KR20200088678A - 가마우지의 깃털 구조를 갖는 수중 표면 구조체 및 이를 포함하는 수중 구조물 - Google Patents

가마우지의 깃털 구조를 갖는 수중 표면 구조체 및 이를 포함하는 수중 구조물 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체는, 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트 상에서 서로 일정한 제 1 간격으로 이격되어 배열되는 구획 격벽; 상기 구획 격벽 사이를 연결하고 서로 일정한 제 2 간격으로 이격되어 배열되는 미세 격벽; 및 상기 베이스 플레이트 상에서, 상기 구획 격벽 및 미세 격벽 사이에 형성되는 캐비티를 포함할 수 있고, 상기 제 2 간격은 상기 제 1 간격보다 작을 수 있다.

Description

가마우지의 깃털 구조를 갖는 수중 표면 구조체 및 이를 포함하는 수중 구조물{UNDERWATER SURFACE STRUCTURE WITH FEATHER STRUCTURE OF CORMORANT AND UNDERWATER STRUCTURE COMPRISING THEREOF}
아래의 설명은 가마우지의 깃털 구조를 갖는 수중 표면 구조체 및 이를 포함하는 수중 구조물에 관한 것이다.
선박, 잠수함 및 어뢰와 같이 수중에서 이동하는 수중 운송체의 경우, 물의 저항을 이겨내기 위해 많은 에너지를 소모하게 된다. 특히 유류비는 선박 운영비의 약 60~80%를 차지하는 것으로 알려져 있기 때문에, 이를 절감하기 위해서 수중 운송체 표면에 작용하는 마찰 저항을 줄이는 것이 중요하다.
수중 운송체에 작용하는 마찰 저항을 저감시키기 위해, 저마찰 기능을 갖는 초소수성 표면 기술이 개발되어 왔다. 하지만, 시간 경과에 따라 초소수성 표면에 내부의 캐비티에 형성된 공기층이 점진적으로 파괴되어 기능이 저하되는 문제점이 존재하였기에 초소수성 표면의 실용화가 제대로 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
한편, 파괴된 공기층을 복구시키기 위해 수중에서 선체 표면을 따라 공기를 분사하는 기술의 경우, 공기 분사에 소모되는 추가적인 에너지의 소모로 인해 효율적이니 못하다는 문제점으로 인해 실용화에 어려움을 겪고 잇다.
따라서, 항력 저감 및 공기층의 안정성의 효과를 달성할 수 있는 초소수성 표면 기술을 구현하되, 사회경제적 및 환경적 비용 측면을 모두 만족할 수 있는 수중 표면 구조물에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있는 추세이다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 가마우지의 깃털 구조를 갖는 수중 표면 구조체 및 이를 포함하는 수중 구조물을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체는, 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트 상에서 서로 일정한 제 1 간격으로 이격되어 배열되는 구획 격벽; 상기 구획 격벽 사이를 연결하고 서로 일정한 제 2 간격으로 이격되어 배열되는 미세 격벽; 및 상기 베이스 플레이트 상에서, 상기 구획 격벽 및 미세 격벽 사이에 형성되는 캐비티를 포함할 수 있고, 상기 제 2 간격은 상기 제 1 간격보다 작을 수 있다.
상기 구획 격벽 및 미세 격벽은 서로 수직하게 배치될 수 있다.
상기 구획 격벽, 미세 격벽 및 베이스 플레이트는 초소수성 재질로 형성될 수 있다.
상기 구획 격벽, 미세 격벽 및 베이스 플레이트는 초소수성 물질로 표면처리 될 수 있다.
상기 구획 격벽은, 상기 구획 격벽 상단에서 상기 캐비티를 향해 측 방향으로 돌출 형성되는 제 1 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 미세 격벽은, 상기 미세 격벽 상단에서 상기 캐비티를 향해 측 방향으로 돌출 형성되는 제 2 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 제 1 돌출부는, 상기 구획 격벽 상단으로부터 측 방향으로 돌출된 단부가 하측으로 절곡된 형상을 가질 수 있다.
상기 제 2 돌출부는, 상기 미세 격벽 상단으로부터 측 방향으로 돌출된 단부가 하측으로 절곡된 형상을 가질 수 있다.
상기 수중 표면 구조체의 수평 방향을 따라서 변화하는 압력 구배의 크기에 기초하여 상기 제 1 간격 및 제 2 간격은 상기 압력 구배의 크기에 반비례하게 설계될 수 있다.
상기 제 1 간격 및 제 2 간격은 다음의 수학식을 만족하는 범위 내에서 설계될 수 있다.
(수학식)
Figure pat00001
(여기서, "L"은 구획 격벽간의 제 1 간격, "w"는 미세 격벽간의 제 2 간격, "dP c /dx"는 수중 표면 구조체의 표면에서의 압력 구배의 크기, "b"는 비례 상수)
상기 구획 격벽은 가마우지 깃털 구조의 바브(barb)를 자연 모사한 것이고, 상기 미세 격벽은 가마우지 깃털 구조의 바뷸(barbule)을 자연 모사한 것일 수 있다.
상기 구획 격벽과 미세 격벽은 직선 형상을 갖고, 상기 미세 격벽은 한 쌍의 인접한 구획 격벽 사이에서 상기 수중 표면 구조체의 표면의 내측을 향하여 함몰된 산등성이(ridge) 형상을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따른 수중 구조물은 가마우지의 깃털 구조를 갖는 제 1 수중 표면 구조체와, 제 2 수중 표면 구조체를 포함할 수 있고, 제 1 수중 표면 구조체는 제 1 베이스 플레이트와, 상기 제 1 베이스 플레이트 상에서 서로 일정한 제 1 간격으로 이격되어 배열되는 제 1 구획 격벽과, 상기 제 1 구획 격벽 사이를 연결하고 서로 일정한 제 2 간격으로 이격되어 배열되는 제 1 미세 격벽과, 상기 제 1 베이스 플레이트 상에서 상기 제 1 구획 격벽 및 제 1 미세 격벽 사이에 형성되는 제 1 캐비티를 포함할 수 있고, 상기 제 2 간격은 상기 제 1 간격보다 작고, 상기 제 2 수중 표면 구조체는, 제 2 베이스 플레이트와, 상기 제 2 베이스 플레이트 상에서 서로 일정한 제 3 간격으로 이격되어 배열되는 제 2 구획 격벽과, 상기 제 2 구획 격벽 사이를 연결하고 서로 일정한 제 4 간격으로 이격되어 배열되는 제 2 미세 격벽과, 상기 제 2 베이스 플레이트 상에서 상기 제 2 구획 격벽 및 제 2 미세 격벽 사이에 형성되는 제 2 캐비티를 포함할 수 있고, 상기 제 4 간격은 상기 제 3 간격보다 작고, 상기 제 3 간격은 상기 제 1 간격보다 작고, 상기 제 4 간격은 상기 제 2 간격보다 작을 수 있다.
상기 수중 구조물은, 수면 또는 수중을 이동하는 수중 이동체일 수 있고, 상기 제 2 수중 표면 구조체는, 상기 수중 이동체의 전방에 배치될 수 있고, 상기 제 1 수중 표면 구조체는, 상기 수중 이동체의 측방 또는 후방에 배치될 수 있다.
중력 방향을 기준으로, 상기 제 2 수중 표면 구조체는, 상기 제 1 수중 표면 구조체보다 하측에 배치될 수 있다.
일 실시 예의 수중 구조물에 의하면, 가마우지의 깃털 구조를 모사한 캐비티의 구성을 통해 캐비티를 안정적으로 유지할 수 있어서 수중 구조물의 표면에 작용하는 수력학적 항력을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체를 갖는 선박의 측면도이다.
도 2는 가마우지의 날개 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 사시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 평면도이다.
도 5는 도 4의 선 I-I을 따라 취한 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 단면도이다.
도 6은 도 4의 선 II-II을 따라 취한 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 단면도이다.
도 7은 도 4의 선 I-I을 따라 취한 다른 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 단면도이다.
도 8은 도 4의 선 II-II을 따라 취한 다른 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 단면도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체를 갖는 선박의 측면도이고, 도 2는 가마우지의 날개 구조를 나타내는 도면이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 사시도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 평면도이고, 도 5는 도 4의 선 I-I을 따라 취한 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 단면도이고, 도 6은 도 4의 선 II-II을 따라 취한 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 단면도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 선체의 표면이 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체(1)로 형성된 수중 구조물(8)의 모습을 확인할 수 있다. 여기서, "수중 구조물"이란, 선박이나 잠수정 등 수면 또는 수중을 이동하는 이동체나, 유체 수송용 도관 등과 같이 수중에 고정적으로 설치된 고정체 등을 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 이하 수중 구조물(8)이 선박인 경우를 예시적으로 설명하기로 하지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니라는 점을 밝혀 둔다. 또한, 매크로 스케일 뿐만 아니라, 미세 유체 공학(microfluidics) 분야에도 활용 가능하다는 점을 밝혀 둔다.일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체(1)는 선박(8)과 같은 수중 운송체의 선체 표면에 설치되거나 선체의 외부에 일체형으로 형성될 수 있어서, 선체 표면을 따라서 작용하는 마찰 저항을 감소시켜 수중 운송체의 운항에 따른 이동 저항을 감소시켜 연료 효율과 운항 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 가마우지 깃털의 모습과 깃털의 구조를 X선 영상기법으로 확대한 이미지를 확인할 수 있다.
물에서 자유롭게 유영하는 것뿐만 아니라 물 속 30미터까지 다이빙하면서도 깃털이 젖지 않는 상태를 유지하는 가마우지의 깃털의 구조는 효과적인 방수 시스템으로 잘 알려져 있다.
가마우지 깃털의 구조를 확대한 이미지를 살펴보면, 약 10 μm 직경의 바뷸(barbule, 미세 깃털 구조체)이 약 15 μm의 간격을 유지하며 평행하게 배치되어 있고, 평행하게 놓여있는 바뷸들을 지지하기 위해 약 100 μm 두께의 바브(barb, 굵은 깃털)로 이루어진 격벽 구조체가 그 사이에 약 200 μm 간격으로 이격되어 배열되어 있는 구조를 확인할 수 있다.
위의 깃털 구조에 의하면, 가마우지가 물 속을 유영할 때 물이 내부로 유입되는 것을 저지하는 역할을 수행할 수 있고, 또한 깃털이 물 속으로 들어갔을 경우 미세 깃털 사이 형성되는 공동(cavity) 구조에 공기층(air plastron)을 형성함으로써 유영하는 가마우지에 작용하는 항력을 저감시킬 수 있고, 격벽 구조를 이루고 있는 굵은 깃털들은 이러한 공기층을 지속적으로 유지시킬 수 있는 효과를 갖게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 이러한 가마우지 깃털의 미세 구조를 모사한 수중 표면 구조체(1)를 제시함으로써, 이를 선박, 잠수함, 어뢰와 같은 수중 이동체, 유체 수송용 도관, 또는 해양 구조물 등의 표면에 적용하여 초소수성 표면을 구현하는 것이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체(1)의 구체적인 구조를 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따른 수중 표면 구조체(1)는 판 형상의 베이스 플레이트(11)와, 베이스 플레이트(11) 상에서 서로 일정한 간격으로 이격되어 배열되는 구획 격벽(12)과 베이스 플레이트(11) 상에서 구획 격벽(12) 사이를 연결하고 서로 일정한 간격으로 이격되어 설치되는 미세 격벽(13)과, 상기 구획 격벽(12) 및 미세 격벽(13) 사이에 형성되어 내부에 공기층을 형성하는 캐비티(14)를 포함할 수 있다.
베이스 플레이트(11)는, 수중 표면 구조체(1)가 설치되는 대상 표면에 설치되는 판 형상의 부재일 수 있다. 다른 예로, 베이스 플레이트(11)는 상기 대상 표면과 일체로 형성되어 있을 수 있다.
구획 격벽(12)은, 가마우지 깃털 구조의 바브(barb)를 자연 모사한 것으로, 복수 개의 미세 격벽(13)을 지지할 수 있다. 구획 격벽(12)은, 베이스 플레이트(11) 상에서 서로 일정한 제 1 간격(L)으로 이격되어 배열될 수 있다. 예를 들어, 구획 격벽(12)은 베이스 플레이트(11)의 표면으로부터 돌출 높이(H)만큼 돌출 형성될 수 있다.
예를 들어, 구획 격벽(12)은 상단부에서 캐비티(14)를 향해 측 방향으로 돌출 형성되는 제 1 돌출부(121)를 포함할 수 있다.
제 1 돌출부(121)는 수중 표면 구조체(1)의 표면상으로부터 캐비티(14)로 연결되는 입구 부분의 단면적을 축소시킬 수 있다. 예를 들어 제 1 돌출부(121)는, 도 5와 같이 구획 격벽(12)의 길이 방향에 수직한 방향을 따라 절개한 측 단면 상에서 다른 인접한 구획 격벽(12)을 향하여 수직하게 돌출 형성되는 구조를 가질 수 있다.
제 1 돌출부(121)에 의하면, 수중 표면 구조체(1)의 표면 상에서 유체가 유동하는 경우, 캐비티(14)의 입구 부분에서 표면 장력에 기인한 유체의 피닝 힘(pinning force)을 증가시켜 외부 유동으로부터 캐비티(14) 내부에 형성된 공기층을 효과적으로 보호할 수 있고, 동시에 공기층이 캐비티 밖으로 유실되는 것을 방지할 수 있다.
미세 격벽(13)은, 가마우지 깃털 구조의 바뷸(barb)을 자연 모사한 것으로, 공기층을 유지함으로써, 수중 표면 구조체(1)를 통하여 수중 구조물(8)의 내부로 물이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 베이스 플레이트(11) 상에서 서로 일정한 제 2 간격(w)으로 이격되어 배열될 수 있고, 상기 제 2 간격(w)은 제 1 간격(L)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 미세 격벽(13)의 두께는 구획 격벽(12)의 두께보다 작을 수 있다.
예를 들어, 미세 격벽(13)은 구획 격벽(12)의 길이 방향에 수직한 방향을 따라서 베이스 플레이트(11)의 표면으로부터 돌출 형성될 수 있다. 예를 들어, 미세 격벽(13)의 돌출 높이는 구획 격벽(12)의 돌출 높이(H)와 동일하거나 그보다 작을 수 있다.
한편, 도 3과 달리, 미세 격벽(13)은 도 2에 도시된 가마우지 깃털의 바뷸(barb)처럼, 수중 표면 구조체(1)의 표면으로부터 내측을 향하여 함몰된 산등성이(ridge) 형상을 가질 수 있다. 다시 말하면, 미세 격벽(13)의 양단부는 중앙부보다 높게 형성될 수 있다. 다시 말하면, 도 4를 기준으로 y축 방향으로 바라볼 때, 미세 격벽(13)의 중앙부는 z축의 음의 방향으로 함몰된 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 미세 격벽(13)은, 미세 격벽(13)의 상단부에서 캐비티(14)를 향해 측 방향으로 돌출 형성되는 제 2 돌출부(131)를 포함할 수 있다.
제 2 돌출부(131)는 수중 표면 구조체(1)의 표면상으로부터 캐비티(14)로 연결되는 입구 부분의 단면적을 축소시킬 수 있다. 예를 들어 제 2 돌출부(131)는, 도 6과 같이 미세 격벽(13)의 길이 방향에 수직한 방향을 따라 절개한 측 단면 상에서 다른 인접한 미세 격벽(13)을 향하여 수직하게 돌출 형성되는 구조를 가질 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 캐비티(14)의 입구의 가장자리는 제 1 돌출부(121) 및 제 2 돌출부(131)에 의해 협소해지는 구조를 갖게 되어, 전술한 제 1 돌출부(121)와 같이 외부 유동으로부터 캐비티(14) 내부에 형성된 공기층을 효과적으로 보호할 수 있고, 동시에 공기층이 캐비티(14) 밖으로 유실되는 것을 보다 더 효과적으로 방지할 수 있다.
예를 들어, 구획 격벽(12), 미세 격벽(13) 및 베이스 플레이트(11)는 소수성 재질로 형성될 수 있어서, 유동하는 유체에 의해 캐비티(14) 내부의 공기층을 보다 효과적으로 보호할 수 있고, 유체의 마찰 저항을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 수중 표면 구조체(1)는 SPC(Self Polishing Copolymer) 또는 실리콘 계열의 소수성 재질로 형성될 수 있다.
다른 예로, 상기 구획 격벽, 미세 격벽 및 베이스 플레이트는 소수성 화학 물질을 통한 표면 처리를 추가적으로 적용하여 수중 표면 구조체(1)의 표면 내구성을 증가시키는 것과 동시에 소수성을 증가시킬 수 있다.
캐비티(14)는, 베이스 플레이트(11) 상에서 돌출 형성된 구획 격벽(12) 및 미세 격벽(13)에 의해 구획되는 공간으로서, 수중 표면 구조체(1)의 표면이 유체에 접촉하더라도 내부에 공기를 포획된 상태로 유지하는 공기층을 형성할 수 있다.
캐비티(14)에 형성된 공기층에 의하면, 수중 표면 구조체(1)의 표면에 작용하는 마찰 저항을 감소시킴으로써 수력학적인 항력을 저감시킬 수 있다.
예를 들어, 캐비티(14)의 크기, 구획 격벽(12)의 간격 등은 수중 표면 구조체(1)의 표면 상에서 유동하는 유체의 유동 조건에 따라 상이하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 캐비티(14)의 크기는 수중 표면 구조체(1)의 표면에서 유동하는 유체가 형성하는 압력의 크기에 기초하여 결정될 수 있다.
선박(8)의 경우, 선체 표면의 위치 또는 표면의 곡률 크기에 기초하여 유동 조건이 상이하게 결정됨에 따라, 수중 표면 구조체(1)에 가해지는 수압의 크기는 서로 다르게 형성될 수 있다.
따라서, 수중 표면 구조체(1)를 선박(8)과 같은 수중 운송체나 해양 구조물에 적용할 경우, 상기 수중 표면 구조체(1)가 설치되는 표면 부분의 유동 조건에 기초하여 수중 표면 구조체(1)의 항력저감 효과 및 공기층의 안정성에 영향을 미치는 정도가 상이하게 형성될 수 있음에 따라, 수중 표면 구조체(1)의 캐비티(14)의 크기, 형상 또는 간격을 해당 유동 조건에 적합하게 설계할 수 있다.
이 경우, 구획 격벽(12)간의 제 1 간격(L) 및 미세 격벽(13)간의 제 2 간격(w)는 수중 표면 구조체(1)의 표면에 작용하는 압력의 크기에 반비례할 수 있다.
예를 들어, 수중 구조물(8)의 위치별로 서로 다른 형태를 갖는 복수 개의 수중 표면 구조체(1)가 설치될 수 있다. 구체적으로 복수 개의 수중 표면 구조체(1)에서 각각의 제 1 간격(L) 및 제 2 간격(w)은 다음의 수학식 1을 만족하는 범위내에서 설정될 수 있다.
Figure pat00002
(여기서, "L"은 구획 격벽간의 제 1 간격, "w"는 미세 격벽간의 제 2 간격, "P c "는 수중 표면 구조체의 표면에 작용되는 압력의 크기, "a"는 비례 상수)
다른 예로, 수중 표면 구조체(1)의 캐비티(14)의 크기, 즉 구획 격벽(12)간의 제 1 간격(L) 및 미세 격벽(13)간의 제 2 간격(w)은 유체의 유동 방향을 따라서 작용하는 압력의 불균일성을 나타내는 압력 구배(pressure gradient)의 크기에 따라 결정될 수도 있다.
수중 구조물(8)의 위치별로 서로 다른 형태를 갖는 복수 개의 수중 표면 구조체(1)가 설치될 경우, 복수 개의 수중 표면 구조체(1)에서 각각의 제 1 간격(L) 및 제 2 간격(w)은 다음의 수학식 2를 만족하는 범위내에서 설정될 수 있다.
Figure pat00003
(여기서, "L"은 구획 격벽간의 제 1 간격, "w"는 미세 격벽간의 제 2 간격, "dP c /dx"는 수중 표면 구조체의 표면에서의 압력 구배의 크기, "b"는 비례 상수)
이상의 구조에 의하면, 수중 구조물(8)의 위치별로 설치된 수중 표면 구조체(1) 각각의 표면 상에서 유동 방향을 따라서 압력의 크기가 변화하는 정도를 나타내는 압력 구배의 값에 기초하여 제 1 간격(L) 및 제 2 간격(w)의 크기를 설정할 수 있다.
예를 들어, 수중 구조물(8)의 표면을 따라서 압력이 급격히 변화되기 시작하는 지점에서는 캐비티(14)의 크기를 작고 조밀하게 형성할 수 있고, 상대적으로 압력의 변화가 작은 지점에서는 캐비티(14)의 크기를 상대적으로 크고 덜 조밀하게 형성할 수 있어서, 수중 구조물(8)의 표면에서의 유체의 유동 변화에 보다 효과적으로 대응할 수 있다.
결과적으로, 수중 표면 구조체(1)에 작용하는 유동조건에 따라 수중 표면 구조체(1)의 크기를 조절하여 적용할 수 있음에 따라서, 수중 표면 구조체(1)의 설치 위치별로 상이한 유동 조건에 따라 항력 저감 효과 및 공기층의 보존 효과를 최적화하여, 결과적으로 수중 표면 구조체(1)의 소수성을 크게 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 제 1 간격(L), 제 2 간격(w) 및 미세 격벽(13)의 두께는 마이크로미터 단위의 크기로 형성될 수 있고, 수중 표면 구조체(1)에 적용되는 압력 구배의 크기에 반비례하는 관계일 수 있다.
예를 들어, 수중 표면 구조체(1)의 캐비티(14) 구조, 다시 말하면 구획 격벽(12), 미세 격벽(13)의 형상은 광식각(photolithography) 공정을 통해 형성될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 일 실시 예에 따른 수중 구조물(8)은 서로 상이한 크기로 형성되는 복수개의 수중 표면 구조체(1)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 수중 구조물(8)이 선박, 잠수함 또는 어뢰와 같은 수중 이동체일 경우, 표면에 가해지는 압력이 크게 형성되는 전방에는 구획 격벽(12) 및 미세 격벽(13) 간격의 크기가 작고 조밀하게 형성된 수중 표면 구조체(1)가 설치될 수 있고, 표면에 가해지는 압력이 전방보다 적게 형성되는 측방 또는 후방에는 구획 격벽(12) 및 미세 격벽(13) 간격의 크기가 상대적으로 크고 덜 조밀하게 형성될 수 있다.
여기서, 수중 구조물(8)의 후방에 설치되는 수중 표면 구조체(1)를 제 1 수중 표면 구조체(1)라 할 수 있고, 수중 구조물(8)의 전방에 설치되는 수중 표면 구조체(1)을 제 2 수중 표면 구조체(1)라 할 수 있다.
제 1 수중 표면 구조체(1)는 수중 표면 구조체(1)의 구조와 동일하게 제 1 베이스 플레이트(11)와, 제 1 베이스 플레이트(11)상에서 서로 일정한 제 1 간격(L)으로 이격되어 배열되는 제 1 구획 격벽(12)과, 제 1 구획 격벽(12) 사이를 연결하고 서로 일정한 제 2 간격(w)으로 이격되어 배열되는 제 1 미세 격벽(13)과, 제 1 베이스 플레이트(11) 상에서 제 1 구획 격벽(12) 및 제 1 미세 격벽(13) 사이에 형성되는 제 1 캐비티(14)를 포함할 수 있다.
제 2 수중 표면 구조체(1) 또한 제 1 수중 표면 구조체(1)의 구조와 유사하게 제 2 베이스 플레이트(11)와, 제 2 베이스 플레이트(11)상에서 서로 일정한 제 3 간격(L)으로 이격되어 배열되는 제 2 구획 격벽(12)과, 제 2 구획 격벽(12) 사이를 연결하고 서로 일정한 제 4 간격(w)으로 이격되어 배열되는 제 2 미세 격벽(13)과, 제 2 베이스 플레이트(11) 상에서 제 2 구획 격벽(12) 및 제 2 미세 격벽(13) 사이에 형성되는 제 2 캐비티(14)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 4 간격(w)은 제 3 간격(L)보다 작고, 제 2 미세 격벽(13)의 두꼐는 제 2 구획 격벽(12)의 두께보다 작을 수 있다.
제 3 간격(L)은 제 1 간격(L)보다 작고, 제 4 간격(w)은 제 2 간격(w)보다 작을 수 있다. 다시 말하면, 제 1 수중 표면 구조체(1)의 구획 격벽(12)간의 간격은 제 2 수중 표면 구조체(1)의 구획 격벽(12)간의 간격보다 크게 형성되고, 제 1 수중 표면 구조체(1)의 미세 격벽(13)간의 간격은 제 2 수중 표면 구조체(1)의 미세 격벽(13)의 간격보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 중력 방향을 기준으로, 상대적으로 캐비티(14)의 크기가 작은 제 2 수중 표면 구조체(1)는 제 1 수중 표면 구조체(1)보다 하측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 수중 구조물(8)이 선박, 잠수함 또는 어뢰와 같은 수중 이동체(8)이거나 수중에 고정되는 고정체(8)일 경우, 수압이 중력 방향을 따라서 하측으로 갈수록 증가하는 것에 기인하여 하측으로 갈수록 구획 격벽(12)간의 간격과 미세 격벽(13)간의 간격이 작은 수중 표면 구조체(1)가 설치될 수 있다.
한편, 수중 구조물(8)은, 제 1 수중 표면 구조체(1) 및 제 2 수중 표면 구조체(1) 사이에 배치되는 제 3 수중 표면 구조체(1)를 더 포함할 수도 있다. 마찬가지로 제 3 수중 표면 구조체(1) 또한 제 1 수중 표면 구조체(1)의 구조와 유사하게 제 3 베이스 플레이트(11)와, 제 3 베이스 플레이트(11)상에서 서로 일정한 제 5 간격(L)으로 이격되어 배열되는 제 3 구획 격벽(12)과, 제 3 구획 격벽(12) 사이를 연결하고 서로 일정한 제 6 간격(w)으로 이격되어 배열되는 제 3 미세 격벽(13)과, 제 3 베이스 플레이트(11) 상에서 제 3 구획 격벽(12) 및 제 3 미세 격벽(13) 사이에 형성되는 제 3 캐비티(14)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 5 간격(L) 및 제 6 간격(w)의 곱은 제 1 수중 표면 구조체(1) 및 제 2 수중 표면 구조체(1) 사이의 압력 구배의 크기에 반비례하도록 수학식 2에 따라 설정될 수 있다.
도 7은 도 4의 절개선 I-I을 따라 절개한 수중 표면 구조체의 단면도이고, 도 8은 도 4의 절개선 II-II을 따라 절개한 다른 실시 예에 따른 수중 표면 구조체의 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 도 5 및 도 6에 도시된 수중 표면 구조체(1)의 돌출부(121, 131)와 다른 형상의 돌출부(221, 231)를 갖는 수중 표면 구조체(2)의 구성을 확인할 수 있다.
제 1 돌출부(221)는, 도 7과 같이 구획 격벽(22)의 길이 방향에 수직한 방향을 따라 절개한 측 단면 상에서 다른 인접한 구획 격벽(22)을 향하여 수직하게 돌출 형성되는 형상을 갖되, 그 돌출된 단부가 하측으로 절곡되어 있는 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 제 2 돌출부(231)는, 도 8과 같이 미세 격벽(23)의 길이 방향에 수직한 방향을 따라 절개한 측 단면 상에서 다른 인접한 미세 격벽(23)을 향하여 수직하게 돌출 형성되되, 그 돌출된 단부가 하측으로 절곡되어 있는 형상을 가질 수 있다.
하측으로 절곡된 형상을 가지는 제 1 돌출부(221) 또는 제 2 돌출부(231)의 구조에 의하면, 수중 표면 구조체(2)의 표면에서 유동하는 유체로부터 캐비티(24)에 포집된 공기층을 보다 안정적으로 보호하는 동시에, 공기층이 캐비티 밖으로 유실되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (8)

  1. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상에서 서로 일정한 제 1 간격으로 이격되어 배열되는 구획 격벽;
    상기 구획 격벽 사이를 연결하고 서로 일정한 제 2 간격으로 이격되어 배열되는 미세 격벽; 및
    상기 베이스 플레이트 상에서, 상기 구획 격벽 및 미세 격벽 사이에 형성되는 캐비티를 포함하고,
    상기 구획 격벽 및 미세 격벽은 서로 수직하게 배치되는 수중 표면 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구획 격벽은,
    상기 구획 격벽의 상단에서 상기 캐비티를 향해 측 방향으로 돌출 형성되는 제 1 돌출부를 포함하고,
    상기 미세 격벽은,
    상기 미세 격벽의 상단에서 상기 캐비티를 향하 측 방향으로 돌출 형성되는 제 2 돌출부를 포함하는 수중 표면 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 돌출부 및 제 2 돌출부에서 측 방향으로 돌출된 단부는 각각 하측으로 절곡된 형상을 갖는 수중 표면 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수중 표면 구조체의 수평 방향을 따라서 변화하는 압력 구배의 크기에 기초하여 상기 제 1 간격 및 제 2 간격은 상기 압력 구배의 크기에 반비례하게 설계되는 수중 표면 구조체.
    (수학식)
    Figure pat00004

    (여기서, "L"은 구획 격벽간의 제 1 간격, "w"는 미세 격벽간의 제 2 간격, "dP c /dx"는 수중 표면 구조체의 표면에서의 압력 구배의 크기, "b"는 비례 상수)
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구획 격벽은 가마우지 깃털 구조의 바브(barb)를 자연 모사한 것이고, 상기 미세 격벽은 가마우지 깃털 구조의 바뷸(barbule)을 자연 모사한 것을 특징으로 하는 수중 표면 구조체.
  6. 가마우지의 깃털 구조를 갖는 제 1 수중 표면 구조체와, 제 2 수중 표면 구조체를 포함하는 수중 구조물에 있어서,
    상기 제 1 수중 표면 구조체는,
    제 1 베이스 플레이트와, 상기 제 1 베이스 플레이트 상에서 서로 일정한 제 1 간격으로 이격되어 배열되는 제 1 구획 격벽과, 상기 제 1 구획 격벽 사이를 연결하고 서로 일정한 제 2 간격으로 이격되어 배열되는 제 1 미세 격벽과, 상기 제 1 베이스 플레이트 상에서 상기 제 1 구획 격벽 및 제 1 미세 격벽 사이에 형성되는 제 1 캐비티를 포함하고,
    상기 제 2 수중 표면 구조체는,
    제 2 베이스 플레이트와, 상기 제 2 베이스 플레이트 상에서 서로 일정한 제 3 간격으로 이격되어 배열되는 제 2 구획 격벽과, 상기 제 2 구획 격벽 사이를 연결하고 서로 일정한 제 4 간격으로 이격되어 배열되는 제 2 미세 격벽과, 상기 제 2 베이스 플레이트 상에서 상기 제 2 구획 격벽 및 제 2 미세 격벽 사이에 형성되는 제 2 캐비티를 포함하는 수중 구조물.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수중 구조물은, 수면 또는 수중을 이동하는 수중 이동체이고, 수중 이동체의 위치에 따라 상기 제 1 수중 표면 구조체, 제 2 수중 표면 구조체가 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 수중 구조물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 수중 표면 구조체와 상기 제 2 수중 표면 구조체는 소수성 재질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 수중 구조물.
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JPH07277267A (ja) * 1994-04-05 1995-10-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 摩擦抵抗低減装置付き船舶
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