미래 산업형 식물공장과 LED 기술
<편집자 주>
북부 유럽의 일부 국가에서 부족한 일조량을 보충하기 위하여 시작된 식물공장은 통제된 시설 내 빛, 공기, 열, 양분 등 생물의 생육환경을 인공적으로 제어해 공산품처럼 계획 생산이 가능한 농업 형태로, 이미 일본과 유럽, 미국 등 선진국에서는 연구가 활발하다. 이러한 식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있는 점 이외에도 이산화탄소 발생량을 30% 정도 줄일 수 있는 장점이 있고, 농업용 로봇, LED 등 인공광, 생산 자동화 시스템 등 농업 기술을 IT, BT, RT 분야와 연계하여 농업, 공업 나아가 서비스업 등의 협력까지 도모할 수 있는 신성장 산업의 동력이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
----- 목차 -----
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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9. 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 한 가지 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 스펙트럼은 분포대가 어느 정도 넓은 빛이어야 한다는 점이다. 즉 빛의 파장대가 아래 위로만 날카롭게 드러나 있어서는 안 되고 옆으로 퍼져 있어 여러 파장대가 조금씩은 섞여 있어야 한다는 것이다.
그런 이치에서, 식물을 키우기 위한 빛을 만일 사람의 눈으로 보아 한 가지 색만을 선택하라면 그건 흰색일 수밖에 없다. 흰색이란 여러 가지 색이 섞여있다는 뜻이기 때문이다.
그런데 문제는 이렇듯 빛의 스펙트럼을 측정해 보기 위해서는 아주 고가의 측정장비인 Light Spectrum Analyzer가 필요하다는 점이다. 이 장비는 일반인이 구입하기는 불가능하므로 전문 기업체에 의뢰할 수밖에 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-1 을 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 LED의 동작 상태를 관찰, 측정해 본다.
먼저 LED에서 열이 나는지를 확인해 보아야 한다. 대부분 LED 메이커들은 LED의 사용 스펙에 몇 도의 온도까지에서만 사용하라는 권장 조건을 명기해 놓았다. 대부분의 LED는 80℃까지에서는 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 안 된다. LED의 수명은 오로지 사용온도에 반비례하기 때문이다.
그리고 LED에 흐르는 전류도 꼭 측정해보아야 할 항목이다. 소형(Oval Type, 원의 지름이 5㎜쯤 되는 구형)LED는 최대 사용전류가 20㎃나 30㎃급으로, 소모전력이 30㎽(0.03W) 정도의 소전력용이고, 또는 큰 것이 45㎽ 급이어서 이런 LED를 사용한 경우 최대 전류는 역시 20~30㎃가 한계인데, 광변환효율이 낮아 요즈음은 사용하지 않는 추세이다.
요즈음은 고휘도 LED라는 걸 주로 사용하는데, 1W급이 주류를 이룬다. 이 LED는 대부분 사용전류가 350㎃이다. 만일 이 LED를 350㎃가 안 되는 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.
(주)카스트친환경농업기술 www.sunnyfield.co.kr
※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 미래 산업형 식물공장과 LED 기술(9)
