스마트폰의 바이오센서 개발에 응용

박진수 ( Jinsoo Park ),이호서 ( Hoseo Lee ),박두산 ( Tusan Park ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

스마트폰은 휴대형 컴퓨터라고 할 수 있을 정도로 정보의 처리와 저장 능력이 향상되었고, 인터넷 접속이 용이하고, 다양한 센서들을 갖추고 있다. 대다수 스마트폰에는 자이로스코프, GPS(global positioning system), 3축 가속도계, 근접 적외선 센서, 광센서 등이 내장되어있다. 더러는 자기장탐지기, 기압계, 온도계, 습도계, 심장박동계, 지문인식기를 내장한 모델들도 있다. 스마트폰은 이처럼 다양한 센서들을 다양한 응용프로그램을 구현하는데 사용한다. 특히 스마트폰에 내장된 CMOS(complementary metal-oxide -semiconductor)와 같은 광센서/카메라를 바이오센서 개발에사용한 사례들이 늘고 있다. 스마트폰의 광센서/카메라를 기반으로 하는 측정은 사용이 편리하고, 휴대가 간편하기 때문에 의료용, 식품 또는 환경의 안전성 측정을 위한 목적의 센서 개발에 빈번히 사용되고 있다. 스마트폰에 내장된 백색 광원 (White LED: light emitting diode)을 적절히 활용하면 별도의 광원 없이도 재현성 있는 센서 시스템을 구성할 수 있다는 장점도 있다. 본 발표는 최근 스마트폰 카메라를 이용하여 개발한 다양한 바이오센서 사례들을 소개한다. 의료용으로서 갑상선 자극 호르몬 (TSH: Thyroid stimulation hormone), 말라리아(malaria), 요로감염증(urinary tract infection) 등에 스마트폰 카메라가 검출부로 사용된 사례와 대표적인 식중독균인 살모넬라와 대장균 검출, 식육의 대장균 측정, 식품의 품질을 평가하는데 스마트폰 카메라와 자이로스코프가 사용된 사례, 실시간 유전자 증폭(realtime-PCR: polymerase chain reaction) 및 유전자 검출에 스마트폰 카메라가 사용된 사례 등을 소개한다. 스마트폰은 자기 위치를 GPS를 통해 확인이 가능하고, 인터넷 접속이 자유롭기 때문에 스마트폰을 기반하는 센서들로부터 획득한 정보들을 시간 및 위치정보와 연계하여 데이터를 누적하고 종합적인 의사결정을 내리는데 유용한 도구가 될 수 있을 것이다. 이들 사례를 통해 농업용 바이오센서를 개발함에 있어 스마트폰을 적극적으로 활용할 수 있도록 다양한 제안을 한다.

스마트폰의 센서 시스템으로서 활용

박두산 ( Tusan Park ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

스마트폰을 이용한 연구 사례는 분야를 막론하고 점차 늘고 있으며 주로 point-of-care 목적으로 의료 및 진단 분야에서 다양한 연구 결과들이 발표되었다. 그런데, 근래에 농업, 환경 및 식품 응용 분야에서 스마트폰의 활용 사례도 늘고 있다. 스마트폰을 이용한 스마트팜의 환경 제어 및 모니터링, 드론 및 노외기계의 주행에 스마트폰을 활용하는 사례들이 대표적이다. 본 연구는 농업, 환경 및 식품 분야에서 스마트폰을 센서 시스템으로서 연구된 사례들을 소개하고자 한다. 농업, 식품 및 수질 분야에서 스마트폰 카메라를 사용한 연구 사례를 소개하고 특히, 식중독균 검출, 식품 품질 분석, 수질 및 안전 모니터링, 식물성장 또는 피해에 관한 정보 수집, 잡초 식별 등의 사례를 소개하고자 한다. 스마트폰 카메라의 활용은 고해상도 이미징, 수동 또는 자동 노출 및 포커스 제어, 사용 편의성, 휴대성, 이미지 저장 및 프로그래밍 기능과 관련하여 이점이 있다. 더불어, 스마트폰에 내장되어 있는 자이로센서, GPS, 근접센서, 적외선 센서 등의 활용으로 다양한 응용이 가능하다. 스마트폰의 향상된 연산능력과 고감도 센서들의 활용을 통해 농업 분야에서 스마트폰을 이용한 연구 사례가 늘어날 것으로 예상되며 연구 결과의 실용화 속도도 매우 빨라질 수 있을 것으로 예상된다.

입자 면역반응 분석법을 이용한 축산 사료의 Salmonella와 E.coli 검출을 위한 기초 연구

박하은 ( Haeun Park ),신원진 ( Wonjin Shin ),정지연 ( Jieyun Jung ),박두산 ( Tusan Park ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

국내 송아지에 다발하는 세균성 소화기계 질병들 중 대장균성 설사가 소의 번식 및 단기 비육하는 대부분의 농장에서 문제시 되고 있다. 심한 경우 신생 송아지의 90~100%가 설사증을 보이기도 하고 이들중 20~30%가 폐사하는 경우가 나타나고 있다. 이처럼 설사증을 유발하는 E.coli와 Salmonella는 송아지의 생명에 심각한 위협을 가한다. 그러므로 균 감염에 따른 폐사를 예방하기 위해서는 E.coli와 Salmonella가 송아지 축사에 유입되는 경로를 차단하는 것이 중요하다. 그 일환으로 사료 안의 해당균을 검출하는 시스템을 보편화 할 필요가 있다. 본 연구에서는 입자면역법(Particle Immunoarray)을 통해 균의 농도에 따라 항체 결합 정도를 광학적으로 분석하였다. 입자(Polystyrene Latex)에 각각 E.coli와 Salmonella의 항체를 붙인 후, 이 결합물에 각 항원이 포함되어 있는 시료를 농도 별(10, 10², 10³ … 10⁷ CFU/mL)로 넣어 항원-항체 반응을 일으킴으로써 결합물과 균들을 응집시킨다. 결합물과 균들이 응집되어 있는 정도에 따라 산란광이 다르게 나타나는데, 이를 통해 시료에 포함되어 있던 균의 농도를 측정하는 방법을 사용하였다. 현미경을 통해 항원 시료의 농도 별로 입자가 뭉치는 정도를 시각적으로 관찰하고, 산란광 측정 플랫폼을 통해 입자의 뭉침 정도에 따른 산란광의 차이를 측정하였다. 이를 통해 응집하는 입자의 크기를 광학적으로 검출하는 바이오 센서를 개발하고 또한 사료 안전성 측정에 활용하기 위한 기초연구자료가 되길 기대한다. 더불어 위해 균으로 오염된 사료로부터 이들 균을 추출하는 과정에서 균 추출률을 측정하였다. 균이 사료에 들러붙어 모든 균을 추출하는 것이 어렵기 때문에 그 추출률을 확인해 둘 필요가 있었다. TMR(Total Mixed Ration)사료에 E.coli와 Salmonella를 각각 농도 별(10³, 10⁴, 10⁵ CFU/mL)로 접종 한 후, 균이 자리 잡을 수 있도록 1시간 동안 상온에서 배양한다. 균이 접종된 사료와 phosphate buffered saline (PBS, pH 7.2)를 1:9의 부피비로 10분 간 혼합한다. 혼합물에서 추출한 균을 배양하여, 초기 균 농도와 사료에서 추출한 균의 농도를 비교하여 추출 과정에서의 균 추출률을 확인하였다. 그 결과 10³ CFU/mL까지는 추출률이 높았지만 10⁴ CFU/mL 이상부터는 낮은 추출률을 보였다.

근적외선 분광기를 이용한 폐식용유의 원료 혼합비 분석

이호서 ( Hoseo Lee ),박두산 ( Tusan Park ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

폐식용유로 바이오디젤을 생산하고자 많은 연구들이 진행되어 왔다. 폐식용유의 원료는 주로 폐대두유, 폐해바라기씨유, 폐카놀라유, 폐올리브유들이다. 폐식용유를 이용한 바이오디젤의 생산 공정은 어떤 종류의 폐식용유가 어떤 비율로 섞였는가에 따라 공정에 필요한 유기용매의 양, 촉매의 종류와 양이 결정되고 바이오디젤 수율에 영향을 미친다. 하지만, 폐식용유의 원료 혼합비를 측정하고자 시도된 연구사례를 찾기 어렵다. 본 연구는 혼합된 폐식용유의 근적외선흡광스펙트럼 분석을 통해 폐식용유의 원료 혼합비를 측정하는 시스템 개발을 목표로 한다. 4종의 폐식용유 원료들(폐대두유, 폐카놀라유, 폐해바라기유, 폐올리브유) 중 3종류를 농도별로 혼합하여(1:1:8, 1:2:6, 1:3:4, …) 36개의 시료를 준비하였다. 혼합한 폐식용유의 흡광도는 할로겐 광원과 898.677~2132.65㎚ 파장대 영역의 NIR분광기(NIRQUEST, Ocean Optics, USA)사이에 12 mm의 광투과거리를 갖는 큐벳에 폐식용유를 담아 3반복 측정하였다. 이들 흡광 스펙트럼은 The Unscrambler (ver.9.7, CAMO Software, Norway)를 통해 원료별 농도에 대한 PLSR (Partial Least Squares Regression)을 수행하는데 이용하였다. 이를 통해 12개의 PLS 모델들을 생성하였고, R²_cal>0.98, R²_cal >0.97, RMSEC < 0.310, RMSEP < 0.326의 높은 선형성과 낮은 예측오차를 보였다. 혼합 폐식용유의 흡광 스펙트럼을 측정하여 각 원료의 함량을 측정할 수 있음을 확인하였다. 폐식용유를 이용한 바이오디젤 생산에 근적외선 분광기와 PLS 모델을 바이오디젤 생산 공정에 적용하면 바이오디젤 수율 향상에 큰 기여를 할 것으로 기대한다.

Analysis of Air Pollutant Emissions from Agricultural Machinery in South Korea

Chang-Seop Shin(신창섭),Tusan Park(박두산),Dong-Hyuk Hong(홍동혁),TaeHan Kim(김태한) 한국기계가공학회 2019 한국기계가공학회지 Vol.18 No.3

From 2019 onwards, more stringent regulations (from Stage 4 to Stage 5) are to be implemented in Europe in order to reduce the air pollutant emissions. In South Korea, the government authorities started to make new regulation to meet the European regulation. As a first step, the air pollutant emissions such as CO, NOx, SOx, TSP, PM10, PM2.5, VOC, NH3 by agricultural machinery were analyzed based on CAPSS inventory along with the analysis in the general aspect in this study. Three levels of analysis was conducted each in agricultural machinery aspect along with in the general aspect. Per agricultural tractor, all kinds of the air pollutant emissions decreased by 25, 25, 99, 25, 25, 25, 25% for the CO, NOx, SOx, TSP, PM10, VOC, NH₃ emissions each from the year 2000 to the year 2014. Per combine harvester, all kinds of the air pollutant emissions decreased by 63, 63, 91, 63, 63, 63, 63% for the CO, NOx, SOx, TSP, PM10, VOC, NH₃ emissions each from the year 2000 to the year 2014.

근적외선 분광기를 이용한 일정 유동하에서의 폐식용유 원료 혼합비 분석

이호서 ( Hoseo Lee ),신원진 ( Wonjin Shin ),박두산 ( Tusan Park ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

폐식용유를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 공정에서 바이오디젤의 수율과 품질에 영향을 미치는 인자는 생산 공정에 사용되는 유기용매와 촉매의 종류와 양이다. 이들은 폐식용유 혼합유의 종류와 혼합비에 따라 결정되는데, 공정에 유입되는 폐식용유 원료의 종류와 혼합비를 현장에서 비파괴적이고 빠르게 측정하기 쉽지 않다. 더불어 바이오디젤 공정상에서의 폐식용유는 일정한 유량으로 흐르기 때문에 유동하에서 혼합된 폐식용유의 혼합비를 측정할 수 있어야 한다. 본 연구는 NIR (Near-Infrared) 분광법을 이용하여 일정한 유량으로 흐르는 폐식용유의 혼합 원료 함량을 연속적으로 측정하는 시스템 개발을 목적으로 한다. 4가지 폐식용유의 원료들(옥수수유, 올리브유, 콩유, 해바라기씨유) 중에서 3-4가지를 선택하고 조합한 뒤, 일정한 비율로 섞어 총 150개의 시료를 준비했다. 시료의 흐름 중에 근적외선 흡광도 측정을 위해 시료가 흐르는 정량펌프의 파이프 중간에 광원(텅스텐-할로겐)과 근적외선 분광기 사이 광투과거리가 12 mm가 되는 스펙트럼 획득부를 제작, 설치하였다. 스펙트럼 획득은 시료의 유속이 100 ml/min의 조건에서 2초 동안 100 ms당 한 개씩 총 20번 측정하여 획득한 스펙트럼의 평균 스펙트럼을 분석에 활용하였다. The UnscramblerX (ver.10.5.1, CAMO Software, Norway)을 통해 시료 내 특정 폐식용유 원료의 양을 예측하는 PLS (Partial Least Squares)모델을 생성하였다. PLS 모델은 총 16개 개발되었고 이 모델들의 평균 성능은 R²_cal = 0.975, R²_val = 0.844, RMSEC = 0.242, RMSEV = 0.773로 나타났다. 이전 연구에서 큐벳에 담긴 혼합된 폐식용유 원료의 양을 예측하는 PLS모델과 비교할만한 결과를 보였다. 일정한 속도로 흐르는 혼합된 폐식용유의 NIR 흡광도를 연속적으로 측정하여 혼합된 폐식용유의 혼합비를 측정하는 할 수 있었다. 폐식용유를 이용한 바이오디젤 생산에 NIR 분광기와 PLS 모델을 바이오디젤 생산 공정에 적용하면 혼합된 폐식용유의 혼합비를 연속적으로 측정할 수 있고 그에 따라 바이오디젤 수율 증가에 크게 이바지할 것으로 기대한다.

시금치의 엽록소 측정을 위한 SPAD 값과 스마트폰 영상 분석

권오준 ( Ojun Kwon ),이호서 ( Hoseo Lee ),박두산 ( Tusan Park ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

작물의 영양상태 및 생육상태를 파악하기 위해서 사용되는 방법은 현장에서 시각적으로 판단하거나 엽록소 양 등으로 유추하고 있다. 식품으로 사용되는 녹색 식물의 엽록소를 정량하기 위한 연구는 오래전부터 수행되어왔으며 다양한 분석방법과 이와 관련된 엽록소 산출식들이 제시되어 있다. 형광광도분석을 이용하거나 흡광도를 측정해서 산출식에 의해 엽록소 함량을 계산하는 방법, 고속크로마토그래피법으로 성분을 검출한 후 검량선을 이용해 엽록소 함량을 구하는 법 등이 있다. 본 연구에서는 스마트폰 이미지 센서를 이용해 시금치 잎에서 엽록소 측정 가능성을 고찰하였다. 본 실험에서 사용한 시금치는 일반 시중에서 구입하여, 증류수로 세척한 후 상온 건조한 것을 시료로 사용하였다. 건조된 시금치 잎은 6구간으로 나눠 Soil Plant Analysis Development (SPAD) 값을 측정(SPAD-502 PLUS, KONICA MINOLTA)한 후 스마트폰(Galaxy S7, Samsung)을 사용하여 영상을 획득하였다. 획득한 이미지의 RGB (Red-Green-Blue) 화소값을 SPAD 값과 비교 분석하였다. 스마트폰으로 얻은 시금치 잎 영역의 영상을 R, G, B, R/G, B/G, B/R의 평균 화소값으로 구하고 이들 값과 SPAD 값의 상관관계를 분석하였다. R, G, B 각 영상은 SPAD 값과 판별계수(R²) 0.7127, 0.8193, 0.4476의 관계를 나타냈으며, B/G가 가장 높은 선형성(R²=0.8996)을 보였다. 180만 원을 호가하는 SPAD 측정기의 성능을 단순히 스마트폰 이미지센서를 이용하여 재현하였다. 또한, 기존의 SPAD 측정기에서 가장 큰 문제는 데이터의 저장이다. 반면에 스마트폰에서는 데이터의 저장이 용이하며 사진에서 GPS 데이터를 로깅할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서와 같은 프로세서를 적용하면 다양한 작물을 대상으로 엽록소 함량을 측정할 수 있을 것으로 판단된다. 향후에는 이 모델식을 기반으로 Android 스마트폰용 어플리케이션을 개발하고 별도의 잎 홀더를 부착하여 외부의 광원을 차단하고 스마트폰 광원을 활용하여 밭작물 생육정보 측정용 스마트폰 플랫폼을 개발하고자 한다.

토양소독액 자동분사 제어를 위한 노즐 특성에 대한 연구 Ⅰ - 해석

오주선 ( Jooseon Oh ),유한주 ( Han-ju Yoo ),박두산 ( Tusan Park ),심성보 ( Sung-bo Shim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

토양 소독기는 토양 훈증제 등 약제를 토양에 주입하는 기계로서 토양 중에 서식하는 해충 토양 선충을 방제하는 효과가 크다. 토양 소독기에서 사용되는 약제의 종류에 따라 물리적 특성이 다르기 때문에 토양 소독기의 분사량, 분사속도 등은 약제의 물리적 특성을 고려하여 결정해야 한다. 본 연구에서는 토양소독액 자동분사 제어로직 설계를 위한 토양소독기 노즐부의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 시뮬레이션 모델은 노즐의 열림양에 따른 유체의 분사량을 구현하는 것을 목표로 하였으며 이를 CFD 해석 모델과 비교하여 유효성을 검증하였다. 또한 선정한 모터와 밸브 등의 사양에 대한 적합성을 확인하였으며, 입력 조건 변화에 대한 분사량 변화 역시 검증하였다.

원심분리형 착즙기 개발을 위한 기초연구

문용주 ( Yongju Moon ),심성보 ( Sungbo Shim ),박두산 ( Tusan Park ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

국내 과채음료 시장은 2014년 9,634억원 수준이며, 수요가 점점 증가하는 추세이다. 농업의 6차산업화 정책으로 인해 상대적으로 창업이 수월한 과채음료 제조 및 가공분야로 농업인의 창업이 증가하고 있다. 산업용 착즙기는 단순 가압식, 스크류 가압식, 벨트 프레스식이다. 하지만 이러한 방식들은 낮은 착즙율, 긴 착즙 소요시간, 높은 고형분 발생율 등의 문제점이 있다. 그래서 이러한 문제점을 보완한 Decanter Centrifuge, Saito separator 방식이 있지만 1억원을 호가한다. 이들 문제점을 해소할 수 있는 저가형 원심분리형 착즙기를 개발하고자 한다. 원심분리형 착즙기는 분쇄된 과일 슬러리를 원심력으로 착즙액과 슬러지로 분리하는 형식으로 중심축으로 회전하는 바스켓부, 착즙액 수거부와 슬러지 배출부로 구성되어 있다. 바스켓부는 상부가 개방되고 경사진 벽면이 타공된 망으로 구성되는데, 착즙을 마친 슬러지가 경사면을 따라 비산하여 배출된다. 착즙율과 슬러지 배출율은 착즙 대상 물성에 따라 회전망체 벽면의 경사 각도와 회전 속도에 의해 결정된다. 회전망체 벽면의 각도와 회전 속도를 결정하기 위해 모형 착즙기를 제작하였다. 바스켓부는 55, 60, 65°의 경사 벽면을 갖도록 설계하고 이를 3D 프린팅하여 제작하였다. 모형 착즙기를 통해 분쇄된 사과를 대상으로 바스켓부 벽면의 경사와 회전 속도에 따른 착즙율을 실험을 통해 분석하였다.

스마트폰과 미세유체흐름칩 기반 발효 모니터링 센서

신원진 ( Wonjin Shin ),이동춘 ( Dongchun Lee ),박두산 ( Tusan Park ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

발효식품은 간 기능 보호작용, 면역기능 강화, 항산화활성, 항암작용 등의 효과들로 수요가 증가하고 있음. 이러한 발효식품의 장점 때문에 이에 대한 관심도는 인간의 식품에서뿐만 아니라 축산업에서도 높음. 식품에서 젖산 발효를 진행할 수 있는 미생물에는 L. acidophilus, L. casei와 Bifid bacterium species등이 있음. 위의 언급된 미생물들은 대사과정의 결과물로서 젖산을 생산하게 됨. 발효가 진행되면서 L-lactate의 농도와 pH 값이 변화하게 됨. 그러나 발효의 조건을 잘 조절하여 진행한다고 하더라도 제품의 초기 조건들의 편차로 인해 항상 같은 수준의 발효 정도를 획득하기를 신뢰할 수 없음. 특히, 발효 중 불필요한 균의 유입 및 공기의 접촉을 통해 부패로 이어질 위험성이 높아짐. 그러므로 발효과정 중 젖산, pH의 변화량 추이를 모니터링하여 발효 제품의 품질 및 부패 여부를 사전에 예측하는 것이 중요함. 본 연구에서의 목적은 L-LDH 기반 젖산 센서 및 chemical dye를 이용하여 현장에서 즉각적으로 발효제품의 발효과정의 모니터링 및 젖산 정량 분석이 가능한 smartphone based on-chip platform 제작임. Methyl red는 대표적인 pH indicator 중 하나로 pH 분석에 있어 매우 강력한 장점이 있음. 빠른 반응속도와 선명한 색 변화는 분석 시간을 단축하는 동시에 정확도를 높여줌. 젖산을 정량분석하기 위해 L-lactate dehydrogenase(L-LDH)를 이용한 효소-기반 바이오센서를 사용하였음. L-LDH 효소는 L-lactate와 NAD+를 각각 L-pyruvate와 NADH+로 환원시킴. 이때, 발생한 NADH는 340 nm의 자외선 파장에서 여기되어 약 460 nm에서 형광을 발생시키는데 이것의 형광 세기를 분석하여 lactate의 농도를 정량 분석함. 3D 프린터를 이용하여 smartphone based on-chip platform을 제작하였음. 스마트폰 기반 광학 모듈은 NADH의 형광을 측정하기 위해 제작되었으며 아두이노 기반 항온기는 효소-기질 반응에 있어 최적의 온도 조건을 제공하기 위해 제작되었음. 이러한 플랫폼을 이용하면 현장에서 발효제품의 품질 및 발효과정을 현장에서 모니터링 할 수 있으며 더 나아가 보관 환경의 변화로 인한 부패를 예측할 수 있을 것으로 판단됨. 우리는 이 플랫폼을 이용하여 유산균 음료의 젖산 정량분석과 실제로 발효가 진행되는 TMR 사료의 발효과정을 모니터링 및 품질 예측을 시행하였음.