서 론
국내 양식어업은 지속적으로 성장하여 2006년에는 1,259.3천 톤의 생산량을 기록하면서 1,108.8천 톤의 생산량을 기록한 해면어업의 생산량을 넘어서기 시작했다. 2019년에는 2,410.0천 톤의 최대 생산량을 기록한 후 조금씩 감소되어 2022년에는 2,268.0천 톤으로 생산량을 나타내었다(Kostat, 2023). 생산량 변화를 통해 양식산업의 생산성의 한계가 점차 보이기 시작했고 이에 따른 다양한 문제점도 나타나게 되었다. 특히, 해상가두리 양식은 과잉생산과 소비 부진에 따른 경쟁력을 확보하지 못했다는 문제점을 가지고 있다. 이는 관행적인 어류 양식 환경에 따른 시설 노후화, 양식장 수질 환경의 악화, 양식장 폐기물 처리, 환경 파괴 등으로 인해 나타난 결과로 볼 수 있다. 또한 해상가두리 양식에 사용되는 어망은 대부분 Polyamide (PA), Polyethylene (PE) 등 합성 섬유로 제작되기에, 부착생물에 의해 가두리의 하중이 증가되거나 조류의 원활한 흐름을 방해하여 용존 산소가 감소하는 등 어류를 양식하기 위한 가두리 내부 용적을 확보하는데 어려움을 겪고 있다(Hodson et al., 1997;Swift et al., 2006, Ashraf and Edwin, 2016;Shirakashi et al., 2024). 부착생물을 제거하기 위해서는 약 3개월 단위로 가두리 그물을 교체하거나 방오처리를 하고 있으나 이로 인한 폐그물 발생, 수질 오염이 발생되고 가두리 시설을 유지하기 위한 비용도 증가되고 있는 실정이다. 많은 연구와 기술 개발에도 불구하고 해상가 두리 양식은 아직까지도 운영‧관리상 어려움을 겪고 있다. 종사자의 노령화, 노동력 확보의 어려움, 인건비 상승, 가두리 시설의 짧은 내구 연한, 포식자 생물에 의한 그물 손상, 태풍 및 적조 등 자연 재해로부터의 취약성, 환경 오염 등 지속적인 양식업을 실현하기 위한 많은 걸림돌이 해결되지 못하는 실정이다(Besson et al., 2016). 환경친화적 가두리 양식을 이끌어 내기 위한 방법 중 하나로 기존의 합성 섬유 재질의 가두리 그물을 황동 재질의 그물로 대체하는 연구(Braithwaite et al., 2007;Cha et al., 2013;Drach et al., 2016;Kalantzi et al., 2016;Cha and Lee, 2018;Kang and Lee, 2019)를 통해 생산성 향상, 양식장 관리의 편리성 등 그 효과가 일부 입증되었으나, 해상가두리 시설물의 안전성, 황동 재질 그물의 직조 기술, 계류 시스템의 실용성 및 황동 가두리 시스템의 경제성 등에 대해서는 보다 면밀한 검토가 요구되고 있다(Lee et al., 2010;Lee et al., 2012;Bae and An, 2014;Ayer et al., 2016;Berillis et al., 2017;Park et al., 2020;Park et al., 2021;Shin et al., 2017).
본 연구에서는 황동 어망을 직조하기 위한 다양한 방법 중 어류 가두리에 적용하기 위한 최적의 황동 어망 직조 기술을 평가하고, 황동 직조 어망의 성능을 파악하여 황동 어망 가두리의 실용화를 위한 기초 자료로 제공 하고자 한다.
재료 및 방법
황동 어망의 직조 방법 분석
황동과 같이 금속 와이어를 이용하여 직조하는 다양한 방법 중 어망으로 적용 가능한 체인링크(Chain link), 크림프(Crimp wire), 확장형(Expended), 용접형(Welded) 형태로 구분하였다(Fig. 1). 각각의 형태로 황동 어망을 직조하기 위한 직조 방법을 공정순으로 분석하였고, 직조된 망의 특성을 분석하여 양식 가두리용 황동 어망으로 적용 가능 여부를 평가하였다.
황동 직조 어망의 성능 평가
균일하고 휨이 없는 황동 어망을 생산하기 위해서는 기본 재료인 황동선의 경도 및 열처리 상태가 좋아야 하고, 특히 황동선의 직경과 그물코의 크기에 맞는 금형 및 금형의 소재가 중요하다. 직경과 발의 길이의 비(d/l)가 높을수록 금형 속에 장착된 헤라에 가해지는 응력이 커지고, 이는 금형의 형태 변형, 어망의 품질 및 성능 저하로 연결된다(Lee and Lee, 2004).
황동 직조 어망의 성능을 평가하기 위해 황동 어망의 직조 방법 중 양식 가두리용 황동 어망으로 활발하게 사용이 가능한 체인링크 망을 선택하였다. 체인링크 형의 황동 어망은 그물코가 섬유 어망처럼 매듭이 지거나 관통되는 것이 아닌 금형에 의해 휘어지면서 선이 만들어지고 여러 가닥의 성형된 선들이 연결되면서 완성된다. 평가 대상 시제품은 3.5 mm, 3.8 mm, 4.0 mm, 4.5 mm 등 4종의 직경에 대하여 35 mm, 40 mm, 45 mm 등 3종의 그물코 발의 길이를 가지는 황동 어망 총 12종으로, 생산량과 기본 치수를 Fig. 2, Table 1에 나타내었 고, 시험용 어망은 Fig. 3과 같다.
총 12종의 시험용 어망은 직경과 그물코 발의 길이에 따른 중량, 인장하중, 신장률, 피로도 및 내마모성을 통 해 성능을 평가하였다. 시험용 어망의 중량은 정밀 전자 저울(CBL, CAS, Korea)을 이용하여 측정하였고, 1 m2 당 중량으로 환산하여 단위면적당 무게를 분석하였다. 인장하중 및 신장률은 황동 어망에 대한 규정된 시험법이 없기에 하중 측정 장비(MTS 100kN, MTS, USA)의 사양을 고려하여 시험을 실시하였다. 측정 장비로 실험 가능한 안전 인장 길이를 고려하면 세로 콧수가 3코 이하인 시편을 제작하여야 하며, 그물코 발의 길이가 45 mm인 어망을 기준으로 했을 경우 세로 콧수가 2코인 시편으로 시험을 해야 했기에 시험 결과의 신뢰성이 매우 낮을 것으로 판단되었다. 따라서 측정 장비의 안전 인장 길이인 180 mm를 고려하여 세로 6코, 가로 4코인 시편을 제작하여 최대 인장시 늘어난 길이와 인장 하중의 관계를 분석하였다. 어류 가두리에 사용하기 위한 황동 어망의 피로도 및 내마모성은 사용 조건인 수중에서 평가하는 것이 타당하나, 수중에서 이를 평가하기 위한 규정된 시험법이 없을 뿐만 아니라 측정 가능한 장비를 선택하기에 어려움이 있다. 따라서 피로도는 인장하중 시험에서 도출된 하중의 변곡점이 발생하는 지점의 값인 1,900 N을 피로 하중으로 하여 반복 인장 시험을 수행하였고, 추정 시험속도 및 도달횟수는 각각 1.2 Hz와 1,000,000 cycles로 하여 응력과 반복 횟수의 관계를 분석하였다. 내마모성은 피로도 시험 전후의 무게 변화를 정밀 전자 저울(CBL, CAS, Korea)을 통해 분석하였다.
결과 및 고찰
황동 어망의 직조 방법
금속 와이어는 체인링크, 크림프, 확장형, 용접형 방 법을 통해 망 형태로 직조할 수 있다.
체인링크 망은 납작한 막대 형태의 금형을 이용하여 금속선을 일정한 피치의 산형으로 굽히고, 연속적으로 서로 엮이도록 직조된다. 금속 와이어는 스탠드에 순차적으로 스프링 형태로 감겨져 있고 와이어 캐리어에서 금형까지 이동된다. 금형으로 넘어온 와이어는 금형 속 헤라의 회전에 의해 성형되며 설정된 망폭으로 절단할 수 있다. 이렇게 성형된 와이어는 금형 밖으로 배출 시 서로 엮이는 형태가 연속되면서 망을 형성하고, 직조된 망은 두루마리 형태로 포장된다. 이러한 직조 방법을 통해 황동뿐만 아니라 철, 스테인레스, PVC 코팅 철 등 다양한 소재에 대하여 직조가 가능하다. 망의 형태와 직경이 다양하여 주거, 상업, 공업용으로 많이 사용되며 내구성이나 설치의 편의성이 뛰어난 장점이 있기에 양식 가두리용 황동 어망으로 사용이 가능하다. 또한 수중에서는 동일한 사양의 합성 섬유 망에 비해 형상을 잘 유지하고 저항이 작게 발생하기에 가두리 어망에 적용 하였을 경우, 가두리 내부 용적을 유지하는데 효과가 있다(Cha et al., 2013).
크림프 망은 금속선을 와이어 스탠드에서 직조기에 투입되기 전 굴국을 주고 톱니바퀴 레일을 통과하면서 굴곡을 성형하여 파형으로 만든 후 굴곡된 와이어를 서로 교차시켜 사각형 망으로 직조하는 방식이다. 이렇게 직조된 와이어는 금속선의 굵기에 비해 비교적 크고, 정확한 규격을 제작할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 기계를 보호하기 위한 안전 시설물이나 제품 선별용 및 인테리어 용도로 사용 가능하다. 양식 가두리용 황동 어망으로 사용이 가능하나 그물코 형태가 사각형으로 한정된다는 단점도 있다.
확장형 망은 강판이나 코일을 일정한 방향으로 등간 격의 절단면을 내고, 옆으로 길게 늘여서 그물코 형태로 제작하는 방식이다. 주로 시설물의 안전 보호용, 외관 장식용, 통로 및 계단 등에 사용되며, 코일의 소재에 따라 다양하게 제작이 가능하고 채광과 통기성이 양호하며, 미끄럼 방지, 취급 및 시공이 용이한 장점이 있다. 양식 가두리용 황동 어망으로 사용이 가능하나 그물코 형태가 마름모형으로 고정되기에 어망이 굽어지거나 휠 경우 복원이 어렵다는 단점도 있다.
용접형 망은 냉간압연 또는 고강도 철선을 사용하여 세로선과 가로선을 직각으로 배열하고 교차점을 용접을 통해 제작하는 방식이다. 소재에 따라 다르기도 하지만 주로 전기 용접을 사용하며, 열전도율과 융점에 따라 전기 용접의 예열시간에 차이가 난다. 일반적으로 주차장이나 지붕, 도로 포장시 균열 조정용으로 사용되기에 양식 가두리용 황동 어망으로 사용하기에는 적절하지 않다.
황동 직조 어망의 성능
어망의 중량은 가두리 구조물을 설계하는데 매우 중요한 요소 중 하나로, 다양한 직경과 그물코 발의 길이에 대한 어망의 중량 자료를 획득하는 것은 구조물의 안전성을 높이기 위한 필수 조건이다. 정밀 전자 저울을 이용하여 시험용 어망의 중량을 측정하였고, 1 m2당 중량으로 환산한 결과를 Table 2에 나타내었다. 그물코 발의 길이가 40 mm로 동일할 경우 직경이 굵어질수록 단위면 적당 무게가 크게 나타났고, 직경 3.5 mm 대비 4.5 mm일 때 약 1.7배의 단위면적당 무게가 크게 나타났다. 직경이 동일할 경우 그물코 발의 길이가 짧을수록 단위면적 당 무게가 크게 나타났고, 직경 4.5 mm인 황동 어망의 그물코 발의 길이가 35 mm는 45 mm에 비해 약 1.3배의 단위면적당 무게가 크게 나타났다. 따라서 황동 어망의 단위면적당 무게는 황동 어망 가두리의 크기, 안전성, 뜸 파이프의 부력 등 산정에 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
총 12종의 시험용 어망으로 세로 6코, 가로 4코인 시편을 제작하여 반복 시험한 결과, 동일한 직경일 경우 그물코 발의 길이가 증가할수록 인장하중은 감소하는 경향을 나타내었고(Fig. 4), 그물코 발의 길이가 동일할 경우 직경이 증가할수록 인장하중도 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 5). 또한 각 시편의 신장률이 40%일 때 발생하는 인장하중의 결과를 이용하여 황동 어망의 세로 단위 길이당 인장하중을 추정하였을 때에도, 동일한 직경일 경우 그물코 발의 길이가 증가할수록 인장하중은 감소하는 경향을 나타내었고, 그물코 발의 길이가 동일 할 경우 직경이 증가할수록 인장하중도 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 6). 본 연구에서는 체인링크 방식으로 직조된 황동 어망의 신장률은 최대 40% 정도로 추정되 었으나, 추후 황동 어망의 활용성을 높이기 위해서는 다양한 그물코 크기의 황동 어망 시험을 통해 황동 어망의 인장하중과 신장률과의 관계를 규명할 필요가 있다.
피로도 시험은 1.2 Hz로 추정 시험속도를 설정하였으나 실제 시험에서는 추정 시험속도와 달리 0.4 Hz에서 시작하여 0.25 Hz로 안정화되었고, 직경 4.5 mm, 그물코 발의 길이 40 mm의 황동 어망 시편의 경우 반복 횟수 129,837회에서 파단이 발생하였다. Fig. 7에는 피로도 시험 모습을, Fig. 8에는 인장 반복 횟수와 응력의 관계를 나타내었다.
Fig. 9에는 직경 4.5 mm, 그물코 발의 길이 40 mm의 황동 어망 시편의 피로도 시험 전후 무게 변화를 나타내었다. 시험 전 무게 1035.44 g 대비 시험 후 무게는 1034.59 g으로 0.85 g (0.082%)의 무게가 감소된 것으로 나타났다. 시험 결과, 마모도 경향을 파악하기는 힘들지만 무게 변화는 확인할 수 있었다. 추후 시편량과 반복 시험의 횟수를 증가시킨다면 마모도 경향도 파악할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 황동 어망이 실제 사용되는 수중에서 피로도 및 내마모성을 평가할 수 있는 시험법을 개발하여 황동 어망의 내구성을 직접적으로 평가할 수 있다면, 더욱 의미 있는 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
결 론
해상가두리 양식에서는 합성 섬유로 제작된 어망을 사용함에 따라 부착생물이 발생하여 가두리의 하중이 증가되거나 조류의 원활한 흐름을 방해하는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위하여 그물 교체 주기를 감소하거나 어망에 방오 처리를 하는 등 다양한 시도와 연구, 기술 개발이 진행되었으나 아직까지 뚜렷한 해결책은 제시되고 있지 않다. 2000년도 중반 이후에는 가두리 어망의 재질을 황동 재질로 대체하는 연구가 활발히 진행되어 그 효과가 일부 입증되었으나, 황동 재질 어망의 직조 기술 및 성능에 대해서는 보다 면밀한 검토가 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 해상에서 사용되는 어류 가두리에 적용하기 위한 최적의 황동 어망 직조 기술을 분석하고, 황동 직조 어망의 중량, 인장하중, 신장률, 피로도 및 내마모성 등 성능을 파악하였다. 어류 가두리에 적용하기 위한 황동 어망을 체인링크 방법으로 직조한다면 내구성이나 설치의 편의성을 확보할 수 있으며, 두루마리 형태로 포장까지 가능하기에 보관에도 용이할 것이다. 또한 피로도와 마모율에 있어서도 장점을 가지고 있기에 기존 섬유 어망에 비해 단위면적 당 무게가 크고 경제성이 떨어진다는 단점을 보완하기 위해 적절한 직경과 그물코 발의 길이를 선택한다면 활용성을 높일 수 있을 것이다.
본 연구를 진행함에 있어 황동 어망의 성능을 평가하기 위한 규정된 시험법이 없어 많은 어려움이 있었고 실제 황동 어망이 사용되는 수중에서 피로도 및 내마모성 평가를 실시하지 못했다는 한계점이 있으나, 도출된 결과는 황동 어망 가두리의 실용화를 위한 기초 자료를 확보했다는 것에 의미가 있다. 또한 본 연구에서 수행한 시험 방법은 추후 어류 가두리용 황동 어망 표준화를 위한 시험법 개발에 활용할 수 있으며, 다양한 사양의 황동 어망을 대상으로 추가 실험을 통해 결과의 신뢰성을 확보하고 표준화된 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 합성 섬유로 제작된 어망은 수중에서 사용되는 것을 고려하여 건시 조건뿐만 아니라 습시 조건에서도 성능 평가를 실시하고 있기에, 황동 어망도 사용 조건을 고려하여 수중 또는 이와 유사하게 평가할 수 있는 조건과 방법을 고안해야할 것이다.
