건축, 군수, 교통 등 각종 산업체계에 사용되는 재료들은 필연적으로 태양광에 노출되어 있다. 또한 사람들이 착용하는 의복도 그 영향을 피할 수 없을 것이다. 이러한 영향은 크게 콘크리트의 균열, 밀폐재의 밀폐 성능 저하, 기계부품의 기계적 성능 변화, 식료품이나 섬유의 변색 및 퇴색 등의 결과로 나타난다. 태양광은 날씨나 계절에 관계없이 항상 존재하는 기상 요소이기 때문에 그 효과에 대한 연구가 필수적이라 할 수 있으며 현재까지 국내, 외에서 다수의 연구가 수행되어 오고 있다.
태양광 복사현상의 영향을 연구하기 위해서는 자연의 태양광을 그대로 이용하는 것이 바람직하다고 할 수 있으나 이는 기상 상태의 영향이 매우 크기 때문에 시험의 효과적인 지속을 기대하기 어려우며, 시험 수행에 긴 시간과 비용이 소요될 수 있다. 이러한 이유로 인해 시간과 날씨에 상관없이 태양광 복사현상에 관한 연구를 안정적으로 수행할 수 있음과 동시에 이러한 시험을 짧은 기간과 소규모의 비용으로 수행할 수 있도록 가속화 시험장치 개발 및 가속화 시험 가능성(feasibility)에 대한 연구가 필요하다고 할 수 있다.
가속화 시험이란 사용 환경에서 임의의 재료 또는 제품을 대상으로 시험을 수행할 시 고장 관측, 또는 특정 수준까지 성능이 변하는 것을 관측하는데 시간이 오래 걸린다는 단점을 줄이기 위해 대상 제품의 고장 메커니즘(mechanism)을 촉진하도록 계획되는 시험이다. 가속화 시험을 계획하기 위해서는 사용 환경에서의 조건과 가속화 하고자 하는 비율 및 각 시험 단계별 시편의 개수 등을 고려해야 하는데 볼트나 너트, 리벳과 같은 일반적인 기계부품의 가속화 시험을 위해서는 사용 환경의 120%, 133%, 150%의 비율로 사용 환경조건을 확대하여 시험을 수행한다. 이러한 가속화 시험을 수행한 뒤 고장이 발생하기까지 또는 임의의 특성에 대해 특정 수준까지의 변화가 발생하는데 걸린 시간을, 사용 환경에서의 값과 가속화 환경에서의 값의 비율로 정의되는 가속계수(acceleration factor)를 도출하여 수행한 가속화 시험의 가속성을 평가하였다. 본 연구에서는 사용 환경 조건을 1,120W/m2의 복사강도가 내리쬐는 자연 상태의 태양이 떠 있는 조건, 이른바 1 SUN이라 정의하였으며 이 값의 2배, 3.5배 되는 복사강도가 출력되는 영역에 시편을 노출시키는 가속화 시험을 계획하였다.
이러한 태양광 복사의 영향을 받는 재료의 특성 변화를 연구하고자 가속화 된 복사환경을 조성할 수 있는 태양광 복사 가속화 시험 장치를 개발하였으며, 복합재료로 제작되는 항공기의 외피나 풍력발전기의 블레이드(blade)에 사용되는 에폭시 폴리머 레진(epoxy polymer resin)을 사용하여 가속화 성능을 평가하는 방법을 연구 하였다.
시험 장치는 알루미늄 프레임 및 철제 판넬을 이용해 외관을 제작하고 2,500W의 메탈 할라이드 램프와 광학 필터, 필름 히터 및 컴퓨터용 팬 등을 이용하여 시험 환경을 조성하였다. 시편으로는 인장 시험을 통해 태양광 복사로 인한 기계적 특성의 변화를 알아보고자 폴리머 및 플라스틱의 인장 시험 지침서인 ASTM-D638의 제원을 따라 제작된 시편을 이용하였다. 제작된 시편은 기 설계된 시험 장치에 각각 28주기, 56주기 동안 노출시켰으며 각 시험의 1주기는 미 군사 환경시험 규격인 MIL-STD-810G를 참고하여 5시간의 광원 조사와 1시간의 차단으로 설정하였다.
본 연구를 통해 수행한 가속화 시험의 가속성은 에폭시 폴리머 시편의 기계적 특성 변화와 태양광으로 인해 변색되는 특성을 평가 항목으로 삼았다. 기계적 특성 변화는 MTS-810 인장 시험기를 통해 최대 인장 강도(Max. Tensile Strength), Young’s Modulus, Poisson’s ratio, 연신율(percent elongation)로 분류하여 변화를 확인하였다. 색 변화량은 국제조명위원회가 정의한 광원조건인 ‘Daylight 65’를 구현할 수 있도록 제작된 색 측정 장비를 이용해서 촬영한 시편의 전자 사진으로부터 정량화 할 수 있으며, 동일한 시험주기에 대해 가속화 환경과 사용 환경에서의 색 변화량을 선도로 나타내었다. 이후 사용 환경인 1 SUN 조건에서의 특정 색 변화량 값을 정하여 가속화 환경에서와 사용 환경에서 이 값에 도달하기까지 소요된 시간의 비율인 가속계수를, 회귀분석(Regression Analysis)을 통해 시간에 따른 색 변화량의 관계식과 역제곱 모형(Inverse Power Model)으로부터 도출하였다. 가속화 모형을 이용해 가속계수를 구하고 평가한 결과, 복사강도를 각각 2배, 3.5배로 하였을 때 사용 환경에서의 색 변화 특성을 1/2.3배, 1/4.5배로 시간을 단축된다고 추정할 수 있는 결론을 얻었다.