식물공장과 LED 조명을 이용한 식물재배에 관한 과학적 고찰 ( 1 )
작성자: ㈜ 카스트엔지니어링, ㈜ 카스트친환경농업기술 대표 박후원
1. 서론
근래 식물공장이란 말이 자주 등장하고 있다.
식물공장이란 말 그대로 식물을 공장에서 대량으로 생산한다는 말이다.
그럼 왜 식물을 이제 와서는 공장에서 키워야 하는 걸까.
* 왜 식물공장이어야 하는가?
며칠 전, 스위스에서 온 토마스 마티라는 분 내외를 만난 일이 있다.
나는 우선 내가 제일 궁금해 하는 질문, 스위스에서는 겨울철에 어디서 야채를
공급받는지를 물어봤다.
스위스에서는 겨울철 채소를 주로 남부 스페인에서 공수해 온다고 한다.
영국의 수도 런던에서는 겨울철 싱싱한 채소를 남아프리카공화국(남아공)에서 공수해
온다고 한다.
아시다시피 런던은 북위 50도 선상에 위치해 있다.
그래서 겨울철엔 해가 수평선에서 16.5도 선상까지만 떠오르고, 일조시간도 하루 4~5시간
밖에 안된다
이 말은, 런던에서는 겨울철 야채를 자체 공급할 수가 없어 남부지방에서 공수해 와야
하는데, 남아공에서 런던까지 채소 1kg을 공수해 오는 데는 탄산가스가 430g이 발생한다.
런던 뿐만이 아니라, 북 유럽의 대부분의 도시, 예를 들어 한국의 대전은 북위 35도 선에
위치해 있는데 반해 베를린은 북위 52도, 스위스의 베른은 47도 선에, 스톡홀름 58도, 오슬로
60도, 헬싱키 62도, 바르샤바가 51도 선에 있다.
즉 대부분의 북유럽 대도시들은 겨울철 일조시간이 짧아 채소 재배가 어려운데, 앞으로는
채소를 비행기를 이용해 운반할 수가 없게 된다는 점이 문제다.
비행기 연료의 소모에 따른 탄산가스 배출이 규제를 받게 되기 때문이다.
다시 말해 유럽의 대도시를 비롯해 세계의 모든 대도시에서는 가까운 곳에서 채소를 재배하고
공급받아야 한다는 뜻이고, 이는 앞으로 엄청난 식물공장의 건립이 필요하게 된다는 뜻이다.
다행히 한국은 일본, 대만과 함께 LED 제조 기술이 뛰어나다.
LED는 계속 발전해 나간다. 광 변환 효율은 증가하고, 가격은 낮아진다.
LED는 반도체, 태양전지의 제조방식과 흡사해서 앞으로의 광 변환 효율이나 가격 면에서의
국제적 우위를 점해 나갈 수 있다.
그 위에 LED를 이용한 식물 재배의 기술, 빛의 혼합과 제어, 식물공장 운용 Software 기술만
갖춘다면 우리는 앞으로 몇 년 내에 닥칠 세계 식물공장 건립의 종주국으로 세계를 제패할 수
있게 되리라는 추측이다..
그리고 그 수출액수는 엄청난 금액이어서 향후 10년 20년 후의 한국을 먹여 살릴 수 있게
되리라고 확신한다.
뿐만 아니라 가까이는 가장 저렴하고 효율적인 소형 식물공장의 건립으로 농민들의 새로운
소득원을 찾아내는 것이 목적이기도 하다.
식물공장은 물을 절약하고 인력과 에너지를 절약하고 무엇보다 농약을 전혀 사용하지 않아
친환경적이다.
다만 식물공장은 휘황한 조명이 비치는 농장 곁으로 깨끗한 산책로가 있어 어린애를 데리고
가족이 피크닉을 다니거나, 할 수는 없는 곳이다.
식물공장은 세균으로부터 격리되어야 하고, 에너지의 낭비를 막기 위해 두꺼운 단열재로 둘러
쌓인, 유리창 조차 없는 건물이다.
식물공장은 궁극적으로 얼마만큼의 전기 에너지를 투입해 얼마만큼의 식물을 수확할 수 있는가
하는 치열한 효율성 경쟁이 벌어지는 생산공장 현장일 뿐이다.
그렇듯 우리가 식물공장(식물촉성재배방법)에 관한 세계적 기술 우위를 차지하기 위해서는,
우리는 이에 관한 최소한 30,000점의 측정, 연구, 시험을 거친 자료를 축적하고 있어야 한다.
그 중 처음 10,000 점의 자료(data)는 단순히 측정, 시험만으로도 가능하고 시간도 그리
오래 걸리지 않는다.
그 후의 10,000 점의 기술자료는 예를 들어 식물의 종류에 따른 최적의 빛 혼합비율, 빛의
세기에 따른 가장 효율적인 비용절감의 공식 등을 찾아내는 길이다.
이에는 대략 100명의 연구원이 한 10년쯤을 투자하면 되리라고 본다.
그리고 다음의 더 어렵고 지루하고 세밀한 연구가 필요한 시험자료, 예를 들어
어떻게 하면 비타민의 함량을 더 증가시킬 수 있는 지와 해충에 대한 면역력 등 우리가
필요한대로 식물을 키울 수 있는 방법에 대한 연구에는 한 1,000명의 연구원이
10년쯤은 연구를 해야 하리라.
이제 우리 카스트(KAST)는, 그리고 우리 국내 연구진들은 겨우 처음 10,000점의 쉬운 측정,
시험 자료 중 한 1,000점의 데이터를 얻었다고 본다.
* 왜 LED 이어야 하는가.
현재까지 인공광을 이용한 식물의 재배방법에는 형광등이 주로 사용되어 왔다.
형광등의 광변환 효율은 통칭 20% 정도라고 알려져 왔고, 다른 광원(예를 들어 백열등은
8%)에 비해 높은 편이기 때문이다.
그러나 LED의 광 변환효율은 대략 25~30%정도로, 형광등보다는 높아 같은 광량을
발산하면 형광등보다 열이 덜 난다.
실제 시험에서도, 형광등(18W)에서의 외부 접촉온도는 110℃ 였으나, LED(1W급 13개가
장착된 LED Bar)에서의 접촉온도는 35℃ 였다.
이 말은, LED 광원이 더 재배식물에 가까이 둘 수 있다는 이야기다.
빛의 세기는 광원과의 거리의 제곱에 반비례한다.
즉 광원과 식물 사이의 거리가 두 배 멀어지면 빛은 4 분지 1로 약해지는데, 형광등은 열이
많이 나므로 재배식물에서 어느 정도의 거리를 띄워 높은 곳에 설치해야 하는데, 이 때문에
그만큼 빛이 약해질 수 밖에 없다는 결론이 된다.
인공 광에 의한 식물재배에서는 한 다발의 빛도 아껴 사용해야 하므로, 여기서는
큰 문제가 된다.
카스트가 시행한 직접 재배시험에서도 LED는 형광등을 이용한 비교시험에서 훨씬
우수함을 보여 주었다.
(사진1)은 가로 세로 각 105cm, 50cm의 재배상 두 곳에, 한 곳에는 LED 만을 이용해 식물을
재배하는 장면이고, (사진2)는 이와 비교시험하기 위해 형광등만을 사용해 식물을 재배하는
사진이다. (2010년 2월 4일 재배상에 정식한 후 3월 2일 촬영)
두 곳 모두 동일한 조건으로 각 재배상의 왼쪽에는 청경채, 가운데 적겨자, 오른쪽에
적치마상추를 각 3분지 1씩, 동일한 날 정식한 후 추적조사를 한 결과이다.
아래(사진1) 설명: LED조명만을 이용해 식물을 키우는 장면. 여기에서는 1W 급 LED 13개가
달린 LED 바(막대모양) 4개를 조명용으로 사용했으므로 총 LED 의 사용 갯수는 52개가 되고,
광원과 식물재배상의 바닥까지의 거리는 30cm 이다.
그리고 여기서 소모되는 전력량은 전원회로의 손실 약 30% 를 포함, 약 70W 였다.
아래 (사진2)형광등만으로 채소를 키우는 장면. 여기에는 37W 급 형광등 2개가 사용되고
있고, 여기 소비되는 전력은 85W 이다. 사진에서 보듯 성장속도도 (사진1)에 비해 느리고,
웃자란 모습이 보인다. 특히 오른쪽 부분의 적치마상추가 붉은 색을 띄지 않고 초록색으로
그대로 있어 힘이 없어 보인다.
여기서 LED 재배상에서의 소모전력은 형광등 쪽에 비해 의 82% 로 적으나 성장상태는
눈으로 봐도 훨씬 우세함을 알 수 있다.
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한편 다른 곳에서의 비교시험결과도 형광등보다는 LED가 우수함을 보여주었다.
이 시험에서 사용된 상추씨앗은 2010년 3월 3일 파종한 후 3월 18일 재배상에 정식한
것으로, 사진은 4월 5일 촬영한 것이다.
아래 (사진 3)의 설명: 가로 세로 각 25cm, 45cm 의 재배상(Bed) 에서의 LED와 형광등의
비교시험결과. (사진3)은 LED만으로 식물을 재배하는 모습. 여기 사용된 식물은 적치마상추로,
(사진3)은 LED로, (사진4)는 형광등만으로 식물을 시험재배하는 모습이다.
(사진3)에서는 LED 7개가 직렬로 이어진 바 2개가 사용되어 LED가 모두 14개 사용되었고,
여기서 소모되는 전력량은 전원부의 손실을 포함, 24W 이다.
한편 (사진4)에서는 18W 형광등 2개가 사용되었고, 전력소모량은 41W 이었다.
즉 형광등을 사용하는 경우가 전력소모량으로 볼 때, LED 를 사용한 곳보다 1.7배 많았
으나, 상추의 성장상태는 LED 쪽이 더 우세했다.
이 시험에서 비교시험군 두 곳에서의 각기 빛의 조사량은 다음과 같다.
측정 위치: C X Y Z
A, LED 시험: μmolm-2s-1 84.4 46.35 53.05 32.11
lx 2267 1256 1430.5 1183
B, 형광등 시험: μmolm-2s-1 110.66 59.02 79.72 49.04
lx 7880 5426 4253 3219
여기서 C는 재배상의 중심점을, X는 가로쪽으로 재배상의 끝부분, Y 는 재배상의 세로쪽
끝부분을, Z 는 재배상의 대각선 쪽 끝부분을 가리킨다. 각기의 수치는 그 지점에서의 빛의
밝기 μmolm-2s-1 (PPFD의 단위. Photosynthetic Photon Flux Density 로, 광합성용 광양자속
밀도를 의미함) 과 lx( Photometry 의 단위, 인간의 시각감도에 의한 밝기를 나타내는 단위)
인데, 이 수치에서 보듯 모두 형광등 쪽이 빛의 강도는 더 세나, 성장은 LED 쪽이 더 우세하다.
즉, 식물은 빛의 밝기에만 의존해서 자라는 것은 아니라는 것을 이 시험에서 알 수 있다.
왜 그런걸까?
위의 두 재배상의 차이점을 알아보기 위해 2010년 4월 6일, 그동안 성장해온 상추의 무게를
달아 보았다.
물론 이것은 상추의 뿌리까지를 포함한 무게로, LED 재배상의 무게는 292g 이었고
형광등 재배쪽은 270g 으로, 약간의 차이이긴 하나 LED 쪽의 상추 생채중이 더 많았다.
이것으로 보아, 형광등에서 발산되는 빛 스팩트럼에는 식물이 자라는 데 그다지 도움이 되지
않는, 즉 식물이 반사해 버리거나, 광합성에 이용하지 않는 빛이 포함되어 있다는 뜻이다.
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위(사진3) LED 만으로 상추를 키우는 장면.
아래(사진4)의 설명. 형광등만으로 상추를 키우는 장면.
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2. 빛의 스팩트럼.
빛에는 여러 가지 색이 있다.
그리고 우리가 잘 알고 있듯 흰 빛에는 여러 가지 색의 빛이 섞여 있다.
즉 여러 가지 색, 예를 들어 빨간색, 파란색, 초록색, 노란색을 섞어 놓으면 우리의 눈에는
흰색으로 보인다.
그러나 빛의 색은 원래 각기 분리되어 있는 것이고, 각각의 빛깔의 색은 각기 다른 일을 한다.
즉 붉은색이거나 적외선(Infra Red)은 열 작용을 하고, 파란색 빛이나 자외선(Ultra Violet)은
화학적 작용을 주로 한다.
그리고 대부분의 식물은 초록색 빛을 싫어해서 반사해 버린다.
즉 식물의 성장에는 초록색이 아무런 도움이 안되므로 반사해 버리게 되는데, 그래서
식물은 초록색으로 보이게 된다.
그러나 엄밀한 의미에서는 초록색도 식물의 성장에 특이한 영향을 준다.
아래(사진5)설명. 햇빛의 스팩트럼. 햇빛은 흰 색으로 보이나, 사진에서와 같이 자외선(왼쪽
의 파란색 쪽으로 400nm(빛의 파장의 길이를 나타냄: 400nm 란 그 빛의 파장이 10억 분지
400 m(미터)라는 뜻))을 벗어나 더 짧은 쪽의 빛을 자외선이라고 하는데, 햇빛에는 그림과 같이
자외선에서부터, 오른쪽으로 빛의 파장이 700nm 를 넘는 적외선 까지를 두루 포함하고 있다.
그 중에서도 파장이 400nm 보다 크고, 700nm 보다는 짧은 가운데 영역을 가시광선이라고 하며,
그 속에 적색부터 보라색까지가 포함되어 있고, 460~480nm 대의 빛(진초록)부근에 가장 강한
피크를 이루고 있음을 알 수 있다.
이 그림의 그래프는 2010년 4월 6일, 오후 4시경 경북 구미지역, 흐린 날 햇빛이 반쯤 드는
곳에서 수집한 햇빛 스팩트럼으로, 햇빛은 이렇듯 넓은 주파수대의 빛과 복잡한
분포를 가지고 있다.
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위(사진6)설명. 백열등에서 발산되는 빛의 스팩트럼. 이 빛은 60W 백열전등을 켜 놓은 후
약 1m 밖에서 잡은 빛 스팩트럼이다. 그래프에서와 같이 730nm 파장대(근적외선)의 빛이
가장 세고, 가시광선대에서는 빛의 파장이 짧을수록(파란색으로 갈수록) 그 세기가 약해지는
것을 볼 수 있다.
그러나 백열등에서도 그래프의 왼쪽 끝에서와 같이 미약하나마 자외선도
방출되고 있음을 알 수 있다.
즉 아래 (사진7)에서 보듯 형광등에서 발산되는 빛 파장에는, 초록색, 노란색 등과 같이,
식물에서는 탄소동화작용에 필요하지 않는 색이 섞여 있다는 뜻이 된다.
이렇듯 식물은 태양에서, 또는 형광등이나 백열등에서 비치는 모든 빛을 푸짐하게 식탁에
차려 주어도 광합성에는 자신이 선호하는 빛깔만 골라 섭취한다.
LED는 이런 점에서, 식물이 좋아하는 빛을 쉽게 조합해 낼 수 있어 식물재배에 필요한 빛을
만들어 내는데 가장 유리하고 이 점이 다른 어떤 광원보다 좋은 이점이 된다.
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위(사진7)의 설명. 형광등에서 방사되고 있는 빛의 스팩트럼. 이른바 3파장 형광등이란
말과 같이, 3가지 빛의 피크(440nm 대의 파란색과 550nm 대의 초록색, 620nm 대의 적색)가
있고 전체적으로는 파장대별로 매우 불규칙한 세기의 빛 스팩트럼을 포함하고 있다.
식물은 위의 세가지 빛 중 어느 것 아래서도 빛의 세기만 어느 정도 이상이 되면 성장을 한다.
물론 적색광만으로도 식물은 자라고, 청색광만으로도 식물이 성장할 수는 있다.
그러나 어떤 빛이 식물의 성장에 가장 효율적인가 하는 점은, 태양광이 아닌 인공광으로
식물을 재배하고자 할 때는 아주 중요한 문제가 된다.
태양광은 너무 세어 비록 비효율적으로 낭비가 되더라도 식물이 성장을 잘 하나,
인공광을 만들어야 하는 입장에서는 그 효율이 바로 생산비가 되기 때문이다.
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위(사진 8) 의 설명. 식물이 가장 잘 성장하는 것으로 알려진 빛의 스팩트럼. 식물은
660nm 파장대의 적색과 450nm 파장대의 청색에서 가장 잘 자란다고 알려져 있다.
이것은 식물재배에서는 이미 잘 알려져 있는 정설이다.
그뿐이 아니라, 어떤 연구에서는 적색(Red)대 청색(Bue)의 비율(빛의 세기)가 5:1 일때,
10:1 일때, 또는 88%대 12%의 비율로 섞여 있을 때, 또는 20:1 로 혼합했을 때
식물이 가장 잘 자란다는 연구 결과도 많이 발표되어 있다.
(사진8) 에서의 그래프는 1W 짜리 660nm 파장대의 적색 LED 4개와 450nm 파장대의
청색 LED 1 개를 섞어 점등시켜 얻은 스팩트럼이다.
그래프에서는 적색 빛의 세기가 10일때 청색이 3으로, 그 빛의 세기가 적색대 청색 10: 3으로
섞여있는 셈인데, 여기서 청색의 비율을 좀 낮춰 적색대 청색의 비율을 8 : 1 정도로 해야 한다.
이 그래프에서는 660nm 대의 적색과 450nm 대의 청색 빛 외에는 다른 아무 색도 포함되어
있지 않아 말 그대로 2가지 색 만의 순수색혼합이 되어있는 셈이다.
그러나, 실제로는, KAST 의 시험에서는 꼭 이 두 가지 색깔의 빛만으로는 식물이
그리 만족스럽게 성장하지는 않는다는 결론을 얻었다.
왠가 겉자라고, 빛깔이 강하지 않고 힘이 없어 보이는 게 대부분이었으니까.
물론 빛의 세기만 강하면 이런 빛의 색갈별 분포는 어느 정도 보상이 되긴 하겠지만.
아래(사진9)설명.
KAST 가 만들어낸 가장 이상적인 식물성장 빛 스팩트럼.
아래 그래프는 KAST 가 여러번의 시험을 거쳐 얻은, 가장 이상적인 식물성장을 위한
빛 스팩트럼이다.
물론 이 스팩트럼은 엽채류의 식물을 키우는 목적에서만은 확실히 이상적이라고 말할 수
있을 만큼 많은 시험을 거쳐 얻은 스팩트럼이기 때문이다.
여기에는 적색과 청색 외에 백색, 주황색 빛을 섞어 얻은 것이다.
즉 적색과 청색이 주를 이루는 스팩트럼 중에도 주황색, 황색, 녹색이 조금이나마 포함되어
있고, 청색의 분포도도 덜 날카롭다.
식물은 어찌됐건 30억년쯤 태양광 아래 성장해 오고 발달해 왔다고 한다면, 인공광 역시
태양광 에서의 특성은 그대로 지니고 있어야 할 것이라는 추정에서 이런 결론을 얻는다.
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위(사진 10)
위의 빛의 혼합에 다시 초록색 LED(530nm 파장대)를 조금 섞은 빛의 스팩트럼. 그래프의
530nm 파장대에 작은 피크가 있는 것이 보인다.
식물은 원래 초록색을 싫어해서 반사하므로 초록색으로 보이는 것이 사실이나,
이 그래프에서처럼 초록색 빛을 약간 섞은 빛에서 어떤 식물은 더 잘 자라기도 한다.
이렇듯 식물의 성장은 빛에 아주 민감하고 어떤 일률적인 추리를 거부한 채 제멋대로
자라기도 한다.
식물의 이런 조그만 변화나 민감성에 대한 모든 부분의 연구가 앞으로의 과제이기도 하다.
[ 식물공장과 LED 조명 -2- ] 로 이어집니다.
3. 빛의 세기.
빛에는 색깔별 분류(스팩트럼)도 있지만 그 세기에도 강하고 약함이 있다.
사람의 눈으로 봐서 빛이 강하다, 또는 약하다는 걸 말할때는 그 단위로 lx(룩스)
라는 걸 쓴다.
예를 들어 적도지역에서의 여름철 한낮 바로 내리쬐는 햇빛의 강도는 50,000 ~130,000Lx
가 된다.
아래는 lx로 표시한 밝기의 예이다.
조건………………………………………………………………… lx
한낮………………………………………………………………… 10,000~25,000
인공조명(TV 스튜디오) ………………………………………… 1,000
맑은 날의 해돋이, 일몰………………………………………… 400
권장 오피스 실내조명…………………………………………… 320
매우 어두운 낮…………………………………………………… 100
복도, 화장실 …………………………………………………… 80
권장 거실 밝기…………………………………………………… 50
맑은 날의 밝은 보름달 ………………………………………… 0.2~1
초승달……………………………………………………………… 0.01
달 없는 맑은 밤하늘 …………………………………………… 0.002
가장 밝은 별……………………………………………………… 0.00001
이런 예로 보아, 사람의 눈은 한 낮의 밝은 햇빛에서 별빛까지를 볼 수 있는,
즉 가장 어두운 빛에서부터 그 빛의 10억배 밝기도 볼 수 있는
아주 광범위한 가시능력을 가지고 있는 셈이다.
참고로 말한다면, 60W 백열등을 1m 밖에서 보았을 때의 밝기가 대략 60 lx 가 되고,
이렇듯 lx 를 쓰는 빛의 밝기를 조도(Illuminance, Photometric)라고 한다.
그러나 사람의 시각에 의존하는 빛의 밝기는 빛 그 자체가 가지고 있는 빛에너지와는
별로 관계가 없다.
사람은 같은 양의 에너지를 가진 세기의 빛을 보았을 때 초록색(555nm 파장대)을
가장 강하게 느끼고, 적색, 청색으로 편향될수록 빛이 약한 걸로 느끼게 된다.
그런데 식물은 빛의 세기를 사람과는 다르게, 빛에 포함된 광양자의 양에 의해
강 약으로 받아들인다.
여기서, 식물이 빛의 세기에 반응한다는 뜻은, 빛을 받아들여 얼마만큼 광합성을
하는가에 기준을 둔다는 뜻이다.
식물은 빛에 포함된 광양자 하나를 받아들여 하나의 광합성을 하기 때문인데,
이런 식의 빛의 강도를 나타내는 방법으로는 “광합성,광양자속 밀도(Photosynthetic
Photon Flux Density)” 라는 말을 쓰고, 그 단위로는 molm-2s-1 을 써 나타낸다.
그리고 이때의 molm-2s-1 단위는 너무 커서 마이크로 몰(μmolm-2s-1)을 쓰고,
molm-2s-1 이라고 표기해 “마이크로몰 퍼 스퀘어미터 퍼 세컨드” 라고 읽는다.
이 말은 1m2의 면적에 1초 동안 내리는 광양자의 양이 얼마가 된다는 뜻이다.
그럼 μmolm-2s-1은 사람이 느끼는 빛의 강도 lx 와 어떤 관계가 있는걸까.
μmolm-2s-1은 빛의 파장대와 광원에 따라 다른데 lx 와의 비교는 아래와 같다.
1 μmolm-2s-1당 lx 와의 관계
광원…………………………………………………… lx
태양광………………………………………………… 54
백열등………………………………………………… 50
형광등………………………………………………… 74
메탈 할라이드 등…………………………………… 71
고압 나트륨 등……………………………………… 82
적색 LED(660nm) ………………………………… 9.94
청색 LED(450nm) ………………………………… 11.9
백색 LED(Warm white) …………………………… 68.2
녹색(530nm) ……………………………………… 101
위의 환산치에서와 같이, μmolm-2s-1 은 광원과 빛의 색갈에 따라 다르다.
이에 따라, 형광등으로 10,000 lx 의 빛을 식물에 쪼여 준다는 말은 135μmolm-2s-1 의
빛을 비춰준다는 뜻이고, 비록 lx 로 쳐서는 어두울지라도 이를 μmolm-2s-1 로 환산하는데
가장 유리한 빛은 적색 LED(660nm)라는 걸 알 수 있다.
그러면 식물은 대개 어느 정도의 빛의 세기(μmolm-2s-1)에서 성장하는 걸까?
KAST 의 재배시험에 의하면 식물(엽채류, 상추, 쑥갓, 청경채, 적겨자, 케일 등)은
대략 30μmolm-2s-1 에서 150μmolm-2s-1 사이에서 무난히 성장한다는 시험결과를 얻었다.
물론 이보다 더 센 빛에서는 더 잘 자라겠으나, 그렇게 되면 그 빛을 만들어내는데 드는
전기료에 비해 그만한 효과를 얻지 못한다는 뜻이다.
즉 엽채류의 빛의 세기에 대한 최소 필요량은 30μmolm-2s-1 부근이고, 최대 포화점(더
이상은 경제적으로 불리한 점)은 대략 150μmolm-2s-1 이라는 뜻이다.
4. LED에서 방사되는 빛의 특성.
위에서와 같은 이유로 식물공장에서는 LED를 광원으로 쓸 수밖에 없다.,
이는 LED의 효율대비 가격 인하 추이 때문에 앞으로는 더욱 LED에 의존해야 한다.
그럼 어떻게 하면 LED를 가장 효율적으로 쓸 수 있는 걸까?
그러기 위해서는 아래의 법칙을 알고 이에 따라야 한다.
법칙 1 : 1개의 LED 에서 방출되는 전체 빛의 양(μmolm-2s-1 로 표시해도 좋다)은 일정하다.
즉 각자의 1개의 LED 에서 방출되는 빛의 양은 입력전류에 비례할 뿐 누가 어떻게 사용
해도 동일하다는 이야기다.
그 상관관계를 (그림1)에 보인다.
아래는 국내 S 사의 1W급 청색 LED(450nm)에 흐르는 전류를 가변해서 얻은 밝기와의
비교 그래프이다.
그림에서와 같이, LED에서 방출되는 광량은 전류 포화점(메이커가 지정하는 최대 사용전류점)
까지는, 또는 그 이상 어느 한계까지는 전류의 변화에 거의 비례한다.
이 말은, 같은 LED라도, 전류를 많이 흘려 사용하면 그만큼 방출 광량이 많아진다는 뜻으로,
LED는 같은 값이면 많은 전류를 흘려 사용하는 것이 좋다는 뜻이다.
물론 전류가 증가하면 LED 에서 발생되는 열도 증가하므로, 이에 대한 대비는 따로 해야
한다. LED 는 고온에서 사용하면 수명이 급격히 줄 수도 있기 때문이다.
즉 LED는 방열(Heat sink) 기능만 잘 갖추면 더 많은 광량을 내도록 사용할 수 있다.
아래 (그림1) 의 설명. 대부분의 LED 는 최대 정격전류점이거나, 그보다는 조금 더
많은 전류에서도 광량이 비례하고 있음을 보인다.
청색선=전류의 증가량 표시
적색선=광량의 증가곡선.
(2).jpg)
법칙 2 : 광량은 어떤 경우에도 (산술적으로) 더해진다. 광원이 여러 개가 되면 그 광량은
단순한 값으로 더해진다.
다만 여러 개의 LED를 한 자리에 모을 수는 없으므로, 각개의 광량 값이 일률적으로
더해지지는 않는 것으로 보이나 주변의 광량을 다 더하면 그 값은 산술적 합산과 같다.
이는 아주 편리한 법칙으로, 한 개만의 LED로는 도저히 낼 수 없는 광도, 또는
광량일지라도 여러 개의 LED를 모으면 된다는 말이다.
즉 빛의 밝기, 또는 광량을 Lt 라고 하고 각개의 광량을 Lp 라 하면
Lt= Lp1 +Lp2 +Lp3…이 된다.
법칙 3 : 빛의 밝기는 광원과의 거리의 제곱에 반비례한다.
즉 LB= LS/m2
여기서, LB 는 광도, LS 는 광원의 밝기, m 은 광원과 빛을 받는 곳 사이의 거리를 말한다.
즉 빛은 레이저 빛과 같이 빛 다발이 확산되지 않고 모여서 진행하는 경우를 제외하고는
어떤 경우에도 멀어지면 약해진다.
이는 빛이 멀리 갈수록 퍼지기 때문인데, 거리가 두 배 멀어지면 빛을 받는 면적은 4배
넓어지기 때문이다.
아래 (그림 2) 의 설명:
(2).jpg)
여기서 말하는 광량이란, 광도에 그 빛을 받는 총면적을 말한다.
이때의 광량은 LED가 같으면 일정이다.
즉 광량(LQ)= 광도(LB)* 빛을 받는 면적(S)= 일정.
여기서 광원이 가까우면 μmolm-2s-1 이 증가하고 빛의 조사면적은 적어진다는 뜻인데, 인공광을 식물재배에 사용해야 하는 모든 사람들에게는 피해 갈 수 없는 딜레머이기도 하다.
또한, 광원을 쓸데없이 높이 매달아서는 아무런 광합성 효과가 없다는 것도 이로써 알 수 있다.
즉 LED 광을 사용한 식물재배에서는 실제 광원의 높이가 식물의 지붕(The roof of the plants: 식물에서 햇빛을 주로 받는 나뭇잎)으로부터의 거리가 1.5m 이상이 되어서는 아무리 광원이 세
어도 식물의 잎에까지 도달해서는 광합성이 충분할 만한 세기가 될 수 없다는 뜻이다.
만일 식물의 잎에서 광원까지의 거리가 1.5m 일 때 광량이 5μmolm-2s-1 이었다면, 그 거리를 50cm 로만 줄인다면 이때의 광량은 거리가 3배 줄었으므로 광량은 9배가 늘어나 45μmolm-2s-1 이 될 수가 있기 때문이다.
법칙 4 : 빛을 받는 곳에서 볼 때, 광량, 광도, 스팩트럼 등은 오로지 받는 쪽의 조건에 따라
결정된다. 즉 광원 쪽에서 본 cd(캔델라), lx, 방사각, lm(루멘) 등은 참고 자료에 불과하다.
이는 어떤 LED 가 어떻고, 그 특성이 어떻다는 등의 스팩은 그냥 참고 자료로만 이용할 뿐,
믿을 수도 없고 이용하는 방법도 쉽지가 않으니 모든 데이터는 직접 빛을 받는쪽에서 측정해
보아야 한다는 뜻이다.
LED는 하나씩 사용되는 것도 아니고, 방사각이 어떻다 한들 그걸로 빛을 받는 쪽에서의 특성을
알기는 어렵기 때문이다.
법칙5 : 광량은 무언가를 투과(Penetrate)하고 무언가에 반사(Reflect)되고, 가는 거리가 멀수록
(Distant) 약해진다. 물론 무언가에 흡수(Absorb) 되어도 감쇄한다.
LED 에서 비추는 빛은 가능하면 식물의 잎에까지 가까이, 직접 조사돼야 한다.
아래는 빛이 무언가를 투과할 때의 감쇄율을 직접 측정해 본 데이터이다.
A, 적색LED(660nm) 에서 방출된 빛
투과물질……………………………………………… 투과율
0.1 mm 비닐…………………………………………… 89 (%)
2 mm 플라스틱………………………………………… 88.2
0.1mm 운모 …………………………………………… 87.2
2mm 유리 ……………………………………………… 89.7
B, 청색LED(450nm) 에서 방출된 빛
투과물질 ……………………………………………… 투과율
0.1 mm 비닐 …………………………………………… 86.4 (%)
2mm 플라스틱 ………………………………………… 87.9
0.1 mm 운모 …………………………………………… 73.7
2mm 유리 ……………………………………………… 87.2
위에서 보듯, 청색빛이 적색빛 보다는 투과량이 조금 덜어지는데, 이는 청색빛의 파장대가
짧으므로 그만큼 무언가를 투과할 때 손실이 더 많이 생긴다는 뜻이다.
이 손실은 빛을 이용해 식물을 재배하는 측에서는 이것은 큰 문제가 될 수 있다.
만일 누군가 LED 빛을 2mm 두께의 플라스틱 케이스를 통해 공급하고 있다면,
그리고 LED 조명용으로 월 100 만원의 전기세를 내고 있다면, 그는 매월 12만원
의 전기세를 2mm 두께의 플라스틱 때문에 낭비하고 있는 것이 된다.
플라스틱의 투과율 88%에서 12%의 빛 손실이 있으므로 그렇게 되는 것이다..
법칙 6 : LED 에서 방사되는 빛은 빛이 비치는 수직면(정면) 에서 제일 강하고 이 각을
0°로 했을 때, 이 각을 벗어날수록 약해진다.
즉 빛이 비치는 각도에 따른 빛의 세기는 아래와 같다.
이 시험은 외제 T 사의 1W 급 백색(Natural White) LED, 스팩에는 방사각
130° 짜리라는 것에 350mA의 전류를 흘려 방사각의 변화에 따른 빛의 세기를
측정해 본 것이다.
빛이 비치는 각도 …………………………………… 빛의 세기
0 (도)…………………………………………………… 100 (%)
15 ……………………………………………………… 97.2
30 ……………………………………………………… 91.8
45 ……………………………………………………… 73
60 ……………………………………………………… 54
65 ……………………………………………………… 48
70 ……………………………………………………… 41
75 ……………………………………………………… 34
80 ……………………………………………………… 26
아래 (그림 3) 설명.
(2).jpg)
이런 규명을 위해 KAST는 아래와 같은 시험도 진행해 보았다.
즉 LED를 13개 직렬로 연결한 Bar를 수평으로 두었을 때와, 이 Bar를 수평에서
한쪽만 들어 올려 54°가 되게 기울였을 때의 빛의 세기를 측정해 본 결과이다.
여기에 사용된 LED는 반사각이 130° 짜리임을 제조자 측에서 밝힌 제품이다.
아래(그림 4) 설명.
(5).jpg)
Bar가 수평으로 있을 때의 밝기……………………………………… 14μmolm-2s-1
Bar를 54° 기울게 들어 올렸을 때의 밝기 ………………………… 6μmolm-2s-1
이 시험에서, 식물에 비춰주는 LED 조명은 가까울수록, 또 방사각은 수평일 때가 가장
효율적임을 알 수 있었다.
법칙 7 : 광원이 어떤 모양일지라도 광원에서 차츰 멀어지면 빛을 받는 면의 형태는
원에 가까워진다.
이 말은, LED 의 광원 형태가 막대형이거나 직사각형, 어느 것이라도 멀리에서는
그 빛을 받는 면의 모양은 원형 형태가 된다는 뜻이다.
또한 각기 다른 빛을 내는 LED를 섞어 놓더라도 그 전체적인 빛 스팩트럼은 어느 정도
거리 밖에서는 저절로 섞이게 된다는 뜻이다.
이러한 특성은 각기 다른 여러 가지 파장대의 빛과, 각기 다른 밝기의 LED를 섞어
쓰더라도 아무런 문제가 되질 않아, 합성 스팩트럼을 만들기가 편하다.
아래(그림5) 의 설명.
그림은 위에서 본 것으로, 이와 같이 광원이 2개일 경우라도, 가까이에서는 안쪽의
타원형과 같은 모양의 면에 빛이 비춰지나, 멀리(광원을 높이)에서는 빛의 방사분포도는
원형이 된다는 걸 보여주고 있다.
(4).jpg)
5. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법.
위와 같은 연구에서 얻은 결론에 의하면 LEDD의 가장 효율적인 사용방법은 아래와 같다.
방법1 : LED 광원은 무조건 재배식물과 가까워야 한다.
이 방법을 실현하기 위해서는, LED 바는 꼭 높이를 조절할 수가 있어야 한다.
즉 식물이 덜 자라 키가 낮을 때는 LED 바의 높이도 낮춰주고, 식물이 자랄수록 광원의
높이를 올려 주어야 한다.
이 방법으로는, LED 바를 장착한 지지대의 높이를 간편하게 변경시킬 수 있는 자동화
장치가 필요하다는 뜻이다.
LED 바가 재배식물에 2배 가까이 있으면 전기세는 4배 절약이 되는 셈이기 때문이다.
방법 2 : LED는 식물의 위치에서 봤을 때 수직인 채로 바로 비춰 줘야 한다.
이는 아주 중요한 것으로, 위의 (그림3)에서와 같은 각도를 유지해야 한다는 뜻이다.
LED를 식물의 위치에서 봐서 50°쯤 기울어져 있게 설치한다는 것은, 전기세의
50%를 아무런 이유도 없이 갖다 버리는 꼴이 된다.
방법 3 : LED 사용전류를 가능한 한 최대정격이나 조금 더 많은 양을 흘려 사용한다.
광량의 변화는 포화점 가까이 까지는 LED에 흐르는 전류에 비례하므로, 가능하면
많은 전류를 흘려 사용하는 것이 경제적이다.
다만 여기서는 LED의 발열 문제를 해결해야 하므로 충분한 방열판을 장착해
밀착되도록 해야 한다.
LED의 사용 권장 주변온도는 대략 약 45℃까지로, 그 이상이 되면 수명이 급격하게
짧아지기 때문이다.
어떤 경우에는 LED와 밀착되어 있는 방열판에 가느다란 구리 파이프를 연결해 두고
여기에 물을 흘려 냉각시키는 방법도 고려해 볼 수 있다.
방법 4 : 설치 후 시험측정.
모든 식물공장과 보광재배시설에서는 LED 조명이든 형광등이거나 백열등이든 설치 후에는
그 빛의 실태를 꼭 직접 측정해 보아야 한다.
왜냐하면 사람의 시각적 관찰로는 실제 식물의 성장에 필요한 조명 조건이 맞는지의 여부를
결코 알 수 없을 만큼 큰 편차가 있기 때문이다.
그리고 그 판단은 다음과 같이 한다.
a. 빛의 파장대가 맞는지 확인한다.
어떤 식물이건 한가지 빛의 파장대에서는 결코 잘 자라지 않는다. 예를 들어 적색 빛만으로
엽채류를 키운다면, 식물이 성장은 하나, 상품성 있는 식물로 완전하게 자랄 수는 없다는
뜻이다.
이것은 물론 청색 빛만으로 식물을 키우는 경우에도 똑같다. 왜냐하면 식물은 적색,
청색, 녹색, 황색의 빛 중 어느 것 하나만 비춰줘도 일견 잘 자라는 것 같이 보이기도 하기
때문이다. 그러나 결코 완전한 성장은 이루어지지 않아, 웃자라거나, 색상이 진하지 않거나
너무 힘이 없이 자랄 뿐이다.
이런 여러 가지 시험에서 얻은 결론은, 식물성장용 빛의 스팩트럼은 분포대가 어느 정도 넓은
빛이어야 한다는 점이다. 즉 빛의 파장대가 아래 위로만 날카롭게 드러나 있어서는 안되고
위의 (사진9)에서와 같이 옆으로 퍼져 있어 여러 파장대가 조금씩은 섞여 있어야
한다는 것이다.
그런 이치에서, 식물을 키우기 위한 빛을 만일 사람의 눈으로 보아 한가지 색만을
선택하라면 그건 흰색일 수 밖에 없다. 흰색이란 여러 가지 색이 섞여있다는 뜻이기 때문이다.
그런데 문제는 이렇듯 빛의 스팩트럼을 측정해 보기 위해서는 아주 고가의 측정장비인
Light spectrum Analyzer 가 필요하다는 점이다. 이 장비는 일반인이 구입하기는
불가능하므로 전문 기업체에 의뢰할 수 밖에 없는 실정이다.
b. 빛의 세기를 측정해 본다.
만일 100% 인공광만으로 식물을 키우고자 한다면 빛의 세기는 최소한 30~ 150μmolm-2s-1은
되어야 한다.
한편 주된 광원은 태양광으로 하고, 밤에 인공광을 보광해 주는 보조광원으로 쓸 때의
빛의 세기는 최소한 2~15μmolm-2s-1은 되어야 한다.
여기서 빛의 세기, 특히 μmolm-2s-1을 측정하기 위해서는 Quantum Meter를 쓴다.
보조광원의 기능으로는 화훼재배나 잎들깨밭에서의 추대를 막고 잎의 크기를 균일하게
유지시키기 위한 목적으로 쓰기도 하는데, 이때의 목적은 식물을 키우는 것이 아니기
때문에 빛의 세기가 좀 약해도 되는 것이다.
c. 실제 LED 의 동작상태를 관찰, 측정해 본다.
먼저 LED에서 열이 나는지를 확인해 보아야 한다.
대부분 LED 메이커들은 LED 의 사용 스펙에 몇 도 의 온도까지 에서만 사용하라는 권장
조건을 명기해 놓았다.
대부분의 LED 는 80℃까지 에서는 사용할 수 있다고 되어 있으나 이것은 LED 내부의
접합부위 온도를 말하므로, 외부에서의 측정온도는 45℃를 넘지 않아야 한다.
즉 손으로 만져 보아 그냥 따뜻한 정도면 되겠으나, 뜨겁다는 느낌이 들어서는 안된다.
LED 의 수명은 오로지 사용온도에 반비례하기 때문이다.
그리고 LED 에 흐르는 전류도 꼭 측정해보아야 할 항목이다.
소형( Oval type, 원의 지름이 5mm 쯤 되는 구형)LED 는 최대 사용전류가 20mA 나
30mA 급으로, 소모전력이 30mW(0.03W) 정도의 소전력용이고, 또는 큰 것이 45mW
급이어서 이런 LED를 사용한 경우 최대 전류는 역시 20~30mA 가 한계인데,
광변환효율이 낮아 요즈음은 사용하지 않는 추세이다.
요즈음은 고휘도 LED 라는 걸 주로 사용하는데, 1W 급이 주류를 이룬다.
이 LED 는 대부분 사용전류가 350mA 이다.
만일 이 LED를 350mA 가 안되는 전류가 흐르도록 사용하는 것은 설비의 낭비에 속한다.
왜냐하면 그 LED가 낼 수 있는 최대의 광량을 다 못 쓰는 셈이 되니까 그렇다.
그러나 만일, 이 최대 권장 정격전류치 이상으로 사용하게 되면 이번에는 수명이 짧아지므로
이것도 설비의 낭비에 해당된다.
현실적으로는, 현장에 나가서 측정해 본 바에 의하면, 한 비닐하우스 내에서 조차 각기
사용전류의 편차가 극심한 경우가 많았으므로 꼭 유의해 보아야 할 사항이다.
※ 결론
이상으로 LED를 사용한 식물 재배의 기술적 일면을 살펴 보았다.
다음 호에서는 LED의 고속 점멸 사용의 효율성과 문제점, 전원회로(Converter)의 효율 등을
실제 식물의 시험재배를 통해 알아보기로 하겠다.
한가지 약속드릴 수 있는 것은, 이 연구 발표에 있어 무엇보다 사실적인 실험과 자료를
바탕으로 할 것이라는 점이다. 이런 연구 시험으로 지금까지의 식물공장, LED 조명에서의
잘못된 사실이나 과장된 점들이 바로 잡혀지길 기대해 본다.
---제 1부 끝 ---
출처 : http://cafe.daum.net/3Zero
ㆍ과 류 붓꽃과 / 4~5월 개화 / 초장 10~30cm / 약용, 관상용, 절화용 / 전국 산야 반습지 서식 / 씨뿌리기, 포기나누기 / 내서(강), 내한(강), 내습(강), 내건(강)
ㆍ과 류 현호색과 / 5~6월 개화 / 초장 40~60cm / 약용, 관상용, 식용 / 중부지역의 산지 / 씨뿌리기, 뿌리나누기, 삽목 / 내서(강), 내한(강), 내습(약), 내건(중강) 
ㆍ과 류 미나리아재비과 / 4~5월 개화 / 초장 30~40cm / 분화용, 관상용, 약용 / 전국 산야 양지 / 씨뿌리기, 근삽목 / 내서(강), 내한(강), 내습(약), 내건(강)
ㆍ과 류 매자나무과 / 4~5월 개화 / 초장 20~30㎝ / 관상용, 약용 / 우리나라 전 지역 자생 / 씨뿌리기, 포기나누기 / 내서(중), 내한(강), 내습(강), 내건(중)
ㆍ과 류 미나리아재비과 / 3~4월 개화 / 초장 15∼30㎝ / 약용, 관상용 / 전국 산의 양지 / 씨뿌리기, 포기나누기 / 내서(중약), 내한(강), 내습(중), 내건성(강)
ㆍ과 류 미나리아재비과 / 4~5월 개화 / 초장 30㎝ / 관상용 / 중부이북의 고산 중턱 / 씨뿌리기, 포기나누기 / 양지 식재 / 내서(강), 내한(강), 내습(중), 내건(중)
ㆍ과 류 꿀풀과 / 6~7월 개화 / 초장 20~30cm / 식용, 약용, 관상용, 밀원용 / 전국 산야 / 포기나누기, 씨뿌리기 / 내서(강), 내한(강), 내습(강), 내건(강)
ㆍ과 류 붓꽃과 / 5~6월 개화 / 초장 40~60cm / 관상용 / 유럽 원산 / 씨뿌리기, 포기나누기 / 내서(강), 내한(강), 내습(강), 내건(강)
ㆍ과 류 미나리아재비과 / 6~7월 개화 / 초장 2~4m 포복형 / 식용, 관상용, 약용 / 전국의 산야 / 씨뿌리기, 삽목 / 양지 식재 / 내서(강), 내한(강), 내습(강) 내건(강)
ㆍ과 류 백합과 / 7월 개화 / 초장 40~150cm / 식용, 관상용, 약용, 절화용 / 전국의 낮은 산야 / 목자, 주아, 인편 / 양지 식재 / 내서(강), 내한(강), 내습(중), 내건(강)
ㆍ과 류 붓꽃과 / 5~6월 개화 / 초장 40~60cm / 관상용, 약용 / 중부, 북부지방의 고산지대 / 씨뿌리기, 포기나누기 / 내서(강), 내한(강), 내습(강), 내건(강)
ㆍ과 류 미나리아재비과 / 4~5월 개화 / 초장 30~50cm / 식용, 관상용 / 전국 산지 습지 / 포기나누기, 씨뿌리기 / 내서(약), 내한(강), 내습(강), 내건(약)
ㆍ과 류 국화과 / 9~10월 개화 /초장 1~1.5m / 관상용, 약용, 향료용 / 전국 각처 / 포기나누기, 씨뿌리기, 삽목 / 내서(강), 내한(강) / 내습(중), 내건(강)
ㆍ과 류 국화과 / 9~10월 개화 / 초장 30~50cm / 관상용, 약용 / 전국의 햇볕이 잘 드는 산야 / 삽목, 씨뿌리기, 포기나누기 / 내서(강), 내한(강), 내습(약), 내건(강)
ㆍ과 류 용담과 / 9~10월 / 초장 20~60cm / 절화용, 관상용, 약용 / 전국의 산야의 초원 / 씨뿌리기, 포기나누기, 삽목 / 내서(강), 내한(강), 내습(강), 내건(중)
ㆍ과 류 마편초과 / 8~9월 개화 / 초장 40~70cm / 절화용, 관상용, 약용 / 남부지방의 산야 양지 / 씨뿌리기, 포기나누기 / 내서(강), 내한(강), 내습(약), 내건(강)
ㆍ과 류 돌나물과 / 7~8월 개화 / 초장 20~40cm / 관사용, 약용, 식용 / 전국 각처 / 씨뿌리기, 삽목 / 내서(강), 내한(강), 내습(중강), 내건(강)
ㆍ과 류 꿀풀과 / 10~11월 개화 / 초장 3~6cm / 약용, 관상용 / 한라산 해발 1500~1700m 습지 / 포기나누기, 씨뿌리기 / 내서(강), 내한(강), 내습(강), 내건(중강)
