Introduction
오늘날 농가에서는 다양한 작물들을 계절에 관계없이 사시사철 재배하여 출하한다. 그럼에도 불구하고 부족한 인력, 고령화, 높은 작업강도, 예측하기 힘든 날씨 등으로 인한 수확기를 놓치거나 잘 자라지 못한 작물 때문에 수요와 공급량을 정확히 예측하기 힘들며, 상품 가격변동이 크게 일어나고 있다(Kim and Yang, 2017; Kim, 2001). 또한 가족 노동력이나 주변 사람들과 서로 돕는 교환 노동력이 감소한 상황으로 농가에서 비교적 적은 노동력을 요구하는 작물로 변경하여 농산물 재배 규모를 줄이거나 노동력 문제를 덜어줄 수 있는 새롭게 개발된 기술이 없다면, 농업 고용 노동력은 필수 요소이며 이는 생산품의 가격변동에 영향을 미친다(Kim, 2015). 농산물의 가격변동으로 인하여 생산자는 기대수익위험을 피하기 위해 생산가격을 높이고, 이는 소비자가격 상승의 원인이 된다(NDASA, 2003). 소비자가격 상승은 수요감소를 초래하고, 농가수입에 타격을 주는 문제가 발생한다. 이러한 문제점들을 보완하기 위해 상품의 질을 높일 수 있는 방법이 요구된다. 그 예로 지지대에 작물을 결속하여 작물의 성장 환경을 좋게 만들어주는 방법이 있다(Seo, 2015). 이런 방안들을 통해 적절하게 책정된 가격으로 수요, 공급자 모두 부담을 갖지 않기 위한 노력이 필요하다.
결속작업이 필수인 고추의 재배면적은 2018년도 28,824 Ha로써 당해연도 우리나라 채소 재배면적 218,603 Ha의 약 13.19%를 차지하고, 다음 해 2019년 우리나라 채소 재배면적 204,026 Ha, 고추 재배면적 31,644 Ha으로 15.51%를 차지하며 단일 분류 채소 재배면적에서 가장 넓으며 가장 많은 농가수입을 차지하고 있다(KOSIS, 2018, 2019). 고추, 포도, 가지, 오이, 키위 등 밭작물 재배과정에서 결속 작업은 대부분 수작업으로 이루어지고 있는 추세다. PP성분의 유인 끈을 지지대에 2줄 결속 형식으로 고정하는 방법을 이용한다(Han et all., 2014). 대부분 밭작물 재배 과정은 과거와 크게 다르지 않고 작물 마다 크기, 형상이 각기 다르기 때문에 여전히 수작업을 요구하며, 작물 별 0.1ha당 총노동투하시간의 12~63%를 차지하고 있어(RDA, 1999) 많은 노동력을 필요로 한다. 수작업으로 인해 상품의 가격은 올라가고 수요가 줄어드는 문제를 해결하기 위한 방안 중 기계화가 있다. 하지만 고령화 문제로 인하여 개발되었거나 향상된 장비를 투입하여도 사용을 못 하거나 여태 해오던 방식대로 작업을 수행하므로 장비 사용에 어려움이 있다.
근래에 스테이플러 형식의 자동 결속기가 개발되었지만, 수확이 끝난 후 토양에 남겨지는 스테이플러 심으로 인한 토양오염이 초래되므로 토양오염 방지 및 복원으로 pH농도를 이용한 오염 중금속 추출, 유기탄소 변화 특성 등 추가적인 처리비용이 든다. 본 연구에서는 이런 점들을 보완하기 위해 추가 작업을 요구하지 않으며 사용하기 쉬운 원예용 결속기를 개발하기 위한 연구로 시제품을 제작하여 기존 상용화되고 있는 결속기들과 결속력 비교분석 실험을 실시 하였다.
Materials and Methods
공시재료
본 연구에 사용된 공시재료는 기존에 출시되어 있는 스테이플러 형식 결속기의 헤드에서 결속 리본 및 필름을 집어 사람의 악력에 의해 결속이 이루어지는 집게부를 모티브(Seo. 2015)로 설계하여 제작된 열융착 형식 원예용 결속기 시제품(Fig 1)과 PET-LLDPE 합사원단으로 제작된 전용 필름(Fig 2)을 사용하였다.
결속기 성능 분석에 따른 온도보상
결속기 가동을 위해 리튬이온 충전지(Samsung, FAIRMAN 18650, KOR)를 사용하였다. 결속기의 성능은 결속기에 의해 융착된 필름의 결속력이 작물들을 얼마나 잘 지지하는지 여부이며, 이를 분석하기 위해 융착된 필름의 인장력을 측정하였다. 열융착 형식 원예용 결속기에 의해 융착된 PET-LLDPE 합사원단 필름의 인장력을 고리 형식 인장압축기(Ametek, LTCM-100, USA)를 사용하여 결속된 필름이 끊어질 때의 힘을 측정하였다. 측정시 융착 시간을 변수조건으로 두었고, 단위를 10-3(ms)단위로 측정하였다. 조건은 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700, 800, 900 ms 하에 10회식 측정하였다. 조건 중 인장력이 높으며 일정한 값을 유지하는 구간을 식 (1)에 의해 평균과 표준편차를 산출하여 분석하였다. 조건별 사용된 전력량은 가정용 전기 요금 측정기(SEOJUN, SJPM-C16, KOR)를 사용하였다.
(1)
yi : 시간 별 측정 인장력
: 인장력의 평균
n : 인장력 측정 횟수
열에 의해 융착이 시작된 필름은 시간이 지남에 따라 인장력이 올라갔다가 다시 내려간다. 최대인장력을 얻을 수 있는 융착시간과 인장력이 감소하는 시점에서 보상시간을 얼마나 주어야하는지 분석하기 위해 시간별 온도변화를 관측할 수 있는 열화상 카메라(Fluke, Ti-105, USA)를 이용하였다. 최초 융착 후 시간이 지남에 따른 온도보상 필요 유무를 분석하기 위해 열화상 카메라를 이용해 최초 가열 이후 융착부 온도를 3회 측정하였다. 다른 조건 없이 결속기 기본 설정 표준히터시간인 400 ms로 설정된 경우(Table 1)와 결속부 최초 가열 시 온도보상을 주어 490 ms로 설정된 경우(Table 2)를 최초 융착 후 온도가 급격히 감소하는 구간을 기점으로 융착된 필름의 인장력을 2초 단위로 측정하였다. 온도가 급격히 감소하는 구간을 기준으로 온도보상을 준 결속기에 의해 융착된 필름의 시간에 따른 인장력을 1초 단위로 측정하였다.
Table.2. Binder with heat-melting setting condition 1 – Standard heater time 400 ms, Compensated heater
time 90 ms
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상용화된 제품과 성능 비교분석
위 실험에 따라 선정된 표준히터시간, 온도보상에 따른 열융착기 필름의 인장력과 기존에 출시된 스테이플러 형식 결속기 3종(Max tapener HT-R, MB-4000, Max tapener HT-B)과 테이프 형식 결속기(NICHIBAN)에 의해 결속된 필름의 인장력을 비교 및 분석하였다.
Result and Discussion
융착된 필름 인장력 측정 및 분석
Fig. 3은 히터시간 별 필름의 인장력을 나타낸 것이다. 인장압축기를 이용하여 열융착 결속기의 결속부를 가열하는 시간을 변수 250~900 ms 단위로 융착된 필름 고리 부분을 당겨 인장력을 측정한 결과, 400~500 ms 구간에서 인장력이 높고 편차가 가장 안정된 값으로 나타났으며(Table 3), 가장 소비 전력이 낮은(Table 4) 400 ms를 표준히터시간으로 설정하였다.
보상시간 부여에 따른 필름 인장력 분석
열화상 카메라(Fluke, Ti-105, USA)를 이용하여 융착부 온도를 3회 반복 측정하였으며, Fig. 4에서 나타난 결과와 같이 초기 최대 온도는 158℃로 측정되었으며, 융착 후 2초가 지나는 시점에서 55℃까지 열융착 부위의 온도가 급격하게 감소하였다. 이는 2초 이후 결속부의 감소된 온도로 인하여 지속적인 융착 작업이 불가능 하므로 결속부를 가열하는 시점에서 추가적인 가열시간을 부여하는 방안이 필요하다. 표준히터시간 400 ms를 기준으로 결속기 표준 보상히터시간인 90 ms를 적용한 것과 온도보상시간을 적용하지 않은 것을 비교 분석 결과, Fig. 5와 같이 보상히터시간을 주지 않았을 때 열융착 6초가 지난 후에 결속력이 급격히 낮아지는 것으로 분석되었다. 보상히터시간을 90 ms로 설정한 최초 히터시간 490 ms 경우, Fig. 6과 같이 최초 융착 2초 이후 결속력이 크게 감소하지 않고 안정적인 값을 유지하였다. 표준히터시간 400 ms에서 융착 성능의 안정성을 미루어 보아 보상히터시간이 필요하다고 판단되며, 융착 후 온도변화 추세와 비교해보면 6초 구간 45~48℃ 이상의 잔열에서 열융착 결속기의 성능이 감소하지 않는 것으로 분석된다.
결속기 결속력 비교와 열융착 보상시간 설정
Fig. 7은 기존의 결속기들과 열융착 결속기의 인장력을 측정하여 비교한 것을 나타낸 것이다. 최초 융착 후 온도가 급격히 감소하는 2초 구간 이후에 온도보상 90 ms를 설정하여 최초 히터시간 490 ms로 융착한 필름을 1초 단위로 연속적으로 융착하여 인장력을 측정하였다. 측정 결과, 온도보상을 준 최초 융착 필름의 인장력이 58.88 N으로 가장 높았으며 이후 점점 감소하는 것으로 측정되었다.
열융착 결속기에 의해 융착된 필름의 인장력 측정 방식과 마찬가지로 기존에 출시되어 있는 3종의 스테이플러 형식, 1종의 테이프 형식 결속기의 필름 및 테이프의 인장력을 측정하여 열융착 결속기와 비교 분석한 결과, 스테이플러 형식 결속기인 Max tapener HT-R (MAX, JPN)에 의해 결속된 필름의 인장력이 37.41 N으로 가장 높게 나타났으며 기존 결속기 모두 열융착 결속기의 결속력 성능에 못 미쳐 열융착 결속기의 결속력 성능이 더욱 우수한 것으로 분석되었다.
온도보상을 준 결속기의 인장력이 최초 융착 후 7~8초 사이가 기존 결속기의 가장 높은 인장력과 근접하게 측정된 것으로 미루어 보아 최초 온도보상 이후 2차 온도보상은 7초로 설정해야 하는 것으로 분석되었다.
Conclusion
본 연구는 작물 재배 과정 중 2줄 PP 유인 끈 결속 작업 시 비교적 낮은 악력을 사용하여 노동강도를 줄여줄 수 있는 원예용 열융착 결속기 개발을 위해 성능을 테스트하고, 상용화된 결속기와 비교 및 분석하기 위해 수행되었다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
표준히터시간 400 ms 이상에서 가장 편차가 작고 안정적인 결착이 가능하였고, 그 중 배터리 소모가 가장 적은 400 ms를 표준히터시간으로 설정하였다. 최초 융착 작업 이후 2초까지 결속부의 온도는 급격히 감소하여 작업을 계속 이어 나가기 위해 온도보상이 필요하였다. 결속기 기본 설정값인 90 ms의 온도보상을 설정하였고, 기존 스테이플러 형식 결속기 인장력을 기준으로 최초 온도보상 이후 7초까지 열융착 결속기의 인장력이 점점 감소하되 우수한 성능이 유지되었으며, 7초 지점에서 2차 온도보상이 필요하다고 분석되었다. 기존 스테이플러, 테이프 형식 결속기의 인장력이 열융착 결속기의 인장력 보다 월등히 낮았으며 결과적으로 열융착 결속기의 성능이 더욱 우수한 것으로 분석되었다.
추후 연구에는 원예용 열융착 결속기와 기존에 출시된 스테이플러식 결속기 몇몇 종류의 실증시험을 통해 발견되는 결함에 대하여 알아보고 해결 방안을 제시할 예정이다.
