근현대사에서 드론의 시작은 군사적 이용이 목적이었는데 급격한 발전을 통해 항공촬영, 배송, 농업, 재해, 보건, 인터넷 등 다양한 민간 분야로 확대되고 있는데 그 중 드론 판매의 80%를 농업관련 분야가 차지할 것으로 전망되고 있다(Park et al., 2015).

무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)를 활용한 농 업분야 연구는 농업환경 감시 및 모니터링 연구(Herwitz et al., 2004;Dieter et al., 2005;Jung et al., 2015) 와 토지피복 분류와 관련된 연구(Hassan et al., 2011;Fuyi et al., 2012;Feng et al., 2015)를 시작으로 작황 분석 및 생육 추정에 관한 연구로 확대 되었다. Candiago et al. (2015)은 다중분광센서를 이용하여 취 득한 영상을 식생지수로 변환 정밀농업의 자료 생성방안을 연 구하였고, Lee et al. (2015)은 촬영영상을 통한 녹비작물의 질 소 생산량의 공간적 분포 특성을 추정하였다. 또한, UAV와 현 장 측정자료를 활용하여 원격탐사 기반 맥류 작황추정을 위한 최적 식생지수를 선정하였고(Na et al., 2016), 공중 영상촬영을 이용하여 농업재해 및 농경지 정보파악, 논밭 작물의 구분에 적 용 활용가능성을 제시하였다. 재해분야에서는 드론으로 촬영된 정밀지형도를 이용하여 정확한 피해면적을 산정하여 피해규모 를 정밀하게 파악하는데 이용하고 있다(Park and Park, 2015;Park and Park, 2015).

드론이 농업현장에서 실용화되기 위해서는 신뢰성 있는 장 애물 인식 및 회피기술, 강건한 제어 및 효율적 운용기술이 필 요하며 장기체공을 위한 기술개발, 안정적이고 신뢰성 있는 통 신기술이 필요하다고 하였다(Kim et al., 2018). 드론을 이용한 농약살포의 장점은 작업자의 농약 노출을 최소화하고, 노동 부 담을 경감시킬 수 있으며 공중으로 농작물에 접근이 쉬우며 작 물의 훼손이 거의 없다. 또한 일반적인 방제의 경우 농약이 작 물의 아래쪽까지 침투하기 어려운데 드론은 저공비행을 통해 날개에서 발생하는 하향풍이 작물을 눕힘으로써 약제가 지면 까지 골고루 침투하는 장점이 있으며, 인력이나 광역방제의 경 우 1 ha당 농약 살포량은 약 1,000 L 이상이지만 드론 방제의 경 우 8~10 L의 적은 양으로 해당부분에 집중 살포함으로 효과적 으로 방제할 수 있다(Kim et al., 2018).

농업기술실용화재단은 농약살포용 드론에 대하여 농약 배 출성능, 균일살포, 살포작업 능률 등에 대한 검정과 무인항공 살포기의 이착륙과 공중에서 정지하는 기능, 조작의 난이도, 안 전성 등을 검정항목으로 드론 성능을 검증하여 농작업의 안전 성과 효율성을 도모하고 있다. 그러나 농약 살포시 작물의 생육 형태도 다양하고 발생하는 병해충이 다르기 때문에 농작물에 따라 방제방법도 달라져야 하지만 구체적인 방제기준에 대한 깊은 연구가 현재까지 진행되지 못한 실정이다.

국내 배추의 연간 총생산량은 2017년 기준 239만 5천 톤으 로 전체 엽채류 생산량의 83%를 차지하므로 재배지역은 전국 적으로 매우 광범위하다(KOSIS, 2017).

배추좀나방(Plutella xylostella)은 전 세계적으로 분포하며 배 추에 가장 피해가 심한 해충이며, 파밤나방(Spodoptera exigua) 이나 담배거세미나방(Spodoptera litura) 또한 다양한 농작물 에 피해를 주는 해충이다(Kim et al., 2002).

따라서 본 시험은 농약살포용 드론의 살포높이, 진행속도 등 살포조건에 따른 살포특성을 조사하고, 밭작물 중 비교적 광범 위한 면적을 재배하며 빈번한 방제작업이 필요한 배추를 대상 으로 배추좀나방 등 3종의 주요해충에 대한 완전치사농도 및 처리약량을 구명하여 드론을 이용한 배추 약제방제 기준을 설 정하고자 수행하였다.

재료 및 방법

드론의 농약살포 특성 구명

시험에 사용한 드론(Model ONETOP A1, (주)탑플라이트, 광주, Fig. 1)의 기체특성과 성능은 폭 1,200 mm/500 mm, 높이 490 mm, 날개수 6개, 중량 12 kg, 적재량 10 L, 비행속도 2~10 m/s, 살포폭 3~6 m, 1회 비행시간 12~16분이며 수동과 GPS 비 행모드로 살포 가능한 드론을 이용하여 농약살포 특성을 조사 하였다. 드론이 지면에서 2.5 m부터 5 m까지 0.5 m 간격의 높 이에 정지해 있을 때 지표면에 도달하는 하향풍 속도를 조사하 였고, 2 m/sec의 속도로 진행하며 살포높이별 농약이 살포되는 폭을 조사하였다. 이 때 살포여부의 판단기준이 불명확하여 다 수의 입자가 떨어진 것을 육안으로 확인 가능한 범위로 판정하 였다. 또 드론으로 약제를 살포할 때 어느 정도 크기의 입자로 분해되어 분산되는지를 알아보기 위하여, 실내에서 수동미량 주사장치(Hand microapplicator)를 이용하여 약량 0.25, 0.5, 1, 2, 5 μl을 감수지(52 × 76 mm, Teejet)에 떨어뜨릴 때 표시되는 입자크기를 조사하였고, 실외에서는 드론의 농약 살포높이와 비행속도를 다르게 운용하며 지면에 낙하하는 입자 크기별 낙 하량을 조사하였다. 농작물의 다양한 높이와 각도에서 농약 낙 하량을 감수지를 이용하여 조사하기 위하여 높이조절이 가능 한 감수지 설치대를 제작하여 이용하였고, 농작물을 경작하지 않은 밭에 감수지 설치대를 설치한 후 높이 3, 4, 5 m, 속도 3, 4 m/sec로 농약 살포시 낙하하는 입자수를 조사하였다. 감수지는 지면에서 10, 30, 60, 90 cm 높이에 3반복으로 설치하여 조사하 였고, 감수지에 표시된 입자크기는 0.5 mm 이상, 0.5~0.2 mm, 0.2 mm 미만으로 구분하여 단위면적당 낙하입자수를 조사하 였다. 식물체 잎의 부착각도에 따라 농약입자의 부착정도를 조 사하기 위하여 윗면(0°), 수직면(90°), 뒷면(180°)별 농약 부착 량을 동일한 방법으로 조사하였다.

드론 이용 배추 주요해충 방제기준 설정

가을배추 재배에 가장 피해가 심한 해충은 배추좀나방 (Plutella xylostella), 파밤나방(Spodoptera exigua), 담배거세 미나방(Spodoptera litura)이다. 이 해충 3종에 대하여 항공방 제용 농약으로 등록된 4종의 살충제 즉 비스트리플루론 ․ 플루 벤디아마이드액상수화제, 메톡시페노자이드 ․ 설폭사플로르 액상수화제, 클로르페나피르액상수화제, 비스트리플루론 ․ 클 로르페나피르액상수화제의 치사농도 및 약량을 구명하기 위하 여 실내시험을 수행하였다. 시험에 사용한 배추좀나방과 담배 거세미나방은 전남농업기술원 작물보호 실험실에서 2016년부 터 누대사육한 해충을 이용하였고, 파밤나방은 2017년 9월 전 남 진도의 대파 재배단지에 발생한 난괴를 채집하여 배추를 기 주식물로 실험실에서 사육하여 이용하였다.

농약의 처리농도는 5, 10, 15, 20, 25배의 5수준으로, 해충 개 체별 처리약량은 0.25, 0.5, 1, 2 μl의 4수준으로 처리한 3일 후 에 살충율을 조사하였다. 뚜껑에 망사가 달린 플라스틱 샤레 (직경 90 mm, 높이 25 ml) 바닥에 배추 잎을 놓고 증류수에 적 신 탈지면으로 잎의 주맥을 덮어 배추 잎이 시들지 않도록 하 였다. 배추좀나방 3령 유충의 흉부 등쪽에 미량주사기(Hand micro-applicator)를 이용하여 농도 및 처리약량별로 처리한 후 페트리디쉬에 10마리씩 접종하고 뚜껑을 닫아 실험실 상온에 관리하며 3일 후 생사여부를 확인하였다. 저 농도 및 소량의 약 량에서 살충율이 높았던 약제에 대하여는 농도를 더 낮추고 약 량은 더 줄여서 2차 시험을 추진하였다. 파밤나방과 담배거세 미나방에 대하여도 처리방법은 이와 동일하게 하였는데, 충체 가 배추좀나방에 비하여 크기 때문에 샤레당 5마리씩 접종하여 관리하였다. 동시에 많은 양의 시험곤충이 소요되는 특성상 시 험처리는 반복 없이 수행하였지만, 특이한 결과가 발생할 경우 에는 반복시험을 수행하여 보완하였다.

농약의 농도별 약해 유무를 조사하기 위하여 밭포장에 정식 한지 25일된 배추에 농도별로 희석한 약제를 스프레이 분무기 를 이용하여 약액이 충분히 흐를 정도로 살포한 후 1일, 3일, 7일 후에 약해 발생여부를 조사하였다. 각 처리별 5주에 대하여 처 리하였으며, 약해 판단은 3단계로 구분하였는데 잎이 변색하거 나 변형되어 기형이 되는 것은 약해가 발생한 것으로 조사하였 고, 변색되기는 하였지만 변형 없이 원상복귀 되는 경우 회복이 되는 경우에는 경미, 전혀 변화가 없는 것은 약해가 없는 것으 로 표시하였다.

결과 및 고찰

드론의 농약살포 특성 구명

드론의 살포높이에 따른 하향풍은(Table 1) 지면에서 가까 울수록 바람속도는 빠르고 멀수록 느린 경향으로 2.5 m 높이에 서 하향풍 속도는 4.3 m/sec였다. 대체적으로 2.5~4 m 사이에 서는 하향풍 속도 차이가 다소 적었으나 4 m에서 5 m로 올라가 면 매우 많은 차이를 보였다. Kang et al. (2010)은 항공방제용 무인헬기의 하향풍이 3 m 높이일 때 최대 7.8 m/sec였는데 드 론은 4.2 m/sec로 조사되어 무인헬기에 비해 드론의 하향풍 속 도는 월등하게 느린 것으로 조사되었다. 살포높이 3, 4, 5 m에 서 살포시 살포 폭은 각각 3.6, 4.0, 4.2 m로 조사되었지만 야외 의 바람조건에 따라 다소 편차가 심하게 나타나는 경향이었다. 드론의 종류나 프로펠러 개수에 따라 하향풍의 세기 그리고 농 약의 살포 폭은 매우 다양할 것으로 예측되므로 기종에 따른 농 약의 살포특성 또한 차이가 많을 것으로 판단된다. 약량에 따른 감수지에서의 입자크기는 Table 2와 같다.

드론의 농약 살포높이와 비행속도를 다르게 하여 낙하하는 농약입자수를 조사한 결과(Table 3), 비행속도 3 m/sec이고 살 포높이 3, 4, 5 m일 때 총 낙하량은 60, 69, 42개/cm²였으며, 비 행속도 4 m/sec이고 살포높이 3, 4, 5 m일 때 총 낙하량은 29, 14, 27개/cm²개로 비행속도가 빠를수록 낙하량은 급격하게 감 소하는 경향을 보인 반면, 살포높이간의 차이는 그다지 크지 않았다. 약량이 0.25 μl일 때 입자크기가 1.4 mm임을 고려한다 면 드론으로 살포시 낙하한 입자 53.1%가 0.5~0.2 mm 크기였 는데 실제 약제는 0.1 μl정도로 잘게 나뉘어져 공중에 분사된다 는 것을 알 수 있었으며, 일반적으로 0.2 μm 이하의 지름을 갖 는 입자는 편류의 가능성이 많은 것으로 여겨지므로(Lim and Song, 2009) 드론으로 살포하는 농약은 편류의 영향을 많이 받 는다고 할 수 있다. Kang et al. (2010)은 항공방제용 무인 헬리 콥터의 분무압력이 선형노즐은 0.4 MPa, 쌍선형 노즐과 콘 노 즐은 0.6 MPa일 때 분무입경이 100 μm정도로 나타난 것으로 보아 쌍선형 노즐이었기 때문에 분무압력은 0.6 MPa이었을 것 으로 추정된다.

드론으로 살포한 농약입자가 식물체 표면별 낙하비율을 조 사한 결과(Table 4), 윗면이 80.5%로 가장 많았고 수직면과 뒷 면이 각각 14.8%와 4.7%였다. 즉 농약살포용 드론은 농약 입자 의 중력과 드론의 프로펠러가 만들어내는 하향풍 그리고 자연 풍에 의하여 식물체 위에서 아래로 내려오는 원리이기 때문에 당연한 결과이지만 배추, 콩과 같은 광엽작물일 경우 잎 뒷면에 서식하는 해충류에는 직접 도달하는 비율이 낮기 때문에 방제 효율이 저하하는 결과를 초래할 우려가 있다. 따라서 광엽작물 일 경우 잎 뒷면에 약제가 많이 부착되게 하기 위하여 하향풍이 많이 발생하는 4 m 이내의 높이에서 살포하는 것이 효율적일 것으로 판단된다. 살포높이별 단위면적당 평균 낙하입자수는 3, 4, 5 m 가 각각 53, 40, 39개/cm²로 높이별로는 많은 차이는 보이지 않았다. 그러나 비행속도 3, 4 m/sec에서 단위면적당 평 균 낙하입자수는 62, 25개/cm²로 비행속도에 따라 많은 차이를 보였다. Jee et al. (2016)은 무인헬리콥터에 의한 항공 방제시 이상적인 방법으로 비행고도 3 m와 속도 15 km/h를 유지하는 것이 중요하지만 사용자의 조종습관 및 방법, 바람의 변화 같은 환경적 요인이 작용하여 대단히 어렵기 때문에 균일살포 가능 한 항공방제용 스마트 살포 제어 시스템을 제안하였는데, 속도 는 7.2~17.6 km/h까지, 살포높이는 2.32~3.47 m까지 변화를 주며 비행하면 균일한 입자개수가 분포하며 7.5 m의 유효살포 영역을 형성한다고 보고하였다.

드론 이용 배추 주요해충 방제기준 설정

각각의 해충에 대한 완전치사농도와 살포량을 설정하는데 있어서 희석배수가 높으며 적은 약량으로 해충을 죽일 수 있는 농도를 실내시험을 수행하여 산출하였다.

배추좀나방 약충에 대한 약제별 완전치사농도와 살포량은 (Table 5), 비스트리플루론 ․ 플루벤디아마이드액상수화제는 10배, 2 μl, 메톡시페노자이드 ․ 설폭사플로르액상수화제는 15 배, 1 μl, 클로르페나피르액상수화제는 20배, 0.5 μl, 그리고 비 스트리플루론 ․ 클로르페나피르액상수화제는 25배, 0.5 μl로 클로르페나피르액상수화제와 비스트리플루론 ․ 클로르페나피 르액상수화제가 비교적 높은 희석배수와 적은 약량으로 배추 좀나방 방제효과가 높게 나타났다.

파밤나방은(Table 6) 비스트리플루론 ․ 플루벤디아마이드액 상수화제는 5배 희석액을 2 μl 처리하여도 살충율이 70%로 낮 았으며, 메톡시페노자이드 ․ 설폭사플로르액상수화제도 살충 율이 60% 이하로 낮았다. 클로르페나피르액상수화제와 비스 트리플루론 ․ 클로르페나피르액상수화제는 파밤나방 완전치사 농도와 살포량이 20배와 1 μl이었다.

담배거세미나방에 대하여는(Table 7) 비스트리플루론 ․ 플 루벤디아마이드액상수화제와 메톡시페노자이드 ․ 설폭사플로 르액상수화제가 희석배수와 살포량의 모든 시험처리에서 비교 적 낮은 살충률을 보였다. 클로르페나피르액상수화제의 완전 치사농도와 살포량은 20배와 1 μl이었고, 비스트리플루론 ․ 클 로르페나피르액상수화제는 20배와 0.5 μl로 가장 좋은 결과를 보였다.

상술한 네 가지 약제의 처리농도별 배추에 대한 약해를 조사 한 결과(Table 8, Fig. 2), 비스트리플루론 ․ 플루벤디아마이드 액상수화제와 클로르페나피르액상수화제는 10배 이상의 고농 도 처리에서 배추 잎이 하얗게 변하는 약해를 보였으며, 메톡시 페노자이드 ․ 설폭사플로르액상수화제는 5배 처리에서 약간의 약해증상을 보였지만 비스트리플루론 ․ 클로르페나피르액상수 화제는 5배의 고농도 처리에서도 약해가 없었다. 그러나 약해 시험을 할 때 약이 배추 잎에서 흐를 정도의 충분한 양을 처리 하였는데, 실제로 드론을 이용한 농약살포 현장에서는 이처럼 많은 양을 살포하지는 않기 때문에 약해 발생정도는 이보다 적 을 것으로 예상된다. 현재까지 항공방제용 약제는 대부분이 벼 에 사용할 수 있도록 등록되었고 2~3가지의 약제 혼용가능 조 합 선발(Jin et al., 2008)도 마찬가지이다. 그러나 밭작물에 대 하여도 항공방제용 농약 등록이 활성화되고 여러 가지 약제 혼 용에 따른 약해시험도 추가로 이루어져야 할 것이다.

Kang et al. (2010)은 무인 헬리콥터를 이용한 항공방제시 피 복 면적비가 10% 이상을 유효살포로 판단하였는데, 3 m 높이 에서 살포할 때 좌우 살포거리 2.4 m 이내에서의 피복면적비는 약 15~25% 이상으로 나타났고, 2.4~3.5 m에서는 10~15%로 나타나 유효 살포폭은 7 m 내외라고 하였는데, 이는 병해충 방 제효과 보다는 균일한 살포에 중점을 두고 설정한 것이라 판단 된다. 하지만 본 시험에서 방제효과에 중점을 둔 드론 이용 배추 주요해충 방제방법으로 항공방제용 약제인 클로르페나피르액 상수화제나 비스트리플루론 ․ 크로르페나피르액상수화제를 20 배액으로 희석하여 3 m 높이에서 3 m/sec의 진행속도로 살포 하면 농약 낙하 입자수가 72개/cm²로 배추좀나방을 비롯한 파 밤나방과 담배거세미나방 방제에 효과적일 것으로 판단된다. 단, 각각의 해충에 대한 치사농도와 치사량 시험이 실험실에서 이루어졌기 때문에 실제 배추 재배현장에서 좋은 방제효과가 나타나는지에 대한 확인은 추가시험이 이루어져야 할 것이다.