무게 5㎏이내의 동력용·스크류용·배터리용 경량식재기 개발 추진
산림자원 조성의 효율성 극대화, 임업기계화 기반조성에도 기여

김진현 경북대학교 정밀기계공학과 교수

우리나라 산림은 정부정책으로 수종변경 및 조림면적이 확대되고 있는 추세다. 그러나 산림조성을 위한 조림기술에 있어서 식재부터 무육, 벌채, 갱신에 등의 효율성 제고가 요구되고 있지만 유독 조림기술은 크게 진전되지 않고 있다. 특히 국내 산림조성사업에 대한 기계화에 있어서 작업인력의 고령화와 비숙련화 등으로 관행적인 방법이 지속되고 있다. 산림조성을 위한 기계화를 앞당기기 위해 김진현 경북대학교 교수가 추진하고 있는 경량식재기 개발과정을 4회에 걸쳐 소개한다.

<게 재 순 서>

① 경량식재기 개발배경 및 산업환경
② 굴취효율 극대화용 Screw 개발
③ 저토크(Low-torque)용 핸디 및 배터리용 식재기개발
④ 고효율성 식재공정 제공 및 활용성 확대방안

우리나라 산림은 경제림, 바이오매스 순환림 등을 육성하는 정부 정책으로 벌채계획이 점차 많아지고 또한 산불 등으로 인한 조림면적도 넓어지고 있는 추세이다. 뿐만 아니라 일반인들의 산림에 대한 인식전환으로 기후변화나 녹색혁명에 대한 기대가 증가하고 있다. 산림조성을 위한 조림기술에 있어서 식재에서부터 무육관리, 벌채 및 갱신에 이르는 다양한 기술에 대한 개발과 개선을 통한 효율성 제고가 절실히 요구됨에도 불구하고 유독 조림기술은 크게 진전되지 못하고 있는 실정이다.

산림조성 사업에 있어서 작업인력의 노령화 및 비숙련화로 인한 산림조성사업 전반에 대한 기계화의 필요성이 대두되고 있으나 최적의 조건을 충족시키는 데는 한계가 있다. 그 이유의 첫 번째는 산림지는 경사지가 많고 이동거리도 크기 때문에 동력을 이용할 경우 장치의 무게 문제가 있으며 두 번째는 시판되고 있는 식재기의 경우 강도가 약하거나 식재홀의 형성과 토양의 압착 등으로 부적합한 것으로 나타났다. 세 번째는 작업공정 및 일위대가 산출에서 고령화에 따른 관행적인 방법이 지속되고 있어 새로운 방법의 제시가 반드시 필요한 시점으로 판단된다.

특히 산림조성 사업에 있어서 산림의 조성단계에 가장 큰 비중을 차지하는 인건비와 생산비용을 경감시킬 필요가 있으며 기존의 산림자원 조성을 위한 식재 및 파종공정에 대한 구체적 연구를 통한 산림자원 조성의 효율성을 극대화 할 수 있는 새로운 방안의 모색이 필요하다. 이것은 짧은 시간에 식재하고 식재효율도 높은 경량화형 기계의 개발을 의미한다. 또한 식재의 효율은 규격화된 묘를 규격화 된 기계(굴취기)에 의해 식재가 되어야 하므로 대상 수종에 따른 포트의 규격에 대한 포트의 설계가 우선되어야 한다. 포트의 형태는 원형과 4각형이 주류를 이루며 지름이 가장 큰 것은 상수리 나무, 굴참나무, 가시나무류, 은행나무류이고 그 다음은 활엽수, 낙엽송 등의 용기묘이며, 소나무, 잣나무, 후박나무가 5.0×5.0×14cm의 포트에서 규격화 되어 있다. 침엽수 대묘와 소묘는 각각 4.5×4.5×16cm, 2.5×2.5×8.0cm의 규격으로 생산된다. 새로운 경량식재기의 개발은 상기 묘목을 식재하는데 적합한 구조의 설계가 필요하고 더욱이 가벼워야 산림지역에서 작업하기가 편리하다.

인력용 식재기의 문제점은 포트묘를 식재하는데 전반적으로 부적합하거나 토양의 경도 유무에 따라 효율성이 매우 낮은 단점이 있다. <그림1>는 국내외 인력용 식재기의 종류와 그 특징을 나타내고 있다. 인력용 식재기는 과거 묘의 대량 생산 이전부터 사용되어 오던 일종의 도구이며 아직도 가장 보편적으로 사용되고 있으나 효율성에는 문제점이 많다. 특히 최근 규격화되어 있는 포트묘의 식재에서는 묘의 활착에 영향을 주는 경우가 많아 주의를 요하게 된다. <그림1>의 금속 봉이나 목재 봉의 경우 토양에 찍어 회전함으로서 포트묘가 들어갈 구멍을 만들고 포트묘를 심는 구조이다. 이런 경우에는 구멍의 주변 토양이 압착되어 포트묘의 연약한 뿌리가 압착된 토양으로 활착하는데 어렵게 만들뿐 아니라 비가 오면 구멍에 물이 고여 뿌리가 썩는 등 묘의 생존에 지장을 초래하는 단점이 있다. 더욱이 토양의 경도가 약 20kgf/㎠ 이상 높을 경우 금속 봉이나 목재 봉류의 식재기는 사실상 사용이 어렵다. 일반적으로 산림지의 토양 경도는 매우 불균일하고 최대 70kgf/㎠ 이상의 경도를 나타내는 경우도 있어 봉 형태의 식재기는 매우 제한적일 수밖에 없다. Foot type의 식재기도 포트묘가 심어질 토양을 좌우로 밀어내는 구조이므로 토양 압착은 피할 수 없다. 뿐만 아니라 토양의 경도가 높을 경우 거의 사용이 불가하다. 예측 컨데 10kgf/㎠ 미만의 토양 경도에서도 부분적으로 사용되어질 것으로 판단된다. 산림지역의 토양 경도는 대게 토양 깊이 10cm까지 경도가 증가하다가 그 이후에는 감소하는 경향을 나타내고 있다. 또한 Foot type은 토양 깊이 10cm 이상 파고들어 좌우를 밀어내는 구조이므로 토양 저항이 매우 높아 식재기의 강도를 높여야 하는 문제점이 예측된다.

인력용 식재기 중 가장 적합한 것은 삽 형태 또는 오거(Auger) 형태이며 이것은 토양을 굴취하여 빼냄으로서 묘를 식재할 때 묘의 뿌리가 활착하는데 가장 유리한 환경을 만들어 준다. 특히 오거 형태는 수동으로 스크류를 돌려 토양을 빼내야 하므로 작업시간과 노동력이 크게 소요되는 단점이 있어 바람직하지 않다. 인력용 식재기 중 가장 효율적인 것은 폭이 좁은 소형 삽이 가볍고 운반에도 용이하며 식재할 토양의 조건도 좋을 것으로 판단된다.

<그림2>은 동력용 식재기의 종류를 나타내고 있다. 기본적으로 동력용 식재기는 회전 토크가 높고 묘 구멍을 빠르게 파내는 장점이 있다. 그러나 동력 식재기는 무게가 최소 5kgf에서 최대 20kgf 이상 무겁기 때문에 일반 경사가 있는 산림지에서 식재기로 사용하는 데는 큰 무리가 따른다. 따라서 평지의 좋은 조건이외에는 부적합하다. 뿐만 아니라 엔진의 진동으로 인한 장시간 사용시 노동부하나 소음 등으로 인해 피로도가 극심하여 활용빈도가 매우 낮은 편이다. 

이상 현재까지 활용되고 있는 인력용과 동력용 식재기의 문제점으로부터 장단점을 파악하여 새롭고 편리한 경량식재기를 개발하는데 몇 가지 중요한 내용을 다음과 같다. 1)토양의 경도를 고려하면 인력용은 불가하므로 동력을 이용한 설계가 적합하고 2)포트묘의 활착에 유리하도록 굴취 토양을 빼내기 위해 스크류를 접목하며 3)엔진의 진동을 피하고 동력의 전달이 유연한 배터리로 개발할 필요가 있다. 최근 배터리의 성능이 매우 향상되어 유사한 농업기계(전기가위 및 전기톱 등)에서 적용이 늘고 있다. 경량식재기의 개발은 토양의 경도 및 토양 저항이 큰 변수가 되므로 토양을 굴취하는데 소요되는 스크류와 이에 따른 굴취저항이 배터리의 수명을 좌우하여 개발 가능성에 결정적인 요인이 된다.

◇ 경량식재기의 개발목표

1) 산림경사각(30°)에 적합한 경량식재기의 몸체, 동력전달시스템 설계·개발, 2) 산림토양의 종류·경도에 따른 굴취효율 극대화용 Screw(Helix angle) 개발, 3) 굴취효율의 극대화(200% 목표)를 통한 저토크(Low torque)용 핸디 및 배터리용 식재기 개발, 4) 설계 및 소재경량화를 통한 5kg 이내의 식재기 개발, 5) 기존 식재작업공정별 작업특성분석을 통한 효율성분석, 6) 경량식재기 작업특성 분석을 통한 효율성분석, 7) 경량식재기를 효과적으로 이용할 수 있는 공정개발 및 적용, 8) 기존 식재작업공정 및 경량식재기를 활용한 작업을 통해 식재된 조림수종별 생육특성 규명, 9) 산림조성사업의 효율성을 제고할 수 있는 산림 식재공정의 체계화

◇  주요 연구개발 내용

1) 토양의 물리성과 마찰계수 현장조사분석, 2) 묘 형상에 따른 식재 스크류의 Helix angle, Flank face, Pitch 등 설계, 3) 토양조건에 따른 마찰저항을 고려한 식재 스크류의 형상별 회전력 구명, 4) 베벨기어의 최적 감속비 및 핸들시스템 설계, 5) 경량식재기 회전력에 적합한 배터리용 개발 , 6) 시작기의 토양 종류별 식재 성능평가 및 설계수정, 7) 상용화를 위한 경량식재기 개발, 8) 우리나라 식재기의 현황 및 성능조사, 9) 임업 선진국의 식재기 및 성능조사, 10) 기존 식재기를 이용한 조림작업의 공정조사, 11) 경량식재기 기능 및 성능테스트, 12) 기능 및 성능보완, 13) 식재공별 시험구조성을 통한 식재작업 특성분석, 14) 식재공별 작업효율성 분석, 15) 경량식재기를 이용한 시험구 설치를 통한 작업특성 분석, 16) 작업효율성 분석, 17) 작업공정 개발을 위한 활용시험, 18) 경량식재기에 적합한 작업공정 및 일위대가 산출을 통한 효율성 극대화 방안제시, 19) 조사 및 시험구 설치지역에 대한 식재묘의 생육특성 및 공종별 특성분석, 20) 경량식재기의 식재 후 묘목의 생육특성의 분석을 통한 산림자원 조성의 효과분석

◇ 주요 연구성과의 기술적 기대효과

1) 경량식재기 개발로 산림조성 효율성 제고, 2) 기존의 산림자원조성방식에서 밀도, 수종 혼효 등의 한계를 극복한 새로운 산림자원 조성방식 제공, 3) 산림조성에 필요한 인력, 노동강도 등의 개선을 통한 새로운 산림자원조성의 비젼제시, 4) 식재기의 토양 경도 및 토성에 따른 식재기 Screw의 최적화 기술축척, 5) 5kg내외의 식재기 개발을 위한 동력전달 구조 및 시스템 기술축척과 유사기계 개발적용, 6) 저회전력 토크용 Screw Helix angle 및 Screw Pitch 설정 기술개발 ,7) 조경, 양묘 등 다양한 분야에서 활용할 수 있는 식재장비로 활용

◇ 경제·사회적 파급효과 및 활용방안

1) 노동부담 경감을 통한 경제적 조림작업, 2) 국산 임업기계의 보급활성화, 3) 산림작업의 생산성 및 효율성 향상, 4) 효율성 제고를 통한 시장확대 및 경제성 강화, 5) 산림용 묘목의 식재효율성 200% 이상 달성, 6) 5kg 내외의 경량식재기 보급 통한 노동력 50% 절감, 7) Screw 설계기술 개발 통한 유사굴취기 적용가능 8) 경량 식재기를 활용한 식생 기반조성방안 제공, 9) 유용자원식물자원에 대한 식물자원활용 증대, 10) 임업기계화 및 밀도조절, 수공간 혼용 등의 고효율성 식재공정 제공

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