KR20190140148A - 보조 광원 시스템 및 이에 사용되는 광 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비닐하우스나 온실과 같이 태양광이 주 광원인 시설 재배 환경에서 피생육생장 단계상 필요한 광원의 파장을 미리 데이터베이스로 구축하고, 위의 광 측정장치를 이용하여 주 광원의 특정 파장의 세기를 측정하고, 현재 생장 단계에서 요구되는 해당 파장의 세기에 비해 주 광원의 파장이 약할 경우 특정 파장을 선택적으로 보강할 수 있는 인공 광원을 이용하여 주 광원을 보조하는 시스템에 관한 것이다. 아울러 빛이 파장필터를 통과할 때 필터의 색상에 따라 특정 파장의 빛만을 통과시키는 원리를 이용하여 원하는 특정 파장의 세기를 복잡한 스펙트럼 분석 없이도 손쉽고 저렴하게 계측할 수 있는 광 측정장치가 위 시스템에 적용될 수 있다.
Description
본 발명은 특정 파장만을 선택적으로 통과시키는 파장필터를 이용하여 사용자가 원하는 특정 파장의 세기를 복잡한 스펙트럼 분석 없이도 손쉽고 저렴하게 계측할 수 있는 광 측정장치에 관한 것이다.
아울러 비닐하우스나 온실과 같이 태양광이 주 광원인 시설 재배 환경에서 피생육체의 생장 단계별로 필요한 광원의 파장을 미리 데이터베이스로 구축하고, 위의 광 측정장치를 이용하여 측정한 주 광원의 특정 파장의 세기가 현재 생장 단계에서 요구되는 세기보다 약할 경우 인공 광원을 이용하여 그 특정 파장을 선택적으로 보강하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 국토의 면적이 좁고 인구가 많은 경우 제한된 경작 면적으로 인해 대규모 기계화가 불가능하여 비료나 농약을 대량 투입하는 화학 농법으로 식량 문제를 해결해오고 있으나 생산성에는 한계가 있다. 또한 일조시간이 부족한 극지대나 용수가 부족한 사막지대에서는 식량 생산이 불안정하므로 생산 공간을 확대하고 생산시기를 연장하여 생산량을 증대시키는 동시에 제한된 공간내부의 환경을 적절하게 조절하여 품질을 향상시키는 시설농업이 등장하게 되었다. 다만 시설농업에서 생산성을 향상시키기 위해서는 제한된 공간인 시설 내부의 환경조건을 인위적으로 조절함으로써 작물이 가지는 유전적 형질을 최대한 발휘시키는 것이 중요하다. 일례로 시설 내부의 광 조사 환경을 인위적으로 변경함으로써 생육 효율을 높일 수 있다는 연구결과가 발표된 바 있다.
식물은 엽록소에서 빛을 받아들여 광합성을 진행하는데, 광합성은 식물의 엽록소 분자가 빛 에너지를 포집하여 물과 이산화탄소가 생명체의 기본 영양인 탄수화물로 변환될 수 있도록 화학적 에너지를 만드는 것으로부터 시작한다. 여기서 엽록소는 빛의 파장에 따라 빛을 흡수하는 능력이 다르다는 특징이 있다. 즉, 엽록소는 청색과 적색 파장 대역의 빛을 주로 흡수하고. 광합성 과정에서 그리 중요하지 않은 녹색과 노란색 파장대역의 빛은 대부분 반사한다. 식물은 태양으로부터 오는 백색광 전체를 골고루 이용하는 것이 아니라 특정 파장대역의 빛만을 선택적으로 이용하는 것이다. 따라서 인공광으로 작물을 재배할 경우 백색광을 조사하는 것은 불필요하게 에너지를 낭비하는 것과 같으며, 상황에 따라 시설 내부에 청색 또는 적색의 광을 조사하는 것이 효율적인 것이다.
다만 청색과 적색의 파장이기만 하면 모든 식물에 대해 동일한 작용 효과를 보이는 것은 아니며 작물의 종류와 생육 상태 또는 생장 단계에 따라 요구되는 광의 파장이 각각 달라진다. 따라서 상황에 따라 최적의 파장으로 시설 내에 인공광을 조사하는 기술이 요망된다고 할 수 있다.
이러한 요구를 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제169542호(특허문헌 0001)는 식물 성장 또는 특성을 조절하는 시스템을 공개한다. 즉, 특허문헌 0001은 작물의 성장 단계를 모니터링하여 그에 상응하는 파장의 광을 방사하는 기술을 제안하고 있다. 그러나 특허문헌 00001은 시설농업이라면 기본적으로 고려해야 하는 태양광의 요소를 고려하지 않고 단지 식물 잎의 온도, CO2 동화의 양자 생산량, 작물의 발광, 작물의 형광, UV차폐 화합물의 평가 등과 같이 작물 자체의 상태만을 고려하여 광 방사의 파장을 조절하고 있다.
태양광은 하루의 매 시간별로 조사되는 각도가 다르므로 작물에 조사되는 광의 파장의 세기가 아침, 점심, 저녁으로 시시각각 변경된다. 또한 계절별로 조사되는 파장의 세기가 다르고 맑은 날, 흐린 날, 비오는 날 등과 같이 동일 시간대 및 동일 계절 내에서도 그날의 일기에 따라 조사되는 파장 세기가 달라진다.
실험적인 예시로 도 1a 내지 도 1b는 동일 장소에서 측정한 시간대 별 태양광의 스펙트럼의 변화를 도시한다. 도 1a와 도 1b를 비교해 볼 때, 동일 장소이지만 2017년 9월 27일 오전 10시에 비해 오후 1시에 태양광의 적색 스펙트럼의 파장이 약화되어 있음을 확인할 수 있다. 또한 도 1b와 도 1c에서 보듯, 동일 장소이지만 2017년 9월 27일 오후 1시의 스펙트럼에 비해 다음날인 2017년 9월 28일 오후 1시의 스펙트럼에서는 극청색의 파장이 일부 감소하는 대신 적색의 파장이 다시 증가하는 모습을 확인할 수 있다.
이럿듯, 태양광은 시간, 계절 및 기후의 변화에 따라 수시로 조사의 특성이 달라짐에도 특허문헌 0001은 이러한 태양광의 변화를 직접 반영하지 못하고 있다.
한편, 가변하는 태양광에 따라 보조 광원을 제어하는 기술이 한국공개특허 제2013-56735호(특허문헌 0002)에 공개되어 있다. 특허문헌 0002는 온실의 보조광원 제어방법에 관한 것으로서 작물이 태양광으로부터 받는 누적 광량을 일사량 센서로 측정하고 작물의 종류 및 생장 단계에서 필요한 적정 광량에 비해 부족한 광량을 보조 광원으로 보충하는 기술을 제안한다. 그러나 특허문헌 002는 태양광의 누적 광량을 측정할 뿐 특정 환경에서 필요한 광의 파장의 세기를 측정 또는 연산하는 것은 아니다. 따라서 불필요한 파장 대역의 광까지 일괄 조사하므로 전력 소모가 증대될 수 밖에 없고 불필요한 광 요소까지 조사되면 오히려 작물의 광방출 등 반대 작용을 유발하는 등 작물 생장을 세밀하게 제어할 수 없다.
국제특허출원공개 제2014-188303호(특허문헌 3)는 원예를 위한 동적인 광 레시피 기술에 관한 것으로서, 태양광의 조건에 따라 보조 광원인 LED의 조사량을 조절하는 기술을 공개한다. 특허문헌 3은 태양광의 광량과 스펙트럼 조성을 분석하는 기술을 제안하고 있는데 센서에 입력된 태양광 및 LED광의 스펙트럼 전체를 분석하여 작물에 요구되는 특정 파장(예를 들면 청 파장)의 세기를 연산하는 방식을 공개한다. 그러나 이와 같은 스펙트럼 분석 알고리즘은 고도의 분석 기술을 요하므로 고사양의 연산 프로세서와 고가의 SW가 탑재되는 경향이 있다. 이는 결국 공급 단가의 상승으로 이어져 해당 기술의 보급을 가로막는 장애 요소가 될 수 있다.
한편, 태양광은 시간, 계절 및 기후에 따라 조사의 특성이 변화하기도 하지만 지역에 따라 태양광의 조사량 자체가 부족할 수도 있으므로, 작물의 효율적인 재배를 위해서는 태양광을 보조하기 위한 인공광이 필수적이라 할 수 있다. 인공광의 수단으로 백열등, 형광등, 할로겐 전구 및 고압나트륨 전구 등이 사용되어 왔으나 최근에는 에너지 절감 및 환경 보호를 위한 대체용으로 식물 재배용 반도체 발광 다이오드가 각광받고 있다.
대한민국 공개특허 제2013-0052306호(특허문헌 0004)에는 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, 특허문헌 0004의 식물 조명장치는 여전히 제한되고 고정된 파장을 가지는 빛을 제공하기 때문에 다양한 파장의 빛을 방출하지 못하는 한계가 있다. 설사 다양한 파장을 구현하기 위해 LED 모듈을 종류별로 다양하게 구비할 수 있겠으나 그러한 구조로 인해 조명장치 자체의 면적이 증가할 수 밖에 없으므로 태양광의 보조광으로서 최소한의 공간을 차지해야 함에도 불구하고 오히려 조명장치 자체가 태양광을 가림으로써 결국 인공광의 전력소모를 증가시키는 부작용이 발생할 수 있다.
본 발명은 위와 같은 종래의 기술이 가지는 문제점들을 개선하고자 고안된 것으로서, 기본적으로 태양광과 같은 주 광원을 최대한 활용하면서 보조적으로 인공광을 제공하여 피생육체의 생장에 최적의 광 파장 조건을 항시적으로 조성하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 동일 장소임에도 불구하고 시간, 계절 또는 일기에 따라 다이나믹하게 변동하는 주 광원의 변화를 실시간 또는 주기적으로 모니터링 하여 현재 상황에 필요한 만큼의 인공광을 조사함으로써 불필요하게 낭비되는 인공광의 에너지를 최소하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 피생육체가 필요로 하는 생육 조건으로 광량(quantity of light)과 같은 덤프 조건이 아니라 특정 파장의 세기 조건과 같은 정밀 조건을 이용함으로써 인공광의 에너지 소비 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 주 광원의 특정 파장의 세기를 측정하기 위해 종래의 스펙트럼 이미지 분석 알고리즘과 같이 고사양의 분석 환경을 갖추지 않더라도 상대적으로 간단하고 저렴한 비용으로 동등한 효과를 누릴 수 있는 광 측정 수단을 제시하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위해 본 발명 주 광원의 특정 파장 세기를 측정하는 센서부와, 피생육체의 생장 단계별 요구 파장을 미리 저장하는 생육 데이터베이스와, 인공의 보조광을 발생시키는 조명부 및 상기 센서부가 측정한 주 광원의 파장 세기가 상기 생육 데이터베이스의 파장 세기보다 작으면 상기 조명부를 제어하여 인공 보조광의 해당 파장을 강화하는 제어부를 포함하는 보조 광원 시스템을 일 실시례로 제안한다.
일 실시예의 보조 광원 시스템에서 상기 센서부는, 주 광원으로부터 기설정 파장의 빛을 선택적으로 출력하기 위한 색상 영역을 구비하는 파장필터와, 상기 파장필터의 색상 영역을 통과한 광원의 파장 세기를 측정하는 광센서를 포함할 수 있다. 상기 파장필터는, 서로 다른 종류의 색상 영역을 복수로 구비하며, 상기 센서부는, 복수의 기설정 파장 중 적어도 하나를 선택적으로 측정할 수 있도록 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변하기 위한 구동장치를 더 포함할 수 있다.
상기 파장필터는 원판형으로 형성되며, 상기 구동장치는 원판형의 파장필터를 회전시켜 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변하는 실시례로 구현될 수 있다. 또한 선택적으로, 상기 파장필터는 테이프형으로 형성되며, 상기 테이프형 파장필터의 양단은 두 개의 롤러에 의해 감겨 있고, 상기 구동장치에 의해 상기 롤러를 회동시킴으로써 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변하는 실시례로 구현될 수 있다.
파장필터의 실시예들에서 상기 파장필터는, 복수의 색상 영역들을 구비하는 제1 파장필터와, 복수의 색상 영역을 구비하는 제2 파장필터를 포함하고, 상기 제1 파장필터와 상기 제2 파장필터는 그 일부가 중첩되도록 층으로 배치되며, 상기 구동장치는 상기 제1 파장필터와 상기 제2 파장필터를 각각 움직여 상기 제1 파장필터의 일 색상 영역과 상기 제2 파장필터의 일 색상 영역이 서로 오버랩 되도록 할 수 있다.
보조 광원 시스템의 일 실시예에서 상기 조명부는, 적어도 하나 이상의 인공광원과, 상기 인공광원의 파장을 기설정 파장으로 변환하기 위해 기설정 파장에 대응하는 빛을 출력하는 파장변환물질이 도포된 파장변환필름 및 상기 파장변환필름의 인공광원 조사영역을 가변시키는 구동장치를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때 상기 파장변환물질은 양자점 또는 형광체 중 어느 하나일 수 있다.
보조 광원 시스템의 일 실시예는, 피생육체의 영상을 획득하기 위한 카메라를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 카메라를 통해 획득한 영상을 분석하여 피생육체의 생육 상태를 판단하는 분석모듈을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서 상기 분석모듈은, 분석모듈이 획득된 영상으로부터 도출된 조사된 광원에 대한 피생육체의 반사 스펙트럼과 피생육체가 발하는 형광 성분 중 적어도 하나를 이용하여 생육 상태를 판단할 수 있다. 다른 실시예에서 상기 분석모듈은, 획득된 영상으로부터 도출된 상기 카메라와 피생육체 간의 거리와 상기 카메라의 특성과 관계된 값들을 이용하여 피생육체의 크기를 연산하고, 연산된 피생육체의 크기를 이용하여 생육 상태를 판단할 수 있다.
보조 광원 시스템의 일 실시예는, 상기 분석모듈이 판단한 생육 상태에 해당하는 파장의 세기를 상기 생육 데이터베이스에서 확인하고, 상기 센서부에 의해 측정된 현재 광원의 파장 세기가 상기 확인된 파장 세기보다 작으면 상기 조명부를 제어하여 인공광의 해당 파장을 강화할 수 있다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 실시예는 주 광원으로부터 기설정 파장의 빛을 선택적으로 출력하기 위한 색상 영역을 복수로 구비하는 파장필터와, 복수의 기설정 파장 중 적어도 하나를 선택적으로 측정할 수 있도록 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변하기 위한 구동장치 및 상기 파장필터의 색상 영역을 통과한 광원의 파장 세기를 측정하는 광센서를 포함하는 광 측정 장치를 제안한다.
광 측정 장치의 일 실시예에서 상기 파장필터는 원판형으로 형성되며, 상기 구동장치는 원판형의 파장필터를 회전시켜 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변할 수 있다. 또한 상기 파장필터는, 복수의 색상 영역들을 구비하는 제1 파장필터와, 복수의 색상 영역을 구비하는 제2 파장필터를 포함하고, 상기 제1 파장필터와 상기 제2 파장필터는 그 일부가 중첩되도록 층으로 배치되며, 상기 구동장치는 상기 제1 파장필터와 상기 제2 파장필터를 움직여 상기 제1 파장필터의 일 색상 영역과 상기 제2 파장필터의 일 색상 영역이 서로 오버랩 되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 기본적으로 태양광과 같은 주 광원을 최대한 활용하면서 보조적으로 인공광을 제공하므로 인공광만을 단독으로 사용하는 시스템에 비해 인공광의 에너지 소비를 최소화할 수 있다. 특히 태양광의 부족한 광량을 일률적으로 보충하는 것이 아니라 현재 요구되는 특정 파장의 세기에 비해 부족한 태양광의 특정 파장만을 보충하므로 인공광의 에너지 소비를 한 번 더 절감하는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 태양광과 같은 주 광원이 시간, 계절, 기상 등의 환경적 요인에 따라 조사량과 특정 파장의 세기가 변화하더라도 실시간 또는 주기적인 측정과 즉각적인 인공광의 보충을 통해 작물의 현재의 생육 상태 또는 현재의 생장 단계에 필요한 최적의 광 조건을 항시적으로 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면 태양광의 특정 파장의 세기를 측정하기 위해 복잡하거나 고비용의 스펙트럼 분석 방법이 아니라 가변하는 파장필터를 이용한 광 센서를 활용함으로써 광 측정 장치의 공급 단가를 낮추는 한편 에너지 소비율을 최소화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면 원래는 동일한 태양광이었다 하더라도 가변 파장의 광 측정 장치와 인공 보조광을 이용하여 특정 파장을 선택적으로 강화함으로써 사용자가 원하는 맛, 특정 영양 성분 또는 색상 등을 최고 품질로 강화할 수 있는 작물 맞춤형 태양광의 효과를 기대할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 동일 장소에서 측정한 시간대 별 태양광의 스펙트럼의 변화를 도시한 것.
도 2는 식물의 생장 단계별로 요구되는 생육 기능과 요구 파장의 세기 관계를 그래프로 설명한 것.
도 3은 본 발명의 일 실시예로 제안하는 보조 광원 시스템의 개념도.
도 4는 센서부의 구성요소들을 구체적으로 예시한 블럭도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서부(310)의 구동 원리를 도시한 것.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서부(310)의 구동 원리를 도시한 것.
도 7a 와 도 7b는 양자점의 원리를 설명한 것이고 도 7c는 형광체의 발광원리를 설명한 것.
도 8은 조명부의 구성요소들을 구체적으로 예시한 블럭도.
도 9는 제어부의 구성요소들을 구체적으로 예시한 블럭도.
도 10은 영상부의 구성요소를 구체적으로 도시하는 블럭도.
도 2는 식물의 생장 단계별로 요구되는 생육 기능과 요구 파장의 세기 관계를 그래프로 설명한 것.
도 3은 본 발명의 일 실시예로 제안하는 보조 광원 시스템의 개념도.
도 4는 센서부의 구성요소들을 구체적으로 예시한 블럭도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서부(310)의 구동 원리를 도시한 것.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서부(310)의 구동 원리를 도시한 것.
도 7a 와 도 7b는 양자점의 원리를 설명한 것이고 도 7c는 형광체의 발광원리를 설명한 것.
도 8은 조명부의 구성요소들을 구체적으로 예시한 블럭도.
도 9는 제어부의 구성요소들을 구체적으로 예시한 블럭도.
도 10은 영상부의 구성요소를 구체적으로 도시하는 블럭도.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 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 수 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.
본 명세서에서 기재한 모듈(MODULE)이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드 웨어 및 소프트웨어의 결합을 의미할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된용어나 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 2는 식물의 생장 과정에서 단계별로 요구되는 생육 기능과 해당 단계에서 요구되는 특정 파장의 세기 관계를 그래프로 설명한다.
통상적으로 식용 작물의 생장 과정은 씨앗에서 새싹을 틔우는 발아 단계, 종묘 환경에서 생육 환경으로 갈아심은 후 2차 싹이 생장하고 줄기가 생장하는 이식 및 1차 생장 단계, 잎사귀 면적이 확대되는 2차 생장 단계 및 잎사귀가 성체가 되면서 영양 성분의 생성이 활성화되는 수확 단계로 구분된다.
발아 단계에서는 씨앗으로부터 발아를 촉진하기 위해 주로 청색광과 적색광이 요구되는데 여기에 원적색도 일정 부분 필요로 한다. 이식 및 1차 생장 단계에서는 세포 분열을 통해 성장을 촉진하고 줄기를 생장시키며 해당 식물 고유의 형태를 갖추도록 유도하기 위해 약한 청색광과 적색광이 요구된다. 2차 생장 단계에서는 엽록체 운동을 촉진하여 광합성 활동을 활성화하기 위해 주로 청색광이 요구되며, 부수적으로 해충들의 피해를 막기 위해 약한 적색광이 요구되기도 한다. 마지막으로 수확 단계에서는 해당 작물 특유의 영양 성분 생성을 강화하기 위해 연한 청색 및 보라색 계열의 파장이 요구된다.
본 발명은 이와 같이 식물의 종류별로 또는 생장 단계별로 요구되는 유효 광 파장이 서로 다르다는 점에 착안하여 고안되었다. 다만 폐쇄된 환경에서 인공광만으로도 위에서 예시된 단계별 유효 파장을 제공할 수 있겠으나, 인공광만으로 태양광을 완전히 대체하기 위해서는 적지 않은 에너지를 추가로 소모해야 하는 문제를 도외시할 수 없다. 아울러 태양광과 같은 자연적 조건이 가미되지 않은 채 100% 인공적인 방법에 의해 재배되는 작물에 대해 소비자들의 심리적 거부 반응도 무시할 수 없는 마케팅 요인이 되고 있다.
따라서 본 발명에서는 태양광과 같은 주 광원을 최대한 활용하는 것을 전제로 보조적으로 인공광을 이용하기로 한다. 여기서 주 광원이라 함은 대표적으로 태양광을 예시할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니며 이미 구축된 재배 시설 내의인공적인 주 광원을 지칭할 수도 있다. 즉, 기존에 구축된 재배 시설을 모두 철거하고 본 발명의 일 실시예인 보조 광원 시스템을 위한 재배 시설을 새로이 구축할 수도 있겠으나, 기존 시설을 그대로 활용하면서 본 발명의 일 실시예인 보조 광원 시스템을 추가하는 방식으로도 적용 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로 제시하는 보조 광원 시스템의 개념도이다.
본 발명의 보조 광원 시스템은 기본적으로 센서부(310), 조명부(320) 및 제어부(330)를 포함하여 이루어지며, 여기에 영상부(340) 및 외부의 생육 데이터베이스(350가 선택적으로 더 포함될 수 있다.
센서부(310)는 태양광과 같은 주 광원으로부터 특정 파장의 세기를 측정한다. 제어부(330)는 키보드나 터치패드, 음성인식모듈 등과 같은 입력수단(도면에 미도시)를 통해 사용자가 직접 입력한 특정 파장값을 센서부(310)에 제공하거나, 영상부(340)의 이미지로부터 도출된 작물의 생육 상태 또는 생장 단계에 상응하는 특정 파장값을 생육 데이터베이스에서 찾아서 센서부(310)에 제공한다. 센서부(310)는 제어부(330)로부터 특정 파장값 또는 그 특정 파장값에 상응하는 제어정보가 도착하면 주 광원에 소정의 필터를 적용하여 그 특정 파장의 세기를 측정한다.
제어부(330)는 센서부(310)가 측정한 주 광원의 특정 파장의 세기를 생육 데이터베이스(350)에 미리 저장된 해당 파장의 기준 세기와 비교한다. 제어부(330)는 측정된 파장의 세기가 미리 저장된 기준 세기보다 작으면 조명부(320)를 온(On) 시키거나 이미 온(On) 상태에 있는 조명부(320)가 해당 파장의 광을 강화하도록 조명부(320)에 미리 정해진 제어신호를 전송한다. 조명부(320)는 제어부(330)로부터 특정 파장의 값을 강화하라는 제어정보가 도착하면 인공광원에 소정의 필터를 적용하여 해당 특정 파장의 광이 조사되도록 한다. 반대로, 제어부(330)는 측정된 파장의 세기가 미리 저장된 기준 세기보다 크면 조명부(320)를 즉시 오프(Off)시키거나 서서히 오프(Off)되도록 조명부(320)에 미리 정해진 제어신호를 전송한다.
생육 데이터베이스(350)에는 식물의 생육 상태별 또는 생장 단계별로 해당 식물에 유효한 특정 파장(들)이 저장된다. 생육 데이터베이스(350)는 본 발명의 보조 광원 시스템과 네트워크로 연결되어 이격된 지역에서 운영될 수도 있고, 보조 광원 시스템을 구성하는 제어부(330)의 메모리 내에 저장되어 운영될 수도 있다.
<표 1>은 생육 데이터베이스(350)에 저장되는 파장 정보의 일 예를 도시한 것으로서 특히 특정 식물의 생장 단계별로 필요한 파장 또는 파장들의 조합을 예시한다. 다시 말해, <표 1>은 식물의 생장 단계를 발아, 영양 생장, 생식 생장 및 노화의 4단계로 구분하고 각 단계별로 유효한 파장을 예시한다.
<표 1>
<표 1>에 도시된 바와 같이, 식물의 생장 단계 별로 실제로 영향을 미치는 파장이 각각 상이한 것을 알 수 있다. <표 1>에서 혼합 비율로 a 내지 v 가 언급되어 있는데 이는 식물의 생장 단계 뿐만 아니라 식물의 종류에 따라서도 임의의 비율로 설정될 수 있다. (<표 1>의 출처: 경상북도 농업기술원 (발간등록번호 75-6470332-000114-01) LED 식물공장을 이용한 상추, 아이스플랜트, 크레송 재배기술 매뉴얼) 생육 데이터베이스(350)는 <표 1>의 예와 같이 단일 작물에 대한 생장 단계별 및/또는 생육 상태별 요구 파장을 정의할 수도 있지만, 연구와 테스트를 거쳐 유효 파장이 검증된 다양한 작물들에 대한 파장 정보를 한꺼번에 정의할 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 보조 광원 시스템에 적용 가능한 센서부(310)와 조명부(320)의 동작 원리와 구성을 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예들에서 센서부(310)는 주 광원으로부터 사용자가 원하는 특정 파장만 선택적으로 감지하기 위해 파장필터를 활용한다. 파장필터는 사용자가 원하는 특정 파장에 대응하는 색상의 유기 필터 소재를 필름, 합성수지 또는 유리 등과 같은 투명한 성질의 소재에 도포하거나 착색한 것이다. 투명 소재 중 필름의 예로서 셀로판, 고압폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에스터 필름 등을 들 수 있다. 파장필터는 사용되는 유기 필터 소재의 종류에 따라 염료 방식 또는 안료 방식으로 구분되며, 제작 방법에 따라 염색법, 분산법, 전착법, 인쇄법 등으로 분류될 수 있다. 파장필터는 조사되는 광이 특정 색상의 안료층 또는 염료층을 통과할 때 특정 파장의 빛만이 통과되는 원리를 이용하며, 컬러 필터 또는 셀로판지 등의 상용품을 포함하는 개념으로 이해된다.
도 4는 센서부(310)의 구성요소들을 구체적으로 예시한 블럭도이다.
센서부(310)는 입사광의 파장의 세기를 감지하기 위한 광센서(311)와, 입사광으로부터 특정 파장을 필터링하기 위한 파장필터(312)와, 지정된 특정 파장이 필터링될 수 있도록 파장필터(312)를 움직이기 위한 구동장치(313)와, 제어부(330)로부터 특정 파장의 광을 측정하도록 소정의 제어정보를 전송 받는 한편 제어부(330)에 센싱된 값을 전송하기 위한 통신모듈(314)을 포함하여 이루어진다.
광센서(311)는 파장필터(312)의 색상 영역을 통과한 광원의 파장 세기를 측정한다. 광센서(311)는 재배 시설의 환경이나 시장 조건 등에 따라 포토트랜지스터, 포토다이오드, 광도전소자, 광전관, 포토멀의 소자 형태로 구현될 수 있다. 다만 이것은 대표적인 예시에 불과하고 광의 특정 성질을 센싱할 수 있는 어떠한 형태와 소재의 소자라도 본 발명의 광센서(311)로 활용될 수 있다.
파장필터(312)는 슬림하고 투명한 재질의 수지 위에 기설정 파장의 빛을 선택적으로 출력하기 위한 안료가 도포되거나 염료가 착색되어 있다. 파장필터(312)의 소재로 나일론, PC, CCP, 변성 PPE, PET, PEN, PBT, PAN, PCM, PTFE, ETFE, PVF, PVDF 등이 필요에 따라 적절히 사용될 수 있으며, 그 외의 소재라도 슬림하고 투명에 가까운 성질을 제공한다면 본 발명의 파장필터(312)로 활용 가능하다.
파장필터(312)에는 단일 영역에 안료/염료가 도포/착색될 수도 있지만 복수의 영역에 서로 다른 종류의 안료들/염료들이 도포/착색될 수도 있다. 또한 복수의 색상 영역을 가지는 실시예에서 그 중 어느 영역에는 둘 이상의 종류의 안료/염료들이 혼합 도포/착색될 수도 있다.
단일의 색상 영역을 가지는 파장필터는 작물에 발생할 수 있는 해충을 예방 또는 제거하기 위한 목적으로 활용될 수 있다. 즉, 식물 재배에 있어 해충 퇴치를 위해 인류는 주로 농약이나 살균제 등을 이용해 왔지만, 이는 식물에 좋지 않은 영향을 끼칠 뿐만 아니라 이를 소비하는 인간에게 해롭다는 것이 밝혀졌다. 해충이 특별히 싫어하는 빛의 파장이 있는데 예를 들면 500nm~550nm의 대역에서 통상의 해충들이 기피하는 반응을 보인 연구예가 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 작물이 현재 본격적인 생장기에 접어들었으나 태양광을 이용하는 온실이나 비닐하우스 등과 같은 시설 농업의 특성상 노지와 완전한 격리가 불가능한 관계로 해충의 피해가 예상되는 경우, 현재 태양광의 특정 파장(위 예에서 500nm~550nm 대역)의 세기를 광 측정 장치가 측정하여 만약 기준 세기에 비해 부족할 경우 보조 광원을 통해 해당 파장을 강화하는 것이다. 이러한 실시예는 태양광이 전반적으로 풍족한 지역에서 해충 방지를 주 목적으로 단일 안료의 광 측정 장치 및/또는 보조 광원을 채택하는 경우에 적용될 수 있을 것이다.
구동장치(313)는 광센서(311)가 기설정 파장 중 적어도 하나를 선택적으로 측정할 수 있도록 파장필터(312)를 움직여 파장필터(312)의 광 입사 영역을 가변시킨다.
통신모듈(314)은 제어부(330)와 각종 제어정보 및 센싱정보를 주고 받기 위해 소정의 통신규약을 만족하도록 구현된다. 예를 들어, 통신모듈(314)은 제어부(330)와 유선 네트워크로 연결될 수 있으며 이 경우 대표적인 예로 TCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet Protocol) 프로토콜을 지원하도록 구현된다. 또한 통신모듈(314)은 제어부(330)와 무선 네트워크로 연결될 수 있으며 이 경우 WCDMA, LTE 등과 같은 원거리 통신 프로토콜이나 Wifi, Bluetooth, NFC, MST, NFMI 등과 같은 근거리 통신 프로토콜이 적용될 수 있다. 물론 위에서 언급한 프로토콜들은 예시에 불과하며 데이터 전송이 가능한 어떠한 형태의 통신 규약으로도 구현 가능함은 당업자에게 자명하다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서부(310)의 구동 원리를 도시한다. 본 명세서에서 센서부(310)는 광 측정 장치라는 용어로 혼용될 수 있으며 동일한 의미로 이해된다.
도 5에서 보듯, 광 측정 장치의 제1 실시예에서 파장필터(312)는 원판형으로 형성될 수 있는데 구동장치(313)는 원판의 파장필터(312)를 미리 정해진 회전각으로 회전시키는 방식으로 파장필터(312)의 색상 영역을 변경할 수 있다. 이 경우 원판의 파장필터(312)의 중심부에 회전축을 담당하는 샤프트 부재(도면에 미도시)가 구비되고, 전기 모터와 같은 구동장치(313)로 샤프트 부재에 직접 동력을 인가하거나 기어부재 또는 벨트부재 등과 같은 동력전달수단을 통해 동력을 인가할 수 있다. 미리 정해진 방향 및 회전각에 따라 파장필터(312)를 회전시키기 위한 구동장치(313)의 일례로 스테핑 모터가 사용될 수 있다.
도 5의 실시예에서 원판형의 파장필터(312)는 2개가 구비되지만 필요에 따라 단일의 파장필터만을 적용할 수도 있다. 또한 도 6의 실시예에서, 제1 파장필터(312-1)와 제2 파장필터(312-2)는 그 일부 영역이 중첩되도록 적층 배치될 수 있는데, 제1 파장필터(312-1)의 어느 일 색상 영역과 제2 파장필터(312-2)의 어느 일 색상 영역이 일치되도록 중첩 배치하는 것이 바람직하다. 이때 구동장치(313)는 제 파장필터와 제2 파장필터를 개별적으로 제어할 수 있도록 복수의 동력원을 구비할 수 있다.
도면으로 도시하지는 않았으나 원판형의 파장필터(312)는 반드시 2개만 적층될 필요는 없으며 필요에 따라 3개 이상의 파장필터(312)가 중첩 적층되도록 실시예를 확장할 수 있다.
한편 도 5의 실시예에서는 원판형의 파장필터(312)에 복수의 색상 영역이 형성되고 각 색상 영역은 원형으로 형성되어 있지만 반드시 원형 형상으로 한정할 것은 아니고 사각형, 타원형 등 다양한 형태로 변형하여 적용할 수 있다. 또한 원판형의 파장필터(312)에서 색상 영역을 핏자(pizza) 형태로 구획할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서부(310)의 구동 원리를 도시한다.
제2 실시예의 파장필터(312)는 복수의 분리된 각 영역에 기설정 파장에 대응되는 빛을 출력하는 안료가 도포되거나 염료가 착색되어 있으며, 테이프 형상으로 구현된다.
구동장치는 두 개의 축(롤러)(313-1)과 동력원(도면에 미도시)을 포함하여 이루어진다. 파장필터(312)의 양측은 구동장치의 두 개의 축(롤러)(313-1)에 감겨있는데, 구동장치는 파장필터(312)의 광 조사 영역을 변경시키기 위해 파장필터(312)의 양측에 구비된 축(롤러)(313-1)을 미리 정해진 회전각 및 회전방향으로 회전시킨다. 구동장치의 구동원으로 전기모터가 사용될 수 있으며 용이한 회전 제어를 위해 스테핑 모터로 구현될 수 있다.
이 경우, 파장필터(312)는 너비 방향으로 분리된 복수의 색상 영역을 구비할 수 있다. 구체적으로 파장필터(312)는 적색의 제 1 영역, 녹색의 제 2 영역, 청색의 제 3 영역을 포함할 수 있으며 여기에, 상기 적색, 녹색 및 청색 중 적어도 2가지 이상이 혼합되어 생성된 제3의 색의 제 4 영역이 더 포함될 수 있다. 여기서 제 4 영역은 색상의 조합 비율에 따라 다양한 색상이 구현될 수 있으며 다양하게 구현된 색상별로 영역이 배정되므로 결국 제 4 영역은 하나 또는 그 이상의 영역을 포함하는 개념으로 이해할 수 있다.
다름으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 광원 시스템에 적용 가능한 조명부(320)에 대해 상세히 설명한다.
조명부(320)는 제한된 종류의 인공 광원으로부터 사용자가 원하는 다양한 파장들을 구현하여 작물에 조사하기 위해 양자점 또는 무기형광체와 같은 파장변환물질을 이용한다. 파장변환물질은 반드시 양자점이나 무기형광체에 한정할 것은 아니며 인공 광원의 특정 파장을 선택적으로 출력할 수 있는 소재라면 어떤 것이라도 양자점이나 무기형광체를 대체하여 사용할 수 있다. 양자점이나 무기형광체는 인공 광원을 이루는 여러 파장의 스펙트럼들이 사용자가 지정한 특정 파장으로 전이(shift)되거나 발광함으로써 광원으로서 효율이 증가되는 장점이 있으나, 컬러필터나 셀로판지와 같이 이러한 광원 효율의 측면에서 다소 불리하지만 비용적인 측면에서 더 유리할 수 있으므로 채택에 제한은 없다.
본 발명의 이해를 위해 양자점을 활용하여 특정 파장을 선택적으로 감지하거나 특정 파장을 선택적으로 출력하는 원리를 우선 설명하면 다음과 같다.
도 7a 와 도 7b는 양자점의 원리를 설명하기 위한 개념도들이다.
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 7a에 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 준위사이가 좁기 때문에 상대적으로 낮은 에너지를 가진 긴 파장의 빨간색이 방출된다.
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 7b를 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 에너지 형태의 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.
이러한 양자점들을 종류별로 투명 소재의 필름에 구역을 구분하여 도포한 후 LED와 같은 인공광을 입사하면 양자점의 특성별로 사용자가 미리 설정한 특정 파장의 광만 출력되는 원리를 이용하는 것이다. 물론 필름의 어느 도포 영역에는 적어도 둘 이상의 종류의 양자점을 혼합 배포하는 방식으로 제3의 파장을 설정할 수도 있다.
다음으로 무기형광체를 활용하여 특정 파장을 선택적으로 감지하거나 특정 파장을 선택적으로 출력하는 원리를 설명한다. 도 7c는 형광체의 발광원리를 도시한 것이다.
어떤 형태의 에너지가 입자 내부로 입사될 때 입자 안에서 어떤 작용으로 인한 가시광의 빛을 만들어 내는 것으로 이 과정을 발광(Luminescence)라고 한다. 형광체의 발광원리를 살펴보면 형광체가 에너지를 받으면 자유전자(electron)와 홀(hole)이 형성되어 높은 준위의 에너지 상태로 변하고, 이것이 안정된 상태로 돌아가면서 그 에너지가 가시광선으로 방출된다. 형광체는 모체(Host material)와 적절한 위치에 불순물이 혼입된 활성이온(Activator)으로 구성되는데, 활성이온들은 발광과정에 관여하는 에너지 준위를 결정함으로써 형광체의 발광색을 결정한다.
따라서 특정 파장의 빛을 발광하는 활성이온이 가미된 형광체를 종류별로 투명 소재의 필름에 구역을 구분하여 도포 또는 착색한 후 LED와 같은 인공광을 입사하면 형광체의 특성별로 사용자가 미리 설정한 특정 파장의 광만 출력되는 원리를 이용하는 것이다. 물론 필름의 어느 도포 영역에는 적어도 둘 이상의 종류의 형광체를 혼합 배포하는 방식으로 제3의 파장을 설정할 수도 있다.
도 8은 조명부(320)의 구성요소들을 구체적으로 예시한 블럭도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조명부(320)는 적어도 하나 이상의 인공 광원(321)과, 인공 광원(321)의 파장을 기설정 파장으로 변환하기 위해 기설정 파장에 대응하는 빛을 출력하는 양자점 또는 형광체가 도포된 파장변환필름(322)과, 파장변환필름(322)의 인공 광원 조사영역을 가변시키는 구동장치(323)와, 제어부(330)로부터 특정 파장의 광을 조사하도록 소정의 제어정보를 전송하기 위한 통신모듈(324)을 포함하여 이루어진다.
인공 광원(321)의 실시예로 백색 형광등, 3파장 형광등, 메틸힐라이드, 고압나트륨, LED 종류의 조명, 레이저 다이오드(Laser Diodes: LD) 중 어느 하나가 활용될 수 있다.
조명부(320)가 인공 광원(321)을 더 포함한다는 점과, 조명부(320)의 파장변환필름(322)에는 특정 색상의 안료/염료 대신 특정 파장에 대응하는 양자점 또는 형광체가 도포/착색된다는 점을 제외하고 파장변환필름(322)의 형상 및 가변 방식, 구동장치(323), 통신모듈(324)은 기 설명한 센서부(310)의 파장필터(312), 구동장치(313) 및 통신모듈(314)과 동일한 원리 및 구성으로 구현될 수 있으므로 본 명세서에서는 중복되는 상세한 설명은 생략한다.
도 9는 제어부(330)의 구성요소들을 구체적으로 예시한 블럭도이다.
제어부(330)는 태양광과 같은 주 광원의 특정 파장의 세기를 메모리에 기 저장된 해당 파장의 기준 세기와 비교하여 조명부(320)의 기동 여부를 판단하거나, 선택적으로, 작물의 촬영 이미지를 분석하여 생육 상태 및/또는 생장 단계를 판단하는 분석모듈(331)과, 기 상술한 생육 데이터베이스(350)에 상응하는 생육 정보를 저장하는 메모리(332)와, 센서부(310) 및 조명부(320)와 통신을 주고 받기 위한 통신모듈(333)을 포함하여 이루어진다.
통신모듈(333)은 센서부(310)로부터 주 광원의 특정 파장의 세기값을 전송 받거나 센서부(310)가 특정 파장의 광을 측정하도록 소정의 제어정보를 센서부(310)에 전송한다. 또한 통신모듈(333)은 조명부(320)에 특정 파장의 광을 조사하라는 제어정보를 전송한다. 한편 다른 실시예에서 통신모듈(333)은 격리된 장소의 생육 데이터베이스(350)와 네트워크로 원격으로 연결하기 위한 통신 규약을 추가적으로 지원할 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 제어부(330)는 사용자에게 센서부(310), 조명부(320), 영상부(340)의 일부 또는 전체의 동작 상태에 관한 정보를 제공하거나, 사용자가 직접 센서부(310), 조명부(320), 영상부(340) 중 적어도 하나를 원격 조작할 수 있도록 화면을 제공하는 사용자 인터페이스부(도면에 미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 사용자 인터페이스부는 비단 본 발명의 제어부(330)에 포함되어 구성될 수도 있지만, 제어부(330)와 광역 통신망 또는 근거리 통신망으로 연결된 모바일 기기에 소프트웨어 프로그램의 형태로 제공될 수 있다.
분석모듈(331)은 영상부(340)가 보내온 영상을 분석하여 재배 식물의 정보 및 성장 단계를 확인한다. 일 실시예로, 분석모듈(331)은 광원과 식물 간의 거리를 연산하고, 식물 잎의 크기에 따른 광 조사 면적을 연산하고, 광흡수 또는 광반사 상태를 분석하여 식물의 생장 단계(생장 주기)를 판단하고, 메모리(332) 또는 네트워크로 연결된 생육 데이터베이스(350)를 검색하여 해당 생장 단계에 필요한 광 조건(광 조사면적, 광 강도, 광 파장)을 찾는다.
식물의 생장 단계를 보다 용이하게 분석하기 위해 본 발명의 보조 광원 시스템의 다른 예는 영상을 통해 식물의 길이(높이) 계측이 가능한 눈금이 표시된 측정자표시부재(미도시)를 더 구비할 수도 있다. 상기 측정자표시부재는 재배 식물의 근처에 실제 측정자를 설치할 수도 있고, 획득한 영상에 미리 촬영해 둔 측정자 이미지를 투영하여 구현할 수도 있다.
이 경우, 분석모듈(331)은 측정자표시부재를 이용하여 재배 식물의 크기 및 식물의 광반사 또는 광흡수 상태를 연산하고, 재배 식물의 크기, 잎 또는 꽃 또는 열매의 크기, 잎 또는 꽃 또는 열매의 개수, 잎 또는 꽃 또는 열매의 색, 광반사 값, 성장속도, 및 스트레스 상태를 포함하는 분석 데이터를 획득할 수 있다. 이 실시예에서 생육 데이터베이스(350) 또는 제어부(330)의 메모리에는 작물의 생장 단계에 대해 위에서 나열된 재배 식물의 크기, 잎 또는 꽃 또는 열매의 크기, 잎 또는 꽃 또는 열매의 개수, 잎 또는 꽃 또는 열매의 색, 광반사 값 등과 같은 세부화된 기준 정보를 구비하고 있다.
도 10은 영상부(340)의 구성요소를 구체적으로 도시하는 블럭도이다.
영상부(340)는 미리 설정된 주기 또는 제어부(330)의 지시가 있을 때마다 작물을 촬영하는 카메라(341)와, 카메라(341)에 의해 획득된 작물 이미지를 제어부(330)로 전송하거나 제어부(330)로부터 소정의 제어정보를 수신하기 위한 통신모듈(342)을 포함하여 이루어진다.
카메라(341)는 CCD(Charge Coupled Device) 센서 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서가 이용될 수 있으나 특정 이미지 센서에 한정될 필요는 없다. 또한 특정 파장의 이미지를 선택적으로 촬영하기 위해 적외선 필터, 자외선 필터 등의 필터 부재가 부가될 수 있다. 다른 실시예로서, 작물로부터 특정 파장의 빛을 센싱하여 이미지화하기 위해 센서부(310) 또는 조명부(320)에 적용된 파장필터 및 구동장치가 동일한 원리 및 구조로 적용될 수도 있다.
본 명세서에서는 주로 식물을 피생육체의 예시로 들어 설명하였으나 반드시 이에 한정할 것은 아니며 미생물, 조류, 곤충, 동물 등의 다른 생물체에도 동일한 원리로 적용될 수 있으며, 음식이나 특수 물질의 제조 단계에도 활용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한 본 발명의 실시예들에 따른 광 측정 장치 및 이를 이용한 보조 광원 시스템은 장치 및 시스템의 측면에서 설명되었으나 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 이용하여 태양광과 같은 주 광원을 주로 타겟으로 하는 시설 재배에서 보조 광원을 제공하는 방법으로 용이하게 구현할 수 있을 것이다. 이러한 보조 광원 제공 방법은 프로그램으로 구현되거나, 그 프로그램이 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체로 구현될 수 있음은 물론이다.
즉, 상술한 보조 광원 시스템의 부분적 기능들은 이를 구현하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써, 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록매체에 포함되어 제공될 수도 있음을 당업자들이 쉽게 이해할 수 있을 것이다.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 반대도 마찬가지이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
센서부: 310
광센서: 311 파장필터: 312
센서부의 구동장치: 313 센서부의 통신모듈: 314
조명부: 320
인공광원: 321 조명부의 파장변환필름: 322
조명부의 구동장치: 323 조명부의 통신모듈: 314
제어부: 330
분석모듈(331) 메모리(332)
제어부의 통신모듈(333)
영상부: 340
카메라: 341 영상부의 통신모듈: 342
생육 데이터베이스: 350
광센서: 311 파장필터: 312
센서부의 구동장치: 313 센서부의 통신모듈: 314
조명부: 320
인공광원: 321 조명부의 파장변환필름: 322
조명부의 구동장치: 323 조명부의 통신모듈: 314
제어부: 330
분석모듈(331) 메모리(332)
제어부의 통신모듈(333)
영상부: 340
카메라: 341 영상부의 통신모듈: 342
생육 데이터베이스: 350
Claims (15)
- 주 광원의 특정 파장 세기를 측정하는 센서부;
피생육체의 생장 단계별 요구 파장을 미리 저장하는 생육 데이터베이스;
인공의 보조광을 발생시키는 조명부; 및
상기 센서부가 측정한 주 광원의 파장 세기가 상기 생육 데이터베이스의 파장 세기보다 작으면 상기 조명부를 제어하여 인공 보조광의 해당 파장을 강화하는 제어부;
를 포함하는 보조 광원 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 센서부는,
주 광원으로부터 기설정 파장의 빛을 선택적으로 출력하기 위한 색상 영역을 구비하는 파장필터와, 상기 파장필터의 색상 영역을 통과한 광원의 파장 세기를 측정하는 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 파장필터는, 서로 다른 종류의 색상 영역을 복수로 구비하며,
상기 센서부는, 복수의 기설정 파장 중 적어도 하나를 선택적으로 측정할 수 있도록 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변하기 위한 구동장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 파장필터는 원판형으로 형성되며,
상기 구동장치는 원판형의 파장필터를 회전시켜 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 파장필터는 테이프형으로 형성되며,
상기 테이프형 파장필터의 양단은 두 개의 롤러에 의해 감겨 있고, 상기 구동장치에 의해 상기 롤러를 회동시킴으로써 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 파장필터는, 복수의 색상 영역들을 구비하는 제1 파장필터와, 복수의 색상 영역을 구비하는 제2 파장필터를 포함하고,
상기 제1 파장필터와 상기 제2 파장필터는 그 일부가 중첩되도록 층으로 배치되며,
상기 구동장치는 상기 제1 파장필터와 상기 제2 파장필터를 각각 움직여 상기 제1 파장필터의 일 색상 영역과 상기 제2 파장필터의 일 색상 영역이 서로 오버랩 되도록 하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 조명부는,
적어도 하나 이상의 인공광원;
상기 인공광원의 파장을 기설정 파장으로 변환하기 위해 기설정 파장에 대응하는 빛을 출력하는 파장변환물질이 도포된 파장변환필름; 및
상기 파장변환필름의 인공광원 조사영역을 가변시키는 구동장치
를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 파장변환물질은 양자점 또는 형광체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 보조 광원 시스템은, 피생육체의 영상을 획득하기 위한 카메라를 더 포함하며,
상기 제어부는 상기 카메라를 통해 획득한 영상을 분석하여 피생육체의 생육 상태를 판단하는 분석모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 분석모듈은,
획득된 영상으로부터 도출된 조사된 광원에 대한 피생육체의 반사 스펙트럼과 피생육체가 발하는 형광 성분 중 적어도 하나를 이용하여 생육 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 분석모듈은,
획득된 영상으로부터 도출된 상기 카메라와 피생육체 간의 거리와 상기 카메라의 특성과 관계된 값들을 이용하여 피생육체의 크기를 연산하고, 연산된 피생육체의 크기를 이용하여 생육 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 분석모듈이 판단한 생육 상태에 해당하는 파장의 세기를 상기 생육 데이터베이스에서 확인하고, 상기 센서부에 의해 측정된 현재 광원의 파장 세기가 상기 확인된 파장 세기보다 작으면 상기 조명부를 제어하여 인공광의 해당 파장을 강화하는 것을 특징으로 하는 보조 광원 시스템. - 주 광원으로부터 기설정 파장의 빛을 선택적으로 출력하기 위한 색상 영역을 복수로 구비하는 파장필터;
복수의 기설정 파장 중 적어도 하나를 선택적으로 측정할 수 있도록 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변하기 위한 구동장치; 및
상기 파장필터의 색상 영역을 통과한 광원의 파장 세기를 측정하는 광센서
를 포함하는 광 측정 장치. - 제13항에 있어서,
상기 파장필터는 원판형으로 형성되며,
상기 구동장치는 원판형의 파장필터를 회전시켜 상기 파장필터의 광 입사 영역을 가변하는 것을 특징으로 하는 광 측정 장치. - 제14항에 있어서,
상기 파장필터는, 복수의 색상 영역들을 구비하는 제1 파장필터와, 복수의 색상 영역을 구비하는 제2 파장필터를 포함하고,
상기 제1 파장필터와 상기 제2 파장필터는 그 일부가 중첩되도록 층으로 배치되며,
상기 구동장치는 상기 제1 파장필터와 상기 제2 파장필터를 움직여 상기 제1 파장필터의 일 색상 영역과 상기 제2 파장필터의 일 색상 영역이 서로 오버랩 되도록 하는 것을 특징으로 하는 광 측정 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020180066546A KR20190140148A (ko) | 2018-06-11 | 2018-06-11 | 보조 광원 시스템 및 이에 사용되는 광 측정장치 |
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- 2018-06-11 KR KR1020180066546A patent/KR20190140148A/ko active Search and Examination
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