RFID tag를 활용한 연안 조립 퇴적물 이동 추적 가능성에 대한 연구

A possibility of tracking coarse sediments using RFID(Radio Frequency Identifier) tags

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  • ABSTRACT

    본 연구에서는 해안 조립 퇴적물의 이동을 추적하기 위한 방안으로 RFID(Radio Frequency Identifier) 기술을 국내 연구에 적용하기 위한 가능성을 살펴보았다. 외국에서는 이미 RFID 기술이 활발히 적용되고 있는 반면, 국내에서는 연구가 전무한 상황이다. 따라서 RFID 상용 제품을 이용하여 자갈에 tag를 삽입하여 추적자를 만들고 이를 인식하는 실험을 실시하였다. 그 결과 추적자가 단독 혹은 매몰된 상태일 때, 10㎝ ~ 70㎝의 인식 거리를 나타냄을 확인하였다. 다양한 주파수의 RFID 기술의 적용 가능성·tag 인식 거리의 현장 활용 가능한 수준 확보·우수한 비용 대비 효용성 등의 장점을 문헌 연구 및 실험 결과를 통해 확인하였고, 이를 통해 국내에서 RFID 기술을 적용하여 자갈 해빈에서의 퇴적물 이동 추적이 가능하다고 판단된다.


    In this paper, we examined the possibility of using RFID(Radio Frequency Identifier) for tracking coastal coarse sediments. While RFID technology is a widely used method in other countries, no report has applied this technique as yet in Korea. To test the possibility, we implanted a tag in a gravel as a tracer, and measured how far it can be identified using existing commercial products. The pilot result shows the identifiable distance of 10㎝ ~ 70㎝ when the tracer stands alone or is buried under gravel. Literature research and the experiment show some merits(variable frequency, enough identifiable distance in fields and good the benefits against the coasts) of using RFID tags. So it can be possible to apply RFID technology to track gravel beach sediments in Korea.

  • KEYWORD

    RFID , 추적자 , 조립 퇴적물 , 자갈

  • I. 서 론

    지표의 암석은 풍화와 침식에 의해 물리·화학적으로 분해되어 다양한 크기의 퇴적물을 하천 및 연안으로 공급하며, 이러한 퇴적물은 하도를 따라서 바다로 이동하거나 연안에서의 이동 과정을 거쳐 다양한 지형에 퇴적된다. 따라서 오래전부터 퇴적물의 이동 과정에 대한 관심과 이를 추적하는 방법에 대한 고민이 많이 이루어져 왔다. 다만. 이러한 연구 성과는 주로 부유 물질이나 세립의 퇴적물(모래 크기 이하의 퇴적물)을 중심으로 이루어져 왔으며, 조립 퇴적물(자갈)에 대한 연구는 아직까지 부족한 상황이다(Williams and Caldwell, 1988; Allan et al., 2006; Buscombe and Masselink, 2006; Bertoni et al., 2010). 반면, 퇴적물의 형태 및 입도가 다양하기 때문에 이동을 일으키는 작용이나 그 양상도 다양할 수밖에 없는데, 조립 퇴적물에 대한 연구가 부족하다면 하천 및 연안에서의 퇴적물 이동을 온전히 이해할 수는 없다.

    하천의 경우 주로 조립 퇴적물의 이동이 홍수 이벤트로 인한 많은 유량과 강한 유속이 동반될 때 이루어지기 때문에 이동 과정이 일시적인 반면, 연안의 이동은 파랑과 조석에 의해 지속적으로 이루어진다는 차이점이 있다. 따라서 본 연구에서는 지속적인 이동을 추적하기 적합한 연안 환경을 중심으로 하여 자갈 해빈에서의 자갈 이동 과정을 추적하기 위한 RFID(Radio Frequency Identifier) 기술의 적용 가능성에 대한 논의를 진행하고자 한다.

    자갈 해빈의 자갈 이동 과정의 추적 방법에 대한 기존 연구들과 최근 적용되기 시작한 RFID 기술에 대해 논하기 전에, 자갈 해빈의 자갈 이동 추적의 필요성에 대해 먼저 밝히고자 한다. 자갈 해빈은 주요한 경관 자원이지만, 그 구성 물질과 형성 과정에 대한 관심이 현재까지는 많이 부족한 상황이다(한민 등, 2012). 하지만 일부는 자갈 해빈에 대한 연구의 중요성에 대해 인지하여, 이와 관련한 선행 연구들이 이루어져 왔다. 자갈 해빈에 대한 관심은 주로 파랑 에너지의 약화와 해안 보호를 중심으로 이루어져 왔다. 자갈 해빈은 파랑 에너지를 감소시키고 범람의 가능성을 감소시켜 자연적인 해안 보호 방법으로 효율적이며(Bradbury and Powell, 1992), 이는 파랑의 공격에 안정적인 각도를 유지하고 있기 때문이라고 보았다(Allan and Komar, 2004). 또한 자갈 해빈을 구성하고 있는 조립 퇴적물은 다공질이라는 특성상 파랑 에너지를 효과적으로 소산시킬 수 있기 때문에 강한 폭풍에도 견딜 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 자갈 해빈은 최근 지구 온난화에 따른 해수면 변동과 강한 폭풍 이벤트의 빈도 증가에 대한 우려 속에서 해안 보호에 중요한 지형이라고 할 수 있으며, 기존 연구에서 인공 자갈 해빈을 통해 해안 침식을 보호하려는 방안까지도 연구되고 있다(Allan and Komar, 2004; Allan et al., 2006).

    따라서 기후 변화에 따라 경제적·학술적 가치가 증대될 것으로 예상되는 연안의 자갈 해빈을 구성하고 있는 자갈의 이동 과정에 대해 추적하는 것은 자갈 해빈의 강한 파랑에너지에 대한 반응·해안 침식 경향·인공 구조물의 영향 등 다양한 연구에 기초 자료로 필수적이라고 할 수 있다. 하지만 자갈은 모래 및 그 이하의 세립 퇴적물과 달리 입자 크기 및 형태, 자갈간의 간섭 효과 등에 의해 복잡한 이동 양상을 보이기 때문에 그 이동 과정 및 이동률을 예측하는 것은 매우 어려운 상황인 것 또한 사실이며(한민, 2013), 따라서 다양한 방법을 통해 이를 규명하기 위한 연구들이 수행되고 있는 상황이다.

    본 연구에서는 이러한 연구 배경을 바탕으로 하여, 연안에서의 조립 퇴적물 이동을 추적하기 위해 최근 자갈 해빈의 퇴적물 이동 연구에 적용되고 있는 RFID 기술의 국내에서의 적용 가능성에 대해 논하고자 한다. 국내에서는 조립 퇴적물 이동에 대한 연구가 거의 이루어지지 않았으며, 따라서 추적자 방법의 하나인 RFID 기술이 적용된 사례도 없는 실정이다. 따라서 이를 위하여 자갈의 이동 과정을 추적하기 위한 기존의 연구 방법들과, 기존 방법들의 한계를 극복하고자 최근 외국에서 적용하고 있는 RFID 기술에 대한 문헌 연구를 수행하였다. 또한 국내에서 자갈 해빈의 자갈 이동을 추적하기 위한 RFID 기술의 적용 가능성에 대한 실험을 수행하였다.

    II. 조립 퇴적물 이동 추적에 관한 논의와 RFID 기술

    조립 퇴적물의 이동 추적에 관한 논의 이전에 세립퇴적물에 적용되는 추적자 연구에 대해 간략히 소개하고자 한다. 세립 퇴적물의 이동 추적에 대한 논의는 주로 사면 침식률 평가, 현장 시스템에서의 토양 재이동 지도화 및 퇴적물 운반률 평가, 퇴적물이 연관된 오염물질 이동의 정량화, 하성·매스 무브먼트·담수·풍성 퇴적물의 기원지 결정 등의 주제들로 이루어져 왔다(Foster and Lees, 2000). 특히 세립 퇴적물에 대한 기원지 분석을 위해 fingerprinting 방법이 널리 활용되고 있으며, 이에 활용되는 추적자 속성의 범위는 색·광물·지화학 특성·자성·동위 원소·입자 크기·생물학적 속성 등으로 매우 다양하다(Foster and Lees, 2000). 이러한 fingerprinting 방법은 세립 퇴적물이 가지고 있는 여러 가지 속성을 조합하고, 통계 모델을 활용하여 타당성을 검정하는 과정을 통해 과학적으로 신뢰할만한 결과를 산출하고 있다(Foster and Lees, 2000). 특히, 하천이나 호소의 세립 퇴적물 기원지 추적 연구에서 훌륭한 성과를 나타내고 있다(Walling and Woodward, 1995; Collins et al., 1997; Collins and Walling, 2002; Kim et al., 2013; Lim et al., 2014). 반면, 해안의 세립 퇴적물에 대해서는 주로 지형 변화 측정을 통한 이동 방향 및 이동률 추정(박의준, 2001; 방현주·이광률, 2011; 김장수·장동호, 2012; 윤순옥 등, 2013; 장동호, 2014), 혹은 유공충을 이용한 이동 기원지 분석(Haslett, et al., 2000) 등의 연구가 이루어지고 있다.

    조립 퇴적물의 이동 과정을 직접적으로 추적하기 위한 추적자 연구는 19세기 말부터 시작되었고, 연안 및 해안 환경에서 적용되기 시작한 것은 1950년대 이후이다. 이후 최근으로 오면서 추적자 연구에 적용할 수 있는 기술이 다양해졌고, 따라서 관련 연구들도 증가하고 있는 추세를 보이고 있다(Sear et al., 2000; Allan et al., 2006).

    해안 조립 퇴적물 이동에 대해 논의하기 전에 이동측정의 방법이 유사한 하천 환경에서의 연구에 대해서도 언급할 필요가 있다. 하천은 상대적으로 일정한 방향(상류에서 하류)의 힘이 작용한다는 점을 제외하고는 상당 부분 해안 환경과 유사한 조립 퇴적물 거동을 나타내기 때문이다. 하천에서의 연구들은 주로 하상의 조립 퇴적물이 어떠한 에너지 하에서 이동할 수 있는지에 대한 관심이 주를 이루었다(Sear et al., 2000). 이를 위하여 하천 하상의 조립 퇴적물의 이동을 직접적으로 추적할 수 있는 추적자 연구가 많이 이루어졌다(Wilcock, 1971; Carling, 1983; Brayshaw, 1985; Hassan et al., 1991; Schmidt and Ergenzinger, 1992; Sear, 1996). 다만 본 연구에서는 서론에서 언급한 것과 같이 지속적인 조립 퇴적물의 이동을 추적하기 위한 추적자 방법으로서 RFID 기술을 적용하고자 하는 목적에 충실하도록 해안 환경을 중심으로 하여 논의를 진행하고자 한다.

    하천 환경에서의 조립 퇴적물 이동 연구와는 달리해안 환경에서의 연구는 이동을 일으키는 에너지에 대한 관심뿐만 아니라(Jolliffe, 1964; Carr, 1971; Caldwell, 1983), 이동 방향에 대해 특히 강조하는 경향을 보인다(Sear et al., 2000; Bertoni et al., 2010). 또한 이에 앞서 언급한 세립 퇴적물 이동 연구와는 다른 해안 조립 퇴적물 연구의 특징으로는 입자 크기 및 형태 효과에 대한 연구가 이루어지고 있다는 점이다(Jolliffe, 1964; Bluck, 1967; Caldwell, 1983; Buscombe and Masselink, 2006). 다만, 입자 크기효과에 대한 연구가 중점적으로 이루어지고 있으며, 현재까지는 입자 형태에 대한 관심은 부족한 상황이다(Carr, 1971; Sear et al., 2000).

    이와 같은 조립 퇴적물의 이동에 대한 연구를 수행하기 위해 추적자를 이용한 방법 이외에도 다양한 연구 방법이 시도되었는데, Trapping과 Topo-survey 방법이 대표적이다. Trapping 방법은 조립 퇴적물 이동이 발생할 만한 이벤트 전에 예상 이동 경로에 퇴적물을 수집하는 장치를 설치하고, 이벤트 이후 수집된 시료의 입도 및 특성을 분석하는 방법이다. Toposurvey 방법은 측량을 통해 조립 퇴적물의 침식 및 퇴적의 정도를 파악하는 방법이다. Trapping 방법은 퇴적물 수집 장치의 설치 비용이 비싸고 작은 규모의 지형 단위에서만 활용할 수 있으며, 공간적인 포함 범위가 좁다는 한계점이, Topo-survey 방법은 퇴적물 이동 시작에 대한 고려가 불가능하고, 연속적인 변화를 관찰하기 어렵다는 한계점이 존재한다(Sear et al., 2000). 반면 추적자를 활용한 방법은 퇴적물의 최초 위치와 이동 시점·입자 크기를 알 수 있고, 이동 과정에서의 거리와 방향·속도 등을 확인할 수 있다는 장점이 있다. 또한 추적자의 종류에 따라 비용이 달라지기 때문에, 연구 조건에 따른 추적자의 선택이 가능하다는 장점도 있다.

    조립 퇴적물에 대한 추적자 연구 방법은 크게 세 가지 종류로 구분할 수 있는데, 시각적으로 구분되는 visual 추적자·원격으로 감지는 할 수 있으나 이동 과정을 직접 확인할 수는 없는 passive 추적자·음향 혹은 무선 신호를 스스로 전송하여 위치 변화를 확인시켜주는 active 혹은 smart 추적자가 그것이다(Sear et al., 2000; Allan et al., 2006). Visual 추적자는 조립 퇴적물에 페인트를 칠하거나 기존 퇴적물과는 전혀 다른 성격의 외부 물질을 투입하여 추적자로 활용하는 방법이다. Visual 추적자를 이용한 연구는 1960-80년대를 중심으로 이루어졌으며(Jolliffe, 1964; Carr, 1971; Caldwell, 1983), Caldwell(1983)한민(2013)의 연구에서 지적한 것과 같이 페인트를 칠하는 경우에는 추적자가 매적되거나 페인트가 벗겨지게 되면 회수율이 낮아진다는 점, 외래 암석을 활용할 경우 실제 퇴적물의 특성과 다르다는 한계점이 존재한다. 하지만 비용이 매우 저렴하기 때문에 다량의 추적자를 투입한 짧은 기간에서의 연구에서는 효용이 높다고 할 수 있다.

    Active 혹은 smart 추적자는 최근에 시도되고 있는 방법이다(Bray et al., 1996). 자갈 내에 소형 전자 시스템을 내장하여 스스로 신호를 발신하도록 하는 방법으로, 회수율이 높고 자갈 해빈에서의 퇴적물 거동에 대한 정보를 직접적으로 제공해 줄 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만 추적자의 비용이 매우 비싸며, 현재까지는 전자 시스템의 소형화가 충분치 않기 때문에 퇴적물 입자 크기에 따른 적용의 한계점이 존재하는 상황이다.

    Passive 추적자는 자갈에 radio tag·알루미늄·자석·방사성 물질 등을 삽입하여 이를 감지할 수 있는 감지기를 활용하여 이동 위치를 확인하는 방법으로, active 추적자와 마찬가지로 최근에 많이 시도되고 있는 방법이다(Dornbusch et al., 2002; Allan et al., 2006; Lee et al., 2007; Curtiss et al., 2009; Bertoni et al., 2010; Dickson et al., 2011; Li and Boufadel, 2011; Miller et al., 2011). 퇴적물의 이동 과정을 실시간으로 추적할 수는 없지만, 최초 위치와 최종 위치의 차이를 통해 이동 거리 및 방향·속도 등을 추정할 수 있으며, 매적이 되어 있어도 위치를 확인할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 즉, visual 추적자의 회수율 문제를 해결하면서도 비용 부담이 상대적으로 적은 방법이라고 할 수 있다.

    이와 같은 추적자 연구 방법 중 실제 어떠한 기술을 선택하여 연구에 적용할 것인가는 다음의 사항을 고려해야 한다. 수집하기 원하는 정보의 본질이 무엇인지(이동률·이동 속도·이벤트 내 퇴적물의 이동 등), 수집하고자 하는 정보의 환경 특성이 어떠한지(연안 혹은 하천), 측정하기 위한 사항을 달성하는데 통계적인 신뢰 수준은 어느 정도 인지(추적자의 크기·회수율 등), 마지막으로 추적자 시스템을 활용하는 비용이 어느 정도인지를 판단하여 추적자 기술을 선택하여야 한다(Sear et al., 2000).

    최근의 추적자를 활용한 조립 퇴적물 이동 과정 추적 연구는 대부분 passive 추적자 연구에 집중되고 있다. 이는 앞에서도 언급한 것처럼 visual 추적자와 active 추적자의 한계점을 일부 극복한 기술이며, 지속적인 기술 발전으로 인해 적용 가능성이 확대되고 회수율이 향상되고 있기 때문이라고 할 수 있다. 또한 이동률·이동 거리·이동 속도 등 다양한 정보 수집에 적용이 가능하고 연안 및 하천 환경 어디든 적용이 가능하며, 회수율이 상대적으로 높고, 비용이 상대적으로 저렴한 기술이기 때문에 추적자 기술 적용에 장점이 높다고 할 수 있다. 따라서 미래의 자갈 해빈에서의 퇴적물 이동 추적에 적용될 기술은 visual 및 active 추적자가 일부 활용될 수 있겠지만, passive 추적자 기술이 가장 널리 활용될 것으로 판단된다.

    다양한 passive 추적자 방법에 활용되는 기술 중 RFID는 다양한 분야에서 개별 물체 식별에 널리 사용되고 있는 기술이다. 보통 기업이나 행정기관의 물자나 재고 관리·도서관 장서 관리 등에 활용되는 기술이며, 실생활 및 산업 분야뿐만 아니라 동물 개체 구분 등과 같이 환경·생물 분야에서도 활용되고 있는 기술이다. RFID 기술이 조립 퇴적물의 이동 추적에 적용되기 시작한 것은 2000년대에 들어서이며, 지속적으로 기술 개발과 적용의 확대를 위해 많은 연구가 이루어지고 있다(Nichols, 2004; Allan et al., 2006; Lee et al., 2007; Curtiss et al., 2009; Bertoni et al., 2010; Dickson et al., 2011; Miller et al., 2011; Bertoni et al., 2013). RFID 기술이 passive 추적자 중 가장 활발히 연구되고 있는 이유는 무엇보다도 개별 tag에 상이한 정보를 입력함으로써 개별 추적자를 각각 식별할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문이다.

    RFID 기술은 무선의 자동 식별 시스템으로, 다음의 세 가지 장비로 구성된다. 먼저 각 개체에 삽입되어 식별 특성을 나타내줄 수 있는 transponder(tag), 그리고 tag의 정보를 인식할 수 있는 reader, 마지막으로 tag를 추적하는 antenna이다(Nichols, 2004). RFID 방식에도 active와 passive 방식이 존재하는데, 후자의 경우가 인식 범위는 짧으나 비용이 저렴하고 별도의 전원이 필요치 않기 때문에 더욱 많이 활용되고 있다(Nichols, 2004).

    RFID 기술은 Nichols(2004)의 연구에서 하천의 조립 퇴적물에 성공적으로 적용되었으며(96%의 회수율을 기록), 이후 연안 지역의 자갈 해빈에 도입되어 활용되기 시작하였다(Allan et al., 2006; Lee et al., 2007; Curtiss et al., 2009; Bertoni et al., 2010; Dickson et al., 2011; Miller et al., 2011; Bertoni et al., 2013). 다양한 연구를 통해 RFID 기술은 기존의 페인트 추적자와 같은 visual 추적자 방법에 비해 월등하게 높은 회수율을 기록하였고, 특히 매적되어 있는 추적자를 찾아낼 수 있다는 점이 높게 평가되고 있다. 다만, tag 및 antenna의 크기에 따라 인식 거리가 달라지기 때문에, 연구 지역의 퇴적물 입도 특성 및 파랑 에너지와 퇴적물 활동층의 두께 등을 미리 파악할 필요성이 제기되기도 하였다. 최근에는 RFID tag를 수중에서 감지할 수 있을 정도로(Bertoni et al., 2010) 기술이 발달하고 있어, 해빈뿐만 아니라 연근해 환경에의 적용 가능성이 나날이 높아지고 있는 상황이다.

    RFID 기술에도 한계점이 제기되고 있는 상황이지만, 이를 극복해 나가는 기술 개발도 더불어 수행되고 있다. 일례로, tag를 투입하는 모든 추적자 연구 방법에 동일하게 적용되는 한계점인 tag 투입에 따른 무게 및 강도 감소 효과에 대해 우려하는 목소리가 제기되기도 하였다. 하지만 이를 극복하기 위해서 tag 투입 후 tag 고정 및 보호를 위한 충진 물질의 소재에 대한 고민을 통해 무게 및 강도 감소의 효과를 최소화하기 위한 연구도 수행되고 있다(Allan et al., 2006).

    III. RFID 기술의 조립 퇴적물 적용 실험

    본 연구에서는 앞서 언급한 RFID 기술을 조립 퇴적물에 적용하는 실험을 실험실 조건에서 수행하였다. tag 삽입과 추적자 준비·추적자의 인식 거리 측정 등이 제한된 환경에서 수행되었으므로, 본 연구의 결과는 실제 연구 지역에서의 RFID 기술 적용 가능성 타진을 위한 예비적 성격을 지닌다.

       1. 추적자 준비

    조립 퇴적물로서 자갈 해빈의 자갈을 추적자로 활용하기 위해 준비하였다. 자갈은 충남 태안 안면도의 방포 해빈에서 수집한 것을 대상으로 하였으며, 자갈의 세부적인 정보는 (Table 1)과 같다. 실험에 활용된 자갈은 tag를 삽입하기 위한 구멍을 뚫을 수 있을 정도의 크기에 다양한 형태를 가지도록 선정하였으며, 현장 실험이 아닌 실험실에서의 통제된 실험이기 때문에 실험 자갈은 대표적인 3개를 선택하였다.

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    ] Specification of test gravel

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    추적자 제작 과정에 대해서는 (Figure 1)과 같은 절차로 진행되었다. 선택된 자갈에 대해 장경·중경·단경·무게를 측정하였고, 전동 드릴과 이를 고정시키는 탁상용 거치대를 활용하여 지름 10mm의 구멍을 뚫었다. 천공 이후의 무게를 다시 한 번 측정하고, 이후 구멍에 RFID tag를 삽입하였다. 그리고 자갈의 구멍과 tag 사이의 빈 공간은 레진 본드를 활용하여 메웠다. 본 실험에서 레진 본드를 활용한 이유는 하천이나 연안에서 활용할 경우 자갈 입자간 충돌이 빈번하고 마식이 발생하기 때문에 이에 저항할 수 있을 정도의 강도가 보장되어야 하고, 이동 과정에서 물에 의해 운반이 이루어지기 때문에 필수적인 조건인 방수 능력을 충족하기 때문이다. 레진 본드로 충진한 이후 충분히 굳어지도록 24시간 동안 풍건하였다. 마지막으로 최종적으로 완성된 추적자에 대한 무게를 측정하였다. 추적자 제작 과정의 무게 변화 과정은 (Table 2)와 같으며, 최초 자갈 무게에서 tag 삽입 후의 무게 변화율은 1.3~2.8%가 감소하는 정도로 자갈 이동에 영향을 미칠 수준의 큰 무게 변화는 발생하지 않았다.

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    ] Weight change of test gravel to tracer

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       2. 추적자 실험 결과

    추적자의 현장 적용 가능성에 대해 평가하기 위해 추적자의 인식 범위를 측정하기 위한 실험을 설계하였다. 외국의 연구들에서 RFID 기술을 적용한 연구들이 많이 있지만, 각 연구들마다 활용한 장비가 다르기 때문에 기초 실험은 필수적이라고 할 수 있다.

    본 실험을 위해 AT-870 RFID 휴대용 리더(ATID社, 900MHz) 및 Metal RFID tag(PCB 소재의 RFID 특수 tag, 60*4mm 및 25*10mm)를 활용하였다. 인식 거리에 대한 측정은 실제 현장에서 tag가 처할 수 있는 상황을 가정하여, 단독 상태·다량의 자갈 매몰상태·담수에 잠겨있는 상태·염수(해수를 가정하여 염도 32‰의 물을 준비)에 잠겨 있는 상태의 네 가지 환경 설정을 하였다. 각각의 상태에 대해 앞서 준비한 추적자의 인식 거리를 5차례 이상 반복하여 평균값으로 인식 거리를 정하였다.

    추적자의 인식 거리 실험의 결과는 (Table 3)과 같다. 실제 tag의 인식 거리는 자갈이 단독으로 있을 때와 매몰되어 있을 때에는 큰 차이를 보이지는 않았다. 즉, 자갈이라는 매질 자체는 tag의 신호 차단 효과가 크지 않은 것으로 판단된다. 그리고 각 시료별 인식 거리 차이는 tag 특성의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 시료 1의 경우는 25*10mm 크기의 tag를 사용하였고, 시료 2와 3의 경우는 60*4mm 크기의 tag를 사용하였다. 다만, 시료 2와 3은 tag의 안테나 길이의 차이를 두어, 시료 2는 50mm, 시료 3은 60mm 길이로 tag를 활용하였다. 즉, tag에 따라서 인식 거리에 차이가 발생하며, 본 실험에서는 60mm*4mm 크기의 tag를 활용하였을 때 가장 긴 인식 거리를 확보할 수 있었다. 자갈이 물에 접촉하지 않은 상황에서의 실험 결과를 정리하면, 추적자가 단독으로 있을 때와 자갈에 매몰되어 있을 때의 인식 거리의 차이가 크지 않음을 확인하였고, 이는 추적자가 매몰되어 있더라도 tag의 인식 거리의 감소 효과는 크지 않기 때문에 자갈 해빈에서 자갈이 혼합되는 상황에서도 높은 인식률과 회수율을 보장할 수 있음을 시사한다고 할 수 있다.

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    ] Result of detecting distance

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    다음으로 하천 및 바다 환경에의 적용 가능성에 대한 실험을 위해 증류수와 염수에서의 인식 거리를 실험한 결과, 증류수의 경우 인식 효과가 50% 이상 감소하였다. 하지만 자갈 하상 중심의 상류 하천은 수심이 얕으며, 자갈이 퇴적되어 있는 point bar의 경우 평시에는 물에 잠겨있지 않기 때문에 제한적인 활용이 가능할 것으로 판단된다. 다만, 본 실험에서는 증류수를 대상으로 하였기 때문에 용해 물질이 풍부한 하천수에서는 다른 결과가 나타날 가능성이 있으며, 추가적인 현장 실험이 요구된다. 염수의 경우에는 수심 5㎝ 수준에서도 tag가 인식되지 않았다. 이는 염수의 전파 차단 효과가 크기 때문인 것으로 판단되며, 선행 연구에서도 염수에서의 인식을 위해서는 주파수 대역을 저주파수로 활용해야 측정이 가능하였음을 보고하기도 하였다(Bertoni et al., 2010). 즉, 현행 국내에서 RFID에 일반적으로 활용하고 있는 900MHz 주파수로는 염수에서는 활용이 불가능하다고 판단된다.

    추적자의 인식 거리 실험 결과를 종합해보면, 자갈자체의 인식 방해 효과는 미미하기 때문에 tag의 인식 거리만큼 매몰 깊이의 인식을 보장할 수 있으며, 따라서 하천의 point bar나 해빈의 자갈 인식에는 무리가 없을 것으로 판단된다. 담수의 경우에는 낮은 수심에서는 측정이 가능하지만, 수심이 깊어지게 되면 인식이 불가능해진다. 마지막으로 염수는 주파수의 파장 문제로 인해 인식이 불가능하다고 할 수 있다.

    IV. 국내에서의 RFID tag 추적자 적용 가능성에 대한 논의

    RFID 기술의 적용 가능성을 논할 때 가장 먼저 고려되어야 할 점이 무선 통신이라는 특성에 의해 발생하는 전파법과 주파수 문제이다. 국내의 전파법 제 9조에 따른 대한민국 주파수 분배표(미래창조과학부 고시 제2014-4호)에서의 RFID의 주파수 할당 구간은(Table 4)와 같다. Bertoni et al.(2010)의 연구에서는 활용한 RFID 주파수를 저주파(low frequency, 125-135kHz)와 고주파(high frequency, 13.56MHz)로 구분하였다. 장파의 저주파 대역은 보통 인식 거리는 짧으나 신호 감쇠가 적기 때문에 물속이나 제한된 환경에서 활용이 가능한 반면, 단파의 고주파 대역은 신호감쇠 효과가 크지만 인식 거리는 긴 특징을 보인다(Bertoni et al., 2010). 현재 국내에서 허용되고 있는 주파수 할당 구간 중 13,550-13,570kHz 구간은 상대적인 저주파의 장파 구간, 894-942MHz는 상대적인 고주파의 단파 구간이라고 볼 수 있으며, 기존 외국 연구들과는 다른 인식 거리와 신호 감쇠 효과를 보이겠지만 장파와 단파의 경향성 차이는 동일할 것이다. 따라서 항구에서만 활용하는 주파수인 430-440MHz 구간을 제외한 장파 및 단파 구간에 대해 연구 지역의 여건에 따라 적절히 주파수를 선택하여 활용할 수 있을 것이다. 다만 현재까지는 국내의 RFID 기술이 대부분 실내 환경의 재고 조사 등에서 널리 활용되고 있기 때문에 기성 제품들이 대부분 단파의 고주파 구간으로 출시되고 있는 상황이다. 하지만 이미 외국에서는 장파 저주파 구간의 제품들이 많이 출시되어 있는 상태이며, 국내에서도 더욱 다양한 분야에서 RFID 기술이 활용되고 있기 때문에 장파 저주파수를 활용한 제품도 곧 일반화 될 것이라고 본다.

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    ] RFID allocation section in frequency allocation table, Korea

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    본 연구의 실험에 활용한 장비는 단파인 900MHz 고주파를 이용하기 때문에, 물속이나 기타 제한된 환경에서의 적용에는 일부 무리가 따를 수 있다. 하지만 실험 결과와 같이 일반적인 해빈 퇴적 환경 하에서의 인식에는 큰 무리가 없을 것으로 판단되며, 추후 현장실험을 통해 이에 대해 추가적인 검증을 할 예정이다.

    RFID 기술을 현장에 적용하는데 다음으로 고려해야할 중요한 점은 바로 tag의 크기와 인식률의 문제이다. 일반적으로 tag에는 핵심부에 reader의 감지 부위가 배치되어 있는데, tag의 크기가 클수록 감지 부위를 더욱 넓게 배치할 수 있어, 인식률이 커지고 인식범위가 넓어진다. 하지만 자갈의 크기는 자갈 해빈에 따라 천차만별이다. 백령도 콩돌 해안의 경우에는 평균 입도가 매우 작은 편이지만, 거제도 학동 몽돌 해안의 경우는 평균 입도가 상대적으로 큰 편이다. 경주에서 울산에 이르는 자갈 해빈 연속체의 경우 자갈 해빈의 입도가 북쪽에서 남쪽으로 갈수록 작아지는 경향도 보인다. 따라서 tag의 선택에 있어서 무엇보다 해당연구 지역의 자갈 평균 입도를 확인하고 자갈에 삽입할 tag의 크기를 결정해야 한다.

    그리고 tag 선택에 있어서 또 하나 고려해야할 점은 tag의 강도 문제이다. 기본적으로 tag를 자갈에 삽입하고 다양한 고화제를 활용하여 나머지 부분을 메우는 방식으로 tag를 보호하지만, tag 자체의 강도도 보장되어야 한다. 실제 천해 환경에서의 자갈은 지속적으로 입자 간 충격으로 인해 tag에 손상이 갈 수 있기 때문이다.

    따라서 tag의 크기와 강도에 대한 고려를 통해 현장에 적용해야 할 것이다. 본 연구의 실험에서는 자갈입도에 따른 적절한 크기의 tag를 삽입하였으며, 특수 PCB Metal tag 및 레진 본드를 충진 물질로 활용하여 강도 및 방수의 문제를 해결하였다. 비록 실제 자갈 해빈에서의 강도 실험이 진행되지는 않았지만, 직접적인 충격에도 tag가 충분히 보호될 것으로 판단된다.

    마지막으로 고려해야할 부분이 비용 문제라고 할 수 있다. 다른 특수 기술에 비해서 RFID 기술이 비용이 매우 많이 드는 기술은 아니며, reader와 antenna·tag·tag에 정보를 기록할 encoder로 하나의 시스템을 구성할 수 있다. Nichols(2004)Allan et al.(2006)은 연구 방법에서 본인들의 연구를 위해 활용한 RFID 시스템의 도입 가격을 상세히 밝히고 있다. 앞서의 논의를 통해서 현재 판매되고 있는 기존 제품을 활용할 수 있는 가능성에 대해 밝혔는데, 이는 비용 문제와도 직결되는 부분이다. 실제 자갈 해빈에 적용하기 위한 특수 reader와 antenna·tag를 직접 개발하게 되면, 특수한 목적으로 활용되기 때문에 수요가 많지 않아 상업적으로 높은 가치가 있다고 할 수 없다. 따라서 그 개발 비용은 매우 커질 수밖에 없다. 또한 비록 외국에서 RFID 제품이 많이 출시되어 있지만, 이는 국내의 주파수와 다를 수 있기 때문에 그대로 도입할 수 없다는 한계도 존재한다. 따라서 국내의 기성 상용 제품을 활용할 수 있어야만 현재 상태에서의 적용 가능성이 있다고 말할 수 있다.

    본 연구에서는 국내에서 판매되고 있는 기성 제품을 활용하여 적용 가능성 실험을 진행하였다. 하나의 RFID 시스템을 갖추는 데 필요한 비용은 대략 600만원 내외이며, tag는 소모품으로 개별 단가가 1만 원 이하이기 때문에 지속적인 구매가 가능하다. 본 실험을 통해 기성 제품을 통해서도 의미 있는 실험 결과를 획득할 수 있었기 때문에, RFID 기술은 국내 자갈 해빈의 퇴적물 이동 추적에서 가격 대비 효용성이 충분히 높다고 할 수 있다.

    Sear et al.(2000)은 추적자 기반 연구를 진행할 때 고려해야 할 속성으로 7가지를 제시하였다. 첫째, 그 지역의 퇴적물을 대표할 수 있는 대표성, 둘째, 높은 비율의 회수가능성, 셋째, 추적자의 수명이 연구 목적에 부합할 정도로 유지될 수 있는 지속성, 넷째, 마모·충격 등에 저항할 수 있는 내구성, 다섯째, 개별 추적자가 명확히 식별될 수 있는 독자성, 여섯째, 제작이 단순하고 대체될 수 있는 복제성, 마지막으로, 추적자를 통해 얻는 정보와 비용간의 경제성이 그것이다. 본 연구에서의 실험을 통해 RFID 기술은 실제 조립 퇴적물에 tag를 삽입하여 지역 퇴적물을 대표할 수 있고 높은 회수율을 보장하며, tag는 반영구적인 수명과 강한 내구성이 확보되어 있음을 확인하였다. 또한 개별 tag들이 고유의 식별 번호가 부여되고 추가적으로 tag를 제작하여 투입하는데 어려움이 없으며, 이러한 시스템을 구성 및 활용하는 비용이 과도하지 않은 경제성도 갖추고 있음을 확인하였다. 따라서 RFID 시스템을 활용하여 연안의 자갈 해빈 조립 퇴적물의 이동 과정에 대해 직접적인 추적이 가능하며, 그 효과 또한 매우 높을 것이라고 판단된다.

    RFID 기술이 이미 하천 및 연안 조립 퇴적물 이동을 추적하는데 이용되고 있는 외국에 비해 국내에서는 현재까지도 도입에 대한 논의조차 시도되지 못한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 조립 퇴적물의 이동 추적을 위한 RFID 기술의 적용 가능성에 대해 자갈해빈을 중심으로 하여 논의를 해보고자 하였다. 실험을 통해서 기술적인 가능성에 대해서 확인을 하였고, 이를 바탕으로 국내의 법적인 문제를 비롯한 여러 가지 제한점들을 해소하는 논의를 진행하였다. 본 연구에서는 실제 현장에서의 적용 이후의 결과에 대해는 제시하지 못하였기 때문에 한계점을 가지지만, RFID 기술을 현장에 적용하기 전에 고려해야 할 사항에 대해 충분한 논의를 진행하였다는 점에서 의의를 가진다고 할 수 있다. 기술 적용 시 고려해야 할 주파수·tag의 크기를 비롯하여 현실적인 비용 문제까지도 모두 다뤘으며, 이를 통해 국내의 기존 상용 RFID 시스템을 통해서도 자갈 해빈의 자갈 이동 추적이 가능함을 확인하였다.

    다만 본 연구의 한계점으로는 실제 현장에서의 실험을 통한 검증이 부족하다는 점과 다양한 암질의 자갈에 대한 실험을 하지 못한 점을 들 수 있다. 하지만 현재 하천 및 해안에서의 조립 퇴적물 이동 추적에 대한 연구가 전무한 상황에서, 외국에서 활용되고 있는 RFID 기술의 적용 가능성에 대한 논의를 문헌 연구와 실험·법률 및 비용 문제들을 모두 고려하여 진행하였다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있다. 추후 연구를 통하여 실제 현장에서의 적용과 다양한 지역에서의 자갈 이동 추적을 통해 한계점들을 보완하도록 하겠다.

    V. 결 론

    본 연구는 조립 퇴적물 이동을 직접적으로 추적하기 위한 방안으로 최근에 외국에서 활발히 연구되고 있는 RFID 기술을 국내 연구에 적용하기 위한 가능성을 확인하는 것을 목적으로 하였다. 외국에서 연구되고 있는 추적자 기술은 visual·passive·active 추적자로 구분할 수 있으며, 이의 활용 가능성에 대한 연구들이 지속적으로 이루어지고 있다. 특히 최근에는 passive 방식인 RFID 기술이 높은 회수율을 보장하고 비용이 상대적으로 저렴하기 때문에, 이를 중심으로 한 연구가 활발히 시도되고 있다.

    반면, 국내에서는 자갈의 이동 과정을 추적하고자 한 연구가 거의 전무한 실정이며, 따라서 국내 RFID 기술의 도입 가능성을 확인하고자 상용 제품을 이용하여 실험을 실시하였다. RFID tag를 삽입한 자갈 추적자를 준비하였고, 해안 환경을 가정하여 단독으로 놓인 상태·다량의 자갈 속에 매몰된 상태·증류수에 잠긴 상태·염수에 잠긴 상태에서의 추적자 인식 거리를 측정하였다.

    실험 결과, 추적자가 단독으로 놓인 상태 및 다량의 자갈 속에 매몰된 상태에서는 인식 거리가 최소 10cm에서 최대 70cm 정도까지 현장에서 활용할 수 있을 정도로 측정되었다. 또한 자갈로 매몰되어 있는 상태에서도 단독으로 놓인 상태와 큰 인식 거리 차이가 발생하지 않음을 확인하여, 자갈 해빈과 같이 퇴적물의 혼합이 활발한 환경에서의 추적자 적용이 가능함을 확인하였다. 반면, 증류수 및 염수에서는 매우 낮은 인식 거리 혹은 인식 불가의 결과를 얻었는데, 이는 단파의 고주파 장비를 활용한 본 실험의 한계라고 판단된다.

    외국의 연구 사례들과 본 연구에서의 실험을 통해 국내에서 RFID 기술을 적용하여 자갈 해빈에서의 퇴적물 이동 추적이 가능함을 확인하였다. 그 근거로는 장파 및 단파 주파수의 RFID 기술을 활용할 수 있다는 점·tag의 크기와 인식률 면에서는 잔자갈 수준을 제외하고는 자갈에 직접적으로 tag를 삽입할 수 있고 그 인식 거리가 현장에서 충분히 측정이 가능한 수준을 확보하였다는 점·비용 대비 효용성면에서도 상용제품을 활용할 수 있기 때문에 많은 비용이 들지 않는다는 점 등이 적용 가능성을 높이는 장점이라고 할 수 있다.

    본 연구의 한계점으로 실제 현장에서의 인식 거리 실험을 수행하지 못한 점, 다양한 암질의 자갈을 이용해 실험하지 못한 점을 들 수 있다. 하지만 이는 이후의 연구를 통해서 보완할 예정이며, 이를 통해 더욱 RFID 기술의 적용 가능성이 확대될 수 있을 것이다.

    • 1. 김 장수, 장 동호 2012 “안면도 할미섬 주변의 침식·퇴적환경 변화 분석” [한국지형학회지] Vol.19 P.123-132 google
    • 2. 박 의준 2001 “표층 퇴적물 분석을 통한 조간대 지역 퇴적환경 고찰” [한국지형학회지] Vol.8 P.15-26 google
    • 3. 방 현주, 이 광률 2011 “영덕 고래불 모래해안의 지형 특성과 변화” [한국지형학회지] Vol.18 P.83-92 google
    • 4. 윤 순옥, 전 청균, 황 상일 2013 “지상라이다의 고해상도 DEM을 이용한 울진 진복리 사빈 변화 분석” [대한지리학회지] Vol.48 P.321-335 google
    • 5. 장 동호 2014 “안면도 바람아래해수욕장 주변의 동계지형 변화 및 퇴적환경 특성 분석” [한국지형학회지] Vol.21 P.95-109 google
    • 6. 한 민, 최 재영, 배 라영, 정 진미, 이 화정, 최 광희 2012 “안면도 방포 자갈해빈의 지형 및 퇴적 특성” [지리교육논집] Vol.56 P.31-42 google
    • 7. 한 민 2013 울산 강동 자갈 해빈의 단면 변화 및 퇴적상 google
    • 8. Allan J.C., Komar P.D. 2004 “Environmentally compatible cobble berm and artificial dune for shore protection” [Shore Beach] Vol.72 P.9-18 google
    • 9. Allan J.C., Hart R., Tranquili J.V. 2006 “The use of Passive Integrated Transponder (PIT) tags to trace cobble transport in a mixed sand-andgravel beach on the high-energy Oregon coast, USA” [Marine Geology] Vol.232 P.63-86 google doi
    • 10. Bertoni D., Sarti G., Benelli G., Pozzebon A., Raguseo G. 2010 “Radio Frequency Identification (RFID) technology applied to the definition of underwater and subaerial coarse sediment movement” [Sedimentary Geology] Vol.228 P.140-150 google doi
    • 11. Bertoni D., Grottoli E., Ciavola P., Sarti G., Benelli G., Pozzebon A. 2013 “On the displacement of marked pebbles on two coarseclastic beaches during short fair-weather periods (Marina di Pisa and Portonovo, Italy)” [Geo-Marine Letters] Vol.33 P.463-476 google doi
    • 12. Bluck B. J. 1967 “Sedimentation of beach gravels: examples from South Wales” [Journal of Sedimentary Petrology] Vol.37 P.128-156 google
    • 13. Bradbury A.P., Powell K.A. 1992 “The short term response of shingle spits to storm wave action” [Coastal Engineering Proceedings] Vol.23 P.2694-2707 google
    • 14. Bray M.J., Workman M., Smith J., Pope D. 1996 “Field measurements of shingle transport using electronic tracers” [Proceedings of the 31st MAFF Conference of River and Coastal Engineers] P.10.4.1-10.4.13 google
    • 15. Brayshaw A.C. 1985 “Bed microtopography and entrainment thresholds in gravel-bed streams” [Geological Society of America Bulletin] Vol.96 P.218-223 google
    • 16. Buscombe D., Masselink G. 2006 “Concepts in gravel beach dynamics” [Earth-Science Reviews] Vol.79 P.33-52 google doi
    • 17. Caldwell N.E. 1983 Using tracers to assess size and shape sorting processes on a pebble beach [Proceedings of the Geologists’ Association] P.86-90 google
    • 18. Carling P.A. 1983 “The threshold of coarse sediment transport in broad and narrow natural streams” [Earth Surface Processes and Landforms] Vol.8 P.1-18 google doi
    • 19. Carr A.P. 1971 “Experiments on longshore transport and sorting of pebbles: Chesil Beach, England” [Journal of Sedimentary Petrology] Vol.41 P.1084-1104 google
    • 20. Collins A., Walling D. 2002 “Selecting fingerprint properties for discriminating potential suspended sediment sources in river basins” [Journal of Hydrology] Vol.261 P.218-244 google doi
    • 21. Collins A., Walling D., Leeks G. 1997 “Use of the geochemical record preserved in floodplain deposits to reconstruct recent changes in river basin sediment sources” [Geomorphology] Vol.19 P.151-167 google doi
    • 22. Curtiss G.M., Osborne P.D., Horner-Devine A.R. 2009 “Seasonal patterns of coarse sediment transport on a mixed sand and gravel beach due to vessel wakes, wind waves, and tidal currents” [Marine Geology] Vol.259 P.73-85 google doi
    • 23. Dickson M.E., Kench P.S., Kantor M.S. 2011 “Longshore transport of cobbles on a mixed sand and gravel beach, southern Hawke Bay, New Zealand” [Marine Geology] Vol.287 P.31-42 google doi
    • 24. Dornbusch U., Williams R.B.G., Moses C., Robinson D.A. 2002 “Life expectancy of shingle beaches: measuring in situ abrasion” [Journal of Coastal Research] Vol.36 P.249-255 google
    • 25. Foster I.D.L., Lees J.A. 2000 Tracers in geomorphology: theory and applications in tracing fine particulate sediments, In: Foster, I.D.L. (Ed.), Tracers in Geomorphology P.3-20 google
    • 26. Haslett S.K., Bryant E.A., Curr R.H.F. 2000 Tracing beach sand provenance and transport using foraminifera: preliminary examples from north-west Europe and south-east Australia, In: Foster, I.D.L. (Ed.), Tracers in Geomorphology P.437-452 google
    • 27. Hassan M.A., Church M., Schick A.P. 1991 “Distance of movement of coarse particles in gravel bed streams” [Water Resources Research] Vol.27 P.503-511 google doi
    • 28. Jolliffe I.P. 1964 “An experiment designed to compare the relative rates of movement of different sizes of beach pebbles” [Proceedings of the Geologists’ Association] P.67-86 google
    • 29. Kim J.K., Onda Y., Yang D.Y., Kim M.S. 2013 “Temporal variations of reservoir sediment sources in a small mountainous catchment in Korea” [Earth Surface Processes and Landforms] Vol.38 P.1380-1392 google
    • 30. Lee M.W.E., Sear D.A., Atkinson P.M., Collins M.B., Oakey R.J. 2007 “Number of tracers required for the measurement of longshore transport distance on a shingle beach” [Marine Geology] Vol.240 P.57-63 google doi
    • 31. Li H., Boufadel M.C. 2011 “A tracer study in an Alaskan gravel beach and its implications on the persistence of the Exxon Valdez oil” [Marine Pollution Bulletin] Vol.62 P.1261-1269 google doi
    • 32. Lim Y.S., Kim J.K., Kim J.W., Hong S.S. 2014 “Evaluation of suspended-sediment sources in the Yeongsan River using Cs-137 after major human impacts” [Quaternary International] google doi
    • 33. Miller I.M., Warrick J.A., Morgan C. 2011 “Observations of coarse sediment movements on the mixed beach of the Elwha Delta, Washington” [Marine Geology] Vol.282 P.201-214 google doi
    • 34. Nichols M.H. 2004 “A radio frequency identification system for monitoring coarse sediment particle displacement” [Applied Engineering in Agriculture] Vol.20 P.783-787 google doi
    • 35. Schmidt K.-H., Ergenzinger P. 1992 “Bedload entrainment, travel lengths, step lengths, rest periods - studied with passive (iron, magnetic) and active (radio) tracer techniques” [Earth Surface Processes and Landforms] Vol.17 P.147-165 google doi
    • 36. Sear D.A. 1996 “Sediment transport processes in poolriffle sequences” [Earth Surface Processes and Landforms] Vol.21 P.241-262 google
    • 37. Sear D.A., Lee M.W.E., Oakey R.J., Carling P.A., Collins M.B. 2000 Coarse sediment tracing technology in littoral and fluvial environments: a review, In: Foster, I.D.L. (Ed.), Tracers in Geomorphology P.21-55 google
    • 38. Walling D., Woodward J. 1995 “Tracing sources of suspended sediment in river basins: a case study of the River Culm, Devon, UK” [Marine and Freshwater Research] Vol.46 P.327-336 google
    • 39. Wilcock D.N. 1971 “Investigation into relations between bedload transport and channel shape [Geological Society of America Bulletin”] Vol.82 P.2159-2176 google
    • 40. Williams A.T., Caldwell N.E. 1988 “Particle size and shape in pebble-beach sedimentation” [Marine Geology] Vol.82 P.199-215 google doi
    • 41. Zingg T. 1935 “Beitrag zur Schotteranalyse: Schweiz” [Min. u. Pet. Mit.] Vol.15 P.39-140 google
    • [<Table 1>] Specification of test gravel
      Specification of test gravel
    • [<Figure 1>] Procedure of tracer preparing
      Procedure of tracer preparing
    • [<Table 2>] Weight change of test gravel to tracer
      Weight change of test gravel to tracer
    • [<Table 3>] Result of detecting distance
      Result of detecting distance
    • [<Table 4>] RFID allocation section in frequency allocation table, Korea
      RFID allocation section in frequency allocation table, Korea