KR20130078664A - 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치 - Google Patents

방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치로써, 두 전극 사이에 방전을 일으켜 빛을 방출하는 방전램프에서 식물 생장에 필요한 특정 파장 영역의 광강도를 보강할 수 있는 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치는, 내부에 식물이 재배되는 케이스와; 상기 케이스의 상부에 장착되고, 두 전극 사이에 방전을 일으켜 빛을 방출하는 방전램프와; 상기 케이스의 상부에 장착되어 상기 방전램프와 이격 배치되고, 적색광 및 청색광을 방출하는 LED램프와; 상기 방전램프와 LED램프에서 방출된 빛을 감지하여 특정 파장대의 광도를 측정하는 RGB센서와; 상기 RGB센서가 측정한 빛의 특정 파장대역의 광도를 미리 설정된 빛의 특정 파장대역의 광강도와 비교하여 그 차이에 따라 상기 LED램프를 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치 { Lighting controller for improving the light quality of discharge lamps for plant growth }
본 발명은 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치로써, 두 전극 사이에 방전을 일으켜 빛을 방출하는 방전램프에서 식물 생장에 필요한 특정 파장 영역의 광강도를 보강할 수 있는 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 식물 재배시 인공조명을 이용하는 기술은 근래에 식물 재배 장치에 널리 적용되고 있다.
통상 식물은 엽록체가 햇빛의 힘으로 탄산가스와 물로부터 전분 등의 탄수화물을 합성하는 작용을 통해 성장하며, 이렇게 빛에너지를 화학에너지로 바꾸는 광합성은 식물 생장에 있어 가장 중요한 부분이다.
이러한 식물 재배 장치는 등록특허 제10-1000648호에 개시되어 있다.
도 1은 조명기구가 장착된 종래의 식물 재배 장치를 나타낸 도면이다.
종래의 식물 재배 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 재배상자(20)가 배치된 재배공간부(10)가 설치된다.
상기 재배상자(20)의 상측에는 조명기구(30)가 설치되어 인공조명이 상기 재배상자(20) 방향으로 조사되게 하여 식물이 생장되도록 한다.
종래의 식물 재배 장치에 설치된 상기 조명기구(30)는 반사판(32) 및 조명등(36)으로 구성된다.
상기와 같이 식물 재배 장치는 식물의 생장에 필요한 광환경을 유지하기 위하여 태양광을 대신하는 목적으로 조명등을 사용하고 있으며, 상기 조명등은 보통 방전램프로 이루어진다.
상기 방전램프는 두 전극 사이에 방전을 일으켜 빛을 방출하는 램프로써, 메탈할라이드램프, 고압나트륨램프, 제논램프, 형광등 등이 있다.
그러나 이러한 방전램프들은 상이한 파장의 광질을 가지고 있어 광강도가 일정하게 유지되더라도 식물의 생장에 차이가 발생한다.
또한, 식물이 필요로 하는 광강도를 유지하기 위해서는 소비전력이 높은 고출력 방전램프를 사용하게 되고, 이에 따라 발열에 의한 식물의 피해를 가져올 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 방전램프를 LED램프로 대체할 경우 식물 재배 장치를 운영하는데 있어서 초기 시설비용의 부담으로 식물의 생산 비용이 대폭 증가할 수밖에 없는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 방전램프와 LED램프를 함께 사용하여 초기 시설비용의 부담을 줄이면서 저출력 방전램프의 이용에서 오는 소비전력 절감과 LED램프에 의해 방전램프의 부족한 파장대역의 광도를 보충하여 양질의 식물을 생산할 수 있는 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치는, 내부에 식물이 재배되는 케이스와; 상기 케이스의 상부에 장착되고, 두 전극 사이에 방전을 일으켜 빛을 방출하는 방전램프와; 상기 케이스의 상부에 장착되어 상기 방전램프와 이격 배치되고, 적색광 및 청색광을 방출하는 LED램프와; 상기 방전램프와 LED램프에서 방출된 빛을 감지하여 특정 파장대의 광강도를 측정하는 RGB센서와; 상기 RGB센서가 측정한 빛의 특정 파장대역의 광도를 미리 설정된 빛의 특정 파장대역의 광도와 비교하여 그 차이에 따라 상기 LED램프를 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어진다.
상기 케이스의 내부에 장착되어 상기 방전램프 및 LED램프에서 방출된 빛을 반사하는 반사체를 더 포함하여 이루어지되, 상기 RGB센서는 상기 케이스의 상부에 장착되어 상기 반사체에 반사된 빛을 감지한다.
상기 반사체는 식물의 생장에 따라 그 높이가 가변된다.
상기 반사체는 상기 케이스에서 재배되는 식물과 상기 방전램프 및 LED램프 사이 거리의 1/2지점에 배치된다.
상기 RGB센서의 둘레에는 하부로 가림막이 돌출 형성된다.
본 발명에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
방전램프와 LED램프를 함께 사용하여 제어부에 의해 LED램프가 방전램프의 부족한 파장대역의 광도를 보충함으로써, 초기 시설비용의 부담을 줄이면서 저출력 방전램프를 이용하여 소비전력을 절감할 수 있고 방전램프의 광질을 개선하여 양질의 식물의 생산을 증대시켜 경제성을 확보할 수 있다.
또한, 케이스의 내부에 장착되어 방전램프 및 LED램프에서 방출된 빛을 RGB센서로 반사하는 반사체를 포함하여 이루어짐으로써, 식물이 흡수하는 특정 파장대역의 광도를 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, RGB센서의 둘레에 하부로 가림막이 돌출 형성됨으로써, 방전램프 또는 LED램프에서 방출된 빛이 반사체에 반사되지 않고 RGB센서에 직접 감지되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 조명기구가 장착된 종래의 식물 재배 장치를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치에서 케이스의 하부에 RGB센서가 장착된 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치에서 반사체가 신장된 상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치의 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치에서 케이스의 하부에 RGB센서가 장착된 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치에서 반사체가 신장된 상태를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치의 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 케이스(100), 방전램프(200), LED램프(300), RGB센서(400), 반사체(500) 및 제어부(600)로 이루어진다.
상기 케이스(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 내부에 식물이 재배된다.
따라서 상기 케이스(100)의 내부는 식물의 생장을 위한 생육환경이 제공되며, 상황에 따라 온도, 습도 등 그 생육조건을 제어할 수 있다.
그리고 상기 케이스(100)에는 식물의 상부에 배치되어 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)가 장착되는 승강판(110)이 결합된다.
상기 승강판(110)은 상기 케이스(100)의 내부에서 상하로 승강하면서 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)에서 식물로 조사되는 빛의 광도를 조절할 수 있다.
구체적으로 상기 승강판(110)은 상기 케이스(100)와 레일구조(111)로 결합되어 모터(미도시)에 의해 상하 승강되도록 할 수 있다.
또한, 상기 승강판(110)을 구성요소로 포함하지 않고 상기 방전램프(200)와 LED램프(300)를 상기 케이스(100)의 상부에 고정 장착할 수도 있다.
상기 방전램프(200)는 상기 케이스(100)의 상부에 장착되고, 두 전극 사이에 방전을 일으켜 빛을 방출한다.
즉, 상기 방전램프(200)는 전술한 바와 같이 상기 승강판(110)에 장착되어 식물이 재배되는 하부로 빛을 방출한다.
이러한 방전램프(200)에는 메탈할라이드램프, 고압나트륨램프, 제논램프, 형광등 등이 있다.
상기 방전램프(200)에서 방출되는 빛은 400~700㎚의 광합성유효복사(PAR : Photosynthetically active radiation)를 포함하고 있으며, 상기 방전램프(200)의 종류에 따라 광합성유효복사 범위 내의 청색광(450㎚±30), 녹생광(525㎚±30), 적색광(660㎚±30) 영역에서의 광강도 비율이 각각 상이하다.
상기 방전램프(200)는 그 종류를 다양하게 조합하여 장착할 수 있으며, 상기 LED램프(300)와 함께 그 위치를 적절히 조절하여 배치할 수 있다.
한편, 청색광 영역대의 빛은 다른 파장대역의 빛에 비해 식물에 조사했을 때, 동일 조건하에서 식물 내의 비타민C 및 엽록소 함량이 많았다.
그리고 적색광 영역대의 빛은 다른 파장대역의 빛에 비해 식물에 조사했을 때, 생체중(Fresh weight) 및 건물중(Dry weight)이 높게 나타났다.
이는 동일한 식물로 이루어진 다수의 샘플그룹에 각각 서로 다른 파장대역의 빛을 조사하여 생육된 식물을 분석한 결과이다.
녹색광은 식물이 반사하여 녹색을 띠게 되므로 식물이 흡수하는 양이 적으며 식물의 생장에 미치는 영향이 크지 않다.
상기 LED램프(300)는 상기 케이스(100)의 상부에 장착되어 상기 방전램프(200)와 이격 배치되고, 적색광 및 청색광을 방출한다.
즉, 상기 LED램프(300)는 적색광 LED램프(300)와 청색광 LED램프(300)로 이루어진다.
이에 따라 상기 LED램프(300)는 상기 방전램프(200) 중 부족한 파장대역의 빛을 방출하거나 광도를 조절하여 식물이 흡수하는 광질을 조절할 수 있다.
상기 LED램프(300)는 식물의 생육조건에 따라 적색광 LED램프(300)만 장착하거나 청색광 LED램프(300)만 장착하여 식물이 흡수하는 광질을 조절할 수도 있다.
또한, 상기 LED램프(300)는 경우에 따라 그 종류 및 개수를 다양하게 할 수 있다.
상기 RGB센서(400)는 상기 방전램프(200)와 LED램프(300)에서 방출된 빛을 감지하여 특정 파장대의 광도를 측정한다.
구체적으로 상기 RGB센서(400)는 상기 케이스(100)의 상부 즉, 상기 승강부에 장착되어 상기 케이스(100)의 하부에 장착된 상기 반사체(500)에 반사된 빛을 감지한다.
그리고 상기 RGB센서(400)는 상기 방전램프(200)와 LED램프(300)에서 방출된 청색광 및 적색광 영역대의 빛을 감지한다.
이와 같이 상기 RGB센서(400)가 상기 방전램프(200)와 LED램프(300)에서 방출된 청색광 및 적색광 영역대의 빛을 감지함으로써, 상기 케이스(100)의 내부에서 재배되는 식물이 흡수하는 청색광 및 적색광의 광량을 측정할 수 있으며 이에 따라 상기 LED램프(300)의 광도를 조절하여 식물이 흡수하는 광질을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 RGB센서(400)의 둘레에는 하부로 가림막(410)이 돌출 형성된다.
상기 가림막(410)은 상기 RGB센서(400) 주위를 둘러싸도록 형성되어 상기 방전램프(200) 또는 LED램프(300)에서 방출된 빛이 상기 반사체(500)에 반사되지 않고 상기 RGB센서(400)에 직접 감지되는 것을 방지하기 위함이다.
이러한 상기 RGB센서(400)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 케이스(100)의 바닥면에 장착되어 상기 반사체(500)에 반사된 빛이 아닌 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)에서 조사된 빛을 직접 감지하도록 할 수도 있다.
이때, 상기 케이스(100)의 내부에서 재배되는 식물에 의해 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)에서 조사된 빛이 가려지는 것을 방지하기 위하여 상기 RGB센서(400)를 식물의 키 높이보다 상부에 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 RGB센서(400)를 상기 케이스(100)의 바닥면에 장착할 때는 이하 기술할 상기 반사체(500)와 같은 승강구조로 식물의 생장에 따라 상기 RGB센서(400)의 높이를 가변시킬 수도 있다.
상기 반사체(500)는 상단에 반사거울(510)이 장착되고, 상기 케이스(100)의 내부에 장착되어 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)에서 반사된 빛을 반사한다.
그리고 상기 반사체(500)는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 케이스(100)의 하부에 장착되어 상기 케이스(100)의 내부에서 재배되는 식물의 생장에 따라 그 높이가 가변된다.
구체적으로 상기 반사체(500)는 그 길이를 상하로 신축할 수 있도록 실린더 구조로 형성할 수 있다.
즉, 상기 케이스(100)의 하부에 실린더가 형성되고, 상단에 상기 반사거울(510)이 장착된 피스톤이 상기 실린더에서 승강되도록 할 수 있다.
또한, 상기 반사체(500)는 상단에 상기 반사거울(510)이 장착되고 상기 케이스(100)의 하부에 수직으로 배치되는 랙기어와, 회전하면서 상기 랙기어를 승강시키는 피니언 구조로 이루어질 수도 있다.
상기 반사체(500)는 이 외에도 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 상기 반사체(500)는 상기 케이스(100)에서 재배되는 식물과 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300) 사이 거리의 1/2지점에 배치되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 반사체(500)에 장착된 반사거울(510)은 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)와 식물 사이 거리의 1/2지점에 배치되도록 한다.
이와 같이 상기 반사거울(510)이 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)와 식물 사이 거리의 1/2지점에 배치됨으로써, 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)에서 방출되어 식물이 흡수하는 청색광 및 적색광이 조사된 거리와 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)에서 방출되어 상기 반사체(500)에 반사된 후 상기 RGB센서(400)가 감지하는 빛이 조사된 거리를 동일하게 하여 상기 방전램프(200)와 LED램프(300)에서 방출되어 식물이 흡수하는 청색광 및 적색광의 광도를 정밀하게 측정할 수 있다.
상기 반사체(500)가 본 실시예와 달리 그 길이가 가변되지 않고 고정되어 있을 경우에는, 식물이 생장함에 따라 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)와의 거리가 가까워지게 되고, 이에 따라 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)에서 방출되어 식물이 흡수하는 청색광 및 적색광이 조사된 거리보다 상기 방전램프(200) 및 LED램프(300)에서 방출되어 상기 반사체(500)에 반사된 후 상기 RGB센서(400)가 감지하는 빛이 조사된 거리가 더 길어져서 그 차이가 점점 더 커지게 되기 때문에 식물이 흡수하는 청색광 및 적색광의 광도와 상기 RGB센서(400)에 의해 측정된 청생광 및 적색광의 측정값의 오차가 커지게 되어 정밀한 측정이 어렵다.
이에 반해 본 실시예에서는 상기 반사체(500)의 길이를 식물의 생장에 따라 가변시킴으로써, 식물이 흡수하는 청생광 및 적색광의 광도를 상기 RGB센서(400)에서 정밀하게 측정할 수 있도록 하였다.
상기 제어부(600)는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 RGB센서(400)가 측정한 빛의 특정 파장대역의 광도를 미리 설정된 빛의 특정 파장대역의 광도와 비교하여 그 차이에 따라 상기 LED램프(300)를 제어한다.
구체적으로 상기 RGB센서(400)는 청색광 및 적색광을 감지하여 그 광강도를 측정하고, 상기 제어부(600)는 상기 RGB센서(400)에서 측정된 청색광 및 적색광의 광도와 미리 설정된 청색광 및 적색광의 광도와 비교하여 상기 청색광 LED램프(300) 또는 적색광 LED램프(300)의 광도를 제어하여 식물이 흡수하는 청색광 및 적색광 영역대의 광도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)는 식물이 생장함에 따라 전술한 바와 같이 상기 반사체(500)의 길이를 신축시킬 수 있다.
상기와 같이 식물의 생장에 따라 상기 반사체(500)의 길이를 신축시키기 위하여 상기 케이스(100)에 상기 식물의 키를 측정할 수 있는 센서를 장착하여 식물의 키에 따라 상기 제어부(600)가 상기 반사체(500)의 길이를 신축시킬 수도 있고, 또는 식물의 재배자가 직접 상기 반사체(500)를 작동시키는 유압펌프 또는 모터와 연결된 스위치로 그 길이를 조절할 수도 있다.
아래 표 1은 상기 방전램프(200)의 일례로써 백색 형광등과 태양광의 파장대역별 광합성유효광량자속(PPF : Photosynthetic photon flux)을 비교하여 나타내었다.
태양광(A) 백색 형광등(B) A-B
청색광(450±30㎚) 31.6 19.3 12.3
녹색광(525±30㎚) 41.5 44.9 -3.4
적색광(660±30㎚) 48.9 12.4 36.6
기타 78.0 73.5 4.5
총계 200 150 50
(단위 : μmol·m-2·s-1)
상기 표 1은 200μmol·m-2·s-1의 태양광을 기준으로 태양광과 백색 형광등의 광합성유효광량자속 및 그 차이(A-B)를 나타내고 있다.
상기 방전램프(200)로 백색 형광등을 사용할 경우 태양광에 비해 청색광이 12.3, 적색광이 36.6 만큼 부족하게 된다.
이에 따라 상기 제어부(600)는 상기 청색광 LED램프(300)와 적색광 LED램프(300)의 광도를 각각 제어하여 식물에 청색광 및 적색광 파장대역의 광량을 보충해주게 된다.
경우에 따라 청색광 및 적색광 파장대역의 광량 설정량을 각 파장대역별 태양광의 광량보다 많거나 적게 설정할 수도 있다.
백색 형광등 이외의 방전램프(200) 역시 광함성유효광량자속의 각 파장대역별 비율이 상이할 뿐 그 제어방법은 동일하다.
이와 같이 상기 방전램프(200)와 LED램프(300)를 함께 사용하여 상기 제어부(600)에 의해 상기 LED램프(300)가 상기 방전램프(200)의 부족한 파장대역의 광도를 식물에 보충해 줌으로써, 초기 시설비용의 부담을 줄이면서 저출력 방전램프(200)를 이용하여 소비전력을 절감할 수 있고 상기 방전램프(200)의 광질을 개선하여 양질의 식물의 생산을 증대시켜 경제성을 확보할 수 있다.
본 발명인 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
100 : 케이스, 110 : 승강판, 111 : 레일구조,
200 : 방전램프,
300 : LED램프,
400 : RGB센서, 410 : 가림막,
500 : 반사체, 510 : 반사거울,
600 : 제어부,

Claims (5)

  1. 내부에 식물이 재배되는 케이스와;
    상기 케이스의 상부에 장착되고, 두 전극 사이에 방전을 일으켜 빛을 방출하는 방전램프와;
    상기 케이스의 상부에 장착되어 상기 방전램프와 이격 배치되고, 적색광 및 청색광을 방출하는 LED램프와;
    상기 방전램프와 LED램프에서 방출된 빛을 감지하여 특정 파장대의 광강도를 측정하는 RGB센서와;
    상기 RGB센서가 측정한 빛의 특정 파장대역의 광도를 미리 설정된 빛의 특정 파장대역의 광도와 비교하여 그 차이에 따라 상기 LED램프를 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 장착되어 상기 방전램프 및 LED램프에서 방출된 빛을 반사하는 반사체를 더 포함하여 이루어지되,
    상기 RGB센서는 상기 케이스의 상부에 장착되어 상기 반사체에 반사된 빛을 감지하는 것을 특징으로 하는 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반사체는 식물의 생장에 따라 그 높이가 가변되는 것을 특징으로 하는 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 반사체는 상기 케이스에서 재배되는 식물과 상기 방전램프 및 LED램프 사이 거리의 1/2지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 RGB센서의 둘레에는 하부로 가림막이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치.
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