이상기후 변화에 따른 식량문제 해결방안으로 식물공장 개발이 활성화 되고 있다. 식물공장은 노지재배와 다르게 온실내부에서 재배를 하므로 장소에 구애 받지 않고 재배가 가능하며, 양액을 재사용하는 폐쇄계시스템을 사용함으로써 비용절감과 더불어 환경오염문제를 줄일 수 있다. 또한, 연작장해에 구애받지 않고 같은 장소에서 반복재배가 가능하여 생산성을 높일 수가 있다. 식물공장에서는 햇빛을 대신 해줄 조명시스템, 다량으로 식물을 수확할 수 있는 육묘재배시스템, 식물이 최상의 조건으로 자랄 수 있게 해 줄 환경모니터링 시스템이 등이 있지만 그 중에서도 토양 없이 식물을 재배할 수 있는 수경재배 시스템이 필수적이다.
전 세계적으로 환경오염에 대한 관심이 높아지면서 수경재배 시 배액의 배출이 문제 되었다. 네덜란드, 일본 등 선진국에서는 일찍이 양액을 재사용하여 순환식으로 재배할 수 있도록 하였으며, 특히 네덜란드는 ‘버려지는 물 처리 규정’(Waste Water Disposal Decree, 1994) 법령을 제정하여 재활용을 권장하고 잔여배출물의 오염을 제거할 수 있도록 하여 2000년 까지 모든 수경재배는 순환식으로 전환하도록 의무화 했다. 반면 우리나라는 선진국에 비해 수경재배에서 양액을 재활용하지 않고 있기 때문에 하천 및 토양의 오염 문제점이 야기되고 있고 친환경농업육성법에서 수경재배농산물의 친환경농산물 인증 시 수경재배 방식은 순환식등으로 하여 양액으로 인한 환경오염이 없어야 한다고 나와 있어 환경오염과 고품질의 농산물을 위해 순환식 양액재배 시스템에 대한 관심도가 높아지고 관련 연구가 활발히 이루어지고 있다.
현재 우리나라 대부분의 수경재배에서는 EC(Electrical Conductivity, 전기전도도)를 이용한 시스템을 사용하고 있다. EC는 양액 내 전체 이온에 대한 전기전도도를 나타내기 때문에 개별이온들에 대한 정보를 알 수 없기 때문에 양액 내 특정 성분의 과부족 현상이 일어나 성분의 불균형을 초래하여 작물 성장에 영향을 미치게 된다. 이를 해소하기 위해서는 양액 내 개별이온 농도를 측정하고 작물 재배 중 주기적으로 관리가 필요하다.
개별이온농도를 제어하기 위해 이온선택성전극(ISE)를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.(김 등, 2007; 김 등, 2010; 정 등, 2014) 상추 재배 시 사용되는 양액 내 원소는 다량원소와 미량원소가 있다. 식물 성장에 큰 영향을 미치는 다량원소는 K, Ca, NO3-N, P, Mg, S이 있다. 작물 성장에 최적의 양액을 공급해주기 위해서는 다량원소 각각 개별적으로 제어가 가능하면 좋겠지만 현재로써는 NO3-N, Ca, K에 대한 제어만 가능하여 모든 이온농도를 제어하기 힘든 실정이다. 순환식 수경재배에서 배액 내 부족이온농도를 보충해주기 위해 일반적으로 농가에서는 비료농축액을 사용하고 있다. 이 비료농축액 안에 들어있는 비료들은 2가지 이상의 이온들이 결합되어 있어 배액의 이온농도를 정확히 파악한다고 하더라도 독립적인 공급이 어려워 이를 최소화 할 수 있는 방법이 필요하다.
본 연구에서는 회수된 배액의 이온농도를 측정하여 부족한 농도의 이온에 대한 비료를 자동으로 보충해줄 수 있는 시스템을 구축하였다. 이를 위하여 상추를 이용한 재배실험을 통해 생육기간 동안 작물이 흡수하고 배출되는 배액 내의 모든 다량원소들의 농도를 정밀분석 하여 다량이온 간의 농도에 관한 상관관계를 분석하였다. 이는 본 연구에서 배액 내의 다량원소 이온농도를 이온선택성전극(ISE)을 이용하여 측정하도록 시스템을 구성하였으므로 실용화 되고 있는 ISE로는 측정할 수 없는 다량이온농도를 예측하기 위함이었다. 또한, 조제알고리즘을 통해 비료농축액의 공급량을 결정하여 회수된 배액을 재 조제하여 순환시킬 수 있는 시스템을 구축하였다.