토양학 박사과정생인 슈오하오 차이(Shuohao Cai)가 위스콘신-매디슨 대학교 핸콕 농업연구소에서 토양 속의 다양한 깊이에서 측정이 가능한 다기능 센서 스티커가 달린 센서 막대를 설치하고 있습니다.
매디슨 — 위스콘신대학교 매디슨 캠퍼스(University of Wisconsin-Madison)의 연구진은 위스콘신의 일반적인 토양 유형에서 질산염을 지속적으로 실시간 모니터링할 수 있는 저비용 센서를 개발했습니다. 이 인쇄형 전기화학 센서는 농부들이 더욱 정보에 기반한 영양 관리 결정을 내리고 경제적 이익을 실현하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
"저희 센서는 농부들이 토양의 영양 상태와 작물에 공급되는 질산염의 양을 더 잘 이해하도록 도와 실제로 필요한 비료량을 더욱 정확하게 결정할 수 있도록 도와줍니다."라고 하버드 대학교 조교수인 조셉 앤드류스는 말했습니다. 이 연구는 위스콘신-매디슨 대학교 기계공학과에서 주도했습니다. "만약 농부들이 비료 구매량을 줄일 수 있다면, 대규모 농장의 경우 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있을 것입니다."
질산염은 작물 생장에 필수적인 영양소이지만, 과도한 질산염은 토양에서 침출되어 지하수로 유입될 수 있습니다. 이러한 오염은 오염된 우물물을 마시는 사람들에게 해로울 뿐만 아니라 환경에도 해롭습니다. 연구진의 새로운 센서는 질산염 침출을 모니터링하고 그 해로운 영향을 완화하기 위한 모범 사례 개발에 도움이 되는 농업 연구 도구로도 활용될 수 있습니다.
현재의 토양 질산염 모니터링 방법은 노동 집약적이고 비용이 많이 들며 실시간 데이터를 제공하지 못합니다. 바로 이러한 이유로 인쇄 전자 전문가 앤드류스와 그의 팀은 더 우수하고 저렴한 솔루션을 개발하기 위해 나섰습니다.
이 프로젝트에서 연구진은 잉크젯 프린팅 공정을 사용하여 박막 전기화학 센서의 일종인 전위차 센서를 제작했습니다. 전위차 센서는 액체 용액 내 질산염을 정확하게 측정하는 데 자주 사용됩니다. 그러나 이러한 센서는 일반적으로 토양 환경에서 사용하기에 적합하지 않습니다. 토양 입자가 크면 센서가 긁혀 정확한 측정이 불가능하기 때문입니다.
앤드류스는 "우리가 해결하고자 했던 가장 중요한 과제는 이러한 전기화학 센서가 혹독한 토양 조건에서도 제대로 작동하고 질산염 이온을 정확하게 감지할 수 있는 방법을 찾는 것이었습니다."라고 말했습니다.
연구팀은 센서 위에 폴리비닐리덴 플루오라이드 층을 놓는 방법을 고안했습니다. 앤드류스에 따르면, 이 소재는 두 가지 주요 특징을 가지고 있습니다. 첫째, 약 400나노미터 크기의 매우 작은 기공을 가지고 있어 질산 이온은 통과시키면서 토양 입자는 차단합니다. 둘째, 친수성으로, 스펀지처럼 물을 끌어당겨 흡수합니다.
"질산염이 풍부한 물은 센서로 우선적으로 스며들게 되는데, 이는 토양도 스펀지와 같아서 수분 흡수율이 동일하지 않으면 센서로 수분이 유입되는 것을 막을 수 없기 때문에 매우 중요합니다. 토양의 잠재력이 바로 그것입니다."라고 앤드류스는 말했습니다. "폴리비닐리덴 플루오라이드 층의 이러한 특성 덕분에 질산염이 풍부한 물을 추출하여 센서 표면으로 전달하고 질산염을 정확하게 감지할 수 있습니다."
연구진은 2024년 3월 Advanced Materials Technology 저널에 발표한 논문에서 진행 상황을 자세히 설명했습니다.
연구팀은 위스콘신주와 관련된 두 가지 다른 토양 유형(주 북중부 지역에서 흔한 모래 토양과 위스콘신주 남서부 지역에서 흔한 미사질 양토)에서 센서를 테스트한 결과, 센서가 정확한 결과를 생성한다는 것을 발견했습니다.
연구진은 이제 질산염 센서를 "센서 스티커"라고 부르는 다기능 센서 시스템에 통합하고 있습니다. 이 시스템은 세 가지 유형의 센서를 접착식 뒷면을 사용하여 유연한 플라스틱 표면에 부착합니다. 이 스티커에는 습도 및 온도 센서도 포함되어 있습니다.
연구원들은 기둥에 여러 개의 감각 스티커를 부착하고, 각기 다른 높이에 설치한 후 기둥을 흙 속에 묻었습니다. 이러한 방식을 통해 연구원들은 다양한 토양 깊이에서 측정을 수행할 수 있었습니다.
앤드류스는 "다양한 깊이에서 질산염, 수분, 온도를 측정함으로써 이제 질산염 침출 과정을 정량화하고 질산염이 토양을 통해 어떻게 이동하는지 이해할 수 있게 되었는데, 이는 이전에는 불가능했습니다."라고 말했습니다.
연구진은 2024년 여름, 위스콘신-매디슨 대학의 핸콕 농업 연구소와 알링턴 농업 연구소 토양에 30개의 센서 막대를 설치해 센서를 추가로 테스트할 계획입니다.
게시 시간: 2024년 7월 9일