본 연구에서는 선행연구에서 개발한 식물공장 시스템을 확장하여 가상의 식물공장을 설계하고 운영하는 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다. 1. 식물공장의 개별 장치들의 성능과 크기에 관한 수학적 모델을 구하였으며 작물의 로지스틱 생장 모델에 따라 재배장치를 배열하였다. 2. 동일조건 하에서 여러 가지 변수를 변화시키며 식물공장의 면적, 재배장치의 길이 등을 시뮬레이션 해보았으며 또한 식물공장의 연간 고정비 및 소득도 비교했다. 3. VRML을 이용하여 3차원 컴퓨터 그래픽을 이용한 가상의 식물공장을 만들어 사용자가 가상현실 속에서 둘러볼 수 있었으며, 가상 식물공장은 인터넷을 통해 WWW으로 제공할 수 있었다.
식물공장의 다양한 건물형태에 따른 냉난방부하의 차이를 DesignBuilder를 이용하여 해석하였다. 엽채류 중 상추의 생육 적정온도인 $20^{\circ}C$를 실내온도로 설정하고 식물공장 외벽에 단일창호를 적용하여 온실형태에 따른 냉난방부하 변화를 계산하였다. 보광이 없는 건물자체의 냉난방부하를 계산한 결과 KNU 식물공장 단위유닛과 반원 온실형 식물공장이 냉방부하가 가장 적었다. 보광 적용 후에는 전반적으로 KNU 식물공장 단위유닛과 직사각형 식물공장이 양호한 냉난방 성능을 보여주었다. KNU 식물공장 창호의 면적이 와이드 스팬형보다 크기 때문에 건설비용의 증가가 예상되지만 회전형 스마트 조명 제어시스템을 적용하게 되면 재배면적을 넓히고 공간활용에 유리하다. 또한 LED 사용량을 줄일 수 있어 냉방부하와 보광에 드는 비용을 절감할 수 있다.
1960년대에 유럽에서 출발한 식물공장은 종자학, 양액 기술, 환경제어 기술, 자동화시스템 등 관련 기술의 발전에 힘입어 완전인공광형 식물공장의 형태로 발전했으며, 최근에는 ICT 기술과의 융합을 통해 작물 재배의 효율성을 늘려가고 있다. 국내에서도 식물공장에 관한 성과가 도출되면서 식물공장에 대한 관심이 높아지고 있으나 산업 생명주기로 볼 때 여전히 도입기에 머물러 있으며 정부 투자는 점점 줄어들고 있다. 연구자는 식물공장과 관련한 정책, 기술, 사업 분야의 전문가를 대상으로 설문조사를 실시하여 식물공장의 투자 가치를 재분석하고, 식물공장의 경쟁력 강화 방안을 도출하고자 하였다. 본 연구는 식물공장 산업의 기회와 위험요인을 식별하고, 식물공장의 고부가가치 창출을 위한 전략을 제시했다는 점에서 연구 의미를 가질 수 있을 것으로 기대한다.
식물공장 시스템은 농민들의 감소와 고령화로 인해 인력 부족으로 작물재배를 하는데 있어 어려운 상황을 해결하고 재배환경을 인공적으로 조절하여 계절에 관계없이 농산물을 생산하는 시스템을 말한다. 또한, 도시 근교 또는 도심 속에서 농산물을 생산할 수 있게 되어 도시 소비자에게 도달하는 거리가 짧아 유통 기간과 비용을 절약할 수도 있는 장점도 있다. 하지만 식물공장은 실내 농업이기 때문에 환경관리가 잘 이루어져야 하는 애로사항이 있다. 본 논문에서는 식물공장 내부의 환경 데이터를 통하여 식물공장의 내부를 효율적으로 관리를 할 수 있도록 필요한 파라메타에 대하여 TCP/IP 기반의 소켓 프로그램을 통하여 실시간으로 DB를 구성하여 구성된 데이터를 스마트폰과 연동하도록 구현하여 사용자가 식물공장 환경을 실시간으로 원격 모니터링 할 수 있는 시스템을 제시하고자 한다.
최근 작물의 공장적 재배는 $\boxDr$식물공장$\boxUl$이라는 단어로 대표되는, 새로운 재배방식의 하나로서 세계적으로 주목받고 있다. 식물공장(plant factory or factory- style plant production system)이라는 단어의 의미와 같이 $\boxDr$시설내의 작물을 공장제품의 생산과 동일하게 재배하는 시스템$\boxUl$이다. 즉 자연환경에 의존하지 않고 인공환경하에서 식물을 공장적으로 재배하는 방식을 의미한다. 이를 위해서는 지하부의 양액, 지상부의 온습도, 탄산가스, 광 등에 대한 고도의 환경제어 및 작업의 자동화가 필요하다.(중략)
식물공장 (plant factory)은 파종에서 재배 및 수확까지 실내에서 종합적으로 관리 제어되는 공장식 식물생산기술로 현대농업의 결정체이다. 식물공장은 청결한 환경에서 안전성 높은 농산물을 연중 생산할 수 있고, 작업환경이 좋아 노동력 확보가 수월하다. 선진국들은 수 십년 전부터 식물공장의 산업적 경제적 효과를 예측하고 이 분야에 많은 관심을 가지고 적극적으로 투자해 왔다. 최근 우리나라도 우수한 기술력과 인력을 적극 활용하여 국제 경쟁력이 있는 식물공장 시스템을 개발하고자 활발히 연구개발을 진행하고 있다. 식물공장은 초기투자비용의 과다, 전용 품종의 재배기술 부족, 운영비 절감 등의 문제점이 아직 해결되지 않아 기존 농업과 경쟁하기 어렵다. 그러나 식물생명공학 분야의 전문가들이 식물공장 시스템 개발에 적극 참여한다면 여러 문제점이 개선될 것이다. 환경변화에 의한 농작물 경작의 어려움에 당면하고 있는 농촌과 농업에 식물공장을 잘 활용한다면 농산물 경작의 문제점을 해결하고, 식량문제와 환경문제를 해결하는데 큰 역할을 할 수 있을 것이다.
식물공장의 필요성에 대한 시대적, 산업적 요구가 증가함에 따라 전 세계적으로 식물공장을 이용하여 다양한 작물을 재배하려는 연구가 이루어지고 있다. 그러나 대부분의 연구는 컨테이너 크기의 소형 식물공장 형태의 연구실을 대상으로 한 부분적인 기술에 국한되어 있으며, 경제적 효과를 확보하기 위한 대형 식물공장에 대한 연구는 부족한 상황이다. 본 연구에서는 수경인삼 식물공장의 사례를 통하여 ICT 기반의 스마트 팜 팩토리 시스템에 대한 연구를 진행하고자 한다. 스마트 팜 팩토리는 기존의 식물공장의 개념을 확장한 것으로 일부 환경정보를 수집하여 시설물을 제어 할 수 있는 기존의 식물공장 수준을 뛰어 넘어 식물 생육을 위한 정보의 수집과 시설의 운영 및 관리의 자동화가 가능하며, 수집된 정보를 이용하여 최적의 작물 생육을 위한 정보 분석과 이의 적용이 가능한 전사적인 식물공장 관리 시스템이다.
본 논문에서는 식물공장에서 사용할 수 있는 파장별 광원제어가 가능한 조명장치의 설계하고 구현하고자 한다. 식물의 생장에 필수적인 광원의 파장에 따라 생장에 다양한 영향을 미치게 된다. 따라서 본 논문에서는 식물 생장에서 필요한 다양한 파장의 빛을 공급할 수 있는 식물공장용 조명시스텡을 개발한다. 조명시스템은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 적, 청, 녹색 3색 LED를 PWM제어하여 광량과 세기를 제어하고, 공급된 광량을 적산하여 조사된 광량을 확인할 수 있도록 구성하였다. 본 조명 시스템은 태양광 이용형 식물공장의 보조광원으로 사용 가능하며, 완전제어형 식물공장에서 사용이 가능하다.
채소작물을 재배하기 위한 식물공장과 같은 생산설비는 북유럽에서는 일반적인 예이다. 식물공장의 건설은 1980년대 이후로 시작되어왔다. 이 결과로 NFT를 비롯한 수경재배의 경험을 축적하여 왔다. 현재 북부와 중부 유럽 (노르웨이, 핀란드, 스웨덴, 덴마크, 네덜란드, 벨기에, 독일)에서 상추와 향신채같은 샐러드용 채소류를 생산하기 위한 식물공장이 약 15개 정도 있다. 독일에서의 채소작물의 공장적 생산은 1992년이후 1ha에서 상추를 생산하고 있고 벨기에에서는 2개의 식물공장에서 1995년부터 상추를 생산하고 있다. (중략)
식물공장은 통제된 공간에서 인공적인 환경을 조성과 자동화 설비를 통해 식물을 계획적으로 생산하는 시설이다. 하지만 식물공장은 내부 환경 제어 기술에 비해 재배 과정의 자동화 도입이 미비한 상황이다. 이는 다수의 근로자 투입으로 인한 운영비용 상승의 문제를 초래한다. 따라서 본 연구는 식물공장의 재배 과정에 자동화 도입 전후를 비교하여 경제성을 평가하고자 하였다. 첫째, 자동화 도입이 필요한 작업을 선정하기 위해 식물공장의 작업 과정을 파악하였다. 파악된 작업 과정은 재배 식물의 생육 과정을 중심으로 나열하고 자동화를 도입할 작업을 선정하였다. 둘째, 선정된 작업에 방안별 투입과 산출을 비교할 경제성 평가 방법을 설정하였다. 셋째, 방안별 소요비용의 계산에 필요한 변수를 설정하였다. 넷째, 방안별 소요비용의 산정을 위한 계산 식을 도출하였다. 마지막으로 작업별 손익분기점을 분석하고 전체 작업에 대한 손익분기점을 통해 운영 기간에 따른 자동화 도입의 적절성을 확인하였다. 분석 결과, 식물 재배를 위한 6가지 작업에 자동화를 도입할 경우 손익분기점은 3.4년으로 분석되었다. 이는 대상 식물공장을 3.4년 이상 운영할 경우 자동화 도입은 경제성 측면에서 우수하다고 판단할 수 있다. 본 연구는 식물공장에 자동화 도입에 따른 손익분기점을 분석함으로써 국내외 다양한 식물공장의 자동화 도입에 따른 경제성 분석을 위한 기초 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다. 향후 수행될 연구는 자동화 도입에 적절한 식물공장의 기준을 선정하고 효율적인 자동화 도입 방안을 수립하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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