UV-Cによる船舶の船体の生物付着防止

図1：UV-Cプロトタイプは、メルボルン（オーストラリア）の港で生物汚染からきれいに保たれていた。左側にベンチマーク用のシリコンパネルがあり、完全に生物汚染されたUV-Cなしで配置されています（試験のための防衛科学技術グループの礼儀です）。

図3：対応する生物付着試験による表面におけるUV照射のモデルシミュレーションの比較。 1つのLEDが付いたシリコンスラブの左側に、水族館でテストされています。海の状態でテストされた完全なプロトタイプのパネルの右側にあります。赤い線は、シミュレーションから予想される放射照度レベルが0.3mW / m2の場所を示します。

著者：Niek Hijnen（博士）はAkzoNobelのコーティング技術グループで働いています。現在、UV-C防汚技術の技術開発とコーティングの耐食性向上のための新技術に焦点を当てています。 www.akzonobel.com

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船体の生物付着の存在は、航行中の水からの抗力を増加させ、それによって燃料消費を増加させ、結果としてCO2排出量が増加し、船主の費用が増加する。したがって、船体の水中部に塗布された塗料は、生物付着の成長を妨げる殺生物剤を含むか、または非粘着性を有し、船舶が速度を上げるときに汚れを放出することができる。
AkzoNobelは、フィリップスと協力して、船体のバイオファウリング制御に使用される伝統的な塗料とはまったく異なる手法を採用した新しい技術を開発しています。それは、表面を汚れから守るために、船体の水中領域に塗布された紫外線-C（UV-C）発光層を使用する。 UV-C照射は、水および空気浄化システムに定期的に適用される特性であるDNAによる吸収によって微生物を不活性化または殺滅し、生物付着の付着および増殖を防止する。

この新しいアプローチは、現在の塗料システムでは提供されていない汚れ防止のレベルである、あらゆる生物付着物（図1）から表面を完全にきれいに保つ能力を実証しています。これは、船が航行しているときとドッキングしているときの両方の場合に当てはまります。固定式プロトタイプタイルは世界中でテストされており、シンガポールやオーストラリアのグレートバリアリーフのような高い汚れの挑戦を引き起こすことが知られている様々な場所で清潔に保つことができると示されています。比類のない防汚性能を提供することによってCO2排出量を削減することに加えて、この技術は他の重要な持続可能性の目標である殺生剤およびゼロVOCソリューションです。

UV-Cは、表面全体に照射を分散させるシリコーン光ガイドに埋め込まれたUV-LEDから放出されます。試作品は現在30x30cm2のタイルで厚さは10mmで、電源供給のためにケーブルが配線されています。個々のLEDによってきれいに保たれた領域を最適化するために、これらは、それらが面内に横方向に放出するように構成される。放射された光の一部は、導光板によって表面に沿って導かれ、外部の緑色レーザーでパネルの側面に入射したビームで示されます（図2）。

図2：UV-Cコンセプトの動作原理の概略図右側には、テストパネルの導波原理が示されています。現在の設計では、UV-Cを外側に反射するために反射性材料が底部に塗布され、その一部はシリコーン - 水界面での全反射によって跳ね返る。表面に沿って導かれるUV-Cの一部は、拡散散乱によって発光層から外表面に向かって出て、全表面で生物体のUV-C暴露を可能にする。

構成要素の特性、使用される材料およびタイルの設計を知ることにより、表面全体にわたるUV-C放射照度レベルのモデルシミュレーションが可能になる。単一のLED試験サンプルからのデータを実験的ファウリング曝露観察と結び付けることにより、約1mW / m 2の低いUV-C強度しか、生物付着を防止するには既に十分であることが分かった（図3左パネル）。続いて、この閾値は、発光層を含む複数のLEDを設計するためのモデルシミュレーションにおいて使用され、LEDおよび他の設計パラメータの位置決めが、表面全体が汚れないようにすることが保証される（図3右パネル） 。

結局のところ、船上では、この技術は挑戦的なインサービス状態で適用されることになる。さらに、UV-C発光層内の成分は、特定の位置で、高いUV-C照射レベルに曝されることがある。したがって、材料の選択は、耐久性、加工および製造、ならびにその技術に関連する全体的な設計基準を考慮に入れなければならない場合、重要になります。これらの困難にもかかわらず、最近のプロトタイプは、現場での2年近くの連続運転の後に、まだ良好な性能を示しています。

光ガイドのバルクは、適切に処方されると275nmの波長で約80％/ cmの透過率で高いUV-C透過性を示すことができるシリコーンで構成される。この特性は、限られた数のLEDを使用して表面を清浄に保つ比較的低い強度レベルで、どこにでも到達するUV-Cの表面にわたる分布を可能にするので、この技術の性能にとって重要である。湾曲した表面にアプリケーションを助けるかなり柔軟性がある一方で、シリコーン層はまた、埋め込まれたエレクトロニクスを保護する。プロトタイプの機械的試験は、導光体内の電子機器が水スラミングまたはフェンダーによる摩擦に伴う典型的な衝撃力に耐えることができることを実証している。

接着層は、発光層を船の船体に固定するために使用される。現在のところ、プロトタイプのデザインは比較的厚い（10mm）が、最終的には、典型的なラミネートフィルムに近いデザインになります。それでもなお、接着剤溶液の注意深い選択が必要である。この目的のために、実験室試験以外に、接着剤の性能を評価し、発光層が所定の位置に留まることを保証するために、専用のフィールド試験が行われている。

開発中の新世代のプロトタイプは、ケーブルが配線されていない、より薄いデザイン（約4mm）で、より大きなパネルサイズ（約50×50cm2）を提供します。このフォーマットは、パッケージを横向きに取り付ける特別な工程を必要とせずに、平面で発光するために直接使用することができる、薄型のサイドビューパッケージを備えた新しく入手可能なUV-C LEDによって可能になります。タイルの端をパワーストリップの上に置くことによる誘導結合は、LEDに電力を供給するために使用され、各タイルを接続するための配線ケーブルの必要はありません。さらに、加工中の材料特性の変化に起因する応力によるアーチファクトを回避するために、材料の改良が適用される。

技術を市場に向けて次のステップに移すことで、スケーラブルな製造プロセスを開発し、製品の寿命を延ばし、船舶に実際に本格的なアプリケーションを展開することになります。新しいプロトタイプは、単一のタイルではなく、タイルのアセンブリとして運用船上でテストされます。これにより、現場でのインストール手順を最適化できるようになり、インサービスでの使用でパフォーマンス記録を作成できるようになります。 2年のフィールドパフォーマンスを達成したことで、さらなる改善が確実に期待できます。徐々にUV-CのLED性能（寿命、効率）をさらに向上させることが、将来の製品ソリューションを提供する基礎となります。

両社の能力を組み合わせ、この技術を市場に向けて準備することは、グローバルなチームの努力になりました。ロイヤルフィリップスでUV-LEDを使用したシステムを設計する際に専門知識と知的財産権（IP）がある場合、AkzoNobelは材料化学、接着、表面保護の専門知識を持っています。このシステムの開発には米国、欧州、アジアで行われる活動が含まれており、船体は現在の取り組みの対象となる主な用途分野ですが、この技術の可能性は海岸のようなニッチな分野にも存在します。全体として、この技術は、従来のソリューションとは大きく異なるため、市場での使用には大きな課題がありますが、比類のない汚れ防止性能と持続可能性の目標に対する利点を提供します。究極的には、この新しい技術を海洋産業で成功させるには、コラボレーションと教育が不可欠です。

作家たち：

Niek Hijnen（PhD）は現在、UV-C防汚技術の技術開発とコーティングの耐食性向上のための新技術に重点を置いてAkzoNobelのコーティング技術グループで働いています。 www.akzonobel.com

Michel Jongerius（PhD）は、フォトニクスと製造技術におけるPhilips Researchの革新で37年の経験を持っています。現在、UV防汚に関するRunWellプロジェクトのプロジェクトマネージャー