KR101624929B1 - 생육광선용 led 조명 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생육광선용 LED 조명 시스템에 관한 것으로 LED 광을 조사하는 LED 조명파트, 상기 조명파트를 에워싸는 형태로 구성되어 전방을 향해 발열되는 발열파트, 및 상기 조명파트의 내부에 구성되어 양과 음이온을 동시 발생시켜 주변 공기를 청정케 하는 이온발생체로 구성된 조명기와, 지역적으로 평균 온도를 고려하여 상기 조명파트의 조명에 대한 광량 및 광도와 함께 상기 발열파트의 발열 온도를 무선통신으로 조절 제어하는 제어부를 포함하여, 생육 가능한 식물 및 가금류 축사 농가 분야에 조명과 난방 및 공기청정 기능이 하나로 통합된 패키지로 구축하여 생육물의 건강한 양육을 도모함과 동시 시설비 투자의 절감 및 설비 운용의 에너지 절감을 제공할 수 있다.

Description

생육광선용 LED 조명 시스템{LED Illumination System For Growth And Development}

본 발명은 생육광선용 LED 조명 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LED 조명과 난방 및 공기청정 기능을 하나로 통합하고, 이러한 복합기능에 무선으로 원격 조종 가능한 제어 기술이 부가되어 식물 및 가금류와 같은 생육물의 양육 분야에 구축 적용되는 생육광선용 LED 조명 시스템에 관한 것이다.

근래에 들어 백열전구의 생산과 판매를 완전히 중단한 일본과 EU에 이어 2013년부터 우리나라와 미국에서도 백열전구의 생산과 판매 및 수입을 중단했다. 중국에서도 백열전구의 생산과 판매가 금지되는 등 세계적으로 백열전구 생산을 중단하는 추세였다. 백열전구의 생산을 중단하게 된 이유는 사용 에너지의 95%를 열로 내보내기 때문에 에너지 효율이 매우 낮다는 것이다.

이에 반해 LED는 에너지 효율이 최고 90%에 이르고, 수명도 백열전구보다 15배나 길다. 이런 이유로 정부에서 가금류 농가의 LED 전구 교체를 위해 지원을 아끼지 않았다. 조금씩 백열전구가 자취를 감췄고, 대체용으로 1만원 이하의 LED 전구가 나오고 있다. 이러한 LED 전구 열풍이 가금류 및 식물 재배용 농가에서는 훨씬 전부터 활성화되었다.,

차세대 LED는 저전력 소모와 백열전구 및 형광등 대비 전기 절감을 가져오는 에너지 절감과, 온실가스(CO²)의 감축, 광반도체 소자 부품(무수은)으로 이용되어 친환경적이며, 수만 시간동안 사용 가능하고, 유지보수의 비용 절감과, 백열전구 및 형광등에 긴 수명을 지니고, 반응속도가 우수하며, 충격에 강하고, 소형, 경량, 감성적 디자인 연출과 고휘도, 고효율화가 지속적으로 진행되는 특징을 갖는다.

기존 조명에 비해 LED 조명이 여러 면에서 우수함은 널리 알려져 왔는바, 이러한 조명의 특성을 비교하여 본다면, 기존조명의 경우 제어는 온오프 방식이며, 응답속도는 1 내지 3초이고, 광전환효율은 백열등의 경우 5%, 형광등의 경우 40%이고, 광원으로 수은 기체 광원을 사용하며, 발광대역에 있어 집중 발광이 불가하고, 수명은 3천 내지 7천 시간이며, 저렴한 가격대를 형성하는 반면에, LED 조명의 경우 제어는 다색 및 다단계 밝기 방식이 가능하고, 응답속도는 10나노초, 광전환효율은 최고 90%의 잠재효율(고효율광원, CO² 저감), 수은을 광원으로 사용하지 않고 고체광원을 사용하여 친환경적이며, 발광대역으로 집중발광이 가능하고, 특수조명으로 활용 가능하다. 또한 5만 내지 10만 시간대의 수명을 지닌 채 고가의 가격대를 형성하고 있다.

즉, LED 전구는 기존 조명(백열등 및 형광등)과의 비교에서 가격이 고가라는 단점을 제외하고는 수명, 효율 등 모든 면에서 월등한 성능을 발휘하고 있다. 하지만 초기 축산용 LED 조명은 많은 문제가 대두되었는데, 특히 대표적인 문제로 기존 LED 전구는 백열 전구와 달리 온오프 제어만이 가능했으며, 이는 반도체의 특성상 특정 전압 이상에서만 불이 들어오는 관계로 그 이하에서는 전혀 켜지지 않는 문제가 있었다. 특히, 양계장에서는 온오프 작동이 상당히 큰 문제로 부각되었다.

닭들은 빛에 민감하기 때문에 밤에 조명을 꺼도 밤이라고 생각하지 않고 잠들지 않는 문제가 발생하였으며, 잠들었던 닭들도 아침에 조명을 켜면 놀라는 등 닭들에게 적지 않은 스트레스를 제공하였으며, 이는 산란계의 생산성, 육용계의 중량 감소로 이어져 많은 손실을 가져왔다.

현재는 PWM(Pulse width Modulation)를 이용하여 밝기 제어가 가능하도록 LED 드라이버가 설계되어 나오는 제품이 있지만 상당한 고가에 판매되기 때문에 농가에 부담이 클 수밖에 없다. 따라서 저렴한 가격에 밝기 조절이 가능하며 축산농가의 생산성 향상에 기여할 수 있는 조명 개발이 시급하다. 기존 축산용 LED 조명은 단순 On/Off 기능만을 제공하는 백색 조명으로만 개발이 되어 왔지만 LED는 백열전구와 달리 여러 가지 파장대의 LED가 존재하며 하드웨어 기술의 발달로 LED 드라이버 등 LED를 제어하기 위한 부품들의 가격이 낮아지고 있는 추세다. 이러한 LED의 특징을 이용하게 되면 현재의 LED 조명의 문제점을 해결할 뿐만 아니라 효율적으로 백열전구를 대체할 수 있는 획기적인 방안이 될 것이다.

농작물은 원산지에서 주어진 유전적 성질에 따른 기후에의 적응력을 가지고 있는데, 이에는 한계가 있다. 농업생산에 있어서 중요한 변수로 온도조건, 수분공급조건, 일사조건(일조시간) 등을 예로 들 수 있다. 이중 수분의 영향은 가장 손쉽게 조절할 수 있는 요소인 반면에 온도와 일사조건은 기상적인 변수가 많아 조절하기 어려운 여건이 되어왔다. 일사조건이 농작물에 미치는 영향은 대부분 기온과 일사량과 관련된다

농작물 종류에 따른 적적온도 (단위 : ℃)

작물별	최고 한계량	적온		최저 량계	동해 온도	장애온도
		낮	밤
토마토	35	25~20	13~8	5	-1~-2	30℃이상 : 공동과발생
						35℃이상 : 낙화, 낙과
가지	35	18~13	18~13	10	0~2	25℃이상 : 화분기능상실
고추(피마)	35	20~15	20~15	12	0~2	35℃이상 : 낙화, 낙과
오이	35	15~10	15~10	8	0~2	10℃이상 : 순덫이 현상 발생
수박	35	18~13	18~13	10	0~2	15℃이하 및 40℃이상 : 발아율저하
온실메론	35	23~18	23~18	15	0~2	15℃이하 : 발효과 발생
참외	35	25~10	15~10	8	0~2	35℃이상 : 낙화, 낙과발생
호박	35	25~10	15~10	8	0~2	35℃이상 : 낙화, 낙과발생
시금치	25	20~15	15~10	8	-10	25℃이상 : 생육정지
무	25	20~15	15~10	8	0	13℃이하 7~10일경과 : 추대발생
배추	25	18~13	15~10	5	-6	육묘기 5℃ 1주경과 : 추대발생
샐러리	25	18~13	13~8	5	0
쑥갓	25	20~15	15~10	8	-5
상치	25	20~15	15~10	8	-5	25℃이상 : 발아장애
딸기	30	23~18	10~5	3	-5	-5℃이상 : 꽃눈동해

식물은 엽록소를 매개로 하여 탄산가스와 물에 의한 광합성을 통해 태양 에너지의 일부를 생산물 안에 변환·축적하므로 일사가 직접 영향을 미치게 된다. 일사량은 개화와 과일의 착색에도 관계하는데, 흐리고 비 오는 날이 많아 식물이 충분히 자외선에 쪼이지 못하면 웃자람으로 연약해져 생육이 좋지 못하다.

식물은 단지 일정시간을 경과하기만 하면 성숙단계에 도달하는 것이 아니고 어느 일정 열량을 받아야 비로소 성숙할 수 있다. 그런데 계절에 따라 광의 양이나 질이 다르다. 여름은 겨울에 비하여 단위시간당 광량이 많고 낮 시간이 길기 때문에, 1일당 광의 양도 많아진다. 또한 태양고도가 높아지기 때문에 자외선 등 단파장역의 광이 많아진다. 또한 흐리고 비가 올 때에는 태양광이 구름에 의해 차단되기 때문에 광량이 적어져 단파장역의 광이 적어진다.

계절에 따른 방사량 및 조도

계절	방사량(kcal/㎡/분)	조도(klx)
겨울	2~4	30
봄, 가을	6~8	105
여름	10~12	120

지구에 도달하는 태양광은 약 300∼3,000nm의 파장을 가지며, 인간이 볼 수 있는 광의 범위(가시영역)는 그 중에서 380∼760nm이다. 프리즘을 통한 빛이나 무지개에서 볼 수 있듯이, 짧은 파장 쪽부터 보라색, 남색, 청색, 녹색, 황색, 주황, 적색의 일곱 가지 색으로 나눌 수가 있다. 그 중에서 400∼700nm 파장역의 광이 식물의 광합성에 유효하다. 또한, 700∼760nm 파장역의 원적색광은 식물의 생장이나 형태 형성에 영향을 주며 이 광을 상대적으로 많게 하면 줄기의 신장 증가가 나타나는 예들이 있다.

파장이 식물 성장에 미치는 효과

파장(nm)		파장에 따른 효과
가시광선 영역	700	발아저지(730), 광합성 작용최대(670)
	660	엽록소 작용 최대(655) 발아작용과 잎 배포 꽃눈 생성(660)
	610	광합성에 무익, 해충방제(580~650)
	510	노란 색소에 의한 입부 흡수, 어류 집어(485)
	430~440	광합성작용의 최대(430), 엽록소작용의 최대(440)

식물 재배와 관련한 온도와 광조사에 대한 영역은 독립적으로 사용되어 왔다. 식물을 성장하는 특수 파장에 대한 영역으로 LED 등이 보온용으로 할로겐 팸프 등이 적용되고 있다.

식물용 LED등의 경우 식물공장을 타겟으로 제작되다보니 높은 곳에 달려 넓은 면적에 균일한 조사가 가능하도록 설계되었기에 사각 형광등 타입으로 제작되었다. 반면 방열등의 경우 국부영역에 대한 충분한 온도 공급이 가능하도록 2.5m 미만 위치에서 4sq의 면적 정도를 담담할 수 있는 소켓타입으로 제작되었다.

식물 재배에 필요한 이러한 두 기술은 각기 대상을 분리한 채 적용되어 왔다. 이 같은 요인은 식물공장이나 계절별 작물의 보조용 LED등에 있어서 주변여건이 충분히 제공되고 있으므로 온도에 대한 고려를 할 필요가 없기 때문이었다. 그러나 주로 발열을 목적으로 한 방열등은 일조량이 부족한 가운데 작물의 성장온도만을 맞추기 위해 사용되었다. 그러므로 이로 인해 일조량이 부족한 겨울철 재배 작황에 애로사항이 존재하지만 해당 영역을 해결하기 위한 연구는 미진한 상태이다.

LED는 우수한 에너지 절감 효과로 인해 대표적인 녹색산업으로 각광받으며, 글로벌 에너지 위기 극복과 기후변화 및 환경규제 대응을 위한 각국의 중요 정책 수단으로 급부상하고 있다.

백열등 1개에 소모되는 전기에너지로 LED 조명 5개 이상을 밝힐 수 있을 만큼 LED 조명의 전기 효율은 날로 증가하고 있으며, 정부의 백열등 사용금지 정책에 이어 LED 조명 보급을 위한 프로젝트를 추진하면서 전기 절감의 강력한 기술로 부상하였다. LED 조명은 성장동력임이 확실하다.

그러나, 우리나라의 조명 산업은 아직 영세한 산업구조로 인해 글로벌 기업 대비 브랜드 경쟁력 및 시장 노하우가 크게 부족하며, 가격경쟁력 및 특화기술력도 확보하지 못한 상황이다. 글로벌 Big 3(오스람, 필립스, GE)가 세계조명 시장 50% 이상을 장악하고 있는 실정이며, 중국의 저가 대량 물량 공세 심화로 국내산업이 약화되고 있는 상황이다. 또한 기존조명 대체형 위주로 시장이 형성되어 있어, LED의 강점을 살린 신기술 조명제품 개발 여건이 아직 미성숙한 상태이다.

성장 조명은 고성능화 되고 있으며, 태양과 출력 에너지로 가동되어 가격도 하락하고 있기 때문에 온신 및 식물 공장에 도입되는 추세다. LED 성장 조명 모듈 시장은 2013년 3억 9,500만 달러에서 2020년까지 36억 달러에 이를 것으로 시장조사 전문기관 WinterGreen Research Inc는 '세계 LED 농업용 성장 조명 시장 점유율, 전략 및 예측' 보고서를 통해 이와 같이 예측하고 있다.

세계 시장에서 국내 일반 조명 시장이 차지하는 비중은 15% 내외이나, 국내 특수 조명 제품이 세계시장에서 차지하는 비중은 5% 정도인 상황으로 전 세계 특수조명 시장의 성장과 더불어 국내 특수조명 산업체가 성장할 수 있는 기회 및 잠재력은 매우 크다 할 수 있다.

고도화 성정을 위하여 2차 및 3차 산업의 전략적 투자 등을 통하여 서비스산업과 기술집약적인 공산품에 대한 수준은 세계적인 수준에 이르렀지만 그 기간 농업에 대한 기술은 상대적으로 취약한 상황에 놓여 있다. 그러나 최근 공업화로 인한 공해와 환경오염 등의 문제에 대한 심각성이 대두대면서 소비자들이 먹거리 산업에 대한 관심이 높아져 농산물에 대한 수요 역시 날로 고급화 되어져 가고 있다.

기존의 단순 생산방식의 농업이 한국의 기반기술과 접목되어 선진국형 영농과학화를 이루기 위한 노력들이 계속적으로 시도되고 있다.

그렇지만 여전히 영농과학화를 위한 생산품들이 너무 특수영역이나 고부가가치 작물에 편중된 경향을 갖는다. 이러한 이유는 기술접목을 위한 막대한 시설비용이 들어가는 특성 때문이다. 따라서 이러한 특화된 영역의 기술들이 일반농인들의 보편 작물에도 적용될 수 있도록 관심의 방향을 유도할 필요성에 대하여 목소리가 높아지고 있다.

특히, 인삼등과 같은 특용작물에 해당되던 기술을 오이나 딸기 등 일반 농민들이 사용할 수 있는 제품군으로 연구가 확대될 필요가 있으며, 식물공장들과 같은 대규모 자동화 설비 중심의 연구가 아닌 대규모 산업화되지 않은 일반 농업인들을 대상으로 한 농작물 하우스나 화훼시설에 적용할 수 있는 연구와 제품이 다양해지는 것이 필요한 실정이다.

일반 농민들의 관점에서는 농작물의 수확시 상품성이 증대되나, 이에 비하여 실질적으로 시설투자비나 기존 제품 유지비가 경감될 수 있을만한 기술들이 가장 먼저 선행되어야할 필요성이 있다.

땅의 영양 상태를 제외하고 농작물의 상품성을 결정할 때 중요한 요인은 생물의 광합성을 위한 조도의 영향과 온도 및 습도가 중요한 요소로 작용한다. 이중 조도의 영향에 따라 열매가 상대적으로 작아지고 웃자람이 발생할 수 있어서 상품의 수준에 큰 영향을 준다. 또한 적절한 온도 조절이 이루어지지 않을 시 과실의 성장과 당도 등에 영향을 줄 수 있는 요인이 된다.

기름 온풍기 난방은 비닐온실하우스 내부로 따뜻한 공기를 불어넣어 대류현상으로 실내공기를 데우는 방식으로써 하우스 중앙의 온도는 올릴 수 있으나 땅 및 외기와 접하는 면은 온도를 올릴 수 없고, 또한 온풍기 가동을 중단하면 급격히 온도가 내려간다.

특히, 겨울철 온풍기에 의한 난방에 소요되는 난방유 비용은 때론 작물 재배비의 절반가량을 차지할 정도로 높은 비율을 차지한다. 겨울 난방의 경우 기존의 대체수단으로 방열등이 큰 호흥을 얻고 있다. 난방유를 이용한 온풍기 대비 1/3수준으로 난방비를 절약할 수 있어 300평기준 하우스 1동에 대한 설치비가 3000만원 정도 투자되나 겨울 난방비가 매년 1000~1500만원 절감되기에 2-3년 이라는 시간동안 투자비를 빨리 회수할 수 있을 뿐 아니라 한 대의 온풍기를 사용할 경우 써큘레이터를 사용한다고 하지만 온풍이 시작되는 지점과 마지막 지점 사이에 온도의 불균형성이 발생하는 단점들에 비하여 150개 가량의 발열등에서 나오는 열을 통해 균일한 난방이 가능하다는 점이 장점이다.

따라서 농업인들의 가장 필요적인 성장조명과 난방을 위한 조명이 겸비된 일반작물용 LED 조명의 개발은 실수요자인 농업인들에게 있어 특화된 기술이 보편화되어 사용될 수 있기에 기술의 수혜를 기대할 수 있어 희소식이다. 또한 두 제품의 융합은 시설 설치비의 단가 인하를 유도할 수 있다. 예를 들어 300평 기준 시설설치비는 총 3000만원 만원가량 소요되고 이중 70kW기준 한전불입금이 800만원 배전반 200만원 격등용 케이블 500만원 노무비1000만원 방열등 500만원 정도가 소요된다. 300평기준 150개의 발열등이 설치되기 때문에 노무비가 개당 6.5만원 정도가 소요된다고 볼 수 있다. 만일 성장조명과 발열등 모두를 별도로 설치할 경우 노무비가 2배로 상승되고 각 등간 간격이 2.5m에서 1.2m로 간격이 촘촘해 질뿐 아니라 방수를 위한 소켓과 반사각등을 고려한다면 노무비와 등가격만으로도 3000만원 정도까지 상승하는 문제점을 가지고 있다.

또한 전선이 담당해야 하는 하중이 그만큼 커지기에 비용과 편이성을 위하여 두 제품이 결합되는 것이 가장 바람직한 방법이라 할 수 있다.

LED의 주요 파장과 광도 그리고 순방향 전압은 모두 접합부 온도에 의해 좌우된다. 색상 및 밝기 속성들은 온도에 민감하기 때문에 LED 조명 시스템의 열 성능에 대한 제어 능력을 갖는 것이 필수적이다. LED의 광도는 온도 변화에 따라 크게 떨어진다. 광도 변화 외에 LED의 주요 파장(λD)이나 복사색상도 온도에 따라 다소 변화하게 된다. λD의 변화는 사소하지만, 접합부의 온도 변화가 클 경우에는 백라이트의 색상 온도 변화가 눈에 띌 정도로 커지게 된다.

LED조명은 구동할 때 빛과 열을 동시에 방출하는 LED소자의 발광현상을 이용한 기기다. 그러나 LED소자는 고작 에너지의 20%만 빛으로 발산하고, 나머지 80%의 에너지는 열로 방출한다. 이렇게 발생한 열은 LED소자의 신뢰성을 떨어뜨리고, LED조명의 전기적·광학적 특성에도 악영향을 미친다. LED조명의 광속과 수명을 단축시키는 주범이 바로 열인 것이다.

LED조명업계가 방열기술에 사활을 거는 이유다. 지금까지 업계에서는 LED소자의 열을 외부로 방출하기 위해 LED가 실장된 PCB기판에 열 교환 성능이 우수한 히트싱크를 붙이는 방식을 많이 사용했다. 그러나 이런 방열구조는 기본적으로 제작원가가 비싸고, 알루미늄 소재의 메탈 PCB 두께와 중량 때문에 제품 소형화에도 한계가 있다. 이에 따라 최근 LED조명업계에선 LED조명의 효율을 높이면서 가격경쟁력을 확보하기 위해 자신만의 독특한 방열기술을 개발, 차별화를 꾀하고자 하는 연구를 지속하고 있다.

특허문헌 001 한국출원특허 제10-2010-028266호 특허문헌 002 한국출원특허 제10-2010-0078636호 특허문헌 003 한국출원특허 제10-2010-0089382호 특허문헌 004 한국등록특허 제10-1457985호 특허문헌 005 한국등록특허 제10-1369501호 특허문헌 006 한국등록특허 제10-1478632호 특허문헌 007 한국등록특허 제10-1369508호 특허문헌 008 한국등록특허 제10-1478630호 특허문헌 005 일본출원특허 제1988-00059875호 특허문헌 006 일본출원특허 제19890908호 특허문헌 007 일본출원특허 08077610호 특허문헌 008 일본출원특허 09242172호

전술된 문제를 해소하기 위한 본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명 시스템은, 성장조명으로 사용되는 LED등 조명을 계절별 상황과 상관없이 사용할 수 있도록 보온기능과 아울러 주변 공기에 대한 청정 기능을 가지며, 기존 방열등이 설치된 하우스 단지 대부분이 소켓타입을 선호하고 있는 관계로, 기존의 설치 환경에서 쉽게 교체할 수 있도록 소켓과 플러그 타입으로 제공하고자 함에 그 목적을 두고 있다.

본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명 시스템은, LED 조명에 발열 기능을 갖는 발열체를 융합하지 못한 기존 기술에 대한 문제를 해소하는 조명과 발열의 통합형 융합 기술을 제공하고자 함에 그 목적을 두고 있다.

아울러, LED 조명의 광도 및 히터의 온도 등을 조절하는 제어를 무선 통신에 의한 원격으로 조정 가능하도록 함에 그 목적을 두고 있다.

전술된 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명 시스템은, LED 광을 조사하는 LED 조명파트, 상기 조명파트를 에워싸는 형태로 구성되어 전방을 향해 발열되는 발열파트, 및 상기 조명파트의 내부에 구성되어 양과 음이온을 동시 발생시켜 주변 공기를 청정케 하는 이온발생체로 구성된 조명기와, 지역적으로 평균 온도를 고려하여 상기 조명파트의 조명에 대한 광량 및 광도와 함께 상기 발열파트의 발열 온도를 무선통신으로 조절 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 조명기를 이용한 조명 기능 확장 용도로는 거실에 배치된 식물과 애완동물의 생육 작용의 활성화뿐만 아니라, 인체의 생육작용도 활성화시키며, 욕실과 주방 지대에 열과 빛 공기 정화 기능을 통합한 조명 제품으로도 활용 가능한 생육광선용 LED 조명 시스템에 일 특징이 있다.

상기 LED 조명파트는, LED 광원체, 기판, 칩, 및 소자들을 내부에 삽입 설치되도록 공간용으로 구성된 하우징과, 상기 하우징의 상부 중앙에 구성되어 전원에 꽂힘 방식으로 연결되어 통전시키는 플러그와, 상기 하우징의 외측 둘레에 구성되어 조명기의 내부에서 발생되는 열을 외부로 송출시켜 하우징 내부 온도를 냉각시켜 주는 외부 방열판을 더 포함하고, 상기 하우징을 포함한 외부 방열판의 외측 둘레로 씌워지면서 걸착 구성되는 발열파트는 그 외관이 갓 형태로 구성되는 생육광선용 LED 조명 시스템에 일 특징이 있다.

상기 하우징의 내부에 일측이 박스형 타입으로 삽입되면서 고정되되, 타측은 외부로 확경되는 갓 구조로서 상기 발열파트쪽에서 발생되는 열을 외부로 반사시키는 한편, LED 광을 내부로 반사시키는 열 차단용 반사판과, 상기 반사판의 일측 내부에 LED 광원체, 기판, 칩, 및 소자들이 집적 구성되되, 최하부에 LED 광에 대한 투과성 효율을 제공하며, 상기 반사판에 의해 가려지는 위치에 구성된 투과판과, 상기 투과판의 상부에 구성되는 LED 렌즈모듈과, 상기 렌즈모듈의 상부에 구성되는 LED 칩과, 상기 LED 칩의 상부에 구성되어 상기 LED 칩에서의 과열과 같은 비정상적인 작동 시 과열된 열을 받아 상기 외부 방열판으로 송출시켜 상기 LED 칩의 소실을 사전에 예방하는 펠티어 소자와, 상기 펠티어 소자의 상부에 구성되어 상기 펠티어 소자로부터 열을 받아 상기 외부 방열판으로 송출시키는 방열판, 및 상기 방열판의 상부에 구성되어 이온발생체로서 양과 음이온을 동시 외부 공기 방향으로 방출시켜 공기 중의 균 및 악취를 제거하며, 농업의 작물 작황에 이로움을 제공하는 공기정화보드를 더 포함하여 구성되는 생육광선용 LED 조명 시스템에 일 특징이 있다.

상기 발열파트는, 상기 하우징을 포함한 외부 방열판의 외측 둘레로 씌워지면서 일측이 외부 방열판의 하측단에 걸착되고, 타측이 반사판으로부터 소정의 간극 지점에서 상기 반사판을 커버하는 갓 구조로 구성된 씌움부재와, 상기 씌움부재의 타측 둘레의 단부에 개재되는 방식으로 설치되어 발열을 생성시키는 히터와, 상기 히터의 후방에 개재되어 히터로부터 발생되는 후열을 차단하는 반호형 반사판을 포함하고, 상기 씌움부재는 상기 반사판과 유사한 방사각 형태의 갓 구조로 구성되어 그 내부에 구성된 상기 반사판과 상기 반사판에 의해 가려지는 투과판을 커버하는 형태이고, 상기 반사판 사이의 간극지에 형성되어 발열파트로부터 발생되는 열을 식히는 공기층이 형성되는 생육광선용 LED 조명 시스템에 일 특징이 있다.

상기 히터에서 발생되는 열은 전방으로만 향하고 후방으로는 열 전도가 방지될 수 있게 히터 자체의 후방뿐만 아니라, 상기 반호형 반사판에 코팅된 열 반사용 금속코팅막이 더 형성되는 생육광선용 LED 조명 시스템 에 일 특징이 있다.

상기 반호형 반사판에 열 반사 효율을 위해 경우에 따라 운모막 히터도 형성되고, 상기 히터를 수용하되, 히터의 후방에 해당되는 튜브 관 영역에 금속코팅막을 형성하고, 히터의 전방에 해당되는 튜브 관 영역에 세라믹코팅막을 형성하는 탄소발열튜브가 더 구성되는 생육광선용 LED 조명 시스템에 일 특징이 있다.

상기 운모막 히터는, 일단과 타단에 전기 절연제로서 운모층(mica)을 형성하고, 상기 운모층 사이로 개재되어 열을 생성시키는 히터 엘리먼트층을 형성하며, 상기 일측의 운모층과 상기 히터 엘리먼트층 사이로 개재되어 열을 반사시키는 SnO2ZnO2층을 형성하고, 상기 히터 엘리먼트층과 상기 타측의 운모층 사이로 개재되어 상기 히터 엘리먼트층으로부터 발생된 열기를 외부 공기 방향으로 방출시키는 SnO2FeO2층으로 형성되는 생육광선용 LED 조명 시스템에 일 특징이 있다.

상기 제어부는, 공기정화보드의 상부에 구성되어 원격으로 조명기를 무선 제어 가능한 통신보드 기판이 집적되고, 통신보드의 상부에 구성되어 조명기의 전력과 LED의 광량과 광도 및 히터의 발열 온도를 포함하여 제어하는 전력 및 컨트롤 보드 기판이 집적되며, 조명기의 전원기판인 전원보드 기판이 집적되는 상기의 기판들을 포함하는 생육광선용 LED 조명 시스템에 일 특징이 있다.

이상에서 살펴본 봐와 같은 본 발명에 의한 생육광선용 LED 조명 시스템은, 시기적 변화에 따른 난방, 광량 대응 솔루션용 LED 등 기술을 제시하여 재배식물의 작황과 상품성을 증대시키고, 각 상품별, 지역별 격차를 극복하는 기준을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 생육광선용 LED 조명 시스템은, 작물별 보온과 광량, 파장에 따른 데이터 구축 및 첨단 영농산업의 확대를 위한 보편적인 사용층을 확대 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 생육광선용 LED 조명 시스템은, 기존 기능들을 독립적으로 수행함으로 농가의 수익성 향상을 충분히 기대하며, 시설투자비 등에 대한 부담을 줄일 수 있어 농가 보급 확대에 기여할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 생육광선용 LED 조명 시스템은 가금류 및 식물 재배 농가에 구축되게 하여, 영세 농가의 생산원가 절감 및 생산성 증가를 도모하고, 영세 농가의 니즈를 파악하여 조명과 발열기능 및 공기정화기능을 갖춘 기능성 조명을 제시하여 줌으로써, LED 조명으로 대체되고 있는 현 시점에서 수입제품 및 국산제품보다 높은 경쟁력 우위를 확보할 수 있고, LED 조명의 저가 제공이 가능한 관계로 수입대체 효과뿐만 아니라 에너지 절감효과도 기대할 수 있다.

아울러, 본 발명에 의한 생육광선용 LED 조명 시스템은, 기존 농가에서 각각 따로 설치되어 구축된 LED 조명과 히터 및 공기청정기에 대한 설비 부분을 하나의 통합형 패키지로 묶어 사용 가능하도록 제공하여 줌에 따라 시설비에 대한 절감 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명 시스템에서의 조명기를 도시한 사시도
도 2는 도 1에 도시된 조명기의 내부 구성을 도시한 저면 사시도
도 3은 도 1에 도시된 조명기의 내부 구성을 도시한 측 단면도.
도 4는 도 1에 도시된 조명기의 작용 상태도.
도 5는 도 1에 도시된 조명기에 구성된 LED 조명파트 및 발열파트 간의 분리 상태를 도시한 측면 분리도.
도 6은 본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명 시스템에서의 탄소발열튜브의 코팅막을 도시한 도면
도 7은 본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명 시스템에서의 전극부근에 대한 탄소필라멘트의 코딩 상태를 나타낸 SEM 촬영 사진
도 8은 본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명 시스템에서의 탄소페이스트 및 실버페이스트의 입도 분석을 나타낸 그래프
도 9는 이온의 노출 여부에 따른 바이러스 반응실험으로부터 수득된 개의 신장 세포 사진.
도 10은 본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명시스템에서의 운모막 히터에 대한 구성을 도시한 도면이다.

본 발명에 있어 첨부된 도면은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되어 도시됨을 밝히고, 후술되는 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적 사항에 불과하며, 다른 여러 형태로 변형 실시되는 점까지 감안한 명세서 전반에 걸친 기술적 사상을 토대로 해석되어야 한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것을 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명 시스템은, LED 조명과 발열 및 공기청정 기능을 통합한 조명기(100)와 상기 조명기에 대한 제어기술까지 포함하는 구성으로서, 상기 조명기(100)는 LED 조명파트(110)와 상기 조명파트에 간단히 씌워지는 방식으로 구비된 발열파트(120) 및 이온을 발생시키는 이온발생체(미도시)로 구성될 수 있다.

특히, 상기 LED 조명파트(110)와 상기 별열파트(120)의 구조적 형상은 LED 조명과 발열을 하나로 접목시킬 수 없었던 종래의 문제를 해소하는 진일보된 기술이다.

즉, 다시 말해 본 발명의 주된 특징은 조명담당을 하는 LED와 발열담당을 하는 히터를 융합시킬 수 없었던 종래의 문제를 해소시켜 이들의 융합을 구현한 점으로서, 예전의 엘이디등과 발열등이 융합되지 못한 것은 엘이디등이 발열등에서 발생되는 열에 의한 수명 및 밝기와 같은 성능 저하가 일어나기 때문이다.

예를 들어 290W 발열등의 필라멘트는 800도 이상이고, 주변온도가 200~300도 가량 되기 때문에 발열을 내야 하는 등과 발열을 피해야 하는 등 사이의 결합은 기능을 극대화할 수 없는 방식으로 쉽게 간주되어, 조명 및 난방을 필요로 하는 식물 재배용 농가나 가금류 양육용 농가의 경우 광을 조사하는 조명등과 발열을 생성하는 히터를 각각 따로 구축하여 사용됨에 따라 설비의 설치비용 증가와 설비의 운용 비용이 증가할 수밖에 없었지만, 본 발명에서와 같이 조명과 히터를 융합한 조명기(100)를 제시하여 줌에 따라 농가의 비용적 부담을 최소화하면서도 운용의 효율성을 도모할 수 있다.

이러한 본 발명의 LED 조명 시스템에 있어서, 상기 조명기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, LED 조명파트(110)와, 상기 조명파트에 간단히 씌워지는 구조로 구비된 발열파트(120) 및 공기 청정 기능을 담당하는 이온발생체(미도시)로 구성되는데, 도 1에 도시된 조명기(100)는 전원에 꽂아 통전시키는 방식의 플러그(PG)형 타입으로만 제시되었으나, 이러한 플러그(PG)형 뿐만 아니라, 전원에 돌려 통전시키는 소켓형(미도시) 타입도 제공한다.

물론, 본 발명에서의 조명기는 식물 재배지나 가금류 및 축사와 같은 농가의 육용지 천정에 부착형으로 설치되어 다운 라이트 기능으로도 적용할 수 있다.

아울러, 본 발명에서의 조명 기능을 확장할 경우, 발코니의 식물이나 거실 내의 애완동물에 대한 생육 작용의 활성화와 더불어, 욕실과 주방 지대에서는 열과 빛 공기 정화용의 융합 제품으로도 활용 가능하다.

이러한 상기 조명기(100)에 있어서 도 1을 참고로, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, LED 조명파트(110)는 기판과 칩 및 소자 등을 내부에 삽입 설치하도록 구성된 하우징(111)과, 상기 하우징의 상부 중앙으로 구성된 플러그(PG)와, 상기 하우징의 둘레에 구성된 외부 방열판(112)으로 외관이 구성되며, 상기 하우징을 포함한 외부 방열판의 둘레로 씌워지면서 걸착 구성되는 발열파트(120)는 갓 형태로 그 외관이 구성된다.

상기 LED 조명파트(100)에 대한 내부 구성을 더욱 상세히 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(111)의 내부에 일측이 박스형 타입으로 삽입되면서 타측은 외부로 확경되는 구조의 열 차단용 반사판(113)이 구성되며, 하우징(111)의 내부에 삽입된 상기 반사판(113)의 박스형 내부에는 기판과 칩 및 소자 등이 집적 구성되는바, 더욱 상세히 살펴보면, 하부에서부터 상부로 순차 설치되는 방식으로서, 하부에는 LED 조명의 광에 대한 투과성 효율을 위해 투과판(114)이 구성되는데, 이러한 상기 투과판(114)은 상기 반사판(113)의 타측이 외부로 그 둘레가 확경되는 갓 형태에 의해 가려짐에 따라 외부 열을 차단하면서 LED 광원을 전방으로만 효율적으로 집중하여 투과시킬 수 있다.

상기 반사판(113)은 일측이 하우징(111)의 내부에 삽입 설치되지만, 타측은 외부로 그 둘레가 확경되는 갓 구조 형상인 관계로, 후술될 발열파트(120)의 히터(124) 쪽에서 발생되는 열을 외부로 반사하는 한편, LED 광을 내부로 반사시키는 역할을 수행하게 된다.

한편, 상기 투과판의 상부에 LED 렌즈모듈(115)이 구성되고, 상기 렌즈모듈의 상부에 LED 칩(116)이 구성되며, 상기 LED 칩(116)의 상부에 펠티어 소자(117)가 구성되는데, 상기 펠티어 소자(117)는 상기 LED 칩(116)에서 과열과 같은 이상 증후가 발생될 때 LED 칩(116)의 과열을 식히는 역할을 담당하면서도 상기 LED 칩(116)으로부터 열을 받아 후술되는 방열판(118)으로 송출시키는 역할을 수행함으로써, 상기 LED 칩(116)의 이상 증후를 사전에 차단시킨다.

상기 펠티어 소자(117)의 상부에 방열판(118)이 구성되는데, 상기 방열판(118)은 펠티어 소자(117)로부터 받은 열을 하우징(111)의 둘레에 구성된 상기 외부 방열판(112)으로 송출시켜 하우징(111) 내의 열 발생을 최소화시키는 역할을 수행하게 된다.

한편, 상기 방열판(118)의 상부에는 공기정화보드(119)가 구성되는데, 이러한 공기정화보드(119)는 이온발생체(미도시)의 역할로서 양이온과 음이온을 동시에 발생시켜 외부 공기층으로 보냄에 따라 외부 공기와 이온 결합되면서 공기 중의 살균 및 악취를 제거할 수 있게 된다.

상기 공기정화보드(119)의 상부에는 통신보드(CB)가 구성되며, 상기 통신보드의 상부에는 전력 및 컨트롤 보드(PCB)가 구성되고, 상기 전력 및 컨트롤 보드(PCB)의 상부에는 전원보드(PB)가 구성되는바, 이들 상기 통신보드와 상기 전력 및 컨트롤 보드와 상기 전원보드에 대해서는 차후에 후술하기로 한다.

한편, 발열파트(120)는 상기 하우징(111)을 포함한 상기 외부 방열판(112)의 둘레에 씌워지며 걸착되는 구성인바, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 반사판(113)의 갓 형태와 유사한 방사각 형태의 씌움부재(121)가 상기 외부 방열판(112)의 둘레를 따라 씌워져 그 하단에 걸착된 방식으로 구성된다.

즉, 이러한 상기 씌움부재(121)는 상기 반사판(113)과 유사한 방사각 형태의 갓 형태로 구성됨에 따라, 일측은 상기 외부 방열판(112)의 하단에 걸착되고, 타측은 외부 방향을 향해 확경되는 갓 형태로 구성되고, 이러한 갓 형태의 씌움부재(121)는 그 내부에 구성된 상기 반사판(113)과 상기 반사판(113)에 의해 가려지는 투과판(114)을 커버하는 형태이며, 상기 반사판(113)과는 소정의 간극을 형성하고 있음에 따라 간극에는 공기층을 형성하게 된다. 즉 이러한 공기층은 갓 형태인 씌움부재(121)의 타측 둘레의 단부에 개재되는 방식으로 설치된 후술될 히터(124)로부터 발생하는 열을 식히는 매질 역할을 수행하게 된다.

상기 씌움부재(121)의 타측에 해당되는 둘레 단부 사이로 상기 히터(124)가 개재되며 설치되는데, 이러한 히터(124)에서 발생되는 열은 전방으로만 향하고 후방으로는 열 전도가 방지될 수 있게 히터 자체의 후방을 금속코팅(골드)하여 열을 반사시킬 수 있다.

물론, 상기 히터(124)의 후방에는 별도의 반호형 반사판(122)이 구성되며, 이러한 반사판(122) 역시도 열의 반사 효율을 위해 금속코팅막이 형성될 수 있고, 경우에 따라 운모막으로 형성될 수 있다.

상기 히터(124)에 코팅된 금속코팅막을 도 7에서와 같이 별도의 탄소발열튜브(123)에 입힐 수도 있다. 즉, 상기 탄소발열튜브(123)는 상기 히터(124)를 수용하되, 히터(124)의 후방에 해당되는 튜브 관 영역에 금속코팅막(123a)을 형성하고, 히터(124)의 전방에 해당되는 튜브 관 영역에 세라믹코팅막(123b)을 형성하게 된다.

따라서, 상기 금속코팅막(123a)에 의해 히터(124)에서 발생되는 열이 후방으로 전도됨을 방지하고, 상기 세라믹코팅막(123b)에 의해 열이 전방으로 집중될 수 있다.

한편, 상기 LED 조명파트(110)와 상기 발열파트(120)는 도 5에 도시된 바오 같이 상호 간에 분리되는 구조를 채용함으로써, AS 및 부품 교체시에 조명기(100) 전체를 교체할 필요성이 사라져 조명 부품 교체에 드는 비용까지 절감할 수 있다.

한편, 상기 공기정화보드(119)는 양과 음이온을 동시에 발생시키는 역할로서 도 4에서와 같이 외부의 공기 방향으로 배출시켜 외부 주변 공기에 포함된 균 및 악취를 제거하는 특징이 있다.

이처럼, 본 발명의 생육광선용 LED 조명 시스템은, 식물 재배지나 축사와 같은 곳에 통합형으로 구축되는 것이 특징인바, LED 조명등에 계절적 기온 변화에 대응하여 보온 기능과 공기 오염에 따른 문제점을 개선할 수 있는 공기청정 기능이 더 포함된다.

따라서, 이와 같은 조명기(100)에 전원을 인가하여 사용할 경우, 히터(124)에서 발생되는 열은 후방으로 금속코팅에 의해 투과되지 않고 방사되며, 별도의 탄소발열튜브(123)의 관에 의해서도 열이 후방으로 투과되지 않으며, 아울러 반사판(122)이 히터(124)의 후방에서 커버하고 있는 관계로 열의 후방 흐름이 용이치 않다.

설령, 이들 금속코팅과 반사판(122)을 일부 통과한 열이라 할지라도, 갓 형태의 씌움부재(121) 내측에서 소정의 간극을 유지하며 갓 형태로 구성된 반사판(113)을 통과하기란 결코 쉽지 않다.

즉, 일부 통과한 열이 씌움부재(121)와 반사판(113) 사이의 간극 공간에 형성된 공기층을 통해 냉각될 수 있고, 공기층에 의해 냉각되지 않은 열이라 할지라도, 상기 반사판(113)에 의해 가려진 LED 칩(116)에 이르기까지 도달되지 못한다.

물론, 상기 탄소발열튜브(124)이나, 시즈 히터가 적용되어도 두 반사판(122, 113) 및 공기층에 의해 열반사 기능이 충족될 수도 있다.

한편, 도 10에서와 같이 반사판(122)에는 상기 히터 대신 운모막 히터(125)로 구성될 수 있는데, 이러한 운모막 히터(125)의 내부에는 반사물질이 개재되어 삽입된 구조를 갖게 된다.

즉, 운모막 히터(125)의 내부에는, 일단과 타단에 전기 절연제로서 운모층(125a,125e)을 형성하고, 상기 운모층 사이로 개재되어 열을 생성시키는 히터 엘리먼트층(125b)을 형성하며, 상기 일단의 운모층(125a)과 상기 히터 엘리먼트층(125b) 사이로 개재되어 열을 반사시키는 SnO₂ZnO₂층(125c)을 형성하고, 상기 히터 엘리먼트층(125b)과 상기 타단의 운모층(125e) 사이로 개재되어 상기 히터 엘리먼트층으로부터 발생된 열기를 외부 공기 방향으로 방출시키는 SnO₂FeO₂층(125d)을 형성하는 구성을 포함하게 된다.

이러한 운모막 히터(125)는 히터와 동일하게 상기 히터 엘리먼트층에 의해 발열을 생성시키되, 상기 SnO₂ZnO₂층(125c)에 의해 열을 반사시켜 LED 조명파트(110) 방향으로의 열 전도를 방지할 수도 있다.

따라서, 히터(124)로부터 발생된 열은 전방을 향해 집중되어 방사되지만, LED 칩(116)이 있는 후방 위치로는 전도될 수 없는 구성 및 이러한 구성의 구조적 특징에 의해 LED의 수명을 장기간 동안 유지할 수 있고 광도 및 광량의 성능 역시 장기간의 유지가 가능하다.

이처럼, 조명기(100)는 발열 파트(120)의 히터(124)에서 발생된 열이 LED 조명파트(110)의 LED쪽 방향으로 전달되지 않는 단열 구조에 기반하여 LED의 수명과 성능을 보장받을 수 있으며, 이들의 통합이 가능하게 된다.

한편, 공기정화보드(119)는 양과 음이온인 수소 양이온과 산소 음이온을 동시에 외부 주변 공기에 배출시킴에 따라 공기에 잔존하는 균 및 악취를 이온화에 의해 제거시킬 수 있다.

공기 정화 작용에 대하여 더욱 상세히 설명하자면, 이온발생체는, 전기적으로 오염 물질을 제거하는 공기 청정 역할을 수행하는바, 이온화 방식을 이용하며, 고압펄스를 발생시킴으로써 이온이 발생된다.

발생된 음이온은 반응성이 커 대기 중에 부유하고 있는 오염물질(미세먼지, 담배연기 등)에 전자를 주어 이것을 반대 전하인 음전하로 바꾼다. 이것과 양전하를 띄고 부유하고 있는 오염물질이 서로 끌어당겨서 결합하면 더 큰 덩어리를 형성하며, 이러한 과정을 반복하면 인력에 글려 더 이상 부유하지 못하고 바닥으로 내려 앉게 되며, 이로 인해 호흡으로 인한 유해물질 흡입을 막아준다.

기존 음이온 발생기의 경우 산소음이온(O^{2 -})만 발생하며 미세먼지 제거 등 공기청정 효과는 있으나 냄새를 제거할 수 없다.

기존의 음이온 발생기와는 다른 방식으로 음이온과 양이온 모두 발생되는데, 수소 양이온(H⁺)은 공기 중의 산소(O)와 결합하여 수증기(H2O)를 생성하며, 이때 대기 중의 냄새가 수증기에 포함되어 탈취효과를 얻을 수 있다.

기존 제품 중 냄새제거가 가능한 제품이 다수 있으나, 이들은 인체에 치명적인 오존(O³)을 이용한 방식인바, 이미 공개된 기술로서, 대표적으로 Ionizer 방식과 Plasma discharge, Pin corona discharge 방식이 대표적이다.

하지만, 이러한 방식은 오존(O³)이 기준치(0.05ppm) 이상이거나, 음이온이 전혀 발생하지 않는 제품도 존재한다.(출처 : 실내 공기청정기의 오존 발생량 및 음이온 발생의 상관특성, 한국기계연구원 청정호나경기계연구센터)

본 발명의 이온 발생체는 기존에 비해 오존의 발생량이 적은 탄소 섬유(Carbon Fiber)로서 오존(O³, 0.01ppm 이하)를 이용하며, 고전압 발생 시 양극에서 수소 양이온(H⁺)이 발생되는 구조이다.

5 내지 10㎛급 Carbon Fiber 다발을 이용해 미세입자를 고효율로 하전시킨 후 고강도의 전기장이 형성된 정전 필터 등에 하천 입자를 포집하는 원리를 이용한 것이 특징이다.

극미세 Carbon Fiber 방전극을 적용하면, 낮은 인가전압에서도 방전이 고르게 발생할 수 있어 오존 발생량을 0.005ppm 이하로 현저히 낮출 수 있다. 또한 집진부에 고전압을 인가하여 0.3㎛ 미세 입자에 대한 집진 효율을 95% 이상으로 향상시킬 수 있다.

실질적인 양계장과 같은 육용조류 축사는 대부분 완전밀폐구조로 하고, 극히 낮은 조도의 인공조명을 사용한다. 이렇게 운영하는 이유는 첫째, 일조시간을 인공적으로 연장함으로써 잠자는 시간을 단축시켜 산란율을 높이고, 둘째, 양계장에서는 제한된 공간에 대량 밀집 사육하고 먹이를 통제하기 때문에 어쩌다가 무리중의 한 닭 벼슬에서 피를 흘리게 되면 주위에 있는 닭들이 상처가 난 닭이 죽을 때까지 집단으로 공격하는 습성이 있다는 이유 때문에 앞에 있는 먹이만 겨우 보일 정도로 밝기를 강제조절하기 위해서이다.

그래서 현대식 계사구조는 태양 빛이 들어올 수 있는 창문이라고는 하나도 없는 밀폐구조로 하여 인위적으로 환기를 시키고 100% 인공조명에 의존하고 있다. 계사내의 조도는 닭이 눈앞에 있는 먹이만 겨우 보일 수 있는 정도인 15~20룩스(Lux) 정도의 밝기 즉 어둠 컴컴하게 밝기를 강제로 조절하고 있는 실정이다. 달걀의 영양분을 좋게 하고 산란율을 높이기 위하여 사료를 과학적으로 개발하여 먹이고 있으나 폐사율은 날로 증가하고 있다. 따라서 날로 늘어나는 폐사율을 낮추기 위하여 항생제를 투여하는 양이 날로 늘어날 수밖에 없기 때문에 항생제 종류도 다양하게 개발되어 사료와 혼합하여 투여하고 있는 실정이다.

자연환경에서는 닭이 자연사하는 것은 거의 볼 수 없으나 양계장에서는 1주일에 약 0.8 ~ 1.5%에 가까운 폐사율을 보이고 있다. 이 같은 현상은 복합적인 요인이 작용한 까닭이지만 분명한 것은 닭이 영양부족으로 인한 것은 아닐 것이다.

닭의 생장에 절대적으로 태양 빛을 전혀 받지 못하고, 밀폐된 계사 공간에 수천에서 수만 마리가 움직일 수도 없을 정도로 가득 들어찬 닭들이 배설하는 배설물과 사료에서 발생되는 악취로 인하여 계사 내의 공기 이온이 극도로 악화된 상태에서 오염된 공기로 호흡을 할 수밖에 없기 때문이다. 이러한 극한적으로 열악한 생태 환경에 장기간 노출된 닭들은 자연적으로 대사 기능의 악화로 면역 기능이 나빠져 집단으로 질병에 걸릴 위험성이 높아지는 것이다.

혹한기의 육계 사육은 환기와 온도가 서로 맞물려 최적 사양 환경 조성이 어렵다. 환기가 과다해지면 계사의 온도 저하를 초래하여 난방에 필요한 연료 소비가 많아지고, 온도에 신경을 쓰다 보면 환기가 되지 않아 호흡기 손상으로 인한 만병의 근원이 되기도 한다. 환기 불량으로 인한 암모니아 가스, 유화수소 및 일산화탄소 등의 유해가스와 배설물이나 먼지를 매체로 날아다니는 각종 병균과 일반세균 등에 의한 스트레스를 받게 되어 생산성 저하 및 호흡기 질병 등으로 막대한 손실을 초래하기 쉽다.

겨울철 축사에서 일어나는 상당 부분의 문제점들은 높은 습도에 기인하게 된다. 특히 외부 기온이 낮아지면서 자연적인 환기에 의한 계사 외부로의 수분 배출이 힘들어지게 되는데, 적절한 환기나 열 보충에 의해 이 수분을 밖으로 빼내지 않으면 계사 바닥은 금방 질척거릴 것이고, 벽은 결로 현상에 의해 물로 뒤범벅이 될 것이다.

계사 내의 습도가 높아지면, 각종 병원성 미생물의 증식이 가속화되어 질병 피해를 일으키는 직접적인 요인이 될 수도 있으므로, 상대습도를 낮게 유지해야 한다. 또한 계사 안팎의 온도 차이가 매우 크기 때문에 계사 밖의 추운 공기는 수증기를 조금밖에 가지고 있지 않아 이 공기가 계사 내로 유입되면, 닭이 발산한 체열에 의해 따뜻해질 것이고, 이렇게 되면 수분을 포함할 수 있는 능력이 크게 늘어난다. 따라서 계사 안에서 생겨난 수분을 많은 양씩 밖으로 내보내기 때문에 적은 환기량으로 수분을 배출해 내는 것이 가능하다.

우리나라의 혹한기에는 저온, 저습의 외기 조건이기 때문에 적온 유지를 위해 많은 연료가 소요되고, 체온 유지를 위해 단위 증체당 사료 소비량이 많아지며, 환경 불량에 의한 호흡기 계통의 질환 등으로 육계 사육 농가에서는 사양 관리 및 경제적인 면에서 많은 어려움을 겪고 있다. 닭에서 발생한 체열을 오랫동안 계사 내에 머물러 있게 하고, 계사 내부 공기의 신선도를 유지시키면서 체열의 외부 배출을 최대한 억제하는 것이다.

계사 건물의 틈새를 잘 밀폐하여 불필요한 열량 손실을 막아야 한다. 그러나 이러한 환기방식은 일반적인 난방방식으로 사용하는 온풍기로는 비효율적이다. 왜냐하면 온풍기는 대류에 의한 난방으로 덥혀진 내부 공기를 외부로 방출하게 되면 그 만큼 난방비용이 높아지는 어려움이 있기에 이를 알고도 실제적으로 적용하는 점에서 장애요소가 되고 있다.

이같이 열악한 환경으로 인하여 면역력이 약해진 닭과 오리들이 조류독감(고병원성 AI)에 의한 집단 폐사하는 경우가 최근 가장 큰 문제로 두각되고 있다. 인플루엔자 바이러스는 호흡기를 감염시켜 생기는 질병으로 A형 인플루엔자는 사람을 포함한 포유류와 조류에게 해당된다. 현재 한국에서 유행하는 조류독감은 H5N8로 분류되며, 중국 등에서 유행하는 H7N9는 한국과는 다른 비병원성으로 판단하고 있다. 최초의 조류 독감은 중국, 베트남에서 발병한 H5N1로 현재가지 수백명이 사망하였다.

따라서, 본 발명에서의 이온 발생체는 양과 음의 살균 이온이 치사율이 높은 H5N1의 기능을 99% 저감할 수 있다. 이러한 이온 발생체는 공기 중에 양과 음의 이온을 방출해 각종 세균을 제거하는 공기 정화 기술로서, 공기 중에 떠다니는 세균, 곰팡이균, 바이러스, 알레르겐 등 다양한 종류의 유해물질 제거에 효과가 있다.

도 9는 개의 신장 세포에 양과 음의 살균 이온을 노출시킨 바이러스 반응실험을 비교한 도면으로서, 이온에 노출되지 않은 바이러스 샘플을 접종한 세포의 경우 H5N1 바이러스 감염에 의해 세포가 파괴 상태에 있지만, 이온에 노출된 바이러스 샘플을 접종한 세포의 경우 H5N1 바이러스에 감염되지 않아 세포가 정상 상태로 유지되고 있음을 확인할 수 있다.

산림에는 공기 1CC 당 약 4000개 이상의 양이온과 음이온이 각각 존재하며, 두 이온이 어느 정도 적절한 양으로 균형을 유지하는데, 이를 이온 밸런스라고 한다. 이온 밸런스가 붕괴되면 머리가 무거워지고 불쾌지수가 상승하는 등의 현상이 나타나므로 적절한 이온 밸런스는 사람의 신체 리듬을 위해서 반드시 필요하다. 이러한 자연계에서의 이온 밸런스 유지와 마찬가지로 실내에 설치된 이온발생체는 양이온과 음이온을 균형있게 다량으로 생성시켜 울창한 숲속에서 느끼는 것과 같이 신선하고 상쾌한 기분을 지속적으로 유지시켜 주므로 효과적인 환경을 제공할 수 있다.

축사 내의 공기 오염에 따른 오리, 닭의 면역력 저하와 호흡기 질병 등과 관련하여 깨끗한 공기를 흡입하고 오염된 공기를 내보내는 프로세스가 일정한 간격으로 환기를 통한 공기 정화가 요구된다. 그러나 환기 시 악취로 인해 야기되는 인근주민들의 불편사항과 동절기 보온을 위해 환기 횟수를 줄여 난방비 소모를 줄이는 요인에 의해 결국 문제를 초래하고 있는 것으로 파악되는바, 이에 축사 내 공기 정화를 위한 보조 기능으로 저 전력 이온발생체를 구축하여 축사 내 냄새 완화와 이온 방식에 의한 공기 소독 기능을 통해 조류독감과 같은 바이러스의 감염을 감소시킬 수 있다.

한편, LED 조명의 방열에 대한 구조는 다면적 방열 구조를 가지기 때문에 수명이 다른 LED 조명에 비하여 배가 길므로 광 저하율도 낮게 사용할 수 있다. 물론, 균일 배광분포 구현을 위한 광학부로서 고내열/고휘도 및 LED 칩이 채용되었으며, 직결용 고전압 LED 패키지와, 배광을 고려한 다양한 렌즈 타입들로 구성된다.

특히, LED는 2 ~ 3W/m2(20~30Lx)를 사용하는 것이 닭을 일례로 들 경우, 닭의 알을 얻는데 효과적이고, 이러한 이유로 조명의 색상을 청색, 녹색, 황색, 적생을 시기와 용도에 따라 색지수의 변경과 아울러 광량을의 변화를 위해 엘이디 조명의 디밍 기능이 추가될 수 있다.

기존 LED모델의 경우 동시에 모든 파장과 고정된 광량만 사용하였지만, 본 발명에서는 3 ~ 4개의 광선을 혼합하여 사용할 수 있고, 식물 조명의 사용 예를 일례로 들자면, 대부분의 식물 조명에서 각 파장의 세기가 일정 비율로 고정되어 있으나, 시기에 따라 성장을 촉진해야 하는 파장을 주로 사용하거나, 촉진 저하를 유도하는 파장을 사용해야 하는 시기가 있는 관계로, 파장뿐만 아니라, 광량의 세기 또한 작물과 시기별로 조절해야 함은 물론이다. 이를 위해 전력제어 방식을 사용하면, 출하시기와 작물 및 오리/닭 등의 성장 유도에 유용할 수 있다.

국립축산과학원에서 제공한 가금과 연구('가금분야 LED점등기술 활용')에 의하면 닭과 오리 등 가금류는 3종류의 광수용체를 갖고 있어 빛의 색을 감지하고 사람보다 더 넓은 파장 영역(색)을 인식하며, 파장마다 민감한 정도가 다르다고 밝혔다. 또한, 닭이 백열전구, 백색 LED 전구, 적색 LED 전구 등에서 생활할 때 59주 동안 몇 개의 달걀을 낳는지 실험을 했으며, 그 결과 백열 전구에서는 251개인데에 비해 적색 LED 전구에서는 271개로 7.8% 정도 알을 더 많이 낳은 것으로 조사됐다.

한편, 닭의 체중은 5주 동안 백열 전구에서 2.48Kg, 황색 LED 전구에서는 2.55Kg 증가했으며, 황색 LED 전구에서 208% 정도 체중이 증가한 것으로 조사됐다. 이는 달걀을 걷는 산란계 농가와 육계 농가에서 적합한 조명이 다르다는 것을 시사한다.

기존에 사용되고 있는 대부분의 조명은 육성기 과정에서 사용 시간이 지남에 따라 조도가 저하된다. 특히, 방열 처리가 완벽하지 않을 경우 조도 저하율은 급격히 나타나고 조명의 기능을 적절히 수행하지 못한다.

일반적인 조명의 경우 인간의 시각으로 밝기를 판단하여 교체를 하여도 문제가 되지 않지만, 식물 재배용 조명은 조도 저하에 따라 생산량이 매우 달라지기 때문에 철저한 관리가 필요하다. 최초 밝기 대비 70% 이하로 조도가 떨어지면 조명의 수명은 완료된 것으로 판단한다.

상기 본 발명의 LED 조명파트(110)의 경우, 사육시기별 조명 시간과 광도를 조절하여 폐사율을 낮추고, 사료 효율을 높이면서 광열비를 절약하게 되는데, 종야점등(닭이 밝을 때만 사료를 먹는 특성으로 24시간 불을 밝혀 사료 급여를 최대화)에 대비 증체 6%, 사료효율 12%, 폐사 74%의 개선 효과를 기대할 수 있다.

닭은 장일성 가축으로 초산 개시 일령 조절 및 산란율 제고를 위해 점등 관리를 실시하고, 계사의 백열등을 적색 LED 조명등으로 교체하여, 전기료 70% 절감에 다른 이산화탄소 배출량 저감이 가능하고, 저전력, 고효율(형광등 대비 약 50%, 백열등 대비 10배, 환경친화적(무수은, 무카드뮴, 저탄소배출) 효과를 기대할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 생육광선용 LED 조명 시스템에 있어서, 발열 기능을 담당하는 발열파트(120)는 보온 역할로서 닭과 오리등과 같은 가금류를 기르는 축산농가의 경영성패를 좌우하는 결정적인 요인으로 작용하는바, 면역력이 약한 초기 가금류에 중요 인자일 수 있다.

발열파트(120)는 탄소발열체로서 에너지 전환율이 높아 니켈 - 크롬 발열 대비 30~50% 이상의 에너지 절약이 가능하며, 일반적인 전기 히터의 열원은 봉히터 자체를 단순 가열함으로 원적외선의 양이 매우 제한적이나, 상기 발열파트(120)의 히터(124) 에 코팅된 원적외선 코팅을 통하여 기존 발열체의 단점을 개선하였고, 열 전도율이 매우 우수한 재질의 탄소발열튜브(123) 전면에 열원을 골고루 분산시키며 열전도 면적을 극대화하는 세라믹코팅막(123b)을 형성하는 것이 특징이다.

따라서, 세라믹코팅막이 전면에 코팅되어 원적외선을 전방으로만 방출되도록 하여 많은 양이 원적외선 복사에너지가 가금류 육성 공간의 난방에 효율적으로 사용될 수 있다.

물질의 열 반사 특성

대상물	방사율	대상물	방사율
산화아연	0.1	목재	0.8~0.9
아연도금철	0.3	스테인레스(연마된)	0.1
주석도금철	0.1	스테인레스(기타)	0.2~0.6
금(연마된)	0.1	알루미늄(연마된)	0.1
은(연마된)	0.1	알루미늄합금	0.1~0.25
크롬(연마된)	0.1	황동(연마된)	0.1
붉은벽돌	0.75~0.9	황동(거친)	0.2
흙	0.92~0.96	황동(산화된)	0.6
석면	0.95	구리(연마된)	0.5
콘크리트	0.7	구리(산화된)	0.8
대리석	0.9	니켈(순수)	0.1
모르타르	0.89~0.91	니켈(산화된)	0.4~0.5
석고	0.85	니켈크롬	0.7
시멘트	0.96	니켈크롬(산화된)	0.95
규토(정제된)	0.4	직물	0.9
세라믹	0.90~0.94	피부	0.98
석영	0.9	가죽	0.75~0.8
석탄	0.75	얼음	0.96~0.98
에나멜	0.9	모래	0.9
페인트	0.95	아스팔트	0.9~0.98
라카	0.9	유리	0.8~0.9
고무(Smooth)	0.9	물	0.8~0.9
고무(Rough)	0.98	종이	0.9
플라스틱	0.8~0.95	실리콘	0.7
플라스틱 필름	0.5~0.95	주철(부식된)	0.95
주철(연마)	0.2	Mild Steel	0.3~0.5
Steel	0.6	Fe(부식된)	0.7~0.85
산화 Steel	0.9

방사율과 반사도는 반대의 개념으로 방사율이 높으면 열을 잘 투과시키는 반면, 방사율이 낮으면 반사도가 높아 열이나 빛을 잘 반사시키는 특성을 가지며, 주변의 열기를 순풍으로 대류시킴으로써 발열된 열을 넓은 범위로 확산시키는 특징이 있다.

닭과 오리 등의 가금류는 실내 습도와 온도 변화에 매우 민감한 반응을 보이는 터라, 효율성이 낮은 기존 열풍방식은 항상 문제점으로 지적되어 왔다. 이러한 이유로서 가금류는 몸집의 크기가 크지 않으므로 온풍기의 따뜻한 바람이 지표면에서 가장 낫기 때문에 효율적이지 못하다. 이에 반해, 발열파트(120)의 히터(124)로서 원적외선 방열은 지표면에 열을 복사시키는 전기난방 방식이라 분진 발생도 없고, 산소를 태우지 않아 유해가스 발생이 없어 쾌적한 사육환경 조성이 가능하다.

지표면에 도달한 방사 에너지의 약 80%가 적외선으로, 그 중 원적외선은 분자 운동 활성화에 큰 도움을 주어 신진대사 기능을 촉진시키는 한편, 면역력 증진, 폐사율 감소, 증체량 향상 등에 효과적이다. 가열된 방열등은 300℃까지 표면 온도가 오르며, 1 내지 2분이 경과하면 온열감을 충분히 느낄 수 있다. 다른 전기 난방 대비 50% 절감, 경유 대비 70%의 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다. 방열등은 축사 내 곳곳에 배치할 수 있기에 균일한 온도 분포를 형성할 수 있다는 점이 장점이다.

발열의 후열을 방지하기 위한 금속성분을 코팅하면 적외선 발열광선은 앞으로 집중되게 할 수 있고, 공기층을 이용한 열의 급격한 전달을 방지할 수 있는 구조를 가져 공기 대류에 의한 히트 싱크의 기능이 수행된다. 경우에 따라 금속성분보다 흑운모 성분이 코팅될 수 있는데, 이러한 흑운모는 원적외선 방사열에 대한 반사율이 94%에 이르는 관계로, 가금류의 집중 관리가 요구되는 면역력이 약한 가금류의 유치기 과정에 활용될 수 있다.

후열 방지를 위한 금속코팅을 한 탄소발열튜브(123)는 탄소섬유로 구성되는데, 이러한 탄소섬유는 열팽창 계수의 차에 의해 전극 단락이 발생하는 문제가 촉발되는 관계로, 전극형성을 위한 압력값과 전도성 페이스트의 균일한 분포를 갖도록 섬유 사이 공극을 최소화할 수 있는 실버 페이스트로 전극을 구성한 점이 특징이다. 이는 도 7 내지 도 8을 참조할 수 있다.

즉, 탄소 섬유의 단점은 열 팽창 계수의 차에 의한 전극 단락 문제로 인하여, 전극 형성을 위한 압력값과 전도성 페이스트의 균일한 분포가 요구되는바, 육안으로 보기에는 점착액이 탄소 섬유 표면에 고르게 코팅된 것 같지만, 도면에 도시된 바와 같이 실제 일부 탄소 섬유 표면에만 코팅되어 있고(대략 40%), 실제 탄소 섬유 표면이 대기 중에 상당 부분 노출된 상태이다.

따라서, 전극 구성 시, 섬유 사이의 공극이 존재하는 관계로 페이스를 사용할 시 입도 크기를 고려해야 하고, 이러한 이유로 실버페이스트가 재료비적인 측면에서 2배의 가격적인 비용이 있으나, 상대적으로 입도의 크기 탄소 페이스트보다 작기에 전극 구성에 유리한 면을 갖게 된다.

생육 원적외선 난방은 태양이 지구를 데우는 원리를 이용하여, 히터 표면에서 나오는 원적외선 파장이 땅을 데워주는 역할을 함으로 데워진 땅에서 지열이 발생해 비닐온실 내 공기를 데워주며 난방시키는 바와 같이, 원적외선 파장이 땅을 데우는 방식으로 난방을 하므로 일정온도가 되어 원적외선 히터가 꺼져도 땅의 지열로 인해 지속적으로 실내온도를 유지해줌으로 연료비가 절감되며, 예를 들어 작물자체에도 원적외선 파장이 침투하여 작물의 온도가 올라가 있으므로 냉해의 염려가 줄어드는 효과가 있다.

생육광선으로도 불리는 원적외선을 다량 방사하면, 복사열은 대류성 열과 달리 공기를 덥히기 보다 대상물에게 직접 열을 전달하여 CO와 CO²가 나타나지 않으며, 작동으로 인한 소음도 발생되지 않는다.

이와 같은 탄소발열체에 의한 원적외선 방열은, 최대 발열온도로서 400도까지 최소 1분 이내에 도달 가능하며, 원적외선 방사율은 90% 이상으로 작물을 태우거나 건조시키지 않는다. 또한, 생육에 활발한 에너지를 공급하고, 우수한 전기효율을 갖는데, 전기 열풍기 대비 60~70%까지 비용이 절감되며, 최대 수명으로 5년 이상 장기간 고장 없이 사용 가능하고, 작물이 개화/착과/과육을 잘할 수 있도록 적절온도를 유지시킬 수 있는 장점이 있다.

한편, 오리의 경우 새끼오리가 자기체온으로 주변 환경에 적응할 수 있기까지 초기 사육기간 동안 보온에 대한 관리가 필요하다. 또한 깨끗한 공기와 습도 관리를 통해 건강하고 쾌적한 환경을 제공해야 발육적인 측면에서 문제가 발생하지 않는다.

1일령의 온도는 32~35℃가 적당하며 이틀에 한번씩 1~2℃ 씩 내려주어 약 3주 정도에 가온하는 것을 중지한다. 육계의 경우 부화된 초생추는 자신의 체온을 유지할 능력이 없기 때문에 처음 1주 동안은 31~33℃ 정도를 유지하다가 1주일 간격으로 약 3℃ 씩 온도를 내려주어 21℃ 전후에 온열기를 꺼 주어야 한다.

특히, 처음 1주일 동안은 권장온도보다 높거나, 낮으면 병아리가 스트레스를 받아 폐사율이 증가하고 발육이 늦어져 출하일령이 지연됨으로 육계농가의 피해가 크므로 입추하기 24시간 전에 열원을 정상적으로 가동시켜 적온을 만드는 것이 중요하다. 육추 초기에 온도유지에 너무 집착하다 보면 계사를 밀폐시키는 경우가 많은데, 환기가 불향하게 되면 콕시듐증, 장염, 호흡기성 질병 발생의 원인이 되고 발육이 지연되며, 사료효율이 나빠지고, 폐사율이 높아지기 때문에 공기정화를 위하여 적정 환기상태를 유지하여야 한다.

우리나라의 일교차는 10℃ 이상으로 순간적인 사양관리의 실수는 생산성에 막대한 영향력을 초래하여 경제적 손실을 가져오는데, 특히 닭과 오리는 다른 동물과는 달리 환경에 매우 민감하기 때문에 가을겨울 등에 사영관리에 대한 특별한 주의를 필요로 한다. 닭은 환경온도에 대한 적응력이 다른 가축에 비하여 매우 약한 생리적인 약점을 가지고 있다.

체중 2㎏의 닭은 체조직의 95%가 체표면에서 2cm 이내에 위치한다. 따라서 외기 온도에 대부분의 조직이 직접 노출되는 것이다. 이러한 점 때문에 닭은 외기 온도에 민감할 수밖에 없다.

온도가 생산능력을 좌우하는 것은 사료섭취량의 변화에 큰 원인이 있다. 사료는 에너지, 단백질, 무기물, 비타민 등 닭이 몸을 유지하고 생산하는데 필요한 적정량의 영양소들이 고르게 포함되도록 조절하여 배합이 되고, 일정량을 계속 섭취해야 정상적인 생산 활동이 이루어진다.

사료섭취량은 기온이 32~38°C 사이에서는 온도가 1°C씩 올라감에 따라 5% 정도씩 감소하고, 20~30°C 사이에서는 1~1.5%씩 감소한다. 사료섭취량이 감소하면 사료중의 영양성분을 높여 주어야 하는데, 특히 단백질, 비타민과 미네랄을 조정하는 것이 중요하다.

이들 영양소 중 사료섭취량을 가장 크게 좌우하는 것은 에너지 필요량이다. 환경온도가 낮으면 열 소모량이 많아 에너지가 많이 필요한데, 이에 따라 사료섭취량이 늘고 함께 섭취되는 단백질이나 다른 영양소들은 쓸데없는 많은 양이 되어 허비된다. 반대로 높으면 체내 열 생산이 줄어 에너지를 적게 섭취하기 위해 사료섭취를 줄이다보면 생산에 꼭 필요한 단백질 등의 중요한 영양소가 부족하게 되어 생산성이 떨어지게 된다. 야간에 일교차이로 인한 축사내의 온도가 급격히 떨어져 스트레스를 받지 않도록 5℃ 이내의 온도차로 일정하게 유지시켜주는 것이 중요하다.

오리사 내부 육추온도

일령	온도(℃
	육추기 아래	오리사 내부
1 ~ 3	32 ~ 35	27
4 ~ 7	30 ~ 32	23
7 ~ 14	25 ~ 30	20
14 ~ 21	22 ~ 25	18
21일 이상	-	15

히터(124)의 계절별 주변 온도에 따라 발열량을 조절하게 되는데, 이는 AC 방식으로 온 오프 방식이 아닌 전압의 제로점을 이용한 전력제어 방식으로 싸이클과 온도 균일성에 기여하고, 뿐만 아니라, LED에 사용할 경우 펄스 작용할 수 있다. 식물 조명의 경우 광포화점에 이르도록 연속 조명을 사용할 필요 없이 펄스로 사용하며, 이러한 방식을 이용하여 디밍 기술까지 적용 가능하다.

한편, 본 발명의 생육광선용 LED 조명 시스템에 대한 전원 제어에 있어서, 무선 통신 및 메인 컨트롤러를 구동하기 위하여 DC 5V(또는 3.3V)의 전압이 필요하며, LED 제어를 위해 12V의 전압이 요구되는 관계로, 내부에 전원 관리 회로가 삽입되는바, 전원관리 회로는 협소한 공간에서 회로가 구성되어야 하므로 SMPS를 이용하지 않고, Transformer를 이용하여 220V(AC)를 우선 전압강하한 후 브릿지(Bridge) 회로를 거쳐 DC 전압으로 변화시킨다.

DC 전압으로의 변환 후 레귤레이터(Regulator)를 이용하여 필요에 따라 12V로 전압강하 후 다시 5V(3.3V)로 전압 강하를 시켜준 상태에서 본 발명의 시스템에 적용하게 된다.

한편, 본 발명의 발열파트(120)에 대한 위상 제어에 있어서, 식물에 필요한 온도를 무선으로 설정하기 위한 리모콘과, 상기 리모콘의 온도 설정을 기반으로 실시간 온도를 측정하는 온도센서, 및 위상제어를 통한 온도를 제어하는 MCU를 포함하는 구성이다.

방열등은 육용 조류 사육에 필요한 온도를 조절하기 위해 사용되며, 조명 외부에 설치된 온도센서를 이용하여 실시간 온도 측정이 된 후 사용자가 외부 컨트롤러를 통해 정해준 온도를 유지하기 위해 방열등(발열체)의 온도를 제어하게 된다.

위상제어는 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하며, SCR은 도면에 도시된 바와 같이 4층 다이오드로 구성되며, 동작은 2개의 부분으로 분리시켜 좌측은 PNP 트랜지스터, 우측은 NPN 트랜지스터로 동작하는 원리이다.

위상제어는 별도의 펄스 제어 장치를 사용하지 않고도 RC 직렬 회로에 의한 위상 천이와 DIAC 라는 트리거 전용 소자를 결합함으로써 실용적인 위상제어 회로를 구성할 수 있다.

이때, 위상은 외부 저항(가변)에 의해 변하게 되면 물리적인 가변 저항을 이용하기 어렵기 때문에 TLP560을 이용하여 메인 컨트롤러에서 위상 제어를 수행할 수 있도록 설계될 수 있다.

한편, LED 조명파트(110)에 대한 제어에 있어서, 육용조류 축사용에 적용하기 위해서는 크게 주황, 그린, 불루 가지 파장의 LED를 사용한다. 이는 이미 기존에 연구된 부분으로 육용 조류의 사육에 도움되는 연구 결과가 다수 보고된바 있다.

한편, 조명 시스템에 대한 제어에 있어서, 무선통신을 이용하여 외부 컨트롤러로 제어 가능한바, 외부 컨트롤러와의 1 대 다 통신을 위해 지그비(Zigbee) 또는 RF 무선 통신 방법을 적용하여 사용 가능하다.

외부 컨트롤러의 기능은 다음과 같은데, 온도 설정으로서 조명의 주변 온도를 설정할 수 있고, 조명 및 발열체의 디밍(Dimming)과 온오프(On/Off) 제어가 가능하며, 각 조명의 외부 온도 및 밝기 등 조명 상태 체크 및 고장 유무 확인할 수 있다.

한편, 본 발명의 조명 시스템에서의 조명기는 하이브리드 결합 방식에 의한 디자인 타입으로, 축산용과 같이 다량이 사용될 때 개별 및 전체를 통신으로 조절할 수 있는 제어 가능한 콘트롤부가 내부에 장착될 수 있는 공간 구조이며, 단가를 낮추며 고열에 견디는 재질을 채용하고 있다.

본 발명의 조명기에 구성된 방열판의 온도 특성에 대한 시험은 조명 제품이 열에 의해 성능과 신뢰성에 큰 영향을 받으므로 LED 조명 제품 내부의 열 방출을 위해 최적의 방열 효과와 관련하여 온도 특성 시험이 요구되고, 하기 표 6에서는 커버 및 방열판의 온도 실측 데이터를 나타내었다.

온도 실측 데이터

항목 포인트	측정 포인트	온도 [℃]	측정모습 및 측정포인트	환경조건
커버	1 포인트	33.7		온도 (25 ± 5) ℃, 습도 65% R.H. 이하
방열판 측면	2 포인트	51.2
	3 포인트

이와 같은 온도 실측 데이터를 얻기 위한 실험을 통하여, 본 발명에서 적용될 조명기에 구성되는 커버 및 방열판에 대한 온도 및 열적 특성을 구현할 수 있다. 아울러, LED 광원에 대한 광학특성(연색성, 광속, 열특성) 평가 및 배광분포를 측정하여 본 발명에 적용될 조명기에 구성되는 조명등을 확보할 수 있다.

전기광학적 특성의 시험항목으로 배광, 직하조도[Lx]는 국내제조사 모델 장비인 LED source imaging goniometer를 이용하고, 전광선속[lm], 색온도[K], 연색성은 국내제조사 모델 장비인 Spectroradiometer 2M(LMS-800IPT)를 이용하며, 소비전력[W], 전류[A], 전압[V], 역률은 미국제조사 모델 장비인 전원분석기(PM100)을 이용하고, 온도[℃]는 미국제조사 모델 장비인 Multimeter/Data Acquisition System(2700) 를 이용하여 측정할 수 있다.

특히, 국내제조사 모델 장비인 LED source imaging goniometer를 이용하여 조명등의 배광특성을 분석하는 과정에서 배광그래프, 측정 거리별 수평면 광특성, 배광곡선, 및 배광측정을 통한 빛의 굴절 특성에 대한 각 분석 데이터를 참고로 본 발명에 적용될 조명등의 배광 특성을 파악할 수 있다.

물론, LED 모듈에 전원을 공급하는 파워 모듈에 대한 온도 및 시간 경과에 다른 전원 특성 관계, 가혹 환경에서의 장수명을 얻기 위한 실험과 만족 규정치를 통과한 모듈 제품화를 도모할 수도 있다.

특히 파워 모듈의 신뢰성 개선에 요구되는 핵심은 트란스(Trance) 부품으로서, 이에 대한 절연저항 및 내전압 시험을 통한 신뢰성 검증(KS 규격 참조)이 이루어 졌는데, 이는 하기 표 7을 참조할 수 있다.

시험항목	시험조건	단위	시험결과
절연저항	4000 MΩ 이상	MΩ	4000 이상
내전압	AC 1.5 kV의 전압 1분간 인가	-	시험 후 점등 확인

이와 같은 장비들을 동원하여 본 발명의 조명등을 제품화할 경우 LED 광원 및 전장 부품에 대한 신뢰성을 제고할 수 있다.

아울러, 하우징(111) 내에 집적된 통신보드(CB)와 상기 전력 및 컨트롤 보드(PCB)와 상기 전원보드(PB) 및 보드 부품의 가감에 의해 상술된 바와 같이 원격 방식의 리모콘 조종에 의한 무선통신으로 엘이디의 광량 및 광도뿐만 아니라, 발열의 열 온도까지 제어 가능한 기술까지 예측할 수 있다.

100 : 조명기
110 : LED 조명파트 PG : 플러그
111 : 하우징 112 : 외부 방열판
113 : 반사판 114 : 투과판
115 : LED 렌즈모듈 116 : LED 칩
117 : 펠티어소자 118 : 방열판
119 : 공기정화보드 CB : 통신보드
PCB : 전력 및 컨트롤 보드 PB : 전원보드
120 : 발열파트 121: 씌움부재
122 : 반사판 123 : 탄소발열튜브
123a: 금속코팅막 123b: 세라믹코팅막
124 : 히터
125 : 운모막 히터 125a,125e : 운모층
125b : 히터 엘리먼트층 125c : SnO₂ZnO₂층
125d: SnO₂FeO₂층

Claims (8)

1. LED 광을 조사하는 LED 조명파트, 상기 조명파트를 에워싸는 형태로 구성되어 전방을 향해 발열되는 발열파트, 및 상기 조명파트의 내부에 구성되어 양과 음이온을 동시 발생시켜 주변 공기를 청정케 하는 이온발생체로 구성된 조명기;
   지역적으로 평균 온도를 고려하여 상기 조명파트의 조명에 대한 광량 및 광도와 함께 상기 발열파트의 발열 온도를 무선통신으로 조절 제어하는 제어부;
   를 포함하며,
   상기 조명기를 이용한 조명 기능 확장 용도로는 거실에 배치된 식물과 애완동물의 생육 작용의 활성화뿐만 아니라, 인체의 생육작용도 활성화시키며, 욕실과 주방 지대에 열과 빛 공기 정화 기능을 통합한 조명 제품으로도 활용 가능한 생육광선용 LED 조명 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 LED 조명파트는,
   LED 광원체, 기판, 칩, 및 소자들을 내부에 삽입 설치되도록 공간용으로 구성된 하우징;
   상기 하우징의 상부 중앙에 구성되어 전원에 꽂힘 방식으로 연결되어 통전시키는 플러그;
   상기 하우징의 외측 둘레에 구성되어 조명기의 내부에서 발생되는 열을 외부로 송출시켜 하우징 내부 온도를 냉각시켜 주는 외부 방열판;
   을 더 포함하고,
   상기 하우징을 포함한 외부 방열판의 외측 둘레로 씌워지면서 걸착 구성되는 발열파트는 그 외관이 갓 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 생육광선용 LED 조명 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 하우징의 내부에 일측이 박스형 타입으로 삽입되면서 고정되되, 타측은 외부로 확경되는 갓 구조로서 상기 발열파트쪽에서 발생되는 열을 외부로 반사시키는 한편, LED 광을 내부로 반사시키는 열 차단용 반사판;
   상기 반사판의 일측 내부에 LED 광원체, 기판, 칩, 및 소자들이 집적 구성되되, 최하부에 LED 광에 대한 투과성 효율을 제공하며, 상기 반사판에 의해 가려지는 위치에 구성된 투과판;
   상기 투과판의 상부에 구성되는 LED 렌즈모듈;
   상기 렌즈모듈의 상부에 구성되는 LED 칩;
   상기 LED 칩의 상부에 구성되어 상기 LED 칩에서의 과열과 같은 비정상적인 작동 시 과열된 열을 받아 상기 외부 방열판으로 송출시켜 상기 LED 칩의 소실을 사전에 예방하는 펠티어 소자;
   상기 펠티어 소자의 상부에 구성되어 상기 펠티어 소자로부터 열을 받아 상기 외부 방열판으로 송출시키는 방열판; 및
   상기 방열판의 상부에 구성되어 이온발생체로서 양과 음이온을 동시 외부 공기 방향으로 방출시켜 공기 중의 균 및 악취 제거뿐만 아니라, 농업의 작물 작황에 이로움을 제공하며, 식물과 애완동물의 생육작용 활성화와 함께, 인체의 생육작용 활성화를 제공하는 공기정화보드;
   를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생육광선용 LED 조명 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 발열파트는,
   상기 하우징을 포함한 외부 방열판의 외측 둘레로 씌워지면서 일측이 외부 방열판의 하측단에 걸착되고, 타측이 반사판으로부터 소정의 간극 지점에서 상기 반사판을 커버하는 갓 구조로 구성된 씌움부재;
   상기 씌움부재의 타측 둘레의 단부에 개재되는 방식으로 설치되어 발열을 생성시키는 히터;
   상기 히터의 후방에 개재되어 히터로부터 발생되는 후열을 차단하는 반호형 반사판;
   을 포함하고,
   상기 씌움부재는 상기 반사판과 유사한 방사각 형태의 갓 구조로 구성되어 그 내부에 구성된 상기 반사판과 상기 반사판에 의해 가려지는 투과판을 커버하는 형태이고;
   상기 반사판 사이의 간극지에 형성되어 발열파트로부터 발생되는 열을 식히는 공기층이 형성되는 것을 특징으로 하는 생육광선용 LED 조명 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 히터에서 발생되는 열은 전방으로만 향하고 후방으로는 열 전도가 방지될 수 있게 히터 자체의 후방뿐만 아니라, 상기 반호형 반사판에 코팅된 열 반사용 금속코팅막이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 생육광선용 LED 조명 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 반호형 반사판에 열 반사 효율을 위해 경우에 따라 운모막 히터도 형성되고; 상기 히터를 수용하되, 히터의 후방에 해당되는 튜브 관 영역에 금속코팅막을 형성하고, 히터의 전방에 해당되는 튜브 관 영역에 세라믹코팅막을 형성하는 탄소발열튜브가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 생육광선용 LED 조명 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 운모막 히터는, 그 내부에 반사물질이 삽입되는 구조이되,
   일단과 타단에 전기 절연제로서 운모층을 형성하고, 상기 운모층 사이로 개재되어 열을 생성시키는 히터 엘리먼트층을 형성하며, 상기 일단의 운모층과 상기 히터 엘리먼트층 사이로 개재되어 열을 반사시키는 SnO₂ZnO₂층을 형성하고, 상기 히터 엘리먼트층과 상기 타단의 운모층 사이로 개재되어 상기 히터 엘리먼트층으로부터 발생된 열기를 외부 공기 방향으로 방출시키는 SnO₂FeO₂층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 생육광선용 LED 조명 시스템.
8. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제어부는,
   공기정화보드의 상부에 구성되어 원격으로 조명기를 무선 제어 가능한 통신보드 기판이 집적되고, 통신보드의 상부에 구성되어 조명기의 전력과 LED의 광량과 광도 및 히터의 발열 온도를 포함하여 제어하는 전력 및 컨트롤 보드 기판이 집적되며, 조명기의 전원기판인 전원보드 기판이 집적되는 상기의 기판들을 를 포함하는 것을 특징으로 하는 생육광선용 LED 조명 시스템.

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