농업공학부는 유일하게 농업기계 연구개발을 전담하고 있는 국가연구기관으로 1960년대 초반 설립된 이후 지금까지 우리 농기계산업의 견인차 역할을 담당해 오고 있다. 1970년대 주곡자급을 이뤄온 노지용 농업기계부터 농작업 자동화기술, 밭농업기계, 신재생에너지 이용기술 및 시설현대화기술, 수확후 처리기계, 농업시설 내재해기술, 농업인 재해예방 등 눈부신 성과를 이뤄냈다. 최근 4차 산업혁명 시대를 맞아 농업공학부는 최첨단 ICT 융복합기술을 접목한 고부가가치 농업기계 개발에도 빠른 행보를 보이고 있다. 국내 농기계개발의 메카로 자리매김 해온 농업공학부의 성과와 기술개발에 대해 자세히 살펴본다.

유일한 농기계개발 국가연구기관…‘스마트’기술접목

생산자동화·에너지절감·밭농업기계 등 ‘견인차’역할

◇ 농업공학부의 역할과 성과

국립농업과학원 농업공학부는 우리나라 농업에 공학기술을 접목하기 위한 목적으로 1960년대 초반에 설립된 이후 생산성향상과 농촌노동력 부족문제를 해결하기 위한 우리나라 농업기계화의 중추적인 역할을 담당하고 있다.

농업공학부는 4과, 2팀, 15개 연구실로 구성되어 있으며, 65명의 연구원들이 다양한 연구활동을 하고 있다. 핵심임무는 농업 ICT 융복합 기술개발로 농업 및 노동생산성 향상이며, 세부적으로 첨단공학기술이용 자동화·로봇화 및 식물생산공장 연구, 농업에너지 절감 및 신·재생에너지의 농업적 이용기술 개발, 농축산물 안전 및 부가가치 향상을 위한 수확후관리기술 개발, 농업기계의 안전성·환경 위해성 등에 대한 연구, 농업재해 예방 및 농작업안전 기술개발이라는 세부 임무를 수행하고 있다. 이들 임무를 수행하기 위한 농업공학부의 조직은 스마트팜개발과, 에너지환경공학과, 수확후관리공학과, 재해예방공학과, 밭농업기계화연구팀, 농업인안전보건팀으로 구성돼 있다.

농업공학부의 주요성과로는 이미 97.8%에 달하는 벼농사 기계화에 큰 역할을 담당했고, 현재는 밭농업기계화 제고를 위해 감자, 마늘 등 주요작목의 전과정기계화에 필요한 농업기계들을 개발하고 있다. 농업에 ‘스마트’기술을 접목하려는 시도를 통해 스마트팜에 필요한 여러 기술들을 개발했고, 특히 스마트 온실 및 축사에 사용되는 센서 13종과 제어기 9종 , 복합기 3종 등 총 25종에 대한 규격화와 표준화를 이끌고 있다. 이러한 표준화는 스마트팜 관련 농가의 경영비절감과 사후관리 효율성제고에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 산업폐열을 활용해 농업분야의 에너지사용을 절감하는 기술을 개발해 정책에 반영했고, 수확후 농산물의 품질유지를 위한 사과 CA저장 컨테이너를 개발해 보급을 확대하고 있다.

◇ 국내외 농업기계 기술동향

농업생산분야의 첨단기술은 ICT, IoT, 드론 등의 융합기술을 중심으로 선진국이 대부분의 기술개발을 주도하고 있다. 이와 같은 선진국에서는 편리성 및 생산성의 극대화가 가능한 농업환경 구축을 위한 스마트팜 관련 기술연구가 진행되고 있다. 또한 수확물의 적재와 하역, 경사지 제초작업 등 인력 의존형 중노동에서 벗어나기 위한 농작업의 기계화·자동화 기술개발이 오래전부터 진행되어 오고 있다. 2015년 12월 파리 기후협정으로 신 기후체제가 출범됐으며, 이와 같은 신 기후체제에서 요구하는 CO2 배출 감축량을 달성하기 위해 EU, 미국, 일본 등은 태양광, 풍력, 바이오매스 등 신재생에너지의 보급확대 기반구축 관련 R&D 투자를 크게 확대하고 있는 추세이다.

미국과 유럽 등에서는 광학기술을 이용해 현장에서 이물질 오염을 검사할 수 있는 기술을 개발하고 있다. 특히 미국은 분광, 영상처리 및 센싱기술의 발전으로 내부품질, 외부결함과 안전성을 동시에 측정할 수 있는 기술을 활발하게 개발하고 있다. 미국, EU, 일본 등은 농업기계 사고예방을 위해 사고 원인분석, 안전교육, 검사 등을 실시하고, 기상재해 경감을 위해 농업시설의 안전성향상, 농업용수 확보 및 활용기술 등을 활발히 연구하고 있다. 또한 역학조사 등을 통해 농작업성 질환, 안전사고 원인구명, 재해판정기준 개선 등의 연구를 추진하고 있다.

국내의 경우 ICT, 로봇, IoT, 드론 등 주변 첨단기술을 농업분야에 융복합해 고품질의 농산물 생산과 농작업의 고효율화를 가능하게 하는 스마트팜 구축연구에 대한 요구도가 증가추세에 있다. 스마트팜 구축을 위한 기초기반 및 실용화연구를 추진 중이며, 1세대 스마트온실형 모델을 4종 개발해 보급하고 있다. 밭농업기계화 촉진을 위해 밭작물전용 트랙터, 이 트랙터에 부착 가능한 지게식 운반적재기, 붐형 방제기도 함께 개발했다. 또한 농촌여성의 농작업 참여를 확대하기 위한 여성친화형 승용 2조식 콩 예취수확기, 2조식 정식기술을 개발했다. 파리기후협정이 발효(2016.11.4.)를 통해 우리나라는 2030년 배출전망치(BAU) 대비 37%의 CO2를 감축해야 하며, 산업부에서는 감축목표 달성을 위한 100조원 규모의 녮에너지신산업 육성계획’을 수립하고 있다. 농식품부의 농업시설 냉난방폐열 재이용시설 지원사업으로 곡성, 태안, 당진, 제주지역 등 6개소가 선정돼 추진되고 있다. 농산물의 안전하고 신선한 수확후 품질관리를 위한 장기저장기술 확립, 소량 생산품목의 수확후처리 기계화를 위한 현장 맞춤형 수확후 공학기술 개발, 농산물 등급화 및 차별화를 위한 품질 계측기술 연구를 수행했다. 농업기계 정책자료로 활용하도록 농업기계 이용실태 및 기계화율 통계를 생산했으며, 경운기 안전이용 교육의 효율화를 위해 증강현실을 기반으로 한 시뮬레이터를 개발했다. 또한 내재해 농업시설기준과 노지 밭작물재배를 위한 스마트 관개시스템을 개발했다. 농업인안전보건 연구에서는 매년 농업인의 업무상질병 및 손상조사를 실시하고, 편이장비 및 안전보건 관리지침 등 다양한 예방방안을 개발하고 있다.

◇ 농작업 자동화·로봇화 및 맞춤형 농기계 개발

1세대 한국형 스마트 온실 모델을 4종 개발했으며, 단동형은 원격제어(환기+보온)와 모니터링(환경+영상감시)으로 구성된다. 또한 연동형은 단동형의 구성요소에 관수, 난방, CO2공급, 안전센서 등을 선택할 수 있도록 해 작목별로 사용자 수요를 반영할 수 있도록 했다. 1세대 스마트 온실의 현장확산을 위해 센서 13종, 구동기 9종, 제어기 3종 등 총 25종을 TTA인증을 받아 누구나 쉽게 교환이 가능해 농민의 고민을 덜어주고 있다.

농작업의 자동화로봇화 요소기술인 토양 pH 측정장치는 현장에서 실시간으로 토양의 온도, 수분, 전기전도도, pH를 동시에 측정함으로써 과학영농의 기틀을 다질 수 있는 것으로 평가받고 있다.

식물생산공장에서 재배되는 케일의 부가가치 향상을 위한 광환경 제어시험결과, 형광등, 청색 및 백색 LED 혼합광 250μmol m-2 s-1을 조사했을 때 식이섬유 29%, 비타민C 40%가 증량되는 효과가 있었다. 또한 방풍식물의 수확횟수를 늘리기 위해 상·하·좌·우 이동 가능한 인공광(적·청·백LED+형광등) 부착 재배장치를 개발했는데 관행 담액방식 대비 수확량이 40% 증가하는 것으로 나타났다.

가축사양관리 및 분뇨처리 효율화를 위해 무창돈사 악취탈취장치를 개발했다. 이 장치는 스크라버 세척수에 질화세균을 접종해 암모니아를 아질산, 질산화해 pH를 낮췄으며, 탈취율은 복합악취 54%, 황화수소 42%, 암모니아 75%, 인돌 48%, 스케톨 96%로 나타났다. 그리고 젖소분뇨 기계화처리시스템을 개발해 농가현장에서 연시회를 개최한 결과 농민들로부터 꼭 필요한 기술이라는 평가를 받았다.

밭농업기계화 촉진을 위해 이용도가 높은 트랙터를 재배양식이 다양한 밭작물에 적용할 수 있도록 지상고를 높이고 바퀴사이의 간격을 조절할 수 있는 밭작물전용 트랙터를 개발했고, 이 트랙터의 전방에 부착해 수확물의 운반적재를 쉽게 할 수 있는 지게식 운반적재기와 대면적을 능률적으로 방제할 수 있는 붐형 방제기도 함께 개발했다. 또한 농촌여성의 농작업 참여를 확대하기 위한 여성친화형 승용 2조식 콩 예취수확기 개발과 이미 개발된 참깨예취기의 이용도 증대를 위해 재배양식이 유사한 콩, 팥, 녹두, 들깨 수확도 가능하도록 범용화 했고, 밭작물의 정식작업 기계화를 위해 2조식 정식기술을 개발했다. 이 개발기술은 조기 실용화를 위해 현장평가회를 거쳐 농기계 생산업체에 이전됐다.

농작업자동화·로봇화, 신재생에너지·시설현대화 등 기술개발성과

농식품유통·가공시스템, 농업생산기반·농작업안전 등 범위확대

◇ 농업에너지절감 및 시설현대화 기술개발

산업폐열 활용을 위한 농식품부, 산업부, 환경부와 협업의 성과로 ‘신에너지 및 재생에너지 개발이용보급 촉진법 시행령’에 발전소 온배수가 신재생에너지로 포함됐으며, 농식품부의 농업시설 냉난방폐열 재이용시설 지원사업으로 곡성, 태안, 당진, 제주지역 등 6개소가 선정됐다.

극심한 기후변화에 따라 여름철 혹서기에 많은 가축들이 폐사(2016년, 430만수)하고 있으며 이 중 닭(406만수)이 가장 많은 비중을 차지해 혹서기 고온 스트레스를 줄이기 위한 기술개발이 요구됐다. 이에 혹서기에 육계사의 환경개선 및 냉음용수를 육계에 공급해 폐사율을 낮출 수 있는 기술이 개발됐다.

채소공정육묘 혹은 화훼육묘 농가에서 원통형 종이포트 수요가 늘고 있어, 상토 트레이를 이용하는 대신 종이 재질의 포트 제조기술이 개발돼 다양한 작목 및 품종에 활용할 수 있는 길이 열렸다.

◇ 농식품 유통·가공시스템 개발

농산물의 안전하고 신선한 수확후 품질관리를 위한 장기저장기술 확립, 소량 생산품목의 수확후처리 기계화를 위한 현장 맞춤형 수확후 공학기술개발, 농산물 등급화 및 차별화를 위한 품질 계측기술연구를 수행했다.

밭 농업의 생산성 향상을 위해 조·기장, 수수의 석발기 및 정선기를 개발했다. 석발기는 1차 송풍으로 미세한 이물질을 제거하고 2차 요동체망으로 알곡이외의 이물질들을 제거하면서 시간당 500kg 작업이 가능하다. 잡곡 정선기는 경사가 있는 요동체망 아래에서 바람이 송풍돼 알곡을 체망 표면으로부터 들뜨게 하고 남아있는 돌 등 이물질은 진동을 가해 제거하며 시간당 200kg 작업이 가능하다. 복분자, 오디, 블루베리 등 소과류의 부가가치 향상 및 소비확대를 위해 착즙과 발효가 가능한 발효액 제조장치를 개발했다. 발효기간은 7일이 소요되며 최종 품질검사 결과에서 세균·대장균은 검출되지 않았고 알코올도 발생되지 않았다.

사과 재배농가에서 고품질상태로 사과를 최대 1년까지 저장할 수 있는 한국형 CA저장고를 개발했다. 한국형 CA저장고는 질소발생기만을 이용해 CA저장고 내부의 기체농도를 자동으로 정밀하게 조절할 수 있도록 개발해 산소 농도는 1~3%, 이산화탄소는 저장 3개월까지는 0.5%이하로, 3개월 이후부터는 1.0% 이하로 자동 조절되도록 했다.

사과의 내·외부에 발생하는 결함을 검출하고 인력에 의한 사과 선별작업의 노동력을 보완할 목적으로 이송중 사과의 표면결함 검출시스템을 개발했다. 회전 롤러장치와 초분광 영상의 차(差)연산(905-682nm)을 이용해 정상사과 및 결함사과를 각각 94% 및 87%의 판별정확도로 검출했다.

◇ 농업생산기반 및 농작업 안전기술개발

농업부문의 자연재해 및 인적재해 예방과 관련해 농업시설의 안전 및 농업생산기반 재해경감연구, 농업기계의 안전이용연구, 농업인 업무상재해 조사분석 및 경감을 위한 연구를 수행했다.

농업기계 안전이용교육을 위해 3D 카메라와 크로마키를 이용해 증강현실 기반 경운기 시뮬레이터를 개발했고, 개발·보급 중인 트랙터 시뮬레이터가 농업인 안전교육에 활용되도록 기술지원했다. 농업기계화 기초통계로 활용될 수 있도록 농업기계 이용실태를 조사·분석하고 그 결과를 국가통계포털(KOSIS)통해 제공하고 있다.

농업시설의 내구성 및 내재해성 향상방안을 마련하기 위해 경과 연수별로 염분 및 풍하중에 따른 농업시설재료의 내구성과 토질종류에 따른 파이프 부식정도를 평가했고, 비닐하우스용 파이프강판 및 선판 결속조리개에 대한 결속력 및 미끄럼 저항력의 기준값을 제시했다.

토양 및 기상정보를 기반으로 관개시설을 원격으로 제어할 수 있는 노지 블루베리 화분재배용 스마트 관개시스템을 개발했다. 개발기술을 노지 블루베리 재배에 적용한 결과 용수절약 31%, 관개소요 노동시간 절감 95%, 수확량이 34% 증대되는 효과를 나타냈다.

농업인의 업무상재해 국가통계생산을 위해 전국 1만개 표본농가를 대상으로 녠년 농업인 업무상 질병 조사’를 실시했으며, 전년도 통계결과는 국가통계포털(KOSIS)을 통해 대국민 서비스했다. 축산작업 환경특성을 고려한 농작업복, 보호장화, 농작업용 고글 등 6종의 개인보호구를 개발해 산업재산권을 확보했고, 4개 작목별(콩류, 감귤, 양돈, 마늘/생강) 작업안전관리 체험프로그램을 개발했다. 또한 농업기계관련 농업인 손상실태, 주요국의 농업인 재해보상체계, 소사육 농업인의 안전보건관리 등 다양한 자료를 발간했다.

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