방울토마토 수경재배시 이온선택성 전극을 활용한 양액 내 개별 이온 검출

김주신 ( Jooshin Kim ),김학진 ( Hak-jin Kim ),조우재 ( Woo-jae Cho ),이윤홍 ( Yoon-hong Yi ),김용현 ( Yong-hyun Yi ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

순환식 수경재배 시 양액 내 NO3-, K+, Ca2+과 같은 주 이온의 불균형과 Na+와 같은 유해 물질의 축적은 식물 생육 장애와 질병을 유발하여 생산량 및 품질 저하로 이어진다. 따라서 양액 내 주요 이온들의 농도를 실시간으로 확인하고 유해 물질을 검출하는 것은 식물재배에 있어 중요한 요소이다. 하지만 현재 시중에 판매되고 있는 양액 제어 장치는 양액 내 이온 성분들을 개별적으로 측정하지 못하고 전체 이온들의 총합을 측정하여 전기전도도(EC) 값으로 나타낸다. 산출된 EC 값을 토대로 시비량이 결정되고 농업용수와 혼합하여 양액을 제조하는데 이때 부족 성분과 과잉성분을 구별하지 못하여 양액 내 이온 불균형이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 이온 선택성 전극(ISE)과 라즈베리파이 3B 모델을 사용하여 개별 이온 농도를 실시간으로 검출하는 시스템을 개발하였다. 1-2W형 비닐하우스에서 방울토마토 모종을 암면 배지에 정식하고 점적 관수 방식으로 Hoagland 양액을 공급하며 NO3-, K+, Ca2+, Na+ 이온 농도를 확인하는 요인실험을 진행하였다. 이온선택성 전극의 계측 값들은 ADC 변환을 거쳐 라즈베리파이에 입력되었고 2점 정규화를 통해 신호 표류 현상을 보상한 후 이온별 현재 농도를 산출하는 데 사용되었다. 그 후 Node-RED 프로그램을 사용해 사용자가 인터넷에서 검출 값을 실시간으로 확인하고, 각 이온 농도가 임계 값을 넘으면 사용자에게 경고 알람을 보내는 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템의 이온 농도 검출성능은 15% 이내의 오차를 나타내어 실제 방울토마토 재배에서도 주 이온 성분의 농도 검출에 적용 가능함을 나타내었다. 하지만, 이번 연구에서는 개별 이온 농도 관리를 위한 자동 염 보충은 고려하지 않았기 때문에 추후 연구에서 이를 개선하는 것이 필요하다.

순환식 수경재배 배액 재사용률에 따른 다량원소 이온 농도 제어 기술 개발

김주신 ( Jooshin Kim ),한경범 ( Kyung-beom Han ),조우재 ( Woo-jae Cho ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

순환식 수경재배 배액을 재사용 함으로써 비료 및 수자원 비용을 절감하고 환경오염을 방지할 수 있다. 그러나, 배액 재사용 시 양액 내 양분 균형을 보정하기 위해 정기적인 양액 성분 분석이 요구되며 식물체별 적합한 배액 재사용률을 설정하여 배액 재사용으로 인해 발생할 수 있는 대상 작물의 생장 영향을 최소화할 수 있어야 한다. 따라서 본 연구에서는 이러한 사항들에 대응해 줄 수 있는 관비 제어 알고리즘을 개발하였고 배액 재사용률에 따른 다량원소 이온(NO3-, K+, Ca2+) 농도 제어 기술의 성능평가가 수행되었다. 이를 위해 질소, 칼륨, 칼슘 이온선택성전극(Ion-selective electrode, ISE)과 7가지의 개별 비료농축액으로 구성된 요인 실험장치를 구성하였으며 배액 재사용률을 50%로 설정하여 실험을 진행하였다. 본 알고리즘의 성능평가를 위해 양액 내 NO3-, K+, Ca2+의 목표 이온 농도를 순차적으로 증가시키는 stepwise 양액 제조 성능평가를 실시하였고, 서울대학교 농생명과학공동기기원(NICEM)의 이온 크로마토그래피 분석 결과 각 다량원소의 농도는 NO3-, K+, Ca2+에 대한 평균 제곱근 오차(RMSE)값 31.0, 21.0, 15.4 mg·L-1로 목표 수준에 준하여 제조되었다. 그 후 NFT 수경재배 베드에서 14일간 상추 재배실험을 진행하며 개발된 알고리즘의 장기성능평가를 진행하였으며 목표 농도 범위에 맞게 이온 농도를 유지하는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 본 연구결과는 이온선택성전극을 활용한 개별 이온 관리(Ion-specific Management) 양액제어 방식의 가능성을 검토하는 자료로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

방울토마토 순환식 수경재배 양액 및 나트륨 관리 기술 개발

김주신 ( Jooshin Kim ),강민석 ( Minseok Gang ),김도훈 ( Do-hoon Kim ),조우재 ( Woo-jae Cho ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

순환식 수경재배는 물과 비료를 절약할 수 있는 환경친화적인 농법이지만 양액을 교체하지 않고 계속 사용하면 순환되는 양액과 초기에 사용한 양액 간의 무기 양분 비율 및 농도가 달라지므로 작물이 요구하는 양분 흡수를 최적화하기 위한 정밀 양액 관리가 필요하다. 또한 사용 용수로부터 유입되는 나트륨은 대부분이 작물에 흡수되지 않고 순환하는 양액 내 누적되기 때문에 대상 작물의 최대 염분 내성 임계치를 넘지 않게 주기적인 모니터링과 대응이 요구된다. 본 연구에서는 다양한 용수를 사용하는 순환식 수경재배 조건에서 사용하는 용수와 순환하는 양액의 성분을 고려한 이온선택성전극 기반 정밀 양액 관리 기술을 방울 토마토 재배에 적용하여 양액 내 NO3-, K+, Ca2+ 농도를 제어하고 배액 탱크 내 나트륨 농도를 관리하는 기술의 성능평가를 수행하였다. 이를 위해 질소, 칼륨, 칼슘, 나트륨 이온선택성전극과 8가지의 개별 비료농축액으로 구성된 양액제어기를 구성하여 고형배지경 방식으로 방울 토마토를 재배하였으며 개발한 시스템이 목표 농도 범위에 맞게 NO3-, K+, Ca2+ 이온 농도를 유지하는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 또한 나트륨 이온을 모니터링하고 임계치 초과 시 배액을 자동으로 방출하여 나트륨 농도를 낮출 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.

하이드로포밍을 이용한 자동차 부품 개발

김주신(Jooshin Kim),조영만(Youngman Cho),노인호(Inho Noh),노재홍(Jaehong Nho) 한국소성가공학회 2000 박판성형 심포지엄 Vol.2000 No.8

다양한 수자원을 원수로 하는 순환식 수경재배시 양액 관리 시스템

김주신 ( Jooshin Kim ),한경범 ( Kyung-beom Han ),김용현 ( Yong-hyun Kim ),조우재 ( Woo-jae Cho ),장재경 ( Jae Kyung Jang ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

수경재배 시 방출되는 배액을 재사용하고, 우수 및 지하 염수 같은 대체수자원을 수경재배에 도입하면 환경오염을 방지하고 비료 및 수자원 비용을 절감할 수 있다. 또한, 시기에 따라 변하는 대체수자원의 성분을 사용 전 검사하여 운용 여부를 판별한다면 양액 내 식물 생육장애를 일으키는 나트륨 축적과 이온불균형 문제를 사전에 방지할 수 있다. 본 연구에서는 순환식 수경재배 시 양액 및 보충수(배액, 우수, 지하 염수) 내 존재하는 다량 원소와 나트륨 농도를 실시간으로 측정하고 보충수의 사용 여부를 판단한 뒤 양액 내 부족 성분을 자동으로 보충하는 양액 관리 알고리즘을 개발하였다. 이를 위해 NO3-, K+, Ca2+, 및 Na+ 이온 농도 측정을 위한 이온 선택성 전극, 개별 염 보충을 위한 7가지의 염 Ca(NO3)2·4H2O, KH2PO4, NH4H2PO4, KNO3, NH4NO3, MgSO4·7H2O, K2SO4, 샘플 용액이 담기는 챔버, 양액 및 보충수를 보관하는 개별 탱크, 그리고 시스템을 구동하는 제어부로 구성된 요인시험장치를 제작하였다. 개별 이온 농도측정을 위해 이온 선택성 전극 어레이를 구축하였고 순차적으로 각 용액 내 NO3-, K+, Ca2+, 및 Na+ 농도를 측정하여 성분 분석을 진행한 후 사용 가능한 보충수와 개별 염을 혼합하여 각 이온이 목푯값에 유지되도록 하는 알고리즘을 고안하였다. 개발된 시스템의 성능은 표준 분석실의 분석 결과를 통하여 평가되었다.

수경재배를 위한 순환 전압전류법 기반의 인산염 농도 측정 기술

김용현 ( Yong-hyun Kim ),강민석 ( Minseok Gang ),김주신 ( Jooshin Kim ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

토양재배 방식에서 벗어나 생장에 필요한 양분이 포함된 양액 기반의 수경재배는 작물의 생산성을 높일 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 수경재배 시 방출되는 폐양액은 다량의 비료가 포함되어 있어서 인근 하천이나 토양을 오염시킬 수 있다. 특히, 인산염은 식물 생장에 필수적이지만 하천과 호수의 부영양화를 초래하는 주요 원인이다. 만약 수경재배 양액 내의 인산염 농도를 정밀하게 측정할 수 있다면, 양액 사용의 효율성을 높이고 폐양액 내의 인산염 농도를 줄일 수 있다. 기존의 코발트 전극을 활용한 기전력 측정 방식의 인산염 농도 측정은 시간이 지남에 따라 신호 수집의 안정성이 떨어지는 등의 짧은 수명이 문제가 되었다. 본 연구에서는 코발트 전극과 정전위기 (potentiostat)을 활용하여 순환 전압전류법 (Cyclic Voltammetry) 방식으로 양액 내 인산염 농도를 측정하였다. 정전위기는 μStat-i 400s (Metrohm DropSens)을 사용했고, DropView 8400 프로그램을 통해 순환 전압 전류법으로 신호를 수집하였다. 측정 시료는 호글란드 (Hoagland) 양액 1배액 기반으로 10-⁴~10-²M NH₄H₂PO₄ 5개를 사용하였다. 시료 하나에 대하여 3번 측정한 결과 중 피크 전류의 평균값으로 검량식 (calibration curve)를 생성하였다. 그리고 미지 시료에 대한 인산염 농도 측정을 위해 이점정규화가 사용되었다. 이때 사용된 용액의 인산염 농도는 약 10, 100 ppm (mg/L)였고, 미지 시료는 10~100 ppm 사이의 농도였다. 측정 결과는 표준 분석실 결과와의 비교를 통해 측정 성능과 수명을 평가하였다. 검량식은 Y=-237.6log₁₀X-1806.7(μA)였고, 결정계수 (R²)는 0.98이었다.

순환식 양액재배를 위한 이온선택성 전극 기반의 Na 이온 모니터링 임베디드 시스템 개발

김용현 ( Yong-hyun Kim ),김주신 ( Jooshin Kim ),조우재 ( Woo-jae Cho ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

농업용수 내에 존재하는 염분은 순환식 수경재배의 원수 보충 과정에서 Na+ 이온의 축적을 유발한다. 높은 Na+ 이온 농도는 삼투압을 증가시켜 작물의 수분흡수에 방해가 되므로 작물 생장에 악영향을 미치게 때문에 수경재배에 사용되는 양액이 한계 염분 농도에 도달하기 전에 현재 Na+ 이온의 농도를 파악할아는 것이 필요하다. 전기전도도 값은 양액 내에 존재하는 모든 이온들의 값들을 포함하고 있기 때문에, 일반 농가에서 널리 사용되는 전기전도도 기반의 양액 제어 장치는 특정 이온의 농도를 개별적으로 파악하기 어렵다. 본 연구에서는 Na+ 이온 선택성 전극을 활용하여 양액 내의 증가하는 Na+ 이온 농도를 모니터링하는 임베디드 보드 기반의 시스템을 개발하였다. 임베디드 보드는 라즈베리파이 3B+를 사용했고, 수집된 아날로그 값들은 저역통과필터에 의해 신호처리 과정을 거친 후, ADC를 통해 농도값으로 변환되었다. 측정 시 이온 선택성 전극의 신호 표류 현상은 2점 정규화를 활용하여 보상하였다. 실험 기간 동안 측정된 양액의 Na+ 이온 농도값을 Node-Red 프로그램을 통해 그래프 형태로 실시간으로 모니터링하였다. 개발한 Na+ 이온센서는 표준 분석실 결과와의 비교를 통해 결정계수 (R2) 0.9 이상, 평균제곱근오차 (RMSE) 10 ppm의 성능을 보였다.

순환식 수경재배에서 염 축적 관리를 위한 NaCl 모니터링 시스템

조우재 ( Woo-jae Cho ),김학진 ( Hak-jin Kim ),이윤홍 ( Yoon-hong Yi ),김주신 ( Jooshin Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

One of the main problems in closed hydroponics is scarcity of good quality water. Although a filtration or desalination could reduce the salts in water, the remaining salts in water would in duce the accumulation of NaCl. If the NaCl in closed hydroponic solution reach to the specific constraint level, the growers should discharge the hydroponic solutions to prevent the salt stress in crops. However, many growers just discharge the nutrient solution regularly because there is few system to monitor the NaCl level in the nutrient solution. It may lead to the excessive discharge of the hydroponic solution, thereby inducing groundwater contamination and loss of fertilizer and water. To prevent the excessive discharge of the solution, it would be necessary to monitor the NaCl concentration in closed hydroponic solution and decide the discharge timing based on the salinity level. In this study, an automated monitoring system for the NaCl accumulation in a closed hydroponics was introduced. Using an artificially formulated saline water with the NaCl concentrations of the water quality standard for hydroponics, the progressively increasing salinity in closed hydroponic system was monitored and the feasibility was evaluated. The impact of NaCl accumulation in a closed system on the growth of lettuce was also investigated.

순환식 수경재배 시스템을 위한 가변 조성 비료 공급 제어

강민석 ( Min-seok Gang ),김학진 ( Hak-jin Kim ),김주신 ( Jooshin Kim ),안태인 ( Tae In Ahn ),황지은 ( Ji-eun Hwang ),장재욱 ( Wook Jae Jang ),조우재 ( Woo-jae Cho ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

순환식 수경재배 시스템에서는 양액의 양분 균형을 유지하는 것이 어렵다. 만약, 공급 양액의 비료 조성을 주기적으로 조정하는 것을 통해 배액 내 이온 농도 변화를 감소시킬 수 있다면 혼합 탱크의 이온 균형을 효과적으로 조절 가능하다. 이를 구현하기 위해서는 단일 비료를 변량적으로 공급할 수 있는 시스템이 필요하다. 배관 구조 및 기계적 요인에 의한 목표 이온 농도와 공급 양액 이온 농도의 오차를 감소시키는 것 또한 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 벤추리 인젝터 기반 순환식 수경재배 플랫폼에서 7종의 보충염, 미량 원소 및 H₃PO₄를 목표 부피 비율에 따라 정확히 공급할 수 있는 인공신경망 기반 밸브 제어 알고리즘을 개발하였다. 알고리즘은 비료의 양에 따라 서로 다른 시간 동안 벤추리 채널을 동작시킬 수 있도록 고안되었다. 비료 공급의 정확성 향상을 위해 인공신경망 기법으로 비료 조성의 오프셋을 결정하였다. 개발된 알고리즘은 경기도 농업기술원 엽채류 재배 온실 양액 재배 플랫폼에 혼합 탱크로 공급되는 양액의 이온 농도 비율과 목표 이온 농도 비율을 비교하여 검증하였다. 이온 농도 비율의 오차는 평균 제곱근 오차(RMSE) 5% 이내로 나타났다. 또한 혼합 탱크 및 배액 탱크 내 이온 균형 변화를 조사하여 알고리즘의 적용성을 평가하였다.

순환식 수경재배 시스템을 위한 개별 보충염 공급 제어

강민석 ( Minseok Gang ),김학진 ( Hak-jin Kim ),김주신 ( Jooshin Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

순환식 수경재배 시스템은 효율적인 비료 사용을 가능하게 하고 배액 내 잔여 비료 성분을 감소시킬 수 있지만, 비순환식 수경재배 시스템에 비해 양액의 양분 균형을 유지하는 것이 어렵다. 양액 내 특정 이온의 결핍이나 과잉은 식물 생장에 있어서 문제를 발생시킬 수 있다. 최근, 배액의 이온 분석 데이터를 바탕으로 주기적으로 보충 양액의 조성을 결정하여 양액의 양분 균형 문제를 해결하고자 한 연구들이 제시되고 있다. 이러한 방법을 순환식 수경재배 플랫폼에 적용하기 위해서는 단위 시간당 유입되는 전체 보충 양액 중에서 각 보충염이 일정한 비율을 유지할 수 있도록 양액이 공급되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 순환식 수경재배 플랫폼에서 7종의 보충염, Ca(NO3)2·4H2O, KH2PO4, NH4H2PO4, KNO3, NH4NO3, MgSO4·7H2O, K2SO4 및 미량 원소를 목표 비율에 따라 공급할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 전체 보충 양액 총량은 총 보충 양액 공급 시간에 의해 조절된다. 이 때, 동일한 단위 시간 동안 공급되는 각 보충염의 유량을 각각 다르게 설정하기 위해 개별 보충염 공급 펌프의 회전 속도를 각각 별도 제어하였다. 개발된 알고리즘은 EC 제어가 가능한 임베디드 보드 기반 요인 장치를 통해 검증하였으며, 혼합된 양액 분석을 통해 각 보충염이 일정한 비율을 유지하며 혼합 탱크 내로 공급될 수 있음을 확인하였다.