[논문]폐쇄형 식물공장내 태양광 파이버를 이용한 상추 재배효과

이상규; 이재수; 원진호

doi:10.12791/ksbec.2020.29.2.105

폐쇄형 식물공장내 태양광 파이버를 이용한 상추 재배효과
Effects of Lettuce Cultivation Using Optical Fiber in Closed Plant Factory 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.29 no.2, 2020년, pp.105 - 109

이상규 (농촌진흥청 국립농업과학원 스마트팜개발과) , 이재수 (농촌진흥청 국립농업과학원 스마트팜개발과) , 원진호 (농촌진흥청 국립농업과학원 스마트팜개발과)

초록
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본 연구는 태양광 기반으로 인공광 병렬 광공급 시스템을 개발하고 상추 재배효과를 구명하기 위하여 수행하였다. 태양광 기반으로 인공광원을 공급하는 장치는 광원 공급부, 전원공급부, 시스템 계측 및 제어부로 구성하였다. 광원공급부는 태양광 전송장치(광파이버)와 LED 램프(인공광)로 구성하였고, 태양광 전송장치는 광 전송률이 우수한 석영재질의 광섬유(Optical fiber)로 제작되었으며, 인공광은 LED 중 White 램프를 사용하였다. 전원 공급부는 누전 차단기, SMPS, LED 제어기 및 릴레이로 구성하였다. 시스템계측 및 제어부는 터치스크린과 지그비(ZigBee) 통신모듈, 광량센서로 구성하였다. 구성한 장치의 성능시험 결과 광량센서로 측정된 강도가 200μmol·m^-2·s^-1 이하가 되면 자동적으로 LED 램프가 작동되어 보광하는 것을 확인하였다. 또한 본 장치를 활용하여 상추를 재배한 결과, 엽장, 뿌리길이, 엽록소 함량 및 지하부 생체중이 LED 처리보다 큰 것으로 나타났다. 따라서본 장치는 화석연료 고갈 등으로 전기 사용에 제한이 올때 폐쇄형 식물공장 같은 시설에서 작물을 재배할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to the improvement of solar light-based artificial light supply system and effect of lettuce cultivation. The artificial light supply system was consisted of units such as light source, power, system measurement and controller. The light source supply was composed of a solar transmitter and an LED lamp. The power supply consisted of an leakage breaker, SMPS, LED controller and relay. The solar transmitter was made of a quartz optical fiber with optimal light transmission. Artificial light used white lamp among LEDs. System measurement and control consisted of touch screen, Zigbee communication module and light quantity sensor. The results of test confirmed that the LED light is automatically activated when the intensity measured by the light intensity sensor is 200 μmolm-2s-1 or less. Moreover, the leaf length, root length, chlorophyll content and root fresh weight of optical fiber treatment was hight than LED lamp treatment. Therefore, it can be inferred that the energy-saving solar light collector device can be effective in the indoor lettuce production. However, the use of LED lamp is also recommended to assure the availability of sufficient sunlight in cloudy and rainy days.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

식물공장에서 광원으로 태양광을 사용할 경우 흐리거나 비가 오는 날에는 작물생육에 적합한 광을 확보하기 어려운 문제가 발생한다. 따라서 본 연구는 태양광을 기반으로 인공광 병렬 광 공급 시스템에 대한 연구로 태양이 비추지 않는 날에 인공광을 보조적으로 활용하는 기술을 개발하고 상추를 대상으로 효과를 구명하고자 수행하였다.

제안 방법

상추 재배를 위한 양액재배기는 2단으로 담액수경 재배를 할 수 있도록 구성하였고, 상층부에는 광파이버 처리, 하층부에는 LED 처리로 하였으며 상하층 온도 차이를 없애기 위하여 대류팬의 풍속을 0.2m/s로 상시 작동시켰다. 상추는 잎이 진한 적색이고 반결구 상추인 ‘삼선적축면’(Farmhannong Co.
파종 후 플러그트레이를 담을 수 있는 틀에 물을 채우고 파종한 트레이를 틀에 담가서 수분을 공급해 주었고, 발아까지 온도는 25℃로 관리하였고, 발아 후 1주만 남기고 솎아 주었으며 온도는 22/18℃(주/ 야간)로 관리하였다. 생육조사는 파종 후 30일에 처리별로 엽수, 엽장, 엽폭, 엽록소 함량 및 생체중 등을 조사하였다. 엽록소 함량 측정은 엽록소 측정기(SPAD 502, Minolta Co.

대상 데이터

2m/s로 상시 작동시켰다. 상추는 잎이 진한 적색이고 반결구 상추인 ‘삼선적축면’(Farmhannong Co., Seoul, Korea)품종을 2019년 9월 20일에 플러그트레이 (105공) 안에 스폰지를 넣고 스폰지 상부를 종자를 넣기 위해 구멍을 낸 후 종자 2립씩을 파종하였다. 파종 후 플러그트레이를 담을 수 있는 틀에 물을 채우고 파종한 트레이를 틀에 담가서 수분을 공급해 주었고, 발아까지 온도는 25℃로 관리하였고, 발아 후 1주만 남기고 솎아 주었으며 온도는 22/18℃(주/ 야간)로 관리하였다.

데이터처리

통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.2, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 Duncan’s Multiple Range Test(DMRT), T-검정을 실시하였다. 광합성 데이터는 처리당 2주씩 3반복으로 측정하였다.

이론/모형

광합성 측정기의 조건은 온도 22℃, 상대습도 60%, CO₂ 농도는 400µmol·mol^-1 , 광량자속은 500µmol·m^-2 ·s^-1로 하였고 광원은 기기 자체의 LED 모듈 사용하여 동일한 조건으로 설정하였다. 근활력 조사는 Berridge 등(2005)의 방법으로 하였는데, 상추 뿌리를 채취하여 증류수로 세척 후 세근을 약 0.5cm 길이로 절단하여 균일하게 혼합한 후 0.1g을 취해 2mL test tube에 넣었다. 그 후 1mL의 증류수를 첨가하여 혼합한 후 Premix WST-1 cell proliferation assay system (Takara Inc.
태양광 집광은 프레넬렌즈(Jeong 등, 2017)를 사용하였고, 집광된 광은 플라스틱 광섬유보다도 전송률이 좋은 유리 광섬유(GOF; Glass Optical Fiber)를 통해서 상추 재배기로 유입시켰다. 광섬유는 실리카 소재로 된 코어와 저굴절 레진 소재의 클래드 및 버퍼로 구성된 SOF(Silica Optical Fiber) 6개를 분리하여 각각 1개로 구성하였고 그 끝부분에 크롬으로 코팅된 직경이 4cm인 반사갓을 고정하여 광 효율을 높였다(Lee 등, 2019).

후속연구

4)을 보면 생육에는 문제가 없는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구결과 개발된 장치는 LED 처리보다 상추 생육을 증진시킬 뿐 아니라 자연 에너지 활용으로 화석연료 절감효과가 있으므로 향후 식물공장 같은 시설 내에서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐쇄형 식물공장에서 태양광을 이용하기 위해 필요한 기술은 무엇인가?	하지만 폐쇄형 식물공장에서 광원으로 기후변화를 가속 시키는 화석연료를 사용하지 않고 환경친화형 태양광을 이용하는 연구는 미흡한 실정이다. 태양광을 이용하기 위해서는 광을 집광하는 장치(Lee 등, 2012; Lee 등, 2019)가 필요하며 집광한 광을 실내로 들여오기 위한 전송기술(Jeong 등, 2002; Kim과 Kwon, 2009) 그리고 들여온 광을 식물에게 비추게 하는 채광기술이 필요하다. 식물공장에서 광원으로 태양광을 사용할 경우 흐리거나 비가 오는 날에는 작물생육에 적합한 광을 확보하기 어려운 문제가 발생한다.
	태양광 기반 인공광 병렬 광 공급 시스템이란 무엇인가?	태양광 기반 인공광 병렬 광 공급 시스템은 태양광이 좋은 날에는 집광 후 광 파이버를 통해 실내로 들여와 광을 비추는 장치를 통해 광을 공급받고(이하 광파이버 처리), 집광이 어려운 흐린 날이나 비오는 날에는 부족한 광량을 LED 램프로 보광하는 시스템이다. 광파이버로부터 유입된 광은 하위 15cm 지점에 있는 광량 센서(LI-COR Inc.
	현재 식물공장의 작물 생산 방식은?	아울러 기후변화에 따른 이상기상 발생시 안정적인 생산을 위해서 인위적인 환경조건에서 작물을 생산할 수 있는 식물공장(plant factory)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Kim, 2009; Park 등, 2016). 그런데 식물공장은 대부분 화석에너지를 바탕으로 하는 LED, MH 및 형광등 등 인공광원을 이용하여 엽채류나 약용작물을 생산하고 있다(Jang, 2005). 인공광 원으로 많이 사용하는 LED에 대한 연구는 파장별 생육특성(Um 등, 2010), 음이온 처리효과(Song, 2014; Lee 등, 2015)및 생산기술(Choi 등, 2005; Kang과 Kim, 2007; Lee 등, 2010; Seo 등, 2006; Yun 등, 2006)에 대한 연구가 많이 되었다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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