KR20000006611A - 발광다이오드를이용한식물성ㆍ생장육성장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 식물의 성ㆍ생장을 제어할 수 있는 식물 광조사 시스템에 관한 것으로서 특히, 발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 이용하여 식물의 특성에 따라, 그리고 제어하고자 하는 매개변수에 따라 최적의 파장대역 및 밝기의 광을 조사함으로써 식물의 성ㆍ생장을 제어할 수 있는 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치에 관한 것으로서, 입출력, 연산, 밝기조절기능을 수행하는 제어기(110)와, 광조사시간 및 밝기 등을 입력하고 표시해주기 위하여 스위치(122,123, 124,125) 및 액정패널(121)로 구성되는 입력 및 표시부(120)와, 시스템 전체에 전원을 공급하는 전원부(130)와, 전압차이를 일치시켜주는 전류증폭부(140)로 이루어지는 제어부(100)와; 발광다이오드가 일렬로 나열되어 있는 발광다이오드모듈(210,220,230)과, 상기 발광다이오드모듈(210,220,230)이 설치되는 연결부(241, 251)를 포함하는 트랙(240,250)과, 상기 제어기(100)와 연결하기 위한 커넥터(135)로 이루어지는 광조사부(200)로 구성되어, 조사광의 파장, 밝기 및 조사시간의 제어가 용이하고, 식물에 대한 근접조사가 가능하며, 광이용 효율이 높으며, 장치의 설치 및 사용이 용이한 것이다.
Description
본 발명은 식물의 성ㆍ생장을 제어할 수 있는 식물 광조사 시스템에 관한 것으로서 특히, 발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 이용하여 식물의 특성에 따라, 그리고 제어하고자 하는 매개변수에 따라 최적의 파장대역 및 밝기의 광을 조사함으로써 식물의 성ㆍ생장을 제어할 수 있는 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치에 관한 것이다.
일반적으로 광환경은 식물의 형태형성, 휴면현상 등에 관여하고 식물종과 품종 각각의 생태형에 많은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
특히 식물의 여러 가지 생리형상이 광의 특정 파장대역에 관계하는 것으로 알려져 있으며 예를 들면, 근자외광(370~380nm(nano meter: 10-9m))과 청색광(440 ~480nm)에서는 식물의 신장억제와 굴광성에 관여하고(배축신장), 원적색광(730nm)은 신장을 촉진하며(엽병신장), 자외선광에 의해서는 페놀계, 안토시아닌계의 색소가 증가하여 과색과 화색에 영향(착색)을 주게 된다.
도 1은 녹엽식물의 파장별 광흡수, 반사 및 투과율을 나타내는 도로서 가시광역에서는 녹색부에서 최소치를 보이고 그 외에서는 거의 흡수되어 투과와 반사광의 비율이 적음을 알 수 있고, 파장이 0.7 ~ 0.8㎛ 에서 흡수율은 급격히 감소하고 반대로 투과율과 반사율은 급격히 증가함을 알 수 있으며, 1㎛이 넘으면 투과율은 다시 증가하여 2㎛ 이상에서는 투과율이 100%에 달함을 알 수 있다.
상기와 같이 식물이 광환경에 민감한 이유는 여러 가지 식물의 생장에 관련된 광합성, 발육, 휴면 등의 현상이 여러 광수용체와 관계되어 있으며, 이 광수용체들은 특정 작용 파장대역을 가지고 있기 때문으로 알려져 있다.
상기 광수용체의 종류는 매우 많고 아직 연구 중에 있는 것도 있으나, 그 중에서 광합성에 관계되어 있는 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
즉, 광합성의 경우에는 잎 중의 엽록체에 포함되어 있는 광합성색소가 수용체로 이루어져 있고, 이 광수용체는 클로로필(chlorophyll) a, b, 그리고 카로티노이드(carotinoid)이다. 따라서 식물이 흡수한 광에너지는 콜로로필 a에 전달되어 광합성이 이루어지는 것이다.
도 2는 녹색잎과 광합성색소의 파장별 흡수곡선을 나타내는 도로서, 클로로필 a, b는 모두 청색과 적색부분에 흡수파장의 최대치를 갖고, 녹색부분에 최저치를 갖고, 카로티노이드도 청색부분에 흡수파장의 피크를 갖는 것을 알 수 있다.
따라서 이상과 같이 식물에 조사되는 광을 적절히 조절하면 식물의 성ㆍ생장을 제어할 수가 있으며, 또한 상기 광은 도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같이, 특정 파장대역을 갖는 광이 식물의 성ㆍ생장에서 중요한 역할을 함을 알 수 있다.
산업상의 응용의 예로서는 값이 비싼 조경식물의 경우에는 꽃이 피어있는 시간을 증가시키거나, 성ㆍ생장을 일정수준에서 멈추게 할 수 있는 경우와, 반대로 성ㆍ생장을 촉진시키는 경우 등, 여러 다양한 적용분야가 있으며 특히, 화학약품을 쓰지 않고 식물을 육성시킬 수 있어, 이에 대하여 더욱 많은 응용분야가 연구되고 있다.
종래에는 특정분야에서는 백열등이나 형광등 등을 이용하여 식물의 성ㆍ생장을 제어하였으나, 이러한 조명기구는 가시광선 뿐 아니라 적외선, 자외선의 모든 파장대역이 모두 섞여있는 것으로서, 특정 파장대역의 광만이 필요할 때, 더욱이 다른 파장대의 광이 섞여있으면 효과가 나타나지 않을 경우는 이용할 수 없고 또한 그러한 사실을 연구할 수 없는 단점이 있었다.
특정 파장대역을 가지는 광원으로서는 발광다이오드가 쓰일 수가 있으며, 특히 최근에 고휘도 청색 발광다이오드가 양산됨에 따라 모든 파장대의 빛을 이용할 수가 있게 되었다.
본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 식물의 특성에 따라, 그리고 제어하고자 하는 매개변수에 따라 최적의 파장대역 및 밝기의 광을 조사함으로써 식물의 성ㆍ생장을 제어할 수 있는 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치를 제공하고자 한다.
이러한 본 발명은 발광다이오드를 색깔별로 모듈화하여 패널에 설치할 수 있도록 하고, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM)방식을 이용하여 상기 발광다이오드 모듈의 밝기를 조절하고, 이를 전체적으로 제어하는 제어기를 제공함으로써 달성된다.
도 1은 녹엽식물의 파장별 광흡수, 반사 및 투과율을 나타내는 도,
도 2는 녹색잎과 광합성색소의 파장별 흡수곡선을 나타내는 도,
도 3은 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치의
제어기를 나타내는 블록도,
도 4는 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치의
광조사부를 나타내는 회로도,
도 5a는 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치의
PWM발생기에서 발생하는 전형적인 PWM 신호를 나타내는 개략도,
도 5b는 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치의
밝기조절에 따른 PWM 파형을 나타내는 개략도,
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 광조사
시스템의, 케이스에 광조사부를 설치한 외형과 내부를 나타내는
사시도,
도 7은 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치를
이용하여 식물의 성ㆍ생장을 제어하는 상태를 나타내는 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 제어부 110 : 제어기
116 : PWM발생기 120 : 입력 및 표시부
130 : 전원부 140 : 전류증폭부
200 : 광조사부 210,220,230 : 발광다이오드모듈
230,240 : 트랙
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치의 제어기를 나타내는 블록도이고, 도 4는 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치의 광조사부를 나타내는 회로도로서, 본 발명의 구성은 크게 입출력, 연산, 밝기조절기능을 수행하는 제어기(110)와, 광조사시간 및 밝기 등을 입력하고 표시해주기 위한 입력 및 표시부(120)와, 시스템 전체에 전원을 공급하는 전원부(130)와, 전압차이를 보상시켜주는 전류증폭부(140)로 이루어지는 제어부(100)와; 발광다이오드가 일렬로 나열되어 있는 발광다이오드모듈(210,220, 230)과, 상기 발광다이오드모듈(210,220,230)이 설치되는 연결부(241,251)를 포함하는 트랙(240, 250)과, 상기 제어기(100)와 연결하기 위한 커넥터(135)로 이루어지는 광조사부(200)로 구성된다.
상기 제어기(110)는 8비트 중앙처리장치(CPU: 111)와, 상기 입력 및 표시부(120)의 액정패널(121)에 세팅상태를 출력하는 출력포트(112)와, 상기 입력 및 표시부(120)의 스위치(122,123,124,125)의 입력세팅을 받아들이는 입력포트(113)와, AD변환기(114)와, 타이머(115)와, 밝기조절을 위한 PWM(펄스폭변조)발생기(116)와, PC와의 접속을 위한 직렬포트(117) 및 직렬커넥터(117a)로 구성된다.
상기 입력 및 표시부(120)는 상기한 바와 같이 액정패널(121)과 네 개의 스위치(122,123,124,125) 및 가변저항(126)으로 구성된다. 상기 네 개의 스위치는 각각 모드전환을 위한 모드스위치(122)와, 세팅단위를 증가시키는 업스위치(123)와, 세팅단위를 감소시키는 다운스위치(124)와 세팅상태를 저장하는 셋스위치(125)로 구성되며, 상기 가변저항(126)은 밝기세팅 값을 전체적으로 증폭시키는 역할을 한다.
상기 전원부(130)는 AC입력부(131)와, 상기 광조사부(200)에 24V의 전원을 공급하는 제1전원공급장치(132)와, 상기 제어기(110)에 9V의 전원을 공급하는 제2전원공급장치(133)와, 퓨즈(134)로 구성된다.
상기와 같이 광조사부(200)와 제어기(110)에 공급되는 전압이 다르므로 전류증폭부(140)에서는 상기 광조사부(200)와 제어기(110)의 출력전력을 보상시켜준다.
또한 상기 광조사부(200)의 발광다이오드모듈(210,220,230)은 각각 청색모듈(210), 적색모듈(220), 적외선모듈(230)로 구성되어 있고, 상기 발광다이오드모듈(210,220,230)과 두 개의 트랙(240,250) 및 PWM발생기(116)는 청색, 적색, 적외선의 독립적인 3개의 채널로 이루어져 있다.
즉, 상기 청색모듈(210)은 1번 핀에만 연결이 되어있고, 적색모듈(220)은 2번 핀에, 그리고 적외선모듈(230)은 3번 핀에만 연결이 되어있으므로 상기 발광다이오드모듈(210,220,230)은 트랙(240,250)의 어느 위치에 설치하여도 상기 제어기(110)의 각 색깔별 신호를 받아 제어될 수 있다.
일반적으로 발광다이오드는 DC전원에서 동작을 하나 본 발명에서는 PWM발생기(116)에서 60Hz의 AC전원을 160Hz로 변환하여 발광다이오드를 동작시킨다.
펄스폭변조(PWM: pulse width modulation)는 정보를 주고받는 방법 중의 하나로서 듀티사이클(duty cycle)은 Ton과 Toff로 다음과 같이 나타낼 수 있다(도 5a 참고).
여기에서 Ton과 Toff가 일정하다면 신호는 상수의 듀티사이클을 갖게 된다. 또한 Ton이 Toff와 같다면 신호는 50%의 듀티사이클을 갖게된다.
본 발명에서는 상기 듀티사이클을 조절함으로써 밝기를 조절하는 방법을 사용한다. 즉, 상기 PWM발생기(116)의 출력은 가변저항(126)으로만 변경이 되도록 되어있어 상기 가변저항(126)을 조절하면 듀티사이클의 값이 변하도록 되어있다.
따라서 가변저항(126)을 중간상태로 놓으면 신호는 도 5b의 (a)와 같은 상태가 되어 빛은 중간밝기가 되고, 가변저항(126)의 값을 크게 하면 도 5b의 (b)와 같은 상태가 되어 빛이 밝게 되며, 또한 도 5b의 (c)와 같은 상태에서는 빛이 어둡게 됨으로써 그에 따라 발광다이오드모듈(210,220,230)에 설치된 발광다이오드의 밝기가 조절되도록 하는 것이다.
또한 상기 PWM발생기(116)에는 전용 IC가 있으며 상기 중앙처리장치(111)에서 한번 값을 인가해주면 그 비율의 PWM 파형을 계속 발생해주는 기능을 가지고 있어, 상기 중앙처리장치(111)에서는 키입력, 표시, 시간관리 등의 주된 기능을 수행하고, 값의 조절이 필요한 경우에만 변경된 값을 다시 인가해주도록 되어있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치의, 케이스에 광조사부를 설치한 외형과 내부를 나타내는 사시도로서, 도시하는 바와 같이, 발광다이오드모듈(210,220,230)의 발광다이오드들이 케이스(300)에 형성되어 있는 구멍(310)들 사이로 드러나도록 되어있고(도 6a는 발광다이오드모듈이 모두 설치된 상태), 상기 발광다이오드들을 보호하기 위하여 중앙부위가 안쪽으로 패인 형상으로 되어있다(A부분 참고).
발광다이오드모듈(210,220,230)은 도 6b에서 도시하는 바와 같이, 양끝에 세 개의 핀(211)이 형성되어 있으며 이를 연결부(241,251)에 삽입시킴으로써 트랙(240 ,250)에 설치하게 된다. 또한 일측에는 제어부(100)와 연결되는 커넥터(135)가 위치한다.
도 7은 본 발명의 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치를 이용하여 식물의 성ㆍ생장을 제어하는 상태를 나타내는 개략도로서, 성ㆍ생장을 제어하고자 하는 식물들(B) 위에 케이스(300)에 설치된 광조사부(200)를 근접 위치시켜 세팅된 상태를 나타내고 있다. 이하 상기 도 1 내지 도 7을 참고하여 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저 성ㆍ생장을 제어할 식물과 그 조건을 결정하면 그에 따라 필요한 파장의 발광다이오드모듈을 선택하여 트랙(240,250)에 설치한다. 예를 들어 높은 강도의 적외선만이 필요하다면 적외선모듈(230)을 모두 트랙(240,250)에 설치하고, 청색 및 적색이 필요하다면 청색모듈(210)과 적색모듈(220)을 적당한 위치의 트랙(240,250)에 설치하는 것이다.
이후에 제어부(100) 및 광조사부(200)에 전원을 연결하고 스위치를 켜면 액정패널(121)에 약 1초간 회사의 로고가 표시된 후에 광조사시간 및 광도 등의 조건을 설정하는 화면이 표시된다.
제 1 모드에서는 현재의 시간, 날짜, 진행시간이 표시되며, 모드스위치(122)를 누름에 따라 제 1 모드에서 제 8 모드까지 차례로 모드가 표시되며, 제 8 모드에서 모드스위치(122)를 한번 더 누르면 다시 제 1 모드로 돌아오게 되고, 각 모드에서는 업스위치(123), 다운스위치(124) 및 셋스위치(125)로 설정값을 변경할 수 있도록 되어있다.
제 2 모드에서는 현재의 밝기를 나타내며 전체적으로 모든 발광다이오드 모듈(210,220,230)의 밝기를 0~99의 단계로 조절할 수 있다.
제 3 모드에서는 청색모듈(210)만의 밝기를 조절할 수 있도록 되어있고, 제 4 모드 및 제 5 모드에서는 각각 적색모듈(220) 및 적외선모듈(230)의 밝기를 조절할 수 있도록 되어있다.
제 6 모드에서는 발광다이오드의 점등시간을 일-시:분 단위로 조절할 수 있고, 제 7 모드에서는 발광다이오드의 점등 후 꺼지는 시간을 설정한다.
마지막으로 제 8 모드에서는 현재의 날짜와 시각을 설정할 수 있도록 되어있다.
따라서 상기 스위치들(122,123,124,125)을 이용하여 식물에 필요한 조건대로 빛의 파장, 점등시간, 밝기 등을 설정하여, 도 7에서 도시하는 바와 같이 설치하여 식물의 성ㆍ생장을 제어할 수 있는 것이다.
이상과 같은 본 발명은 조사광의 파장, 밝기 및 조사시간의 제어가 용이하고, 식물에 대한 근접조사가 가능하며, 광이용 효율이 높으며, 장치의 설치 및 사용이 용이한 효과가 있는 발명인 것이다.
Claims (5)
- 입출력, 연산을 수행하는 제어기와, 광조사시간 및 밝기 등을 입력하고 표시해주기 위한 입력 및 표시부와, 시스템 전체에 전원을 공급하는 전원부와, 전압차이를 보상시켜주는 전류증폭부로 이루어지는 제어부와;발광다이오드가 구성되어있는 발광다이오드모듈과, 상기 발광다이오드모듈이 설치되는 연결부를 포함하는 트랙과, 상기 제어기와 연결하기 위한 커넥터로 이루어지는 광조사부로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 제어기는 8비트 중앙처리장치와, 상기 입력 및 표시부의 액정패널에 세팅상태를 출력하는 출력포트와, 상기 입력 및 표시부의 스위치의 입력세팅을 받아들이는 입력포트와, AD변환기와, 타이머와, 밝기조절을 위한 PWM(펄스폭변조)발생기와, PC와의 접속을 위한 직렬포트로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 광조사부의 발광다이오드모듈은 각각 청색모듈, 적색모듈, 적외선모듈로 구성되고, 상기 발광다이오드모듈과 두 개의 트랙 및 PWM발생기의 채널은 모두 청색, 적색, 적외선의 독립적인 3채널로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 PWM발생기의 출력은 상기 입력 및 표시부의 가변저항으로만 변경이 되도록 되어있어, 상기 가변저항을 조절하면 PWM발생기의 듀티사이클을 조절함으로써 발광다이오드의 밝기를 조절하도록 함을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치.
- 제 3항에 있어서, 상기 발광다이오드모듈은 양측에 구성된 3개의 핀으로 트랙에 설치되며, 상기 청색모듈과, 적색모듈 및 적외선모듈은 상기 3개의 핀 중 각각 어느 한 핀에만 연결이 되어있어, 상기 발광다이오드모듈은 트랙의 어느 위치에 설치하여도 상기 제어기의 각 색깔별 신호를 받아 제어될 수 있도록 함을 특징으로 하는 발광다이오드를 이용한 식물 성ㆍ생장 육성장치.
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