† 교신저자, 서울메트로, 기술연구소 차장 E-mail : [email protected] * 서울메트로 기술연구소 주임
인공광을 이용한 도시철도 지하역사에서의 식물성장 연구
A Sudy on Growth of Plants using Artificial Lighting in Subway
Station
이상배† 최윤석* Sang-Bae Lee Youn-sug Choi
ABSTRACT
The Development of science and technology began with the use of fire. In addition to the invention of an artificial light, more time and activity areas were provided so that continuous technological development has continued. Also, artificial lights brought an improvement in productivity through the applications in various fields such as agriculture, livestock farming, fisheries, and so on.
Especially, in the field of agriculture, LED has come to the front as an alternative for food security against extreme climatic change.
Meanwhile, with great interest, many researches about the convergence of agricultural biotechnology and LED industry are ongoing over the world.
This paper shows the correlation of the plants growth using the LED artificial lighting similar to sunlight, which is needed for photosynthesis, in subway station which has actually no natural lights.
Also, it is expected that this paper will lay out the groundwork for improving an environmentally friendly image which gives a relief and an emotional effect to passengers by using nature friendly lighting.
1. 서론 과학기술역사의 개발은 인류의 불을 사용과 더불어 시작되었으며, 인공광의 발명과 더불 어 시간과 활동장소 영역이 확장되었고 따라서 끊임없는 기술의 개발과 발전이 지속되었다. 최근 심각한 기후 변화는 기온, 강수량, 일사량 등을 변화시켜 농업의 생산성을 약화시키 고 특히 집중호우, 초대형 태풍, 가뭄 등의 기상이변으로 인해 노지 재배가 타격을 입을 경 우 식품가격이 급격히 변동하는 리스크가 발생된다. 기후변화로 인한 식량의 안정적 확보 차원에서 안정적으로 식물을 재배하고 공급할 수 있는 식물공장이 주목받으며 도입의 필요 성이 증대되었다. 우리나라 정부에서도 2009년 신성장동력 스마트 프로젝트 사업에 “IT-LED 기반 식물공장 을 위한 핵심부품 개발 과제”를 선정하여 중점 추진 중에 있으며, 국내에서는 전라북도, 광주시, 남양주시, 부천시가 식물공장 사업을 선도적으로 추진하고 있다. 식물공장은 농업기술과 IT, NT 등 차세대 산업기술을 융합한 형태로 다양한 이점을 지닌 차세대 농업혁명 기반으로서 현재의 식물공장은 대부분 토양관리가 필요 없고 연작을 통한
지력약화의 문제점이 없는 수경재배를 기반으로 하고 있다. LED는 식물생장에 필요한 파장대역의 빛만을 비출 수 있기 때문에 식물의 생장상태를 조 절하여 계획적인 작물재배가 가능하다는 장점을 지니고 있다. 이러한 LED 조명을 이용하여 빛이 들어오지 않는 도시철도 지하역사에서 식물을 생장시킴으로 대중교통을 이용하기 위해 이동하는 지하역사 공간이 아닌 머물며 휴식을 취할 수 있는 친환경 역사를 조성할 수 있 고, 어린이에게는 식물생장의 학습장 역할을 할 수 있을 것이다. LED를 이용한 식물재배연 구는 도시철도분야에서는 아직 시도된 적이 없는 것으로 보인다. 본 논문은 많은 고객이 활동하고 있는 생활공간이자 자연광이 미치지 않는 도시철도 지하 역사내에서 식물의 광합성에 필요한 태양광과 유사한 환경을 인공광인 LED로 조성하여, 식 물성장에 미치는 영향을 확인하고 그 상관관계를 제시할 뿐만 아니라, 도시철도 지하역사의 쾌적한 자연친화적인 실내 환경조성으로 이용 고객에게 심리적 안정감과 감성적인 효과를 주는 환경친화적인 이미지를 제고하는 기초연구자료로 활용하고자 한다. 2. 본론 2-1. 시험재배 화단 설정 시험재배 화단설치 장소는 서울메트로 2호선 사당역 대합실(지하1층)을 선정하였고 차별 화된 시험을 위해 2개의 화단을 조성하였다. 하나의 화단 광원은 도시철도지하역사 대부분 을 차지하고 있는 형광등으로 하였고 광도의 범위는 추가 조명없이 역사에 설치된 기존 조 명을 그대로 사용하였다. 점등시간은 별도로 설정하지 않고 역사 고객을 취급하는 시간을 그대로 적용(평일 04:30~01:30분, 토요일 및 일요일과 공휴일 04:30~24:30분)하였다. 또 다 른 화단은 인공자연광인 LED 조명을 설치하였고 광도를 달리하여 시험재배를 하였으며 초기 에는 서울메트로 단독으로 작물을 식재 관리하였으나 체계적인 관리 및 전문적인 연구를 위 해 경기도농업기술원과 MOU를 체결하여 공동연구를 진행하였다. 2-2. 형광등을 이용한 화단의 시험재배 시험재배 화단의 크기는 2,480mm(가로)× 1,470mm(세로)× 1,800mm(높이)이며 천장의 형광 등과 식물의 높이는 약2M 정도이다. 시험재배 기간은 2009년 5월 27일부터 동년 7월 7일까 지 약 41일간 시험 재배하였으며, 시험재배 식물은 식단에 오르는 고추 등 총 6종으로 하였 다. 시험재배 기간이 짧은 이유는 역사 일반조명인 형광등 아래에서는 식물생장상태가 전반 적으로 양호하지 못한 결과를 보였기 때문에 추가실험의 필요성이 없어 추가로 시험재배를 하지 않았다. 표 1. 일자별 식물재배 현황(일반화단) 재배 식물 생장여부 시험기간(2009년도) 시험결과 05/27～07/07 보리 5/26 파종 싹이 났으나 생장이 더디고 시들어 말라 죽음 발육 비정상 들깨 5/26 모종 생장이 느리고 시들어 말라 죽음 발육 비정상 고추 5/26 모종 모종후 2~3주간 잎이 생성되고 성장은 하였으나 열매를 맺지 못함 발육 비정상 상추 5/26 모종 전반적인 생장상태 좋지 않음 발육 비정상 사계국화 6/ 5 모종 전반적인 생장상태 좋지 않음 발육 비정상 제라늄 6/ 5 모종 모종후 2~3주간은 꽃이 피고 성장하였으나 3주가 지나면서 시들어감 발육 비정상 2-3. LED 인공자연광장치 설치 화단 시험
인공자연광장치 설치화단의 크기는 형광등을 이용한 시험재배 화단과 같은 2,480mm(가 로)× 1,470mm(세로)× 1,800mm(높이)이며 주요 스펙은 표 2. 와 같다. 시험기간은 1차 2009 년 5월27일부터 10월 30일까지 157일간 생장상태를 시험하였고 재배식물로는 보리와 들깨, 고추, 상추 등 총 11종의 생장상태를 시험하였다(표-3). 식재된 식물에서 LED 광원까지의 높이는 약 1m 이며, 조도는 1,061 lux로 측정되었다. 표 2. 인공자연광장치의 주요 스펙 LED Module 내 역 비 고 Module 수량 8 SET 광원 450nm 광원 내장된 White 조도측정 1,061lux 소비전력 30～40W/모듈 표 3. 기간별 식물 식재 현황 기간 식 재 작 물 비 고 5.27~7.14 보리, 들깨, 고추, 상추, 사계국화, 제라늄 7.15~8.09 들깨, 고추, 제라늄, 방울토마토, 허브, 오크립, 치커리, 8.10~10.30 들깨, 고추, 제라늄, 방울토마토, 허브, 가지 고추는 모종으로 재배를 시작했다. 식재 후 2～3주간은 잎이 생성되고 생장하면서 많은 수의 꽃잎이 열렸으며 다시 5일 정도 지나서 고추 열매가 1～2개 관찰되었다. 이후 점차 열 매수가 증가되었다. 비록 줄기는 지상에서 생장한 고추의 줄기보다 가늘었지만 1차 생장시 험기간 동안 지속적으로 열매를 맺는 등 전반적으로 생장상태가 양호하였다. 제라늄 또한 모종 후 3일 만에 꽃이 피기 시작하였으며 꽃이 지기까지 정상적으로 생장하는 모습을 보여 주었다. 이처럼 제라늄은 고추와 마찬가지로 온습도 등의 환경요인이 갖추어진 식물공장이 아니어도 일반적 공공장소인 지하역사에서 인공광인 LED 조명으로 생장이 가능한 것을 확 인할 수 있었다. 보리는 씨앗을 파종해서 양호하게 생장하다가 점차 시들어갔고 허브 또한 모종 후 처음 6 주간은 생장상태가 양호하였으나 빛을 따라 웃자라는 현상이 나타났고, 먼저 모종한 상추의 생장 상태는 처음 1달가량은 잎의 생장이 좋아보였으나 점차 잎이 오그라들면서 시들어갔으 며, 씨앗을 파종한 상추는 싹은 나고 자랐으나 잎이나 줄기가 생기가 없고 잘 자라지도 않 는 것이 관찰되었다. 그리고 오크립과 치커리는 전반적으로 생장자체가 좋지 않았으며, 사계 국화, 방울토마토, 가지는 모종 후 정상적인 생장상태를 보이지 않았다. 생장상태가 좋지 않 은 이유로는 보리는 계절적인 요인과 LED광원의 조도가 보리의 생장에 필요한 빛의 양에 미치지 못하였던 것으로 판단된다. 2-4 형광등을 이용한 시험재배 화단 조명 LED로 변경 일반 역사 조명인 형광등은 채소 등 식물생장의 광원으로 사용하기에는 여러 가지 한계가 있다. 따라서 역사내 자체 조명인 형광등은 식물의 광합성에 필요한 조명을 제공하지 못하
여 시험재배에 부적당하다고 판단되어 형광등 재배 시험은 종료하고, 기 설치된 LED 인공 자연광장치 화단의 조명(조도는 1,061 lux 이고 광도 또한 12~25㎛ol․m-2) 과 다른 조건의 조명에서 시험재배하는 것이 연구의 효율을 높힐 것으로 여겨져 인공광을 설치하지 않은 화 단의 구조를 변경하기로 하였다. 새로이 조명의 설치한 화단의 조명은 측정결과 조도가 8,600～18,000 lux 광량은 80~400 ㎛ol․m-2 로 기존 LED 인공자연광 화단보다 조도 및 광도 가 평균 7배 이상 높게 나타났다. 구조 변경한 화단의 주요 스펙은 표-4 와 같은며 광량은 표 5 와 같다. (기존 LED 조명 화단은 계속 시험)
표 4. 인공자연광장치의 주요 스펙
LED Module 설치수량 소비전력 조도 전체조도측정 White LED module 28개 30W/module 5,300lux
8,600～18,000 lux Red LED Bar 7.2m 12W/m 1,020lux
Blue LED Bar 2m 12W/m 1,020lux
표 5. 화단내 광량 측정 조사지점 광합성유효광량자속밀도 (㎛ol․m-2․sec) 비 고 사당역 대합실 0.42 좌측화단 80～400 우측화단 12～25 2-5. 식물 생장상태 시험(2009.11 ~ 2011. 8월 현재) 조명점등시간 조명을 구조 변경한 LED인공자연광장치 화단의 조명 점등시간은 타이머를 설치하여 일 조시간과는 다소 긴 14시간(06:00 ~ 20:00)으로 설정하였고, 기존 LED인공자연광 장 치 화단은 점등시간을 20시간(05:00 ~ 01:00)으로 설정하였다. 조명 점등시간의 차이를 둔 이유는 기존 LED 인공자연광장치와 조명을 개선한 화단의 조명이 평균 800룩스 : 10,000룩스 로 차이가 발생하여 이를 보완하기 위해 조명 점등시간을 차등 적용했으며 역 사 미관과 고객이 활동하는 시간을 고려하여 일조시간보다는 다소 길게 적용하였다. 2-6. 지하공간 환경조사 2-6-1. 사당역사 월별 평균온습도 분석 2010년도 1월부터 8월까지 작물 시험재배 기간동안 사당역 대합실의 온도 및 습도를 측 정한 결과는 표6과 같다. 식물체에 광합성에 관련된 광량은 일반적으로 사용하고 있는 조 명의 단위인 룩스 또는 루멘등은 사용하지 않고 있으며 광합성유효광량자속(PPFD), 광합 성유효방사 등의 단위로 표시한다. 시험재배화단이 설치된 사당역 2호선 대합실과 시청(2) 대합실의 광량은 표 9에 나타내었다.
표 6. 2010년 사당역 월별 평균 온습도 (온도:℃, 습도:RH%) 구분 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 온 도 습 도 온 도 습 도 온 도 습 도 온 도 습 도 온 도 습 도 온 도 습 도 온 도 습 도 온 도 습 도 사당역 3.4 45.4 8.9 46.9 13.5 43.1 17.5 58.3 21.2 43.4 25.3 51.2 26.8 61.1 27.2 67.7 표 7. 서울메트로역사, 건물지하 및 메트로팜내 광량 조사지점 광합성유효광량자속밀도 (㎛ol․m-2․sec) 사당(2)역 대합실 0.42 시청(2)역 대합실 지하2층 2.9 메트로팜 LED고광구 80～400 메트로팜 LED저광구 12～25 기온비교 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 20 09 -12 -25 20 09 -12 -25 20 09 -12 -26 20 09 -12 -26 20 09 -12 -27 20 09 -12 -27 20 09 -12 -28 20 09 -12 -28 20 09 -12 -29 20 09 -12 -29 20 09 -12 -30 20 09 -12 -30 20 09 -12 -31 20 10 -01 -01 20 10 -01 -01 20 10 -01 -02 20 10 -01 -02 20 10 -01 -03 20 10 -01 -03 20 10 -01 -04 20 10 -01 -04 20 10 -01 -05 20 10 -01 -05 20 10 -01 -06 20 10 -01 -07 20 10 -01 -07 기간 기온 (℃ ) 밝은곳 어두운곳 그림 1. 겨울 혹한기(12.25-1.7) 기온변화
그림 2. 겨울, 봄, 여름동안의 메트로팜내 온도 습도 변화
3. 결론 본 연구는 인공자연광인 LED를 이용한 식물생장 상태 연구로서 기존의 연구시설들은 작 물을 시설내에서 빛과 온․습도, CO2 농도 및 배양액 등의 환경조절을 인위적으로 제어하 여 계절이나 장소에 관계없이 자동화한 시설에서 진행되어 왔다. 이와는 달리 이번 연구는 온도, 습도 등 환경요인을 인위적으로 제어하지 않고 공공장소인 도시철도 지하역사에서 LED 조명만으로 식물의 생장상태 등을 확인하고 분석하여 생장 가능한 식물을 찾아내는데 있었으며, 이러한 식물을 활용하여 친환경 지하역사를 조성하고 지하철을 이용하는 시민고 객에게 편안한 휴식처를 제공함에 있었다. 결론적으로 1차, 2차 연구 시험을 한 결과 자연광에서의 성장과 비교 출엽율이 낮고 하 엽이 고사한 경우도 있었지만 광도에 따라 다음 도표와 같이 여러가지 식물에 대해서 생장 가능성을 볼 수 있었다. 3-1. 광합성유효광량자속밀도별 식재가능 식물 3-1-1. LED저광구(10～25㎛ol․m-2․sec) 식재가능 식물 국화과로는 적치커리(트레비소), 적치커리(로사이탈리아나), 코튼라벤더, 분화국, 엔디 브, 치커리(네로네), 고들빼기, 치커리(구루모) 등이 있으며 배추과의 식물로는 꽃케일(백축면), 양배추, 열무, 무, 배추, 다홍채, 배양채, 적겨자채, 꽃케일(적축면) 등이 식재가능한 식물로 나타났다. 미나리과의 식물로는 샐러리, 일당귀, 삼엽채 등이 있고 꿀풀과의 식물로는 장미허브, 캔들플랜트, 레몬맘 그리고 대극과 식물로 는 포인세티아, 세엽무늬크로톤, 돌나물과의 식물은 칼랑코에, 돌나물. 협죽도과는 빙카, 오 색마삭줄. 쥐꼬리망초과의 식물로서는 아펠란드라, 핑크스타, 화이트스타, 휘토니아 등이 있다. 기타 시금치, 비트, 아마란스, 적소렐, 제라늄, 무늬사스레치, 캄파뉼라, 아글라오네마, 익소라, 칼라산호수, 오렌지자스민, 빅토리아, 은사철, 부추 등도 식재가능 식물로 나타났 다. 3-1-2. LED고광구(80～100㎛ol․m-2․sec) 식재가능 식물 고광구인 80～100㎛ol․m-2․sec에서의 식재가능 식물은 3-1-1에서 언급한 식물을 비 롯하여 국화과 식물로는 그랜드래피드상추, 뚝섬적축면상추, 열풍적치마상추, 맛치마상추, 진빠롤라상추, 진자적축면상추, 롤라로사상추, 적삼각추상추, 적오크립, 신기추상추, 시저스 레드로메인,미니컵로메인, 시저스그린로메인 등이 있으며 가지과인 꽃고추, 화분용 방울 토 마토와 자소과인 체리세이지 그리고 운향과의 보로니아 등의 식물이 식재가능한 것으로 나 타났다.
3-2. 계절별 광량별 식물식재 모델링(광량단위 : ㎛ol․m-2․sec) 구 분 LED저광구 LED고광구 10이하 10～15 20내외 80～100 봄 o채소:샐러리 적치커리(로사이 탈리아나) o허브:장미허브, 코튼라벤더 o채소:말라바시금치, 일당귀,아마란스,적 소렐 o허브:캔들플랜트, 벤쿠버제라늄 o관엽(화훼):소관엽류 o채소:배추과 쌈채소, 쌈치커리류,비트,삼엽 채,돌나물 o허브:레몬밤 ※광량 10이하, 10～1 5 식물식재가능 o채소:꽃고추, 화분용방울토 마토 ※광량 20내외 식물식재가 능 o채소: 상추류 여 름 o채소:꽃케일,샐 러 리 , 적 치 커 리 (트레비소,로사 이탈리아나) o허브:장미허브, 코튼라벤더 o채소:말라바시금치, 일당귀,아마란스,적 소렐 o 허 브 : 캔 들 플 랜 트 , 벤쿠버제라늄 o관엽(화훼):소관엽류 o채소:배추과 쌈채소, 쌈 치 커 리 류 , 비 트 , 삼엽채, 돌나물 o허브 : 레몬밤 ※광량 10이하,10～15 식물식재가능 o채소:꽃고추, 화분용방울토 마토 ※광량 20내외 식물식재가 능 o채소: 상추류 가 을 o채소:꽃케일,샐 러 리 , 적 치 커 리 (트레비소,로사 이탈리아나) o허브:장미허브, 코튼라벤더 o채소:말라바시금치, 일당귀,아마란스,양 배추,열무,적소렐 o 허 브 : 캔 들 플 랜 트 , 벤쿠버제라늄 o관엽(화훼):소관엽류 o채소:무,배추,배추과 쌈 채소,쌈치커리류 , 브 로콜리,시금치,부 추,돌나물,삼엽채 o허브 : 레몬밤 ※광량 10이하,10～15 식물식재가능 o채소:꽃고추, 화분용방울토 마토 ※광량 20내외 식물식재가 능 o채소: 상추류 겨 울 o채소:꽃케일,샐 러 리 , 적 치 커 리 (트레비소,로사 이탈리아나) o허브:장미허브, 코튼라벤더 o채소:말라바시금치, 일당귀,아마란스,양 배추,열무,적소렐 o 허 브 : 캔 들 플 랜 트 , 벤쿠버제라늄 o관엽(화훼):소관엽류 o채소:무,배추,배추과 쌈 채소,쌈치커리류 , 브 로콜리,시금치,부 추,돌나물,삼엽채 ※광량 10이하,10～15 식물식재가능 ※광량 20내외 식 물 식 재 가 능 o채소: 상추류 ※온도조건 : 봄～가을 10～30℃, 겨울 0℃ 이상 후기 본 연구를 진행하는 과정에서 각종 작물 식재와 생장상태연구 측정 등 연구결과를 도출하기 까지 협조를 아끼지 않으신 경기도농업기술원 원예산업연구과 도시농업팀 이수연 이학박사 님께 감사드립니다.
