 환경챔버 내부의 화강암 시편 상부에 설치하여 측정하였으며, 냉각 과정에서의 온도 변화를 연속적으로 모니터링하였다. T-type 열전대의 일반적인 측정 범위는 -200~350°C로, 본 연구의 시험 온도 범위인 -60~25°C를 충분히 포함한다.

열변형 측정을 위해 Kyowa사의 KFG 시리즈 변형률 게이지를 사용하였다. 사용된 변형률 게이지의 게이지 길이(grid length)는 10 mm이다. 결정질 암석의 변형 측정에서는 광물 입자에 의한 국부적인 변형의 영향을 최소화하기 위해 평균 입자 크기보다 충분히 큰 게이지 길이를 사용하는 것이 필요하다. 일반적으로 시험 대상 암석의 평균 입자 크기보다 최소 10배 이상 긴 게이지를 사용하는 것이 권장된다(Amadei and Stephansson, 1997). 이에 따라 본 연구에서는 황등화강암의 입자 크기를 고려하여 게이지 길이가 10 mm인 변형률 게이지를 적용하였다.

2.2 열변형 보정을 위한 표준물질

저온 환경에서 변형률 게이지를 이용하여 측정한 값에는 시편의 열변형뿐만 아니라 변형률 게이지와 리드선의 온도 의존적 거동 및 계측 시스템의 영향이 함께 포함될 수 있다. 특히 온도 변화 폭이 큰 조건에서는 이러한 영향으로 인해 측정된 변형률과 시편에서 실제로 발생한 열변형률 사이에 차이가 발생할 수 있다. 따라서 화강암의 열변형을 정량적으로 평가하기 위해서는 계측 시스템의 온도 의존적 영향을 보정할 필요가 있다.

본 연구에서는 기준 열팽창 특성이 제시된 재료를 이용하여 동일한 저온 조건에서 열변형 시험을 수행하였다. 시험 재료로는 순도 99.999% 구리(copper), 티타늄 합금(titanium alloy) 및 붕규산 유리(borosilicate glass)를 선정하였다(Fig. 1). 구리와 티타늄 합금은 직경 50 mm, 길이 100 mm의 원기둥 형태로, 붕규산 유리는 가로 5 mm, 세로 5 mm, 길이 105 mm의 직사각기둥 형태로 준비하였다. 구리(SRM 736L1)와 붕규산 유리(SRM 731L1)는 NIST의 표준물질(Standard Reference Material, SRM)에 제시된 기준 열팽창 자료를 적용하였으며(NIST, 1990; NIST, 1993), 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)은 Touloukian et al.(1975)의 TPRC Data Series에 제시된 기준 열팽창 자료를 이용하였다. 이들 재료는 온도에 따른 기준 열변형 특성이 제시되어 있어 열변형 계측 결과의 비교 및 보정에 활용하였다.

각 표준물질에서 측정된 열변형률을 온도별 기준 열변형률과 비교하고, 두 값의 차이를 계측 시스템의 온도 의존적 측정편차로 산정하였다. 산정한 측정편차를 이용하여 온도별 보정곡선을 도출하였으며, 이를 화강암의 측정 열변형률에 적용하여 보정 열변형률을 산정하였다.

Fig. 1.

Standard materials for thermal strain calibration

2.3 열변형 측정 및 보정 절차

화강암과 표준물질의 열변형 측정은 동일한 저온 조건에서 수행하였다. Fig. 2는 본 연구에서 설정한 냉각 조건을 나타낸다. 저온 실험은 상온(25°C)에서 시작하여 5, -5, -10, -20, -30, -38, -48, -56 및 -63°C까지 단계적으로 냉각하였다. 기존 연구에서는 저온 조건에서 암석 시편의 온도 평형을 고려하여 각 냉각 단계에서 2시간 동안 온도를 유지한 바 있다(Xi et al., 2022). 본 연구에서는 시편의 크기와 내부로의 열전달을 고려하여 충분한 온도 평형 시간을 확보하고자 각 목표온도에서 5시간 동안 유지하였다. 또한 급격한 온도 변화에 따른 열충격(thermal shock)을 방지하기 위하여 모든 냉각 구간에서 냉각속도(cooling rate)는 1°C/min으로 일정하게 유지하였다(Wong and Liu, 2025).

Fig. 2.

Cooling protocol for thermal strain analysis of granite under low-temperature conditions

화강암과 표준물질에는 동일한 변형률 게이지를 시편 표면의 길이방향 가운데에 부착하여 열변형률을 측정하였다(Fig. 3). 또한, 저온 환경에서 리드선의 온도 의존적 저항 변화와 열수축에 따른 계측 오차를 최소화하기 위해 모든 시편의 변형률 게이지 리드선은 환경챔버 내부에서 동일한 길이와 배선 형상으로 설치하였다. 또한 환경챔버와 시편 사이의 직접적인 열전달과 노이즈(noise)를 최소화하기 위하여 시편은 목재 받침 위에 설치하여 시험을 수행하였다.

Fig. 3.

Experimental setup for low-temperature thermal strain measurements of granite and reference materials

표준물질에서 측정한 열변형률을 동일한 온도에서 각 재료에 제시된 기준 열변형률과 비교하여 온도별 측정편차를 산정하였다. 측정값과 기준값의 차이는 변형률 게이지와 계측 시스템의 온도 의존적 영향으로 간주하였으며, 각 표준물질의 온도별 측정편차에 대해 4차 다항식 회귀를 수행하여 보정곡선을 도출하였다. 보정곡선을 화강암의 측정 열변형률에 적용하여 각 온도에서의 보정 열변형률을 산정하였다. 이를 통해 변형률 게이지와 계측 시스템의 온도 의존적 영향을 제거한 순수 화강암의 열변형률을 산정하였으며, 보정된 결과를 이용하여 저온에서의 화강암 열변형 특성을 분석하였다.

2.4 음향방출 모니터링 방법

저온 냉각 과정에서 발생하는 화강암 내부의 미세 손상 거동을 평가하기 위하여 열변형 측정과 동시에 AE 모니터링을 수행하였다. AE는 재료 내부에서 미세균열이 생성되거나 기존 균열이 진전될 때 발생하는 고주파수의 탄성파를 측정하는 비파괴 모니터링 기법으로, 거시적인 열변형률만으로 파악하기 어려운 미세균열 관련 활동의 발생 시점을 간접적으로 파악하는 데 활용할 수 있다(Lee et al., 2024). 본 연구에서는 냉각 과정에서의 AE 활동(activity)을 측정하여 보정된 열변형 결과와 함께 분석함으로써 저온 환경에서의 화강암 거동을 해석하고자 하였다.

AE 모니터링 시스템은 Physical Acoustics 사의 AE 센서(Nano-30), 신호증폭기(2/4/6 Pre-amplifier) 및 데이터 수집 장치(Express-8 E5.91)로 구성하였다. 시편의 크기와 센서의 감도 특성을 고려하여 Nano-30 센서를 선정하였으며, 각 화강암 시편의 상부 표면 정중앙에 1개의 센서를 설치하여 시편별로 AE 신호를 획득하였다. 센서와 시편 사이에는 -73~180°C의 사용온도 범위를 갖는 저온용 진공 그리스를 접촉매질로 사용하여 저온 환경에서도 안정적인 결합을 유지하고 신호 감쇠를 최소화하였다. 모니터링 화면에서는 AE 신호, 파형 및 주파수 스펙트럼이 실시간으로 표시되어 냉각 과정에서 발생하는 AE 신호의 발생 여부와 특성을 확인할 수 있다.

AE 신호는 40 dB 신호증폭기를 통해 증폭한 후 1 MHz의 샘플링 속도(sampling rate)로 수집하였다. 또한 신호의 품질을 확보하기 위하여 1~400 kHz 대역의 디지털 필터를 적용하였다. 냉각시험 전 측정된 배경잡음은 43 dB 이하였으며, 냉각 과정에서 시험 장비의 작동에 의해 발생하는 잡음은 약 47 dB 수준으로 확인되었다. 이에 시험 장비에서 발생하는 잡음의 영향을 배제하기 위하여 AE 검출 임계값(threshold)을 50 dB로 설정하였다. 본 실험에서는 시편별로 1개의 AE 센서와 이에 대응하는 단일 채널을 사용하여 데이터를 획득 및 분석하였다. 본 연구에서는 냉각 과정에서 획득한 AE 신호(hit) 비율 및 누적 AE 신호 수를 이용하여 온도 변화에 따른 AE 활동의 특성을 분석하였다.

3. 저온 열변형 측정 결과

3.1 표준물질 기반 열변형 보정

Fig. 4는 세 표준물질에 대해 측정된 열변형률과 기준 열변형률을 비교한 결과를 나타낸다. 측정된 열변형률은 기준 열변형률과 전반적으로 유사한 변화 경향을 보였으나, 세 표준물질 모두 상온에서 약 -30°C까지는 열변형률이 증가한 뒤, 온도가 더 낮아지면서 감소하는 공통적인 거동을 나타냈다. 반면, 기준 열변형률은 재료별 열팽창 특성에 따라 서로 다른 변화 양상을 보였으며, 구리는 온도 감소에 따라 수축량이 지속적으로 증가한 반면 붕규산 유리와 티타늄 합금은 상대적으로 작은 열변형을 나타냈다. 이처럼 열팽창 특성이 서로 다른 표준물질의 측정값에서 유사한 변화 양상이 나타난 것은 재료 자체의 열변형과 함께 변형률 게이지 및 계측 시스템의 온도 의존적 특성이 공통적으로 반영되었기 때문으로 해석된다. 특히 -30°C 부근에서 공통적으로 나타난 변형률의 방향 전환은 재료 고유의 열변형보다 계측 시스템의 온도 의존적 영향이 지배적으로 반영된 결과로 판단된다. 따라서 저온 환경에서 정확한 열변형 측정을 위해서는 이러한 측정 오차를 정량적으로 보정할 필요가 있음을 보여준다.

이러한 측정 오차를 보정하기 위하여 각 표준물질의 측정 열변형률에 대해 4차 다항식 회귀를 수행하여 보정곡선을 도출하였으며(Fig. 5), 회귀식은 다음과 같다.

여기서 ε는 계측 시스템의 온도 의존적 오차에 대한 보정값, T는 온도를 나타낸다. 4차 다항식은 저온 영역에서 나타나는 비선형 열출력 특성을 충분히 재현하면서도 높은 회귀 정확도를 확보할 수 있으므로 보정곡선 도출에 적용하였다.

Fig. 4.

Comparison of reference and measured thermal strains of the standard materials

Fig. 5.

Thermal strain calibration curves derived from standard materials

Fig. 5에 나타낸 바와 같이 세 표준물질 모두 보정 결과와 회귀곡선이 매우 높은 일치도를 나타냈으며, 결정계수(R²)는 모두 0.99 이상으로 나타났다. 이는 저온 환경에서 발생하는 변형률 게이지의 온도 의존적 거동을 보정곡선으로 충분히 표현할 수 있음을 의미하며, 도출된 보정곡선을 이용하여 계측 시스템에서 발생하는 온도 의존적 오차를 효과적으로 보정할 수 있음을 확인하였다. 또한 서로 다른 열팽창 특성을 갖는 세 표준물질 모두에서 높은 회귀 정확도를 나타낸 것은 제안된 보정 방법이 특정 재료의 열적 특성에 의존하지 않고 계측 시스템의 온도 의존적 특성을 일관성 있게 반영함을 의미한다. 이는 본 연구에서 제안한 보정 방법이 암석 재료의 저온 열변형 측정을 위한 계측 보정 절차로 활용될 수 있음을 보여준다.

표준물질에 따른 보정 결과를 비교한 결과, 구리, 붕규산 유리 및 티타늄 합금으로부터 도출된 보정 결과의 차이는 모든 온도 구간에서 최대 약 5 % 이내로 나타나 표준물질의 종류에 따른 영향은 크지 않은 것으로 확인되었다. 이는 서로 다른 열팽창 특성을 갖는 표준물질을 사용하더라도 계측 시스템의 온도 의존적 측정편차가 유사한 수준으로 산정되었음을 보여준다. 한편 구리는 동일한 온도 변화에 대해 가장 큰 열변형량을 나타내어 다른 표준물질보다 높은 측정 민감도를 보였으며, 기준 열변형률과의 비교에서도 가장 안정된 보정 특성을 나타냈다(Fig. 4). 열변형량이 큰 표준물질은 동일한 절대 측정오차가 존재하더라도 상대오차를 감소시킬 수 있어 보다 안정적인 보정곡선을 구축하는 데 유리하다. 따라서 본 연구에서는 화강암 시편의 열변형 보정에 적용할 표준물질로 구리를 선정하였다. 구리에서 도출한 보정곡선을 화강암 시편의 측정 열변형률에 적용하여 계측 시스템의 온도 의존적 오차를 제거하고, 저온 조건에서의 실제 열변형 특성을 평가하는 데 활용하였다.

본 연구에서 제시한 보정 열변형률은 25°C에서 열변형률을 0으로 재설정한 상대변형률이 아니라, 표준물질 시험을 통해 산정된 온도별 보정값을 화강암의 측정 열변형률에 직접 적용하여 산정하였다. 이에 따라 보정 후 25°C에서도 소량의 초기 편차(offset)가 나타날 수 있으며, 본 연구에서는 열변형률의 절대적인 초기값보다는 냉각에 따른 열변형률의 변화와 기울기를 중심으로 평가하였다.

3.2 화강암의 저온 열변형 특성

Fig. 6은 저온 냉각 과정에서 측정된 화강암 시편의 온도와 열변형률의 시간 이력을 나타낸다. 환경챔버의 온도는 25°C에서 -63°C까지 단계적으로 감소하였으며, 각 설정온도는 약 5시간 동안 유지하였다. HP-1과 HP-2 시편의 열변형률은 온도 변화에 따라 단계적으로 변화하였으며, 각 온도 유지구간에서 일정 시간이 경과한 후 안정화되는 경향을 나타냈다. 따라서 이후의 분석에는 각 온도 유지구간에서 안정화된 열변형률을 해당 온도의 대표값으로 사용하였다.

Fig. 6.

Measured thermal strain and temperature histories of granite under low-temperature conditions

보정 전 측정 결과에서는 두 시편 모두 온도 감소에 따라 열변형률이 증가하는 경향을 나타냈다. 상온(25°C)에서는 열변형률이 약 0 με 수준이었으며, 온도가 감소함에 따라 열변형률은 지속적으로 증가하여 약 -30°C에서 HP-1은 약 190 με, HP-2는 약 180 με의 최대값을 나타냈다. 그러나 이후 온도가 더욱 감소함에 따라 열변형률은 증가하지 않고 감소하기 시작하였으며, 최종 온도인 -63°C에서는 두 시편 모두 약 -70 με 수준까지 감소하였다. 또한 HP-1과 HP-2는 전체 온도 구간에서 거의 동일한 열변형 거동을 나타내어 측정 결과의 높은 일관성을 확인하였다.

Fig. 7은 각 온도 유지구간에서 안정화된 열변형률을 추출하여 온도에 따라 도시한 결과이다. 보정 전 결과에서는 열변형률이 -30°C 부근을 기준으로 증가에서 감소로 전환되는 비선형적 거동이 명확하게 나타났다. 일반적으로 화강암은 냉각에 따라 지속적인 열수축을 나타내므로, -30°C 부근에서 열변형률이 증가에서 감소로 전환되는 비선형 거동을 화강암 고유의 열변형 특성으로 해석하기에는 한계가 있다. 특히 표준물질을 이용한 시험에서도 동일한 온도 영역에서 유사한 변화가 공통적으로 관찰되었으며, 약 -30°C 부근에서 열변형률이 최대값을 나타낸 후 감소하는 경향이 확인되었다(Fig. 4). 따라서 보정 전 화강암 시편에서 나타난 비선형적 거동은 화강암 자체의 열변형 특성이라기보다 변형률 게이지 및 계측 시스템의 저온 열출력 특성이 반영된 결과로 판단된다. 이에 본 연구에서는 표준물질을 이용하여 도출한 보정곡선을 화강암의 측정 열변형률에 적용하여 계측 시스템의 온도 의존적 영향을 보정하였다.

Fig. 7.

Measured thermal strain of granite under low-temperature conditions

Fig. 8은 구리 표준물질에서 도출한 보정곡선을 적용하여 산정한 화강암 시편의 보정 열변형률을 나타낸다. 보정 후에는 보정 전 결과에서 관찰되었던 약 -30°C 부근의 최대값이 제거되었으며, 두 시편 모두 온도 감소에 따라 지속적으로 감소하는 열수축 거동을 나타냈다. 보정 후 25°C에서는 약 20~30 με의 초기 편차가 나타났으며, 이는 표준물질 기반 보정곡선에 따른 보정량을 측정값에 직접 반영한 결과이다. 이후 온도 감소에 따라 열변형률은 지속적으로 감소하여 최종 온도인 -63°C에서는 약 -200 με 수준을 나타냈으며, 전체 측정 온도 구간에서 거의 선형적인 변화를 보였다. 보정 열변형률과 온도의 관계에 대해 선형회귀를 수행한 결과, HP-1과 HP-2의 결정계수는 각각 0.9585와 0.9543으로 높은 선형성을 나타냈으며, 회귀기울기는 각각 2.2219 με/°C와 2.1954 με/°C로 유사하게 나타났다.

Fig. 8.

Corrected thermal strain of granite under low-temperature conditions

이러한 회귀기울기를 기존 저온 화강암의 열팽창 특성과 비교하면, 본 연구의 결과는 상대적으로 낮은 수준으로 나타났다. Park et al.(2007)은 화강암의 선열팽창계수가 20°C에서 7.411×10^-6/°C, -60°C에서 4.147×10^-6/°C, -90°C에서 2.923×10^-6/°C로 감소함을 보고하였으며, 마찬가지로 Park et al.(2004)과 Zhang et al.(2025)에서도 온도 감소에 따라 화강암의 선열팽창계수가 감소하는 경향이 보고되었다. 다만 화강암의 열변형 특성은 암종에 따른 광물 조성, 입자 및 조직적 특성 등에 따라 차이를 나타낼 수 있으므로, 본 연구에서 산정된 회귀기울기는 황등화강암 시편 및 본 연구의 시험조건에 따른 열변형 특성을 반영한 결과로 판단된다. 표준물질 기반 보정 절차를 적용한 두 시편 모두 유사한 열변형 거동과 회귀 특성을 나타내어, 제안한 보정 절차의 일관된 적용 가능성을 확인하였다.

한편, 저온 조건에서는 변형률 게이지의 게이지율 및 자기온도보상 특성, 접착층과 게이지의 보강효과 등이 열변형 측정 결과에 추가적인 영향을 미칠 수 있으며, 이러한 계측 영향에 따른 열변형률의 저평가 가능성에 대해서도 추가적인 검토가 필요하다. 향후에는 각 영향인자를 개별적으로 정량화함으로써 저온 열변형 측정 및 보정 결과의 신뢰성을 보다 면밀히 평가할 필요가 있다.

4. 음향방출 모니터링을 이용한 저온 조건에서의 화강암 변형 특성

Fig. 9는 저온 냉각 시험 중 AE 계측 시스템에서 실시간으로 획득된 모니터링 화면을 나타낸다. 계측 프로그램을 통해 AE 신호 발생 시점, 신호 수, 진폭 및 누적 신호 수 등의 정보를 실시간으로 확인할 수 있으며, 이를 이용하여 냉각 과정에서 발생하는 AE 활동의 시간적 변화와 손상 발생 특성을 모니터링하였다. Fig. 10은 저온 냉각 과정에서 측정된 온도별 AE 신호 비율과 누적 AE 신호 수의 변화를 나타낸 것이다. 냉각 초기에는 AE 활동이 거의 관찰되지 않았으나 온도가 약 -20°C 이하로 낮아지면서 AE 신호 수가 점진적으로 증가하기 시작하였다. AE 활동은 주로 -50~-30°C 구간에 집중되었다. 특히 -40°C 부근에서 AE 신호 수 발생 비율이 가장 높았으며, 이후 온도가 더 낮아지면서 AE 활동은 감소하는 경향을 보였다. 반면 누적 AE 신호 수는 냉각이 진행됨에 따라 지속적으로 증가하여 냉각 과정 전반에 걸쳐 미세손상과 관련된 AE 활동이 상대적으로 활발하게 나타날 수 있음을 의미한다.

Fig. 9.

Real-time acoustic emission monitoring (AE hit, waveform, and power spectrum) screen during cooling test

Fig. 10.

Temperature-dependent acoustic emission activity of the granite specimen during cooling test

화강암 시편의 열변형률과 AE 활동은 온도에 따라 서로 다른 변화 양상을 나타냈다. 화강암 시편의 보정 열변형률은 온도 감소에 따라 거의 선형적인 열수축 거동을 보인 반면(Fig. 8), AE 활동은 특정 온도 구간(-50~-30°C)에서 집중적으로 발생하였다. 이는 온도 저하에 따라 연속적인 열수축이 진행되더라도 특정 온도 구간에서 미세손상과 관련된 AE 활동이 상대적으로 증가할 수 있음을 의미한다(Liu et al., 2020).

AE 활동이 -50~-30°C 구간에서 집중된 가능한 원인 중 하나로는 암석 내부에 존재하는 잔류 공극수의 상변화와 이에 따른 국부적인 응력 재분배를 고려할 수 있다. 본 연구에서는 열변형 특성 평가에 앞서 시편을 충분히 건조하여 자유수(free water)를 제거하였으나, 암석 내부의 고립 공극(isolated pore)에는 소량의 잔류 공극수가 여전히 존재할 수 있다. 기존 연구에서는 이러한 공극수가 수 나노미터 규모의 미세공극에서는 0°C 이하뿐만 아니라 약 -20°C 이하에서도 비동결수(unfrozen water) 상태로 존재할 수 있으며, 온도가 더욱 감소함에 따라 상변화가 점진적으로 진행되는 것으로 보고하였다(Huang et al., 2018). 따라서 본 연구에서 AE 활동이 집중적으로 관찰된 온도 구간에서는 암석의 열수축에 의해 축적되는 열응력과 잔류 공극수의 상변화에 따른 국부적인 응력 재분배가 함께 작용하여 AE 활동 증가에 영향을 미쳤을 가능성이 있는 것으로 판단된다.

화강암의 보정 열변형은 온도 감소에 따라 비교적 연속적인 열수축 거동을 나타낸 반면, AE 활동은 -50~-30°C 구간에서 집중적으로 발생하였다. 이러한 결과는 거시적으로 측정되는 열변형과 내부 미세손상의 발생 시점이 반드시 일치하지 않을 수 있음을 보여준다. 따라서 저온 환경에서 암석의 손상 거동을 평가할 때에는 열변형 특성만으로는 내부 손상을 충분히 평가하기 어려울 수 있으며, AE와 같은 비파괴 계측 기법은 이러한 내부 손상 거동을 보완적으로 평가하는 데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 표준물질 기반의 계측 보정을 통해 저온 조건에서의 화강암 열변형 특성을 정량적으로 평가하고, AE 모니터링을 병행하여 거시적 열변형 거동과 내부 미세손상 거동을 함께 분석하였다는 점에서 의의가 있다. 이러한 결과는 액체수소 지하저장 적용을 고려한 저온 환경에서 암반의 열변형 및 AE 특성을 평가하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 다채널 AE를 이용한 손상 위치추정, 탄성파 속도 측정 및 시험 전·후 미세구조 관찰을 병행하면 저온 냉각에 따른 화강암의 손상 메커니즘을 보다 명확히 규명할 수 있을 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 액체수소 지하 저장 적용을 고려하여 -63~25°C의 저온 조건에서 황등화강암의 열변형 및 음향방출 특성을 평가하였다. 이를 위해 표준물질 기반의 열변형 보정절차를 적용하여 계측 시스템의 온도 의존적 영향을 보정하고, 음향방출(AE) 모니터링을 통해 냉각과정에서 발생하는 내부 미세손상 거동을 분석하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

⦁ 표준물질(구리, 붕규산 유리 및 티타늄 합금)을 이용한 열변형 보정 결과, 세 표준물질 모두에서 계측 시스템의 온도 의존적 영향에 의해 유사한 열변형 거동이 나타났으며, 이를 이용하여 저온 환경에서 발생하는 계측 오차를 정량적으로 보정할 수 있음을 확인하였다. 또한 보정곡선의 결정계수는 모두 0.99 이상으로 나타나 제안한 보정 방법의 높은 적용성과 신뢰성을 확인하였다.

⦁ 화강암의 열변형 특성 평가 결과, 보정 전에는 약 -30°C 부근에서 열변형률이 증가한 후 감소하는 비선형 거동이 관찰되었으나, 표준물질 기반 보정을 적용한 후에는 이러한 거동이 제거되고 온도 감소에 따라 거의 선형적인 열수축 특성을 나타냈다. 본 연구에서 제안한 보정 절차를 통해 화강암의 실제 저온 열변형 특성을 효과적으로 평가할 수 있음을 확인하였으며, 두 화강암 시편 모두 높은 선형성(R² > 0.95)을 나타냈다.

⦁ 저온 냉각 과정에서의 AE 모니터링 결과, 게이지를 이용한 화강암의 열변형 특성은 온도 감소에 따라 연속적인 열수축 거동을 보인 반면, AE 활동은 약 -50~-30°C 구간에서 집중적으로 발생하였다. 이는 거시적으로 측정되는 열변형과 미세손상과 관련된 AE 활동의 발생 시점이 반드시 일치하지 않을 수 있음을 의미하며, 암석 내부 잔류 공극수의 상변화와 열수축에 따른 국부적인 응력 재분배가 해당 온도 구간의 AE 활동 증가에 영향을 미쳤을 가능성이 있는 것으로 판단된다.

⦁ 본 연구는 표준물질 기반의 계측 보정을 통해 저온 조건에서 화강암의 열변형을 정량적으로 평가하고, AE 모니터링을 통해 내부 미세손상 거동을 함께 분석함으로써 저온 조건에서의 화강암 거동을 거시적 열변형과 내부 미세손상 측면에서 종합적으로 평가할 수 있음을 제시하였다. 이러한 결과는 액체수소 지하저장 적용을 고려한 저온 환경에서 암반의 열변형 및 AE 특성을 평가하기 위한 실험적 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.