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지규 승
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1 과제구분수출사업단수행시기전반기 연구과제및세부과제명연구분야수행기간 연구실 도시공간및생활농업활용기술개발도시농업 12~ 15 경기도농업기술원원예산업연구과 책임자 심상연 기능성실내농장시스템 Prototype 개발 도시농업 13~ 13 경기도농업기술원원예산업연구과 심상연 색인용어실내농장, 도시농업, VOC, 공기정화 ABSTRACT Indoor air purification and volatile organic compounds such as formaldehyde, such as sick building syndrome caused by indoor air quality is a growing interest in recent years, indoor air purification capacity of the plant is excellent considering the proper dosage, Wall cabinet indoor farm -type built-in type system startup indoor farm system for designing and developing test was carried out starting group the results are as follows. Wall space utilization is high in the back of the space of trial -type air purification and air cleaning filter is installed functions and automatic water, humidifiers, dehumidifiers, and air purification features a raised mount. When you close the door and cabinet -type plants is hidden, off the lights for the lighting to reduce eye fatigue, the circulation of air through the ventilation fan to operate. In addition to his own farm by providing a hidden room that can cause the interest of the consumer. According to the type of air-purifying plants in indoor air purification ability of the farm system(formaldehyde removal) of the HCHO concentration of 20% per 20m 2 area in terms of reducing the Wall when the cabinet is 31.7m 2 ~ 67.2m m 2 ~ 37.2m 2 of mold it was calculated. Key words : Indoor farms, urban agriculture, VOC(Volatile organic compounds), air-purifying 1. 연구목표 하루 24시간중대부분의시간을실내에서생활하는현대인에게실내공기의질은건강을좌우할만큼매우중요하다. 그러나우리가대부분의시간을보내고있는실내공간의공기에대해실외공기와비교하여휘발성유기화합물비율을측정해본결과평균 3:1, 최고 100배정도높게나타난곳도있다고한다. 이렇게실내공기가나쁜이유는 Ⅱ. 원예연구 257

2 단열을위해밀폐된구조로지어진건물이건축자재에서방출되는벤젠, 톨루엔, 크로로포름과같은여러휘발성유기화합물을실내에가두어두는역할을했기때문이며 (Carpenter, 1998; Lee, 2004), 이러한실내오염원들은 ppb단위의낮은농도에서도건강을해칠수있다 (Horvath 등, 1988; Lee와 Kim, 2005). 휘발성유기화합물은건물준공후 6개월이내에가장많이발생하며, 신축한건물내부에서발생하는휘발성유기화합물에의해발생하는각종질병을 새집증후군 이라고한다. 실내의오염원을제거하기위한좋은방법은유해오염물질저방출자재의사용, 자연및강제환기, 분해를위한화학반응, 공기청정기등의사용을들수있다 (US EPA, 1995). 그러나이런방법들은경제적으로나환경적으로또다른역효과를낼수있다 (Godish 와 Guindon, 1989; Lee와 Kim, 2005). 최근미우주항공국 (NASA) 에의해친환경적으로식물을이용한실내오염물질을제거하는기능이많이밝혀짐에따라식물을이용한공기정화효과에관한연구가활발히진행되고있다 (Giese 등, 1994; Godish와 Guindon, 1989; Wood 등, 2002; Yoo 등, 2006). 살아있는식물은우리가숨쉬는공기를깨끗하게도와주는 필터 역할을하며항상신선한산소를공급하고심신의원기를북돋아주어 녹색의향연 을즐길수있게한다 (Kim 등, 1998). 모든식물은광합성작용을할때잎뒷면의기공을통해이산화탄소를흡수하는데, 이때공기중의오염물질도같이흡착, 흡수하여뿌리로내려보내고미생물을통해분해하여제거한다 ( 그림 1). 따라서이러한식물의생리적작용을이용하면손쉽게실내공기를정화할수있다 (Kim 등, 2009). 실내공간에식물의도입은필연적으로증가하고있고장식적인효과뿐만아니라도시민들에게삶의활력소와자연의소중함을알게하고, 자녀들의정서적인교육및가족의화합과취미생활을할수있게한다. 1 공기중의오염물질기공으로흡수 2 증산작용에의해온 습도조절 4 근권부미생물에의한오염물질분해 3 증산에의해형성된부압으로오염물질근권부로이동 그림 1. 식물의공기정화방법 경기도농업기술원에서는실내에서재배할수있는가정용수경재배기시스템을 2002 년부터연구해왔다. 지금까지 유리부착형양액순환방식수경재배기 ( 실용신안 호 ) 와 현가식실내수경재배기 ( 실용신안 호 ), 벽부착용식물재배기 ( 디자인등록 년도시험연구보고서

3 ), 식물재배기 ( 디자인등록 ), 식물재배기용재배틀 ( 디자인등록 ), 이중플레이트구조의재배베드가구비된식물재배기 ( 특허 ) 를산업재산권등록하였다. 이번에개발한기능성실내농장시스템은실내공기정화식물을이용한실내재배기로인공광원을설치하여빛이부족한실내에서도원활한광합성과증산작용을하도록하였으며, 빌트인타입의재배시스템도개발하여, 인공광원에의한재배자의눈부심을방지하였다. 특히벽면형실내농장시스템은공기정화용필터를설치하여공기정화기능의보완과자동급수기능을탑재하여재배관리가편리하며, 최소한의면적에서최대의효과를얻을수있도록목표를두고개발하였다. 2. 재료및방법 본연구는 2013년 1월 25일부터 2013년 12월 31일까지경기도농업기술원벤로형유리온실에서수행하였다. 기존실내용식물을이용한공기청정기의형태, 성능및특성을조사하여새로운기능성실내농장시스템을설계하고시작기를제작하여본원유리온실에서시험재배를하였다. 기능성실내농장시스템시작기의개발방향은실내공기정화, 습도조절, 자동조명조정, 자동배양액공급, 배양액부족표시등의편의성, LED( 발광다이오드, Light-Emitting Diode) 전등을이용한에너지절감으로경제성까지감안하였으며벽면형과빌트인타입의두가지모델로개발을구상하였다. 시작기의제작은아파트실내에서도손쉽게설치할수있고면적을적게소요하도록벽면녹화식재판을수직으로나란히설치하고, 최상층식재화분에소형펌프를이용하여배양액을공급하면, 공급된배양액이식재화분의홈통및배수관을통해모든식재화분을거쳐관수되도록하고, 배양액탱크에만배양액을공급하면되는벽면형시작기와케비넷을이용하여케비넷내부에재배채널과 LED 전등, 배양액탱크가모두들어간케비넷형시작기를제작하였다. 또한, 실내에서부족한광을보충하기위한보조광원으로 LED( 발광다이오드, Light-Emitting Diode) 를설치하였다. LED 제작은적색광 640nm 680nm, 청색광 430nm 470nm 파장이나오는발광다이오드칩을이용하여 250mm높이에서 150μm ol -2 s -1 이상의광량이나오도록제작하였으며기존적색광과청색광이눈을자극하고식물의색을제대로보이지않게하는단점을개선하여백색광을내도록보완하였다. 공기정화식물로는기존의공기정화능력이우수한식물로밝혀진식물중시중에서접하기쉽고구하기쉬운접란, 드라세나, 바질, 등을사용하였으며, 토양매질은원예용상토를사용하였다 ( 표 1). 생활공간내의포름알데히드감소를위한실내식물적정투입량을고려하여시작기를설계하였다 ( 표 2). Ⅱ. 원예연구 259

4 표 1. 식물의공기정화능력 (HCHO) 우수식물 구분공기정화식물종류 관엽류 (15 종 ) 자생화 (8 종 ) 허브류 (3 종 ) 양치류 (4 종 ) 난류 (3 종 ) 기타 (3 종 ) 아스플레니움, 디펜바키아, 싱고니움, 안스리움, 클로로피텀, 미케리아, 필로덴드론, 아레카야자, 드라세나, 소철, 파키라, 스킨답서스, 스파티필럼, 행운목, 쉐프렐라 맥문동, 털머위, 황칠나무, 남천, 마삭줄, 모람, 산호수, 차나무, 팔손이 로즈마리, 쟈스민, 애플민트 고비, 부처손, 상록넉줄, 푸른발 나도풍란, 호접란, 양란심비디움 소나무, 구아바, 귤나무, 크라슐라 표 2. 생활공간내포름알데히드감소를위한실내식물적정투입량 식물크기 (cm) 대 ( 100 ) 중 (30~100 ) 소 ( 30 ) 화분당부피 (m 3 pot 1 ) 평당화분수 ( 개 ) 공간 1% 투입 P 50% 6 평당 HCHO 20% 감소시키는화분수 ( 개 ) 비고 아파트평당부피 : 7m % 화분투입시 HCHO 감소율 : 12% - HCHO 50% 감소시화분투입률 : 4.2% 평당화분수 ( 공간대비 1% 투입 ) = ( 평당부피 / 화분당부피 ) x (1/100)% P 50% ( 평당 HCHO 농도 50% 감소시키는화분수 ) = 평당화분수 x 50% 감소시 화분투입률 (4.2%) 6 평당 HCHO 30% 감소시키는화분수 = P 50% x 6 평 x (20/50%) 3. 결과및고찰 기능성실내농장시스템시작기개발을위해기존공기청정기를대치하여실내공기정화를위해개발된식물재배기를검색한결과그림 2와같이프랑스의디자이너마티외르아뇌 (Mathieu Lehanneur) 가실내용공기청정기 벨-에어 (Bel-Air) 를디자인하였다. 이제품의가장큰특징은공기청정필터로살아있는식물을쓴다는것이핵심이다. 그러나이제품은식물체 1주를재배할수있도록설계되었으며, 비교적넓은면적의실내에효율적인공기정화를하기위해서는표 2와같이화분의숫자가 6평당 HCHO를 20% 감소시키기위해직경 100cm이상의큰화분은 4개, 30cm이하의작은화분은 11개필요로하는것을감안할때공기정화능력이부족한것으로판단되었다 년도시험연구보고서

5 그림 2. 기존실내공기정화를위해개발된식물재배기 기능성실내농장시스템의벽면형시작기는직경 20cm의화분이 18개식재되는벽면녹화식재판을이용하여제작하였으며, 식물재배기에가습기와제습기, 공기청정기등을접목할수있는다기능실내농장시스템이다. 공간활용도가높고식재판뒷면의공간으로공기정화용필터를설치하여공기정화기능과자동급수기능, 가습기, 제습기등을용도에따라탑재할수있도록개발하였다 ( 그림 3) 식물재배기가습기제습기공기청정기 벽면형시작기 LED 보광등설치공기정화식물식재 그림 3. 개발된벽면형실내농장시스템시작기 Ⅱ. 원예연구 261

6 케비넷형시작기는사무용케비넷이나가구속에탑재하여공기정화식물을재배할수있는실내농장으로케비넷속에재배채널을설치하여직경 10cm의공기정화식물 20주를재배할수있으며 LED 보광등과자동관수용물탱크, 환기팬이설치되어실내의공기를순환시켜줌으로써공기정화기능을할수있도록제작하였다 ( 그림 4) 사무용케비넷케비넷관수용물탱크설치 재배채널설치 LED 보광등설치환기팬설치 시작기제작 식물식재 그림 4. 개발된케비넷형실내농장시스템시작기 기능성실내농장시스템시작기의주요특징은벽면형의경우벽면녹화식재판을이용 하여공간활용도를높였으며, 공기정화식물과상토블럭을이용한필터링으로공기정 화기능을강화하였고, 가습기와제습기, 공기청정기를접목하여기능성과효율을높일 년도시험연구보고서

7 수있는것이특징이다. 케비넷형은일반가구를이용한빌트인타입재배시스템으로, 보광용전등의불빛을문으로차단하여눈의피로를줄여주며, 문을닫으면식물재배기가숨겨져실내공간의디자인을고려할수있다. 또한송풍팬을통한공기순환기능이작동하여실내공기를빨아들이고정화된공기를내보내는역할을하도록제작하였다. 식물재배용보광등은백색 LED를채용하여적색 LED의시각적인외곡현상과거부감을해소하였다 ( 표 3). 표 3. 개발된실내농장시스템시작기의주요특징 재배기유형 벽면형 케비넷형 주요특징 벽면녹화식재판을이용하여공간활용도를높임. 공기정화식물과상토블럭을이용한필터링으로공기정화기능강화. 가습기와제습기, 공기청정기를접목하여기능성을높임 일반가구를이용한빌트인타입재배시스템, 보광용전등의불빛을차단하여눈의피로를줄여줌 문을닫으면식물재배기가숨겨지고, 송풍팬을통한공기순환기능이작동함. 백색 LED 를채용하여적색 LED 의거부감을해소 공기정화식물을기능성실내농장시스템시작기에, 벽면형 18주와케비넷형 10주를식재하였을때 HCHO( 포름알데히드 ) 농도를 50% 감소시키는면적을공기정화식물종류별로환산하였다. 공기정화식물의정화능력차이에따라정화능력이상대적으로높은라벤더 (2.12ug.m -2.CM -2 leaf area) 에서낮은안스리움 (1ug.m -2.CM -2 leaf area) 까지벽면형실내농장시작기가 13.2m 2 (4평)~28m 2 (8.5평) 의면적을제거할수있으며, 케비넷형이 7.3m 2 (2.2평)~15.5m 2 (4.7평) 의면적을제거할수있는것으로산출되었다. 또한 6평당 HCHO농도 20% 감소시키는면적으로환산하였을때벽면형이 31.7m 2 (9.6평)~ 67.2m 2 (20.4평) 를케비넷형은 17.5m 2 (5.3평)~37.2m 2 (11.3평) 인것으로산출되었다 ( 표 4). 생활공간에투입된실내식물의양은공간대비 1% 의실내식물투입만으로약 7% 의포름알데히드를제거할수있어생활공간에서실질적인공기정화효과가있다고발표한 Kim 등 (2009) 의자료에의하면, 공기정화기능성을목적으로제작된실내농장시스템은생활공간에서공기정화기능을충분히수행할것으로판단되었다. Ⅱ. 원예연구 263

8 표 4. 실내농장시스템의공기정화 ( 포름알데히드제거 ) 능력 공기정화식물 정화능력 (ug.m -2.CM -2 leaf area) HCHO 농도 50% 감소시키는면적 (m 2 ( 평 )) 6 평당 HCHO 농도 20% 감소시키는면적 (m 2 ( 평 )) 벽면형케비넷형벽면형케비넷형 라벤더 (8.5) 15.5(4.7) 67.2(20.4) 37.2(11.3) 제라니움 (7.5) 13.7(4.2) 59.3(18.0) 32.9(10.0) 로즈마리 (5.5) 10.1(3.1) 43.7(13.2) 24.2(7.5) 디펜바키아 (4.3) 7.9(2.4) 34.3(10.4) 19.0(5.8) 싱고니움 (4.1) 7.5(2.3) 32.4(9.8) 18.0(5.5) 안스리움 (4.0) 7.3(2.2) 31.7(9.6) 17.5(5.3) 벽면형 18주식재, 케비넷형 10주식재 상기시험결과개발된기능성실내농장시스템은 실내용식물재배기 로디자인출원 ( 제 호, 호 ) 하였다. 더불어실용적인제품크기와소비자의기호에맞춘제품디자인및재배기능성과상품개선에대해서는추가적인개발과생활공간에서의재배연구가더진행되어야할것으로사료된다. 4. 적요 실내공기정화와포름알데히드등휘발성유기화합물에의한새집증후군등실내공기질에대한관심이커가는근래에공기정화능력이우수한식물의실내적정투입량을고려하여, 벽면녹화식재판을이용한, 깊이 50cm, 폭 50cm, 높이 150cm, 18주의식물을식재할수있는벽면형다기능실내농장시스템시작기와케비넷이나벽장등을이용한빌트인타입실내농장시스템을설계하고시작기개발시험을수행한결과를요약하면다음과같다. 가. 벽면형은공간활용도가높고식재판뒷면의공간으로공기정화용필터를설치하여공기정화기능과자동급수기능, 가습기, 제습기등을탑재하여공기정화기능을높였다. 나. 케비넷형은문을닫으면식물재배기가숨겨지고, 보광용전등의불빛을차단하여눈의피로를줄여주며, 송풍팬을통한공기순환기능이작동한다. 또한자신만의감추어진실내농장을제공함으로소비자의흥미유발을할수있다 년도시험연구보고서

9 다. 공기정화식물종류에따른실내농장시스템의공기정화능력 ( 포름알데히드제거 ) 은 6 평당 HCHO 농도 20% 감소시키는면적으로환산하였을때벽면형이 31.7m 2 (9.6 평 )~ 67.2m 2 (20.4 평 ) 를케비넷형은 17.5m 2 (5.3 평 )~37.2m 2 (11.3 평 ) 인것으로산출되었다. 5. 인용문헌 Carpenter, D.O Human health effects of environmental pollutants: New insights. Environ. Monit. Assess. 53: Giese, M., U.B. Doranth, C. Langebartels, and H. Sandermann Detoxification of formaldehyde by the spider plant(chlorophytum comosum L.) and by soybean(glycine max L.) cell-suspension cultures. Plant Physiol. 104: Godish, T. and C. Guindon An assessment of botanical air purification as a formaldehyde mitigation measure under dynamic laboratory chamber conditions. Environ. Pollut. 61: Horvath, E., H. Anderson, W. Pierce, L. Hanarahan, and J. Wendlick Effects of formaldehyde on mucous membrane and lungs: A study of an industrial population. J. Amer. Med. Assoc. 259: Kim, K.J., M.J. Kil, M.I. Jeong, H.D. Lee, E.H. Yoo, S.J. Jeong, C.H. Pak, and K.C. Son Determination of the efficiency of formaldehyde removal according to the percentage volume of pot plants occupying a room. Kor. J. Hort. Technol.27(2): Kim, H.S. and K.C. Son Effects of Horticultural Activities on Psychosomatic Healing, Vol.1, p Lee, J.H A study on removing air pollutant used indoor plants. Kor. Soc. Plants, People, Environ. 7: Lee, J.H. and T.H. Kim Symposium for Seoul horticultural fair p US EPA The inside story: A guide to indoor air quality. Nalt. Ctr. Environ. Publ. Cincinnati p.5-6. Wood, R.A., R.L. Orwell, J. Tarran, F. Torpy, and M. Burchett Potted-plant/growth media interactions and capacities for removal of volatiles from indoor air. J. Hort. Sci. Biotechnol. 77: Yoo, M.H., Y.J. Kwon, and K.C. Son Efficacy of indoor plants for the removal of single and mixed volatile organic pollutants and physiological effects of the volatiles on the plants. J. Amer. Soc. Hort> Sci. 131: Ⅱ. 원예연구 265

10 6. 연구결과활용제목 실내용식물재배기 ( 디자인출원 2 건, 제 호, 제 호 ) 7. 연구원편성 세부과제구분소속직급성명수행업무참여년도 13~ 13 책임자경기도농업기술원농업연구사심상연세부과제총괄 원예산업연구과 기능성실내농장시스템 Prototype 개발 공동연구자 원예산업연구과 농업연구사농업연구사농업연구관농업연구관기술사무원기술사무원 이원석전명희조창휘김순재신유정이주화 자료조사자료조사자료조사시험지도시험보조시험보조 년도시험연구보고서

목차 생활용품오염물질방출시험및방출특성연구 (IV) - 전기 전자제품방출오염물질권고기준 ( 안 ) 도출 - ⅰ ⅱ ⅲ Abstract ⅳ 환경기반연구부생활환경연구과 Ⅰ,,,,,, 2010 Ⅱ i

목차 생활용품오염물질방출시험및방출특성연구 (IV) - 전기 전자제품방출오염물질권고기준 ( 안 ) 도출 - ⅰ ⅱ ⅲ Abstract ⅳ 환경기반연구부생활환경연구과 Ⅰ,,,,,, 2010 Ⅱ i 목차 2010-33-1208 11-1480523-000711-01 생활용품오염물질방출시험및방출특성연구 (IV) - 전기 전자제품방출오염물질권고기준 ( 안 ) 도출 - ⅰ ⅱ ⅲ Abstract ⅳ 환경기반연구부생활환경연구과 Ⅰ,,,,,, 2010 Ⅱ i 목차 목차 Ⅲ Ⅳ i ii 목차 Abstract iii iv Abstract Ⅰ. 서론 Ⅰ iv 1 Ⅰ.