LED 광원이 실내 식물 재배용으로 적합한지 알아본다

1. 개요

□ 연구목적

○ 안정적 실내 식물 재배의 필요성의 대두

- 식물의 성장을 위해서는 빛이 필요하다. 지난 오랜 시간 동안 인류는 이 빛으로 태양광을 이용해 왔다. 하지만 오늘날 기상 이변으로 인한 자연 광 부족이나 작물의 외부 생산의 불안정성을 이유로 식물의 실내 재배에 관심이 쏠리고 있다.

이에 따라 국내에서도 안정적인 실내 재배를 실현하기 위해 노력하고 있다. 식물의 실내 재배에 있어서 가장 주목해야 할 것은 바로 광(光)환경이 다. 조명 시설의 경제성, 효율 등이 감안되어야 하며 이 과정에서 주목받게 되는 새로운 광원이 바로 LED인 것이다.

○ 실내 식물 재배 산업의 발전에 따른 효율적 광원의 요구

- 최근, 국내에서 실내 식물 재배 산업이 주목을 받고 발전함에 따라 기존에 이용되던 광원에서 벗어나 보다 효율적이고 지속가능한 광원에 대한 요구가 생기기 시작하였다. LED를 이용하는 것은 그 요구에 대한 해답이 될 수 있으며 LED 광원의 타당성 및 적절한 활용 방안 등에 대한 연구가 더 필요하게 되었다.

○ LED 광원이 실내 식물 재배용으로 적합한지 알아본다.

- 식물은 엽록소에서 빛을 받아들여 광합성을 진행하게 된다. 여기서 엽록소는 빛의 파장에 따라 빛을 흡수하는 능력이 다르다. 실제로 엽록소는 붉은 색과 파란색의 빛을 잘 흡수한다. 따라서 이 지점에서 엽록소의 작용 이 최대가 되므로 광합성 작용이 늘어나게 된다.

따라서 식물의 생장은 특정 파장에 크게 영향을 받게 되는데 광원에 따라 이를 정량화한 값이 광합성 광량자 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density, 이하 PPFD)이다. PPFD는 식물의 광합성에 유효한 방사에 속하는 파장인 400~700nm 대의 빛의 광도를 분석함으로써 이루어진다. 같은 럭스

그림 2 엽록소의 흡수스펙트럼과 작 용스펙트럼

그림 3 해충과 빛의 파장간의 관계

(Lux)의 빛을 비추어 줘도 PPFD값이 큰 것이 식물의 생장에 더 도움이 된다는 것이다. 본 연구를 통해 식물의 실내 재배에 활용될 수 있는 다양한 광원의 분광분포를 찾아낼 것이다. 그리고 분광분포를 분석함으로써 각 광원이 식물의 광합성에 유효한 파장의 빛을 얼마나 포함하고 있는지 분석 할 것이다. 더불어 실제 식물의 재배를 통해 LED 의 식물 재배용 광원으로 써의 효율성을 밝혀낼 수 있다.

- 식물 재배에 있어 해충 퇴치를 위해 인류는 주로 농약이나 살균제 등을 이용해 왔다. 이는 식물에 좋지 않은 영향을 끼칠 뿐만 아니라 이를 소비하는 인간에게는 해롭다. 따라서 해충 퇴치를 위한 다른 방법에 대한 연구가 많이 진행되고 있는데 그중 하나가 바로 빛을 이용한 것이다. 해충

이 특별히 싫어하는 파장이 있게 되는데 실제로 위와 같다. 해충 방제는 실내 광원으로 고려할 때 또한 중요한 요소이며 식물 재배용 LED가 이러한 효과를 가지고 있는지 밝혀낸다. 마찬가지로 실내 식물 재배에 이용되는

다양한 광원을 활용해 분광형태를 분석한 뒤 식물에게 주요한 몇 가지 해충을 이용해 방제 정도를 파악하는 것을 목표로 한다.

- 조명의 효율은 투입된 에너지 중 빛으로 변환하는 효율이 높을수록 좋다. 일반 조명의 경우, 발열량이 크게 나타나는데 이는 에너지 효율 측면 에서 뿐만 아니라 폐열을 발생시켜 실내온도를 크게 상승시키게 된다.

따라서 이를 해소하기 위해 큰 냉각 시설을 운용해야하는 어려움이 있다.

그러므로 실내 재배용 광원으로써 활용하기 위해 LED가 발열의 측면에서 효율적인지 확인하는 것을 목표로 한다.

○ 실제 LED 광원의 활용 방안에 대해 탐구하여 실생활에 응용할 수 있도록 한다.

- LED는 실내 식물 재배라는 측면에 있어 비록 그 자체로써 높은 효율을 가지고 있지만 효율적인 활용을 통해서 그 효과가 극대화 된다.

따라서 본 연구를 통해 몇 가지 방안을 살펴보는 것을 목표로 한다. LED 광원은 타 광원에 비해 조사(照射)면적이나 범위에서 차이를 보이므로 식 물과 광원의 형태, 배열, 거리 등을 달리 하여 최적의 조사 방식에 대해 탐구한다. 또한 실제 식물 재배를 통해 LED가 최적의 효율을 보이는 품종 및 조건을 탐구하도록 한다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

식물은 엽록소에서 빛을 받아들여 광합성을 진행하게 된다. 여기서 엽록 소는 빛의 파장에 따라 빛을 흡수하는 능력이 다르다. 따라서 원예작물을 포함한 모든 작물은 각기 다른 파장에서 다양하고 민감하게 반응하는데, 파이토크롬(phytochrome)이라는 광수용단백질에 의해 적색광(660nm)과 초적색광(730nm)의 변화를 감지한다. 광수용단백질은 적색광을 받으면 활성형태로 전환되어 광합성 산물의 체내이동, 개화, 색소 발현 등 식물의 반응을 유도하고 초적색광을 받으면 다시 불활성형태(Pr)로 전환된다. 과

실의 당도 향상, 생육촉진, 기능성 증진 등 농업적으로 유용한 작물의 특성 들도 식물의 파이토크롬 작용의 유도로 조절될 수 있다.

엽록소는 주로 붉은색과 파란색의 빛을 잘 흡수한다. 따라서 광합성 환경 의 개선에는 파장영역을 달리한 처리가 반드시 필요하다. 장일 조건을 위해서는 적색광이 백색광보다 효율이 5~6배 높고 기존의 백열등을 적색 LED 광으로 대체하면 전기사용량을 약 70~80% 절감할 수 있게 된다. 또한 전조재배에 따른 작물의 광합성 증대는 적색광이 백색광보다 광합성 작용 에 효율이 높아 작물의 생산량과 품질이 백열등보다10~20% 향상시킬 수 있다. 비닐하우스 재배 시 초적색 LED 광을 해가 진 후 단시간 처리하면 착과 수가 증가해 생산량이 증가되는 것이 연구를 통하여 밝혀졌다.

□ 연구 방법

본 연구에서 비교한 광원은 총 6종류로 구체적인 모습은 아래와 같다.

① 백열등

그림 2. 백열등 40W 그림 3. 백열등 60W 그림 4. 백열등 100W

② 형광등과 LED

그림 5. 형광등 20W 그림 6. LED1-20W 그림 7. LED2-20W

제조사 정보

백열등 40W OSRAM 백열등 40W 백열등 60W 신광표 백열등 60W 백열등 100W 신광표 백열등 100W

LED1 20W 이드시스템 식물용 LED 조명 30cm 20W

LED2 20W 베지샵 식물용 LED 조명 VSL55-81RB/108RB 30cm 20W 형광등 20W 장수램프 FL20PG 식물재배, 수족관용 20W

표 2. 각 광원별 제조사 정보

본 연구에서는 다음과 같이 3가지 방법을 통하여 LED의 효율성을 탐구하 였다.

(1) 분광분석을 통한 광합성 광량자 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density, 이하 PPFD) 분석

PPFD는 식물의 광합성에 유효한 방사에 속하는 파장인 400~700nm 대의 빛의 광도를 분석함으로써 이루어진다. 같은 럭스(Lux)의 빛을 비추어 줘도 PPFD값이 큰 것이 식물의 생장에 더 도움이 된다. 본 연구에서는 식물의 실내 재배에 활용될 수 있는 다양한 광원의 분광분포를 찾아내고 이를 분석함으로써 각 광원이 식물의 광합성에 유효한 파장의 빛을 얼마나 포함 하고 있는지 분석하였다. 분광분석을 위하여 J&C Tech.의 JCS380을 이용 하였다.

그림 8. JCS380

표 3. Specification of JCS380

실험은 각 광원에 대하여 30, 50 cm 거리에서 측정하여 분석하는 방법으로 진행되었다.

(2) 식물의 실제적인 광합성량 분석

① 밀폐된 상자를 준비한다. 상자는 실험 전 과정동안 항상 동일한 조건(온 도, 습도, 압력)으로 유지시킨다. 또한 식물은 실험 전 어두운 곳에 몇 시간 동안 방치해두어 암순응 시켜놓는다.

② 식물 화분, 이산화탄소 센서를 투명한 지퍼백에 넣고 밀폐시킨다.

그림 9.

③ 지퍼백을 상자에 넣고 광원, 조도 센서, 온도 센서를 상자 윗부분에

설치한 뒤 빛이 새어나가지 않도록 막는다.

그림 10. 그림 11.

④ 1시간 동안 시간에 따른 이산화탄소 농도를 측정한다.

⑤ 이산화탄소의 농도 변화율을 구한 뒤 소비전력으로 나누어 소비 전력 당 광합성 효율을 계산한다.

⑥ 나머지 7종류의 광원에 대해서도 ④~⑥를 반복한다.

⑦ 데이터를 분석하여 개체의 광합성량에 대한 각 광원의 효율성을 평균을 내서 비교한다.

이 실험에 사용된 측정기기는 Vernier Korea의 MBL세트(KSP-LABPRO) 와 이산화탄소 센서(CO2-BTA), 조도 센서(LS-BTA), 스테인리스온도 센서 (TMP-BTA)이다.

실험에 사용한 식물종은 다음과 같다.

종류 특징

자금우(Ardisia japonica) 쌍떡잎식물 앵초목 자금우과의 상록 소관목 줄리아 페페 (Peperomia puteolata) 후추과의 상록다년초

나비난초(Orchis graminifolia) 외떡잎식물 난초목 난초과의 여러해살이풀 표 4. 사용한 식물종

그림 12. 왼쪽에서부터 자금우, 줄리아페페, 나비난초

거리

광원 종류 50cm 30cm

LED1 20W

표 5. 분광 분석을 통한 광합성 광량자 밀도 분석 결과

(3) 발열량 측정

① 밀폐된 상자를 준비한다. 상자는 실험 전 과정동안 항상 동일한 조건(온 도, 습도, 압력)으로 유지시킨다.

③ 광원을 상자 윗부분, 온도 센서를 상자 중앙 부분에 설치한 뒤 빛이 새어나가지 않도록 막는다.

④ 1시간 동안 시간에 따른 온도 변화를 측정한다.

⑤ 온도 변화량을 구한 뒤 소비전력으로 나누어 소비 전력 당 온도변화율을 계산한다.

⑥ 나머지 7종류의 광원에 대해서도 ④~⑥를 반복한다.

⑦ 데이터를 분석하여 개체의 각 광원의 발열량을 비교한다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

1. 분광분석을 통한 광합성 광량자 밀도 분석

분광분석을 통한 광합성 광량자 밀도 분석은 JCS 380을 이용해 수행했다.

광원으로부터의 거리는 30, 50cm 두 가지 경우에 대해서 측정했다. 실험 결과는 아래와 같다.

거리

광원 종류 50cm 30cm

LED2 20W

백열등 40W

백열등 60W

형광등 20W

한편, 이 값들로부터 단위 면적당 단위 시간당 광합성 광량자 밀도를 구할 수 있는데 Chl-a, Chl-b, Car, 각각이 흡수하는 광합성 광량자 밀도와 전체 광합성 광량자 밀도는 아래와 같이 나온다. 이를 보면 백열등이 가장 많은 유효한 광합성 광량자를 방출함을 알 수 있다.

그림 13 단위 면적 단위 시간당 광합성 광량자 밀도-1

하지만, 이 값을 소비 전력으로 나누어 단위 소비 전력당 단위 면적당 단위 시간당 광합성 광량자 밀도를 측정하면 LED가 가장 높은 값을 갖는 것으로 나타났다.

그림 14 단위 면적 단위 시간당 광합성 광량자 밀도-2

2. 식물의 실제적인 광합성량 분석

광원은 총 6종류(백열등 40W, 백열등 60W, 백열등 100W, LED1 20W, LED2 20W, 형광등 20W)가 사용되었다. MBL을 이용해 밀폐용기 내에서 CO2 농도의 변화를 측정하였다.

밀폐용기 내에서 식물은 광합성뿐만 아니라 호흡도 한다. 따라서 순 광합 성량을 측정하기 위해서는 호흡으로 인한 CO2 농도의 변화를 측정할 필요 가 있다. 이를 측정하기 위한 방법으로 광원을 설치하지 않은 상태로 Blank Test를 진행했다.

실험 결과, 6종류의 광원에 대해서 광합성에 의한 CO2 변화량은 아래와 같이 나왔다.

그림 15. 광합성에 의한 CO2 변화량-1

그림 16. 광합성에 의한 CO2 변화량-2

이 값들은 Blank Test의 값을 빼준 것으로 순전히 광합성에 의해 생긴 CO2의 변화량이라고 할 수 있다. 6 광원 모두에 대해서 그 값들은 감소했는 데 그 기울기는 종류에 따라 다른 것으로 나타났다.

그 기울기는 2가지 방법으로 측정했는데 어떤 것이 더 정확한 방법이라고 판단하기 어려웠으므로 2가지 모두 시행했다. 한 가지 방법은 최종량을 전체 시간으로 나누어 구하는 방법이며 두 번째 방법은 추세선의 기울기를 측정하는 방법이다. 이론적으로 시간에 따른 총 광합성량이 일정하게 증가 하므로 이 두 값은 같게 나와야 하지만 기기 상의 문제 혹은 기타 다른 조건들에 의해 이 두 값은 일치하지 않는다.

우선, 최종량을 전체시간으로 나누어 구하는 경우, 시간에 따른 광합성 효율은 백열등 100W > 백열등 60W > LED1 20W > LED2 20W > 백열등 40W > 형광등 20W 순으로 나타났다. 한편, 추세선을 통해 구하는 경우, 백열등 100W > 백열등 60W > LED1 20W > LED2 20W > 형광등 20W

> 백열등 40W 순으로 나타났다. 이를 살펴보면 전력량이 높은 백열등이 가장 효율이 좋고 그 다음이 LED, 형광등 그리고 전력량이 낮은 백열등 순으로 나타났다.

ppm/s 백열등

40W

백열등 60W

백열등

100W LED1 20W LED2 20W 형광등 20W 최종량 0.0867 0.1483 0.2966 0.1290 0.0999 0.0794 추세선 0.06706 0.1692 0.3574 0.1055 0.07621 0.07536 표 6. 각 광원별 광합성량

하지만 이 값들은 전력을 고려하지 않은 값으로 실제로 단위 전력 당 광합성량을 비교해보면 아래와 같다. 이 값들은 ppm/s 값을 각 광원의 전력량으로 나누어 구했다. 최종량의 경우, LED1 20W > LED2 20W >

형광등 20W > 백열등 100W > 백열등 60W > 백열등 40W 순으로 나타났다.

추세선으로 구한 경우에도 역시 , LED1 20W > LED2 20W > 형광등 20W

> 백열등 100W > 백열등 60W > 백열등 40W 순으로 나타났다.

ppm/s/W 백열등 40W

백열등 60W

백열등

100W LED1 20W LED2 20W 형광등 20W 최종량 0.002168 0.002472 0.002966 0.006450 0.004994 0.003970 추세선 0.001677 0.002820 0.003574 0.005275 0.003811 0.003768 표 7. 각 광원별 단위 전력당 광합성량

결과적으로 광합성 효율이 좋은 광원은 전력량이 높아 빛의 세기가 센 백열등이었다. 하지만 단위 전력당 광합성 효율이 가장 좋은 광원은 LED 광원이라고 할 수 있다. 따라서 같은 전력을 투입했을 때, 가장 효율적으로 식물을 재배할 수 있는 광원은 LED 광원이라는 결론을 내릴 수 있었다.

그림 17 ppm/s/w(최종량과 시간에 따른 변화량)

3. 발열량 측정

실내에서 인공 광원을 이용해 식물을 재배할 때 중요한 점 중 하나가 광원의 발열량이다. 조명의 효율은 투입된 에너지 중 빛으로 변환하는 효율이 높을수록 좋다. 일반 조명의 경우, 발열량이 크게 나타나는데, 이는 에너지 효율 측면에서 뿐만 아니라 폐열을 발생시켜 실내온도를 크게 상승 시키게 된다. 따라서 이를 해소하기 위해 큰 냉각 시설을 운용해야하는 어려움이 있다. 그러므로 실내 재배용 광원으로서 활용되기 위해서는 발열 량이 크지 않아야 한다.

실험 결과, 각 광원별로 시간에 따른 온도 변화의 그래프는 아래와 같았다.

백열등 100W > 백열등 60W > 백열등 40W > LED1 20W > LED2 20W

> 형광등 20W 순으로 발열량이 많았다. 형광등 20W의 경우, 온도가 들쭉날 쭉한 것으로 나타났는데 이는 완벽한 밀봉이 이루어지지 않아 단열이 되지 않았기 때문으로 추측된다.

백열등의 경우가 가장 크게 온도가 상승했는데 전력이 높은 순으로 온도 가 많이 상승했다. 그 다음은 LED 광원으로, 시간에 따른 온도 변화가 크지 않았다. 특히 LED2 20W의 경우, 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.

이로부터 에너지 효율 측면에서 LED 광원이 가장 적합하며 또한 폐열을 발생시키지 않는다는 점에서도 LED 광원이 유리함을 알 수 있다. 형광등 또한 발열량이 크지 않을 것으로 예상되나 정확한 측정이 이루어지지 않아 판단을 내리기 어려웠다.

그림 18 시간에 따른 각 광원별 온도 변화

□ 시사점

최근, 안정적인 실내 재배의 필요성이 대두되면서 이 분야에 대한 관심이 커지고 있다. 식물의 실내 재배에서는 광환경이 가장 중요하게 작용하는데 본 연구에서는 광환경을 조성하는 광원으로서 LED의 효율성을 3가지 측면 에서 연구하였다.

우선, 각 광원에 대한 물리적인 분석을 통해 광합성 광량자 밀도를 구하는 실험을 수행한 결과, 단위 시간당 단위 면적당 광합성 광량자량은 백열등이 우세한 것으로 나타났으나 단위 전력당 단위 시간당 단위 면적당 광합성 광량자량은 LED 광원이 좋은 것으로 나타났다. 또한 실제로 각 광원의 스펙트럼을 살펴보면 LED의 경우, 광합성에 유효한 파장(440nm, 650nm) 에서 높은 피크를 가지며 형광등의 경우, 전체적으로 스펙트럼을 가지는 가운데 440nm와 650nm에서 피크를 가졌으며 백열등의 경우, 파장이 길어 질수록 광량자량이 증가했으며 특별한 피크를 가지지 않았다. 이처럼 LED 는 적은 전력만으로도 식물에 유효한 파장의 광량자를 다량 방출할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.

두 번째로 식물의 실제적인 광합성량을 분석하는 실험을 수행했는데, 단위 시간당 광합성량(ppm/s)의 측면에서는 백열등이 높게 나타났지만 단위 소비전력당 단위 시간당 광합성량(ppm/s/W)의 측면에서는 LED가 가장 높은 값을 가지는 것으로 나타났다. 데이터 처리 상의 차이가 있어 최종량과 추세선, 두 가지 방법으로 분석했는데 위 결론은 두 가지 방법 모두에서 공통적인 것이었다.

단위시간당 광합성량의 측면에서는 조도가 크고 밝은 조명이 좋다. 따라 서 소비 전력이 커 높은 조도를 갖는 백열등이 단위시간당 광합성량이 크게 나타났을 것으로 생각된다. 하지만 이 값이 높다고 해서 백열등이 효율적인 광원이라고 말할 수는 없다. 소비전력이 고려되지 않았기 때문이 다. 따라서 단위 소비전력당 단위 시간당 광합성량이 광원의 효율을 판단할 수 있는 값으로 쓰여 야 하고 이 경우에는 LED가 높은 값을 갖는 것으로 나타났다. 이는 LED가 소비 전력이 작지만 광합성에 필요한 파장대의 빛, 즉 광합성 광량자 밀도가 크기 때문으로 생각된다. 실제로 LED 광원은

파장의 peak를 뾰족하게 만들 수 있어 식물이 필요로 하는 파장의 빛을 집중적으로 공급해줄 수 있게끔 설계되었다. 뿐만 아니라 LED 광원은 광전환 효율이 높아 에너지 효율 측면에서 유리하다. 이러한 이유들로 인해 LED가 단위 소비전력당 단위 시간당 광합성량이 가장 높은 광원으로 나타났다.

마지막으로, 광원의 발열량을 측정하는 실험을 수행했는데 소비 전력이 큰 백열등은 발열량이 높은 것으로 나타났지만 LED의 경우, 발열량이 이에 비해 훨씬 적은 것으로 나타났다. 형광등의 경우, 완전한 밀폐가 어려 워 신뢰할만한 온도 측정 결과 값을 얻을 수 없었다. LED는 전력을 빛으로 전환하는 에너지 효율이 뛰어나 효율적인 광원으로 작용할 수 있다. 뿐만 아니라 폐열을 적게 발생시킨다는 점 또한 중요하다. 상업적인 목적으로 대규모로 실내 식물을 재배할 때, 온도를 일정하게 유지해 주기 위해 광원으로 인해 발생한 폐열을 냉방을 통해 제거해 주는데 LED를 사용하게 되면 광원 자체의 폐열이 적으므로 냉방에 필요한 에너지를 절약할 수 있는 것이다.

위 세 실험을 통해 우리는 식물의 실내 재배용 광원으로서 LED가 가장 효율적이라는 결론을 얻을 수 있었다. 광합성 광량자 밀도 분석을 통해 LED가 식물이 광합성에 필요한 파장의 빛을 집중적으로 포함하고 있다는 것을 밝혀냈고 실제 식물 재배를 통해서 LED가 단위 소비전력당 단위 시간당 광합성량이 가장 좋다는 것을 알아냈다. 한편, 발열량의 측면에서 도 LED가 빛으로의 전환효율이 좋고 폐열이 적어 냉방에 필요한 에너지를 절약할 수 있다는 것을 밝혀냈다.

4. 홍보 및 사후 활용

○ 추후, 본 연구를 통해 실내 식물 재배에 있어서 LED가 보다 광범위하 게 활용될 수 있을 것이라고 기대한다. 또한 ‘식물 공장’의 식물 재배 형태에 따라 필요한 적정 분포의 광공급을 위한 광원의 선택과 적절한 배치를 결정하는데 이용될 수 있으며 적정 광량을 공급하기

위한 광원의 설치 형태 등에 관한 연구도 이어질 수 있을 것이라고 생각된다. 보다 거시적인 관점에서 본 연구에서는 LED를 농생명학과 결합시켜 생각했지만 LED는 이외에도 다양한 분야로 응용될 수 있을 것으로 생각된다. LED의 친환경성과 지속성은 다양한 분야에 있어 LED가 주요한 광원으로 작용할 수 있음을 암시한다.

5. 참고문헌

○ 식물 생장 조절을 위한 LED 광처리 장치에 대한 연구, 광주대학교, 방걸원 2012.7

○ 녹생성장의 총아인 LED 조명 산업 발전전략, KIET 산업경제, 주대영 2009.3

○ 적색 LED 농업용 LED 조명, 도움누리 ○ 광에너지와 식물의 생육관계, 김충국 ○ SCIFOCUS 농촌진흥청, 홍성창