KR101215992B1 - 인공 광원 유닛 및 이를 이용하는 식물 배양기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 식물에 존재하는 파이토크롬의 형태 변화를 조절하여 식물의 광반응성 및 성장 속도를 조절할 수 있는 인공 광원 유닛 및 이를 이용하는 식물 배양기에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 대한 인공 광원 유닛은 광을 방출하는 발광부와; 상기 발광부에 전원을 인가하는 구동부와; 상기 구동부를 제어하여 상기 발광부에서 방출되는 광의 파장을 식물에 존재하는 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 파장과 파이토크롬이 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 파장으로 조절하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 발광부에서 700㎚, 708㎚ 및 710㎚ 중 적어도 어느 한 가지의 파장을 갖는 광이 방출되도록 조절하는 것을 특징으로 한다.
LED, 발광 다이오드, 식물 배양, 인공 광원, 파이토크롬

Description

인공 광원 유닛 및 이를 이용하는 식물 배양기{Artificial light unit and Device for growth plant using thereof}
본 발명은 인공 광원 유닛 및 이를 이용하는 식물 배양기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식물에 존재하는 파이토크롬의 형태 변화를 조절하여 식물의 광반응성 및 성장 속도를 조절할 수 있는 인공 광원 유닛 및 이를 이용하는 식물 배양기에 관한 것이다.
식물 배양기는 식물의 재배 효율 및 식물의 성장 시기 등을 조절하기 위한 목적으로 인공 광원을 갖추고 있다.
일반적으로 식물 배양기용 인공 광원은 형광등, 메탈등, 수은등, 백열등 등이 이용되고 있었다. 하지만, 식물들의 성장에 유익한 광 파장대는 660nm(적색) 부근과 450nm(청색) 부근인 것으로 알려져 있는 반면에, 전술된 인공 광원에서 발생되는 광은 주로 식물의 성장에 불필요한 파장대를 갖는다. 예를 들어 형광등은 600nm 정도의 파장대를 갖는다. 이에 따라 전술된 인공 광원을 사용하는 경우에 인 공 광원 작동율 대비 식물의 성장 효율이 낮은 단점이 있었다.
그래서 최근에는 식물들의 성장에 유익한 광 파장대와 유사한 파장의 광이 발생되는 발광 다이오드 조명을 인공 광원으로 사용하고 있는 실정이다.
또한, 최근 연구결과에 따르면 식물에 존재하는 파이토크롬이 식물의 광 반응성 및 생육 제어에 미치는 영향이 크다고 알려졌다. 파이토크롬은 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되면서 길이의 인지, 종자 발아, 광합성 산물의 체내이동, 개화 및 색소 발현 등과 같은 식물의 반응을 유도하고 색소이다. 이러한 파이토크롬은 불활성 형태로 존재하다가 적색광에 의해 활성 형태로 전환되고, 식물의 반응을 유도한 다음, 다시 불활성 형태로 전환되는 것으로 알려졌다.
이에 따라 파이토크롬의 형태 전환을 조절할 수 있는 인공 광원에 대한 연구가 요구되는 실정이다.
본 발명의 기술적 과제는 식물에 존재하는 파이토크롬의 형태 전환에 영향을 주는 파장대의 광을 방출하여 식물의 광반응성 및 성장 속도를 조절할 수 있는 인공 광원 유닛 및 이를 이용하는 식물 배양기를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 대한 인공 광원 유닛은, 식물을 배양시키는 배양기에 사용되는 인공 광원 유닛에 있어서, 광을 방출하는 발광부와; 상기 발광부에 전원을 인가하는 구동부와; 상기 구동부를 제어하여 상기 발광부에서 방출되는 광의 파장을 식물에 존재하는 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 파장과 파이토크롬이 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 파장으로 조절하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 발광부에서 700㎚, 708㎚ 및 710㎚ 중 적어도 어느 한 가지의 파장을 갖는 광이 방출되도록 조절하는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 상기 발광부는 발광 다이오드 칩을 포함하고, 상기 발광 다이오드 칩은 710nm 파장의 광을 방출하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 발광 다이오드 칩은 AlGaAs 재료를 사용한 발광 다이오드 칩인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 대한 식물 배양기는, 식물이 배양되는 배양 공간을 갖는 배양 챔버와; 상기 배양 챔버의 배양 공간에 구비되어 식물에 존재하는 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 파장범위의 광과 파이토크롬이 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 700㎚, 708㎚ 및 710㎚ 중 적어도 어느 한 가지의 파장을 갖는 광이 선택적으로 조절되어 방출되는 것을 특징으로 한다.
상기 인공 광원 유닛은 광을 방출하는 발광부와; 상기 발광부에 전원을 인가하는 구동부와; 상기 구동부를 제어하여 상기 발광부에서 방출되는 광을 식물에 존재하는 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 파장과 파이토크롬이 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 파장으로 조절하는 제어부;를 포함한다.
삭제
그리고, 상기 인공 광원 유닛은 청색광을 방출하는 제 1 보조 발광부 및 적색광을 방출하는 제 2 보조 발광부 중 적어도 하나를 더 포함한다.
이때 상기 제 1 보조 발광부는 450nm 파장의 광을 방출 발광 다이오드 칩을 포함하고, 상기 제 2 보조 발광부는 660nm 파장의 광을 방출 발광 다이오드 칩을 포함한다.
그리고, 상기 발광부, 제 1 보조 발광부 및 제 2 보조 발광부는 독립적으로 구동하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발광 다이오드 칩을 사용하여 파이토크롬의 형태 전환 작용을 촉진 또는 제한하는 파장대 범위 내에서 광의 파장을 조절하면서 방출함에 따라 식물의 광반응성 및 성장 속도를 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 식물의 성장에 유익한 광 파장대를 갖는 발광 다이오드 칩과 파이토크롬의 형태 전환 조절이 가능한 광 파장대를 갖는 발광 다이오드 칩을 함께 사용하여 식물의 광반응성과 함게 성장 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
먼저, 식물 체내에 존재하는 파이토크롬(phytochrome)에 대하여 알아본다.
파이토크롬은 광형태발생을 일으키는데 효과적인 빛을 흡수하는 광수용단백질 색소로서, 파장이 660nm 정도인 적색광과 730nm 정도인 초적색광(근적외선광) 사이의 광 변화를 감지하는 것으로 알려졌고, 특히 파이토크롬이 불활성 형태(Pr)로 존재하다가 적색광에 의해 활성 형태(Pfr)로 전환되어 길이의 인지, 종자 발아, 광합성 산물의 체내이동, 개화, 색소 발현 등과 같은 식물의 광반응을 유도하고, 초적색광에 의해 다시 불활성 형태로 전환된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 배양기를 보여주는 단면 개념도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 식물 배양기를 보여주는 단면 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 식물 배양기는 배양 챔버(100) 및 인공 광원 유닛을 포함한다.
배양 챔버(100)는 식물이 배양되는 배양 공간을 갖는 함체로서, 예를 들어 본 실시예에서는 바닥면, 측벽 및 천정면을 갖는 함체로 구성되었다. 상기 배양 챔버(100)는 배양 공간의 온도와 습도 조절이 가능하도록 형성되는 것이 바람직하고, 배양 챔버(100)의 일부에는 식물의 출입을 위한 게이트(미도시)가 마련될 수 있다.
인공 광원 유닛은 발광 다이오드 칩(220)의 발광에 의해 상기 배양 챔버(100)의 배양 공간에 광을 제공하는 수단으로서, 광을 방출하는 발광부(200)와, 상기 발광부(200)에 전류를 인가하는 구동부(300)와, 상기 구동부(300)를 제어하여 상기 발광부(200)에서 방출되는 광의 파장을 조절하는 제어부(400)를 포함한다.
상기 발광부(200)는 식물에 존재하는 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 파장과 파이토크롬이 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 파장 사이의 광을 방출하는 수단으로서, 기판(210)과 상기 기판(210) 상에 실장되는 적어도 하나 이상의 발광 다이오드 칩(220)을 포함한다. 그리고, 상기 발광 다이오드 칩(220)을 덮어서 보호하는 몰딩부(미도시) 및 발광 다이오드 칩(220)에서 발광되는 광의 파장을 변환시키는 형광체 분말 또는 형광필름과 같은 파장 변환 수단(미 도시)이 더 포함될 있다. 또한, 발광 다이오드 칩(220)에서 발생되는 광의 파장을 필터링하는 다양한 필터(미도시)가 더 포함될 수 있다.
발광 다이오드 칩(220)은 예를 들어 반도체 PN 접합 다이오드를 사용할 수 있다. 반도체 PN 접합 다이오드는 P, N 반도체를 접합한 뒤, 전압을 가해주면, P형 반도체의 정공은 N형 반도체 쪽으로 가서 가운데층으로 모이며, 이와는 반대로 N형 반도체의 전자는 P형 반도체 쪽으로 가서 전도대(conduction band)의 가장 낮은 곳인 가운데층으로 모인다. 이 전자들은 가전대(valence band)의 정공으로 자연스럽게 떨어지며, 이때 전도대와 가전대의 높이 차이 즉, 에너지 갭에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지가 빛의 형태로 방출된다. 이외에도 여러 가지 발광 방식의 발광 다이오드 칩을 사용할 수 있다.
다만, 파이토크롬의 형태 전환을 조절하기 위하여 발광 다이오드 칩(220)에서 발광되는 광의 파장이 700nm ~ 710nm 파장범위 내에서 조절되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 본 실시예에서는 710nm 파장의 광을 방출하는 AlGaAs 재료를 사용한 발광 다이오드 칩(220)이 적용될 수 있다.
상기 구동부(300)는 상기 발광부(200)에 전원을 인가하는 수단으로서, 적어도 전류 컨트롤러 및 전압 컨트롤러를 포함한다. 그래서 구동부(300)의 작동, 즉 전류 컨트롤러 및 전압 컨트롤러의 작동 유무 및 작동 정도에 따라 발광부(200)에서의 광의 발생 및 발생되는 광의 파장 정도를 조절할 수 있다.
상기 제어부(400)는 상기 구동부(300)의 작동을 제어하는 수단으로서, 상기 구동부(300)에서 제공되는 전류 및 전압의 세기를 조절할 수 있다. 또한, 상기 제 어부(400)는 배양 챔버(100) 내부의 환경요인, 예를 들어 배양 챔버(100) 내부의 온도 및 습도 등과 같은 요인의 변화와 연동하여 구동부(300)에서 제공되는 전류 및 전압의 세기를 조절할 수 있도록 구비될 수 있다.
그래서 배양 챔버(100) 내에서 식물을 배양하는 경우에 길이의 인지, 종자 발아, 광합성 산물의 체내이동, 개화, 색소 발현 등과 같은 식물의 광반응을 유도하거나 제한하기 위하여 제어부(400)를 통하여 구동부(300)를 제어하여 발광부(200)에서 발생되는 광의 파장대를 조절할 수 있다. 예를 들어 식물의 광반응을 촉진하기 위해서는 발광부(200)에서 발생되는 광이 708㎚의 파장으로 조절되면서 방출되도록 하여 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 작용을 촉진시킬 수 있다. 반대로, 식물의 광반응을 제한하기 위해서는 발광부(200)에서 발생되는 광을 700㎚의 파장 또는 710㎚의 파장으로 유지하여 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되거나, 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 것을 제한시킬 수 있다.
한편, 식물 배양기의 인공 광원 유닛은 파이토크롬의 형태 전환을 촉진시키거나 제한하는 기능과 더불어 식물 성장에 유익한 영향을 주기 위하여 전술된 파장대의 광 방출과 더불어 660nm 또는 450nm의 파장대 광을 방출시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 식물 배양기는 인공 광원 유닛에 660nm 또는 450nm의 파장대 광을 방출시키는 제 1 및 제 2 보조 발광부(203,205)를 더 구비하였다.
배양 챔버(100) 및 발광부(200)에 대해서는 전술된 제 1 실시예에서 상세하게 설명되었는바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서는 660nm 또는 450nm의 파장대 광을 방출시키기 위하여 인공 광원 유닛이 청색광을 방출하는 제 1 보조 발광부(203) 및 적색광을 방출하는 제 2 보조 발광부(205) 중 적어도 하나를 더 포함한다.
상기 제 1 보조 발광부(203)는 청색광을 발광하기 위하여, 450nm 파장의 광을 방출하는 청색 발광 다이오드 칩(213), 예를 들어 InGaN/AlGaN 더블 헤테로(double hetero) 구조를 이용한 발광 다이오드 칩이 사용될 수 있고, 상기 제 2 보조 발광부(205)는 적색광을 발광하기 위하여, 660nm 파장의 광을 방출하는 적색 발광 다이오드 칩(215), 예를 들어 GaAsP 재료 등을 이용한 발광 다이오드 칩이 사용될 수 있다.
이때 상기 발광부(201), 제 1 보조 발광부(203) 및 제 2 보조 발광부(205)는 제 1 구동부(310), 제 2 구동부(320) 및 제 3 구동부(330)에 의해 각각 독립적으로 구동되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 내지 제 3 구동부(310,320,330)는 제 1 실시예에서 설명된 구동부(300)와 마찬가지로 각각 독립적으로 작동되는 적어도 전류 컨트롤러 및 전압 컨트롤러를 포함한다.
그리고, 상기 제 1 내지 제 3 구동부(310,320,330)는 제어부(400)에 의해 그 작동이 제어되는 것이 바람직하다. 물론 상기 제 1 내지 제 3 구동부(310,320,330)를 각각 독립적으로 제어하기 위하여 제어부(400)를 제 1 내지 제 3 구동 부(310,320,330)의 개수와 대응되는 개수로 구비할 수 있을 것이다.
다음으로, 전술된 바와 같이 구성되는 식물 배양기를 이용하여 광의 파장에 따른 파이토크롬이 식물의 성장에 미치는 영향을 알아보는 실험을 하였다.
실험은 동일한 조건의 온도 및 습도를 제공하는 식물 배양기에서 다양한 종류의 애기장대(식물명)를 발아시켜 성장시키는 실험이었다. 이때 애기장대는 야생상태의 애기장대(식물군 1), 파이토크롬A가 제거된 애기장대(식물군 2), 파이토크롬B가 제거된 애기장대(식물군 3), wild-type 파이토크롬이 도입된 애기장대(식물군 4) 및 음지인식이 가능한 애기장대(식물군 5)가 사용되었다.
실험 1은 식물군 1 내지 5에 700nm 파장의 광을 동일한 조건으로 조사하였고, 실험 2는 식물군 1 내지 5에 710nm 파장의 광을 동일한 조건으로 조사하였으며, 실험 3은 식물군 1 내지 5에 708nm 파장의 광을 동일한 조건으로 조사하였다.
도 3은 실험 1의 결과를 보여주는 사진으로서, 식물군 1 내지 식물군 5에서 전체적으로 애기장대의 묘목(seedling)의 길이가 짧아졌고, 파이토크롬을 인위적으로 도입하거나 상대적으로 파이토크롬의 양이 많은 식물군 4 및 식물군 5에서는 엽록소가 생성되지 않아 하얗게 변하면서 죽은 것을 알 수 있었다. 식물군 1 내지 식물군 3 보다 식물군 4 및 식물군 5에서 애기장대 묘목의 생육이 부진하게 진행된 원인은 700nm 파장대의 광이 파이토크롬의 역작용(blocking of greening), 즉 식물의 성장을 제한하는 작용을 활발하게 조장하였기 때문인 것으로 판단된다.
도 4는 실험 2의 결과를 보여주는 사진으로서, 실험 1의 결과와 유사하게 식 물군 1 내지 식물군 5에서 전체적으로 애기장대의 묘목(seedling)의 길이가 짧아졌고, 파이토크롬을 인위적으로 도입하거나 상대적으로 파이토크롬의 양이 많은 식물군 4 및 식물군 5에서는 엽록소가 미비하게 생성되어 애기장대의 묘목의 생육이 부진한 것을 알 수 있었다. 식물군 1 내지 식물군 3 보다 식물군 4 및 식물군 5에서 애기장대 묘목의 생육이 부진하게 진행된 원인은 710nm 파장대의 광이 파이토크롬의 작용, 즉 식물의 성장을 촉진하는 작용이 제한하였기 때문인 것으로 판단된다.
도 5는 실험 3의 결과를 보여주는 사진으로서, 파이토크롬이 도입된 식물군 4의 묘목이 식물군 1 및 식물군 3보다 길어진 것을 알 수 있다. 그 이유는 708nm 파장대의 광이 파이토크롬의 작용을 촉진하여 애기장대의 성장이 촉진된 것으로 판단된다. 특히 식물군 5는 실험 1 및 실험 2와는 달리 애기장대의 생육이 비교적 잘 이루어지고 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 실험 1 내지 실험 3의 결과를 통하여 광의 파장에 의해 파이토크롬의 작용 및 역작용이 촉진되거나 제한되는 것을 알 수 있었고, 특히 700nm 파장대 및 710nm 파장대의 광은 식물의 성장에 제한시키는 반면에, 708nm 파장대의 광은 식물의 성장을 촉진하는 것을 알 수 있었다.
이에 따라 인공 광원 유닛에서 방출되는 광의 파장을 700nm ~ 710nm 사이에서 적절히 조절함에 따라 식물의 성장 속도를 조절할 수 있는 것으로 판단된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 인공 광원 유닛 및 식물 배양기의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이 하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 배양기를 보여주는 단면 개념도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 식물 배양기를 보여주는 단면 개념도이며,
도 3 내지 도 5는 광의 파장에 따른 파이토크롬이 식물의 성장에 미치는 영향을 실험한 결과를 보여주는 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 배양 챔버 200,201,203,205: 발광부
210: 기판 220: 발광 다이오드 칩
300,310,320,330: 구동부 400: 제어부

Claims (10)

  1. 식물을 배양시키는 배양기에 사용되는 인공 광원 유닛에 있어서,
    광을 방출하는 발광부와;
    상기 발광부에 전원을 인가하는 구동부와;
    상기 구동부를 제어하여 상기 발광부에서 방출되는 광의 파장을 식물에 존재하는 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 파장과 파이토크롬이 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 파장으로 조절하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 발광부에서 700㎚, 708㎚ 및 710㎚ 중 적어도 어느 한 가지의 파장을 갖는 광이 방출되도록 조절하는 인공 광원 유닛.
  2. 삭제
  3. 식물을 배양시키는 배양기에 사용되는 인공 광원 유닛에 있어서,
    광을 방출하는 발광 다이오드 칩을 포함하는 발광부와;
    상기 발광부에 전원을 인가하는 구동부와;
    상기 구동부를 제어하여 상기 발광부에서 방출되는 광의 파장을 식물에 존재하는 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 파장과 파이토크롬이 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 파장으로 조절하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 발광 다이오드 칩은 710nm 파장의 광을 방출하는 인공 광원 유닛.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 발광 다이오드 칩은 AlGaAs 재료를 사용한 발광 다이오드 칩인 인공 광원 유닛.
  5. 식물이 배양되는 배양 공간을 갖는 배양 챔버와;
    상기 배양 챔버의 배양 공간에 구비되어 식물에 존재하는 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 파장범위의 광과 파이토크롬이 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 700㎚, 708㎚ 및 710㎚ 중 적어도 어느 한 가지의 파장을 갖는 광이 선택적으로 조절되어 방출되는 인공 광원 유닛;을 포함하는 식물 배양기.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 인공 광원 유닛은
    광을 방출하는 발광부와;
    상기 발광부에 전원을 인가하는 구동부와;
    상기 구동부를 제어하여 상기 발광부에서 방출되는 광을 식물에 존재하는 파이토크롬이 불활성 형태에서 활성 형태로 전환되는 파장과 파이토크롬이 활성 형태에서 불활성 형태로 전환되는 파장으로 조절하는 제어부;를 포함하는 식물 배양기.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 인공 광원 유닛은 청색광을 방출하는 제 1 보조 발광부 및 적색광을 방출하는 제 2 보조 발광부 중 적어도 하나를 더 포함하는 식물 배양기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 보조 발광부는 450nm 파장의 광을 방출 발광 다이오드 칩을 포함하고,
    상기 제 2 보조 발광부는 660nm 파장의 광을 방출 발광 다이오드 칩을 포함하는 식물 배양기.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 발광부, 제 1 보조 발광부 및 제 2 보조 발광부는 독립적으로 구동하는 식물 배양기.
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