Introduction
지구온난화와 환경오염 등으로 인해 환경보호에 대한 인식이 높아지고 있는 상황에서 이를 해결하기 위한 새로운 에너지 생산방식에 대한 논의가 이뤄지고 있으며 화석연료를 주로 사용하고 있는 발전을 포함한 에너지 분야의 온실가스 감축 노력이 절실한 실정이다(Kim and Yoon, 2014; Lee and Cho, 2020). 2015년 우리나라는 온실가스 배출을 줄이기 위한 파리기후변화협약에 가입하였으며 탈원전, 재생에너지 3020 정책 등을 통해 2019년 전력 시장 4%인 신재생 에너지 점유율을 2030년 20%까지 올리겠다고 보고하였다(Nam et al., 2021).
전력생산을 위한 기존 방식인 화력 및 원자력 발전은 환경적으로 위험성을 가지고 있어 신재생 에너지 발전의 비중을 높이기 위한 많은 방법이 시도되고 있으며 대표적인 방법으로 태양광발전이 대안이 될 수 있다. 상대적으로 국토의 면적이 좁은 우리나라의 경우 발전을 위해 많은 면적이 필요한 태양광발전은 기존 영농지역을 활용한 발전 형태가 해결방안이 될 수 있다. 농경지 상부에 일정한 간격을 두고 태양광 패널을 설치하는 영농형 태양광발전은 작물의 광포화점 이상의 태양광을 발전에 활용한다는 개념으로 재생에너지 확산 및 부가 소득 창출을 통해 지속 가능한 농업을 가능하게 할 수 있다(Yoon et al., 2019; Jung et al., 2021).
최근 보급되기 시작한 영농형 태양광발전 시설에 관한 연구는 일사량 관측 및 모의, 차광에 대한 생산량 감소 및 작물별 생육 특성, 환경 측정 등 한정된 분야로 연구가 이뤄지고 있다(Ban et al., 2020; Cho et al., 2020; Lee et al., 2020; Kang et al., 2021). 하지만 생육 및 환경모니터링뿐만이 아닌 다양한 측면에서 연구가 필요한 시점으로 농작업의 편의성과 효율성을 위한 높이기 위한 연구가 필요하며 정지작업, 방제작업 및 수확작업 등을 위한 기존에 사용되고 있는 농기계는 발전시설에 따른 변화된 환경으로 편의성과 효율성이 떨어지게 되며 이를 따라 변화된 농기계가 필요한 실정이다.
다양한 농작업 중 방제작업은 작목별로 다소 차이는 있으나 대부분 작목에서 병충해 방지와 품질 향상을 위해 필요한 작업으로 인력에 의해 소독대를 들고 직접 포장 내로 이동하면서 작업하는 고된 작업이며 농약에 항상 작업자가 노출되어 농약중독 피해를 겪는 경우가 발생하고 있다(Yiem and Cho, 1999; RDA, 2009). 이에 따라 농업인의 건강관리를 위해 농작업에 의한 유해요인과 농약중독에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다(Fenske et al., 1987; De Vreede et al., 1998; Hatzilazarou et al., 2004).
농작업에 의해 발생하는 여러 가지 질병 중 가장 많은 부분을 차지하는 것이 근골격계질환(musculoskeletal disorder, MSD)이며 우리나라 농업인의 경우 근골격계 통증을 80% 이상 경험하고 있는 것으로 나타나고 있다(Ko, 2012). 농작업에 의한 근골격계질환은 과도한 힘의 사용, 부자연스러운 자세, 반복 등의 여러 요인에 의해 발병하며 이 중 부자연스러운 작업 자세는 어깨와 목, 허리 등 상지의 근골격계질환 발병의 주된 원인으로 확인되고 있다(Armstrong, 1986; Kee, 2003; Kim et al., 2009). 이런 근골격계질환의 원인인 농작업으로 인한 부하를 평가하기 위하여 OWAS (Ovako Working posture Analysis System), REBA (Rapid Entire Body Assessment) 및 RULA (Rapid Upper Limb Assessment) 등이 평가도구로 널리 사용되고 있다.
농작업기계 연구는 트랙터 등을 대상으로 무인화와 전동화 등과 같은 연구가 주로 이뤄지고 있다(Lee et al., 2018a; 2018b). 인간공학을 이용한 농작업 개선 연구는 주로 농작업별 작업자세와 작업환경을 개선하는데 초점이 맞춰져 있다. Park 등(2004)은 트랙터, 콤바인, 이앙기, 경운기 등 농업기계의 각 위험요인에 대한 인간공학적 설계를 위한 설계 지침을 제시하였으며, Lee 등(2010)은 농작업차, 운반차, 시설 도구 등 농작업기구의 조사분석을 통해 농작업 유해요인 개선방안을 제시하였다.
농업용 방제기는 동력분무기를 사용하는 형태가 가장 많고 성능개선에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 작업자세 평가 등에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 대부분 다목적 방제기로 개발되어 보급되고 있는 방제기는 오히려 방제작업의 효율 극대화를 저해하는 요인으로 작용되고 있으며, 작목 종류나 작업환경 특성에 맞지 않아 작업자의 안전을 위협하고 있다(Lee and Kim, 2010; Kim et al., 2012).
본 연구는 영농형 태양광발전 시설에서 농작업자의 노동력 절감 및 농약노출 저감을 위하여 작목에 따른 작형과 관계없이 적용이 가능한 레일형 방제기를 개발하고 방제기의 작업 성능 평가 및 방제작업 시 농작업자의 인간공학적 분석법을 이용한 근골격계질환의 유해 요인을 분석하고 농작업 개선 효과를 평가하는 데 목적이 있다.
Materials and Methods
영농형 태양광 발전시설 및 방제기 레일
영농형 태양광 발전시설은 Fig. 1과 같이 충남 예산군 공주대학교 실습장에 가로 19,200 mm, 세로 14,400 mm, 높이 3,300 mm로 72개 태양광 패널이 동일간격으로 설치되었으며 발전시설 내 작물 재배와 영농활동을 할 수 있는 메인프레임의 기둥사이 공간은 정방형 4,800 mm 간격으로 설치되었다.
영농형 태양광 방제기용 레일은 시설 내 방제기 이동과 시설물 내 수동운반기 이용을 위한 것으로 발전시설의 메인 프레임 상부에 방제기 구동을 위한 롤러를 이용하여 이동할 수 있도록 지름 Φ32 mm 농용 원형 파이프와 길이 300 mm의 C-형 클립을 이용하여 메인 프레임에 설치하였다(Fig. 2). C-형 클립은 파이프의 처짐을 고려하여 약 1.5 m 간격으로 고정하였으며 수확물이나 거름 등을 운반하기 위한 기존 레일형 운반기 사용이 가능하도록 작업공간을 고려하여 제작되었다.
영농형 태양광용 방제기
영농형 태양광 발전시설용 레일형 방제기는 방제기를 사용하는 작업자와 이용성을 고려하여 구조가 간단하고 수리가 용이하며 설치비 및 운영비가 저렴하고 시설 내 작물 종류와 지주작물이나 포복작물 등 재배형식에 상관없이 사용이 가능해야 한다.
레일형 방제기의 구조는 상부-레일구동 및 길이조절부와 하부-관절형 노즐 붐대로 구성하였다(Fig. 3). 상부는 작은 힘으로도 레일을 타고 이동이 가능하도록 농용 원형 파이프용 롤러를 500 mm 간격으로 제작하였으며 시설 구조물의 높이와 작업자의 신체조건에 따라 길이 조절이 쉽게 제작할 수 있도록 설계하였고 하부와 연결을 위한 걸쇠형태의 연결고리로 구성하였다.
레일형 방제기 하부는 좌우 대칭구조로 한쪽 길이 2,150 mm의 붐대에 총 6개의 노즐(D-6, Yamaho, Wakayama, Japan)로 구성하였으며 작물 재배형태에 따라 적용할 수 있도록 수평방제와 수직방제가 가능한 관절을 설치하였다(Table 1). 또한 약 250 mm 높이 조절이 가능하도록 렉기어와 손잡이를 이용하여 높이 가변형으로 구성하였다. 방제기 붐대는 지름 Φ12 mm 스테인리스 재질의 노즐-파이프 일체형으로 제작하고 분무성능 시험을 통해 노즐 간격과 노즐수를 결정하였다.
개발된 레일형 방제기의 이동과 약액분무를 위해 약액호스를 자동으로 감아주는 자주식 동력분무 호스권취기(PTR-08E, PhillTec, Cheongyang, Korea)를 이용하였다(Fig. 4). 동력분무 호스권취기는 기존 분무작업과 약액호스 길이를 수동조절하는 작업으로 2인 작업자가 필요한 분무작업을 자동으로 호스길이를 조절을 함으로써 1인 작업이 가능하여 노동력 절감에 매우 유리한 농작업기로 리모컨을 이용하여 분무기 작동을 위한 엔진의 시동과 정지가 가능하며 약액호스의 감기 및 풀기 조절이 가능하다. 또한 자주식으로 분무기를 3 km·h-1 주행 속도로 이동이 가능하여 농작업 능률을 향상시킬 수 있는 장점이 있다(Table 2).
분무성능 시험
레일형 방제기의 노즐 개수와 간격 및 분무 성능을 알아보기 위하여 실내시험을 수행하였다. 실내시험을 위해 작물과 노즐과의 높이가 500 mm 일 때를 운영조건으로 가정하고 분무시험 시 바람의 영향을 받지 않도록 사방이 막혀 있는 유리온실 내에서 성능시험을 수행하였다.
분무성능을 알아보기 위한 분무량은 분무압 약 1 Mpa 상태에서 붐대 하단에 농용 컨테이너상자(가로 350 mm × 세로 550 mm × 높이 150 mm)를 8구간으로 설치하고 1분 동안 분사 후 비커를 이용하여 구간별 분무량을 측정하였으며, 총 10회 반복하여 레일형방제기의 분무 가능 범위와 붐대 위치별 분무가 균일하게 이뤄지고 있는지를 알아보기위한 분무균일성를 분석하였다(Fig. 5).
유해요인 분석
영농형 태양광 발전시설에서 레일형 방제기를 사용했을 때 기존 방제작업과 비교해 인간공학적 분석을 통한 근골격계질환의 유해요인 분석을 수행하였다. 본 연구에서는 인력이 분무봉을 잡고 이동하면서 방제하는 관행 작업자세와 개발된 레일형 방제기를 이용하는 방제작업 자세를 대상으로 OWAS (Karhu et al., 1977), REBA (Hignett and McAtamney, 2000), RULA (McAtamney and Corlett, 1993)를 이용하여 자세분석을 수행하였다(KOSHA, 2003).
근골격계질환의 유해요인 조사는 한 가지 평가 기법으로는 정확한 평가가 어려우므로 여러 가지 평가 기법을 사용해 왔다. 또한, 한국 산업안전공단의 근골격계 부담작업 유해요인조사 지침에서도 OWAS, RULA, REBA를 평가도구로 제시하고 있다(Lee et al., 2009). 조사를 위한 작업자세는 디지털 영상장치(SM-F700N, Samsung, Suwon, Korea)를 이용하여 정지영상 및 동영상으로 기록하고 작업환경 등을 복합적으로 고려하여 분석하였다.
경제성 분석
경제성 분석을 위한 분무 방법별 방제작업 시간은 공통으로 들어가는 장비 도입 전 작업인 작업 준비, 약제혼합과 분무작업 후 시간인 정리시간을 제외하고 관행 분무방법과 레일형 방제기를 사용했을 때 다른 부분인 약액이 분무되는 시점부터 끝나는 시간을 대상으로 하여 소요시간을 측정하였다(Fig. 6).
또한, 경제성 비교를 위한 작목은 고추로 선정하였으며 단위 면적은 우리나라 농가당 평균 면적인 3,300 m2, 평균 방제작업량을 기준으로 하였다. 기준 인건비의 경우 농가를 통해 조사된 평균 금액인 15,000 won·hr-1로 하여 비용을 분석하였다.
Results and Discussion
분무성능
영농형 태양광발전시설용 방제기의 분무성능을 알아보기 위하여 실내시험을 수행한 결과, 분사 높이 약 500 mm일 때 분무 가능 범위는 약 5,100 mm의 범위로 나타나 태양광 발전시설의 메인 프레임 간격이 약 4,800 mm인 것을 고려할 때 충분한 방제가 가능할 것으로 판단되었다(Fig. 7).
방제기의 분무 균일성을 판단하기 위한 구간별 분무량은 최대 840 mL·min-1, 최소 790 mL·min-1로 나타났으며 평균 810.3 mL·min-1로 측정되었다. 노즐별 최대편차는 약 40 mL·min-1로 나타났으며 중앙부의 호스연결부에서 붐대 끝으로 갈수록 분무량과 편차가 증가하는 경향을 보였다(Fig. 8). 이는 초기 분무기가 작동하고 모든 노즐이 일정한 압력을 형성하여 분사되기까지 붐대 관 내 분무압 불균형에 의해 발생되는 것으로 판단되었으며 분무 시작 후 수 초 후 분무압이 균일하게 형성된 후에는 노즐별 분무량의 차이가 약 20 mL·min-1 이하로 유지되어 현장적용 시 방제기 위치에 상관없이 균일한 분무가 가능한 것으로 판단되었다.
작업자세
분무작업에 대한 인간공학적 유해요인 평가를 위한 작업자세분석을 위해 관행 방제작업 자세와 개발된 레일형 방제기를 이용하여 자세를 대상으로 OWAS, RULA 및 REBA 분석법으로 평가한 결과는 다음과 같다.
OWAS에 의한 분석결과, 관행 방제작업의 경우 허리부분이 편자세이지만 고랑에서 방향전환을 하고자 허리를 비트는 자세, 중량물/힘 사용의 경우 소독대, 방제노즐 등 소독대 중량 및 약액호스를 끄는 데 필요한 견인력이 10 kg 이상이 필요하여 레일형 방제기를 사용하는 경우보다 분석 점수가 높게 나타났다. 하지만 근골격계질환 단계를 나타내는 최종 MSD 조치단계는 모두 1로 나타나 두 가지 방법에서 차이가 없는 것으로 나타났으며 이는 몸통, 팔의 자세분류를 상세하게 나타내지 못하며 자세에 대한 지속시간이나 팔목 및 팔꿈치에 대한 정보를 반영하지 못하는 단점을 가진 OWAS의 특징 때문으로 판단되었다(Table 3 and 4).
REBA를 이용한 분석결과, 관행 방제작업의 경우 몸통과 목 부분이 방향전환을 하고자 비트는 자세, 호스에 의한 중량물/힘 사용, 줄 당김 등에 의한 급격한 힘 증가 및 분무대를 잡고 좌우로 흔들어 팔의 상·하에 부적절한 자세에 의해 레일형 방제기를 사용하는 경우보다 분석 점수가 높게 나타났다(Table 5 and 6). 최종 MSD 조치단계는 관행 작업자세가 4단계, 레일형 방제기는 1단계로 나타나 근골격계 유해요인이 많이 줄어든 것으로 평가되었으며 이는 REBA분석법은 하중, 반복성, 손잡이 및 전신에 대한 고려가 적용되어 나타나는 결과로 상지를 상대적으로 많이 쓰는 방제작업의 특징을 잘 나타낸 것으로 판단되었다.
RURA를 이용한 분석결과, 관행 방제작업의 경우 팔의 상・하부, 팔목 등의 부적절한 자세, 몸통 부분의 비트는 자세, 호스에 의한 중량물/힘의 반복적인 사용이 레일형 방제기를 사용하는 경우보다 분석 점수가 높게 나타났다(Table 7 and 8). 최종 MSD 조치단계는 관행 방제작업 자세가 4단계, 레일형 방제기는 1단계로 나타나 근골격계 유해요인이 대부분 제거된 것으로 나타났으며 이는 전신을 대상으로 하는 REBA법과 비교해 부분별 점수가 좀 더 크게 나타난 것은 RURA분석법의 경우 상지에 좀 더 비중을 두는 분석법의 특징으로 판단되었다.
OWAS, REBA, RULA분석법을 이용해 분석한 결과, 관행 방제작업은 팔, 몸통(허리), 손목 부위 등에 좋지 않은 작업자세와 반복적이고 과도한 힘 사용으로 근골격계 유해요인이 큰 작업으로 분석되었으며 태양광 발전시설용 레일형 방제기 사용 시 근골격계 유해요인이 대부분 제거되어 농작업자 건강에 많은 도움을 줄 수 있는 것으로 판단되었다. 또한 기존 방제 작업은 작업자가 분무대를 잡고 이동 시 약액에 바로 노출되고 있으나 방제기 이동 시 작업자가 직접 개입하지 않는 형태인 레일형 방제기는 약액으로부터 노출을 줄일 수 있어 농업인의 농약중독을 크게 줄일 수 있을 것으로 판단되었다.
경제성
관행 방제작업과 태양광 발전시설용 레일형 방제기를 이용한 방제작업의 경제성을 분석한 결과는 Table 9와 같이 나타났다. 관행 방제작업의 경우 보행하며 분무대를 흔들고 고랑 기준 좌우로 작업하며 걸리는 평균 작업속도는 약 0.375 m·s-1로 조사되었으며 자주식 동력분무 호스권취기를 이용한 레일형방제기는 약 1 m·s-1로 나타났다.
포장 작업효율은 관행 방제작업의 경우 18,200 m2·hr-1로 나타났으며, 레일형 방제기를 이용할 경우 3,300 m2·hr-1로 나타났다. 고추작목의 하루 작업면적이 평균 3,300 m2일 때 작업 소요 시간은 관행 방제작업의 경우 0.99 hr, 레일형 방제작업의 경우 0.19 hr이 소요되며, 연중 약 15회 방제작업을 수행하므로 연간 작업시간은 관행 방제작업 14.8 hr, 레일형 분무기작업 2.8 hr이 소요되는 것으로 나타났다.
인건비 절감액의 경우 관행 방제방법의 경우 일반적으로 2인이 작업하므로 총 445,500 won·yr-1이 소요되는 것으로 나타났으며, 레일형 방제기의 경우 1인작업으로 42,750 won·yr-1이 소요되는 것으로 나타나 개발된 레일형 방제기를 사용할 경우 연간 약 90% (402,750 won·yr-1)의 인건비 절감효과가 있는 것으로 나타났다.
Conclusion
전 세계적으로 지구온난화와 환경오염 등의 문제로 환경보호에 대한 인식이 높아지고 새로운 에너지 생산방식에 대한 논의가 이뤄지고 있다. 이중 발전을 위한 기존 방식인 화력 및 원자력 발전의 경우 환경적으로 큰 위험성을 가지고 있어 신재생 에너지 발전 등의 비중을 높이기 위한 많은 방법들이 시도되고 있고 대표적으로 태양광발전이 있다. 발전을 위해 많은 면적이 필요한 태양광발전은 상대적으로 국토의 면적이 좁은 우리나라의 경우 기존 영농지역을 활용한 태양광발전 형태가 해결방안이 될 수 있으며 농지를 활용한 태양광발전을 하게 되면 방제작업 등 기존 농기계가 아닌 다른 형태의 농기계가 필요하며 본 연구에서는 영농형 태양광 시설에 적용할 수 있는 방제기를 개발하고 성능 평가 및 방제작업의 인간공학적 분석을 통한 근골격계 유해요인 분석을 통해 작업개선 효과를 판단하는 데 목적이 있다.
레일형 방제기를 적용하기 위한 태양광 발전시설은 단위 프레임 크기가 가로 5 m, 세로 5 m, 높이 3.3 m로 되어 있으며 활용부지에 따라 확장할 수 있는 구조로 되어 있으며 방제기구동을 위해 농용 파이프를 이용한 레일을 설치하였다. 방제기는 레일을 이동할 수 있는 롤러부와 작물의 높이에 따라 붐대의 높이를 조절할 수 있는 2단구조로 이뤄진 길이조절부, 총 12개의 노즐로 구성된 붐대를 수직 및 수평으로 사용할 수 있는 붐대관절부로 구성되었다.
개발된 레일형 방제기의 분사 높이를 500 mm로 설정한 후 나타난 분무범위는 약 5,100 mm의 범위를 보여 태양광 프레임 간격이 약 5 m인 것을 고려했을 때 충분한 방제가 가능한 것으로 판단되었다. 노즐별 분무량 측정 결과는 평균 810.3 mL·min-1로 측정되었으며 노즐별 약 20 mL의 편차를 보였고 분무 시 공기 중으로 비산되는 양을 고려했을 때 분무범위 내에서 고르게 분무되는 것으로 판단되었다.
OWAS, REBA, RULA분석법을 이용해 분석한 결과, 관행 방제작업은 팔, 몸통(허리), 손목 부위 등에 좋지 않은 작업자세와 반복적이고 과도한 힘 사용으로 근골격계 유해요인이 큰 작업으로 분석되었으며 태양광 발전시설용 레일형 방제기 사용 시 근골격계 유해요인이 대부분 제거되었으며 기존 방제 작업은 작업자가 약액에 바로 노출되고 있으나 작업자가 직접 개입하지 않는 형태인 레일형 방제기는 약액으로부터 노출을 줄일 수 있어 농업인의 농약중독을 크게 줄일 수 있을 것으로 판단되었다.
고추 작목을 대상으로 조사된 포장 작업효율은 관행 방제작업의 경우 18,200 ha·hr-1, 레일형 방제기는 3,300 m2·hr-1로 나타났으며 개발된 레일형 방제기를 사용할 때 연간 약 90% (402,750 won·yr-1)의 인건비 절감효과가 있는 것으로 나타났다.
