Introduction
국내의 채소류 자동 기계정식기는 취출부와 육묘 이동 장치가 부착되어 집게가 모종을 취출하는 방식으로, 이 과정에서 모종 결주 발생, 모종 뿌리 부위 손상 등 여러 가지 결함이 나타나고 있다(Mun et al., 1997). 이러한 단점을 보완하기 위하여 기존 집게형 취출 방식과는 다른 육묘 포트 절단 장치를 이용하여 절단 한 다음, 이를 자동으로 식부 호퍼에 공급하는 방식의 채소류 정식기를 설계, 제작하는 연구가 활발히 진행되고 있다(Park et al., 2005). 이 방식에 사용되는 육묘 포트는 식물 뿌리 부위와 함께 토양에 매몰되기 때문에 기존 Polypropylene포트 대신 생분해성 재질의 포트가 사용된다(Lee et al., 2014).
농업현장에서 현재 사용되고 있는 채소류 정식기의 육묘 포트는 다양한 형태의 Polypropylene 포트가 이용되고 있다(Lee et al., 2008). Polypropylene재질의 육묘 포트는 정식 이후 재사용이 어려워 불법적으로 소각되거나 농경지 주변에 방치되고 불법 투기되는 등 환경문제로 이어지고 있다. 이러한 상황들을 종합적으로 감안하여 모종의 뿌리 손상을 최소화하면서 정식 후 결주율도 낮추고, 환경오염 문제도 해결할 수 있는 새로운 재질의 육묘 포트 개발 필요성이 요구됨에 따라 포트 절단형 정식기의 작업효율을 향상시킬 수 있는 생분해성 포트에 관심이 모아지고 있다(Han et al., 2011; Song et al., 2010). 하지만, 아직까지 채소 등 원예작물 기계 정식용 생분해성포트의 활용 사례는 없으며, 생분해성 재질인 펄프로 만들어졌기에 강도가 약하며 수분에 취약하기에 생분해성포트의 강도는 필수적으로 구명 되어야 한다(Kim et al., 2006).
따라서 본 논문에서는 생분해성 포트를 활용한 안정적인 채소 기계 정식에 사용할 수 있는 생분해성포트의 물리적 강도 및 수분 노출 후 강도에 대한 데이터를 측정하여 향후 기계 정식용 생분해성 포트 제작 시 활용할 수 있도록 하기 위해 연구를 수행하였다.
Materials and Methods
실험 재료
본 연구에 사용된 생분해성 포트는 일반 Polypropylene 육묘 포트와 같은 형태의 72 구 포트로, 피트모스에 펄프(pulp) 를 혼합해서 건식 압축 성형하여 제작하였다. 현재까지 생산되거나 시중에 판매 된 적이 없는 제품으로, 주문생산을 통해 시험용으로 제작하였으며 상세한 형상은 Fig. 1과 같다. 총 72구로 이루어져 있으며 각 구의 윗면은 4 cm 정사각형으로 시작하여 아랫면은 3 cm 정사각형으로 좁아지는 사각기둥 모형이며 높이는 4 cm이다. 생분해성 포트 기계적 성질을 알아보기 위해 사용된 실험 장비로는 미국 LLOYD사의 EZ 20 만능물성기를 사용하였고 고정도의 하중 측정, 정밀한 속도 제어와 편리한 프로그램을 사용할 수 있어 본 실험에 적합하였다. 자세한 사양은 Table 1과 같다.
실험 방법
생분해성 포트를 이용하여 절단에 적합한 물리적인 특성 파악 및 정식기의 취출부를 결정하고자 인장강도 및 전단 강도를 측정하였다. 포트 면을 기준으로 4등분하여 이용하였으며, 육묘 포트의 특성상 수분에 지속적인 노출이 됨에 따라, 수분에 노출된 포트, 비노출된 포트로 구분하여 인장강도와 전단강도를 측정하였다. 수분에 노출된 상황을 구현하고자 생분해성 포트를 60초와 5시간 동안 물속에 노출시켜 이용하였으며, 인장강도 시험 시, Preload는 5.6 N, 이송 속도는 100 mm/min 이송 거리는 15 mm로 설정하여 측정하였다. 전단강도 시험 시, Preload는 5.6 N, 이송 속도는 100 mm/min, 이송 거리는 40 mm로 설정하여 측정하였다.
Results and Discussion
생분해성 포트의 인장강도
생분해성 포트의 인장 강도의 진행 그래프와 최고 인장 값은 Table 2와 같이 나타났다. 수분이 흡수되지 않은 상태의 생분해성포트의 인장강도는 평균 190.6 N의 강도를 나타내었다. 평균 190.6 N의 강도는 포트를 이송하는데 포트가 파괴되지 않았으며 이송하는데 지장이 없었다. 60초 동안 담가 수분을 흡수하게 한 상태에서 인장강도는 평균 149.5 N의 인장강도를 가졌다. 수분이 흡수되지 않은 상태보다 27.5% 낮게 나타났으나 이송을 할 때 지장이 없는 강도를 나타냈다. 5시간 동안 수분을 흡수하게 한 상태에서 측정한 인장강도는 평균 104.5 N 나타났다. 이는 생분해성 재료가 수분에 약하다는 특징을 보여주지만 추후에 토양 내에서 분해되어 흡수되는 과정에서는 매우 유리할 것으로 판단된다. 따라서 생분해성 포트를 절단하여 포트 채 정식을 하는 기계 정식기 개발에 필요한 취출부의 절단 장치는 수분이 흡수되지 않은 상태의 강도를 기준으로 설정하는 것이 안전을 위해 바람직할 것으로 판단된다.
생분해성 포트의 전단강도
생분해성 포트가 수분을 흡수하지 않은 상태에서 측정한 전단강도 평균 약 62.9 N으로 나타났으며, 결과는 Table 3 같이 나타났다. 생분해성 포트를 물에 담근 채로 60초 동안 수분을 흡수한 상태에서의 전단강도는 평균 약 51.7 N으로 나타났다. 이는 수분을 흡수하지 않은 상태에 비해서 약 18%이상 낮은 강도를 나타내었다. 생분해성 재료에 사용된 섬유질의 영향으로 수분을 흡수하지 않은 상태에서의 전단 강도와 비교해서 현저한 차이를 보이지 않는다고 판단된다. 수분을 5시간동안 흡수시킨 상태에서의 전단강도는 평균 약 33.5 N으로 나타났다. 이는 수분을 흡수하지 않은 상태에 비해서 약 47%이상 낮은 강도를 나타낸 것이지만, 생분해성 포트의 형상 유지 및 운반, 이동 등 작업 시 문제가 될 만한 강도 저하라고 판단되나 다목적 기계 정식기 취출부의 절단 장치에는 포트를 절단하는데 도움을 줄 것이라 판단된다.
Conclusion
본 연구는 생분해성 포트의 내구성을 분석하였다. 생분해성 포트 강도 측정 시험결과 수분이 흡수 되지 않은 상태의 인장강도는 평균 190.63 N, 전단 강도는 62.9 N으로 상당히 높은 편이기에, 상토 적재와 파종 작업 시 원활한 작업을 수행하기에 적합할 것으로 판단되었다. 그러나 실제 포트를 정식기 취출부에서 절단 작업을 할 때나 육묘 중에는 수분을 포함한 상태이기 때문에 수분 흡수 시 강도 측정값이 본 연구에서는 더 중요하게 다루어 질 부분이다. 5시간동안 수분 흡수한 포트의 인장강도는 평균 104.5 N으로 수분이 흡수되지 않은 포트의 인장강도보다 다소 낮은 강도를 보였으며, 전단 강도 또한 33.5 N으로 수분이 흡수되지 않은 포트에 비해 47%이상 낮은 강도를 보였다. 이는 생분해성 포트가 수분에 취약하다기 보다 분해를 촉진하기 위한 포트의 특성으로 보아야 할 것이며 이를 통해 포트 절단이 쉽게 이루어질 것으로 판단된다. 이러한 연구 결과는 향후 정식용 기계의 행분해성 포트 개발을 위한 기초자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
