초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
■ 제 1세부과제 : 지상부 물리환경 제어기술 연구
1. 인공광 식물공장내 적정 환경조건구명을 위한 작물재배 실험(2012)
가. 청경채의 생장에 미치는 광질 및 광강도 영향 실험
○ 광강도가 100 μmol m^-2s^-1로 고정된 조건에서 광질을 달리 하였을 때에 적색광질에 의해 청청경채 및 적청경채의 생체중 등 양적 생장량 증가
○ 엽록소 및 안토시아닌과 같은 색소합성에 있어서는 적색광 조사에 의해 억제되는 것으로 보아 청경채의 양적생장과 품질면에

Ⅳ. 연구개발결과
■ 제 1세부과제 : 지상부 물리환경 제어기술 연구
1. 인공광 식물공장내 적정 환경조건구명을 위한 작물재배 실험(2012)
가. 청경채의 생장에 미치는 광질 및 광강도 영향 실험
○ 광강도가 100 μmol m^-2s^-1로 고정된 조건에서 광질을 달리 하였을 때에 적색광질에 의해 청청경채 및 적청경채의 생체중 등 양적 생장량 증가
○ 엽록소 및 안토시아닌과 같은 색소합성에 있어서는 적색광 조사에 의해 억제되는 것으로 보아 청경채의 양적생장과 품질면에서의 질적생장을 위한 적정 광질 선택 필요
○ 광질을 청+적+백색 혼합광질로 고정한 조건에서 청청경채 및 적청경채의 양적 생장량은 광강도가 250 μmol m^-2s^-1로 높아질수록 증가하였으며, 적청경채에 비해 청청경채의 생장량 증가가 현저한 것으로 보아 품종별 적정광강도 제어 필요
○ 생장량과 관련하여 전기에너지 소모량 등 경제적 측면에서 청경채 재배를 위한 최적 광강도 선별 필요
나. 생즙용 신선초 생장에 미치는 재배방식 및 광강도 영향 실험
○ 형광등을 주광원으로 한 수평형 식물공장 시스템내 신선초의 초기생장은 수경재배 방식에서 촉진되었으나 재배 후기로 갈수록 토경재배에서 증가
○ 광강도를 현 실험 수준보다 증가시키는 조건에서는 수경재배 방식으로도 신선초의 생장을 촉진시킬 수 있을 것으로 판단되어 식물공장형 수경재배 조건에서 최적 광강도 선별 시험 필요
다. 돌미나리 생장에 미치는 광질 및 광강도 영향 실험
○ 돌미나리 재배시 적색계 광질 제어에 의해 안토시아닌 합성 촉진
○ 특히 수경재배 시에는 조직의 무름현상을 억제하거나 러너발생을 촉진할 수 있는 식물공장형 재배시스템 개발 필요
○ 돌미나리 생장에는 단일광보다 청+적+백의 혼합광질에 의한 영향이 큼.
○ 전기에너지 소모량 등 경제적 측면에서 돌미나리 재배를 위한 최적 광강도 선별 필요
라. 수직형 및 수평형 식물공장 시스템내 배추 생장에 미치는 광질 영향 실험
○ 식물공장내 인공광 하에서 90일 배추의 생육은 노지재배에 비해 유효엽수가 10매~20매 정도 발달이 저하하는 경향을 나타내었으나 메탈할라이드등을 이용한 경우 수직형 식물공장 시스템 재배방식에 비해 생체중, 초장 등이 증가
○ 엽수증가에 있어서는 수직형 재배방식과 메탈할라이드등 이용 수평형 재배방식 간에는 유의성 없음
○ 메탈할라이드등 조사구인 MH구에서는 엽폭이 넓어져서 잎이 둥근 형으로 발달함.
○ 식물공장내 배추재배 시에는 배추속 갈변 현상 등을 억제하기 위하여 식물공장 시스템에 적합한 배양액 개발 필요
마. 방풍나물의 생장에 미치는 광질 영향 실험
○ 광강도가 100 μmol m^-2s^-1로 고정된 식물공장 내에서 다년생 작물인 방풍나물재배 결과, 적색의 혼합비율 차이와 상관없이 청+적의 LED에 형광등을 혼합하여 재배하는 것이 형광등 단독이나 청+적의 혼합LED 광질에 비해 방풍나물의 생장 효과적
○ 청+적의 혼합LED 광질에서는 적색의 혼합비율이 높은 것이 작물 생장촉진
○ 금후, 방풍나물의 생장 이외에 식물체내 유효성분 분석을 통하여 고부가가치의 작물 생산을 위한 식물공장 요소기술 개발 필요
바. 적축면 상추의 생장에 미치는 광강도 영향 실험
○ 혼합광 조사조건에서(청+적+백 혼합LED) 광강도가 낮은 경우에는 적축면 상추의 마디가 길어져 도장현상 발생으로 상품성 저하
○ 광강도 250 μmol m^-2s^-1의 조건에서 양적생장 최대, 도장억제
○ 상추 잎의 형태형성은(엽장 및 엽폭 생장 비율) 고광강도 조건에서 잎 길이신장 촉진
○ 전기에너지 소모량 등 경제적 측면에서 적축면 상추재배를 위한 최적 광강도 선별 필요
2. 적축면 상추 생육단계별 적정 광질 및 광강도 영향 실험(2013)
가. 광강도 50 μmol m^-2s^-1일때 생육단계별 적축면 상추 생장
○ 생체중 및 건물중 : 생육 중 및 후기에는 적색광질 및 적+청 혼합광질 하에서 최대, 대조구에서 최소로, 대조구 대비 생체중 80% 및 건물중 16% 이상 증가
○ 엽수 : 생육후기에는 적+청 혼합 및 적색광질 하에서 최대, FL구에서 최소로, 대조구 대비 10% 이상 증가
○ SPAD치 : 모든 생육기간 동안 적색광질에 의해 엽록소 합성 억제, FL구에서 최대
나. 광강도가 100 μmol m^-2s^-1일 때 생육단계별 적축면 상추 생장
○ 생체중 : 생육초기~ 중기에는 적색광질 하에서 최대, 생육 중기 및 후기에는 청+백 혼합광질 하에서 최대, 대조구에서 최소로, 대조구 대비 생체중 약 46% 증가
○ 엽수 : 생육중기~후기에는 청+백 혼합광질 하에서 최대, 대조구 및 적색광질 하에서 최소로, 대조구 대비 9% 증가
○ SPAD치 : 모든 생육기간 동안 적색광질에 의해 엽록소 합성 억제, 생육중기~후기에는 적+청 혼합광질 및 FL구에서 증가
다. 재배실 광강도가 230 μmol m^-2s^-1일 때 생육단계별 적축면 상추 생장
○ 적축면 상추 생육단계별 적정 광질 및 광강도 영향을 조사한 결과, 적색 단일 광질로 제어하는 것은 생체중이나 건물중 증가와 같은 양적생장은 촉진할 수 있으나, 과다한 엽신장을 초래하며 색소합성이 억제되어 상추의 품질을 저하시키므로 적색계열 색소합성에는 부적합한 광질 판단
○ 적정 광질로는 적+청(혼합비율 1:1) 혼합광질이, 광강도는 정식중후기부터 230 μmol m^-2s^-1로 광강도를 높게 제어하는 것이 상추의 양적생장 및 엽내 색소합성에 유의한 것으로 판단
3. 적+청 혼합광 조사 조건에서 적축면 상추 생육단계별 광강도 및 CO₂ 영향실험(2013)
가. CO₂ 시용+광강도 50 μmol m^-2s^-1일때 생육단계별 적축면 상추 생장
○ CO₂ 무시용 BRL구의 정식초기 생체중은 대조구인 FL구 대비 18% 증가
○ 정식초기 및 중기 전개엽수 증가는 대조구인 FL구와 CO₂ 2,000 ppm시용구인 BRH구에서 증가, 정식초기에는 BRL구에 비해 FL구와 BRH구에서 약 9% 증가
○ 광강도가 때에는 모든 처리구에서 적색계열 색소합성을 확인, CO₂ 시용 농도 차이에 따른 색소합성 차이는 현저하지 않은 것으로 관찰
나. CO₂ 시용+광강도가 100 μmol m^-2s^-1일 때 생육단계별 적축면 상추 생장
○ 정식후기(30일) 생체중 및 건물중은 FL구에 비해 BRH구에서 약 17% 및 20% 증가, 건물중의 경우 1,000 및 2,000 ppm의 시용농도 차이에 따른 유의성 없음
○ BRH구의 전개엽수는 FL구 및 BRL구 대비 약 7% 증가
○ SPAD치는 BRL구에서 최대로, BRH구, FL구 대비 각 20% 및 14% 증가
다. CO₂ 시용+광강도가 230 μmol m^-2s^-1일 때 생육단계별 적축면 상추 생장
○ 정식후기(30일) BRH구의 생체중은 BRH구에서 최대, FL구에서 최소였으며, BRH구의 생체중은 FL구 및 BRM구 대비 각각 104% 및 75% 증가
○ 2,000 ppm CO₂ 시용시 무시용 대비 정식후기(30일) 생체중 및 건물중은 각각 22% 및 181% 증가
○ 정식후기(30일) BRH구의 전개엽수는 대조구인 FL구에 비해 약 28%, BRL구 또는 BRM구에 비해 약 14% 증가
○ CO₂ 시용구인 BRH구에서는 CO₂를 시용하지 않은 광강도 230 μmol m^-2s^-1 조건에 비해 전개엽수가 약 4매 증가
○ 엽록소 합성은 CO₂ 무시용 및 시용한 시험에서 BR구, FL구에서 증가, 적색광질 하에서 감소
■ 제 2세부과제 : 근권환경 최적조건 구명
1. 근권내 최적 배양액 농도(EC) 구명(2013)
가. 형광등하에서의 배양액 EC별 적축면 상추 생육
○ 생체중, 건물중, 전체길이는 배양액 간에 유의한 차이가 나타나지 않음
○ 3.5 dS • m^-1에서 생육이 가장 좋은 것으로 나타났음
나. LED광하에서의 배양액 EC별 적축면 상추 생육
○ 지상부 생체중은 0.5 dS․m^-1에서 다소 높게 나타났으나 배양액 EC간에 유의한 차이가 나타나지 않았음
○ 전체길이, 초장, 엽장, 엽폭은 1.5 dS․m^-1에서 타시험구 보다 유의하게 높게 나타났음
○ 엽록소 함량은 1.5, 3.5 dS․m^-1에서 2.5 dS․m^-1 대비 각각 약 21%, 17% 유의하게 증가
○ 건물중은 2.5, 3.5 dS․m^-1에서 유의하게 높게 나타났으며, 3.5 dS․m^-1에서 0.5 dS․m^-1보다 30% 높게 나타났음
○ 생체중은 0.5에서 다소 높았으며, 전체길이, 초장, 엽장, 엽폭은 1.5 dS․m^-1에서 높았음
2. 인공광형 식물공장 엽채류 최적배양액 개발(2013)
가. 형광등 조건에서의 배양액 농도에 따른 적축면 상추 생육
○ 형광등 조건에서 적축면 상추의 지하부 생체중, 초장, 엽장, 엽폭, 건물중, 엽록소 함량은 배양액 간에 유의한 차이가 나타나지 않았음
○ 지상부 생체중, 전체길이, 엽수는 2배액에서 타시험구 보다 유의하게 높게 나타났으며, 1배액에 비해 지상부 생체중이 약 33%, 전체길이가 약 18%, 엽수가 약 21%높게 나타났음
나. LED 조건에서의 배양액 농도에 따른 적축면 상추 생육
○ 1/2배액에 비해 2배액, 1배액에서 유의하게 증가하여 1/2배액 대비 지상부 생체중, 지하부 생체중 각각 약 42%, 30% 증가하는 것으로 나타났음
○ 2배액과 1배액에서 생육이 좋은 것으로 나타났음
다. 생육단계에 따른 배양액 EC변화
○ 두 광처리 모두 1배액에서는 2dS․m-1 내외에서 비교적 안정적으로 유지되었음
○ LED의 1/2배에서는 감소하며, 2배액에서는 상승하는 경향을 보였음.
○ 형광등의 1/2배에서는 변동하는 경향이었으며, 2배액에서는 상승하는 경향이었음
라. 형광등 조건에서의 무기성분 변화
○ 배양액내 무기성분함량은 2배, 1배, 1/2배 순으로 높게 나타났음
○ 1/2배액에서는 재배기간이 경과함에 따라 칼륨, 인, 암모니아태질소 함량은 감소하고 칼슘함량은 증가하는 경향을 보였음
○ 1배액에서는 재배기간이 경과함에 따라 칼슘과 질산태질소함량은 증가하고 암모니아태 질소는 감소하는 경향을 보였음
○ 정식후 4주에 1배액에서는 칼륨, 질산태 질소 함량은 증가하는 속도가 완만한 것으로 보아 칼륨, 질산태 질소 흡수율이 높은 것으로 판단되었음
○ 전체적인 비율 측면에서는 2배액에서 안정적인 경향을 보이는 것으로 나타났음
마. LED 조건에서의 무기성분 함량 변화
○ 배양액내 무기성분함량은 2배, 1배, 1/2배 순으로 높게 나타났음
○ 1/2배액에서는 재배기간이 경과함에 따라 칼륨, 인, 암모니아태질소, 질산태질소 함량은 감소하는 경향을 보였음
○ 1배액에서는 재배기간이 경과함에 따라 칼슘 함량은 증가하고 암모니아태질소는 감소하는 경향을 보였음
○ 정식 후 4주에 1배액에서는 칼륨, 질산태 질소 함량이 증가하는 속도가 완만한 것으로 보아 2~4주 사이에 칼륨, 질산태 질소 흡수가 많이 일어나는 것으로 판단되었음
바. 배양액 농도처리에 따른 적축면 상추의 양수분 흡수율
○ 양수분 흡수율은 1/2배, 2배에서 높은 것으로 나타났음
○ 배양액 흡수양상은 두 광원 모두에서 배양액 농도에 관계없이 칼륨 흡수가 잘 이루어진 것으로 나타났음
사. 적축면 상추 엽내 무기성분
○ 형광등에서 P 1.3~1.6, K 7.5~8.6, Ca 1~1.5, Mg 0.3~0.4, LED에서 P 1.2~1.6, K6.4~7.8, Ca 1.3~1.7, Mg 0.3~0.4%로 P를 제외한 성분에서 Lee(1998)이 제시한 상추의 적정 무기 성분함량 범위 내에 분포하였으며, P의 경우에 있어서는 적정 범위인 0.5~0.8보다 높게 나타나 P함량을 높일 필요가 있는 것으로 나타났음
아. 인공광 식물공장 적축면 상추 최적 배양액
○ 배양액 조성은 흡수율이 높은 P, K 성분 함량을 기존 배양액 보다 조금 늘렸으며, 서울시립대 권장 배양액과 같이 총질소함량을 맞추기 위해 필요한 질산암모늄을 첨가하지 않고 4가지 다량원소로 조제가 가능하도록 배양액 성분을 설정하였음
○ 배양액 조성 성분함량은 NO3-N, NH4-N, P, K, Ca, Mg 각각 10.5, 1.2, 3.6, 7, 3.5, 2.0 me/L이었음
3. 폐양액 최소화를 위한 무기이온 제어 기술개발(2013)
가. 배양액 조성별 무기성분 함량 변화
○ 시간이 경과함에 따라 조성 성분 함량이 일정하게 유지되었음
○ 정식 4주째 칼륨, 질산태 질소, 칼슘 함량이 일반적으로 감소하는 경향을 보여 칼륨 성분을 보충할 필요가 있다고 판단되었음
○ 암모니아태 질소 함량은 모든 배양액에서 정식 2주째 후부터 감소하는 경향을 보여 정식 2주째에 암모니아태 질소 성분을 보충할 필요가 있다고 판단되었음
나. 식물체 무기성분 함량 비교
○ 배양액 조성시 인은 PL>농과원>야마자끼>서울시립대 순으로 함량비가 함량비가 높았으나 식물체가 흡수한 인은 상대적으로 야마자끼>농과원>서울시립대> PL 순으로 함량비가 높았음
○ 칼륨은 배양액 조성시 PL>농과원>서울시립대> 야마자끼 순으로 함량비가 높았으나 채취한 배양액의 칼륨은 상대적으로 농과원>서울시립대>야마자끼> PL 순으로 함량비가 높았음
○ 칼슘은 배양액 조성시 농과원≒서울시립대> PL>야마자끼 순으로 함량비가 높으나 채취한 배양액의 칼슘은 배양액 상대적으로 야마자끼>서울시립대>농과원> PL 순으로 함량비가 높았음
○ 마그네슘은 배양액 조성시 서울시립대≒농과원≒PL>야마자끼 순으로 함량비가 높았으나 채취한 배양액의 마그네슘은 상대적으로 야마자끼>서울시립대> PL>농과원 순으로 함량비가 높았음
■ 제 3세부과제 : 싹채소 수확시스템 현장실증 연구
가. 수확용 왕복 절단식 칼날의 속도 범위는 575∼1,075rpm, 수확 소요시간은 기존 수작업이 19초/tray, 싹채소 수확장치 5~10.2초/tray로 인력 대비 수확작업에 소요되는 시간을 68% 정도 저감할 수 있는 것으로 나타났음
나. 현장평가회를 통해 개량된 수확장치를 이용한 싹채소의 수확 상태나 절단면이 양호한 것으로 나타났음

Abstract ▼

Closed-type plant factory system using artificial light sources instead of sunlight is an ultimated method for plant production without and pesticides comparing to conventional greenhouse structure. Control of the light environments such as a light intensity and quality in the plant factory system u

Closed-type plant factory system using artificial light sources instead of sunlight is an ultimated method for plant production without and pesticides comparing to conventional greenhouse structure. Control of the light environments such as a light intensity and quality in the plant factory system using artificial lights is an essential technique for improving the growth and development of plant species. It has been reported that the light environment significantly influences on growth in many kinds of leafy plants cultured under the plant factory system. In this study, effects of light qualities of blue, red, or white provided by Light-Emitting Diodes (LEDs) and intensity under hydroponic culture system were mentioned on growth of leafy plants such as a red-curly lettuce, Pak Choi or Chinese cabbage. Furthermore, effects of CO₂ enrichment under blue and red LED light on growth and pigmentation in red-curly lettuce according to growth stages of four levels (level 1; from 0 to 10, level 2; from 10 to 20, level 3; from 20 to 30, level 4; from 30 to 40 after sponge transplantation) were also investigated.
Pak Choi seedlings of green and red variety which developed 2~3 unfolded leaves were cultured in Yamazaki nutrient solution controlled at 1.4 ds m^-1 EC and 5.8 pH, respectively on the plant factory of horizontal type. The seedlings were exposed by monochromic or mixture radiation of blue + white, red, or blue + white LEDs with 50, 100 and 230 μmol m^-2s^-1 light intensity for 5 weeks. Increment of fresh and dry weights in green and red Pak Choi was significantly affected by blue plus red or red light qualities. However, pigmentation such as chlophyll and anthocyanin in green and red Pak Choi was inhibited by the monochromic red light qualities during the experimental period. In the mixture radiation of blue plus white treatment, fresh weights per seedlings of the two variety seedlings grown under 230 μmol m^-2s^-1 light intensity were 5.5 and 8.4 times promoted, respectively, compared to conventional fluorescent light considered as a control. Pigmentation in the Pak Choi seedlings promoted in blue plue red mixture radiation with higher light intensity gave the maximum growth of the Pak Choi seedlings wight higher quality comparing to the monochromic light quality.
Optimum EC for the growth of leaf lettuce in the plant factory were determined to be 1.5~3.5 dS·m^-1. The fresh weight of leaf lettuce of EC 3.5 dS·m^-1 under 150μmol m^-2·s^-1±20 fluorescent lamp was 12% higher than that of 0.5 dS·m^-1. The dry weight of leaf lettuce of EC 3.5 dS·m^-1 under 150μmol m^-2·s^-1±20 LED was 30% higher than that of 0.5 dS·m^-1.
Nutrient solution concentration was tested in order to develop nutrient solution composition for the good growth of Lactuca sativa L. cv. 'Dduksum'. Three different treatments that is 1/2, 1 and 2 times of the nutrient solution of horticultural experiment station in Japan were done to nutrient solution concentration. Nutrient solution is calculated the formula devised by Yamasaki to determine the amount of macronutrients and water uptake at regular intervals during water culture. The result that is the development of optimum nutrient solution for lettuce is 0.5, NH4₄-N 1.2, P 3.6, K 7, Ca 3.5, Mg 2.0 me·L-1. Ammonium nitrogen(NH4₄-N) decreased in 2 weeks after transplant. Potassium(K) and nitrate nitrogen(NO₃-N) decreased in 4 weeks after it. This fact indicates that the initial application levels of ions in nutrient solution would be less than the optimum level for leaf lettuce culture.
From this study, it was suggested that the optimum light quality and intensity in the plant factory system of horizontal type can be controlled in the level of blue plus red mixture radiation with a higher light intensity for plant production with a quality without any pesticides, respectively. Under conditions of CO₂ enrichment inside the plant factory system, blue plus red light quality gave the maximum growth and pigmentation in red-curly lettuce regardless of the different growth stages after sponge transplantation. It was also revealed that the CO₂ concentration tested in the research was not significantly different in plant growth or pigmentation, and the most important environmental factor in the plant factory system for red-curly lettuce production with a quality is probably light intensity than CO₂ concentration or enrichment. The results also provide necessity that is to apply optimum nutrient solution and modify it according to growth stages. Further detail investigations for the amount of additional fertilizer are required.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• SUMMARY ... 10
• 목 차 ... 12
• 제 1 장 서 론 ... 13
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 14
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 16
• 제 1 절 지상부 물리환경 제어기술 연구 ... 16
• 제 2 절 근권환경 최적조건 구명 ... 46
• 제 3 절 싹채소 수확시스템 현장실증 연구 ... 61
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 67
• 제 1 절 목표대비 달성도 ... 67
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 68
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 68
• 제 7 장 기타 중요 변동사항 ... 68
• 제 8 장 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구장비 현황 ... 69
• 제 9 장 참고문헌 ... 70
• 끝페이지 ... 73