Introduction
Materials and Methods
필드별 토양 샘플링 및 애터버그 한계 시험
부착력 측정용 토양 시료 준비
토양 부착력 계측 장비 구축
토양 부착력 계측 실험 설계
Results and Discussion
필드별 토성 분석 및 애터버그 실험 결과
용기 사이즈 및 토양 관입 속도에 따른 부착력 분석 결과
토성 및 함수 조건별 부착력 계측 결과
PL, LL, PI가 부착력 변화에 미치는 영향 분석
고찰
Conclusions
Introduction
토양 부착력(adhesive force)은 토양이 타 재질 표면과 접촉할 때 계면에 작용하는 물리적 인장력(tensile force)으로, 토양과 재료 간의 물리적·화학적 상호작용에 의해 발생한다. 이는 단순히 달라붙는 현상을 의미하는 것이 아니라, 계면 저항을 계측 가능한 힘의 형태로 정량화한 것이다. 이러한 부착력은 일반적인 마찰력(friction force)과 구별되며, 수분 함량, 재료 표면 특성, 접촉면 상태 등 다양한 요인의 영향을 받는다(Li et al., 2022; Marani et al., 2024). 특히 농업기계 작동 중 토양과 기계 표면 사이에서 발생하는 부착력은, 작업 효율성과 연료 소비, 부품 마모 등 기계 성능 전반에 중대한 영향을 미친다(Ren et al., 1998). 이러한 부착 특성은 농업기계의 날 및 부품 설계에 있어 전통적으로 고려되어온 주요 요인 중 하나이다(Jia, 2006; Mckyes, 1985). 실제 농업 현장에서 경운 작업 시 토양 마찰 및 부착력을 극복하기 위해 에너지 소비의 약 30~50%가 필요하며, 기계 마모가 주요 문제로 지적되고 있다(Ren et al., 1990; Li et al., 2024).
그러나 현재까지의 연구는 대부분 마찰력 또는 경운 저항과 같은 간접 지표에 집중되어 있으며, 다양한 토성·재료·함수 조건을 복합적으로 고려한 정량적 부착력 분석 자료 및 평가 방법은 부족한 실정이다(Sass and Burbaum, 2009). 특히 실험실 조건에서 계면 거동을 정량화한 사례는 제한적이며, 기계 설계에 반영할 수 있는 구체적 지침으로 연결되기에는 한계가 존재한다.
토양의 부착력은 토양 입도 구조, 수분함량, 재료의 표면 거칠기 및 에너지 등 다양한 요인이 복합적으로 작용해 형성되며, 그 중 수분 함량이 부착력에 큰 영향을 미친다(Jia, 2004; Yerro et al., 2023). 토양에 수분이 증가할수록 토양 입자 간 물리적 결합력이 약화되고 수막이 형성되며, 이로 인해 계면의 접착 특성이 변화한다. 이러한 함수비-부착력 관계는 다양한 토성 및 재료 조건에서도 유사한 경향을 보인다 (Abbaspour-Gilandeh et al., 2018). 그러나 일정 수분 이상에서는 수막이 과도하게 두꺼워져 마찰계수가 오히려 감소하고, 윤활 작용으로 인해 부착력이 저하되는 구간도 관찰된다(Manuwa, 2012; Khan et al., 2010).
이러한 물성 변화의 핵심은 토양의 함수 조건이 고체-반고체-유동성으로 전이되는 지점이며, 애터버그 한계(Atterberg limits)로 정의되는 소성 한계(Plastic limit, PL), 액성 한계(Liquid limit, LL) 및 소성 지수(Plastic Index, PI)는 토양의 물리적 상태 변화를 수치적으로 설명하는 지표로 널리 사용된다 (Gilson Company, n.d.). 또한, 토양의 부착력은 재질의 특성에 따라 다르게 반응하며, 표면 거칠기가 높은 재질은 더 큰 부착력을 형성하는 경향을 보인다(Kadhim and Alyounis, 2024). 특히 우레탄(Urethane)과 같이 마찰계수와 변형성이 상대적으로 높은 재질은 부착력이 강화되는 반면, 스테인리스(Stainless)와 같은 경질 재료는 상대적으로 낮은 부착력을 보이는 경향이 있다. 이는 농업기계 부품 설계 시 단순한 강도나 비용뿐만 아니라, 토성 및 함수 조건에 따른 계면 거동까지 함께 고려해야 함을 의미한다.
본 연구는 세 가지 토성(사질 양토, 사질 식양토, 양토)과 세 가지 기계 재질(스테인리스, 엔지니어링 플라스틱, 우레탄)을 대상으로, 함수비 5%부터 30%까지의 조건에서 토양-재료 간 부착력을 계측하였다. 특히 애터버그 한계와의 상관성을 분석하고, 재료 및 함수 조건별 부착력 민감도를 평가함으로써, 실제 농작업 조건에서의 재료 선택 전략 수립에 필요한 기준을 제시하고자 한다.
Materials and Methods
필드별 토양 샘플링 및 애터버그 한계 시험
토성은 토양의 입자 구성 비율에 따라 달라지기 때문에 입자 분류에 따른 토양 물성을 파악하는 과정이 필요하다. 다양한 토성에 따른 분석을 위해 총 세 곳의 필드를 선정하였으며 Fig. 1과 같이 0~10 cm의 구간에서 흙을 채취하였다. 건조한 토양은 고체상태이며, 고체 상태의 토양에 물을 가하면 토양은 수분을 흡수해 반고체상태가 되고, 다시 더 많은 수분을 가하면 액체상태로 변한다. 이러한 토양의 물리적 상태에 따른 부착력에 미치는 영향을 분석하기 위해 함수비에 따라 토양이 고체상태에서 액체상태로 변할 때 각 상태의 변환점에서 건량을 기준으로 한 토양 함수비를 측정하는 애터버그 한계(Atterberg limit) 시험을 진행해 각 토양의 상태 전이점인 소성 한계 및 액성 한계와 그 차이인 소성 지수를 도출하였다.
부착력 측정용 토양 시료 준비
그림과 같이 부착력 측정에 필요한 토양 시료를 준비하기 위해 Fig. 2와 같이 세 가지 필드의 토양을 110°C로 설정된 오븐에 넣고 24시간 건조하였다. 그 다음 건조된 토양을 파쇄한 다음 직경 2 mm의 체에 한 번 거른 뒤 KS F 2303에 규정된 애터버그 한계(Atternerg limit) 시험 조건에 따라 0.425 mm의 체로 걸렀다. 걸러진 토양의 무게에 5% 부터 30%까지 총 6조건에 해당하는 물 무게를 추가해 스크레이퍼를 이용해 수분이 고르게 퍼지도록 휘저은 뒤, 잘 저은 토양을 아크릴 통에 40 mm 높이로 담아 탬퍼로 압밀 과정을 거쳤다. 그 다음 젖은 수건으로 아크릴 용기를 덮어 1시간을 대기하여 토양 시료를 준비했다.
토양 부착력 계측 장비 구축
토양-재료 간 계면 거동을 정량적으로 분석하기 위해, Fig. 3과 같이 기존 문헌에서 제안된 토양-재료 계면의 마찰력 및 부착력 시험 장비 구성을 참고하였다(Qiu and Zhang). 특히, 단일 접촉면과 일정 침투 깊이를 통한 인장력 계측 방식은 실제 굴착기나 트랙터의 작동 조건과 유사한 응력 상태를 재현할 수 있어 유효한 방법으로 평가된다(Fang et al., 2024). 선행 연구들에서는 일반적으로 콘 팁 또는 원형 판을 이용해 삽입-인장 실험을 수행함으로써 시험의 재현성을 확보하고자 하였으며, 본 연구 역시 Qiu의 계측 개념을 참조하여 실험 설계를 수행하였다. 이와 유사한 관입 기반 부착력 계측법은 여러 연구에서 구조적 신뢰성을 입증받은 방식이다(Godwin and Spoor, 1977). 부착력 측정 방식은 토양 시료에 콘을 관입한 뒤, 다시 끌어올릴 때 분리 과정에서 발생하는 최대 장력을 기록해 콘의 단위면적으로 나누어 압력을 측정하는 과정으로 구성하였다. 이 시스템에는 로드 셀(Sba 50L, CAS, Yangju, Korea), 인디케이터(CI-600A, CAS), 그리고 데이터 획득 프로그램(GP WORKS, CAS)이 포함되며, DAQ 시스템 사양과 시편 재료는 Table 1과 Table 2와 같다.
Table 1.
Specifications of data acquisition system for measuring adhesive force.
| Item | Specification | |
| Indicator | CI-600A | |
| Data acquisition program | GP WORKS | |
| Load cell | Capacity | 50 kgf |
| Resolution | 10 g | |
| Allowable overload | 75 kgf | |
Table 2.
Sural materials.
| Test cone | Steel | Plastic | Urethane |
| Structural materials | Stainless | Polyamide | Hardness 85 |
| Generatrix | 35 mm | ||
| Top angle | 54.4° | ||
| Cylinder diameter | 32 mm | ||
| Cylinder height | 30 mm | ||
| Cone area | 1.649·10-3 m2 | ||
토양 부착력 계측 실험 설계
부착력 계측을 위해 스테인리스, 엔지니어링 플라스틱, 우레탄으로 제작된 콘이 준비된 40 mm의 토양 시료와 접촉 계면을 형성하도록 30 mm만큼 수직으로 관입시킨 후, 계면 분리를 위해 5 mm/min의 속도로 끌어올렸다. 인장력은 시간에 따라 기록되었으며, 실험 절차는 Fig. 4와 같이 다음의 5단계로 정리된다.
Results and Discussion
필드별 토성 분석 및 애터버그 실험 결과
각 필드에서 채취한 토양의 입도 분석 결과에 따른 토성 분석 결과, Table 3과 같이 Field A의 토성은 사질 양토(Sandy loam), Field B와 Field C의 토성은 각각 사질 식양토(Sandy clay loam), 양토(Loam)로 분류되었다. 애터버그 실험을 통한 토양 전이점측정 결과, Field A는 소성 한계 9.28%, 액성 한계 25.72%, 소성 지수 16.44%, Field B는 소성 한계 15.28%, 액성 한계 27.72%, 소성 지수 12.44%, Field C는 소성 한계 16.49%, 액성 한계 27.79%, 소성 지수 11.30%로 나타났다. 이 결과는 토양이 수분함량에 따라 고체-반고체-액체 상태로 전이될 때의 함수비 범위를 정량화해 주며, 해당 구간에서 부착력 변화가 나타날 수 있음을 나타낸다. 특히, 소성 지수값은 토양의 변형 가능성과 부착력 변화 구간을 반영하는 지표로 기능한다.
Table 3.
The result of soil texture analysis bt field and Atterberg limit test.
용기 사이즈 및 토양 관입 속도에 따른 부착력 분석 결과
부착력 계측 실험에 앞서, 용기 크기와 관입 속도가 부착력 측정값에 미치는 영향을 분석하기 위해 두 가지 사전 실험을 수행하였다. 첫 번째 실험에서는 함수비 15%의 Field B 토양을 지름 50 mm, 78 mm, 88 mm, 110 mm, 140 mm, 174 mm의 여섯 가지 용기에 담아, 각각의 조건에서 스테인리스 테스트 콘을 이용해 10회씩 반복 측정하였다. 그 결과, 부착력은 Table 4와 Fig. 5에서와 같이 50 mm에서 78 mm 사이 구간에서 11.4% 감소, 78 mm에서 88 mm 사이 구간에서 10.68% 감소한 반면, 88 mm 이상부터는 부착력의 변화폭이 최대 0.97%로 미미하였다. 이에 따라 반복 실험의 신뢰성과 추후 시뮬레이션 연구로의 편의성을 고려하여, 본 실험에서는 지름 88 mm의 용기를 표준으로 사용하였다.
Table 4.
Measurement of adhesive force according to container size.
| Soil container size (mm) | Average of adhesive force (kPa) |
| 50 | 1.511 ± 0.071 |
| 78 | 1.356 ± 0.052 |
| 88 | 1.226 ± 0.061 |
| 110 | 1.231 ± 0.084 |
| 140 | 1.237 ± 0.036 |
| 174 | 1.232 ± 0.103 |
두 번째 토양 관입 속도에 따른 실험에서는 함수비 20%의 동일한 토양을 대상으로, 5~50 mm/min 속도구간에 대하여 관입속도를 5mm/min 씩 증가하여 총 10단계로 테스트 콘을 관입 하였다. 각 단계당 10회씩 반복실험 결과에 대해 평균을 내었다. 실험 결과, Table 5와 Fig. 6에서와 같이 관입 속도에 따른 부착력의 변화는 전체적으로 2.08% 수준의 표준편차를 보였으며, 이에 따라 실험 반복의 효율성을 높이기 위해 이후의 부착력 측정 실험에서는 관입 속도를 50 mm/min으로 고정하여 진행하였다.
Table 5.
Measurement of adhesive force according to penetration speed of test cone.
토성 및 함수 조건별 부착력 계측 결과
세 가지 토성(사질 양토, 사질 식양토, 양토)과 세 가지 재질(스테인리스, 엔지니어링 플라스틱, 우레탄)을 대상으로 함수비 5%부터 30%까지의 조건에서 부착력을 측정한 결과, Fig. 7과 Table 6과 같이 5% 및 30% 함수비 조건에서는 시험 콘이 토양에서 분리될 때 인장력이 발생하지 않아 부착력이 0으로 측정되었다. 한편, Field B(사질 식양토)와 Field C(양토)에서는 함수비 5%에서 25% 사이 구간에서 함수비가 증가할수록 부착력도 증가하였다. Field A(사질 양토) 역시 5%에서 20%까지는 유사한 증가 경향을 보였으나, 이후 25%에서는 오히려 부착력이 감소하는 양상이 나타났다. 이러한 경향은 함수비가 소성 한계를 초과하고 액성 한계에 근접함에 따라 계면에 수막이 형성되고 정적 부착력이 강화되기 때문으로 해석된다. 그러나 일정 수준을 초과하면 과도한 수분으로 인해 입자 간 결합력이 약화되고, 물이 윤활제 역할을 하여 부착력이 다시 감소하거나 정체되는 현상이 발생한다. 재료별 최대 부착력 비교에서는 전 토양에서 공통적으로 우레탄이 가장 높은 부착력을 보였으며, 그 다음은 엔지니어링 플라스틱, 스테인리스 순으로 나타났다. 예를 들어, Field C에서 함수비 25% 기준 우레탄은 2.249 kPa, 엔지니어링 플라스틱은 1.511 kPa, 스테인리스는 1.345 kPa의 부착력을 기록하였다. 이는 우레탄 재질의 표면 거칠기와 구조적 특성이 토양 입자와의 밀착성을 강화시켰을 것으로 판단된다. 토성에 따른 차이도 뚜렷하게 나타났는데, Field A는 세 재료 모두 함수비 20%에서 최대 부착력을 기록한 뒤 25%에서 소폭 감소하는 양상을 보였으나 Field B와 Field C와 같은 경우 세 재료 모두 함수비 25%에서 가장 높은 부착력을 보였다.
Table 6.
Result of soil – material adhesive force (kPa) data by water content.
PL, LL, PI가 부착력 변화에 미치는 영향 분석
함수비 5~30% 범위 내에서 측정된 부착력은, 세 토양 모두에서 소성 한계를 초과하고 액성한계에 근접하는 구간에서 증가하였다. 이는 수분 증가에 따라 계면에 형성되는 수막이 두꺼워지며 정적 부착력이 강화되기 때문이다. Field B의 경우, 소성 한계인 15.28%를 넘어 25% 함수비에서 우레탄 기준 최대 2.766 kPa의 부착력이 기록되었다. 이는 소성 한계 이하의 함수비인 15%에서의 0.845 kPa 대비 약 3.3배 증가한 수치이다. 이는 함수 조건이 토양 물성에 미치는 영향을 잘 보여주는 사례이다. 또한, 각 토양의 소성 지수는 함수비 변화에 대한 민감도를 반영하는 지표로 작용하였다. 소성 지수는 액성 한계와 소성한꼐의 차이로 정의되며, 토양의 변형 가능성과 수분 유지 특성을 나타낸다. 본 실험에서는 소성 지수가 16.44로 상대적으로 높은 Field A가 전체적으로 함수비 변화에 더 선형적인 부착력 증가 양상을 보였으며, 이는 기계 접촉면에서 예측 가능한 거동 특성을 가진다는 점에서 유의미하다. 반면, 소성 지수가 11.3으로 상대적으로 낮은 Field C는 함수비가 증가함에 따라 부착력도 증가했다가 일정 수준 이후 포화 상태에 도달하면서 증가폭이 둔화되는 비선형 반응을 보였다. 추가적으로, 동일 함수 조건에서 재질 간 부착력 차이를 분석한 결과, 스테인리스 재질은 다른 재질에 비해 부착력이 유의하게 낮았다. Field A 함수비 20%에서 스테인리스는 엔지니어링 플라스틱 대비 약 22%, 우레탄 대비 52% 낮은 부착력을 나타냈다. Field B 함수비 25%에서는 각각 35%, 55%, Field C 함수비 25%에서는 11%, 40% 낮았다. 이는 소성 지수가 높은 Field A의 경우에도 재질에 따라 부착력 민감도가 구분되며, 재료의 물리적 특성이 계면 접촉력에 큰 영향을 준다는 점을 의미한다. 따라서 소성 지수와 같은 토양 특성과 함께 재질 간 상대 부착력 차이를 함께 고려하는 것이 필요하다.
고찰
본 연구에서 사용한 부착력 계산 방식은 선행연구들에서 채택한 방식에 따라, 시험 콘의 초기 접촉면적 기준 인장하중을 압력 단위로 환산하는 형태로 진행되었다. 이는 콘이 토양과 접촉하는 실험 전 과정에서 실제 접촉면의 동적 면적 변화를 계측하기 어렵기 때문에, 부착력의 등가 압력을 계산하는 방식이다. 이에 따라 부착력의 분포에 대한 정밀 분석이 제한된다는 한계가 있다. 이러한 구조적 변화를 정량적으로 반영하기 위해서는 향후 이산요소법 (DEM) 기반의 수치 시뮬레이션을 통해 콘과 토양 입자 간 접촉 물성을 분석해 부착력 계측 방식을 보완할 필요가 있을 것으로 판단했다. 또한, 본 연구는 반복 실험을 통해 하중 피크값 기반의 부착력을 계측하고, 이를 토성·함수비·재료 간의 상대 민감도 분석에 활용하였다. 이로 인해 일부 조건에서는 부착력(adhesion)보다 내부 점착력(cohesion)의 영향이 상대적으로 크게 작용했을 가능성도 존재하며, 이러한 점은 완전한 분리 해석이 어려운 구조적 특성에 기인한다. 그러나 각 토양 조건 내에서 동일한 함수비 조건에서도 재료 간 부착력 차이가 반복적으로 유의미하게 나타났으며(예: Field C, 25% 함수비에서 우레탄 2.249 kPa, 스테인리스 1.344 kPa), 이는 재질의 표면 특성에 따른 부착력 민감도의 반영으로 해석된다. 향후에는 이러한 조건에서의 실험을 반복해 재료 간 상대 부착력 외에 cohesion-adhesion 요소를 정량적으로 분리하는 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Conclusions
본 연구는 농작업 환경에서 마주하게 되는 세 가지 토성(사질 양토, 사질 식양토, 양토)을 기반으로, 5%부터 30%까지 여섯 조건의 함수비에서 서로 다른 재료(스테인리스, 엔지니어링 플라스틱, 우레탄)가 토양과 접촉할 때의 부착력(Adhesive force)에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 실험 결과, 함수비가 증가할수록 토양의 부착력도 전반적으로 증가하는 경향을 보였으며, 특히 Field B와 Field C는 함수비 25% 조건에서 최대 부착력을 기록하였다. 이는 애터버그 한계 중 액성 한계에 가까운 수분 조건에서 계면 수막 형성이 극대화되었기 때문으로 해석된다.
재료별 비교 결과, 세 토양 모두에서 우레탄 재질이 가장 높은 부착력을 보였다. 이는 우레탄이 높은 마찰계수와 재질 변형성으로 인해 토양 입자와의 접촉 면적이 넓고, 계면에서의 밀착력이 강화되었기 때문으로 판단된다. 반면, 엔지니어링 플라스틱과 스테인리스는 상대적으로 낮은 부착력을 보였으며, 특히 스테인리스는 저부착성이 요구되는 환경에서 유리한 재질로 평가된다. 실제 수치 비교에서도, Field A 함수비 20% 기준 스테인리스는 엔지니어링 플라스틱 대비 22%, 우레탄 대비 52% 낮은 부착력을 보였으며, Field B와 Field C에서도 유사한 경향이 확인되었다. 이는 부착 저감 전략이 필요한 작업 조건에서 스테인리스와 같은 경질 재료가 효과적일 수 있음을 뒷받침한다.
애터버그 한계 실험을 통해 확인된 소성한계, 액성한계 및 소성 지수는 토양의 부착력 변화 해석에 중요한 기준으로 작용하였다. 소성 한계와 액성 한계 사이 함수비 구간에서 부착력이 급격히 증가하였으며, 소성 지수가 높은 Field A는 함수비 변화에 따른 부착력 반응이 보다 선형적이고 안정적인 증가 양상을 보였다. 반면, 소성 지수가 낮은 Field C는 함수비 증가에 따라 급격히 부착력이 상승했다가 일정 수준 이후 포화 상태에서 변화가 둔화되는 비선형 반응을 보였다.
이러한 결과는 실제 농작업 현장에서 예상되는 토성 및 함수 조건에 따른 재질 선택 전략 수립에 실질적인 기준을 제공할 수 있다. 예를 들어, 함수비가 20~25%로 높고 점토 함량이 많은 사질 식양토 조건에서는 부착력이 가장 크게 증가하므로, 해당 조건에서는 스테인리스와 같은 저부착성 재질의 사용이나 표면 코팅 기술의 적용이 요구된다. 반면, 사질 양토와 같이 모래 함량이 높은 토양은 부착력 자체는 낮지만, 소성 지수가 높아 함수비 변화에 민감하므로, 작업 전 수분 측정과 조건 기반 재질 선택이 중요하다. 또한 함수비가 10% 이하인 조건에서는 전반적으로 부착력이 낮아, 이 구간에서의 작업은 기계 효율 저하 우려가 적다.
따라서 기계 설계 및 운용에서는 단순한 재질 특성만이 아니라, 예상 작업지의 토성 특성과 함수 조건을 복합적으로 고려하여 부착력 저감 전략(재질 선택, 표면 처리, 작업 시기 조정 등)을 수립해야 한다. 이는 농업기계의 작동 효율 향상과 부착물 제거 비용 절감, 기계 부품의 수명 연장에 기여할 수 있다.
향후 연구에서는 보다 다양한 토성 및 유기물 함량을 포함한 토양 시료를 바탕으로, 실제 경운 및 수확기 작업 조건에서의 부착력을 현장 기반으로 검증하는 실험이 필요하다. 또한 반복적인 습윤-건조 조건이나 온도 변화 등 실외 환경 요인이 부착력에 미치는 영향을 종합적으로 분석하고, 나노 코팅, 바이오닉 표면 기술 등 부착 저감 기술의 적용 가능성도 병행하여 평가할 필요가 있다. 이를 통해 토양 부착 저감 기술의 실용성과 내구성을 더욱 강화할 수 있을 것으로 판단된다.
아울러, 본 연구에서는 계면 접촉 시 콘의 초기 면적을 기준으로 부착력을 압력 단위로 환산하였으나, 실험 중 실제 접촉 면적 변화가 존재할 수 있음을 인지하고 있다. 이에 따라 향후에는 DEM(Discrete Element Method) 기반의 시뮬레이션 분석을 통해 콘 상승 시 토양-재료 간 동적 접촉면 변화를 정량화하고, 부착력 산정 방식의 정밀도를 향상시키는 연구가 요구된다.
또한 본 실험은 최대 인장하중 기반의 정적 비교를 통해 상대적 부착력 경향을 분석하였으며, adhesion과 cohesion의 영향이 완전히 분리되지 않았다는 한계를 가진다. 따라서 부착력 발생 메커니즘을 보다 명확히 구분하기 위해서는 시간-하중 곡선 분석을 통한 계면 파괴 시점 추적, 그리고 재료 간 유사 응답 조건에서의 반복 실험 기반 해석이 후속 연구로 필요하다. 이를 통해 토양 부착력 계측의 구조적 신뢰성과 적용성, 그리고 농업기계 재료 선택에 대한 설계 지침의 정밀도를 함께 높일 수 있을 것으로 기대된다.
