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문제 정의
- 특히 광합성과 관련한 실내 공기정화능 연구에서 식물생장에 필요한 파장만을 선택적으로 조사한 연구사례는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 각각의 LED 광질이 식물 종에 따라 주요 식물 기능성으로 기대되는 입자성 오염물질 제거 효과를 구명하여 식물을 통한 환경 친화적인 생물학적 공기정화에 대한 실내식물의 기능성의 기초자료를 제시하고자 본 연구를 수행하였다.
- 실내 관엽 식물의 기능성과 유지비용 절감을 위하여 광 환경(광질)에 따라 지속 가능한 최적의 적정 인공 광질을 구명하고자 수행하였다. 실내식물의 기능성과 유지비용 절감에 이상적인 광원은 백색광과 혼합광으로 나타났으나, 혼합광은 사람이 식물을 볼 때 본래의 색을 볼 수 없고, 눈이 쉽게 피로해지는 단점이 있는 광원이라, 식물생장에 따른 경제성, 기능성을 동시에 만족시킬 수 있는 백색광이 최적의 광으로 판단되었다.
제안 방법
- LED 광 처리와 식물 종류에 따른 분진 제거 능을 알아보기 위하여 식물 환경조절 생육상(DF-95G-1248M, 두리과학)에 stainless와 투명유리로 제작된 전체 부피 280 L[0.55 m(W) × 0.58 m(L) × 0.9 m(H)]의 챔버를 넣어 챔버내 온도와 습도를 제어하였다.
- LED광질 처리에 따른 분진 제거능을 측정하기 위하여 teflon 비닐로 화분을 밀폐하여 챔버내에 두고 식물지상부에서 분진 제거능을 조사하였다. 챔버를 밀폐한 후 한 시간 정도 생육상 내 챔버의 분진 농도와 온·습도가 안정될 수 있도록 하였고, 식물종별 3pot 씩 3반복 측정하였다.
- 밀폐 챔버에 담배연기 속의 PM10과 이산화탄소 1,000 ppm을 처리한 후 식물을 넣어 생리적 변화를 알아보기 위하여 광합성속도, 증산량, 기공전도도를 측정하였다. 처리 전과 후의 광합성 속도는 2배 이상의 유의차를 보였으며, 특히 혼합광과 백색광에서 광합성량이 증가되는 것으로 조사되어 광질에 따라 식물의 광합성량이 증가된 것으로 판단되었다.
- 분진 발생은 일반적으로 쉽게 구할 수 있는 담배(This plus, KT＆G, Seoul, Korea)를 발생원으로 이용하였으며, 담배연기 농도를 환경부에서 시간당 실내 대기 중 분진 농도의 최대 허용치로 지정한 PM10의 150 μg/m-3 보다 높은 250±10 μg/m-3가 되도록 주입한 후 팬을 가동시켜 기류를 생성해 주었다.
- 이산화탄소 흡수량 조사는 우리나라 실내 기준치인 1,000 ppm을 주입하기 위하여 챔버 내부에 이산화탄소 측정기(HSTNH - Fox 2, Hewlett packard, USA)를 설치하고 레귤레터로 압력을 줄여, 분당 5 ml (5,000 μm)를 누기량 10 %를 포함한 시간을 환산하여 주입한 후 60 cm∼70 cm 높이에서 1분 간격으로 3시간동안 측정하였다. 분진과 CO2 제거 전과 후 식물의 생리적 변화를 측정하기 위하여 휴대용 광합성 측정기 (LCpro-SD, ADC Bioscientific Ltd., England)를 사용하여 분진실험 전과 후의 광합성량을 측정하였다.
- 분진제거율은 PM10과 상대농도 2.5 μm, 1.0 μm를 분진 측정기(DM 11432, Turnkey Instruments Ltd, England)를 사용하여 1분 간격으로 3시간 동안 측정하였다.
- 이식용 배지는 피트모스(peatmoss), 질석(vermiculite), 펄라이트(perlite)를 혼합하여(1:1:1, v/v) 사용하였으며, 정식 후 공주대 유리온실에서 1개월간 순화시켰으며, LED광 환경하에서 다시 2주간 적응기간을 거친 후 본 실험에 이용하였다. 시비와 관수는 조제한 액비를 3일에 한 번씩 식물 크기에 따라 표층 관수하였다.
- 이산화탄소 흡수량 조사는 우리나라 실내 기준치인 1,000 ppm을 주입하기 위하여 챔버 내부에 이산화탄소 측정기(HSTNH - Fox 2, Hewlett packard, USA)를 설치하고 레귤레터로 압력을 줄여, 분당 5 ml (5,000 μm)를 누기량 10 %를 포함한 시간을 환산하여 주입한 후 60 cm∼70 cm 높이에서 1분 간격으로 3시간동안 측정하였다.
- 챔버내 습도조절을 위해 물이 순환되는 stainless tube를 바닥부분에 설치하였고, 물은 냉각기를 이용 하여 8∼15 ℃로 제어하였으며, 펌프로 순환시켜 일정한 습도를 유지시켰다.
- 챔버를 밀폐한 후 한 시간 정도 생육상 내 챔버의 분진 농도와 온·습도가 안정될 수 있도록 하였고, 식물종별 3pot 씩 3반복 측정하였다.
대상 데이터
- ), 쿠르시아(Clusia rosea), 디펜바키아(Dieffenbachia maculate)의 4종을 임의 선정하여 실험에 공시하였다. 공시된 식물은 경기도에 위치한 농가에서 일괄 구입하여 플라스틱 6호 화분에 옮겨 심었다. 이식용 배지는 피트모스(peatmoss), 질석(vermiculite), 펄라이트(perlite)를 혼합하여(1:1:1, v/v) 사용하였으며, 정식 후 공주대 유리온실에서 1개월간 순화시켰으며, LED광 환경하에서 다시 2주간 적응기간을 거친 후 본 실험에 이용하였다.
- 실험에 공시된 식물은 실내에서 가장 이용 빈도가 높은 관엽식물 중 초장 40 cm 이상의 인도고무나무(Ficus elastica), 스파티필럼(Spathiphyllum spp.), 쿠르시아(Clusia rosea), 디펜바키아(Dieffenbachia maculate)의 4종을 임의 선정하여 실험에 공시하였다. 공시된 식물은 경기도에 위치한 농가에서 일괄 구입하여 플라스틱 6호 화분에 옮겨 심었다.
- 실험에 이용된 광원은 형광등(F, 오스람, 30 W), LED 처리구는 백색광W(W), 혼합광H(H, 1: B, 1), 적색광(R), 청색광(B)로 각각의 광원장치를 0.6 m × 0.6 m 규격의 패널에 LED 소자를 부착하여 stainless 챔버 위에 설치하였다.
- 공시된 식물은 경기도에 위치한 농가에서 일괄 구입하여 플라스틱 6호 화분에 옮겨 심었다. 이식용 배지는 피트모스(peatmoss), 질석(vermiculite), 펄라이트(perlite)를 혼합하여(1:1:1, v/v) 사용하였으며, 정식 후 공주대 유리온실에서 1개월간 순화시켰으며, LED광 환경하에서 다시 2주간 적응기간을 거친 후 본 실험에 이용하였다. 시비와 관수는 조제한 액비를 3일에 한 번씩 식물 크기에 따라 표층 관수하였다.
성능/효과
- 각 식물의 단위 엽 면적당 제거율은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 스파티필럼에서 유의하게 증가하였으며, 디펜바키아에서 단위 엽 면적당 제거율이 감소된 것으로 나타났다. 식물종에 따라 이산화탄소 제거 패턴은 비슷하였으나 시간이 경과함에 따라 제거율은 식물마다 차이가 나는 것으로 조사되었다.
- 이러한 결과는 광질이 식물의 광합성 속도에 크게 작용하여 얻어진 결과로 판단되어지며, 광합성율이 높은 식물은 이산화탄소와 분진 제거에도 높게 작용하고 있음을 나타내고 있다. 결국 광합성에 영향을 주는 백색과 혼합광에서 관엽 식물은 광합성율이 높아 졌으며, 그에 따라 이산화탄소와 미세분진도 동시에 감소시켜, 실내공기질 개선에 대한 기능성과 경제성에서 가장 우수한 최적의 광원으로 판단되었다.
- 실험 식물 중 디펜바키아의 경우 각 식물 간 비슷한 경향을 유지하고 있으나 적색 광에서 가장 흡수율이 낮은 것으로 조사되었다. 고무나무는 단위 엽 면적당 이산화탄소 제거에 혼합광에서 유의한 증가를 보인 반면, 적색 광에서 가장 제거능이 약한 것으로 조사되었다. 이러한 결과는 광질에 따라 식물의 광합성속도와 상호 작용하여 얻어진 결과로 판단되어지며, 광합성율이 높은 식물이 밀폐 챔버내 이산화탄소 제거에도 크게 작용하고 있음을 보여주고 있다.
- 한편 기공전도도와 증산량에서 많은 변화를 보인 식물은 고무나무로 나타났다. 고무나무에서 분진과 이산화탄소 처리 전과 후의 생리적 변화를 보면, 혼합 광에서 광합성 속도는 처리전보다 후에 3배 이상 차이를 보여 가장 많은 차이를 나타냈다. 본 실험 공시 식물의 변화를 보면 모든 식물은 적색광은 처리 전과 후 가장 낮은 광합성율과 증산률, 기공전도도가 나타났으며, 고무나무에서는 기공전도율이 높게 측정되었다.
- 광질에 따른 전력 소비량은 형광등에 비해 백색광은 119 W/h로 형광등 대비 약 45 %의 전력소비가 감소되어 에너지 효율을 높일 수 있는 적정 인공 광질 이라고 판단되며, 적색광은 72 W/h로 형광등 대비 약 33%에 불과해 3배 정도 전력소모 비용이 절감될 수 있으나 식물 생장이 불량하여 적정 광질이 아닌 것으로 판단되었다.
- 한편 백색광은 전력소비가 대조구인 형광등 대비 절반 정도에 그쳐 기능성과 경제적인 측면에서도 최적의 광질임이 확인되었다. 다른 광질에서는 형광등 대비 전력소비 비율이 엠버광에서 가장 높게 조사되어 식물생장과 기능, 경제성에서도 엠버광이 가장 부적당한 광질임이 확인되었다.
- 대조구인 형광등의 미세분진 감소는 초기 농도 값에 도달하기까지 1시간 20분 정도 소요되어 전반적으로 변화가 적은 것으로 조사되었다. 백색광과 혼합광에서 초기 농도 값에 도달하기까지 디펜바키아, 쿠르시아, 스파티필럼은 한 시간에서 한 시간 10분정도 소요되었으며, 청색광에서 1시간 정도 소요되었다.
- 청색광에서 경제적 가치는 형광등대비 120 W/h로 55 %를 소비하여 전체 절반정도의 에너지 절감 효과가 있는 것으로 판단되었다. 따라서 식물 생장과 기능성 향상, 경제적 가치 향상에 이상적인 적정 광은 백색광원이며, 혼합광과 청색광에서도 좋은 결과가 나왔으나 인간의 기준으로 볼때 시야를 산란시키는 단점을 가지고 있는 광원이기 때문에 백색광원이 가장 최적의 광으로 판단되었다.
- 3). 따라서 식물을 통한 실내 오염원 제거 중 PM10과 이산화탄소 제거능에 관여하는 최적의 광질은 백색광으로 나타났으며, 백색광에서 광합성율이 높아졌고, 스파티필럼이 가장 높은 광합성속도를 보여 생장과 기능성 및 경제성 모두 가장 이상적인 최적의 광원으로 판단되었다.
- 고무나무에서 분진과 이산화탄소 처리 전과 후의 생리적 변화를 보면, 혼합 광에서 광합성 속도는 처리전보다 후에 3배 이상 차이를 보여 가장 많은 차이를 나타냈다. 본 실험 공시 식물의 변화를 보면 모든 식물은 적색광은 처리 전과 후 가장 낮은 광합성율과 증산률, 기공전도도가 나타났으며, 고무나무에서는 기공전도율이 높게 측정되었다. 광질에 따라 식물의 광합성과 증산량, 기공전도도 등의 패턴이 달라지며,광합성량이 증가하는 광질과 그러한 광질 하에서 식물의 광합성능은 실험 식물 간 유의한 차이를 보이고 있다(Fig.
- 실내식물의 미세분진과 이산화탄소 제거는 식물에 의한 흡착과 광합성에 의한 흡수기작이 함께 작용하여 일어나는 것으로 판단되었다. 분진과 이산화탄소 제거 실험 전과 후의 광합성 속도는 2배 이상의 유의차를 보였으며, 특히 혼합광과 백색광에서 광합성량이 증가되는 것으로 조사되어 광질에 따라 식물의 광합성량이 증가된 것으로 판단되었다.
- 빈 챔버에 미세분진과 식물을 주입한 후 경과시간에 따라 측정한 결과 분진을 넣기 전의 초기농도에 도달하기까지 2시간 정도 걸렸으며, 식물마다 약간의 편차는 있었으나 초기 값에 도달하기까지 약 1시간정도 걸려 미세분진의 자연적인 침강과 더불어 식물에 의한 흡착, 흡수 작용이 이루어지는 것으로 확인되었다. 김(2003)은 식물 종별 분진제거율에서 엽면적이 클수록 분진제거율이 증가한다고 하였으며, 식물 종에 따라 분진제거율은 상이한 차이가 있었고, 분진제거에 가장 효과적인 식물은 엽면적이 크면서 광합성률이 우수한 식물이었으며, 그중에서 고무나무가 가장 효과적이었다고 보고하였다.
- 이러한 결과는 광질에 따라 식물의 광합성속도와 상호 작용하여 얻어진 결과로 판단되어지며, 광합성율이 높은 식물이 밀폐 챔버내 이산화탄소 제거에도 크게 작용하고 있음을 보여주고 있다. 스파티필럼과 쿠르시아에서도 혼합광에서 이산화탄소 제거량에 유의한 차이를 나타내고 있어 식물 생장에 최적의 광질로 오염물질을 흡수하는 능력이 뛰어나며, 경제적인 측면에서도 에너지 효율이 최대인 백색광과 혼합 광이 우수한 것으로 판단되었다.
- 2에서 보는 바와 같이 스파티필럼에서 유의하게 증가하였으며, 디펜바키아에서 단위 엽 면적당 제거율이 감소된 것으로 나타났다. 식물종에 따라 이산화탄소 제거 패턴은 비슷하였으나 시간이 경과함에 따라 제거율은 식물마다 차이가 나는 것으로 조사되었다. 실내에서 이산화탄소 배출원은 다른 요인이 있을 수 있으나 공간 내 사람수가 많을수록 재실자에 의해 많이 발생 되어 진다.
- 실내 관엽 식물의 기능성과 유지비용 절감을 위하여 광 환경(광질)에 따라 지속 가능한 최적의 적정 인공 광질을 구명하고자 수행하였다. 실내식물의 기능성과 유지비용 절감에 이상적인 광원은 백색광과 혼합광으로 나타났으나, 혼합광은 사람이 식물을 볼 때 본래의 색을 볼 수 없고, 눈이 쉽게 피로해지는 단점이 있는 광원이라, 식물생장에 따른 경제성, 기능성을 동시에 만족시킬 수 있는 백색광이 최적의 광으로 판단되었다.
- 실험 식물 중 디펜바키아의 경우 각 식물 간 비슷한 경향을 유지하고 있으나 적색 광에서 가장 흡수율이 낮은 것으로 조사되었다. 고무나무는 단위 엽 면적당 이산화탄소 제거에 혼합광에서 유의한 증가를 보인 반면, 적색 광에서 가장 제거능이 약한 것으로 조사되었다.
- 엠버광 처리에서 에너지 효율은 형광등 대비 240 W/h로 111 %의 전력을 사용하였으며, 식물 생장에서도 불량한 결과가 나와 기능성과 경제적인 측면에서 적정 광질이 아니라는 것이 확인되었다. 적색과 청색을 혼합한 혼합광에서의 경제성을 분석해보면, 형광등 대비 147 W/h로 68 %의 전력소비가 이루어져 같은 조건하에서 경제적 이익은 32%로 확인되었다.
- 고무나무는 단위 엽 면적당 이산화탄소 제거에 혼합광에서 유의한 증가를 보인 반면, 적색 광에서 가장 제거능이 약한 것으로 조사되었다. 이러한 결과는 광질에 따라 식물의 광합성속도와 상호 작용하여 얻어진 결과로 판단되어지며, 광합성율이 높은 식물이 밀폐 챔버내 이산화탄소 제거에도 크게 작용하고 있음을 보여주고 있다. 스파티필럼과 쿠르시아에서도 혼합광에서 이산화탄소 제거량에 유의한 차이를 나타내고 있어 식물 생장에 최적의 광질로 오염물질을 흡수하는 능력이 뛰어나며, 경제적인 측면에서도 에너지 효율이 최대인 백색광과 혼합 광이 우수한 것으로 판단되었다.
- 한편 광 조건에 따른 이산화탄소와 미세분진의 감소 패턴은 모든 광 처리에서 비슷한 경향을 나타냈지만, 식물종에 따라 단위 엽 면적당 제거율은 스파티필럼에서 가장 높게 증가하였으며, 디펜바키아는 가장 낮게 나타났다. 이산화탄소 제거는 혼합광에서 높은 증가를 보인 반면, 적색광에서 가장 제거능이 약한 것으로 조사되었다. 실내식물의 미세분진과 이산화탄소 제거는 식물에 의한 흡착과 광합성에 의한 흡수기작이 함께 작용하여 일어나는 것으로 판단되었다.
- 엠버광 처리에서 에너지 효율은 형광등 대비 240 W/h로 111 %의 전력을 사용하였으며, 식물 생장에서도 불량한 결과가 나와 기능성과 경제적인 측면에서 적정 광질이 아니라는 것이 확인되었다. 적색과 청색을 혼합한 혼합광에서의 경제성을 분석해보면, 형광등 대비 147 W/h로 68 %의 전력소비가 이루어져 같은 조건하에서 경제적 이익은 32%로 확인되었다. 적색광에서 전력소비는 형광등 대비 72 W/h로 33 %에 불과해 3배 정도의 전력소비 감소가 예상되나 식물 생장 불량에 따른 관상가치 하락과, 미세먼지, 이산화탄소의 감소율 또한 낮아 기능적인 측면에서 적정한 광질이 아닌 것으로 증명 되었다.
- 적색과 청색을 혼합한 혼합광에서의 경제성을 분석해보면, 형광등 대비 147 W/h로 68 %의 전력소비가 이루어져 같은 조건하에서 경제적 이익은 32%로 확인되었다. 적색광에서 전력소비는 형광등 대비 72 W/h로 33 %에 불과해 3배 정도의 전력소비 감소가 예상되나 식물 생장 불량에 따른 관상가치 하락과, 미세먼지, 이산화탄소의 감소율 또한 낮아 기능적인 측면에서 적정한 광질이 아닌 것으로 증명 되었다. 청색광에서 경제적 가치는 형광등대비 120 W/h로 55 %를 소비하여 전체 절반정도의 에너지 절감 효과가 있는 것으로 판단되었다.
- 밀폐 챔버에 담배연기 속의 PM10과 이산화탄소 1,000 ppm을 처리한 후 식물을 넣어 생리적 변화를 알아보기 위하여 광합성속도, 증산량, 기공전도도를 측정하였다. 처리 전과 후의 광합성 속도는 2배 이상의 유의차를 보였으며, 특히 혼합광과 백색광에서 광합성량이 증가되는 것으로 조사되어 광질에 따라 식물의 광합성량이 증가된 것으로 판단되었다. 디펜바키아는 형광등, 백색광, 혼합광에서 광합성이 촉진되었으며, 분진과 이산화탄소 처리 전과 후의 생리적 변화에서도 비슷한 경향으로 조사되었다.
- 적색광에서 전력소비는 형광등 대비 72 W/h로 33 %에 불과해 3배 정도의 전력소비 감소가 예상되나 식물 생장 불량에 따른 관상가치 하락과, 미세먼지, 이산화탄소의 감소율 또한 낮아 기능적인 측면에서 적정한 광질이 아닌 것으로 증명 되었다. 청색광에서 경제적 가치는 형광등대비 120 W/h로 55 %를 소비하여 전체 절반정도의 에너지 절감 효과가 있는 것으로 판단되었다. 따라서 식물 생장과 기능성 향상, 경제적 가치 향상에 이상적인 적정 광은 백색광원이며, 혼합광과 청색광에서도 좋은 결과가 나왔으나 인간의 기준으로 볼때 시야를 산란시키는 단점을 가지고 있는 광원이기 때문에 백색광원이 가장 최적의 광으로 판단되었다.
- 1). 쿠르시아는 백색광에서 분진제거 속도가 빠르게 나타났으며, 스파티필럼, 디펜바키아, 쿠르시아에서도 형광등에서 분진제거 속도가 유의하게 증가하는 것으로 조사되었다.
- 한편 광 조건에 따른 이산화탄소와 미세분진의 감소 패턴은 모든 광 처리에서 비슷한 경향을 나타냈지만, 식물종에 따라 단위 엽 면적당 제거율은 스파티필럼에서 가장 높게 증가하였으며, 디펜바키아는 가장 낮게 나타났다. 이산화탄소 제거는 혼합광에서 높은 증가를 보인 반면, 적색광에서 가장 제거능이 약한 것으로 조사되었다.
- 반면 적색광에서 초기 농도 값에 도달하기까지 1시간 30분이 소요되어 광질에 따른 미세먼지 감소 경향은 유의 하게 달라짐이 확인되었다. 한편 광질에 따른 경제성을 분석해 보면, 형광등(216 W/h) 대비 백색광에서는 119 W/h로 55 %의 전력을 소비하여 형광등의 절반정도 사용되어 에너지 효율을 극대화할 수 있는 적정 광질이라고 판단되었다.
- 1과 같이 나타나, 식물에 의한 흡착과 흡수 그리고 자연 침강 등의 복합적인 요인이 작용하여 시간이 경과됨에 따라 감소된 것으로 판단되었다. 한편 백색광은 전력소비가 대조구인 형광등 대비 절반 정도에 그쳐 기능성과 경제적인 측면에서도 최적의 광질임이 확인되었다. 다른 광질에서는 형광등 대비 전력소비 비율이 엠버광에서 가장 높게 조사되어 식물생장과 기능, 경제성에서도 엠버광이 가장 부적당한 광질임이 확인되었다.
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