드론 방제기 비산 저감을 위한 분무 시스템 기초 연구

이춘구 ( Chun-gu Lee ),최용 ( Yong Choi ),최일수 ( Ilsu Choi ),김영화 ( Younghwa Kim ),우제근 ( Jea-keun Woo ),문석표 ( Seok Pyo Moon ),이상봉 ( Sangbong Lee ),이지근 ( Jee-keun Lee ),홍세운 ( Se-woon Hong ),유승화 ( Seung-hwa Yu 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

높은 작업 효율과 작업의 편리성으로 인하여 국내에서 드론 및 무인헬기를 활용한 방제 작업이 점차 증가하고 있다. 2022년 농작업 기계화율 조사에 따르면 국내 벼 농가의 절반 이상이(52.2%) 무인항공기를 이용하여 방제를 수행하였다. 그러나 항공방제 작업이 점차 증가하는 만큼 이로 인한 비산 피해에 대한 우려가 증가하고 있다. 특히 2019년부터 국내에 본격적으로 도입된 농약 허용기준 강화제도(Positive List System, PLS)로 인하여 잔류 농약 기준이 엄격해지면서 농민 간에 분쟁으로까지 이어지고 있다. 드론 방제기의 경우 분무가 공중에서 이루어지기 때문에 지상 방제기보다 측면풍에 영향을 많이 받게 된다. 이에 따라 드론 방제기에서 발생하는 비산을 저감하기 위하여 분무 장치에 이용되는 노즐들의 특성을 분석하고자 하였다. 입도분석기(Spraytec)을 이용하여 분무 입자 지름(Volume median diameter, VMD)을 측정하고 분무 입자를 수집하여 유량을 측정하였다. 분석에는 3가지 노즐(AI, XR, DG)을 활용하였고 압력도 3단계(230, 280, 330kPa)로 조절하며 측정하였다. 노즐별 VMD는 AI > DG > XR 순으로 나타났다. 일반적으로 VMD가 클수록 비산이 덜 되는 만큼 AI 노즐이 비산에는 가장 강한 것으로 판단된다. 압력이 증가함에 따라 세 노즐 모두 VMD는 감소하였고, 유량은 증가하였다. 즉, 압력 조절에 따라 드론 방제기의 분사량을 변화시킬 수는 있었지만, 분무 입자의 직경도 변화하므로 항공 방제시 이를 참고해야 할 것으로 판단된다. 생물학적 방제효과를 고려하여 적정 분무 입자의 크기를 결정하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

드론 방제기 비산 측정을 위한 비산 입자 수집장치 설계

이춘구 ( Chun-gu Lee ),최용 ( Yong Choi ),최일수 ( Ilsu Choi ),김영화 ( Younghwa Kim ),우제근 ( Jea-keun Woo ),문석표 ( Seok Pyo Moon ),이상봉 ( Sangbong Lee ),이지근 ( Jee-keun Lee ),홍세운 ( Se-woon Hong ),유승화 ( Seung-hwa Yu 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

병해충이 발생하면 작물의 생산량이 큰 폭으로 감소하여 이를 막기 위한 방제작업은 반드시 필요하다. 그러나 방제 중 살포하는 농약으로 인한 환경오염 및 농산물 잔류가 문제시 되고 있다. 국내에서는 2019년부터 농약 허용 기준 강화제도(Positive List System, PLS)가 시행되어 농산물의 잔류 농약에 대해 관리하고 있다. 최근 증가하는 무인항공기를 이용한 항공 방제의 경우 높은 고도에서 살포하는 만큼 약제의 일부가 비산될 가능성이 있으며 이는 이웃한 경작지에 PLS 위반이라는 피해를 불러일으킬 수 있다. 이를 대비하기 위하여 드론 방제기의 비산량 및 비산거리를 측정하는 방법 마련이 필요하나 국내에서 비산측정에 대한 연구가 부족한 상황이다. 이에 따라 본 연구에서는 비산 측정과 관련된 국제표준인 ISO 22866을 참조하여 비산 입자 측정을 위한 수동 수집 장치를 설계하고자 하였다. 우선 ISO 표준을 참조하여 수집 효율이 좋고 단면적을 명확하게 계산할 수 있는 polyethylene(PE) 튜브를 수집기로 사용하고자 하였다. 수집기 설치는 붐방제기에 대한 기준을 참조하여 지면으로부터 4m 높이까지 1m 간격으로 설치하고자 하였다. 이에 따라 수집기를 설치할 수집 장치의 높이는 4.5m로 설정하였다. 이송 및 보관의 편리성을 위하여 수집 장치는 받침부와 2m 길이의 상·하부 기둥으로 분리하였고 현장에서 조립할 수 있도록 하였다. 설계안을 검토하여 실제 제작한 후 향후 드론 방제기의 비산 측정 실험에 활용하고자 한다.

비산 예측 모델 개발을 위한 살포 약제 선정에 관한 연구

이춘구 ( Chun Gu Lee ),이지근 ( Jee-keun Lee ),홍세운 ( Se-woon Hong ),유승화 ( Seung-hwa Yu ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

국내 농촌 인구는 지속적으로 감소하며 고령화가 가속화되고 있어 외국인을 포함한 외부 노동력에 의존하고 있으나 이마저도 부족한 상황이다. 이에 따라 노동력을 절감할 수 있는 신기술 개발이 필요한 상황이다. 최근 기술의 발전에 따라 농업의 스마트화가 진행되고 있는 가운데 드론을 활용 농업이 고령화 농업의 대책으로 부상하고 있다. 드론산업은 첨단기술 융합산업으로 잠재력이 크며, 국내외 드론 시장이 확대되고 농업분야 활용에 대한 관심이 증가되고 있다. 특히 농촌진흥청의 조사에 따르면 국내 보급된 농업용 드론의 93.5%가 방제용 드론으로 방제 분야에 있어 차지하는 비중이 매우 크다고 하겠다. 그러나 드론 방제 작업도 분무 중에 발생하는 비산 문제를 해결할 필요가 있다. 특히 2019년 PLS 제도가 도입된 이후 방제중 발생한 비산으로 인하여 농민들간의 분쟁이 점차 증가하고 있는 만큼 비산을 예측하고 이를 저감할 수 있는 방안을 마련하는 것이 시급하다고 하겠다. 드론에서 발생하는 비산의 양과 거리를 예측하기 위한 모델을 개발하기 위하여 우선 전용 약제와 살포량 선정을 수행하였다. 시중에 공급된 작물보호제 중 항공방제용으로 승인된 약제를 대상으로 조사하였으며 전문가들과의 검토를 통하여 이용비중이 높은 약제를 선정하였다. 또 해당 약제들의 희석 비율에 따른 살포량을 결정하였고 노즐의 분무량에 따른 비행속도에 대한 식도 연구하였다. 향후 해댱 약제들에 대한 물성도 분석하여 비산을 예측할 수 있는 모델을 만들고 현장 실험을 통해 검증을 수행하도록 하겠다.

다공튜브 오리피스 면적비 변화가 출구유동에 미치는 영향

이상규(Sang-Kyoo Lee),이지근(Jee-Keun Lee) 대한설비공학회 2013 설비공학 논문집 Vol.25 No.6

A multi-perforated tube indicates the existence of multiple holes of various shapes on the surface of a long cylinder-type or rectangular tube, and a hole installed on the surface is called an orifice, as it is relatively small in size, compared with the surface area of the tube. In this study, the flow characteristics of a circular multi-perforated tube with many orifices on the surface were investigated experimentally and numerically. The volume flowrate issuing from each orifice, discharge angle, effective flow area ratio, and the flow fields around the orifices were measured and visualized, with the variation of the orifice area ratio, at the same blockage ratio. The volume flowrate distributions along the flow direction of the multi-perforated tube tends to be more uniform, as larger orifices were positioned at the inlet side of the multi-perforated tube, compared with no orifice area change along the flow direction.

물 10%가 혼합된 유화연료유를 적용한 Bunker-C유 보일러버너의 황산화물(SO₂)저감 실험적 연구

이태호(Tae-Ho LEE),이지근(Jee-Keun LEE) 한국수산해양교육학회 2019 水産海洋敎育硏究 Vol.31 No.6

신개발 AI노즐을 활용한 드론 방제기의 포장 적응 특성 분석

유승화 ( Seung-hwa Yu ),김영근 ( Young-keun Kim ),최덕규 ( Duck-kyu Choi ),우제근 ( Jea-keun Woo ),강영호 ( Young-ho Kang ),이지근 ( Jee-keun Lee ),최용 ( Yong Choi ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

드론은 2010년대에 들어서 급격하게 기술 발전을 이루어 농업에서 농작물 생육 모니터링과 방제용으로 아주 유용하게 사용하고 있다. 이 중 방제용 드론은 빠르게 보급되고 있지만 대부분의 방제용 드론은 멀티로터의 특성에 따른 분무장치의 약액 비산 특성을 고려하지 않아 영농현장에서 드론 방제 작업 시에 농약이 비산되어 방제 효과를 저하하는 원인이 되었다. 이와 같은 문제를 개선하고자 국립농업과학원에서는 드론에 사용이 적합한 노즐을 10여종 선발하였고, 비산을 최소화하고자 비산저감형 AI(Air Induction)노즐을 개발하였다. 또한 드론에 장착된 분무시스템을 개선하여 드론 멀티로터의 하향풍 기류 영향을 극대화하고자 노즐 위치, 분사압력, 비행속도, 비행고도 등의 기준을 마련하였다(국립농업과학원, 2020). 이에 본 연구에서는 드론 방제 적합하게 개발된 비산저감형 AI노즐과 최적화한 분무시스템을 장착한 드론 방제기를 이용하여 벼와 콩을 대상으로 농약 살포 성능 시험을 통해 현장 적응성을 제시하고자 하였다. 본 실험에서 사용한 신개발 AI노즐의 특성은 노즐에서 분사되는 물방울 형태의 분무 액적에 공기를 주입하여 공기방울로 만든 것으로서 비산억제 및 부착률을 향상시킨 것이다. 이 AI노즐의 액적 크기는 약 340μm로 관행 XR노즐(약 150μm)의 2.3배이며, 분당 살포량은 관행과 동일(0.6~0.7 LPM)하다. 즉, AI노즐에서 분사되는 액적의 표면적을 약 4배 크게 함으로써 측면풍의 공기저항을 키우고 드론 하향풍에 크게 작용하여 비산을 억제하는 특성을 가지고 있다. 또한 분무시스템은 ASABE S572.1을 기준으로 분사압력 40 psi(2.76bar)로 적용하였으며, 분사각은 110°, 비행속도 2~3m/s, 고도 2m 내외, 노즐 위치는 모터 하향 30cm로 기준 설정하였다(YU, et. al., 2020). 현장 적응 시험은 전북 김제 소재 벼 포장 40a와 콩 포장 40a에서 실시하였으며, 비행 속도에 적합하게 농약 희석 비율을 구명하고, 관행 노즐 대비 신개발 AI노즐에 대해 작물 초장 높이별(상, 중, 하) 분무 약액의 침투 경향을 비교 분석하였다. 분석한 결과, 농약 희석비율에 따라 드론 방제 속도는 1:8(5.6m/s), 1:16(2.9m/s), 1:24(2m/s), 1:32(1.5m/s)로 분석되었다. 이 결과로 보아 2~3m/s의 비행 속도로 드론 방제하기 위해서는 1:16 또는 24 비율로 희석하여 야 한다. 작물 초장 높이별 약액 침투 경향을 상단부 피복도를 기준으로 분석한 결과, 중단부는 52.7%, 하단부 34.4%로 나타났으며, 각 위치별 신개발노즐 대비 관행 노즐의 피복도가 상단부 30.7%, 중단부 28.3%, 하단부 37.3%로 나타나 신개발 노즐이 작물의 초장 하단까지 농약 침투성능이 높다는 것을 알 수 있었다.

벼 포장에서 드론 방제기의 살포 조건과 노즐에 따른 도포율 분석

유승화 ( Seung-hwa Yu ),김영근 ( Young-keun Kim ),최용 ( Yong Choi ),강영호 ( Young-ho Kang ),이지근 ( Jee-keun Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

방제작업은 농작물의 생산량 손실을 방지하기 위하여 매우 중요한 작업이다. 국내의 경우 여러 방제 방법 중 멀티콥터를 이용한 항공방제가 높은 작업 효율과 작업 편의성으로 인하여 방제 면적을 점차 늘려가고 있다. 특히 수도작에서 방제드론의 활용율이 높은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 벼 포장에서 멀티콥터를 이용하여 항공살포하면서 지상에서의 도포율(coverage) 차이를 비교하였다. 살포조건으로 비행 속도(2,3,4m/s)와 비행 고도(2,3,4m)를 조절하였고 각 경우에 두 종류의 노즐(XR, AI)을 이용하여 실험하였다. 실험 중 기온은 24.8~26.1℃, 풍속은 1.5~2m/s 정도의 수준을 유지하였다. 측정 결과 XR노즐과 AI노즐 모두에서 드론의 비행 속도가 증가함에 따라 도포율이 감소하는 것을 확인하였다. 이는 멀티콥터의 비행 속도 증가가 멀티콥터 후류 영역의 넓이를 증가시켜 비산량을 증가시키는 것으로 판단하였다. 따라서 멀티콥터를 이용하여 항공 방제를 수행하는 경우 비행 속도에 비례하여 도포율이 감소하므로 비행속도를 3m/s 이내의 범위에서 설정할 필요가 있겠다. 3m/s로 비행하는 경우 두 노즐 모두 비행 고도 증가에 따라 도포율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다(78%, 43%). 이는 AI노즐의 액적 크기가 커 높은 고도에서 분사하여도 비산량이 적기 때문인 것으로 분석하였다. 멀티콥터를 이용하여 항공 방제를 실시하는 경우 비행 고도와 비행 속도의 증가는 분무 입자의 도포율을 감소시키므로 제한을 두어야 할 것으로 보이며, 작업 효율을 고려하여 적정한 운영 조건을 찾아야 할 것으로 보인다.

Urea-SCR 시스템에서 배기관 내 요소수용액의 증발 및 혼합특성에 관한 수치해석 연구

안태현(Tae Hyun An),이승엽(Seung Yeop Lee),김만영(Man Young Kim),이지근(Jee Keun Lee) 대한기계학회 2012 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2012 No.11

Urea water solution is sprayed into the hot exhaust stream through installed injector in the exhaust pipe, and injected urea water solution experiences thermal decomposition into NH₃, and finally reduces NO<SUB>x</SUB>. For this reason, to optimize the urea dosing system, thermal decomposition and mixing characteristics of urea water solution into NH3 have been studied to design optimum sizes and geometries of the mixing chamber in the selective catalytic reduction (SCR) system because this device has some issues associated with the ammonia slip which is occurred by shortage of evaporation and thermolysis time, and that makes it difficult to achieve uniform distribution of the injected urea in front of the catalyst. Therefore, in this study, the effects of the injector angle on the NH₃ concentration distribution at the end face of the exhaust pipe which is at the front face of the SCR catalyst have been examined with detailed three-dimensional turbulent flow of the compressible, reacting, and unsteady state to retain optimum flow characteristics of urea-SCR system. Finally, it can be found that the case with an injector angle of 15° showed the best performance in terms of the maximum NH₃ concentration and uniformity, and suggested useful guidelines to achieve the optimum design of a urea-SCR injection system for improving DeNO<SUB>x</SUB> performance and reducing ammonia slip.

논 콩 포장에서 드론 방제기의 살포 조건과 노즐에 따른 도포율 분석

유승화 ( Seung-hwa Yu ),김영근 ( Young-keun Kim ),최용 ( Yong Choi ),강영호 ( Young-ho Kang ),이지근 ( Jee-keun Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

국내 콩 재배의 경우 소득대비 노동 투하시간(182시간/ha)이 많아 생산성이 낮은 편으로 생산 전과정 기계화를 통한 생산성 향상이 시급한 상황이다. 드론을 이용한 항공 방제의 경우 작업 효율이 높고 작업자에 대한 안전성도 높아 최근 농촌에서 활발히 이용하고 있는 추세이다. 이와 관련하여 국립농업과학원에서도 비산 저감형 드론방제기를 개발하고 이를 현장에 적용하는 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서는 논콩 포장에서 멀티콥터에 관행노즐(XR)과 비산저감노즐(AI)을 부착하여 항공살포하면서 지상에서의 도포율(coverage) 차이를 분석하였다. 비행 속도와 고도에 대한 영향도 파악하기 위하여 각각 3수준(2,3,4m/s)(2,3,4m)으로 조절하며 실험하였다. 실험 중 기온은 22.06~25.39℃, 풍속은 1.3~2.16m/s로 측정되었다. 측정 결과 비행속도가 2m/s에서 4m/s로 증가함에 따라 도포율이 XR노즐의 경우 42%, AI노즐의 경우 54% 감소하는 것을 확인하였다. 드론 비행속도에 따른 도포율 감소 경향은 모든 비행고도에서 동일하게 나타났으며 감소 경향은 거의 선형적으로 나타났다. 따라서 멀티콥터를 이용하여 항공 방제를 수행하는 경우 비행 속도에 대한 고려가 필요할 것으로 보인다. 비행 고도에 대한 영향의 경우도 대체로 고도가 증가함에 따라 도포율이 감소하는 것으로 나타났다. 일부 경우에 고도가 증가함에도 도포율이 증가하는 것으로 나타났는데 이는 실험당시 발생한 와류에 의한 오차인 것으로 보인다. 비행 고도와 비행 속도의 증가가 도포율을 감소시키므로 약효가 발생할 유효 도포율을 파악하여 이를 이용한 제한을 두어야 할 것으로 보인다.

이중 공기공급 이유체 선회노즐의 유량비 변화에 따른 미립화 특성에 관한 실험적 연구

강신명 ( Shin Myoung Kang ),김덕진 ( Duck Jin Kim ),이지근 ( Jee Keun Lee ),노병준 ( Byung Joon Rho ) 한국액체미립화학회 2007 한국액체미립화학회 학술강연회 논문집 Vol.2007 No.-