농부들을 위한 혁신적인 인쇄형 토양 센서, 수확량 증가 및 비용 절감 기대

Seoul위스콘신-매디슨 대학교의 엔지니어들이 개발한 저렴한 센서는 토양의 질산염 수치를 지속적으로 모니터링합니다. 이러한 센서는 농부들이 비료 사용에 대해 더 나은 결정을 내릴 수 있도록 도와줍니다. 이 연구를 이끌고 있는 기계 공학 조교수인 조셉 앤드류스는 토양의 영양소 수치를 알면 농부들이 적절한 양의 비료를 사용할 수 있다고 설명합니다. 이는 특히 대규모 농장에서 많은 비용을 절약할 수 있게 해줍니다.

전통적인 질산염 검사 방법은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들며 즉각적인 결과를 제공하지 않습니다. 이를 해결하기 위해 앤드류스와 그의 팀은 잉크젯 인쇄 공정을 사용하여 전위차 센서를 만드는 저렴하고 효율적인 방법을 개발했습니다. 이 센서는 액체 속의 질산염을 정확하게 측정할 수 있지만, 흙에는 일반적으로 적합하지 않습니다. 거친 흙 입자가 센서를 손상시켜 측정의 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 센서에 폴리비닐리덴 플루오리드(PVDF) 층을 추가하였습니다. PVDF는 두 가지 중요한 특성을 가지고 있습니다.

• 400나노미터의 작은 구멍들은 질산염 이온은 통과시키면서 토양 입자들은 막아줍니다.
• 친수성 특성으로 인해 물을 끌어당겨 질산염이 함유된 수분을 흡수합니다.

물이 질산염을 포함하고 있을 때, 이는 토양 대신 우리 센서에 쉽게 흡수됩니다. 이는 센서가 토양과 수분을 놓고 경쟁할 수 있게 해주는 중요한 요소입니다. 이러한 특징 덕분에 센서는 질산염이 포함된 물을 정확하게 측정할 수 있습니다라고 앤드류스는 설명합니다.

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연구팀은 2024년 3월에 Advanced Material Technologies 저널에 그들의 연구 결과를 발표했습니다. 그들은 두 가지 유형의 위스콘신 토양에서 센서를 테스트했는데, 하나는 주 북중부의 모래 토양이고 다른 하나는 남서부 위스콘신의 실트 롬 토양이었습니다. 두 테스트 모두 정확한 결과를 도출했습니다.

연구진은 새로운 시스템인 "센싱 스티커"에 질산염 센서를 추가하고 있습니다. 이 스티커에는 질산염, 수분, 온도를 측정할 수 있는 세 개의 센서가 포함되어 있습니다. 유연하고 접착 뒷면이 있어 쉽게 붙일 수 있습니다. 연구진은 여러 개의 스티커를 다양한 높이에 막대에 붙인 후 이를 토양에 묻을 예정입니다. 이 구조를 통해 다양한 깊이에서 측정값을 얻을 수 있을 것입니다.

2024년 여름에 연구진은 UW-매디슨의 핸콕 및 알링턴 농업 연구소에 30개의 센서를 흙 속에 설치하여 시험할 예정입니다. 이 기술에 대해서는 위스콘신 동문 연구 재단에서 특허 출원이 진행 중입니다.

연구팀은 Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai, 그리고 토양과학 교수인 Jingyi Huang으로 구성되어 있습니다. 이 연구는 USDA 농업 및 식품 연구 이니셔티브, 국립과학재단의 토양 내 신호 연구 보조금, 그리고 위스콘신 대학교 매디슨 분교의 유제품 혁신 허브로부터 자금을 지원받았습니다.