반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

일본의 농경 산업은 농업 종사자의 고령화, 신규 노동력 부족, 환태평양 경제 동반자 협정(TPP)에 따른 무역 자유화 등 다양한 문제에 직면해 있다. 이러한 문제 해결을 위해, 일본의 한 연구단은 최근 농작물 재배 과정에서 변화하는 작물의 온도를 측정, 수집하여 농사를 자동화, 최적화할 수 있는 방법을 연구하는데 FLIR AX8 열화상 카메라를 활용하고 있다. 이 연구단은 새로 개발된 시계열 기술로 작물의 표면 온도를 시각화하여, 데이터 기반의 농경 기술 최적화 및 자동화를 연구하고 있다.

도쿄 대학(공학 대학원) 소속 료 미야케 교수, 아키타 현립 대학(생물 자원 과학부)의 아츠시 오가와 교수, 히로시마 대학(RNBS: 나노 디바이스 및 바이오 시스템 연구 연구소)의 테츠시 코이데 부교수 등으로 구성된 이 연구단은 JST CREST에서 “강력한 현장 모니터링 설비 및 식물 관다발 시스템 유사 미세 유체 모델과 결합된 식물 생장 추정 기술 개발”이라는 사업을 추진하고 있다. 그 가운데, 코이데 부교수의 팀은 농작물 재배 과정에 대한 데이터 수집 및 분석을 담당하고 있다.

농업 인구의 노령화 및 관련 노하우

일본의 경우, 농업 인구의 고령화와 농업에 종사하는 청장년층의 부족으로 인해, 농업을 자동화 하려는 움직임이 다방면으로 활기를 띄고 있다. 현재, 일본은 세계에서 다섯 번째로 큰 ‘농업 강국’으로 알려져 있지만, 농업 인구의 60% 이상이 65세 이상인 반면, 35세 미만의 노동 인구는 5%에 불과하여 심각한 고령화 문제에 직면해 있는 실정이다.

이로 인해 농작물을 재배할 때 중요한 기술이나 노하우가 더이상 전통적인 방법으로는 계승이 어려울 것으로 보임에 따라, 일본은 다른 방법으로 농기술을 축적할 수 있는 대안을 모색하고 있다. 코이데 부교수는 “숙련된 농부가 지닌 기술과 노하우를 후대에 전수하기 위해서는 다양한 데이터를 수집해야 합니다”라고 밝혔다.

그 중에서도 가장 중요한 것은 비료와 영양소를 준비하는 방법이다. 그는 “일본은 지역에 따라 기후가 정말 다양합니다. 일본 내 기후 환경은 앞으로 다양한 요인에 의해 변할 것으로 예상되고 있다. 예를 들어 동북 지방은 평년을 기준으로 다른 지역에 비해 일조량이 부족한 것이 특징이었다”라고 덧붙였다.

FLIR AX8을 사용하면 농작물의 표면 온도를 확인할 수 있다. 온도 데이터를 축적함으로써 연구단 소속 연구원들은 농작물을 “시각화”하여, 특정 지역의 일조량을 계산하거나 일반적인 온도 분포를 식별하는 등 새로운 기술을 개발하고 있다.

작물의 생장을 24시간 관찰할 수 있는 FLIR AX8을 활용하는 것도 바로, 이러한 이유 때문이다.

연간 기상 예보의 경우, 데이터가 항상 정확한 것은 아니다. 그러나 고정 카메라는 실시간 온도 데이터, 열화상, 실화상을 정기적으로 수집하여, 비료와 영양소의 양을 적절히 조절함으로써 환경 변화에 적응할 수 있다고 한다.

벼의 품질 등급에 영향을 미치는 요인

일본의 농산업은 청장년층 노동 인구가 줄어들고 있지만, 쌀의 품종은 증가하는 등 품종 개량 노력은 활발하게 이어지고 있다. 일본 국내에는 현재 800여 종의 쌀 품종이 등록되어 있으며, 다양한 품종 개량 사업이 추진되고 있다.

적외선 카메라는 이러한 품종 개량에 큰 역할을 하는 유용한 장비다. 최근 일본은 기온 상승과 함께 이상 기후가 발생하여, 급격한 변화를 경험하고 있다. 기온 상승은 사람과 동물의 건강 뿐만 아니라, 농작물의 생장에도 영향을 미친다. 벼의 경우, 숙성기에 온도가 상승하면 “고온 피해”를 입고 미숙한 흰 벼 이삭이 생긴다. 그런데 미숙한 벼 이삭은 과도하게 높은 온도 뿐만 아니라, 농부들이 물과 비료를 관리하는 방법 때문에 생겨 나기도 한다. 이상 고온으로 인한 피해는 벼의 등급에도 영향을 미친다.

FLIR AX8은 온도 정보와 함께 80 x 60 픽셀의 적외선 이미지도 제공합니다.

연구원들은 AX8의 적외선 카메라 기능을 이용해 고온 피해의 발생 추세와 온도 분포 데이터, 열화상의 연관성을 실시간으로 분석할 수 있다. 이에, 농사 초기에 열화상 카메라를 활용하면, 피해를 최소화할 수 환경을 만들 수 있다.

또한, 온도 데이터를 축적하여 벼와 잎의 일조량과 온도 분포를 확인할 수 있어, 적정 수분량을 파악하고 피해를 줄일 수 있다. 데이터를 꾸준히 축적하면, 농민들이 다음 해에 특정 작물의 재배를 늘릴지 줄일지 결정을 내리는데 도움이 되는 등 기존 기록과 지식만으로는 불가능한 일도 가능케 한다.

적외선 카메라의 경우, 잎의 온도 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있기 때문에 이러한 상황에서 특히 효과적이다. 기존의 방법은 식물을 특수 챔버에 수시로 넣어 봄으로써 광합성을 측정해야 했지만, 적외선을 사용하면 잎에 스트레스를 주지 않고 잎의 온도를 측정하여, 온도와 증산의 상관 관계도 추적할 수 있다.

이러한 상태 관찰을 통한 벼의 관리는 쌀의 품질을 향상시키고 고온 피해 및 기타 요인으로 인한 벼의 등급 저하를 방지해줄 가능성이 높다. 코이데 부교수는 “앞으로 저희는 연구를 더욱 발전시켜, 히로시마 현 관내 작물에 적외선 카메라를 적용하는 것이 목표입니다”라고 전했다.

FLIR05-NC05

일조량과 잎의 온도 분포는 온도데이터를 사용하여 측정된다.

농산업의 미래전망

코이데 부교수는 자신의 목표를 “차세대 농작물 재배 기술을 구현하고 농가의 이미지 센싱 기술의 사용을 촉진하는 동시에 이미지 센싱 기술의 사용 편의성을 제고하는 것”이라고 밝혔다. 전통적으로 농업 기술은 농민이 지닌 노하우와 경험을 중심으로 발전해 왔다. 대부분의 농가의 입장에서 볼 때, 주기적으로 실시간으로 온도 데이터를 수집하고 이러한 데이터를 기반으로 벼와 벼 잎의 온도 추세 그래프를 작성하는 것은 완전히 새로운 경험이다.

AX8로 잎온도 모니터링.

온도 추세 데이터를 기록하면, 광합성 상태를 측정할 수 있다. FLIR AX8은 고온 피해 관련 추세를 시각화 하는데 매우 큰 역할을 한다.

현재, 사업에 참여 중인 대학은 JST CREST 연구 사업을 활용하여 차세대 재배 기술에 유용한 센서 및 감지 정보를 실험/검증하고 있다. 그 중에서도 온도 데이터와 이미지를 수집하고 처리할 수 있는 FLIR 상시 모니터링 카메라는 농업 발전에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.