Ⅱ. 원예연구 231

과제구분 기 본 수행시기 전반기

연구과제 및 세부과제명 연구분야수행기간

연구실 책임자

원예재배 및 시설환경개선 기술개발 도시원예 ’12～’15경기도농업기술원

원예연구과심상연

실내수경재배기소형배양액공급장치개발 도시원예 ’15～’15경기도농업기술원

원예연구과심상연

색인용어 수경재배기, 배양액, 공급, 실내

ABSTRACT

The purpose of this study is to develope the nutrient supply preparation machine for a indoor hydroponic culture solution. The summary of the results of the field trials as follows; The small culture supply for indoor hydroponic cultivation was designed by circulating system. Also, it was development to mix in the nutrient solution bottle supplied by the quantity of concentrated fertilizer and pH correction measuring by real-time pH and EC twice a day. As will as pH and EC was well controlled, nutrient management was available automatically. The growth of the quantity red swiss chard, celery and lettuce. Showed no difference with control. The indoor pump developed to miniaturize the culture medium supply and to low the noise of supply was working relatively well in terms of performance and operational management.

Key words : indoor hydroponic culture, red swiss chard, celery, lettuce

1. 연구목표

지구 온난화로 인한 급격한 기후 변화로 인해 단위 면적당 작물의 생산성 향상 및 고품질

작물 재배에 관심이 고조되고 있다(박 등, 2014). 또한 수도권의 인구과밀화와 거대도시화

등으로 농촌생활, 녹색공간을 통한 여가활동 욕구가 증가하고 있는 시점에서 주말농장, 도시

텃밭 등의 확산으로 인해 실내 식물재배기에 대한요구와 그에 따른 배양액 자동 공급장치에

대한 필요성이 커지고 있는 실정이다.

2015년도 시험연구보고서232

배양액 자동공급기는 작물에 물을 줄 때 영양분을 함께 주는 기계장치로 작물이 영양

분을 필요로 할 때 적정량을 공급할 수 있기 때문에 양분의 효율을 높이고, 노동력을 절

감할 수 있으며 수확물의 품질도 향상 시킬 수 있다. 양액 공급기는 펌프와 밸브 및 배관

등으로 이루어진 작동부와 양액의 성분, 물의 량, 광의 세기, 토양의 온도와 수분상태 등을

측정하는 센서부, 그리고 센서들이 측정한 데이터를 분석하여 전동펌프 및 전동밸브 등이

작동되게 지령하는 콘트롤부로 이루어진다. 기존의 순환식 양액재배 시스템은 배액에 EC를

기준으로 미리 조성된 비료농축액을 첨가하는 방식으로 배양액을 관리한다(정 등, 2015).

작물의 시설재배에 있어서 가장 중요한 부분의 하나가 ‘Growing system’이다. Growing

system은 식물이 생장할 수 있도록 비료 용액을 공급하는 것과 관련된 여러 가지 조절장

치를 말하며 양액의 전송장치, 배양토, 포트 및 관수장치 등이 포함된다(Lee 등, 1995).

양액공급기의 구비조건으로 제어방식은 PLC 와 마이컴(MICOM)으로 나누어지는데 가능한

PLC 제어 방식이 오작동이 거의 없고 마이컴제어는 노이즈가 심하여 오작동의 우려가

높다. 또한 제어의 알고리즘이 오작동 될 때 다른 프로그램을 작동할 수 있도록 회로가

구성되어 있어야 한다(신, 2002).

본 연구는 식당이나 상업용 건물에서 실내 수경재배기를 이용한 식물재배가 늘어나고

있으나 이에 적합한 소형 배양액 조제 공급장치는 없는 실정이므로 도시농업용 실내수경

재배기 등에 적합한 소형 배양액 조제 공급 장치 개발을 위하여 수행하였다.

2. 재료 및 방법

본 연구는 2015년 1월부터 2015년 12월까지 경기도농업기술원 벤로형 유리온실에서 수행

하였다. 개발된 실내수경재배용 소형 배양액 공급장치는 공동연구 업체인 ㈜대산정밀에서

제작하고 기술원에서 시제품 현장적용 시험과 문제점 개선방안 도출 등을 수행하였다.

소형배양액 공급기의 시스템 설계는 정량펌프에 의한 배양액 희석 모듈, 공급라인 소형화,

벤츄리 공급관, 솔레노이드 밸브, 농축액 용기 등으로 구성되고, 제어기의 작동 프로그램 은

텃치판넬을 이용하여 pH, EC 자동 보정, 관수시간, 희석시간, 공급시간 등을 설정할 수

있도록 제작되었다.

실증시험용 재배장치는 ㈜대산정밀의 DH-B32와 DH-A48 재배기를 사용하였으며, 조사

항목은 pH, EC변화, 생육 및 수량, 작동 문제점 등을 조사하였다. 배양액은 야마자키 상추

전용액을 사용하였으며, 시험작목으로 적근대와 셀러리를 6월 30일 정식하고, 7월 28일

수확하여 1차 생육조사를 하였고, 10월 5일에 상추 선풍포찹과 상추생채의 2차 생육조사를

하였다. 11월 12일 상추 뚝섬적축면, 적로메인을 수확하여 3차 생육조사를 하였다. 배양액의

EC와 pH는 동일계기의 휴대용 포터블 pH메타와 EC메타를 사용하여 매일 1회 측정하였

으며, 생육조사는 농촌진흥청의 농사시험연구조사기준에 따라 조사하였다. 통계처리에는

SAS 통계패키지를 이용하였다. 그림 1은 기존 농업용 배양액 공급기의 구성을 소형 배

양액 공급기로 개발하기 위한 개발 모식도를 나타낸 그림이다.

Ⅱ. 원예연구 233

그림 1. 기존 농업용 배양액공급기와 소형배양액공급기 개발 모식도

3. 결과 및 고찰

가. 소형배양액 공급장치

실내수경재배용 소형 배양액 공급장치는 순환식 양액시스템으로 개발 되었으며 1일 2회

배양액 내의 EC와 pH 농도를 실시간으로 측정하여 필요한 양의 농축비료와 pH보정액을

정량펌프를 이용하여 공급해 양액통에서 혼합되도록 제작하였다. 그림 1의 배양액조제기

전면부는 터치판넬 제어부와 on/off 스위치로 구성되어 있으며 전면 판넬을 열면 메인차

단기, PLC(programmable logic controller), pH 컨트롤러, EC 컨트롤러, 상·하 수위부저가

배치되어 있다. 후면부는 정량펌프 4개, EC 센서, pH 센서, 뎀퍼, 공급펌프, 농축액 탱크

로 구성되어 있다(그림 2).

터치판넬의 구성은 첫 화면으로 제어프로그램 변경을 위한 비밀번호 입력창이 표시되며

관리자외에 제어프로그램 변경을 방지하기 위한 비밀번호 설정을 할 수 있다. 두 번째

화면은 전체 센서값 표시창으로 년, 월, 일, 시간과 현재의 pH, EC값, 베드온도, 재배대

습도와 Co2 값까지 측정이 가능토록 구성되어있다. 세 번째 화면은 pH, EC값 설정 화면

으로 하루에 2회 배양액의 pH, EC값을 설정할 수 있도록 되어 있으며, 네 번째 화면은

양액공급 자동, 수동 설정, 수위경보 등을 제어 할 수 있다. 다섯 번째는 양액 공급펌프

시간설정을 하루에 6회 까지 설정할 수 있으며, 여섯 번째로 양액 교반펌프 시간설정을

하루에 2회 까지 자동으로 설정할 수 있다(그림 2).

소형배양액 공급기를 이용한 재배전경 후면부(정량펌프, 농축액탱크, 센서 등)

그림 2. 개발된 배양액 공급기

2015년도 시험연구보고서234

제어프로그램 변경을 위한 비밀번호 입력창 전체 센서값 표시창

pH, EC값 설정 화면 양액공급 자동, 수동 설정 화면

양액 공급펌프 시간설정 화면 양액 교반펌프 시간설정 화면

1. 메인차단기

2. PLC(programmable

logic controller)

3. pH 컨트롤러

4. EC 컨트롤러

5. 상·하 수위부저

6. 정량펌프 4개

7. EC 센서

8. pH 센서

9. 뎀퍼

10. 공급펌프

제어판넬부 명칭 양액 혼합부 배관 명칭

그림 3. 배양액 공급기 제어판넬 메뉴구성

그림 4. 양액의 pH, EC 변화 (조사기간 : 2015. 7. 21. ~ 8. 7.)

* 양액설정 : pH 6.0, EC 2.0, 양액보충 2주 간격

Ⅱ. 원예연구 235

나. 소형배양액 공급장치 활용 식물생장 분석

양액의 pH, EC 설정을 pH 6.0과 EC 2.0으로 설정하고, 보충은 2주 간격으로 소모량만큼

양액을 보충해주면서, pH와 EC변화를 2015년 7월 21일부터 8월 7일까지 조사한 결과 입

력된 값에 따라서 ±0.5 범위 내에서 잘 유지되었으며 대조구(수동조제공급)와 비교하여

큰 차이 없이 배양액 관리가 자동으로 가능하였다(그림 4).

소형배양액공급기와 수동조제공급으로 1차 재배한 적근대와 셀러리를 7월 28일 수확한

결과 적근대의 생육과 수량은 소형배양액공급기 63.9g/주, 대조구 수동조제공급은 62.4g/

주로 차이가 없었다. 셀러리에서는 수동조제 공급 처리에서 35.9g/주로 소형배양액공급기

의 22.6g/주 생육 좋았으나 통계적 유의성은 없었으며, 시작기의 개선과 반복 재배시험이

필요할 것으로 판단되어 지속적인 반복시험을 수행하였다.

2차 재배 생육 및 수량 비교는 선풍포찹과 상추생채를 대상으로 재배하여 10월 5일 수

확한 결과, 선풍포찹의 엽면적은 소형배양액공급기 1,096.7cm2/주, 대조구 수동조제공급은

1,097.8cm2/주로 차이가 없었으며, 수량도 소형배양액공급기 63.9g/주, 대조구 수동조제공

급은 67.4g/주 차이가 없었다. 상추생채는 소형배양액 공급기에서 엽면적이 1,655.7cm2/주,

대조구 수동조제공급은 1,552.3cm2/주로 다소 높았으며, 수량도 소형배양액공급기 123g/주,

대조구 수동조제공급은 113.2g/주로 다소 높았으나 통계적 유의성은 없었다.

3차 재배 뚝섬적축면과 적로메인을 대상으로 재배하여 11월 12일 수확한 결과 소형 배

양액 공급기에서 대조구에 비해 수량이 각각 뚝섬적축면에서 소형배양액공급기 118.5g/주,

대조구 수동조제공급은 88.1g/주로 26%, 적로메인에서 소형배양액공급기 82.3g/주, 대조구

수동조제공급은 66.1g/주로 20% 높게 나타났으나 통계적 유의성은 없었다.

표 1. 1차 재배 적근대와 셀러리의 생육 및 수량 비교

○ 적근대 (조사일 : 7월 28일)

처 리 초 장(cm)

엽 장(cm)

엽 폭(cm)

엽 수(주/개)

생체중(주/g)

소형배양액공급기

23.3 14.4 7.2 11.3 63.9 a*

대조구(수동조제공급)

23.9 14.1 7.8 11.3 62.4 a

○ 셀러리 (조사일 : 7월 28일)

처 리 초 장(cm)

엽 장(cm)

엽 폭(cm)

엽 수(주/개)

생체중(주/g)

소형배양액공급기

18.8 9.2 9.3 9.9 22.6 a*

대조구(수동조제공급)

23.2 11.3 11.0 9.5 35.9 a

*Mean separation within columns by Duncan's multiple range test at P=0.05

2015년도 시험연구보고서236

표 2. 2차 재배 상추 선풍포찹과 상추생채의 생육 및 수량 비교

○ 상추(선풍포찹) (조사일 : 10월 5일)

처 리 초 장(cm)

엽 장(cm)

엽 폭(cm)

엽 수(주/개)

엽면적(cm2)

생체중(주/g)

소형배양액공급기

28.0 21.5 16.9 12.7 1,096.7 a* 63.9 a

대조구(수동조제공급)

29.0 21.3 17.5 13.3 1,097.8 a 67.4 a

○ 상추(상추생채) (조사일 : 10월 5일)

처 리 초 장(cm)

엽 장(cm)

엽 폭(cm)

엽 수(주/개)

엽면적(cm2)

생체중(주/g)

소형배양액공급기

25.9 23.5 14.4 27.1 1,655.7 a* 123.0 a

대조구(수동조제공급)

25.2 23.3 15.1 27.6 1,552.3 a 113.2 a

표 3. 3차 재배 상추 뚝섬적축면과 적로메인의 생육 및 수량 비교

○ 상추(뚝섬적축면) (조사일 : 11월 12일)

처 리 초 장(cm)

엽 장(cm)

엽 폭(cm)

엽 수(주/개)

엽면적(cm2)

생체중(주/g)

소형배양액공급기

26.1 20.6 13.3 19.4 1,873.4 a* 118.5 a

대조구(수동조제공급)

25.1 20.2 13.1 16.6 1,462.5 a 88.1 a

○ 상추(적로메인) (조사일 : 11월 12일)

처 리 초 장(cm)

엽 장(cm)

엽 폭(cm)

엽 수(주/개)

엽면적(cm2)

생체중(주/g)

소형배양액공급기

30.9 20.1 11.1 19.0 2,064.2 a* 82.3 a

대조구(수동조제공급)

29.8 19.6 10.7 17.1 1,746.6 a 66.1 a

*Mean separation within columns by Duncan's multiple range test at P=0.05

Ⅱ. 원예연구 237

다. 소형배양액 공급장치의 특징

개발된 소형 배양액 자동공급 장치 주요 특징은 실내용으로 소형화하고 저소음으로 제

작되었으며, 배양액 탱크의 EC와 pH를 하루에 2회 측정하여 보정하고, 간단한 터치패널

조작으로 손쉬운 배양액 공급관리가 가능하며, 재배기와 일체형으로 제작하여 공간활용

성이 뛰어나다는 점이다. 관리상 주의할 점으로는 양액공급기의 EC센서와 pH센서는 소

모성 부품으로 사용기한(EC센서:2년, pH센서: 1년)이 경과된 센서는 새것으로 교체해야

하며, 사용중에는 주기적으로 청소하고 센서 값을 점검해야 한다는 점이다.

또한 새로운 실내용 소형 배양액 공급 장치 시장의 발전을 위해서는 지속적인 기기 보

완 및 pH센서 장착부 이끼발생 문제 해결, 생산단가 감소를 위한 제품구성 검토 등 추가

적인 연구들이 계속돼야 할 것으로 사료된다.

4. 적 요실내 수경재배기용 소형 배양액 공급장치 개발을 위하여 기존 농업용 양액혼합기를 소

형화 시킨 소형 배양액 공급장치를 제작하고 적근대, 셀러리, 상추 등을 대상으로 재배시

험을 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다.

가. 소형 배양액 공급기의 pH와 EC는 입력된 값에서 잘 유지되었으며 대조구와 비교

하여 문제없이 배양액 관리가 자동으로 가능하였다.

나. 적근대와 셀러리를 대상으로 소형배양액공급기와 수동조제공급으로 재배하여 7월

28일 수확한 결과 적근대의 생육과 수량은 차이가 없었다. 셀러리에서는 수동조제

공급 처리에서 생육 좋았으나 통계적 유의성은 없었으며, 시작기의 개선과 반복 재

배시험이 필요할 것으로 판단되어 지속적인 반복시험을 수행하였다.

다. 선풍포찹과 상추생채를 대상으로 재배하여 10월 5일 수확한 결과, 선풍포찹의 엽면

적과 수량은 차이가 없었으며, 상추생채는 소형배양액 공급기에서 엽면적과 수량이

다소 높았으나 통계적 유의성은 없었다.

라. 뚝섬적축면과 적로메인을 대상으로 재배하여 11월 12일 수확한 결과 소형 배양액

공급기에서 대조구에 비해 수량이 각각 뚝섬적축면 26%, 적로메인 20% 높게 나타

났으나 통계적 유의성은 없었다.

마. 기존 농업용 배양액 공급기를 소형화 하고 공급펌프를 실내용으로 저소음 소형화

하여 개발한 배양액공급기는 성능과 운영관리 측면에서 비교적 잘 작동되었다.

2015년도 시험연구보고서238

5. 인용문헌

박성균, 정세훈, 오민주, 심춘보, 박동국, 유강수, 2014. A Design and Implementation of Control and Management System for Water Culture Device using Solar Tracking Method. The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences. 9(2):231-242. (in Korean)

신건철. 2002. Equipment for Fertigation and Nutriculture. Kor. Res. Soc. Protected Hort. 16(1):43-62. (in Korean)

Lee Chiwon W., Jong-Myung Choi. 1995. Root Media-Properties of Components and Mixing Ratio. 경상대 시설원예연구. 2:43-57. (in Korean)

정결, 최영수, 김호진, 국희진, 박제용. 2015. Automated Ion-concentration Control of Nutrient Solution in Closed-loop System. 한국농업기계학회/한국생물환경조절학회 2015 춘계공동학술대회 논문집. pp. 238-239

6. 연구결과 활용제목○ 실내용 소형 배양액 자동공급 장치(산업재산권 출원)

7. 연구원 편성

세부과제 구분 소속 직급 성명 수행업무참여년도

’15

실내수경재배기

소형 배양액 공급

장치 개발

책임자경기도농업기술원

원예연구과농업연구사 심상연 세부과제총괄 ○

공동연구자

원예연구과

〃

〃

〃

〃

〃

농업연구사

농업연구사

농업연구관

농업연구관

기술사무원

기술사무원

이원석

김대균

이수연

김순재

고명희

백미영

자료조사

자료조사

자료조사

시험지도

시험보조

시험보조

○

○

○

○

○

○