[논문]식물재배를 위한 최적LED 배열조합설계

이성원; 박세광

doi:10.5010/jpb.2014.41.3.123

식물재배를 위한 최적LED 배열조합설계
LED array design for optimal combination of plant grown 원문보기

Journal of plant biotechnology = 식물생명공학회지, v.41 no.3, 2014년, pp.123 - 126

이성원 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부) , 박세광 (경북대학교 IT대학전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is suitable for household plant factory by design and using both energy-saving LED and solar technology. Conventional household plant factory only depending on natural sunlight is sensitive for the change of external environment. Another a big problem of conventional common household plant factory is large power consumption. Recently interest in wellbeing food such as chemical-free is increased abruptly. To solve these two problems, this paper describes hybrid type of household plant. In particular, reducing the power photosynthesis photon flux density (PPFD) is kept uniform to enhance the growth of the plant. Ambient light sensor is adopted for the control of proper combination of sunlight and LED to keep PPFD constant.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Figure 3은 태양광 변화에 따른 PPFD 변화를 나타낸 것으로 태양광의 조도가 0 lx에서 260 PPFD가 공급되고, 외부 광원이 공급되면서 LED에 공급되는 전력이 낮아지는데 태양광의 조도가 13,000 lx에서 상추의 최적 광량인 300 PPFD가 공급된다. 또한, 설계된 LED 제어시스템에서 인공 광과 태양광의 총 PPFD의 변화는 최대오차범위 약 5.5%내에서 300 PPFD을 일정하게 유지함을 알 수 있는데, 이는 차양 및 채광시스템이 일정한 조도 값을 유지하는 것과 달리 식물의 광합성에 필요한 PPFD를 일정하게 유지하기 위한 목적이다.
이 논문에서는 소비 전력을 줄이고 균일한 생산량을 가지는 가정용 식물 재배 시스템에 대한 기초 연구로 광원의 밝기를 유지하는 기존의 조도 제어시스템과 달리 식물의 적정 PPFD를 일정하게 공급하면서 태양광을 이용하여 전기에너지의 절감 효율을 높이는 LED 제어회로를 제안하였다. 태양광의 변화에도 인공광인 LED의 공급 전류를 제어하여 항시 일정한 PPFD가 공급되고 식물의 성장률이 단일 광원을 사용 했을 때와 96% 이상 일치함을 확인하였다.
이 논문에서는 외부 자연광의 변화에도 항시 일정한 광합성광량자속밀도(Photosynthesis Photon Flux Density: PPFD)를 재배작물에 공급하기 위해 조도센서를 이용한 조도 제어 시스템 구조를 제안한다.
이에 반해 시간과 계절에 따른 광량의 변화와 불필요한 파장영역 등 균일한 광량 공급이 힘든 큰 단점을 가지고 있는 태양광은 식물 공장에서 배제되어 왔다. 하지만 가정용 보급화 등 대중화를 위해서 필요한 전력효율 향상을 위해서는 자연에너지인 태양광의 이용이 큰 도움이 될 수 밖에 없어 이를 위해 차양 및 채광시스템의 실내조명 보광 형태로 연구되던 조도제어 시스템을 식물공장에적용시킴으로 인공광의 효율적 사용으로 인한 에너지 절감 효과를 높이고자 한다²⁾.

제안 방법

LED의 피크 값이 협소하여 5~ 20 ㎚ 파장 변화만 발생하여도 식물 성장에 큰 영향을 받는데 엽록소 a와 b의 비율에 맞춘 광합성 반응 스펙트럼의 경우 660 ㎚의 적색 LED와 거의 일치하는 반면, 450㎚의 파장 영역의 경우 피크 값이 두 군데로 분산되는 문제점이 발생한다. 광합성 반응 스펙트럼과 최대한 중첩되면서 효율성이 높도록 청색 LED의 최대 피크를 조정하여 적색 LED와의 비율을 맞추었으며, 상추의 특정 작물 최적 광합성 반응 스펙트럼을 기준으로 광합성 이용 최적 효율에 맞추어 파장을 조합하였다.
상추의 최적 조도 값을 기준으로 LT를 14,040 lx로 하게 되면 광원의 종류 뿐만 아니라 LED 색 종류에 따른 PPFD가 다르기 때문에 실제 260 PPFD와 다르게 된다. 그러므로 최적광량을 설정하기 위해 PT에 적용하여 적색, 청색, 백색 LED의 각 PPFD 값을 구하여 합산된 총합이 260 PPFD가 되도록 하였다.
또한 지속적으로 광포화점을 유지하는 것 역시 생산대비 효율이 낮기 때문에 최대 광포화점에서 약 10% 정도 감소된 약 260 µmol·m-2·s-1을 기준으로 하여 14,040 lx를 최적의 광량으로 정하였다.
또한 적색 광과 청색광의 혼합은 앞서 제시한 광합성 반응스펙트럼에 의해 유리한 식물성장 효과를 나타내며, LED의 1 µmol·m^-2·s^-1의 PPFD에 대한 조도는 혼합 광 비율에 따라 달라지므로 이를 고려해야한다⁵⁾. 사용되는 LED의 개별적인 조도 값을 통해 PPFD를 구하고 합산하는 방식을 사용한다.
이 연구에 사용되는 LED 광 환경 제어시스템은 태양광의 세기에 따라 변화하는 조도센서의 출력 전류를 이용하여 인공 광원의 전류를 제어한다. 기존의 광 센서의 좁은 수광 범위로 인해 높은 오차 값을 MEMS 광 센서를 통해 해결한다.
이를 통해 해당 특정 피크 파장을 조합하여 광합성 효율을 높이는 연구가 진행되었으나 500 ㎚에서 650 ㎚에 이르는 영역의 파장은 생략되고 있다. 이로 인한 식물의 성장 저해 현상이나 결핍 영양소 문제를 야기할 수 있기 때문에 본 연구에서는 백색 LED를 추가로 사용하여 가시영역에 고루 분포된 광합성 반응 스펙트럼과 광합성 작용 스펙트럼에 일치시키도록 하였다.
재배 식물의 생장 변화와 실험 시간을 위한 생장 시기를 고려하여 엽채류 중 시저스그린 로메인상추와 붉은 로메인상추 2가지를 재배 하였으며 식물 생장의 최적 조건을 위해 온도는 20 ~ 22°C, 습도는 60 ~ 80%를 항시 유지 하였다.
재배 식물의 생장 변화와 실험 시간을 위한 생장 시기를 고려하여 엽채류 중 시저스그린 로메인상추와 붉은 로메인상추 2가지를 재배 하였으며 식물 생장의 최적 조건을 위해 온도는 20 ~ 22°C, 습도는 60 ~ 80%를 항시 유지 하였다. 전력 효율 시험을 위해 일중 태양광 변화에 따른 LED 전력 소모량을 측정하였다. Figure 3은 태양광 변화에 따른 PPFD 변화를 나타낸 것으로 태양광의 조도가 0 lx에서 260 PPFD가 공급되고, 외부 광원이 공급되면서 LED에 공급되는 전력이 낮아지는데 태양광의 조도가 13,000 lx에서 상추의 최적 광량인 300 PPFD가 공급된다.

성능/효과

태양광의 변화에도 인공광인 LED의 공급 전류를 제어하여 항시 일정한 PPFD가 공급되고 식물의 성장률이 단일 광원을 사용 했을 때와 96% 이상 일치함을 확인하였다. 실험을 통해 LED 제어회로는 계절과 날씨에 따라 주간 9 ~ 14시간 동안 태양광을 실내 식물 성장에 사용함으로써 일중 약 39.7% ~ 52.6%의 불필요한 LED 전력 낭비를 줄일 수 있음을 확인하였다. 온도센서 및 습도센서 등 재배작물의 최적 환경을 모니터링하고 일정하게 유지하는 컨트롤시스템을 추가한다면 보다 생장 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
5%의 전력 증가율을 보였다. 일중 태양광을 기준으로 평균 43%의 전력소모가 절감됨을 확인 할 수 있다.
이 논문에서는 소비 전력을 줄이고 균일한 생산량을 가지는 가정용 식물 재배 시스템에 대한 기초 연구로 광원의 밝기를 유지하는 기존의 조도 제어시스템과 달리 식물의 적정 PPFD를 일정하게 공급하면서 태양광을 이용하여 전기에너지의 절감 효율을 높이는 LED 제어회로를 제안하였다. 태양광의 변화에도 인공광인 LED의 공급 전류를 제어하여 항시 일정한 PPFD가 공급되고 식물의 성장률이 단일 광원을 사용 했을 때와 96% 이상 일치함을 확인하였다. 실험을 통해 LED 제어회로는 계절과 날씨에 따라 주간 9 ~ 14시간 동안 태양광을 실내 식물 성장에 사용함으로써 일중 약 39.

후속연구

6%의 불필요한 LED 전력 낭비를 줄일 수 있음을 확인하였다. 온도센서 및 습도센서 등 재배작물의 최적 환경을 모니터링하고 일정하게 유지하는 컨트롤시스템을 추가한다면 보다 생장 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 LED 제어 회로와 조명의 효율적 설계, 식물의 성장시기에 따른 적정 PPFD 제어를 통해 에너지 절감 효율을 높일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	농업은 무엇에 영향을 받는가?	농업은 기후와 토지 그리고 환경의 영향을 받기 때문에 계절에 따른 제한적인 재배와 농약사용에 의한 식품 안정성의 결여 등의 문제점으로 인해 인공 광을 이용한 식물공장이 부각되고 있다. 대부분의 식물공장은 생산성향상을 목적으로 식물의 성장에 최적 조건이 되는 광, 온도, 수분, 양분 등을 조절하고, 기후변화와 병해충에 대응하여 안정적 식물 공급이 가능한 완전 밀폐 형태를 갖추고 있다1).
	식물공장에서 이용되고 있는 광원 중 가장 주목받고 있는 광원은 무엇인가?	대부분의 식물공장은 생산성향상을 목적으로 식물의 성장에 최적 조건이 되는 광, 온도, 수분, 양분 등을 조절하고, 기후변화와 병해충에 대응하여 안정적 식물 공급이 가능한 완전 밀폐 형태를 갖추고 있다1). 형광등, 백열등, 할로겐램프 등 다양한 종류의 광원을 사용하고 있지만, 특정 파장을 방출하는 LED를 주 광원으로 하는 식물재배기술이 각광받고 있다.
	식물공장은 어떤 형태를 갖추고 있는가?	농업은 기후와 토지 그리고 환경의 영향을 받기 때문에 계절에 따른 제한적인 재배와 농약사용에 의한 식품 안정성의 결여 등의 문제점으로 인해 인공 광을 이용한 식물공장이 부각되고 있다. 대부분의 식물공장은 생산성향상을 목적으로 식물의 성장에 최적 조건이 되는 광, 온도, 수분, 양분 등을 조절하고, 기후변화와 병해충에 대응하여 안정적 식물 공급이 가능한 완전 밀폐 형태를 갖추고 있다1). 형광등, 백열등, 할로겐램프 등 다양한 종류의 광원을 사용하고 있지만, 특정 파장을 방출하는 LED를 주 광원으로 하는 식물재배기술이 각광받고 있다.

참고문헌 (6)

Lee SW (2010) "Plant Factory and plant cultivation using the LED artificial Light". Optical science and technology 2:12-19
Khan N, Abas N (2011) "Comparative study of energy saving light sources". Renewable and Sustainable Energy Reviews Vol. 15 January pp. 296-309

상세보기
Moncef Krarti, Paul M. Erickson, Timothy C. Hillman (2005) "A simplified method to estimate energy savings of artificial lighting use from daylighting". Buliding and Environment vol. 40 June pp. 747-754

상세보기
Lee, WS, Kim SG (2012) "Development of Rotational Smart Lighting Control System for Plant Factory". World Academy of Science. Engineering and Technology February pp. 741-744
Kim HH (2004) "Green-light Supplementation for Enganced Lettuce Growth under Red and Blue and Blue-light-emitting Diode". Hortscience pp. 1617-1622
Lee SW (2010) "Plant Factory and plant cultivation using the LED artificial Light". Optical science and technology 2:12-19

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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