초록 ▼

▣ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
직독식 수질복합센서 및 초분광영상 기반 시공간 복합 녹조 예측시스템 개발
- 100cell/mL 이내 조류측정 검출한계를 가지는 직독식 실시간 수질 복합센서 기술
- 광역 면단위 초분광영상 시스템
- 시공간 복합 빅데이터 분석 녹조예측 시스템
- IoT 무선망 기반 통합 수질관제 기술

◼ 전체 내용
① 녹조 예측을 위한 다항목 직독식 수질복합센서 모듈 개발
- 실시간 용존총인 측정을 위한 광화학 방식의 고속 인산염 분해 전처리부, 인산염

▣ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
직독식 수질복합센서 및 초분광영상 기반 시공간 복합 녹조 예측시스템 개발
- 100cell/mL 이내 조류측정 검출한계를 가지는 직독식 실시간 수질 복합센서 기술
- 광역 면단위 초분광영상 시스템
- 시공간 복합 빅데이터 분석 녹조예측 시스템
- IoT 무선망 기반 통합 수질관제 기술

◼ 전체 내용
① 녹조 예측을 위한 다항목 직독식 수질복합센서 모듈 개발
- 실시간 용존총인 측정을 위한 광화학 방식의 고속 인산염 분해 전처리부, 인산염 선택적 감지 멤브레인으로 구성된 직독식 고정밀 용존 총인 센서 개발
- 다항목 직독식 복합센서 모듈에 장착 가능한 도플러 효과를 이용한 초음파 소자기반 소형 유속센서 개발
- 광집적화 기술 기반의 직독식 클로로필/남조류/탁도 통합센서 개발
② 기계학습(딥러닝)을 통한 녹조 발생 예측 시스템 개발
- 녹조 발생 예측 모델 구축을 위한 시공간 데이터 증식 기술 개발
- 녹조 발생 예측을 위한 딥러닝 기반 시공간 복합 분석 기술 개발
- 다차원 복합 분석을 위한 스케일러블 텐서 처리 기술 및 알고리즘 개발
③ 광역 녹조분석을 위한 초분광 영상 시스템 개발
- 공간화소별로 스펙트럼 반사분광특성을 확보하는 초분광영상 칩, 광학계 및 신호처리부로 구성된 초분광 영상 센서 개발
- 초분광 영상 데이터의 복사보정, 대기보정 및 기하보정 자동화 처리 기술 개발
- 초분광 영상 분석 기반 대청호 유역 조류추정모형 개발 및 검증
④ 수면 부이통신을 위한 NB-IoT 단말 통신 기술 개발
- 수면 부이통신을 위한 NB-IoT 단말 통신 기능 최적화 및 소형 플랫폼 구현
- 수면 부이통신을 위한 수면 상반부 적합형 고이득 안테나 구현
⑤ 고정형/이동형 센서시스템 개발
- 다항목 복합센서 기반의 고정형 센서시스템 개발
- 다항목 복합센서 및 초분광 영상 기반의 이동형 센서시스템 개발
- 이동형 센서시스템 데이터 수집 및 관리기술개발
⑥ 녹조 모니터링 통합관리 시스템 개발
- 녹조 모니터링 통합관리 프레임워크 개발
- 녹조 모니터링 및 수질 자동측정망 연동 기술 개발
- 녹조 분석 및 예측 정보 수집 인터페이스 개발
- 녹조 통합관리 서비스 제공 기술 개발

▣ 연구개발성과
▪ 아래와 같이 본 사업의 주요성과 관련 SCI 논문을 확보하였음
1. 김도엽 외 5인: Reusable and pH-Stable Luminescent Sensors for Highly Selective Detection of Phosphate (Polymers(IF: 4.9), 2022.01)
2. 정봉진 외 6인: Ion-Selective Electrode Based on a Novel Biomimetic Nicotinamide Compound for Phosphate Ion Sensor (Polymers(IF: 4.9), 2022.08)
3. 권도혁 외 6인: Inland harmful algal blooms (HABs) modeling using internet of things system and deep learning (Environ. Eng. Res.(IF: 3.9), 2022.01)
4. 표종철 외 6인: Drone-borne sensing of major and accessory pigments in algae using deep learning modeling (GIScience & Remote Sensing(IF: 6.4), 2022.01)
5. Shiferaw 외 2인: Identification of pollutant sources and evaluation of water quality improvement alternatives of a large river (Environmental Science and Pollution Research(IF: 5.2), 2022.11)
6. 표종철 외 5인: Sensitivity Analysis and Optimization of a Radiative Transfer Numerical Model for Turbid Lake Water (Remote Sensing(IF: 5.3), 2021.02)
7. 홍석민 외 6인: Monitoring the vertical distribution of HABs using hyperspectral imagery and deep learning models (Science of the Total Environment(IF: 10.8), 2021.06)
8. 김재영 외 3인: Augmentation of limited input data using an artificial neural network method to improve the accuracy of water quality modeling in a large lake(Journal of Hydrology(IF: 6.7), 2021.08)
9. 배규태 외 9인: Potential Application of Pin-to-Liquid Dielectric Barrier Discharge Structure in Decomposing Aqueous Phosphorus Compounds for MonitoringWater Quality (Materials(IF: 3.7), 2021.12)
10. 권용성 외 5인: Drone-based hyperspectral remote sensing of cyanobacteria using vertical cumulative pigment concentration in a deep reservoir (Remote Sensing of Environment (IF: 13.85), 2020.01)
▪ 아래와 같이 본 사업의 주요성과 관련 특허를 확보하였음
[등록]
1. 송정호 외 7인: 초분광 센서 (10-2436763(국내 등록), 2022.08.23)
2. 송정호 외 7인: Hyperspectral Sensor (11313723(US 등록), 2022.06.16)
3. 양우석 외 4인: 미세조류 측정 형광센서 및 이의 동작방법 (10-2465271(국내 등록), 2022.11.04)
4. 양우석 외 4인: Fluorescence sensor for measuring micoalgae and method of operating the same (11486810(US 등록), 2022.11.01)
5. 김도엽 외 4인: Atmospheric Pressure Plasma Device (11011352(US 등록), 2021.05.18)
6. 김도엽 외 4인: 상압 플라즈마 장치 (10-2183006(국내 등록), 2020.11.19)
[출원]
1. 송정호 외 7인: Hyperspectral Sensor, Hyperspectral Imaging System including the Sensor, and Hyperspectral Imaging Method using the System (17/699026(US 출원), 2022.03.18., 202210285530.X(중국 출원), 2022.03.22)
2. 송정호 외 7인: 초분광 센서, 이를 포함하는 초분광 이미징 시스템 및 이를 이용한 초분광 이미징 방법 (10-2022-0014120(국내 출원), 2022.02.03)
3. 이형근 외 5인: 인산염 감지용 나노 입자, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 인산염 감지용 멤브레인 (10-2022-0007806(국내 출원), 2022.01.19)
4. 이형근 외 5인: Nanoparticles for sensing phosphate, method for manufacturing the same, and membrane for sensing phosphate including the same (17/861910(US 출원), 2022.07.11)
5. 이성규외 3인: 복수 단계의 다운 샘플링을 수행하는 유속센서 및 이의 동작 방법(10-2021-0018099(국내 출원), 2021.02.09)
6. 정훈 외 4인: 수질 검사를 위한 무인 이동 장치 및 상기 장치가 수행하는 센싱 데이터 전송 방법 (10-2021-0004432(국내 출원), 2021.01.13)
7. 김도엽 외 4인: Atmospheric Pressure Plasma Device (16/789133(US 출원), 2020.02.12)
8. 송정호 외 7인: Hyperspectral Sensor (17/072178(US 출원), 2020.10.16)
9. 송정호 외 7인: 초분광 센서 (10-2020-0027717(국내 출원), 2020.03.05)
10. 원종호 외 4인: 시계열 공간정보 다중 모델링을 통한 시간 및 위치 기반 질의 성능 향상 방법 (10-2020-0154245(국내 출원), 2020.11.18)
11. 김지용 외 3인: 지리적 공간에 대한 시공간 데이터 분석 방법 및 장치(10-2019-0114916(국내 출원), 2019.09.18)
12. 오광룡 외 2인: 광 도파로 프로브 센서 (10-2019-0056905(국내 출원), 2019.05.15)
13. 이형근 외 4인: 인산염 측정 센서 (10-2019-0038753(국내 출원), 2019.04.02)
14. 김도엽 외 4인: 상압 플라즈마 장치 (10-2019-0016580(국내 출원), 2019.02.13)
15. 정훈 외 4인: 이동형 게이트웨이를 이용한 무선 센서 네트워크 동작 방법(10-2019-0002706(국내 출원), 2019.01.09)
16. 양우석 외 4인: 미세조류 측정 형광센서 및 이의 동작방법 (10-2018-0161116(국내 출원), 2018.12.13)
17. 김지용 외 3인: K-Means 알고리즘을 통한 시공간 연속 데이터 분석 및 녹조 예측 간소화 방법 (10-2018-0142910(국내 출원), 2018.11.19)

▣ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
□ 다항목 직독식 센서, 초분광 영상 및 IoT 무선통신을 통해 녹조 활성화 핵심 파라미터를 실시간으로 제공하여 녹조 예보 시스템의 핵심적 요소기술로 활용
o 녹조의 이동, 확산, 분포의 실시간 데이터 확보 및 빅데이타 기반의 분석/예측과 함께 녹조 제거 자원(조류제거선, 수면포기기, 수문개방 등) 투입 시기, 장소 및 효과에 대한 종합적인 분석을 통해서 녹조 발생 사전 예측 및 조기 억제가 가능
o 최근 이슈가 되는 물관리 일원화 중 수량 관리와 수질 특성 관계의 실시간 종합 분석 및 예측을 통해 효과적인 통합관리가 가능할 것임
o 천문학적인 비용(5조 이상)이 예측되는 4대강 보 철거 관련하여 과학적이고 합리적인 판단을 위해 수문개방과 하천 수질 관련된 데이터 제공 가능
□ 녹조 모니터링 실증을 기반으로 2025년 총 2,200억불(240조) 시장이 예측되는 인공지능, IoT, 드론, 초분광센서 및 수질센서 분야의 글로벌 시장 경쟁력 확보
o 기계학습(딥러닝) 및 센서 기반의 시공간 복합분석 기술은 환경/기상/교통/농업 분야 등 미래예측 시 시간과 공간의 연관 관계가 고려되어야 하는 다양한 도메인에 파급효과가 큼
□ 국가 물 안전망에 대한 녹조관련 사회문제 해결
- 녹조는 물고기 폐사 등으로 수생태계를 파괴하고, 인체의 간에 치명적인 마이크로 시스틴을 발생시켜 민원 발생, 정수비용 증가, 인체 독소 축적 등 문제 야기
o 녹조 원인 및 현상 관련 과학적 분석 및 사회적 합의
- 기온, 영양염류, 보 설치에 따른 유속 변화 등 녹조 원인 및 현상에 과학적 합의가 없어 정치적 이슈로 비화 및 에너지 소모가 극심

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 최종보고서 ... 2
• 요 약 문 ... 4
• 목차 ... 8
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
• 1-1. 연구개발기술의 개요 ... 9
• 1-2. 연구개발기술의 최종목표 ... 12
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 14
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 121
• 1) 연구수행 결과 ... 121
• 2) 목표 달성 수준 ... 139
• 4. 목표 미달 또는 미흡한 사항에 대한 분석 ... 140
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 141
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 142
• 7. 연구개발성과에 대한 후속연구 및 추가 개발 계획 ... 143
• 8. 연구개발비 사용실적 ... 144
• 1) 연구개발비 사용명세서 ... 144
• 2) 발생이자 사용명세서 ... 144
• 3) 반납액 명세서 ... 144
• 끝페이지 ... 154