토양학 박사 과정 학생인 슈오하오 차이는 위스콘신-매디슨 대학교 핸콕 농업 연구소에서 다양한 깊이에서 토양 측정이 가능한 다기능 센서 스티커가 부착된 센서 막대를 설치하고 있다.
매디슨 — 위스콘신대학교 매디슨 캠퍼스 엔지니어들이 위스콘신 지역의 일반적인 토양 유형에서 질산염을 지속적으로 실시간 모니터링할 수 있는 저비용 센서를 개발했습니다. 이 인쇄형 전기화학 센서는 농부들이 보다 현명한 영양 관리 결정을 내리고 경제적 이익을 실현하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
"저희 센서는 농부들이 토양의 영양 상태와 식물이 이용할 수 있는 질산염의 양을 더 잘 이해할 수 있도록 도와주어, 실제로 필요한 비료의 양을 더 정확하게 판단할 수 있게 해줍니다."라고 하버드 대학교의 조셉 앤드류스 조교수는 말했습니다. 이번 연구는 위스콘신-매디슨 대학교 기계공학과에서 주도했습니다. "농부들이 비료 구매량을 줄일 수 있다면, 대규모 농장의 경우 상당한 비용 절감 효과를 볼 수 있을 것입니다."
질산염은 작물 성장에 필수적인 영양소이지만, 과다한 질산염은 토양에서 용출되어 지하수로 유입될 수 있습니다. 이러한 오염은 오염된 지하수를 마시는 사람들의 건강에 해롭고 환경에도 악영향을 미칩니다. 연구진이 개발한 새로운 센서는 농업 연구 도구로서 질산염 용출을 모니터링하고 그 유해한 영향을 완화하기 위한 최적의 방법을 개발하는 데에도 활용될 수 있습니다.
현재 토양 질산염 모니터링 방법은 노동 집약적이고 비용이 많이 들며 실시간 데이터를 제공하지 못합니다. 이러한 이유로 인쇄 전자 전문가인 앤드류스와 그의 팀은 더 나은, 더 저렴한 솔루션을 개발하기 시작했습니다.
본 프로젝트에서 연구진은 잉크젯 프린팅 공정을 이용하여 박막 전기화학 센서의 일종인 전위차 센서를 제작했습니다. 전위차 센서는 액체 용액에서 질산염을 정확하게 측정하는 데 자주 사용됩니다. 그러나 토양 입자가 센서에 흠집을 내어 정확한 측정을 방해할 수 있기 때문에 일반적으로 토양 환경에서는 사용하기에 적합하지 않습니다.
앤드류스는 "우리가 해결하고자 했던 주요 과제는 이러한 전기화학 센서가 열악한 토양 환경에서 제대로 작동하고 질산염 이온을 정확하게 감지하는 방법을 찾는 것이었습니다."라고 말했습니다.
연구팀의 해결책은 센서 표면에 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 층을 입히는 것이었습니다. 앤드류스에 따르면, 이 소재는 두 가지 핵심적인 특징을 가지고 있습니다. 첫째, 약 400나노미터 크기의 매우 미세한 기공이 있어 질산 이온은 통과시키면서 토양 입자는 차단합니다. 둘째, 친수성으로 물을 끌어당겨 스펀지처럼 흡수합니다.
앤드류스는 "질산염이 풍부한 물은 센서로 우선적으로 스며들기 때문에 이는 매우 중요합니다. 토양 또한 스펀지와 같아서 토양처럼 수분을 충분히 흡수하지 못하면 센서에 수분이 제대로 공급되지 않기 때문입니다. 토양의 흡수 잠재력이 중요한 거죠."라고 설명했습니다. "폴리비닐리덴 플루오라이드 층의 이러한 특성 덕분에 질산염이 풍부한 물을 추출하여 센서 표면으로 전달하고 질산염을 정확하게 감지할 수 있습니다."
연구진은 2024년 3월 학술지 'Advanced Materials Technology'에 발표한 논문에서 연구 진행 상황을 자세히 설명했습니다.
연구팀은 위스콘신주에서 흔히 볼 수 있는 사질토와 미사질 양토, 두 가지 유형의 토양에 센서를 적용하여 테스트한 결과, 센서가 정확한 결과를 도출한다는 것을 확인했습니다.
연구진은 현재 질산염 센서를 "센서 스티커"라고 부르는 다기능 센서 시스템에 통합하고 있습니다. 이 시스템은 접착식 뒷면을 사용하여 세 가지 유형의 센서를 유연한 플라스틱 표면에 부착한 것입니다. 스티커에는 습도 및 온도 센서도 포함되어 있습니다.
연구진은 여러 개의 감각 스티커를 기둥에 부착하고, 각기 다른 높이에 설치한 다음, 기둥을 흙에 묻었습니다. 이러한 장치를 통해 연구진은 다양한 토양 깊이에서 측정을 수행할 수 있었습니다.
앤드류스는 "다양한 깊이에서 질산염, 수분 및 온도를 측정함으로써 이제 질산염 용탈 과정을 정량화하고 질산염이 토양을 통해 어떻게 이동하는지 이해할 수 있게 되었는데, 이는 이전에는 불가능했던 일입니다."라고 말했습니다.
연구진은 2024년 여름에 핸콕 농업 연구소와 위스콘신-매디슨 대학교의 알링턴 농업 연구소의 토양에 센서 막대 30개를 설치하여 센서를 추가로 테스트할 계획입니다.
게시 시간: 2024년 7월 9일