1. 서 론

오일펜스는 선박 충돌이나 좌초와 같은 해상사고 발생 시 선박 주변에 신속히 배치하여 유출된 기름의 확산을 차단하는 방제자재이다. 또한 양식장, 해수욕장, 항만 시설 등 해양 생태계와 재산을 보호해야 하는 구역에 설치되어 기름 유입을 사전에 차단하는 역할을 수행한다(ITOPF, 2014).

오일펜스는 고형식, 형립식, 공기 주입식, 스프링 팽창식 제품으로 구분할 수 있다. 고형식 오일펜스는 해수보다 비중이 가벼운 발포성 고체(스티로폼)를 부력체로 사용하여 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 부피가 커서 보관 공간을 많이 차지하는 단점이 있다. 형립식 오일펜스는 방유벽 양측에 플라스틱 부력체를 부착한 단순한 구조로, 기름 포집 성능이 우수하다는 장점이 있으나 무겁고 파도에 취약하다는 단점이 있다. 공기 주입식 오일펜스는 부력체의 공기를 빼면 부피가 작아 보관이 편리하다는 장점이 있으나, 해상 설치 시 별도의 공기 주입을 위한 장비 동원과 시간이 소요되며, 부력체가 파손될 경우 침강될 우려가 있다. 스프링 팽창식 오일펜스는 릴 장치에 감아둔 상태로 보관하여 부피가 작아 보관이 편리하며, 설치 시 내장된 스프링을 통해 부력체를 팽창시켜 신속한 설치가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 외피 원단이 파손될 경우 해수가 유입되어 오일펜스의 기능을 상실할 우려가 있다(Jeong et al., 2018).

해양경찰청은 해양오염사고 발생 시 신속한 대응을 위해, 전국 20개 해양경찰서가 관할하는 해역에 총 25척의 방제정을 운용하고 있다. 방제정에는 팽창식(스프링 팽창식, 공기 주입식) 또는 형립식 오일펜스 300 m를 릴 장치에 감아 운용하고 있으며, 육상 창고에는 고형식 오일펜스를 보관하고 있다. 그러나 해양오염사고 초기에 현장에 먼저 도착하는 선박은 기동성이 높은 소형경비정이다. 소형경비정은 공간이 협소하여 별도의 오일펜스를 적재하기 어렵다. 따라서 방제정이 도착하기 전까지는 사고 선박 주변에 오일펜스를 설치할 수 없어서 유류 확산의 초동 대응 단계에서 효과적인 조치를 취하기가 어려운 실정이다.

Fig. 1은 해외에서 개발된 신속전장형 오일펜스를 나타낸다(Harbo-technologies web, 2024a; 2024b). 이 제품은 단독 운반이 가능한 크기와 무게로 설계되어 있으며 박스 내부에 지그재그 형태로 접어 보관할 수 있다. 해상 전개 시 수면 위에서는 삼각형 구조를 유지하여 균형을 확보하고, 수면 아래에서는 해수가 유입되어 안정성을 유지하며 기름을 차단 하는 구조를 형성한다. 그러나 수면상 높이가 12 cm로 국내 오일펜스 형식승인 규격(A형, 수면상 20~30 cm)에 미치지 못하여 국내 사용에 어려움이 있다.

오일펜스에 관한 선행 연구는 주로 고형식 오일펜스의 성능에 집중되어 왔다. 예를 들어, 오일펜스 원단의 내구성 (Jang et al., 2021), 파랑 중 성능 예측(Nam et al., 2013), 적정 예인 속도 규명을 위한 실험(Kim et al., 2011), 1척 선박으로 전개하는 방안(Kim et al., 2008), 누유인자 모델링(Bae and Jung, 2003), 그리고 앵커 파주력(Chang, 2003) 등에 관한 연구들이 대표적이다. 한편, 자동팽창식 오일펜스와 관련해서는 육각 오일붐 개발(Kim, 2001)이나 방제정 설치 및 운용(Jeong et al., 2018) 등 일부 사례가 보고되었으나, 좁은 공간에 보관이 가능하며 사용법이 간단한 자동팽창식 오일펜스의 적용 가능성에 대한 연구는 여전히 부족한 실정이다.

본 연구는 소형경비정과 소형방제정에 보관이 용이하고 운용이 간편한 자동팽창식 폴딩 오일펜스를 개발하는 것을 목표로 한다. 구체적으로 조파수조 실험과 실해역 실험을 통해 오일펜스의 성능을 검증하고 인장스프링의 내구성을 평가하여 실용화 가능성을 제시하고자 한다.

2. 폴딩 오일펜스 설계 및 제작

2.1 폴딩 오일펜스 구조 및 원리

Fig. 2는 폴딩 오일펜스의 개념 설계와 내부 구조를 나타 낸다. 폴딩 오일펜스는 보관 시 지그재그 형태로 납작하게 접히며, 사용 시 자동으로 팽창하여 마름모 형태로 전개된다. 이때 구조체 하부로 해수가 유입되지만, 내부에 부착된 부력체에 의해 수면 위에서 삼각형 구조를 유지한다. 이러한 설계는 바람이나 파도와 같은 외력에 의한 형태 변형을 억제하고, 구조의 안정성을 보장한다.

내부 구조체는 프레임, 스프링, 부력체, 지지대로 구성된다. 프레임은 얇은 플라스틱 재질로 제작되어, 보관 시에는 납작하게 접히고, 사용 시에는 마름모 형태로 펼쳐지도록 설계되어 폴딩 오일펜스의 기본 골격을 형성한다. 스프링은 원래 길이의 약 2배로 인장된 상태를 장기간 유지한 후, 사용 시 탄성력에 의해 원래 길이로 복원되며, 내부 구조체 중심에서 수평 방향으로 일정한 장력을 유지한다. 부력체는 내부 구조체의 상단 좌우측 면에 부착되어 수면 위에서 안정적인 부력을 제공함으로써 폴딩 오일펜스의 침몰을 방지 한다. 구조체 하부에는 금속 지지대를 장착하여 선박의 빌지킬과 유사하게 수면 아래에서 무게 중심을 안정적으로 유지한다.

2.2 폴딩 오일펜스 설계

폴딩 오일펜스의 내부 구조체 프레임은 경량성과 가공성을 고려하여 비중이 낮은 폴리프로필렌(PP)을 사용하였다. 지지대는 높은 강도와 내구성을 갖춘 알루미늄(Al)을 사용하였다. 스프링은 해수 환경에 적합한 스테인레스(SUS316) 재질로 제작되어, 약 2배로 인장되어도 탄성력이 유지되도록 내구성을 고려하여 설계하였다. 부력체는 수분 흡수를 방지하기 위해 폴리에틸렌(PE) 폼으로 선정되었으며, 해상 환경에서 우수한 부력을 제공한다.

설계 Tool을 활용하여 내부 구조체의 부품 연결 위치와 구조 요소를 Fig. 3에 표시하였다. 이를 통해 부품 간 상호작용을 쉽게 파악할 수 있다. 조립된 구조체의 최종 형상은 Fig. 4에 다양한 각도로 제시하여 부품 배치와 결합 상태를 시각적으로 확인할 수 있다. 내부 구조체에 사용된 부품의 상세 사양은 Table 1에 정리하였다.

2.3 폴딩 오일펜스 제작

본 연구의 구조 설계를 기반으로 Fig. 5와 같이 폴딩 오일 펜스를 제작하였다. 내부 구조체 모듈은 폴리프로필렌(PP) 시트 , 폴리에틸렌(PE) 폼, 폴리카보네이트(PC) 파이프, 알루 미늄(Al), 인장스프링(SUS), 경첩(SUS)으로 구성되며, 마름모 형태를 이루고 상하 방향으로 압축될 때 접이식 구조로 접히도록 설계하였다. 각 내부 구조체 모듈은 지그재그 방식으로 접고 펼칠 때 서로 꼬이지 않도록 약 24 cm 간격으로 연결되었다. 폴딩 오일펜스의 원단은 PVC 타포린을 사용하였고, 접속부는 기존 오일펜스와 호환되도록 지퍼형 규격을 적용하였다. 내부 구조체 하부의 양쪽 받침 부분과 오일펜스 원단 하단부는 알루미늄 리벳으로 체결하여, 구조체 하부로 해수가 유입되는 개방형 구조가 되도록 제작하였다. 폴딩 오일펜스는 스프링 팽창식 A형으로, Table 2에 제원이 정리되어 있으며, 시제품은 현장에서 일반적으로 사용하는 길이(20 m, 무게 54 kg)와 경량화를 위한 길이(10 m, 무게 28 kg) 두 종류로 제작하였다. 폴딩 오일펜스가 해상에서 전개되면 구조체는 수면 위로 약 20 cm의 높이와 수면 아래로 약 31 cm의 깊이로 설치된다. 사용 후에는 지그재그 방식으로 접어 보관상자에 효율적으로 적층할 수 있다.

3. 스프링 내구성 시험

3.1 스프링 내구성 시험 방법

폴딩 오일펜스에 사용되는 인장 스프링은 내부 구조체의 좌우 측면에 장력을 가하여 마름모 형태의 구조를 안정적으로 유지하는 역할을 한다. 따라서, 장기간 해수 환경에서 사용 시 변형과 마모가 최소화되며, 유연한 작동 특성을 유지해야 한다. 또한, 부식 저항성이 우수하며 일정한 장력을 지속적으로 유지할 수 있어야 한다. 인장 스프링의 신뢰성을 평가하기 위해서는 피로 시험기를 활용하여 작동 응력 범위 내에서 반복적인 인장 하중을 가하고, 파단 시점까지 시험을 수행해야 한다(Cheong et al., 2007).

그러나 본 연구에서 사용한 인장 스프링은 통상적인 스프링보다 자유길이(약 27 cm)와 인장 변위(약 23 cm)가 증가된 설계를 적용하였다.. 또한, 폴딩 오일펜스가 간헐적으로 작동한다는 특성과 실제 피로 시험기의 한계를 고려하여 목표 횟수를 10,000회로 설정하고, 인장 변위(약 23 cm)보다 가혹한 조건인 약 27 cm를 시험 변위로 적용하여 피로시험을 실시하였다.

시험 순서는 먼저 스프링의 초기 인장력을 측정한 뒤, 염수침지시험과 피로시험을 순차적으로 진행하고 다시 인장력을 측정하여 결과를 비교하는 방식으로 수행하였다. 본 시험에서는 최대 하중 100 kN, 작동 변위 ±135 mm를 지원하는 피로시험기를 사용하였으며, 시편은 인장 스프링 총 6점을 준비하였다. 초기 인장력 시험에서는 자유길이가 약 27 cm인 시편을 인장 변위 약 23 cm로 늘려서 길이가 약 50 cm가 되었을 때의 인장력을 측정하였다. 염수침지시험은 바닷물 평균 염분 농도(3.5 %)와 동일한 조건의 염수에 시편 3점을 7일간 침지함으로써 진행하였다. 피로시험은 Fig. 6과 같이 피로시험기의 지그 양끝단에 인장 스프링을 고정하고, 시험 변위 약 27 cm와 0.2 Hz 속도로 총 10,000회를 약 14시간에 걸쳐 시행하였다.

3.2 스프링 내구성 시험 결과

Table 3에 제시된 바와 같이, 인장 스프링을 약 50 cm로 인 장했을 때 시편 6개 모두에서 동일하게 20 N의 초기 인장력이 측정되었다. 또한, 시편 4, 5, 6에 대해 7일간 염수 침지 시험을 수행한 결과, 균열이나 파손이 발생하지 않아 이상이 없음을 확인하였다. 이어서 시편 6개 전부를 작동 변위 (약 23 cm)보다 17% 가혹한 조건(약 27 cm)에서 총 10,000회 피로시험한 뒤, 길이 약 50 cm에서 인장력을 측정한 결과 역시 20 N으로 나타나 장력이 일정하게 유지됨을 확인하였다. 시험 결과의 신뢰도를 확보하기 위해, 스프링 내구성 시험은 한국기계전기전자연구원에 의뢰하여 실시하였다.

4. 폴딩 오일펜스 성능 실험

본 연구에서는 폴딩 오일펜스의 자동 팽창(Fig. 7), 보관 용이성(Fig. 8), 부유 안정성(Fig. 9), 기름 포집(Fig. 10) 성능을 평가하기 위해 해양경찰교육원 해양오염방제훈련장의 조파 수조에서 성능 실험을 실시하였다. 조파수조는 파고가 약 0.2~0.3 m로 가동되었다.

4.1 자동 팽창 실험

작업자가 보관상자에서 폴딩 오일펜스(길이 20 m)를 꺼내 조파수조에 투입한 후, 자동 팽창 및 기립 여부를 확인하였다. 총 4회에 걸친 실험 결과, 자동 팽창에 소요되는 평균 설치 시간은 약 25초로 측정되었다. 모든 실험에서 오일펜스는 투입 직후 자동으로 팽창하여 안정적으로 기립하였으며, 작업자 한 명이 단독으로 오일펜스를 투입할 수 있음을 확인 하였다. 이는 폴딩 오일펜스가 제한된 선박 공간에서도 신속하고 효율적으로 설치될 수 있음을 시사한다.

4.2 보관 용이성 실험

조파수조에 전개된 폴딩 오일펜스(길이 20 m)를 작업자 두 명이 직접 회수하여 보관상자에 정리하는 데 걸리는 시간을 측정하였다. 총 4회 실험 결과, 회수 및 정리에 소요되는 평균 시간은 약 76초로 측정되었다. 지그재그 형태로 납작하게 적층함으로써 손쉽게 보관할 수 있음을 확인하였다.

4.3 부유 안정성 실험

조파수조에서 폴딩 오일펜스(길이 20 m)를 설치한 후, 수면 위 높이와 수면 아래 깊이를 측정하여 부유 성능을 평가 하였다. 본 실험은 ^「해양오염방제 자재·약제의 성능시험기준 및 검정기준에 관한 규칙(해양경찰청 행정규칙)_」에 따라 수행되었다(Korea Coast Guard Notice No. 2021-6, 2021). 판정 기준에 따르면, 오일펜스는 기울임 후 즉시 복원되어야 하며, A형 오일펜스의 경우 수면 위 높이는 20 cm 이상 30 cm 미만, 수면 아래 깊이는 30 cm 이상 40 cm 미만이어야 한다.

임의로 선택한 세 지점에서 측정한 결과, 수면 위 높이는 평균 약 20 cm, 수면 아래 깊이는 평균 약 31 cm로 나타났다. 부유 성능과 형태 안정성을 확인하기 위해 수면 위와 수면 아래의 형상을 카메라로 관찰하였다. 조파수조를 가동한 상태에서도 수면 위의 삼각형 형상은 안정적으로 유지되었으며, 수면 아래에서는 폴딩 오일펜스 하부가 개방된 상태에서 물이 채워져 역삼각형 형상을 형성하며 일정한 깊이를 유지하였다. 본 실험 결과, 폴딩 오일펜스는 국내 오일펜스 규격상의 부유 성능 기준을 충족하는 것으로 확인되었다.

4.4 기름 포집 실험

조파수조에 폴딩 오일펜스를 가로 약 1 m, 세로 약 1 m의 면적으로 사각형 형태로 설치한 후, 약 1 ℓ의 기름(벙커 A) 을 투입하여 포집 성능을 평가하였다. 실험은 파고 0.2~0.3 m 가동 조건에서 수행되었으며, 수면 위는 육안으로, 수면 아래는 수중 카메라를 통해 기름의 외부 유출 여부를 관찰 하였다. 포집된 기름의 양을 확인한 결과 투입된 1 ℓ의 기름이 그대로 측정되었다. 이는 수면 위는 오일펜스의 높이로 인하여 유출량이 0이었고, 수면 아래에서도 유출되지 않는 것으로 확인되었다. 이는 수면 위에서 오일펜스의 높이가 기름 유출을 효과적으로 방지하고, 수면 아래의 스커트가 기름의 유출을 완전히 차단함을 시사한다. 그러나 본 실험은 정성적 관찰에 의존하였고, 유출 방지 성능을 정량적으로 평가하지 못한 한계가 존재한다.

5. 폴딩 오일펜스 실해역 실험

5.1 실해역 실험 방법

본 실험은 군산, 속초, 동해, 창원 해역에서 폴딩 오일펜스를 실제 해상 환경에 설치하는 과정을 검증하기 위해 수행 되었다. 실험에 사용된 선박은 해양경찰서 소형방제정(전장 13.7 m, 선폭 3.9 m, 배수톤수 12톤, 최대 속력 20노트)과 해양환경공단 방제선(전장 24.15 m, 선폭 9.4 m, 총 톤수 78톤, 최대 속력 13노트)이다. 파고 약 0.5~1 m, 풍속 최대 10 m/s의 조건에서 폴딩 오일펜스를 해상에 투입하고 자동 팽창 및 기립 여부를 확인하며 설치시간을 측정했다.

5.2 군산, 속초, 동해 실해역 실험 결과

Fig. 11은 군산, 속초, 동해에서 실시한 실해역 실험을 나타낸 것이다. 해양경찰서 소형방제정을 이용하여 폴딩 오일 펜스 20 m를 단독으로 설치하고 회수하는 방식으로 진행되었다. 보관상자를 성인 남성 2명이 운반하였으며, 소형방제정은 약 2노트의 속도로 전진하면서 폴딩 오일펜스를 해상에 투입하였다. 세 지역에서의 평균 설치시간은 약 40초였으며, 모든 실험에서 기립 성공률이 100%를 기록하였다. 폴딩 오일펜스의 내부 구조체가 팽창함에 따라 무게 중심이 안정 적으로 유지되며 자동으로 기립됨을 확인하였다. 폴딩 오일 펜스의 회수 작업은 두 작업자가 도르레 방식을 이용하여 회전 레일 위로 끌어올린 후, 납작하게 접어 보관상자에 지그재그 형태로 적재하는 방식으로 수행되었다.

5.3 창원 실해역 실험 결과

Fig. 12는 창원에서 실시한 실해역 실험을 나타낸 것이다. 해양환경공단 방제선과 창원해양경찰서 소형방제정을 동원하여 총 180 m 길이의 폴딩 오일펜스를 J자형과 U자형으로 전장하여 설치하는 방식으로 진행되었다. 설치 작업은 1회 진행되었으며, 폴딩 오일펜스가 자동으로 팽창하여 기립 및 설치되기까지 소요된 시간은 약 6분으로 측정되었다. 실험 결과, J자형과 U자형으로 안정적으로 설치되었으며, 대규모 해상 방제 작업에도 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였다.

6. 결 론

본 연구에서는 좁은 선박 공간에 보관이 용이하고 사용법이 간편하여 해상에서 신속한 설치가 가능한 자동팽창식 오일펜스를 국내 형식승인 기준에 맞추어 개발하였으며, 스프링 내구성 시험, 실해역 실험, 그리고 조파수조 실험을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

첫째, 폴딩 오일펜스는 별도의 공기 주입없이 스프링에 의해 자동으로 팽창되며, 내부 구조체 상부의 부력체에 의해 삼각형 형태로 안정된 기립 상태를 유지하도록 설계되어 해상에서 신속하게 설치됨을 확인하였다.

둘째, 폴딩 오일펜스의 주요 부품인 인장 스프링에 대해 피로시험(10,000회)과 염수침지시험을 실시한 결과, 부식 및 장력 유지 성능에 이상이 없음을 검증하였다.

셋째, 조파수조 실험에서 폴딩 오일펜스(길이 20 m)의 기능 구현을 테스트한 결과, 자동 팽창으로 기립되어 수면 위 높이 20 cm, 수면 아래 깊이 31 cm를 충족함을 확인하였다. 파고 0.2~0.3 m의 조건에서도 안정적인 기립상태를 유지하였다. 또한, 기름 포집 실험을 통해 기름 유출 차단 성능이 확인되었으나, 외적 타당성과 재현성 확보를 위해 추가적인 정량 지표와 통계적 검증의 필요성이 도출되었다.

넷째, 군산, 속초, 동해, 창원에서 실시한 실해역 실험 결과, 폴딩 오일펜스 20 m 설치 시 평균 약 40초가 소요되었으며, 180 m 설치 시 약 6분이 소요되었다. 이는 기존 자동팽 창식 오일펜스의 설치 속도(분당 약 30 m)와 동일한 수준을 유지함으로써, 설치 속도 면에서 경쟁력이 우수함을 확인하였다(Jeong et al., 2018).

본 연구에서 개발된 폴딩 오일펜스는 해양오염사고 현장에서의 신속한 초동방제 대응능력을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 이러한 성과는 국내외 해양방제산업의 발전에 긍정적인 영향을 미칠 것이다. 향후 연구에서는 성능 실험의 신뢰성을 높이기 위해 정량적 수치를 기반으로 한 추가 실험이 필요하며, 인장 스프링의 장기 보관 후 작동 안정성과 폴딩 오일펜스 소재 특성을 체계적으로 분석하는 후속 연구도 필요할 것으로 판단된다.