KR100961066B1

KR100961066B1 - 식물공장용 엘이디 조명 시스템

Info

Publication number: KR100961066B1
Application number: KR1020090135654A
Authority: KR
Inventors: 엄정식; 오성봉; 손정익
Original assignee: (주)와이즈산전
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2010-06-01

Abstract

본 발명은 식물공장용 LED 조명 시스템에 관한 것으로, LED 조명의 방열을 극대화하고, 적색등, 청색등 및 녹색등을 소정의 방식으로 배치하는 기술에 관한 것이다. 개시발명은 LED를 포함하여 식물에 광을 조사하는 LED부, LED부에 접하여 LED에서 발생하는 열을 외부로 방출시키는 방열부, LED의 밝기, 주파수 등을 조절하는 LED 드라이버, LED 드라이버를 제어하는 신호를 수신하기 위한 무선통신부 및 LED부, LED 드라이버, 및 무선통신부에 전원을 공급하는 전원부를 포함한다. 또한, 상기 LED부는 적색등, 청색등 및 녹색등으로 구성되는 단위 구조를 일정 간격으로 배치하여 이루어지고, 적색등 및 녹색등은 사각형 패턴의 그물망 구조를 형성하고 청색등은 삼각형 패턴의 벌집 그물망 구조를 형성하도록 배치하는 방법을 제공한다. 따라서, LED에서 발생하는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있고, 소정의 단위 구조에 따른 인공 조명에 의한 광조사에 의하여 수광면의 광강도를 균일하게 분포시킬 수 있다.

Description

식물공장용 엘이디 조명 시스템{LED Illumination System for Plant Factory}

본 발명은 식물공장용 LED 조명 시스템에 관한 것으로, LED 조명의 방열을 극대화하고, 적색등, 청색등 및 녹색등을 소정의 방식으로 배치하는 기술에 관한 것이다.

현재, 농업분야는 반도체 발광 다이오드 LED(Light Emitting Diode)의 출현과 함께 커다란 전환점을 맞이하고 있다. 농업을 위한 기존의 조명은 넓은 파장대의 영역을 가지는 인간의 시감에 맞추어진 조명이지만, LED는 식물이나 곤충 등이 필요로 하는 정확하고 짧은 파장을 구현할 수 있기 때문에 매우 정밀하게 식물을 생육할 수 있도록 한다.

기술의 발전으로 LED의 가격은 낮추어지고 있고 다양한 분야에서의 활용이 이루어지고 있는데 농업분야에서 식물의 생육을 위한 조명에서도 많은 시도가 이루어지고 있다.

식물이 필요로 하는 빛은 파장이 300~800nm 범위인 생리 효과 방사선과 400~700nm 범위의 광합성 효과 방사선으로 대별할 수 있다. 식물은 이 중에서 청색 계열과 적색 계열의 빛을 흡수하고 녹색 계열의 빛은 반사하게 된다. 이렇게 식물이 필요로 하는 파장 영역의 빛을 방출할 수 있는 LED를 식물의 생육을 위한 조명으로 사용하는 다양한 기술이 개발되고 있다.

LED가 발광하는 과정에서 LED에 가한 에너지 중에서 광으로 사용되지 못한 에너지가 열로 방출된다. 발열량은 에너지효율에서 기인하는데 일반 백열전구에 비해 LED의 효율은 크게는 10배까지 좋다. 동일한 발광효과를 내면서 에너지를 덜 소비한다는 것은 그만큼 발열이 적다는 의미가 되지만 높은 발열의 문제는 요즘 보급이 늘어나고 있는 LED조명이나 LED TV 등에 적용하기 위해서 늘 고려해야 할 문제이다. LED조명을 보면 LED에서 발생하는 열을 방출시키기 위하여 알루미늄 기판(PCB, Printed Circuit Board)를 사용한다. 알루미늄기판은 일반적인 기판에 비해 고가이고 제조 공정도 복잡하다. 효율이 좋아서 LED조명을 사용하지만 발열이 문제가 되고 그것을 해결하기 위하여 고가의 기판을 이용하게 되면서 LED의 발열이 문제가 되고 있다. 효율이 높은 LED를 개발하기 위한 노력은 계속되고 있지만 쉬운 일이 아니며 100%의 효율을 내지 않는 한 발열은 정도의 차이일 뿐 여전히 문제가 된다.

또한, LED는 백열등이나 형광등과 같이 규모가 크지 않아 다수의 LED를 모아서 조명에 쓰이는데 LED를 효과적으로 배치하는 것이 중요하다. LED의 배치에 관한 종래기술로서 등록특허 10-0906226호의 발명에서는 복수의 청색 LED와 복수의 적색 LED를 혼합되어 배치한 예가 있다. 여기에서 광원기판은 적색 LED와 청색 LED가 바둑판 형상으로 서로 어긋나게 배열하고, 측면과 상하면에는 다른 종류의 LED를 배치하고, 대각선 방향으로는 동종의 LED를 배치하여 420~470nm 범위의 파장과 640~690nm 범위의 파장이 전체적으로 균일하게 공급될 수 있도록 하였다. 또한, 광원기판은 적색 LED와 청색 LED를 동심원 형상으로 배열하고 하나의 동심원은 동종의 LED로 형성하고, 그 외부와 그 내부는 다른 종류의 LED로 형성하여 전체적으로 420~470nm 범위의 파장과 640~690nm 범위의 파장이 전체적으로 균일하게 공급되도록 하였다. 그러나 이러한 LED의 배치는 동일 면적에 필요한 LED의 개수를 많이 사용해야 하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 방열을 극대화하기 위한 3층 구조의 방열부 및 LED개수를 줄이기 위한 적색등, 청색등, 및 녹색등을 소정의 방식으로 배치하는 기술을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 LED를 포함하여 식물에 광을 조사하는 LED부, LED부에 접하여 LED에서 발생하는 열을 외부로 방출시키는 방열부, LED의 밝기, 주파수 등을 조절하는 LED 드라이버, LED 드라이버를 제어하는 신호를 수신하기 위한 무선통신부 및 LED부, LED 드라이버, 및 무선통신부에 전원을 공급하는 전원부를 포함한다. 방열부는 LED부에 직접 접하여 상기 LED에서 발생하는 열을 흡수하는 금속 PCB, 금속 PCB가 흡수한 열을 흡수하여 외부 공간으로 방출하는 방열판 및 방열판에 부착되어 방열판의 열 방출기능을 보조하는 방열핀을 포함한다.

또한, 상기 LED부는 적색등, 청색등 및 녹색등으로 구성되는 단위 구조를 일정 간격으로 배치하여 이루어지고, 적색등 및 녹색등은 사각형 패턴의 그물망 구조를 형성하고 청색등은 삼각형 패턴의 벌집 그물망 구조를 형성하도록 배치하는 방법을 제공한다.

상기 단위 구조는 적색등, 청색등 및 녹색등의 개수가 각각 4개, 3개, 1개로 구성하며, 녹색등이 적색등의 중심에 배치되며 청색등 중 2개는 적색등에 의한 사각형의 마주보는 두 변에 배치되고 두 변 이외의 변과 평행하게 배치되며, 청색등의 나머지 하나는 사각형의 외부에 배치되고 삼각형 내부에 녹색등을 포함하도록 구성할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 LED 조명 및 LED의 배치 방법에 의하면, 3층의 금속패턴으로 구성된 방열부를 구비하여 LED에서 발생하는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있고, 소정의 단위 구조에 따른 인공 조명에 의한 광조사에 의하여 수광면의 광강도를 균일하게 분포시킬 수 있다. 또한, 수광면에 필요한 LED등의 개수를 줄일 수 있어 식물공장을 경제적으로 운영하는데 도움을 줄 수 있다.

이하 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 참조로 하는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공 조명 시스템을 보여주는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 인공 조명 시스템(1)은 LED부(100), 방열부(200), LED 드라 이버(300), 무선통신부(400) 및 전원부(500)를 포함한다.

상기 LED부(100)는 LED(110)를 포함하여 식물공장 내에서 생육하는 식물에 광을 조사한다. LED(110)는 적색등, 청색등 및 녹색등의 3개의 색으로 구성할 수 있고, 식물의 광합성에 필요한 420nm 내지 690nm 범위의 파장의 빛을 발생시킬 수 있다.

상기 방열부(200)는 LED부(100)에 접하여 LED(110)에서 발생하는 열을 외부로 방출시킨다. 방열부(200)는 LED부(100)에 직접 접하여 LED(110)에서 발생하는 열을 흡수하는 금속 PCB(210), 금속 PCB(210)가 흡수한 열을 흡수하여 외부 공간으로 방출하는 방열판(220) 및 방열판(220)에 부착되어 방열판(220)의 열 방출기능을 보조하는 방열핀(230)을 포함할 수 있다. PCB를 금속재질로 구성함으로써 방열부(200)의 3층이 모두 금속으로 동일한 재질로 구성되어 방열효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

상기 LED 드라이버(300)는 LED(110)에서 방출되는 빛의 밝기, 주파수 등을 조절할 수 있다. LED 드라이버(300)에 의하여 전압제어 또는 정전류 제어에 의하여 3색 LED별로 디밍(Dimming) 제어를 할 수 있어 정밀하게 식물의 생육 환경을 조절할 수 있다. 색상별 디밍제어는 상기 식물의 생육 속도 또는 형태의 형성에 영향을 주는 광밀도의 구성비를 조절할 수 있다. 예를 들어 적색등만 조사한 상추의 엽폭이 좁은 경우에는 상추의 엽폭에 관련된 청색파장을 방사하는 청색등의 광도를 10% 추가하는 디밍제어에 의하여 적정한 엽폭으로 생육하도록 조절할 수 있는 것이다.

상기 무선통신부(400)는 LED 드라이버(300)를 제어하는 신호를 수신한다. 식물공장에 설치된 제어부(도시되지 않음)의 제어신호를 받아들여 LED 드라이버(300)를 구동한다. 통상적으로 근거리에 위치하게 되는 제어부와의 통신은 근거리 통신에 효과적인 지그비(Zigbee) 통신방법을 이용할 수 있다.

상기 전원부(500)는 LED부(100), LED 드라이버(300), 및 무선통신부(400)에 전원을 공급한다. 전원은 가정용/산업용 교류 전원 또는 직류전원을 이용할 수 있다. 또한, 전원 저장부(도시되지 않음)를 포함하여 외부 전원을 연결하지 않고도 충전된 전원에 의하여 독립적으로 동작할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LED부의 단위 구조를 보여주는 배치도이다. 도 2를 참조하면, 단위 구조는 적색등(10), 청색등(20), 및 녹색등(30)을 포함한다. 적색등(10)은 엽록소 a가 잘 흡수하는 파장영역인 640~690nm 범위의 파장을 발산하고, 청색등(20)은 엽록소 b가 잘 흡수하는 파장영역인 420~470nm 범위의 파장을 발산하고, 녹색등(30)은 500~540nm 범위의 파장을 발산한다.

LED 조명에 의하여 식물을 생육하는 식물공장에 있어서, LED부는 적색등(10), 청색등(20) 및 녹색등(30)으로 구성되는 단위 구조를 일정 간격으로 배치한다. 바람직한 일실시예로서 상기 사각형은 직사각형으로, 상기 삼각형은 정삼각형으로 배열할 수 있다.

상기 단위 구조는 상기 적색등(10), 청색등(20) 및 녹색등(30)의 개수가 각각 4개, 3개, 1개로 구성할 수 있다. 상기 단위 구조는 녹색등(30)이 4개의 적색 등(10)의 중심에 배치되며 청색등(20) 중 2개는 적색등(10)에 의한 사각형의 마주보는 두 변에 배치되고 두 변 이외의 변과 평행하게 배치되며, 청색등(20)의 나머지 하나는 사각형의 외부에 배치되고 삼각형 내부에 녹색등(30)을 포함하도록 구성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예로서 단위 구조는 한 변의 길이가 2 x D, 다른 변의 길이가 4 x L인 직사각형을 이루고, 직사각형의 16개로 등분하여 9개의 내부 교차점을 만들어, 직사각형의 중심에는 녹색등(30)을 배치하고, 중심을 둘러싸는 내부의 교차점이 만드는 한 변의 길이가 D, 다른 변의 길이가 2L인 직사각형의 각 모서리에 4개의 적색등(10)을 배치하고, 한 변의 길이가 2 x L인 정삼각형의 각 모서리에 3개의 청색등(20)을 배치하되 정삼각형의 한 변이 직사각형과 평행하며 정삼각형이 녹색등(30)을 포함하도록 구성할 수 있다. 상기 직사각형은 D = 2 x L인 정사각형으로 하는 것도 가능할 수 있다.

도 3은 도 2의 단위 구조를 조합하여 형성되는 LED부의 구성을 보여주는 배치도이다. 도 3을 참조하면, 적색등(10) 및 녹색등(30)은 사각형 패턴의 그물망 구조로 배열되어 있고, 청색등(20)은 삼각형 패턴의 벌집 그물망 구조로 배열되어 있음을 알 수 있다.

이와 같은 단위 구조에 따른 인공 조명에 의한 광조사로 수광면의 광강도를 균일하게 분포시킬 수 있다. 또한, 수광면에 필요한 LED등의 개수를 줄일 수 있게 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능하다. 또한, 첨부된 도면으로부터 용이하게 유추할 수 있는 사항은 상세한 설명에 기재되어 있지 않더라도 본 발명의 내용에 포함되는 것으로 보아야 할 것이며, 다양한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공 조명 시스템을 보여주는 개념도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LED부의 단위 구조를 보여주는 배치도, 및

도 3은 도 2의 단위 구조를 조합하여 형성되는 LED부의 구성을 보여주는 배치도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: LED부

200: 방열부

210: 금속 PCB

220: 방열판

230: 방열핀

300: LED 드라이버

400: 무선통신부

500: 전원장치

10: 적색등

20: 청색등

30: 녹색등

Claims

LED를 포함하여 식물에 광을 조사하는 LED부;

상기 LED부에 접하여 상기 LED에서 발생하는 열을 외부로 방출시키는 방열부;

상기 LED의 밝기, 주파수 등을 조절하는 LED 드라이버;

상기 LED 드라이버를 제어하는 신호를 수신하기 위한 무선통신부; 및

상기 LED부, LED 드라이버, 및 무선통신부에 전원을 공급하는 전원부;를 포함하며,

상기 방열부는

상기 LED부에 직접 접하여 상기 LED에서 발생하는 열을 흡수하는 금속 PCB;

상기 금속 PCB가 흡수한 열을 흡수하여 외부 공간으로 방출하는 방열판; 및

상기 방열판에 부착되어 상기 방열판의 열 방출기능을 보조하는 방열핀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 식물공장용 LED 조명 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 LED는 적색등, 청색등 및 녹색등으로 구성되는 단위 구조를 일정 간격으로 배치하여 이루어지고, 상기 적색등 및 녹색등은 사각형 패턴 의 그물망 구조를 형성하고 상기 청색등은 삼각형 패턴의 벌집 그물망 구조를 형성하도록 배치하는 식물공장용 LED 조명 시스템.
제3항에 있어서, 상기 사각형은 직사각형이고, 상기 삼각형은 정삼각형인 것을 특징으로 하는 식물공장용 LED 조명 시스템.
제3항에 있어서, 상기 단위 구조는 상기 적색등, 청색등 및 녹색등의 개수가 각각 4개, 3개, 1개로 구성되는 것을 특징으로 하는 식물공장용 LED 조명 시스템.
제5항에 있어서, 상기 단위 구조는

상기 녹색등이 상기 4개의 적색등의 중심에 배치되며 상기 청색등 중 2개는 상기 적색등에 의한 사각형의 마주보는 두 변에 배치되고 상기 두 변 이외의 변과 평행하게 배치되며, 상기 청색등의 나머지 하나는 상기 사각형의 외부에 배치되고 상기 삼각형 내부에 상기 녹색등을 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 식물공장용 LED 조명 시스템.
제3항에 있어서, 상기 LED 드라이버는 상기 LED를 적색등, 청색등 및 녹색등의 각 색상별로 디밍제어가 가능한 것을 특징으로 하는 식물공장용 LED 조명 시스템.
제7항에 있어서, 상기 색상별 디밍제어는 상기 식물의 생육 속도 또는 형태의 형성에 영향을 주는 광밀도의 구성비를 조절하는 것을 특징으로 하는 식물공장용 LED 조명 시스템.