선박에너지효율향상을위한저마찰선박방오도료개발동향 이인원 박현부산대학교조선해양플랜트글로벌핵심연구센터 Low Frictional Marine Anti-Fouling Paint Toward the Improvement of Ship Energy Efficiency Inwon Lee and Hyun Park Global Core Research Center for Ships and Offshore Plants, Pusan National University Abstract: 해생물부착 (marine biofouling) 은해수에잠긴인공구조물의표면에원치않는해생물이착생, 성장하는현상이다. 해생물이부착되면표면의거칠기가늘어나므로선박의마찰저항이늘어나고선속의저하로이어진다. 방오도료는해생물부착을막는도료로서선박의수선하부의표면에도장된다. 종래에는 fouling 을막아서저항의증가를막는데사용되었지만최근들어와다양한방식의기전에의하여깨끗한표면상태에서도기존도료에비하여작은마찰저항을보이는제품들이개발되어큰관심을받고있다. 본특집은선박의운항효율향상규제인 EEDI (Energy Efficiency Design Index), 선박방오도료와연료소모와의관계, 최신저마찰방오도료개발현황을기술한다. Keywords: antifouling marine paint, FDR (frictional drag reduction), EEDI (energy efficiency design index) 1. 서론 1) 선박과해양구조물은항시수많은해양생명체와접촉하고있다. 해생물부착 (marine biofouling) 은해수에잠긴인공구조물의표면에원치않는해생물이착생, 성장하는현상으로해생물의범주에는미생물, 식물및동물이있다. Almeida 등 [1] 은표면이해수에침적된후조절막 (conditioning film), 미생물막, 유생부착의단계를거쳐 2 3주내에대형부착생물이생장할수있는조건이충족된다고지적하였다 (Figure 1 참조 ). 해생물이부착되면표면의거칠기가늘어나므로선박의마찰저항이늘어나고선속의저하로이어진다. 이를만회하려면연료를더소모해야하는데그만큼온실가스등의배출이늘어나게된다. 해생물부착에의한연료소모는 40%[2] 까지증가하는것으로보고되고있다. Townsin[3] 은보다체계적인연구 주저자 (E-mail: inwon@pusan.ac.kr) 를수행하여해생물의거칠기와난류경계층의매개변수사이의관계를규명하고자시도하였다. 이방법은 Schultz [4] 에의하여확장되었는데, 그결과석회질해생물부착정도가심할경우에저항이 80% 까지늘어나는것으로추산되었다. 따라서, 해생물부착방지, 즉방오 (antifouling) 의중요성은의심의여지가없다. 전통적으로방오를위하여선박과해양구조물표면에방오도료 (antifouling marine paint) 를도장하여왔다. 방오도료는박테리아나해생물유생을사멸시키는독성방오제, 즉 TBT (Tri-Butyl Tin), Cu 2 O 및각종유기방오제를함유하여도료표면에서방오제가수중으로방출된다. 여러가지방오제중 TBT는해수와의가수분해반응에의하여도료의외곽층이순차적으로벗겨져나가는자기마모수지 (SPC; Self-Polishing Copolymer) 의핵심적인기전을담당하면서그자체로서우수한성능의방오제이다. 자기마모수지로서방오도료를제조하면시간의경과에관계없이표면 10 공업화학전망, 제 16 권제 5 호, 2013
선박에너지효율향상을위한저마찰선박방오도료개발동향 Figure 1. 해생물착생 (biofouling) 의진행단계 [13]. 이매끄럽게유지되므로선박저항증가를억제할수있다. 이러한우수한성능때문에 TBT 기반 SPC 방오도료는 1970년대이후 30여년간광범위하게사용되어왔다. 그러나최근, TBT와그유도체는환경호르몬으로작용, 복족류및이매패류와같은해양생물에내분비계교란을일으켜자웅동체화 (imposex) 를일으키는것으로보고되었다 [5]. 이로인하여국제해사기구 (IMO) 에서는 2008년이후 TBT 함유방오도료의사용을전면적으로금지하였다. 그이후선박방오도료는 TBT를포함하지않는이른바 tin-free 방오도료가주종을이루고있는데, Controlled Depletion Paint (CDP), tinfree SPC 및 foul release (FR) 도료가그것이다. 최근선박방오도료의개발방향은 TBT 대체친환경도료개발에서선박의에너지효율향상을위한고기능저마찰도료로바뀌고있다. 본특집에서는선박의운항효율향상규제인 EEDI (Energy Efficiency Design Index), 선박방오도료와마찰저항및연료소모와의관계, 최신의저마찰방오도료 개발현황을소개하고자한다. 2. 선박방오도료와선박에너지효율 Fouling에의한저항증가는오랫동안관심의대상이되어왔는데, Anon[6] 에서초기결과들에대한정리를찾아볼수있다. 그후 biofilm[7], 섬유성조류 [8] 및석회질 fouling[9] 과같은표면착생물의수력학적인특성에대한실험실연구가수행되었다. 이들연구들은 fouling에의하여마찰저항이크게증가하지만그증가폭은 fouling의유형및점유면적비율에따라달라짐을나타내고있다. Fouling이선박의저항에미치는영향에대하여많은연구결과에도불구하고 fouling 상태를어떻게정량화하여선박의저항및추진성능과연계하여예측하는수있는가에대한문제는아직까지성공적으로풀리지않고있다. Schultz[10,11] 는 fouling에의한마찰저항증가가선박의저항증가및연료비증가와어떤관계 KIC News, Volume 16, No. 5, 2013 11
에있는가를분석하였다. 다양한방오도료시편으 로약 1 년간침적시험을수행, 착생이된상태에서 수조시험을통해저항을측정하였다. 각각의방오 도료마다 unfouled, fouled 및 cleaned 의세가지 상태에서거칠기및저항이측정되었다. Unfouled 는침지시험실시전도장직후상태이고 fouled 는 Maryland 주 Annapolis 의 Severn 강하구에서 287 일간 (2002.9.16 2003.6.30) 침지시험을거친 상태이며 cleaned 는침지시험이완료된후나일론 솔로문질러서부착해생물을제거한상태를가리킨다. Fouled 조건의경우도료종류별로상이한해생물부착상태를나타냄을알수있다. 가장경미한상태로부터열거한다면 SPC TBT (light slime), ablative copper (heavy slime), SPC copper (small barnacle), silicone #1 (medium barnacle), silicone #2 (heavy barnacle) 이된다. Unfouled와 fouled 조건에서의마찰저항계수를 Figure 2에도시하였다. 그래프의실선은거칠기가 0인매끈한평판에적용되는 Kármán- Schoenherr curve log 이다. 도장된그대로 의상태인 unfouled 조건에서는도료종류에따라매끈한평판대비마찰저항계수가증가한다. 가장작은 Reynolds 수에서의마찰저항계수의증가폭은 silicone #1에서가장작은 1% 이고, SPC TBT 에서가장큰 4% 이다. Reynolds 수가커지면서표면거칠기에의한마찰저항계수의차이는더욱커지는데매끈한평판대비 silicone #1과 SPC TBT 의마찰저항계수는각각 4%, 8% 증가한다. Fouled 조건의경우매끄러운표면보다훨씬큰마찰저항수치를나타내며그차이는 silicone의경우가가장큰데, 마찰저항계수는매끄러운표면보다 3 4배가된다. 이같은큰폭의저항증가는 silicone 방오도료표면에따개비의착생이두드러지는데기인한다. 한편 ablative copper 및 SPC copper 도료의경우는경미한착생을보이고있으나저항측면에서는여전히상당한증가 (87 138%) 를나타내고있다. 또한 SPC TBT 도료의경우는 slime만이생성되었으나마찰항력계수 가 58 Figure 2. 해생물착생평판의마찰저항계수. 68% 나증가하는점은주목할만한데, Schultz & Swain[7] 의연구에서도유사한결과가관측되었다. 즉, 따개비와같은석회질착생 (calcareous fouling) 이없이 silme만부착된경우에도마찰저항은상당히증가한다. Granville(1958) 이제안한마찰저항상사법칙을응용하여실험실에서얻은저항데이터로부터길이 150 m의평판에대한마찰저항을계산하였다. 이길이는통상적인중형상선및대부분의해군함정의수선길이에해당한다. 각도료의 unfouled, fouled, cleaned 상태에서매끈한평판대비마찰저항계수의증가량을상사법칙을이용하여계산하였고 Figure 3에나타내었다. 도장한그대로의상태인 Unfouled 조건에서저항계수는 silicone이가장낮고 TBT SPC가가장높다. 그러나 fouled 조건이되면저항증가량은 TBT SPC의 50% 로부터 silicone #2의 217% 까지변화하는데, silicone 의경우가 fouling에취약하므로저항증가도가장크다. 또한 cleaned 조건에서도 silicone #2의경우는매끈한평판대비 11% 의증가된마찰저항을나타내는데이는 unfouled 조건보다도 7% 가증가 12 공업화학전망, 제 16 권제 5 호, 2013
선박에너지효율향상을위한저마찰선박방오도료개발동향 Figure 3. 길이 150 m 실선에서의 fouling으로인하여예상되는마찰항력계수의증가율. 된결과이다. 결론적으로 fouling이선박의마찰및연료비증가에상당한영향을미치는것을알수있으며효율적인방오도료가사용되는것이중요함을알수있다. 3. EEDI 인증을위한마찰저항시험평가기법선박의에너지효율향상및온실가스배출저감을위한전세계적인노력이경주되고있는가운데국제해사기구 (IMO, International Maritime Organization) 주도로관련규제가도입되었고본격적인발효를목전에두고있다. IMO 규제는크게 기술적조치, 운항적조치 및 시장기반조치 로구분되는데, 기술적조치는에너지효율설계지수 (EEDI; Energy Efficiency Design Index) 로서, 운항적조치는에너지효율운항지수 (EEOI; Energy Efficiency Operational Indicator) 와선박에너지효율관리계획 (SEEMP; Ship Energy Efficiency Management Plan) 으로구체화되었다. 시장기반조치는탄소세및배출권거래제를기반으로논의중에있다. EEDI는 MARPOL Annex VI에규정된기일이후건조되는선박에적용되는강제규정으로, 2025 년이후현재수준대비 CO 2 배출량 30% 저감, 에너지효율기준 42.9% 의향상을요구하고있다. 이를만족하지못하는선박은운항이금지되기때문에선박의에너지효율을개선하는노력이절실 히필요하다. 특히선박의에너지소모중가장큰비중을차지하는주기관의추진동력을절감해야하는데, 이를반영하여최근다양한형식의저마찰선박방오도료가개발되어시장에소개되고있다. 방오도료는해생물의선체부착 생장현상인 fouling을막는도료로서선박의수선하부의표면에도장된다. 종래에는 fouling을막아서저항의증가를막는데사용되었지만최근들어와다양한방식의기전에의하여깨끗한표면상태에서도기존도료에비하여작은마찰저항을보이는제품들이개발되어큰관심을받고있다. EEDI는선박에적용된에너지효율향상기술의효과를설계단계에서부터인증하는제도이기때문에저마찰방오도료의저항저감성능에대한객관적인평가방법이필요하다. 국내외의여러시험기관에서마찰저항을측정하는다양한실험적방법을고안, 제시하였으나표준화된시험절차및측정오차에대한체계적인분석이결여되어있어표준화하기에는미흡한것이사실이다. 이러한제약때문에선박도료의마찰저항저감성능및실선에서의에너지효율향상효과는각도료제조사의자체연구결과에의존하고있으며, 도료사, 조선소, 선급및해운선사를망라하는관련업계의전반적인의견일치가부재한실정이다. 마찰저항시험평가방법의국내외현황을살펴보면, 국내 2 3개소의선형시험수조에서독자적인마찰저항측정기법을개발하여선박도료의저항특성을평가하는데에사용하고있으나보유시설의사양이상이하기때문에방법을표준화하기는어렵고, 시설간의일관성역시조사된바없다. 측정된마찰저항결과의절대값에대한검증보다는도료간마찰저항의상대적대소비교에주력하고있는형편이다. 국외에서도유수한선형시험수조에서독자적인측정을수행하고있으나표준화된시험방법이부재한상황은국내와동일하다. 수조시험에서공통적으로따르고있는 ITTC 1957, 1978 등의표준시험법은선박모형을중심으로제정된것으로서, 마찰저항은선박모형과길이가같고표면적이동일한이상적인평판의저 KIC News, Volume 16, No. 5, 2013 13
(a) Figure 5. 방오도료별마찰항력계수. (b) Figure 4. 방오도료마찰저항평가를위한예인수조시험 ; (a) 25 mm 흘수, (b) 225 mm 흘수. 항값으로치환된다. 수조모형시험에있어마찰저항측정은큰주목을받지못하였는데, 이는그동안관련연구가조파저항과관련된선형개발위주로진행되었기때문이다. 하지만마찰저항은선박총저항의 60 70% 를차지하는주된성분이고, 선형최적화기술이성숙화됨에따라 21세기들어새로운조명을받기시작했다. 따라서아직까지는국제적으로표준화된기법이제정되지못했는데 EEDI 시행에발맞추어시급히정비되어야할것으로지적되고있다. 본필자들은최근이와같은중요성을가지는마찰저항평가기법의표준을제시하였다. Figure 4는본필자에의한선박예인수조에서의평판마찰저항시험으로마찰저항측정에특화되도록길이와두께의비가 1,000 : 1인강판에평가대상도료를도장한후예인수조의저항동력계로저항을 측정하는장면이다. 평판이예인될때발생하는조파저항성분을상쇄하기위하여두가지의흘수 (draft) 로저항을측정한다. Figure 5는예인수조시험에서얻어진각도료의마찰항력계수 를 Reynolds 수에대하여도시한것으로측정값의불확실도를오차막대로표현하였다. 대체로 Reynolds 수가 3 4 10 6 이넘으면측정값의불확실도가 3% 이내가되며이때도료간비교평가가의미있어지는것으로나타났다. 예인수조에서의마찰저항측정결과를뒷받침하기위하여표면거칠기측정이병행되었는데거칠기값과마찰항력계수와의관계를 Figure 6에나타내었다. 이미알려진것처럼, 마찰항력계수와표면거칠기사이에는양의상관관계가발견되며국부적인표면거칠기가보다높은상관관계를갖는것으로나타나고있다. 14 공업화학전망, 제 16 권제 5 호, 2013
선박에너지효율향상을위한저마찰선박방오도료개발동향 Figure 6. 마찰항력계수와표면거칠기의관계. 4. 고분자저항저감제혼합에의한저마찰방오도료개발종래의방오도료는해생물착생에의한마찰저항증가를억제하는소극적인개념이었으나전술한바와같이 EEDI 규제등에대응하기위하여저마찰방오도료가개발되고있다. 여기에서저마찰방오도료라함은, 새롭게도장된상태에서종래의방오도료보다작은마찰저항특성을발휘하는제품을가리킨다. 본필진은산업통상자원부의지원으로산업원천기술개발사업을수행하면서고분자저항저감제에의한저마찰방오도료를개발하였는데, 본절에서는이의주요한작용원리및성능에대하여살펴보도록한다. 난류경계층의마찰저항저감은선박의연료효율에있어매우중요하다. 선형최적화기술의발달로인하여조파저항은총저항의 20% 미만을차지한다. 나머지를차지하는마찰저항의저감으로부터얻어지는이득은엄청나다. 마찰저항은난 류경계층의조직구조와밀접하게연관되어있으며조직구조를약화시켜마찰저항을감소시키는다양한기법들이지난수십년간제안되어왔다. 그중가장효율적인마찰저항저감기법은고분자분사 (polymer injection) 방법으로 Toms[11] 에의하여처음제안되었다. 물등의액체가흐르는난류유동에고분자물질의수용액을수 수십 ppm 첨가하면긴사슬형태의분자구조가난류에너지를흡수, 재방출하는과정에서모멘텀교환이교란되어마찰저항이수십 % 나줄어드는데이를 Toms 효과라한다. 이후고분자첨가방법은파이프라인에서의원유수송에널리적용되고있다. 최근들어파이프라인과같은내부유동뿐만아니라선체주위경계층유동과같은난류경계층유동에서도고분자분사방법이마찰저항을저감하는데매우유효한것으로밝혀졌다 [12]. 그러나실제적용성측면에서고분자분사방법은큰문제가있는데, 선체표면에분사공을설치해야하기때문이다. 본연구는별개의분사기구및장치를필요로하지않는전혀새로운난류제어기법을고안하였는데, 선박방오도료가저항저감첨가제인고분자물질을함유했다가수중으로서서히용출하는방법이다. 본연구에서는자기마모형수지방오도료가기본소재로사용되었다. 자기마모형수지는방오도료의주성분으로널리사용되는금속계아크릴레이트수지로서, 해수와접촉하면수지속의금속 ( 보통아연 ) 이온이가수분해로해리되면서카르복실기를남기는데, 이로인해수지및도료의표면이친수성이되며최종적으로는비누와같이수용성으로변해표층이박리되면서내부의표면에서가수분해가다시시작된다. 이를마모현상 (erosion) 이라부르는데, 보통은수지내부에함유된아산화동 (Cu 2O, cuprous oxide) 및유기방오제와같은방오안료 (anti-fouling pigments) 들이해수중으로일정하게용출되게한다. 본연구에서개발된 FDR-AF (Frictional Drag Reduction Anti-Fouling) 도료는자기마모형수지에방오안료와더불어 PEO와같은고분자저항저감제를배합한것이다. KIC News, Volume 16, No. 5, 2013 15
Figure 7. FDR-AF 도료의개념도. Figure 9. FDR-AF 의마찰저항저감효과. Figure 8. PEO 용출농도의경시변화. Figure 7과같이, 본개발도료는 SPC 수지 matrix 내부에방오안료와고분자저항저감안료를포함했다가해수중으로방출한다. 이와같이, 선박방오도료의마모기전을고분자저항저감제의방출기구로활용하여 Toms 효과를달성하고자함이본연구의중심적인발상이라할수있다. 이방법을통하여저감기법을선박적용성측면에서획기적으로개선할수있다. 시간에따른 PEO의용출률을로터시험장치에서측정하였다. 로터시험기는동축의원통으로구성되며회전하는내측원통에본개발도료가도장된다. 원통이회전하면서용출되는 PEO의농도를 TOC (Total Organic Carbon) 분석기로서정량한다. Figure 8은시간이지남에따라 PEO가일정한농도로존재함을나타내고있다. Figure 9는고속회류수조에서매입형검력계 (slush-mounted floating plate balance) 를이용하여본개발도료의마찰저항특성을기존도료와비교한결과이다. PEO 2% 함유도료의경우, 기존도료대비 33%, 매끈한평판대비 20% 의마찰저항저감효과가확인되었다. 5. 저항저감공중합수지 (FDR-SPC) 개발앞절에서언급한저마찰도료는고분자저항저감제가물리적으로방오도료에혼합된것으로마찰저항저감성능이우수하나장기안정성및성능발휘에다소미흡한것으로평가되었다. 이에, 본필자는방오도료의기본소재인자기마모형공중합수지 (SPC; Self-Polishing Copolymer) 에고분자저항저감관능기를공중합한저항저감공중합수지 (FDR-SPC; Frictional Drag Reduction SPC) 의합성기술을개발, 저마찰방오도료개발에응용하였다. FDR-SPC는물과의가수분해반응을통하여전술한마찰저항저감고분자물질을수중으로방출하여자체적으로저마찰성을발휘하는신소재고분자물질이다. 별도의마찰저항저감제를혼합 16 공업화학전망, 제 16 권제 5 호, 2013
선박에너지효율향상을위한저마찰선박방오도료개발동향 Figure 11. 입자영상유속계측정. Figure 10. FDR-SPC의구조식및 1 H-NMR 분석결과. 하지않아도성능을유지하기때문에방오도료제조에있어매우유리한것으로평가되고있다. IMO 규정에따라 Tin-free SPC 수지를합성하기위해대안으로떠오르는여러가지물질중에서 Cu, Zn, Si 등이있다. 하지만 Cu 또한환경적문제로인해가까운미래에사용이금지될가능성을고려하여같은금속계열의 Zn을이용하여 SPC 수지를합성하고자한다. 이에 ZMA를주모노머로선정하고실험실자체합성을실시하였다. 실험실에서자체합성한 ZMA (Zinc Methacrylate) 이외의모든모노머는상용시약을사용하였으며, 마찰저항저감 SPC 수지를합성하기위해용액중합 (Solution polymerization) 법을이용하였다. 용액중합은단위체를적당한용제에용해시켜용액상태에서중합하게하는방법으로용제없이단량체와개시제만으로중합이이루어지는괴상중합 (Bulk polymerization) 법에비해서중합계의점성도를낮추어중합시발생하는열을제어하기쉽 기때문에국부적인발열이나급격한발열을피할수있다. 또한분자량의조절이나다리걸침도의조절이용이하다. 용액중합에도반응기중에 Monomer, Initiator, Solvent를처음부터전량투입하여반응시키는전량투입법과반응기중에 Solvent 등을넣고 Monomer와 Initiator를서서히적하하는적하법이있다. 본실험에서는적하법을이용하여 SPC를합성하였다. 본연구에서는두가지종류의 SPC (SPC 1, SPC 2) 를합성하였으며, 각각의 SPC 수지에저항저감형모노머 (drag reduction monomer, DRM) 의 mol% 를변화하여 DRM 1, DRM 2, DRM 3를합성하였다. 저항저감제공중합 SPC 수지의 NMR spectrum 은 Figure 10과같으며, 이를통해합성한저항저감제공중합수지를구조를분석하였다. 또한모노머조성을변화시키면서합성한다른저항저감제공중합수지의구조분석을위해 1 H-NMR 분석을수행하였다. 저항저감 monomer의 NMR spectrum으로부터약 3.5 ppm에서자체 peak이나오고이 peak의상대적인 integral을비교해서합성된수지내의물질의상대적정량치를예측할수있었다. 이와같이합성된 FDR-SPC의마찰저항저감효과를회류수조에서 Figure 11과같은입자영상유속계 (PIV; Particle Image Velocimeter) 를이용하여조사하였다. 측정은평균유속 u m = 0.53 m/s에 KIC News, Volume 16, No. 5, 2013 17
Figure 12. FDR-SPC의난류마찰저항저감효과. 서이루어졌으며, PIV로측정된 Reynolds 응력분포를 Figure 12에나타내었다. PRD3-1의경우마찰저항의주요원인이되는 Reynolds 응력이뚜렷이감소하였음을알수있고이로부터 FDR-SPC 가고분자저항저감제를용출하여마찰저항이감소하는 Toms 효과를발현함을알수있다. PIV로측정된평균유속분포에 CPM 방법을적용하여마찰저항을계산할수있는데 PRD3-1 의경우 15.94% 의괄목할만한저항감소효과가확인되었다. 참고문헌 1. E. Almeida, T.C. Diamantino, and O. de Sousa, Progress in Organic Coatings, 59, 2 (2007). 2. M. A. Champ, Science of the Total Environment, 258(1-2), 21 (2000). 3. R. L. Townsin, Biofouling, 19(supplement), 9 (2003). 4. M. P. Schultz, Biofouling, 23(5), 331 (2007). 5. Y. Honda, Proceedings of the Emerging Nonmetallic Materials for the Marine Environment, Honolulu, HI, USA (1997). 6. Anon, Marine Fouling and Its Prevention, Woods Hole Oceanographic Institution (1952). 7. M. P. Schultz and G. W. Swain, ASME J. Fluids Eng., 121, 733 (1999). 8. M. P. Schultz, ASME J. Fluids Eng., 122, 357 (2000). 9. M. Leer-Andersen and L. Larsson, J. Marine Science and Tech., 8, 26 (2003). 10. P. S. Granville, J. Ship Res., 2, 52 (1958). 11. B. Toms, Proc. Intl Rheol. Congr., 2, 135 (1948). 12. V. S. R. Somandepalli, Y. X. Hou, and M. G. Mungal, Journal of Fluid Mechanics, 644, 281 (2010). 13. D. M. Yebra, S. Kill, and K. Dam-Johansen, Progress of Urganic Coatings, 50, 75 (2004). 이인원 1992 KAIST 기계공학학사 1994 KAIST 기계공학석사 2000 KAIST 기계공학박사 2001 2003 LG 전자선임연구원 2003 현재부산대학교조선해양플랜트글로벌핵심연구센터교수 박 현 1995 부산대학교화학과학사 1997 부산대학교화학과석사 2000 부산대학교분석화학박사 2000 2002 Kyoto Univ. 재료화학과 Post-Doc. 2002 2007 POSCO 기술연구소연구원 2007 현재부산대학교조선해양플랜트글로벌핵심연구센터부교수 18 공업화학전망, 제 16 권제 5 호, 2013