농약은 전 세계적으로 안정적인 식량 생산에 중요한 역할을 합니다. 급격한 인구 증가와 토지 활용 부담 가중의 측면에서 살충제의 지속적인 사용은 불가피한 것으로 보입니다. 한편, 제초제, 살균제, 살충제 등의 사용이 인간의 건강과 환경에 미치는 영향은 여전히 중요한 문제입니다.
2009년 1월, 유럽 의회에서는 농약 사용 규제 강화에 대한 확산된 인식을 반영하는 농약 규제 관련 법안이 통과되었습니다. 이 법에서는 몇 가지 고위험 화학 물질의 사용을 금지하고 있으며 관련 위험성을 줄이기 위한 방안이 마련되었습니다. 또한 이 새로운 법에서는 새로운 개념의 보완적 제제를 개발하기 위한 지속적인 연구의 필요성과 일차 표적 이외의 오염을 최소화하는 방향으로 기존 제제의 사용 효과를 개선하려는 노력의 중요성을 강조합니다.
농약 분무액의 액적 크기는 분무액 비산, 효율성 및 낭비와 같은 환경적 경제적 문제에 영향을 미치는 중요한 매개 변수입니다. 살포 시점에는 액적 크기 및 기타 분무 기둥 관련 매개 변수가 일차적으로 노즐 자체에 의해 제어됩니다. 따라서 올바른 노즐 선택이 매우 중요합니다. 이 글에서는 농약 액적 크기 관리에 레이저 회절 기술(Spraytec, Malvern Instruments)을 활용하는 방식을 설명하고 표적 지정과 관련된 요구 사항과 분무 요건을 바탕으로 이 기술이 정확한 정보에 기반한 적합한 농약 살포 노즐 선택에 어떤 도움이 되는지를 논의합니다.
살포되는 농약의 액적 크기는 농약 살포에 있어 가장 중요한 통제 변수 중 하나입니다. 액적 크기를 효과적으로 제어하는 것은 효율성 극대화와 비용 절감 그리고 표적 외 대상의 오염 최소화를 위해 중요합니다. 주어진 살포 조건에 맞는 적절한 액적 크기를 결정하려면 농약의 작용 원리와 잠재적 부작용에 대해 주의 깊게 고려해야 합니다.
많은 경우 미세한 크기의 분무 액적이 살포 효과의 최대화와 직결되며 소형 작물에서는 액적 크기가 작을수록 분무액 침착 수준도 높아지는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 분무액 확산의 측면에서는 액적이 커야 의도되지 않은 방향으로의 공기 흐림이 줄어들어 표적 이외의 오염 위험도 또한 낮아집니다. 농약 사용자들은 항상 살포 효과의 극대화와 확산 억제의 필요성 사이에서 균형을 유지해야 하기 때문에 농약의 효능이 일정 수준 이상으로 보장된다는 전제 하에 액적 크기를 최대한 크게 해야 합니다[1].
분무액 비산이란 살포된 농약 분무액이 표적지 이외의 장소로 날아가는 현상을 말하며 화학 약품에 민감한 고급 작물 주변이나 주거 지역 또는 생활 용수가 흐르는 장소 주변에서는 특히 해롭습니다. 분무액 비산을 예방하는 것은 농약 제조 업체와 사용자 모두에게 매우 해결하기 어려운 문제입니다.
분무액 비산에 영향을 미치는 주요 요인[2]:
이 가운데 액적 크기는 영향이 가장 크면서도 통제하기 쉬운 요소입니다. 입자의 침강속도는 입자 직경의 제곱에 비례하므로 작은 입자일수록 작물에 닿기 전 표적지로부터 비산되어 날아갈 확률이 높습니다. 액적 크기를 잘 관리하면 이러한 문제를 줄이고 특정 농약을 살포하기에 안전한 날씨 조건의 범위를 넓혀 더 나은 살포 시점을 정할 수 있습니다.
최적의 액적 크기와 농약 살포 장비를 선택하는데 있어서 분무기둥의 정확한 특성 분석과 실제 농지에서 살포방식에 따른 액적 크기 데이터들이 중요하게 작용합니다. 이를 위해 레이저 회절법을 이용하여 액적의 크기를 분석하고 윈드 터널 시험을 통해 살포과정에 대한 환경 영향 평가하는 등 다양한 프로토콜과 기술이 활용되고 있습니다.
농약 분무액의 특성 분석 목적으로 다양한 액적 크기 분석 기술이 활용되고 있지만 유연성과 신속성 면에서 레이저 회절 기술이 단연 최고로 효과적이고 결과도 가장 좋습니다. 레이저 회절 장치가 레이저 광선을 통과해 지나가는 액적에 의해 산란되는 빛의 강도를 측정함으로써 그 크기를 계산합니다. 빛이 산란되는 각도는 액적 크기에 반비례합니다. 분무액의 액적 크기 분포는 산란 각도와 함수 관계를 이루는 산란 강도의 변화를 측정하고 이 데이터에 적절한 산란 분석 모델을 적용하여 계산합니다.
분무액 특성 분석용으로 특수하게 설계된 레이저 회절 장치가 몇 가지 있으며 그 대표적인 예가Malvern Instruments의 Spraytec입니다. 데이터 산출률이 높아 미립자 역학을 세밀하게 연구할 수 있으며 살포된 액적의 평균 크기 분석이 가능합니다. 분무액이 측정 영역을 통과하는 동안에 측정이 이루어지기 때문에 분무 기둥에 대한 기하학적 연구와 농도 가변성 분석이 가능합니다. 기서 산출되는 데이터는 장비의 성능을 판단하는 데 매우 중요한 정보이며 특히 아래의 연구에 제시된 내용과 같이 세부적인 노즐 분류에 유용합니다.
윈드 터널 시험은 장비 성능과 액적 크기 데이터를 분무액 비산이나 표적 작물에 의한 흡수와 같이 살포 제어와 관련된 문제와 연계시키는 데 사용됩니다. 실로에(Silsoe)에 위치한 Arable Group(TAG) Spray Application Unit (영국 베드퍼드셔 소재)는 습도, 풍속, 작물/표면 상태 등을 실제 농지와 동일한 조건으로 재현하고 제어할 수 있는 첨단 윈드 터널을 보유하고 있습니다. 여기서 이루어지는 시험을 통해 위험성을 평가하고 농약 사용과 관련하여 농업 종사자와 작물 재배자에게 조언을 제공하는 데 사용할 수 있는 고차원적인 모델을 개발할 수 있습니다.
농약 분무 장비의 몇 가지 구성 요소를 조절하여 분무액 관리와 효과적인 살포를 위해 정해진 액적 크기 조건에 부합하는 액적을 만들어 내도록 할 수 있습니다. 조절 가능한 요소는 분무 압력, 분사 봉 높이, 농약 부피, 분사 각도 등입니다. 한편으로는, 노즐의 기하학적 구조가 액적 크기 분포에 미치는 영향이 절대적이기 때문에 적절한 노즐과 분무기를 선택하는 것이 매우 중요합니다. 각기 다른 모양의 분무 기둥과 다양한 크기의 액적을 만들어 내는 노즐이 여러 가지가 있습니다.
British Crop Protection Council(BCPC)에서는 액적 크기 결정에 있어서의 분무 노즐의 중요성과 그것이 농약 사용의 효과 및 잠재적인 부작용에 미칠 영향을 고려하여 분무기 분류 지침[3]을 개발했습니다. 이 지침의 목적은 (농약) 제품별로 최적의 분무액 크기 및 크기 분포를 선택할 수 있도록 지원하는 것입니다. 이를 위해 BCPC 지침에서는 액적 크기별 카테고리로 농기구 노즐을 Very Fine, Fine, Medium, Coarse, Very Coarse, Extra Coarse 등의 6가지 유형으로 분류합니다. 표적 작물과 분무액 비산 위험을 고려하여 사용할 노즐을 선택하면 됩니다.
British Crop Protection Council(BCPC)에서 등급별로 지정한 5가지 표준 노즐(BCPC01, BCPC03, BCPC06, BCPC08, BCPC10)의 특성을 Spraytec 시스템을 사용해 분석하였습니다. 측정 결과를 이용해 부피 중위 직경(Dv50)(액적 크기를 기준으로 50%의 군체가 이 값 아래에 속함)에 따라 분류 기준선을 더욱 분명하게 정의했습니다. 이 기준선을 이용해 다양한 조건에서 사용되는 다른 비표준 노즐에도 등급을 지정하였습니다.
분석 장비의 측정 영역을 통과해 가는 각각의 분무액을 분석함으로써 분무 기둥 내에서 위치와 함수 관계로 액적 크기를 산출했습니다. 부피에 기반한 특징적인 크기 분포 누적치를 액적이 이동하는 동안 수집한 모든 데이터의 평균 값으로 전체 분무 기둥에 대해 계산하고, 개별 측정 지점에서의 분무액 농도에 따라 가중치를 부여하였습니다.
그림 1에는 표준 BCPC로 분류되는 노즐의 기 분포 누적치가 나와 있습니다. 이 데이터를 통해 분류 번호가 높은 노즐일수록 입자 크기 측정값도 크다는 것을 확인할 수 있습니다.
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세 가지 플랫-팬 노즐(0075, DG015, IDK015)을 정확하게 같은 방법으로 분석하였습니다. 0.75에서 5bar의 일정 액체 압력 범위에서 입자 크기 분포를 측정하였습니다. 그림 2에는 개별 노즐의 Dv50 값이 작동 압력과의 함수 관계로 분류 기준선 위에 표시되어 있습니다.
0075 노즐의 Dv50은 0.75bar일 때 191μm, 5bar일 때 117μm까지 변하며 이것은 분산 압력 1 ~ 4bar 범위에서 해당 노즐이 'Fine' 등급에 속한다는 것을 의미합니다. 이 노즐을 사용했을 때 높은 해충방제 성능을 기대할 수 있지만 분무액 비산이라는 문제 때문에 대부분의 경지 조건에는 적합하지 않을 것입니다.
DG015 노즐의 Dv50 값은 1bar일 때 283μm, 5bar일 때 167μm 입니다. 따라서, 1.5 ~ 3.5bar 범위에서 이 노즐에서 분사되는 중위 값 액적 크기는 잎이 큰 작물에 효과적일 것입니다. 세 번째로 IDK015 노즐은 1.5bar일 때 583μm에서 4bar일 때 306μm까지의 액적을 분사합니다. BCPC 분류 기준에 따르면 이 액적은 압력 조건에 따라 Very Coarse 또는 Extra Coarse 범주에 속합니다. 이런 노즐은 비산 위험이 매우 낮은 액적을 만들어낼 것으로 기대되지만 효율 면에서 사용하기 적합한 농약의 종류가 많지 않습니다.
세 가지 플랫-팬 노즐에 대한 연구에서 나온 결과 데이터로 액적 크기 정보가 어떻게 노즐 구조 분류에 활용될 수 있으며 특정 지역의 특정 작물에 사용할 노즐 유형을 선택함에 있어 지침이 될 수 있는지를 설명할 수 있습니다. 이 데이터를 이용하면 작물에 의한 흡수를 증가시키기 위해 분무 농약의 액적 크기를 세밀하게 조정함으로써 살포 작업 및 날씨 조건이 농약 살포 시점과 잘 맞아 떨어지도록 할 수 있으며 환경에 대한 부정적인 영향을 최소화할 수 있습니다.
평균 입자 크기 분석 기술과 더불어 레이저 회절도 분무 기둥 전반에 걸친 액적 크기 가변성 연구에 활용됩니다. 여기서 얻은 데이터는 특히 최적화된 노즐을 설계하는데 있어 매우 유용합니다.
입도 측정 시 "rapid"모드 보다는 연속 측정 모드를 이용하여 측정 영역을 통과하는 동안 1초에 한 번씩 최장 1시간까지 입자 크기 분포를 기록하면서 시간 경과에 따른 액적 크기 변화를 모니터링합니다. 각기 다른 일련의 압력 조건에서 DG015 노즐에 의해 분사된 액적의 크기 변화를 측정하였습니다. 결과(그림 3)를 보면 각각의 분무 기둥이 특징적인 형태를 가지며 부피가 큰 액적이 기둥의 가장자리에, 작은 액적이 중앙에 위치한다는 것을 알 수 있습니다.
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그림 3은 압력이 증가하면 노즐에서 분사되는 액적의 평균 크기가 작아진다는 것을 보여줍니다. 그러나 압력이 분무 기둥에 미치는 영향은 이것만은 아닙니다. 압력이 증가할수록 입자 크기 측정에 소요되는 시간도 길어집니다. 매 회 분사되는 속도가 일정하기 때문에 이러한 현상은 압력이 커지면 분사 기둥의 넓이도 증가한다는 것을 의미합니다. 즉, 노즐 작동 압력은 액적 크기와 분무 기둥의 각도에 모두 영향을 미칩니다.
압력 증가와 함께 분무 기둥 각도가 커지는 현상은 목표하는 높이 수준에서 일정한 분무가 이루어지도록 분사 봉 높이를 정하는 데 있어 중요한 의미를 갖습니다. 분무액 비산을 최소화하기 위해서는 분사 봉을 분무 표적의 표면에 최대한 가까이 대야 합니다. 액적 크기를 증가시키기 위해 압력을 낮추고 이를 통해 비산을 줄이는 것이 일반적인 접근법이기는 하지만 이 경우 분무 기둥 각도가 줄어들고 분무 형태가 부적절해지면서 결과적으로는 적정 양의 농약이 살포되지 않은 작물이 군데 군데 있게 됩니다.
농약 사용 및 통제와 관련해 새로 제정된 유럽 법률에서는 적절한 분석 기술의 필요성을 강조합니다. 농약 살포 장비의 경우에는 활성 성분이 작물에 전달되는 효과와 환경에 부정적인 영향이 있을 확률의 측면에서 분사되는 액적의 크기가 중요한 매개 변수입니다. 분무 액적 크기를 최적화하면 표적지에 정확한 살포가 가능하고 분무 효율이 높아지며, 이와 동시에 위해 수준의 화학물질 살포 가능성이 줄어들고 경제적으로나 환경적으로 이익이 커집니다.
레이저 회절은 농약 분무 액적의 크기와 분무 기둥의 각도를 측정하는 매우 유용한 수단입니다. 레이저 회절을 이용한 분석 결과는 특히 분사 봉의 높이를 설정하는 데 있어 중요한 변수입니다. 이 연구에서는 노즐별 성능 및 특성 분석을 위해 Malvern의 Spraytec 레이저 회절 시스템이 사용되었습니다. 작물 재배자의 입장에서 노즐 선택은 농약 분무 액적의 크기를 변화시키는 가장 손쉬운 방법이기 때문에 그만큼 중요한 문제입니다. 이 연구에서는 BCPC 사이즈 카테고리로 분류되는 표준 노즐을 평가하였습니다. 일정 범위의 분무 압력 수준에서 세 가지 노즐을 추가로 분석하고 각기 다른 용도로의 적절성 측면에서 정의된 기준선에 따라 분류하였습니다. 압력을 변화시키면서 측정한 입자 크기 변화 기록을 통해 분무 압력이 높아질수록 분무 기둥도 넓어진다는 것을 알 수 있었습니다. 이러한 결과는 레이저 회절로 분무 액적의 크기를 분석함으로써 새로운 농약 살포 장비와 농약 제형을 개발하는 데 있어 매우 가치 있고 유용한 정보를 얻을 수 있다는 점을 확인시켜 줍니다.
여기서 설명하는 실험은 The Arable Group의 분무 응용 사업부에 소속된 Clive Tuck과 Paul Miller라는 두 전문가의 지원이 있었기에 가능했습니다. The Arable Group은 영국의 대표적인 독립 작물 연구 및 컨설팅 기관입니다.
[1] Home Grown Cereals Authority (2007) Nozzle Selection Chart www.hgca.com
[2] Using Pesticides, Reducing Spray Drift http://www.pesticides.gov.uk/safe_use.asp?id=61
[3] Doble S J, Matthews G A, Rutherford I, Southcombe E S E (1985). A System for Classifying Hydraulic and Other Atomizers Into Categories of Spray Quality. Proceedings British Crop Protection Conference - Weeds, 3, 1125-1133. [4] ISO 10625:2005.
