스크랩 LED조명을 이용한 식물공장

[Lumi Song]

식물성장을 위한 LED 조명장치

지금까지 온실은 주로 식물성장에 필요한 온도환경을 유지하기 위해 이용되고 있다.

한편 우천이나 구름 낀 기상조건에서 부족한 햇빛을 보충하기 위해 수산화나트륨이나 수산화메탈램프 등을 사용한 조명장치 (lighting device)가 일부 온실에 사용되고 있다.

일반적으로 식물의 엽록소는 종류에 따라 430㎚, 662㎚ 그리고 453㎚,642㎚ 파장의 빛을 많이 흡수하며 500~600㎚의 파장을 갖는 빛은 거의 흡수되지 않는 것으로 알려져 있다.

따라서 식물성장용 조명램프는 400~470㎚와 630~700㎚에서 방출되는 빛의 양이 최대가 되도록 방출스펙트럼을 조정하는 것이 필요하다.

종래의 조명장치에 사용하는 램프는 에너지효율이 낮아 전력소모가 많은것은 물론 식물성장에 적합하게 빛의 파장을 조절하는 데에도 어려움이 있었다.

따라서 에너지효율이 좋고 빛의 파장을 선택하기에 비교적 용이한 새로운 조명장치가 요구되었다.

이 장치는 LED(Light Emitting Diodes: 발광다이오드)를 사용하고 식물성장에 적합한 파장으로 조절 가능한 조명장치를 구성하며 조명장치를 포함하는인클로저(encloser)와 이에 관한 조명방법이다.

이 조명장치를 이용함으로서 전기소비가 절약되며 햇빛 공급이 충분하지 않는 동안에도(야간) 효과적으로 식물성장을 촉진시킬 수 있다.

기술현황

지금까지 온실에는 햇빛이 약한 날에 식물성장을 위한 빛을 방출하기 위해 수산화나트륨이나 수산화메탈 램프가 설치된다.

이러한 램프에 소요되는 전력비용은 온실작물 농사의 중요한 비용 항목이 되고 있다.

대부분의 경우 에너지소비는 화석연료를 소모하며 환경문제로 연결된다. 또한 온실로부터 새는 빛은 빛 공해의 발생원이 되기도 한다.

식물성장을 촉진시키는 LED를 사용하는 램프는 방출 빛의 피크파장이 약 612㎚인 오렌지색 LED로 된 램프세트 약 660㎚의 적색LED로 구성된 램프세트.청색광 LED로 구성된 램프세트가 있다.

이와 같이 식물에 공급되는 햇빛을 보충하기 위해 사용하는 조명장치에 대해 식물성장을 촉진시키기 위해 보다 효과적인 조명방법이 요구된다.

이를 위해 조사하는 빛의 스펙트럼 분배를 최적화하는 등 조명장치를 개선하는 것이 중요한 요인이 된다.

식물성장을 위해 사용하는 조명장치, 조명장치를 포함하는 식물성장 (인클로저) 그리고 식물성장 방법이다.

식물은 공기로부터 이산화탄소를 흡수하고 물과 결합시켜탄수화물(carbohydrate)을 만드는 동화작용(assimilation)을 한다.

이것은 흡열(endothermic) 반응이며 이 반응을 위해 식물은 태양에너지를 사용한다.

색소엽록소(pigment chlorophyll)는 빛 에너지를 변환하는 유효수단이다.

엽록소에는 엽록소a 와 엽록소b의 2가지 종류가 있다.

엽록소a의 최대 흡수파장은 430㎚와 662㎚이고 

엽록소b의 최대 흡수파장은 453㎚와 642㎚이다.

이 엽록소들은 500~600㎚ 범위의 파장의 빛은 거의 흡수하지 않는다.

따라서 식물성장에 사용되는 빛은 400~470㎚와 630~700㎚ 범위에서 방출이 최대가 되도록 방출 스펙트럼을 조정함으로서 에너지효율을 향상 시킬 수 있다.

식물성장을 위한 빛의 에너지효율

청색광(400~470㎚)

적색광(630~700㎚)의 방출비율을 균형 있게 조정함으로서 향상된다.

적색광은 식물성장을 촉진시킨다.

이에 비해 청색광은 주로 눈(buds) 발생을 촉진하고 줄기를 튼튼하게 하며 잎을 무성하게 만든다.

따라서 청색광의방출 양을 조절하는 것이 중요하다.

청색광이 너무 적으면 식물이 껑충하게 자라고 청색광이 너무 많으면 성장이 느리게 된다.

이 같은 요인의 해결방법은

600~750㎚ 범위의 제1 파장에서 주로 빛을 방출하는 제1광원(first light source)과 375~500㎚ 범위의 제2 파장에서 주로 빛을 방출하는 제2 광원(second light source)과그리고 제1 광원의 출력을 제2광원 출력에 관계없이 제어하는 제어기(controller)를 포함한다.

제1, 제2 광원의 출력을 독립적으로 제어함으로서 청색광의 양을 적절한 균형으로 유지시켜 목표로 하는 결과를 얻는다.

최적의 균형은 발아(germination), 모종(seedling), 성숙(mature)과 같은 식물의 성장단계와 작물의 사용부위(잎, 꽃, 과실 등)에 따라 정해진다.

식물은 청색과 적색간의 스펙트럼 분포에 의해 계절을 감지한다.

또한 낮과 밤에서 식물의 리듬은 스펙트럼 분포에 의해 영향을 받는다.

제1, 제2 광원에 대한 독립적인 제어는 식물성장 및 발아성장이 최적의 상태가 되도록 스펙트럼 분포를 조절하는데 이용된다.

조명어셈블리(lighting assembly)에 적합한 광원으로 LED를 사용한다.

LED는 비교적 좁은 파장범위에서 빛을 방출하며 이 점은 제품을 제작하는데 꼭 필요한 특성이 된다.

제1 광원에 적합한 LED

GaP(Gallium Phosphide), GaAs(GalliumArsenide), AlInGaP(Aluminum Indium Gallium Phosphide)가 포함된다.

앞의 두 물질은 660㎚에 가까운 피크파장을 가지며 이것은 엽록소 a에 적합한 파장이다.

AlInGaP의 피크파장은 645㎚보다 낮지만 효용성은 GaP, GaAs보다 높다. 따라서 AlInGaP 적용이 보다 바람직하다.

제2 광원에 사용되는 LED

청색과 자외선에 인접한 LED에는 GaN(GalliumNitride)과 InGaN(Indium Gallium Nitride)이 포함된다.

일반적으로 LED 출력은 접합부 온도(junction temperature)에 영향을 받기 때문에 LED 광원을 냉각시키는 것이 필요하다.

백열등 램프와 같은 종래의 광원은 빛을 방출하기 위해 높은 동작온도를 갖는다.

따라서 종래방식은 광원이 들어있는 하우징 냉각이 필요하다.

그러나 LED 방식은 광원 자체 특히 접합부를 냉각시키면 되기 때문에 유리하다.

LED 칩 냉각은 칩 주위에 공기나 다른 가스를 순환시키는 등 적합한 방법이 많다.

냉각을 촉진하기 위해 히트싱크(heat sink)를 사용하는 경우도 있다.

냉각장치는 튜브(tube)와 튜브 속을 흐르는 냉각액체를 구성한다.

광원은 투명한 하우징(튜브 등) 속에 배치하는 것이 좋다.

조명어셈블리는 햇빛을 보충할 때 사용되기 때문에 이것에 의해 가려지는 햇빛이 최소가 되도록 크기는 최대한 작게 하는 것이 좋다.

냉각장치의 튜브는 5㎝보다 작게 하는 것이 바람직하고 2㎝ 이하이면 더욱 좋다.

광원구성에 대한 실시 (예)

8개의 다이오드를 포함하는 브리지회로(bridge circuit)를 구성한다.

회로 내 8개의 다이오드는 전부 또는 일부가 LED로 구성된다.

LED의 일부는 직렬로, 일부는 병렬로 연결된다.

회로에는 교류나 직류의 전원공급 장치가 연결되며 전원공급장치의 전압은 LED 동작전압보다 높다.

이 회로는 변압기나 전압강하 회로를 사용하지 않고 주 전원이나 발전기에 연결할 수 있다.

또한 이 회로는 LED가 직렬로 연결되는 회로와는 다르게 LED 중 하나가 동작불량이 되어도 조명기능은 유지된다.

이 방식은 식품성장을 위한 인클로저를 제공한다.

이 인클로저는 인클로저 내부로 빛을 조사하기 위해 투명패널(transparent panel), 충분하지 않은 햇빛을 보충하기 위해 인클로저 내에 설치하는 제1, 제2 광원, 그리고 제2 광원 출력을 제2 광원 출력에 관계없이 제어하는 제어기를 포함한다.

여기서 제1 광원은 600~750㎚ 범위의 파장에서 주로 빛을 방출하고 제2 광원은 375~500㎚ 범위의 파장에서 주로 빛을 방출한다.

그리고 인클로저는 완전히 밀폐되거나 항상 닫힌 구조만을 의미하지는 않는다.

많은 경우에 투명패널은 유리나 다른 적합한 재료로 형성될 수 있다.

패널에는 적외선 또는 가시광선이 적게 투과되도록 처리하는 것이 필요하다.

여기서 투명패널에는 반투명 패널 그리고 개방된 창문이나 운동경기장의 열린 지붕 등을 포함한다.

일반적으로 빛의 강도를 올리기 위해 광원은 가능한 식물에 가깝게 위치하는 것이 바람직하다.

이것은 단일광원 또는 1개의 열(row)로 구성된 광원의 경우에 적용되지만 램버트(lambertian)조명 패턴이나 평면조명 패턴 등 광원이 2차원으로 배치되는 인클로저에는 적용되지 않는다.

이 방법은 식물이 자라는 지반으로부터 0.5~10m 높이로 식물 그리드(grid) 위에 설치한 조명어셈블리 그리드를 제공한다.

종래의 램프를 사용하는 시스템은 100W/㎡ 이상의 방출에너지 밀도로 설치된다.

그러나 이 방법에 의한 고효율 조명어셈블리는 15~40W/㎡의 방출에너지 밀도를 갖는다.

이 방법은 조류(algae)와 같은 수생식물(aquatic plants)을 성장시키기 위한 인클로저를 제공도 한다.

이 장치에는 물과 앞서 기술한 다수의 조명 어셈블리가 포함되며 조명어셈블리를 물속에 잠기게 설치하면 된다.

이 방법은 앞서 기술한 조명어셈블리 및 인클로저들을 이용해 식물성장을 촉진시키는 방법에 적용된다.

효과 및 응용

이 방법에 의해 구성된 식물성장을 위한 조명장치를 사용함으로서 원예,과수, 특수작물 등 농업 분야의 부가가치 향상에 기여할 수 있다.

이 방법에 의한 조명장치는 풍력발전 시스템과 결합시킴으로서 환경보전 효과와 함께 농업활성화에 활용할 수 있다.