기획특집: 기능성 도료 신기술 - CHERIC캐비테이션 저항성능과 표면 상태가...

28 공업화학 전망, 제16권 제5호, 2013

유무기 복합 기능성 캐비테이션 저항 코팅시스템

최 준 영†․김 세 웅*

(주)노루홀딩스 중앙연구소, 삼성중공업(주) 산업기술연구소

Functional Cavitation Resistance Coating System with Organic-inorganic Hybrid

Junyoung Choi† and Sewoong Kim*R&D Center, Noroo Holdings, Anyang-si, Gyeonggi, Korea

R&D Center, Samsung Heavy Industries, Geoje-si, Gyeongsangnam-do, Korea

Abstract: 캐비테이션 저항 코팅 도료는 선박 스크류 유체흐름에 의한 캐비테이션 침식을 억제하는 도료로 고가이며

기술적인 난이도가 매우 높아 외국 제품이 장악하고 있는 시장으로 국산화가 매우 시급한 기술이다. 본고에서는 캐비

테이션 현상에 대한 이해, 현재 사용되는 해외제품 특성, 캐비테이션 저항성 시험방법, 현재 사용되는 해외제품과 국

내 개발 중인 도료의 캐비테이션 저항 성능을 비교해보고자 한다.

Keywords: cavitation, high anti-abrasion coating, anti-abrasion coating for rudder cavitation erosion, coating for ship’sscrew, High impact resistances

1. 캐비테이션 현상에 대한 이해1)

캐비테이션 현상은 유체의 흐름에 의한 부분적

인 진공현상이 발생하여 기체를 포함한 액체가 피

대상 표면에 계속적인 충격을 가하여 피 대상 표

면이 손상되는 현상을 말한다. 주로 선박의 경우

빠른 운항속도, 선박의 초대형화, 프로펠러 최대화

에 따라 현재 LNG선, 컨테이너선 등 주요 선박에

서 대부분 발생하고 있다. 캐비테이션에 의한 충격은 프로펠러 edge 부분

의 침식[1], 부식으로 이어지며 방향타 역할을 하

는 Rudder 부분에 대한 손상을 유발한다. 이러한

현상은 선박 운행 중 소음 발생, 방향조정 기능

상실, 최악의 경우 운행 불가한 상황을 연출할 수

있다. Figure 2에서 프로펠러 회전에 의한 캐비테이션

발생부위와 프로펠러 edge 손상된 모습을 볼 수

있다.

†주저자 (E-mail: [email protected])

2. 캐비테이션 저항성 도료 필요성

현재 여러 가지 방법으로 캐비테이션에 의한 피

도막 손상을 최소화하기 위한 연구가 계속되고 있

다. 프로펠러 형태에 대한 연구, Rudder 구조에 대

한 연구, 프로펠러와 Rudder 재질[2], 부착물에 의

한 연구[3] 등 논문과 학회지를 통해 발표되고 있

다. 그러나 가격적인 문제, 구조적인 문제 등으로

현실화, 검증이 더 필요하다고 본다. 선박의 운항에 중요한 역할을 차지하는 Rudder와 프로펠러 내구성을 증진시키며 유체 흐름에 의

한 피 도막 손상을 억제하는 도료가 미국과 영국

등에서 개발되어 상용화되어 국내 조선소에서 전

량 수입으로 적용되고 있으나, 고가인 상품 가격

과 수작업으로 이루어지고 있어 yard 작업성 부분

에서 많은 문제점을 갖고 있다. 이에 고내구성과 작업성을 겸비한 경제적인 캐

비테이션용 도료 국산화 개발에 대한 조선소의 요

구가 매우 높으며, 이를 만족시키기 위해 국내 도

료사와 조선소 간 협력을 통해 특수 도료 원천기

기획특집: 기능성 도료 신기술


KIC News, Volume 16, No. 5, 2013 29

Figure 1. 캐비테이션 원리[1].

Figure 2. 선박의 프로펠러와 Rudder의 캐비테이션 침식[1].

술 확보가 절실히 필요로 되는 상황이다.

3. 국내외 캐비테이션 저항성 도료 현황

현재 캐비테이션용 저항성 도료는 세계적으로 2개사 정도 제품이 주도하고 있고, 국내 조선소에

서는 전량 수입품으로 영국 A사, 미국 B사 제품이

주로 사용되고 있다. 컨테이너선, LNG선, 크루즈

여객선 등 규모가 큰 선박을 위주로 Rudder 부위

에 시공되고 있고, 전체 선박의 약 40%가 컨테이

너선, LNG선, 크루즈여객선이며 대상 선박 35%가

캐비테이션 내구성을 가진 도료를 적용되고 있다. 전체 선박기준 약 14%에 캐비테이션 저항성 도

료가 적용이 되고 있으나, 해외제품은 모두 수동

작업용이며 선박에 사용되는 도료 중 비용 측면에

서 매우 높은 가격 부담을 갖고 있는 실정이다. 고가의 도료 가격은 도료 적용의 도장부위를 좁게

가져갈 수밖에 없고, 이에 따른 캐비테이션으로부

터 선박보호 성능을 약화시킬 수 있다. 따라서 국

산화를 통해 외국제품보다 효율적으로 작업이 가

능하고, 제품의 경제성을 부여할 수 있는 스프레

이 작업용 고내침식 캐비테이션 도료를 개발하여

선박 특수 도료시장의 기술력을 확보하여야 한다. 이러한 취지에서 현재 가격 경쟁력을 가지며 스프

레이 작업을 통한 작업성을 확보하고 캐비테이션

저항 성능이 우수한 도료를 정부과제로 개발 진행

중에 있다. 주요 국내 조선소에 적용되는 해외 제품은 다음


30 공업화학 전망, 제16권 제5호, 2013

Figure 3. A사 제품. Figure 4. B사 제품.

Table 1. 해외제품 일반 물성 결과[4]

구분 B사 B제품 A사 A제품

외 관 Green 액상 Blue 액상 군청색 액상 검정색 액상

점도 A/B (25℃, cps) 165,000/30(7∼20/4∼20 rpm)

172,000/30(7∼20/4∼20 rpm)

168,000/50,800(7∼2/7∼20 rpm)

3,500/140,000(7∼20/7∼2 rpm)

비중 A/B (g/cm2) 1.10/1.0 1.06/1.0 1.11/1.13 1.07/1.13

인장강도(N/mm2) 11.9 11.7 12.6 11.6

신율(%) 75 71 92 500

경도(Shore A/D) 87/34 85/35 85/37 87/32

흡수율(%) 2.53 2.75 2.77 2.7

마모감량(mg) 59 48 46 45

과 같다.

3.1. 해외 제품 1

- 회사명 : A사

- 생산국 : 영국

- 시스템 명칭 : ACR (Abrasion & Cavitation Resistant) Elastomer

- 품명 : A 제품

- 경화시스템 : 폴리우레아

- 초기 정부과제 목표 대상품, 수동 작업

- 가격 : 35만원/kg

3.2. 해외 제품 2

- 회사명 : B사

- 생산국 : 미국

- 시스템 명칭 : FLEXICLAD - 품명 : B 제품

- 경화시스템 : 우레탄 변성 에폭시

- 정부과제 최종목표 대상품

- 국내 조선소 최근 상용품, 수동 작업

- 가격 : 25만원/kg

A, B사 두 제품 모두 수동 작업에 의해 시공되

는 2액형 도료로 흐름성을 감안, 점도부분이 높게

설계 되었으며 특징적으로는 체질 함량이 적은 형

태로 B사 5%, A사 2% 정도이다.

4. 캐비테이션 저항성 시험방법

4.1. 기존 ASTM G32와 Modified ASTM G32

의 비교평가

기존의 캐비테이션 저항성 제품에 대해 ASTM G32를 따라 시험을 실시하여 Modified ASTM G32와의 비교평가를 실시하였으며 비교한 결과는

Table 2, 시험장치의 설치는 Figure 5와 같다. 평가 결과와 같이 ASTM G32를 따라서 금속이 아



항목 ASTM G32 Modified ASTM G32

제품 적용부위 Horn tip에 직접시공 평면 시편에 시공

제품 시공 균일한 두께 형성 어려움 균일한 두께 형성가능

Cavity 발생부위금속(titanium) Horn tip에서 발생된 진동이 제품에 전달되며 제품의 끝

단에서 cavity 발생Horn tip 끝단에서 직접발생

Cavity 발생량Horn tip에서 발생된 진동이 제품에 모두 전달된다면 정상적인 cavity가

발생되나, 시험결과 발생량이 적음

정상적인 20 kHz의 진동으

로 cavity 발생

시험진행 시험 실시 후 시편 균열에 의해 정상적인 시험진행 어려움 진행가능

horn tip

(a) ASTM G32 (b) Modified ASTM G32

평가 제품평가 제품

cavity 발생위치

horn tip

cavity 발생위치

Figure 5. 시험방법별 장치 setting[4].

Table 2. ASTM G32와 Modified ASTM G32의 비교평가 결과

닌 도료 제품들을 평가하는 것은 어려운 부분이

있으며, 평가 중에도 시편의 cavity가 정상적으로

발생되지 않아 잘못된 시험결과를 얻거나, 시편의

균열에 의해 시험을 중단해야 하는 경우가 많다. 실질적으로는 공구 horn을 통해 horn tip으로 전

달된 진동이 모두 제품에 전달이 되어야 하며 적

용된 제품도 내부의 진동의 흡수나 변화없이 모두

전달이 되어야 한다. 또한, 제품 자체도 20 kHz의

진동을 견디어 낼 수 있는 물성을 가지고 있어야

한다. 이런 것이 모두 이루어졌을 때, 제품의 끝단

에서 20 kHz에 준하는 cavity가 발생되어 정상적

인 평가가 가능한 것이다. Figure 6은 ASTM G32의 평가방법으로 B 제품에 대한 평가 진행사항을

일반 금속의 ASTM G32와 도료제품의 Modified ASTM G32와 비교하여 보여준다. 결과를 종합할

때 캐비테이션 방지 도료제품의 캐비테이션 저항

성 평가는 Modified ASTM G32로 평가하는 것이

정확한 결과 값과 제품별 비교평가를 실시하는데

좀더 적합한 시험방법이라고 판단된다.

4.2. 기존제품 및 일반 선박외판 침수부 적용 제

품들의 캐비테이션 저항성 성능시험

기존의 상용 캐비테이션 방지 도료제품, 현재

선박외판 침수부에 적용되는 상용도료 및 STS (Stainless steel) cladding 공법에 대해 Modified ASTM G32에 따라 평가를 수행하여 제품별 및

system별 비교평가가 가능하게 되었다. 평가된 제

품에 대한 항목은 Table 3과 같다. 위의 제품들에 대한 캐비테이션 침식 저항성능

은 Table 4의 t50(CMDE (Cumulative Mean Depth of Erosion; 누적 침식 깊이) 50 µm까지의 시간), Figure 7의 노출시간과 CMDE의 상관 그래프 및

평가된 시편사진으로 나타낼 수 있으며, 각 제품


32 공업화학 전망, 제16권 제5호, 2013

Cavity 발생 前 Cavity 발생

(a) 금속 (titanium) ASTM G32 평가

Cavity 발생 前 Cavity 발생

Horn tip과시편 간격

0.5mm

(b) 기존 제품의 Modified ASTM G32 평가

Cavity 발생 前 Cavity 발생 後 1sec

Cavity 발생 後 18sec




Cavity 발생량

많음

Cavity 발생량

감소

제품 내부균열

및 균열부위

Cavity 발생

제품의

균열

제품

내부균열

심화

(c) 기존제품의 ASTM G32 평가 (노출시간에 다른 시편의 변화)Figure 6. 평가 방법별 비교[4].



SYSTEM 제품명 제조사 비고

상용 캐비테이션 방지 도료A 제품 A

B 제품 B 정부과제 목표제품

선박외판 침수부

적용도료

에폭시 도료(Universal primer)

Epoxy A -

Epoxy B -

Epoxy C -

Epoxy D -

A/F 도료SPC type

SPC A -

SPC B -

Silicon type Silicon A -

Stainless steel cladding STS316L -

Table 4. 기존제품 및 선박외판 침수부 적용 제품의 캐비테이션 저항성 성능시험 결과[4]

SYSTEM 제품명 t50* (min; time to CMDE 50 µm) 비고

상용 캐비테이션 방지 도료A 제품

1 min 이내 표면파괴

(평균 18 sec 표면파괴, 침식두께 37 µm)

B 제품 113 정부과제 목표제품

선박외판

침수부

적용도료

에폭시 도료(Universal primer)

Epoxy A 4

Epoxy B 4

Epoxy C 3

Epoxy D 4

A/F 도료SPC type

SPC A 0.6

SPC B 0.7

Silicon type Silicon A 40

Stainless steel cladding STS316L 580

※ a. t50*: B 제품의 평가 시 표면 들뜸 및 균열 발생으로 인해 t50으로 결과 비교

Table 3. 기존제품 및 선박외판 침수부 적용 제품의 캐비테이션 저항성 성능시험 제품[4]

들의 캐비테이션 저항성능은 명확한 차이를 보이

고 있다.

5. 해외 제품과 국내 개발 중인 제품의 캐비

테이션 저항성 비교

국내 개발 중인 제품은 기존 해외 제품과 경쟁

력을 가지고자 다른 경화 시스템을 도입하였으며

1∼3차는 우레아 경화, 4∼5차 우레탄 경화로 검

토를 실시하였으며 Table 5와 Figure 8에 캐비테

이션 저항성 성능 결과를 나타내 보았다. 캐비테이션 저항성 도료는 2액형으로 주제부

우레탄 프리폴리머와 경화제부 폴리올로 구성되

어 있으며 주제부 우레탄 프리폴리머는 nco%, 부가반응에 사용되는 폴리올 분자량과 조성에 따라

캐비테이션 저항성능과 표면 상태가 달라질 수 있

다. 적절한 폴리올 분자량은 초음파에 의해 발생

하는 캐비테이션 충격을 완화시키는 역할을 하며


34 공업화학 전망, 제16권 제5호, 2013

(a) 노출시간 vs. 누적침식깊이 그래프

노출시간: 15sec 노출시간:120min

(b) 기존제품 (A 제품) (c) 기존제품 (B 제품)

노출시간: 30min 노출시간: 3min

(d) 에폭시 도료 (e) A/F도료 SPC type

노출시간:120min 노출시간:210min

(f) A/F도료 slilcon type (g) STS cladding (STS 316L)

Figure 7. 기존제품 및 선박외판 침수부 적용 제품의 결과 그래프 및 침식시편[4].



구분 개발 차수 샘플번호 t50 (min; time to CMDE 50 µm)

개발제품

1 全샘플 1 min 이내 표면파괴



4 4-4 150

5 5-7 150

비교

상용제품

A 제품 - 1 min 이내 표면파괴

B 제품 - 113

노출시간: 1min이내

(a) 1차 (1-3) (b) 2차 (2-3)

(c) 3차 (3-2) (d) 4차 (4-4)

(e) 5차 (5-7)

노출시간:150min노출시간: 1min이내

노출시간: 1min이내

노출시간:150min

Figure 8. 개발 중인 제품 캐비테이션 저항성 성능시험결과[4].

Table 5. 1∼5차 개발 중인 제품의 캐비테이션 저항성 시험결과[4]


36 공업화학 전망, 제16권 제5호, 2013

(f) 노출시간 vs. 누적침식깊이 그래프

Figure 8. 계속.

Table 6. 5차 개발 중인 제품의 캐비테이션 저항성 성능시험결과

샘플번호 t50(min) 평가표면 주제 경화제 비고

5-8 226 균열 有(상대적 少) MDI+(PCD A/PPG) PCL 1 단독 주제 분자량 1000

5-9 220 균열 有(상대적 多) MDI+(PCD B/PPG) PCL 1 + 단분자(1.3BG) 주제 분자량 1000

5-10 216 균열 有(상대적 多) MDI+(PCL A/PPG) PCL 1 + 단분자(1.3BG) 주제 분자량 1000

※ a. t50: 누적 침식 깊이 (CMDE; Cumulative Mean Depth of Erosion) 50 µm 되는 시간

b. MDI: Methylene Diphenyl Diisocyanate c. PCD: Poly Carbonate Diol d. PPG: Poly Propylene Glycol e. PCL: Poly Caprolactone Polyol f. 1.3BG: 1, 3 Butylene Glycol

화제부에 저분자량의 알콜류를 사용할 경우 표면

크랙이 발생할 수 있다. 주제부 폴리올 조성별 캐비테이션 저항 성능 특

성을 파악하고자 검토를 실시하였으며 경화제는 5∼8과 동일한 배합으로 진행하였다. Table 7과

Figure 10에 캐비테이션 저항성 성능 결과를 나타

내 보았다. 6차 평가 결과 캐비테이션 저항성 성능은 주제

부의 폴리올별 비교시 PCD > PCL > PPG 순으로

나타났다. 7차 평가에서는 경화제부 나노물질인 카본 종

류별 캐비테이션 저항성 성능을 확인해보았다. Table 8과 Figures 11, 12에 캐비테이션 저항성

성능 결과를 나타내 보았다. 다음의 그래프에서 보이는 것과 같이 graphite 내에서는 spherical type 보다는 fiber type이 상대

적으로 높은 캐비테이션 저항성을 나타내고 있다. 또한 CNT 내에서는 multi wall 보다는 single wall이 높은 캐비테이션 저항성을 보인다. 하지만, sin-gle wall의 경우 제품의 가격이 상당히 고가로 가

격경쟁력을 감안할 때 적용이 어렵다고 판단된다. 기존에 계속적으로 평가되었던 Graphite A (6-2'




Figure 9. 5차 개발 중인 제품 평가 그래프 및 침식표면[4].

샘플)의 경우 micron size의 Graphite B (7-5 샘플)보다는 다소 높은 캐비테이션 저항성을 나타내었

으나 타 종류보다는 낮은 캐비테이션 저항성을 나

타내었다. 평가되었던 나노입자 중에 가격 및 캐비테이션

저항성을 감안하여 가장 최적은 Graphite C (7-7


38 공업화학 전망, 제16권 제5호, 2013

샘플번호 t50 (min) 평가표면 주제 경화제 비고

6-1' 172 균열 無 MDI + PPG PCL 1 단독 주제 분자량 2000

6-2' 186 균열 無 MDI + PCL B PCL 1 단독 주제 분자량 2000

6-3' 157 균열 無 MDI + PCL C PCL 1 단독 주제 분자량 2000

6-5 332 균열 無 MDI + PCD PCL 1 단독주제 분자량 2000

주제 고점도, 도료화 어려움

Table 8. 나노입자 종류결정 캐비테이션 저항성 성능시험 결과[4]

샘플

번호t50 (min)

나노입자평가

표면주제 경화제 비고

종류 형태(특성)

6-2' 186 Graphite A Spherical type

균열 無 MDI +PCL B

PCL 1단독

기존 나노입자

7-2 214 CNT A Multi wall

7-3 202 CNT B Multi wall

7-4 230 CNT C Multi wall

7-5 182 Graphite B Spherical type Micron size

7-6 286 CNT D Single wall

7-7 292 Graphite C Fiber type 저항성 높음

7-8 282 Graphite D Fiber type

7-9 209 CNT E Multi wall 가격 경쟁력 높음

Table 7. 6차 개발 중인 제품의 캐비테이션 저항성 성능시험 결과[4]

샘플) 제품으로 확인되었고, 최적의 제품인 Graphite C(7-7 샘플) 가격의 1/20 수준으로 평가된 나노입

자 제품들 중 가장 가격이 낮은 CNT E (7-9 샘플)는 개발제품의 가격경쟁력을 감안하여 추후 진행

시 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다. 주제 조성, 경화제 조성 및 나노입자 종류에 대

한 평가를 통하여 최적의 조합(7-7 샘플)을 확인하

였으며, CMDE 50 µm 기준으로 t50 292 min의 결

과를 도출하였다. 이 결과는 기존 해외 제품인 B 제품의 113 min의 두 배 이상을 상회하는 결과이다. 현재까지의 결과는 수작업으로 시편을 제작하여

평가한 결과이다.

6. 맺음말

선박에서 발생할 수 있는 캐비테이션 현상 이해

와 Rudder, 프로펠러를 보호하는 코팅재료에 대해

현재 사용 중인 해외 도료와 국내 개발 진행 중인

도료를 캐비테이션 저항 성능을 중심으로 비교해

보았다. 경화시스템을 우레탄 시스템으로 접근하

여 해외 제품에 비교하여 상대적으로 우수한 캐비

테이션 저항성 성능을 얻었고 나노 카본을 도입하

여 우레탄 시스템에서 모자라는 내열성, 내충격성

을 보강할 수 있었다. 현재 국내 조선소에서 원하는 spray 작업성에

대한 검토가 진행 중이며 2014년에는 좋은 결과를

얻을 수 있다고 판단된다. 또한 개발한 도료 응용

분야를 넓혀 산업용 펌프, 강관, 노즐, 필터 등 유

체에 의한 캐비테이션 저항성 및 내침식성을 요구

하는 부분의 코팅재료로 영역을 확대하고자 한다.




Figure 10. 6차 개발 중인 제품 평가 그래프 및 침식표면[4].


40 공업화학 전망, 제16권 제5호, 2013

Figure 11. 7차 개발 중인 제품의 나노입자 종류별 평가시편 침식표면[4].



Figure 12. 나노입자 종류별 침식시간 비교.

Figure 13. 침식시간 최종결과.

참 고 문 헌

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3. Cavitation erosion resistance of stellite alloy weld overlays ~ Wear 267 (2009) 1954.1960

4. 내침식 페인트 성능 판별에 적합한 새로운 캐

비테이션 침식시험기법 개발, 대한조선학회

논문집, 47(2), (2010). 5. 부분 프로펠러 날개 모형을 이용한 높은 레이

놀즈수에서의 공동시험, 대한조선학회 논문

집, 46(6), (2009). 6. 프로펠러 및 선미반류에 의해 영향을 받는 혼-

타의 캐비테이션 관찰 및 간극 유동에 대한 가


42 공업화학 전망, 제16권 제5호, 2013

시화 연구, 대한조선학회 논문집, 45(3), (2008). 7. 타 간극 캐비테이션과 저감장치에 관한 2차원

모형실험, 대한조선학회 논문집, 47(2), (2010).

최 준 영1994 아주대학교 화학공학과 학사

현재 노루홀딩스 중앙연구소

수석연구원

김 세 웅2004 성균관대학교 화학공학과

학사

현재 삼성중공업 산업기술연구소

책임연구원

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