서 론
Sea anchor는 선박 또는 생존정(Survival craft)이 황천 시에 기관이나 타효(Rudder effect)를 이용하여 선수를 일정한 방향으로 유지하면서 표류할 수 없을 때, 수중에 투하하여 표류 안정성을 확보하는 구조체로 알려져 있 다. 그러나 어업분야에서는 주광성이 있는 어종을 집어 등으로 유집시켜 해류나 조류에 의한 해수의 흐름과 어 선의 표류 속도를 일치하게 하여 어획 능률을 높이는 보조 어구로 사용되고 있다.
어업용 Sea anchor는 근해채낚기(403척, 2021) 및 원 양채낚기(29척, 2021) 어선에서 필수적인 어업 기자재 로 사용되고 있으며 낚시어선 및 일부 대형선망 어업에 서도 사용되고 있다. 그러나 현재 국내에서 사용하고 있는 어업용 Sea anchor는 일부 특정 업체에 편중되어 보급 및 제작되고 있으며(Kim et al., 2022), 표준화된 제작 도면, 제작 방법이나 성능 기준이 마련되어 있지 않다. 채낚기 어업에서 Sea anchor의 성능은 어획의 성 패를 좌우하는 중요한 역할을 하고(NFRDI, 1997), 작업 중 어선 및 어선원의 안전과도 밀접한 관계가 있다.
최근 정부에서는 수산기자재 산업을 육성하기 위한 관 련 법안 입법 추진 및 수산기자재시험인증센터 건립 등의 노력을 하고 있으며(Song, 2023), 표준화(Standardization) 는 대부분의 산업분야에서 제품의 품질 및 성능 향상과 호환성 확보, 생산능률의 증진 및 사용자의 합리적인 제품 구매, 기술 견인 및 국제 경쟁력 확보와 신규자 산업 진입 경로 제공 등의 다양한 긍정적 효과 유발로 활성화되고 있다. 그러나 어업기자재 분야는 표준에 대 한 인식이 부족하고 표준 개발 및 활용 사례가 타산업군 에 비하여 부족한 실정이다.
어업용 Sea anchor 및 표준화와 관련된 선행연구로는 유체역학적 특성과 수치해석(Ro et al., 1997;Ro et al., 1998), 오징어 채낚기 어선의 물돛 개발(An, 2000)과 형 상에 따른 수중 저항에 관한 연구(Hyun, 2000) 및 구성 에 따른 수중 안정성에 관한 연구(Jung and Kim, 2022) 가 있었으며, 어업용 Sea anchor 사용실태 분석을 통한 표준화 기초연구(Kim et al., 2022)가 있었다. 선행연구 는 Sea anchor의 수중형상 및 채낚기 조업 편의성 증대 와 실태에 대한 연구가 이루어졌으나, Sea anchor 고유 의 성능을 평가하기 위한 관련 연구가 부족하므로 어업 용 Sea anchor의 사용에 따른 어획능률 및 작업 안정성 과의 관계, 어업용 Sea anchor의 표준화를 위한 구성 재 료의 성능 평가에 관한 연구는 필요하다. 특히 Sea anchor의 본체(Canopy)에 사용되는 천은 어선의 표류 저항력 및 보조 어구로서의 Sea anchor 전체 성능의 중 요한 영향을 미친다.
따라서 본 연구에서는 최근 제작되고 있는 어업용 Sea anchor 본체 천의 성능 시험을 통하여 Sea anchor 본체의 성능 기준을 제시하고, 향후 어업용 Sea anchor 제작 및 성능 표준의 기초자료로 활용하는데 연구의 목 적이 있다.
재료 및 방법
시료의 준비
어업용 Sea anchor의 본체는 제작업체 및 사용자의 요구에 따라 다양한 재질이 사용되고 있다. 본체는 수중 에서 가장 많은 수류 저항을 받는 부위이며, Sea anchor 자체의 구조형상 유지와 어선의 표류 안정성에 중요한 영향을 미치게 된다. 본체 천은 주로 PA (Poly amid)와 PES (Polyester) 재질의 천을 사용하고 있는 것으로 조사 되었다. 따라서 현용되는 Sea anchor 본체 천의 성능을 평가하기 위하여 2021년 5월부터 7월까지 3개사의 대표 천 시료 5종을 수집하여 천과 관련된 국가표준(KS)에 의한 성능 테스트를 하였다.
사용된 시료의 상태 표준을 맞추기 위하여 모든 시료 는 KS K ISO 139(텍스타일-컨티셔닝과 시험을 위한 표 준 상태)에 따라 온도는 20.0℃ (±2.0℃), 상대습도는 65.0% (±4.0%)의 표준 상태에서 컨디셔닝(Conditioning) 하여 시험하였다. 컨디셔닝은 표준상태에서 공기 순환 이 자유로운 환경에서 2시간 간격으로 시료의 질량을 측정하여 질량의 변화가 0.25% 이상 변하지 않을 때까 지 컨디셔닝 한다.
천의 겉보기 번수와 봉합사의 성능 시험
시료의 천을 구성하고 있는 실의 겉보기 번수와 천과 천 사이의 봉합부에 사용된 봉제실의 겉보기 번수와 인 장강도를 시험하였다. 시험에 사용된 시료의 천을 구성 하고 있는 실과 봉제실을 KS K 0415(텍스타일-직물 구 조 분석방법-제5부 천에서 분리한 실의 번수 측정) A법 에 따라 겉보기 번수(New metric count; Nm)를 측정하 였다. 이 때 시료는 KS K ISO 139에 규정된 표준상태에 서 4시간 동안 예비 컨디셔닝 후 다시 24시간 동안 노출 시켜 수분 평형이 되도록 하고, 경사(Warp)와 위사 (Weft) 방향으로 실을 900 mm의 길이로 각 5올씩 채취 한 후 5올의 실에 대한 질량을 질량 분석기로 측정하였 다. 또한 봉제실의 절단강도 측정을 위하여 예비 컨디셔 닝과 컨디셔닝한 시료를 KS K ISO 2062(텍스타일-패키 지로부터 채취한 실- 정속인장식 시험기를 이용한 단사 의 절단 강도 및 절단 신도 측정)에 따라 정속 인장식 (Constant rate extension; CRE) 시험기의 크램프에 파지 거리는 250 mm, 인장 속도는 250 mm/min로 총 19회 시험한 측정값을 산술 평균하여 나타내었다.
겉보기 번수 측정 시험이 완료된 5종의 Sea anchor 본체 천의 시료를 국가표준(KS) 시험 방법과 조건에 따 라 인장강도, 투습도, 건조속도, 봉합부의 봉합강도에 관한 천의 성능을 시험하였으며, 시험은 한국건설생활 환경시험연구원 및 KOTITI 시험연구원 실험실에서 진 행되었다.
천의 인장강도 시험방법
Sea anchor 본체 천의 인장 강도의 측정은 경사(Warp) 와 위사(Weft) 방향으로 표준 상태와 습윤 상태의 2가지 방법으로 KS K 0521(텍스타일-천의 인장성질-인장 강 도 및 신도측정:스트립법)에 따라 진행하였다. 시험은 Fig. 1과 같이 한쪽 클램프는 고정되어 있고 다른 클램프 는 일정 속도로 이동하는 정속 인장식(CRE) 시험기를 이용하여 시험편의 전폭을 Jaw로 파지하고, 파지 거리는 200 mm, 인장 속도는 100 mm/min으로 실시하였다. 천의 인장 강도는 시료마다 5회 측정하여 산술 평균하였다.
겉보기 번수와 인장강도의 상관관계
시료의 겉보기 번수와 표준상태 및 습윤상태의 인장 강도 상관관계를 알아보기 위해 상관관계의 크기를 모 수적인 방법으로 나타내는 Pearson의 상관계수를 다음 식을 이용하여 확인하였다.
Pearson의 상관계수는 변수가 여러 개인 데이터 두 가지를 비교할 때, 각각 x와 y변수에 대입하고 식을 계 산하여 두 데이터 간의 상관계수를 계산할 수 있다(Lee et.al., 2021).
여기서 r값은 Pearson의 상관계수를 나타내고 x는 표 본 집단의 χ의 평균, y 는 표본 집단의 y의 평균을 나타 낸다. 상관계수 r의 양의 값은 비례를 의미하고, 음의 값은 반비례를 의미하며, 0.1~0.3은 약한 상관관계, 0.3~0.7은 강한 상관관계, 0.7~1.0은 매우 강한 상관관계 를 의미한다.
천의 투습도와 건조속도 시험 방법
Sea anchor 본체 천의 물빠짐 성능을 평가하기 위하여 천의 투습도(Water vapour transmission rate; WVTR)와 건조속도를 시험하였다. 시료의 투습도는 KS K 0594 (텍스타일의 투습도 시험방법)의 염화칼슘법으로 진행 하였다. Fig. 2(a)의 시험용 투습컵에 직경이 70 mm인 시험편을 약 40℃로 예열한 투습컵에 담은 33g의 흡습 제를 담아두고, 시험편의 아랫면과의 거리를 3 mm가 되도록 조정한 뒤, 고정 및 봉합한다. 준비된 시험체를 온도 40℃ (±2℃), 상대습도 90% (±5%)의 공기가 순환 되는 항온·항습 장치에 넣어두고, 1시간 후에 시험체를 꺼내어 질량을 측정하고(a1), 다시 넣어 1시간 후에 시험 체를 꺼내어 질량(a2)를 측정하였다.
천의 건조속도는 KS K 0642(직물 및 편성물 시험방 법)의 8.25 A법으로 시험하였다. 컨디셔닝된 시료에서 400 mm X 400 mm의 시험편 3장을 준비하여 20℃(± 2℃)의 물속에 펼친 상태로 침지시켜서 충분히 흡수시킨 후 물에서 꺼내어 물방울이 더 이상 떨어지지 않을 때 Fig. 4(b)와 같은 건조 시간 측정 장치를 장착하여 표준상 태의 시험실 내에서 방치하고 자연 건조되어 항량이 될 때까지의 시간을 측정한다. 시험은 3회 시행하고 결과값 의 평균을 산출하고 정수자리로 수치 맺음한다.
천 봉합부의 봉합 강도 시험방법
봉합부의 봉합 강도를 측정하기 위하여 제작사가 서 로 다른 시료 A, C, E 3종과 실제 제작에 사용되는 봉합 사로 봉합부 시료를 만들었으며, KS K ISO 13935-2(텍 스타일-천의 섬유 제품의 심 인장 성질)의 그래브법으로 시험하였다. 시험편은 예비 컨디셔닝과 컨디셔닝을 한 시료로 폭 100 mm, 길이 250 mm 크기로 시험편의 중앙 부만을 Jaw로 파지하고 시험편을 일정 속도로 신장하여 봉합 강도를 측정하였으며, 파지 거리 100 mm, 인장 속도 50 mm/min으로 시험하였다.
결과 및 고찰
겉보기 번수 및 봉합사 인장강도 측정 결과
시험에 사용되는 시료는 최근 연근해 어선에서 주로 사용되고 있는 Sea anchor의 본체 천으로부터 분리한 실의 겉보기 번수를 측정하였고, 결과값은 Table 1과 같 이 경사 방향은 335.8~443.4 Denier, 위사 방향은 217~ 447.6 Denier로 확인되었다. 면직물은 제직 효율을 위하 여 경사는 가늘고 많게, 위사는 굵은 실을 써서 가닥이 적은 것이 일반적이나 Sea anchor에 사용되는 천은 경사 와 위사의 겉보기 번수의 차이가 나타났다. 이는 제작사 의 경험과 수요자의 요구에 의한 천의 제직과정부터 Sea anchor의 특성이 반영되고 있다 할 수 있으며, 겉보기 번수가 Sea anchor의 전체적인 성능에 미치는 영향을 확인할 필요가 있다.
또한 Sea anchor 본체의 천과 천을 봉합하기 위해 사 용되는 봉제실의 겉보기 번수는 319.3~461.7 Denier로 인장강도는 6,600~8,800 cN으로 나타났다.
천의 인장강도 측정 결과
본체 천의 표준상태에서의 인장강도 측정 결과는 Fig. 3, 습식상태에서의 결과는 Fig. 4와 같다. 표준상태에서 경 사의 평균 인장강도는 1,000~1,800 N, 위사 방향으로 평균 인장강도는 690~1,400 N으로 나타났다. 습윤상태 에서 경사 방향의 평균 인장강도는 950~1,500 N , 위사 방향의 평균 인장강도는 470~1,100 N으로 습윤상태에 서 인장강도가 경사 방향은 5~26.7%, 위사 방향은 15.4~31.9% 감소한 것으로 나타났다. 본체 천의 재질인 PA계통 섬유의 습윤시 10~15% 강도 저하가 생기는 것 으로 알려져있으나(Lee et al., 2010), Sea anchor 본체 천의 강도 저하는 상회하는 것으로 나타났다. 또한 Table 2와 같이 시료의 습윤상태에서 5회 인장강도 시험 결과의 최댓값과 최소값을 나타낸 것으로 어업용 Sea anchor 본체에 사용되는 인장강도는 경사(Warp) 방향은 950 N, 위사(Weft) 방향은 430 N 이상이 요구되어야 할 것으로 판단된다.
겉보기 번수와 인장강도의 상관관계 결과
Table 3은 각 시료별 겉보기 번수(위사, 경사)와 표준 상태 및 습윤상태의 천의 인장강도(위사, 경사) 결괏값 에 대한 상관계수 결과를 나타내고 있다. 모든 관계는 양의 상관관계가 있는 것으로 실의 겉보기 번수와 인장 강도는 비례 관계에 있는 것으로 나타났다. 천의 경사의 번수는 표준상태와 습윤상태 모두 비례 증가하는 것으 로 나타났으나, 통계적으로 유의미한 결과라고 단정할 수는 없다. 또한 천의 위사 번수도 모두 양의 상관관계를 나타내었으며, 특히 표준상태에서의 위사(.962), 표준상 태의 경사(.882)가 높은 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에서는 천의 위사의 번수가 인장강도와의 상관관계가 높은 것으로 판단된다.
천의 투습도와 건조속도 결과
Sea anchor와 형태가 유사한 낙하산의 공기 통기성 (Air permeability)은 직물의 중요한 물성이고, 낙하산 직 물의 통기성은 공기 역학적 성능에 중요한 영향을 미칠 뿐만 아니라, 다공성이 큰 직물은 낙하산의 저항을 줄이 면서 낙하산의 안전성을 향상시키는 것으로 알려져 있 다(Shunchen et al., 2021).
Sea anchor 본체는 수중에서 본체 내측으로 유입되는 조류 저항과 바람 등의 외력에 압류되는 선체의 저항이 계속 작용하게 된다. 이때 발생되는 Sea anchor 본체 내 부의 저항은 배수구의 크기에 따라 내부에 발생되는 저 항을 조절할 수 있다. 배수구의 크기가 커질수록 저항이 감소하고 Sea anchor의 수중 운동이 안정화되지만(Jung and Kim, 2022), 낙하산의 공기 통기성과 유사하게 수중 에서 본체 천에 스며들며 통과하는 수류의 영향이 있을 것으로 추정된다. 또한 Sea anchor를 이용한 어업활동을 종료하고, Sea anchor 양묘 과정 또는 작업 종료 후의 본체 천에서의 물빠짐 소요시간은 선체의 복원성 및 작 업 안정성에도 영향을 미칠 수 있다.
시료의 투습도 및 건조속도를 시험한 측정값을 산술 평균하여 Table 4로 나타내었다. 투습도는 191~224 g/m2 h 로 나타났고, 전체 시료의 평균 투습도는 206.8 g/m2 h로 대체로 고르게 분포하고 있었다. 건조속도는 시간은 90~100 min으로 평균 95.3분으로 나타났으며, 천의 데 니어가 높을수록 건조시간이 더 많이 소요되는 경향이 나타났다.
천의 투습도는 수중에서 Sea anchor 본체 천이 얼마나 수분을 머금고 있는가를 간접적으로 확인할 수 있고, 건조속도는 수중과 양묘 후 천의 물빠짐을 성능을 간적 접으로 확인할 수 있었다. Sea anchor 본체 천의 투습도 와 건조속도가 전체의 성능에 미치는 영향과 직물의 통 기성에 대한 추가 연구가 필요하다.
천의 봉합부의 봉합 강도 결과
Sea anchor 본체는 Fig. 5와 같이 연줄(Shroud line)이 연결되는 밑변(L1)이 1,400~1,500 mm, 배수구줄(Vent line)이 연결되는 윗변(L2)이 약 60 mm로 설정하고, 제 직된 천을 대각선으로 절단한다. 사다리꼴 형태로 두 폭을 제단하고, 이를 봉제하여 등변사다리꼴 형태로 만 들어 대상 선박의 크기(톤급)에 따라 20~128 폭을 봉합 사로 봉합하여 낙하산 형태로 제작된다. 이때 봉합부위 및 밑변은 연줄과 연결되어 본체 전체 저항이 분산 작용 하게 되므로 봉합부의 강도는 Sea anchor의 전개 성능 및 내구성에 중요한 역할을 한다.
봉합부의 봉합 강도를 측정하기 위하여 제작사가 서 로 다른 시료 A, C, E 3종과 실사용하는 봉합사로 봉합 부 시료를 만들었으며, KS K ISO 13935-2(텍스타일-천 의 섬유 제품의 심 인장 성질)의 그래브법으로 시험하였 다. 시험편은 예비 컨디셔닝과 컨디셔닝을 한 시료로 폭 100 mm, 길이 250 mm 크기로 시험편의 중앙부만을 Jaw로 파지하고 시험편을 일정 속도로 신장하여 봉합 강도를 측정하였으며, 파지 거리 100 mm, 인장 속도 50 mm/min으로 시험하였다.
봉합 강도는 5회 시험한 측정값을 산술 평균하여 Table 5와 같이 나타내었다. 시료간의 평균 강도의 차이 는 크게 없었으나, 최소 900 N 이상의 봉합 강도가 있는 제품을 사용하는 것으로 식별되었다.
결 론
본 연구는 우리나라 채낚기 어선에서 주로 사용하는 Sea anchor 본체 천의 시료를 수집하여 성능 평가를 위 한 시험을 하였다. Sea anchor에서 중요한 성능으로 요 구되는 본선의 표류 저항력은 본체의 천의 재질, 폭의 수, 배수구의 크기 등 다양한 요소로 결정되고, 그중 본 체 천의 재질은 Sea anchor 형태를 구성하는 기본 요소 이며, 본체 천은 수중 저항 면적이 가장 크다.
Sea anchor 본체 천의 성능 평가를 위하여 현재 연근 해 어선에서 가장 많이 사용되는 5종의 시료를 국가표준 (KS)에서 요구하는 시료의 전처리와 표준시험 방법으로 겉보기 번수, 봉합사의 인장강도, 천의 인장강도, 천의 투습도와 건조속도를 시험하였고, 겉보기 번수와 인장 강도의 상관관계를 확인하였다.
시험 결과 천의 겉보기 번수는 경사가 335.5~443.4 Denier, 위사는 217~447.6 Denier로 나타났으며, 이는 제작사의 경험과 수요자의 요구에 따라 제작되어 편차 가 있는 것으로 나타났다. 천의 인장강도는 표준상태보 다 습윤상태에서 최대 31.9%의 강도 감소가 나타났으 며, 최소값은 경사방향 860 N, 위사방향은 430 N 이상의 인장강도를 가지고 있었다. 또한 Pearson의 상관계수식 을 이용하여 천의 겉보기 번수와 인장강도와의 상관관 계를 확인한 결과, 겉보기 번수와 인장강도는 비례하는 것으로 나타났으며, 시료의 수가 제한적이므로 천의 경 사·위사의 겉보기 번수와 표준·습윤상태의 인장강도의 상관관계는 다양한 성능 시험으로 상관관계를 추가 연 구할 필요가 있다.
시료의 건조속도는 90~100 min이 소요되는 것으로 결과가 나타났으나 실제 어업 현장에서는 더 많은 시간 이 소요될 것으로 예상된다. Sea anchor 본체 천의 봉합 강도는 제작 3사에의 대표 시료를 주문 제작하여 시험하 였고, 그 결과 900~1,400 N의 봉합강도가 나타났다.
Sea anchor의 수중에서 전개력과 본체 내부의 해수 유동은 어선의 표류 속도에 절대적인 영향을 미치게 되 므로 다양한 방법으로 천의 성능 평가가 필요하다. 본 연구에서는 천의 투습도를 확인하였고, 사용되고 있는 Sea anchor 천의 평균 투습도는 206.8 g/m2 h로 나타났으 며, 투습도와 Sea anchor 성능과의 명확한 관계는 추가 연구가 필요하다.
본 연구는 그동안 Sea anchor 천의 재질의 기본 특성 과 제작 방법에 따른 성능의 추측하여 제작된 것을 표준 시험방법으로 성능결과를 일부 확인하였고, 본체 천의 최소 성능의 기준점 제시할수 있다는 점에서 의미가 있 다고 판단된다. 다만 시료의 수와 관련 국가표준시험 방법의 제한으로 한계가 있었으나, 추가적인 시험방법 개발 및 수조 시험 등을 추가하여 어업용 Sea anchor의 성능 평가가 필요하고, 이는 Sea anchor 사용 어선의 어 획효율 증대와 조업 안정성 확보에 기여할 수 있을 것으 로 생각된다.
