미래 산업형 식물공장과 LED 기술(7)

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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7. 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 LED에서 방출되는 전체 빛의 양(μmolm-2s-1로 표시해도 좋다)은 일정하다. 즉 각자의 1개의 LED에서 방출되는 빛의 양은 입력전류에 비례할 뿐 누가 어떻게 사용해도 동일하다는 이야기다.
그 상관관계를 (그림11)에 보인다. (그림11)은 국내 S사의 1W급 청색 LED(450㎚)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 LED에서 발생되는 열도 증가하므로, 이에 대한 대비는 따로 해야 한다. LED는 고온에서 사용하면 수명이 급격히 줄 수도 있기 때문이다. 즉 LED는 방열(Heat Sink) 기능만 잘 갖추면 더 많은 광량을 내도록 사용할 수 있다.

 

(그림11)에서 대부분의 LED는 최대 정격전류점이거나, 그보다는 조금 더 많은 전류에서도 광량이 비례하고 있음을 보인다

(청색선=전류의 증가량 표시, 적색선=광량의 증가곡선).

 

 

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 Lt라고 하고 각개의 광량을 Lp라 하면 Lt= Lp1 +Lp2 +Lp3…이 된다.

 

법칙 3. 빛의 밝기는 광원과의 거리의 제곱에 반비례한다. 즉 LB= LS/㎡이다.
여기서 LB는 광도, LS는 광원의 밝기, m은 광원과 빛을 받는 곳 사이의 거리를 말한다. 즉 빛은 레이저 빛과 같이 빛다발이 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.
여기서 말하는 광량이란, 광도에 그 빛을 받는 총면적을 말한다. 이때의 광량은 LED가 같으면 일정하다.
즉, 광량(LQ) = 광도(LB) * 빛을 받는 면적(S) = 일정
여기서 광원이 가까우면 μmolm-2s-1이 증가하고 빛의 조사면적은 적어진다는 뜻인데, 인공광을 식물재배에 사용해야 하는 모든 사람들에게는 피해 갈 수 없는 딜레마이기도 하다.
또한, 광원을 쓸데없이 높이 매달아서는 아무런 광합성 효과가 없다는 것도 이로써 알 수 있다. 즉 LED광을 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 세어도 식물의 잎에까지 도달해서는 광합성이 충분할 만한 세기가 될 수 없다는 뜻이다.
만일 식물의 잎에서 광원까지의 거리가 1.5m일 때 광량이 5μmolm-2s-1이었다면, 그 거리를 50㎝로  줄인다면 이때의 광량은 거리가 3배 줄었으므로 광량은 9배가 늘어나 45 molm-2s-1  될 수가 있기 때문이다.

 

법칙 4. 빛을 받는 곳에서 볼 때 광량, 광도, 스펙트럼 등은 오로지 받는 쪽의 조건에 따라 결정된다. 즉 광원 쪽에서 본 cd(캔델라), lx, 방사각, lm(루멘) 등은 참고 자료에 불과하다.
이는 어떤 LED가 어떻고, 그 특성이 어떻다는 등의 스펙은 그냥 참고 자료로만 이용할 뿐, 믿을 수도 없고 이용하는 방법도 쉽지가 않으니 모든 데이터는 직접 빛을 받는 쪽에서 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. LED에서 비추는 빛은 가능하면 식물의 잎에까지 가까이, 직접 조사돼야 한다. 아래는 빛이 무언가를 투과할 때의 감쇄율을 직접 측정해 본 데이터이다.

 

A. 적색LED(660㎚)에서 방출된 빛
투과물질…………………………………………………  투과율
0.1㎜ 비닐  ……………………………………………  89 (%)
2㎜ 플라스틱  …………………………………………  88.2
0.1㎜ 운모     ……………………………………………  87.2
2㎜ 유리    ………………………………………………  89.7

 

B. 청색LED(450㎚)에서 방출된 빛
투과물질 …………………………………………………  투과율
0.1㎜ 비닐   ……………………………………………  86.4 (%)
2㎜ 플라스틱    …………………………………………  87.9
0.1㎜ 운모   ……………………………………………  73.7
2㎜ 유리     ………………………………………………  87.2

 

위에서 보듯, 청색빛이 적색빛보다는 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 2㎜ 두께의 플라스틱 케이스를 통해 공급하고 있다면, 그리고 LED 조명용으로 월 100만원의 전기세를 내고 있다면, 그는 매월 12만원의 전기세를 2㎜ 두께의 플라스틱 때문에 낭비하고 있는 것이 된다. 플라스틱의 투과율 88%에서 12%의 빛 손실이 있으므로 그렇게 되는 것이다.

 

법칙 6. LED에서 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 T사의 1W급 백색(Natural White) LED, 스펙에는 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

 

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※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 미래 산업형 식물공장과 LED 기술(7)