최근 식물공장 및 친환경적 농업에 대한 국내외적 관심이 증가하면서, 화훼생산에서도 환경측정센서를 이용한자동제어시스템 관련 연구들이 많이 이루어지고 있다. 특히, 토양수분센서를 이용한 자동관수시스템은 고품질 화훼류의 생산에 있어 매우 효율적이며 친환경적인 재배방법으로 현재 국내외적으로 활발한 연구 개발이 이루어지고 있다. 원예 생산에서 사용할 수 있는 토양수분 측정센서 종류로는 토양수분장력계, 석고블록, 중성자수분 측정기와 유전상수측정기 등이 있으나, 현재 가장 효율적으로 이용되는 토양수분센서는 FDR(frequency domainreflectometry) 방식으로서 이러한 센서를 이용하면 고품질의 화훼를 생산하기 위한 적정 토양수분함량 기준을 설정할 수 있을 뿐 아니라 많은 식물생육환경에 대한 연구에 명확한 기준을 제시할 수 있는 장점이 있다. 또한,자동관수시스템을 이용하여 화훼생산을 하게 되면 관수량을 절약할 뿐 아니라, 비료 비용을 절약할 수 있고, 병충해를 줄이며, 고품질의 화훼작물을 생산해내며, 균일한 생장을 통해 생육시기를 줄이는 결과를 가져올 수 있다. 이를 통해 농가에서는 고품질의 화훼작물을 생력적으로 생산해낼 수 있으며, 소득을 증대시키고, 환경오염도 줄여줄 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 토양수분센서를이용한 자동관수시스템에 대한 개요, 제작 방법 및 실제활용에 대해서 논하였다.

본 연구에서는 토성에 따른 물의 이용효율을 높이면서 재배 작물의 생산성을 최대화하기 위한 효율적인 자동관개 로직을 개발하고자, 수분장력값을 관수 개시점으로 하여 물 공급 유지와 멈춤을 간헐적으로 수행하는 펄스형 관개방식과 측정한 수분장력값을 이용하여 토양수분량을 예측해 재배작물에 적합한 물량을 추가 투입하는 필요물량계산 관수방식을 적용하여 토성이 다른 실험베드에서 2년간 토마토 작물을 재배하면서 토양수분 함량과 장력의 변화를 측정비교하였다. 물공급 30초와 멈춤 30분 및 15분 조건을 이용한 펄스형 관수방식과 필요물 량계산 방식에서 얻어진 수분장력값은 목표한 −20kPa 조건에 비해 각각 −42~−8kPa, −20~−10kPa로 나타나 필요물량 계산방식이 균일한 수분장력을 유지하는 측면에서는 유리하였으나 토양수분상태는 상대적으로 습하였다. 공시 토성 모두에서 수분함량은 수분장력에 비해 시간 반응이 빠르면서 물공급에 따라 비례적으로 증가하는 경향이 뚜렷하였다. 수분변화 값은 펄스형 관수와 필요물 량계산 관수방식의 경우 사양토 기준으로 각각 17~ 24%, 19~31%로서 펄스형 관수방식이 수분변화 값이 작으면서 시간에 따라 안정적인 값을 유지한 것으로 나타났는데 이는 물공급에 따른 수분함량의 시간변화가 수분 장력에 비해 뚜렷하게 빠름과 관계가 있는 것으로 판단하였다. 이러한 결과로부터 펄스형 관수방식은 수분함량 값을 이용하여 수분을 조절하는 것이 유리함을 의미한다.

본 연구에서는 국내의 시설 내 작물재배에 적합한 자동관수 기술을 개발하기 위한 첫 단계로 전기저항의 변화원리를 이용하는 워터마크 센서를 장착한 소형 컨트롤러를 작물재배에 활용하여 자동관수기술의 효용성을 구명하고자 하였다. 이를 위해 비닐하우스 내에 다른 토성을 갖는 토양을 격리베드에 인공적으로 조성한 후 토마토를 정식하여 수분퍼텐셜을 -20kPa 수준으로 자동으로 조절하면서 재배하였다. 점적관수에 따른 토양 내 깊이별 수분변화는 Sentek 축전형 수분센서를 이용하여 측정하였다. 워터마크센서를 이용한 수분퍼텐셜 제어성능은 (-)20kPa 수준부근에서 유지되지 않고 반복적으로 0~(-)20kPa 대역에서 높은 변화 값을 나타내어 안정적이지 못한 것으로 나타났다. 특히, 물 공급은 관수시마다 약 50~60분 비교적 긴 시간동안 진행되어 수분공급이 과잉되는 문제가 나타났으며 건조시에도 수분퍼텐셜의 변화가 계단응답 반응의 형태로 변하는 불량한 측정해상도를 나타내었다. 이러한 문제는 워터마크센서의 토양과 전극 접촉형태가 다공컵식 수분장력계에 비해 수분값에 연속적으로 반응할 수 없는 구조이기 때문인 것으로 판단하였다. 자동관수에 따른 토양종류별 수분변화는 그 기울기가 토성별로 서로 달랐으며 양질사토의 경우 수분함량의 변화정도가 가장 높았다. 수분함량의 변화속도는 낮과 밤의 경우 시간에 따른 변화율이 달라서 변곡선의 형태를 나타내었다. 이러한 이유는 낮과 밤의 일교차와 태양광 유무에 의하여 수분증발량 차이가 발생하였기 때문인 것으로 판단하였다. 직물에서 20cm 떨어진 지점의 깊이별 수분함량은 작물에 인접한 위치와 비교하였을 때 세가지 토양 모두 관수에 의한 변화정도는 미미하여 직물에 인접한 곳만 수분공급이 효율적으로 이루어지는 것을 확인하였다. 추후 연구에서 양질사토 베드에서 관찰된 토마토 생육 불량 문제 개선과 관수멈춤 시간을 적용하여 물공급의 과잉 문제를 해결하는 보완실험이 요구되었다.

세라믹의 종류와 두께 그리고 소성온도를 달리하여 제작한 세라믹 자동점적센서의 점적성능을 비교 분석하였다. 자체제작 세라믹센서에 가장 많이 함유된 조성성분은 SiO2로 54.17~71.62wt.%였으며 다음이 A12O로 15.42~33.79 wt.%였다. 두 성분의 합계는 백자토 92.34 wt.%, 옹기토 89.18 wt.%, 미립분청토 88.17 wt.%, 세립분청토 87.96 wt.%, 대조구(시판수입제품) 87.04 wt.%였다. SiO2：A12O의 비율은 백자토 73.2：26.8, 옹기토 80.2：19.8, 미립분청토 68.9：31.1, 세립분청토 61.6：38.4, 재조구 82.3：17.7이었다 기타 Fe2 O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, Ti O2, P2 O5 등이 10wt.%내외 함유되어 있었다. 공극율은 세립분청토에서 가장 높았고 백자토, 옹기토 순이었으며 소성온도가 높을수록 두께가 두꺼울수록 공극율이 높았다. 두께 2.5mm로 성형한 세라믹의 점토종류에 따른 공극율은 세립분청토 37.47%, 세립분청토와 옹기토의 혼합토 34.82%, 백자토 34.71%, 옹기토 32.5% 순이었다. 세라믹의 점토종류, 소성온도에 관계없이 자동점적이 가능하였으나 점적센서의 반응주기와 점적량의 집중도는 차이가 있었으며, 세라믹의 두께나 상부 플라스틱 개폐장치의 탄력성에 따라서도 점적패턴과 점적량의 집중도에 큰 차이가 있었다. 세립분청토나 백자토에서는 점적지속시간이 짧았으며 백자토의 경우 점적량의 증가가 급격하지만 감소는 서서히 이루어졌다. 또한 세라믹의 두께가 두꺼울수록 점적지속시간이 짧았으며 점적량의 증가는 급격하였고 감소는 완만하였다. 그러나 두께 1mm로 얇은 경우는 백자토를 제외하고는 정상적인 급액이 이루어지지 못하였다. 세라믹 센서를 500℃에서 소성한 경우 점적지속시간이나 단위시간당 점적량이 불안정하였으며 600℃ 및 700℃에서는 비교적 안정된 양상을 보였으나 점적지속시간이 길어졌으며 800℃ 또는 900℃에서 소성한 경우는 점적지속시간이 짧은 반면 단위시간당 점적량이 커지면서 점적의 개시와 종료가 뚜렷하였다.