KR101481538B1

KR101481538B1 - Led 식물 생육장치

Info

Publication number: KR101481538B1
Application number: KR20130062346A
Authority: KR
Inventors: 김정훈; 홍을표; 김명문; 고정섭; 서상철
Original assignee: 에스티원 주식회사
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2015-01-13
Also published as: KR20140141066A

Abstract

본 발명은 LED 식물 생육장치에 관한 것으로서, 적색 LED와 백색 LED를 설치하되 상기 적색 LED와 백색 LED의 개수를 2:1(적색 LED : 백색 LED)의 비율로 구성한 LED램프를 제어하는 컨트롤러와 재배장치를 구비한 식물 생육장치에 있어서, 상부에 설치된 팬을 포함하는 재배장치 프레임; 상기 재배장치 프레임 내부에 층층이 설치되는 다수의 재배단; 상기 재배단 각 상부에 설치되는 LED램프; 상기 재배장치 프레임의 하단에 나란히 설치되며 각각 양액펌프와 냉각수펌프와 연결되어 각 재배단에 양액 및 냉각수를 공급하는 양액 공급통과 냉각수 공급통; 상기 양액 공급통과 냉각수 공급통에 설치되는 자외선램프; 상기 양액 공급통 내부에 설치되는 산소발생기; 상기 재배장치 프레임과 별도로 구비되는 이산화탄소 공급탱크; 및 상기 재배장치 프레임의 상부에 나란히 설치되는 컨트롤러와 항온항습기;를 포함하여 구성하되, 상기 컨트롤러에 형성된 입력단자와 출력단자를 통해 상기 LED 램프 등이 연결되는 것에 의해 광, 온도, 습도, 양액과 냉각수의 공급, 산소와 이산화탄소, 자외선 살균의 각각을 제어함과 동시에 둘 또는 둘 이상을 함께 동기화하여 제어할 수 있도록 한 것이며, LED 식물 생육 램프의 광속비율 등의 제어가 가능하고, 또한 각 기능을 동기화하여 제어할 수 있는 컨트롤러에 의해 다양한 식물을 생육에 필요한 최적의 환경을 제공하는 효과가 있다.

Description

LED 식물 생육장치{GROWING APPARATUS OF PLANT WITH LED}

본 발명은 식물 생육용 LED램프를 제어하는 컨트롤러 및 재배장치를 구비한 LED 식물 생육장치에 관한 것으로서, 상세히는 적색 LED와 백색 LED를 일정비율로 구성하여 사용하는 LED램프에 의해 식물의 생육에 주요한 영향을 미치는 빨간색 파장과 파란색 파장의 빛을 발산함은 물론, 상기 백색 LED에 의해 식물의 생육에 미량이지만 필수적인 다양한 색의 파장의 빛이 발산되어 해당 식물에 맞추어 적정한 광속비율로 빛을 조정할 수 있고, 상기 식물 생육용 LED램프의 광속비율의 제어, 식물의 명기 및 암기 제어를 위한 광주기(Photoperiod)제어, 폭넓은 주파수 제어를 통한 보다 넓고 세밀한 광주기의 제어, 램프냉각을 위한 냉각수 공급 및 식물재배에 필요한 양액, 산소, 이산화탄소의 공급, 양액 및 공기의 자외선 살균, 환기의 제어가 가능하고, 또한 각 기능을 동기화하여 제어할 수 있는 컨트롤러 그리고 상기 LED램프와 컨트롤러를 포함한 항온, 항습기능을 갖춘 재배장치를 구비한 LED 식물 생육장치에 관한 것이다.

도 1에 도시한 태양광의 스펙트럼을 보면, 태양광은 광합성효율이 낮은 파장대(예:530∼580㎚, 730㎚ 이상)를 많이 포함하고 있다. 따라서 도 2에 도시한 바와 같이, LED 광원을 사용하여 광합성 효율이 높은 파장으로 광원을 구성하면 광합성의 효율이 높고 식물이 보다 빠르고 잘 자랄 수 있도록 할 수 있다.

본 발명의 배경기술로는 기본적으로 도 3에 도시한 바와 같이, 청색 LED와 적색 LED의 2가지 LED로 구성된 LED램프에서부터, 청색 LED와 녹색 LED 그리고 적색 LED의 3가지 LED로 구성된 LED램프 또는 청색 LED, 녹색 LED, 주황색 LED 그리고, 적색 LED의 4가지 LED로 구성된 LED램프 등 청색 및 적색 LED에 기타 색상의 LED를 추가하여 식물재배용의 조명장치로 사용하는 것들이 있으며, 도 3에 있는 도식은 청색LED, 녹색LED, 그리고 적색LED로 구성된 LED램프로부터 얻을 수 있는 각 색상의 파장에 따른 상대광도의 한 예를 나타내고 있다.

상기한 종래 식물 생육장치에 사용되는 LED램프들은 식물의 광합성에 필요한 빛의 파장을 임의로 생성하여 발산함으로써 태양광 없이 사용하거나 태양광과 함께 사용하는 보광형 광원으로써 식물을 생육할 수 있도록 하고 있다.

또한, 삼파장 형광램프를 식물을 재배하는 데에 이용하고 있는 예도 있으나 식물생육에 비효율적인 파장을 다량 포함하고 있기 때문에 종래 식물 생육장치에 사용되는 LED램프들에 비해 그 효율이 많이 떨어지는 것이 사실이다.

상기한 종래 식물 생육장치에 사용되는 LED램프 중에서 도 4에 도시한 일반적으로 쉽게 접할 수 있는 식물 생육장치에 사용되는 LED램프의 스펙트럼에 근거하여, 식물의 발아, 잎 생성, 개화 등의 형태를 형성하는 작용이 활발한 파장(420∼470㎚)의 파란색의 빛을 발산하는 청색 LED와 광합성 작용이 활발한 파장(640∼690㎚)의 빨간색의 빛을 발산하는 적색 LED의 2가지 LED로 LED램프를 구성하고 있다. 또는 450㎚ 파장의 파란색의 빛을 발산하는 청색 LED와 660㎚ 파장의 적색 빛을 발산하는 적색 LED의 2가지 LED로 LED램프를 구성하고 있다.

그러나, 식물은 정상적으로 성장함에 있어 많은 량을 필요로 하지는 않지만 파란색과 빨간색 파장 외에도 다른 색의 파장(예:녹색, 노란색, 주황색 등)도 필요하기 때문에, 청색 LED와 적색 LED만으로 LED램프를 구성하면 해당 식물에 따라서 겉 자라거나 생기가 약해 보이는 등의 정상적인 성장에 장애를 일으킬 수 있다.

더욱이, 청색과 적색의 2가지 LED로 구성된 LED램프는 청색 LED와 적색 LED의 구성비율이 1:5에서 1:20까지 다수의 LED 비율로 LED램프를 구성해야 한다.

이러한 문제를 개선하기 위해 다양한 파장의 빛을 발산할 수 있도록 기본적인 파장구성(파란색+빨간색)에 녹색 또는 기타 색상파장 하나를 추가하여 3가지 LED로 구성된 LED램프와 기본 파장구성에 2개 이상의 기타 파장을 추가한 LED로 구성된 LED램프를 사용하고 있으나, LED램프 제작비용의 약 50%가 LED의 비용이므로 다수의 LED를 사용하면 제작비용이 상승할 수밖에 없고 회로구성 및 제어가 그에 상응하여 복잡해질 수밖에 없다는 문제가 있다.

또한, 삼파장 형광램프의 경우 도 5에 도시한 바와 같이 광합성 효율이 낮은 파장(예:550㎚)을 포함하고 있을 뿐만 아니라 광합성 촉진을 활발히 하는 적색 파장대의 빛을 거의 발산하지 않기 때문에 식물성장용의 램프로는 적합하지 않다.

식물의 생육에 있어서 기본적으로 광, 이산화탄소, 산소, 물(또는 양액) 등이 필요하며 식물에 따라 상기의 요소들이 적절하게 제공될 때 바람직한 식물 성장을 기대할 수 있다. 이러한 식물의 성장 환경을 인위적으로 조성하여 식물을 재배할 수 있도록 하는 것이 식물 재배장치이며 특히 LED램프를 광원으로 하는 재배장치가 현재 많이 개발되고 있다.

한편 LED 식물 재배장치 중 광, 온도, 습도, 이산화탄소, 산소, 양액 등 외부환경을 전반적으로 제어할 수 있는 폐쇄형 재배장치와, 광, 양액 등만을 제어할 수 있는 단순한 형태의 개방형 재배장치로 구분할 수 있는데, 후자의 경우 재배장치가 놓인 실내의 환경에 따라 식물의 성장이 영향을 받게 되므로 식물의 성장조건과 실내조건이 맞지 않을 경우 식물의 생육이 전자 대비 크게 떨어지게 된다.

상기 폐쇄형 재배장치의 경우 개방형 재배장치보다 우수한 식물생육 환경을 조성하지만, 더욱 바람직한 식물의 성장을 유도하기 위해서는 좀 더 세부적인 환경의 제어가 요구된다. 예를 들어 식물의 뿌리에 충분한 산소를 공급하기 위해 양액 내 잔존 산소를 일정 수준으로 유지시키는 것, 공기 및 양액 등의 유해 세균을 살균하는 것, 식물 주변의 정체된 공기에 의해 식물의 호흡이 악화되는 것을 개선하기 위한 환기, 램프를 냉각하기 위한 냉각수 공급 기능 등이 필요하다.

또한 상기 세부적인 제어는 각각 동작도 하지만 동기화를 통해 간편한 조작으로 상시 일정한 조건을 유지하고 불필요한 기능의 작동을 최소화함으로써 장치의 효율을 높이는 것이 요구된다. 하지만 아직 종래 LED 재배장치의 기술들은 기본적인 환경제어와 더불어 상기 세부적인 환경제어와 동기화 기능이 배제되어 있다.

더욱이 식물의 성장 및 영양성분은 상기의 다양한 외부환경에 의존하여 달라지는데,특히 식물에 인위적인 스트레스를 인가하여 식물의 성장과 영양성분을 제어하는 방법을 크게 광학적인 스트레스의 제어와 전기적인 스트레스의 제어로 구분할 수 있다.

전자의 방법은 광의 구성 즉 파장의 구성비와 세기를 제어하는 것이고, 후자의 방법은 하루 중의 명기와 암기를 조절하는 광주기(Photoperiod)를 제어하는 것과 조사광의 순간적인 점멸 주기를 제어하는 것(주파수 제어) 이다.

전기적인 스트레스의 제어 중 주파수 제어에서 중요한 것은 식물별로 성장 및 성분변화에 효과가 높은 주파수가 다르기 때문에 다양한 주파수를 인가할 수 있도록 제어범위를 최대한 넓게 해야 하나, 주파수의 제어범위를 넓게 함에 따라 정기적인 노이즈가 발생하고 효율이 저하되는 문제가 발생한다.

따라서 넓은 주파수 범위로 광을 제어하는데 어려움이 존재하고 일반적으로 좁은 주파수의 영역으로 한정하여 제어되고 있다.

한국 등록특허공보 제10-101184631호

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 파란색과 빨간색의 주요 파장 외에도, 많은 량을 필요로 하지는 않으나 식물의 성장에 필요한 여러 가지 색의 파장의 빛을 발산시키기 위하여 다양한 색의 파장으로 구성된 백색 LED와 적색 LED를 적정한 구성비율로 설치하여 LED램프를 구성함으로써, 식물의 성장에 적합한 다양한 색상의 파장의 빛을 발산함과 동시에 2가지의 최소 개수의 LED 구성에 의해 LED램프의 제작비용을 절감하되, 상기 LED램프와 함께 항온항습기, 산소 및 이산화탄소 발생기, 자외선 살균램프 등을 재배장치에 구비하여, 기본적인 외부환경인 광, 온도, 습도, 이산화탄소, 산소, 양액의 제어뿐만 아니라 세부적으로 양액내 잔존 산소 공급, 공기 및 양액의 살균, 재배장치내 공기의 순환, 램프 냉각기능의 제어가 가능하고 상기 세부기능들의 동기화가 가능케 하는 컨트롤러를 구비함으로써, 더욱 생육 환경이 우수함과 동시에 높은 효율로 식물을 재배할 수 있도록 한 LED 식물 생육장치를 제공함에 있다.

다른 목적은 상기 재배장치의 식물에 LED램프에 의한 전기적인 스트레스 인가를 통한 식물의 성장과 영양성분의 제어에 있어서, 하루 중의 명기와 암기를 제어하는 광주기(Photoperiod)와 더불어 종래 기술상 노이즈 발생 및 효율의 저하 때문에 적용이 곤란한 넓은 범위의 주파수의 제어가 가능하게 함으로써, 더욱 다양한 식물에 대하여 성장 및 성분변화를 제어할 수 있도록 한 LED 식물 생육장치를 제공함에 있다.

또 다른 목적은 여러 가지 색상의 파장의 광속비율을 백색 LED와 적색 LED에 공급되는 전류의 세기에 따라 조정함으로써, 각 색상의 파장마다 광속비율이 서로 다른 다양한 식물의 요구에 맞추어 식물에 빛을 발산할 수 있도록 한 LED 식물 생육장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 LED 식물 생육장치는, 적색 LED와 백색 LED를 설치하되 상기 적색 LED와 백색 LED의 개수를 2:1(적색 LED : 백색 LED)의 비율로 구성한 LED램프를 제어하는 컨트롤러와 재배장치를 구비한 식물 생육장치에 있어서, 상부에 설치된 팬을 포함하는 재배장치 프레임; 상기 재배장치 프레임 내부에 층층이 설치되는 다수의 재배단; 상기 재배단 각 상부에 설치되는 LED램프; 상기 재배장치 프레임의 하단에 나란히 설치되며 각각 양액펌프와 냉각수펌프와 연결되어 각 재배단에 양액 및 냉각수를 공급하는 양액 공급통과 냉각수 공급통; 상기 양액 공급통과 냉각수 공급통에 설치되는 자외선램프; 상기 양액 공급통 내부에 설치되는 산소발생기; 상기 재배장치 프레임과 별도로 구비되는 이산화탄소 공급탱크; 및 상기 재배장치 프레임의 상부에 나란히 설치되는 컨트롤러와 항온항습기;를 포함하여 구성하되, 상기 컨트롤러에 형성된 입력단자와 출력단자를 통해 상기 LED 램프 등이 연결되는 것에 의해 광, 온도, 습도, 양액과 냉각수의 공급, 산소와 이산화탄소, 자외선 살균의 각각을 제어함과 동시에 둘 또는 둘 이상을 함께 동기화하여 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하고 있다.

또 상기 컨트롤러는 온/오프 스위치, 와트 디스플레이, 적색 및 백색 파장의 주파수 제어부, 적색 및 백색 전류 제어부, 광주기 제어부, 양액공급 및 자외선 살균 제어타이머, 팬과 산소 및 이산화탄소 제어타이머, 냉각수 제어타이머를 구비하는 것이 바람직하다.

또 상기 LED램프에 의해 조사되는 광의 광주기(Photoperiod)를 시, 분, 초 단위까지 제어하면서 명기와 암기로 조절하여 조사하는 것이 바람직하다.

또 상기 LED램프에 의해 조사되는 광의 주파수 제어에 의해 순간적인 점멸주기를 제어하도록 하며, 상기 주파수의 파형은 노이즈를 억제 및 효율 향상을 위해 음(-)의 구형파 형상을 가지며, 상기 주파수는 500㎐~32㎑의 범위로 제어가 가능하여 2ms∼0.031ms의 주기로 광을 점멸하도록 하는 것이 바람직하다.

또 상기 재배장치의 온도와 습도 및 이산화탄소를 표시하도록 재배단의 상부 일측에 설치된 디스플레이를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또 상기 백색 LED는 보라색 파장, 남색 파장, 파란색 파장, 녹색 파장, 노란색 파장, 주황색 파장, 빨간색 파장의 빛을 포함하는 것이 바람직하다.

또 상기 적색 LED는 650∼670㎚ 파장 범위 내의 빨간색의 빛을 발산하고, 상기 백색 LED는 380∼455㎚ 파장 범위 내의 보라색, 456∼490㎚ 파장 범위 내의 남색, 491∼515㎚ 파장 범위 내의 파란색, 516∼570㎚ 파장 범위 내의 녹색, 571∼600㎚ 파장 범위 내의 노란색, 601∼625㎚ 파장 범위 내의 주황색, 626∼780㎚ 파장 범위 내의 빨간색의 빛을 발산하는 것이 바람직하다.

또 상기 적색 LED 및 백색 LED으로부터의 빨간색 파장의 광속비율은 49.1∼18.9%, 상기 백색 LED의 보라색 파장의 광속비율은 13.3∼21.2%, 남색 파장의 광속비율은 3.3∼5.3%, 파란색 파장의 광속비율은 3.4∼5.5%, 녹색 파장의 광속비율은 16.8∼26.7%, 노란색 파장의 광속비율은 8.6∼13.7%, 주황색 파장의 광속비율은 5.4∼8.7%인 것이 바람직하다.

또 상기 각 색 파장의 광속비율은 적색 LED 및 백색 LED에 공급하는 전류의 세기를 조정함에 따라 각각 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 LED 식물 생육장치에 의하면, 백색 LED만 가지고서도 적색 LED와 함께 다양한 색상의 파장의 빛을 발산할 수 있어 식물이 성장하는데 필요한 색상의 파장의 빛을 모두 공급할 수 있는 효과가 있다.

또, 상기 백색 LED와 적색 LED에 공급되는 전류의 세기를 조정하여 빛의 각 색상의 파장의 광속비율을 제어함으로써, 각 색상의 파장의 광속비율이 서로 다른 다양한 식물에 맞추어 빛을 발산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 백색 LED와 적색 LED만으로 LED램프를 구성하기 때문에 LED 비용을 약 30%까지 절감할 수 있고, 그에 따라 회로 및 기구의 구성이 단순해져 LED램프의 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 LED 식물생육 장치에 의하면 기본적으로 광, 온도, 습도, 이산화탄소, 산소, 양액 등의 제어 뿐만 아니라 식물 뿌리의 산소 공급, 살균, 공기 순환, 램프 냉각을 위하여 양액 내부 산소 공급장치, 자외선 살균장치, 환기 장치, 램프 냉각장치 등의 제어가 가능하기 때문에 보다 다양하고 엄밀한 재배환경을 제공하는데 효과가 있다.

또한 상기 다양하고 엄밀한 재배환경의 제공을 통해 식물 생육을 극대화 하는데 효과가 있다.

또한 상기 기능들의 개별 동작 뿐만 아니라 동기화가 가능하여 조작의 편의성을 높이고 각 기능의 작동 중 불필요한 기능의 동작을 최소화하여 장치 효율을 높일 수 있다.

또한 광주기(Photoperiod)와 더불어 노이즈 발생 및 효율의 저하로 인해 종래에 적용이 곤란했던 넓은 범위의 주파수(500Hz~32kHz, 2ms~0.031ms의 주기) 인가가 가능하므로 식물의 성장과 영양성분을 제어하는데 효과가 있다.

도 1은 태양광의 스펙트럼을 나타내는 도식
도 2는 파장에 따른 광합성 효율을 나타내는 도식
도 3은 종래 식물 생육장치에 사용되는 LED램프의 LED 구성도 및 각 색상 파장에 따른 상대광도 도식
도 4는 일반적 식물성장의 램프의 스펙트럼 도식
도 5는 삼파장 형광램프의 스펙트럼 도식
도 6은 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프의 LED 구성도 및 각 색상 파장에 따른 상대광도 도식
도 7은 적색 및 백색 LED 스펙트럼과 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프의 스펙트럼 도식
도 8은 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프의 스펙트럼 도식
도 9는 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치의 전체 정면도 및 측면도
도 10은 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프를 제어하는 컨트롤러의 구성도
도 11은 상기 10의 컨트롤러의 주파수 파형 도식

이하, 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프의 LED 구성도 및 각 색상 파장에 따른 상대광도 도식을 도시한 것이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프는 적색 LED와 백색 LED를 설치하여 구성하되, 상기 적색 LED와 백색 LED의 구성비율을 2:1(적색 LED : 백색 LED), 즉 적색 LED 2개당 백색 LED 1개를 설치하여 LED램프를 구성하고 있다.

도 6의 오른쪽에 있는 도식은 위에서부터 적색 LED의 파장에 따른 상대광도, 백색 LED의 파장에 따른 상대광도, 상기 적색 LED와 백색 LED의 혼합 파장에 따른 상대광도를 나타내고 있다.

도 7은 적색 및 백색 LED 스페트럼과 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프의 스펙트럼 도식을 도시한 것이다.

도 6의 도식을 좀 더 상세히 설명하자면, 7에 도시한 바와 같이, 적색 LED에 의한 스펙트럼은 적색의 파장에서 상대적으로 높은 광속을 나타내고 있음을 보여주고 있고, 백색 LED에 의한 스펙트럼은 다양한 색상의 파장이 발생하면서 파란색의 파장에서 상대적으로 높은 광속을 나타내고 있음을 보여주고 있다.

본 발명에서는 상기 적색 LED와 백색 LED의 구성비율을 2:1로 혼합하여 사용하므로 이러한 조건에서, 도 7에 도시한 바와 같이, 식물 성장에 필요한 파란색과 적색의 파장의 상대적 광속이 높게 나타나면서 상기 파란색과 적색 파장 외에도 식물재배에 필요한 다양한 색상의 파장으로 상대적 광속이 골고루 나타내고 있음을 보여주고 있다.

이러한 본 발명의 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프에서 상기 백색 LED는 보라색 파장, 남색 파장, 파란색 파장, 녹색 파장, 노란색 파장, 주황색 파장,빨간색 파장을 포함하고 있으며, 다음의 표 1과 같이 파장의 범위 내에서 상기 각 색상의 빛을 발산하고 있고 그에 따른 광속비율은 갖는다.

색상	파장	광속비율
보라색	380∼455㎚	13.3∼21.2%
남색	456∼490㎚	3.3∼5.3%
파란색	491∼515㎚	3.4∼5.5%
녹색	516∼570㎚	16.8∼26.7%
노란색	571∼600㎚	8.6∼13.7%
주황색	601∼625㎚	5.4∼8.7%
적색	626∼780㎚	49.1∼18.9%(적색 LED 포함)

또한, 본 발명의 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프에서 상기 적색 LED는 650∼670㎚ 파장 범위 내의 적색의 빛을 발산하고 있으며, 광속비율은 백색 LED에 의한 빨간색 파장의 광속비율을 포함하여 상기 표 1에 기재한 바와 같이 49.1∼18.9%이다.

그런데, 식물은 광합성광양자속밀도(PPFD:Photosynthetic Photon Flux Density)에 비례하여 잘 성장한다고 알려져 있고, 상기 광합성광양자속밀도의 단위는 μmol·m^-2·s^-1이며, 작물 종류에 따라 필요한 광합성광양자속밀도(PPFD)는 다음의 표 2와 같다.

	구분	목적	작물종류	PPFD (μmol·m^-2·s^-1)
식물 공장	완전 폐쇄형	안정 생산	상추, 인삼 등	310
식물 공장	태양광+인공조명	안정 생산	상추, 특용작물 등	145
종묘 공장	완전 폐쇄형(선반식)	대량 안정 생산	토마토 등	150
시설 원예	전조재배	개화 통제	국화	0.5∼1
			딸기	0.2∼0.8
			카네이션	0.5
	보광재배	안정 생산	참나물	70
		안정 생산	팬지 모종	20
		낙화 예방	화훼	12
		낙화 예방	완두콩	150
		착색	체리, 복숭아, 포도	30∼250
		회복	포도	2
		회복	장미	5
		예방	오이 모종	25
		내 성분 제어	시금치	200
		병해 예방	딸기 등	150
실내관상 식물	보광재배	폐쇄 환경	관엽식물	7∼15
		태양+인공조명	화훼 등	70
		태양+인공조명	관엽식물, 화훼 등	70

따라서, 식물에 따라 필요한 광합성광양자속밀도(PPFD)와 각 식물마다 요구되는 광환경(양지식물, 음지식물, 장일식물, 단일식물 등)이 다르므로 결과적인 광합성광양자속밀도(PPFD)의 크기와 각 색상의 파장의 광속비율도 달라질 수밖에 없는 것이다. 이러한 이유로 인해 LED램프의 조명으로 식물을 생육할 때에는 각 식물에 따라 상기 LED램프에서 발산하는 빛의 세기(광합성광양자속밀도(PPFD))와 각 색상 빛의 파장의 광속비율을 적절하게 제어할 필요가 있다.

광합성광양자속밀도(PPFD)의 크기 및 각 색상 빛의 파장의 광속비율의 제어는 본 발명의 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프를 구성하고 있는 적색 LED 및 백색 LED에 공급하는 전류의 세기를 조정하면 가능하다. 예를 들어 파란색 파장의 빛을 더 많이 요구하는 식물의 경우에는 적색 LED대비 백색 LED의 구동전류를 높게 해주고, 빨간색 파장의 빛을 더 많이 요구하는 식물의 경우에는 적색 LED의 구동전류를 높여 주면 된다. 빨간색과 파란색 파장의 빛을 고루 요구하는 식물의 경우에는 두 LED의 구동전류를 비슷한 수준으로 적절히 맞춤으로써 광속비율를 조절할 수 있게 된다.

도 8은 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치를 통해 동작되는 LED램프의 스펙트럼 측정 이미지로 상기의 다양한 파장구성을 갖는 광을 식물에 조사시킬 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치의 전체 정면도 및 측면도를 도시한 것이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치는 재배프레임(1), 다수의 재배단(2), LED램프(3), 양액 공급통(4)과 냉각수 공급통(5), 자외선 살균램프(6), 산소발생기(7), 이산화탄소 공급탱크, 컨트롤러(8)와 항온항습기(9)로 구성되어 있다.

상기 재배장치 프레임(1)은 직사각의 프레임 형상으로 되어 상기 재배단(2) 등을 설치하기 위한 기본 틀로 사용되며, 상단부에 팬(10)을 설치하고 있다.

상기 재배단(2)은 재배장치 프레임(1) 내부에 일정한 간격을 두고 층층이 다수개로 설치되어 채워진 식생토에 식물을 직접 생육하게 되며, 도면에서는 3개를 설치하고 있으나 상기 재배장치 프레임(1)의 크기에 따라 3개 이상으로도 얼마든지 설치될 수 있다.

상기 LED램프(3)는 각 재배단(2) 상부에 각각 설치되며, 상기 재배단(2)에 심어진 식물을 생육을 위한 적절한 광을 조사하게 된다.

상기 양액 공급통(4)과 냉각수 공급통(5)은 재배장치 프레임(1)의 하단에 나란히 설치되어, 뒤쪽에 각각 설치된 양액펌프(11a)와 냉각수펌프(11b)에 의해 양액을 재배단에 식물의 생육을 위해 공급하고, 냉각수를 LED램프(3)에 공급하여 냉각하도록 한다.

상기 자외선 살균램프(6)는 양액 공급통(4)과 냉각수 공급통(5) 내에 각각 설치되어 양액과 냉각수에 대한 살균을 실시하며, 상기 양액 공급통(4)과 냉각수 공급통(5)의 외부에도 자외선램프(6)를 설치할 수 있는데 이 경우에는 양액과 냉각수의 살균과 더불어 공기를 살균도 실시한다.

상기 산소발생기(7)는 양액 공급통(4) 내부에 설치되어 양액에 풍부한 산소를 공급하고, 이러한 산소가 풍부한 양액을 재배단(2)의 식물에 공급하게 된다.

상기 이산화탄소 공급탱크는 도시하지 않았지만 재배장치 프레임(1)과 가까운 별도의 장소에 구비되어 있어, 관을 통해 상기 재배장치 프레임(1) 내부로 필요한 이산화탄소를 지속적으로 공급하게 된다.

상기 컨트롤러(8)와 항온항습기(9)는 재배장치 프레임(1)의 상부에 나란히 설치되어, 상기 항온항습기(9)에 의해 재배장치 내부의 온도를 습도를 적정한 온도 및 습도로 조절하되, 상기 컨트롤러(8)에 형성된 입력단자와 출력단자를 통해 상기 항온항습기(9)를 포함하여 LED 램프(3), 양액 공급통(4)과 냉각수 공급통(5), 자외선 살균램프(6), 산소발생기(7), 이산화탄소 공급탱크 등이 연결되는 것에 의해 광, 온도, 습도, 양액과 냉각수의 공급, 산소와 이산화탄소, 자외선 살균의 각각을 제어함과 동시에 둘 또는 둘 이상을 함께 동기화하여 컨트롤러(8)가 제어할 수 있도록 되어 있다. 상기 항온항습기(9)에는 항온항습 온/오프 스위치(9a)가 설치되어 있으며, 상기 항온항습기(9)에 의해 온도와 습도를 제어하여 표시하는 디스플레이(12b)가 설치되어 있다.

또 상기 항온항습기(9)에 의해 발생하는 온풍과 냉풍은 재배장치 프레임(1)의 상부로도 공급되지만 상기 재배장치 프레임(1)의 측면에서 각 재배단(2)을 향해서도 공급되도록 하여 전체적으로 온도분포가 일정하게 하도록 하는데, 도 9의 측면도에 이를 잘 표현하고 있다.

또한 상기 재배장치 프레임(1)의 상부 일측에 재배장치 내부의 온도와 습도 및 이산화탄소 등을 나타내기 위한 디스플레이(12a)가 설치되어 있다.

이렇게 온도, 습도, 이산화탄소, 산소가 제어 가능한 구조로 본 발명의 LED 식물 생육장치는, LED램프(3), 컨트롤러(8), 양액 공급통(4), 냉각수 공급통(5), 자외선 살균램프(6), 양액에 산소를 공급하기 위한 산소발생기(7), 환기를 위한 팬(10) 등을 포함하고 있으며 필요에 따라 일부 장치를 넣거나 뺄 수 있다.

본 발명에 따른 LED 식물 생육장치는 상기한 폐쇄형 재배장치는 물론 개방형 재배장치에도 물론 적용이 가능하다.

도 10은 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 사용되는 LED램프를 제어하는 컨트롤러의 구성도를 도시한 것이다.

도 10에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 설치되는 컨트롤러(8)는 재배장치 프레임(1) 내부에 실장하거나 외부에 별도로 설치하여 사용이 가능하며, 전면에는 와트 디스플레이(13), 온/오프 스위치(14), 볼륨조절 형태의 적색 주파수 제어부(15), 볼륨조절 형태의 백색 주파수 제어부(16), 적색파장의 전류를 나타내는 적색전류 디스플레이(17), 백색파장의 전류를 나타내는 백색전류 디스플레이(18), 볼륨조절 형태의 적색전류 제어부(19), 볼륨조절 형태의 백색전류 제어부(20), 광주기 제어타이머(21), 양액공급 및 자외선살균 제어타이어(22), 팬과 산소 및 이산화탄소 제어타이머(23) 및 냉각수 제어타이머(24)를 구비하여, 상기 각 LED램프(3), 컨트롤러(8), 양액 공급통(4), 냉각수 공급통(5), 자외선 살균램프(6), 양액에 산소를 공급하기 위한 산소발생기(7), 환기를 위한 팬(10) 등과 제어를 위해 연결되어 있다. 또 상기 컨트롤러(8)의 후면에는 출력단자(25)와 입력단자(26)가 설치된다.

따라서 적색주파수 제어부(15)와 백색 주파수 제어부(16)에 의해 LED램프(3)의 주파수를 제어하고, 적색전류 디스플레이(17)와 백색전류 디스플레이(18)에 의해 적색 주파수와 백색 주파수의 전류를 표시하며, 광주기 제어타이머(21)와 양액공급 및 자외선살균 제어타이어(22) 등에 의해 재배단(2)의 식물에 공급되는 광주기와 양액공급 및 자외선 살균 등의 적절한 시간을 제어하게 된다.

이와 같은 컨트롤러(8)는 상기한 바와 같이 LED램프(3)의 제어와 더불어 양액, 냉각수, 환기, 자외선 살균 등 부가된 다양한 제어 기능이 하게 되고 각 기능의 동기화가 가능하다.

상기 컨트롤러(8)에 의해 제어되는 LED램프(3)의 광을 재배단(2)에 심어진 각 식물에 조사할 때, 상기 광의 광주기(Photoperiod)를 시, 분, 초 단위까지 제어하면서 명기와 암기로 조절하여 조사하게 되며, 상기 LED램프(3)에 의해 조사되는 광의 주파수 제어에 의해 순간적인 점멸주기를 제어하도록 하되, 도 11에 도시한 바와 같이, 상기 주파수의 파형은 노이즈를 억제 및 효율 향상을 위해 음(-)의 방향을 갖는 구형파 형상을 갖도록 한다. 또한 상기 주파수는 500㎐~32㎑의 범위로 제어가 가능하여 2ms∼0.031ms의 주기로 광을 점멸하도록 한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 LED 식물 생육장치에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1 : 재배장치 프레임 2 : 재배단
3 : LED램프 4 : 양액 공급통
5 : 냉각수 공급통 6 : 자외선 살균램프
7 : 산소발생기 8 : 컨트롤러
9 : 항온항습기 10 : 팬
11a : 양액공급펌프 11b : 냉각수공급펌프
12a,12b : 디스플레이 13 : 와트 디스플레이
14 : 온/오프 스위치 15 : 적색 주파수 제어부
16 : 백색 주파수 제어부 17 : 적색전류 디스플레이
18 : 백색전류 디스플레이 19 : 적색전류 제어부
20 : 백색전류 제어부 21 : 광주기 제어타이머
22 : 양액공급 및 자외선살균 제어타이어
23 : 팬과 산소 및 이산화탄소 제어타이머
24 : 냉각수 제어타이머 25 : 출력단자
26 : 입력단자

Claims

적색 LED와 백색 LED를 설치하되 상기 적색 LED와 백색 LED의 개수를 2:1(적색 LED : 백색 LED)의 비율로 구성한 LED램프를 제어하는 컨트롤러와 재배장치를 구비한 식물 생육장치에 있어서,
상부에 설치된 팬을 포함하는 재배장치 프레임;
상기 재배장치 프레임 내부에 층층이 설치되는 다수의 재배단;
상기 재배단 각 상부에 설치되는 LED램프; 및
상기 재배장치 프레임의 하단에 나란히 설치되며 각각 양액펌프와 냉각수펌프와 연결되어 각 재배단에 양액 및 냉각수를 공급하는 양액 공급통과 냉각수 공급통;
상기 양액 공급통과 냉각수 공급통에 설치되는 자외선 살균램프;
상기 양액 공급통 내부에 설치되는 산소발생기;
상기 재배장치 프레임과 별도로 구비되는 이산화탄소 공급탱크; 및
상기 재배장치 프레임의 상부에 나란히 설치되는 컨트롤러와 항온항습기;
를 포함하여 구성하되, 상기 컨트롤러에 형성된 입력단자와 출력단자를 통해 상기 LED 램프 등이 연결되는 것에 의해 광, 온도, 습도, 양액과 냉각수의 공급, 산소와 이산화탄소, 자외선 살균의 각각을 제어함과 동시에 둘 또는 둘 이상을 함께 동기화하여 제어할 수 있도록 하고,
상기 적색 LED는 650∼670㎚ 파장 범위 내의 빨간색의 빛을 발산하고, 상기 백색 LED는 380∼455㎚ 파장 범위 내의 보라색, 456∼490㎚ 파장 범위 내의 남색, 491∼515㎚ 파장 범위 내의 파란색, 516∼570㎚ 파장 범위 내의 녹색, 571∼600㎚ 파장 범위 내의 노란색, 601∼625㎚ 파장 범위 내의 주황색, 626∼780㎚ 파장 범위 내의 빨간색의 빛을 발산하는 것을 특징으로 하는 LED 식물 생육장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 LED램프에 의해 조사되는 광의 광주기(Photoperiod)를 시, 분, 초 단위까지 제어하면서 명기와 암기로 조절하여 조사하는 것을 특징으로 하는 LED 식물 생육장치.
제1항에 있어서,
상기 LED램프에 의해 조사되는 광의 주파수 제어에 의해 순간적인 점멸주기를 제어하도록 하며, 상기 주파수의 파형은 노이즈를 억제 및 효율 향상을 위해 음(-)의 구형파 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 식물 생육장치.
제4항에 있어서,
상기 주파수는 500㎐~32㎑의 범위로 제어가 가능하여 2ms∼0.031ms의 주기로 광을 점멸하도록 한 것을 특징으로 하는 LED 식물 생육장치.
제1항에 있어서,
상기 재배장치의 온도와 습도 및 이산화탄소를 표시하도록 재배단의 상부 일측에 설치된 디스플레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 식물 생육장치.
제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 백색 LED는 보라색 파장, 남색 파장, 파란색 파장, 녹색 파장, 노란색 파장, 주황색 파장, 빨간색 파장의 빛을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 식물 생육장치.
삭제
제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적색 LED 및 백색 LED으로부터의 빨간색 파장의 광속비율은 49.1∼18.9%, 상기 백색 LED의 보라색 파장의 광속비율은 13.3∼21.2%, 남색 파장의 광속비율은 3.3∼5.3%, 파란색 파장의 광속비율은 3.4∼5.5%, 녹색 파장의 광속비율은 16.8∼26.7%, 노란색 파장의 광속비율은 8.6∼13.7%, 주황색 파장의 광속비율은 5.4∼8.7%인 것을 특징으로 하는 LED 식물 생육장치.
제9항에 있어서,
상기 각 색 파장의 광속비율은 적색 LED 및 백색 LED에 공급하는 전류의 세기를 조정함에 따라 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 식물 생육장치.