Introduction
Materials and Methods
마늘 모델링을 위한 DEM 입력 정보 및 실험 개요
실험 재료 및 시편
정마찰계수 측정 방법
반발계수 측정 방법
데이터 분석
Results and Discussion
정마찰계수 측정 결과
반발계수 측정 결과
Conclusion
Introduction
한국 농업은 농업 인구의 급격한 감소와 고령화로 인해 심각한 노동력 부족 문제를 겪고 있다. 통계청에 자료에 따르면, 총 농업인구는 2000년 기준 4,031,065명에서 2024년 기준 2,003,520명으로 감소해 50.3%의 감소율을 보였다. 반면에, 같은 기간 동안 65세 이상 고령 인구의 비율은 876,009명에서 1,117,944명으로 약 27.6%의 증가하여, 전체 농업 인구의 절반 이상을 차지하는 수준에 이르렀다(KOSIS, 2000a; 2024). 또한, 농업 노동 임금 역시 남성 기준 2000년 48,040원에서 2025년 153,176원으로 약 218.8% 증가하였다(KOSIS, 2000b; 2025). 이는 농업 노동력의 감소와 고령화로 인한 인건비 상승을 반영하는 결과로, 노동력 확보의 어려움이 점차 심화되고 있음을 보여준다. 이러한 인구 구조의 변화는 농업 현장의 노동력 확보를 더욱 어렵게 만들며, 기계화와 자동화 기술 도입의 필요성을 가속화하고 있다(Min et al., 2025). 이러한 문제를 해결하고자 국가에서는 다양한 R&D를 통해 밭작물 재배의 기계화를 추진하였지만(NAS, 2018; 2021a; 2021b), 여전히 마늘의 평균 기계화율은 2023년 기준 66.1% 수준으로 99.3% 수준인 논농업에 비해 저조한 실정이며, 특히 마늘의 수확 작업은 59.7%로 낮은 수준이다(KOSIS, 2023a; 2023b).
마늘 수확기의 낮은 보급률은 수확기 작업으로 인해 발생하는 작물 손상률(damage rate)이 높기 때문인 것으로 판단된다. 손상된 작물은 상품성이 저하되어 경제적 손실로 이어지며, 이는 수확기 보급을 저해하는 요인으로 작용하고 있다. 특히, 국내 마늘의 농가당 평균 재배 면적은 0.124 ha로 영세한 농가가 많으며(MAFRA, 2024), 이와 같은 소규모 재배 구조에서는 손상으로 인한 경제적 영향이 더욱 극대화되어 수확기 보급을 저해하는 요인이 되고 있다. 또한, 작물 손상 원인을 정량적으로 규명할 수 있는 기술적 접근이 부족한 것이 수확기 개선을 어렵게 하는 원인으로 지적되고 있다. 실제로 수확기 내부에서 마늘에 작용하는 충격(impact)이나 접촉(contact)은 마늘 구근에 센서를 부착하여 직접 측정하기 어렵기 때문에 정밀한 데이터 확보가 제한적이다(Baghooee et al., 2023). 또한, 시간에 따라 물성이 빠르게 변화하는 농작물 특성상 다양한 조건에서 반복 실험을 수행하는데 어려움이 있다. 따라서, 다음과 같은 한계를 극복하기 위해서 이산요소법(discrete element method, DEM)과 같은 시뮬레이션 기반 접근이 요구된다(Hou et al., 2025).
이산요소법은 다수의 개별 입자 간의 충돌, 마찰, 점착 등의 상호작용을 수치적으로 해석하는 기법으로, 입자성 재료의 거동을 시뮬레이션 할 수 있다(Kim et al., 2024). 최근 농업 분야에서도 DEM은 곡물, 대두, 감자 등 다양한 작물의 충격 거동, 손상 매커니즘, 그리고 장비 내 유동 해석 등에 적용되고 있다. 이러한 배경 속에서 선행연구들은 다양한 작물을 대상으로 물리적 특성 및 상호작용 특성을 측정하고 DEM 모델 개발을 수행하고 있다. Ghodki 등(2019)은 대두를 대상으로 기하학적 특성(평균 입경, 구형도)와 물리적 특성(밀도, 탄성계수 등), 상호작용 특성(정마찰계수)을 측정하여 대두의 DEM 모델 개발을 수행하였다. 또한, Chen 등(2024)은 감자와 수확기의 DEM-MBD 모델을 개발하고, 감자와 토양의 분리 효율을 분석후 최적 설계 파라미터를 도출하였다. 이처럼 다양한 작물에서 실험적 물성을 측정하고, DEM 모델 구축 및 검증을 수행하여 최종적으로 최적 설계 도출의 단계적 연구가 수행되고 있다. 하지만, 마늘의 경우 DEM 모델 개발을 위한 기초 물리적, 상호작용 특성 데이터가 부족하여 모델의 개발 및 검증이 제한되고 있다.
기존 마늘의 이산요소법 모델링 연구를 살펴보면, Han 등(2022)은 난지형 마늘의 벌크 시료에 대한 압축 및 전단 실험을 통해 영률 및 정·구름 마찰계수를 도출하였다. Park 등(2021)은 마늘쪽(cloves) 더미를 대상으로 안식각과 잔류입자수를 활용해 마찰계수를 도출하였다. 위 선행연구는 모두 마늘쪽 혹은 벌크 조건에서 수행되어 통마늘의 접촉 특성을 직접적으로 반영하지 못한다는 한계가 있다. 마늘 수확기의 실제 작업 환경에서는 통마늘의 형태로 작업이 수행되어 이를 재현하기 위해서는 통마늘 단위의 가하학적, 상호작용 특성에 대한 측정이 필요하다.
따라서, 본 연구의 목적은 통마늘을 대상으로 DEM 모델링을 위한 기하학적, 물리적, 상호작용 특성을 실험적으로 계측하고, 이를 DEM 모델의 입력 파라미터로 활용하기 위한 기초 데이터를 제공하는 것을 목표로 한다. 본 연구의 세부 목표는 다음과 같다. (1) DEM 모델링에 필요한 입력 파라미터를 도출하기 위해 측정 대상 변수를 선정하고 각 변수에 대한 적정 실험 방법을 확립하며, (2) 마늘의 크기별 기하학적 특성과 주요 접촉 재료에 대한 정마찰계수 및 반발계수를 실험적으로 계측하고, (3) 마늘의 크기 및 접촉 재료에 따른 계측 결과의 경향을 분석하여 측정된 파라미터를 DEM 모델 입력값으로 활용하고 향후 마늘 DEM 모델링의 기초 자료로 제공하는 것을 목표로 한다.
Materials and Methods
마늘 모델링을 위한 DEM 입력 정보 및 실험 개요
본 연구에서는 마늘의 물리적 특성을 기반으로 이산요소법(DEM) 모델을 구축하기 위해 필요한 입력 파라미터를 실험적으로 도출하였다. DEM 모델링에 활용되는 주요 파라미터는 두 가지 범주로 구분된다. 첫째는 측정형 파라미터(measured parameters)로 마늘의 기하학적 특성(폭, 높이, 질량 등)과 재료의 기본 물성(수분 함량)을 직접 계측하여 얻는다. 둘째는 도출형 파라미터(derived parameters)로 마늘과 주변 재료 간의 상호작용을 반영하는 정마찰계수(coefficient of static friction), 동마찰계수(coefficient of rolling friction), 반발계수(coefficient of restitution)와 같은 접촉 특성 계수이다. 본 연구에서는 DEM 모델링에 필요한 입력값 중 특히 접촉 특성에 관련된 도출형 파라미터를 중심으로 실험을 수행하였다. 이를 위해 마늘의 크기와 시편의 재료별로 정마찰계수 및 반발계수를 측정하여 가상공학 기반 모델링에 필요한 핵심 입력값을 확보하였다. Table 1은 마늘 모델링을 위해 DEM에 입력해야하는 파라미터를 나타낸다.
Table 1.
Parameters required for DEM modeling of garlic and the target parameters measured in this study.
| Category | Parameter | Measured in this study | Note |
| Geometrical properties | Width | ✓ | - |
| Height | ✓ | - | |
| Weight | ✓ | - | |
| Material properties | Water content | ✓ | - |
| Interaction properties | Coefficient of static friction | ✓ | - |
| Coefficient of rolling friction |
✕ (0.59 - 0.62) |
Literature (Schaper and Yaeger, 1992) | |
| Coefficient of restitution | ✓ | - |
실험 재료 및 시편
본 연구에서 실험에 사용할 재료는 2025년 6월 4일에 대한민국 마늘 주산지인 합천군에 위치한 필드(35°33′44.52″ N, 128°21′28.63″ E)에서 확보하였다. 마늘의 크기 분류는 마늘의 폭 길이를 기준으로 소형(50 mm 미만, S), 중형(50 mm 이상, 55 mm 미만, M), 대형(55 mm 이상, L) 3단계로 분류하였다. 이때, 실험에 사용된 마늘의 기하학적 특징(폭, 높이)은 버니어 캘리퍼스를 사용하여 측정하였으며, 무게는 전자저울을 이용해 측정하였다. Fig. 1은 크기별로 분류한 마늘을 나타낸다. 또한, 각 크기 기준별로 5개의 표본을 대상으로 함수율을 측정하였으며, 그 평균값은 소형 70.9%, 중형 70.8%, 대형 69.8%로 나타났다.
측정 항목의 경우 마늘 크기에 따라 마늘과 Metal, Soil, Rubber 간의 정마찰계수와 마늘과 Metal, Soil, Rubber, Garlic 간의 반발계수를 측정하였으며, 각 재료의 시편은 Fig. 2와 같다. 이때, Metal 시편은 S45C 강재를 선정하였고, Soil 시편은 미사질양토(모래 26%, 실트 50%, 점토 24%)의 흙을 사용하였다. Rubber 시편은 NBR 기반 방진 고무를 선정하여 실험에 적용하였다. 각 시편별 가로, 세로, 무게는 다음과 같다. Metal 시편은 15 cm, 15 cm, 1,100 g, Soil 시편은 12 cm, 15 cm, 409.2 g, Rubber 시편은 10 cm, 10 cm, 160.7 g으로 나타났다.
정마찰계수 측정 방법
정마찰계수는 만능재료시험기(universal testing machine, UTM; LTCM-100-EU, Chatillon, USA)을 활용하여 측정하였다(ASTM International, 1991). 목표 시편 상단에 마늘을 올려놓은 후, 시편을 일정 속도(15 mm·min-1)로 기울여 마늘이 미끌어지기 시작하는 순간의 경사각을 ImageJ (NIH, 2022)로 분석하여 임계각()을 산출하였다. 이후, 측정된 임계각도를 식(1)에 대입하여 정마찰계수()를 계산하였다. 본 실험은 마늘을 수확한 다음날에 수행하였으며, 서로 다른 크기의 마늘에 대해 각 시편별로 15회 수행하였다. Fig. 3은 정마찰계수 실험을 위한 세팅 및 실험 방법을 나타낸다.
where, : coefficient of static friction
: critical angle (°)
반발계수 측정 방법
반발계수의 경우 마늘과 재료(Metal, Soil, Rubber) 그리고 마늘과 마늘에 대한 실험을 각각 수행하였다.
마늘과 재료 간 반발계수는 자유낙하 충돌실험을 통해 측정하였다(Boac et al., 2009). 본 실험은 고속카메라(Max V2, Mega Speed Corporation, USA)로 낙하 후 튀어오르는 순간을 촬영하였으며, 모션 분석(Xcitex, 2023) 프로그램으로 충돌 후 반발 높이(h2)를 측정하였다. 이후, 측정된 충돌 후 반발 높이를 식(2)에 대입하여 반발계수()를 계산하였다. Fig. 4는 자유낙하 충돌실험을 위한 세팅 및 실험 방법을 나타낸다.
where, : coefficient of restitution obtained from a free-fall impact test
: weight of garlic (kg)
: gravitational acceleration (m·s-2)
h1 : initial height (m)
h2 : rebound height (m)
마늘 간 반발계수는 진자운동 충돌실험을 통해 측정하였다(Hlosta et al., 2018). 고속카메라(MS130K, Mega Speed Corporation, USA)로 마늘 간 충돌 시점을 촬영 하였으며, 모션 분석 프로그램으로 충돌 후 반발 각도(, )를 측정하였다. 이후 측정된 충돌 후 반발 각도를 식(3)에 대입하여 반발계수()를 도출하였다. 실험은 서로 다른 크기의 마늘에 대해 각 시편별로 5회 수행하였다. Fig. 5는 반발계수 실험을 위한 세팅 및 실험 방법을 나타낸다.
where, : coefficient of restitution obtained from a pendulum impact test
: initial angle of the impacting garlic bulb
: initial angle of the impacted garlic bulb
: rebound angle of the impacting garlic bulb
: rebound angle of the impacted garlic bulb
데이터 분석
마늘의 크기 분류 기준의 타당성을 평가하기 위하여 각 크기 그룹별 마늘의 폭, 높이 및 무게에 대한 평균과 표준편차를 산출하였다. 또한, 마늘의 크기와 재료가 정마찰계수와 반발계수에 미치는 영향을 분석하기 위해 IBM SPSS Statistics 30 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 사용하여 각 그룹 간 일원분산분석(one-way ANOVA)을 수행하였다. 이때, 그룹 간 유의성은 최소유의차 검정(least significant difference, LSD)을 통해 유의수준 p < 0.05에서 평가하였다. 추가로, 각 재료별로 크기에 따른 정마찰계수, 반발계수에 대하여 선형회귀분석을 수행하여 크기 변화에 따른 경향성을 분석하였다.
Results and Discussion
정마찰계수 측정 결과
마늘의 기하학적 특성 분석 결과
Table 2는 크기 기준별 마늘의 폭, 높이, 무게의 개별 평균과 전체 평균을 나타내며, 정마찰계수 측정에는 각각 평균적으로 소형 마늘 4.39 cm, 3.17 cm, 41.2 g, 중형 마늘 5.20 cm, 3.40 cm, 54.9 g, 대형 마늘 5.76 cm, 3.56 cm, 67.7 g의 물리적 특성을 갖는 마늘을 활용하였다. 이를 통해 마늘이 크기 기준에 따라 적절하게 분류됨을 확인하였으며, 마늘의 폭이 커짐에 따라 높이와 무게도 함께 증가하는 경향을 확인하였다.
Table 2.
Dimensions of garlic samples used in coefficient of static friction measurements.
재료 및 크기 기준에 따른 정마찰계수 측정 결과
Metal 시편에서의 크기에 따른 정마찰계수의 평균값은 소형, 중형, 대형에서 각각 0.3806, 0.4278, 0.4499로 나타났다. Soil 시편의 정마찰계수의 평균값의 경우 소형, 중형, 대형에서 각각 0.5834, 0.5907, 0.6043으로 나타났다. Rubber 시편에서 정마찰계수의 평균값의 경우 소형, 중형, 대형에서 각각 0.5427, 0.5859, 0.6215로 나타났다. 통계분석 결과, 재료 기준에서는 Metal과 Soil, Metal과 Rubber 간에는 유의한 차이가 있었으나(p < 0.05) Soil과 Rubber 간의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 또한, 크기 기준에서는 소형과 중형, 소형과 대형 간에는 유의한 차이가 있었으나(p < 0.05), 중형과 대형 간의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. Table 3은 크기 및 재료별 정마찰계수의 통계적 특성과 일원분산분석 결과를 요약하여 보여준다.
Table 3.
Coefficient of static friction between garlic bulb and material by garlic size class.
Fig. 6은 마늘 크기에 따른 재료별 정마찰계수의 선형회귀분석 결과이다. 모든 재료에서 마늘 크기가 증가함에 따라 정마찰계수가 증가하는 경향을 보였으며 이때 결정계수(R2)는 Metal, Soil, Rubber 시편에 따라 각각0.991, 0.949, 0.930으로 높은 상관관계를 보였다. 마늘의 크기가 커질수록 시편과의 접촉하는 면적이 증가하여 정마찰계수가 증가하는 것으로 판단된다. 또한, 재료에 따라 분석한 결과, Rubber가 가장 높은 정마찰계수를 보였으며, 그 뒤로 Soil, Metal 순으로 나타났다. 일반적으로 Rubber의 경우 점착 효과와 같은 표면 특성으로 인해 정마찰계수가 높은것으로 판단되며, Soil의 경우 불균일한 입자들 사이 수분이 존재하여 흡착력 및 전단저항이 동시에 작용해 정마찰계수가 높게 나타난 것으로 판단된다.
반발계수 측정 결과
마늘의 기하학적 특성 분석 결과
반발계수 측정에 사용된 마늘을 크기 기준에 따라 폭, 높이, 무게를 각각 측정하였다. 측정 결과, 소형 마늘은 평균 폭 4.41 cm, 높이 3.12 cm, 무게 38.7 g을 보였으며, 중형 마늘은 폭 5.17 cm, 높이 3.39 cm, 무게 53.8 g, 대형 마늘은 폭 5.95 cm, 높이 3.70 cm, 무게 73.8 g으로 나타났다. 이를 통해 마늘이 크기 기준에 따라 적절하게 분류됨을 확인하였으며, 마늘의 폭이 커짐에 따라 높이와 무게도 함께 증가하는 경향을 확인하였다. Table 4는 크기 기준별 마늘의 폭, 높이, 무게의 개별 평균과 전체 평균을 나타낸다.
Table 4.
Dimensions of garlic samples used in coefficient of restitution measurements.
재료 및 크기 기준에 따른 반발계수 측정결과
Metal 시편에서의 크기에 따른 반발계수의 평균값은 소형, 중형, 대형에서 각각 0.3979, 0.3937, 0.3646로 나타났다. Soil 시편의 반발계수의 평균값의 경우 소형, 중형, 대형에서 각각 0.2514, 0.2128, 0.2079으로 나타났다. Rubber 시편에서 반발계수의 평균값의 경우 소형, 중형, 대형에서 각각 0.3699, 0.3495, 0.2951로 나타났다. 마늘 간 크기에 따른 반발계수의 평균값은 소형, 중형, 대형에서 각각 0.8668, 0.9003, 0.8869로 나타났다. 통계 분석 결과, 재료 기준에서 Metal과 Rubber를 제외한 모든 재료 간에는 유의한 차이가 나타났다(p < 0.05). 그러나, 크기 기준에서는 전반적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다. 따라서, 반발계수의 경우 시뮬레이션 시 크기보다는 재료 특성에 의해 더 크게 영향을 받는 변수임을 확인하였다. Table 5는 크기 및 재료별 반발계수의 통계적 특성과 일원분산분석 결과를 요약하여 보여준다.
Table 5.
Coefficient of restitution between garlic bulb and material by garlic size class.
Fig. 7은 마늘 크기와 재료에 따른 반발계수의 선형회귀분석 결과를 그래프로 나타낸다. 그래프 분석 결과, Metal, Soil, Rubber 시편의 경우 마늘의 크기가 커질수록 반발계수는 감소하는 경향을 보였으며 이때 R2는 Metal, Soil, Rubber 시편에 대해 각각 0.843, 0.883, 0.936으로 높은 상관관계를 보였다. 그러나, 마늘의 경우 R2가 0.355로 나타나 타 재료에 비해 낮은 상관관계를 보였다. 이는, 자유낙하 방식으로 측정한 경우, 충격을 받는 시편의 질량이 고정되어 있고 충격을 가하는 마늘보다 월등히 무겁기 때문에, 마늘의 크기 변화에 따른 경향을 명확하게 파악할 수 있었기 때문이다. 반면, 마늘과 마늘 간 충돌 실험에서는 충격을 가하는 마늘과 충격을 받는 질량이 동시에 증가한다. 이로 인해 자유낙하 실험과 달리 크기 변화에 따른 경향이 상대적으로 불명확하게 나타난 것으로 판단된다.
Conclusion
본 연구는 이산요소법 기반의 시뮬레이션에 활용할 마늘의 물리적 및 상호작용 특성값을 정량적으로 도출하는 것을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 마늘의 기하학적 특성을 측정하고, 마늘의 상호작용 특성인 정마찰계수 및 반발계수를 실험적으로 측정 및 분석하였다.
마늘의 크기 분류는 폭을 기준으로 소형(50 mm 미만), 중형(50 mm 이상, 55 mm 미만), 대형(55 mm 이상) 세 그룹으로 분류하였으며, 각 그룹에 대해 폭, 높이, 무게, 수분함량을 측정하였다. 시편은 수확기 작업 시 마늘이 상호작용하는 재료인 Metal, Soil, Rubber, Garlic 시편을 확보하였다. 정마찰계수는 경사면 실험을 통해 시편 한쪽을 일정한 속도로 상승시켜 마늘이 최초로 미끄러지는 임계각도를 측정하여 정마찰계수를 계산하였으며, 반발계수는 자유낙하 충돌방식과 진자운동 충돌방식을 통해 충돌 후 반발 높이, 반발 각도를 측정하여 반발계수를 계산하였다.
정마찰계수는 마늘의 크기가 커질수록 증가하는 경향을 보였으며, 재료별 평균값은 Rubber > Soil > Metal 순으로 나타났다. 이는 접촉면적 증가와 재료의 표면 특성 차이에 의한 것으로 판단된다. 반발계수는 Metal, Soil, Rubber 시편에서는 마늘 크기 증가에 따라 다소 감소하는 경향을 보였으나, 마늘과 마늘 간 반발계수에서는 뚜렷한 크기에 따른 효과가 나타나지 않았다. 마늘 간 반발계수의 경우 충격을 받는 재료 마늘(Garlic) 또한 크기 기준에 따라 함께 증가하여 마늘의 크기에 따른 효과가 명확하게 나타나지 않은 것으로 판단된다.
본 연구에서 도출된 정마찰계수 및 반발계수는 DEM 시뮬레이션의 입력 파라미터로 직접 활용될 수 있을것으로 기대된다. 이를 통해 마늘과 마늘 수확기의 상호작용을 구현할 수 있으며, 수확기 내부에서 발생하는 마늘 손상률, 충격 강도 등을 분석하기 위한 기초자료로 활용 가능하다. 나아가 향후 수확장치 구조 최적화 및 손상 저감형 설계 연구에도 기여 가능할 것으로 예상된다.
위와 같은 활용도가 있음에도 불구하고 본 연구에서는 마늘의 외형적 특성(껍질 특성, 마늘 내부 구조 등)에 대한 분석이 포함되지 않아, 실제 충격 거동이나 변형 특성을 완전히 분석하기에는 한계가 있을 것으로 예상된다. 향후 연구에서는 마늘의 껍질 특성, 내부 조직 구조 등을 분석하여 마늘의 충격 특성을 보다 정확하게 반영할 수 있도록 모델을 고도화할 예정이다.
