1.태양광 발전소 구조물(랙 시스템)의 갈바닉 부식(종속 부식) 방지를 위한 이종 금속 접합 가이드
태양광 발전소 구조물(랙 시스템)의 갈바닉 부식(종속 부식) 방지를 위한 이종 금속 접합 가이드
태양광 발전소의 랙 시스템을 보면 하나의 금속만 사용하는 경우보다 알루미늄(Al), 용융아연도금 강재(HDG Steel), 스테인리스강(SUS), 아연(Zn), 구리(Cu) 등이 서로 조합되어 사용되는 경우가 많습니다.
문제는 이 재료들이 서로 접촉하고 여기에 빗물, 결로, 해무, 염분, 산업분진 등이 전해질(Electrolyte) 역할을 하면 예상보다 빠른 **갈바닉 부식(Galvanic corrosion)**이 발생할 수 있다는 점입니다.
특히 태양광 구조물에서는 단순히 금속이 녹는 문제로 끝나지 않습니다. 체결부의 단면 감소, 모듈 고정력 저하, 접지저항 증가, 접지 경로 손상으로 이어질 수 있기 때문에 구조 안전성과 전기적 안전성을 함께 봐야 합니다.
저희 업계에서 ASTM G82도 서로 다른 금속이 전해질 속에서 전기적으로 연결되면 한쪽 금속의 부식이 증가할 수 있으며, 두 금속의 전기화학적 위치 차이가 클수록 갈바닉 부식 구동력이 커지는 경향이 있다고 설명합니다.
1. 태양광 발전소 구조물(랙 시스템) 시스템에서 왜 갈바닉 부식이 발생할까?
갈바닉 부식이 발생하려면 기본적으로 세 가지 조건이 필요합니다.
① 서로 다른 금속
② 전기적 접촉
③ 전해질
입니다.
태양광 발전소 구조물(랙 시스템) 구조물을 예로 들면 다음과 같은 조합이 가능합니다.
Al Module Frame
↓
Stainless Steel Bolt
↓
Galvanized Steel Rail
↓
Steel Support
여기에 비나 결로가 형성되면 얇은 수분막이 전해질이 됩니다.
이때 두 금속 사이에 전위차가 존재하면 전기화학적 회로가 형성되고 상대적으로 활성인 금속이 Anode가 되어 용출이 증가합니다.
특히 태양광 발전소 구조물(랙 시스템) 시스템은 서로 다른 금속을 조합하는 경우가 많기 때문에 미국 에너지부(DOE)도 PV 시스템에서 갈바닉 부식을 주요 부식 메커니즘으로 지적하고 있으며, 실제 시스템에서 알루미늄 프레임과 스테인리스 패스너, 강재 또는 알루미늄 구조물이 함께 사용되는 사례를 설명하고 있습니다.
2. 가장 흔한 조합은 Al + Zn-coated Steel
태양광 발전소 구조물(랙 시스템) 지상형 구조물에서는 대표적으로
Aluminum Rail + Hot-Dip Galvanized Steel
조합을 볼 수 있습니다.
여기서 중요한 것은 “알루미늄과 아연도금강판은 무조건 사용할 수 없다”가 아닙니다.
실제 PV 구조물의 재료 조합은 환경과 표면상태, 접촉면적, 수분 지속시간, 염화물 농도 등에 따라 결과가 달라집니다.
2017년 지상형 PV mounting assembly 연구에서는 Zn-coated steel/Al 및 stainless steel/Al 조합을 실제로 구성하고 3 wt% NaCl 용액에서 약 3개월 동안 갈바닉 거동을 평가했습니다. 연구에서는 갈바닉 전류와 전위를 측정하고 SEM/EDS로 표면 변화를 분석했습니다.
따라서 단순히 “갈바닉 계열에서 가까우니까 안전하다”는 식으로 판단하기보다는 실제 설치환경을 반영한 조합시험이 중요합니다.
저도 실제 설치환경을 반영해서 시험해보는건 중요하다고 생각합니다.
3. 알루미늄 프레임에서 특히 조심해야 하는 이유
알루미늄은 표면에 치밀한 산화피막이 형성되면서 비교적 우수한 내식성을 나타냅니다.
하지만 이 피막이 영구적으로 손상되지 않는다는 의미는 아닙니다.
특히 다음 상황에서는 위험성이 증가합니다.
저희 현장에서도 놓치기 쉬우니 잘 체크해야 하지요.
- 체결부에서 산화피막이 제거된 경우
- 스테인리스 체결재와 직접 접촉
- 구리 접지부품과 직접 접촉
- 염분이 축적되는 해안지역
- 빗물이 빠지지 않는 접합부
- 장기간 습윤 상태가 유지되는 틈
- 가공 후 표면처리가 손상된 부위
미국 DOE 자료에서도 알루미늄 프레임과 금속 접지부품의 접촉부에서 갈바닉 및 틈새부식이 발생할 수 있으며, 부식생성물이 접촉저항을 증가시켜 bonding 기능에 영향을 줄 수 있다고 설명합니다.
4. 스테인리스 볼트를 쓰면 무조건 좋은가?
여기서 현장에서 자주 발생하는 오해가 있습니다.
“볼트는 SUS304 또는 SUS316으로 하면 더 좋은 것 아닌가?”
기계적 체결재의 내식성만 생각하면 맞는 방향처럼 보입니다.
그러나 알루미늄이나 아연도금강재와 직접 접촉시키면 이야기가 달라집니다.
스테인리스강은 상대적으로 Noble한 금속이기 때문에 전해질이 존재하는 상태에서 다른 금속과 전기적으로 연결되면 상대 금속의 갈바닉 부식이 증가할 수 있습니다.
따라서 중요한 것은 볼트의 재질 등급 자체가 아니라 전체 접합부의 전기화학적 조합입니다.
ASTM G82에서도 갈바닉 부식 평가에서는 금속 자체의 위치뿐 아니라 실제 환경에서 형성되는 Galvanic series를 고려해야 한다고 설명합니다.
5. 이종 금속 접합부는 어떻게 설계해야 할까?
① 가능한 경우 동일 계열 금속으로 구성한다
가장 단순한 방법은 이종금속 접촉 자체를 줄이는 것입니다.
예를 들어
Al rail + Al bracket
또는
Galvanized steel + compatible galvanized fastener
처럼 재료 시스템을 통일하면 갈바닉 부식 위험을 줄일 수 있습니다.
다만 실제 구조설계에서는 강도, 가격, 중량, 가공성 때문에 완전한 동일 재질 구성이 어려울 수 있습니다.
그때는 다음 단계로 넘어갑니다.
② 전기적으로 절연한다
알루미늄과 강재가 직접 접촉하지 않도록
- EPDM
- 절연 와셔
- Polymer washer
- Non-conductive pad
- Protective coating
- Isolation tape
등을 적용할 수 있습니다.
핵심은 금속과 금속이 직접 접촉하지 않도록 하는 것입니다.
실제 PV 설치 가이드에서도 알루미늄 프레임과 구조물 사이의 갈바닉 부식을 방지하기 위해 PVC 또는 스테인리스 와셔 등의 분리 방법을 제시하고 있습니다.
하지만 여기서 중요한 함정이 있습니다.
6. 접지부까지 절연하면 안 된다 (태양광 발전소 구조물(랙 시스템))
태양광 발전소 구조물(랙 시스템) 에서는 구조물의 전기적 Bonding과 접지가 필요할 수 있습니다.
따라서 모든 이종금속 접합부를 무조건 절연해 버리면 오히려 접지 연속성(Electrical continuity)에 문제가 생길 수 있습니다.
특히 Module Frame → Rail → Structure → Grounding system으로 이어지는 접지 경로는 구조적 체결부의 갈바닉 부식 방지와 별도로 설계해야 합니다.
미국 DOE는 PV 시스템의 bonding 지점이 갈바닉 부식으로 손상될 경우 전기적 저항이 증가하고 안전성에 영향을 줄 수 있다고 지적합니다.
따라서 실무적으로는
구조용 접합부 = 갈바닉 절연
접지용 접합부 = 인증된 Bonding hardware 사용
이라는 두 가지 원칙을 구분하는 것이 중요합니다.
7. 해안지역에서는 설계 기준을 더 엄격하게 잡아야 한다
부산, 제주와 같은 해안지역이나 해상에 가까운 태양광 발전소에서는 갈바닉 부식 위험을 일반 내륙지역과 동일하게 평가하면 안 됩니다.
염화물(Cl⁻)이 포함된 해무와 습기는 전해질 역할을 하며, 표면에 형성된 수분막의 전도성을 증가시킵니다.
ISO 9223은 대기부식성을 평가할 때 습윤시간(Time of Wetness), SO₂ 오염, 공기 중 염분 등을 중요한 인자로 봅니다.
따라서 해안 태양광 발전소에서는 단순히 “HDG니까 괜찮다”가 아니라
환경 → 금속조합 → 코팅 → 접합구조 → 배수 → 검사주기
를 하나의 시스템으로 평가해야 합니다.
8. 코팅이 손상된 순간이 위험하다
갈바닉 부식에서 의외로 중요한 부분이 현장 가공부입니다.
예를 들어 용융아연도금 강재에 현장에서 구멍을 뚫거나 절단하면 원래의 아연도금층이 손상됩니다.
이 부분을 그대로 방치하면 국부적으로 철이 노출됩니다.
따라서
Factory galvanized surface
와
Field-cut / Field-drilled surface
를 동일하게 취급해서는 안 됩니다.
실제 PV 프로젝트 사양에서도 용융아연도금 후 가공으로 코팅이 손상된 부분은 적절한 보수 처리를 하도록 요구하는 사례가 있으며, ASTM A780/A780M에 따른 보수 방식이 제시되기도 합니다.
9. 갈바닉 부식 방어를 위한 실무 설계 순서
태양광 발전소 구조물(랙 시스템) 구조물 설계 단계에서는 다음 순서로 검토하는 것이 좋습니다.
STEP 1. 재질표를 먼저 만든다
예를 들어
| 부품 | 재질 |
|---|---|
| Module Frame | Aluminum |
| Rail | Aluminum 또는 HDG Steel |
| Bracket | HDG Steel |
| Bolt | SS304/SS316 |
| Washer | SS 또는 Polymer |
| Grounding Lug | Cu/Al/SS |
| Foundation Structure | Carbon Steel |
처럼 모든 금속을 목록화합니다.
STEP 2. 접촉 관계를 표시한다
단순한 재질표보다 중요한 것이 어떤 금속과 어떤 금속이 직접 접촉하는지입니다.
예를 들어
Al ↔ SS
Al ↔ Zn
Zn ↔ SS
Cu ↔ Al
등의 접촉관계를 별도로 표시합니다.
STEP 3. 전해질을 평가한다
다음 조건을 확인합니다.
- 해안거리
- 염분
- 습도
- 결로
- 강우량
- 산업오염
- 농업지역의 NH₃
- 오염물 축적
- 물 고임
STEP 4. 절연 여부를 결정한다
갈바닉 위험이 높은 조합은
Direct contact → Isolation
으로 변경합니다.
단, 접지용 접합부는 별도의 인증된 bonding system으로 설계해야 합니다.
STEP 5. 배수구조를 확인한다
갈바닉 부식은 금속 재질만의 문제가 아닙니다.
물이 오래 머무는 구조가 문제를 키웁니다.
따라서 Rail 내부, Bracket 접합부, Clamp 주변, 볼트 머리 아래, 겹침부 등에 물이 고이지 않도록 해야 합니다.
10. 실제 유지보수에서는 무엇을 봐야 할까?
초기에는 알루미늄 주변에 흰색 분말(Al corrosion product)이 나타나거나 아연도금 부위에 백청(White rust)이 발생하는 형태로 시작할 수 있습니다.
하지만 육안으로 보이는 부식만 확인해서는 부족합니다.
다음 위치를 집중적으로 검사하는 것이 좋습니다.
① 알루미늄-강재 접촉부
② 스테인리스 볼트 주변
③ 접지용 Bonding point
④ 절단·천공된 HDG 부위
⑤ Clamp 아래쪽
⑥ 물이 고이는 Rail 내부
⑦ 해안 방향으로 노출된 체결부
필요하면 Torque 확인, 육안검사, 코팅두께 측정, 접지 연속성 검사, UT thickness measurement 등을 조합할 수 있습니다.
11. 태양광 구조물 갈바닉 부식에서 가장 중요한 것은 ‘금속 선택’보다 ‘접합 설계’다
결국 태양광 발전소 구조물(랙 시스템)의 갈바닉 부식(종속 부식) 방지를 위한 이종 금속 접합 가이드에서 가장 중요한 내용은 단순히 “알루미늄에는 스테인리스 볼트를 사용하라” 또는 “아연도금강재를 사용하라”가 아닙니다.
핵심은 다음의 연결입니다.
서로 다른 금속 확인
↓
Galvanic couple 평가
↓
전해질 노출환경 평가
↓
직접 접촉 최소화
↓
절연재 적용
↓
배수 및 물고임 방지
↓
코팅 손상부 보수
↓
접지부는 별도의 Bonding 설계
↓
정기적인 부식 및 전기적 연속성 검사
이 순서로 접근해야 합니다.
특히 PV 시스템은 일반 철골구조물과 달리 25년 이상의 설계수명과 전기적 접지 기능을 동시에 만족해야 하는 시스템입니다. 실제 PV mounting 연구에서도 구조물에 Zn-coated steel, Al, stainless steel, copper fastener 등 다양한 금속이 사용되며, 서로 다른 금속 사이의 갈바닉 부식이 중요한 설계 문제로 제시됐습니다.
따라서 좋은 랙 시스템은 단순히 “녹슬지 않는 금속”을 선택한 구조물이 아니라,
“서로 다른 금속이 만나는 지점에서 어떤 전기화학적 반응이 일어나는지까지 설계한 구조물”
이라고 보는 것이 정확합니다.
12. FAQ
Q. 알루미늄과 용융아연도금강재를 같이 사용하면 무조건 부식되나요?
아닙니다. 실제 부식 정도는 금속 조합뿐 아니라 수분, 염분, 접촉면적, 코팅상태, 습윤시간, 접합구조 등에 따라 달라집니다.
Q. SUS316 볼트를 사용하면 갈바닉 부식을 해결할 수 있나요?
아닙니다. SUS316 자체의 내식성과 이종금속 접합부의 갈바닉 거동은 별개의 문제입니다. 알루미늄과 스테인리스가 전해질 환경에서 직접 연결되는 경우 상대 금속의 부식이 증가할 가능성을 검토해야 합니다.
Q. 절연 와셔 하나만 넣으면 되나요?
반드시 그렇지는 않습니다. 볼트 머리, 와셔, 너트, 볼트 구멍 내부, 접촉면까지 전기적 접촉 경로를 검토해야 합니다. 또한 구조용 접합부를 절연했다면 접지 연속성을 별도의 Bonding system으로 확보해야 합니다.
Q. 해안지역에서는 무엇을 가장 먼저 바꿔야 하나요?
금속 하나만 바꾸기보다 재질조합 + 절연 + 코팅 + 배수 + 접지 + 검사주기를 동시에 검토하는 것이 좋습니다. 특히 염분이 지속적으로 축적되는 지역에서는 대기부식성 평가가 중요합니다.
13. 참고문헌
- ASTM G82-98(2021)e1, Standard Guide for Development and Use of a Galvanic Series for Predicting Galvanic Corrosion Performance ASTM 공식 자료
- IEC 62548-1:2023+AMD1:2025, Photovoltaic (PV) arrays – Part 1: Design requirements IEC 공식 자료
- U.S. Department of Energy, Managing and Mitigating Solar PV Corrosion DOE 태양광 부식 가이드
- Pierozynski & Bialy, Galvanic coupling effects for module-mounting elements of ground-mounted photovoltaic power station 논문 원문
- On the Corrosion Performance of Module-Mounting Assemblies for Ground-Mounted Photovoltaic Power Station Springer 논문
- ISO 9223:2012, Corrosion of metals and alloys — Corrosivity of atmospheres ISO 공식 자료
14. 연계해서 같이보기
