KR102439173B1 - 수경 재배를 위한 디바이스 - Google Patents

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Abstract

수경 재배를 위한 디바이스(1)로서, 디바이스(1)는, 하나 또는 그 초과의 씨앗(들)을 수용하기 위한 하나 또는 그 초과의 룸(들)(2), 및 상기 하나 또는 그 초과의 룸(들)(2)에 광합성 유효 방사(PAR)를 생성하도록 배치되는 인공 광의 하나 또는 그 초과의 소스(들)(3)를 포함한다. 디바이스(1)는, 디바이스 내에서 생장하고 있는 식물(들)의 생장 단계에 기초하여 인공 광의 상기 광합성 유효 방사(PAR)를 조절하기 위한 제어 유닛(4)을 더 포함한다.

Description

수경 재배를 위한 디바이스{DEVICE FOR HYDROPONIC CULTIVATION}
본 발명은 수경 재배(hydroponic cultivation)를 위한 디바이스에 관한 것으로, 디바이스는, 하나 또는 그 초과의 씨앗(seed)(들)을 수용하기 위한 하나 또는 그 초과의 룸(room)(들), 상기 하나 또는 그 초과의 룸(들)에 광합성 유효 방사(photosynthetically active radiation)를 생성하도록 배치(arrange)되는 인공 광의 하나 또는 그 초과의 소스(들)를 포함한다.
수경은 토양을 이용하지 않는 식물들의 재배를 의미한다. 식물들은 물(water) 및 영양분(nutrient)들의 액체 용액을 사용하여 재배된다.
수경 실내 원예(gardening) 디바이스들은, 예를 들어, 가정 환경, 레스토랑, 및 기관 취사장 등과 같은 최종 사용자 환경들에서의 채소들 및 허브들의 재배를 위해 창안되어 왔다.
쉽고 편리한 원예에 대한 요구로 인해, 상기 수경 실내 원예 디바이스들은 일반적으로, 그들 내에 생장 배지(growing medium)를 포함하는 착탈식(removable) 바스켓(basket)들 또는 컵(cup)들 또는 카트리지(cartridge)들을 사용한다. 식물들은 상기 생장 배지에서 성숙기(maturity)까지 생장된다. 이들 바스켓들 또는 컵들은, 재배 디바이스들에 배치하고 그리고 재배 디바이스들로부터 제거하는 것이 용이하다. 그럼에도 불구하고, 실내 원예를 위한 한층 더 편리한 디바이스들에 대한 당업계의 필요성이 존재한다.
제 1 양상을 보면, 디바이스는, 디바이스 내에서 생장하고 있는 식물(들)의 생장 단계에 기초하여 인공 광의 광합성 유효 방사(PAR)를 조절하기 위한 제어 유닛을 더 포함한다.
그에 의해, 수경 재배를 위한 간단하고 편리한 디바이스가 달성될 수 있다.
수경 재배를 위한 디바이스는, 독립 청구항의 특징부들에서 언급되는 것을 특징으로 한다. 몇몇 다른 실시예들은, 다른 청구항들에서 언급되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예들은 또한, 본 특허 출원의 명세서 및 도면들에 개시된다. 본 특허 출원의 발명의 내용은 또한, 후속하는 청구항들에서 정의되는 것과 다른 방식으로 정의될 수 있다. 본 발명의 내용은 또한, 특히 표현되거나 내포된 서브-태스크들의 관점에서 검토되거나 또는 획득되는 이득들 또는 이득 그룹들의 관점에서 본 발명이 검토되는 경우, 수 개의 별개의 발명들로 형성될 수 있다. 그렇다면, 후속하는 청구항들에 포함된 정의들 중 몇몇은, 별개의 발명의 사상들의 관점에서는 불필요할 수 있다. 본 발명의 상이한 실시예들의 특성들은, 기본적인 본 발명의 사상의 범위 내에서, 다른 실시예들에 적용될 수 있다.
본 개시내용의 몇몇 실시예들은 첨부된 도면들에서 더 상세히 설명된다.
도 1은, 실내 수경 재배를 위한 예시적인 디바이스에 대한 부분 단면의 개략적인 측면도이다.
도 2a 및 도 2b는, 실내 수경 재배를 위한 도 1에 도시된 디바이스의 개략적인 사시도들이다.
도 3a-3d는, 실내 수경 재배를 위한 예시적인 디바이스의 개략적인 측면도이다.
도면들에서, 명확화를 위해 몇몇 실시예들은 간략화되어 도시된다. 도면들에서 유사한 부분들은 동일한 참조 번호들로 마킹된다.
도 1은 실내 수경 재배를 위한 예시적인 디바이스에 대한 부분 단면의 개략도이고, 도 2a, 2b는 동일한 디바이스의 개락적인 사시도들이다.
토양을 이용함이 없이, 물 및 영양분들의 액체 용액에서의 식물들의 수경 생장에서, 발아될 씨앗 및 그들로부터 발육되는 임의의 모종 또는 성숙한 식물에 대해 기계적인 지지를 제공하기 위해 인공 배지가 사용된다. 따라서, 발아 및 생장될 씨앗(들)은 씨앗 카트리지(이는 일반적으로, 씨앗을 붙들고 있을만큼 충분히 안정된(firm) 재료(material)로 이루어짐)에 끼워 넣어(embed)진 채 제공될 수 있다. 부가하여, 그 재료는 투과성 및 수분-보유 특성들을 가져야 하는데, 이 특성들은 액체 영양분 용액이 식물 뿌리들로 흐르게 하지만 뿌리들이 용액에 지속적으로 잠겨 있는 것을 방지하며, 그러한 지속적인 잠김은 뿌리들이 부패하기 쉽게 한다. 이제부터, 상기 재료는 "생장 부지"로 지칭된다.
식물은, 예를 들어, 녹엽류(leafy greens), 채소류(vegetable-like) 과일들 또는 화초들로부터 선택될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "녹엽류"는 잎들 및 줄기들이 음식으로서 사용되는 식물들을 지칭한다. 이러한 용어는, 녹색 채소류 또는 엽채류(leafy vegetables)들, 이를테면, 상추(예컨대, 잎상추(cutting lettuce), 바타비아 상추(batavia lettuce), 줄기 상추(stem lettuce), 양상추(iceberg lettuce), 로메인 상추(roman lettuce)), 시금치(예컨대, 아기 시금치, 뉴질랜드 시금치), 청경채, 다채(tatsoi), 경수채(mizuna), 코마츠나(komatsuna), 차조기(shiso), 근대(mangold), 및 허브들, 이를테면, 루콜라(예컨대, 로켓 락(rocket rock)), 바질(예컨대, 바닐라 바질, 시나몬 바질, 레몬 바질, 레드 바질, 타이 바질, 및 부쉬(bush) 바질), 타임(thyme), 파슬리, 민트(예컨대, 그린 민트, 페퍼민트, 및 애플 민트), 로즈마리, 고수(coriander), 마조람(marjoram), 오레가노(oregano), 세이지 등을 포함한다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "채소류 과일들"은, 채소들처럼 사용되지만 식물학적으로는 과일들인 식물들을 지칭한다. 그러한 식물들의 비-제한적인 예들은, 토마토, 오이, 파프리카, 및 고추를 포함한다.
본 방법에 의해 생장될 적절한 화초들은, 제비꽃(violet)(예컨대, 뿔(horned) 제비꽃, 향기 제비꽃, 및 야생 팬지), 미국 샤프란, 수레국화, 및 마리골드 플라워와 같은 1년생 화초들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
디바이스(1)는, 하나 또는 그 초과의 씨앗(들)(8)을 수용하기 위한 하나 또는 그 초과의 룸(들)(2), 및 상기 하나 또는 그 초과의 룸(들)(2)에 광합성 유효 방사(PAR)를 생성하도록 배치되는 인공 광의 하나 또는 그 초과의 소스(들)(3)를 포함한다.
흙을 사용하지 않는 재배에서, 발아될 씨앗(8) 및 그들로부터 발육되는 임의의 모종 또는 성숙한 식물에 대한 기계적인 지지를 제공하기 위해 인공 배지가 사용될 수 있다.
따라서, 본 방법에 의해 발아되고 생장되는 임의의 씨앗(8)은, 도 1에 도시된 바와 같은 씨앗 카트리지(5)에 끼워 넣어진 채 제공될 수 있다. 씨앗 카트리지(5)는 일반적으로, 씨앗(8)을 붙들고 있을만큼 충분히 안정된 재료로 구성될 수 있다. 부가하여, 그 재료는 투과성 및 수분-보유 특성들을 가져야 하는데, 이 특성들은 액체 영양분 용액이 식물 뿌리들로 흐르게 하지만 뿌리들이 용액에 지속적으로 잠겨 있는 것을 방지하며, 그러한 지속적인 잠김은 뿌리들이 부패하기 쉽게 한다.
씨앗 카트리지(5)의 형태 및 치수들은 다양할 수 있지만, 통상적으로는 원통형이다. 카트리지는, 당업자에 의해 용이하게 이해될 바와 같은 다양하게 상이한 재료들로 구성될 수 있다. 그러나, 예컨대 현무암(basalt) 또는 진주암(perlite)을 포함하는 광물면(mineral wool) 또는 광물 섬유들(이를테면, 암면(rock wool) 또는 광물면)이 바람직한 재료이다. 다른 바람직한 재료는 스패그넘 모스(sphagnum moss)인데, 스패그넘 모스의 소독 및 항균 속성들 때문이다. 또한, 다른 유기 재료들, 예를 들어, 나무 섬유들, 리넨 섬유들, 코이어(coir) 등이 사용될 수 있다.
필요한 경우, 씨앗 카트리지의 상단 표면은 불투명(opaque) 또는 비-투명(non-transparent) 커버를 포함할 수 있다. 커버의 목적들 중 하나는, 광 및 습기에 노출되는 경우 시드 카트리지의 상단에서 조류(algae) 및 곰팡이(mould)가 성장하는 것을 방지하기 위한 것이다. 다른 목적은, 씨앗 카트리지 내의 수분을 적절히 유지하고, 그에 따라, 발아 동안 씨앗이 건조해지는 것을 방지하는 것이다. 이들 양상들은 특히, 긴 발아 기간을 갖는 씨앗들을 성장시킬 때 중요하다. 커버는, 박엽지(tissue paper)와 같은 수화(water-dispersible) 재료로 이루어질 수 있으며, 이는 발육하는 식물이 그 재료를 통과하여 생장하는 것을 막지 않는다.
씨앗 카트리지(5)의 형상은, 수경 재배 디바이스(1)(이를테면, 가정용 수경 재배 디바이스)내의 삽입을 허용한다. 디바이스(1)는, 카트리지(5)를 수용하기에 적절한 적어도 하나의 개구부(opening)(2)를 포함한다. 개구부(2)는, 단지 개구부일 수 있거나 또는 공동(cavity) 또는 오목부(well)의 개구부일 수 있다. 개구부(2)는 식물(들)의 생장 동안 카트리지(5)를 지지한다.
일 실시예에 따르면, 씨앗 카트리지(5)는, 개구부(2)에 분리가능하게 배치가능한 바스켓(23)에 삽입될 수 있다. 바스켓(23)은, 수경 용액이 씨앗 카트리지(5) 내에 들어가게 하기 위해 개방 구조를 갖는다. 바스켓(23)은, 씨앗 카트리지(5)의 조작, 예컨대 디바이스(1) 내의 삽입 또는 디바이스(1)로부터의 제거를 편하게 할 수 있다.
씨앗(8)으로부터의 식물들의 생장은 별개의 단계들로 나눠질 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 제 1 단계는 "발아"로 지칭되며, 그 과정에 의해 씨앗이 모종으로 발육된다. 일반적으로, 발아는 씨앗이 물을 제공받는 경우 시작된다. 결과적으로, 가수분해 효소들이 활성화되고, 그들은, 씨앗 내에 저장된 탄수화물, 단백질, 또는 오일(oil)들과 같은 양분 예비력(food reserve)들을 생장 과정을 위한 에너지 및 물질대사에(metabolically) 유용한 화학물질들로 분해하기 시작한다. 부가하여, 물의 흡수는 씨앗 외피(coat)의 팽윤(swelling) 및 찢어짐(breaking)을 유발한다. 씨앗으로부터 나오게 될 모종의 첫 번째 부분은 뿌리이고, 그 후 새싹(shoot)이, 그리고 결국 자엽(seed leaf)들(즉, 떡잎(cotyledon)들)이 나오게 된다. 이때쯤, 씨앗의 양분 예비력들은 통상적으로 고갈되고, 계속되는 생장에 요구되는 향후의 에너지가 광합성에 의해 제공되어야 한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 자엽들의 출현으로 발아 단계가 종료된다. 발아 단계의 지속기간의 통상적인 비-제한적이 예는, 약 7일 내지 약 10일이다.
식물 생장의 제 2 단계는 "모종 단계"로 지칭되며, 본원에서 사용되는 바와 같이, 모종 단계는 자엽들의 출현으로부터 몇(a couple of) 센티미터(이를테면, 3 센티미터)의 모종 높이까지 걸쳐 이어진다. 정확한 척도(measure)는, 예를 들어, 당업자에 의해 용이하게 이해될 바와 같이, 식물 종에 의존하여 다를 수 있다. 임의의 경우에서는, 모종들 전부가 영양분들이 풍부하고, 그들은 종종 요리용 딜라이트(culinary delight)로서 간주된다.
식물의 생애(life)에 있어서 다음 생장 단계들은, "발육성장(vegetative) 단계" 및 "강한 발육성장 단계"로 지칭된다. 이들 2개의 생장 단계들을 구별하는 것은 생장률들에 기초한다. 초기 발육성장 단계(즉, 유도기(lag phase)) 동안, 식물 생장률은 느리다. 그러나, 강한 발육성장 단계 동안, 생장률은 기하급수적인 비율로 급속히 증가한다. 이들 2개의 단계들 동안, 식물들은 다음 단계(생장될 식물에 의존하여, 개화 단계, 생식 단계, 또는 보존 단계 중 어느 하나임)의 개시 이전에 가능한 많이 생장하기 위해, 광합성이 매우 활발하다. 적절한 단계들을 거쳐 식물이 생장되어야 한다는 것이 당업자에게 명백하다.
종종, 강한 발육성장 단계, 개화 단계, 및 생식 단계 간을 어떻게라도 정확히 구분하는 것은 어려울 수 있다. 예를 들면, 식물의 상이한 부분들이 상이한 생장 단계에 있을 수 있고, 종에 따라서는, 개화 단계의 첫 주는 사실상, 줄기들 및 잎들이 빠르게 신장(elongation) 및 생장하는, 오히려 발육성장 단계일 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "생식 단계"는, 식물의 에너지가 주로 과실을 생성하는데 지향되는 생장 단계를 지칭한다. 따라서, 본 방법에서 이러한 단계를 포함시키는 것은 특히, 토마토, 오이, 파프리카, 및 고추와 같은 채소류 과일들에 적용된다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "보존 단계"는, 식물이 더이상 눈에 띄게 신장되지는 않는 정적인 단계를 지칭한다. 이러한 단계는 또한, "유지" 또는 "수확" 단계로 지칭될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "보존 단계"는, 식물이 더이상 눈에 띄게 신장되지는 않는 정적인 단계를 지칭한다. 이러한 단계는 또한, "유지" 또는 "수확" 단계로 지칭될 수 있다.
본 수경 재배 디바이스(1)는, 상기 단계들 전부에 대해 사용될 수 있거나 또는 오직 그들 단계들 중 몇몇에 대해서만 사용될 수 있다. 다시 말해서, 디바이스(1)는 오직 발아 단계에서만 사용될 수 있거나, 또는 발아로부터 모종 단계, 초기 발육성장 단계, 강한 발육성장 단계, 또는 개화 또는 보존 단계까지의 단계들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 디바이스(1)는, 발아된 씨앗들, 새싹들, 모종들, 또는 성숙한 식물을 획득하기 위해 사용될 수 있다. 임의의 경우에서, 시작 재료는 식물 씨앗(8)이며, 바람직하게는 씨앗 카트리지(5) 내에 제공된다.
식물들은 그들의 생장 및 발육을 위해 에너지를 필요로 한다. 에너지는 태양광으로부터 광합성을 통해 획득되는데, 이는, 엽록소(즉, 식물들 내에서 발견되는 녹색 색소)가 광 에너지를 사용하여 물 및 이산화탄소를 단당(simple sugar)들 및 산소로 변환하는 방법이다. 이들 단당들은 그 후, 식물의 구조적 성분들 또는 에너지 예비력들로서 이용될 더 복잡한 당들 및 녹말들을 생성하는데 사용된다. 광합성을 위해, 식물들은 400 내지 700 나노미터 파장 범위에 있는 태양광을 사용하는 것이 가능하며, 이는 사람의 눈에 대해 가시적인 광의 범위와 거의 대응한다. 이러한 부분의 스펙트럼은 광합성 유효 방사(PAR)로서 알려져 있고, 태양 에너지의 오직 37%만을 차지하며, 태양 에너지의 62%는 적외선 파장(700nm 초과) 내에 있고, 나머지 1%는 자외선 파장(200 내지 400 nm) 내에 있다.
식물들에서, 엽록소 a는 광합성에 수반되는 주요 색소이지만, 엽록소 b는 보조 색소로서 동작하고, 광합성 동안 흡수되는 광 스펙트럼을 넓힌다. 엽록소 a는 약 400 내지 450 nm 및 650 내지 700 nm의 파장에서 흡수 피크를 갖고, 엽록소 b는 450 내지 500 nm 및 600 내지 650 nm에서 흡수 피크를 갖는다. 청색 스펙트럼(즉, 약 400 내지 500 nm, 더 구체적으로는, 약 420 내지 약 480 nm)은 발육성장 잎의 생장을 주로 담당한다. 차례로, 청색 스펙트럼(즉, 약 600 내지 700 nm, 더 구체적으로는, 약 640 내지 약 690 nm)은 발아 및 뿌리 발육에 대해 특히 중요하다. 또한, 적색 광은 청색 광과 결합되는 경우 개화를 촉진시킨다.
반면에, 식물들은 녹색-황색 영역에서는 잘 흡수하지 않으며, 대신, 녹색-황색 영역을 반사시킨다. 이러한 이유로 인해 사람들의 눈에는 식물들이 녹색으로 보인다.
위에 따르면, 본 디바이스(1)에서, 광합성에 적절한 전자기 스펙트럼을 방출함으로써 식물 생장 및 발육을 자극하도록 설계된 인공 광의 하나 또는 그 초과의 소스(3)(이를테면, 발광 다이오드(LED)들(6))가 이용된다. 식물들이 녹색 광을 잘 흡수하지 않지만, 녹색 광(즉, 약 500 내지 600 nm, 더 구체적으로는, 약 510 내지 약 540 nm)은, 특히 본 방법의 발육성장 생장 및 유지 단계들에서, 식물들에 의해 반사되는 녹색 컬러를 강화(intensify)하여 그에 따라 미적 특질(esthetic)들을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
엽록소 b는 황색-주황색 광을 어느 정도까지는 흡수한다. 따라서, 요구되는 경우, 본 방법에서 사용되는 식물 광들은 황색 스펙트럼(즉, 약 560 내지 약 620 nm)을 또한 포함할 수 있다.인공 광의 소스들(3) 또는 그들 중 적어도 일부는, 생장될 식물의 위의 제 1 거리 D에 포지셔닝되는 광 유닛(11)에서 제공될 수 있다. 광 유닛(11)은, 디바이스(1)의 하부 파트(20)로부터 제거가능할 수 있는 지지 구조(12)에 배치된다. 지지 구조(12)는, 주변들에 방해가 되는 광을 억제하기 위한 차광부(shade)를 생성할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 인공 광의 소스(3)는 복수의 LED들(6)을 포함한다. 별개의 LED들(6)이 광의 스펙트럼 범위들 각각에 대해 사용되어 디바이스(1)에서 임의의 원하는 결합으로 이용될 수 있다. 더 바람직한 실시예에서, 각각의 식물이 적색 발광 LED, 청색 발광 LED, 및 녹색 발광 LED 하에서 생장되고, 여기서, 포토라디에이션(photoradiation)의 상호간 비례 레벨은 재배되는 식물의 생장 단계 및/또는 필요성에 의존하여 조절될 수 있다. 광들의 스펙트럼 특성들은 선형적으로 또는 단계적으로 조절될 수 있다.
LED들에 의해 방출되는 광의 파장 및 그에 따른 광의 컬러는, LED에 통하는 전류를 제어함으로써 조정가능하다. LED의 피크 파장은 LED 기술의 제한들 내에서 시프팅될 수 있다. 따라서, 상이한 주파장(dominant wavelength)들을 갖는 LED들이 조절되어 주파장들 간의 스펙트럼 범위 또는 더 넓은 범위를 공동으로 커버할 수 있다.
적절한 스펙트럼 범위에 부가하여, 인공 광의 소스(3)는 또한, 식물의 요건들을 충족시키기 위한 충분한 광 강도(light intensity)를 제공해야 한다. LED 기술에서, 방출되는 광의 강도는, LED에 걸친 전압을 제어함으로써 조절가능하다.
광합성 유효 방사(PAR)는 일반적으로 μmol 광자(photons) m-2s-1(초당 평방미터당 광자들의 마이크로몰)이며, 이는 PPFD(photosynthetic photon flux density)의 척도이다. 남반구에서, 여름 동안 정오에서의 완전한(full) 태양광은 약 2000 PPFD이고, 겨울 동안에는 약 1000 PPFD이다. 통상적으로, 식물들은 그들의 생장 및 발육을 위해 약 200 내지 약 700 μmol m-2s-1의 PPFD를 요구한다. 더 구체적으로는, 상추, 샐러드들, 및 허브들과 같은 다수의 엽채류들은 약 200 내지 약 400 μmol m-2s-1의 PPFD를 요구하는 반면, 토마토, 고추, 및 파프리카와 같은 다수의 채소류 과일들은 약 400 내지 약 700 μmol m-2s-1의 PPFD를 요구한다. 특히, 통상적인 조명 조건 실내들은 약 15 μmol m-2s- 1와 동일하다. 따라서, 맛있는 풍미 또는 아주 많은 만개한 꽃을 갖는 건강하고 튼튼한 성숙한 식물들을 생장시키기 위해서는 인공 광 소스에 의해 제공되는 충분한 광이 중요하다. 그러나, 현재 이용가능한 실내 원예 디바이스들 중 다수는 충분한 광 강도 요건을 충족시키기 않는다.
본 발명의 디바이스에서, 생장될 식물의 생장 시기 및/또는 요건들에 의존하여, 약 100 내지 약 400 μmol m-2s-1의 PPFD가 다수의 엽채류들에 대해 사용된다. 몇몇 바람직한 실시예들에서, 발아 단계에서 약 40 내지 약 140 μmol m-2s-1의 PPFD가 사용되고, 모종 단계에서 약 190 내지 약 370 μmol m-2s-1의 PPFD가 사용되고, 초기 발육성장 단계에서 약 210 내지 약 410 μmol m-2s-1의 PPFD가 사용되고, 강한 발육성장 단계에서 약 230 내지 약 450 μmol m-2s-1의 PPFD가 사용되고, 가능한 개화 단계에서 약 240 내지 약 460 μmol m-2s-1의 PPFD가 사용되고 그리고/또는 보존 단계에서 약 30 내지 약 140 μmol m-2s-1의 PPFD가 사용된다.
식물들의 생장 및 발육에 영향을 미치는 추가적인 파라미터는 "광의 지속기간"이며, 이는, 24시간 중 식물들이 광에 노출되는 시간 기간을 지칭한다. 통상적으로(그러나 반드시는 아님), 본 발명의 생장 방법에서의 광의 지속기간은, 식물 종들 및 당면한(in question) 생장 단계와 같은 상이한 변수에 따라 12 내지 24 시간으로 변할 수 있다. 몇몇 바람직한 실시예들에서, 광의 지속기간은, 발아 단계에서는 약 12시간 내지 약 16시간, 모종 단계에서는 약 16시간 내지 약 24시간, 초기 발육성장 단계에서는 약 16시간 내지 약 24시간, 강한 발육성장 단계에서는 약 16시간 내지 24시간, (적용가능한 경우) 개화 단계에서는 약 16시간 내지 약 24시간, 및/또는 보존 단계에서는 약 12시간 내지 약 16 시간으로 독립적으로 변할 수 있다. 광에 대한 긴 노출을 요구하는 식물들의 비-제한적인 예들은, 토마토, 고추, 파프리카, 및 의료용 대마초를 포함한다.
본 발명에서, 생장 단계로부터 다른 단계로의 전환은 위에 기재된 바와 같은 광들을 조절들을 요구한다. 조절들은, 상이한 방식들로 수동 또는 자동으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 자동 조절은, 기계 시각에 의해 모종 또는 생장하는 식물의 높이를 측정하는 것, 3D 측정들, 적외선 측정들, 엽록소 측정들, 초음파 측정들, 질량 측정들 등에 기초할 수 있다. 몇몇 바람직한 실시예들에서, 광들의 조절은, 본 설명의 이후 부분들에서 더 상세히 논의되는 확장 파트(extension part)들(10)의 사용에 기초한다.
광들의 조절은 제어 유닛(4)에 의해 제어된다. 제어 유닛(4)은 보통 말해지는 그러한 알려진 프로세서로 구성된다. 컴퓨터 프로그램 코드가 프로세서에서 실행되며, 인공 광들의 소스(3)는 컴퓨터 프로그램 코드에 의해 제어된다.
컴퓨터 프로그램 코드는 제어 유닛(4)의 내부 메모리로부터 로딩될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 코드는, 메모리 스틱(memory stick)과 같은 별개의 외부 메모리 수단으로부터 제어 유닛(4)으로 전달될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 코드는 또한, 예를 들어, 무선 액세스 네트워크를 통해 제어 유닛(4)을 인터넷에 연결함으로써, 원격통신 네트워크를 통해 전달될 수 있다. 제어 유닛(4)은 또한, 원격 통신 네트워크에 의해 원격으로 제어될 수 있다. 따라서, 사용자는, 예컨대 셀룰러 폰 또는 개인용 컴퓨터에 의해 디바이스(1)를 제어할 수 있고, 다른 한편으로는, 사용자는 디바이스(1) 및/또는 생장 과정의 선택된 변수들에 관한 정보를 수신할 수 있다. 따라서, 제어 유닛(4)은 수신기-송신기 유닛(9)을 포함할 수 있다.
제어 유닛(4)은 또한 사용자 인터페이스(21)를 포함할 수 있으며, 디바이스(1)를 사용하는 사용자는 이를 통해 디바이스의 기능들을 수동으로 제어할 수 있다. 수동 조절은 교육 목적들에 대해 특히 바람직할 수 있다. 따라서, 식물 생장에 대한 상이한 광 조건들의 효과가 학습될 수 있다. 사용자 인터페이스(21)는 디바이스 내, 예컨대 지지 구조(12) 내 또는 하부 파트(20) 내에 사용자 패널을 포함할 수 있고 그리고/또는 사용자가 디바이스(1)로부터 일정 거리를 떨어져서 디바이스(1)를 제어하는 것이 가능하게 하는 원격 제어기를 포함할 수 있다.
식물들이 생장함에 따라, 그들은 지지 구조(12)와 하부 파트(20) 사이에 더 많은 공간을 필요로 한다. 일 실시예에 따르면, 디바이스(1)는, 지지 구조(12)와 하부 파트(20) 사이에 제 1 거리 D를 변경하도록 부착될 수 있는 하나 또는 그 초과의 지능형 확장 파트(들)(10)를 포함한다. 이러한 방식으로, 디바이스(1)의 사용자는 식물들을 위한 상기 공간을 용이하게 생성할 수 있다.
지능형 확장 파트들(10)은 상이한 길이들로 제작될 수 있고, 2개 또는 그 초과의 지능형 확장 파트들(10)이 또한 서로 연속적으로 부착될 수 있다. 따라서, 제 1 거리 D는 식물들의 필요에 따라 조절될 수 있다. 이러한 효과는 도 3a-3d에 도시된다.
지능형 확장 파트(10)는 식별자(identifier) 수단(18)을 포함할 수 있고, 제어 유닛(4)은 상기 식별자 수단(18)을 식별하는 것이 가능한 식별 수단(19)을 포함할 수 있다. 따라서, 제어 유닛(4)은, 디바이스(1)에 부착되는 지능형 확장 파트(10)를 식별하는 것이 가능하다. 이러한 식별로 인해, 제어 유닛(4)은, 최적의 스펙트럼 범위 및 광 강도로 광합성 유효 방사(PAR)를 조절할 수 있다.식별자 수단(18)의 기능은 유선 또는 무선 솔루션들에 기초할 수 있다. 식별자 수단(18)은 단지, 예를 들어, 식별 수단(19)에 연결된 배선에서의 전류 또는 전압을 변경하는 컴포넌트, 즉 RFID 태그 등을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 지능형 확장 파트(10)는 체결(fastening) 엘리먼트들을 포함하는데, 체결 엘리먼트들은, 지지 구조(12) 및 하부 파트(20)에서의 그들의 대응파트들에 어떠한 도구들도 없이 신속하게 부착될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 지능형 확장 파트(10)는, 식물들에 대해 적절한 전자기 스펙트럼을 방출하기 위한 적어도 하나의 확장 파트 광 유닛(22)을 포함한다. 확장 파트 광 유닛(22)은, 식물들이 높고 그리고 무성한 잎을 갖는 경우에 특히 유용하다. 이러한 종류의 경우들에서, 생장의 내부 부분들에 위치된 잎들, 과일들 등에는 확장 파트 광 유닛(22) 없이는 적절한 조명이 누락될 수 있다. 확장 파트 광 유닛(22)의 스펙트럼 범위 및 광 강도는 제어 유닛(4)에 의해 조절될 수 있다.
식물들은 생장하기 위해서는 광 뿐만 아니라 물 및 영양분들을 또한 필요로 한다. 따라서, 디바이스(1)는, 물 및 영양분들, 즉 수경 용액을 생장될 식물 또는 씨앗(8)에 전달하도록 배치되는 관개 시스템(13)을 포함한다. 영양분들 없이 물을 전달하는 것 또한 가능하다.
일 실시예에 따르면, 수경 용액 보유실(reservoir)(15)로부터 생장될 식물들 또는 씨앗 카트리지들(5)로 수경 용액을 주기적으로 공급하도록 펌프(14)가 배치된다. 그 후, 수경 용액은 다시 상기 보유실(15)로 배출(drain)되게 된다. 이러한 소위 에브 앤드 플로우(ebb and flow) 사이클은, 온도, 생장 단계, 및 생장될 식물의 특정 요건들과 같은 변수들에 의존하여 하루에 수 회, 예컨대 2회 내지 4회 반복된다. 몇몇 바람직한 실시예들에서, 관개는, 발아 단계 동안에는 이틀에 1회 내지 하루에 1회, 모종 단계 동안에는 하루에 1회 내지 2회, 초기 발육성장 단계 동안에는 하루에 2회 내지 6회, 강한 발육성장 단계 동안에는 하루에 6회 내지 10회, (적용가능하다면) 개화 단계 동안에는 하루에 6회 내지 10회 수행되고, 그리고/또는 보존 단계 동안에는 3일 내지 6일 단위로 수행된다. 그러나, 본 디바이스의 사용은 임의의 특정한 관개 스케줄로 제한되지 않는다.
에브 앤드 플로우 어레인지먼트(arrangement)는 몇몇 이점들을 제공한다. 예를 들면, 식물들의 뿌리들이 물에 지속적으로 잠겨 있지 않으며, 그에 따라, 부패의 위험성이 최소화된다. 또한, 펌프(14)가 하루에 오직 수 회만 활동하기 때문에, 디바이스(1)는 많은 현재의 이용가능한 가정용 원예 디바이스들과 대조적으로 조용한 디바이스이다. 펌프(15)의 동작은, 예를 들어, 제어 유닛(4) 및/또는 사용자 인터페이스(21)에 의해 선형적으로 또는 단계적으로 조절될 수 있다.
관개 시스템(13)은, 보유실(15)에 물 및/또는 영양분들을 추가해야 할 때인 경우, 예컨대 음향 또는 광 표시기에 의해 경보를 발하는 경보 수단을 수반할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 다시 보유실(15)로 배출되는 수경 용액은 펌프(14)를 통해 흐른다. 다시 말해서, 펌프(14)는 수경 용액의 역 흐름을 허용하도록 배치된다. 이러한 방식에서, 펌프(14)는, 작은 입자들의 영양분들 및 생장 부지로부터 세정될 수 있으며, 그렇지 않으면 이들은 펌프(14)를 막을 수 있다.
실내 정원들에서는 조류 및 곰팡이의 형성이 특히 문제가 된다. 본 디바이스(1)에서, 이러한 문제는 다른 방식들에 의해 회피될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 디바이스(1)는, 관개 시스템(13)에 방사하도록 배치되는 UV 광 소스(16)를 포함한다. UV 광은 보유실(15)에 형성되는 임의의 조류 또는 곰팡이를 사멸(kill)시킨다.
다른 실시예에 따르면, 적어도 관개 시스템(13)의 벽들 또는 하부 파트의 외부 벽들(17)의 재료가 조류 또는 곰팡이의 성장에 대해 필수적인 광을 통과하지 못하게 하는 재료로 제작된다. 따라서, 조류 또는 곰팡이에 의해 야기되는 가능한 문제들이 회피할 수 있다. 일 발상에 따르면, 커버는, 적어도 청색 스펙트럼(즉, 약 400 내지 500 nm) 및 적색 스펙트럼(즉, 약 600 내지 700 nm)의 파장들의 범위를 통과하지 못하게 한다.
따라서, 상기 벽들은, 조류 및 곰팡이의 증식(propagation)이 관개 시스템(13)으로 넘어가는데 필수적인 광을 방지하는 구조들로 이루어진다.
도 3a-3d는, 실내 수경 재배를 위한 예시적인 디바이스의 개략적인 측면도이다. 디바이스(1)에서, 제 1 거리 D는 지능형 확장 파트들(10)에 의해 그 지점에서 조절된다.
식물 생장의 발아 단계(이 동안, 씨앗이 모종으로 발육됨)에서의 디바이스(1)가 도 3a에 도시된다. 도 3a-3d에 도시된 실시예에서, 발아 단계 동안에는 디바이스(1)에 배치된 어떠한 지능형 확장 파트들(10)도 존재하지 않는다. 대신, 인공 광의 소스(3)를 갖는 지지 구조(12)가 디바이스의 하부 파트(20)에 직접 부착된다. 따라서, 제 1 거리 D는 자신의 최소치이다.
일 발상에 따르면, 인공 광의 소스는 발아 단계 동안 다음과 같은 광 강도를 제공한다.
- 적색 광 30 μmol m-2s-1,
- 청색 광 60 μmol m-2s-1, 및
- 녹색 광 0 μmol m-2s-1.
추가로, 일 발상에 따르면, 식물들은 발아 단계 동안 이틀에 1회 물을 공급받는다.
식물 생장의 모종 단계(이 동안, 씨앗이 새싹으로 발육됨)에서의 디바이스(1)가 도 3b에 도시된다. 모종 단계 동안에는 디바이스(1)의 지지 구조(12)와 하부 파트(20) 사이에 배치된 하나의 지능형 확장 파트(10)가 존재한다. 따라서, 제 1 거리 D는 발아 단계에서의 거리보다 더 크다.
일 발상에 따르면, 인공 광의 소스는 모종 단계 동안 다음과 같은 광 강도를 제공한다.
- 적색 광 120 μmol m-2s-1,
- 청색 광 170 μmol m-2s-1, 및
- 녹색 광 40 μmol m-2s-1.
추가로, 일 발상에 따르면, 식물들은 모종 단계 동안 하루에 2회 물을 공급받는다.
식물 생장의 발육성장 단계(이 동안, 식물(들)의 크기 및 길이가 디바이스(1)의 사용자에 의해 시각적으로 추정됨)에서의 디바이스(1)가 도 3c에 도시된다. 추정에 따라, 디바이스(1)에 필요한 경우 확장 파트들(10)이 부가된다. 발육성장 단계 동안에는 디바이스(1)의 지지 구조(12)와 하부 파트(20) 사이에 배치된 2개의 지능형 확장 파트들(10)이 존재한다. 따라서, 제 1 거리 D는 모종 단계에서의 거리보다 더 크다.
일 발상에 따르면, 인공 광의 소스는 발육성장 단계 동안 다음과 같은 광 강도를 제공한다.
- 적색 광 120 μmol m-2s-1,
- 청색 광 170 μmol m-2s-1, 및
- 녹색 광 40 μmol m-2s-1.
추가로, 일 발상에 따르면, 식물들은 하루에 약 8회 물을 공급받는다.
식물 생장의 보존 단계(이 동안, 식물은 살아 있지만 그 식물의 생장은 가급적 느리게 유지됨)에서의 디바이스(1)가 도 3d에 도시된다. 이러한 방식에서, 식물은 긴 시간 동안 양호한 조건으로 보존될 수 있다.
보존 단계 동안에는 디바이스(1)의 지지 구조(12)와 하부 파트(20) 사이에 배치된 2개의 지능형 확장 파트들(10)이 존재한다. 따라서, 제 1 거리 D는 발육성장 단계에서의 거리와 동일하다. 사용자는, 사용자 인터페이스(21)를 사용함으로써 발육성장 단계로부터 보존 단계로 변경할 수 있다.
일 발상에 따르면, 인공 광의 소스는 보존 단계 동안 다음과 같은 광 강도를 제공한다.
- 적색 광 20 μmol m-2s-1,
- 청색 광 20 μmol m-2s-1, 및
- 녹색 광 20 μmol m-2s-1.
추가로, 일 발상에 따르면, 식물들은 하루에 약 8회 물을 공급받는다.
위에 언급된 단계들에서의 광 강도 및 스펙트럼 뿐만 아니라 관개는, 본 설명에서의 앞서 논의된 바와 같이 제어 유닛(4)에 의해 제어된다.
부가적으로, 광 및 관개 둘 모두는 소위 휴일(holiday) 모드로 셋팅될 수 있는데, 이러한 모드는, 생장될 식물에 충분한 광 및 물을 제공함으로써 식물이 살아있지만 눈에 띄게 생장하지는 않게 한다.
본 디바이스의 이점들 중 하나는, 낮은 탄소 풋프린트(carbon footprint)로 높은 산출량이 획득될 수 있다는 것이다. 따라서, 본 디바이스는 환경적으로 유익하다. 이것은, 적어도 부분적으로, 본 디바이스가 가열, 냉각, 또는 CO2의 부가를 요구하지 않기 때문이다. 세계에서 가장 효율적인 온실들은 대략적으로 80 내지 100 kg m-2의 산출로 상추를 생산하는 것이 가능하다. 차례로, 본 디바이스는, 위에 언급된 세계에서 가장 효율적은 온실들의 에너지 소모의 오직 10분의 1만으로 대략적으로 60 kg m-2의 상추를 생산할 수 있다. 따라서, 본 디바이스는, 도시 환경들에서 분산화된 식량 생산을 위해 사용될 수 있다.
일반적으로, 디바이스의 형태 및 크기는 다를 수 있다. 일 실시예에서, 디바이스(1)는 카운터탑(countertop) 정원이며, 이는 가정에서의 사용에 대해 특히 적절하다. 몇몇 다른 실시예들에서, 디바이스(1)는, 더 큰 산출이 요구되는 환경들에서 사용하기에 특히 적절한 다층의 적층형 시스템이다. 그러한 환경들의 비-제한적인 예들은 레스토랑들 또는 기관 취사장들을 포함한다.
몇몇 다른 실시예들에서, 본 디바이스의 기능은 분무경(aeroponics)에 의존한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "분무경"은, 수경의 정교화된 형태를 지칭하며, 여기서, 영양분 밀집 안개(nutrient dense mist), 즉, 영양분들을 함유하는 수분과 공기의 구름(cloud)이 특정 구간들에서 뿌리들에 분무된다. 이들 실시예들에서, 분무경 용액, 즉, 물, 영양분들, 및 공기는 분무 디바이스에 의해 생장될 식물들의 뿌리들 또는 씨앗들에 주기적으로 분무된다. 분무 간격은, 온도, 생장 단계, 및 생장될 식물의 특정 요건들과 같은 상이한 변수들에 의존하여 자유롭게 조절될 수 있다.
에브 앤드 플로우 어레인지먼트에서와 같이, 분무경 어레인지먼트는 몇몇 이점들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 뿌리들이 물에 지속적으로 잠겨 있지 않으며, 그에 따라, 부패의 위험성이 최소화된다. 또한, 펌프가 하루에 오직 수 회만 활동하기 때문에, 디바이스의 사용은 많은 현재의 이용가능한 가정용 원예 디바이스들과 대조적으로 조용하다. 펌프의 동작은 선형적으로 또는 단계적으로 조절될 수 있다.
본 발명은 오직 위에 설명된 실시예들로 제한되지 않으며, 대신, 아래의 청구항들에 의해 정의되는 본 발명의 개념의 범위 내에서 많은 변형들이 가능하다. 본 발명의 개념의 범위 내에서, 상이한 실시예들 및 적용들의 속성들이 다른 실시예 또는 적용의 속성들과 함께 사용되거나 또는 그들을 대신할 수 있다.
도면들 및 관련된 설명은 오직 본 발명의 사상을 예시하기 위한 것으로 의도된다. 본 발명은 다음의 청구항들에서 정의되는 본 발명의 사상의 범위 내에서 세부적으로 변할 수 있다.
1 디바이스
2 룸
3 인공 광의 소스
4 제어 유닛
5 씨앗 카트리지
6 LED
7 생장 부지
8 씨앗
9 수신기-송신기 유닛
10 지능형 확장 파트
11 광 유닛
12 지지 구조
13 관개 시스템
14 펌프
15 수경 용액 보유실
16 UV 광 소스
17 외부 벽
18 식별자 수단
19 식별 수단
20 하부 파트
21 사용자 인터페이스
22 확장 파트 광 유닛
23 바스켓
D 제 1 거리

Claims (9)

  1. 수경 재배(hydroponic cultivation)를 위한 디바이스(1)로서,
    하나 또는 그 초과의 씨앗(들)을 수용하기 위한 하나 또는 그 초과의 룸(room)(들)(2),
    상기 하나 또는 그 초과의 룸(들)(2)에 대해 광합성 유효 방사(PAR; photosynthetically active radiation)를 생성하도록 배치(arrange)되는 인공 광의 하나 또는 그 초과의 소스(들)(3), 및
    제어 유닛(4)을 포함하고,
    상기 인공 광의 하나 또는 그 초과의 소스(들)(3) 중 적어도 일부는, 하나 또는 그 초과의 씨앗(들)을 수용하기 위한 상기 하나 또는 그 초과의 룸(들)(2) 위의 제 1 거리(D)에서 지지 구조(12)에 의해 지지되는 광 유닛(11)에서 제공되고,
    상기 디바이스(1)는, 상기 제 1 거리(D)를 변경하도록 상기 지지 구조(12)에 배치가능한 지능형 확장 파트(10)를 더 포함하고, 상기 지능형 확장 파트(10)는 식별자 수단(18)을 포함하고,
    상기 제어 유닛(4)이 상기 식별자 수단(18)의 식별을 위한 식별 수단(19)을 포함하는 방식으로 상기 제어 유닛(4)이 상기 디바이스 내에서 생장하고 있는 식물(들)의 생장 단계에 기초하여 상기 인공 광의 광합성 유효 방사(PAR)의 스펙트럼 범위 및 광 강도(light intensity)를 조절하도록 배열되고, 상기 제어 유닛(4)은 상기 식별에 기초하여 광합성 유효 방사(PAR)의 스펙트럼 범위 및 광 강도를 조절하도록 배치되고, 그리고
    상기 디바이스(1)는, 생장될 식물 또는 씨앗(8)에 에브 앤드 플로우(ebb and flow) 현상으로 수경 용액을 전달하도록 배치되는 관개(irrigation) 시스템(13)을 더 포함하는, 수경 재배를 위한 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 룸(2)은 씨앗 카트리지(cartridge)(5)를 수용하도록 배치되고, 상기 씨앗 카트리지(5)는 생장 부지(growing medium)(7) 및 상기 생장 부지(7)에 배치되는 적어도 하나의 씨앗(8)을 포함하는, 수경 재배를 위한 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 인공 광의 소스(3)는 복수의 LED들(6)을 포함하는, 수경 재배를 위한 디바이스.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(4)은 원격 제어형 제어 유닛인, 수경 재배를 위한 디바이스.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    2개의 단계들로 작동하도록 배치되는 펌프(14)를 포함하고,
    플로우 단계에서, 상기 펌프(14)는, 수경 용액 보유실(reservoir)(15)로부터 상기 룸(들)(2)으로의 수경 용액의 플로우를 생성하도록 배치되고, 그리고
    에브 단계에서, 상기 펌프(14)는, 상기 펌프(14)를 통해 상기 룸(들)(2)으로부터 다시 상기 수경 용액 보유실(15)로의 상기 수경 용액의 역 플로우를 허용하도록 배치되는, 수경 재배를 위한 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    생장될 식물 또는 씨앗(8)에 에브 앤드 플로우 현상으로 물을 공급하도록 배치되는 관개 시스템(13)을 포함하고,
    상기 관개 시스템(13)은 상기 식별에 기초하여 제어되도록 배치되는, 수경 재배를 위한 디바이스.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 관개 시스템(13)에 방사하도록 배치되는 UV 광 소스(16)를 포함하는, 수경 재배를 위한 디바이스.
  8. 삭제
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