KR20220015370A - 정전기 처리식 제초를 수행하기 위한 장치 - Google Patents

정전기 처리식 제초를 수행하기 위한 장치 Download PDF

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란 라티
라비 로젠펠드
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더 스테이트 오브 이스라엘, 미니스트리 오브 애그리컬처 & 루럴 디벨로프먼트, 애그리컬처럴 리서치 오거니제이션, (에이.알.오.), 볼카니 센터
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Abstract

본 발명은 잡초 방제 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 (a) 전력 공급 장치를 통해 전원에 연결된 전극을 제공하는 단계; 및 (b) 상기 전극을 통해 잡초에 또는 잡초 부근에 정전기 충격을 전달하는 단계;를 포함한다. 또한, 본 발명은 정전기 처리식 제초를 수행하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 (a) 전극; (b) 전극에 연결된 핸들; 및 (c) 전원에 작동 가능하게 결합된 전력 공급 장치를 포함하고, 이때 전력 공급 장치는 전극과 전기적으로 통신하며, 전극은 잡초에 정전기 충격을 전달함으로써 잡초를 손상시키거나 파괴시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

정전기 처리식 제초를 수행하기 위한 장치
본 발명은 농업 분야, 특히 잡초 방제에 관한 것이다.
잡초는 전 세계적으로 밭과 채소 작물의 생산 및 수익성을 위협하는 주요 생물학적 요인이다. 잡초는 다른 해충(예: 곤충 및 바이러스)에 비해 손실 가능성이 가장 크기 때문에(32%), 농작물 시스템에서 높은 수확량을 달성하기 위해서는 성공적인 잡초 방제가 필수적이다.
본 발명의 목적은 고전압 처리 방식의 성공적인 제초 시스템을 구현하는 것이다. 본 시스템은 화학 물질이 발생하지 않고 환경 친화적이며, 현장 친화적인 특성을 갖는 잡초 방제 도구 및 기술임을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 잡초 방제 방법이 제공되며, 상기 방법은 (a) 전력 공급 장치를 통해 전원에 연결된 전극을 제공하는 단계; 및 (b) 전극을 통해 잡초에 또는 잡초 부근에 정전기 충격을 전달하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 전극은 AC 전류 또는 DC 전류를 전달/전도한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 상기 방법은 전원으로부터 AC 전류를 제공하는 단계; 및 정전기 충격을 전달하기 전에 전력 공급 장치에 의해 AC 전류를 DC 전류로 변환하는 단계;를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 상기 방법은 전원으로부터 DC 전류를 제공하는 단계; 및 정전기 충격을 전달하기 전에 전력 공급 장치에 의해 DC 전류를 AC 전류로 변환하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 정전기 충격은 직접 접촉에 의해 잡초의 잎 또는 줄기에 전달되거나, 또는 잎 또는 줄기로부터 소정의 거리를 두고 전극과 잎 또는 줄기 사이에 일정한 방전을 유지하면서 잡초의 잎 또는 줄기에 전달되도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 정전기 충격은 2초에서 20초 사이의 지속 시간 동안 전달된다. 본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 정전기 충격은 2초 동안 전달된다.
본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 정전기 충격은 잡초의 출현 후 언제든지 전달된다. 본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 정전기 충격은 2주에서 6주 사이의 성장 단계에서 전달된다. 본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 정전기 충격은 2주의 성장 단계에서 전달된다.
본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 전원은 전력망(electricity grid) 및 배터리를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 본 발명의 바람직한 실시예의 추가 양태에 따르면, 전극은 3~40kV의 DC 또는 2500V의 AC에서 충격을 전달한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 정전기 충격 처리식 제초를 수행하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 (a) 전극; (b) 전극에 결합된 핸들; 및 (c) 전원에 작동 가능하게 결합된 전력 공급 장치를 포함하며, 이때 전력 공급 장치는 전극과 전기적으로 통신하며, 전극은 잡초에 정전기 충격을 제공함으로써 잡초를 손상시키거나 파괴시키도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예의 추가 양태에 따르면, 전력 공급 장치는 전기 케이블을 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예의 추가 양태에 따르면, 전력 공급 장치는 변압기(transformer), 변환기(converter), 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 구성요소를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예의 추가 양태에 따르면, 변압기는 AC-AC 변압기 및 DC-DC 변압기의 그룹에서 선택되며, 변환기는 AC-DC 변환기 및 DC-AC 변환기의 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 또 다른 실시예의 추가 양태에 따르면, 잡초 개체군(weed population)의 방제에 정전기 충격을 사용하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 잡초에 정전기 충격을 가함으로써 잡초를 손상시키거나 파괴하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 고전압 방식의 성공적인 제초 시스템이 제공된다. 본 시스템은 화학 물질이 발생하지 않고 환경 친화적이며 현장 친화적인 제초 도구 및 기술임을 특징으로 한다.
첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들이 아래에 설명된다.
도 1은 정전기 방식의 제초를 수행하기 위한 장치의 구성도이다.
도 2는 다양한 식물의 건조 중량(바이오매스[biomass])에 대한 접점(contact point)의 영향을 나타내는 도면이다.
도 3은 털비름(redroot pigweed)에 대한 실험의 영향을 나타내는 사진이다.
도 4는 쇠비름(purslane plant)의 건조 중량에 대한 다양한 노출 시간의 영향을 나타내는 도면이다.
도 5는 다양한 식물의 건조 중량에 대한 전압 값의 영향을 나타내는 도면이다.
도 6은 다양한 성장 단계에서 붉은 토끼풀(red clover plant)의 건조 중량에 대한 노출 시간의 영향을 나타내는 도면이다.
도 7은 다양한 성장 단계에서 호밀초(rigid ryegrass plant)의 건조 중량에 대한 노출 시간의 영향을 나타내는 도면이다.
도 8은 다양한 성장 단계에서 겨자(mustard plant)의 건조 중량에 대한 노출 시간 및 인가 방법의 영향을 나타내는 도면이다.
도 9는 정전기 처리 이전, 도중 및 이후의 시간 경과에 따른 식물 온도를 각각 도시한다.
본 발명에 따른 정전기 방식의 제초를 위한 장치 및 방법의 원리 및 작용은 첨부된 도면 및 아래의 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 본원에 설명된다. 도면들을 참조하여 기술된 상세 내용들은 예로서 제시된 것으로, 본 발명의 실시예들에 대한 예시적인 논의를 위한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면들과 함께 수반된 설명은 본 발명의 실시예들이 어떻게 실시될 수 있는지를 당업자에게 명백히 제시한다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 하기 설명 및/또는 도면 및/또는 실시예들에 예시된 구성요소들 및/또는 방법의 구성 및 배열의 세부사항에 대한 적용에만 반드시 제한되는 것은 아님을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들도 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다.
본 발명은 정전기 방식의 제초 시스템, 바람직하게는 고전압 충격 제공 방식의 제초 시스템을 제공한다. 본 시스템은 화학 물질이 없고 환경 친화적이며 현장 친화적인 제초 도구 및 기술임을 특징으로 한다. 이러한 정전기 방식의 시스템을 사용하여 안전하고 효율적인 방법으로 잡초군을 효과적으로 손상 및 제어할 수 있다.
본 장치는 잡초에 전달되는 전류를 생성하며, 장소에 구애받지 않고 잡초의 영구적인 손상과 파괴가 가능하도록 구성된다. 본 장치는 단 하나의 전극으로 식물에 또는 그 부근에 단 하나의 접점(contact point)을 형성하며, 이에 의해 작업을 보다 빠르고 정확히 하도록 구성된다.
도면들에 개시된 유사한 구성요소들에는 유사한 참조 번호 또는 문자가 대응 표기됨에 주목한다.
도 1은 정전기 방식의 제초를 수행하기 위한 장치(100)를 도시한다. 상기 장치는 전극(110), 핸들(120) 및 전원(140)에 작동 가능하게 연결된 전력 공급 장치(130)를 포함한다. 전극은 예컨대, 40kV DC 전극, 2500V AC 전극 또는 이와 유사한 것일 수 있다. 전원은 예컨대, 220V AC 소스, 12V 배터리 등일 수 있다.
직류(DC)의 바람직한 범위는 10 내지 80kV 사이이다. 보다 바람직하게는, 직류(DC)의 범위는 30 내지 40kV 사이이다. 일 실시예에서, 본 발명은 고전압 40kV DC 전극(110)을 포함하는 수동 장치를 수반한다. 상기 장치는 12V 배터리(140) 및 전위를 3 내지 40kV로 증가시키는 변압기(130)에 연결된다.
교류(AC)의 바람직한 범위는 대략 200V 내지 5000V(볼트) 사이이다. 이론적으로 훨씬 더 높은 전압을 사용할 수 있지만, 이러한 고전압의 경우 더 많은 에너지 소비가 필요하고 전반적인 비용(에너지 및 장치)도 증가하므로 이는 배제한다. 교류(AC)의 보다 바람직한 범위는 2000V 내지 3000V이다. 다른 실시예에서, 본 발명은 220V AC 소스(140)(예컨대, 전력망[electricity grid])로부터 공급되는 2500V AC 전극(110)을 포함하는 수동 장치를 수반한다. 개시된 실시예들은 본 발명에 따른 장치를 구현하는 바람직한 방식이지만 결코 유일한 방식이 아님을 유념할 필요가 있다. AC에서 DC로, DC에서 AC로의 변환기 사용은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 또한, AC 및 DC의 전위를 증가(또는 감소)시키는 변압기의 사용도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
바람직한 실시예에서, 전력 공급 장치를 통해 전원에 결합된 전극이 제공된다. 전극은 잡초에 직접 정전기 충격을 전달하거나 또는 그 부근에서 정전기 충격을 전달하도록 구성된다. 바람직하게는, 전극은 고전압 전극이다. 전극 대신에 또는 전극에 더하여 상이한 전기 전도체가 추가로 사용될 수도 있다. 전극은 AC 또는 DC 전류를 전달하거나 전도하는 역할을 한다.
전술한 바와 같이, 일부 실시예에서 AC 전류는 전원으로부터 제공되며, 정전기 충격을 전달하기 전에 전력 공급 장치(변환기[converter])에 의해 DC 전류로 변환된다. 다른 실시예에서, DC 전류는 전원으로부터 제공되며, 정전기 충격을 전달하기 전에 전력 공급 장치(변환기[converter])에 의해 AC 전류로 변환된다.
전력 공급 장치(130)는 전선(power cord), 변압기, 변환기 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 핸들(120)은 전극(110)이 배치되는 짧은 샤프트(shaft) 또는 아암(arm)을 갖는 그립(grip)으로 구현될 수 있다. 대안적으로, 아암은 (더 나은 도달 범위, 보다 용이한 사용을 위해) 연장될 수 있으며, 정적 또는 동적(예: 텔레스코픽) 길이를 갖도록 구성될 수 있다. 핸들은 자동화된 제초를 위해 로봇의 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 로빙/이동 로봇(roving/mobile robot)을 사용하여 대규모의 농산물 재배 토지를 제초할 수 있다.
실시예들
하기의 실시예들은 예시적인 목적으로 제공되며 어떤 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 하기의 실시예들은 개시된 발명을 구현 및 사용하는 방법에 대한 완전한 내용을 당업자에게 제시하기 위해 제공되는 한편 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 아래의 실험들이 수행된 모든 실험이거나 또는 유일한 실험임을 나타내기 위한 것도 아님에 유의한다. 달리 표시되지 않는 한, 개체들의 단위는 중량(weight)으로 표시되며, 분자량은 평균 중량 분자량이고, 온도는 섭씨 온도이며, 압력은 대기압 또는 대기압 부근의 압력으로 구성된다.
두 가지 실시예에 대한 여러가지 실험을 수행하여, 제초의 레벨에 대한 다양한 영향 요인을 특성화하는 한편 최적의 제초 프로토콜 및 장치에 대한 구성을 정의하였다(표 1).
제초 실험
No. 실험 인자 세부 수행 내용
1 잡초 유형,
잡초 접점,
전극 인가 유형		 □ 잡초 유형: 수박(Citrullus lanatus), 쇠비름(Portulaca oleracea), 칡꽃(Sorghum halepense) 및 털비름(Amaranthus retroflexus)
□ 접점: 잎, 줄기
□ 전극 인가 유형: 직접 접촉 또는 근접 접촉
2 잡초 유형,
노출시간,
전압		 □ 잡초 유형: 수박(Citrullus lanatus), 쇠비름(Portulaca oleracea), 칡꽃(Sorghum halepense) 및 털비름(Amaranthus retroflexus)
□ 노출시간: 5, 10, 15s
□ 전압: 40kV
3 잡초 유형,
노출시간,
식물 성장 단계,
전극 인가 유형		 □ 잡초 유형: 겨자(Sinapis alba), 호밀초(Lolium rigidum) 및 붉은 토끼풀(Trifolium pratense)
□ 성장 단계: 파종 후 2주, 1개월 및 1.5개월
□ 노출시간: 2, 5, 10, 20s (식물 유형 및 성장 단계에 따라)
□ 전극 인가 유형: 직접 접촉 또는 근접 접촉
4 습도 함유 □ 토양 수분: 100% 및 50% 현장 용량
□ 성장 단계: 식재 후 2주 및 4주
모든 실험에서 4개의 종자를 0.25리터(L) 화분에 심었다. 발아 1주일 후, 파종된 잡초를 화분당 1개의 식물로 솎아냈다. 화분을 그물집에 넣고 스트레스를 피하기 위해 필요에 따라 관개하고 비료를 주었다. 실험 2주 후 식물의 지상 부분을 잘라내어 72시간 동안 65℃ 오븐에 두었다. 그런 다음, 건조 중량(바이오매스[biomass]) 값을 평가하였다. 건조 중량 값은 통계 분석법인 분산 분석(ANOVA) 테스트(투키이-크라머[Tukey-Kramer]의 Honestly Significant Difference test, P < 0.05)를 거쳤다. 일방향 분산 분석을 수행하여 잡초 건조 중량에 대한 실험의 효과를 평가하였다. 실시예 4에서는, 양방향 분산 분석을 수행하여 잡초 건조 중량에 대한 토양 수분과 성장 단계 사이의 상호 작용을 평가하였다.
실시예 1
실험 1에서는 식물에 최대 피해를 줄 수 있는 정전기 작동 모드를 조사하였다. 두 개의 접점을 테스트하였는데 하나는 잎에 대해서이고, 다른 하나는 줄기에 대해서였다. 또한, 두 가지 전극 인가 방법을 조사하였는데, 하나는 식물의 잎이나 줄기에 직접 접촉하는 것이고, 다른 하나는 식물과 전극 사이에 몇 센티미터의 거리를 두고 근접 접촉하는 것으로 전극과 식물 사이에서 일정한 방전(스파크)을 유지하는 방식이다.
도 2는 수박(A), 쇠비름(B), 칡꽃(Johnson grass)(C) 및 털비름(D)의 건조 중량(바이오매스)에 대한 접점의 영향을 나타낸 것이다. 결과에 의하면, 쇠비름과 털비름이 정전기 충격에 의해 크게 영향을 받을 수 있음을 보여 주었다. 직접 접촉에 의한 정전기 충격을 인가한 경우, 건조 중량은 50에서 8.5 g/plant로, 및 33에서 3 g/plant로 각각 감소하였다.
도 3은 털비름에 대한 정전기 충격의 영향을 도시하는 사진이다. 본 이미지들은 정전기 처리 실험 후 2주 및 건조 중량 평가 전에 촬영되었다. 사진에 열거된 5개의 화분은 각각 왼쪽에서 오른쪽으로, 줄기에 대한 간접 접촉식 정전기 처리, 줄기에 대한 직접 접촉식 정전기 처리, 잎에 대한 간접 접촉식 정전기 처리, 잎에 대한 직접 접촉식 정전기 처리 및 정전기 처리되지 않은 것을 나타낸다. 사진에서 알 수 있듯이, 잎에 대한 직접 접촉식 정전기 처리가 매우 효과적이었고 식물의 성장은 완전히 저지되었다. 또한, 잎에 대한 직접 접촉식 정전기 처리 후에 줄기 밑부분의 갈변 현상을 명확히 관찰할 수 있는데, 따라서 줄기에도 손상을 준 것으로 보아 정전기 충격의 효과가 있음을 알 수 있다. 줄기에 대한 간접 접촉식 정전기 처리에 따른 건조 중량 감소는 정전기 처리되지 않은 대조군에 비해 현저하지는 않으나, 식물 성장에 대해 정전기 충격의 영향이 있음을 여전히 관찰할 수 있었다.
이는 정전기 처리와 건조 중량 평가 사이의 경과 시간에는, 죽은 식물과 살아있는 식물의 건조 중량이 별로 변하지 않았다는 것을 의미한다. 죽은 식물이나 살아있는 식물의 건조 중량에 있어, 우리는 계속 성장하는 살아있는 식물과 비교하여 죽은 식물의 경우에는 더 이상 자라지 않을 것이며 따라서 건조 중량이 증가하지 않을 것으로 예상한다. 그러나 건조 중량 자체로는 식물이 죽었는지 살았는지는 보여주지 않는다.
실시예 2
실험 2에서는, 노출 시간이 본 실험에서 조사된 어떤 식물 종에도 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주었다. 다양한 노출 시간들이 사용되었으나, 결과(건조 중량)에 대한 어떠한 측정 가능한 차이를 발견할 수 없었다. 도 4는 쇠비름의 건조 중량에 대한 다양한 노출 시간의 영향을 나타내는데, 여기서는 5, 10, 15초 정전기 처리 후 쇠비름의 건조 중량 값을 각각 도시하고 있다. 다양한 노출 시간 동안 현저한 중량 값 차이가 없으므로, 이러한 정전기 처리가 식물에 미치는 영향이 없음을 알 수 있었다.
전술한 내용에도 불구하고, 쇠비름의 경우 정전기 처리시의 전압 값이 식물 발육 및 그에 따른 건조 중량에 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 도 5는 쇠비름(A), 칡꽃(B), 털비름(C)의 건조 중량에 대한 전압 값의 영향을 나타낸 것이다. 40kV에서 식물의 건조 중량은 대조군의 3.5 g/plant에서 정전기 처리된 식물의 평균인 1.1 g/plant로 현저히 감소하였다.
실시예 3
실험 3에서는 상이한 성장 단계(식재 후 2주, 4주, 6주)에서 및 3가지 잡초 종(겨자, 호밀초, 붉은 토끼풀)에 대한 다양한 노출 시간의 영향을 조사하였다. 도 6은 식재 후 2주(A), 4주(B), 6주(C)의 성장 단계에서 붉은 토끼풀의 건조 중량에 대한 노출 시간의 영향을 나타낸다. 도 7은 식재 후 2주(A), 4주(B), 6주(C)의 성장 단계에서 호밀초의 건조 중량에 대한 노출 시간의 영향을 나타낸다. 도 8은 식재 후 2주(A), 4주(B)의 성장 단계에서 겨자의 건조 중량에 대한 노출 시간 및 인가 방법의 영향을 나타낸다.
도 6, 7, 8은 노출시간과 성장 단계가 식물의 발육에 영향을 미쳤으나 잡초종마다 반응이 상이함을 보여주고 있다. 결과에 따르면 붉은 토끼풀이 정전기 처리에 가장 민감한 잡초임을 나타낸다. 붉은 토끼풀에 대한 결과를 자세히 설명하는 도 6을 참조하면, 모든 노출 시간 및 성장 단계에서 정전기 처리되지 않은 대조군과 비교하여 건조 중량의 상당한 감소가 있음이 관찰되었다. 2주의 성장 단계에서, 모든 식물은 완전히 방제되었으며 모든 노출 시간 동안 건조 중량은 0이었다. 4주의 성장 단계에 있는 식물의 경우, 20초의 노출 시간은 모든 식물의 완전한 방제 및 0에 가까운 건조 중량으로 이어졌다. 5초의 노출 시간 동안 평균 건조 중량은 정전기 처리되지 않은 대조군의 1.9g/plant와 비교하여 0.1g/plant로 감소하였다. 6주의 성장 단계의 식물에서, 10초와 20초의 노출 시간은 정전기 처리되지 않은 대조군과 비교하여 건조 중량을 약 30% 감소시켰다.
도 7을 참조하면, 호밀초는 2주의 성장 단계에서 정전기 처리에 대한 저항성이 더 높았고, 5초 이상의 노출 시간만이 정전기 처리되지 않은 식물에 비해 100%의 건조 중량 감소를 가져오는 것으로 관찰되었다(완전 방제). 그러나 4주 및 6주의 성장 단계의 경우, 모든 노출 시간은 정전기 처리되지 않은 대조군과 비교하여 건조 중량을 각각 66% 및 25%로 현저하게 감소시켰다.
도 8을 참조하면, 겨자의 경우에는 2주의 성장 단계에서만 정전기 처리의 영향을 받는 것으로 관찰되었다. 5초의 노출 시간은 겨자의 건조 중량을 크게 감소시켰다. 그러나 4주 및 6주의 성장 단계에서, 노출 시간으로 인한 식물의 건조 중량 또는 손상에는 큰 차이가 없었다. 앞서 언급한 성장 단계에서, 다양한 인가 방법(식물과의 직접 접촉 방식 또는 식물과 전극 사이에 몇 센티미터의 거리를 두는 근접 접촉 방식)에 대한 2초 또는 5초의 노출 시간은 평균적으로 큰 차이가 없었다.
실시예 4
실험 4에서는 토양 수분의 영향을 조사하였다. 아래의 표 2는 성장 단계가 잡초의 건조 중량(예: 방제 수준)에 영향을 미치지 않았지만, 높은 수분 함량의 경우에는 건조 중량이 좀 더 낮음을 보여준다(더 나은 방제 수준). 그럼에도 불구하고, 토양 수분 실험 간의 차이는 무시할 수 있을 정도였으며, 높은 수준과 낮은 수준에 대해 각각 1%와 3%였다.
토양 수분
주요 항목 건조 중량 (방제 % )
성장 단계 (Growth Rate)
- 식재 후 2주 2 A
- 식재 후 4주 1 A
토양 수분 (Soil Moisture)
- 높음 1 B
- 낮음 3 A
분산 분석 ( ANOVA )
- 성장 단계 0.2849
- 토양 수분 0.0210
- 성장 단계 X 토양 수분 0.9729
특정 숫자들을 통계적 기호로 사용하였는 바, 이는 모든 실험 결과가 크게 다르지 않음을 의미한다. 여기서 높은 토양 수분의 건조 중량은 다른 모든 실험 또는 테스트의 건조 중량과는 조금 다르다.
본 발명에 따른 제초 시스템 및 방법은 공지된 시스템 및 방법들에 비해 많은 흥미로운 특성과 이점들을 가지고 있다. 이러한 특성과 이점들 중 일부가 아래에 기술된다. 또한, 본원의 설명으로부터 암시적으로 알 수 있거나 또는 본원에 명시적으로 언급되지만 아래에 논의되지 않은 추가의 이점들도 주목할만한 것으로 고려된다. 현재 실현되지 않은 본 발명의 공정 및/또는 이점들 및/또는 지금까지는 본 발명에서 관찰되지 않은 사안들이지만 미래의 이해될 수 있는 모든 결과물들도 전부 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
제초의 가장 일반적인 두 가지 형태는 손으로 직접 제초하는 것과 잡초 방제를 위해 화학 물질을 사용하는 것이다. 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 잡초 식물과의 상호 작용(직접 또는 근접 접촉)을 필요로 한다. 이와 같이 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 사람의 노력에 따라 즉각적인 잡초 방제가 가능하도록 구성된다.
본 발명에 따른 방법으로 처리된 잡초는 그 자리에서 죽고 분해되면서 유기물로 돌아간다. 잡초는 필요한 작물이 자양분을 공급받는 동일한 땅에서 귀중한 자원을 소모하는 원치 않는 기생충과 같은 존재이다. 본 발명의 방법에 따르면, 죽고 분해되는 잡초는 훔친 영양분을 토양으로 되돌려 필요한 식물들로 하여금 제대로 자양분을 공급받을 수 있게 한다.
제초제는 일반적으로 잡초를 죽이는 데 사용되는데, 일부 제초제의 경우 선택적인 반면 - 즉, 잡초만 죽이고 필요한 작물은 죽이지 않음 -, 또 다른 제초제의 경우에는 비선택적이며 접촉하는 모든 식물을 죽인다. 또한, 강력한 화학 제초제와 살균제는 결국 식수, 지하수 및 지표수까지 오염시킬 수 있다. 또한, 화학 물질이 토양에 남아 그곳에서 재배되는 농산물에 주입될 수도 있다. 농산물에 대해 제초제 등이 미치는 영향은 아직 명확하지 않지만 화학 제초제가 없는 것이 더 나은 대안임은 분명하다. 또한, 일부 잡초는 제초제(특히 잡초를 죽이고 생산 작물에는 해를 끼치지 않는 맞춤형 제초제)에 내성을 갖게 된다. 결과적으로, 제초제의 화학적 조성 방법이 때때로 갱신(update)되어야 하며, 때때로 돌연변이가 잡초에서 발생함에 따라 이러한 조성 방법은 일반적으로 점점 더 복잡해진다. 본 발명에 따른 정전기 처리 방식은 화학 물질이 완전히 배제된다. 잡초는 본 발명에 따른 정전기 충격에 대한 방어력, 즉 내성을 갖출 수 없다.
잡초 식물은 정전기 충격으로 인해 다중의 전신 손상을 입는다. 특히 물로 구성된 식물 내부의 세포는 붕괴된다. 식물 세포 내부의 수압을 팽압(turgor pressure)이라고 하는데, 이는 삼투(osmosis)라고 부르는 프로세스에 의해 유지된다. 기술적으로 말하면, 삼투는 수분 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 차등 투과 막을 통과하는 물의 이동을 말한다. 세포막은 차등 투과성이므로, 물 분자는 들어갈 수 있지만 염(소금) 분자는 너무 커서 빠져나갈 수 없다. 그 결과 세포 내부에 수압이 형성되어 세포막이 세포벽에 압력을 가하게 된다. 단단한 세포는 식물을 수직으로 유지하도록 유발하여, 줄기는 단단해지고 잎은 햇빛을 잘 받도록 확장된다. 세포가 붕괴되면 식물은 내부 압력을 잃으면서 시들어 죽게 된다.
정전기 충격은 식물의 잎에서 뿌리까지 모든 영역에 걸쳐 영향을 미친다. 따라서 식물은 재생이 불가능할 정도로 타격을 입는다. 결과적으로 다음번 제초 주기에는 처리할 잡초가 더 적어지며, 몇 번의 주기가 지나면 처리 영역 외부에서 가져온 잡초(예컨대 바람, 동물, 새 등이 가져온 것)를 제외하고는 토양에서 잡초가 사라지게 된다.
본 발명에 따른 방법은 종래의 화학적 처리 방법 및 수동식 제초 방법과 비교하여 큰 장점을 갖는다. 예컨대, 잡초를 제거하는 가장 환경 친화적인 방법은 잡초를 뽑고 이들의 뿌리를 파낸 다음 햇볕에 말리는 것이다(말린 뿌리는 기껏해야 퇴비 더미에 놓여 활용될 수 있음). 그러나 이러한 수동식 제초 방법은 시간이 많이 걸리고 노동 집약적이어서 사람이 많이 필요하다. 더욱이, 잡초 제거 작업 중 종종 줄기나 뿌리의 일부가 떨어져 나와 땅에 다시 남는다. 결과적으로 잡초는 다음 성장 주기 동안 재생하거나 재번식하게 된다. 이와는 대조적으로, 본 발명에 따른 방법은 식물에 전극을 2초 동안만 인가하면 된다. 식물 전체가 정전기 충격의 영향으로 원래 있던 자리에서 죽어 버리며, 재생이나 재번식 가능성은 없다.
실시예들에 따르면, 본 발명에 따른 잡초 방제 장치는 예컨대, 휴대 가능할 정도의 소형으로 구성된다. 전극은 핸들에 배치되며, 이때 핸들은 임의의 길이와 디자인을 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 핸들은 효율성을 높일 수 있는 길이와 디자인을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 세장형 핸들(즉, 아암)의 전극은 원위 단부(지면 근처)에 배치되고, 제어 장치(있는 경우)는 핸들(즉, 그립)의 근위 단부에 내장됨으로써, 사용자가 장치를 원활히 보유할 수 있도록 구성된다. 핸들(아암)의 길쭉한 부분은 길이 조정이 가능하도록 구성된다. 예컨대, 아암은 신축식으로 연장될 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 전원은 배터리이다. 예시적으로, 전원은 높은 이동성, 휴대성 및 편안함을 위해 사용자가 착용하도록 구성된 하니스(harness)에 고정될 수 있다. 실시예들에서, 배터리는 재충전 가능하다. 테스트 결과 고전압/저전류 충격이 최상의 결과를 낳는 것으로 나타났다. 그러나 고전압/고전류 충격, 저전압/고전류 충격 및 저전압/저전류 충격을 제공하는 장치도 본 발명의 범위 내에 포함된다.
비공식 테스트에서는, 휴대폰 배터리가 본 발명에 따른 전극에 전력을 공급하기에 충분한 에너지를 가지고 있음을 보여주었는 바, 1000~2000개 사이의 잡초에 정전기 충격을 가하는 1~2일 동안 충분함을 보여주었다. 단순하게 계산하면, 1000 제곱미터당 15 US 센트의 대략적인 비용으로 제공 가능하다.
실시예들에서는, 다면적 처리 장치(multipronged apparatus)를 사용하여 잡초로 우거진 들판과 같은 잡초로 구성된 전체 영역을 처리할 수 있도록 구성된다. 상기 장치는 동시에 많은 수의 식물을 무차별적으로 처리하는 데 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 장치는 다수의 갈퀴를 구비한 쇠스랑(rake)과 유사할 수 있으며, 각 갈퀴의 종단에는 전극이 배치된다. 사용자는 잡초 덩어리를 긁어모을 때마다 다중 식물들에 충격을 전달하도록 구성된다.
열화상 처리(THERMAL IMAGING)
정전기 처리가 식물의 온도에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위한 실험이 고안되었다. 식물은 파종 후 4주에서(WAS) 정전기 처리되었으며, 모든 처리에서 전극을 잎에 직접 배치하였다. 정전기 충격을 가하는 동안 열 센서를 사용하여 식물의 상태를 이미지화(화상 처리)하였다.
도 9는 정전기 처리 전, 도중 및 이후의 시간 경과에 따른 식물의 온도를 도시한다. 정전기 처리 전, 식물의 온도는 상온(~23 ℃)과 유사하고 둘 다 동일한 청색 색조를 공유하기 때문에, 열화상에서 색의 변화가 거의 관찰되지 않는다(도 9(a) 참조). 정전기 처리 도중, 식물의 온도가 크게 증가하였으나, 식물의 모든 부위에서 동일한 온도를 나타내고 있지는 않다(도 9(b) 참조). 즉, 식물의 상부는 정전기 처리 전 온도에 비해 40 ℃ 이상 상승한 60 ℃ 이상의 값에 도달하는 최고 온도를 나타내는 반면, 식물의 하부는 35 ℃ ~ 40 ℃ 범위의 값으로 상부보다는 낮은 온도를 나타내고 있다. 정전기 처리 이후, 식물은 점차적으로 냉각되지만, 식물의 모든 부위가 동일한 속도로 냉각되는 것은 아니다(도 9(c) 참조). 즉, 상부가 먼저 냉각되며 이전에 온도가 가장 높았던 영역의 경우 ~28 ℃의 값에 도달하였다. 반면, 하부의 온도는 ~35 ℃ 이상으로 상부에 비해 더 높은 온도를 나타낸다.
표 4는 정전기 처리 도중 식물의 최대 온도에 대한 접점 및 정전기 충격 지속 시간의 영향을 도시한다. 이 표에서는 또한 잔디와 넓은 잎 잡초를 비교 도시한다.
정전기 처리 도중 식물의 최대 온도에 대한 접점 및 정전기 충격 지속 시간의 영향
식물종 접점 지속 시간(초) 최대 온도(℃)
노출시간 최대온도도달 하부 중단 상부
붉은 토끼풀 잎 20 6 66 67 70
붉은 토끼풀 잎 40 8 70 71 73
붉은 토끼풀 줄기 20 20 51 41 28
붉은 토끼풀 줄기 40 15 71 46 26
칡꽃 잎 40 20 45 60 70
접점은 식물이 도달하는 최대 온도에 영향을 미치는 중요한 인자로 보인다. 예컨대, 붉은 토끼풀에 대해 20초간 정전기 처리했을 때, 식물의 중단에서의 최대 온도는 잎과 줄기의 접촉점에서 각각 67 ℃와 41 ℃였다(표 4 참조). 또한, 최대온도에 도달하는데 필요한 시간은 잎에 대한 접점이 6초로 줄기에 대한 접점의 20초에 비해 더 짧았다.
정전기 처리의 지속 시간이 길수록 최대 온도는 높아지지만 같은 접점에 대한 정전기 처리들 간의 실험 결과는 차이가 크지 않다. 예컨대, 줄기에 대한 접점에서 정전기 처리된 붉은 토끼풀의 중단은 20초 및 40초의 노출 시간 동안 각각 41 ℃ 및 46 ℃의 온도에 도달하였다.
또한, 정전기 처리된 식물 종의 차이도 식물이 도달하는 최대 온도에 영향을 미쳤다. 표 4에서 볼 수 있듯이, 붉은 토끼풀과 칡꽃에 대해 40초의 노출 시간 및 잎에 대한 접점에서의 정전기 처리를 비교하면, 접점 부근인 식물의 상부에서 최대 온도는 70 ℃ 정도로 유사했다. 그러나 식물의 하부에서는 종간 차이가 현저하게 나타나는데, 표 4에서 보듯이 붉은 토끼풀과 칡꽃의 하부에서는 최대 온도가 각각 70 ℃와 45 ℃로 나타났다.
정전기 처리식 잡초 방제 메커니즘은 식물 조직의 급속한 가열을 기반으로 하는 것으로 가정되었다. 열화상 처리 및 분석을 통해 식물의 온도를 직접 측정할 수 있었고 처음으로 정전기 처리로 인한 정확한 온도 상승에 대한 데이타를 문서로 제공하였다. 실험 결과 정전기 처리로 식물의 온도가 40 ℃ 이상으로 상승했으며, 일부 부위에서는 식물의 온도가 ~70 ℃에 도달하였다. 55 ℃ 이상의 온도에 노출된 후 식물 조직의 기능에 대한 손상이 이미 보고되었다.
또한, 정전기 처리 전과 처리 도중에 얻은 화상 이미지들은 식물 조직의 온도 상승 지속성과 방향성에 대한 증거를 제공하였다. 화상 이미지들에서 알 수 있듯이 전극과 잎의 접점에서 온도 상승이 시작되고, 과정이 진행됨에 따라 열이 줄기를 거쳐 식물의 하부로 전달되지만 인접한 잎들에는 영향을 미치지 않았다.
20초의 노출 지속 시간에 비해 40초의 노출 지속 시간에서 온도 포화가 관찰될 수 있었다. 정전기 처리의 기간이 길어짐에 따라 항상 식물 온도가 대폭 상승하는 것은 아니다. 이러한 관찰의 결과로 본 발명에 따른 잡초 방제 장치 및 방법이 유용함을 확인할 수 있었으며, 노출 지속 시간과 에너지 요구 사항이 최적화될 수 있었다.
마지막으로, 본 발명에 따른 장치는 사용자 친화적으로 조정될 수 있다. 즉, 조작자가 실수로 본 발명에 따른 장치로부터 정전기 충격을 받는 경우에도 사람에 미치는 영향은 치명적이지 않다. 즉, 사람에게 치명적인 충격을 주지 않도록 장치의 전류 및 전압을 제어할 수 있도록 구성된다.
본 발명이 제한된 수의 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 많은 변형, 수정 및 다른 응용이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 다음에 기술되는 청구범위에 인용된 청구된 발명은 여기에 설명된 실시예들로 제한되지 않는다.

Claims (20)

  1. 잡초 방제 방법에 있어서, 상기 방법은:
    (a) 전력 공급 장치를 통해 전원에 연결된 전극을 제공하는 단계; 및
    (b) 상기 전극을 통해 잡초에 또는 잡초 부근에 정전기 충격을 전달하는 단계;를 포함하는
    잡초 방제 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    전극은 AC 전류를 전달하는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    전극은 DC 전류를 전달하는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    전원으로부터 AC 전류를 제공하는 단계; 및
    정전기 충격을 전달하기 전에 전력 공급 장치에 의해 AC 전류를 DC 전류로 변환하는 단계;를 더 포함하는
    잡초 방제 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    전원으로부터 DC 전류를 제공하는 단계; 및
    정전기 충격을 전달하기 전에 전력 공급 장치에 의해 DC 전류를 AC 전류로 변환하는 단계;를 더 포함하는
    잡초 방제 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    정전기 충격은 잡초의 잎 또는 줄기에 전달되는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    정전기 충격은 잎 또는 줄기 사이의 직접 접촉에 의해 전달되는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    정전기 충격은, 전극이 잎 또는 줄기로부터 소정의 거리를 두는 한편 전극과 잎 또는 줄기 사이에 일정한 방전을 유지하면서 전달되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    정전기 충격은 2초 내지 20초 사이의 지속 시간 동안 전달되는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    정전기 충격은 2초 동안 전달되는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    정전기 충격은 잡초의 출현 후 언제든지 전달되는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    정전기 충격은 2주 내지 6주 사이의 성장 단계에서 전달되는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    정전기 충격은 2주의 성장 단계에서 전달되는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    전원은 전력망(electricity grid) 및 배터리를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    전극은 3~40kV의 DC 또는 2500V의 AC의 충격을 전달하는 것을 특징으로 하는
    잡초 방제 방법.
  16. 정전기 처리식 제초를 수행하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:
    (a) 전극;
    (b) 전극에 결합된 핸들; 및
    (c) 전원에 작동 가능하게 결합된 전력 공급 장치를 포함하고,
    이때 전력 공급 장치는 전극과 전기적으로 통신하며, 전극은 잡초에 정전기 충격을 전달함으로써 잡초를 손상시키거나 파괴시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    정전기 처리식 제초를 수행하기 위한 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    전력 공급 장치는 전기 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는
    정전기 처리식 제초를 수행하기 위한 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    전력 공급 장치는 변압기(transformer), 변환기(converter), 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 구성요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    정전기 처리식 제초를 수행하기 위한 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    변압기는 AC-AC 변압기 및 DC-DC 변압기의 그룹에서 선택되며, 변환기는 AC-DC 변환기 및 DC-AC 변환기의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    정전기 처리식 제초를 수행하기 위한 장치.
  20. 잡초 개체군(weed population)의 방제에 정전기 충격을 사용하는 방법에 있어서,
    상기 방법은 잡초에 정전기 충격을 가함으로써 잡초를 손상시키거나 파괴하는 단계를 포함하는
    잡초 개체군의 방제에 정전기 충격을 사용하는 방법.
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