방울토마토 수경재배시 이온선택성 전극을 활용한 양액 내 개별 이온 검출 = Nutrient Solution monitoring Using an array of Ion-Selective Electrodes for growing Cherry Tomato

국문 초록 (Abstract)

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.