토마토 모니터링 로봇을 위한 분광 스펙트럼 비교 특성 연구

이재은 ( Jae-eun Lee ),조병효 ( Byeong-hyo Cho ),이성민 ( Seongmin Lee ),이강진 ( Kangjin Lee ),양창주 ( Changju Yang ),홍영기 ( Youngki Homg ),김경철 ( Kyoung-chul Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

토마토는 우리나라 온실의 11% 이상에서 재배되는 대표적인 과채류로서 유럽종의 도입으로 연중재배되면서 지속적인 노동력을 필요로 하고 있다. 그러나 농업인구의 감소와 고령화는 토마토 생산에 어려움을 주고 있어 자동화와 로봇화에 대한 관심도 증가하고 있다. 이와 관련하여 최근에는 온실의 수경재배 과채류에 대한 모니터링, 수확 자동화를 위한 과실인식의 방편으로 분광분석법이나 초분광 영상 분석 기술이 도입되고 있다. 그러나 장치에 사용되는 단색기나 센서 등의 차이에도 불구하고 측정 스펙트럼이 동일할 것이라고 생각한다. 이 연구에서는 분광광도계의 스펙트럼과 초분광영상에서 추출한 스펙트럼의 차이를 분석하여 스펙트럼 데이터의 범용성에 대해 검토하고자 하였다. 실험에는 국립농업과학원(전라북도 완주군) 첨단디지털온실에서 무작위로 총 12개의 토마토를 수확하여 사용하였다. 시료의 분광스펙트럼은 400-1,700 nm 영역에서 SolidSpec-3700i (SHIMADZU CORPORATION, Japan)을 사용하여 획득하였고, 초분광 영상은 400-1,000 nm 영역에서 SPECIM IQ (SPECIM, Oulu, Finland)와 VNIR Hyperspec(Headwall Photonics Inc., Fitchburg, MA, USA)을 사용하여 획득하였다. 분광스펙트럼과 초분광 영상에서 추출한 스펙트럼 데이터의 특성을 비교하기 위해 Python 기반의 스펙트럼 상관 분석을 수행하였다. 그 결과, 장치간의 스펙트럼에도 일부 파장대역에서는 유사도가 떨어짐을 알 수 있었다. 향후 스펙트럼간의 보정을 통해 장치간의 호환성과 범용성을 높이고 취득한 분광 영상의 로봇 활용성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.

비파괴성 측정기술을 이용한 한약자원식물의 종자특성평가

강영민,이가연,민지윤,문병철 경상대학교 농업생명과학연구원 2015 농업생명과학연구 Vol.49 No.5

한약재는 전초, 잎, 뿌리, 종자, 열매 등 다양한 부위가 약용부위로 활용되고 있다. 우수한 한약재를 안정적으로 생산하기 위해서는 종자의 특성 분석 및 발아율 검증을 통해 우량종자를 선발하고 발아율을 향상시키는 것이 매우 중요 하다. 특히 한약자원식물의 종자는 다른 작물종자와 비교하면 모양과 크기 및 내·외부 형태적 특징이 매우 다양하다. 본 연구에서는 비파괴측정기술인 광학현미경(Light microscopy) 와 X-선 회절분석법(X-Ray Diffractometer)을 이용하여 한약자원식물의 종자의 내·외부 특성을 평가 하여 건전종자를 파악하였고, 분광분석법(Hyperspectral system)을 이용하여 종자의 발아율을 예측 하 였다. 23개의 한약자원식물 종자를 대상으로 외부형태(길이와 폭)와 내부형태를 관찰하여, 배(Embryo) 의 상태가 건전한지 파악하였다. 종자표면이 거칠고 입체적인 표면을 가진 종자를 제외하고, 대부분의 종자들은 건전성 여부가 파악되었다. 한약재 내복자(萊菔子, Raphanus seed)로 사용되는 무(Raphanus sativus L.)종자를 선정하여, 192개의 종자를 임의적으로 선발한 후 국제종자검정협회(ISTA) 규정에 따 라 발아율 실험을 실시하였다. 총 192립의 종자 중 150립의 종자가 발아하였고, 42립의 종자가 발아되 지 않았으며, 이것을 바탕으로 발아 종자와 비발아 종자의 예측가능 모델 스펙트럼의 자료를 확보하여 최적 모델개발에 적용하였다. 발아측정모델을 만들기 위해서 근적외선 분광분석기(FT-NIR), 단파 적외 선 초분광기(SWIR) 및 가시/근적외선 초분광기(Vis/NIR)를 이용하여 발아 유무를 예측한 결과, 가시/ 근적외선 초분광기(Vis/NIR)를 이용한 분석 결과(Accuracy=90%)가 단파 적외선 초분광기(SWIR) 분석 결과(Accuracy=71%) 및 근적외선 분광분석기(FT-NIR) 분석결과(Accuracy=85%)보다 예측율이 높았 다. 본 결과를 바탕으로 한약자원식물 종자의 특성를 평가하고, 발아율을 예측하여 건전종자 및 우량종 자를 선발하는 기술로 활용이 가능하리라 사료된다. Korean herbal medicines have been used for various medicinal parts such as whole plants, leaves, roots, seeds, fruits etc. In order to produce a good quality of products for Korean herbal medicines, it is necessary to make conditions for superior selection and germination of seeds through the seed property and seed verification. Particularly, the seeds of Korean medicinal plants vary greatly in size and shape, and internal/external morphological features, unlike vegetable seeds. In this study, the non-destructive measurement technique using Light microscopy and X-ray diffractometer was evaluated the internal/external properties of the seeds determining the sound of the medicinal plant seeds in Korean herbal medicines but also using hyperspectral system was predicted for the germination rate. 23 different seeds of Korean medicinal plants were examined for the status of internal and external length to target the seeds inside the state of embryo weather a sound grasp. Except for the seeds with a rough and three-dimensional complex surface, most of the seeds are whether health was identified. By selecting medicinal plant(Raphanus sativus L.) seeds used as a Korean herbal medicine, 192 randomly selected seeds were carried out in accordance with the ISTA(International Seed Test Association) rules for seed germination test. From a total of 192 samples, 150 samples were sprouted and 42 samples were not germinated. Based on these results, a total of 82 spectra germination has been confirmed germination and non-germination samples were applied to develop the optimum model. To make the germination measurement model, SWIR(Short Wave Infrared Ray), Vis/NIR(Visible/ Near Infrared Ray), and FT-NIR(Fourier Transform - Near Infrared Ray) were used to predict of isible germination. As the results, Vis/NIR predictive analysis(Accuracy= 90%) had higher accuracy than SWIR predictive analysis(Accuracy= 71%) and FT-NIR predictive analysis(Accuracy= 85%). Based on results in the seeds of Korean herbal medicines using non-deductive measurement techniques, it was provided prediction information about characteristics evaluation and germination for healthy and superior seeds.

1 torr 이하 압력에서 레이저 유도 플라즈마 분광 분석법의 원격 검출 연구

이강재,최수진,여재익 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

레이저 유도 플라즈마 분광 분석법은 레이저 조사 시 발생하는 플라즈마를 이용하여 물질의 구성성분을 분석하는 방법이다. 이 분석법은 화성 탐사를 위한 연구로 최근까지 활발하게 진행되어 왔으나, 달 탐사에는 적용된 사례가 없었다. 본 연구에서는 원거리 저압 환경이 분광 분석법에 미치는 영향을 이해하고 달 탐사에 적합한지 여부를 확인하기 위해 원거리 레이저 유도 플라즈마 분광 분석법을 이용하였다. 원거리 레이저 유도 플라즈마 분광 분석 시스템으로 7.2 미터의 거리에서 알루미늄 샘플 및 4 종류의 지화학 표준 물질(화강 섬록암, 석영 레타이트, 퇴적암, 휘록암)을 진공 챔버 내 저압 환경에서 압력 별로 측정하였다. Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) uses plasma light to analyze the consisting elements of a target substance. A stand-off LIBS technique is introduced in order to analyze the effect of low pressurized stand-off condition with various geochemical reference materials. We applied the system at stand-off distances of 7.2 meters inside a vacuum chamber with aluminum and four geochemical samples, namely Granodiorite, Quartz Latite, Shale-Cody and Diabase, which are known key samples when conducting the planetary exploration via the spectroscopic technique.

레이저 분광법을 활용한 토양 2차원 화학적 분포도 검출 연구

양준호(Jun-Ho Yang),여재익(Jai-Ick Yoh) 한국항공우주학회 2017 韓國航空宇宙學會誌 Vol.45 No.6

높은 에너지의 레이저가 조사되면 레이저 삭마 현상을 일으키고, 결과적으로 플라즈마가 물질에 따라 특정한 파장의 빛을 방출하는 레이저 유도 파괴 분광법(LIBS, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)과 빛은 산란 현상에 대해 분자 간 혹은 분자 내의회전 및 진동 운동을 측정하는 라만 분광법은 높은 정확도와 실시간 분석이 가능하다는 점, 원거리 검출이 가능하다는 장점들을 기반으로 우주 탐사 기술로써 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 레이저 분광법을 활용하여 토양 성분의 변화에 따른 레이저 스펙트럼의 경향성을 파악하고, 이를 기반으로 2차원 화학적 분포도 실험을 진행하였다. 또한 화성(4-7 torr)과 달의 대기( <1 torr) 환경을 레이저 실험 환경 내에 구축하여 인공적인 우주 환경에서 LIBS와 라만 분광법을 활용하여 토양 성분의 변화에 따른 LIBS와 라만 분광법을 통한 계측이 가능함을 증명하였다. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) which a plasma is irradiated at a specific wavelength depending on the material when a high-energy laser is irradiated, and a Raman spectroscopy which measures rotation and vibration in molecules as light-scattering phenomenon occurs, are attracting attention as a space exploration technology because of the advantages of high accuracy and real-time analysis, and the ability to perform long-range detection. In this study, the tendency of the laser spectrum according to the change of the soil component was analyzed by laser spectroscopy and the two - dimensional chemical distribution was conducted based on the trend of laser spectrum. We have also established the environment of Mars (4-7 torr) and lunar atmosphere (<1 torr) in experimental setup, to prove that it is possible to measure by difference of soil chemical composition using LIBS and Raman spectroscopy even in artificial space environment.

근적외 분광분석법을 응용한 사과의 유리산 함량 측정

손미령,조래광,Sohn, Mi-Ryeong,Cho, Rae-Kwang 한국응용생명화학회 1998 Applied Biological Chemistry (Appl Biol Chem) Vol.33 No.2

근적외 분광분석법으로 사과의 유리산 함량을 비파괴적으로 측정함에 있어서 사과 착즙액의 갈변에 의한 영향은 있었으나 실활처리 및 적정 알칼리액 농도는 측정 정확도에 영향을 주지 않았다. 수확기 사과의 유리산 함량은 수확 시기를 달리한 시료로 작성한 검량식을 사용하여 측정하였는데 중회귀분석 결과, 중상관계수(R)는 0.77이었고 측정오차(SEP)는 0.03%이었다. 저장 중인 사과의 유리산 함량은 저장하여 유리산 함량폭이 넓은 시료로 작성한 검량식을 사용하여 측정하였으며 그 결과 R은 0.90, SEP는 약 0.04%이었다. 근적외 분광분석법을 응용하여 사과 중의 유리산 함량을 정확히 정량하기는 다소 미흡하나 높은 산 함량치와 낮은 산 함량치를 가지는 사과로 분류하는 것은 가능한 것으로 판단되었다. In non-destructive evaluation of free acid content in apples by near- infrared spectroscopy(NIRS), browning and heat treatment of squeezed apple juice affected to the accuracy but titrable alkali concentration did not. The free acid content in apples after harvest was able to determine using different apples in harvest time for calibration making. The result of MLR, multiple correlation coefficient(R) was 0.77 and standard error of prediction(SEP) was 0.03%. The free acid content in apples during storage was able to determine using calibration equation established with stored apples, R was 0.90 and SEP was ca. 0.04%. The prediction accuracy by LAIR was not sufficient for use of quantitative analysis of free acid content in apple, but classification of law and high level in acid content was supposed to be applicable.

근적외선 분광 기술을 이용한 토양 이화학적 성분 예측 모델의 검증 및 평가

강세민 ( Se-min Kang ),공리현 ( Li-hyeon Gong ),김민지 ( Min-jee Kim ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ),이동준 ( Dongjun Lee ),모창연 ( Changyeun Mo ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

표토는 지구의 생물학적 토양 활동이 이루어지는 장소이자 중요한 환경 분야의 자원으로써 식량 및 에너지 생산, 수자원 보호 등 다양한 공익적 기능을 지니고 있다. 표토의 효율적인 활용을 위해서는 정기적인 모니터링을 통한 표토 상태의 측정 및 예측이 필요하며, 최근에는 가시·근적외선 분광법을 이용하여 비파괴적인 방법으로 신속하게 토양의 정성·정량적 분석을 하려는 연구가 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 빅데이터 기반 표토 환경 예측 기술 개발을 위해 가시·근적외선 분광법을 이용하여 표토 성분 예측 모델을 제시하고자 한다. 구체적으로 수변 및 상수원 보호 구역에서 채취한 토양 시료의 가시·근적외선 분광 스펙트럼과 표토의 이화학적 성분 값의 상관관계를 파악하고 다양한 스펙트럼 전처리 기법을 적용하여 전처리별 모델의 성능을 평가한다. 실험에 사용된 토양은 4대강 유역의 수변 및 상수원 보호 구역에서 채취하여 총 138개 토양 시료의 반사 스펙트럼을 측정하였다. 반사 스펙트럼은 470-2,500nm 파장 범위에서 측정하였으며, 부분 최소 제곱 분석(Partial Least Squares; PLS)은 토양의 이화학적 성분인 토양유기물(SOM)과 유기탄소량(Corg) 예측을 위해 사용하였다. 토양 성분 예측 모델의 정확도를 향상하고자 스펙트럼 데이터는 평활화, 1차 미분, 2차 미분, 정규화, MSC, SNV 등 데이터 전처리 기법을 적용하여 비교 분석하였다. 본 실험을 통해 표토의 스펙트럼 특성을 파악하고 근적외선 분광법을 이용하여 토양의 이화학적 특성을 예측할 수 있음을 확인하였으며, 향후 표토 환경 관련 다양한 연구 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.

타원 편광 분석법에 의한 Al$_{0.21}$Ga$_{0.79}$N 박막의 결정구조와 광학적 특성

김대중,최용대 한국물리학회 2017 New Physics: Sae Mulli Vol.67 No.8

An Al$_{0.21}$Ga$_{0.79}$N film was grown on (0001) sapphire substrates by using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). The crystallinity of the grown Al$_{0.21}$Ga$_{0.79}$N film was investigated using X-ray diffraction (XRD) patterns, and the surfaces and the chemical properties of the Al$_{0.21}$Ga$_{0.79}$N film were investigated by using atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. The optical properties of the Al$_{0.21}$Ga$_{0.79}$N film were investigated in a wide photon energy range between 2.0 $\sim$ 8.7 eV by using spectroscopic ellipsometry (SE) at room temperature. The data obtained by using SE were analyzed to find the critical points of the pseudodielectric function spectra, $<\varepsilon(E)>$ = $<\varepsilon_1(E)>$ + $i<\varepsilon_2(E)>$. In addition, the second derivative spectra, $d^2 <\varepsilon(E)>/ dE^2$, of the pseudodielectric function of the Al$_{0.21}$Ga$_{0.79}$N film were numerically calculated to determine the critical structures (CP), such as the $E_0$, $E_1$, and $E_2$ structures. Al$_{0.21}$Ga$_{0.79}$N 박막은 유기 금속 화학 증착법 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)을 이용하여 사파이어 (0001) 기판 위에 GaN 박막을 먼저 성장한 다음 성장시켰다. 성장된 박막은 결정구조를 알아보기 위하여 엑스선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 패턴을 이용하였고, 박막의 표면 상태를 알아보기 위하여 원자간력 현미경 (atomic force microscopy, AFM)을 사용하여 측정하였다. 또한 박막의 화학성분과 결합상태는 엑스선 광전자 분광 분석기 (X-­ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 이용하여 알아보았다. 박막의 광학적 특성인 유사유전함수는 분광학적 타원 편광 분석법 (spectroscopic ellipsometry, SE)을 사용하여 실온에서 2.0 $\sim$ 8.7 eV 포톤에너지 범위에서 측정되었다. 타원 편광 분석법으로 획득된 데이터들은 유사유전함수 스펙트럼 $<\varepsilon(E)>$ = $<\varepsilon_1(E)> + i<\varepsilon_2(E)>$에 나타난 $E_0$, $E_1$, 그리고 $E_2$와 같은 임계점 구조에 대하여 연구하였다. 아울러, 각각의 임계점 피크들은 타원 편광 분석법을 이용하여 획득된 데이터의 이계도함수를 이용하여 구하였다.

레이저 유도 플라즈마 분광 분석법을 이용한 지화학 표준 물질의 원격 검출 연구

이강재,최수진,여재익 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

레이저 유도 플라즈마 분광 분석법은 레이저 조사 시 발생하는 플라즈마를 이용하여 물질의 구성 성분을 분석하는 방법이다. 본 연구에서는 다양한 지화학 표준 물질을 원거리에서 분석하기 위해 원거리 레이저 유도 플라즈마 분광 분석법을 이용하였다. 원거리 레이저 유도 플라즈마 분광 분석 시스템으로 0.38 ~ 0.7 미터의 거리에서 알루미늄 샘플을 거리 별로 측정하였고, 0.7 미터의 거리에서 행성 탐사에 중요한 4 종류의 지화학 표준 물질(화강 섬록암, 석영 레타이트, 퇴적암, 휘록암)을 레이저 에너지 별로 분석하였다. Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) uses plasma light to analyze the consisting elements of a target substance. A stand-off LIBS technique is introduced in order to analyze the efficiency of our remote sensing system with various geochemical reference materials. We applied the system first at stand-off distances of 0.38 to 0.7 meters with an aluminum target, and at 0.7 meter with four geochemical samples, namely Granodiorite, Quartz Latite, Shale-Cody and Diabase, which are known key samples when conducting the planetary exploration via the spectroscopic technique.

레이져 유도 플라즈마 분광분석법을 활용한 항공기에서 배출되는 미세입자의 측정

이석환,여재익 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.4

LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)를 이용하여 항공기에서 발생하는 미세입자를 측정하기 위한 기초 연구가 이루어졌다. 미세입자로는 포도당이 사용되었고 포도당은 용액화 되어서 진동자를 통해서 분무되어 고열에 의해 건조되어 미세입자화 되었다. 포도당 용액과 알코올을 분무시키고 100 mJ 의 에너지를 사용하여 LIBS 로 측정한 결과 공기의 분광신호와 수소의 분광신호만이 검출되었고 200 mJ 의 레이저 에너지를 사용하였을 때는 탄소와 질소의 합성물인 CN 의 분광신호가 추가로 검출되었다. 또한 CN 분광신호의 생존시간은 산소와 질소, 수소보다 훨씬 길게 나타났다. 그러므로 LIBS 를 이용하여 탄소를 검출하기 위해서는 고에너지의 레이저를 사용해야 함이 확인되었다. The initial study was achieved for detection of fine particles from airplane by LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy. The glucose solution was used to make fine particles by vibrator. When the glucose particle and the evaporated alcohol is irradiated by the Nd:YAG laser having 100 mJ energy, the spectra of the hydrogen and air spectrum appear. But when the laser having 200 mJ energy irradiates on the glucose particle and the evaporated alcohol, CN spectra originated from synthesis of carbon and nitrogen appear. CN spectra have longer life time then oxygen, nitrogen and hydrogen.

저압 환경에서의 원거리 레이저 유도 플라즈마 분광 분석법 연구

최재준,최수진,여재익 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

레이저 유도 플라즈마 분광 분석법은 레이저 조사 시 발생하는 플라즈마를 이용하여 물질의 구성성분을 분석하는 방법이다. 본 연구에서는 다양한 종류의 표준 물질의 성분분석을 위하여 원거리 레이저 유도 플라즈마 분광 분석법을 이용하였다. 우주탐사에 요구되는 원거리 검출 시스템의 경량화 가능성을 확인하기 위하여 ICDD와 CCD의 검출 성능을 비교 하였으며, 저압을 포함한 다양한 압력환경에서의 실험을 진행하였다. 또한, 저압환경에서 표준물질에 함유 되어있는 황 성분을 성공적으로 검출 하였다. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) uses light from plasma to analyze the consisting elements of a target substance. In this study, we uses stand-off LIBS to analyze various types of certified reference materials that having different characteristics. We compared performance of ICCD and CCD in prior to space exploration at different pressures including low pressure conditions. Also, we successfully detected sulfur from samples at low pressure conditions.