장기저장 군용 직류모터 구동 불능 원인 분석 및 고찰

서론

군수품은 일반 산업제품과 달리 생산 이후 즉시 사용되기보다 장기간 저장된 상태를 유지하다가 필요시 요구된 기능을 정상적으로 수행해야 하는 특성을 가진다. 이 과정에서 구성품은 실제로 작동되지 않더라도 온도, 습도, 산소 등 주변 환경에 지속적으로 노출되며, 금속의 부식 및 산화, 고분자 재료의 노화, 윤활 특성 저하 등 다양한 형태의 저장 열화가 발생할 수 있다. 특히 이러한 열화는 외관상 뚜렷한 변화 없이 장기간에 걸쳐 점진적으로 진행될 수 있어 일반적인 육안검사나 기능점검만으로 사전에 식별하기 어려운 경우가 있다.

직류모터는 전기에너지를 회전운동으로 변환하는 구동장치로 비교적 간단한 구조와 우수한 제어 특성으로 인해 다양한 장비의 구동부에 활용되고 있다. 군수품에서도 특정 구성품의 전개 및 작동 등을 위한 구동원으로 활용될 수 있으며, 여느 군수품과 마찬가지로 장기간 저장된 이후에도 필요한 시점에 정상적으로 작동해야한다. 그러나, 직류모터 역시 장기간 저장되는 과정에서 성능 변화가 발생할 수 있다. 특히 모터 내부의 정류자(Commutator)와 브러시(Brush)는 서로 접촉하여 회전자에 전류를 공급하는 역할을 하므로 접촉면의 상태가 모터의 구동 성능에 직접적인 영향을 미친다. 장기저장 과정에서 정류자 표면의 물리적·화학적 특성이 변화할 경우 브러시와의 접촉저항이 증가할 수 있으며, 접촉저항이 일정 수준 이상으로 증가하면 모터에 충분한 전류가 공급되지 않아 정상적인 구동이 제한될 가능성이 있다. 실제 장기 저장된 군용 직류모터에서도 저장기간 증가에 따라 정류자와 브러시 사이의 접촉저항이 증가하는 현상이 확인된 바 있다.

이에 본 기고에서는 장기저장된 직류모터의 구동불능 원인을 단계적으로 분석하고, 장기저장에 따른 정류자 표면의 산화와 접촉저항 변화가 모터의 구동 성능에 미치는 영향을 살펴보고자 한다. 또한, 실제 장기저장품에 대한 분석과 염수분무시험 결과를 통해 구동불능에 이르는 열화 매커니즘을 확인하고, 이를 바탕으로 장기저장 군수품의 신뢰성 확보와 품질관리를 위한 시사점을 제시하고자 한다.

원인 분석

구동불능 현상 및 접촉저항 분석

직류모터는 전원이 인가되면 브러시와 정류자의 접촉을 통해 회전자 권선으로 전류가 공급되고, 이때 발생하는 전자기력에 의해 회전력이 생성된다. 따라서 모터가 정상적으로 구동되기 위해서는 전원 및 권선뿐만 아니라 브러시와 정류자 사이에서도 원활한 전기적 접촉이 유지되어야 한다.

구동불능 모터를 점검한 결과, 외관상 특이사항이나 내부 회로의 단선 등 일반적인 전기적 결함은 확인되지 않았다. 이에 따라 모터의 전류 전달 경로에 대한 추가적인 분석을 수행하였으며, 그 과정에서 정류자와 브러시 사이의 접촉저항이 정상적으로 구동되는 모터에 비해 증가한 현상을 확인하였다. 정류자와 브러시 사이의 접촉저항 증가는 모터 내부로 공급되는 전류를 제한할 수 있으므로 구동불능과 직접적인 연관성이 있을 것으로 판단하였다.

추가로 장기저장과 접촉저항 증가의 연관성을 확인하기 위해 저장기간이 서로 다른 직류모터의 접촉저항을 비교하였다. 그 결과 초기 저장기간에는 비교적 낮은 수준의 접촉저항을 유지하였으나, 저장기간이 증가함에 따라 접촉저항 역시 증가하는 경향이 나타났다. 그중 약 9년 이상의 장기 저장품에서 접촉저항이 급격하게 증가하는 현상이 확인되었으며, 10년 이상 저장된 일부 모터에서는 실제 구동불능 현상도 확인되었다.

또한, 접촉저항과 모터 구동 여부의 관계를 확인한 결과, 약 14~20Ω 수준의 높은 접촉저항에서 모터의 구동이 제한되는 현상이 확인되었다. 이는 장기저장에 따른 접촉저항 증가가 단순한 전기적 특성 변화에 그치는 것이 아니라 실제 모터의 기능 상실로 이어질 수 있음을 보여준다.

이러한 결과를 통해 장기저장으로 인한 직류모터 내부의 정류자와 브러시 사이의 접촉저항 증가 발생 시 직류모터의 구동에 제한이 생길 수 있음을 확인할 수 있었다. 이에 따라 다음 단계에서는 장기저장 과정에서 접촉저항이 증가한 근본적인 원인이 무엇인지 규명하기 위해 정류자 표면의 물리적·화학적 특성을 분석하였다.

정류자 표면 산화 특성 분석

장기저장에 따라 정류자와 브러시 간 접촉저항이 증가하는 원인을 확인하기 위해, 10년 및 11년간 저장된 직류모터를 분해하여 정류자 표면 상태를 분석하였다. 육안 관찰 결과 브러시와 접촉하는 부위를 중심으로 정류자 표면의 변색이 확인되었으며, 이는 장기간의 저장 과정에서 정류자 표면에 변화가 발생하였음을 보여준다.

추가로 정류자 표면의 변화를 정량적으로 확인하기 위해 표면의 원소 성분을 분석하였다. 분석 결과 기준 정류자의 구리(Cu)와 산소(O) 비율은 각각 96.5%, 3.5%로 나타났으나, 10년 저장품에서는 각각 91.7%, 8.3%, 11년 저장품에서는 89.0%, 11.0%로 측정되었다. 즉, 저장기간이 증가함에 따라 정류자 표면의 구리 비율은 감소하고 산소 비율은 증가하는 경향이 확인되었다.

정류자의 주요 소재가 구리인 점을 고려할 때, 이러한 원소 조성의 변화는 장기저장 과정에서 정류자 표면의 산화가 진행되고 있음을 나타낸다. 특히, 앞서 확인된 저장기간에 따른 접촉저항 증가와 함께 정류자 표면의 산소 비율 증가가 관찰되었다는 점에서 정류자 표면의 산화가 접촉저항 증가와 관련된 주요 요인을 가능성을 확인할 수 있었다. 다만 실제 장기 저장품에 대한 분석만으로 표면에 형성된 산화물의 종류와 각각의 전기적 특성까지 확인하기 어렵기 때문에 산화에 따른 정류자 표면의 화학적 조성 변화와 접촉저항 증가의 관계를 추가적으로 규명할 필요가 있었다.

이에 정상 정류자에 대한 염수분무시험을 수행하여 산화를 인위적으로 촉진하고 열화 진행에 따른 접촉저항과 표면 화학조성의 변화를 분석하였다. 이를 통해 실제 장기 저장품에서 확인된 정류자 표면 산화가 모터 구동불능으로 이어지는 메커니즘을 구체적으로 확인하고자 하였다.

원인 검증

염수분무시험

앞선 분석을 통해 장기 저장된 직류모터에서 정류자 표면의 산화와 접촉저항 증가가 함께 나타나는 것을 확인하였다. 이에 정류자 표면의 산화가 실제로 접촉저항 증가에 영향을 미치는지를 확인하기 위해 염수분무시험을 수행하였다. 염수분무시험은 정상 상태의 정류자와 브러시 시료를 대상으로 염수를 분무하여 표면 산화를 촉진하는 방식으로 수행하였다. 또한, 시험시간과 온도를 달리하여 열화가 진행됨에 따라 정류자 표면과 접촉저항이 어떻게 변화하는지 관찰하였다.

시험결과, 염수분무 전과 비교하여 시험 후 정류자 표면에서 뚜렷한 산화 흔적이 확인되었으며, 시험시간이 증가할수록 정류자와 브러시 사이의 접촉저항도 증가하였다. 특히, 높은 온도조건에서 접촉저항의 증가가 더욱 뚜렷하게 나타나 정류자 표면의 산화와 접촉저항 증가가 서로 밀접하게 관련되어 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 실제 장기 저장품과 염수분무시험품의 접촉저항 변화 경향을 비교한 결과, 염수분무시험품에서도 실제 저장품과 유사한 접촉저항의 증가 형태가 나타났으며, 50℃ 조건의 시험 결과가 실제 장기저장품과 가장 유사한 변화 경향을 나타내어, 염수분무시험을 통해 장기간에 걸쳐 발생하는 정류자 열화 현상을 단기간에 재현할 수 있음을 확인하였다.

정류자 표면의 화학적 변화

염수분무시험을 통해 정류자 표면의 산화가 진행될수록 접촉저항이 증가하는 현상을 확인하였으며, 이러한 변화의 원인을 보다 구체적으로 확인하기 위해 정류자 표면의 화학적 조성을 분석하였다.

분석 결과 정류자 표면에는 여러 종류의 구리 화합물(Cu2O, CuO, CuCl2, Cu(OH)2)이 형성되었으며, 시험시간이 증가함에 따라 이들의 구성 비율이 변화하는 것으로 나타났다. 특히 상대적으로 전기가 잘 흐르는 성분(CuO, CuCl2, Cu(OH)2)의 비율은 점차 감소하였고 전기저항이 높은 성분(Cu2O)의 비율은 증가하는 경향을 보였다. 이러한 표면 화학조성의 변화는 정류자와 브러시 사이의 전류 흐름을 방해하여 접촉저항을 증가시키는 주요 원인으로 판단된다.

결과적으로 실제 장기저장품의 분석과 염수분무시험을 통해 장기저장에 따른 정류자 표면의 산화가 접촉저항을 증가시키고 증가된 접촉저항이 모터의 정상적인 구동을 방해하는 일련의 고장 메커니즘을 확인할 수 있었다. 이는 직류모터의 고장이 단순 일시적 고장이 아니라, 장기간 저장되는 과정에서 누적된 정류자 표면의 열화와 관련된 문제임을 보여준다.

결론

본 기고에서는 직류모터의 구동불능 원인과 장기 저장에 따른 열화 메커니즘을 살펴보았다.

원인분석 결과, 저장기간이 증가함에 따라 직류모터의 정류자와 브러시 사이의 접촉저항이 증가하였으며, 장기 저장품에서는 모터의 정상적인 구동이 제한될 정도로 높은 접촉저항이 확인되었다. 또한 정류자 표면 분석을 통해 저장기간이 증가할수록 구리 성분은 감소하고 산소 성분은 증가하는 경향을 확인함으로써 장기 저장에 따른 정류자 표면의 산화 가능성을 확인하였다.

이후, 염수분무시험을 통해 정류자 표면의 산화를 촉진한 결과, 실제 장기 저장품과 유사하게 시험시간이 증가할수록 접촉저항이 증가하는 현상이 재현되었다. 또한 표면 화학조성 분석을 통해 산화가 진행되면서 정류자 표면의 전기적 특성이 변화하고 이러한 변화가 접촉저항 증가로 이어지는 것을 확인하였다. 이를 종합하면 장기저장에 따른 정류자 표면 산화 → 접촉저항 증가 → 직류모터 구동불능으로 이어지는 고장 메커니즘을 확인할 수 있다.

이번 사례는 장기저장 군수품의 품질관리에 있어 생산 당시의 품질 적합성뿐만 아니라 저장기간 동안 발생하는 구성품의 열화 역시 중요하게 고려해야 함을 보여준다. 특히 외관상 이상이 없는 구성품에서도 장기간의 저장에 따라 재료의 물리적·화학적 특성이 변화할 수 있으며, 이러한 미세한 변화가 실제 운용 시 기능 불량으로 이어질 수 있다는 점에서 저장 열화에 대한 지속적인 관심과 관리가 필요하다.

따라서 장기간 저장되는 군수품에 대해서는 저장기간에 따른 주요성능 인자의 변화를 지속적으로 확인하고, 실제 고장에 연관성이 높은 열화 특성을 식별하여 예방정비 및 품질관리에 활용할 필요가 있다. 이러한 관점에서 본 기고와 같이 실제 품질문제에서 출발하여 고장원인을 규명하고 열화 메커니즘을 확인하는 과정은 장기 저장 군수품의 신뢰성을 확보하고 유사 품질문제의 재발을 예방하는 데 유용하게 활용될 수 있을 것이다.