KR20120023394A - 식물생장조절을 위한 ｌｅｄ 펄스조명 시스템 - Google Patents

식물생장조절을 위한 ｌｅｄ 펄스조명 시스템 Download PDF

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Abstract

종래에는 식물의 개화억제를 위한 전조방법으로는 일장연장 조명, 암중단 조명, 간헐조명의 방법이 이용되어 오고 있으나, 전력소모가 많고 안정적이지 못하다. 최근 전력소비를 감소시키기 위하여 LED를 이용한 전등조명방법에 대한 접근이 이루어지고 있는 실정이다. 이에 본 발명은 기존 전등조명용으로 사용되는 전등은 백열등이나 형광등으로서 펄스조명을 실시할 경우 전등의 수명이 급격하게 단축되어 개발되지 못하였던 간헐조명의 일종인 펄스조명방법을 최근 개발되어 이용되고 있는 LED 램프를 이용하여 현실화 시켰다. 따라서 LED 전등을 이용한 펄스전등조명 장치를 개발하여 농작물 생장상의 조절용으로 이용함으로서 농업분야 전조용 전력소비를 획기적으로 감소시킬 수 있는 시스템을 개발하였다.

Description

식물생장조절을 위한 ＬＥＤ 펄스조명 시스템{LED pulse lighting system for plant growth regulation}
본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode: 이하 'LED'라 한다)가 수명이 길고 기동전력이 필요 없어 에너지절감과 비용절감 효과를 최대한으로 이용하기 위한 펄스조명방법 및 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 일장조절로 식물의 개화반응 등의 다양한 작물의 광에 대한 생장반응조절에 사용 가능한 펄스조명 시스템 및 방법에 관한 것이다.
백열등 및 할로겐 등을 이용한 조명을 통한 일장조절로 식물의 개화반응을 조절하는 방법은 오래전부터 식물 성장제어 분야에서 이용되어 오고 있다.
기존의 백열등, 할로겐 광원의 발전 체계와는 전혀 다른 반도체계열의 발광 다이오드의 개발이 활발하게 진행되면서 기존의 농업용 전등으로 주로 사용되었던 백열계열 광원을 LED광원으로 대체 도입하기 위한 기술 개발이 활발하게 진행되어오고 있다.
최근 눈부신 기술진전이 이루어지고 있는 LED 광원의 발광 원리는P형 반도체 물질과 N형 반도체 물질을 접합한 PN 접합 면에 순방향 전류를 통함으로써 생기는 과잉전자가 빛으로 전환되는 기본 원리를 갖는 것이다.
이러한 불안정한 전자에 의해 빛이 발생되는 LED 광원의 특성상 LED 광원은 빛을 발생하는데 걸리는 전기적 응답시간이 매우 짧고, 완전한 광속을 얻기 위해서는 점등 후 일정한 가동시간이 필요하지 않으며, 수명이 길고 기동전력이 필요 없다는 장점을 갖고 있다.
한편 다양한 작물의 광에 대한 생장반응의 연구와 관련하여, 일장 조절을 위한 전등조명의 방법으로서는 일몰 후 계속 이어서 밝게 불을 밝혀주는 일장연장, 자정을 기준으로 3시간정도 전등조명을 하여 암기를 중단시켜주는 암중단, 및 일장연장으로 전등조명을 하면서 적정한 시간 동안 ON/OFF시간을 반복하여 일장연장효과가 나타나도록 하는 간헐조명의 방법이 개발되어 이용되고 있다.
그러나 상기 방법에 의한 식물의 생장제어는 일정 시간 동안 광원을 점등하여야 함에 따라 광원이 열화되어 출력이 저감되는 현상 및 전력비의 손실을 방지할 수 없다.
따라서 LED 광원의 특성을 최대한으로 이용할 수 있는 펄스조명을 이용함으로서 다양한 작물의 광에 대한 생장반응과 관련한 효과를 유지하는 한편 전력비를 절감할수 있는 LED 광원의 전등조명기술의 개발의 확립이 요구된다.
가변형 LED 조명을 이용한 식물 재배 장치에 관한 것으로, 국내 등록번호 10-09348810호에는 식물의 생육 및 재배를 위한 최적의 환경을 조성하기 위해 재배용 작물의 종류에 따라 발아, 개화 및 성장 시기에 맞추어, 각 시기별로 요구되는 특정 파장대, 즉 적외선, 가시광선 및 자외선 파장범위에서 변광하는 가변형 LED 조명을 이용한 광요구량 자동제어 유닛을 개시하고 있다. 이로부터 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기 및 온도 등을 측정한 후, 마이컴에 의한 제어를 통해 재배용 작물의 각 시기별로 요구되는 기준 광요구량을 측정하여 광조사량을 연산하고, 그 연산된 결과에 따라 가변형 LED 조명에서 조사되는 빛을 각 시기별로 요구되는 파장 범위로 변광시킴으로써 난방비 및 전기료를 절감할 수 있으며, 비닐하우스 재배용 작물의 종류에 따라 발아, 개화 및 성장 시기 등의 조절이 가능하여 그 생산량을 증대시킬 수 있는 가변형 LED 조명을 이용한 식물 재배 장치 및 방법이 개시하고 있다. 또한 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치 및 방법과 관련한 국내 등록번호 10-09339940호에는 비닐하우스 재배용 작물에 LED 광원을 발광시켜 식물을 재배하는 장치로서, 식물 재배 장치는 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 측정한 후, 마이컴의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 측정된 광조사량을 연산하고, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사시키는 광요구량 자동제어 유닛이 포함되어 구성됨으로서, 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 감지한 후, 모니터링하여 부족한 광 요구량만큼을 LED형 식물재배 등에 조사시키도록 조절할 수 있는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 LED형 식물재배등의 식물 재배 장치 및 방법을 개시하고 있다. 국내 등록번호 20-02470790에는 발광다이오드를 이용한 원예식물 생장용 보광장치로서 발광다이오드를 인공 광원으로 하여 식물 생장을 촉진하기 위한 식물생장용 보광장치에 관한 것으로, 인공 광원을 이용하여 식물 생장을 촉진하기 위한 광조사장치를 개시하고 있다. 상기의 선행문헌을 종합하여 보면 주로 LED광원을 식물의 성장에 이용하는 것에 한정되어 있을 뿐, 본 발명에서와 같이 LED 광원의 특성을 고려한 광원을 펄스로서 사용하여 식물의 생장상인 영양생장 및 생식생장을 조절하기 위하여 조사하는 시스템 기술과는 차이가 있다.
LED광원은 광원의 소비 전력이 기존 조명광원에 비하여 낮고 광반응성이 좋은 장점이 있으나, 일반 광원으로 보급되기에는 기존에 주로 사용되고 있는 백열등 광원에 비하여 가격이 비싸서 농가용으로 사용하기에는 경비면에서 부담되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 LED 광원에 의한 식물 생장상의 조절 효과를 유지하면서 전력비를 최대한으로 절감할 수 있는 사용방법이 요구된다.
따라서 본 발명에서는 LED 광원의 장점인 광원의 점등까지 대기시간이 불필요한 특성을 이용함으로서, 광원을 점등하는데 필요한 시스템을 구축하여 광원의 점등효과를 확보함과 동시에 광원을 펄스로 점등하여 전력비를 절감하고 불필요하게 낭비되는 전원을 최소화 하고자 하는 데 목적이 있다.
즉 LED 광원의 펄스조명에 의하여 켜는 시간을 최대한 줄여 전력을 절감하고 식물의 생장상 조절을 위한 LED 광원 이용효율을 극대화시킬 수 있는 LED 광원 점등장치 및 제어방법을 개발하고자 하는 것이다.
이를 위해 LED 램프의 특성을 최대한 살린 펄스조명시스템을 구축하여 식물생장상의 조절에 필요한 광을 전자식 전조시간 제어장치를 통하여 제어한다.
LED광원은 펄스조명을 하여도 기존 전등조명등과는 달리 전등수명에는 지장이 없으며, 전등을 켤 때 기동전력이 별도로 필요 없어서 펄스방식의 전등조명이 가능하다. 이와 같은 LED 광원의 장점을 살려, 태양광이 없는 밤 동안의 설정된 시간내에서 0.1~ 99.9초 까지 ON/OFF 시간을 설정하여 펄스조명함으로서 일장반응을 하는 단일식물의 개화억제, 장일식물의 개화촉진을 가능하도록 하는 장치 및 방법을 제공한다.
펄스조명시스템 장치는 LED광원, 펄스전등조명 컨트롤러, 야간에 전등조명 시간을 설정할 수 있는 24시간 타이머로 구성되어 있으며, 일반적으로 LED광원은 설정 시간 내에서 계속 점등상태로 두면 발광다이오드의 온도상승에 의한 발광효율 저하현상이 생기는 단점이 있으나, 펄스조명시스템에서 이용되는 LED광원은 펄스조명을 하게 됨에 따라 발광다이오드의 온도상승을 막아 발광효율을 지속적으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이 펄스조명시스템 장치의 적극적인 활용을 통하여 농업분야 전조용 전력소비를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 에너지절감과 비용절감 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 LED의 특성을 이용하여 식물의 종류나 생장단계에 필요한 광파장과 시간을 적용하여 펄스조명을 함으로써 식물의 생장을 억제 또는 촉진시킬 수 있으며 최적의 펄스조명 주기를 밝혀 적용하게 되면 기존 LED를 이용한 조명시스템에 비하여 전력소비를 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, LED는 설정시간 내에서 계속 켜두면 발광다이오드의 온도상승에 의한 발광효율 저하현상이 생기는 단점이 있으나 펄스조명을 하게 되면 발광다이오드의 온도상승을 막아 발광효율을 지속적으로 유지할 수 있고 광원의 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1 LED 펄스조명 시스템의 구성도 및 각 부분의 명칭
도 2 LED 광원으로부터 거리에 따른 LED광원의 광량(PPFD)값
도 3 LED 광원으로부터의 거리에 따른 개화 상황(최소 요일 수와의 관계)
도 4 LED 광원으로부터 거리에 따른 개화 상황(개화 결정 엽수와의 관계)
도 5 LED 펄스조명 110일 후의 국화개화억제 재배 결과의 국화개화상황
도 6 LED 펄스조명 110일 후의 국화개화억제 재배 결과의 국화개화상황
종래, 절화국화 등의 식물에 있어서 개화억제를 위한 전조방법으로는 일장연장 조명, 암중단 조명, 간헐조명의 방법이 이용되었다. 그러나, 이 방법은 광원을 점등하는 동안 전원을 계속하여 공급하여야하므로, 전력소모가 많고 또한 백열광원 등이 안정적이지 못하다는 결점이 있었다.
한편 최근 LED 광원의 기술적 발전과 보급화와 함께 전력소비를 감소시키기 위하여 LED 광원을 이용한 전등조명방법에 대한 접근이 이루어지고 있다.
그러나 LED 광원을 사용하여 식물 생장상을 제어하더라도 기존의 시스템 및 제어방법은 일정 시간 동안 광원을 점등하여야 함에 따라 LED 광원이 기존광원에 비해 갖는 전력절감 효과 이상의 효과는 얻을 수 없다.
본 발명은 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템에 있어서, 복수의 LED가 일정 간격으로 배열되는 있는 LED램프; 전등조명시간 설정용 24시간 타이머; 펄스조명이 가능하도록 ON/OFF시간을 각각 설정할 수 있는 펄스전등조명 컨트롤러; 전등조명 시간을 설정하기 위한 설정조작부; 및 LED 전원공급용 AC-DC트랜스를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템에 관한 것이다.
또한 본 발명은 전등조명 시간을 설정하기 위한 설정조작부에는 전조시간 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템에 관한 것이고, 펄스전등조명 컨트롤러는 LED 펄스조명의 ON, OFF 시간을 각각 0.1~99.9초까지 0.1초 단위로 설정 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템에 관한 것이다.
본 발명은 식물재배용 LED 펄스전등조명 시스템을 이용한 식물재배방법에 있어서, 복수의 LED가 일정 간격으로 배열되는 있는 LED램프의 전등조명시간 설정용 24시간 타이머를 설정하는 단계; 펄스조명이 가능하도록 ON/OFF시간의 설정이 가능한 펄스전등조명 컨트롤러를 설정하는 단계; 및 LED 전원공급용 AC-DC트랜스에 전원을 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템을 이용한 식물재배방법에 관한 것으로 상세하게는 펄스전등조명 컨트롤러의 제어는 ON, OFF 시간을 각각 0.1~99.9초의 범위에서 설정하여 설정시간 단위로 전등의 ON/OFF를 반복하도록 하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템을 이용한 식물재배방법에 관한 것이다.
본 발명은 기존 전등조명용으로 사용되는 전등은 백열등이나 형광등으로서 펄스조명을 실시할 경우, 전등의 수명이 급격하게 단축되어 개발되지 못하였던 간헐조명의 일종인 펄스조명방법을 최근 개발되어 이용되고 있는 LED 램프를 이용하여 현실화 시켰다.
또한 LED 전등을 이용한 펄스전등조명 장치를 개발하여 농작물의 생장조절용으로 이용함으로서 농업분야 전조용 전력소비를 획기적으로 감소시킬 수 있는 시스템을 개발하였다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도1은 본 발명의 실시 예에 따른 LED 펄스조명 시스템의 구성도 및 각 부분의 명칭을 보여주는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 전체적으로 LED 펄스조명을 가능하게 하는 0.1초에서 99.9초까지 ON/OFF시간의 설정이 가능한 펄스전등조명 컨트롤러, 하루 중 전등조명시간 설정용 24시간 타이머, 전조시간 표시부, 각 전등조명 시간을 설정하기 위한 설정조작버튼, LED 전원공급용 AC-DC트랜스와 LED를 그 구성요소로 하는 LED 펄스전등조명시스템으로 구성되어있다.
도2는 LED광원으로부터 거리에 따른 LED의 광량(PPFD)값을 나타낸다. 도시된 결과에 따르면, 펄스조명 시스템으로부터 방사된 LED 광원의 거리별 도달 광량을 측정한 값은 광원으로부터 50m에서 60 umol 이하 값을 나타내고, 100m에서는 20umol 이하 값의 광량을 나타냄으로서 LED 광원의 광조사범위는 100cm 이내의 범위에서 유효한 값을 나타내고 있다는 것을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 펄스전등조명시스템의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 빛의 파장대별 식물에 대한 작용기작으로는 발아억제와 관련하여 730nm의 파장대가 유효하고, 광합성 작용 최대점과 관련한 파장은 675nm가 유효하며, 발아촉진과 개화억제에 대한 파장범위는 660nm가 유효하며, 식물의 신장생장 억제와 관련한 파장은 400nm에서 유효한 것으로 보고되고 있다.
이는 이용목적에 부합하는 광 파장을 발광하는 LED와 LED의 조명을 제어할 수 있는 펄스조명 제어시스템을 이용하여 식물재배포장에 설치하여 재배과정에 이용한다. LED의 설치는 조명목적에 따라 광파장, 광량(PPFD), 펄스주기, 펄스조명기간을 결정하여 일몰이후 암기에 조명하여 줌으로써 식물의 생장을 조절할 수 있다는 것을 의미한다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 발아촉진과 개화억제에 대한 파장범위는 660nm를 갖는 LED 광원을 이용한 펄스전등조명에 대해서 살펴본다. 실시방법은 다음과 같다.
펄스전등조명시스템은 전원을 입력하고 펄스전등조명 컨트롤러를 사용하여 전등방법으로 0.1초단위로 99.9초까지 전등의 ON/OFF를 설정시간 내에서 반복하도록 설정한다. 또한 설정된 펄스전원의 운용지속시간을 24시간 단위로 반복 설정할 수 있다. 예를 들어 전원을 펄스전등을 ON 1초, OFF 9초로 설정하면 1초간 점등 되고 9초간 소등되는 주기가 반복되게 된다.
따라서 점등시간펄스를 ON 1초, OFF 9초로 설정한 경우를 계산하면 전등의 ON시간이 1초 OFF시간이 10초로 되어 1분간 54초 분량의 전력을 절약할 수 있으며, 이를 24시간 운용한 경우 19.6시간분의 전력을 절약할 수 있게 된다.
또한 주간에는 태양광에 의한 생장조절이 가능하며, 특히 식물재배시 태양광이 조사되지 않는 야간 시간대에 있어서, 식물 생장조절을 위하여 0.1초 단위로 99.9초까지 전등의 ON/OFF를 설정시간 내에서 반복하는 LED 펄스조명에 의한 식물재배 방법을 사용함으로서, LED 전등조명에 의한 전력절감 및 재배방법의 효율성을 극대화할 수 있다.
이러한 방법이 가능한 것은 LED가 가지고 있는 장점 중에서 초 단위 이하의 시간으로 펄스조명을 하더라도 전등의 수명에 큰 영향을 미치지 않는다는 점, 기동전력이 필요하지 않는다는 점, 펄스조명을 하면 발광소자의 온도 상승이 되지 않아 발광효율이 높아지는 장점으로 인해 설정된 시간 내에서 0.1~ 99.9초 까지 ON/OFF 시간을 설정하여 반복하여 조명하는 LED 펄스조명제어시스템의 활용이 가능한 것이다.
도3 과 4는 LED 펄스조명 결과 LED 펄스조명 110일 후의 LED로부터의 거리별 개화상황을 나타낸다. 상기 결과는 거리별 광량 값이 도 2에서 나타내는 값으로 분포한 경우를 나타낸다. 상기 실험에서 LED 광의 펄스 주기는 ON 0.1초, OFF 0.9초 조건으로 설정하였다. 도3 과 4에 의하면 거리별 개화 억제효과는 광원으로부터 거리 1.6m까지는 개화결정 엽수가 70으로 나타난 반면 2m 이상의 거리에서는 절반 정도인 35범위에 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 이로부터 광원으로부터의 거리에 따른 개화 엽수는 광원의 펄스조명에 의해서도 식물 생장상 조절이 가능한 것을 알 수 있다. 따라서 광원이 켜짐 시간과 꺼짐 시간의 비율을 증대시킨다 하더라도 LED 전등조명 효과가 동일하게 나타나는 펄스조명의 방법을 식물별, 이용목적별로 적용한다면 전력사용을 획기적으로 절감할 수 있게 되는 것이다.
도 5와 6은 LED 펄스조명을 이용한 국화개화억제 재배 결과를 나타낸 사진이다. 동 사진에 의하면 광원의 조사방향에 따른 펄스조명을 조사한 경우의 개화억제효과가 광원으로부터 1.6m 및 그 이후를 비교하면 상이한 결과를 나타냄으로서 펄스 전원 공급에 따른 개화억제 효과가 나타난 것을 볼 수 있다.
이상의 결과로부터 펄스조명을 조사함에 따라 광원에 의한 식물성장 효과 등을 유지하면서 기존 LED를 이용한 조명시스템에 비하여 전력소비를 획기적으로 절감할 수 있다.
특히 본 발명에 의한 시스템은 일장을 조절하여 생장조절을 하여야 하는 식물의 재배시 예를 들면 국화, 들깨, 딸기 등과 같이 단일식물의 개화억제를 위한 일장조절용 전등조명, 카네이션, 장미등과 같은 장일식물의 생육촉진을 목적으로 하는 전등조명에 적용할 수 있다.
또한, 부수적으로는 LED는 설정시간 내에서 계속 켜두면 발광다이오드의 온도상승에 의한 발광효율 저하현상이 생기는 단점이 있었으나 펄스조명을 하게 되면 발광다이오드의 온도상승을 막아 발광효율을 지속적으로 유지할 수 있고 광원의 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 LED를 활용한 식물 생장조절용 기구로서 식물의 종류 및 생장단계에 따라서 LED 펄스조명시스템을 활용하게 되면 사용전력을 절감하면서 식물재배자가 목적하는 방향으로 식물 생장조절이 가능하게 되어 농산물의 부가가치를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
1 : 24시간 타이머
2 : 펄스전등조명 컨트롤러
3 : 전조시간 표시부
4 : 설정조작버튼
5 : AC-DC트랜스
6 : LED

Claims (5)

  1. 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템에 있어서,
    복수의 LED가 일정 간격으로 배열되는 있는 LED램프;
    전등조명시간 설정용 24시간 타이머;
    펄스조명이 가능하도록 ON/OFF시간을 각각 설정할 수 있는 펄스전등조명 컨트롤러;
    전등조명 시간을 설정하기 위한 설정조작부; 및
    LED 전원공급용 AC-DC트랜스를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템.
  2. 제1항에 있어서, 전등조명 시간을 설정하기 위한 설정조작부에는 전조시간 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템.
  3. 제1항에 있어서, 펄스전등조명 컨트롤러는 LED 펄스조명의 ON, OFF 시간을 각각 0.1~99.9초까지 0.1초 단위로 설정 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템.
  4. 식물재배용 LED 펄스전등조명 시스템을 이용한 식물재배방법에 있어서,
    복수의 LED가 일정 간격으로 배열되는 있는 LED램프의 전등조명시간 설정용 24시간 타이머를 설정하는 단계;
    펄스조명이 가능하도록 ON/OFF시간의 설정이 가능한 펄스전등조명 컨트롤러를 설정하는 단계; 및
    LED 전원공급용 AC-DC트랜스에 전원을 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템을 이용한 식물재배방법.
  5. 제4항에 있어서, 펄스전등조명 컨트롤러의 제어는 ON, OFF 시간을 각각 0.1~99.9초의 범위에서 설정하여 설정시간 단위로 전등의 ON/OFF를 반복하도록 하는 것을 특징으로 하는 식물재배용 LED 펄스전등조명시스템을 이용한 식물재배방법.
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