STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(태양모방전구 제작 및 이를 이용한 광합성 효율에 관한 탐구)

2016. 11. 30.

창원과학고등학교

< 연구 결과요약 >

과 제 명 태양모방전구 제작 및 이를 이용한 광합성 효율에 관한 탐구

연구목표

○ 태양과 유사한 스펙트럼을 가지는 태양모방전구를 제작

○ 실제 태양과 태양모방전구, 식물재배용 led등을 이용하여 식물생장에 결정적인 제한요소인 광합성 효율의 차이점을 확인

연구내용

○ 태양모방전구 제작

(실제태양의 빛 S, 태양모방전구의 빛 A, 식물재배용 LED등 빛 L) - 자연광(태양빛), 자외선램프, 5색의 가시광선 LED, 적외선 LED의 빛의 스펙트럼을 측정

- 5색의 가시광선 LED, 적외선 LED, 자외선 램프를 조합하여 실제 태양과 유사한 빛을 내는 인공 태양을 제작

- 직류전원장치를 사용하여 빛의 밝기, 색온도 등을 조절하여 실제 해가 뜨고 지는 과정을 재현할 수 있다.

○ 인공태양, 식물재배전용 LED 전등을 이용한 광합성 효율 측정

<실험 1> MBL을 이용한 광합성 효율 측정

연구성과

○ 태양모방전구 제작

- 태양 및 식물재배전용 LED 전등 스펙트럼 측정 및 분석 - 실제 태양과 유사한 빛을 내는 인공 태양을 제작

- 직류전원장치를 사용하여 빛의 밝기, 색온도 등을 조절할 수 있도록 함

○ 인공태양, 식물재배전용 LED 전등을 이용한 광합성 효율 측정 - 실험을 위한 암실 제작

- MBL 설치 - 광합성 효율 측정 주요어

(Key words) 인공태양, 작용스펙트럼, 광합성 효율, 광주기성

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구 동기 및 배경

○ 최근 전 세계적으로 태양 에너지를 이용한 인공광합성 연 구에 관한 관심이 많이 증가되 고 있다고 한다. 하지만 들쭉날 쭉한 날씨문제 혹은, 실제태양 으로부터 태양에너지를 제공받 지 못하는 지역이 존재한다는 사실에서 기본 설계를 해보았 다. 일단 조명용 각종 램프(이를 테면 형광등)에서 나오는 빛은

실제 태양처럼 연속적인 스펙트럼이 조사되지 못하였다(아래 pilot test 참고).

또한 현재 각종 업체 등에서 제작되고 있는 인공태양 시제품을 조사해 본 결과 광량, 지표면에서 받는 온도 등의 기타 조건을 설정해 놓지 않은 제품들이었다.

우리는 여기에서 착안하여 연속적인 스펙트럼이 방출되면서 시간의 흐름에 따라 기타 물리적 조건이 실제 태양과 유사한 태양모방전구를 제작하고자 하였 다. 이를 이용하여 식물을 대상으로 광합성 효율을 측정하여 실제 태양과의 유사성을 검증해보고자 한다. 비록 현재는 인공태양 시스템이 자연에서의 광합 성 효율(1% 미만)에도 못 미치지만, 빠른 시간 내에 식물의 광합성 효율을 뛰어 넘어 10% 효율을 가지는 인공광합성 시스템의 구현을 기대해본다.

□ 연구 목적

○ 태양과 유사한 스펙트럼을 가지는 태양모방전등을 제작하고,

○ 실제 태양과 태양모방전구, 식물재배용 led를 이용하여 식물생장에 결정적 인 제한요소인 광합성 효율의 차이점을 확인하고자 한다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경

○<스펙트럼>

스펙트럼은 파장에 따른 굴절률 차이를 이용하여, 빛을 파장 또는 진동 수에 따라 분해한 것이다.

파장의 범위에 따라 마이크로파스펙트럼, 적외선스펙트럼, 가시스펙트럼, X 선스펙트럼 등으로 구분할 수 있으며 그리고 파장의 연속성에 따라 연속 스펙트럼, 불연속적인 선스펙트럼 및 띠스펙트럼으로 구분할 수 있다. 태 양광선의 경우 연속스펙트럼을 가지며 네온등이나 수은등에서 나온 빛의 경우 특정 파장으로만 이루어진 선스펙트럼을 가진다. 형광등의 경우는 가 시광선영역의 연속스펙트럼과 증기에 의한 선스펙트럼을 동시에 가진다.

또한 스펙트럼이 생기는 물질의 종류에 따라 원자스펙트럼, 분자스펙트 럼으로 구분하기도 한다. 일반적으로 원자나 분자에서 방출되는 빛은 고유 의 선스펙트럼 또는 띠스펙트럼을 가지기 때문에, 스펙트럼을 분석하여 물 질의 성분을 검사할 수 있다.

○<광합성 효율>

광합성에 영향을 미치는 요인으로는 크게 빛의 세기, 빛의 파장,

CO

농 도, 온도 등으로 나눌 수 있다.

광합성속도는 빛의 세기가 증가할수록 증가하다가 광포화점에 도달하면 일정하게 된다. 광합성량과 호흡량이 동일한 지점을 보상점이라고 하는데 보상점에서도 광합성과 호흡은 일어나지만 각각의 과정으로 생긴 기체는 식물 내부에서 사용되므로 외관상 기체출입이 없는 지점이다. 보상점 미만 으로 빛의 세기가 지속된다면 식물은 고사하며 보상점 세기의 빛이 지속 되면 생존, 그 이상이면 생장이 가능하다.

빛의 파장이 청자색광과 적색광인 경우 광합성이 활발하게 일어난다. 엥겔

만의 호기성 세균 실험으로 청색광과 적색광에서 광합성이 활발함을 확인

럼에서 확인할 수 있는 있는 것은 식물내에 존재하는 카로티노이드 색소 때문이다. CO

농도가 0.1% 될 때까지는 이산화탄소 농도가 증가할수록 광 합성 속도가 증가한다. 광합성에는 여러 가지 효소가 관여하므로 37℃에서 최고의 광합성 효율이 나타나고 그 이후부터는 단백질 변성으로 인해 광 합성 효율이 현저하게 감소하는 것을 확인 할 수 있다.

○<Pilot Test> 우리는 우리 주변에서 일상적으로 사용하는 형광등에서 나오는 스펙트럼을 측정해 보았다.

<그림 1> 사용한 스펙트럼 측정기(노란색 빛의 스펙트럼을 측정하고 있다.

<그림 2> 형광등 스펙트럼

위 그래프에서 볼 수 있듯이 실생활에서 사용되는 조명은 3파장의 불연속적인 스펙트럼을 나타내고 있다.

또한 식물재배용 LED조명도 적색광과 청색광만을 이용하였다.

우리가 제작하려고 하는 태양모방전구는 연속적인 스펙트럼을 가지고 있고, 기존의 인공 태양들과도 다르게 우리가 만들려는 태양모방조명은 색 온도, 밝기 등을 조절할 수 있도록 제작할 예정이다.

□ 관련 선행연구 조사 (기존 제작품들과의 차이점)

○ [태종씨앤아이]는 식물 재배에 필요로 하는 빛의 파장인 적색광(650∼670)과 청색광 파장(440∼450) 을 하나의 모듈로 제작된 LED조명으로 최적의 광파 장비율에 따른 LED 어레이 구조 설계로 인한 고효율 등기구도 제작했다.

○ [테크녹스]에서 제작한 SOLAX 500W 라는 태양모 방조명이다. 학회에서 주목받고 있는 조명등으로, 오전10시∼오후2시에 지표에 닿는 자연 태양광과 똑같은 특성의 빛을 비추는 인공적으로 만든 조명기 구이다.

□ 연구주제의 선정

○ 2016년 1월 경 부터 송정수 학생이 태양모방전구를 제작하고자 하는 목표 를 가지고 있었다. 해당 아이디어를 제38회 경남학생과학발명품경진대회 에 제출하고자 하였으나 여러 가지 제약으로 실행 할 수 없게 되었다.

결국 해당 아이디어를 R&E로 진행하는 것으로 방향성을 바꾸게 되어 지금과 같은 연구를 진행하게 되었다.

<그림 4> 식물 공장

<그림 5> 시중의 태양모방전구

○ 2016년 4월 STEAM R&E 연구계획서를 준비하는 과정에서 단순히 태양모 방전구를 제작하였던 연구 목적을 더욱 구체화시켜나갔다. 연구주제를 선정하는 과정에서 자연 태양광과 유사한 파장의 빛을 비추는 조명기기에 대한 정보를 얻을 수 있었고 그러한 조명기기와 차별화된 새로운 형태의 태양모방전구를 만들고자 하였으며 광합성 효율 측정을 통해 생물학적 유사도에 관한 분석 또한 진행하고자 하였다.

□ 연구 방법

○ 연구내용

- 태양모방전구 제작

- 실제 태양, 인공태양, 식물전용 LED 전등을 이용한 광합성 효율 측정

○ 연구방법 및 절차

<project 1> 태양모방전구 제작

<실험 1>

실험준비물: 스펙트럼 측정기. 식물재배용 LED, 5색의 가시광선 LED, 자외 선 LED, 적외선램프, 브레드보드

실험설계:

➊ 스펙트럼 측정기를 이용하여 태양 스펙트럼을 측정 ➋ 식물재배용 램프를 제작

➌ 자외선램프, 5색의 가시광선 램프, 적외선램프, 식물재배등의 빛의 스펙트 럼을 측정

➍ 5색의 가시광선 램프, 적외선램프, 자외선LED를 조합하여 실제 태양과 유사한 빛을 내는 인공 태양 제작

➎ ㉰제작한 인공태양의 스펙트럼을 측정하여 유사도 분석

➏ 브레드보드를 이용하여 ㉰, ㉱의 과정을 반복 하면서 유사도가 가장 높은 인공태양을 제작한다.

<project 2> MBL을 이용한 광합성 효율 측정

<실험 2>

실험준비물: 광합성 챔버, 산소센서, 이산화탄소 센서, 조도센서, 온도센서, mbl, 상추, 태양모방전구, 식물재배용 전등, 암실

실험설계:

➊ 광합성 챔버에 센서들(산소센서, 이산화탄소센서, 조도센서, 온도센서)을 연결한다.

➋ 센서들과 mbl을 연결한다.

➌ 광합성 챔버 내에 상추를(동일한 면적)넣고, 봉한다.

➍ 제작한 태양모방전구를 챔버앞에 두고, 조도센서와 온도센서를 이용하 여 변인을 통제한다.

➎ 암실을 이용하여 외부의 빛을 차단한뒤, 60분간 산소량과 이산화탄소량 을 측정한다.

➏ 1~5번 과정을 식물재배용 전등을 이용하여 시행한다.

➐ 실험을 반복한다.

변인통제:

●조작변인: 빛의 종류(태양모방전구와 식불재배전등)

●통제변인: 온도, 빛의 세기, 광합성에 사용된 식물, 광합성 시간 등

□ 연구 활동 및 과정

<project 1> 태양모방전구 제작

➊ 식물재배용 전구제작

- 식물재배용 led를 구입하여 병렬로 연결하고, 3d프린터를 이용하여 케이스를 만든 후 dc어댑터에 연결한다.

<그림 6> 식물재배등 제작

<그림 7> 완성된 식물재배등

<그림 8> 3D프린터

<그림 9> 식물재배등 커버

<그림 10> 식물재배등 작동모습

➋ 태양빛의 스펙트럼 측정

- 스펙트로미터를 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 측정한다.

<그림 10> 태양 스펙트럼 1차 측정 그래프

<그림 11> 태양 스펙트럼 2차 측정 그래프

<그림 12> 태양 스펙트럼 3차 측정 그래프

➌ 태양모방전구제작 1

- led전구와 적외선, 자외선램프의 비율과 밝기를 바꾸어 가면서 스펙 트럼을 측정한다. 그 후 태양빛의 스펙트럼과 비교한다.

1차

적색 : 황색 : 녹색 : 청색 = 2 : 2 : 1 : 1

<그림 14> 태양모방전구 1차 제작

2차

적색 : 황색 : 녹색 : 청색 = 1 : 1 : 1 : 1

<그림 15> 태양모방전구 2차 제작

➍ 태양모방전구제작 1의 문제점 발견

- 첫 번째 제작과정에서 두 가지의 문제가 발견되었다. 첫 번째는 제작 한 태양모방전구의 빛을 모을 수 없어서 정확한 측정이 불가능하다는 것이고, 두 번째는 태양빛의 스펙트럼과의 유사도 비교가 어려웠다.

➎ 태양모방전구제작 2

- 그래서 우리는 빛을 모을 필요가 없는 각각의 전구들의 스펙트럼을 측정해 보았다.

<그림 16> 적색 LED

<그림 17> 적색 LED 스펙트럼 측정 그래프

<그림 18> 노란색 LED

<그림 19> 황색 LED 스펙트럼 측정 그래프

<그림 20> 파란색 LED

<그림 21> 청색 LED 스펙트럼 측정 그래프

<그림 22> 녹색 LED

<그림 23> 녹색 LED 스펙트럼 측정 그래프

<그림 23> 자외선램프

<그림 25> 자외선램프 스펙트럼 측정 그래프

<그림 26> 적외선램프

<그림 27> 적외선램프 스펙트럼 측정 그래프

- 측정결과, 각각의 전구의 파장 영역대와 광량을 얻을 수 있었고, 자 외선램프의 영역대와 우리가 원하는 파장영역대가 다르다는 사실을 알 수 있었다. 그래서 우리는 자외선램프를 자외선 led로 교체하고, 각각의 전구들의 광량과 태양빛의 스펙트럼에서의 각 파장에서의 광 량을 측정하여, 각각의 전구들의 조합으로 태양의 스펙트럼과 유사 한 값을 얻을 수 있도록 비를 구하였다. 이는 수식적으로 계산한 것 이기 때문에 따로 빛을 모아서 측정할 필요가 없다. 그 비는 아래와 같다.

<그림 28> 태양모방전구 최소단위

<project 2> MBL을 이용한 광합성 효율 측정

➊ 인공태양 및 식물재배용 전구의 광합성 효율 측정 준비 -암실 제작

➋ 광합성량 측정을 위한 실험 준비

<그림 29> 제작한 암실

-광합성 챔버에 센서들(산소센서, 이산화탄소센서, 조도센서, 온도센서)을 연결한다.

-센서들과 mbl을 연결한다.

➌ 광합성 챔버 내에 식물 잎을(동일한 면적)넣고, 봉한다.

➍ 제작한 태양모방전구를 챔버 앞에 두고, 조도센서와 온도센서를 이용하 여 변인을 통제한다.

<그림 30> 챔버와 mbl

➎ 암실을 이용하여 외부의 빛을 차단한 뒤, 10분간 산소량과 이산화탄소 량을 측정한다.

<그림 31> 태양모방전구 실험장면

➏ 1~5번 과정을 식물재배용 전등을 이용하여 시행한다.

<그림 32> 식물재배전등 실험장면

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 연구 과정 요약 - 태양모방전구 제작

- 실제 태양, 인공태양, 식물전용 LED 전등을 이용한 광합성 효율 측정

<project 1> 태양모방전구 제작

태양의 스펙트럼을 측정하여 분석하고 그와 유사한 스펙트럼을 방출하며 색 온도와 밝기가 조절 가능한 형태의 태양모방전구(이하 인공태양)을 제작하였 다.

<그림 33> 제작을 완료한 태양 모방전구

<project 2> MBL을 이용한 광합성 효율 측정

실험결과 우리는 태양모방전구와 식물재배용 전등의 시간에 따른 산소량그래프 를 얻을 수 있었다. 그 그래프는 아래와 같다.

<그림 34> 태양모방전구의 시간에 따른 산소량 그래프

<표 1> 태양모방전구에서의 처음 과 끝의 산소 농도

<그림 34> 식물재배용 전구의 시간에 따른 산소량 그래프

<표 2> 식물재배용 전구에서의 처 음과 끝의 산소 농도

이 그래프를 보면 알 수 있듯이 태양모방전구의 최종 증가산소량이 식물재배용 전구의 최종 산소증가량보다 약 3배 정도 높다는 것을 알 수 있다. 즉 이를 통해서 태양모방전구를 사용 하였을 때, 총 광합성량도 더 많다는 것을 알 수 있다.

□ 시사점

-연구 결과, 우리는 실제 태양과 유사한 스펙트럼을 가진 ‘태양모방전구’를 제작 할 수 있었다. 이는 태양과 유사한 스펙트럼을 가졌을 뿐만 아니라, LED를 주로 사용하여 기존의 태양모방전구보다 높은 효율을 가지고 있다고 할 수 있다. 또한, 청색파장과 적색파장만을 이용한 기존의 식물재배용 전구보다 실제 태양과 유사한 스펙트럼을 가진 태양모방전구가 더 광합성효율이 높다는 사실 을 알 수 있다. 이를 통하여 광합성에 주로 사용되는 청색과 적색파장의 빛 뿐만 아니라 다른 파장영역대의 빛들도, 상당히 중요하다는 것을 알 수 있다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 기대효과

○ 실생활에서의 활용 : 요즘 아파트가 많이 지어지고 있는데, 아파트 단지에 서 일조권을 침해받는 사람들에게 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

○ 과학계에서의 활용 : 기후학, 지질학 등의 태양광이 변인으로 작용하는 실험을 진행하는 경우 좀 더 나은 변인통제가 가능하 고, 보다 정확한 실험 data를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

○ 경제적 가치로서의 활용 : 기존의 식물재배전용 LED에 비해 광합성 효율이 뛰어나 경제적 가치가 있는 꽃을 통해 경제적 이익을 창출할 수 있을 것이라고 생각된다.

□ 사후 활용 계획

○ 일조권을 침해받는 사람들에게 도움이 될 수 있도록 제작한 인공태양의 설계에 관한 정보를 오픈소스화하여 연구 성과를 확산시켜 추가적인 후속 연구가 실행될 수 있도록 하고, 실생활에서 다방면으로 활용될 수 있도록 한다.

○ 좀 더 정밀한 변인(색, 온도, 밝기 등)을 조작하여, 태양광을 접할 수 없는 빌딩 및 지하 공간 종사자들에게 태양이 뜨고 지는 듯한 조명효과를 제공할 수 있게 만들면 좋겠다.

○ 인공태양을 사용한 후 시력보호 및 정서안정 효과를 검증해 보고, 이를 병원·여객기·차량용 등 산업용 조명으로 활용하였으면 좋겠다.

□ 후속 연구 추진 계획

○ 실제 태양, 인공태양, 식물전용 LED 전등을 이용한 식물의 광주기를 비교한다.

배전용 LED 전등의 L을 경제적인 가치가 있는 장미와 같은 꽃에 조사하면서 개화시기(광주기성)를 확인하는 실험을 통해 경제적 이익을 창출할 수 있을 것이라고 생각된다.

5. 참고문헌

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