KR20160101743A

KR20160101743A - 생체모방 선박코팅 및 이를 이용한 생체모방 선박외장재

Info

Publication number: KR20160101743A
Application number: KR1020150023844A
Authority: KR
Inventors: 윤석영; 황혜진; 유경현; 홍소망; 유지혜; 김경련; 안지원
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-08-26
Also published as: KR101724820B1

Abstract

본 발명의 목적은 따개비와 같은 어패류 및 미생물 그리고 기타 오염물질이 선박 외벽에 정착하는 것을 방지할 수 있는 생체모방 코팅제와 이를 이용한 선박 외벽의 코팅기술을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 선박의 외벽 면에 생체 모방 코팅을 실시하여 어패류 등의 생물체가 서식할 수 없도록 함으로써 항해 시 저항을 저감할 수 있게 하는 생체 모방 코팅제와 그에 따라 생체 모방 코팅된 선박 외벽을 제공한다.
즉, 본 발명은, 선박 외벽면에 1차적인 리블렛 구조를 형성하고, 상기 리블렛 구조 위에 2차 리블렛 구조를 형성하여 일종의 프랙탈 도형과 같은 리블렛 구조를 코팅으로 형성하였다.

Description

생체모방 선박코팅 및 이를 이용한 생체모방 선박외장재{BIOMIMETIC SHIP COATING AND BIOMIMETIC SHIP OUT WALL}

본 발명은 선체 외벽면의 코팅에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 생체모방을 통한 선박 외벽면의 코팅을 통해 따개비 등이 부착하는 것을 방지하여 선박의 저항을 감소시키는 기술에 관한 것이다.

선체의 운항시 조류저항, 와류저항 및 공기저항 등이 작용하여 항해 속도에 영향을 미치거나 운항 시 소모되는 에너지를 증가시킬 수 있다. 이러한 마찰저항에 영향을 미치는 인자로서 물때, 포자, 따개비 등을 들 수 있으며, 따개비의 경우, 선박외벽면에 부착기생함으로써 지속적인 마찰저항을 일으켜 영향을 미치는 정도가 다른 인자에 비해 훨씬 크다. 생물체의 부착 기생에 의한 바이오 파울링(bio-fouling) 문제는 직접 인력을 투여하여 제거작업을 하거나, 페인트 등으로 예방적인 코팅이 이루어지고 있다. 또한, 대한민국등록특허 제10-0694661호에 의하면, 전기분해 수단을 적용하여 미생물들을 제거하기도 한다.

상기와 같은 시도에 있어서, 인력을 투입하는 제거작업은 위험 부담이 따른다는 문제가 있고, 페인트 도포의 경우, 박리 문제와 환경문제가 따른다. 상기 공보에 의한 방법에 의할 경우도 따개비와 같은 생물체의 부착을 제거하기는 어렵다.

한편, 바다에 서식하는 상어의 경우, 피부에 리블렛(riblet) 구조를 지니고 있어 난기류에서도 전진속도를 빠르게 유지하고 여타의 미생물들이 부착 기생하는 것을 피할 수 있다. 이러한 리블렛 구조는 벼의 잎 새에도 나타나며(도 1 참조), 오염 물질이 부착되는 것을 어렵게 함으로써 방오작용 내지는 자정작용을 한다. 이러한 구조는 선박에도 그대로 적용될 수 있으며, 표면에 여타의 물질이 접촉하고자 하는 면적을 좁혀 정착을 어렵게 함으로써 미생물 및 어패류 부착을 예방할 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 따개비와 같은 어패류 및 미생물 그리고 기타 오염물질이 선박 외벽에 정착하는 것을 방지할 수 있는 생체모방 코팅제와 이를 이용한 선박 외벽의 코팅기술을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 선박의 외벽 면에 생체 모방 코팅을 실시하여 어패류 등의 생물체가 서식할 수 없도록 함으로써 항해 시 저항을 저감할 수 있게 하는 생체 모방 코팅제와 그에 따라 생체 모방 코팅된 선박 외벽을 제공한다.

즉, 본 발명은, 선박 외벽면에 1차적인 리블렛 구조를 형성하고, 상기 리블렛 구조 위에 2차 리블렛 구조를 형성하여 일종의 프랙탈 도형과 같은 리블렛 구조를 코팅으로 형성하였다.

또한, 본 발명은, 상기 1차 리블렛 구조에서 각각의 요철 구조 높이 b가 요철 간격 a에 비해 더 큰 수치를 갖도록 하여 생물체를 비롯한 오염물질의 부착을 효과적으로 방지하였다.

또한, 본 발명은, 상기 a값은 0.1 내지 50μm로, b값은 15 내지 30μm로 하되, b≥a를 만족하도록 하였다.

또한, 본 발명은, 상기에서 1차 리블렛 구조는 선박용 자재를 프레싱하여 형성하거나 스크린 프린팅을 이용하고, 2차 리블렛 구조는 스프레이 코팅을 이용하였다.

또한, 본 발명은, 상기에서 1차 리블렛 구조는 에폭시 수지로 형성하고, 2차 리블렛 구조는 금속산화물 파티클로 형성하였다.

본 발명에 따르면, 상어 피부를 모방한 리블렛 구조를 기본으로 하고, 여기에 벼 잎의 미세 요철 리블렛 구조를 추가적용한 선박 외벽면 코팅에 의해 미생물, 어패류 및/또는 각종 점성을 갖는 오염물들이 선박 외벽면에 부착되는 것을 방지함으로써 항해시 저항을 감소시켜 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 리블렛 구조를 형성한 코팅제를 친환경성을 고려하여 선정함으로써 리블렛에 의한 환경오염 염려가 적으며, 리블렛의 높이를 간격이나 폭에 비해 더 크게 설정하여 자체 방오 작용을 좀 더 강화할 수 있게 하였다.

도 1은 상어 피부(좌)와 벼잎(우)의 리블렛 구조를 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따라 선박 외벽면에 형성하고자 하는 중첩적인 구조의 리블렛 코팅의 형상을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 1차 리블렛 구조의 요철 높이 b와 요철 간격 폭 a에 대한 설계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따라 1차 리블렛 구조를 형성하는 스크린 프린팅 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 4의 1차 리블렛 구조 위에 2차 리블렛 구조를 형성하여 완성되는 선박 외벽면 코팅면을 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 리블렛 구조가 중첩된 코팅을 구비한 선박 외벽면을 시뮬레이션한 입체사시도 이다.
도 7은 본 발명의 1차 리블렛 구조 설계를 위해 리블렛 높이와 간격 폭을 변수로 하여 살펴본 리블렛 저면에 미치는 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 2차 리블렛 구조 설계를 위해 리블렛 높이와 간격 폭을 변수로 하여 살펴본 리블렛 저면에 미치는 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 2차 리블렛 구조를 미세 입자로 구현할 때 리블렛 높이 b2와 간격 a2를 설명하기 위한 모식도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1의 좌측에는 상어 피부에 형성된 리블렛 구조를 보여준다. 상어 피부에 돋아 있는 리블렛은 난류(難流)에 의해 생기는 소용돌이를 밀쳐내기 때문에 빠른 속도로 전진할 수 있다. 리블렛 구조를 형성하는 돌기는 삼각구조에서보다 일자형 구조일 때, 가장 낮은 저항성을 보이므로 본 발명에서도 일자형 돌기를 1차 리블렛 구조로 채택하였다. 도 1의 우측에 도시된 것은 벼 잎 표면에 형성된 리블렛 구조로, 이는 랜덤(random)한 미세 돌기가 다수 형성되어 있음을 보여준다. 이러한 랜덤한 배열을 가진 미세 돌기는 여타의 오염물질들이 부착되는 것을 어렵게 하여 방오작용 내지는 자정작용을 한다. 이러한 사실을 바탕으로 본 발명자들은 선박 외벽면, 즉, 물에 잠기는 바닥면과 벽면 하부 외피면에 상어 피부를 모방한 1차 리블렛 구조와 벼 잎에 형성된 랜덤한 미세 돌기를 모방한 2차 리블렛 구조를 조합한 코팅층을 형성하기로 하였다. 그에 따라 도 2와 같은 구조의 코팅층을 선박 외벽면에 제공한다.

본 발명자들은 1차 리블렛 구조를 설계함에 있어서, 반복되는 일자형 요철 구조의 높이 b와 폭 D, 그리고 요철의 간격 a의 치수에 대해 거칠기 인자에 따른 마찰저항의 변화와 그로 인한 선박에너지효율지수의 상관관계를 이론적으로 고찰하였고, 그에 따라 a와 b가 중요한 변수임을 알아냈다. 이때,

로 설정하여 D를 압력변화와 수학적으로 연계시킬 수 있었다. a의 값이 수μm 수준으로 증가함에 따라 저면에 미치는 압력이 급감하나 b 값은 수십μm 수준으로 증가함에도 서서히 감소한다는 것을 알았다. 그에 따라 a 값이 증가하면 생물체의 부착이 용이 해질 수 있기 때문에 b≥a를 하나의 한정조건으로 하여 1차 리블렛을 설계하였다. 본 실시예에서는 a 값은 0.1 내지 50μm로, b 값은 15 내지 30μm로 하되, b≥a를 만족하도록 하였다.

즉, 다음과 같은 연구 결과를 통해 1차 리블렛 구조를 설계하였다.

덕트(duct) 저면에 미치는 압력 감소

는 덕트 저면의 너비(a)와 덕트의 높이(b)에 따라 다음과 같은 식을 만족하고 있다.

압력강하

,

여기서, D(Rectangular duct hydraulic diameter)는

를 대입하였고,

는 해수의 밀도로 1030 kg/m²이고,

는 유속으로 예를 들면, 7.38 m/s(선박 속도와 해수 속도의 합)일 수 있고,

L(관의 길이)은 0.102m로 가정할 수 있고,

(Darcy friction factor)는 64/Re이고,

Re(레이놀즈의 수)는 속도(m/sec)×대표길이(m)/동점성계수(㎡/sec)이며,

동점성계수는 해수가 0℃ 일 때 1.83×

m²/s, 20℃ 일 때 1.05×

m²/s을 값을 갖는다.

1차 리블렛 구조를 하나의 덕트 구조로 볼 때, 1차 리블렛에서 a와 b가 중요한 변수임을 알아냈고, 이때, a의 값이 수μm 수준으로 증가함에 따라 저면에 미치는 압력이 급감하나 b 값은 수십μm 수준으로 증가함에도 서서히 감소한다는 것을 알았다(도 7 참조). 이것은 압력변화에서의 b의 영향이 a에 비해 매우 미미한 것임을 알 수 있다. 그에 따라 1차 리블렛 구조의 주요 변수를 b가 아닌 a로 둔다. 그러나 a의 값이 증가하면 압력이 급감하지만 생물체의 부착이 용이 해질 수 있기 때문에 도 7의 그래프에서 그래프가 급감하기 시작한 5μm 이하의 a 값을 하나의 한정조건으로 하여 1차 리블렛을 설계하였다. 본 실시예에서는 실제 상어의 리블렛 구조를 모방하여 a 값은 0.1 내지 50μm로, b 값은 19 내지 25μm의 범위 내에서 도출하였다.

다음은 1차 리블렛 구조를 기반으로 하여 그 표면에 2차 리블렛 구조를 형성하는 방법에 대해 설명한다. 2차 리블렛 구조는 나노사이즈 내지는 마이크로사이즈 입도를 갖는 입자를 1차 리블렛 구조 표면에 랜덤하게 배열하는 것이 바람직하다. 입자들의 랜덤한 분포가 미세 리블렛과 같은 기능을 할 수 있기 때문이다. 입경의 분포도 나노사이즈에서 마이크로 사이즈(1 내지 10μm일 수 있다)로 다양한 분포를 가질 수 있다. 이러한 랜덤한 2차 리블렛 구조의 형성은 금속산화물 입자를 점착력 있는 용제에 혼합하여 스프레이 코팅으로 실시될 수 있고, 니켈, 크롬과 같이 내식성 있는 금속을 기포 발생가능한 수용액 속에서 전해도금 하여 발포 나노구조체로 형성될 수도 있다(등록특허 10-1179005 참조하여 용이하게 실시가능함).

도 4는 본 발명의 리블렛을 기본으로 하여 미세한 2차 리블렛이 중첩된 구조의 코팅층을 형성하기 위해, 먼저, 1차 리블렛 구조를 형성하는 과정을 도시한다. 1차 리블렛 구조는 선박용 자재(철판)를 프레싱하여 형성할 수 있다. 그러나 스크린 프린팅을 이용할 수도 있으며, 이외 다른 코팅 방법을 적용하여도 무방하다. 본 실시예에서는 선체와 선박 저면은 프레스를 이용하고 선수나 선미쪽 자재는 그 특수성을 고려하여 스크린 프린팅을 적용하였다. 선박용 자재의 외벽면(100)에 리블렛 높이 b를 두께로 하는 마스킹 필름(200)은, 일정 간격 a를 두고 D만큼의 폭이 커팅 제거되고, 도료를 프린팅함으로써, 건조 후 필름(200)을 제거하면 1차 리블렛(300)이 형성된다. 이때, 도료는 에폭시수지를 사용하였다. 에폭시 수지의 친환경성과 안정성을 고려한 것이다.

다음으로, 도 5와 같이 1차 리블렛(300) 상에 2차 리블렛(400)을 형성하기 위해, 스프레이 코팅을 실시하였다. 2차 리블렛(400)은 나노사이즈 내지 마이크로 사이즈의 입경을 갖는 입자들을 점성이 있는 도료에 혼합하여 스프레이하였으며, 입자의 소재는 세라믹스 또는 금속산화물로 선택할 수 있다. 특히, 산화알루미늄(Al₂O₃)은 높은 기계강도(300~630MPa), 내식성, 내마모성 및 저밀도로 인해 최적의 것으로 선택될 수 있다. 그외 지르코니아(ZrO₂), 니켈-코발트 고합금분말, 스테인레스분말, 티타늄, 티타늄수소화물 분말, 산화이트륨, 산화티타늄, 뮬라이트(Mullite)도 입자소재가 될 수 있다.

혼합도료로는 표면장력을 낮추어 마찰저항을 줄일 수 있는 것이라야 하며, 무독성 및 내충격 및 내마모성과 초급속 경화성을 갖는 것이 바람직하다. 본 실시예는 이러한 물성을 고루 갖춘 실리콘 폴리우레아를 도료로 선택하였다. 도료와 미세 입자들의 혼합농도는 스프레이가 용이할 정도로 배합하는 것으로 충분하며, 이러한 과정은 과도한 반복 시도 없이 육안으로 보아 유동성이 충분할 정도이면 대부분 스프레이될 수 있다. 스프레이 작업은 몇 차례 반복될 수 있으며, 초기에는 다소 입도가 큰 것으로 실시한 다음, 더 미세한 입자들을 스프레이하는 것으로 리블렛 구조를 더욱 바람직하게 구축한 코팅을 형성할 수 있다.

이와 같이 제작된 코팅층은 도 6과 같은 구조를 나타내게 된다.

생체모방 코팅층을 갖는 선박 외벽면으로 인해 선박의 에너지 효율은 향상되어 비용을 상당히 절약할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 외벽면
200: 필름
300: 1차 리블렛
400: 2차 리블렛

Claims

선박 외벽면에 1차적인 리블렛 구조를 형성하고, 상기 리블렛 구조 위에 2차 리블렛 구조를 형성한 이중 리블렛 구조를 코팅으로 형성한 것을 특징으로 하는 선박외장재.
제1항에 있어서, 상기 1차 리블렛 구조는 일자형 요철을 포함하고, 각각의 요철 구조 높이 b가 요철 간격 a에 비해 더 큰 수치를 갖는 것을 특징으로 하는 선박외장재.
제2항에 있어서, 상기 a값은 0.1 내지 50μm로, b값은 15 내지 30μm로 하되, b≥a를 만족하도록 하는 특징으로 하는 선박외장재.
제1항에 있어서, 상기 1차 리블렛 구조는 선박용 자재 자체를 프레싱하여 형성하거나 에폭시 수지로 형성하고,
2차 리블렛 구조는 금속산화물 분말, 질화알루미늄(AlN) 분말, 지르코늄 디보라이드(ZrB₂) 분말, 뮬라이트(Mullite) 분말, 니켈-코발트 합금 분말, 스테인레스 분말, 티타늄 분말, 티타늄수소화물 분말 또는 금속 나노 발포구조체로 형성하는 특징으로 하는 선박외장재.
제4항에 있어서, 상기 1차 리블렛 구조를 에폭시 수지로 형성할 경우, 스크린 프린팅을 이용하고,
상기 2차 리블렛 구조는 스프레이 코팅 또는 발포성 용액에서의 전해도금을 이용하여 랜덤한 배열로 형성하는 것을 특징으로 하는 선박외장재.