KR101290801B1 - 식물 재배용 광원 및 이를 이용한 식물 재배 장치 - Google Patents

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조주현
조동수
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Abstract

본 발명은 다음을 포함하는 식물 재배용 광원 디바이스(100)를 제공한다: (a) 1개 또는 2개 이상의 LED (Light Emitting Diode)를 포함하는 LED 어레이(array)(101); 및 (b) 상기 LED 어레이의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 나오는 빛을 집광함으로써 재배 대상 식물에 조사되는 광량을 조절하는 리플렉터(102). 본 발명의 식물 재배용 광원은 LED 광원으로부터의 수직거리 1 m인 지점에서 200 μmolm-2s-1 이상의 광량을 나타내어 우수한 집광효과를 나타내며, 본 발명의 식물 재배 장치는 방열판과 팬을 동시에 사용하여 LED 광원에서 발생한 열을 효과적으로 방출하며, 동시에 식물의 성장에 필요한 외부 통풍을 제공할 수 있다. 따라서 본 발명의 식물 재배용 광원을 이용하여 증폭된 광량을 제공함으로써 재배 식물의 종류에 구애 받지 않고 작물을 재배할 수 있으며, 본 발명의 식물 재배 장치를 이용하여 전력 손실을 최소한으로 함과 동시에 광합성에 필요한 광량을 제공하고, 방열작용 및 식물 성장에 유익한 효과를 가져 올 수 있다.

Description

식물 재배용 광원 및 이를 이용한 식물 재배 장치{A Light Source and Apparatus for Plant Cultivation Using It}
본 발명은 고휘도 식물 재배용 광원 및 그를 이용한 식물 재배 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 식물은 빛에 의해 생육이 촉진되거나 억제되며, 빛의 조사 방법에 따라 특별한 기능성 물질의 합성이 향상될 수 있다. 특히, 식물 인공 배양의 경우 이에 이용 중인 광 조사 시스템은 광 강도가 낮고 불균일하며, 발열, 고장, 높은 전력소모량 등과 식물체의 생육조절을 위한 광의 색깔, 강도, 간헐조사 등의 조절이 불가능하여 낮은 광 이용 효율과 광환경의 제어에 어려움을 겪고 있다.
종래 식물 재배용 광원으로 사용하던 형광등과 같은 광원은 불균일한 광분포와 식물체 생육을 조절할 수 있는 파장이 없어, 식물 생육 조절에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 작물에 따라 최적광원의 특성에 대한 구명을 할 수 없어, 결국 작물의 재배에 맞는 적정 광질을 공급하는데 어려움이 있었다.
최근에는, 인공광원으로써 종래의 형광등에 비하여 효율이 우수한 LED를 활용한 발명이 보고되었다. 대한민국 공개특허 제 10-2012-0072436호(식물공장 광원 및 이를 갖는 식물공장 조명시스템)에서는 적색 또는 청색 LED를 포함하는 발광 소자부를 광원으로 사용하였으며, 대한민국 공개특허 제 10-2004-0010426호(엘이디 광원을 이용한 색소식물공장 및 그 장치)에서는 색소식물을 재배하는데 있어서 좁은 공간에서 생산효율을 높이고 단시간에 재배가 가능하도록 만들어진 폐쇄형 엘이디(LED, Light Emitting Diode) 식물공장으로써 원적외색광 730 nm, 적색광 660 nm, 및 청색광 450 nm의 엘이디 램프를 광원으로 사용하였다. 이와 같이 최근에는 많은 기술들이 주로 LED를 사용하고 있으나, 이와 같은 기술들은 고가의 LED를 많이 설치해야 하기 때문에 시설비용이 높은 구조라고 볼 수 있다.
한편, 식물을 재배하기 위해서는 일정 수준 이상의 광량이 요구되며, 특히 인공 광원을 이용한 식물 재배의 경우 식물에 조사되는 광량은 광합성을 일으킬 수 있는 정도의 광합성 광양자 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)가 요구된다. 그러나 LED의 경우에는 형광등에 비하여 전력 손실이 적은 대신 빛의 세기가 약하다는 단점이 있어, LED만을 광원으로 이용하는 경우에는 광합성 광양자 밀도, 즉 광량을 증폭시키기 위한 조치가 필요하다. 식물에 도달하는 광량은 거리의 제곱에 반비례하므로, 현실적으로 LED 광원만으로 재배할 수 있는 식물에는 제한이 따른다.
결론적으로, LED가 에너지(소모 전력) 절약 차원에서 차세대 발광 물질로 많은 주목을 받고 있으나, 식물 재배 광원으로 LED를 사용하는 경우에 있어서 식물의 성장에 필요한 광량이 필요하고, 이러한 광량을 공급하기 위해 다수의 LED 소자가 사용될 경우 LED 조명 장치의 구현에는 방열판 등의 채용으로 인해 제작비용이 여전히 높아 이는 고스란히 식물 재배 비용의 비약적인 상승으로 연결된다.
본 발명자들은 이러한 기존의 식물 재배 광원의 문제점에 착안하여, 식물의 광원으로서 LED를 사용하되 식물의 성장에 충분한 양의 광자를 제공하기 위한 고휘도의 식물 재배용 광원을 개발하였으며, 이로써 LED로부터 발산하는 빛을 직광 형태로 모아 재배 대상 식물에 조사하여 효율적으로 빛을 공급하고, 재배 대상 식물의 종류에 구애 받지 않는 식물 재배용 광원 및 이를 이용한 식물 재배 시스템을 확립하고자 한다.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허 문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
본 발명자들은 고휘도 식물 재배용 광원 및 이를 이용한 식물 재배 장치를 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 LED 광원 및 리플렉터라는 간단한 구성을 이용하여 기존의 LED 광원보다 현저히 증가된 광량을 제공하는 식물 재배용 광원을 개발하였으며, 본 발명의 광원은 LED 광원으로부터의 수직거리 1 m인 지점에서 200 μmolm-2s-1 이상의 광량을 나타내어 우수한 집광효과를 나타냄을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명의 목적은 고휘도 식물 재배용 광원 디바이스를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고휘도 식물 재배 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고휘도 식물 재배 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 구성을 포함하는 식물 재배용 광원 디바이스(100)를 제공한다:
(a) 1개 또는 2개 이상의 LED (Light Emitting Diode)를 포함하는 LED 어레이(array)(101); 및
(b) 상기 LED 어레이의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 나오는 빛을 집광함으로써 재배 대상 식물에 조사되는 광량을 조절하는 리플렉터(102).
본 발명자들은 고휘도 식물 재배용 광원 및 이를 이용한 식물 재배 장치를 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, LED 광원 및 리플렉터라는 간단한 구성을 이용하여 기존의 LED 광원보다 현저히 증가된 광량을 제공하는 식물 재배용 광원을 개발하였으며, 본 발명의 광원은 LED 광원으로부터의 수직거리 1 m인 지점에서 200 μmolm-2s-1 이상의 광량을 나타내어 우수한 집광효과를 나타냄을 확인하였다.
종래의 식물 재배 광원으로 사용되던 LED 광원은 식물 성장에 필수적인 일정 수준 이상의 “광량”을 전달하지 못하였고, 또한 LED 광원에 대한 연구 자체가 광량보다는 일정한 파장대의 빛을 조사하는 광원의 개발에 치중하여 왔으므로, 현실적으로 인공적인 광원을 사용하여 재배할 수 있는 식물의 종류는 매우 제한적이었으며, 식물의 생장에 필요한 완전한 형태의 광원을 제공하지 못하는 한계가 있었다. 본 발명자들은 종래 식물 재배용 광원으로서 사용되던 LED 광원이 식물의 성장에 필요한 충분한 광량을 제공하지 못함으로 인해 현실적으로 낮은 광량을 요하는 식물(예컨대 상추, 청경채 등) 재배만이 가능하다는 점에 착안하여, 재배 식물의 종류 및 광원으로부터의 거리에 구애됨이 없이 사용될 수 있는 식물 재배용 광원을 개발하기 위해 노력하였고 그 결과 본 발명의 장치가 설계되었다.
아래에서 이와 같은 본 발명의 식물 재배용 광원 디바이스(100)에 대하여 구체적으로 설명한다:
구성 (a): LED 어레이(101)
우선, 본 발명의 광원 디바이스(100)는 1개 또는 2개 이상의 LED (Light Emitting Diode)를 포함하는 LED 어레이(array)(101)를 포함한다.
본 명세서에서 용어 “LED 어레이”란, LED 소자가 복수개로 나열된 집합을 의미하며, LED 어레이에 포함된 LED 소자의 개수에 비례하여 광원의 광량이 증폭된다.
LED를 광원으로 사용하는데는 다음과 같은 이점이 있다. ① 현재까지 인공광을 이용한 식물의 재배에는 형광등이 주로 사용되어 왔으나, 형광등은 LED에 비해 광 변환효율(전기를 빛으로 바꾸는 효율)이 떨어져, 같은 광량을 발산하는 경우 LED가 형광등보다 열이 적게 발생하여 손실되는 전력이 적다. ② LED는 각각 다른 특정파장의 빛을 발광하도록 생산되므로 용도에 맞게 선별해서 사용할 수 있어서 편리하며 필요 없는 빛의 손실을 막아준다. ③ 또한 LED는 고속 ON/OFF 특성을 가지고 있어서 아주 빠르게 점멸시킬 수 있다. 그러면서도 다른 모든 전기제품과 다르게 과도전류현상(Rush Current)이 없어서 아무리 빠르게 점멸해도 전력 손실이 없다. 위의 모든 특성은 바로 식물공장에서 아주 큰 장점으로 적용된다.
위와 같이, LED 광원은 전력 손실 면에서는 형광등보다 뛰어나지만, 식물에 전달할 수 있는 광량 자체가 매우 적기 때문에 식물 재배용 광원으로서의 활용성에 대해서는 회의적인 시각이 있으며, 실제 LED 조명이 단독으로 식물공장의 광원으로 사용되는 경우는 적은 광량을 필요로 하는 청상추, 적축면상추, 로메인, 케일, 엔다이브 및 롤라로사 등의 엽채류 또는 인삼 등의 특용작물 재배의 경우이며, 다른 작물 재배의 경우에는 태양광을 주광원으로서, LED 조명을 인공광원으로서 사용하고 있다. 즉, 자연광을 완전히 대체할 수 있는 인공광은 현재 존재하지 않으며, 이는 자연광과 유사한 수준의 광량을 발산하는 인공광을 개발하는 것은 높은 수준의 기술을 요하기 때문이다.
또한, 기존의 LED 광원 개발은 식물이 선호하는 빛의 파장대(예컨대, 660 nm 파장대의 적색계열 또는 450 nm 파장대의 청색계열)를 선별하여 그 비율을 적절히 조절함으로써 식물을 재배하는 방식을 연구하는데 치중하여 왔다. 그러나 최근 연구에서는 식물의 성장에 있어서 식물성장에 필요한 빛이 적색계열과 청색계열만은 아니라는 보고도 있다. 이는 광원에서 발산하는 빛을 특정 파장대로 한정하지 않는 것이 식물성장에 더 유익하다는 것을 입증하는 것이다. 예컨대, 식물의 성장에 가장 큰 영향을 주는 빛의 파장대 즉, 가시광선 영역에서 ① 700 nm 계열은 발아저지, 광합성 작용 ② 660 nm 계열은 엽록소 작용, 발아작용 및 잎 배포 화아형성 ③610 nm 계열은 해중방제 ④ 430 nm 계열은 광합성 및 엽록소의 최대 작용효과에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 즉, 모든 식물은 한 가지 빛의 파장대에서는 상품성 있는 식물로서의 완전한 성장을 기대할 수 없다. 결론적으로 식물 재배용 광원의 스펙트럼 중 식물에 가장 유용한 형태는 흰색의 광원이며, 본 발명에서는 특정 파장대의 빛을 발산하는 LED 조명이 아닌 흰색 빛을 발산하는 LED 조명을 사용하였다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면, 본 발명의 광원 디바이스(100)는 440 nm 및 560 nm에서 피크를 나타내며, 특히 500-650 nm의 파장대의 넓은 범위의 분포를 나타낸다. 상기 파장 분포는 당업계에 존재하는 공지된 방법을 이용하여 조절할 수 있으며, 따라서 식물의 종류에 따라 필요한 파장 분포를 선택하여 사용할 수 있다.
상기 LED 어레이는 1개 또는 2개 이상의 LED (Light Emitting Diode)를 금속 베이스(metal base) 기판에 나열하여 제작할 수 있다. 상기 금속 베이스 기판은 당업계에 공지된 다양한 기판을 사용할 수 있으며 예컨대, 규소강판, 아연도강판, 알루미늄 원판 등을 사용할 수 있다. LED 광원의 경우 사용하는 전력만큼 많은 열이 발생하며, 그 열을 방출하기 위해서 베이스에 금속판을 사용한 PCB (Printed circuit board)를 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 LED 어레이는 21 개의 LED 소자를 포함하며, 금속 베이스 기판으로서 알루미늄 PCB를 사용한다.
구성 (b): 리플렉터 (102)
본 발명의 광원 디바이스(100)는 상기 LED 어레이의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 나오는 빛을 집광함으로써 재배 대상 식물에 조사되는 광량을 조절하는 리플렉터(102)를 포함한다.
상기 리플렉터는 빛의 반사면이 직선 또는 곡선일 수 있으며, 바람직하게는 곡선이다. 상기 리플렉터(102)의 반사면이 곡선인 경우, 상기 리플렉터는 반원형상이다. 바람직하게는 상기 리플렉터는 내부가 전반사 거울로 이루어져 있다. LED 어레이로부터 나오는 빛을 집광하기 위해 렌즈를 사용할 수도 있으나, 렌즈는 리플렉터에 비해 두껍고, 빛이 온전히 통과되지 않으며, 일부 빛이 렌즈에서 흡수되므로 집광 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서 LED 광의 집광 장치로서 리플렉터가 바람직하다.
본 발명의 식물 재배용 광원은 광합성 광양자 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)가 기존 광원과 비교하여 매우 우수하다. PPFD는 1 m2의 면적에 1초 동안 내리는 광양자의 양을 의미하며, 식물은 빛에 포함된 광양자를 받아들여 광합성을 실시한다. 예컨대, 엽채류 성장에 필요한 일반적인 광량범위는 대략 30 μmolm-2s-1 내지 150 μmolm-2s-1이다. 본 발명의 식물 재배용 광원에 의해 발생되는 광량은 광원으로부터 1 m 거리에 있는 지점을 기준으로 약 200 μmolm-2s-1 이상이며, 이는 1 초당 약 1.2 x 1018 개 이상의 광자가 식물에 도달할 수 있음을 의미한다.
상기 리플렉터로부터 집광되어 조사되는 빛의 광량은 바람직하게는 LED 광원으로부터의 수직 거리가 1 m인 지점을 기준으로 200 - 1,000 μmolm-2s- 1 이고, 보다 바람직하게는 200 - 800 μmolm-2s-1이며, 보다 더 바람직하게는 300 - 700 μmolm-2s-1이고, 보다 더욱 더 바람직하게는 300 - 600 μmolm-2s-1이다.
본 발명의 특징 중의 하나는, 식물의 종류에 따라 각 식물에 필요한 광량을 조절하여 공급할 수 있다는 것이다. 각 식물은 성장에 필요한 광량이 다르고, 따라서 각 식물에 적합한 광량을 선택하여 조사함으로써 식물의 성장을 최적화하는 것이 중요하다. 본 발명의 광원 디바이스는 다양한 식물 재배에 있어 각 식물의 최적 조건에 맞는 광분포를 설정하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 광원 디바이스는 당업계에 공지된 다양한 방법으로서 파장분포를 조절하여 사용할 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면, 본 발명의 광원 디바이스는 도 10과 같은 파장분포를 나타낼 수 있으며, 도 11과 같은 광분포를 나타낼 수 있다.
상기 LED 광원 디바이스가 적용되는 식물 재배용 조명 또는 그를 이용한 식물 재배 장치는 그 기술이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자의 지식으로 미루어 보아, LED 광원에 의해 집광될 수 있는 광량은 그의 하한에 임계적 의의가 있다. 즉, LED 광원이 형광등보다 낮은 광량을 발산하므로 LED 광원을 효율적으로 이용하기 위해서 광량을 증폭시키고자 하는 것이 업계의 요구이며, 본 발명의 LED 광원 디바이스는 식물의 광합성에 필요한 최소한의 광량 이상을 제공하며, 불필요한 광량의 제공은 전기적 조절 장치에 의해 전력의 손실을 막을 수 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 리플렉터로부터 조사되는 빛의 광량은 200 μmolm-2s-1 이상이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 광원 디바이스(100)는 상기 LED 어레이(101)의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 발생하는 열을 방출하는 방열판(103)을 추가적으로 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 방열판(103)은 공기의 흐름이 가능한 방열통로(104)가 형성될 수 있으며, 상기 방열통로(104)는 바람직하게는 복수 개로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 방열통로(104)는 공기와의 접촉면을 증가시키는 요철 모양으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 구성을 포함하는 식물 재배 장치(200)를 제공한다:
(a) 본체(201);
(b) (i) 1개 또는 2개 이상의 LED (Light Emitting Diode)를 포함하는 LED 어레이(array); 및 (ii) 상기 LED 어레이의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 나오는 빛을 집광함으로써 재배 대상 식물에 조사되는 광량을 조절하는 리플렉터를 포함하는 복수 개의 광원 디바이스(202); 상기 광원 디바이스는 상기 본체(201)에 결합되어 있고;
(c) 상기 LED 어레이의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 발생하는 열을 방출하는 방열판(203).
본 발명의 식물 재배 장치는 상술한 본 발명의 식물 재배용 광원 디바이스를 이용한 것으로서, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.
본 발명의 장치를 각각의 구성 별로 상세하게 설명하면 다음과 같다:
구성 (a): 본체(201)
본 발명의 식물 재배 장치는 복수 개의 광원 디바이스(202) 및 방열판(203)이 결합되어 있으며, 이를 식물의 상단에 설치함으로써 빛을 조사한다. 본체는 2 개 이상을 나란히 배치하여 사용할 수도 있다.
구성 (b): 복수 개의 광원 디바이스 (202)
본 발명의 식물 재배 장치는 (i) 1개 또는 2개 이상의 LED (Light Emitting Diode)를 포함하는 LED 어레이(array), 및 (ii) 상기 LED 어레이의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 나오는 빛을 집광함으로써 재배 대상 식물에 조사되는 광량을 조절하는 리플렉터를 포함하는 복수 개의 광원 디바이스(202)를 포함한다. 상기 광원 디바이스는 상기 본체(201)에 결합되어 존재한다.
상기 광원 디바이스(202)는 1 개 또는 2 개 이상의 광원 디바이스를 포함하며, 본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면, 본 발명의 식물 재배 장치는 본체(102)에 6 개의 광원 디바이스가 존재한다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면, 상기 광원 디바이스(202)는 식물이 안착된 트레이의 상부에 장착되어, 하부의 식물에 빛을 공급한다. 상기 광원 디바이스(202)는 상기 트레이까지의 거리에 따라, 식물에 공급되는 광량을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 광원 디바이스(202)로부터 트레이까지의 거리는 본체에 장착된 별도의 장치로서 조절할 수 있다. 상기 거리 조절 장치는 자동 또는 수동으로 조절될 수 있다.
구성 (c): 방열판(203)
본 발명의 식물 재배 장치는 상기 LED 어레이의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 발생하는 열을 방출하는 방열판(203)을 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 방열판(203)은 공기의 흐름이 가능한 방열통로(204)가 형성될 수 있으며, 상기 방열통로(104)는 바람직하게는 복수 개로 형성될 수 있고, 공기와의 접촉면을 증가시키는 요철 모양으로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 식물 재배 장치(200)는 상기 본체(201) 내부에 형성되어 본체 내부의 공기를 외부로 배출하는 팬(205)을 추가적으로 포함할 수 있다.
식물성장에 영향을 주는 요인에는 온도, 습도, 빛의 파장 및 통풍(환기) 등이 있다. 통풍은 크게 외부 및 내부의 개념으로 구분되며, 내부 통풍은 식물의 뿌리가 존재하는 화분 또는 트레이(tray) 내의 환경을 개선시켜 재배 대상 식물이 지속적인 성장을 할 수 있도록 뿌리 환경을 유지시켜주는 역할을 하며, 외부 통풍은 실외의 신선한 공기가 실내로 지속적으로 유입되고 환기되어 정체되지 않도록 한다. 외부 통풍이 적절히 이루어지지 않는 경우, 잎 또는 줄기에 맺힌 물방울 등에 의한 돋보기 현상으로 식물체에 손상을 가할 수 있고, 고온상태에서는 기부에 단시간 고인물도 병원균의 급속한 번식요인으로 작용하는바, 이에 따른 여러 가지 질병에 노출될 수가 있으며, 또한 기공에서의 가스교환 및 잎의 온도를 조절하는 증산작용이 적절히 이루어지지 않을 수 있다. 이처럼 외부 통풍은 광합성의 전과정을 포함한 이러한 일련의 연속적인 식물 생리작용의 과정에 관여한다. 따라서 식물은 잎이 바람에 미약하게 움직이는 정도의 공기흐름(외부통풍)을 지속적으로 가져야 한다.
따라서 일반적으로 식물이 성장하는 모든 환경을 인위적으로 조절하는 경우(예컨대, 식물공장)에 있어서는 인위적인 외부 통풍이 필요하며, 본 발명에서는 식물 재배 장치(200)에 팬(205)을 설치함으로써 이를 해결하였다. 상기 팬(205)는 식물 성장에 도움을 주는 통풍을 해결할 뿐 아니라, LED에 의해 발생하는 열을 방출하는 역할을 동시에 수행하므로 결과적으로 전력을 최대한 효율적으로 이용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 식물 재배 장치에 장착되는 상기 방열판(203) 및 상기 팬(205)은 본체 내부에서 배치구역이 중복되지 않도록 모자이크식 배치될 수 있다. 이는 방열작용을 효과적으로 구현하기 위한 배치로서 LED 조명에 의한 열을 방열판으로 방출시킬 수 있는 동시에, 방열판으로 방출된 열에 의해 가열된 공기를 팬에 의해 본체 내부에서 본체 외부로 방출시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 본 발명의 식물 재배 장치의 구성인 상기 광원 디바이스(202), 방열판(203) 및 팬(205)은 본체(201)로부터 탈부착이 가능하다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 식물 재배 방법을 제공한다:
(a) 식물체를 재배할 수 있는 트레이(tray)의 상부에 식물 재배 장치(200)를 장착하는 단계;
(b) 상기 식물 재배 장치의 하단에 위치한 트레이(tray)에 재배 대상 식물 종자 또는 모종을 안착시키는 단계;
(c) 상기 식물 재배 장치의 광원 디바이스(202)에 의해 집광된 빛을 재배 대상 식물에 조사하는 단계; 및
(d) 상기 광원 디바이스에서 발생되는 열을 방열판(203)을 통해 방출하는 단계.
본 발명의 식물 재배 방법은 상술한 본 발명의 식물 재배 장치(200)를 이용한 것으로서, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.
본 발명의 식물 재배 방법을 각각의 단계 별로 상세하게 설명하면 다음과 같다:
단계 (a): 식물 재배 장치(200)의 설치
우선, 식물체를 재배할 수 있는 트레이(tray)의 상부에 식물 재배 장치(200)를 장착한다.
본 발명의 식물 재배 장치는 재배 대상 식물의 종자 또는 모종으로부터 일정거리 떨어진 곳에 설치되며, 이는 재배 대상 식물이 필요로 하는 광량(광합성 광양자 밀도, PPFD)에 따라 조절된다. 본 발명의 장치에 장착된 광원이 제공할 수 있는 광량은 거리에 크게 구애받지 않으나, 전력낭비를 방지하기 위해 식물의 성장에 따라 광원의 세기를 조절하여 전력 소비 정도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 식물 재배 장치에 포함되는 구성 요소들, 즉 광원 디바이스(202), 방열판(203), 팬(205) 등은 각자 분리하여 탈착이 가능하므로 어느 하나의 이상 시 부품의 교체가 가능하다.
단계 (b): 종자 또는 모종의 안착
이어, 상기 식물 재배 장치의 하단에 위치한 트레이(tray)에 재배 대상 식물 종자 또는 모종을 안착시킨다.
상기 트레이에는 재배 대상 식물에 공급되는 영양분 및 수분이 포함된 영양액 또는 토양이 포함될 수 있다.
상술한 본 발명의 식물 재배 장치를 이용한 식물 재배 방법은 식물 재배 장치의 장착, 식물의 종자 또는 모종의 안착을 각각의 단계로서 실시하는 것으로 표현되어 있으나, 이는 기재의 편의를 위한 것이며, 본 발명의 방법은 트레이에 식물의 종자 등을 안착시킨 후, 트레이의 상단에 식물 재배 장치를 장착할 수 있다.
단계 (c): 재배 대상 식물에의 빛의 조사
재배 대상 식물의 종자 또는 모종을 트레이에 안착시킨 후, 본 발명의 상기 식물 재배 장치의 광원 디바이스(202)에 의해 집광된 빛을 재배 대상 식물에 조사시킨다.
LED 광원으로부터의 빛은 일정 각도의 리플렉터를 사용하여, 대상 식물의 재배 면적 크기에 따라 조사 각도를 조절할 수 있다.
단계 (d): 방열판을 통한 열의 방출
본 발명의 식물 재배 장치가 재배 대상 식물에 빛을 조사함으로써 발생되는 열은 방열판(203)을 통해 방출한다. 상기 식물 재배 장치의 발생 열을 방출하는 방열작용은 방열판에 의할 수도 있고, 식물 재배 장치에 추가적으로 장착된 팬에 의할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 광원 디바이스(202)로부터 재배 대상 식물에 조사되는 빛의 광량은 LED 광원으로부터의 수직 거리가 1 m인 지점을 기준으로 200 μmolm-2s-1 이상이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 광원 디바이스(202)로부터 재배 대상 식물에 조사되는 빛의 광량은 LED 광원으로부터의 수직 거리가 1 m인 지점을 기준으로 200 μmolm-2s-1 이상이며, 보다 바람직하게는 200 - 1000 μmolm-2s-1이고, 보다 더 바람직하게는 200 - 800 μmolm-2s-1이며, 보다 더욱 더 바람직하게는 300 - 700 μmolm-2s-1이고, 보다 더욱 더 바람직하게는 300 - 600 μmolm-2s-1이다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(a) 본 발명은 고휘도 식물 재배용 광원 및 그를 이용한 식물 재배 장치에 관한 것이다.
(b) 종래 식물 재배용 광원으로서 사용되던 LED 광원은 식물의 성장에 필요한 충분한 광량을 제공하지 못함으로 인해 현실적으로 낮은 광량을 요하는 식물(예컨대 상추, 청경채 등) 재배만이 가능하였으나, 본 발명의 광원은 재배 식물의 종류 및 광원으로부터의 거리에 구애됨이 없이 사용될 수 있다.
(c) 본 발명의 식물 재배용 광원은 LED 광원으로부터의 수직거리 1 m인 지점에서 200 μmolm-2s-1 이상의 광량을 나타내어 우수한 집광효과를 나타내며, 본 발명의 식물 재배 장치는 방열판과 팬을 동시에 사용하여 LED 광원에서 발생한 열을 효과적으로 방출하며, 동시에 식물의 성장에 필요한 외부 통풍을 제공할 수 있다.
(d) 따라서 본 발명의 식물 재배용 광원을 이용하여 증폭된 광량을 제공함으로써 재배 식물의 종류에 구애 받지 않고 작물을 재배할 수 있으며, 본 발명의 식물 재배 장치를 이용하여 전력 손실을 최소한으로 함과 동시에 광합성에 필요한 광량을 제공하고, 방열작용 및 식물 성장에 유익한 효과를 가져 올 수 있다.
도 1은 본 발명의 식물 재배용 광원 디바이스(100)를 나타낸 것이다.
101: LED 어레이, 102: 리플렉터, 103: 방열판, 104: 방열통로
도 2는 본 발명의 식물 재배 장치(200) 중 일 면(정면)을 나타낸 것이다.
201: 본체, 202: 광원 디바이스, 205: 팬
도 3은 본 발명의 식물 재배 장치(200) 중 다른 일 면(후면)을 나타낸 것이다. 방열판(203) 및 팬(205)는 최상의 방열효과를 위해 모자이크식 배치를 이루고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 식물 재배 장치의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 식물 재배 장치를 이용한 토마토 재배의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 식물 재배 장치를 이용한 샐러리 재배의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 식물 재배 장치를 이용한 적채 재배의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 식물 재배 장치를 이용한 양배추 재배의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 식물 재배 장치를 이용한 배추 재배의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 식물 재배용 광원 디바이스(100)의 파장별 분포의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 식물 재배용 광원 디바이스(100)의 위치별 광도 분포의 일 실시예를 나타낸 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
실시예 1: 본 발명의 식물 재배 장치의 제작
도 1에 보는 바와 같이, 21 개의 LED (Light Emitting Diode) 소자를 금속 베이스 기판에 나열하여 LED 어레이(array)(101)를 제작하였다. LED는 쿨화이트(cool white) 색상을 사용하였으며, 금속 베이스 기판으로서 알루미늄 원판을 사용하였다.
LED 어레이의 일 측면에 연결된 리플렉터(102)는 LED 어레이를 둘러싸고 있는 형태로서 불투명체이며, 반원형상으로서 그 내부는 전반사 거울로 이루어져 있다. 상기 리플렉터는 LED 어레이로부터 나오는 빛을 집광함으로써 재배 대상 식물에 조사되는 광량을 조절하는 역할을 한다.
LED 어레이의 다른 일 측면에 연결된 방열판(203)은 LED 어레이로부터 발생하는 열을 방출하는 역할을 한다. 상기 방열판(103)은 공기의 흐름이 가능한 방열통로(104)가 형성되어 있고, 방열통로를 이루는 면이 요철 모양으로 이루어져 있으므로 공기와의 접촉면이 증가하여 효과적으로 열을 방출시킬 수 있다.
상기 방열판과 대각선으로 연결된 팬(205)은 본체(201) 내부에 형성되어 본체 내부의 공기를 외부로 배출하는 역할을 하며, 동시에 식물의 성장에 영향을 주는 외부 통풍에 관여한다.
도 2 및 도 3에서 볼 수 있듯이, 방열판(203) 및 팬(205)이 동시에 외부와 닿아 있기 때문에 방열작용을 효율적으로 할 수 있다.
실시예 2: 본 발명의 식물 재배 장치를 이용한 광량 측정
광량측정기(HD2102.1, 델타옴, 이탈리아)를 이용하여 상기 식물 재배 장치의 LED 광원으로부터 수직 거리 10 cm 및 1 m인 지점에서 광량을 측정하였다. 그 결과, 10 cm 거리에서는 2000 μmolm-2s-1 이상, 1 m 거리에서는 200 μmolm-2s-1 이상의 광량이 측정되었다.
실시예 3: 본 발명의 식물 재배 장치를 이용한 식물재배 (1) : 토마토
본 발명의 식물재배장치를 이용하여 토마토를 평균 380 μmolm-2s-1의 광조건으로 재배하였다. 파종한 다음 12일 후에 정식하고 정식한 후 3일째 10-15 cm 성장한 토마토는 도 5a와 같다. 도 5b는 7일이 더 경과한 후의 토마토 모습이다.
실시예 4: 본 발명의 식물 재배 장치를 이용한 식물재배 (2) : 샐러리
본 발명의 식물재배장치를 이용하여 샐러리를 평균 380 μmolm-2s-1의 광조건으로 재배하였다. 파종한 다음 14일 후에 정식하고 정식한 후 6일째 7-10 cm 성장한 샐러리를 도 6과 같다.
실시예 5: 본 발명의 식물 재배 장치를 이용한 식물재배 (3) : 적채
본 발명의 식물재배장치를 이용하여 적채를 평균 380 μmolm-2s-1의 광조건으로 재배하였다. 파종한 다음 10일 후에 정식하고 정식한 후 2일째 5-8 cm 성장한 샐러리는 도 7과 같다.
실시예 6: 본 발명의 식물 재배 장치를 이용한 식물재배 (4) : 양배추
본 발명의 식물재배장치를 이용하여 양배추를 평균 380 μmolm-2s-1의 광조건으로 재배하였다. 파종한 다음 12일 후에 정식하고, 정식한 후 3일째 7-12 cm 성장한 양배추는 도 8과 같다.
실시예 7: 본 발명의 식물 재배 장치를 이용한 식물재배 (5) : 배추
본 발명의 식물재배장치를 이용하여 배추를 평균 380 μmolm-2s-1의 광조건으로 재배하였다. 파종한 다음 12일 후에 정식하고, 정식한 후 3일째 5-10 cm 성장한 배추는 도 9와 같다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 다음을 포함하는 식물 재배 장치(200):
    (a) 본체(201);
    (b) (i) 1개 또는 2개 이상의 LED (Light Emitting Diode)를 포함하는 백색 LED 어레이(array)(101); 및 (ii) 상기 LED 어레이의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 나오는 빛을 집광함으로써 재배 대상 식물에 조사되는 광량을 조절하는 리플렉터(102)를 포함하는 복수 개의 광원 디바이스(202)로서, 상기 광원 디바이스는 상기 본체(201)에 결합되어 있고, 상기 리플렉터로부터 집광되어 조사되는 빛의 광량은 LED 광원으로부터의 수직 거리가 1 m인 지점을 기준으로 200 μmolm-2s-1 이상이며;
    (c) 상기 LED 어레이의 일 측에 연결되어 LED 어레이로부터 발생하는 열을 방출하는 방열판(203).
    (d) 상기 본체(201) 내부에 형성되며, 본체 내부의 공기를 외부로 배출하고, 재배 대상 식물에 대하여 외부통풍을 제공하는 팬(205).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 방열판(203)은 공기의 흐름이 가능한 방열통로(204)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 식물 재배 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 방열통로(204)는 공기와의 접촉면을 증가시키는 요철 모양으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 광원.
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 방열판(203) 및 상기 팬(205)은 본체 내부에서 배치구역이 중복되지 않도록 모자이크식 배치되는 것을 특징으로 하는 식물 재배 장치.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 광원 디바이스(202), 방열판(203) 및 팬(205)은 본체(201)로부터 탈부착이 가능한 것을 특징으로 하는 식물 재배 장치.
  13. 다음 단계를 포함하는 식물 재배 방법:
    (a) 식물체를 재배할 수 있는 트레이(tray)의 상부에 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 11 항 및 제 12 항 중 어느 한 항의 식물 재배 장치(200)를 장착하는 단계;
    (b) 상기 식물 재배 장치의 하부에 위치한 트레이(tray)에 재배 대상 식물의 종자 또는 모종을 안착시키는 단계;
    (c) 상기 식물 재배 장치의 광원 디바이스에 의해 집광된 빛을 재배 대상 식물에 조사하는 단계; 및
    (d) 상기 광원 디바이스에서 발생되는 열을 방열판을 통해 방출하는 단계.
  14. 삭제
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