KR100206044B1 - 정전효과를 이용한 분무 향상방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전효과를 이용한 분무 향상방법 및 그 장치에 관한 것으로, 상세하게는 분무기의 노즐(1) 선단에 고전압이 인가되는 고압전극(4)을 설치하여 분무입자(6)들이 정전효과로 대전되게 함으로써 대전된 분무입자(6)들이 작물(5)과 같은 분무 대상체에 정전 인력으로 쉽게 흡착되어 분무효율이 크게 향상되게 한 것이다.

Description

정전효과를 이용한 분무 향상방법 및 그 장치

본 발명은 정전효과를 이용한 분무 향상방법 및 그 장치에 관한 것으로, 상세하게는 분무기의 노즐 선단에 고전압이 인가되는 고압전극을 설치하여 분무입자가 정전화되게 함으로써 분무효율이 크게 향상되게 한 것이다.

농산물의 품질 향상 및 생산비 절감을 위하여 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다. 그 중 농업기계분야의 연구는 현장에서의 애로점을 해결하려는 자동화 및 무인화, 첨단기술을 이용한 고능률화 및 지능화로 집약되고 있으며, 수확량의 증가 및 품질향상을 위한 여러 가지 첨단 농법의 개발과 더불어 국내 농산물의 생산과정 및 유통과정에서 일어나는 수확량의 손실에 대한 뚜렷한 대책이 시급한 실정이다.

농업에서 수확량의 손실을 방지하기 위한 방법으로는 수확 전 처리와 수확 후 처리가 있으며, 수확 전 작업의 대표적인 것이 방제작업이다. 방제작업에 의하여 해충에 의한 피해를 없애면 30~50%까지의 손실을 방지할 수 있다고 한다(Hardi, 1991). 이는 방제의 중요성을 말해 주는 것이며, 벙해나 잡초 등의 다른 요인을 감안한다면 엄청난 양의 손실을 방지할 수 있을 것이다.

우리나라의 경우 농약 사용량은 80년도에 160,000 톤(t)이던 것이 지난 94년에는 260,000 t으로 63%가 늘어났으며 특히 원예작물에 뿌리는 농약은 5,400t에서 12,600t으로 132%나 증가했고 제초제 사용량도 3,400t에서 5,500t으로 63%가 증가했다(농림수산부, 21세기를 향한 농림수산 환경정책안, 1996). 특히 세계보건기구(WHO)가 지정한 맹 고독성 농약 가운데 일부는 사용량이 매년 증가하고 있는 실정이다.

1995년 맹·고독성 농약의 국내 사용량은 2,950여t에 이르고 있으며, 이 가운데 포스팜액제는 지난 92년 233.9t에서 95년 348t으로, 아조포유제는 19.1t에서 191.1t으로 사용량이 매년 큰 폭의 증가세를 보이고 있다 (농림수산부, 농촌진흥청 국정감사 보고서, 1996). 이처럼 농약의 사용량이 급증하는데 비해 60년~95년 동안의 쌀 생산량은 1.4배 증가하는 데 그쳐, 현행 방제작업체계에 대한 효율성 및 안전성이 제고되고 있다.

한편, 방제작업은 작은 입경의 분무입자로서 가급적 적정량을 균일하게 뿌릴 때 방제효율이 제고될 수 있는 데도 불구하고, 현행 방제작업체계에서 이루어지는 액제 살포는 원거리 살포에 따라 분무입자의 입경분포가 다양하며, 대부분의 분무립의 입자가 매우 크므로 고른 살포를 기대하기 어렵다.

또한 액제 살포의 경우 분무입자들의 유수침투 및 과수에 이르기 전에 지면에 떨어지므로 생기는 약액의 손실, 공기 중에서 약액의 비산으로 인한 작업자의 안전 위협등의 문제점을 안고 있다.

또한, 급속한 공업화 및 자연파괴로 인한 환경오염의 문제가 심각하게 대두되고 있으며, 환경보호를 위한 인식이 확산되고 있는 이 때에 농약의 과다 사용에 의한 유수 및 지하수의 오염이 심각한 환경문제로 지적되고 있으며, 따라서 방제작업의 효율성 향상 및 환경오염의 문제를 극복할 수 있는 새로운 기법의 방제기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

또한, 정전효과는 우리 주위에서 흔히 발견할 수 있는 것으로 정전기라고 불리는 현상으로 나타난다. 그 원리는 제1도와 같이 전기적으로 중성을 띤 물체가 마찰이나 그 밖의 전기적인 작용에 의해서 전기적인 균형이 깨지면서 극성을 띠게 되어 전하의 성질을 가진다.

정전현상에 의하여 대전된 물체의 특징은 일반적인 전기장 및 자기장내에서 극성을 가지고 있는 물체가 받는 영향과 동일하다. 대전된 물체 사이에서는 동일한 극성을 가진 전하는 서로 척력을 가지고 다른 극성을 가진 전하는 서로 인력을 가지는 역학관계를 형성한다.

이러한 정전효과가 에폭시 코팅(epoxy coating)에 응용되는 원리는 다음과 같다. 동일한 극성으로 새로이 대전되어 살포되는 입자들은 이미 대상체의 표면에 부착한 입자들과 척력이 발생하여 코팅되지 않은 표면으로 밀려서 부착하게 된다. 따라서 대상체의 표면에 고른 두께를 형성하면서 코팅(coating)이 된다.

입자의 대전량은 지속시간이 매우 짧기 때문에 시간이 경과 되면 입자는 자연적으로 중성화 된다. 이 순간 다시 대전된 입자들을 살포하면 고르게 부착함과 동시에 일정한 두께를 형성할 수 있다. 이 과정이 반복되어 정밀하고 고른 두께의 코팅이 이루어진다.

대전된 입자는 전기장 내부에서 운동을 하면서 전기장의 영향을 받아 궤적이 변화되며, 산업분야에서 정전효과를 이용한 응용사례는 페인팅(painting) 및 에폭시 코팅(epoxy coating) 작업 등의 특수 도장재료의 정전 살포 등이 있으며, 우리 주위에서 흔히 사용되고 있는 프린터의 일종인 잉크젯(ink-jet)방식의 프린터가 일반적인 사례이다.

새로운 기법의 방제기술은 소량의 약액을 사용함과 동시에 공기중에서의 손실을 방지하여야 하며 작물의 표면에 피복특성이 우수해야 하는 두 가지 성능을 구현하므로써 구체화 될 수 있으며, 본 발명에서는 이러한 문제점을 인식하고 새로운 기법의 방제작업에 대한 연구로서 정전(eletrostatic)효과를 이용한 분무향상 방법 및 그 장치를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 정전효과를 이용한 분무기와 일반 분무기의 비교실험을 통해 분무립의 입자밀도, 분무립의 입자경 분포, 분무립의 피복률 등의 차이를 조사하여 분무성능을 평가하도록 하며, 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명 대전효과(charging effect)를 설명하기 위한 도면으로, 1a도는 대전 상태, 1b도는 인력 상태, 1c도는 대전이 이루어지기 전 도면, 1d도는 대전이 이루어진 후의 도면.

제2도는 본 발명의 개략적인 구성도.

제3도는 본 발명에서 대전작용에 따른 전하의 이동을 도시한 도면.

제4도는 대전된 분무입자가 작물의 표면에 접근하면 작물표면에는 이와 반대의 전하흐름이 형성됨을 도시한 도면.

제5도는 본 발명에서 대전된 입자가 자중에 위한 낙하속도보다 정전인력에 의한 접근속도가 더욱 빨라 작물의 뒷면에도 분무입자가 피복됨을 도시한 도면.

제6도는 본 발명 정전효과를 이용한 분무기의 성능 실험을 위하여 각 실험장치의 요소들을 도시한 블럭도.

제7도는 본 발명 분무시스템의 구성도.

제8도는 본 발명 노즐의 분무유형을 나타낸 도면으로, 8a도는 사시도, 8b도는 정면도.

제9도는 본 발명의 외관 사시도.

제10도는 본 발명에서 작물 대신으로 제시한 원형평판(인공 대상체)에 감수지를 부착하여 분무실험을 할 수 있게 도시한 도면.

제11도는 본 발명에서 원형과수의 일종인 사과표면에 감수지를 부착하여 분무실험을 할 수 있게 한 도면.

제12도는 본 발명에서 실험을 위하여 제시한 노즐과 실험목표물 도면.

제13도는 본 발명에서 기하하적 형상을 갖는 엽상식물인 경우 3가지 각도(0°, 45°, 90°)로 분무하는 것을 도시한 도면.

제14도는 본 발명에서 분무립의 분포상태를 수집하는 과정을 도시한 순서도.

제15도는 본 발명 인공대상체에 정전효과를 적용하지 않은 상태에서 획득한 감수지의 피복모습 도면으로, 15a도는 아랫면, 15b도는 윗면.

제16도는 본 발명 인공대상체에 정전효과를 적용한 다음 획득한 감수지의 피복모습 도면으로, 16a도는 아랫면, 16b도는 윗면.

제17도는 본 발명에서 사과를 대상으로 한 실험에서 30cm 거리에서 획득한 감수지의 피복 모습을 도시한 도면으로, 17a도는 정전효과 OFF, 17b도는 정전효과 ON.

제18도는 본 발명에서 사과를 대상으로 한 실험에서 60cm 거리에서 획득한 감수지의 피복 모습을 도시한 도면으로, 18a도는 정전효과 OFF, 18b도는 정전효과 ON.

제19도는 본 발명에서 사과를 대상으로 한 실험에서 100cm 거리에서 획득한 감수지의 피복 모습을 도시한 도면으로, 19a도는 정전효과 OFF, 19b도는 정전효과 ON.

제20도는 본 발명에서 분무거리를 100cm로 동일하게 하면서 인가전압을 각각 달리하여 획득한 감수지의 피복모습을 도시한 도면으로, 20a도는 15kV, 20b도는 20kV, 20c도는 25kV.

제21, 22, 23도는 본 발명에서 대상체의 각도가 0□일 때 인공대상체의 표면에 부착된 입자들의 평균입경에 따른 돗수 분포 그래프.

제24, 25, 26도는 본 발명에서 사과를 대상으로 한 실험에서 인가전압에 따른 부착립의 평균입경 분포를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 노즐 2 : 고압케이블

3 : 고전압 발생장치 4 : 고(전)압전극

5 : 작물(분무 대상체) 6 : 분무입자

7 : 분무시스템 8 : 약액탱크

9 : 펌프 10 : 릴리프 밸브

11 : 원형 평판 12 : 감수지

13 : 사과 14 : 엽상식물

15 : 실험목표물 16 : 절연 지지체

정전효과를 이용한 본 발명의 정전분무기는 제2도와 같은 형태로 구성되며, 일반적인 분무기의 노즐(1) 부위에 고압케이블(2)로 고전압 발생장치(3)와 전기적으로 연결된 고(전)압전극(4)을 장착하여 구성된다.

분무되는 약액이 공기중에서 입자화 되는 순간 고압전극(4)으로 인가되는 고전압에 의하여 대전작용이 발생하며, 이때 발생하는 방전현상을 방지하기 위하여 고압전극(4)의 주위는 절연성이 우수한 물질로 차폐(shild)되어 있어야 한다.

특히, 노즐(1) 및 약액을 통한 방전에 세심한 주의를 기울여야 한다. 대전된 전하는 지표면에서 생장하고 있는 작물(5)로 살포되어 작물(5)의 표면 근처에 도달한다. 전기적으로 중성인 작물(5)의 표면에서는 대전된 입자 때문에 또 다른 대전작용이 발생한다. 결국 서로 극성이 다르게 대전된 입자와 작물(5)의 표면간에는 인력이 작용하여 분무입자(6)가 작물(5)의 표면에 쉽게 흡착된다.

이러한 원리를 보다 자세히 살펴보면 제3도와 같이 음극성(또는 양극성)을 띤 고압전극(4) 주위에 있는 분무입자(6)의 표면에서는 순간적으로 음전하(또는 양전하)가 척력에 의하여 내부로 이동하게 되고, 분무입자의 표면 근처에는 상대적으로 양전하의 양이 많게 되므로 전기적으로 중성이던 분무입자(6)가 양극성으로 대전된다(Law, 1978).

제4도와 같은 경우 양극성으로 대전된 분무입자(6)가 작물(5)의 표면에 접근하면 작물(5) 표면에서는 이와는 반대로 전하의 흐름이 형성된다. 양극성으로 대전된 분무입자(6)와 인력이 작용한 음전하가 표면으로 이동하여 작물(5)의 표면은 음극성으로 대전된다. 음극성으로 대전된 작물(5)의 표면과 양극성으로 대전된 분무입자(6) 사이에 작용하는 인력에 의하여 분무립의 부착성능이 향상 될 수 있다.

정전효과를 이용한 본 발명 정전분무기의 특징은 다음과 같다. 대전된 분무입자(6)와 작물(5) 사이에 인력이 발생하여 분무입자(6)가 공기 중에서 비산하거나 작물(5)에 도달하기 전에 중력에 의하여 지면으로 침착하는 경우를 방지하므로써 분무입자(6)의 손실을 크게 줄일 수 있다.

또한, 제5도와 같이 작물(5)의 표면에 가까이 위치한 대전된 입자의 작용을 보면, 입자의 자중에 의한 낙하 속도보다 대전된 입자와 접지된 작물(5)의 표면 사이에 작용하는 정전인력에 의한 접근 속도가 3배~20배(Bailey, 1988)로 더욱 크기 때문에 작물의 뒷면에도 분무립이 피복하는 특성을 보이게 된다.

정전효과를 이용한 분무노즐은 정전효과를 발생시키는 방법과 분무액의 전도도에 따라 다양한 형태로 구성이 되며, 대표적인 방법(Matthews, 1989)들을 정리하면 다음과 같다.

① 전도성 액체에 대한 유도 대전(induction charging of conductive liquids)

② 전도성 및 비전도성 액체에 대한 이온장의 내의 대전(ionized field charging of either conductive or non-conductive liquids)

③ 반전도성 액체에 대한 직접 대전(direct charging of semi-conductive liquids)

본 발명에서는 현행 대표적으로 사용되는 약액이 물에 일정한 비율로 희석하여 사용하는 수용액이므로, 위에서 나열한 방법 중 전도성이 우수한 약액을 대상으로 분무액이 노즐(1)로부터 분무되는 위치에 고압전극(4)을 설치하여 정전효과를 발생시키는 유도현상에 의한 대전방법(Law, 1987)을 선택하였다.

이 방법은 분무입자(6)의 대전율이 고압전극(4)에 입력되는 전압의 크기에 따라 비례하는 것이 특징이며, 분무입자(6)와 고압전극(4)의 접촉을 방지하여 분무입자(6)가 고압전극(4)으로 튀거나 고압전극(4)이 젖지 않게 주의하므로써 방전현상 및 누전현상을 방지하도록 한다.

본 발명 정전효과를 이용한 분무기의 성능 실험을 위하여 각 실험장치 요소들을 제6도와 같이 구성하였으며, 분무시스템(7)은 제7도와 같이 약액을 포함한 약액탱크(8)와, 분무압 형성을 위한 펌프(9)와, 약액의 분무를 위한 노즐(1)과, 압력설정을 위한 릴리프 밸브(10)가 서로 유기적으로 구성된다.

분무압 형성을 위해 선정한 펌프(광성분무기)는 회전수 800rpm의 속도로 회전하면서 25kg/cm²의 압력을 생성하는 플런저 펌프를 사용하였으며, 펌프(9)의 운전을 위해 선정한 원동기는 제반조건에서도 사용 가능할 수 있도록 국내에서 흔히 사용되는 다음 표 1과 같은 사양의 전동기를 사용하였다.

또한, 본 발명의 노즐(1)로는 단위 면적당 균일량 살포 및 기부살포에 유리하여 붐스프레이에 적용하는 티-제트(TeeJet 11001VS, Spraying Systems, USA)를 사용하였다.

한편, 정전효과 발생을 위해서는 고전압을 발생할 수 있는 전원장치가 필요한 바, 본 발명에서 선정한 고전압 발생장치(3)의 입력전원은 AC 220V, 출력 전원은 최고 DC 65,000V를 발생할 수 있는 전원장치로서 승압시 발생하는 접지와의 방전을 방지하기 위해 두번에 걸친 승압 방식을 사용하였다.

정류회로는 실리콘 다이오드를 이용한 반파 정류회로를 사용하였으며, 2차 승압회로는 절연류로 절연된 케이스 내부에 코일이 권선되어 있어서 고압 발생으로 인한 대기 방전을 방지할 수 있도록 설계되어 있으며, 또한 고압 상태에서 부하의 감소로 전류가 증가하는 위험한 상황을 방지하기 위하여 미량의 전류에도 반응하는 릴레이회로를 이용한 통상의 과부하 안전장치가 설치되어 있으며, 고전압 발생장치(3)의 사양은 아래 표 2와 같다.

또한, 노즐(1)에서 분무입자(6)가 발생할 때 정전효과를 발생시키기 위하여 고압전극(4)을 설치할 수 있도록 노즐(1)의 외형을 개조하였다. 특히, 고압전극(4)과 노즐(1)은 완전히 절연되어야 하기 때문에 고압전극(4)과 노즐(1)간의 거리를 3cm로 설계하였으며, 절연성과 내구성이 우수한 아크릴(acrylonitrile)을 이용하여 접속 장치를 만들었다.

정전 분무노즐(1)을 설계하기 위해서는 약액탱크(8) 내의 약액과 고압전극(4)과의 절연을 고려하기 위하여 먼저 노즐(1)의 분무유형을 파악해야 한다. 본 발명에서 사용한 노즐(1)의 분무유형은 제8a도와 같으므로 고압전극(4)의 위치를 제8b도와 같이 노즐(1)이 고정되고 절연성과 내구성이 우수한 재질 예컨대, 아크릴과 같은 절연지지체(16)의 안쪽 양측에 마주보도록 설치하여 노즐(1)의 가상 중앙선상에 대칭하도록 한다.

상기에서 절연지지체(16)는 제8, 9도에서 ⊃ 형상으로 예시 하였으나 물론 사각뿔 형상이나 나팔관 형상 등으로 형성할 수 있으며, 이러한 경우 복수 개의 고압전극을 절연지지체(16)의 내부로 향하도록 적당한 간격으로 설치하여 사용할 수도 있으며, 고압전극(4)은 팁이나 봉형상으로 구성할 수 있으나 링형상으로 구성 할 수도 있을 것이며, 이러한 경우 그 외면에 나팔관과 같은 절연지지체(16)를 덮어 씌워 링형상의 고압전극(4)이 안쪽으로 다소간 돌출되게 구성하여 전기적인 절연을 유지해야 할 것이다.

상기 고압전극(4)의 재질은 전기전도가 우수하고 비산화성, 내화학성, 내전압을 갖는 금속을 사용하였으며 고전압 설정시 발생가능한 전기장의 효과를 줄이기 위하여 대칭이 되도록 설계하였다. 고전압 발생장치(3)에서 고압이 발생할 경우 고압전극(4)까지 이르는 전기계통의 방전을 줄이기 위하여 고압케이블(2)을 사용하였다. 본 실험에서 개조한 노즐(1)의 외관은 제9도와 같다.

본 발명에서는 실제 작물(5)을 대신할 수 있는 유사한 형태의 대상체를 선정하여 작물(5)의 표면에서 발견할 수 있는 입자의 분포를 관찰하고자 하였다. 엽상식물을 대표할 만한 형상으로 원형 평판(11)을 선정하고 재질은 플라스틱으로 정하였으며, 상기 원형 평판(11)의 직경은 12cm이고 두께는 1mm이며, 제10도와 같이 평판(11)의 윗면과 아랫면의 5군데에 분무입자의 분포상태를 획득할 수 있도록 감수지(12)를 부착하여 분무실험을 하였다. 상기 감수지(12)의 크기는 편의상 1.5cm×2.5cm의 크기로 하였다.

또한, 실제 작물(5)을 대신한 인공대상체(11)에 대한 실험과 함께 과수원에서 분무성능을 예측해 보기 위하여 원형과수의 일종인 사과(13)에 대한 실험을 하였다. 사과(13) 표면에 대한 정전입자의 부착 특성 파악을 위하여 제11도와 같이 사과(13)의 전·후·좌·우 및 상·하부 6군데에 감수지(12)를 각각 부착하고, 노즐(1)과 실험목표물(15)은 제12도와 같이 약 1m의 높이를 갖는 한 쌍의 지지간(17)의 상부면에 회전 시킬 수 있게 손잡이(18)를 갖는 구성의 실험대상물(평판:11)과 노즐(1)을 각각 얹어 설치하고, 좌우 지지간(17)은 분무거리(D)를 조정할 수 있게 구성하며, 물론 실험 대상물로 평판(11) 대신 사과(13)를 얹은 경우 손잡이(18)가 불필요 할 것이다.

실험은 다음과 같은 조건에서 정전효과를 발생시킨 경우와 발생시키지 않은 경우에 대해서 실험을 하였다.

노즐(1)에서 분무되는 분무입자(6)의 직경의 크기를 최소화 하기 위하여 노즐(1)의 상용 압력인 20kgf/cm²를 분무압력으로 설정하였으며, 고전압 발생장치(3)의 인가전압은 20kV(Anantheswaran, 1981)로 하였다.

고전압 발생장치(3)에서 측정된 전류의 크기는 35㎂이었으며, 전압과 분무성능과의 관계를 파악하기 위하여 15kV, 20kV, 25kV의 3단계로 전압을 변화시키면서 요인실험을 하였으며, 분무시간은 식 (1)에 의하여 구하였다.

여기서, t_s는 분무시간 (sec), v_o는 분무주행속도(km/hr), w_t는 분무 대상체의 폭(m)이다.

본 발명 정전분무기의 1단 주행시 속도는 0.8km/hr, 대상체의 폭이 12cm인 상황에 대하여 대상체에 분무되는 시간은 0.54초 정도이므로 0.5초 동안 대상체에 대한 분무실험을 하였다.

노즐(1)과 대상체의 거리(distance)는 다양한 형태의 방제작업에 대한 분무성능을 평가할 수 있도록 다음과 같이 설정하였다. 30cm는 수도작에 대한 기부살포, 60cm는 전작류에 대한 전면 살포, 100cm는 과수류에 대한 대상살포로 가정하고 실험하였다.

대상체의 노즐(1)에 대한 각도(angle)에 변화를 주면서 분무실험을 하였으며, 제13도와 같은 엽상식물(14)들은 그 기하학적인 형태 때문에 방제기의 살포방향에 대하여 다양한 각도를 보인다. 그 중에서 크게 3가지의 각도(0°, 45°, 90°)를 선정하여 엽상식물에 대한 정전분무효과를 관찰하였다.

[영상처리를 이용한 분무특성 분석]

정전효과를 이용한 분무기의 분무성능을 평가하는 방법은 크게 2가지로서, 첫째는 보웬(Bowen)(1989)과 쿠퍼(Cooper)(1990)가 사용한 대전(charge transfer)방법으로 입자의 미세한 전류를 측정함으로써 대전된 전하량의 크기를 측정하는 방법이고, 또 다른 방법은 전달량(mass transfer)(Giles, 1985)방법으로서 대상체의 표면에 부착한 입자의 밀도 및 질량을 측정하는 방법이다.

두 가지 방법을 동시에 사용(Marchant, 1985)하는 경우도 있으며, 본 실험에서는 데이터 획득의 용이성과 영상처리의 장점을 살리기 위하여 전달량 방법을 이용하여 분무성능을 평가하였다.

이는 감수지(water sensitive paper : 12)를 이용하여 분석한 분무립의 분무 특성을 근거로 하여 붐방제기의 방제효율 향상을 파악하였다. 본 발명에서도 분무립의 특성 파악을 위하여 감수지(12)를 사용하였다.

제14도는 분무립의 분포상태를 수집하는 것으로 시작하여 부착립의 피복률, 입자 밀도, 평균 직경을 얻기까지의 과정을 나타내는 흐름도이다.

넓이가 1.5cm×2.5cm인 감수지(12)에 부착된 입자의 특성을 분석하기 위하여 다음과 같은 방법을 사용하였다. 먼저 칼라 스캐너(color scanner)를 이용하여 감수지(12) 중앙 부위에서 넓이 1.2cm×1.5cm의 영역을 3배로 확대한 영상을 획득한다. 획득한 영상의 해상도는 600dpi(dots per inch)이며, 1 픽셀(pixel)을 표현하는 정보의 크기가 3바이트(byte)인 트루컬러(true color) 이미지 형태로 저장하고, 획득한 영상을 자료로 하여 이미지 분석프로그램의 일종인 이미지프로^TM(Image pro^TM)프로그램을 이용하여 영상처리를 하였다.

트루컬러 이미지의 특징은 RGB 채널을 적절히 추출하여 검출물체와 배경을 구분할 수 있다는 점인데, 본 발명에서는 감수지(12)의 배경인 노랑색과 감수지(12)에 부착한 입자의 색인 초록색을 구분하기 위하여 G채널을 추출한 후 영상을 이치화(이진화) 하였다.

이치화한 영상에서 각각의 입자가 차지하는 픽셀의 수와 평균 직경을 구한 후 검출된 감수지(12)의 분석치로서 피복률(coverage rate)과 입자밀도(droplets density), 입자경 분포(average diameter distribution)를 사용하였다. 피복률은 아래 식(2)와 같다.

여기서, C는 피복률(%), a는 분무립의 부착면적(mm²), a_tot는 시편의 전체면적(mm²)이다.

단위면적(1cm²)당 부착된 입자의 수로 표시되는 입자밀도와 입자들의 평균직경의 돗수분포인 입자경 분포를 분석하여 성능평가의 지표로 삼았다. 아래 식(3)과 같이 증가율을 구하여 성능향상의 정도를 정량적으로 나타내었다.

여기서, V_{E_on}는 정전효과를 작용시킨 경우의 측정값, V_{E_off}는 정전효과를 작용시키지 않은 경우의 측정값 이며, 이미지프로^TM프로그램의 영상처리의 정확도를 검증하기 위하여 다음과 같은 예비실험(Salyani, 1994)을 하였다. 600dpi의 해상도를 가지는 레이저 프린트(laser printer)를 이용하여 캐드(Auto CAD^TM)로 그린 정해진 크기의 점을 찍은 후, 이 시료를 대상으로 위의 분석방법과 동일한 과정을 거쳐 획득한 처리값과 실제값은 아래표 3과 같다.

평균입경의 경우 최대 10%의 작은 오차를 보였으며 피복면적의 경우 픽셀의 합으로 나타나는 값을 획득하므로 실제 피복특성을 나타내기에는 충분하다고 판단 되었다.

[퍼짐지수를 이용한 입자경 분석]

본 발명에서 성능평가를 위한 기준은 대상체의 표면에 부착한 입자를 측정한 것이기 때문에 분무된 입자의 실제 직경을 분석하기 위해서는 부착립의 직경과 입자의 직경의 비율로 나타나는 입자의 퍼짐지수(spread factor)을 이용할 수 있다. 퍼짐지수는 아래 식(4)와 같이 나타낼 수 있으며 약액의 성분이 수분일 경우 퍼짐지수의 값은 표 4와 같다.

[정전효과에 의한 분무립의 피복상태]

제15, 16도는 인공 대상체에서 획득한 감수지(12)의 피복모습으로 거리는 60cm, 각도는 0°제11도의 4번 영역에서 획득하였다.

도면에서 보는 바와 같이 윗면과 아랫면의 피복모습이 뚜렷히 구별되고 특히 정전효과를 적용시킨 경우의 아랫면의 피복률이 월등히 향상된 것을 확인할 수 있으며, 대상체의 각도가 45°, 90°일 때 분석이 불가능할 정도로 분무입자가 윗면에 과다하게 피복되는 현상을 보였다.

따라서 윗면의 경우 각도가 0°인 실험결과 만을 선택하여 분석하였다. 제17, 18, 19도는 사과(13)를 대상으로 실험하여 획득한 자료중 4번 영역에 해당하는 감수지(12)의 피복모습을 거리별(30cm, 60cm, 90cm)로 나타내었다.

분무 거리가 멀어질수록 정전효과를 작용시킨 경우의 부착립의 피복모습이 향상되는 것을 발견할 수 있었다. 이렇게 거리가 가까울수록 정전효과에 의한 피복률 향상이 작게 나타나는 이유는 목표물과 노즐(1)의 간격이 너무 작아서 분무립이 사과(13)와 충돌하면서 발생하는 동역학적인 운동에 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다. 100cm에서 입자의 분무립의 피복률이 향상된 것을 보면 이 지점에서는 정전효과에 의해 대전된 분무입자(6)의 효과가 나타난 것이라고 분석할 수 있다.

한편, 30cm, 60cm의 거리에서 획득한 감수지(12)의 경우 육안으로 확인할 수 있을 정도로 부착립의 크기가 감소한 이유는 정전효과에 의해 미세한 분무입자들이 공기중에서 부유하거나 증발하기 전에 정전기에 의한 인력에 의하여 부착하였기 때문이라 판단되었다.

제20도에서 3가지의 각기 다른 그림은 거리가 100cm일 때 동일한 위치(1번 영역)에 대하여 고압전극(4)의 전압에 따른 분무립의 피복모습의 변화를 보여주고 있다. 전압의 크기가 증가함에 따라 분무립의 피복률이 향상되는 양상을 보이고 있다.

[피복률 분석]

인공 대상체에 대한 부착립의 피복정도를 나타내는 피복률의 크기는 아래 표 5에 나타냈다. 표 5를 보면 정전효과를 적용시킨 경우의 피복률이 나아짐을 확인할 수 있었다. 대상체의 각이 0°이고 거리가 30cm일 때 약 22%의 증가치를 보이고 있었으며 뒷면의 경우, 최대 6287%(0°, 60cm) 향상됨을 발견하였다.

대상체의 각도가 0°이고 거리가 100cm일 때는 공기 중에서 비산한 입자가 자유낙하에 의하여 누적이 되었기 때문에 대전된 입자의 효과가 적게 나타난 것으로 판단되었으며, 사과(13)를 대상으로 한 실험에서는 표 6과 같이 좀 더 높은 피복률을 보였다. 그 이유는 사과(13)에 함유되어 있는 수분에 의한 것으로 판단되며, 대체적으로 204.5% 이상의 피복률 향상을 확인할 수 있었다.

전압의 크기가 15kV이고 거리가 100cm일 경우 피복률의 변화는 거의 없었으며 그 이유는 인공대상체의 경우와 마찬가지로 노즐(1)의 분무각이 크기 때문에 중심으로부터 멀리 살포된 입자들이 거리가 멀어짐에 따라 운동에너지가 감소하고 위치에너지에 의하여 사과(13)의 표면에 자유낙하 하여 부착하였기 때문으로 분석된다.

한편, 20kV와 25kV의 전압에서는 모든 거리에 대하여 전압의 크기가 증가할 수록 피복률의 크기가 향상되는 것을 발견하였다.

아래 표 7은 인공대상체의 부착립의 입자밀도를 구한 값이다.

단위면적 당 부착립의 개수를 보면 윗면의 경우 차이가 거의 없으나 뒷면의 경우에는 최소값 4%에서 최대값 4314.3%까지 증가하였다. 특히 대상체의 각도가 0°일 때는 매우 큰 차이를 보였으며 대상체의 각도가 90□ 일때는 입자밀도의 증가율이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.

사과(13)를 대상으로 실험한 경우 아래 표8과 같이 거리가 100cm일 경우 전압이 클수록 입자밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 15kV에서 100cm인 경우는 인공대상체 피복률 감소의 원인과 동일하게 입자밀도가 감소한 것으로 분석되었다.

한편, 30cm와 60cm에서 20kV일때의 입자밀도가 15kV일 때 보다 각각 80%, 93%로 감소하는 이유는 근거리 살포로 입자의 동력학적인 힘의 크기가 정전기력에 의한 인력보다 더 크게 작용했기 때문이라고 사료되었다. 그 근거로 거리가 100cm일 경우 15kV에 대해서 각각 201.3%, 243.6%로 증가하는 것을 보아 확인할 수 있었다.

제21, 22, 23도는 대상체의 각도가 0°일 때 인공대상체의 표면에 부착한 입자들의 평균입경에 따른 돗수분포 그래프이다.

이 그래프들의 공통점은 정전효과를 작용시켰을 때 부착립의 개수가 증가함은 물론 전체 부착립 분포에서 200㎛ 이하의 부착립이 차지하는 비율이 상대적으로 높다는 점이었다.

정전효과를 작용시키지 않았을 때는 부착립의 평균입경의 분포가 비교적 고르게 나타났다. 그러나 정전효과를 작용시켰을 경우에는 직경이 200㎛인 부작립의 수가 가장 많았으며 직경이 증가할수록 점점 감소되는 경향을 보였으며, 이러한 경향은 정전효과에 의해서 미세한 입자들이 공기 중에서 부유하지 않고 대상체의 표면에 피복되었기 때문이라고 판단되며, 아래 표9에 나타난 바와 같이 인공대상체에 대한 실험결과를 분석하여 평균직경이 200㎛ 이하인 부착립 수와 증가율을 구하였다.

상기 표 9에서 보는 바와 같이 거리가 증가함에 따라 대체적으로 부착립이 감소하는 경향을 보이고 있지만 거리가 100cm인 경우에는 미세한 입자의 증가율이 고르게 향상되었다. 이 결과로 미루어 보아 거리가 멀 경우 미세한 입자의 비산하는 비율이 감소하는 것으로 분석된다.

분무된 직후에는 미세한 입자들이 동력학적인 운동으로 인하여 대상체에 부착하기 위해 필요한 시간이 매우 짧지만 거리가 증가함에 따라 공기와의 마찰로 속도가 감소하여 정전기에 의한 인력이 충분히 작용하였기 때문이라 사료된다.

제24, 25, 26도는 실제 작물인 사과(13)를 대상으로 한 실험을 통해서 분석한 자료이며, 고전압 발생장치(3)의 출력전압에 따른 부착립의 평균 입경분포를 나타내었다. 인공 대상체에 대한 결과와 구별이 되는 점은 거리의 증가에도 불구하고 부착립의 수가 감소하지 않았다는 점이며, 이것은 사과(13)의 표면에 함유된 수분으로 인하여 대전현상이 향상되었기 대문이라 판단된다.

상기 그래프들에서 거리에 상관없이 전압이 25kV일 때 부착립의 수도 증가하였고 200㎛ 이하의 부착립의 비율도 증가하였음을 확인하였으며, 한편 아래 표 10과 같이 사과(13)를 대상으로 한 실험에 대하여 평균직경이 200㎛ 이하인 부착립의 수와 증가율을 구하였다. 전체적으로 약 31~207% 증가하는 추세를 보였다.

전압의 크기가 20kV, 25kV에서 거리의 증가에 따라 200㎛ 이하의 부착립의 수가 증가하였으며 동일한 거리에 대하여도 전압에 비례하여 미세한 입자의 증가율이 향상되었음을 확인하였다.

한편 전극의 전압이 20kV와 25kV일 경우 거리에 따른 증가율의 추세로 미루어 보아 15kV, 100cm에서 미세한 입자의 수가 매우 적고 증가율 또한 감소한 이유는 전압의 크기가 작은 반면 거리가 멀기 때문에 정진효과에 의한 미세한 입자의 부착보다 자유낙하에 의한 입자의 부착이 더 많았기 때문이라 판단된다.

[실제 입자경 분포 분석]

표 4를 근거로 하여 분무액의 온도가 20℃이고 상대습도가 40%이라 가정하였을 경우 부착립의 입경이 200㎛인 경우 분무립의 입경이 109㎛ 이므로 표를 통하여 약 100㎛ 이하의 분무입자에 대하여 정전효과의 영향이 탁월함을 설명할 수 있었다. 이 결과로 인하여 정전효과를 적용시키기 위한 조건으로 노즐에서 발생하는 입자의 크기가 중요함을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명에서는 정전효과를 이용한 분무기의 성능을 평가하기 위하여 대상체와의 거리, 대상체의 각도, 고전압 발생장치(3)의 출력전압의 크기를 변화시켜 실험을 하였다. 분무 성능평가를 위하여 영상처리를 하였으며, 영상처리를 이용하여 부착립의 피복률, 입자밀도, 평균입경의 분포를 구하였다.

인공 대상체에 대한 실험을 통하여 일반적인 분무특성을 분석하였으며, 실제 작물에 대한 성능평가를 위해 사과(13)를 선정한 다음 획득한 자료를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

① 인공 대상체의 경우 피복률의 수치가 전체적으로 작은 값을 보였지만, 윗면의 피복률이 약 5%~22%의 증가치를 보였으며 뒷면의 경우 최대 6,287%로 월등히 향상됨을 확인하였다.

② 사과(13)를 대상으로 한 경우는 전반적으로 인공물을 대상으로 한 실험 결과보다 우수하였으며 이는 사과에 함유된 수분에 의한 것으로 판단된다.

③ 사과(13)를 대상으로 실험한 결과 대략 204.5%~429.2%의 피복률 향상을 보였다. 특히 고전압 발생장치(3)의 출력전압의 크기가 25kV, 거리가 30cm일 때 피복률은 429.9%, 입자밀도는 90%의 증가율을 보였다. 그리고 200㎛ 이하에 해당하는 미세한 부착립들의 비율이 훨씬 큰 형태를 보였으며, 출력전압의 크기를 증가시킬 수록 미세한 부착립의 수가 증가하였다.

④ 수용액의 퍼짐지수를 고려하여 환산한 결과 분무입자의 입경이 109㎛ 이하인 입자의 비율이 31%~207% 증가하였으며, 정전현상에 의한 효과적인 대전을 위해서 요구되는 입자의 최대입경이 약 100㎛임을 확인하였다.

⑤ 결과적으로 정전효과를 이용한 분무기는 부착립의 피복률, 입자밀도에 있어서 우수한 수치를 보였으며, 미세한 입자들의 부착특성을 향상시켜 우수한 분무성능을 나타내는 것으로 확인하였다.

이상과 같이 본 발명은 분무기의 노즐(1) 선단에 고전압이 인가되는 고압전극(4)을 설치하여 분무입자(6)들이 정전효과로 대전되게 함으로써 대전된 분무입자(6)들이 작물(5)과 같은 분무 대상체에 정전 인력으로 쉽게 흡착되어 분무효율이 크게 향상되는 등의 효과가 있는 발명이다.

Claims (3)

1. 고압발생기와 연결된 전극을 분무노즐에 설치하여 정전효과로 분무할 수 있는 정전분무장치에 있어서, 노즐(1)의 선단에 15kV-25kV의 고전압 발생장치(3)와 전기적으로 연결된 고압전극(4)을 절연지지체(16)로 마주보게 대칭 설치하여 정전효과로 대전된 분무입자들이 분무 대상체에 쉽게 흡착되어 분무효율이 향상되게 함을 특징으로 하는 정전효과를 이용한 분무 향상장치.
2. 제1항에 있어서, 절연지지체(16)는 나팔관 형상으로 형성한 다음 팁(tip)이나 봉형상으로 형성된 고압전극(4)을 내부로 조금 돌출되게 설치 함을 특징으로 하는 정전효과를 이용한 분무 향상장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대향 설치하는 고압전극(4)은 링형상으로 형성함을 특징으로 하는 정전효과를 이용한 분무 향상장치.

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