액화수소의 끓는점인 -253℃는 일반적인 극저온(-196℃ 액체질소 수준)을 한 단계 더 넘어선 영역이다. 이 온도에서는 대부분의 금속이 상온과 전혀 다른 기계적 거동을 보인다. 탄성계수, 항복강도, 연신율, 충격인성, 열팽창계수까지 동시에 변하면서 용기·밸브·배관의 설계를 다시 생각하게 만든다. 특히 알루미늄, 오스테나이트계 스테인리스, 니켈합금은 모두 FCC 구조라는 공통점이 있지만, 수소와 만났을 때의 반응과 미세조직 변화는 상당히 다르다. 이 글에서는 -253℃에서 세 재질이 어떻게 변하는지, 실제 설계자가 보는 관점에서 정리해본다.
1. 극저온에서 공통적으로 일어나는 기계적 변화
1) 강도는 올라가고, 연성은 줄어드는 쪽으로 이동
온도가 내려가면 대부분의 금속에서 전위 이동이 어려워지고, 항복강도와 인장강도가 상승한다. -253℃에서는 상온 대비 1.5~3배까지 항복강도가 증가하는 데이터가 많다. 대신 균일 연신율은 감소하고, 국부 연신과 파단 변형이 급격히 줄어드는 경향을 보인다.
2) 인성의 온도 민감성
체심입방(BCC) 금속은 저온 취성 천이(DBTT)가 문제지만, 알루미늄·오스테나이트 스테인리스·니켈합금처럼 면심입방(FCC) 구조 금속은 저온에서도 취성 천이가 거의 없다. 대신 수소 환경에서는 수소취성, 수소 유도 균열(HE, HIC) 같은 별도의 메커니즘이 지배적이 된다.
3) 열수축과 잔류응력
-253℃까지 냉각되면 상온 대비 열수축량이 수천 microstrain 수준으로 누적된다. 이때 재질별 열팽창계수 차이 때문에 이종재 접합부(예: 알루미늄 탱크 + 스테인리스 노즐, 니켈합금 라이너 등)에 상당한 구속 변형이 생기고, 이것이 피로균열의 시발점이 된다.
2. 알루미늄 합금: 가벼운 대신 ‘클리어런스 관리’가 관건
1) 항복강도와 인성의 동시 향상
5xxx(Al-Mg) 계열과 6xxx(Al-Mg-Si) 계열은 -253℃에서 항복강도가 상온 대비 뚜렷이 증가하면서도 충격인성이 유지되거나 오히려 좋아지는 편에 속한다. 전위 이동이 억제되지만, FCC 구조 덕분에 취성 천이가 나타나지 않기 때문이다. 그래서 액화수소 탱크나 라인에서 경량화 재질로 가장 먼저 검토되는 계열이기도 하다.
2) 잔류응력과 용접부
문제는 용접부이다. Al-Mg 계열은 용접부 근방에서 연화(softening)가 발생하고, -253℃에서 모재와 HAZ의 강도 차이가 더 커지면서 응력 집중이 심해진다. 여기에 열사이클 반복에 의한 저주기 피로가 겹치면 용접 토우부 상단에서 미세 균열이 성장하기 쉽다. 따라서 탱크 설계에서는 용접 위치를 주 응력경로 밖으로 빼거나, 보강링·더블필렛 구조로 응력을 분산시키는 설계가 많이 사용된다.
3) 수소 흡수와 크리프
알루미늄은 스테인리스나 니켈합금에 비해 수소의 용해도가 낮고, 수소취성 감수성도 상대적으로 작다. 다만 액화수소 탱크의 내부 압력은 그리 높지 않은 대신, 장기간 일정 응력을 받는 구조이기 때문에 저응력·장시간 크리프를 무시하기 어렵다. -253℃에서는 확산속도는 느려지지만, 10년 이상 운전되는 탱크의 장기 변형은 결국 구조해석과 실험으로 확인해야 한다.
4) 설계자가 체크해야 할 포인트
- 용접부 장기 피로시험(S-N, 저주기 LCF) 데이터 확보
- 탱크 둘레 방향/축 방향 열수축 차이를 고려한 지지구조 설계
- 라이너와 보강재가 다른 합금일 때 열팽창 불일치 보정
3. 오스테나이트계 스테인리스: 극저온 인성은 최고지만, 수소와의 동거가 숙제
1) 극저온 인성의 장점
304L, 316L 계열은 -253℃에서도 충격인성이 매우 높고, 연신율이 유지된다. FCC 오스테나이트 구조가 안정적이라 저온 취성 천이가 없고, 오히려 가공경화와 TWIP/TRIP 메커니즘이 일부 작동해 강도와 인성이 동시에 향상되는 구간도 있다. 그래서 밸브 바디, 배관, 플랜지 재질로 널리 사용된다.
2) 수소취성과 변형유기 마르텐사이트
그러나 높은 강도 영역(냉간가공재, 고강도 볼트 등)에서는 수소취성이 문제가 된다. 304 계열은 변형에 의해 일부 마르텐사이트가 형성될 수 있고, 이 영역은 수소에 훨씬 취약하다. 반복 압력 사이클과 냉각·가열이 겹치면 변형유기 마르텐사이트 + 수소 집적이 결합된 복합 메커니즘으로 균열이 성장할 수 있다.
3) 표면 상태와 잔류응력의 영향
극저온 스테인리스 부품의 실파단면을 보면, 연성 파괴(dimple)와 함께 미세한 계단형·준취성 파괴가 혼재하는 경우가 많다. 이는 가공줄, 샌드블라스트 자국 등 미세 노치 근방에 탄성-소성 구속이 생기고, 그 부위에 수소가 집중되며 피로균열 개시가 촉진되기 때문이다. 따라서 실제 설계에서는
- 내부 유로의 가공결 마무리(Ra 관리)
- 쇼트피닝 대신 전해연마·기계연마 조합
- 용접 잔류응력 감소를 위한 후열처리 또는 피킹
같은 공정조건이 재료 선택만큼이나 중요해진다.
4) 극저온에서의 크리프·스트레스 릴랙세이션
-253℃에서는 열활성 크리프 자체는 거의 정지 수준으로 느려지지만, 프리텐션된 볼트나 스프링의 스트레스 릴랙세이션은 여전히 설계 변수다. 재질별로 항복비와 가공경화 거동이 다르기 때문에, 상온 프리텐션 값을 단순히 온도비로 환산해서는 안 되고, 실제 극저온 하중 모사 시험 데이터가 필요하다.
4. 니켈합금: 극저온과 수소 환경을 동시에 버티는 ‘마지막 카드’
1) 온도에 거의 영향을 받지 않는 강도
인코넬(Inconel 625, 718 등), 하스텔로이 계열과 같은 니켈 기반 합금은 고용·석출 강화 메커니즘 덕분에 -253℃에서도 강도 손실이 거의 없다. 오히려 항복강도가 소폭 증가하면서 인성도 상온 수준을 유지하거나 향상된다. 그래서 액화수소 펌프 인펠러, 밸브 시트링, 고압 커넥터 등 가장 혹독한 위치에 배치되는 재질이다.
2) 수소와의 상호작용
니켈은 철에 비해 수소 확산 속도가 느리고, 일부 합금은 수소취성에 상대적으로 강하다. 하지만 고강도 석출경화형(예: 718)의 경우, 미세 석출물과 전위가 수소 트랩으로 작용해 특정 응력 상태에서 균열 개시가 빨라질 수 있다. 따라서 “니켈합금은 수소취성이 없다”는 식의 단정은 위험하며, 합금 설계와 열처리 조건에 따라 거동이 달라진다.
3) 열팽창·탄성계수의 차이
니켈합금은 스테인리스보다 열팽창계수가 약간 작고, 알루미늄보다는 훨씬 작다. 따라서 알루미늄 라이너 + 니켈합금 트림 구조(예: 알루미늄 밸브 바디 + 니켈합금 시트링)에서는 냉각 시 시트링이 상대적으로 덜 줄어들어 간극이 조여지는 방향으로 작용한다. 이 효과를 설계에서 의도적으로 이용하면 -253℃에서도 리크를 줄일 수 있지만, 과도하면 밸브 개폐 토크 증가와 시트 파손으로 이어질 수 있다.
5. 세 재질의 비교 정리와 설계 시사점
1) 기계적 특성 트렌드 요약
- 알루미늄 합금: 강도↑, 인성 유지 또는 향상, 수소취성 민감도는 낮음. 대신 용접부 연화와 장기 크리프, 열수축에 의한 변형 관리가 핵심.
- 오스테나이트 스테인리스: 강도↑, 인성 매우 우수, 그러나 고강도 상태·변형유기 마르텐사이트·잔류응력이 결합하면 수소취성 위험이 존재.
- 니켈합금: 강도·인성 모두 최상, 수소 환경에서도 가장 안정적이지만 재료비와 가공비가 높고, 열팽창 불일치 설계가 필수.
2) 재질 선택의 실제 기준
액화수소 시스템을 설계할 때 세 재질은 보통 다음과 같이 역할이 나뉜다.
- 대형 탱크·이중벽 구조: 알루미늄 합금(경량·인성 우수)
- 일반 배관, 플랜지, 밸브 바디: 304L, 316L 계열 스테인리스
- 밸브 시트, 고속 회전 부품, 고압 영역: 니켈합금 또는 스테인리스 + 코팅
3) 시험과 해석의 조합이 필수
-253℃ 데이터는 -196℃에 비해 공개 자료가 적다. 그래서 재질 선택 단계에서는 통상 액체질소 온도 데이터로 1차 스크리닝을 하고, 최종 후보에 대해서만 -253℃ 전용 인장·충격·피로시험을 수행한다. 동시에 열수축과 잔류응력을 포함한 비선형 FEA를 통해, 실제 운전 시퀀스(냉각·보냉·가열)를 그대로 모사하는 것이 점점 일반화되고 있다.
4) 현장에서의 체크리스트
- 이종재 접합부의 열팽창계수 차이와 체결 방식(플랜지, 용접, 브레이징)
- 극저온 사이클 수와 압력 사이클 수의 조합에 따른 피로 수명
- 수소 순도, 오일·수분 혼입 등 환경 조건이 재료 거동에 미치는 영향
- 표면 상태(Ra, Rz)와 잔류응력 관리 공정
마무리
-253℃는 단순히 “상온보다 더 차가운 환경”이 아니라, 금속의 기계적 특성이 완전히 재정의되는 온도다. 알루미늄·스테인리스·니켈합금은 모두 극저온용 재료군으로 분류되지만, 실제 설계자는 각 재질의 강도-인성 밸런스, 수소취성 감수성, 열팽창 계수, 용접성·가공성까지 동시에 고려해야 한다. 결국 좋은 설계는 “어떤 재질이 가장 강한가?”가 아니라, “어떤 재질을 어디에, 어떤 조합으로 쓰면 전체 시스템이 가장 오래, 가장 안전하게 버티는가?”에 대한 답을 찾는 과정이다.