부산대학교 산학협력단이 주관하고 부산대 조선해양플랜트 글로벌핵심연구센터의 이인원 교수가 세부주관책임을 맡아 최근‘저마찰선박방오도료 BN GreenGuard FS 개발 발표회’를 개최했다. 이 개발의 중심엔 이인원 교수뿐만 아니라 비엔케미칼과 STX 마린서비스도 있었다.
국내 선박도료시장은 낮은 기술적 자립도로 인해 해외선진기술에 종속돼 있으나, 비엔케미칼이 고부가가치선박방오도료에 대한 정부의 산학공동 과제를 부산대학교, STX와 함께 수행했다.
그 후 비엔과 부산대가 선박외부에 도장돼 해중생태계를 교란시키고 해중환경을 오염시켜온 독극물(유기주석·아산화동)을 사용하지 않는 고난도 기술을 활용한 방오도료수지의 국산화에 성공해, 현재 비엔이 국내 유수의 조선소 등에서 관련테스트를 거친 뒤‘BN GreenGuard FS’라는 제품명으로 양산하고 있다.
구체적인 내용은 다음과 같다 <편집자 주>

1. 서론

선박과 해양구조물은 항시 수많은 해양생명체와 접촉하고 있다.
해생물부착(marine biofouling)은 해수에 잠긴 인공구조물의 표면에 원치 않는 해생물이 착생, 성장하는 현상으로 해생물의 범주에는 미생물, 식물 및 동물이 있다.
Almeida 등은 표면이 해수에 침적된 후 조절막(conditioning film), 미생물막, 유생 부착의 단계를 거쳐 2-3주가 내에 대형 부착생물
이 생장할 수 있는 조건이 충족된다고 지적하였다 (Fig. 1 참조).
해생물이 부착되면 표면의 거칠기가 늘어나므로 선박의 마찰저항이 늘어나고 선속의 저하로 이어진다.
이를 만회하려면 연료를 더 소모해야 하는데 그만큼 온실가스 등의 배출이 늘어나게 된다.
해생물 부착에 의한 연료소모는 40%까지 증가하는 것으로 보고되고 있다.
Townsin은 보다 체계적인 연구를 수행하여 해생물의 거칠기와 난류경계층의 매개변수 사이의 관계를 규명하고자 시도하였다.
이 방법은 Schultz에 의하여 확장됐는데, 그 결과 석회질 해생물 부착 정도가 심할 경우에 저항이 80% 까지 늘어나는 것으로 추산되었다. 따라서, 해생물부착 방지, 즉 방오(antifouling)의 중요성은 의심의 여지가 없다.
전통적으로 방오를 위하여 선박과 해양구조물 표면에 방오도료(antifouling marine paint)를 도장하여 왔다.
방오도료는 박테리아나 해생물 유생을 사멸시키는 독성 방오제, 즉 TBT (Tri-Butyl Tin), Cu2O 및 각종 유기방오제를 함유해 도료 표면에서 방오제가 수중으로 방출된다.
여러 가지 방오제 중 TBT는 해수와의 가수분해 반응에 의하여 도료의 외곽 층이 순차적으로 벗겨져나가는 자기마모수지(SPC; Self-Polishing Copolymer)의 핵심적인 기전을 담당하면서 그 자체로서 우수한 성능의 방오제이다.
자기마모수지로서 방오도료를 제조하면 시간의 경과에 관계없이 표면이 매끄럽게 유지되므로 선박 저항 증가를 억제할 수 있다.
이러한 우수한 성능 때문에 TBT 기반 SPC 방오도료는 1970년대 이후 30여년 간 광범위하게 사용되어 왔다.
그러나 최근, TBT와 그 유도체는 환경호르몬으로 작용, 복족류 및 이매패류와 같은 해양생물에 내분비계 교란을 일으켜 자웅동체화(imposex)를 일으키는 것으로 보고됐다.
이로 인하여 국제해사기구 (IMO)에서는 2008년 이후 TBT 함유 방오도료의 사용을 전면적으로 금지하였다.
그 이후 선박방오도료는 TBT를 포함하지 않는 이른바 tin-free 방오도료가 주종을 이루고 있는데, Controlled Depletion Paint(CDP), tin-free SPC 및 foul release(FR) 도료가 그것이다.
최근 선박방오도료의 개발방향은 TBT 대체 친환경도료 개발에서 선박의 에너지 효율 향상을 위한 고기능 저마찰도료로 바뀌고 있다.
본 특집에서는 선박의 운항효율 향상 규제인 EEDI(Energy Efficiency Design Index), 선박 방오도료와 마찰저항 및 연료소모와의 관계, 최신의 저마찰 방오도료 개발현황을 소개하고자 한다.

2. 선박 방오도료와 선박 에너지 효율

Fouling에 의한 저항증가는 오랫동안 관심의 대상이 되어 왔는데, Anon에서 초기 결과들에 대한 정리를 찾아볼 수 있
다. 그 후 biofilm, 섬유성 조류 및 석회질 fouling 과 같은 표면 착생물의 수력학적인 특성에 대한 실험실 연구가 수행되었다.

이들 연구들은 fouling 에 의하여 마찰저항이 크게 증가하지만 그 증가폭은 fouling 의 유형 및 점유면적비율에 따라
달라짐을 나타내고 있다.

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Figure 1. 해생물 착생(biofouling)의 진행단계

Fouling 이 선박의 저항에 미치는 영향에 대하여 많은 연구 결과에도 불구하고 fouling 상태를 어떻게 정량화하여 선박의 저항 및 추진성능과 연계하여 예측하는 수 있는가에 대한 문제는 아직까지 성공적으로 풀리지 않고 있다.
Schultz는 fouling 에 의한 마찰저항증가가 선박의 저항 증가 및 연료비 증가와 어떤 관계에 있는가를 분석하였다.
다양한 방오도료 시편으로 약 1년간 침적시험을 수행, 착생이 된 상태에서 수조시험을 통해 저항을 측정하였다.
각각의 방오도료마다 unfouled, fouled 및 cleaned 의 세 가지 상태에서 거칠기 및 저항이 측정되었다.
unfouled는 침지시험 실시 전도장 직후 상태이고 fouled는 Maryland 주 Annapolis 의 Severn 강 하구에서 287일간 (2002년 9월 16일 ~ 2003년 6월 30일) 침지시험을 거친 상태이며 cleaned 는 침지시험이 완료된 후 나일론 솔로 문질러서 부착 해생물을 제거한 상태를 가리킨다.

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Figure 2. 해생물 착생 평판의 마찰저항계수

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Figure 3. 길이 150m 실선에서의 fouling으로 인하여 예상되는 마찰항력계수의 증가율

fouled 조건의 경우 도료 종류별로 상이한 해생물 부착 상태를 나타냄을 알 수 있다.
가장 경미한 상태로부터 열거한다면 SPC TBT (light slime), ablative copper (heavy slime), SPC copper (small barnacle), silicone #1 (medium barnacle), silicone #2 (heavy barnacle) 이 된다.
Unfouled 와 fouled 조건에서의 마찰저항계수를 Fig. 2에 도시하였다.
그래프의 실선은 거칠기가 0인 매끈한 평판에 적용되는 Karman- Schoenherr curve

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 이다.
도장된 그대로의 상태인 unfouled 조건에서는 도료 종류에 따라 매끈한 평판 대비 마찰저항계수가 증가한다.
가장 작은 Reynolds 수에서의 마찰저항계수의 증가폭은 silicone #1에서 가장 작은 1%고, SPC TBT에서 가장 큰 4% 이다.
Reynolds 수가 커지면서 표면거칠기에 의한 마찰저항계수의 차이는 더욱 커지는데 매끈한 평판 대비 silicone #1 과 SPC TBT 의 마찰저항계수는 각각 4%, 8% 증가한다.
Fouled 조건의 경우 매끄러운 표면보다 훨씬 큰 마찰저항수치를 나타내며 그 차이는 silicone 의 경우가 가장 큰데, 마찰저항 계수는 매끄러운 표면보다 3-4배가 된다.
이 같은 큰폭의 저항 증가는 silicone 방오도료 표면에 따개비의 착생이 두드러지는데 기인한다.
한편 ablative copper 및 SPC copper 도료의 경우는 경미한 착생을 보이고 있으나 저항 측면에서는 여전히 상당한 증가 (87~138%)를 나타내고 있다.
또한 SPC TBT 도료의 경우는 slime 만이 생성되었으나 마찰항력계수가 58~68% 나 증가하는 점은 주목할 만한데, Schultz & Swain의 연구에서도 유사한 결과가 관측되었다.
즉, 따개비와 같은 석회질 착생 (calcareous fouling) 이 없이 silme만 부착된 경우에도 마찰저항은 상당히 증가한다.
Granville (1958) 이 제안한 마찰저항 상사법칙을 응용하여 실험실에서 얻은 저항 데이터로부터 길이 150m 의 평판에 대한 마찰저항을 계산하였다. 이 길이는 통상적인 중형 상선 및
대부분의 해군 함정의 수선 길이에 해당한다. 각 도료의 unfouled, fouled, cleaned 상태에서 매끈한 평판 대비 마찰저항계수의 증가량을 상사법칙을 이용하여 계산하였고 Fig. 3 에 나타내었다.
도장한 그대로의 상태인 Unfouled 조건에서 저항계수는 silicone 이 가장 낮고 TBT SPC 가 가장 높다.
그러나 fouled 조건이 되면 저항증가량은 TBT SPC 의 50% 로부터 silicone #2 의 217% 까지 변화하는데, silicone 의 경우가 fouling 에 취약하므로 저항증가도 가장 크다.
또한 cleaned 조건에서도 silicone #2 의 경우는 매끈한 평판 대비 11% 의 증가된 마찰저항을 나타내는데 이는 unfouled 조건보다도 7% 가 증가된 결과다.
결론적으로 fouling이 선박의 마찰 및 연료비 증가에 상당한 영향을 미치는 것을 알 수 있으며 효율적인 방오도료가 사용되는 것이 중요함을 알 수 있다.

3. EEDI 인증을 위한 마찰저항 시험평가기법

선박의 에너지 효율 향상 및 온실가스 배출저감을 위한 전 세계적인 노력이 경주되고 있는 가운데 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization) 주도로 관련 규제가 도입되었고 본격적인 발효를 목전에 두고 있다.
IMO 규제는 크게‘기술적 조치’, ‘운항적 조치’, ‘시장기반조치’로 구분되는데, 기술적 조치는 에너지효율 설계지수(EEDI; Energy Efficiency Design Index)로서, 운항적 조치는 에너지효율 운항지수(EEOI; Energy Efficiency Operational Indicator) 와 선박 에너지효율 관리계획(SEEMP; Ship Energy Efficiency Management Plan)으로 구체화되었다. 시
장기반조치는 탄소세 및 배출권거래제를 기반으로 논의 중에 있다.
EEDI 는 MARPOL Annex VI 에 규정된 기일 이후 건조되는 선박에 적용되는 강제 규정으로, 2025년 이후 현재 수준대비 CO2 배출량 30% 저감, 에너지 효율 기준 42.9%의 향상을 요구하고 있다.
이를 만족하지 못하는 선박은 운항이 금지되기 때문에 선박의 에너지 효율을 개선하는 노력이 절실히 필요하다.
특히 선박의 에너지 소모 중 가장 큰 비중을 차지하는 주기관의 추진 동력을 절감해야 하는데, 이를 반영하여 최근 다양한 형식의 저마찰 선박 방오도료가 개발돼 시장에 소개되고 있다.
방오도료는 해생물의 선체 부착·생장 현상인 fouling 을 막는 도료로서 선박의 수선 하부의 표면에 도장된다.
종래에는 fouling을 막아서 저항의 증가를 막는 데 사용되었지만 최근 들어와 다양한 방식의 기전에 의하여 깨끗한 표면 상태에서도 기존 도료에 비하여 작은 마찰저항을 보이는 제품들이 개발되어 큰 관심을 받고 있다.
EEDI 는 선박에 적용된 에너지 효율 향상 기술의 효과를 설계 단계에서부터 인증하는 제도이기 때문에 저마찰 방오도료의 저항저감성능에 대한 객관적인 평가방법이 필요하다.
국내외의 여러 시험기관에서 마찰저항을 측정하는 다양한 실험적 방법을 고안, 제시하였으나 표준화된 시험 절차 및 측정 오차에 대한 체계적인 분석이 결여되어 있어 표준화하기에는 미흡한 것이 사실이다.
이러한 제약 때문에 선박도료의 마찰저항 저감 성능 및 실선에서의 에너지 효율 향상 효과는 각 도료 제조사의 자체 연구 결과에 의존하고 있으며, 도료사, 조선소, 선급 및 해운선사를 망라하는 관련 업계의 전반적인 의견 일치가 부재한 실정이다.
마찰저항 시험평가 방법의 국내외 현황을 살펴보면, 국내 2-3 개소의 선형시험수조에서 독자적인 마찰저항 측정기법을 개발하여 선박도료의 저항특성을 평가하는 데에 사용하고 있으나 보유시설의 사양이 상이하기 때문에 방법을 표준화하기는 어렵고, 시설 간의 일관성 역시 조사된 바 없다.
측정된 마찰저항 결과의 절대값에 대한 검증보다는 도료간 마찰저항의 상대적 대소 비교에 주력하고 있는 형편이다.
국외에서도 유수한 선형시험수조에서 독자적인 측정을 수행하고 있으나 표준화 된 시험 방법이 부재한 상황은 국내와 동일하다.
수조 시험에서 공통적으로 따르고 있는 ITTC 1957, 1978 등의 표준 시험법은 선박 모형을 중심으로 제정된 것으로서, 마찰저항은 선박 모형과 길이가 같고 표면적이 동일한 이상적인 평판의 저항값으로 치환된다.
수조 모형시험에 있어 마찰저항 측정은 큰 주목을 받지 못하였는데, 이는 그동안 관련 연구가 조파저항과 관련된 선형 개발 위주로 진행되었기 때문이다.
하지만 마찰저항은 선박 총 저항의 60~70%를 차지하는 주된 성분이고, 선형 최적화 기술이 성숙화 됨에 따라 21세기 들어 새로운 조명을 받기 시작했다.
따라서 아직까지는 국제적으로 표준화된 기법이 제정되지 못했는데 EEDI 시행에 발맞추어 시급히 정비되어야 할 것으로 지적되고 있다.

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Figure 4. 방오도료 마찰저항 평가를 위한 예인수조 시험; (a) 25mm 흘수, (b) 225mm 흘수


본 필자들은 최근 이와 같은 중요성을 가지는 마찰저항 평가기법의 표준을 제시하였다.
Fig. 4는 본 필자에 의한 선박예인수조에서의 평판 마찰저항 시험으로 마찰저항 측정에 특화되도록 길이와 두께의 비가 1000:1인 강판에 평가대상 도료를 도장한 후 예인수조의 저항동력계로 저항을 측정하는 장면이다.

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Figure 5. 방오도료별 마찰항력 계수


평판이 예인될 때 발생하는 조파저항성분을 상쇄하기 위하여 두 가지의 흘수(draft)로 저항을 측정한다.
Fig. 5는 예인수조시험에서 얻어진 각 도료의 마찰항력계수 CF를 Reynolds 수에 대하여 도시한 것으로 측정값의 불확실도를 오차 막대로 표현하였다.
대체로 Reynolds 수가 3~4×106 이 넘으면 측정값의 불확실도가 3% 이내가 되며 이 때 도료 간 비교평가가 의미 있어지는 것으로 나타났다.
예인수조에서의 마찰저항 측정결과를 뒷받침하기 위하여 표면거칠기 측정이 병행되었는데 거칠기 값과 마찰항력계수와의 관계를 Fig. 6에 나타내었다.
이미 알려진 것처럼, 마찰항력계수와 표면거칠기 사이에는 양의 상관관계가 발견되며 국부적인 표면거칠기가 보다 높은 상관관계를 갖는 것으로 나타나고 있다.

4. 고분자 저항저감제 혼합에 의한 저마찰 방오도료 개발


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Figure 6. 마찰항력 계수와 표면거칠기의 관계

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Figure 7. FDR-AF 도료의 개념도

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Figure 8. PEO 용출 농도의 경시변화

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Figure 9. FDR-AF의 마찰저항 저감효과

종래의 방오도료는 해생물 착생에 의한 마찰저항 증가를 억제하는 소극적인 개념이었으나 전술한 바와 같이 EEDI 규제 등에 대응하기 위하여 저마찰 방오도료가 개발되고 있다.
여기에서 저마찰 방오도료라 함은, 새롭게 도장된 상태에서 종래의 방오도료보다 작은 마찰저항 특성을 발휘하는 제품을 가리킨다.
본 필진은 산업통상자원부의 지원으로 산업원천기술개발사업을 수행하면서 고분자 저항저감제에 의한 저마찰 방오도료를 개발하였는데, 본 절에서는 이의 주요한 작용 원리 및 성능에 대하여 살펴보도록 한다.
난류경계층의 마찰저항 저감은 선박의 연료효율에 있어 매우 중요하다. 선형최적화 기술의 발달로 인하여 조파저항은 총 저항의 20% 미만을 차지한다.
나머지를 차지하는 마찰저항의 저감으로부터 얻어지는 이득은 엄청나다.
마찰저항은 난류경계층의 조직구조와 밀접하게 연관되어 있으며 조직구조를 약화시켜 마찰저항을 감소시키는 다양한 기법들이 지난 수십년간 제안되어 왔다.
그 중 가장 효율적인 마찰저항 저감기법은 고분자 분사(polymer injection) 방법으로 Toms에 의하여 처음 제안되었다.
물 등의 액체가 흐르는 난류유동에 고분자 물질의 수용액을 수~수십 ppm 첨가하면 긴 사슬 형태의 분자구조가 난류 에너지를 흡수, 재방출하는 과정에서 모멘텀 교환이 교란되어 마찰저항이 수십 %나 줄어드는데 이를 Toms 효과라 한다.
이후 고분자 첨가방첨가방법은 파이프라인에서의 원유 수송에 널리 적용되고 있다.
최근 들어 파이프라인과 같은 내부유동 뿐만 아니라 선체 주위 경계층 유동과 같은 난류경계층 유동에서도 고분자 분사 방법이 마찰저항을 저감하는데 매우 유효한 것으로 밝혀졌다.
그러나 실제 적용성 측면에서 고분자 분사 방법은 큰 문제가 있는데, 선체 표면에 분사공을 설치해야 하기 때문이다.
본 연구는 별개의 분사 기구 및 장치를 필요로 하지 않는 전혀 새로운 난류제어기법을 고안하였는데, 선박 방오도료가 저항저감 첨가제인 고분자물질을 함유했다가 수중으로 서서히 용출하는 방법이다.
본 연구에서는 자기마모형 수지 방오도료가 기본 소재로 사용되었다.
자기마모형 수지는 방오도료의 주성분으로 널리 사용되는 금속계 아크릴레이트 수지로서, 해수와 접촉하면 수지 속의 금속(보통 아연) 이온이 가수분해로 해리되면서 카르복실 기를 남기는데, 이로 인해 수지 및 도료의 표면이 친수성이 되며 최종적으로는 비누와 같이 수용성으로 변해 표층이 박리되면서 내부의 표면에서 가수분해가 다시 시작된다. 이를 마모현상 (erosion)이라 부르는데, 보통은 수지 내부에 함유된 아산화동 (Cu2O, cuprous oxide)및 유기방오제와 같은 방오안료 (anti-fouling pigments) 들이 해수 중으로 일정하게 용출되게 한다.
본 연구에서 개발된 FDR-AF (Frictional Drag Reduction Anti-Fouling) 도료는 자기마모형 수지에 방오안료와 더불어 PEO와 같은 고분자 저항저감제를 배합한 것이다.
Fig. 7과 같이, 본 개발 도료는 SPC 수지 matrix 내부에 방오안료와 고분자 저항저감 안료를 포함했다가 해수 중으로 방출한다.
이와 같이, 선박 방오도료의 마모 기전을 고분자 저항저감제의 방출 기구로 활용하여 Toms 효과를 달성하고자 함이 본 연구의 중심적인 발상이라 할 수 있다.
이 방법을 통하여 저감기법을 선박 적용성 측면에서 획기적으로 개선할 수 있다.
시간에 따른 PEO의 용출률을 로터 시험장치에서 측정하였다. 로터 시험기는 동축의 원통으로 구성되며 회전하는 내측
원통에 본 개발도료가 도장된다. 원통이 회전하면서 용출되는 PEO 의 농도를 TOC(Total Organic Carbon) 분석기로서 정량한다.
Fig. 8은 시간이 지남에 따라 PEO가 일정한 농도로 존재함을 나타내고 있다.
Figure 9는 고속회류수조에서 매입형 검력계 (slush-mounted floating plate balance)를 이용하여 본 개발도료의 마찰저항 특성을 기존도료와 비교한 결과이다.
PEO 2% 함유 도료의 경우, 기존 도료 대비 33%, 매끈한 평판 대비 20% 의 마찰저항 저감효과가 확인되었다.

5. 저항저감공중합수지(FDR-SPC)개발

앞 절에서 언급한 저마찰도료는 고분자 저항저감제가 물리적으로 방오도료에 혼합된 것으로 마찰저항 저감성능이 우수하나 장기 안정성 및 성능 발휘에 다소 미흡한 것으로 평가되었다.
이에, 본 필자는 방오도료의 기본 소재인 자기마모형 공중합수지 (SPC; Self-Polishing Copolymer)에 고분자 저항저감관능기를 공중합한 저항저감 공중합수지 (FDR-SPC;
Frictional Drag Reduction SPC)의 합성기술을 개발, 저마찰 방오도료 개발에 응용하였다.
FDR-SPC는 물과의 가수분해 반응을 통하여 전술한 마찰저항 저감 고분자 물질을 수중으로 방출하여 자체적으로 저마찰성을 발휘하는 신소재 고분자 물질이다.
별도의 마찰저항 저감제를 혼합하지 않아도 성능을 유지하기 때문에 방오도료 제조에 있어 매우 유리한 것으로 평가되고 있다.
IMO규정에 따라 Tin-free SPC 수지를 합성하기 위해 대안으로 떠오르는 여러 가지 물질 중에서 Cu, Zn, Si 등이 있다.
하지만 Cu 또한 환경적 문제로 인해 가까운 미래에 사용이 금지될 가능성을 고려하여 같은 금속 계열의 Zn을 이용하여 SPC수지를 합성하고자 한다.
이에 ZMA를 주 모노머로 선정하고 실험실 자체 합성을 실시하였다. 실험실에서 자체 합성한 ZMA(Zinc Methacrylate) 이외의 모든 모노머는 상용 시약을 사용하였으며, 마찰저항 저감 SPC 수지를 합성하기 위해 용액중합(Solution polymerization)법을 이용하였다.
용액중합은 단위체를 적당한 용제에 용해시켜 용액상태에서 중합하게하는 방법으로 용제 없이 단량체와 개시제 만으로 중합이 이루어지는 괴상중합(Bulk polymerization)법에 비해서 중합계의 점성도를 낮추어 중합 시 발생하는 열을 제어하기 쉽기 때문에 국부적인 발열이나 급격한 발열을 피할 수 있다.
또한 분자량의 조절이나 다리걸침도의 조절이 용이하다.
용액중합에도 반응기 중에 Monomer, Initiator, Solvent를 처음부터 전량 투입하여 반응시키는 전량 투입법과 반응기 중에 Solvent 등을 넣고 Monomer와 Initiator를 서서히 적하하는 적하법이 있다.
본 실험에서는 적하법을 이용하여 SPC를 합성하였다.
본 연구에서는 두 가지 종류의 SPC(SPC 1, SPC 2)를 합성하였으며, 각각의 SPC 수지에 저항저감형 모노머(drag reduction monomer, DRM)의 mol%를 변화하여 DRM 1, DRM 2, DRM 3를 합성하였다.

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Figure 10. FDR-SPC의 구조식 및 1H-NMR 분석결과

저항저감제 공중합 SPC 수지의 NMR spectrum은 Fig. 10과 같으며, 이를 통해 합성한 저항저감제 공중합 수지를 구조를 분석하였다. 또한 모노머 조성을 변화시키면서 합성한 다른 저항저감제 공중합 수지의 구조분석을 위해 1H-NMR 분석을 수행하였다.
저항저감 monomer의 NMR spectrum으로부터 약 3.5ppm에서 자체 peak이 나오고 이 peak의 상대적
인 integral를 비교해서 합성된 수지 내의 물질의 상대적 정량치를 예측할 수 있었다.
이와 같이 합성된 FDR-SPC의 마찰저항 저감효과를 회류수조에서 Fig. 11과 같은 입자영상유속계 (PIV; Particle Image Velocimeter)를 이용하여 조사하였다. 측정은 평균유속 um=0.53m/s에서 이루어졌으며, PIV로 측정된 Reynolds 응력 분포를 Fig. 12에 나타냈다.

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Figure 11. 입자영상 유속계 측정

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Figure 12. FDR-SPC의 난류마찰저항 저감효과

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Figure 13. FDR-SPC의 난류마찰저항 저감효과

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Figure 14. 저마찰 선박 방오도료의 장기 성능


PRD3-1의 경우 마찰저항의 주요 원인이 되는 Reynolds 응력이 뚜렷이 감소하였음을 알 수 있고 이로부터 FDR-SPC가 고분자 저항저감제를 용출하여 마찰저항이 감소하는 Toms 효과가 발현됨을 알 수 있다.
PIV로 측정된 평균유속분포에 CPM 방법을 적용하여 마찰저항을 계산할 수 있는데 PRD3-1의 경우 15.94%의 괄목할 만한 저항감소 효과가 확인됐다.
본 FDR-SPC는 세계적으로도 그 유례가 없는 신물질로서 부산대학교에서 개발되었으며 최근 국내특허가 등록됐다.
실제 선박 주위의 유동은 앞서 언급된 회류수조보다 훨씬 빠르고 그 규모가 크다.
이를 나타내는 무차원 매개변수로 Reynolds 수 Re 가 있는데, 유속과 물체의 길이를 곱하고 이를 유체의 동점성계수로 나눈 양이다 (Re=UL/ν).
실선의 길이는 100m 정도이므로 실험실 규모에서 실선의 Reynolds 수를 재현하는 것은 불가능에 가깝지만 최대한 근접하여 측정할 필요가 있다.
이를 위하여 부산대학교 조선해양플랜트 글로벌 핵심연구센터에서 보유한 고속회류수조 (최대유속 24m/s)에서 FDR-SPC 및 FDR-SPC 기반의 저마찰 방오도료 마찰저항 저감성능을 측정한 결과가 Figure 13에 도시되어 있다.
FDR-SPC 의 경우 매끈한 표면보다 평균적으로 마찰저항이 13.5% 감소하는 것으로 나타나는데 앞서 저속에서의 결과와 상응하는 효과이다.
기존의 상식으로는 매끈한 표면의 경우 거칠기가 더 이상 줄어들 수 없는데 FDR-SPC 의 경우는 유일한 특성인 Toms 효과가 발현되기 때문에 마찰 저항이 더 감소하는 것이다.
이를 기반으로 제작된 저마찰 방오도료(FDR-AF)의 경우 기존 방오도료 대비 평균 20% 마찰 저항이 감소하는 것으로 나타났다.
지금까지 나타난 결과는 저마찰 고분자 소재 및 저마찰 선박 도료를 제작한 직후에 측정된 성능이나 선박용 방오도료는 신조 혹은 수리 이후 3~5년간 운항을 하면서 그 기능을 발휘해야하기 때문에 저마찰 선박 방오도료의 성능이 장기간 유지되는가는 응용성 측면에서 초기 성능보다도 더욱 중요한 문제다.
앞서의 회류수조 계측 방법은 도료 표면에 유동을 장시간 접촉시키기에는 부적당하기 때문에 새로운 측정 절차가 필요하다.
이와 같은 필요성에서, 본 연구에서는 동일한 크기, 세 가지 표면상태 (매끈한 미도장 표면, 일반 방오 도료 도장 및 저마찰 방오도료 도장)의 아크릴 재질 원통을 제작하여 선박운항속도 약 16knots에 해당하는 일정한 회전수로 6개월간 회전시키면서 1개월마다 회전하는 데 요구되는 토크를 측정하였다. 원통들의 크기가 동일하기 때문에 마찰저항의 대소는 회전 토크의 대소와 직결된다.
Figure 14 에 도시된 것처럼 6개월 간 오히려 마찰저항이 저감 성능이 향상되며 매끈한 미도장 표면보다 감소한 마찰저항 성능을 나타낸다.
선박 방오도료는 방오 안료 및 체질 안료 등, 입자상의 고형분 안료가 50% 이상을 점유하고 있으므로 표면에 도장하게 되면 안료입자 크기에 의하여 일정 수준 이상의 표면거칠기가 반드시 생성되므로 일반적인 방오도료의 마찰저항은 매끈한 표면보다 증가할 수밖에 없다.
하지만 FDR-SPC 기반의 방오도료의 경우, 원재료인 수지의 마찰저항이 매끈한 표면보다 작기 때문에 표면거칠기의 증가로 인한 마찰저항 증가를 상쇄하여 매끈한 표면에 필적하는 성능을 초기뿐만 아니라 장기간 유지되는 놀라운 성능을 나타내는 것이다.
비유적으로 표현한다면, 본 저마찰 방오도료를 선박에 도장한 경우는 선박 표면이 마치 거울처럼 매끈한 표면으로 탈바꿈하는 정도의 효과를 나타낸다고 할 수 있다.
재론의 여지없이 이와 같은 효과는 선박의 연료비 절감은 물론, 온실가스 배출량 저감에도 큰 효과를 발휘할 것으로 기대된다.

자료출처 : 이인원 부산대학교 조선해양플랜트 글로벌핵심연구센터 교수
박현 부산대학교 조선해양플랜트 글로벌핵심연구센터 부교수

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