†To whom correspondence should be addressed. E-mail: Introduction
쌀은 전 세계 인구의 주식으로써 인간의 식량 안보와 영양 상태에 결정적인 역할을 해왔으며, 특히 아시아에서는 수천 년에 걸쳐 농업 문화와 경제 구조의 중심을 형성해 왔다(Fernandez, 2024). 벼농사는 초기 야생 쌀 재배에서 시작되어 물 관개·방제 기술의 개발(Bouman et al., 2007), 종자 개량(Khush, 1997), 농업 도구의 기계화(Hegazy et al., 2013) 등을 거치며 지속적으로 발전해왔다. 전통적으로는 모내기법이 우세했으나, 최근에는 노동력 부족과 비용·환경 문제로 인해 직파법의 중요성이 대두되었으며(Xu et al., 2019), 특히 드릴 파종기(Albasheer et al., 2024), 정밀 파종 장치 등 기술 발전을 통해 직파종의 효율성과 수확량의 안정성이 과거보다 크게 향상되고 있다(Guru et al., 2025).
농업 방식이 발전함에 따라 파종 기구도 발전을 이루었다. 초기에는 수작업으로 파종을 하였고, 이후 모판에서 키운 모를 이앙하는 방식이 일반화되었으며, 이앙법이 등장하기 이전 또는 대체하기 위한 방법으로 수동식 롤러 파종기나 수레형 직파기가 개발되어왔다(Devnani et al., 2010). 현재는 동력을 기반으로 롤러 형식이 아닌 나선형 블레이드를 사용한 파종기나(Zhu et al., 2023), 드론을 이용하여 씨앗을 살포하는 항공 파종 기술까지 등장하여 접근이 어려운 지역이나 대규모·고속 파종이 필요한 상황에서 활용되고 있다(Adithya et al., 2024). 미래엔 토양의 상태를 파악하여 개별 씨앗 단위로 위치와 간격을 제어하여 뿌리는 초정밀 파종 기술과(Liu et al., 2024), 무인 로봇이 밭을 주행하여 실시간으로 토양, 기후 데이터를 파악한 후 파종 전략을 조정하는 자율주행 파종기술 등이 차세대 기술로 대두되고 있다(Li et al., 2025).
이런 첨단기술들이 반영된 농업 방식을 선도하는 나라들이 있는 반면, 개발도상국의 농촌 지역에서는 농업 인프라 및 기계화 수준 미달로 인한 유지보수의 어려움, 관개시설 부족, 건조·단단한 토양, 노동 인력 부족 등 열악한 환경 때문에 여전히 수작업 파종 또는 단순 수동 기구에 의존하는 경우가 많다. 특히, 아프리카 탄자니아 남서부 Mbeya 평야 지역은 평균 기온 약 17.5°C, 연평균 강수량 약 2,068 mm, 평균 습도 약 80%로 벼 재배에 유리한 기후적 잠재력을 보유하고 있음에도 불구하고(Climate-Data.org, 2025), 관개시설 부족과 우기·건기의 변동성, 경작지의 토양 경도(건조·단단 토양), 농기계 접근성 제약, 기후변화 영향 등이 결합되어 농업 생산성이 제한되고 있다(Mrema et al., 2020). 이러한 환경에서는 파종 균일성이 낮아 발아율 및 수확량이 현저히 저하되고, 이는 식량 안보와 영양 상태 악화에 직결되는 문제로 이어진다. 탄자니아에서는 2025년 2월부터 5월 사이 약 46.6만 명(전체 인구의 약 10%)이 IPC(Integrated Food Security Phase Classification) Phase 3 수준의 급성 식량 불안정 상태에 처하는 등 식량 안보 개선의 긴급성이 부각되고 있다 (Integrated Food Security Phase Classification, 2025).
관개 시설 구축이 어려운 개발도상국의 특성상 이앙법 대신 DSR(Direct Seeded Rice) 방식으로 벼 농사를 진행한다(Hussain et al., 2021). 본 프로젝트는 아프리카 탄자니아 Mbeya 농업 지역을 대상으로 DSR방식에서의 볍씨 발아율과 수확량 증가를 위해 IRRI(International Rice Research Institute)와 협력하여 진행되었다. 본 연구에서는 관개시설이 부실하거나 존재하지 않는 건조한 지역에서도 활용 가능한 인디카 볍씨용 수동 파종기를 설계하고, IRRI의 파종 요구 조건(종자간격 1 cm)을 만족시키는 파종 롤러 최적화를 진행하였다.
Methods
1. Compositions of roller type manual seeder
IRRI에서 요청한 파종기 설계 요구 사양은 첫 번째로 여성, 아이가 사용 가능해야 한다는 것, 두 번째는 다양한 토지 환경에서 사용할 수 있어야 하며, 세 번째는 파종 줄 간격을 25 cm로 유지하는 것이다. 따라서 설계 포인트를 경량화, 유동적인 부품 장착, 전체 사이즈에 집중하였다.
Figure 1은 롤러 파종기의 파종 원리를 나타낸 도식이다. 1번과 같이 파종기가 이동하면서 쟁기로 땅을 고르고, 2, 3번을 통해 씨앗통에 있던 씨앗이 1립씩 롤러로 투입된다. 투입된 종자는 4번과 같이 파종기 진행방향으로 회전하여 낙하하게 되고, 5번의 깔때기로 인하여 한 방향으로 정렬되어 토양에 파종된다. 6번은 1립씩 종자간격 1cm로 파종된 모습이며, 7번의 복토판을 사용하여 쟁기로 갈랐던 흙을 종자 위로 모아주고 다져줌으로써 파종을 마무리 하는 방식이다.
Figure 2는 파종기의 프레임이다. 프레임은 파종기의 뼈대 부분으로, 효율적인 구조를 갖출수록 생산성과 작업 효율성이 증가한다. 앞선 요구사양을 반영하여 경량화에 집중했고, 따라서 간단한 구조인 Body와 Wheel로 구성했다. Body는 아연 각관, Wheel은 PLA(Polylactic Acid)를 사용하여 3D 프린터로 제작하였다. Body의 경우 탄자니아의 특성상 농기계 보급이 원활하지 않아 밭의 노면이 고르지 못하거나 단단한 경우가 많아, 쟁기의 유동적인 높낮이를 가능하게 설계했다. 또한 구조적으로 작업 효율성을 위해 중단부에 쟁기와 복토판, 씨앗통이 한 곳에 위치하게끔 설계하였으며, 다양한 연령층의 사용을 위해 각도 및 길이 조절이 가능한 손잡이를 설계하였다.
Figure 3은 ANSYS Workbench를 사용한 프레임의 정적 해석 결과이다. 손잡이의 수평방향으로 30 N, 쟁기의 반력을 2 N, 바퀴 축에 단순지지 경계조건을 적용하여 해석을 진행했다. Figure 3(a)에서 최대 응력 11.43 MPa이 손잡이의 각도 조절부에 작용하는 것을 확인할 수 있다. Figure 3(b)에서 최대 변형 1.16 mm가 손잡이의 끝 부분에서 발생하는 것을 확인할 수 있다. Figure 3(c), (d)를 통해 프레임 전체의 최소 안전계수가 7.54, 최소 기대수명이 106인 것을 확인할 수 있다. 기계요소설계 항목에서는 정적 부품의 경우 안전계수가 1 이상, 동적 부품의 경우 2~3 이상을 충족할 시 안전계수를 충족한다. 또한 프레임에 사용된 아연 도금 각관의 재질은 structure steel로, 해당 재질에 대해 피로수명 커브에서 최대 응력인 11.43 Mpa를 적용하면 기대 수명 사이클이 106으로 도출된다. 재료 과학에서 수명이 106 사이클 이상의 영역에 있는 경우, 무한 수명 영역에 있다고 판단한다. 따라서 프레임의 구조적, 기계적 안정성을 입증하였다.
Figure 4는 쟁기와 복토판이다. 쟁기는 파종 전에 토양을 절개하여 파종 환경을 조성하는 역할을 하며, 복토판은 씨앗이 외부로 노출되어 조류나 설치류에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 절개된 토양을 모아서 파종된 종자 위로 덮어주는 역할을 한다. 쟁기의 경우, Zhang Xiangcai와 그의 동료들이 진행한 선행 연구에 기반하여 설계를 진행했다(Zhang et al., 2016). 형상은 오목형으로, 수평선 대비 쟁기의 기울기 각도를 의미하는 경사각은 60o로, 쟁기의 전방 각도를 의미하는 관입각은 0o로 설정하여 Figure 4(a)처럼 설계했다. 복토판의 경우, 기존 파종기에 달린 복토판들이 꽉 막힌 V자형 형상이어서 흙과 파종된 종자를 함께 쓸어가버리는 문제를 해결하는데에 집중하여 설계를 진행했다. 따라서 Figure 4(b)처럼 하단 중앙부에 개구부를 도입하여 흙은 모아주지만 종자를 방해하지 않게 설계를 진행했다.
Figure 5는 파종 롤러로, 파종 성능에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 요소이다. 회전하는 롤러 홀에 종자가 유입되고 배출되는 원리로, 일정한 종자 간격과 출아 수를 만족시키는 역할을 한다. 종자의 크기와 모양이 모두 다르기 때문에 맞춤형 롤러가 없을 시에 종자가 모두 파손되고 원하는 파종 간격을 만족할 수 없게 된다. 이와 관련된 선행 연구 에서는 진공 흡착 방식을 기반으로 한 볍씨용 동력 파종기의 롤러 홀 형상에 대해 실험을 통해 최적화를 진행했다(Qian et al., 2024). 반면에, 본 논문에서는 동력이 없이 작동되는 인디카 볍씨용 수동 파종기에 들어갈 롤러 홀에 대해 연구하고자 한다. 인디카 볍씨는 장립종에 속하며, 길이/너비 비율이 보통 3배이상 나기 때문에 길쭉하고 가는 모양을 띈다. 롤러 홀은 종자의 파종 단계에서 손상없이 안전하게 종자를 운반하는 역할로, 종자의 형태가 중요한 설계 변수가 된다. 따라서 본 논문에서는 롤러 홀을 Figure 5와 같이 Ellipse 또는 Rectangle 형상으로 설계하여 최적화하고자 하였다.
2. Design and optimization
2.1 Measurement of rice seed size
롤러의 홀 형상을 설계하기 전에, 인디카 볍씨의 사이즈를 측정했다. IRRI에서 탄자니아 지역 DSR농법을 위해 개발된 Indica형 품종들은 수입통관의 문제가 있어서 본 논문에서는 위의 종자와 유사한 사이즈를 갖는 태국 인디카 볍씨를 사용했다. Figure 6는 인디카 볍씨 40개를 정렬하여 컨투어 이미지 프로세싱을 통해 종자의 폭과 길이를 측정하는 과정이다. 볍씨 40개의 폭과 길이 데이터를 기반으로 각각 평균 2.03 mm, 표준편차 ± 0.18 mm, 평균 6.50 mm, 표준편차 ± 0.28 mm를 얻었다. 최종적으로 평균과 표준편차 합의 최댓값보다 각각 0.1 mm씩 큰 가로 2.31 mm, 세로 6.88 mm의 홀을 기준 설계 수치로 설정하였다. 또한 깊이의 경우, 타원형인 볍씨의 형상을 고려하여 폭와 같은 2.31 mm를 기준 수치로 정하였다.
2.2 Roller hole shape and arrangement
롤러 설계에 있어 큰 변수는 홀의 형상과 배치이며, 선행연구에서는 타원형상과 직사각형상에 대하여 홀 형상 최적화를 진행했다(Qian et al., 2024). 본 논문에서는 Table 1과 같이 홀의 형상과 배치를 달리한 4가지 모델을 사용하였다. 타원형상 또는 직사각형상을 일렬로 배치한 Single row 모델과, 두 줄로 어긋나게 배치한 Zig-Zag 모델로 형상과 배치에 대한 최적화를 진행하였다.
2.3 Experimental method
실제 토양과 흡사한 환경을 구축하기 위해 마찰력이 높은 부직포 위에 파종 실험을 진행했다. 파종 구간은 273 cm로, 45.5 cm를 기준 분석 구간으로 설정하여 한 번 파종시에 6개의 구간 데이터를 수집했다. 통계적 신뢰도 95%를 확보하기 위해 파종 횟수는 실험 변수 당 5번으로 진행하여 총 30개의 데이터셋을 얻었다.
Figure 7은 Visual Studio C++을 사용하여 이미지 프로세싱을 통해 파종 결과를 분석하는 과정이다. Figure 7(a)는 한 구간의 파종 결과로, 코드를 통해 업로드가 되면 Figure 7(b)와 같이 ‘기준 자’에 생성된 컨투어의 길이를 측정 후, 각 볍씨를 빨간 점으로 인식하여 Figure 7(c)와 같이 볍씨 간의 다양한 수치를 측정하게 된다. 여기서 X Distance는 볍씨 간의 수평 간격을 의미하고, Baseline은 종자 분산도의 중심선을 의미하며, Y Distance는 Baseline으로부터의 볍씨의 수직 간격을 의미한다.
Results and Discussion
Table 2는 Table 1의 4가지 롤러 모델에 대해 기준 설계 수치의 홀을 갖는 롤러에 대한 성능 실험의 파종율과 종자 파손율을 정리한 표이다. 파종율이 100%에 가까울수록, 종자 파손율이 0%에 가까울수록 좋은 결과이므로 파종율과 종자 파손율에서 전반적으로 Rectangle 형상이 Ellipse 형상보다 우수한 결과임을 확인할 수 있다. 이 때, 실험 중 종자 파손의 원인이 Figure 8(a)과 같이 롤러를 지탱하는 금속 가이드임을 발견했다. 종자가 빠른 속도로 회전하는 롤러 홀에 제대로 안착되지 못한 채 회전하여 금속 가이드와 부딪혔을 때, 종자가 파손되어 파종되는 것을 확인할 수 있었다.
이 때, Zig-Zag Model이 파종율 66.64%, 종자 파손율 10.24%로 Single row Model보다는 우수한 결과를 보였다. 따라서 홀 형상은 Rectangle, 홀의 배치는 Zig-Zag 배치가 최적 설계 값임을 확인하였다. 그럼에도 파종율이 100%에 못미치고, 종자 파손율 또한 높은 값을 가졌기 때문에, 파종율을 높이기 위해 기존 홀의 가로, 세로, 깊이 값을 각각 2배씩 증가시켜 가로 4.62 mm, 세로 13.76 mm, 깊이 4.62 mm로 실험을 진행하였다. 따라서 가이드의 재료를 Figure 8(b), (c) 처럼 스펀지와 고무로 변경하였다.
Table 3은 가이드 재료와 홀 사이즈에 따른 파종율과 종자 파손율을 정리한 표이다. 가이드 재료가 스펀지 일 때 종자 파손율이 1%이지만, 과파종율이 367%인 결과를 확인할 수 있다. 따라서 가이드의 재료는 스펀지로 설정했으나 홀 사이즈에 대한 최적화를 진행할 필요가 있었다.
먼저, 홀의 깊이에 대해 최적화를 진행했다. Table 4는 홀 깊이 최적화 실험의 변수 값을 정리한 표이다. 홀의 폭과 길이는 볍씨의 원활한 유입을 위해 기준 수치의 1.3배인 8.94 mm, 3.00 mm로 고정했고, 깊이는 기준 수치의 1.2배인 2.77 mm, 1.4배인 3.23 mm, 1.6배인 3.70 mm, 1.8배인 4.16 mm 로 설정하여 4가지 케이스에 대해 실험을 진행하였다.
Table 5는 4가지 케이스에 따른 ‘X’ Distance의 분포 비율과 과파종율을 비교한 표이다. DSR 방식 벼 농사의 최적 파종량에 대한 선행 연구의 최적 과파종율 값은 23%(Naeem et al., 2024)이며, 목표했던 종자 간격 1 cm에 부합하기 위해선 0.8~1.2 cm의 C 구간의 비율이 높을수록, 1.6 cm 이상의 E 구간 비율이 낮을수록 좋은 결과임을 의미한다. Depth ratio가 증가할수록, E 구간의 비율이 감소하는 경향을 보였고, 파종율의 경우 과대 파종되었다. 1.2배는 -13.2% 과소 파종된 결과를 보였으며, 1.8배는 40.1% 과대 파종되었다. 반면, 1.4배와 1.6배는 기존 문헌의 최적 과파종율 23%(Naeem et al., 2024)와 유사하면서도 다소 개선된 결과를 나타냈으며, 이에 이 두 경우에 대해 중점적으로 데이터를 분석하였다. C 구간에선 1.6배가 1.4배보다 2.19% 높은 결과를 보이며, E 구간에선 1.4배보다 0.72% 낮은 결과를 보인다. 파종율에서는 1.6배가 1.4배보다 2% 높은 결과를 보이며, 목표치 허용 범위인 B~D 구간에선 1.4배가 47.59%, 1.6배가 50.37%로 근소하지만 1.6배가 더 좋은 결과를 보였다. 이런 실험 결과를 바탕으로 종합적으로 판단했을 시 최적의 깊이는 기존 수치의 1.6배인 3.70 mm로 결정하였다. 덧붙여, 4가지 케이스에서 ‘Y’ Distance의 평균과 표준편차 합의 최댓값은 1.9 cm로, 쟁기의 폭을 4 cm 이상으로 설정해야 함을 알 수 있었다.
이상적인 비율의 분포 모습은 C 구간의 비율이 가장 높고, B 구간, D 구간으로 갈수록 비율이 작아져야 한다. 하지만 4가지 케이스 모두 A~B 구간이 50%를 초과함을 확인할 수 있다. C 구간의 비율을 증가시키기 위해, 다음으로 홀의 사이즈에 대한 최적화를 진행했다.
Table 6은 홀 사이즈 최적화 실험의 변수 값을 정리한 표이다. 기준 수치의 1.6배인 3.70 mm로 홀의 깊이를 고정했으며, 폭과 길이를 기준 수치에 대해 1.0배~1.4배까지 5가지 케이스로 나누어 실험을 진행했다.
Table 7은 5가지 케이스에 따른 ‘X’ Distance의 분포 비율과 파종율을 비교한 표이다. Size ratio가 증가할수록, E 구간은 감소하는 경향을, 파종율은 증가하는 경향을 보인다. 1.0배와 1.1배는 과소 파종율을 보이며 1.4배는 26.3% 초과했다. 따라서 1.2배와 1.3배에 대해 중점적으로 데이터를 분석했다. C 구간과 E 구간에서 1.3배가 1.2배에 비해 각각 1.54%, 4.36% 좋은 결과를 보였고, 파종율에서는 1.2배가 1.3배에 비해 16.8% 만큼 최적화된 결과를 보였다. B~D 구간에선 1.2배가 50.42%, 1.3배가 50.37%로 거의 근소한 차이를 보였다. 비록 목표 종자 간격 1cm에 부합하는 관점에서 1.3배가 C 구간, E 구간에서 1.2배보다 다소 좋은 결과를 보였으나, 파종율에서 1.2배가 단지 4.9%의 과파종으로 최적의 결과를 보였기 때문에 종자의 성장 경쟁, 농업 경제성 관점에서 홀 사이즈는 기준 수치 대비 1.2배로 설정하는 것이 적합하다는 결론을 도출하였다.
Conclusion
아프리카 탄자니아의 환경에 최적화된 파종기를 설계하였다. 프레임의 경우 사용자의 편의성을 위해 각도 및 길이 조절이 가능한 손잡이와 작업 효율성을 위해 쟁기, 복토판, 씨앗통이 중단부에 설치되는 구조로 설계하였다. 쟁기의 건조한 토양 상태와 사용자의 작업 부담을 고려하여 선행 연구를 바탕으로 오목 형상, 경사각 60o, 관입각 0o로 설정했다. 복토판의 경우 파종된 종자를 방해하지 않게끔 복토를 하는 데에 집중하여, 기존 복토판의 하단 중앙부에 구멍을 뚫어 종자를 방해하지 않으며 흙만 복토하는 방식으로 설계했다. 파종 롤러의 경우, 1cm 종자간격을 목표로 파종 실험을 통해 모델 최적화를 진행하였다. 롤러 홀의 형상은 Rectangle, 홀의 배치는 Zig-Zag, 롤러 가이드의 재료는 스펀지로 설정했으며, 측정된 볍씨 데이터를 기반으로 한 기준 설계 수치 대비 홀의 깊이 1.6배, 가로, 세로는 1.2배로 설계를 완료하였다. 이 설계를 통해 과파종율 4.9%, 종자 파손율 1%, 목표 종자 간격에 대한 파종 비율 13.89%, 실제 DSR의 파종 간격 허용 범위를 0.4~1.6 cm로 고려했을 때 50.42%라는 준수한 결과를 얻을 수 있었다. 본 논문의 수동 파종기 개발과 같이, 탄자니아 등 개발도상국의 농업에 대한 지속적인 연구가 진행된다면 세계 식량난과 영양문제 해결을 통해 해당 지역 국민들의 건강상태 개선에 큰 도움을 줄 것이라고 생각한다.
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