Introduction
작물보호제(Plant Protection Product)를 이용한 방제는 병해충 예방이나 치료에 매우 효율적인 수단이지만, 약제의 독성으로 인한 환경 및 작업자 안전이 문제가 된다. 이를 예방하기 위하여 PLS법이 시행되고 주변 환경과 작업자에게 안전하고 생물학적 효과가 좋으며 작업효율이 높은 다양한 방제작업기가 개발되고 있다.
최근에 도입된 농업용 무인항공시스템(Unmanned Agricultural Aircraft Systems)을 이용한 방제작업은 로터에서 발생하는 하향풍을 이용하여 미립화된 작물보호제를 작물에 살포한다.(Xue et al., 2016; Zhang et al., 2018) 따라서, 작물보호제가 도달하기 어려운 농작물의 기부에 부착하기 쉬우며, 지면에서 작동하는 방제기들이 접근하기 어려운 습답이나 경사진 밭에서 원격으로 조정하거나 미리 입력된 경로에 따라 자동 방제가 가능하므로 작업자 안전성과 작업능률이 높고 경반을 다지지 않는 효과도 있다.(Abd. Kharim et al., 2019; Kirk, 2000; Xiongkui et al., 2017)
무인항공방제의 방제효과를 향상시키려면 항공살포시 분무액의 부착량을 평가하고 그에 근거하여 적정 분무폭을 산정하여야 하며, 작업방법별로 무인항공방제시 분무입자의 비산을 평가하여 비산을 최소화하여야 한다. 작물보호제의 부착과 비산을 평가하기 위해서 다양한 시험방법이 개발되고 있으나 주로 붐방제기나 배부식방제기, 과수원용 방제기를 대상으로 한 것으로서 최근 보급된 무인항공방제기에 대한 부착량 평가나 비산량 측정에 대한 표준은 이제 개발 중인 상태에 있다.(Ferguson et al., 2020; You et al., 2019)
부착량은 콜렉터 표면에 부착된 Tracer의 양과 분포를 의미한다.(ISO, 1992) 부착량 평가에 사용되는 콜렉터와 Tracer에 대하여 ISO 24253-1에서 정의하고 있으나 이 방법은 정량분석기를 이용한 방법으로서 실험 수행이 어렵고 결과 해석 역시 복잡하다. (ISO, 2015) 한편 KS B 7949에서 사용하는 감수지(WSP)를 를 이용한 부착량 평가는 부착된 액적의 이미지를 이용하여 부착량을 평가하는 것이지만 액적이 차지하는 면적과 부착량과의 관계가 명확하지 않으며 액적의 면적이 부착량과 비례한다는 가정을 필요로 한다.(KS, 2021; Salyani et al., 2013) 이 방법은 실험 절차가 상대적으로 단순하고 머신비전 기술을 이용하여 결과해석이 빠르다는 장점이 있으나 WSP가 수분에 민감하므로 취급이 어렵고, 여름철 상대습도가 80% 이상되는 경우에 액적에 관계없이 공기중 수분에 의해 변색되어 부착시험을 수행하지 못하며 비용도 상대적으로 높은 문제가 있다. 일본에서는 머신비전을 통하여 부착량을 평가하되 WSP를 사용하지 않고 Tracer와 Kromekote를 이용하여 상대습도가 높은 경우에도 부착량 시험을 시행하고 있으며, 콜렉터를 카드나 리본, 와이어 형태가 아닌 육면체로 만들어 육면체 중 아랫면을 제외한 다섯 면의 부착량을 평가하고 있다. (ISO, 2021)
무인항공방제기의 하향풍은 무인항공방제기의 무게와 로터의 개수 및 로터의 크기, 비행속도, 분무노즐의 높이, 지상의 작물상태에 따라서 달라지는 특성이 있으며 탑재한 노즐의 입경분포와 입경의 속도분포가 콜렉터의 형상과 크기와 상호작용을 하여 부착이 발생하므로 무인항공방제기를 위한 부착량평가방법 개발이 필요하다.
본 연구는 무인항공방제기의 부착량평가방법에 대한 국제표준을 개발하기 위한 기초연구로서 부착된 액적이미지를 정성적으로 평가하면서 부착량을 정량적으로 측정하는 목적에 적합한 콜렉터 재질을 선정하기 위한 것이다. 이를 위하여 콜렉터 재질을 선정하기 위한 기준을 제안하고 이를 바탕으로 4종류의 코팅용지들의 접촉각, 회수율, 회수시간을 측정하여 비교하였다.
Materials and Methods
실험 재료
분석에 사용한 콜렉터는 WSP와 코팅용지 4종이다. 콜렉터를 종이류로 선정한 이유는 취급이 용이할 뿐만 아니라 콜렉터의 형상을 변화시키는 데에도 유리하기 때문이다. Kromekote는 특수 코팅처리된 인화용지로 잉크 흡수성이 높고 종이 강도가 노파 분무 성능 평가에 이용되며 일본 항공 방제 성능 측정에서 사용하고 있는 코팅용지이다. 본 연구에서는 코팅용지 3종(Medley Velvet, Enso coat, Symbol Gloss)을 추가적으로 분석하여 비교하고자 하였다. 선행 연구에서 사용한 Mylar (card)는 취급의 용이성을 고려하여 제외하였으며 와이어는 평면 부착량 보다는 비산 측정에 사용하므로 제외하였다. 경제성 평가를 위하여 콜렉터들의 가격과 크기를 조사하였다. 종이류의 경우 평량에 따라 가격이 달라지므로 코팅지들의 평량은 비슷한 수준(200 ~ 220 g/m3)으로 선정하였다.
부착량 평가에 사용되는 Tracer에는 Brilliant Sulpho Flavine (BSF), Acid Yellow 250 등의 형광물질과 Tartrazine (E102), Brilliant blue FCF 식용색소 등이 있다. 형광물질을 Tracer로 사용하는 방법은 광민감도가 높아 야외 실험시 변성이 잘되고 분석에 사용하는 재료와 장비의 가격이 비싼 단점이 존재한다.(Cai and Stark, 1997) 이에 반해 식용 색소의 경우 햇빛에 대한 안정성이 높고 재료가 저렴하여 Tracer로 이용하기에 적합한 것으로 나타났다.(Pergher, 2001) 그 중 청색 식용 색소(Brilliant blue FCF)가 분무 첨가제로 자주 이용되고 있다.(T. R. de Cerqueira et al., 2012) 이에 따라 Tracer로 Brilliant blue FCF를 선정하였으며 식용색소를 증류수에 용해시켜, 일본의 시험방법에서 따라서 1 g/L 농도의 용액을 만들어 사용하였다.
수집기 선정 기준
콜렉터를 평가하는 기준은 친수성, 회수율, 취급용이성, 재료의 가격으로 정하였다. 분무 액적이 잘 부착되어야 하므로 친수성이어야 하며, 정량적 평가를 가능하게 하려면 부착된 액적이 콜렉터에 흡수되지 않고 회수되어야 하므로 Tracer의 회수율이 높아야 한다. 또한 야외에서 콜렉터를 취급할 때에 특별한 제약 조건이 없고, 콜렉터의 가격이 저렴해야 할 것이다. Tracer의 회수율을 측정하는 표준방법이 없으므로 본 연구에서 방법을 개발하여 사용하였다.
이에 따라 본 연구에서는 식용 색소를 이용하여 방제기 분무입자의 부착성능을 정량적으로 평가할 때 적합할 콜렉터를 설계하고자 하였다. Tracer로 Brilliant blue FCF를 사용한다고 하였을 때, 부착과 추출이 잘되어야 하므로 4종류의 코팅지에 대하여 적합성을 평가하였다. 우선 부착이 잘 되는지를 확인하기 위하여 코팅지들의 접촉각을 측정하여 친수성을 확인하였고, Tracer 입자 부착 후 증류수로 추출하며 회수율을 비교하여 콜렉터로 사용하기에 적합한지 아닌지를 판단하였다. 그리고 흡수속도를 비교하여 현장에서 사용하기에 적합한지 여부를 판단하였다.
Contact angle measurement
접촉각(Contact angle)은 액체가 고체에 접촉하고 있을 때 액체면과 고체면이 이루는 각도로 일반적으로 고체 표면의 젖음의 척도로 사용한다. 그 값이 작을수록 표면이 친수성을 띄며 물방울이 고체 표면에 잘 부착된다.(Huhtamaki et al., 2018) 따라서 콜렉터의 접촉각을 측정하여 이 값이 작을수록 분무 입자가 잘 부착된다고 볼 수 있다.
접촉각은 크게 정적 접촉각과 동적 접촉각으로 나누어지는데 일반적으로 젖음성을 측정하는데는 정적 접촉각을 이용하므로 본 연구에서는 정적 접촉각 측정법인 Sessile-drop method를 이용하여 각 코팅지의 접촉각을 측정하였다. 접촉각 측정은 2020년 11월 초에 서울대학교 교내 실험실에서 실온 조건에서 수행되었다.
4가지 코팅지와 WSP를 24 mm × 24 mm 의 크기로 절단한 후, 이동 및 휨을 방지하기 위하여 양면테이프를 이용하여 slide glass에 부착하였다. 이후 코팅지 표면에 마이크로 피펫을 이용하여 증류수를 10 ㎕씩 떨어뜨리면서 Drop shape Analyzer (DE/DSA25, Germany)를 이용하여 코팅지 표면에 부착된 물방울의 형상을 촬영하였다. Drop shape Analyzer의 주요 사항은 Table 1과 같다. 획득한 영상들을 분석 프로그램을 이용하여 종이 표면과 물방울 표면을 자동으로 인식한 후 이를 이용하여 접촉각을 측정하였다. 각 콜렉터별로 6회씩 반복 측정 하였다.
Tracer Extraction ratio measurement
분무 입자 추출 실험의 경우 2021년 2월 중순에 수행되었으며 서울대학교 교내 실험실에서 실온 조건에서 수행되었다. 4 종류의 코팅 용지에 대하여 실험을 진행하였고, WSP의 경우 코팅된 물질이 물과 접촉시 청색으로 변하게 되는데 추출 과정에서 함께 추출되고 추출 용액이 620nm에서 높은 O.D. 값을 가지는 관계로 추출 평가가 불가능 하므로 제외하였다.
콜렉터에 부착된 Brilliant blue FCF의 양을 분석하기 위하여 콜렉터를 증류수에 넣어 Tracer가 추출되도록 한 후 분광광도계를 이용하여 시료의 Optical Density (O.D.)를 측정하는 방법을 선택하였다. O.D.는 흡광도로 용액을 통과하면서 빛의 세기가 변화하는 양을 표현하며 다음의 식으로 표시된다.
O.D. = log10(I0/I)
I0 = 투과 전 빛의 세기 / I = 투과 후 빛의 세기
분석 첫 단계로 시료의 농도와 O.D.값 사이의 상관관계에 대한 calibration curve를 획득하였다. 분무 실험에 사용할 Tracer의 농도는 1 g/L이지만 실제 콜렉터 표면에 부착될 Tracer의 양은 소량일 것으로 예상된다. 따라서 해당 농도 구간에서의 calibration을 위하여 Brilliant blue fcf 1 g/L 용액을 증류수로 희석하여 9가지 농도(0.005, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.5, 1.0, 5.0, 10 mg/L)로 2 mL씩 3set를 제작하였다. 용액 제조 후 30초씩 교반하고 UV-Vis spectrophotometer (UV-1800, Shimadzu)에 시료 1mL를 투입하여 O.D.값을 측정하였고, 이를 이용하여 calibration curve를 작성하였다. UV-1800의 스펙은 Table 2와 같고, 측정 파장은 선행 연구들을 참조하여 620 nm를 이용하였다.(Antonio et al., 2005)
콜렉터들의 tracer 회수율을 측정을 위하여 콜렉터들을 50 mm × 50 mm 크기로 3장씩 준비하여 petri dish에 담았다. 1 g/L 농도의 Brilliant blue fcf 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 각각의 콜렉터에 5 μL씩 8번 떨어뜨리고 용액이 흡수 되어 모든 콜렉터 표면에서 물방울이 보이지 않을 때 까지 20분간 대기하였다. 그 후 12개의 Conical Tube에 콜렉터를 하나씩 넣고 증류수를 39.96 mL씩 투여하여 Tracer 추출액의 농도를 1 mg/L이 되도록 제작하였다. 증류수 투입 후 추출이 완료될 때 까지 2시간을 기다린 후 혼합이 잘 이루어지도록 각 튜브를 1분씩 교반하였다. 교반 후 각 튜브에서 용액을 1 mL씩 채취하여 UV-Vis spectrophotometer에 집어넣고 O.D. 값을 측정하였다. 그리고 측정값과의 비교를 위하여 Brilliant blue fcf 용액을 같은 농도로 제조하여 O.D. 값을 측정하였다.
측정결과 회수율이 100%가 넘는 경우가 있으므로 실험 오차를 줄이기 위하여 상대적으로 회수율이 높았던 Medley velvet과 Kromekote에 대하여 샘플을 6장으로 늘려서 추가 실험을 실시하였다.
Absorption speed comparison
분무 입자의 흡수 속도가 빠르면 콜렉터에 부착된 후 외부 요인에 의하여 분리되는 오차를 줄일 수 있으므로 Medley Velvet과 Kromekote에서의 분무 입자 흡수 속도를 비교하였다. 두가지 콜렉터를 50 mm × 50 mm크기로 6장 준비한 후 1 g/L 농도의 Brilliant blue fcf 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 각각의 코팅지에 5 μL 씩 8번 떨어뜨리고 5분 간격으로 20분까지 표면의 물방울 잔량을 관찰하여 표면에 물방울이 흡수되어 분무 입자가 보이지 않는데 걸리는 시간을 비교하였다.
Results and Discussion
Economic analysis
시험에 사용한 콜렉터 재질의 가격과 크기는 Table 3과 같다. 모든 콜렉터들이 WSP와 비교하면 1장당 가격이 5~20% 정도 수준이고, 면적당 가격으로 환산하여 비교하면 0.17~0.5% 수준으로 Tracer의 비용을 감안하더라도 WSP를 사용하는 것에 비하여 상당한 경제성이 있었다. 코팅용지 중에는 Symbol Gross가 가장 저렴하고 Kromekote 가격이 가장 비쌌다.
Contact angle measurement
콜렉터들의 접촉각을 측정한 결과, Medley Velvet (56.5°), Kromekote (62.8°), Symbol Glosss (63.1°), Ensocoat (73.3°), WSP (24.9°)을 얻었다.(Fig. 1) 접촉각이 90°보다 작은 경우 표면이 친수성으로 보는데 4가지 코팅용지 모두 90° 미만을 기록하였다. 다만 접촉각이 작을수록 친수성을 가지는 것에서 보이는 것과 같이 상대적으로 낮은 값을 가지는 Medley Velvet이 가장 적합하다고 불 수 있겠다.
Tracer Extraction ratio measurement
농도별 O.D. 데이터를 분석하여 로그스케일로 표시한 결과 Fig. 2와 같은 그래프를 얻었다. 가장 낮은 농도인 0.005 mg/L의 경우 증류수를 이용하여 측정한 결과(0.055)와 동일한 값이 나오는 것으로 보아 장비에서 검출이 되지 않는 것으로 보인다. 따라서 Brilliant blue fcf 농도가 최소 0.01 mg/L (10 ppb) 이상이 되어야 검출이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 가장 높은 농도인 10 mg/L 의 경우 1.307의 O.D.값을 얻었다. 위의 값들을 이용하여 선형 회귀식을 구한 결과 y= 0.1251x + 0.055 (R2= 1)인 회귀식을 얻을 수 있었다. 회수율 분석에서는 이 회귀식을 이용하여 시료에 대한 농도를 계산하였다.
코팅용지들에서 Tracer를 추출하여 O.D.값을 측정한 결과 모든 코팅용지에서 90% 이상의 회수율을 달성하였다.(Fig. 3) One-way Anova 분석을 수행한 결과 코팅용지들의 O.D.값 평균이 유의미한 차이를 보이지는 않았다. (p-value= 0.163) ISO 23117-2의 Tracer와 관련된 기준에 따르면 회수율이 최소 90%를 넘어야 하므로 4가지 코팅용지가 모두 사용이 가능하다고 할 수 있겠다. 그러나 권장되는 조건은 회수율 95%이상이어야 하므로 가장 높은 회수율을 보이는 Medley Velvet과 Kromekote가 콜렉터로 사용하기에 적합한 재질이라고 볼 수 있겠다.
보다 정밀한 결과를 위하여 Kromekote와 Medley Velvet에 대하여 반복횟수를 늘려 추가적인 실험을 통하여 회수율을 분석한 결과 이전의 결과와 같이 Medley Velvet이 미세하게 높지만 t-test를 수행한 결과 p-value가 0.43이 나와 유의미한 차이는 없는 것을 확인할 수 있었다. (Table 4)
Absorption speed comparison
코팅지에 물방울이 흡수되는 정도를 확인한 결과 Medley Velvet의 경우 물방울이 떨어진 후 약 10분 정도면 흡수가 완료되는 것을 확인할 수 있었고 Kromekote의 경우 약 20분 정도가 소요되는 것을 확인할 수 있었다.(Fig. 4) 즉 Medley Velvet을 사용하는 경우 측정 실험 사이에 대기하는 시간을 줄일 수 있고, 작업자나 외부 물질에 의하여 실험 결과가 영향을 받는 위험을 낮출 수 있어 콜렉터에 더 적합한 것으로 보인다.
Conclusion
무인항공방제기의 부착량평가방법에 개발을 위한 기초연구로써 분무입자의 부착성능을 정성적·정량적으로 평가할 수 있는 콜렉터에 대한 연구 필요성이 증가하였다. 따라서 기존의 WSP를 이용한 방법의 단점을 개선하기 위하여 Brilliant blue FCF를 Tracer와 함께 사용할 콜렉터 재질을 선정하는 연구를 수행하였다.
콜렉터를 평가하는 기준으로 친수성, 회수율, 취급용이성, 재료의 가격을 선정하였다. 이에 따라 재질을 선정하기 위하여 콜렉터의 가격을 검토하고, 분무입자의 부착과 관련된 접촉각을 측정하고, 회수율을 평가하기 위하여 분무 입자 부착 후 추출을 통한 회수율 실험을 진행하였다. 마지막으로 콜랙터의 물방울 흡수 속도를 비교하여 현장에서 사용 적합성을 판단하였다.
경제성 분석 결과 WSP와 비교하여 4가지 코팅 용지 모두 매우 낮은 가격이었다. 코팅용지 중에서는 Symbol Gross의 가격이 가장 낮았고 Kromekote의 가격이 가장 높았다. 접촉각의 경우 Medley velvet이 가장 작은 값(56.5°)을 가지는 것을 확인하였다. 회수율 평가의 경우 4가지 코팅지 모두 90% 이상의 회수율을 보여주었고, Medley velvet이 가장 높은 회수율(98.2%) 값을 보여주었다. Medley Velvet이 Kromekote에 비하여 흡수율도 우수한 것으로 나타나 콜렉터로 사용하기에 가장 적합한 것으로 나타났다.
또, Tracer와 Medley velvet을 이용하여 부착량을 평가하는 방법이 기존의 WSP를 이용한 방법과 같이 영상분석을 통하여 정성적인 평가를 진행할 수 있을 뿐만 아니라 추출을 통하여 부착된 분무 입자의 양을 정량적으로 평가하는 것이 가능할 수 있다는 것을 확인하였다. 더 나아가 부착된 입자들의 크기 측정이나 부착 면적 비율 계산 등을 통한 추가적인 분석도 가능할 것으로 보인다.
콜렉터의 특성은 형상에 의한 부착특성과 재질에 따른 부착특성이 있으나 본 연구에서는 재질에 따른 부착특성만을 고려하였다. 본 연구의 결과는 저렴하고 간편하며 정확한 무인항공방제기의 부착특성 평가기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.
