KR101051607B1 - 식물 재배를 위한 양액 순환 방식의 식물 공장 - Google Patents

식물 재배를 위한 양액 순환 방식의 식물 공장 Download PDF

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Abstract

본 발명은 식물 재배를 위한 양액 순환 방식의 식물 공장에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통제된 일정한 시설 내에서 환경조건을 인위적으로 제어하여 식물을 재배하면서 배출되는 폐양액을 재사용이 가능하도록 처리하여 양액을 순환시켜 이용할 수 있는 식물 공장에 관한 것이다.
본 발명은 식물의 생육에 필요한 영양성분을 함유하는 원액이 저장되는 원액저장탱크들과, 상기 원액저장탱크들과 연결되어 상기 원액저장탱크들로부터 원액이 주입되는 혼합탱크와, 상기 혼합탱크로 원수를 공급하기 위해 상기 혼합탱크와 연결되는 원수공급부를 포함하는 양액공급부와, 외부와 격리된 재배공간이 내부에 마련된 컨테이너와, 상기 컨테이너의 내부에 다수가 배치되며 상기 혼합탱크로부터 양액이 공급되어 식물이 재배되는 생육베드와, 상기 생육베드 방향으로 형광램프 및 발광다이오드로부터 생성된 인공광을 조사하는 인공광원부를 포함하는 식물재배부와, 생육베드로부터 배출되는 폐양액을 재사용할 수 있도록 상기 폐양액 중의 세균을 제거하여 상기 혼합탱크로 공급하는 폐양액 처리기를 구비한다.

Description

식물 재배를 위한 양액 순환 방식의 식물 공장{Plants factory of nutrient solution circulation type for cultivating plants}
본 발명은 식물 재배를 위한 양액 순환 방식의 식물 공장에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통제된 일정한 시설 내에서 환경조건을 인위적으로 제어하여 식물을 재배하면서 배출되는 폐양액을 재사용이 가능하도록 처리하여 양액을 순환시켜 이용할 수 있는 식물 공장에 관한 것이다.
국내에서도 올해 들어 일조량 부족, 잦은 집중호우, 과거와 다른 태풍의 진행 경로 등 이상 기후 현상들이 연이어 발생해 과일, 야채류 등 각종 농산품 공급이 불안정해지고 가격이 급등하는 모습을 자주 보이고 있다.
단순한 기상 이변은 야채, 과일 등 일부 농산물의 작황에 영향을 미쳐 농산물의 일시적인 공급 불안정성을 키울 수 있다. 기후 변화가 장기적으로 지속된다면 노지 재배를 통한 쌀, 밀, 옥수수 등 주식용 곡물 농사마저 어렵게 함으로써 결국 식량 부족 사태를 초래할 가능성도 있다.
기후 변화 현상은 농산물을 구매하는 일반 소비자뿐 아니라 유통, 식품업계 등 관련 기업에게도 사업의 안정성을 저해할 수 있는 잠재적인 위험 요인이 되고 있다. 농산물의 안정적인 생산을 위해 식물공장이 하나의 대안이 될 수 있다.
식물공장이란 일정한 시설 내에서 빛, 온도, 습도, 공기(이산화탄소 농도), 물, 영양분 등 식물 배양에 필요한 모든 환경 조건을 인공적으로 통제, 제어해 농작물을 생산하는 시스템을 의미한다. 이른바 공장제 생산 시스템을 도입한 농업 방식인 것이다.
식물공장을 적용한 농업 방식은 기존 농업 방식과는 확연하게 구분되는 특징을 보인다. 첫째, 연중 안정적인 생산이 가능하다는 점이다. 모든 환경 조건이 인공적으로 제어되는 시설 내부에서 작물이 재배되므로 노지 재배뿐 아니라 비닐하우스, 유리온실 등의 시설재배와 달리 계절이나 환경의 변화, 지리적 입지 조건 등에 크게 구애받지 않고 농작물을 1년 내내 생산할 수 있기 때문이다. 둘째, 재배 작물의 규격화 및 정량화가 가능하다. 체계적인 생산 설비에서 작물이 재배, 수확되므로 크기나 용량 등이 규격화된 작물을 제품화할 수 있기 때문이다. 셋째, 기존의 주요농업 방식인 노지 재배에 비해 훨씬 개선된 시장 대응 능력을 보유할 수 있다. 시장 수급 상황에 대응한 능동적이고 계획적인 생산량 조절, 소비자 수요 트렌드의 변화 등에 대응한 신속한 재배 품목 교체 등이 보다 수월하게 이루어질 수 있기 때문이다.
식물공장은 주로 양액을 이용한 수경재배방식을 기반으로 한다. 수경재배방법은 작물의 생육에 요구되는 필수원소를 그 흡수 비율에 따라 적당한 농도로 용해시킨 양액을 이용하여 작물을 재배하는 방법을 말한다. 양액 재배는 양액과 뿌리부분의 배지조건을 인위적으로 정밀하게 조절할 수 있으므로 환경을 균일하게 유지하여 작물의 생육조건을 최적으로 할 수 있다.
최근 농업선진국에서는 수경재배 방식이 비순환식에서 순환식으로 전환되고 있는데, 순환식 수경재배는 작물이 흡수하고 남은 양액이 양액탱크와 재배용 베드 사이를 순환하는 방식으로, 15~40%에 이르는 잉여 양액을 대부분 시설 밖으로 폐기하는 비순환식 수경재배에 비해 양액 배출에 의한 수자원과 토양오염을 방지하고, 물과 비료를 절감할 수 있는 이점이 있다.
우리나라의 경우 수경재배 면적이 최근 10년 사이에 급속하게 증가하였으나, 수경재배방식에 있어서는 양액 배출에 대한 규제가 없고, 순환식 수경재배시스템을 구축하기 위한 초기투자비용의 증가에 의한 경제적 부담 증가와, 작물별 순환식 수경재배용 양액의 미개발, 양액 재사용을 위한 양액 처리 및 관리기술 등 순환식 수경재배 기술의 미확립으로 인해 일부 엽채류를 제외하고는 대부분 비순환식으로 재배되고 있는 실정이다.
따라서, 우리나라에서도 기존의 비순환식 수경재배를 순환식 수경재배방식으로 전환할 필요가 커지고 있고, 이를 위해서 폐양액을 재이용할 수 있도록 처리할 수 있는 시스템의 개발이 절실히 요구되고 있다. 순환식 수경재배의 경우 사용된 양액 속에 병원균이 존재하게 되면 토경재배에 비하여 병원균의 확산이 빠르고, 양액탱크를 경유해서 재배용 베드 전체에 만연되기 쉽기 때문에 폐양액 속에 함유되는 이물질과 병원균을 제거하고, 잔류하는 농약 성분들을 제거하는 것이 중요하다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 통제된 일정한 시설 내에서 환경조건을 인위적으로 제어하여 식물을 재배하면서 폐양액 중에 포함된 각종 병원균과 잔류 유기물들을 제거하여 폐양액을 재사용할 수 있도록 처리함으로써 양액을 순환시켜 식물을 재배할 수 있는 식물 공장을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 식물 재배를 위한 양액 순환 방식의 식물 공장은 식물의 생육에 필요한 영양성분을 함유하는 원액이 저장되는 원액저장탱크들과, 상기 원액저장탱크들과 연결되어 상기 원액저장탱크들로부터 원액이 주입되는 혼합탱크와, 상기 혼합탱크로 원수를 공급하기 위해 상기 혼합탱크와 연결되는 원수공급부를 포함하는 양액공급부와; 외부와 격리된 재배공간이 내부에 마련된 컨테이너와, 상기 컨테이너의 내부에 다수가 배치되며 상기 혼합탱크로부터 양액이 공급되어 식물이 재배되는 생육베드와, 상기 생육베드 방향으로 인공광을 조사하는 인공광원부를 포함하는 식물재배부와; 상기 생육베드로부터 배출되는 폐양액을 재사용할 수 있도록 상기 폐양액 중의 세균을 제거하여 상기 혼합탱크로 공급하는 폐양액 처리기;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 인공광원부는 상기 생육베드의 상부에 설치되는 케이스와, 상기 케이스에 설치되며 백색광을 조사하는 냉음극형광램프와, 상기 냉음극형광램프를 중심으로 상기 냉음극형광램프의 좌우측 중 어느 일측에 배치되어 적색광을 조사하는 다수의 발광다이오드들을 갖는 제 1엘이디발광부와, 상기 제 1엘이디발광부의 맞은편인 상기 냉음극형광램프 타측에 배치되어 청색광을 조사하는 다수의 발광다이오드들을 갖는 제 2엘이디발광부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 인공광원부는 상기 생육베드의 상부에 설치되며 하부가 개구된 케이스와, 상기 케이스에 내부에 설치되어 상기 케이스의 하방으로 광을 반사시킬 수 있는 포물면이 형성된 반사판과, 상기 반사판의 내측에 설치되어 백색광을 조사하는 냉음극형광램프와, 상기 케이스의 하부에 결합되며 광을 확산시키는 광확산부재와, 상기 광확산부재의 양단부에 각각 결합되는 지지체와, 상기 지지체의 일측에 설치되며 상기 광확산부재의 단부에 형성된 제 1엘이디장착홀에 삽입되어 상기 광확산부재 내부로 적색광을 발산하는 다수의 발광다이오드들을 갖는 제 1엘이디발광부와, 상기 지지체의 타측에 설치되며 상기 광확산부재의 단부에 형성된 제 2엘이디장착홀에 삽입되어 상기 광확산부재 내부로 청색광을 발산하는 다수의 발광다이오드들을 갖는 제 2엘이디발광부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 폐양액 처리기는 유입구를 통해 유입된 폐양액이 내부공간을 따라 연속적으로 흘러 유출구로 배출되는 살균챔버와, 상기 살균챔버를 둘러싸며 상기 살균챔버의 둘레에 기체가 흐르는 유로를 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 유로를 따라 흐르는 산소를 방전시켜 오존을 발생시키고 발생된 오존을 상기 살균챔버의 내부로 유입시켜 상기 폐양액 중으로 오존을 혼합시키는 오존공급부와, 상기 하우징에 설치되어 상기 살균챔버 내부로 자외선을 조사하기 위한 자외선조사부와, 상기 살균챔버의 내부에 설치되어 상기 자외선조사부로부터 조사되는 자외선광에 의해 광활성화되어 폐양액 중의 유기물을 분해하는 광분해유니트를 구비하고, 상기 자외선조사부는 상기 살균챔버를 둘러싸며 내부에 방전가스가 충전된 진공관과, 상기 하우징 내부로 마이크로파를 발진시켜 상기 진공관에 충전된 방전가스를 여기시켜 상기 진공관으로부터 자외선을 방출시키는 마이크로파 발생기를 구비하고,
상기 생육베드는 상기 컨테이너에 설치된 고정프레임에 설치되는 지지수단에 의해 지지되어 다수가 상하로 다단 배치되며, 상기 생육베드는 양액이 저장되는 양액저장공간을 가지면 상부가 개방된 포트와, 상기 포트의 상부에 결합되며 식물이 식재되는 식재홀이 일정 간격으로 다수 형성된 덮개판을 구비하고, 상기 지지수단은 고정프레임에 고정되는 브라켓트와, 상기 브라켓트에 결합되어 상기 포트를 지지하는 거치구와, 상기 브라켓트에 대한 상기 거치구의 높이를 조절하기 위한 높이조절부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 작물이 흡수하고 남은 폐양액을 회수하여 이에 함유된 각종 병원균과 유기물질을 제거함으로써 폐양액의 재사용을 가능하게 한다. 따라서, 폐양액의 배출을 막아 수자원과 토양오염을 방지할 수 있고, 물과 비료를 절감할 수 있으며, 순환식 수경재배를 구현할 수 있다.
또한, 컨테이너 내에서 환경조건을 인위적으로 제어하여 식물을 재배하므로 노지 재배, 비닐하우스, 유리온실 등의 시설재배와 달리 계절이나 환경의 변화, 지리적 입지 조건 등에 크게 구애받지 않고 농작물을 1년 내내 생산할 수 있으며, 재배 작물의 규격화 및 정량화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따는 식물공장을 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 2는 도 1에 적용된 식물재배부의 내부는 나타내는 일부 절개 사시도이고,
도 3은 도 1에 적용된 생육베드의 분리사시도이고,
도 4는 도 1에 적용된 인공광원부를 나타내는 분리사시도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 적용된 인공광원부의 단면도이고,
도 6은 도 1에 적용된 폐양액 처리기를 나타내는 사시도이고,
도 7은 도 6의 단면도이고,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 식물공장에 적용된 폐양액 처리기의 요부를 발췌한 일부 절개 사시도이고,
도 9는 본 발명의 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 식물공장에 적용된 폐양액 처리기의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 식물 공장에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 식물공장은 크게 양액공급부(10)와, 식물재배부(50)와, 폐양액처리기(100)를 구비한다.
양액공급부(10)는 식물재배부(50)로 식물을 재배하기 위한 양액을 공급한다. 이러한 양액공급부(10)는 식물의 생육에 필요한 영양성분을 함유하는 원액이 저장되는 원액저장탱크들(1)(9)(17)과, 원액저장탱크들(1)(9)(17)과 연결되어 원액저장탱크들(1)(9)(17)로부터 원액이 주입되는 혼합탱크(30)와, 상기 혼합탱크(30)로 원수를 공급하기 위해 상기 혼합탱크(30)와 연결되는 원수공급부(40)를 포함한다.
원액저장탱크는 2 이상이 설치된다. 도시된 예에서는 개의 원액저장탱크(1)(9)(17)가 설치되어 있다. 각 원액저장탱크들(1)(9)(17)에는 서로 다른 원액이 저장되어 있다. 도시되지 않았지만 각 원액공급탱크(1)(9)(17)에는 원액의 수위를 측정하는 수위감지센서가 설치될 수 있다. 원액저장탱크들(1)(9)(17)은 제 1, 2, 3연결관(3)(11)(19)에 의해 각각 혼합탱크(30)로 연결된다. 제 1, 2, 3연결관(3)(11)(19)에는 각각 유로를 개폐하기 위한 밸브(5)(13)(21) 및 정량펌프(7)(15)(23)가 설치된다.
혼합탱크(30)로 원수를 공급하기 위한 원수공급부(40)는 원수가 저장된 원수저장탱크(41)와, 원수저장탱크(41)와 혼합탱크(30)를 연결하는 원수공급관(43)과, 원수공급관(43)에 설치된 펌프(47) 및 밸브(45)로 이루어진다. 도시된 예에서는 원수공급관(43)을 이용하는 원수에 산소를 용해시키기 위한 산소용해부(300)가 더 마련되어 있다. 산소용해부(300)는 원수공급관(43)의 중간에 설치되어 펌프(47)를 통해 원수저장탱크(41)로부터 배출되는 원수에 산소를 용해시키는 역할을 한다. 산소용해부(300)는 다양한 산소용해장치를 이용할 수 있다. 일 예로, 대한민국 등록특허 제 10-0703943호에 개시된 산소용해장치를 적용할 수 있다. 또한, 도시된 바와 달리 산소용해부는 생략될 수 있음은 물론이다. 또한, 산소용해부는 혼합탱크(30)로부터 배출되는 양액에 산소를 용해시킬 수 있도록 양액배출관(32) 상에 설치될 수 있다.
혼합탱크(30)는 원액 및 원수가 혼합되어 식물 재배에 필요한 양액을 공급한다. 여기서 양액이라 함은 원액저장탱크에 저장된 원액과 구분하기 위한 것으로, 양액은 원수에 원액이 일정 비율로 희석된 것을 의미한다. 혼합탱크(30) 내부에는 양액의 전기전도도(EC)와 수소이온농도, 온도, 용존산소량을 측정하기 위한 EC센서(31c), pH센서(31d), 용존산소센서(31a), 온도센서(31b)를 포함하는 센서부(31)가 설치된다. 또한, 수위센서 등이 추가로 설치될 수 있다. 한편, 혼합탱크(30)에는 폐양액처리기(100)를 통해 살균처리되어 재사용이 가능한 폐양액이 유입된다.
혼합탱크(30)의 하부에는 양액이 배출되는 양액 배출관(32)이 설치된다. 양액 배출관(32)에는 배출밸브(33) 및 양액을 식물재배부(50)로 이동시키기 위한 펌프(35)가 설치된다. 양액배출관(32)으로부터 다수의 분기관들(37)이 분기되어 식물재배부(50)로 연결된다. 각 분기관들(37)에는 밸브(39)가 설치된다.
식물재배부(50)는 외부와 격리된 재배공간이 내부에 마련된 컨테이너(51)와, 상기 컨테이너(51)의 내부에 다수가 배치되며 상기 혼합탱크로부터 양액이 공급되어 식물이 재배되는 생육베드(60)와, 상기 생육베드(60)에서 재배되는 식물의 광합성을 위해 인공광을 조사하는 인공광원부(70)를 포함한다.
컨테이너(51)는 단층형, 복층형, 또는 빌딩형으로 지상에 설치되거나, 지중에 복층형으로 설치될 수 있다. 본 발명에서 컨테이너(51)는 빛, 온도, 습도, 공기(이산화탄소 농도) 등 식물 배양에 필요한 환경 조건을 인공적으로 통제 제어할 수 있도록 외부와 격리된 재배공간을 갖는 밀폐형인 것이 바람직하다. 이를 위해 컨테이너(51)에는 온도 및 습도를 조절하기 위한 냉난방 공조시스템, 이산화탄소의 농도를 조절하기 위한 이산화탄소 또는 산소공급장치가 설치될 수 있다.
컨테이너(51) 내부에는 다수의 생육베드들(60)이 설치된다. 도 2에 도시된 바와 같이 생육베드(60)는 고정프레임(53)에 지지되어 다단으로 수직 배치된다. 고정프레임(53)은 컨테이너(51)의 내부에 다수가 일정 간격으로 설치된다. 고정프레임(53)은 컨테이너(51) 바닥에서 수직으로 형성되며 일정 간격으로 배치되는 다수의 지주들(55)과, 지주들(55)의 상부에 형성된 상판(57)으로 이루어진다.
생육베드(60)는 포트(61)와, 포트(61)의 상부에 결합되며 식재홀(65)이 일정 간격으로 다수 형성된 덮개판(63)으로 이루어진다. 포트(61)는 양액공급부(10)를 통해 공급되는 양액이 내부에 저장될 수 있도록 내부에 양액저장공간이 마련되고 상부가 개방된 구조를 갖는다. 포트(61)는 전후로 길게 형성되어 다수의 지주들(55)에 의해 지지된다. 가령, 하나의 포트(61)의 길이가 5 m이면, 1m간격으로 설치된 5개의 지주들에 의해 지지된다. 포트(61)가 지주(55)에 지지되기 위해 각 지주(55)에는 지지수단이 마련된다.
지지수단은 지주(55)에 고정되는 브라켓트(81)와, 브라켓트(81)에 결합되는 거치구(83)와, 브라켓트(81)에 대한 거치구(83)의 높이를 조절하는 높이조절부재(87)를 구비한다. 브라켓트(81)는 지주(55)의 측면에 용접 또는 나사 등에 의해 고정되는 고정부(81a)와, 고정부(81a)의 상단에서 수평으로 돌출되도록 연장되는 연장부(81b)로 이루어진다. 연장부(81b)에는 상하로 관통되어 형성된 삽입홀(82)이 마련된다. 거치구(83)는 연장부(81b)에 안착되는 안착부(84)와, 안착부(84)의 양측에서 상부로 연장되는 파지부(85)와, 안착부(84)의 하부에 하방으로 일정길이 연장되어 형성되며 삽입홀(82)에 삽입되는 스크류봉(86)으로 구비된다. 스크류봉(86)의 외주면에는 나사산이 형성된다. 연장부의 삽입홀(82)은 스크류봉(86)의 외경보다 더 크게 형성된다. 높이조절부재(87)는 연장부(81b)와 안착부(84) 사이에 배치된다. 높이조절부재(87)는 중앙에 상하로 관통되어 형성된 나사홀(88)이 마련되며, 원판형으로 형성된다. 높이조절부재(87)의 외주면에는 마찰력을 증대시킬 수 있도록 다수의 마찰홈들이 형성된다.
브라켓트(81)의 고정부(81a)를 지주(55)에 고정시킨 상태에서 높이조절부재(87)의 나사홀(88)에 스크류봉(86)을 나사결합시킨다. 그리고 높이조절부재(87)의 하부로 돌출되는 스크류봉(86)의 하부를 연장부(81b)의 삽입홀(82)로 통과시킨 후 너트(89)를 스크류봉(86)의 하단에 나사결합시킨다. 이 상태에서 포트(61)를 거치구(83)의 내측에 끼워넣어 포트(61)의 바닥이 안착부(84)에 상부에 밀착되도록 한다. 하나의 포트(61)가 5개의 지주(55)에 각각 설치된 지지수단에 의해 지지될 때, 각 지주(55)의 지지수단의 수평조절부재(87)를 회전시키게 되면 스크류봉(86)이 상하로 이동한다. 이와 같이 스크류봉(86)을 상하로 이동시킴으로써 거치구(83)의 높이를 변화시켜 포트(61)의 수평 상태를 용이하게 조절할 수 있다.
인공광원부(70)는 생육베드의 상부에 설치되며 하부가 개구된 케이스(71)와, 상기 케이스(71)에 내부에 설치되어 상기 케이스(71)의 하방으로 광을 반사시킬 수 있는 포물면이 형성된 반사판(73)과, 상기 반사판(73)의 내측에 설치되어 백색광을 조사하는 냉음극형광램프(75)와, 상기 케이스(71)의 개구된 하부에 결합되며 광을 확산시키는 광확산부재(76)와, 상기 광확산부재(76)의 양단부에 각각 결합되는 지지체(90)와, 상기 지지체(90)의 일측에 설치되며 상기 광확산부재(76)의 단부에 형성된 제 1엘이디장착홀(77)에 삽입되어 상기 광확산부재(76) 내부로 적색광을 발산하는 다수의 발광다이오드들(93)을 갖는 제 1엘이디발광부(91)와, 상기 지지체(90)의 타측에 설치되며 상기 광확산부재(76)의 단부에 형성된 제 2엘이디장착홀(79)에 삽입되어 상기 광확산부재(76) 내부로 청색광을 발산하는 다수의 발광다이오드들(97)을 갖는 제 2엘이디발광부(95)를 구비한다. 그리고 케이스(71)의 내부공간을 양측면에서 밀폐할 수 있도록 케이스(71)의 양측면에 커버(350)가 결합된다. 커버(350)는 케이스(71) 측면에 나사(360)에 의해 결합된다.
상기 인공광원부(70)는 하나의 생육베드(60) 위에 다수가 연속적으로 설치된다. 도시된 예에서 하나의 케이스(71)는 2개의 지주(55)에 걸쳐 형성된다. 도시되지 않았지만 케이스(71)는 지주(55)에 결합 및 분리가 가능하도록 통상적인 고정장치에 의해 지주(55)에 고정될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 인공광원부(70)로 냉음극형광램프(79)와, 발광다이오드로 조합된 광원을 이용함으로써 친환경적이며 경비를 절감할 수 있다.
냉음극형광램프(CCFL;Cold cathode fluorescent lamp)(79)의 구조는 튜브(tube) 형상의 유리관 내부에 수은과 아르곤, 네온 등의 불활성 가스가 충입되고, 유리관의 내벽에는 형광체가 형성되어 있으며, 유리관의 양측에는 양극과 음극의 내부 전극이 설치된 구조를 이룬다. 이러한 구조에서 내부 전극에 전계를 가하면 음극에서 방출되는 전자가 불활성 가스를 여기시켜 자외선을 방출시키게 되며, 자외선은 도포된 형광체에 조사되어 백색의 가시광선으로 변화시킴으로써, 램프로서의 기능을 하게 된다.
이러한 냉음극형광램프(79)는 백열램프, 나트륨 램프와 같이 램프 자체에서 발생되는 발열량이 적기 때문에 식물에 주는 피해를 방지할 수 있다. 또한, 빛이 반사되지 않아 눈부심이 없고 수명이 길다는 장점을 갖는다. 냉음극형광램프(79)에 전력을 공급하기 위해 양측에 전극과 연결되는 리드 단자(lead terminal)가 형성된다. 리드단자는 케이스에 설치된 소켓(72)에 접속되어 전기적으로 연결된다.
제 1엘이디발광부(91)는 600~700nm의 적색광을 생성하는 발광다이오드(93)를 이용하고, 제 2엘이디발광부(95)는 400~500nm의 청색광을 생성하는 발광다이오드(97)를 이용한다. 이와 같은 발광다이오드를 이용하여 식물의 광합성반응에 이용되는 적색광(600~700nm), 굴광성과 형태 형성에 이용되는 청색광(400~500nm) 등의 식물의 생육에 관여하는 환경을 인위적으로 조성하여 광합성과 함께 식물 성장을 촉진시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서 광확산부재(76)를 통해 백색광, 적색광, 청색광을 도광시켜 면발광하는 구조를 가짐으로써 조명효율이 우수하다. 광확산부재(76)로 폴리카보네이트와 같은 도광소재를 이용한다.
인공광원부의 다른 예를 도 5에 도시하고 있다. 도 5를 참조하면, 생육베드의 상부에 하부가 개방된 케이스(400)가 설치되고, 케이스(400)에는 반사판(401)과, 반사판(401)의 좌우측으로 지지패널(405)(407)이 각각 설치된다. 그리고 반사판(401)의 내측에 백색광을 조사하는 냉음극형광램프(410)가 설치된다. 냉음극형광램프(410)의 리드단자는 케이스(400)에 설치된 소켓(415)에 접속되어 전기적으로 연결된다. 그리고 냉음극형광램프(410)의 좌우측 중 어느 일측의 지지패널(405)에 제 1엘이디발광부(421)가 설치되고, 제 1엘이디발광부(421)의 맞은편인 타측의 지지패널(407)에 제 2엘이디발광부(425)가 설치된다. 제 1엘이디발광부(421)에는 적색광을 조사하는 다수의 발광다이오드들(423)이 배치되고, 제 2엘이디발광부(425)에는 청색광을 조사하는 다수의 발광다이오드들(427)이 배치된다. 그리고 케이스(400)의 개구된 하부에는 광을 집속 또는 확산시키기 위한 커버(430)가 설치된다.
폐양액 처리기(100)는 생육베드(60)에서 사용된 폐양액 중의 세균 및 잔류 유기물질들을 제거하기 위해 상기 생육베드(60)로부터 배출되는 폐양액을 재생처리하여 혼합탱크(30)로 공급한다. 본 발명에서 폐양액은 생육베드에 공급된 양액 중 작물에 흡수되지 않고 생육베드에서 배출되는 적어도 한번 사용된 양액을 의미한다. 각 생육베드(60)로부터 연장되는 폐양액배출관들(255)은 순환관(250)과 연결되고, 순환관(250)은 폐양액처리기(100)와 연결된다.
페양액처리기(100)를 도 6 및 도 7에 나타내고 있다. 도 6 및 도 7을 도 1과 함께 살펴보면, 폐양액 처리기는 크게 살균챔버(20)와, 하우징과, 오존공급부와, 자외선조사부와, 광분해유니트(170)를 구비한다.
살균챔버(120)는 상하가 개방되고 내부에 공간이 형성된 원통형의 구조를 가진다. 살균챔버(120)는 자외선 광이 투과될 수 있는 광 투과성 소재로 형성된다. 가령, 투명한 합성수지나 석영관으로 형성될 수 있다. 살균챔버(120)는 상부에 유입관(121)이 형성되고, 하부에 유출관(127)이 형성된다. 유입관(121)은 생육베드(60) 측으로 연장되는 순환관(250)과 연결되어 생육베드(60)로부터 배출되는 폐양액이 살균챔버(120)의 내부로 유입된다. 살균챔버(120)의 내부로 유입된 폐양액은 살균챔버(120)를 통과하면서 살균처리되어 유출관(127)을 통해 유출된다. 유출관(127)은 혼합탱크 (30)측으로 연장되는 순환관(250)에 연결된다. 유입관(121) 및 유출관(127)의 단부에는 순환관(250)과 용이하게 연결될 수 있도록 플랜지(123)(129)가 각각 형성된다.
살균챔버(120)와 접속하는 유입관(121) 및 유출관(127)의 단부 내측에는 지지턱이 각각 형성된다. 지지턱에는 수밀을 위한 실링부재(125)가 설치된다. 살균챔버(120)의 양단부는 유입관(121) 및 유출관(127)에 삽입되어 실링부재(125)에 밀착되어 결합된다.
하우징은 살균챔버(120)를 둘러싼다. 하우징의 내주면은 살균챔버(120)의 외주면과 이격되어 형성된다. 따라서 하우징은 살균챔버(120)의 둘레에 기체가 흐르는 유로(145)를 형성한다. 도시된 예에서 유로(145)에는 기체가 하부에서 상부 방향으로 흐르게 된다.
하우징은 구체적으로 상부커버(140)와, 상부커버(140)의 하부에 형성되며 상부커버(140)의 외경보다 더 큰 외경을 갖는 하부커버(190)로 이루어진다.
상부커버(140)는 살균챔버(120)와 동심원을 이루며 살균챔버(120)의 외주면과 일정 거리 이격되어 형성된 측벽(141)과, 측벽(141)의 상부에 형성되어 유입관(121)과 결합하는 결합부(143)로 구비된다. 결합부(143)에는 나사산이 형성되어 유입관(121)에 나사결합할 수 있도록 한다.
하부커버(190)는 상부커버(140) 하부에 형성된 제 1지지부(191)와, 제 1지지부(191)와 하방으로 일정거리 이격되어 형성되며 유출관(127)과 결합하는 제 2지지부(197)와, 제 1지지부(191)와 제 2지지부(197) 사이에 형성된 램프장착공간을 밀폐시키도록 제 1지지부(191) 및 제 2지지부(197)에 상하부가 지지되어 결합된 덮개(195)를 구비한다. 제 2지지부(197)에는 나사산이 형성되어 유출관(127)에 나사결합한다. 그리고 덮개(195)는 좌우로 분할되어 볼트에 의해 제 1 및 제 2지지부(191)(197)에 결합된다.
상기와 같이 본 발명은 하우징의 구조에 의해 폐양액이 통과하는 살균챔버의 둘레에 유로를 형성하고, 유로 내에 후술할 오존공급부의 전극부가 설치될 수 있도록 함으로써 오존발생기를 별도로 설치할 필요없이 살균챔버와 일체로 유니트화시킬 수 있어 부피와 구성을 간소화시킬 수 있다.
오존공급부는 하우징의 유로(145)를 따라 흐르는 산소를 방전시켜 오존을 발생시키고, 발생된 오존을 살균챔버(120)의 내부로 유입시켜 폐양액 중으로 오존을 혼합시킨다.
이러한 오존공급부의 구성으로 하우징의 하부에 연결되어 유로(145)로 산소를 공급하는 기체공급부와, 하우징의 유로(145) 상에 설치되어 유로(145)를 지나는 산소를 방전시키는 전극부(180)와, 전극부(180)에서 생성된 오존이 살균챔버(120)로 유입될 수 있도록 하우징의 상부와 유입관(21)을 연결하는 오존이동관(155)으로 이루어진다.
기체공급부는 유로(145)로 기체를 공급하는 데, 기체로 순수한 산소 또는 산소를 포함하는 공기가 적용될 수 있다. 일 예로 기체공급부는 하우징의 하부커버(190)의 하부에 연결된 기체공급관(151)과, 기체공급관(151)으로 산소를 공급하기 위해 기체공급관(151)과 연결된 산소발생기(미도시)로 이루어질 수 있다.
기체공급부에 의해 하우징의 하부로 기체가 일정한 압력으로 공급된다. 하우징으로 유입된 기체는 유로(145)를 따라 상부로 흘러가도록 형성된다.그리고 하우징의 상부커버(140)의 상부에 연결된 오존이송관(155)을 통해 기체는 배출된다. 도시된 예에서 유로(145) 내에서 기체의 흐름은 폐양액의 흐름과 반대방향이다. 즉, 폐양액은 살균챔버(120)의 상부에서 하부로 흐르고, 기체는 유로의 하부에서 상부로 흐르는 구조이다.
전극부(180)는 산소를 방전시켜 오존을 발생하기 위한 것으로서, 살균챔버(120)를 둘러싸는 환형의 구조를 가진다. 전극부(180)는 하우징의 상부커버(140)의 내측에 설치되어, 유로(145)의 상부에 배치된다. 전극부(180)는 일 예로 제 1전극(181)과, 제 1전극(181)과 일정한 간극을 유지하는 방전관(183)과, 방전관(183) 내측에 삽입된 제 2전극(185)을 포함한다. 제 1 및 제 2전극(181)(185)에 전압을 인가하면 제 1전극(181)과 방전관(183) 사이의 간극으로 산소가 통과하면서 전위차에 의한 방전이 일어나면서 오존이 생성된다. 바람직하게 살균챔버(120)와 제 1전극(181) 사이에는 열이 직접 전달되지 않도록 단열부재가 설치될 수 있다. 이외에도 전극부(180)는 방전에 의해 오존을 발생하기 위한 통상적인 전극구조를 가질 수 있음은 물론이다.
또한, 도시하지 않았지만, 전극부(180)에 고전압을 인가하기 위해 외부 전원으로부터 직류 또는 교류 전류를 회로에 공급하는 전원입력부와, 공급 전류를 이용하여 펄스파 형태의 신호를 생성하는 펄스발생부, 펄스파를 고전압의 펄스파로 변환시키기 위한 자동변압기 등의 구성은 통상적인 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
상술한 오존공급부의 구성에 의해 하우징의 하부로 기체를 유입시키고, 전극부(180)를 통과하면서 발생한 오존은 상방으로 흘러 오존이송관(155)을 따라 살균챔버(120)의 내부로 유입된다. 그리고 오존과 함께 일부의 산소도 살균챔버(120)의 내부로 유입되어 폐양액 중의 용존산소의 농도를 높인다.
오존이송관(155)을 통해 살균챔버(120)의 내부로 유입된 오존은 살균챔버(120)로 유입되는 폐양액과 혼합되어 폐양액 중의 세균을 살균처리하게 된다. 오존은 강력한 산화력으로 암모니아(NH3), 황화수소(H2S),메탄(CH4) 등을 비롯한 각종 악취물질을 산화 분해하고 강력한 살균력으로 세균과 바이러스 등을 살균하는 능력은 널리 알려진 사실이다.
한편, 살균챔버(120)로 유입되는 오존이 폐양액과 용이하게 혼합되어 폐양액 중에 골고루 분포될 수 있도록 도 8에 도시된 바와 같이 살균챔버(20)의 유입구 측에 횡단면적이 점진적으로 줄어들다 다시 늘어나는 교축통로(205)를 갖는 벤츄리부(200)가 설치되는 것이 바람직하다. 벤츄리부(200)에는 오존이송관(155)과 연결되고 단부가 교축통로(205)상으로 노출되어 오존이 분사되는 인젝터(210)가 설치된다. 일정한 압력으로 오존이송관(155)을 통해 오존이 이송되면 폐양액이 벤츄리부(200)의 축소 경부를 통과할 때 유속이 빨라지고 압력은 낮아져 기체 상태의 오존을 강하게 흡입 혼화한다. 이후 확대 경부를 통과하면서 유속은 낮아지고 압력은 높아져 폐양액에 오존이 가압용해됨으로써 오존의 혼합효율을 크게 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 오존을 폐양액 중으로 유입시키는 것 이외에 오존수를 유입시킬 수 있다. 이때 오존수는 오존수 발생기를 이용하여 생성시킨다. 오존수발생기에서 발생된 오존수는 폐양액처리기로 유입되기 전의 폐양액이나 폐양액처리기에서 유출되는 폐양액 중으로 혼합시킬 수 있다.
살균챔버(120) 내부로 자외선을 조사하기 위한 자외선조사부로 도 7에 도시된 예에서 전극식 자외선 램프(160)가 적용된다. 자외선램프(60)는 전원이 공급되면 살균챔버(120)의 내부로 자외선 광을 조사한다. 도시되지 않았지만 자외선 램프(160)는 전원과 구동된다.
그리고 살균챔버(120)의 내부에는 광분해유니트(710)가 설치되어 자외선램프(160)로부터 조사되는 자외선광에 의해 광활성화되어 폐양액 중의 유기물을 분해한다. 광촉매유니트(170)는 일 예로 메쉬 망 형상으로 이루어지며 살균챔버(120)의 내부에 설치된 기재와, 기재의 표면에 형성된 광촉매 코팅층으로 이루어질 수 있다.
한편, 자외선조사부는 도 9에 도시된 바와 같이 살균챔버(120)를 둘러싸며 내부에 방전가스가 충전된 진공관(230)과, 하우징 내부로 마이크로파를 발진시켜 상기 진공관(230)에 충전된 방전가스를 여기시켜 상기 진공관(230)으로부터 자외선을 방출시키는 마이크로파 발생기를 구비할 수 있다. 도시된 예에서 하우징의 상부커버(140) 및 하부커버(190)는 독립된 공간을 갖는다. 그리고 상부커버(140)의 하부에 공기가 유입되는 공기유입관(220)이 설치되어 상부커버(140)의 내부에 형성된 유로(45)로 공기가 유입되는 구조를 갖는다.
마이크로파 발생기로 마그네트론(245)과, 마그네트론(245)과 연결되어 하부커버(190)의 내부로 연장되는 도파관(240)으로 이루어진다. 마그네트론(245)은 전원공급기로부터 전원을 공급받아 발진회로에 의해 마이크로파를 생성시켜 도파관(240)으로 방출시킨다. 마그네트론(245)에서 발생되는 마이크로파는 대략 800MHz 내지 300GHz의 주파수를 가진다. 도파관(240)은 측면에 다수의 개구가 형성되어 하부커버(190)의 내부에 골고루 마이크로파가 조사될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 이용되는 자외선 램프로는 상술한 바와 같은 무전극식을 이용하는 것이 바람직하다. 이는 마이크로파가 조사되는 하우징 내에서 전극식 자외선 램프를 사용하는 것은 어렵기 때문이다. 본 발명에서는 진공관(230)의 내부에 전극을 형성하지 않고 외부에서 마이크로파를 조사시킴으로써 자외선이 방출되는 원리를 이용한다. 즉 고밀도의 마이크로파 전기장 내에 설치된 진공관(230) 내부에 충전된 수은 및 아르곤 등의 기체분자가 여기되어 방전을 일으켜 자외선을 방사하게 된다. 본 발명에서 살균챔버(120) 내로 방사되는 자외선의 양을 증대시키기 위해 진공관(230)은 살균챔버(120)를 둘러싸는 형태로 이루어진다.
이와 같이 무전극식 자외선 램프를 이용함으로써 마이크로파를 이용하는 본 발명의 구성이 용이할 뿐만 아니라 전극식 자외선 램프에 비해 전극부분에서 발생하는 열로 인한 손실을 방지하고 수명을 반영구적으로 유지시킬 수 있는 장점을 제공한다. 또한, 마이크로파가 폐양액 중으로 조사되면 물 분자가 1초간 약 24억5000만 회의 분자 배향에 의한 회전운동과 함께 진동 및 병진운동을 일으켜 열효과에 의해 폐양액 중에 포함된 세균을 사멸시킬 수 있어 살균효과를 극대화시킬 수 있다.
상술한 폐양액처리기에 의해 생육베드로 공급되어 작물이 흡수하고 남은 폐양액을 회수하여 이에 함유된 각종 병원균과 유기물질을 제거함으로써 폐양액의 재사용을 가능하게 함으로써 본 발명은 양액 순환방식의 식물공장을 구현할 수 있는 것이다.
이상, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 양액공급부 30: 혼합탱크
50: 식물재배부 51: 컨테이너
60: 생육베드 70: 인공광원부
100: 폐양액 처리기

Claims (4)

  1. 식물의 생육에 필요한 영양성분을 함유하는 원액이 저장되는 원액저장탱크들과, 상기 원액저장탱크들과 연결되어 상기 원액저장탱크들로부터 원액이 주입되는 혼합탱크와, 상기 혼합탱크로 원수를 공급하기 위해 상기 혼합탱크와 연결되는 원수공급부를 포함하는 양액공급부와;
    외부와 격리된 재배공간이 내부에 마련된 컨테이너와, 상기 컨테이너의 내부에 다수가 배치되며 상기 혼합탱크로부터 양액이 공급되어 식물이 재배되는 생육베드와, 상기 생육베드 방향으로 인공광을 조사하는 인공광원부를 포함하는 식물재배부와;
    상기 생육베드로부터 배출되는 폐양액을 재사용할 수 있도록 상기 폐양액 중의 세균을 제거하여 상기 혼합탱크로 공급하는 폐양액 처리기;를 구비하고,
    상기 폐양액 처리기는 유입구를 통해 유입된 폐양액이 내부공간을 따라 연속적으로 흘러 유출구로 배출되는 살균챔버와, 상기 살균챔버를 둘러싸며 상기 살균챔버의 둘레에 기체가 흐르는 유로를 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 유로를 따라 흐르는 산소를 방전시켜 오존을 발생시키고 발생된 오존을 상기 살균챔버의 내부로 유입시켜 상기 폐양액 중으로 오존을 혼합시키는 오존공급부와, 상기 하우징에 설치되어 상기 살균챔버 내부로 자외선을 조사하기 위한 자외선조사부와, 상기 살균챔버의 내부에 설치되어 상기 자외선조사부로부터 조사되는 자외선광에 의해 광활성화되어 폐양액 중의 유기물을 분해하는 광분해유니트를 구비하고,
    상기 자외선조사부는 상기 살균챔버를 둘러싸며 내부에 방전가스가 충전된 진공관과, 상기 하우징 내부로 마이크로파를 발진시켜 상기 진공관에 충전된 방전가스를 여기시켜 상기 진공관으로부터 자외선을 방출시키는 마이크로파 발생기를 구비하고,
    상기 생육베드는 상기 컨테이너에 설치된 고정프레임에 설치되는 지지수단에 의해 지지되어 다수가 상하로 다단 배치되며, 상기 생육베드는 양액이 저장되는 양액저장공간을 가지면 상부가 개방된 포트와, 상기 포트의 상부에 결합되며 식물이 식재되는 식재홀이 일정 간격으로 다수 형성된 덮개판을 구비하고,
    상기 지지수단은 고정프레임에 고정되는 브라켓트와, 상기 브라켓트에 결합되어 상기 포트를 지지하는 거치구와, 상기 브라켓트에 대한 상기 거치구의 높이를 조절하기 위한 높이조절부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 식물 재배를 위한 양액 순환 방식의 식물 공장.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 인공광원부는 상기 생육베드의 상부에 설치되는 케이스와, 상기 케이스에 설치되며 백색광을 조사하는 냉음극형광램프와, 상기 냉음극형광램프를 중심으로 상기 냉음극형광램프의 좌우측 중 어느 일측에 배치되어 적색광을 조사하는 다수의 발광다이오드들을 갖는 제 1엘이디발광부와, 상기 제 1엘이디발광부의 맞은편인 상기 냉음극형광램프 타측에 배치되어 청색광을 조사하는 다수의 발광다이오드들을 갖는 제 2엘이디발광부를 구비하는 것을 특징으로 하는 식물 재배를 위한 양액 순환 방식의 식물 공장.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 인공광원부는 상기 생육베드의 상부에 설치되며 하부가 개구된 케이스와, 상기 케이스에 내부에 설치되어 상기 케이스의 하방으로 광을 반사시킬 수 있는 포물면이 형성된 반사판과, 상기 반사판의 내측에 설치되어 백색광을 조사하는 냉음극형광램프와, 상기 케이스의 하부에 결합되며 광을 확산시키는 광확산부재와, 상기 광확산부재의 양단부에 각각 결합되는 지지체와, 상기 지지체의 일측에 설치되며 상기 광확산부재의 단부에 형성된 제 1엘이디장착홀에 삽입되어 상기 광확산부재 내부로 적색광을 발산하는 다수의 발광다이오드들을 갖는 제 1엘이디발광부와, 상기 지지체의 타측에 설치되며 상기 광확산부재의 단부에 형성된 제 2엘이디장착홀에 삽입되어 상기 광확산부재 내부로 청색광을 발산하는 다수의 발광다이오드들을 갖는 제 2엘이디발광부를 구비하는 것을 특징으로 하는 식물 재배를 위한 양액 순환 방식의 식물 공장.
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