KR101272532B1 - 식물공장 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 식물공장 시스템은, 다각형 형상의 상면과 하면, 및 상기 상면과 상기 하면을 연결하는 측면으로 구성되는 셀부를 수평 또는 수직으로 연결하여 구성되는 건물부를 포함하고, 상기 건물부는, 수평으로 연결하는 경우 상기 셀부의 일측면끼리 서로 맞닿아 연결되고, 수직으로 연결하는 경우 상기 셀부의 상하면끼리 서로 맞닿아 연결되고, 상기 셀부는 다각기둥 형상이다.

Description

식물공장 시스템{Plant factory system}

본 발명은 식물공장 시스템에 관한 것이다.

식물공장은 폐쇄공간 내에서 식물생장 환경조건을 인공적으로 조성하고 식물의 생장속도를 제어하여 식물을 대량으로 생산할 수 있는 공장을 의미한다. 식물공장과 관련하여, Joseph W. Campbell 등이 1978년 미국 등록특허공보 등록번호 제4,068,405호에서“자동식물생산(automatic food plant production)”의 개념을 제안하였다. 이들은 연속형 컨베이어벨트에 트레이형 식물경작지를 구성하고 인공광을 설치하고 주기적으로 켄베이어가 이동하도록 하였다. 또한, 양액을 중앙에서 공급할 수 있도록 양액공급망을 설치하고, 실내에는 식물생장을 위해 온도, 습도 및 이산화탄소 농도 등이 제어될 수 있도록 하였다.

이러한 발명은 식물공장의 대량생산기술을 제안했다는 면에서 기술적으로 중요한 발전이었다. 그러나, 환경구축시 환경조절의 정밀도가 낮고, 냉난방 비용이 높으며, 인공광원의 설치 및 운영비가 높아 실용화가 매우 저조하였다.

최근에는, 인공광원으로써 종래의 형광등에 비하여 효율이 우수한 LED를 활용한 식물공장과 관련한 발명이 보고되었다. 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0010426호(엘이디 광원을 이용한 색소식물공장 및 그 장치)에서는 색소식물을 재배하는데 있어서 좁은 공간에서 생산효율을 높이고 단시간에 재배가 가능하도록 만들어진 폐쇄형 엘이디(LED, Light Emitting Diode) 식물공장으로써 원적외색광 730nm, 적색광 660nm, 및 청색광 450nm의 엘이디 램프를 광원으로 사용한다. 추가적으로, 배양액의 자외선 살균장치와 오존 살균장치가 구성되며, 용존산소 공급장치를 이용하여 배양액의 용존산소를 공급할 수 있도록 하였다. 재배형식은 엔에프티(NFT, Nutrient Film Technique) 및 분무식 수경재배 시스템을 이용한다.

또한, 식물공장 내 공간점유를 최소화하여 식물재배공간을 극대화하기 위해 복수의 엘이디 모듈을 투광패널에 삽입하고, 슬림한(slim) 패널형태로 제작하는 식물재배용 조명장치가 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0013164호에서 보고된 바 있다. 이는 조명장치의 공간을 줄이고, 구성이 간단한 특징이 있다. 최근에는 많은 기술들이 주로 LED를 사용하고, 광원을 다양화하여 식물생장을 촉진하는 분야로 집중되고 있다. 그러나, 이와 같은 기술들은 고가의 LED를 많이 설치해야 하기 때문에 시설비용이 높은 구조라고 볼 수 있다. 폐쇄형 식물공장은 기존의 밀폐형 철근콘크리트나 철골구조의 건물 속에 태양광 없이 인공광만으로 식물의 성장을 유도하는 방식이기 때문에 건물에 대한 환경조절이 쉬운 반면에, 시설비용이 비싼 단점이 있으며, 인공광원만을 사용하는 빌딩형 식물공장 형태로 발전하고 있다.

태양광 병용형은 기존의 유리온실과 식물공장의 기술적 개념을 융합한 것으로 인공조명과 태양광을 동시에 사용하는 조명을 갖는 기술적 특징을 갖는다. 기존의 유리온실은 투명한 유리로 외피를 구성하기 때문에 태양광 투과율이 약 90%를 나타낸다. 유리온실의 단점으로는 단열성이 우수하지 못하기 때문에 여름철이나 겨울철에 실내 냉난방 에너지 비용이 높으며, 실내 환경변수인 광원, 온도 및 습도의 변화가 심한 단점이 있다. 또한, 다층화가 어렵기 때문에 공간을 효율적으로 사용하지 못하는 문제점들이 있었다. 장점으로는 낮에는 주로 태양광을 사용하고 인공조명을 보조로 사용하며, 밤에는 인공광만을 사용함으로써, 광원설치 비용을 줄일수 있다. 기존의 태양광병용형은 단층형 건물이 대부분이기 때문에 공간이 효율적으로 활용되지 못하고, 겨울철에는 난방비가 높고 여름철에는 냉방비가 높아 에너지 비용이 높은 구조적 문제점들이 있었다.

미국 등록특허공보 등록번호 제4,068,405호(등록일 : 1978년 1월 17일) 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0010426호(공개일 : 2004년 1월 31일) 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0013164호(공개일 : 2011년 2월 9일)

본 발명은 채광성이 우수한 다층의 태양광 병용형 건축구조, 열에너지 손실이 적은 외피구조, 재배 셀 단위의 스마트 조명, 재배 셀의 경작지 자동이송, 식물단위별 양액공급 및 관리체계로 구성된 고효율 태양광 병용형의 식물공장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

청구항 1에 관한 발명인 식물공장 시스템은, 다각형 형상의 상면과 하면, 및 상기 상면과 상기 하면을 연결하는 측면으로 구성되는 다각기둥 형상의 셀부가 수평 또는 수직으로 연결된 건물부를 포함하고, 상기 건물부는, 수평으로 연결하는 경우 상기 셀부의 일측면끼리 서로 맞닿아 연결되고, 수직으로 연결하는 경우 상기 셀부의 상하면끼리 서로 맞닿아 연결되고, 상기 셀부는, 중앙에 수직으로 배치된 주지지대; 상기 주지지대와 평행하게 배치된 다수 개의 수직부재; 서로 인접한 상기 수직부재의 상단 사이 및 하단 사이를 연결하도록 배치된 다수 개의 수평부재; 및 상기 주지지대의 상단과 상기 수직부재의 상단, 및 상기 주지지대의 하단과 상기 수직부재의 하단을 연결하도록 배치된 다수 개의 보;를 포함하고, 상기 주지지대, 상기 수평부재, 상기 보로 둘러싸인 평면은 콘크리트로 형성된다.

따라서, 청구항 1에 관한 발명인 식물공장 시스템에 의하면, 셀부를 다각기둥 형상으로 하여 작물을 일정한 공간에서 효율적으로 재배할 수 있게 된다.

삭제

따라서, 청구항 1에 관한 발명인 식물공장 시스템에 의하면, 중앙에 배치된 주지지대를 중심으로 보로 각각의 허니컴형 구조요소로 결합되어 구조적으로 안정화를 이룰 수 있고, 다층으로 이루어진 셀부는 콘크리트 구조형식으로 이루어져 경량화 및 품질 균일화, 시공기간 단축을 가능하게 한다. 또한, 중앙에 주지지대를 배치함으로써 주지지대 및 보의 개수를 최소화하여 건축공사비용을 절감시킬 수 있다.

청구항 3에 관한 발명인 식물공장 시스템은, 청구항 1에 관한 발명인 식물공장 시스템에 있어서, 상기 수직부재의 상단을 잇는 다각형의 형상, 및 상기 수직부재의 하단을 잇는 다각형의 형상은, 상기 주지지대의 상단 또는 하단에 형성된 다각형의 형상과 동일하다.

따라서, 청구항 3에 관한 발명인 식물공장 시스템에 의하면, 주지지대와 수직부재의 상단 또는 하단을 잇는 다각형의 형상을 동일하게 하여 일체화된 형상을 갖는 셀부를 구성할 수 있다.

청구항 4에 관한 발명인 식물공장 시스템은, 청구항 3에 관한 발명인 식물공장 시스템에 있어서, 상기 수직부재의 상단을 잇는 다각형의 형상, 및 상기 수직부재의 하단을 잇는 다각형의 형상은 정육각형의 형상이다.

따라서, 청구항 4에 관한 발명인 식물공장 시스템에 의하면, 수직부재의 상단 또는 하단을 잇는 다각형의 형상을 정육각형 형상으로 하여 정육면체 형상을 갖는 셀부를 구성할 수 있다.

청구항 5에 관한 발명인 식물공장 시스템은, 청구항 3에 관한 발명인 식물공장 시스템에 있어서, 상기 수직부재는 서로 동일한 간격으로 배치되고, 동일한 평면 상에서 상기 주지지대의 중앙으로부터의 거리가 동일하다.

따라서, 청구항 5에 관한 발명인 식물공장 시스템에 의하면, 수직부재 배치시 동일한 간격으로 하고 주지지대의 중앙으로부터의 거리가 동일하게 하여 수직방향으로 균형있고 안정된 셀부를 구성할 수 있다.

청구항 6에 관한 발명인 식물공장 시스템은, 청구항 1에 관한 발명인 식물공장 시스템에 있어서, 상기 수평부재는 동일한 평면 상에서 상기 주지지대의 중앙으로부터 그 양단까지의 거리가 동일하다.

따라서, 청구항 6에 관한 발명인 식물공장 시스템에 의하면, 수평부재 배치시 주지지대의 중앙으로부터 그 양단까지의 거리가 동일하게 하여 수평방향으로 균형있고 안정된 셀부를 구성할 수 있다.

청구항 7에 관한 발명인 식물공장 시스템은, 청구항 1에 관한 발명인 식물공장 시스템에 있어서, 상기 보가 동일한 평면 상에서 상기 수평부재와 이루는 각도는 동일하다.

따라서, 청구항 7에 관한 발명인 식물공장 시스템에 의하면, 보가 동일한 평면 상에서 수평부재와 이루는 각도를 동일하게 하여 수평방향으로 수평부재의 양단에 받는 힘의 크기를 균형있게 한다.

본 발명에 따르면, 셀부 내부에서 작물을 재배할 수 있게 되어 공간을 효율적으로 이용함에 따라 단위 셀부 당 작물 생산량을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장 시스템의 외형을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀부가 수평 및 수직으로 연결된 상태의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외피부의 단면을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2의 셀부의 상면을 기하학적으로 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 작물 재식부가 배치된 작물 재배 단위 의 셀부의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명부의 사시도이다.
도 7은 도 6의 조명부의 밑면을 나타내 사시도이다.
도 8a 내지 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 재식 라인 군의 이동된 작물 재식부의 사시도이다.
도 9는 도 8a의 제3 사분면의 확대 사시도이다.
도 10은 도 8a의 작물 재식부의 밑면을 나타낸 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양액 공급부의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 작물 재식부 하부의 사시도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 작물 재식부 하부의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물공장 시스템의 외형을 나타낸 사시도이다. 도 1을 참조하면, 식물공장 시스템은, 건물부(10), 외피부(115), 셀부(100), 조명부(200), 작물 재식부(300), 양액 공급부(400)를 포함한다.

건물부(10)는 셀부(100)를 수평 또는 수직으로 연결하여 구성된다. 건물부(10)는, 수평으로 연결하는 경우 셀부(100)의 일측면끼리 서로 맞닿아 연결되고, 수직으로 연결하는 경우 셀부(100)의 상하면끼리 서로 맞닿아 연결된다.

외피부(115)는 셀부(100)의 측면을 구성한다. 외피부(115)는 PMMA(아크릴), 폴리카보네이트와 같이 투명성과 탄성이 우수한 플라스틱 시트로 형성된 복수의 외피부재를 소정 간격으로 배치하여 이루어진다. 이러한 외피부재를 셀부(100) 측면에 격자모양으로 부착하여 외피부(115)로 사용된다. 본 실시예에서는 외피부재로 플라스틱 시트가 사용되었으나, 플라스틱 시트 이외에도 유리가 외피부재로 사용될 수 있다.

셀부(100)는 다각형 형상의 상면과 하면, 및 상면과 하면을 연결하는 측면으로 구성된다. 셀부(100)의 상면 및 하면은 육각형 형상이고, 셀부(100)는 육각기둥형상이다. 본 실시예에서는 셀부(100)의 형상을 육각기둥으로 하였으나, 셀부(100)의 형상은 육각기둥에 한정되지 않고 다른 다각기둥 형상도 가능하다. 셀부를 다각기둥 형상으로 하여 작물을 일정한 공간에서 효율적으로 재배할 수 있게 된다.

조명부(200)는 셀부(100)의 내부 공간에 배치되고, 회전하면서 광을 조사하고, 조명램프(221)로 구현될 수 있다. 셀부(100)의 중앙에는 주지지대가 배치되어 있는데, 조명부(200)는, 주지지대에 끼워져 회전하고 주지지대에 의해 그 중심이 지지되고, 작물에 광을 조사하는 조명램프(221)를 갖는 회전체를 포함한다.

작물 재식부(300)는 셀부(100)의 내부 공간에 2층 이상으로 배치되고, 작물이 심어져 재배되고, 조명부(200)로부터의 광이 조사된다. 작물 재식부(300)는, 선형의 직사각형 형태의 단위 재식 라인들이 평행하게 배열된 재식 라인 군을 포함하고, 작물 재식판으로 구현될 수 있다.

양액 공급부(400)는 셀부(100)의 내부 공간에 배치되고, 작물 재식부(300)에 구비된 양액흐름통로(340)에 양액을 공급한다. 양액 공급부(400)에 대해서는, 후술하는 도 10에서 상세히 살펴보기로 한다.

또한, 조명부(200)의 회전 동작 및 광 조사 동작과, 양액 공급부(400)의 양액 공급 동작을 원격으로 제어하는 원격제어수단을 더 포함할 수 있다.

한편, 상술한 조명부(200) 대신에, 작물 재식부(300) 상부에서 회전하면서 작물의 위 부분을 절단하는 절단수단, 또는 작물 재식부(300) 상부에서 회전하면서 작물에 광을 조사하고 광을 조사하지 않으면서 회전하는 경우에는 작물의 위 부분을 자르는 조명부(200), 회전하면서 작물의 생육상태를 관찰할 수 있는 센서(222)를 포함할 수 있다. 이와 같은 조명부(200)는 작물 재식부(300) 상부에서 회전하면서 작물에 광을 조사하는 기능과, 광의 조사 없이 회전하면서 작물의 위 부분을 자르는 기능을 선택적으로 할 수 있다. 이때, 조명램프(221)는 조명부(200)에 설치되어 있으면서 작물에 필요한 일정한 광량에 따라서 광이 조사되는 경우에는 점등하고, 광이 조사되지 않는 경우에는 소등된다. 조명램프(221)의 점등 또는 소등은 스위치나 광량센서(센서의 일종)를 이용한 자동시스템을 이용하여 구현 가능하다.

이하, 건물부(10), 외피부(115), 셀부(100), 조명부(200), 작물 재식부(300), 양액 공급부(400)에 대하여 후술하는 도 2 내지 도 13을 통하여 상세히 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀부가 수평 및 수직으로 연결된 상태의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외피부(115)의 단면을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 2의 셀부의 상면을 기하학적으로 도시한 평면도이다. 도 2을 참조하면, 셀부(100)는 다면체 형상이고, 육각기둥형상이다. 셀부(100)는 복수 개가 수평 또는 수직으로 연결될 수 있다. 셀부(100) 복수 개가 수평으로 연결되는 것은, 셀부(100)의 일측면끼리 서로 맞닿아 연결되고, 셀부(100) 복수 개가 수직으로 연결되는 것은, 셀부(100)의 상하면끼리 서로 맞닿아 연결된다.

태양광을 직접 받는 셀부(100)는 일사량이 높지만, 태양광을 직접 받지 않는 나머지 셀부(100)는 태양광을 직접 받는 작물 재배 단위의 셀부 (100)에 비하여 일사량이 낮다. 이는 후술하는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 조명부(200)로 보완할 수 있다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 셀부(100)는 주지지대(110), 다수 개의 수직부재(120), 다수 개의 수평부재(130), 다수 개의 보(140)를 포함한다.

주지지대(110)는 중앙에 수직으로 배치되는데, 셀부(100) 전체의 하중을 지탱하는 기능을 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 셀부(100)의 상면이 정육각형 형상인 경우, 셀부(100)가 수평으로 연결되어 이루는 형태는, 중앙의 정육각형의 각 변에 6개의 정육각형이 맞닿아 연결된 형태이고, 셀부(100)의 주지지대(110)를 연결하면 또 하나의 정육각형 형상이 형성된다.

다수 개의 수직부재(120)는 주지지대(110)와 평행하게 배치된다. 수직부재 (120)는 서로 동일한 간격으로 배치되고, 동일한 평면 상에서 주지지대 (110)의 중앙으로부터의 거리가 동일하다. 이와 같이, 수직부재(120) 배치시 동일한 간격으로 하고 주지지대(110)의 중앙으로부터의 거리가 동일하게 하여 수직방향으로 균형있고 안정된 셀부(100)를 구성할 수 있다.

다수 개의 수평부재(130)는 서로 인접한 수직부재(120)의 상단 사이 및 하단 사이를 연결하도록 배치된다. 수평부재(130)는 동일한 평면 상에서 주지지대(110)의 중앙으로부터 그 양단까지의 거리가 동일하다. 이와 같이, 수평부재(130) 배치시 주지지대(110)의 중앙으로부터 그 양단까지의 거리가 동일하게 하여 수평방향으로 균형있고 안정된 셀부(100)를 구성할 수 있다.

다수 개의 보(140)는 주지지대(110)의 상단과 수직부재(120)의 상단, 및 주지지대(110)의 하단과 수직부재(120)의 하단을 연결하도록 배치된다. 보(140)가 동일한 평면 상에서 수평부재(130)와 이루는 각도는 동일하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 셀부(100)의 상면이 정육각형 형상인 경우, 동일한 평면 상에서 수평부재(130)와 이루는 각도는 60도이고, 주지지대(110)를 중심으로 보(140)끼리 이루는 각도도 60도이다. 이와 같이, 보(140)가 동일한 평면 상에서 수평부재(130)와 이루는 각도를 동일하게 하여 수평방향으로 수평부재(130)의 양단에 받는 힘의 크기를 균형있게 한다.

또한, 이와 같은 셀부(100)는 중앙에 배치된 주지지대(110)를 중심으로 건식기반의 보(140)로 각각의 허니컴형 구조요소로 결합되어 구조적으로 안정화를 이룬다. 다층으로 이루어진 셀부(100)는 프리캐스트프리스트레스콘크리트(PCaPC) 구조형식으로 이루어져 경량화 및 품질 균일화, 시공기간 단축을 가능하게 한다. 또한, 중앙에 주지지대 (110)를 배치함으로써 주지지대(110) 및 보(140)의 개수를 최소화하여 건축공사비용을 절감시킬 수 있다.

상술한 셀부(100)는 최소한의 구조요소인, 주지지대(110), 다수 개의 수직부재(120), 다수 개의 수평부재(130), 다수 개의 보(140)를 갖는 구조체로서, 인접한 셀부(100)와 연결된 고리구조를 갖는다. 이러한 구조체는 단순한 입방체 구조를 갖는 종래의 구조체와는 차이점을 갖는데, 낮시간 동안에는 태양의 움직임에도 불구하고, 태양광의 유입을 용이하게 하여 셀부(100) 내부의 일사량을 높게 유지시킨다. 이를 위해, 농촌의 경우에는 셀부(100)를 높게 설치하고, 도시의 경우에는 셀부(100)를 넓게 설치한다.

또한, 주지지대(110), 수평부재(130), 보(140)로 둘러싸인 평면은 콘크리트로 형성되는데, 보(140)는 콘크리트에 압축응력을 가하여 콘크리트에 인장응력이 가해지지 않도록 한다. 이렇게 하여, 셀부(100)에 긴장력이 가해져 일체화된 구조체가 될 수 있다.

한편, 셀부(100)의 측면을 구성하는 외피부(115)는, 서로 인접한 수직부재(120)와 수평부재(130)가 이루는 평면, 수직부재(120)의 상단을 잇는 다각형이 이루는 평면, 및 수직부재(120)의 하단을 잇는 다각형이 이루는 평면에 구비된다. 수직부재(120)의 상단을 잇는 다각형의 형상, 및 수직부재(120)의 하단을 잇는 다각형의 형상은, 주지지대(110)의 상단 또는 하단에 형성된 다각형의 형상과 동일하며, 정육각형 형상일 수 있다. 즉, 주지지대(110)의 상단을 잇는 다각형의 형상이 정육각형 형상이면, 수직부재(120)의 상단을 잇는 다각형의 형상도 정육각형 형상이고, 주지지대(110)의 하단을 잇는 다각형의 형상이 정육각형 형상이면, 수직부재(120)의 하단을 잇는 다각형의 형상도 정육각형 형상이다. 이와 같이, 주지지대(110)와 수직부재(120)의 상단 또는 하단을 잇는 다각형의 형상을 동일하게 하여 일체화된 형상을 갖는 셀부를 구성할 수 있다. 또한, 수직부재(120)의 상단 또는 하단을 잇는 다각형의 형상을 정육각형으로 하여 육각기둥 형상을 갖는 셀부(100)를 구성할 수 있다.

외피부재는 광이 잘 통과되는 다중의 플라스틱 시트(또는 유리)로 형성되고, 플라스틱 시트 사이에는 공간이 형성된다. 예를 들어, 외피부재는 도 3에 도시된 바와 같이 플라스틱 시트로 형성된 이중 창호(또는 더블 스킨(double skin), 115a, 115b)로 이루어질 수 있는데, 외피부재에 공기(155)를 순환시켜 셀부(100) 내의 온도를 일정하게 유지하도록 하고, 작물의 성장에 최적의 환경을 제공한다. 또한, 외피부재는 계절별로 온열환경의 차이를 이용하여 셀부(100) 내의 온도환경을 최적화할 수 있다. 즉, 작물에 바람을 직접적으로 가하게 되면 건조한 환경으로 인하여 작물 성장의 장애요소가 되는데, 이중 창호(115a, 115b)로 이러한 장애요소를 방지할 수 있다. 다시 말하면, 이중 구조의 플라스틱 시트로 형성된 외피 속에 공기를 순환시켜 식물공장 실내의 열에너지의 유출 및 유입을 차단할 수 있다. 즉, 동절기에는 실내로 유입된 공기나 폐열을 외피 사이로 순환시키면 외부로 유출되는 열에너지를 감소시킬 수 있고, 하절기에는 공조설비를 통해 공급되는 차가운 공기를 같은 방식으로 순환시켜 외부로부터 플라스틱 외피를 통한 열전달을 감소시킴으로써 실내의 냉방에너지를 감소시킬 수 있다. 정리하면, 이중구조의 플라스틱 외피사이에 공조시설로부터 유입되는 공기를 순환시키면 실내외로의 열에너지 유출입을 적절히 통제하게되어 식물공장내의 냉난방비용을 크게 줄이는 효과가 있다.

이와 같은 외피부재를 통하여 자연채광이 가능하며, 자연채광으로 부족한 광은 조명램프(221)(형광등 또는 LED)로 보충하는 것이 가능하다.

외피부(115)의 상단에 물을 공급하여 외피부(115)의 외면을 따라 외피부(115)의 하단으로 물이 흘러내리게 하는 물공급수단을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 또한, 외피부(115)의 하단에 설치되고 흘러내리는 물을 받는 물받이를 더 포함할 수 있다. 물받이는 여름철에 과열된 외피부(115)를 물로 냉각시킬 때 외피부(115)를 타고 흐른 물의 회수를 위한 것이다. 이와 같이, 이중구조를 갖는 외피부재의 바깥 부분에 하절기에 물을 흘려줌으로써 외피부재의 온도를 감소시킬 수 있다. 하절기에 외피부재 표면에 물을 직접 접촉시켜 가열된 외피부재로부터 열을 직접 빼앗을 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라, 외피부재의 표면으로부터 물이 증발되는 과정에서 발생하는 증발열(흡열)이 외피부재로부터 열을 빼앗는 효과가 있다.

도 2 내지 도 4와 관련하여, 본 실시예는 식물공장용 건식기반 PCaPC 구조설계 및 이를 이용한 구조시스템 개발에 관한 것으로, 특히 식물공장의 구조프레임에 사용되는 프레임 설계와 요소부재의 설계 및 접합방법에 관한 것이다. 또한, 본 실시예는 건식구조 시스템에 관한 것으로, 공장에서 구조부재를 제작하여 건설현장으로 운반하여 구조물을 현자에서 PS강재에 포스트텐션을 도입하여 조립하는 방식에 관한 것이다.

일반적으로, 콘크리트의 인장강도는 압축강도의 1/10 ~ 1/13 정도로 매우 작다. 또한, 콘크리트의 휨 인장강도는 압축강도의 1/5~1/8 정도로 작다. 따라서, 콘크리트 구조체를 제작할 때, 인장측에 철근을 넣어 보강하여 압축력은 콘크리트가 받고 인장력은 철근이 받도록 하지만 인장측에 발생하는 균열은 막을 수 없다. 그러나, 구조물에 인장력이 발생하지 않도록 콘크리트에서 일어나는 인장응력을 상쇄하기 위하여 미리 압축응력을 가하여 콘크리트 구조물에 균열이 발생하지 않도록 제어하는 구조형식을 프리스트레스트콘크리트(Prestressed Concrete)라고 한다.

구조요소 제작과 관련하여, 콘크리트 구조물에 인장응력이 발생하지 않도록 PS 강재를 이용하여 콘크리트에 압축응력을 가할 수 있도록 강선을 배치하고 공장에서 이에 대한 구조요소를 제작한다. 제작된 구조요소는 현장에서 강재를 긴장하여 압축응력을 도입하고, 구조요소에 긴장력을 도입하여 일체화를 통해 구조체를 완성한다. 구조체는 구조계산을 통해 요소부재가 설계되는데, 요소부재는 공장에서 거푸집을 제작하여 동일한 품질과 성능을 가지는 구조부재로 생산되어 현장에 반입되어 현장에서 PS 강재를 긴장하여 구조물을 완성할 수 있게 된다.

구조체의 예로는, 허니컴 형상의 구조체로 인해 PS 강봉으로 결합되는 육각형 형태의 기둥과, 기둥에 2개 이상의 거더가 포함된 PCaPC 바닥 슬래브 시스템을 포함하는 캔틸레버 구조체가 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 작물 재식부가 배치된 작물 재배 단위의 셀부의 사시도이다. 도 5를 참조하면, 셀부(100)의 내부에는 다층구조의 작물 재식부(300)를 갖는다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 셀부(100)의 내부에는 중앙에 주지지대(110)가 있고, 주지지대(110)를 기준으로 아래로부터 작물 재식부(300), 조명부(200), 작물 재식부(300), 조명부(200)가 각각 배치된다. 도 5의 경우는 작물 재식부(300)가 2층으로 구성된 경우인데, 2층으로 구성되는 것에만 한정되지 않고 설계방법을 달리하여 3층 이상으로도 구성하는 것이 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명부의 사시도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 셀부(100)의 중앙에는 주지지대(110)가 배치되어 있고, 조명부(200)는 주지지대(110)에 끼워져 회전하고 주지지대(110)에 의해 그 중심이 지지되는 회전체를 포함한다.

회전체는, 주지지대(110)에 끼워진 회전 프레임(210)과, 회전 프레임(210)에 형성된 홈에 삽입되어 고정되고 탈착 가능한 회전날개(220)를 가진다. 회전날개(220)는 3개로 구성하며, 이에 한정되지는 않는다.

또한, 회전체를 회전시킴으로써, 조명부(200)의 설치비용을 낮출 수 있으며, 조명램프(221)를 사용하지 않을 경우에도 점멸효과를 얻을 수 있다. 즉, 작물에 필요한 일정한 광량에 따라서 광이 필요할 때에는 광이 조사되게 하고, 작물에 광이 필요하지 않을 때에는 광이 조사되지 않게 함으로써, 광 조사에 의한 에너지 소비의 효율성을 높일 수 있다.

또한, 회전체는 회전속도가 조절되어 작물에 광이 조사되는 광량을 조절한다. 회전체의 회전속도가 조절되면, 조명부(200)의 점멸시간도 조절되며, 조명부(200)에 구비되는 조명램프(221)의 개수 조절로 광강도 및 광량을 제어할 수 있게 된다.

또한, 회전체의 크기와 조명램프(221)의 개수도 조명조건의 변수가 된다. 회전체의 속도가 빠를수록 회전체의 구동에너지 소모가 크기 때문에, 이러한 점을 고려하여 조명비용을 조명시설비용과 조명운용비용으로 나누어 최적화하면 조명비용의 경제성을 높일 수 있다.

또한, 회전체의 작물 재식부(300)와의 거리도 조절 가능하다. 이때, 회전체는 주지지대(110)를 축으로 하여 위 또는 아래로 이동할 수 있다. 회전체가 위로 이동하면 작물 재식부(300)와의 거리는 길어지고, 회전체가 아래로 이동하면 작물 재식부(300)와의 거리는 짧아진다.

회전 프레임(210)은 회전체의 중앙이며, 중공형태를 갖는다. 회전 프레임(210)은 회전시에도 주지지대(110)에 끼워진 채로 회전한다.

또한, 회전날개(220)의 위에는 조명램프(221)에서 발생한 열을 회전날개(220)의 외부로 순환시키는 팬(230)이 더 설치될 수 있다. 팬(230)의 설치로 인하여, 조명램프(221)로 인한 열을 방출시키는 기능을 한다.

또한, 회전날개(220)는 회전 프레임(210)의 반대측의 단이 부채꼴 형상을 갖는다.

한편, 조명부(200)는 원격제어수단을 통하여 회전 동작 및 광 조사 동작이 가능하도록 할 수 있다. 즉, 작물재배자가 리모컨과 같은 원격제어수단을 통하여 누름버튼을 온 동작시켜 조명부(200)가 회전하여 광이 조사되도록 할 수 있다. 이렇게 하여, 작물재배자가 조명부(200)를 일일이 동작시키지 않고도 원격으로 제어하여 동작할 수 있도록 함으로써, 작물재배의 편리성과 신속성을 추구할 수 있다.

도 1에서 설명된 바와 같이, 조명부(200) 대신에, 작물 재식부(300) 상부에서 회전하면서 작물의 위 부분을 절단하는 절단수단, 또는 작물 재식부(300) 상부에서 회전하면서 작물에 광을 조사하고 광을 조사하지 않으면서 회전하는 경우에는 작물의 위 부분을 절단하는 절단수단을 포함할 수 있다. 다만, 조명부(200) 대신에 절단수단이 포함되는 경우에는 광 조사와 관련한 구성요소는 포함되지 않는다.

상술한 조명부(200) 또는 절단수단은 상술한 회전날개(220)의 구조를 달리하여 회전 프레임(210)에 삽입함으로써 구성하는 것이 가능하다. 이때, 절단수단으로 인하여 작물의 위 부분을 보다 용이하게 절단할 수 있다.

도 7은 도 6의 조명부의 밑면을 나타내 사시도이다. 도 7을 참조하면, 주지지대(110)의 내부에는 구동력을 발생시켜 회전날개(220)를 회전시키는 모터가 설치되고, 회전날개(220)에는 작물에 광을 조사하는 조명램프(221)와, 조명램프(221)에 장착되어 조명램프(221)에서 발광된 광을 작물이 있는 방향으로 반사하는 반사판이 설치될 수 있다.

조명램프(221)는 형광등으로 또는 LED로 구성될 수 있으며, 형광등 및 LED의 조합으로 구성될 수도 있다. LED로 구성되는 경우, 파란색 LED와 빨간색 LED를 조합하여 다양하게 구성함으로써, 작물 생장의 필수적인 광을 조사할 수 있다.

형광등과 LED가 조합되어 구성되는 경우, 점멸시 수명이 급속히 감소하며 전기 사용량이 증가하는 형광등만을 사용하는 경우나, 설치비용이 많이 드는 LED만을 사용하는 경우의 문제점을 보완할 수 있다.

반사판은 조명램프(221)에서 조사되는 광을 작물이 위치한 곳으로 모아준다.

즉, 반사판은 태양의 고도와 이동에 따른 태양광의 입사각을 60도 이상으로 확보하기 위해 광유기 반사판이 설치될 수 있다. 광유기 반사판은 건물부(10) 내로 태양광을 효과적으로 유입시킬 수 있다.

이로 인하여, 작물에 더욱 많은 광을 효율적으로 분배할 수 있다. 반사판은 반사율이 높은 알루미늄, 스텐레스, 플라스틱 등의 재질로 형성될 수 있다.

회전날개(220)에는 회전날개(220)가 회전할 때 작물의 영상을 촬영하는 카메라와 작물 생장에 적합한 온도, 습도 및 광량 등을 감지하는 센서(222)(도 7 참조)가 더 설치될 수 있다. 카메라와 센서(222)는 1개의 회전날개(220)에만 설치되어도 되며, 회전날개(220)가 회전할 때 작물의 상태를 모니터링하므로, 작물 재배자는 카메라와 센서(222)를 통하여 작물이 성장하는 과정이나 작물의 상태를 모니터링할 수 있다. 카메라와 센서(222)를 설치함으로써, 작물 재배자는 작물의 상태를 일일이 확인하지 않아도 된다.

한편, 조명부(200)의 회전 동작 및 광 조사 동작은 원격제어수단으로 제어할 수 있다.

도 8a 내지 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 재식 라인 군의 이동된 작물 재식부의 사시도이고, 도 9는 도 8a의 제3 사분면의 확대 사시도이다.

작물 재식부(300)는, 선형의 직사각형 형태의 단위 재식 라인들(line, ｌ)이 평행하게 배열된 재식 라인 군을 포함하고, 제1 사분면(310a) 내지 제4 사분면으로 구분한다. 즉, 작물 재식부(300)는 모듈화가 가능하다. 재식 라인 군은 제1 사분면(310a) 내지 제4 사분면에 하나씩 배치되고, 단위 재식 라인들(l) 사이의 간격은 조절 가능하다.

작물 재식부(300)는, 단위 재식 라인(l)의 길이방향과 수직으로 단위 재식 라인(l)을 관통하고 그 일단은 가이드 장치(320a, 320b)에 형성된 홈(groove, g)에 삽입된 반원형태의 가이드 봉(350)이 배치된다. 이로 인하여, 가이드 장치(320a, 320b)가 이동하면 재식 라인 군이 가이드 장치(320a, 320b)를 따라 이동할 수 있게 된다.

작물 재식부(300)에는 작물을 심을 수 있는 용기(c, 도 13에 도시)가 삽입될 수 있는 홈(g)이 형성된다. 홈(g)은 동일한 간격으로 단위 재식 라인(l)을 따라 배치된다.

작물 재식부(300)는 정사각형 형태이고, 정사각형 형태를 갖는 작물 재식부(300)의 외측에는 단위 재식 라인(l)과 길이방향이 동일한 가이드 장치(320a, 320b)가 배치된다. 재식 라인 군의 양측에는 롤러형 벨트 (330)(도 11 참조)가 배치된다.

재식 라인 군은 작물 재식부(300)의 중앙을 기준으로 제1 사분면(310a) 내지 제4 사분면 중에서 인접한 사분면으로 이동 가능하다. 제1 사분면(310a)에 배치된 재식 라인 군은 가이드 장치(320a, 320b)에 의해 제4 사분면으로 이동 가능하고, 제3 사분면에 배치된 재식 라인 군은 가이드 장치(320a, 320b)에 의해 제2 사분면(310b)으로 이동 가능하다. 또한, 제2 사분면(310b)에 배치된 재식 라인 군은 롤러형 벨트(330)에 의해 제1 사분면(310a)으로 이동 가능하고, 제4 사분면에 배치된 재식 라인 군은 롤러형 벨트(330)에 의해 제3 사분면으로 이동 가능하다. 즉, 각 사분면에 배치된 재식 라인 군은 시계 방향으로 이동할 수 있다. 도 8a 내지 도 8b는 각각 (1) 원위치, (2) 시계 방향으로 1번 이동한 위치를 보이고 있으며, 결과적으로 도 8a에서 시계 방향으로 4번 이동한 위치는 원위치와 동일하게 된다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 재식 라인 군이 시계 방향으로 이동하도록 설계하였으나, 반시계 방향으로 이동하도록 설계하는 것도 가능하다.

이와 같은 재식 라인 군의 이동으로 인하여, 작물 재배자가 일일이 이동하지 않고 작물을 재배할 수 있고, 한 곳의 작업장소에서 육묘작업 및 수거작업 등을 할 수 있다. 또한, 재식 라인 군은 최소 거리로 서로 이격되어 있기 때문에 각 재식 라인 군에 따라 광의 조절을 따로 할 필요가 없다.

도 10은 도 8a의 작물 재식부의 밑면을 나타낸 사시도이다. 도 10을 참조하면, 작물 재식부(300)에는 일측방향으로 중앙을 기준으로 양액배수부(360a, 360b) 2개가 서로 대칭되어 설치되어 있다. 즉, 대칭된 양액배수부(360a, 360b)의 경사면은 V자형이며, 경사면의 최하부에 양액이 모이게 된다. 최하부에 모인 양액은 펌프에 의해 펌핑되어 양액회수라인을 통하여 양액탱크(410a, 410b)로 보내어진다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양액 공급부의 사시도이다. 도 11을 참조하면, 양액 공급부(400)는, 양액탱크(410a, 410b, 도 8a 및 도 8b 참조), 배관(420), 제1 양액공급노즐(430), 제2 양액공급노즐을 포함한다.

양액탱크(410a, 410b)는 양액을 저장하고, 배관(420)은 양액탱크(410a, 410b)에 연결되어 양액이 통과한다. 제1 양액공급노즐(430)과 제2 양액공급노즐은 플러그가 삽입되는 형태로 양액흐름통로(340)에 탈부착 가능하다. 제1 양액공급노즐(430)은 배관(420)과 양액흐름통로(340) 사이에 연결되어 배관(420)을 통과하는 양액을 양액흐름통로(340)로 공급한다. 식물에게 공급된 양액이 홈(g)의 아래부분으로 배출되어 양액이 모아지는데, 이때 모아진 양액이 양액회수통로(370) 중앙부에 배치된 홀을 통하여 양액배수부(360a, 360b, 도 10 참조)로 배출된다.

제1 양액공급노즐(430)과 제2 양액공급노즐을 작물 재식부(300)와 분리하게 되면, 도 8a 내지 도 8b에서와 같이 작물 재식부(300)가 인접한 사분면으로 이동할 수 있게 된다.

양액흐름통로(340)는 단위 재식 라인(l) 내부 상부에 형성되고, 단위 재식 라인(l) 내부 작물을 심을 수 있는 용기(c)에 설치된 스펀지로 양액을 공급한다. 양액이 공급되는 스펀지는 양액흐름통로(340)보다 아래로 위치되어 있어 높이 차이로 인한 경사를 이용하여 양액을 자중으로 공급할 수 있다.

한편, 양액 공급부(400)는 펌프를 더 포함할 수 있는데, 펌프는 제2 양액공급노즐로부터 배출되어 상술한 도 10에 도시된 경사면의 최하부에 모인 양액을 펌핑하여 양액회수탱크로 보낸다.

한편, 양액 공급부(400)는 원격제어수단을 통하여 양액공급동작이 가능하도록 할 수 있다. 즉, 작물 재배자가 리모컨과 같은 원격제어수단을 통하여 동작시켜 양액 공급부(400)의 양액탱크(410a, 410b)로부터 제1 양액공급노즐을 통하여 양액흐름통로(340)로 양액이 공급되도록 할 수 있다. 이렇게 하여, 작물 재배자가 양액 공급부(400)를 일일이 동작시키지 않고도 원격으로 제어하여 동작할 수 있도록 함으로써, 작물재배의 편리성과 신속성을 추구할 수 있다.

도 12 및 도 13은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 작물 재식부 하부의 사시도 및 단면도이다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 작물 재식부(300)의 재식 라인 군에 형성된 홈(g)을 통하여, 스펀지(m)에 심어진 작물이 위치할 수 있다는 것을 알 수 있다. 양액흐름통로(340)는 단위 재식 라인(l) 내부 윗쪽에 형성되고, 단위 재식 라인(l) 내부 작물을 심을 수 있는 용기(c)에 설치된 스펀지(m)로 양액을 공급한다. 홈(g)에 삽입된 용기(c)의 내벽에는 스펀지가 구비되어 공급된 양액을 효과적으로 빨아들여 공급받을 수 있고, 스펀지의 탈부착이 가능하여 스펀지가 필요하지 않을 경우에는 탈착 가능하다. 이때, 양액흐름통로(340)는 스펀지의 높이 차이로 인한 경사를 이용하여 양액을 자중으로 공급한다.

이와 같이, 작물의 뿌리에 위치한 스펀지(m)에 양액을 흘려주므로, 양액을 공급하는 과정에서 불필요한 양액을 공급하지 않을 수 있기 때문에 작물에 공급되는 양액의 양을 최소화할 수 있고, 양액공급비용을 최소한으로 줄일 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

10 : 건물부
100 : 셀부
110 : 주지지대
115 : 외피부
115a, 115b : 이중 창호
155 : 공기
120 : 수직부재
130 : 수평부재
140 : 보
200 : 조명부
210 : 회전 프레임
220 : 회전날개
221 : 조명램프
222 : 센서
230 : 팬
300 : 작물 재식부
310a : 제1 사분면
310b : 제2 사분면
320a, 320b : 가이드 장치
330 : 롤러형 벨트
340 : 양액흐름통로
350 : 가이드 봉
360a, 360b : 양액배수부
370 : 양액회수통로
400 : 양액 공급부
410a, 410b : 양액탱크
420 : 배관
430 : 제1 양액공급노즐

Claims (7)

1. 다각형 형상의 상면과 하면, 및 상기 상면과 상기 하면을 연결하는 측면으로 구성되는 다각기둥 형상의 셀부가 수평 또는 수직으로 연결된 건물부
   를 포함하고,
   상기 건물부는, 수평으로 연결하는 경우 상기 셀부의 일측면끼리 서로 맞닿아 연결되고, 수직으로 연결하는 경우 상기 셀부의 상하면끼리 서로 맞닿아 연결되고,
   상기 셀부는,
   중앙에 수직으로 배치된 주지지대;
   상기 주지지대와 평행하게 배치된 다수 개의 수직부재;
   서로 인접한 상기 수직부재의 상단 사이 및 하단 사이를 연결하도록 배치된 다수 개의 수평부재; 및
   상기 주지지대의 상단과 상기 수직부재의 상단, 및 상기 주지지대의 하단과 상기 수직부재의 하단을 연결하도록 배치된 다수 개의 보;
   를 포함하고,
   상기 주지지대, 상기 수평부재, 상기 보로 둘러싸인 평면은 콘크리트로 형성되는,
   식물 공장 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 수직부재의 상단을 잇는 다각형의 형상, 및 상기 수직부재의 하단을 잇는 다각형의 형상은, 상기 주지지대의 상단 또는 하단에 형성된 다각형의 형상과 동일한,
   식물 공장 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 수직부재의 상단을 잇는 다각형의 형상, 및 상기 수직부재의 하단을 잇는 다각형의 형상은 정육각형의 형상인,
   식물 공장 시스템.
5. 제3항에 있어서,
   상기 수직부재는 서로 동일한 간격으로 배치되고, 동일한 평면 상에서 상기 주지지대의 중앙으로부터의 거리가 동일한,
   식물 공장 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 수평부재는 동일한 평면 상에서 상기 주지지대의 중앙으로부터 그 양단까지의 거리가 동일한,
   식물 공장 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 보가 동일한 평면 상에서 상기 수평부재와 이루는 각도는 동일한,
   식물 공장 시스템.

Images