[농촌진흥청]토양 양분 실시간 측정 감지기(센서) 개발…스마트농업 가속화

- 농촌진흥청·광운대 공동연구, 토양 속 양분 성분별 농도 실시간 측정

- 정밀한 양분 관리로 작물 생육·비료 효율 높이고 환경보전 효과도 기대

- 기존 양분 관리 기술과 연계, 현장 적용성 높여 스마트농업 앞당길 것

농촌진흥청(청장 이승돈)은 광운대학교 김양래 교수팀과 공동*으로 토양 속 양분을 성분별로 실시간 측정할 수 있는 양분 감지기(센서)를 개발했다고 밝혔다. 

*공동연구:'밭작물 토양양분 정밀 관리를 위한 스마트센싱 개발'

이번에 개발된 양분 감지기(센서)는 다채널 스크린프린트형 이온 선택성 전극*을 적용해 토양에 꽂기만 하면 작물이 실제 흡수할 수 있는 양분을 실시간 측정할 수 있다. 

*다채널 스크린프린트형 이온 선택성 전극: 여러 성분을 동시에 감지할 수 있도록 프린트된 전극칩

지금까지는 토양에 녹아있는 양분의 총량만 알 수 있었다면, 이번 기술로 질소, 인산, 칼륨 등 작물 생육에 필수적인 성분의 농도를 각각 측정할 수 있게 됐다. 특히 토양에서 인산을 직접 특정하는 것으로는 세계 최초다. 

*질소(NO3-, NO2-, NH4+), 인산(H2PO4-), 칼륨(K+) 등 

또한, 기존 이온선택성전극 기반 감지기(센서)는 용액에서만 측정할 수 있고, 전기전도도(EC) 기반 감지기(센서)*는 일정 기간**이 지나면 전체를 교체하거나 보정해야 하므로 비용 부담이 컸다. 반면, 새로 개발된 양분 감지기(센서)는 토양 수분이 일정 수준(30% 이상) 존재하면 높은 정확도를 유지하며, 사용자가 감지기(센서) 전극만 교체하면 반영구적으로 사용할 수 있다. 전극 교체 비용도 1~2만 원 이하로 저렴***해 경제성이 뛰어나다. 측정 데이터는 스마트폰이나 컴퓨터로 전송해 실시간 점검(모니터링)도 가능하다. 

*EC기반 양분센서: 토양이나 양액 용액 내 이온형 성분의 총합을 전기저항값으로 나타내는 센서 

**센서 유효기간: (EC 기반 양분센서) 1∼3개월 (스크린프린터형 양분센서) 1∼3개월

***관리 비용: (개발된 양분센서의 전극 교체) 1∼2만 원 이하 (EC 센서 교체 시) 5∼20만 원

농촌진흥청 스마트생산기술과 연구진이 밭 토양 모사 시험구에서 실제 투입한 비료 농도와 양분 감지기(센서)가 측정한 값을 비교했을 때, 성분별 정확도*가 83∼96%로 나타났다. 벼 재배 논 토양** 시험에서는 92∼99%, 들깨 수경재배 양액기 시험에서는 평균 90% 이상으로 확인됐다. 

*밭 토양 시험구 토양 수분별(30% 이상) 정확도(%) : (질소) 92 (칼륨) 83 (인산) 96

**논 토양 내 센서의 정확도(%) : (질소) 99 (칼륨) 92

양분 감지기(센서)는 작물에 필요한 최적의 양분량을 제공해 생육을 돕고 불필요한 비료 사용은 줄여 환경오염을 방지할 수 있다. 양액시스템, 관비시스템* 등 양분 관리를 위한 정밀 농업기술과 연계하면 스마트농업 실현을 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대한다.

*관비시스템: 물과 비료를 동시에 공급하는 장치. 물에 비료를 녹여 관을 통해 작물 뿌리에 직접 공급하는 방식임.

농촌진흥청은 이번 성과와 관련해 국내 특허 3건과 국외 특허 1건 등 총 4건의 특허를 출원·등록*했으며, 연구 결과는 국내외 전문 학술지에도 게재했다. 

*특허출원 현황: 국내출원('토양양분 측정을 위한 스크린프린트 다채널 이온 성택성 전극 기반의 측정 시스템' 등)3건, 국제특허('다채널 이온 선택성 전극을 포함하는 토양양분 계측센서') 1건

현재는 다양한 환경과 토양 조건에서도 안정적인 성능을 발휘하도록 추가 연구를 진행 중이며, 내구성 강화와 유효기간 연장, 염(Na)과 전기전도도(EC) 측정 기능 추가도 계획하고 있다. 

앞으로 토양검정*을 위해 트랙터 부착형이나 휴대용 등 다양한 형태를 개발해 감지기(센서) 활용도를 높이고, 나아가 인공지능(AI) 기반의 양분모델 개발을 접목해 계측 정확도 향상과 상용화를 앞당길 방침이다. 양분 감지기(센서)의 농업분야 적용은 온실가스 감소 정책에 맞추어 비료의 과다 투입을 예방하고 토양검정 정책 확대에 기여할 것으로 전망된다.

*토양검정: 비료투입량 등을 결정하기 위해 실험실에서 토양시료의 양분 함량을 측정하는 일

농촌진흥청 국립식량과학원 곽도연 원장은 "이번에 개발한 양분 감지기(센서)는 실시간 양분 상태를 확인할 수 있는 기술로, 스마트농업을 위한 정밀 양분 관리 기반을 마련한 것이다."라며, "필요한 만큼 비료를 사용해 온실가스와 같은 환경오염을 줄이고 농작업 효율 및 작물의 생육 향상에도 크게 기여할 것으로 보인다."라고 밝혔다.