이온선택성 전극 어레이 기반 순환식 수경재배시스템

Abstract

순환식 수경재배 시스템은 양액의 이온 농도를 작물의 생육에 맞도록 최적화 된 비율과 범위 내에서 공급되도록 이온농도제어 기술을 필요로 한다. 현재 사용되고 있는 시스템은 전체 이온의 전기전도도(EC)를 측정하여 배액을 재사용하는 방식이 일반적이다. 하지만 EC 기반의 측정 시스템은 단순히 양액 이온의 전체 총합을 나타내는 지표이며, 이온마다 EC 값에 기여하는 강도가 다르기 때문에 양액 내 불균형을 초래하고 생육 단계에 따라 부족성분의 보충과 과잉 성분의 배제 등 효율적인 관리가 어려울 수 있다. 본 연구에서는 식물생장에 필요한 요소인 주영양분 이온의 농도(NO3-, K+, Ca2+, PO4-)를 전극어레이 형태로 실제 순환식 양액에 적용하여 정량측정성능을 확보하기 위하여 전극의 신호를 안정적으로 측정하기 위한 전극의 Drift와 온도영향을 보상하는 방법을 연구하였으며 개발한 이온선택성 전극과 관리 알고리즘을 이용하여 순환식 상추재배 기술을 개발하고자 하였다. 2점정규화방법과 온도 보상계수를 적용하여 양액 내 이온모니터링 결과 ISE 측정 정확도는 표준분석실에서 분석값 대비 NO3-, K+, Ca2+ 이온측정의 경우 90.5± 5.5%, 88.8 ±7.0%, 81.7 ±8.8%로 만족할 만한 측정성능을 확인하였다. 이온농도 제어성능은 양액의 NO3-, K+, Ca2+ 이온농도를 각각 430ppm, 180ppm, 80ppm을 목표로 설정하고 21일 동안 재배한 결과 NO3-, K+, Ca2+ 이온에 대한 RMSE 오차 값은 각각 21.2, 27.6, 11.6 ppm로 평균적으로 15%이내의 오차를 갖는 성능을 나타내어 실제 작물재배에서도 주영양분 제어가 효율적으로 가능함을 나타내었다. 하지만, 적용한 알고리즘은 PO4-, SO4- 등의 농도 유지가 일정치 못하여, 추후 연구에서 이를 개선하는 연구가 필요함을 확인하였다.