서론

군수품의 품질보증은 사용자의 만족도 보장과 개발, 양산, 배치·운영 및 폐기에 이르는 총 수명주기에 걸쳐 규정된 품질요구조건의 지속성을 보장하는 데 있다. 군수품의 품질 향상을 위해서는 운용 중에 느끼는 불편함이나 불만족사항 등 군에서 제기된 사용자 불만사항과 품질문제를 과학적으로 검토 분석하여 군에 대한 질적·적시적 요구를 충족시키기 위한 능동적인 대군 지원 활동이 필요하다[1].

본 기고에서는 군의 사용자 불만이 다수 제기된 군용장갑차 계기판 내부표면의 결로현상을 저감한 사례에 대하여 서술한다. 해당 장비는 K000계열 군용장갑차의 조종수 전방 내부에 위치한 휴대용 계기판으로, 계기판 내부표면에서 발생한 결로현상으로 인해 군의 지속적인 사용자 불만이 제기된 고장 지속 발생 품목이다.

본 기고의 구성은 다음과 같다. 먼저 해당장비의 계기판 특징 및 구조에 대해 서술하고 고장 현상에 대해 분석한다. 그 후 고장 현상을 개선하기 위한 후속공정 방법을 제시하고 검증을 위한 확인시험을 수행한 후 그 결과를 통해 해당 현상이 개선되었음을 확인한다.

고장 현상 분석

군용장갑차 계기판 특징 및 구조

전투차량의 휴대용 계기판에 적용된 구동 방식은 전류력계 방식(Electro-dynamic type)이다. 전류력계형 계기 구동 방식은 외부 환경 변화에 의해 측정된 1차 전류를 고정코일에 흘려 자기장을 만들고 그 자기장 중에 가동 코일을 설치하여 전자기 유도 법칙(Faraday's law of electromagnetic induction)에 의해 유도된 2차 전류를 인가하고 이 전류와 자기장 사이에서 발생하는 전자기적 힘을 구동 토크로 이용하는 계기이다. 이러한 방식의 계기는 직류 전위차계로서 정확하게 눈금을 지시할 수 있기 때문에 비교적 정밀한 측정이 가능하다. 하지만 구조가 복잡하고 가격이 비싸 휴대용 전력계로서 널리 이용되고 있다.

아래 그림 1은 실제 전투차량에 사용되는 휴대용 지시계의 형상이다. 오른쪽 그림에는 지시계 단품의 후면 형상을 나타내었다.

현상 분석

실제 야전에서 운용되고 있는 전투차량에서 그림 2와 같이 계기판 내부표면 하단에 결로현상이 발생하였다. 이러한 현상은 전투차량 주행 시 운용자의 시인성을 저해하고 동일 현상이 지속되거나 악화될 시 응결된 수분이 계기 내부로 침습되어 계기 고장을 야기할 수 있기 때문에 반드시 개선되어야 한다.

계기판의 구조적 관점에서 보면 외부 공기의 수분이 유입되어 결로의 발생 가능성이 있다. 계기판의 내부 압력이 외부보다 낮아져 외부 공기가 유입되기도 하고 반대로 내부 습도보다 외부 습도가 높아 수분이 내부로 확산되기도 한다. 그러나 전투차량용 계기는 밀폐형식을 적용하여 구조적으로 외부와 단절되어 있어 이에 따른 영향은 미미하다고 할 수 있다[2].

또한, 전투차량용 계기판을 구성하는 일부 부품들은 합성수지로 제작되어 있는데 이 재질 고유의 특성상 생산과정에서의 수분 함수(absorption) 및 합성수지 자체의 발수는 불가피하다[3]. 따라서 이로 인한 결로현상 발생 가능성이 존재한다.

후속공정 개발 및 실험결과

후속공정 개발

앞서 언급한 바와 같이 계기판 일부 구성품의 재질이 합성수지로 제작되었기 때문에 함습 및 발수는 재료 특성상 불가피하다. 따라서 이러한 특성으로 발생하는 잠재적 결로현상을 방지하기 위하여 그림 3과 같이 계기판 제작공정 간에 제품을 챔버에 일정 시간 노출 시키는 베이킹(baking) 작업을 수행하고 있다. 본 기고에서는 베이킹 작업 직후 갑자기 챔버 문을 개방하였을 때 가해지는 열충격을 방지하기 위해 챔버 내부의 온도가 상온으로 서서히 수렴하도록 방치하는 안정화(stabilizing) 작업을 추가하여 후속공정을 새롭게 개발하였다. 또한, 개발된 후속공정의 결로현상 저감 효과를 확인하기 위해 각 공정 수행 시간에 따른 지시계의 결로 발생 여부를 실험하였다.

기존의 공정에서는 베이킹 시간이 10시간으로 설정되어 있으나 베이킹 시간에 따른 결로현상 저감 효과를 확인하기 위하여 기존 대비 20% 증대시킨 12시간으로 설정한 뒤 지시계 내부의 결로현상 저감 여부를 비교 및 확인한다. 또한, 베이킹 시간 증대와는 별개로 기존의 공정에는 포함되지 않았던 안정화 작업 시간을 3시간 추가하여 결로현상 저감 여부를 확인한다. 각 실험에 대한 결과는 아래 표 1과 2에 나타내었다. 실험 결과를 육안으로 확인하였을 때 안정화 시간을 추가한 경우와 베이킹 시간을 증대시킨 각각의 경우에서 모두 결로현상이 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 안정화 3시간을 적용한 실험에서는 결로현상 저감이 확연하게 나타났다. 따라서 안정화 시간을 추가하고 베이킹 시간을 증대시키는 것은 결로현상을 저감시킬 수 있는 방법으로 판단된다.

이 결과를 바탕으로 최적의 안정화 시간과 베이킹 시간을 도출하기 위하여 다수의 시료를 제작하였다. 시료는 기존 공정조건(#1)을 포함한 총 13개로 제작하였다.

안정화 시간은 기존 0시간에서 3시간, 4시간, 5시간으로 총 4구간으로 설정하였다. 베이킹 시간은 14시간부터 구간별 2시간씩 증대시켜 20시간까지 총 4구간으로 설정하여 시험을 수행하였다.

표 1. 안정화 시간 실험 결과

실험 조건	1. 온도 : -10℃ 2. 베이킹 시간 : 10 hr
안정화 시간 (0 hr) *기존공정
안정화 시간 (3 hr)

표 1. 안정화 시간 실험 결과

표 2. 베이킹 시간 실험 결과

실험 조건	1. 온도 : -10℃ 2. 안정화 시간 : 0 hr
베이킹 시간 (10 hr) *기존공정
베이킹 시간 (12 hr)

표 2. 베이킹 시간 실험 결과

실험결과

실험을 위해 제작된 13개의 시료로 최적의 안정화 시간과 베이킹 시간을 도출하였다. 육안으로 결로현상 저감 여부를 확인하는 것은 관찰자마다 상이하게 판단할 수 있기 때문에 각 시료에 대해서 결로현상이 생기는 시점(이슬점 온도)을 측정한다. 시험 초기 조건으로는 챔버 초기온도 30℃, 상대습도 80%로 설정하였으며 15분마다 -32℃까지 3℃씩 감소시키며 지시계에 발생하는 결로현상을 관찰한다. 실험결과는 아래 표 3에 나타내었다.

기존 공정을 적용한 시료#1(안정화 0시간, 베이킹 10시간)는 0℃에서 7분만에 결로현상이 발생하였다. 14시간 베이킹 시간을 적용한 시료 가운데 #10을 제외한 나머지 2개의 시료에서는 결로현상이 확인되었다. 16시간 베이킹 시간을 적용한 시료들은 #7을 제외한 나머지 2개의 시료가 양호함을 확인하였다.

베이킹 시간이 18시간 이상인 시료들의 실험결과를 확인해 봤을 때, 충분한 베이킹 시간과 안정화 시간을 적용한다면 비약적으로 결로현상을 저감할 수 있을 것으로 판단되지만 제작공정에 소요되는 시간을 고려하여 최소 공정 시간(베이킹 시간 + 안정화 시간)인 19시간이 소요되는 #3과 #10을 최종 후보로 선정하였다. #3의 경우 안정화 시간을 1시간 더 적용한 #7에서 결로현상이 확인되었기 때문에 #3에서 결로현상이 확인되지 않은 것은 실험적 오차로 판단되며 이를 통해 베이킹 시간보다 충분한 안정화 시간이 결로현상 저감에 더욱 주요한 인자라고 판단할 수 있다. 따라서 후속공정 개선에 가장 적합한 시료는 #10(안정화 5시간, 베이킹 14시간)으로 선정한다.

결론 및 발전방향

야전에서 운용되고 있는 전투차량의 운행환경은 민간인이 사용하는 자가용에 비해 극심한 진동과 외부 충격 그리고 발열이 발생하는 등 매우 가혹한 조건에 상시 노출되어 있다. 이로 인해 실제로 야전에서 운용되고 있는 전투차량의 휴대용 계기판 내부표면에서 결로현상이 식별되었다.

본 기고에서는 전투차량용 계기판 조립체 내부표면의 응결 저감을 위한 실험적인 데이터를 확보하고 이를 통해 최적의 베이킹 시간과 안정화 시간을 도출하는 후속공정 개발에 대한 연구를 수행하였다. 열충격에 약한 재질로 구성된 조립체의 특성을 고려하여 기존의 공정에서 안정화 공정을 새롭게 추가하는 후속공정을 개발하였다. 시험결과에 따라 베이킹 시간보다 안정화 시간이 결로현상 저감에 더욱 주요한 인자로 확인되었으며 베이킹 시간 14시간, 안정화 시간 5시간을 적용한 시료 #10이 가장 최적화된 공정 조건이라고 판단한다. 향후 수행될 연구는 다음과 같다.

첫 번째, 요인 수준의 변화에 다른 반응 변수의 변화 패턴으로부터 최적 반응 값을 주는 요인들의 최적 조건을 찾는 회귀 분석 방법인 반응표면분석(Response surface methodology)을 바탕으로 수치해석을 수행하여 더욱 정밀한 최적값을 도출하는 연구를 수행한다. 두 번째, 계기판 결로현상의 원인 중 하나로 여겨지는 합성수지 재질 자체 특성인 함수(absorption)를 저감하기 위한 구성품 재질 개선에 관한 연구를 수행한다.

이러한 향후 추진 연구들이 수행될 시 전투차량용 휴대용 계기판 내부표면의 결로현상이 더욱 개선되어 운용자의 시인성이 극대화될 것으로 기대한다.