탄소나노튜브 면상발열체의 선박 기자재 적용을 위한 기술사업화 분석 및 제품 개발

Abstract

탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 면상발열체는 기존 선박에 사용해온 발열케이블을 대체하여 초경량 및 박판 형태의 면상 나노튜브 소재를 적용하여 용이하게 시공할 수 있다. 또한 일차원적 교차 케이블이 아닌 면상의 발열체를 이용함으로써 에너지 효율을 높이고 단위 체적당 발열면적을 극대화시킬 수 있는 신 개념의 발열체 적용 기술이다. 선박에 적용된 연구 사례는 북극항로를 운항하는 선박의 결빙방지를 위한 발열체 적용 기술 제안이 있었으나, 실제 제품화되어 납품된 실적은 없는 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 산업 분야에서 다양한 제품과 결합되어 적용되고 있는 탄소나노튜브 면상발열체 신소재를 선박 기자재에 적용하기 위해 LNG운반선을 기준으로 의장시스템에 대한 기술을 분류하였다. 조선소의 기술 분야별 전문가 인터뷰 및 현장실사를 통해 실제 적용이 가능한 아이템을 조사한다. 기술 사업화가 가능한 제품으로서 “극지운항 선박용 발열 갑판이동로”, “LNG운반선 코파댐 히팅시스템”, “선박 연료 탱크 히팅시스템”, “극지운항용 갑판 발열매트” 등 4개 품목을 선정하고 제품로드맵을 수립하였다. 그리고 실증 제품으로 선정된 “극지운항 선박용 발열 갑판이동로”에 대하여 시제품 제작 사례 연구를 통해 기술사업화 가능성을 검증하였다. 갑판이동로는 극지 환경 온도 조건인 -62℃에서도 사람이 안전하게 이동할 수 있도록 선박의 갑판에 설치되는 통행로를 말하며, 갑판이동로의 설계 조건은 Anti/De-icing을 위해 상온 5℃ 이상을 유지하도록 되어 있다. 기존의 외국산 히팅 케이블이 적용된 갑판이동로는 열전달 효율에 따른 Anti/De-Icing 효과가 미흡하고, 무거운 무게 때문에 시공 상의 문제점을 가지고 있다. 이에 선박에서 실제 적용된 제품이 없는 탄소나노튜브 면상발열체를 갑판이동로에 적용하여 Anti/De-Icing 효과가 높고, 시공이 용이하며, 제조원가를 낮출 수 있는 새로운 발열 갑판이동로 국산화 개발을 목표로 연구를 진행하였다. 제품 개발을 위해 전문가 인터뷰 및 현장실사를 통해 사업화 가능성이 가정 높고, 실증제품으로 최종 선정된 갑판이동로에 대한 제품분석과 현재 설치상의 문제점 등을 조사하고, 국내 선박에 있어서 갑판이동로에 발열체를 적용하는 특허군을 검색하여, 주요 특허 10건을 선별하고 특허분석을 실시하였다. 또한, 제품 개발을 위한 외부 설계 온도 기준을 마련하기 위해 극지운항 선박 적용 국제규격을 조사하고, 최종적으로 조선소에서 실 선박에 탑재되는 기자재의 성능에 맞춘 기준을 마련하였다. 최적의 재질과 두께를 찾기 위한 개념설계 및 시뮬레이션을 활용하여 구조안전성 및 열전달 해석을 통해 발열량의 도출, 도출된 값을 기반으로 한 탄소나노튜브 면상발열체 적용 발열 모듈 설계 및 시제품 제작을 수행하였다. 시제품은 시뮬레이션 결과를 기반으로 최적의 재질과 두께(SS400의 3.2t)를 적용하여 제작되었다. 최종적으로 공인시험기관의 시험테스트 및 조선소 전문가 시연회를 통하여, 본 연구는 제안된 시제품이 조선소 납품이 가능하고 사업화가 가능하다는 것을 검증하였다.

The carbon nanotube (CNT, Carbon Nano Tube) surface heater is a new heating element application concept which can replace existing heat-generating cables used in vessels. It can make installation easier with surface nanotube materials of ultra-light and thin plate type. The CNT not only increases energy efficiency but also maximizes heating area per unit volume by utilizing surface heaters instead of one-dimensional cross-cable. Although a research case which proposed applying the technology to prevent freezing of vessels sailing arctic route was found, there exists no case where the technology was manufactured and supplied was found.

This study classifies ship machinery system technologies on LNG carrier and analyzes applicable items with the help of experts from different technology fields for applying CNT surface heater, a new material that is applied and combined with various products in many industries, to the ship equipment. As a result, we selected four items that are suitable for technology commercialization and established product roadmaps as follows: “heat walk-way of deck for polar shipping vessels”, “LNG carrier cofferdam heating system”, "fuel tank heating system for vessels", and "heat mat of deck for polar shipping vessels. This study verified potential technology commercialization possibility of "heat walk-way of deck for polar shipping vessels" through prototype production case studies.

‘Walk-way of deck’ refers to a passageway installed on the deck of a ship so that people can move safely even at -62°C which is a polar environment temperature, and its design conditions require the walk-way to be maintained above 5°C for Anti/De-icing. The walk-way of deck with existing foreign-made heating cables has insufficient Anti/De-Icing effects due to low heat transfer efficiency, and has problems in installation due to heavy weight. Thus, this study aims to develop new walk-way that is Anti/De-icing effective, easy to install, and cost effective by applying CNT surface heater which has never been applied on ship related products.

In order to develop the product, we performed the product analysis and investigated current installation problems of ‘walk-way of deck’ through interviewing experts and on-site inspection. Also, we searched for patents that had applied heating elements to ‘walk-way of deck’ and selected 10 crucial patents for the patent analysis. In addition, we analyzed international standards required on polar plying vessels to establish external design temperature standards for product development. Eventually we developed standards based on the performance of equipment that will be installed onto actual vessels at the shipyard. In order to find optimal materials and thickness, the amount of heat generated through structural safety and heat transfer analysis was derived using conceptual design and simulation. Based on the derived values, we designed a module which the carbon nanotube surface heater is applied and manufactured a prototype. Based on the simulation results, the prototype was manufactured by applying the optimum material and thickness (3.2t of SS400).

Finally, this study proved that the proposed prototype could be supplied to the shipyard and commercialized through inspection by the certified institution and demonstration for ship experts.