KR101795443B1 - 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 온실(유리온실), 비닐하우스 또는 미세조류 배양시설에 기설정 파장으로 변환되어 출력되도록 하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 설치하고, 상기 파장변환필름의 태양광 조사 영역을 가변시켜, 미세조류를 포함한 식물의 종 별 또는 생장주기 별 요구되는 다양한 파장의 빛을 공급함으로써, 식물의 성장을 최적화시키고 식물의 품질을 향상시켜 제공할 수 있도록 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법을 제공한다.

Description

양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법{Sunlight converting apparatus having a wavelength converting film using quantum dots and a method of plant cultivating using the same}
본 발명은 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 온실(유리온실), 비닐하우스 또는 미세조류 배양시설에 기설정 파장으로 변환되어 출력되도록 하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 설치하고, 상기 파장변환필름의 태양광 조사 영역을 가변시켜, 미세조류를 포함한 식물의 종 별 또는 생장주기 별 요구되는 다양한 파장의 빛을 공급함으로써, 식물의 성장을 최적화시키고 식물의 품질을 향상시켜 제공할 수 있도록 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 관한 것이다.
식물은 엽록체가 햇빛에 의해 탄산가스와 물로부터 탄수화물을 합성하는 탄소동화작용을 하여 생태계에 영양소를 생성하고 산소를 공급하는 중요한 역할을 한다. 이와 같이 식물이 빛에너지를 화학에너지로 바꾸는 과정인 광합성 및 엽록소 작용의 효율을 높이기 위하여 햇빛을 대체할 수 있는 특정영역의 파장대에 속하는 광원이 요구된다. 상기 특정영역의 파장대는 식물의 종 별, 생장주기 별로 다르다.
태양광은 일 별, 시간 별, 위치 별, 하루의 날씨에 따라 다르며, 식물의 생장에 따라 요구되는 특정 영역의 파장대가 부족한 경우가 발생한다.
종래에는 온실(유리 온실)이나 비닐하우스에서 식물의 생육을 촉진하는 방법으로서 형광등이나 고압 나트륨 램프(natrium lamp)에 의한 광선조사장치를 설치하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 형광등이나 고압 나트륨 램프는 식물의 광합성에 유효한 파장의 빛 이외의 빛도 다량으로 포함하여 식물의 생육에 유효한 파장의 빛만을 강하게 조사할 수 없는 단점이 있다.
또한, 종래에는 식물의 성장 및 재배를 위한 조명 수단으로 백열등, 형광등, 할로겐 전구, 및 고압나트륨 전구 등을 사용해왔으나, 에너지 절감 및 환경 보호를 위한 대체용으로 식물 재배용 반도체 발광 다이오드가 개발되었다.
상기 식물 재배용 발광다이오드를 이용하여 식물의 성장 특성에 따라 최적의 파장대역 및 밝기의 광을 조절하기 위해, 대한민국 등록특허 10-0883691에는 여러 종류의 LED를 적당한 비율로 조합하여 다수의 LED를 보드상에 배치하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 10-2004-0010426에는 원적외선광 730nm, 적색광 660nm, 청색광 450nm의 LED 램프를 광원으로 사용하는 시스템이 개시되어 있다.
이와 같은 종래 기술은 제어 시스템 용도로 개발되어 일반적인 식물을 재배하는 농가에서 사용하기에 부담이 되며, 투자 비용대비 효율성의 문제가 있다.
상기와 같은 문제는 LED 램프가 다양한 용도로 활용되고는 있으나, 하나의 발광물질을 이용하여 제조되는 것이 일반적이며 자연광에 가까운 다양한 파장의 빛을 방출하지 못하는 한계가 있으며, 무기물 형광체의 발광효율이 낮으며 연색성 지수가 낮아 자연광을 얻기 어려운 단점이 있기 때문이다.
한편, 대한민국 공개특허 10-2013-0052306에는, 하나 이상의 제1 LED와 제2 LED가 마련되어 모듈에 일체로 장착시키되, 상기 제1 LED와 제2 LED는 상호 교차되게 배치시키고, 상기 제1 LED와 제2 LED는 엽록소 작용 파장 440~655nm 및 광합성 작용 파장 430~670nm을 갖는 식물 조명장치를 개시하고 있다. 그러나, 상기 식물 조명장치는 여전히 제한되고 고정된 파장을 가지는 빛을 제공하기 때문에, 다양한 파장의 빛을 방출하지 못하는 한계가 있다.
한편, 대한민국 등록특허 10-1185618에는, 1~5개의 서로 다른 입경을 갖는 양자점을 혼합하여 사용함으로써 LED로부터 방출되는 빛이 양자점을 포함하는 충진층을 지나면서 식물재배를 위한 광합성 및 엽록성의 효율을 높일 수 있는 파장으로 변환되어 방출되도록 하는 식물생장용 LED에 대하여 개시하고 있다.
여기서, 양자점(quantum dot)은 특정 원자가 수백~수천개 모인 입자들로써, 여기서 입자란 양자(quantum)를 나노미터(nm) 단위로 합성시킨 반도체 결정을 말한다. 양자점에 자외선을 쪼이면 같은 성분의 입자라도 입자의 크기에 따라 다양한 색을 나타내는 특징을 가지고 있다.
그러나, 상기 양자점을 사용한 식물생장용 LED 또한 고정되거나 제한된 종류의 파장을 가지는 빛을 발하도록 할 뿐, 식물 생장에 따라 필요한 파장을 가지는 빛을 제공하지 못하는 단점이 있다.
또한, 미국공개특허 2014/0366439 및 미국공개특허 2014/0352762를 참조하면, 분산된 형광 물질(형광 염료, 공액 폴리머 또는 양자점)을 함유하는 발광 시트를 적용한 시스템을 개시하고 있으나, 여전히 식물의 종별 및 생장주기 별 요구되는 다양한 파장의 빛을 방출하지 못하는 단점이 있다.
한국등록특허 [10-0883691](등록일자: 2009. 02. 06) 한국공개특허 [10-2004-0010426](공개일자: 2004. 09. 03) 한국공개특허 [10-2013-0052306](공개일자: 2013. 05. 22) 한국등록특허 [10-1185618](등록일자: 2012. 09. 18) 미국공개특허 [2014/0366439](공개일자: 2014. 12. 18) 미국공개특허 [2014/0352762](공개일자: 2014. 12. 04)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 온실(유리온실), 비닐하우스 또는 미세조류 배양시설에 기설정 파장으로 변환되어 출력되도록 하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 설치하고, 상기 파장변환필름의 태양광 조사 영역을 가변시켜, 미세조류를 포함한 식물의 종 별 또는 생장주기 별 요구되는 다양한 파장의 빛을 공급함으로써, 식물의 성장을 최적화시키고 식물의 품질을 향상시켜 제공할 수 있도록 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 기설정 파장에 대응되는 빛을 출력하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 포함하는 파장변환부(401); 상기 파장변환부의 위치 및 형태를 변경시켜 태양광의 조사 영역을 변경시키는 구동부(402); 및 상기 구동부의 동작을 제어하여 상기 파장변환부를 통해 출력되는 파장을 조절하기 위한 제어부(403)를 포함하고, 상기 파장변환부는, 시설의 상단부 또는 측면부에 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기 태양광 변화 장치는, 다수의 파장이 조합되어 미세조류를 포함하는 식물의 종별 또는 생장주기별로 가변되는 파장을 가지는 빛을 출력하는 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치를 이용한 식물 재배 방법은, 제어부가 재배하는 식물 또는 배양하는 미세조류의 영상 정보를 전달받는 영상정보획득단계; 상기 제어부가 상기 전달받은 영상 정보를 분석하여 미세조류를 포함한 식물의 종 별 및 생장주기 별 요구되는 파장 정보를 확인하는 파장확인단계; 상기 제어부가 상기 확인된 파장 정보에 따라 상기 파장변환필름의 태양광 조사 영역을 설정하는 조사영역설정단계; 상기 제어부가 상기 설정된 파장변환필름의 태양광 조사 영역이 태양에 노출되도록 구동부를 제어하는 구동부제어단계; 및 상기 제어부가 상기 구동부 제어에 따른 상기 태양광 변환 장치의 출력 파장 및 상기 재배하는 식물 또는 배양하는 미세조류의 영상 정보를 피드백받는 피드백단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 의하면, 온실(유리온실), 비닐하우스 또는 미세조류 배양시설에 기설정 파장으로 변환되어 출력되도록 하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 설치하고, 상기 파장변환필름의 태양광 조사 영역을 가변시켜, 미세조류를 포함한 식물의 생장 단계별로 필요한 파장 및 식물의 종 별로 최적의 생장을 위해 필요한 파장을 가지는 빛을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 의하면, 태양광의 단파장(UV, Blue, 200~500nm)의 빛을 식물의 생장 단계별로 필요한 파장 및 식물의 종 별로 최적의 생장을 위해 필요한 파장을 가지는 빛으로 변환하여 제공함으로써, 식물에 따라 성장을 최적화시키고 식물의 품질을 향상시켜 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 의하면, 겨울철에는 식물을 재배하지 않는 장소의 상부에 위치하는 파장변화부를 이용하여 태양광의 불필요 파장을 적외선(IR) 또는 근적외선(NIR) 파장으로 변환시킴으로써, 온실(유리 온실) 또는 비닐하우스를 난방하는 효과를 제공함으로써, 겨울철 연료비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 의하면, 미세조류를 포함한 식물의 성장에 최적화 된 빛을 제공함으로써 보조광원 절감 효과를 가져오며, 이에 따른 전기비의 절감이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 의하면, 기존의 자외선(UV) 차단 및 차광을 위해 적용되는 가림 시설(천막 또는 비닐막)을 대신하여 파장변환필름을 활용할 수 있으므로, 가림 시설 설치를 위한 추가적인 비용이 절감되고 불필요한 파장을 필요한 파장으로 변환하여 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 의하면, 일 별, 시간 별, 위치 별 및 하루의 날씨에 따라 달라지는 태양광의 상태에 따라 능동적으로 맞춤형 파장 제공이 가능한 효과가 있다.
도 1 및 2는 본 발명에 이용되는 양자점(quantum dot)을 설명하기 위한 도면.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환필름의 단면도.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장변환필름의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 일실시예 구성도.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 1 실시예 도면.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 2 실시예 도면.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 3 실시예 도면.
도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 4 실시예 도면.
도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 5 실시예 도면.
도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 6 실시예 도면.
도 5g는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 7 실시예 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 도면.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환부의 도면.
도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장변환부의 도면.
도 7c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장변환부의 도면.
도 8a 및 8b는 파장변환부가 양자점의 적층 또는 다층 구조로 형성되는 경우, 파장과 광원과의 거리를 설명하기 위한 도면.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 도면.
도 10은 본 발명에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치를 이용한 식물 재배 방법을 도시한 설명도.
도 11은 본 발명에 따른 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치를 이용한 식물 재배 방법에 대한 일 실시예 흐름도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1 및 2는 본 발명에 이용되는 양자점(quantum dot)을 설명하기 위한 도면이다.
양자점(quantum dot)은 양자(quantum)를 나노미터(nm) 단위로 합성시킨 반도체 결정을 말한다. 양자점에 자외선(블루 라이트)을 쪼이면 같은 성분의 입자라도 입자의 크기에 따라 다양한 색을 나타내는데, 이러한 특성은 일반 물질보다는 반도체 물질들이 더욱 잘 나타낸다. 양자점 반도체 결정에는 이러한 특성이 강한 카드뮴, 황화카드뮴, 카드뮴셀레나이드, 인화인듐 등의 원소들이 활용된다. 최근에는 인화인듐 중심체에 아연-셀레늄-황 합금(ZnSeS)으로 바깥을 감싸 중금속인 카드뮴을 없애기도 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 양자점의 크기가 작으면 녹색과 같은 짧은 파장의 가시광선을 방출하며, 크기가 커질수록 빨간색과 같은 파장이 긴 가시광선을 방출한다. 일반적으로, 양자구속효과(Quantum Confinement Effect)에 의해 양자점의 크기에 따라 밴드갭 에너지가 조절되어 다양한 파장의 에너지를 방출하는 특성을 가진다. 즉, 양자점 내부에서 전자의 에너지 준위가 낮아지면서 빛을 방출하는데, 양자점의 크기가 클수록 에너지 준위 사이가 좁기 때문에 상대적으로 낮은 에너지를 가진 긴 파장의 빨간색이 방출된다. (도 1의 출처:http://informationdisplay.org)
양자구속효과란, 입자가 수십 나노미터 이하인 경우, 전자가 공간 벽에 의해 불연속적인 에너지 상태를 형성하며, 공간의 크기가 작아질수록 전자의 에너지상태가 높아지고 넓은 띠 에너지를 갖게 되는 현상이다.
도 2를 참고하면, 양자점(quantum dot)의 원리는 양자들이 뭉쳐진 특히 반도체물질 내부의 전자들이 자외선 등의 에너지를 받으면 더 높은 에너지 준위로 퀀텀점프(quantum jump,양자도약)하여 올라가게 되고, 다시 에너지를 방출하며 낮은 에너지준위로 떨어지게 되는 것을 반복하는데, 이러한 에너지는 양자점의 크기에 따라 다양한 파장의 에너지를 방출한다. 그 파장(에너지)의 영역이 가시광선대의 영역(380nm~800nm)이라면 눈에 보이는 다양한 색상을 에너지형태의 파장으로 방출하는 원리이다.
즉, 양자점은 여기원(excitation source)으로부터 빛을 흡수하여 에너지 여기 상태에 이르면, 양자점의 에너지 밴드갭(band gap)에 해당하는 에너지를 방출하게 된다. 따라서, 양자점의 크기 또는 물질 조성을 조절하게 되면 에너지 밴드 갭(band gap)을 조절할 수 있게 되어 자외선 영역에서부터 적외선 영역까지 전 영역에서 발광이 가능하게 된다.
양자점을 제조하는 방법으로는 유기금속화학증착법(MOCVD : metal organic chemical vapor deposition)이나 분자선결정성장법(MBE : molecular beam epitaxy)와 같은 기상 증착법이 사용될 수도 있고, 화학적 습식 합성법이 사용될 수도 있다. 화학적 습식 합성법에 의해 제조된 양자점은 콜로이드 상태로 용매 내에 분산되어 있으므로, 원심분리를 통해 용매로부터 양자점을 분리해 내고, 분리해 낸 양자점은 제조된 금속-유기물 전구체 용액에 분산될 수 있다. 이 때, 양자점은 금속-유기물 전구체의 유기물과의 결합에 의하여 안정화될 수 있다.
하기 <표 1>은 빛의 파장이 식물에 미치는 작용효과를 나타낸 것이다. <표 1>을 참조하면, 대체로 식물은 청색파장 영역 또는 적색파장 영역에서 식물생장에 필요한 에너지를 공급받게 된다. 식물의 생장에 있어 예를 들어 광합성 작용과 엽록소 작용이 중요하다. 광합성 작용은 430 nm 근방의 파장과 670 nm 근방의 파장에서 최대 효과를 나타내며, 엽록소 작용은 440 nm 근방의 파장과 655 nm 근방의 파장에서 최대 효과를 나타낼 수 있다.
파장 (nm) 작용 효과
적외선 IR-A 1400 ~ 1000 식물에 대해 특별한 작용은 없음, 열의 영향을 미침
780 식물에 특별한 신장 효과를 촉진시키는 파장
가시
광선		 적색 700 발아저지(730), 광합성 작용의 최대(670)
660 엽록소 작용 최대(655), 발아작용과 잎 배포 화아 형성(660)
적황색 610 광합성에 유익하지 않음, 해충방제(580~650)
녹황색 510 노란 색소에 의한 일부 흡수
청색 430-440 광합성 작용의 최대(430), 엽록소 작용의 최대(44), 해충 유인
자외선 UV-A 400~315 일반적으로 식물의 잎을 두껍게 하는 작용,
색소의 발색 촉진 작용, 해충 유인
UV-B 280 많은 합성 과정에 중요한 작용(면역체 형성), 강하면 해가됨
UV-C 100 식물을 급속하게 시들리게 하는 작용
(<표 1> 출처: http://www.parus.co.kr/main.php?mm=s13)
한편, 본 발명에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는 미세조류 배양시설에서도 적용될 수 있다. 미세조류(microalgae)는 식물플랑크톤(Phytoplankton)이라고도 한다. 뿌리, 줄기, 잎이 체계적으로 분화되지 않은 하등식물 중에서 엽록소로 광합성을 하는 식물을 조류라고 하는데, 조류는 다시 단단한 구조물에 부착하여 서식하는 미역, 다시마와 같은 해조류와 육안으로 볼 수 없어 현미경을 통해서만 볼 수 있으며 물속에서 자유로이 부유하여 살아가는 생물인 미세조류로 나누어진다. 미세조류는 크기가 50 μm 이하의 단세포 조류를 말한다. 미세조류에서 추출한 지질, 기름에 촉매를 써서 바이오 연료를 생산할 수 있어, 미래의 자원으로 사용하기 위한 연구가 지속되고 있다.
400-700nm의 파장을 제공하는 백색광은 적색광 또는 청색광의 조건보다 높은 미세 조류 생성 속도에 기여하며, 또한, 적색광과 청색광의 혼합 비율을 달리하여 미세 조류 성장에 대한 파장 혼합비의 영향을 확인한 결과, 적색광과 청색광의 혼합은 혼합 비율에 관계없이 단일 파장의 빛보다 약 50 % 높은 미세 조류 생산율을 제공하는 것으로 알려져 있다.
식물과 마찬가지로 미세조류도 광 영양 배양시 광 강도에 따라 성장에 영향을 미치며, 빛의 파장, 세포 농도, 배양 밀도, 빛의 침투 거리 및 광 생물반응기의 기하학적 형태에 의존한다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환필름의 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장변환필름의 단면도이다.
도 3a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환필름(300)은, 폴리머 수지(QD layer, Polymer matrix)(301)에 양자점(302, 303)을 도포한 후 수분이나 산소에 의한 양자점(302, 303)의 열화 억제를 위해 양면에 PET(Polyester) 소재의 베리어 필름(Barrier film)(304)으로 코팅하여 형성한다.
도 3b에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장변환필름(310)은, 폴리머 수지(QD layer, Polymer matrix)(301)에 양자점(302, 303)을 도포한 후 수분이나 산소에 의한 양자점(302, 303)의 열화 억제를 위해 양면에 PET(Polyester) 소재의 베리어 필름(Barrier film)(304)으로 코팅하고, 상기 베리어 필름(304)의 한 면에 지지력을 제공하는 복합소재(305)로 한 번 더 코팅하여 형성함으로써, 상기 파장변환필름(310)의 내구성을 확보하도록 한다. 한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 양자점(302, 303)이 도포된 상기 폴리머 수지(301)의 한 면은 베리어 필름(304)로 코팅하고, 다른 한 면은 복합소재(305)로 코팅하여 형성할 수도 있다.
도 3a 및 3b에서는, 크기가 다른 두 가지 종류의 양자점(302, 303)이 도포된 것으로 도시되어 있으나, 도포되는 양자점의 크기는 변환하여 방출하고자 하는 파장에 따라 달라진다.
도 4는 본 발명에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 일실시예 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 파장변환부(401), 구동부(402) 및 제어부(403)를 포함한다.
상기 파장변환부(401)는 다수의 분리된 각 영역에 기설정 파장에 대응되는 빛을 출력하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 구비한다.　이후, 파장변환부(401)의 여러 가지 실시예에 대해서는 도 7a 내지 7c를 참고하여 설명하기로 한다.
상기 구동부(402)는 상기 파장변환부(401)의 위치 및 형태를 변경시켜 태양광 조사 영역을 변경시키고, 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.
상기 제어부(403)는 상기 구동부(402) 각각의 동작을 제어하여, 파장변환부(401)에서 필요한 파장을 출력할 수 있는 부분이 태양에 노출되도록 하며, 태양광 변환 장치로부터 출력되는 파장을 조절한다.
상세하게는, 제어부(403)는 미세조류를 포함한 식물의 생장 단계에 따라 달라지는 파장 및 파장의 혼합비율에 대한 정보와, 파장변환부(401)의 노출 영역 제어에 따른 출력 파장 정보를 참고하여, 생장 단계에 맞추어 상기 파장변환부(401)의 위치를 변경함으로써, 상기 태양광 변환 장치로부터 출력되는 파장을 조절할 수 있다.
즉, 상기 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함한 태양광 변환 장치는, 다수 파장이 조합되어 가변되는 파장을 가지는 빛을 출력한다.
한편, 본 발명에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는 영상획득부(404)를 더 포함한다.
상기 영상획득부(404)는 온실(유리온실), 비닐하우스, 또는 미세조류 배양시설 내에서, 재배되는 식물 또는 배양되는 미세 조류의 생육 상태 영상을 획득하여 제어부(403)로 전달하면, 상기 제어부(403)는 생육모델 DB(데이터베이스)로부터 현재 재배되는 식물 또는 배양되는 미세 조류의 생육 단계에 따라 필요한 파장을 분석하고, 필요한 파장이 출력되도록 상기 구동부(402)를 제어하여 상기 파장변환부(401)의 태양광 조사 영역을 조절한다.
상기 영상획득부(404)는, 식물에게 부족한 파장의 빛이 공급될 수 있도록 식물의 영상분석 Feedback을 통해 파장변환부(401)의 위치를 변경하여 태양광의 조사 영역을 제어함으로써, 파장이 조절된 빛이 식물에게 공급될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 상기 태양광의 상태 및 파장을 감지하는 감지부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 감지부로부터 전달받은 태양광의 상태 및 파장에 따라, 일 별, 시간 별, 위치 별 및 날씨에 따라 달라지는 태양광의 상태에 기반하여 상기 파장변환부(401)의 태양광 조사 영역을 조절하도록 상기 구동부(402)를 제어할 수 있다.
한편, 하기 <표 2>는 식물의 생장 단계 별로 필요한 파장의 조합을 나타낸다.
구분 생장단계 작용 모드 유효 파장 혼합 비율
1 싹트기
(발아)		 발아유도 A 적색, 청색, 원적색 a:b:c
2 영양생장 생장조절(세포분열 및 성장) B 적색, 청색, 원적색 d:e:f
C 청색 g
형태형성 D 적색, 청색, 원적색 h:i:j
E 청색 k
굴광성 F 청색 l
기공열림 G 청색 m
엽록체 운동 H 청색 n
3 생식생장 화아 형성 I 적색, 청색, 원적색 o:p:q
청색 r
4 노화 색소합성/생성 J 적색, 청색, 원적색 s:t:u
청색 v
<표 2>에 도시된 바와 같이, 식물의 생장 단계 별로 필요한 파장의 다르며, 식물의 종류에 따라서도 필요한 파장이 달라지게 된다. <표 2>에서 혼합 비율인 a 내지 v 는 식물의 종류 및 식물의 생장 단계에 따라 임의의 비율로 설정될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 생장 단계에 따라 가변되는 파장을 가지는 빛을 출력하는 태양광 변환 장치를 개시한다.
(<표 2>의 출처: 경상북도 농업기술원 (발간등록번호 75-6470332-000114-01) LED 식물공장을 이용한 상추, 아이스플랜트, 크레송 재배기술 매뉴얼)
이하, 5a 내지 5g을 참고하여 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 실시예를 살펴보기로 한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 1 실시예 도면이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 파장변환부(511), 구동부(512),및 제어부(513)를 포함한다.
상기 파장변환부(511)는 다수의 분리된 각 영역에 기설정 파장에 대응되는 빛을 출력하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 포함한다.
상기 구동부(512)는 상기 파장변환부(511)의 태양광 조사 영역을 변경시킨다.
상기 제어부(513)는 미세조류를 포함한 식물 종 별, 생장 주기 별 생육 정보에 따라 양쪽에 구비된 상기 구동부(512)의 동작을 제어하여 상기 파장변환부(511)를 통해 출력되는 파장을 조절한다.
도 5a의 파장변환부(파장변환필름)(511)는 시설(온실(유리 온실), 비닐하우스 또는 미세조류 배양시설)(510)에서 상단부의 비닐 또는 유리 하부에 설치되어 있다.
또한, 상기 시설(510)의 중앙부에는 파장변환부(파장변환필름)(511)을 지탱하고 이동이 용이하도록 롤형 프레임(514)이 구비된다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 2 실시예 도면이다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 파장변환부(521), 구동부(522),및 제어부(523)를 포함한다.
상기 파장변환부(521)는 다수의 분리된 각 영역에 기설정 파장에 대응되는 빛을 출력하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 포함한다.
상기 구동부(522)는 상기 파장변환부(521)의 태양광 조사 영역을 변경시킨다.
상기 제어부(523)는 미세조류를 포함한 식물 종 별, 생장 주기 별 생육 정보에 따라 양쪽에 구비된 상기 구동부(522)의 동작을 제어하여 상기 파장변환부(521)를 통해 출력되는 파장을 조절한다.
한편, 도 5b의 파장변환부(파장변환필름)(521)는 시설(온실(유리 온실), 비닐하우스 또는 미세조류 배양시설)(520)에서 상단부의 비닐 또는 유리 하부를 대체하여 설치될 수 있다.
또한, 상기 시설(520)의 중앙부에는 파장변환부(파장변환필름)(521)을 지탱하고 이동이 용이하도록 롤형 프레임(524)이 구비된다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 3 실시예 도면이다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 파장변환부(531), 구동부(532),및 제어부(533)를 포함한다.
상기 파장변환부(531)는 다수의 분리된 각 영역에 기설정 파장에 대응되는 빛을 출력하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 포함한다.
상기 구동부(532)는 상기 파장변환부(531)의 태양광 조사 영역을 변경시킨다.
상기 제어부(533)는 미세조류를 포함한 식물 종 별, 생장 주기 별 생육 정보에 따라 양쪽에 구비된 상기 구동부(532)의 동작을 제어하여 상기 파장변환부(531)를 통해 출력되는 파장을 조절한다.
한편, 도 5c의 파장변환부(파장변환필름)(531)는 시설(온실(유리 온실), 비닐하우스 또는 미세조류 배양시설)(530)에서 상단부 및 측면부의 비닐 또는 유리 안쪽에 설치되어 있다.
또한, 상기 시설(530)의 중앙부에는 파장변환부(파장변환필름)(531)을 지탱하고 이동이 용이하도록 롤형 프레임(534)이 구비된다. 상기 롤형 프레임(534)은 상부면과 측면이 만나는 모서리의 꺽인 부분에도 구비될 수 있다.
도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 4 실시예 도면이다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 파장변환부(541), 구동부(542),및 제어부(543)를 포함한다.
상기 파장변환부(541)는 다수의 분리된 각 영역에 기설정 파장에 대응되는 빛을 출력하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 포함한다.
상기 구동부(542)는 상기 파장변환부(541)의 태양광 조사 영역을 변경시킨다.
상기 제어부(543)는 미세조류를 포함한 식물 종 별, 생장 주기 별 생육 정보에 따라 양쪽에 구비된 상기 구동부(542)의 동작을 제어하여 상기 파장변환부(541)를 통해 출력되는 파장을 조절한다.
한편, 도 5d의 파장변환부(파장변환필름)(541)는 시설(온실(유리 온실), 비닐하우스 또는 미세조류 배양시설)(540)에서 상단부에 직선형으로 설치되어 있다.
또한, 상기 시설(540)의 중앙부에는 파장변환부(파장변환필름)(541)을 지탱하고 이동이 용이하도록 롤형 프레임(544)이 구비된다.
도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 5 실시예 도면이다.
도 5e에 도시된 바와 같이, 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 파장변환부(파장변환필름)(551), 양측의 모터(552),및 제어부(553)를 포함한다.
상기 파장변환필름(551)은 시설의 상단부 지붕 형태(100)로 형성될 수도 있고, 시설의 상단부에 직선형(200)으로 형성될 수도 있다.
상기 양측의 모터(552)는 상기 제어부(553)의 제어에 따라 축(roller)(555)에 상기 파장변환필름(551)을 감거나 풀어지도록 조절하여 태양광 조사 영역이 변경되도록 한다.
또한, 상기 시설의 중앙부에는 파장변환부(파장변환필름)(551)를 지탱하고 이동이 용이하도록 롤형 프레임(554)이 구비된다.
도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 6 실시예 도면이다.
도 5f에 도시된 바와 같이, 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 파장변환부(파장변환필름)(561), 양측의 모터(562),및 제어부(563)를 포함한다.
상기 파장변환필름(561)은 시설의 상단부 지붕 형태(100)로 형성될 수도 있고, 시설의 상단부에 직선형(200)으로 형성될 수도 있다. 상기 파장변환필름(561)의 양쪽은 접이식 커튼처럼 필름이 접히고 풀리도록 조절될 수 있다.
상기 양측의 모터(562)는 상기 제어부(563)의 제어에 따라 상기 파장변환필름(561)을 접거나 풀어지도록 조절하여 태양광 조사 영역이 변경되도록 한다.
또한, 상기 시설의 중앙부에는 파장변환부(파장변환필름)(561)를 지탱하고 이동이 용이하도록 롤형 프레임(564)이 구비된다.
도 5g는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 제 7 실시예 도면이다.
도 5g에 도시된 바와 같이, 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 파장변환부(파장변환필름)(571), 중앙부의 모터(572),및 제어부(573)를 포함한다.
상기 파장변환필름(571)은 시설의 상단부에 직선형(200)으로 형성되어 있다. 상기 파장변환필름(571)은 중앙 집중형 접이식 커튼형으로 중앙부 쪽으로 커튼처럼 필름이 접히고 필름의 양 끝단이 양쪽으로는 옮겨져 풀리도록 조절될 수 있다.
상기 중앙부의 모터(572)는 상기 제어부(573)의 제어에 따라 상기 파장변환필름(571)을 접거나 풀어지도록 조절하여 태양광 조사 영역이 변경되도록 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 도면이다.
도 5a 내지 5g에 도시된 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는 시설 상단부 전체를 파장변환필름으로 커버하고 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는 시설(600)의 상단부 및 측면부에 다수의 창문 형태의 파장변환부(601) 및 각 파장변환부(601)의 태양광 조사 영역을 가변시키는 구동부(602)를 포함한다.
각 구분된 창문 형태의 파장변화부(파장변환필름)(601)는 스파이럴 운드 타입(Spiral wound Type)의 구동부(602)에 의해 파장변환필름이 감기고 풀리도록 조절된다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환부의 도면이고, 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장변환부의 도면이고, 도 7c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장변환부의 도면이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장변환부(710)는 , 적색을 발하는 양자점이 포함된 제 1 영역(711), 녹색을 발하는 양자점이 포함된 제 2 영역(712), 청색을 발하는 양자점이 포함된 제 3 영역(713), 상기 태양광이 그대로 출력되도록 하는 제 4 영역(714), 및　상기 태양광을 차단하는 제 5영역(715)을 포함한다.
구동부는 상기 파장변환부(710)의 태양광에 의한 조사 영역을 변경시키기 위해 상기 파장변환부(710)의 양측에 구비된 축(롤러) 및 상기 파장변환부(710)을 감거나 푸는 모터로 구현되며, 제어부의 제어에 따라 상기 파장변환부(710)를 감거나 풀어 너비방향(L)의 위치를 조절할 수 있다.
파장변환부(710)에 포함된 파장변환필름의 양자점 크기(색) 선정과 필름 구성 순서는 파장 별 에너지에 따른 변환을 고려하되, 온실(유리온실) 또는 비닐하우스의 크기, 식물 종, 생장 주기 별 요구되는 파장 정보에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
파장변환부(파장변환필름)는 시설의 크기 및 식물의 생육 단계에 따라 시설의 길이 영역을 구분하여 설치가 가능하다. 예를 들어, 길이 100 m 시설의 경우, 10m 또는 25m 간격으로 구분 설치하여 별도 제어가 가능하도록 할 수 있다. 한편, 파장변환필름의 각 구역의 너비(폭)는 시설의 폭에 맞도록 설치될 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장변환부(720)는, 적색을 발하는 양자점이 포함된 제 1 영역(721), 청색을 발하는 양자점이 포함된 제 2 영역(722), 상기 적색, 녹색 및 청색을 발하는 양자점 중 2가지 종류 이상의 양자점들을 혼합하여 임의의 색을 발하는 양자점이 포함된 제 3 영역(723), 상기 태양광이 그대로 출력되도록 하는 제 4 영역(724), 및　상기 태양광을 차단하는 제 5영역(725)을 포함한다.
구동부는 상기 파장변환부(720)의 태양광에 의한 조사 영역을 변경시키기 위해 상기 파장변환부(720)의 양측에 구비된 축(롤러) 및 상기 파장변환부(720)을 감거나 푸는 모터로 구현되며, 제어부의 제어에 따라 상기 파장변환부(720)를 감거나 풀어 너비방향(L)의 위치를 조절할 수 있다.
상기 파장변환부(720)에 포함된 파장변환필름의 양자점 크기(색) 선정과 필름 구성 순서는 파장 별 에너지에 따른 변환을 고려하되, 온실(유리온실) 또는 비닐하우스의 크기, 식물 종, 생장 주기 별 요구되는 파장 정보에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
또한, 도 7b에는 파장변환부(720)의 일부가 혼합된 양자점으로 구성되고 있는데, 혼합되는 양자점의 크기(색)의 선정은 식물 종 및 생장 주기 별 요구되는 파장 정보에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
한편, 적색, 녹색, 청색 양자점들 또는 적색, 녹색 양자점들을 혼합하여 파장변환필름을 형성할 때에는 장파장의 양자점일 수록 더 적은 농도로 섞는 것이 바람직하다. 이는 양자점이 자신의 발광 영역 이전의 빛을 모두 여기에 사용하게 되므로 적색 양자점은 청색 양자점의 발광을 흡수 및 발광하게 된다. 따라서 각기 다른 발광의 양자점을 같은 비율로 섞게 되면 같은 크기의 발광을 얻을 수 없기 때문이다.
도 7c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장변환부는 제1층(730) 및 제2층(740)을 포함하는, 멀티 층으로 구성될 수 있다.
상기 파장변환부의 제1층(730)은 양자점이 도포된 영역(731, 734, 735), 투광 영역(732) 및 차광 영역(733)을 포함하고, 상기 파장변환부의 제2층(740)은 양자점이 도포된 영역(742, 744, 745), 투광 영역(741) 및 차광 영역(743)을 포함한다.
구동부는 상기 파장변환부의 각 층(730, 740)의 태양광에 의한 조사 영역을 변경시키기 위해 상기 파장변환부의 각 층(730, 740)의 양측에 구비된 축(롤러) 및 상기 파장변환부의 각 층(730, 740)을 감거나 풀 수 있는 모터로 구현되며, 제어부의 제어에 따라 상기 파장변환부의 각 층(730, 740)을 감거나 풀어 너비방향(L)의 위치를 조절할 수 있다.
상기 파장변환부의 각 층(730, 740)에 포함된 파장변환필름의 양자점 크기(색) 선정과 필름 구성 순서는 파장 별 에너지에 따른 변환을 고려하되, 온실(유리온실) 또는 비닐하우스의 크기, 식물 종, 생장 주기 별 요구되는 파장 정보에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
한편, 도 7a 내지 7c에는 도시되지 않았으나, 상기 파장변환필름의 구분된 영역 중 임의의 영역은 다수의 양자점들이 적층되어 형성될 수도 있다. 이에 대해서는 도 8a 및 8b를 참고하여 설명하기로 한다.
도 8a 및 8b는 파장변환부가 양자점의 적층 또는 다층 구조로 형성되는 경우, 파장과 광원과의 거리를 설명하기 위한 도면이다.
적색, 녹색, 청색 양자점들 또는 적색, 녹색 양자점들을 적층하여 층상구조로 양자점을 형성할 때에는 장파장을 흡수 및 발광하는 양자점일수록 도광판 또는 확산시트(광원)에 인접하여 위치하도록 적층하는 것이 바람직하다.
즉, 최대 장파장의 양자점 층을 최하부에 위치시키고, 그 상부에는 그 다음의 장파장 양자점 층을 위치시키고 최상부에는 가장 단파장의 양자점 층을 위치시켜서 장파장 양자점에 의한 단파장 발광의 흡수 및 그에 따른 손실을 최소화하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 8a와 같이 적색보다 단파장인 녹색 양자점을 광원에 인접하여 위치시킬 경우 적색 양자점에 의해 청색 또는 녹색 발광을 흡수하여 적색으로 발광하게 된다.
한편, 도 8b와 같이 장파장인 적색 양자점을 녹색 양자점보다 광원에 인접하여 적층한 경우에는 적색 양자점에 의한 적색 발광은 다음 적층된 녹색 양자점에서 흡수되지 않는다. 즉, 태양광을 효율적으로 변환하여 활용하기 위해서는 에너지가 높은 자외선 광자를 흡수하여 에너지가 낮은 광자로 단계적으로 변환하는 것이 효과적이다.
태양광 스펙트럼의 Power Density는 청색 영역의 단파장이 크며, 파장변환필름을 활용하여 에너지가 높은 단파장 광자를 흡수하여 에너지가 낮은 장파장으로 변환시 변환된 장파장의 Power Density를 증가시킬 수 있다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치의 도면이다.
도 9a 내지 9c를 참고하면, 미세조류를 포함한 식물의 종, 생장주기에 따라 성장을 최적화시키고 식물의 품질을 향상시키기 위해 파장변환부가 구분된 다층 형태로 구성되어 있다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치는, 시설의 상단부 지붕 형태로 형성될 수도 있고, 시설의 상단부에 직선형태로 형성될 수도 있다.
도 9b 의 정면도 및 도 9c의 평면도를 참조하면, 각 층의 파장변환필름을 리니어 엑츄에이터(Linear Actuator)를 이용하여 이동이 용이하도록 한 창문형 프레임으로 구성할 수 있으며, 층간 겹침 현상을 이용하여 양자점의 적층 효과와 동일한 효과를 누릴 수 있다.
파장변환부를 다층으로 구현 시, 층별 양자점 크기(색) 선정은 미세조류를 포함한 식물 종, 생장 주기 별 요구되는 파장 정보에 따라 다양하게 구성할 수 있다. 도면에서는 각 층별로 한 종류의 양자점 필름으로 구성한 것으로 도시하였으나, 각 층별로 다양한 색의 필름으로 구성할 수도 있다.
한편, 양자점을 포함하는 파장변환필름을 다층으로 구성하는 경우, 고효율을 달성하기 위해 단파장인 청색 양자점을 상부, 즉 태양광에 인접하여 위치시키는 것이 효과적이다.
도 10은 본 발명에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치를 이용한 식물 재배 방법을 도시한 설명도이다.
제어부(1003)는 미세조류를 포함하는 식물의 종 및 생장주기 별 요구되는 파장의 정보(생육모델 DB)를 참고하여 구동부(1002)를 제어하여 파장변환부(1001)의 위치를 조절함으로써, 파장변환필름의 태양광 조사 영역을 가변시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부(1003)는 식물의 영상분석 정보 피드백(Feedback)을 통해 식물에게 부족한 파장이 공급될 수 있도록 상기 구동부(1002)를 제어하여 상기 파장변환부(1001)의 위치를 조절함으로써, 파장변환필름의 태양광 조사 영역을 가변시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부(1003)는 광원(태양)의 상태 및 파장변환부의 상태에 따른 출력 파장의 피드백(Feedback) 정보를 참고하여, 일 별, 시간 별, 위치 별 및 하루의 날씨에 따라 달라지는 태양광의 상태에 따라 상기 구동부(1002)를 제어하여 상기 파장변환부(1001)의 위치를 조절함으로써, 능동적으로 맞춤형 파장을 제공할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치를 이용한 식물 재배 방법에 대한 일 실시예 흐름도이다.
먼저, 제어부(1003)가 영상획득부(1004)로부터 재배하는 식물 또는 배양하는 미세조류의 영상 정보를 전달받는다(S1110).
상기 제어부(1003)가 상기 전달받은 영상 정보를 분석하여 미세조류를 포함한 식물의 종 별 및 생장주기 별 요구되는 파장 정보를 확인한다(S1120).
상기 제어부(1003)가 상기 확인된 파장 정보에 따라 상기 파장변환필름의 태양광 조사 영역을 설정한다(S1130).
상기 제어부(1003)가 상기 설정된 파장변환필름의 태양광 조사 영역이 태양에 노출되도록 구동부(1002)를 제어한다(S1140).
상기 "S1140" 단계에서, 상기 구동부(1002)가 파장변환필름을 포함한 파장변환부(1001)를 제어하는 방법은 도면 5a 내지 5g 및 도 9a 내지 9c에서 여러 가지로 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 제어부(1003)가 상기 구동부(1002) 제어에 따른 상기 태양광 변환 장치의 출력 파장 및 상기 재배하는 식물 또는 배양하는 미세조류의 영상 정보를 피드백받는다(S1140).
이후, 상기 "S1120" 단계로 진행하여, 지속적으로 파장변환부(1001)의 태양광 조사 영역을 제어한다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치를 이용한 식물 재배 방법에 대하여 설명하였지만, 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치를 이용한 식물 재배 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체 및 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치를 이용한 식물 재배 방법을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램 역시 구현 가능함은 물론이다.
즉, 상술한 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치를 이용한 식물 재배 방법은 이를 구현하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써, 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록매체에 포함되어 제공될 수도 있음을 당업자들이 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 다시 말해, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리, USB 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
301: 폴리머 수지 302, 303: 양자점
304: 베리어 필름 305: 복합소재
300, 310: 파장변환필름
401, 511, 521, 531, 541, 551, 561, 571, 601, 1001 : 파장변환부
402, 512, 522, 532, 542, 552, 562, 572, 602, 1002 : 구동부
403, 513, 523, 533, 543, 553, 563, 573, 1003 : 제어부
404, 1004: 영상획득부 510, 520 530, 540, 600 : 시설
514, 524, 534, 544, 554, 564, 574: 롤형 프레임

Claims (10)

  1. 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치에 있어서,
    기설정 파장에 대응되는 빛을 출력하는 양자점이 도포된 파장변환필름을 포함하며 입사되는 태양광의 파장을 변환하는 파장변환부(401);
    상기 파장변환부의 위치 및 형태를 변경시켜 상기 파장변환필름의 태양광 조사 영역을 변경시키는 구동부(402);
    상기 구동부의 동작을 제어하여 상기 파장변환부를 통해 출력되는 파장을 조절하기 위한 제어부(403); 및
    시설에서 재배되는 식물 또는 배양되는 미세 조류의 생육 상태 영상을 획득하여 상기 제어부로 전달하는 영상획득부(404)
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 영상획득부에서 획득한 상기 시설에서 재배되는 식물 또는 배양되는 미세 조류의 생육 상태 영상을 분석하여 생육모델 DB(데이터베이스)로부터 상기 재배되는 식물 또는 배양되는 미세 조류의 생육 단계에 따라 필요한 파장을 분석하고, 필요한 파장이 출력되도록 상기 구동부를 제어하여 상기 파장변환부의 태양광 조사 영역을 조절하도록 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하고,
    상기 파장변환부는,
    상기 시설의 상단부 또는 측면부에 설치되는 것을 특징으로 하며,
    상기 태양광 변환 장치는,
    다수의 파장이 조합되어 미세조류를 포함하는 식물의 종별 또는 생장주기별로 가변되는 파장을 가지는 빛을 출력하는 것을 특징으로 하고,
    상기 파장변환필름은,
    구분된 영역을 포함하며, 각 영역에서 태양광을 기설정 파장을 가지는 빛으로 변환하여 출력하는 양자점이 도포된 폴리머 수지;
    상기 양자점의 열화를 방지하기 위해 상기 폴리머 수지의 양면을 코팅한 베리어 필름; 및
    상기 베리어 필름 상에 적어도 한 면에 형성되어 지지력을 제공하는 복합소재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양광의 상태 및 파장을 감지하는 감지부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제어부는,
    상기 감지부로부터 전달받은 태양광의 상태 및 파장에 따라, 일 별, 시간 별, 위치 별 및 날씨에 따라 달라지는 태양광의 상태에 기반하여 상기 파장변환부의 태양광 조사 영역을 조절하도록 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 파장변환부는,
    상기 파장변환필름이 양측에 구비된 두 개의 롤러에 감겨있는 것을 특징으로 하고,
    상기 구동부에 의해 상기 두 개의 롤러를 감거나 풀어 상기 파장변환필름의 태양광의 조사 영역이 가변되는 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 파장변환부는,
    상기 파장변환필름이 접이식 커튼형으로 구비되는 것을 특징으로 하고,
    상기 구동부에 의해 상기 파장변환필름이 접히거나 펼쳐져 태양광의 조사 영역이 가변되는 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 파장변환부는,
    상기 파장변환필름이 다층으로 구성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 구동부에 의해 상기 다층으로 구성된 파장변환필름의 각 층의 위치를 변경시켜 태양광의 조사 영역이 가변되는 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치.
  9. 제 6항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장변환필름은,
    분리된 다수의 영역을 포함하고,
    상기 분리된 각 영역은,
    적색을 발하는 양자점이 포함된 제 1 영역;
    녹색을 발하는 양자점이 포함된 제 2 영역;
    청색을 발하는 양자점이 포함된 제 3 영역;
    상기 적색, 녹색 및 청색을 발하는 양자점 중 2가지 종류 이상의 양자점들을 혼합하여 임의의 색을 발하는 양자점이 포함된 제 4 영역;
    상기 적색, 녹색, 청색 및 상기 임의의 색을 발하는 양자점 중 2개 이상의 양자점들을 적층하여 형성된 제 5 영역;
    상기 태양광이 그대로 출력되도록 하는 제 6 영역; 및
    상기 태양광을 차단하는 제 7영역
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점을 이용한 파장변환필름을 포함하는 태양광 변환 장치.
  10. 삭제
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