STEAM R&E 연구결과보고서
(송백류용 반영구적 가압형 수간주사기 제작에 관한 연구)
2016. 11. 30.
민족사관고등학교
< 연구 결과요약 >
과 제 명 송백류용 반영구적 가압형 수간주사기 제작에 관한 연구
연구목표
송백류의 내부 압력과 무관하게 일정한 압력을 가하여 수관 파열이나 잔류 약제 없이 수간주입이 가능한 역학적 가압원을 제작하고, 이와 연계해 세척을 통해 반영구적 사용이 가능한 가압식 수간주사기를 제작한다.
연구내용
현재 국내 송백림의 대부분이 다양한 방제 정책에도 불구, 솔잎혹파리병·소나무 재선충병과 같은 치명적인 식물병으로 인해 빠른 속도로 고사하고 있는 실정이다.
이러한 상황에서 가장 큰 실효성을 가지는 수간주사기를 이용한 예방 약제 주입이 실질적 효과를 나타내지 못하는 이유는 1)송백류의 높은 내부 압력으로 인한 짧은 주입 기간과 2)고가의 예방 약제이다. 따라서 송백류의 내부 압력보다 고압의 주입 기술이 필요하며, 주사 시 잔류 예방 약제를 최소화하여 약제를 경제적으로 사용할 필요가 있다.
이에 따라 반발력의 세기에 관계없이 수관 주입이 가능한 등-토크 스프링을 이용한 가압부와 주입 시 반발력에 효과적으로 대응할 수 있는 스크루식 주입부(스크루식 색연필의 내부 구조에서 착안)를 도입하여 더욱 효율적인 수간주사기를 제작, 예방 약제의 사용을 방제시스템의 핵심으로 삼고자 한다.
연구성과
AutoCAD 프로그램을 통해 다양한 종류의 기어를 차용한 프로토타입 후보군을 설계해 보았고, 그중 휴대성·내구성·효율성 면에서 가장 뛰어난 성능을 보일 것으로 예상되는 래칫 기어와 래크 및 피니언 기어를 채택해 모델링을 완료하였다.
주요어 (Key words)
수간주사기, 송백류, 솔잎혹파리병, 소나무재선충병, 3d 모델링
다만 자체 구비한 3d프린터의 성능 및 인쇄재료(필라멘트)의 특성상 문제로 인 해 구동 가능한 프로토타입 인쇄 및 실 성능 테스트 단계에는 이르지 못하였다.
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
2000년대 후반에 들어서며 한국의 국목 격인 소나무와 잣나무가 잠시 잠잠했던 솔잎혹파리 병, 소나무재선충병과 같은 송백류 식물병으로 다시금 신음하고 있다. 이에 따라 해당 질병 의 예방 약제 및 치료 약제 개발과 관련하여 수많은 연구가 이루어진 바 있다. 실제로 특허청에 등록된 송백류 관련 예방·치료 약제의 종류만 약 80가지에 달하고, 소나무방제특 별법 제정 및 국가·민간 차원의 협력연구를 통해 더욱 효과적인 약제와 방제 인프라를 제작하고자 하였던 시도 또한 상당수 존재한다. 특히 장기간의 검증 과정을 통해 실효성을 가지는 예방 약제(아바멕틴·에마멕틴 벤조에이트 유제 등) 또한 상용화되어 사용 중에 있다.
하지만 그러한 성과에도 불구하고 대다수 지자체의 방제 대책에서 가장 실효성이 큰 예방 약제를 사용하지 않는 이유는 송백류 질환용 약제의 가격이 리터당 3-4만원으로 상당히 고가인 반면, 이를 주입하는 수단인 수간주사기의 경우 송백류의 높은 내부 압력으로 인해 1년 12개월 중 2개월 정도밖에 주입이 불가할 뿐만 아니라 항상 수간주사기 내 잔류 약제가 발생하기 때문이다. 2015년 기준 국내 송림의 70% 이상이 해당 질환으로 파괴되어 가고 있을 뿐만 아니라, 실제 학교 주변 송백류 군락지도 빠른 속도로 갈변과 고사 양상을 보이는 만큼 예방이라는 근본적 조치를 최대한 신속히 가능케 하고자 한다.
□ 연구범위
○ CTS(Constant-torque Spring)을 이용한 가압원 및 주입부 목업 제작 ○ 송백류 대상 실제 성능 시험을 통한 적정주입높이 측정
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구 ○ 관련 선행연구 조사
- 지난 2014년 ㈜푸름바이오에서 기존 수간주사기에 스프링을 추가한 자동수간주사기를 개발, 특허 출원한 바 있다. 해당 제품은 기존 수간주사기에 비해 주입 소요시간이 빠르고, 나무의 내부 압력과의 상호작용을 통해 적량 주입이 가능했다. 하지만 나무 직경 및 높이별 로 일정량의 주입이 필수적인 약제와는 달리 해당 제품은 정량이 정해져 있지 않은 영양제 위주의 주입을 목표로 하며, 뿐만 아니라 제품마다 발생하는 압력의 차이로 과도한 압력으
로 인해 나무 내부의 수관에 손상이 가거나 약제의 전량 주입이 불가할 수 있다.
- 지난 2010년 국립산림과학원에서 ‘소나무재선충병 생물검정법 개발 및 방제제 개발’이라 는 사업 아래 재선충병 관련 5가지 핵심 과제를 피력, 진단부터 예방 및 치료까지 총괄적인
방제 방안에 관한 사업을 진행한 바 있다. 그중 경상대학교에서 진행되었던 제 4과제에서 기존 수간주사기의 태생적 한계를 극복하고자 가압원이 추가된 주사기를 고안한 바 있다.
하지만 해당 주사기의 경우 압축 공기를 가압원으로 설정하였는데, 그에 따라 나무 1그루에 예방 약제를 주입하기 위해 10-20kg에 달하는 압축공기 탱크와 약액 탱크를 휴대해야 하여 그 규모와 가격에 비해 효율성이 현저히 떨어진 바 있다. 뿐만 아니라 공기의 양이 부족할 경우 주입구에 가해지는 압력 또한 감소하여 많은 불편이 발생할 것으로 예상되었으 며, 결과적으로 상용화되지 못하였다.
그림 4 실용신안특허 출원된 수간주사기.
그림 3 경상대학교 연구진이 특허 출원한 가압형 수간주사기.
- 지난 2013년 9월 신젠타 파티서페이션즈에서 특허 출원한 글루건형 수간주사기의 경우 마찬가지로 압축공기 압력을 이용, 2개의 밸브를 통해 압력을 조정하여 주입이 가능하나 주입 시작부터 끝까지 사람이 해당 기기를 잡고 있어야 하고, 또 휴대성과 크기 대비 효율성 이 크게 떨어지기 때문에 상용화되지 못하였다.
□ 연구주제의 선정
○ MCU(Micro-controller Unit)을 이용한 반영구적 전동식 수간주사기
- 2015년 10월경 수간주사기의 비효율성을 파악한 후, CAD 프로그램(Autodesk)을 통해 반영구적이며 일정한 압력을 가할 수 있는 MCU(아두이노) 및 서보모터 기반 전동식 수간주 사기를 고안하였다. 하지만 높은 단가와 고장 가능성으로 인한 경제성 문제로 인하여 대량 생산이 힘들 것으로 예상되어 보류하게 되었다. 추후 연구에서는 레진 혹은 금속을 이용한 역학적 가압원을 고안하여 가장 큰 한계였던 경제성 및 내구성 문제를 해결하고자 하였다.
○무게추를 이용한 반영구적 등압수간주사기
- 2016년 1월경 안정적 수간 주사를 위해 가압원이 필요하다는 것을 인지한 후, 가장 기본적인 가압원이라고 할 수 있는 중력을 이용하여 가압형 수간주사기를 제작하고자 하였다. 하지만 추로 인한 전반적 주사기의 부피 및 구성 부품 증가, 압력 전달의 비효율성과 같은 이유로 진행을 보류하게 되었다.
○Constant-torque Spring(CTS)을 이용한 반영구적 가압형 수간주사기 (최종 선정 주제) - 위의 두 가지 프로토타입의 장·단점의 분석을 통해 가장 이상적인 가압원은 고장의 위험이 큰 전동식이나 부피가 과도하게 커지는 중력식 가압원이 아닌, 역학적 가압원이 필요하다는 결론에 도달하게 되었다. 뿐만 아니라 내부 압력과 관계없이 주어진 양의 약제를 주입하기 위해서 변위에 상관없이 일정한 토크를 가지는 두루마리형 CTS을 차용하 게 되었다. 특히 기존의 내구도가 떨어지는 단순 실린더 방식에서 벗어나, 스크루식 색연필 의 내부 구조에서 영감을 얻어 실린더 내부 표면에 나사 홈을 새겨 약제가 느린 속도와 강한 압력으로 실린더의 역행을 방지하고 안정적인 주입이 가능하도록 설계하였다. 이를 위해 시중에 존재하는 가압원의 형태가 아닌 독창적인 가압원 또한 제작하였다.
□ 연구 방법
○ CTS(Constant-torque Spring)을 이용한 가압원 및 주입부 목업 제작 - 등-토크 스프링 기반 동력원 제작
등-토크 스프링을 기반으로 하는 동력원은 1)주사기와 피스톤, 2)기어박스와 코일 스프링
및 핸들의 두 부분으로 나뉜다. 하지만 이 세 가지 구조물들 중 기어박스는 정밀한 CNC 작업이 필요하기에 SLA 방식의 레진 3d 프린터로 1 : 4 크기의 확대 목업을 만들어서 3d 프린터의 정밀성 단점을 보완하며, 여러 목업을 테스트하여 공간 효율성이 가장 뛰어난 디자인을 채택한다. 실제 기어박스는 목업의 1/4 크기의 원본 디자인을 CNC 가공 업체를 통하여 알루미늄으로 제작한다.
- 주입부(실제 가압부) 제작
실제 가압부(혹은 피스톤)의 경우 스크루 방식 색연필에서 착안한 이중 스크루 구조를 이용한다. 해당 방식의 차용을 통해 느리지만 지속적인 압력을 가하여 나무의 내부 압력에 관계없이 일정 시간 내에 일정 용량의 주입이 가능하도록 디자인한다. 가압부의 경우 SLA 방식의 레진 3d프린터로 목업을 제작한 후, 가압부와 결합하여 수간주사기 프로토타입을 제작해 실성능 측정을 시행한다. 3d프린터는 인쇄가 용이하고 da Vinci 1.0Pro 3in1(Xyz프린 팅) 제품 채택
○ 송백류 샘플 내부압력 측정 및 대상 실제 성능 측정
- 송백류 실험 대상의 경우 국내 대표적 송백류 종이자 학교 주변에 군락을 형성하고 있는 적송(Pinus Densiflora.)와 스트로브잣나무(Pinus strobus L.)을 선정한다. 이때 개체의 직경과 높이를 기준으로 조별 6그루씩 총 4개의 조로 분류한다. 이후 실험군으로 개발한 수간주사기 후보, 대조군으로 기존 수간주사기를 준비해 각각 실제 유제와 비슷한 점도의 무해한 색소 용액을 첨가, 산림청 제공 직경 및 높이별 권고주입량을 참고하여 개체에 주입한다. 이때 1조에 2그루씩 분류해 두 가지 수간주사기를 이용, 각각 상·중·하부에 주입한다. 이후 각각 12시간, 24시간, 48시간 후 높이별 단면을 확인하여 확산 정도를 확인한 후 주입구 주변의 조직을 채취, 파괴된 수관의 유무를 조사한다.
□ 연구 활동 및 과정 ○ 실험 과정
- 주사기의 내구성 및 실성능 향상을 위해 다양한 기어를 차용한 구조를 디자인해 보았다.
가장 먼저 차용한 기어는 그라인더 기어(Grinder gear)로, 적은 힘으로 큰 힘을 발휘할 수 있는 기계 장치이다. 아래 사진은 가장 간단한 형태의 그라인더 기어라 볼 수 있다.
형광색 기어는 초록색 기어와 빨간색 기어보다 톱니가 하나 더 적은데,. 형광색 기어의 안쪽 면을 누르면서 시계방향으로 돌려주게 되면 빨간색 기어는 반시계 방향으로 매우 느린 속도로 돌아가게 된다.(본 연구에서 형광색 기어를 돌리는 장치로는 연필깎이에서 흔히 볼 수 있는 헬리컬 기어(Helical gear)를 사용하였다) 일의 원리에 따라 이동거리가 줄어들게 되면 토크는 반비례하여 늘어나게 된다. 따라서 본 연구에서 필요로 하는 큰
힘을 냄과 동시에 매우 느린 속도로 주사기를 눌러줄 수 있는 등가압부 장치를 그라인더 기어와 헬리컬 기어를 통해 구현해 내고자 하였다. 하지만 기어비가 필요 이상으로 높아 실용성이 상대적으로 떨어지고, 기어가 고정되지 않고 유동적이어서 내구성에 좋지 않은 영향이 있을 것으로 예상됨에 따라 다른 시스템을 찾게 되었다.
실제 설계에 핵심적으로 적용한 기어는 래칫과 래크·피니언이었다. 래칫 기어의 경우 한 방향으로만 회전하는 성질을 이용, 스프링의 에너지를 효과적으로 저장할 수 있어서, 래크와 피니언은 고무 피스톤으로 작동하는 일반 주사기보다 뛰어난 내구성과 구동 안정 성이 예상되어 채택하게 되었다.
- 프린터 선정 및 구매까지 상당한 시간이 소요되어 추후 목업 설계 및 제작 시간이 상대적으로 부족했다. 뿐만 아니라 구매한 3d프린터의 구조적·성능상 제약으로 인해 실제 프로토타입 제작에 어려움이 있었다.
- 프린터의 제원(약 0.5mm 해상도)과는 달리 소형 부품 및 기어박스를 인쇄하는 과정에서 동작가능한 형태의 완성품을 확보하기 힘들었고, 프린터 레이어를 최대로 유지한 채로 인쇄하였음에도 불구하고 주입부의 경우 내구성 또한 한계가 있었다. 프린터 자체도 노즐 height 조절 문제와 필라멘트 주입 튜브의 내구성 문제로 인해 제조사를 통해 부품 수급을 받았으며, 이로 인해 적지 않은 시간이 지체되어 목업 실물 제작에 차질이 있었다. 결과적 으로 목업 설계는 마쳤지만 3d프린팅 과정상의 문제로 인해 조작 가능한 프로토타입 제작과 실성능 테스트 단계까지는 진행하지 못하였다.
그림 5 . 그라인더 기어
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과 ○ 설계 결과
- 주사기는 크게 스프링의 토크를 저장할 기어박스가 들어갈 내부 실린더, 그 밖으로 래크를 따라 이동하며 실린더 역할을 하는 중간 실린더, 또 약제가 들어가며 주입부가 포함된 외부 실린더의 3개 부분으로 설계하였다.
그림 6 . 주사기의 개략적 투사도(기어박스 생략)
그림 7. 내부 실린더 구조
실제 인쇄 시 스프링 지지대 부분의 경우 가해지는 토크에 변형이 없었으나, 소형 기어의 경우 해상도가 떨어져 실제 구동에 사용하기에는 한계가 있었다.
□ 시사점
○ 추후 연구 방향 및 개선점
- 추후 연구를 진행할 경우 강한 stress가 가해지는 부분(주입부·스프링 고정부 등)과 기어 파츠는 알루미늄 CNC 공정으로 제작하고, 프로토타입 제작 완료 후 주입 압력 및 실성능을 측정할 기회를 가지고자 한다.
○ 예방 약제 주입 기간 연장을 통한 방제 핵심전략화
- 기존 수간주사기의 경우 송진으로 인한 송백류의 높은 내부 압력으로 인해 1년 12개월 중 단 2개월간만 주입이 가능하였다. 이로 인해 대부분의 지자체에서 가장 실효성이 큰 예방 약제를 활발하게 이용하지 못하였고, 매년 전국적으로 약 70-100만 그루의 송백류 가 추가적으로 고사하고 있는 실정이다. 따라서 해당 가압식 수간주사기의 도입을 통하여 1년 12개월 상시 주입을 가능케 하고, 이를 통해 예방 약제 주입법이 전국적 차원에서 더욱 활발하게 사용될 수 있을 것으로 보인다.
○ 수간주사기 재활용 및 약제 절약을 통한 경제성 확보
- 기존 수간주사기의 경우, 유리 혹은 플라스틱 재질의 일회용 주사기가 대부분이었다.
뿐만 아니라 대기압을 가압원으로 이용했기에 약제가 완전히 주사되지 못하고 잔류하는 경우가 많았다. 그렇기에 가압부와 주입부를 분리·세척이 가능하도록 하여 재활용이 가능하도록 하며, 가압원 추가를 통해 약제의 잔류를 방지하여 고가의 약제를 경제적으로 사용함으로써 예방 약제의 접근성을 높이고자 한다.
그림 8 . 가압원(스프링)과 래칫기어의 응용
4. 홍보 및 사후 활용 ○ 연구 성과 공유 방안
더 많은 송백류를 기반으로 충분한 성능 검증을 진행한 후, 목업을 제작하고 특허 출원을 진행한다. 뿐만 아니라 개인 가정 보급을 통해 제품 관련 피드백을 수렴하고, 추가 개선 과정을 거친다. 추후 송백류 관련 질병이 심각한 지역(제주, 부산 등)의 지자체와의 연락을 통해 개선을 마친 최종 제품을 배포하고자 한다.
○ 추가 활용 가능성
병원에서 사용하는 링겔의 경우 대기압과 중력을 이용하는데, 중력이 존재하지 않는 우주 정거장 내와 같은 공간상에서는 링겔의 사용이 불가능하므로 압축 공기로 동작하는 고가의 장비를 대체재로 사용 중에 있다. 따라서 후속 연구를 통해 세척·살균 및 대용량의 약제 투입이 가능한 1회용 가압형 주사기를 개발, 현재의 고가 설비를 효과적으로 대체할 수 있을 것으로 보인다.
5. 참고문헌
○ 김진철 외.(2010) 소나무재선충병 생물검정법 개발 및 방제제 개발. 국립산림과학원.
○ 문일성 외.(2011) 소나무재선충병 예찰·진단 지침서. 국립산림과학원.
○ 정영진 외.(1991) 침투성살충제의 수간주입에 의한 솔잎혹파리 방제전략. 임시연보 42: 135- 139
○ 제주특별자치도.(2014) 소나무재선충 방제 희망백서. 제주특별자치도 소나무재선충병 방제대책본부
그림 9 . 인쇄된 주사기 부품과 CTS 스프링
○ 최승윤, 박형만, 정부근(1982) 솔잎혹파리의 약제방제에 관한연구 Ⅶ. 침투성 살충제 수간주입 방법개선에 관한연구. 한국식물보호학회지, 21(4):191- 194
○ BY Lee et al. (1996) Development of Synthesized Trunk Injection Apparatus of Insecticide for the Control of Pine Needle Gall Midge. 임업연구원(국립산림과학원).
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