KR20200004487A - 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배관용 파이프를 사용하여 일정 높이의 파이프 인테리어를 만들고 내부 선반에 토양과 함께 식물을 식재한다. 그리고 다양한 종류의 센서를 통해 토양 내 수분의 부족하거나 또는 미세먼지의 농도가 나쁨 이상이거나 또는 공기중의 습도가 낮다면, 가든 하단 내 펌프를 가동하여 공기중으로 드라이포그와 물안개를 뿌려준다. 그럼에도 불구하고 미세먼지의 농도가 보통 이상이라면 가든 내부의 팬을 가동하여 에어필터와 UV 램프를 통해 미세먼지를 제거시키는 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든에 관한 것이다.

Description

공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든 { Air purifying Industrial Vertical Garden }
본 발명은 인더스트리얼 디자인(Industrial Design)을 사용하여 수직 가든을 장식하고 내부에 다양한 종류의 공기정화식물을 식재하여 가든의 주변 공기를 정화시키고 또한 스마트팜(Smart Farm)과 사물인터넷(IoT)의 기술을 활용하여 토양의 습도를 조절하여 식물의 발육을 돕고 추가적으로 공기 질을 지속적으로 측정하여 미세먼지를 제거하고 바이러스나 병원균을 살균하는 동시에 사람이 거주하기 쾌적한 환경을 만들기 위해 온도와 습도를 조절하는 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든에 관한 것이다.
미세먼지는 크기가 PM10(10㎛)과 PM2.5(2.5㎛)처럼 너무 작기 때문에 사람에게 폐질환이나 뇌질환을 유발하는 원인이 된다. ㎛ 단위는 마이크로미터 (micrometer)라하여 10-6 M를 가리킨다.
현재 미세먼지는 다음과 같은 기술을 활용하여 저감시키고 있다.
① 다양한 방식의 공기정화기(또는 공기청정기)를 사용한다.
② 공기정화기능이 있는 식물을 활용한다.
③ 미세먼지와 비슷한 크기의 물입자(이를 '드라이포그'라 한다.)를 공기 중에 뿌려 미세먼지를 집착시키고 중력에 의해 바닥에 떨어뜨려 제거한다.
④ 인공강우를 사용한다.
사무실이나 가정에서 많이 사용하는 공기정화기는 크게 전기 집진식(또는 이온식)과 기계식(또는 필터링 방식)으로 나누어진다. 전기 집진식은 음이온을 발생시켜 미세먼지에 부착시켜 제거하는 방식이고 기계식은 팬을 사용하여 공기를 빨아들여 미세먼지를 필터링하여 제거하는 방식이다. 전기 집진식은 효율이 떨어지고 오존 발생이란 부작용이 있어 보통 필터링 방식을 많이 사용한다.
필터링 방식은 보통 3㎛ 크기의 미세먼지를 제거하는 데 효과가 있는 헤파 필터(가장 낮은 H13 등급은 99.75% 포집률을 나타낸다.)를 가장 많이 사용한다. 최근 들어 헤파필터로 걸러낼 수 없는 초미세먼지까지 제거해주는 울파필터(ulpa filter)를 사용하거나 헤파필터이외에 냄새 제거 및 포름알데히드이나 벤젠 등의 유해물질을 제거해주는 활성탄필터 등을 추가적으로 부착하여 사용한다.
그러나 공기정화기가 모든 미세먼지를 제거할 수 있는 것도 아니고 장치가 처리할 수 있는 실내 공간과 용량에 한계가 있으며, 또한 정기적으로 필터를 교체해주어야 한다. 그리고 밀폐된 공간에서 사용하다 보면 산소 부족이나 이산화탄소및 오존 발생과 같은 부작용 역시 발생하여 실내 공기를 자주 환기를 시켜주어야 한다.
식물을 활용하여 미세먼지를 제거하는 방법은 친환경적으로 미세먼지이외에 벤젠, 포름알데히드 및 트리클로로에틸렌 등과 같은 유해 물질의 제거가 가능하고 또한 광합성 작용으로 이산화탄소를 흡수하고 산소를 생성시키며 습도를 조절하는 부수적인 효과를 누릴 수 있다. 그리고 식물에 의해 흡수된 미세먼지는 토양에 있는 미생물에 의하여 분해되어 소멸된다.
식물을 활용하여 미세먼지를 제거하는 방법은 다양한 이점에도 불구하고 공기정화기보다 미세먼지를 제거하는 속도가 느리다. 또한 식물은 기계장치가 아닌 하나의 생명이기 때문에 주기적으로 물과 함께 영양분을 공급해 주어야 하며, 또한 양지 식물이라면 빛이 잘 들고 통풍이 잘되는 환경을 제공해 주어야 한다. 최근 스마트팜이나 사물인터넷 기술을 활용하여 일일이 사람의 판단이나 손을 거치지 않고도 식물을 양육할 수 있는 기술들이 발달되었다.
드라이포그(Dry Fog) 방식은 매립지나 대규모 야적장에서 발생하는 미세먼지를 저감시킬 때 사용하는 방법이다. 1976년 4월 미국 콜로라도 광산 학교의 연구 자료에 따르면, 미세먼지를 포집하는 효과는 습도와 온도, 압력 그리고 미세먼지의 전하량 등에 따라 다소 다르지만 일반적으로 "미세먼지(dust particle)와 비슷한 크기의 물입자(droplets)는 미세먼지를 포집하는 효과가 있다"고 발표하였다. 드라이포그는 보통 물입자의 크기가 5㎛ ~ 20 ㎛ 이하인 경우를 말하며, 물안개(영어로 'Wet Fog')는 20 ㎛ ~ 30 ㎛의 크기인 물입자를 말한다.
실제 미세먼지를 포집하는데 사용하는 드라이포그는 미세먼지의 크기와 비슷한 10 ㎛ 이하의 드라이포그를 사용한다. 이러한 드라이포그는 물체에 부딪쳐도 쉽게 액화되지 않을 뿐만 아니라 전기 합선이나 주변 사람과 기계를 적시는 현상이 없으며 또한 비교적 먼 거리까지 수분전달에 유리하다. 그리고 뿌려진 드라이포그는 햇빛이나 열에 인해 증발되면서 주변의 온도를 낮추는 '증발 잠열 효과'를 얻을 수 있다. 그러나 드라이포그에 의해 포집된 미세먼지는 무게가 증가하기 때문에 중력에 의해 바닥에 떨어지지만 이내 수증기 증발로 인해 다시 가벼워진다면, 바람이나 청소와 같은 작업으로도 비산하는 문제를 갖는다.
인공강우는 드라이 아이스나 요오드화은을 대기중에 뿌려 수증기를 액화시키거나 응결시켜 강제로 비를 내리게 하는 기술을 말한다. 미세먼지를 제거하는 방식이 앞에서 언급한 드라이포그와 유사하지만 보다 넓은 지역을 대상으로 한다는 점에서 차이가 존재한다. 또한 대기중의 수중기를 없애기 때문에 다른 지역의 가뭄을 유발할 수 있다. 연구 자료에 의하면 “비가 2㎜ 내리면 미세먼지 양이 6%가 줄고, 6㎜ 내리면 20%가 줄어든다”라고 보고되고 있다.
마지막으로 감기와 독감은 바이러스에 의해 전파되는 질병으로 환절기 때 병원과 같이 밀폐되고 또한 많은 질병 환자의 출입이 잦은 곳에는 바이러스나 세균들이 번식하기 쉬운 환경이 된다. 참고로 세균의 크기는 1㎛ ~ 5㎛이며, 바이러스는 0.05㎛ ~ 0.1㎛에 불과하여 일반 공기청정기로 여과하기 어렵다.
살균소독기 또는 정화시설에서 많이 사용되는 UV 램프는 253.7 nm(nm는 나노미터를 나타나는 단위로 10-9m를 가리킨다.) 파장의 전자파(보통 '자외선'이라 부른다.)를 발생시키는 장치이다. 자외선은 3초정도 노출 시 바이러스와 세균과 같은 거의 모든 미생물의 DNA 구조를 파괴시켜 99.9%까지 제거가 가능하다. 또한 자외선은 미생물에 유전자 변형이 없이 살균이 되며, 또한 무색 무취하며 강화유리만으로도 차단이 가능하다. 그러나 만약 사람이 자외선에 장시간 노출 시 피부암을 유발시키는 원인이 된다.
인류가 화석 연료를 기반으로 문명을 발전시켜 왔기 때문에 현재 기술로 미세먼지를 근본적으로 제거할 수 있는 방법은 없다. 따라서 매시간마다 미세먼지를 측정하고 좋고 나쁨에 따라 시도단위별로 차량 2부제와 학교 휴업등을 실시하고 실내에서 공기정화기를 켜서 저감하고 있는 실정이다.
10-0858993 이끼벽과 실내식물을 이용한 공기청정용 실내정원 시스템 10-1288217 습식 공기 정화 장치 10-1433598 가구 매립형 식물 재배장치 10-1441040 실내공기정화를 위한 벽면녹화장치 10-1818497 스마트 시스템과 연동되는 스마트 화분 10-1830888 스마트 화분 기반의 실내 공기질 정보 제공 장치 및 이를 이용한 실내 공기질 제공방법
Colorado School of Mines Article
본 발명은 미세먼지의 농도를 감소시키고 바이러스와 세균 등과 같은 미생물을 제거하며 식물을 통해 대기의 온도와 습도를 조절하고 식물의 광합성 작용에 의해 발생되는 산소와 음이온으로 쾌적한 환경을 만들어 주는 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든에 관한 것이다.
현재 알려진 미세먼지를 저감시키는 방법은 각각의 장단점을 가지고 있기 때문에 미세먼지를 제거하기 위해 어느 하나의 방법만을 사용하는 것보다 다양한 방법을 종합적으로 사용하는 것이 좋다.
공기정화기는 사용이 편리하다는 장점이 있지만 밀폐된 공간에서 장시간 사용하다 보면 산소 부족이나 이산화탄소 농도 증가 및 오존 발생과 같은 부작용 역시 발생하여 실내 공기를 자주 환기를 시켜주어야 한다.
식물은 실내 장식이외에 사람의 심리를 안정화시키고 또한 광합성 작용을 통해 대기 중의 이산화탄소 농도를 감소시키며 산소를 방출할 뿐만아니라 각종 화학물질 들을 제거하고 유해 전자파를 흡수하고 음이온을 발생시킨다. 그러나 식물은 주기적으로 영양분과 물을 공급해 주어야 하며, 빛이나 통풍이 잘되는 곳에 위치시켜 주어야 한다.
드라이포그는 다음과 같은 방법으로 생성한다.
● 초음파 가습기 모듈을 사용한다.
● 물펌프와 에어펌프 그리고 드라이포그 노즐을 사용한다.
● 물펌프와 미스트 노즐(Mist nozzle)을 사용한다.
일반적으로 드라이포그만을 생산한다면 초음파 가습기 모듈이나 물펌프와 에어펌프 그리고 드라이포그 노즐을 많이 사용한다. 반면에 미스트 노즐은 드라이포그와 물안개가 섞여서 나오는 것이 특징이다. 또한 미스트 노즐을 사용하여 드라이포그를 생성하려면 최소 3 kg/cm2(2.9 bar) ~ 최대 71 kg/cm2(70 bar)범위의 압력을 제공할 수 있는 물펌프를 사용해야 한다. 같은 종류의 미스트 노즐이라 하더라도 펌프가 제공하는 압력과 노즐 구멍의 크기 그리고 노즐의 모양에 따라 분사되는 드라이포그의 량과 물안개의 량이 다를 수 있다.
메르스와 조류 독감 사태에서도 알 수 있지만 대기 중에는 미세먼지 뿐만아니라 호흡기 질환을 유발하는 수많은 미생물들도 존재한다. 특히 환절기 폐쇄된 실내라면 바이러스나 세균 역시 활동하기 적합한 환경이 되므로 대기의 살균 소독이 필수적으로 요구된다. 본 발명에서 UV 램프는 팬을 사용하여 대기를 순환하고 미세먼지를 헤파필터로 여과하는 마지막 과정에서 가동된다.
앞에서 언급한 상기 방법 모두를 사용한다면, 개별 방법의 장단점을 서로 보완하게 되므로 괘적한 실내 환경을 구축할 수 있게 된다. 이를 위해 가든 내부에 장착된 중앙처리장치는 토양 수분 센서(Soil Moisture Sensor)와 미세먼지 측정장치 그리고 온도 및 습도 센서를 사용하여 식물의 생육에 필요한 정보와 사람이 거주하는 실내 온도와 습도를 파악하여 필요하다면 노즐을 사용하여 가든 내부에 미스트(여기서 '드라이포그와 물안개' 모두를 지칭하여 '미스트'라 부른다.)를 형성하여 식물에 수분을 공급해 주는 동시에 추가적으로 공기 중의 먼지를 흡착하여 토양으로 떨어뜨려 제거한다.
그리고 식물과 미스트로 제거하지 못한 미세먼지와 유해물질은 가든 내부의 팬을 가동하여 헤파필터와 활성탄필터 그리고 프리필터(이하 모든 필터를 통칭하여 '에어필터'라 하겠다)를 통과시키고 마지막으로 UV 램프를 통과시켜 세균과 바이러스를 제거한다.
본 발명은 미세먼지를 비롯하여 다양한 유해 물질과 바이러스를 제거하는 동시에 식물을 통해 온도 및 습도를 조절하여 사람들이 거주하기 좋은 쾌적한 환경을 만든다.
도 1은 인더스트리얼 수직 가든의 사시도
도 2는 망루의 사시도
도 3은 인더스트리얼 수직 가든의 정면도
도 4는 식물을 식재된 인더스트리얼 수직 가든의 정면도
도 5는 인더스트리얼 수직 가든의 평면도
도 6은 화분의 사시도
도 7은 자외선 차단판의 사시도
도 8은 화분의 평면도
도 9는 화분의 정면도
도 10은 선반받침대의 사시도
도 11은 선반받침대의 측면도
도 12은 중앙처리장치와 운영 서버의 개념도
도 13은 설치박스와 헤파필터, 활성탄필터, 프리필터의 사시도
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 기술하였다. 그러나 본 발명은 실시된 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다.
또한 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
망루(200)는 기둥 역할을 하는 파이프(201)(또는 파이넥트)(간단히 '기둥파이프'라 하겠다.)에 플랜지(211)와 볼트 그리고 너트를 사용하여 하판(502)에 고정시켜 망루의 기둥을 만든다. 그리고 기둥 위에 도 2와 같이 라멘(Rahmen) 구조(일명 '보기둥' 구조)로 기둥파이프(201)와 4방티(4 way tee)(202), 소켓, 니플, 삼방티(3 way tee) 그리고 보의 역할을 하는 파이프(204)(간단히 '보파이프'라 하겠다.) 등을 사용하여 일정한 높이로 사각형 탑을 만든다. 마지막으로 망루(200)는 고리 모양의 선반받침대(306)를 사용하여 도 7과 같이 생긴 자외선 차단판(504)을 보파이프(204)에 설치하고 바로 위에 플랜지(211)와 볼트 그리고 너트(또는 캡)를 사용하여 상판(501)에 고정시켜 마무리한다.
하판(502)은 수직 가든이 바람과 같은 외부 충격에 의해 쓰러지지 않게 균형을 잡고 나아가 화분에서 흘러나오는 물을 담는 화분 받침대 역할을 수행한다. 따라서 하판(502)은 플랜지와 볼트, 너트를 사용하여 망루(200)의 기둥파이프와 연결 시 씰 테이프를 사용하여 받침대 안에 고여있는 물이 밖으로 세어 나가지 않도록 막는다. 그리고 사람들이 화분의 식물을 훼손시킬 우려가 있다면, 도 1의 왼쪽처럼 사람의 접근을 차단하는 울타리를 세울 수 있다. 또한 수직 가든의 설치 공간이 실외이라면, 플랜지(211)는 비계처럼 땅에 단단하게 고정시키기 위해 하판이 아닌 별도 고정시킬 수 있는 베이스와 함께 콘크리트로 타설되어 땅속에 묻을 수 있다.
상판(501)은 도 2 또는 도 3과 같이 UV 램프(400)(또는 UV-C 주파수를 발산하는 LED)와 함께 UV 램프(400)에서 나오는 자외선이 수직 가든 밖으로 조사되는 것을 방지하는 제1차단막(401)이 설치되고 중앙처리장치(100)와 미세먼지 측정 장치(107) 그리고 온도및 습도 센서(108)가 답재되는 선반 역할을 제공한다. UV 램프(400)는 앞에서 언급한 자외선 차단판(504)에 설치할 수 있으나 보통 설치가 간편하고 분리하기 쉬운 상판(501)의 아래 면에 설치한다. 도 2는 높은 살균효과를 보기 위해 상판 아래에 4개가 동서남북 방향으로 UV 램프(400)를 설치하였으나 대각선 방향으로 두개의 UV 램프(또는 UV-LED)만을 설치하더라도 무방하다. 만약 수직 가든이 실외에 설치한다면, 일반적으로 UV 램프를 설치하지 않는다.
그리고 상판(501)은 비교적 무게가 가볍고 자외선에 저항력이 있는 바니시(Varnish)를 바른 삼나무와 같은 소재 또는 자외선 차단유리를 사용한다. 하판(502)은 무게가 무겁고 녹이 생기지 않는 스테인레스와 같은 금속 소재를 사용한다.
화분(300)은 도 6과 같이 식물이 생존하는 공간으로 하나의 소형 공기청정기의 기능을 제공한다. 화분(300)은 무게가 가볍고 썩거나 변하지 않는 재질을 사용하여 만든다. 화분(300)은 화분 내부에 구멍을 내어 소켓과 니플로 망루에 설치할 수 있으나 차후에 유지보수를 생각하여 고리 모양의 선반받침대(306)를 사용하여 망루(200)의 보파이프(204)에 고정시킨다. 선반받침대(306)은 도 6처럼 화분의 한 방향에 따라 부착되거나 또는 십자형처럼 모든 방향으로 부착된다.
주의할 사항으로 한 방향의 선반받침대가 있는 화분(300)을 사용한다면, 화분들을 보파이프(204)에 거치할 때 선반받침대(306)가 한쪽 방향으로 걸치지 않고 도 1과 같이 각각의 층별로 서로 십자형이 되도록 설치한다. 예를 들어 첫 번째 화분의 선반받침대가 동쪽과 서쪽 방향으로 걸쳐 설치하였다면, 두 번째 화분의 선반받침대는 남쪽과 북쪽 방향으로 걸쳐 설치한다. 그리고 세 번째 화분의 선반받침대는 다시 동쪽과 서쪽 방향으로 걸쳐 설치한다
그리고 만약 수직 가든을 실내가 아닌 실외에 설치한다면, 태풍 등과 같은 강한 바람에 의해 화분이 날아가거나 또는 축구공과 같이 외부에서 날아온 물체에 의해 파손될 수 있으므로 도 10처럼 위의 고리와 아래 고리가 있는 선반받침대를 십자형으로 부착하여 망루(200)의 보파이프(204)에 고정시킨다. 선반받침대의 아래 고리는 도 11처럼 손으로 돌려서 잠글 수 있는 볼트를 따라 위아래로 이동할 수 있도록 원형홈이 파여져 있으며, 또한 안으로 밀어넣어 고정시킬 수 있도록 직선홈이 파여져 있다. 화분은 선반받침대(306)의 아래 고리를 사용하여 보파이프(204)에 맞추고 볼트를 돌려서 고정시킨다.
설치박스(313)는 도 9와 같이 화분(300) 아래에 열려진 흡입구(310)를 통해 팬(301)이 설치된 환기통로(312)와 연결된다. 그리고 설치박스(313)에 들어가는 내용물은 미세먼지를 흡착하는 헤파필터(303)(또는 울파 필터)와 냄새를 제거하는 활성탄필터(304) 그리고 미세먼지보다 직경이 큰 먼지를 거르는 프리필터(305)가 들어간다. 그 밖에 필터들은 언제라도 추가하거나 제외할 수 있기 때문에 가장 대표적인 3 종류의 필터들만을 언급하였다.
설치박스(313)는 도 13과 같이 외부 충격에 의해 에어필터가 떨어지거나 내부 공간이 발생하지 않도록 에어필터를 단단히 고정시키는 역할을 수행한다. 또한 에어필터는 소모품이므로 주기적으로 교체가 가능해야 한다, 따라서 설치박스(313)는 수직 가든을 해체하지 않더라도 도 13와 같이 설치박스(313)의 정면으로부터 에어필터를 밀어 넣어 장착시키고 언제라도 손이나 핀으로 에어필터를 잡아 뽑을 수 있도록 만든다.
화분(300)은 자체 벽의 높이를 기준으로 도 9와 같이 5/6 정도 또는 2/3 정도의 높이로 배수가 원활한 마사토와 배양토 등을 섞어 식물이 좋아하는 토양을 만들어 채운다. 그리고 토양수분센서(302)는 토양 속의 습도를 측정하는 장치로 도 09와 같이 토양속에 삽입하고 수분으로 인해 발생하는 전기 신호를 중앙처리장치(100) 내 전자회로(103)에 전달한다. 전자회로(103)는 전기 신호를 시리얼 통신의 디지털 데이터를 바꾸어 임베디드 컴퓨터(102)에 전달한다.
자외선 차단판(504)은 도 7과 같이 다른 화분(300)과 달리 식물이 식재되지 않으며, 오로지 자외선을 차단하는 제2차단막(402)과 공기를 정화시키는 헤파필터(303)와 활성탄필터(304) 그리고 프리필터(305)가 내장된 설치박스(313) 그리고 팬(301)이 부착되어 정화된 공기를 외부로 배출하는 차단판 환기통로(314)만이 존재한다. 그리고 전선(101)은 차단판 환기통로(314)의 아래에서 올라와 팬(301)과 연결된다. 자외선 차단판(504) 역시 자외선을 차단할 수 있는 상판과 동일한 재질을 사용하여 만든다. 차단판 환기통로(314)의 높이는 자외선 차단판(504)과 상판(501)과의 거리에 대비하여 4/5 길이로 제작된다.
도 3과 같이 자외선 차단판(504)의 환기통로(314)와 상판(501)과의 간격이 좁은 이유는 자외선이 직접 차단판 환기통로(314)안으로 헤파필터나 플라스틱 제품에 비추어지는 것을 차단하기 위해서이다. 자외선은 플라스틱과 같은 제품에 열변형을 일으킨다. 또한 UV 램프(400)와 상판(501)의 제1차단막(401), 차단판 환기통로(314) 그리고 자외선 차단판(504) 내 존재하는 제2차단막(402)은 직진하고 반사되는 자외선을 차단하고 또한 대기 흐름을 막아 좀더 오랫동안 박스 안에 대기가 머무르게 하여 살균 효과를 증폭시키는 기능을 제공한다.
식물이 원하는 토양속의 습도는 식물마다 다르므로 같은 습도와 PH 등의 조건에 맞는 식물들을 섞어 화분(300)에 식재한다. 그리고 중앙처리장치(100)는 사전에 입력된 식물이 원하는 토양의 습도에 맞추어 식물에 물을 공급한다. 수직 가든 내 각각 화분(300)에 식재된 식물의 목록과 식물이 원하는 습도와 조건은 중앙처리장치(100) 내 임베디드 컴퓨터(102)에 초기 설정 파일로 제공되며, 동시에 운영 서버(600) 내 데이터베이스에 기록되어 차후에 유지보수 목적으로 사용한다.
식물에 수분을 공급해 주고 미세먼지를 제거하는 데 사용하는 물은 도 2와 같이 보통 수도 배관이나 빗물저금통에 물호스(209)를 연결하여 사용한다. 도 2는 수직 가든 하판과 연결된 기둥파이프(201)와 솔레노이드 밸브(206)를 물호스로 연결하고 펌프(207)를 사용하여 기둥파이프(201)을 통해 물이 가든 상단까지 공급되도록 구성한 예이다. 만약 충분한 수압을 얻을 수 있다면 펌프(207)를 배제시키거나 또는 솔레노이드 밸브(206)과 펌프(207)의 기능을 가지고 있는 수압 조절 펌프로 대처할 수 있다. 그리고 파이프에 밸브를 설치하여 특정 파이프에 공급되는 물의 수압을 조절하거나 물이 공급되지 않도록 할 수 있다.
솔레노이드 밸브(206)와 펌프(207)에 연결된 전선(101)은 중앙처리장치(100) 내 릴레이보드(104)와 연결된다. 그리고 임베디드 컴퓨터(102)의 전기적인 신호에 따라 릴레이보드(104)는 솔레노이드 밸브(206) 또는 펌프(207)의 전원을 인가하거나 차단하여 밸브를 열고 닫거나 또는 펌프를 가동시키거나 중단시킨다.
릴레이보드(104)는 전기적인 신호(예를들어 5V)를 사용하여 높고 낮은 전압의 전원(예를들어 220V)을 특정 장치에 공급하거나 차단하는 기능을 제공하는 전자 회로이다. 만약 솔레노이드 밸브(206)에 전원을 공급하지 않는다면, 밸브는 디폴트로 닫히게 된다. 이 기술은 스마트팜에서 사용하는 기술로 많은 자료가 공개되어 쉽게 알 수 있으므로 별도 언급하지 않겠다.
만약 수도 배관이나 빗물저금통에 물호스로 직접 연결할 수 없다면, 도 1의 오른쪽 수직 가든처럼 수직 가든 하단에 가림막(503) 내부에 별도 저수조(208)를 두어 필요한 물을 미리 저장하여 사용한다. 저수조(208)는 물이외에 영양분을 함께 넣어 식물에 공급할 수 있는 장점을 제공한다. 도 3은 솔레노이드 밸브(206)와 펌프(207)를 저수조(208) 아래의 배관에 연결시킨 예이다. 물론 솔레노이드 밸브(206)와 펌프(207)를 대신하여 저수조(208)안에 수중 펌프를 넣고 사용할 수 있다.
저수조(208) 또는 빗물저금통에 저장된 물의 수위가 적정 수준이하인지 아닌지에 대한 판단은 수위측정센서를 통해 알 수 있다. 수위측정센서는 초음파 센서나 레이저 센서, 전극선 수위측정장치 그리고 비접촉식 수위측정장치 등 여러 종류가 있다. 가장 간단한 수위측정센서는 해당 수위까지 물이 채워져 있으면 전류가 흐르고 물이 채워져 있지 않으면 전류가 흐르지 않는다. 그에 따라 최저 수위 위치에 수위측정센서를 설치하고 수위측정센서가 제공하는 전류의 흐름 여부를 임베디드 컴퓨터(102)에 전달한다. 그리고 임베디드 컴퓨터(102)는 최저 수위 위치에 물이 존재하지 않는다면 '물이 부족하다'는 사실을 사용자에게 이메일 메시지로 알려준다.
식물에 공급되는 수분은 도 2와 같이 망루(200)의 보파이프(204) 또는 기둥파이프(201) 중간에 장착된 물 분사용 노즐(205)을 통해 제공된다. 노즐(205)에서 분사되는 물입자가 드라이포그처럼 너무 작다면, 물입자가 가볍기 때문에 공기중으로 흩어지고 토양에 뿌려지는 물의 량이 적어지게 되고, 반대로 분사되는 물입자가 물안개처럼 너무 크다면, 토양에 물 공급은 원활하게 되지만 미세먼지 저감에 별 영향을 발휘하지 못하게 된다. 그에 따라 본 발명은 드라이포그와 물안개를 동시에 또는 선택적으로 사용한다.
일반적으로 물입자의 크기가 1.2 ㎛ ~ 50 ㎛ 정도되는 미스트를 분사하는 미스트 노즐을 선택하는 것이 좋다. 그러나 만약 미스트 노즐이 아닌 물입자가 큰 스프레이 노즐을 사용한다면, 드라이포그는 가습기 초음파 모듈을 사용하여 생성하고 또다른 파이프나 물호스를 통해 공기중으로 분사시킬 수 있어야 한다. 물론 미스트 노즐이라도 노즐의 압력을 조절할 수 있는 펌프의 기능 여하에 따라 미스트 또는 물안개를 선택할 수 있다. 이 방법은 토양의 습도와 미세먼지 농도에 따라 물안개와 드라이포그(또는 미스트)를 선택적으로 분사할 수 있어 식물의 과습을 막을 수 있는 장점을 제공한다.
본 발명의 예로 여기서는 설치가 간편한 미스트 노즐 위주로 언급하겠다. 미스트 분사는 화분 내 토양이 말라 식물이 수분을 필요로 할 때 또는 공기중의 습도가 적을 때 또는 미세먼지의 농도가 환경기준으로 나쁨 또는 매우나쁨(예를 들어 76 ㎍/㎥이상일때) 수준으로 빠르게 저감시킬 필요가 있을 때 사용한다. 또한 미스트는 먼지로 인해 더러워진 식물의 잎을 물로 닦아주는 효과를 얻을 수 있다. 일반적으로 사람이 느끼는 쾌적한 공기중의 습도는 온도에 따라 달라지는데 15℃에서는 70%RH정도, 18℃~20℃에서는 60%RH, 21℃~23℃에서는 50%RH, 24℃ 이상에서는 40%RH가 적당한 습도이다. 단 현재 토양이 과습 상태에 있다면 미세먼지 매우나쁨이라도 미스트를 분사하지 않는다.
그리고 주의할 사항으로 가든 하단의 노즐(205)은 가든 상단의 노즐보다 펌프의 압력과 중력을 훨씬 더 강하게 받기 때문에 물을 많이 분사하게 된다. 또한 화분(300)은 도 8와 같이 배수구멍(308)을 통해 토양에 스며든 물 가운데 일부가 배출되어 아래 화분으로 떨어지게 된다. 따라서 모든 화분의 위 파이프에 같은 수의 노즐을 장착한다면, 가든 하단의 습도는 가든 상단의 습도보다 높아진다. 그러므로 토양수분센서(309)에서 측정된 값을 기준으로 망루의 개별 층별로 노즐의 수를 조정하거나 밸브를 사용하여 수압을 조절해 주어야 한다.
미세먼지는 다음과 같은 4가지 방식으로 에어필터에 포집된다.
① 충돌(Impaction) : 입자의 직경이 크고 공기 흐름이 빠를 때 관성의 법칙에 따라 필터 섬유에 포집된다.
② 확산(Diffusion) : 입자의 직경이 작고 공기 흐름이 느릴 때 브라운 운동에 의해 필터 섬유에 포집된다.
③ 포획(Interception) : 입자의 직경이 크고 공기 흐름이 느릴 때 관성의 법칙에 따라 필터 섬유에 포집된다.
④ 침강(Sedimentation) : 입자의 직경이 크고 공기 흐름이 느릴 때 중력에 의해 떨어져 필터 섬유에 포집된다.
위에서 언급한 직경의 크기는 0.3 ㎛를 기준으로 삼는다. 그리고 1 ㎛ 크기 이상인 미세먼지는 충돌과 포획 그리고 침강을 통해 포집된다. 반면에 입자 크기가 0.01 ㎛ 크기 이하인 미세먼지는 확산과 전기장의 전하로 포집이 이루어진다. 그러나 0.3 ㎛ 주변에 있는 미세먼지(또는 바이러스)는 충돌과 포획, 침강, 확산 그리고 전기장으로 쉽게 포집되지 않는다.
이러한 미세먼지는 수증기를 사용하여 포집이 가능하다. 수증기는 미세먼지에 흡착되기 때문에 미세먼지의 크기와 함께 무게를 증가시킬 수 있으며, 또한 드라이포그는 헤파필터의 공간을 메워 미세먼지의 포집이 더욱 잘되게 한다. 따라서 공기청정기를 동시에 사용한다면, 드라이포그와 수증기는 0.3 ㎛ 크기의 미세먼지 제거에 탁월한 효과를 볼 수 있다. 수증기는 직경 1 nm(0.001㎛)이며, 식물의 호흡이나 에어필터 내 부착된 수분이 팬(301)이 일으키는 바람에 의해 기화되면서 생성된다.
화분(300) 내 환기통로(312)와 설치박스(313)는 도 3과 같이 화분과 화분 사이의 거리를 기준으로 각각 6/8과 1/8 정도의 상대적인 높이로 제작한다. 이는 베르누이의 법칙에 따라 환기통로(312)와 설치박스(313)의 좁은 통로 사이로 아직 토양으로 침강하지 않고 부유하고 있는 미세먼지를 빨아들이고 또한 아래에서 올라오는 공기를 재차 정화시키기 위해 만들어진 구조이다. 미스트 노즐로부터 분사한 드라이포그는 하단보다 상단에서 더 많이 분사되기에 환기통로(312)를 따라 올라가면서 미세먼지가 관성의 법칙에 의해 필터 섬유에 충돌과 포획, 침강을 이루어지게 된다. 그리고 아래 화분의 환기통로(312)와 위의 화분의 설치박스(313)와 연결된 그물망을 설치하여 식물의 잎에 의해 환기에 방해를 받지 않도록 만든다.
그러나 비록 물세척이 가능한 헤파필터도 존재하지만 헤파필터(303)가 수증기나 드라이포그에 자주 노출된다면, 헤파필터 내부에 곰팡이가 생길 수 있고 수명을 단축시키는 원인이 된다. 또한 대기중으로 발산되는 미스트 역시 미세먼지 측정 장치(106)에서 미세먼지로 측정되기 때문에 본 발명은 미스트를 분사하는 시점에서 비록 미세먼지 농도가 높게 검출되더라도 팬(301)을 가동하지 않는다. 미스트의 분사를 중지한 이후 일정 시간이 경과되는 시점(예를 들어 10분이후)부터 다시 측정한 미세먼지 농도가 '미세먼지 보통'이상이라면 미세먼지 제거를 위해 팬(301)을 가동시킨다.
팬(301)에 의해 발생하는 풍속은 팬의 회전수(rpm)에 의해 결정된다. 본 발명은 일정 속도로 회전하는 팬보다 PWM(Pulse Width Modulation) 또는 전압의 차이에 따라 팬의 속도를 조절하는 팬을 사용한다.
본 발명은 미세먼지의 농도의 나쁨 또는 보통에 따라 이퀄라이저(equalizer)처럼 음악의 대역별 리듬(예를 들어 하나의 팬은 40Hz 그리고 또다른 팬은 1000Hz에 맞추어 1초 간격으로 강강, 약강, 중약, 중강, 강강, 약약)에 맞추어 팬의 회전을 빠르고 느리게 조절하는 기능을 제공한다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 공기 흐름에 따라 포집되는 미세먼지의 종류가 다르기 때문에 빠르게 이동하고 정체되는 공기 흐름 속에서 미세먼지를 포집 효과를 높이고 또한 상대적으로 많은 량의 자외선을 비추어 살균 효과를 높일 수 있다. 음악 재생 프로그램은 다수의 오픈 소스로 제공되므로 구현하는 데 어렵지 않다.
또한 소음이 없는 팬이라면 좋겠지만 만약 팬의 소리가 귀에 거슬리더라도, 이러한 기능은 사람으로 하여금 팬의 회전이 소음이 아닌 음악으로 느끼게 하는 부수적인 효과를 만들 수 있다. 팬의 소음은 모터의 회전과 팬의 날개에 의해 유발되는 공기 흐름에 의해 발생한다.
중앙처리장치(100)는 도 12와 같이 임베디드 컴퓨터(102)와 릴레이보드(104), 전원공급장치(105) 그리고 전자회로(103)로 구성된다. 전자회로(103)는 미세먼지 측정 장치(107)와 온도및 습도 센서(108) 그리고 토양수분센서(309)와 연결되어 아날로그 전기 신호를 시리얼 통신의 디지털 데이터를 바꾸어 임베디드 컴퓨터(102)에 전달하는 역할을 수행한다. 릴레이보드(104)는 팬(301)과 UV 램프(400), 펌프(207), 솔레노이드 밸브(206)에 전원을 인가하고 차단하는 기능을 제공한다. 그로 인해 소모되는 예비 전력을 줄일 수 있다.
참고로 미세먼지 측정 장치와 온도및 습도 센서 그리고 토양수분센서는 제품에 따라 인터페이스 방식이 다양하여 전압과 전류이외에 와이파이, 블루투스, 이더넷, RF 통신, RS232, RS486, USB 또는 I2C 그리고 UART 등과 같은 유무선 통신으로도 제공된다. 본 발명은 가장 간단한 인터페이스 방식만을 예로써 언급하였다.
전원공급장치(105)는 AC 220 V 전원을 릴레이보드(104)와 전자회로(103) 그리고 임베디드 컴퓨터(102)가 요구하는 12V DC 전압(또는 24V DC 전압)과 5V DC 전압으로 바꾸어 제공한다. 만약 측정 장치와 센서, 모터 그리고 팬 등이 별도 AC 전압 또는 DC 전압을 요구한다면 적합한 위치에 전원공급장치를 두어 직접 연결하거나 또는 중앙처리장치 내 릴레이보드(104)와 연결을 통해 전원을 공급한다.
임베디드 컴퓨터(102)는 단독으로 운영하기 보다 보통 운영 서버(600)와 인터넷으로 연결하여 상태 변경이 발생할 때마다 수직 가든의 바코드와 현재 상태, 상태 변경을 유발시킨 측정장치나 센서로부터 받은 데이터 그리고 팬의 회전속도 등을 운영 서버(600)에 업로드시켜 데이터를 보관한다. 바코드는 수직 가든이 제작할 때 주문 제작 번호로 임베디드 컴퓨터의 환경 설정 파일에 들어간다.
사용자가 만약 수직 가든 주변의 온도와 습도 그리고 미세먼지의 농도에 관한 세부 데이터를 보고자 한다면, 사용자의 스마트폰에 앱을 설치하고 운영 서버(600)로부터 주기적으로 데이터를 받아 보거나 또는 운영 서버(600)의 웹 서버에 접속하여 수직 가든의 현재와 과거 상태를 보게 된다.
또한 운영 서버(600)는 프로그램의 버그를 수정하고 업그레이드된 프로그램을 묶은 패키지의 버전을 관리한다. 그리고 만약 임베디드 컴퓨터(102)의 실행 패키지 버전과 운영 서버에서 최신 버전과의 차이가 존재한다면, 임베디드 컴퓨터(102)는 차이를 인지하고 패키지를 다운로드받아 재설치하고 다시 부팅시킨다. 패키지는 보통 컴파일된 프로그램과 실행에 필요한 환경 파일 및 소리 파일, 이미지 파일 등을 묶은 설치 파일을 부르는 용어이다.
임베디드 컴퓨터(102)는 다음과 같은 상태에 따라 세부 장치들을 관리한다.
① 수면상태 : 센서와 측정기를 사용하여 모니터링만 이루어지는 상태를 말한다.
② 분사상태 : 미스트를 분사하고 있는 상태를 말한다.
③ 안개상태 : 식물에 수분을 공급하기 위해 미스트가 아닌 물안개를 분사하는 상태를 말한다. 스프레이 노즐을 사용하여 물안개를 분사하거나 또는 미스트 노즐의 수압 조절을 통해 물안개를 분사하는 상태를 말한다.
④ 음악상태 : 음악에 맞추어 팬을 가동하여 미세먼지를 제거하고 있는 상태를 말한다. 사전에 사용자가 재생할 음악들을 선곡하여 보관하면 음악상태에 들어갈 때 무작위로 또는 순환적으로 음악을 선택하여 실행시키게 된다.
⑤ 무소음상태 : 무소음으로 팬을 가동하여 미세먼지를 제거하고 있는 상태를 말한다.
⑥ 이상상태 : 미스트를 분사하였음에도 불구하고 토양의 습도가 올라가지 않거나 미세먼지의 농도가 높아 지속적으로 제거 작업을 수행하고 있지만 전혀 감소가 이루어지지 않는 상태를 말한다. 이상 상태에 있다면 장애가 존재하여 유지보수가 필요한 상태를 뜻한다.
임베디드 컴퓨터(102)는 앞에서 언급한 4가지 방법(식물, 미스트, 여과, 살균)을 동시에 지속적으로 사용하는 것아니라 아래와 같은 모드(장소와 시간, 계절)에 맞추어진 상태 시나리오에 따라 정해진 목표(예를 들어 환경기준으로 '미세먼지 좋음')에 도달되도록 팬(301)이나 펌프(207) 그리고 솔레노이드 밸드(206)를 제어한다.
● '도서관 모드'는 도서관처럼 정숙한 환경을 요구하는 공간에서 인적이 드문 새벽 시간대 분사상태(또는 안개상태)로 식물에 수분을 공급해 주고 낮이나 저녁 시간대에 미세먼지 농도가 나쁨으로 측정되더라도,무소음상태 또는 조용한 음악상태로 팬을 가동하여 미세먼지를 필터링하는 작업을 수행한다. 만약 환경기준으로 '미세먼지 보통'이하라면 수면상태가 된다.
● '공공장소 모드'는 시끄럽고 사람의 출입이 잦은 장소에서 미세먼지 농도가 나쁨으로 측정된다면, 분사상태로 펌프를 사용하여 미스트를 분사하고 나아가 신나는 음악의 음악상태로 팬을 가동하여 미세먼지를 빠른 시간 내 필터링하여 주변 공기를 정화시킨다.
● '학교 모드'는 학교 수업 시간에 맞추어 미세먼지 농도가 나쁨으로 측정되더라도,무소음상태로 팬을 가동하여 미세먼지를 필터링하는 작업을 수행하고 쉬는 시간에 미세먼지 농도에 따라 분사상태 또는 음악상태로 미세먼지를 제거하는 작업을 수행한다.
모드 또는 상태는 사용자가 자신의 스마트폰에 설치한 앱을 사용하여 실시간으로 변경할 수 있다. 예를 들어 사용자가 현재 모드를 다른 모드로 바꾸거나 또는 같은 모드라 하더라도 특정 시간(오전 10시부터 오후 2시까지)대 또는 사람이 없는 밤시간이나 한적한 시간에 수면상태로 만든다면, 미세먼지의 농도가 높다하더라도 수면상태를 유지하여 불필요한 에너지 소비를 줄이게 된다. 만약 사용자가 스마트폰으로 원하는 모드 또는 시간 대 상태를 변경하였다면, 운영 서버(600)는 임베디드 컴퓨터(102)로 하여금 변경된 내용을 읽어 환경 파일로 업데이트하고 환경 파일을 다시 읽어 설정된 조건에 따라 작동하게 만든다.
100 : 중앙처리장치 101 : 전선 102 : 임베디드 컴퓨터
103 : 전자회로 104 : 릴레이보드 105 : 전원공급장치
106 : 안테나 107 : 미세먼지 측정장치 108 : 온도및 습도 센서
200 : 망루 201 : 기둥파이프 202 : 소켓 또는 4방티
204 : 보파이프 205 : 노즐 206 : 솔레노이드 밸브
207 : 펌프 208 : 저수조 209 : 물호스
210 : 고무발 211 : 플랜지 300 : 화분
301 : 팬 302 : 토양수분센서 303 : 헤파필터
304 : 활성탄필터 305 : 프리필터 306 : 선반받침대
307 : 화분거름막 308 : 화분 배수 구멍 309 : 받침대 흡입구
310 : 흡입구 311 : 배출구 312 : 환기통로
313 : 설치박스 314 : 차단막 환기통로
400 : 살균용 UV 램프 401 : 제1차단막 402 : 제2차단막
501 : 상판 502 : 하판 503 : 가림막
504 : 자외선 차단판 600 : 운영 서버

Claims (6)

  1. UV 램프(400)와 자외선을 차단하는 제1차단막(401)이 설치된 상판(501);
    화분받침대의 역할을 수행하는 하판(502);
    배관용 기둥파이프(201)와 4방티(202) 그리고 보파이프(204)을 사용하여 개별 층을 형성하고 플랜지(211)와 볼트를 사용하여 위로 상기 상판(501)과 아래로 상기 하판(502)을 연결한 라멘 구조의 망루(200);
    상기 망루(200)를 구성하는 상기 기둥파이프(201) 또는 상기 보파이프(204)에 연결된 노즐(205);
    헤파 필터 또는 울파 필터를 넣고 뺄 수 있는 공간을 가진 설치박스(313);
    팬(301)이 들어 있는 환기통로(312)와 연결된 상기 설치박스(313)를 구비하고 식물이 식재된 배양토 속의 습도를 측정하는 토양수분센서(302)가 들어있는 화분(200);
    팬(301)이 들어 있는 차단판 환기통로(314)와 연결된 상기 설치박스(313)를 구비하고 상기 상판(501) 아래에 위치하여 상기 상판(501)과 함께 상기 UV 램프(400)에서 발산하는 자외선을 차단하고 대기 흐름을 정체시켜 살균 효과를 증폭시키는 제2차단막(402)을 포함하는 자외선 차단판(504);
    미세먼지의 농도를 측정하는 미세먼지 측정장치(107);
    온도와 습도를 측정하는 온도 및 습도 센서(108);
    임베디드 컴퓨터(102)와, 상기 미세먼지 측정장치(107) 또는 상기 온도 및 습도 센서(108) 또는 상기 토양수분센서(302)로부터 받은 전기 신호를 디지털 데이터로 변환하여 상기 임베디드 컴퓨터(102)에 전달하는 전자회로(103)와, 상기 임베디드 컴퓨터(102)로부터 전기 신호를 받아 상기 UV 램프(400) 또는 상기 팬(301)에 전원을 인가하고 차단하는 릴레이보드(104)와, 상기 임베디드 컴퓨터(102)와 상기 릴레이보드(104) 그리고 상기 전자회로(103)에 전원을 공급하는 전원공급장치(105)를 구비한 중앙처리장치(100);
    상기 하판(502)과 연결된 상기 망루(200)의 상기 기둥파이프(201)에 물호스 또는 파이프로 연결되어 토양의 수분 농도가 낮을 때 또는 공기 중의 습도가 낮을 때 또는 미세먼지 나쁨 이상을 나타낼 때 상기 노즐(205)을 통해 미스트를 분사시키기 위해 상기 중앙처리장치(100) 내 상기 릴레이보드(104)로부터 전원의 인가를 받아 물을 공급하는 솔레노이드 밸브(206) 또는 펌프(207);를 포함하며,
    상기 화분(300)은 고리를 가진 선반받침대(306)를 사용하여 상기 망루(200)의 개별 층별로 상기 보파이프(204)에 장착되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든.
  2. 제 1항에 있어서
    상기 임베디드 컴퓨터(102)는 사용자가 선택한 음악 리듬에 맞추어 상기 팬(301)을 빠르고 느리게 회전시키는 기능 또한 변경 가능한 모드의 상태 시나리오에 따라 상기 팬(301) 또는 상기 펌프(207) 또는 상기 솔레노이드 밸브(206)를 제어하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든.
  3. 제 1항에 있어서
    상기 환기통로(312)와 상기 설치박스(313)는 상기 망루(200)의 각층에 설치되는 상기 화분과 상기 화분 사이의 거리를 기준으로 각각 6/8 와 1/8의 상대적인 높이로 제작되는 것을 특징으로 하는 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든.
  4. 제 1항에 있어서
    상기 망루의 아래의 상기 환기통로(312)와 위의 상기 설치박스(313)와 연결된 그물망을 추가 포함하는 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든.
  5. 제 1항에 있어서
    상기 임베디드 컴퓨터(102)로부터 업로드받은 미세먼지 농도와 온도, 습도의 데이터를 사용자에게 스마트폰의 앱이나 웹서버를 통해 알려주며, 또한 새로운 버전의 패키지를 임베디드 컴퓨터(102)에 알려주어 설치시키는 기능을 가진 운영 서버(600)를 추가로 포함하는 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든.
  6. 제 1항에 있어서
    수위측정센서가 부착된 저수조를 추가로 포함하며,
    상기 임베디드 컴퓨터는 상기 수위측정센서로부터 상기 저수조 내 물이 부족 여부를 파악하고 물 부족 시 이메일 서버를 통해 사용자에게 이메일 메시지로 알려주는 기능을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 정화용 인더스트리얼 수직 가든.
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