1. 서 론

2019년 우리나라 국가통계포털(Korean Statistical Information Service, KOSIS)에 따르면 5톤 이하의 소형 선박은 약 53,000 척으로 총 국내 등록된 어선세력의 81 %를 차지하고 있음을 Table 1에서 확인할 수 있다.

선박의 프로펠러 부유물 감김 사고의 경우 2018년 통계에 따르면 총 278건의 프로펠러 부유물 감김 사고 중 약 79.8 % 인 222건이 어선에서 발생한 사고로 조사되었다(Kang et al., 2007;KMST, 2018;FIPA, 2018). 이처럼 해양사고에서 어선이 차지하는 비율이 높은 것은 국내 등록되어 있는 어선의 척 수가 높은 비율을 차지하기 때문이다.

이에 정부 및 해양수산부는 어선의 해양사고 발생을 줄이 고 예방하기 위해 2013년 ‘어업관리 역량강화 종합대책’을 발표하여 2020년까지 어선사고를 2012년 대비 50 % 수준으 로 줄이는 것을 목표로 하고 있으며(MOF, 2013), 2015년 ‘원 거리 낚시어선 안전관리 종합대책’ 및 ‘낚시어선 안전 관리 개선대책’을 마련하여 안전사고 예방을 위해 노력하고 있다 (Han, 2017). 이 외에도 해양사고의 예방과 점검을 위해 해양 사고 원인 분석을 통한 안전성 향상을 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다(Han, 2017;Kang et al., 2013;Kim et al., 2013;Jung, 2018;Cho et al., 2017;Ryu and Kim, 2019;KMST, 2017).

본 논문에서는 다양한 해양사고 중에서 소형 어선 및 낚 시선 등의 프로펠러 부유물 감김 사고로 인한 2차사고 등의 문제를 해결하기 위한 수중 로프 절단기를 제안한다. 제안 하는 수중 로프 절단기는 선박에 탑재되어있는 DC24V 배터 리를 연결하여 사용할 수 있도록 하여 별도의 추가 장비 없 이 사용할 수 있도록 하였으며, 비전문가가 안전하고 편리 하게 사용할 수 있도록 수중 로프 절단기의 속도제어시스템 및 역전류방지 회로를 적용하였다.

2. 선박 프로펠러 감김 사고

2.1 프로펠러 감김 사고 사례

프로펠러 감김 사고란 선박이 항해 중 바다에 표류하는 어업용 폐그물이나 로프 및 해초 등에 의하여 프로펠러 샤 프트에 이물질이 감기면서 샤프트 소손, 동력 상실 등의 문 제가 발생하는 것을 뜻한다. Fig. 1은 프로펠러 감김 사고를 나타낸다.

이러한 이물질 감김 사고를 해결하기 위해 선원이 Fig. 2 와 같이 선체 후부 프로펠러 샤프트위에 뚫려있는 구멍을 통해 낫 등의 도구를 이용하여 문제를 해결하고 있다. 그러 나 공간이 제한적이며 작업자의 완력에 의지해야 하는 상황 에서 물에 잠긴 PP(Poly Propylene) 로프를 절단하는 것은 육 상과 수중 로프까지 힘을 전달하기가 어려운 작업이 된다.

따라서 현재 운항중인 선박의 프로펠러에 감긴 이물질 제 거 작업이 선상에서 어려울 경우, 선박을 예인하여 육상으 로 들어 올린 후 직접 제거하거나 사고 위치에 선박이 표류 된 상태에서 잠수부가 직접 배 밑에서 잠수하여 프로펠러에 감긴 이물질을 제거하는 방법을 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 작업 방법은 많은 시간과 비용이 발생할 뿐만 아니 라 프로펠러에 감긴 이물질을 제거하기 위해 바닷물 속으로 들어간 선원이 숨지는 등 높은 위험성도 함께 포함하고 있 다(Kpilbo, 2017;Jejudominilbo, 2015).

2.2 관련 연구 동향

근래 해양사고 방지 및 예방을 위해 1장과 2.1절에 나타낸 것 같이 많은 정책적 시도를 하고 있다. 대표적인 방법으로 선박 샤프트에 별도의 커팅장치를 설치하여 이물질의 부착 을 방지하는 방법이 있다(Jejudominilbo, 2015). 이러한 방법은 선박 축계에 추가적인 장비를 설치하게 됨으로써 많은 비용 과 시간을 소요하게 된다.

Fig. 3은 제주도 서귀포에서 지원한 로프절단기 지원 사업 에서 부착한 로프절단기를 나타낸다. 부착한 로프절단기는 기관마력수에 따라 약 800 ~ 1,000만원의 비용이 소요된다. 이외의 방법으로 원형톱날을 이용한 로프 절단기가 있으나, 협소한 공간에서 고착된 이물질을 원형 톱의 구조상 쉽게 절단하기 어려우며, 절단을 하더라도 절단된 이물질이 회전 하는 원형톱날 축에 감기어 원형 톱의 기능을 제대고 수행 하지 못하게 된다. Fig. 4는 원형 톱날방식의 절단기에 로프 가 감겨 소손된 모습을 나타낸다.

더불어 어민들은 육상에 사용되어지고 있는 여러 절단장 치를 사용하려고 하나 소형 선박은 육상에서 사용하고 있는 교류 220V전원의 부재로 육상에서 사용하는 장비를 사용하 지 못하고 있을 뿐만 아니라, 전원을 연결하여 사용하더라 도 손잡이 길이가 짧아 프로펠러까지 거리가 닫지 않아 사 용이 어렵다.

3. 수중절단기

3.1 기구 설계

2장에서 기술한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 전 통적인 기계톱 원리를 이용하여 간단한 구조를 가지면서 수 중 절단작업이 용이한 수중절단기를 제안한다. 수중절단기의 기계적 구조는 절단기의 모터로부터 발생하는 회전력을 톱날 의 직선왕복운동으로 바꿔주는 유성피니언과 크랭크핀을 사 용하였다. 특히, 수중에서 PP 로프의 액체화가 잘 이뤄지지 않 는 상태에서도 높은 절단능력을 확보하기 위해 행정을 50 mm 로 설계하였다. Fig. 5는 기구 설계 및 시제품을 나타낸다.

수중절단기의 주요 사양은 Table 2와 같다.

일반적인 연안항해용 소형선박의 경우 선내 AC220V 전원이 없는 경우가 많아 육상에서 사용하는 전자 장비사용이 거의 불 가능 하다. 본 연구에서 제안하는 수중절단기의 경우 소형선박 에 비치되어있는 배터리(DC 24V)를 사용하여 동작할 수 있도록 구성하였다. 또한, 나무 및 쇠를 절단하는 장비와 달리 직선왕복 운동을 통하여 이물질을 제거할 수 있도록 하였을 뿐만 아니라, 육상에서 주로 사용되는 절단장비의 행정(15 ~ 25 mm)과 달리 톱날의 행정을 50 mm로 길게 설계하여 PP 로프의 액체화가 이 뤄지지 않는 수중에서도 원활하게 절단할 수 있도록 하였다.

3.2 제어회로 설계

3.1절에 설계 및 제작한 수중절단기를 선원이 보다 편리 하고 안전하게 사용하기 위해 속도제어 및 역전류제어 회로 를 설계하여 적용하였다. 제어회로를 통해 수중절단기의 구 동모터의 속도를 제어함으로써 프로펠러에 감긴 이물질의 크기, 재질 및 특성에 따라 적절한 속도를 제공하여 원활하 고 효율적인 절단작업이 이루어질 수 있도록 하였다. Table 3 은 제어회로의 전기적 사양을 나타낸다.

수중절단기 제어회로는 개발품의 추후 대량생산을 고려 하여 가격단가를 낮추기 위해 별도의 제어기(Microprocessor) 가 없이 아날로그 회로를 이용하여 동작할 수 있도록 하였 다. 동작모터의 속도제어를 위해 NE555 타이머IC를 중심으 로 주변회로를 구성하였다. NE555 타이머IC는 주변회로의 주요 부품인 저항과 콘덴서 값을 변경하여 펄스의 폭 및 스 위칭 주파수를 변경할 수 있다.

Fig. 6 회로에서 C2값이 10,000pF인 세라믹콘덴서를 적용 하였으며, CN1(VR)단자에 10kOhm의 가변저항을 적용하여 사용자가 노브를 이용해 모터의 속도조절을 위한 펄스폭을 변조할 수 있도록 하였다. Fig. 7은 개발한 제어기 PCB이며, Fig. 8은 노브 움직임에 따른 스위칭 소자(전계효과트랜지스 터)의 Gate단자에 입력되는 파형을 나타낸다. 고전류의 도통 을 위해 다수의 스위칭 소자를 적용하여 발열을 줄이고자 하였으며, 다이오드 및 저항 소자를 이용하여 파형의 왜곡 이 발생하지 않도록 하였다. 또한 듀티비 0 %에서 누설전류 가 흐르지 않게 하여 대기전력을 최소화 하였으며, 듀티비 를 25 %씩 증가시킬 때의 스위칭 소자 Gate단 파형 왜곡의 개선을 확인하였다.

개발한 수중절단기의 경우 선내에 탑재되어 있는 배터리 (DC24V)를 사용하여 수중절단기의 전원을 공급하여 사용할 수 있도록 하였다. 3.1절에서 나타낸 것과 같이 수중절단기 의 동작모터의 회전운동을 직선왕복운동으로 변환하기 위 해 유성기어 및 웜 기어 등을 적용하였으나, 기계적 구조의 특성상 모터가 설계된 반대방향으로 회전하게 되면 기어가 반대로 풀려 사고 및 고장을 유발할 수 있다. 따라서 본 논 문에서 개발한 제어회로는 배터리의 극성에 상관없이 결선 할 수 있도록 전원부 앞에 다이오드를 적용하여 역전류가 흐르지 못하도록 하였다.

Fig. 8에서 제시한 PCB(Printed Circuit Board)기반의 제어기 는 수중절단기 모터 정격 전력인 저전압 , 고전류 사용 환경 에 안정적으로 동작할 수 있어야 한다. 따라서 PCB 내 전력 소자(다이오드, 전계효과트랜지스터 등)를 병렬로 연결하여 전력소자에 흐르는 전류를 나눠 모터 속도 제어를 할 수 있 도록 구성하였다. 또한 제어 기판의 높은 전류의 흐름은 열 에 약한 PCB 기판의 열화 또는 손상을 유발할 수 있으므로 전류가 많이 흐르는 전력부의 랜드(패턴)를 유리 에폭시 위 로 동판이 노출될 수 있도록 하였다. 따라서 추가적인 납땜 작업으로 기판 패턴의 저항을 낮춰 보다 높은 전류를 PCB 기판 밖으로 흘려보내면서 발열을 줄일 수 있도록 설계하였 다. Fig. 9는 제작이 완료된 제어기판을 나타낸다.

역전류 방지를 위해 다이오드(V40DL45)를 2개 병렬연결 하였으며, 스위칭 소자인 전계효과트랜지스터(NCE7190) 4개 를 TO-220 방열판(SY200B-25)에 연결하여 회로에 적용하였 다. PCB 기반 제어기는 내열성이 좋지 않아 높은 전류의 제 어회로로 적합하지 않다. 본 연구에서 개발한 제어기는 비교 적 저전압 고전류 사용 환경에서, 제어기가 안정적으로 동작 할 수 있도록 전력소자를 병렬 연결하여 전류를 분산시킴으 로써 고온으로부터 발생할 수 있는 소손을 방지하였다. 해상 에서 소형 선박에 탑재된 배터리의 용량 관계상 수중절단기 사용시간은 20분 이내로 사용하는 것을 권장한다. 따라서 본 연구에서 개발한 드라이버의 안정성 확인을 위하여 연속 20분 사용에 따른 보드의 온도를 측정하였다. 보드 온도 측정을 위한 시험환경 및 실험결과는 Table 4와 Fig. 10과 같다.

Fig. 11은 실험에 사용한 배터리로, 실제 선박에 탑재되는 12V 납축전지를 병렬 연결하여 수중절단기에 전원이 공급 될 수 있도록 실험을 진행하였다. 제어기 설계는 연속운전 으로 30A의 전류를 감당할 수 있도록 설계하였으나, 실험환 경에서 수중절단기에 부하가 없이 실험하여 약 20A 환경에 서 시험을 진행하였다. 실험 측정 데이터는 Fig. 12에 나타내 고 있으며, 절단기의 제어기 명령을 최대로 상승시킨 후 배 터리의 전압과 전류를 표시하고 있다.

3.3 실험 환경 및 데이터 취득 회로

3.3절에서 개발한 속도제어기의 성능계측을 위한 데이터 취득을 위해 제어기 입력단의 전압, 전류의 계측이 필요하 다. 전류 검출부는 홀 효과를 사용한 전류센서 ACS756 소자 를 이용하여 전류를 측정하였으며, 전압 검출은 전압센서 ACPL-C87X 직접소자를 활용하여 전원부와 데이터 취득 보 드의 전원을 절연(Isolation)시켜 전압을 측정할 수 있도록 구 성하였다. 측정된 전압신호는 Op-amp를 거처 신호를 증폭 한 후 DAQ(Data Acquisition) 장비인 National Instrument 社의 cRIO(Compact reconfigurable I/O)를 통하여 측정하도록 하였 다. Fig. 13은 데이터 취득 보드 및 데이터수집장비이며, Fig. 14는 전압-전류 측정 회로도를 나타낸다. Table 5는 주요 장 비 사양을 나타낸다.

3.4 제품 성능 평가 및 인증

3.3절에서 개발한 제품의 성능 평가 및 인증을 위해 조선 기자재연구원에서 제품 인증 시험을 진행하였다. 성능 평가 시험은 현장시험으로 진행되었으며 Table 6과 같이 6가지 항 목에 대하여 시험을 진행하였다.

본 연구에서 개발한 절단기를 사용하여 실험용 수조에 담 긴 20 mm PP 로프을 절단하는 능력을 검증하였다. 실험환경 은 실제 해상 선박과 유사하도록 Fig. 15와 같이 구축하여 진 행하였다. 실험 환경은 대기 온도 약 24℃, 습도 21 % R.H로 진행되었으며 Fig. 12와 같이 소형 선박에 탑재되는 배터리 와 유사 사양을 가진 배터리를 적용하였으며, 그 외에 절단 기 및 제어기는 실제 제품을 사용하여 실험을 진행하였다.

평가 결과 축에 감겨있는 20 mm PP 로프을 절단하기 까지 소요된 시간은 47초였으며, 소음은 75.8 dB로 측정되었다. 또 한, 실험 진행기간 동안 제어기의 발열상태도 최고온도 38℃ 로 제어기의 설계온도인 50℃보다 낮게 동작됨을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서 소형선박에 비치된 동일한 사양의 배터리를 이용하여 선외기의 프로펠러 및 샤프트에 감긴 이물질을 제 거하기 위한 수중절단기 기구 설계 및 제어기를 개발하였 다. 설계 및 개발한 수중절단기는 이물질 제거 작업에 있어 작업자의 편의를 위해 1.2 m의 하우징 파이프를 적용함으로 써, 사용자가 물속에 들어가지 않은 외부에서도 원활히 진 행할 수 있도록 하였다. 그리고 사용자의 안전 및 편의를 위 하여 선내 배터리의 극성에 무관하게 동작할 수 있도록 하 였을 뿐만 아니라, 작업 환경에 맞추어 속도를 원활히 제어 할 수 있도록 하였다. 제품 상용화를 위하여 주요부품(손잡 이, 하우징, 크랭크 핀 등)의 금형을 제작하여 대량생산 할 수 있도록 하였으며, 제품의 단가를 낮추기 위해 아날로그 소자를 활용하여 제어기를 제작하였다. 시험 평가 결과 수 중에서 20 mm의 PP 로프를 절단하기 까지 시간은 47초로 양 호한 성능을 보였다.

현재 제품 판매를 위한 시제품이 제작되고 있으며, 추후 제품 내 배터리를 장착하여 무선으로 동작 가능한 절단기를 개발하고, 나아가 사용하고 있는 모터의 출력을 보다 높이 기 위하여 BLDC(Brushless DC) 모터를 적용한 제품을 개발할 예정이다.