초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
■ 제 1세부과제 : 식물공장 생산공정 자동화 매뉴얼 연구
1. 식물공장 생산공정 자동화 실태 분석
○ 식물공장의 주요 농작업은 파종 준비작업, 주작업, 보조 작업으로 나뉠 수 있으며, 식물공장의 자동화는 파종부터 출하까지의 생산공정 과정을 자동화하는 생산공정의 자동화와 시설, 환경, 배양액 관리 자동화로 구분할 수 있음
○ 구주전력 인력의존형 식물공장의 일일 1,000주 생산 규모일 경우 소요되는 총작업시간은 6.6인 3,175시간이며, 자동화된 식물공장의 경우는 0.6인 288시간 소요되었

Ⅳ. 연구개발결과
■ 제 1세부과제 : 식물공장 생산공정 자동화 매뉴얼 연구
1. 식물공장 생산공정 자동화 실태 분석
○ 식물공장의 주요 농작업은 파종 준비작업, 주작업, 보조 작업으로 나뉠 수 있으며, 식물공장의 자동화는 파종부터 출하까지의 생산공정 과정을 자동화하는 생산공정의 자동화와 시설, 환경, 배양액 관리 자동화로 구분할 수 있음
○ 구주전력 인력의존형 식물공장의 일일 1,000주 생산 규모일 경우 소요되는 총작업시간은 6.6인 3,175시간이며, 자동화된 식물공장의 경우는 0.6인 288시간 소요되었으며, 인력의 존형은 주간조절, 수확·포장작업에 약 58%, 자동화 식물공장은 재배바 세팅작업에 가장 많은 노동 투입됨
○ 일일 1,000주 생산 규모의 베지텍스 식물공장에서는 파종은 1일 1회 1,500립을 파종하는데 70~80분, 육묘베드와 재배베드에 작물을 치상하는데 20분, 수확·포장작업에 3~4시간 소요됨
2. 식물공장 기본설계 및 적정 규모 설정
○ 식물공장의 규모는 ① 재배작물 선정 ② 재배상 형태 및 규모 계산 ③ 작업공간, 재배면적, 부대시설 등 시설 이용계획 작성 ④ 생산계획 작성 ④ 생산기간별 이용면적 순으로 결정
○ 식물공장의 규모를 산정하는데 도움이 될 수 있도록 설계변수를 입력하는 창과 결과값을 출력하는 창으로 구성된 규모 산정용 설계지원 프로그램을 개발함
○ 식물공장 설계시 작물재배와 직접 관련이 없는 공간의 최소화가 필요하며, 식물공장의 재배실과육묘실 등 재배공간을 70% 이상 확보하는 것이 중요함
○ 고정식 재배상은 재식간격이 18×18cm일 경우, 베드 폭은 평행배치의 경우에는 5, 6조로 할 경우의 베드 폭은 90, 108cm이었으며, 지그재그배치의 경우에는 6, 7조로 할 경우의 베드폭은 96, 111.6cm이었음
3. 식물공장 면적 추정 및 자동화 기준 분석
○ 일 1,000주 생산 규모의 식물공장에서 9단계로 간격이 조절되는 4단 이동식 재배시스템을 설치하는 경우의 총 소요면적은 660m2이고 재배실 면적은 전체 면적의 66.7%에 해당하는 440m², 작업실은 13.6%에 해당하는 90m²로 산정함
○ 식물공장의 자동화 시설 및 장치는 파종전처리 시설 및 장치, 파종, 발아시설, 육묘시설, 이식 및 정식장치, 재배상 시설, 수확장치, 환경제어장치, 양액시스템 등이 있음
○ 생산공정 자동화를 도입할 경우에는 설치비, 생력화 정도, 경제적 가치, 인건비, 노동피크 등과 인력, 반자동/자동 형식, 사용시간, 작업능률, 부담면적 등을 고려하여 결정할 필요가 있음
■ 제 2세부과제 : 식물공장 환경관리 매뉴얼 연구
1. 국내 운영 식물공장 환경관리 실태 및 식물공장연구동 환경 조사
○ 식물공장연구동 6단 재배시스템의 광량자속밀도는 1-2단, 3-4단, 5-6단 각각 221±18, 188±21, 166±22μ㏖·m^-2s^-1, 2단 재배시스템의 광합성유효광량자속밀도는 1단, 2단 각각 228±55μmol·m^-2s^-1, 250±58μmol·m^-2s^-1이었음
○ 식물공장 3층 재배실의 수평온도 분포는 170cm 높이에서 23.3±0.6℃ 편차를 보였으며, 수직온도는 22.8±0.4℃ 편차를 보였음
2. 식물공장 연구동 이용 재배실험
○ 삼계 적축면(흥농종묘) 상추의 생육 초기 생육은 적색 단일 파장에서 적청 혼합광 보다 양호하였으나 적색발현은 적+청 혼합광에서 양호하였음
○ 광원 종류와 광강도에 따른 로메인 상추의 생육특성은 LED하에서 자란 로메인이 형광등에서 보다 잎이 좁고 기다란 모양을 띄었으며, 생체중은 LED 100, 형광등 80, LED 80, 65, 50μmol·m^-2·s^-1 순이었음
○ 광원 종류에 따른 반결구상추의 생육은 품종에 따라 차이가 있었으며, Seneca RZ’품종의 경우는 생육 중기에는 MH에서 그 생육이 가장 좋았으나 생육 후기에는 FL에서 가장 좋은 결과를 보였음
3. 식물공장 환경분석
○ 베지텍스 식물공장의 온도분포 조사결과, 수평온도는 1.1~1.3℃ 편차, 수직온도 분포는 0.6~1.1℃ 편차를 나타내어 비교적 균일한 온도분포를 보임
○ 이음 식물공장의 온도분포 조사결과, 수평온도는 3.6℃ 큰 편차를 보였는데, 이는 식물공장의 양끝 쪽 배치와 동일하지 않은 용량의 냉난방기 설치로 용량이 큰 쪽의 냉방기의 가동 정지에 의한 영향으로 온도편차가 더 커진 것으로 판단됨
4. 환경관리 및 설비기준 분석
○ 식물공장의 공조에서는 광원에서 발생하는 열 때문에 냉방부하가 난방부하보다 더 크므로 용량 설계시 냉방부하에 우선하여 냉난방기 선정이 필요함
○ 식물공장 내부를 몇 개의 구역으로 나누어 각 구역에 별개의 덕트나 냉·온수관을 설비하여 각기 희망하는 조건으로 구역을 구분하여 제어하면 운영비를 절약할 수 있다. 육묘실, 재배실, 실험실 등의 용도에 따라 열용량이 다르므로 부분적 개별제어가 필요함
○ 식물공장의 냉난방부하를 산정할 수 있도록 치수, 온습도 조건 등을 입력하면 냉난방부하를 출력하는 설계지원 프로그램을 개발함
○ 식물공장의 설치시 고려해야 할 공조부하, 조명, 냉난방 설계 자료 및 환경제어장치, 환경관리기준 그리고 유지관리 요령 등을 제시하였음
■ 제 3세부과제 : 식물공장 재배관리 매뉴얼 연구
1. 인공광 재배작물의 양액 농도 관리 방법 구명
○ 쌈채소 종류별 양액농도 관리방법 실험결과 자연광 하에서 설정한 양분 요구도를 인공광 재배에서 그대로 적용 가능하다고 판단됨
2. 전용배양액을 이용한 쌈채소 종류별 양액농도 관리방법 구명
○ 쌈채소의 생체중이 최대가 되는 배양액의 농도는 생육기간이 경과함에 따라 EC가 약간씩 낮아지는 경향이었음
○ pH는 정식후 일정기간 떨어지다가 상승하는 경향을 나타내었음
○ 국화과와 미나리과는 EC 1.5~2.0dS/m, 배추과는 2.0~2.5dS/m, 미나리과는 1.5~2.0dS/m가 적정한 농도인 것으로 나타났음
○ 급액의 농도는 모든 쌈채소의 질산태 질소 함량에 영향을 미쳤으며 급액농도가 높아질수록 식물체내 질산태 질소도 증가하였음
3. 식물공장 환경 관리 방법 구명
○ 쌈채소 식물공장 재배시 식물공장 온도 조건을 23℃ 조건에서 재배했을 때 20℃에 비하여 생육속도가 빨라져 엽수의 발생이 많고 생체중이 증가하여 수량이 향상됨
○ 23℃ 온도 조건에서 재배했을 때 생육속도가 빨라 저광도에서는 도장하여 상품성이 떨어지기 쉬우므로 200μmol‧m^-2‧s^-1의 광도가 요구됨
■ 제 1협동과제 : 인공광형 식물공장 경영모델 연구
1. 식물공장 실태 및 경영모델 기초분석
○ 경기도 농업기술원, 리프레시함양, 인성테크, 그린플러스, 카스트 친환경농업기술, 파루스 등 국내와 미우라농원, 큐피, 페어리엔젤 등 국외 식물공장 현황을 조사하고 국내외 식물공장의 특징을 비교하였음
○ 국내 식물공장 관련 주체는 시스템 관련 업체, 영농업체, 건설업체가 있으며, 이 중 시스템 관련 업체가 관련 산업을 주도하고 있음
○ 식물공장은 초기 설비 투자 비용이 높아 시장진입이 어렵고 유지비용이 많이 들어 경제성이 떨어지는 단점이 있음
- 일본사례의 완전제어형 식물공장에서는 1㎡당 비용이 15~30만엔 정도이며, 태양광병용은 1~15만엔으로 절반수준임
○ 식물공장에서 사용하는 배지와 광(光)의 형태 및 가격 등 다양한 요인과 그 요인내 수준에 따라 구매자들에게 상품에 대한 선호속성 분석과 식물공장 농산물 구매요인과 수준을 설정하였음
- 한계지불의사금액(marginal willingness to pay)에 대한 추정결과, 인공광보다 인공광과 태양광의 병용이나 태양광을 보다 선호하고 태양광을 통해 생산된 포기상추 100g 기준으로 배지에 대해서는 264원, 광(光)에 대해서는 752원을 추가로 지불할 의사가 있음을 추정
- 포기상추의 소비자 선호 배지 유형은 토양재배보다 수경재배를 더 선호하고, 광(光) 유형은 인공광 보다 인공광과 태양광 병형을 더 선호하고, 이 보다 태양광을 더 선호하는 것으로 나타났음
2. 경영성과 사례 분석 및 경영모델 개발
○ 베지텍스, 이음, 그린플러스의 국내 식물공장과 유럽 식물공장 경영성과 사례를 분석하였음
- 베지텍스 식물공장은 설치비가 9억 7천만원이고 이 중 광원설비가 21.6%로 가장 많은 비중을 차지하고 있으며, 공조설비 20.6%, 골조 설치비 16.5% 순이며, 수익은 평당 약 416.5천원으로 분석
- 그린플러스 식물공장은 설치비 22억 8백만원이며 시스템공사가 69.7%인 15억원, 온실공사가 28.9%인 6억 4천만원을 차지하며, 소득은 500령기준 12억 7,149만원으로 분석
○ 사례업체의 경영실태를 기초로 정부정책, R&D, 판매처 조절 등을 시나리오로 구성하여 경영성과를 분석하였음
○ 식물공장 경영분석 프로그램 Excel 2010 Microsoft Visual Basic을 이용하여 식물공장의 경영성과 및 식물공장의 초기 설립시 운영에 필요한 사항들을 제시하였음
○ 향후 식물공장 산업화를 위해 산학연 전문가들을 대상으로 식물공장 발전 방향의 우선순위와 분야별 중요도를 제시하였음
- 식물공장이 현재 엽채류 중심으로 생산할 경우 경영성과를 높이기 위해서는 가장 우선되어야 할 것 으로 지속적으로 일정한 가격으로 판매할 수 있는 판매망 확보가 가장 중요함
- 식물공장의 최대 수익을 위해서는 ① 품목별 출하시기를 조절하여 높은 가격으로 판매, ② 판로확대 등으로 생산량 전량을 판매하고, 계약 재배 등으로 안정적인 수취가격 ③ 비용절감을 위한 기술개발이 중요함
3. 식물공장의 시장전망 및 발전방안 도출
○ 식물공장의 시장규모를 국내, 국외 시장으로 구분하여 추정하였음
- 국내 LED 및 형광등 식물공장은 계속 증가하여 초기년도에 14억원에서 2023년 순 시장규모는 200억 수준으로 계속 증가하고 병용형의 경우 초기에는 264억원정도에서 1,980억원까지 증가한 후 이후 감소하여 2023년에는 416억 수준으로 낮아질 것으로 전망됨
- 전체 식물공장의 시장규모는 2013년에 1조 8천억원에서 2015년에 1조 9천억원, 2020년에는 2조3천억원, 2023년에는 2조 4,83억원으로 추정됨
○ 식물공장의 보급정책과 기술개발 측면에서의 식물공장의 발전방향을 제시하였음
- 1단계는 기획단계로 식물공장 전문가 협의체 구성, 2단계는 실증단계로 농·공·상·학·연 컨소시엄 구성을 통한 연구개발 및 거점 식물공장, 실용화 실증, 거점형 식물공장 구축, 3단계는 보급단계로 수익 창출형 식물공장 보급을 목표로 단계별로 보급정책 추진
- 단기적으로 기술개발은 수익이 창출될 수 있는 인공광 식물공장을 대상으로 하고, 중기적으로는 수직농장, 장기적으로는 우주농업에 대한 기술개발 등 단기, 중기, 장기로 구분하여 기술개발 추진

Abstract ▼

Plant factory is a facility that aids the steady production of high-quality vegetables all year round by artificially controlling the cultivation environment. Optimum environment including temperature, humidity, etc. in plant factory was required to increase mass-production efficiency of crops.
C

Plant factory is a facility that aids the steady production of high-quality vegetables all year round by artificially controlling the cultivation environment. Optimum environment including temperature, humidity, etc. in plant factory was required to increase mass-production efficiency of crops.
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.
Plant factory is one of the proactive means for preparing future climate changes and furthermore a new growth factor. The facilities and equipments of plant factory can be globally exported. The research institutes and private sectors need to strive for reduction of the high initial investment, one of the biggest demerits of plant factory. It is needed to operate plant factories focused on high value added crops in order to secure competitiveness of the products. Also it is needed to establish that plant factories produce highly value added and outstanding seeds that are suitable for the circumstances of plant factory.
1. A study on the automation manual of production process in a plant factory
This study was conducted to establish the basis of optimal scale of plant factory and automation for the efficient construction and selection of equipments and to survey automation status and the required time for farm work of plant factory operated in Korea and plant factory research center of RDA.
Crop production in plant factory is done at a multi layer bed. In general, cultivation bed of plant factory is established 4~8 layers for securing the more cultivation space.
This study was conducted to survey automation status and the required time for farm work of plant factory operated in Korea and plant factory research center of RDA.
The result of this survey is that workers devote a great deal of time to harvesting and packing, seeding work.
To establish plant factory, founder should be consider fund, cultivation crops, building or land area. The automation equipment level of plant factory should be dependent on cultivation crop, scale, profit by automation, the peak of labor, system installation cost, etc.. Essential equipment were crop cultivation facility, such as a bed and a bench, cultivation automation facility, such as nutrient control system and environment control system.
Plant factory for leaf vegetable to product 1,000 plants per day can be operate without seeder, transplanter, apparatus for making box, but packing machine is recommended for the instruction.
2. A study on the manual for environment management in a plant factory
Proper environment management including temperature, humidity, etc. in plant factory is an essential element of control, it is important to control temperature, humidity, nutrient etc. for optimum growth of crops. This study was conducted to identify the basis of environment management and facilities for the establishment of the environment managemet technology and to survey environment of plant factory operated in Korea and plant factory research center of RDA.
The air flow rate on the cultivation bed, the photon flux density on it, distribution of temperature and relative humidity of cultivation room etc. was measured in plant factory research center. Cultivation experiments using plant factory research center were carried out to verify growth characteristic of leaf lettuce under LED, fluorescent lamp, metal-halide lamp.
This study was measured about environment by the spatial location of plant factory using fluorescent lamp and plant factory using LED. And the basis of environmental management and facilities selection was proposed.
Design guide for air-conditioning load, lighting, heating and cooling was suggested and the basis of environment control system and environmental management, tips for maintenance, etc. was proposed for reference in establish of plant factory.
3. A study on the manual for cultivation management in a plant factory
Plant factory has been developed in conjunction with the agriculture and other industries. With the development of LED light, the closed-type plant factory using artificial lights is being introduced. This study was conducted to identify the effect of nutrient solution level and temperature and light intensity on the growth of major leafy vegetable in the plant factory production. Treatments of nutrient solution of EC level were composed of EC 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, and 3.0 dS/m in closed-type plant factory and EC 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 dS/m in hybrid type. The optimum range for maximum production was EC 1.5 to 2.0 dS/m for Asteraceae spp. (lettuce, endive, and chicory) and Apiaceae spp. (celery and parsley), and for leaf mustard, kale, and pak-choi, which belong to Brassicaceae, it was 2.0 to 2.5 dS/m. Each crop of optimum EC range was as follows: chukmyeon lettuce, endive, celery and chicory, 1.5dS/m; chima lettuce, parsley and leaf mustard, 2.0dS/m; kale and pak-choi, dS/m. Nutrient requirement in the closed-type plant factory is similar to that of hybrid type. Treatments of temperature were 20℃, and 23℃ and light intensity were 100, 150, 200, 250 μmol‧ m^-2‧ s^-1 in closed-type plant factory. Compared to 20℃, number of leaves and fresh weight was increased in the 23℃. However, marketability was decreased by overgrowth in the low light intensity.
4. A study on the business model in a plant factory
The plant factory is an automatic production system, in which up-to-date technologies including IT, NT and BT are converged to produce crops 365 days regardless of weather circumstances. This study is to review operation status of plant factories in both domestic and overseas countries, and to establish management profit model by item by analyzing economic feasibilities by facility scale, kind of crop, and range of automatic facilities.
There is a different stand point of perspective on the plant factory between agriculture industry and individual company. From the perspective of agriculture industry, there is no difference in cultivation between under the sunlight and under the artificial light(or mixed) in indoors. However from the individual company' s perspective, it could be better off with producing crops by machines and sensors apart from traditional agricultural cultivation.
As a result of effects after operation of plant factories, 66.7% of the surveys stated that the relative management costs dramatically increased, 30% quality improvement, and 25% increase in production volume respectively. On the other hand, the sales volume decreased compared to the past due to lack of recognition and competition in price with normal agricultural products. It is analyzed that consumers prefer soil cultivation (bacteria-free, organic) rather than hydroponics (nutrient solution, bacteria-free) regardless of items in types of cultivation venue of plant factory whereas they prefer the mixed type rather the artificial light type in the type of light, however they prefer the sunlight the most of all. As a result of survey on items to be cultivated in plant factories, vegetables scored the highest with 80 points whereas flowers, specialized crops, and medicine kinds scored 66.7 points. On the other hand, garden fruits scored the lowest with 40 points.
AHP analysis results for expanding the spread of plant factories. For the industrialization of plant factory, the priority for development of plant factory is addressed and degree of importance for each area is analyzed for the subject of industry, academic and research. It is researched that the utmost urgent issue is securing economic feasibility followed by R&D on technology. The opinion on improvement of system and policies is relatively low.
Development of management model for each crop: Management analysis program for plant factory (Excel 2010 Microsoft Visual Basic). It is separately analyzed for the 4 different light types including A type (complete artificial light: LED), B type (complete artificial light: fluorescent light), C type (Mixed: natural light + LED), and D type (Mixed: natural light + fluorescent light) while lettuce is selected as the basic crop and romaine as a selective crop. In all types, the production volume increased when changes in crops, light sources, production cycle, and spacing thus the profits were increased as well. However, the level of profits increase for LED is better than the fluorescent lights. For mixed type, profits increased by a relatively small margin since the use of LED or fluorescent light is not significant.
Development trend of plant factory in Korea: Promoting plant factory can positively effect both related front and rear industries along with development of its market. Plant factory is one of the proactive measures for preparing future climate changes, and furthermore a new growth factor, in which factory facilities can be globally exported. The domestic relevant research institutes and private sectors need to strive for lowering the high initial investment, one of the biggest demerits of plant factory. It is needed to operate plant factories focused on high value added crops in order to secure competitiveness of the products. Along with the foregoing, it is needed to establish that plant factories produce highly value added and outstanding seeds that are suitable for domestic circumstances in a short period of time, and supply them to conventional agricultural facilities such as facility houses or cultivating grounds for further cultivation.

목차 Contents

• 표 지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• S U M M A R Y ... 9
• 목 차 ... 13
• 제 1 장 서 론 ... 14
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 16
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 17
• 제 1 절 식물공장 생산공정 자동화 매뉴얼 연구 ... 17
• 1. 식물공장 생산공정 자동화 실태 분석 ... 17
• 2. 식물공장 기본설계 및 적정 규모 설정 ... 21
• 3. 식물공장 규모 및 자동화 기준 분석 ... 33
• 제 2 절 식물공장 환경관리 매뉴얼 연구 ... 41
• 1. 국내 운영 식물공장 환경관리 실태 및 식물공장연구동 환경 조사 ... 41
• 2. 식물공장 연구동 이용 재배실험 ... 51
• 3. 식물공장 환경분석 ... 70
• 4. 환경 관리 및 설비기준 분석 ... 78
• 제 3 절 식물공장 재배관리 매뉴얼 연구 ... 109
• 1. 인공광 재배작물의 양액 농도 관리 방법 구명 ... 109
• 2. 전용배양액을 이용한 쌈채소 종류별 양액농도 관리방법 구명 ... 111
• 3. 식물공장 환경 관리 방법 구명 ... 116
• 제 4 절 인공광형 식물공장 경영 모델 연구 ... 121
• 1. 연구범위 및 방법 ... 121
• 2. 식물공장 개요 ... 123
• 3. 국내외 식물공장 현황 ... 133
• 4. 국내 식물공장 관련 주요 정책 및 제도 ... 143
• 5. 식물공장에 대한 사회적, 문화적 수용성 정립 ... 146
• 6. 식물공장 농산물의 소비의향 및 소비확대 방안 ... 147
• 7. 국내외 식물공장 경영성과 사례 분석 및 경영모델 개발 ... 165
• 8. 식물공장의 산업화 가능성 분석 ... 185
• 9. 식물공장의 시장전망 및 발전방향 ... 192
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 216
• 제1절 목표대비 달성도 ... 216
• 제2절 정량적 성과 ... 217
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 221
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 221
• 제 7 장 기타 중요 변동사항 ... 221
• 제 8 장 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구장비 현황 ... 222
• 제 9 장 참고문헌 ... 223
• 끝페이지 ... 227