KR20230087079A - 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치 - Google Patents

파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 식물에 조사되는 광의 종류를 제어할 수 있도록 함으로써 식생 환경 구축의 효율성을 극대화할 수 있는 실내재배용 광원에 관한 것으로, 하나 이상의 레이저 광원이 배치되어 방출되는 광의 성질을 제어하는 광원부와, 상기 광원부로부터 제어된 광을 전송하는 경로부와, 상기 경로부로 전송된 광을 선택된 위치와 방향으로 확산하여 조사하는 조절장치를 포함하는 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치를 제공한다.

Description

파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치{LIGHT SOURCE DEVICE FOR INDOOR PLANT CULTIVATION HAVING WAVELENGTH AND BRIGHTNESS CONTROL FUNCTION}
본 발명은 실내 재배 기술과 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 식물에 조사되는 광의 종류를 제어할 수 있도록 함으로써 식생의 효율성을 극대화할 수 있는 실내재배용 광원에 관한 것이다.
산업발전과 인구증가에 따라 각종 공장시설의 확장과 주택의 건설은 심화되고 이로 인해 농경지나 청정 지역이 감소하고 있는 추세이다. 특히, 화학약품 등의 사용으로 농작물을 재배하는 농경지가 척박해짐은 물론 각종 산업공해의 증가로 청정 농산물이나 각종 식물의 재배가 날로 어려워지고 있다.
이러한 환경오염에 따라 청정 농산물이나 각종 식물을 재배하기 위한 일반인들의 관심이 급증하고 있다. 기존의 유리 온실 또는 비닐하우스 등과 같은 재배 방식은 식물의 생산성을 향상시킬 뿐만 아니라 계절에 상관없이 농작물과 식물을 재배할 수는 있지만 넓은 공간이 반드시 확보되어야 하는 문제점이 있다.
식물 재배를 업으로 하는 사람들뿐만 아니라 이를 필요로 하는 일반 가정이나 전문 식당 등과 같이 넓은 경작지를 확보할 수 없는 경우에도 소규모로 재배하여 자급할 수 있도록 최소한의 실내 공간을 활용하여 대량으로 식물을 재배할 수 있는 다양한 재배 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이처럼 실내에서 재배 장치를 이용한 청정한 식물의 재배뿐만 아니라 계절에 상관없이 다양한 식물의 재배가 가능하기 위해서는 식물의 광합성에 필요한 태양광을 확보하는 것이 가장 중요하다. 그러나 태양광은 날씨나 시간 또는 장소에 따라 많은 영향을 받기 때문에, 실내에서 재배 장치를 사용하는 것은 한계가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위하여 근래에는 인공 광원을 설치하여 외부 환경의 변화에 의존하지 않고 상시적으로 에너지 공급기 가능한 실내재배장치들이 개발되고 있다.
한국공개특허 제10-2012-0008773호는 종래의 식생을 위한 하이브리드 인공조명장치를 공개하고 있으며, 도 1은 이에 대한 개념도이다.
이를 구체적으로 살펴보면, 인공 조명원(8)으로 널리 이용되는 LED 또는 메탈램프 등을 WDF형 광 파이프(1)의 끝단에 설치하여 막대형의 고른 조명을 식생에 공급하도록 구성되었다. 상기 파이프의 배면에는 반사필름(9)을 부착하여 빛이 식생에만 전달되도록 하였으며, 햇빛을 공급하기 위하여 지붕 등 외부에 노출된 피라밋 창(5)으로부터 햇빛을 받는 전반사형 광 파이프(4)가 설치되고, 햇빛은 이 파이프를 타고 실내에 부착된 반사경(3)을 통하여 인공조명 파이프(1)내부로 흘러들어 가도록 작동된다.
그러나, 이러한 인공 조명원의 경우 단일의 파장과 강도를 가지는 광을 식물에 조사하는 데 그치기 때문에 다양한 식물의 종류, 생육 상태에 따른 변화에 적응하여 광합성에 필요한 광을 공급하지 못하는 한계가 있다.
근래에는 스마트팜 조성에 대한 요구가 커지고 있고 이러한 추세에 따라 실내재배용 인공광원은 환경변화에 적응할 수 있도록 정밀한 제어가 요청된다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 다양한 식생의 조건에 따라 환경 적응이 가능하도록 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 실내재배장치에 구성될 수 있는 광원장치로서, 컨트롤러와, 상기 컨트롤러에서 선택된 파장과 강도를 가지는 레이저광을 생성하는 하나 이상의 레이저 광원을 구비하는 광원부(1100), 상기 광원부로부터 제어된 레이저를 전송하는 경로부(1010), 상기 경로부로부터 전송받은 광을 확산하여 실내재배장치 내부에 조사하는 렌즈부와 상기 렌즈부의 틸팅 또는 회전을 제어하는 틸트부를 구비하는 조절장치(1300)를 포함하는 실내재배용 광원장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 광원부가 서로 다른 파장을 가지는 레이저광을 방출하는 복수의 광원을 포함하고 상기 컨트롤러에서 각각의 광원에서 출력되는 레이저광의 강도를 제어할 수 있다.
상기 광원부는, 서로 다른 파장과 밝기의 레이저광을 합성하여 경로부에 입력시키는 광합성부를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 조절장치는, 상기 렌즈부로 입사되는 레이저빔의 방향을 제어하는 연동화부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 조절장치는, 실내재배장치의 케이싱에 설치된 레일을 따라 이송 가능한 레일구동부를 포함할 수 있다.
상기 조절장치는, 경로부의 말단과 렌즈부 사이에 개재되어 경로부에서 출력되는 빔의 영역을 제한하여 렌즈부의 일부분에서만 레이저광이 확산하도록 할 수 있다.
상기된 본 발명의 구성에 의하여, 선택된 시간과 위치에 파장과 조도를 선택하여 최적의 효율을 나타내도록 광의 조사가 가능하기 때문에 식생의 효율성은 비약적으로 향상되는 효과가 있다.
특히, 레이저빔의 사용에 의하여 정밀한 광의 제어가 가능할 뿐만 아니라 종래에 광의 위치 가변이 제한적이었음을 감안할 때, 광원부와 경로부와 조절장치의 조합에 의하여 모든 생육환경에 유연하게 적응 가능하기 때문에 실내재배장치에서 식물의 재배의 수율이 높아지고 식생의 효율성과 경제성이 비약적으로 향상되는 효과로 이어진다.
도 1은 종래기술의 식생을 위한 하이브리드 인공조명장치에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 개념의 개념에 따른 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치가 적용된 실내재배장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치에서 광원부의 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치에서 조절장치의 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치를 더욱 상세하게 설명한다.
다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 기본적으로 실내재배장치에 구성될 수 있는 레이저광원으로서, 하나 이상의 레이저 광원이 배치되어 방출되는 광의 성질을 제어하는 광원부와, 상기 광원부로부터 제어된 광을 전송하는 경로부와, 상기 경로부로 전송된 광을 선택된 위치와 방향으로 확산하여 조사하는 조절장치를 포함하는 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치를 제공한다.
본 발명의 설명에서는 실내재배장치가 채소나 화초 등을 소정의 식생토가 저장된 트레이에 실재하는 방식을 예로 들어 설명하나 수경재배, 관수재배, 벽면재배 등 식물을 생육할 수 있는 방식은 제한되지 않는다.
도 2는 본 발명의 개념에 따른 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원이 적용된 실내재배장치를 나타내는 개념도이다.
실내재배장치는 전체적으로 내부 공간을 가지는 케이싱(참조번호 미표시) 내에 식생이 이루어지는 식생트레이(100)를 구비하며, 그 상측에 광원장치(1000)가 구성되어 광합성에 필요한 광을 조사한다. 본 발명에서는 상기 광원장치(1000)가 레이저광원을 사용하는데 이와 관련된 구체적인 실시예는 후술하기로 한다.
상기 실내재배장치에는 외부의 워터펌프와 같은 공지의 수체 조절장치와 연결되는 급수부(110)와, 식생트레이(100)를 경유한 물이 배출되는 배수부(120)를 구비할 수 있다. 상기 급수부(110)는 식생트레이(100)로 직접 수체를 공급하거나 공기중에 분무하는 공지의 구성들이 적용될 수 있을 것이다. 상기 수체는 물 및/또는 약액을 포함할 수 있다.
상기 실내재배장치는 온도를 조절하기 위한 온도조절부(1500)를 구비할 수 있으며, 상기 온도조절부(1500)는 히터 및/또는 팬을 포함하여 구성될 수 있을 것이다. 경우에 따라 상기 광원장치(1000)에서 온도의 제어를 수행하고 온도조절부(1500)는 공기의 배기나 송풍을 제어하는 기능을 수행하는 것도 고려될 수 있다.
또한, 실내재배장치의 내부 상태를 모니터링하고 후술될 컨트롤러부에서의 제어를 수행할 수 있도록 선택된 감지신호를 생성하는 모니터링부(1400)를 더 포함할 수 있으며, 상기 모니터링부(1400)는 온도센서 및/또는 습도센서 및/또는 이산화탄소센서 및/또는 에틸렌측정센서 및/또는는 암모니아센서 중의 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 모니터링부(1400)는 광학적으로 식물의 상태의 이미지를 생성하여 분석할 수 있도록 하는 카메라를 더 포함하여 구성될 수 있을 것이다.
본 발명의 개념에서는 상기 광원장치(1000)가 광원부(1100)에서 선택된 레이저광을 생성하여 전송하며, 경로부(1010)를 경유한 광이 선택된 위치와 방향으로 광을 조사할 수 있도록 조절장치(1300)로 구성된다. 이러한 구성에 따라 레이저 광원의 파장과 밝기를 조절하여 조절장치(1300)로 전송하고, 상기 조절장치(1300)는 광의 방향성과 위치를 제어하기 때문에 원하는 성질의 광을 적절하게 조사할 수 있는 것이다.
이를 위한 상기 광원장치(1000)의 구성을 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치에서 광원부의 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.
광원부(1100)는 실내재배장치의 케이싱에 부착되거나 인접하여 배치될 수 있도록 소정의 모듈 방식으로 구성될 수 있을 것이며, 하나 이상의 레이저 광원을 포함할 수 있다.
기본적으로 광의 성질과 방향성을 제어할 수 있도록 컨트롤러부(1110)가 구성되며, 상기 컨트롤러부(1110)는 1차적으로 광원의 출력을 제어한다. 이러한 컨트롤러부(1110)는 상기 모니터링부(1400) 및/또는 온도조절부(1500)와 함께 실내 재배환경을 종합적으로 관리할 수 있을 것이다.
광원은 레이저광을 생성하는 하나 이상의 구성으로 이루어질 수 있는데, 예를 들어 백색광의 조합이 가능한 R/G/B의 제1광원(1121), 제2광원(1122) 및 제3광원(1123)으로 구성될 수 있을 것이나 다른 종류의 파장을 방출하는 것이 선택될 수 있다.
상기 레이저광원은 예를 들어, 가스를 이용한 레이저(Gas Laser)가 적용될 수 있다. 상기 가스레이저로서 예를 들어, 헬륨-네온 레이저(Helium-neon laser), 아르곤 레이저(Argon laser), 크립톤 레이저(Krypton laser), 크세논 이온 레이저(Xenon ion laser), 이산화탄소 레이저(CO2 laser), 엑시머 레이저(Excimer laser)중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 가스 레이저 외에 광원으로 기능하기 위하여 화학 레이저(Chemical Laser), 색소 레이저(Dye Laser), 반도체 레이저(Semiconductor Laser), 고체 레이저(Solid-state Laser), 또는 금속 증기 레이저(Metal Vapor laser) 중 어느 하나가 사용될 수도 있다.
상기 광원들은 레이저소스의 출력단에 각 파장에 대응되는 필터가 결합될 수 있을 것이며 이와 관련하여서는 파장의 선택에 대한 공지의 필터기술이 적용될 수 있을 것이다.
기본적으로 상기 광원들에서는 파장과 강도가 제어된 광이 출력되며, 소정의 스위치 또는 디스페클러(Despeckler)와 같은 처리장치(1140)에서 조절되어 광합성부(1130)에서 합성되고 경로부(1010)로 전달된다.
상기 경로부(1010)는 조절 및/또는 합성 조절된 레이저빔이 원격으로 전송될 수 있는 광케이블 또는 섬유 또는 도파관일 수 있다.
도 4는 본 발명의 개념에 따른 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원에서 조절장치의 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.
조절장치(1300)는 경로부(1010)의 말단에서 방출된 광을 확산하여 조사하는 렌즈부(1310)를 포함할 수 있으며 상기 렌즈부(1310)와 소정의 구동계통을 수용하는 하우징(참조번호 미표시)에 모듈형태로 구성될 수 있을 것이다.
상기 조절장치(1300)는 렌즈부(1310)로부터 확산된 광이 선택된 방향으로 조사될 수 있도록 하나 이상의 구동계통을 가질 수 있으다. 이러한 구동계통의 제1실시예로 실내재배장치의 케이싱에 설치된 레일을 따라 이송 가능한 레일구동부(1350)를 포함할 수 있다. 상기 레일구동부(1350)는 상기 컨트롤러부(1110)로부터 제어되는 모터와 동력전달수단 및 롤러를 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 롤러는 실내재배장치의 케이싱과 조절장치(1300)의 하우징을 연결하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 경로부(1010)는 조절장치(1300)의 이송에 따라 변형 가능하도록 유연성을 가지는 재질이나 구조를 가질 수 있으며 이와 관련하여서는 광경로의 제공에 관한 공지의 기술이 적용될 수 있을 것이다.
렌즈부(1310)는 상기한 바와 같이 광원부(1100)로부터 제어되어 전송된 레이저광을 전달받아 확산하는 기능을 수행하며, 이를 위하여 최소한 단면의 일부분은 부채꼴 내지 호 형상으로 이루어질 수 있다. 이러한 렌즈부(1310)는 원추형의 빔경로를 생성할 수 있을 것이며, 경우에 따라 길이에 비하여 폭이 상대적으로 좁게 형성되는 라인빔을 생성하는 것도 고려될 수 있다.
본 발명의 제2실시예로서 렌즈부(1310)가 방향성을 가변할 수 있도록 틸트부(1320)가 구성될 수 있다. 상기 렌즈부의 틸트(Tilt)기능을 가지기 위하여 예를 들어서 측면에 상하방향으로 회전되는 롤러 내지 기어가 마찰하여 렌즈의 틸팅 방향을 제어할 수 있다. 또한, 팬(Pan) 기능을 추가하여 렌즈부(1310)의 원주방향으로의 회전이 가능하도록 수평방향 회전되는 롤러 내지 기어가 마찰하여 제어가 수행될 수 있다. 상기 팬 기능의 경우 예를 들어 라인빔이 형성되는 경우 방향성의 제어에 사용될 수 있을 것이다. 또한, 여러 파장의 빔이 조합된 프로젝션 타입의 이미지가 생성되는 경우 부위별로 다른 파장과 밝기가 조사된다면, 식생의 부위별, 성장별로 다른 성질의 광을 조사할 수 있도록 상기 팬 및/또는 틸트 기능이 유용할 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 제3실시예로서, 상기 경로부(1010)의 말단에는 출력 방향의 제어가 가능하록 연동화부(1340)가 구성될 수 있다. 특히 상기 경로부(1010)의 말단에 소정의 방출면(참조번호 미표시)이 구성되는 경우 굴절 방향성이 설정되고 상기 틸트부(1320)의 방향에 적절하게 빔의 지향 방향을 렌즈부(1310)의 위치와 방향에 최적화시킬 수 있다. 도시된 예에서는 상기 방출면이 소정의 경사면을 가지고 있다. 상기 연동화부(1340)는 공지의 액추에이터가 사용될 수 있을 것이며, 정밀한 제어를 위하여 피에조(Piezo) 방식의 액추에이터가 적용될 수 있다.
경우에 따라, 상기 연동화부(1340)는 렌즈부(1310)와 경로부(1010)의 말단을 기구적으로 연결하여 물리적인 회전이나 틸팅에 따라 함께 회전 또는 틸팅이 가능하도록 구성할 수도 있을 것이다.
또한, 본 발명의 제4실시예로서, 경로부(1010)의 말단과 렌즈부(1310)의 입력측 사이에 개재되어 빔의 범위를 제어하는 콜리메이터부(1330)가 더 구성될 수 있다. 상기 콜리메이터부(1330)는 공지의 광경로 개폐 내지는 조절장치가 적용될 수 있을 것이다. 레이저빔의 특성상 직진성이 강하나 광합성부(1130)에서 합성되어 구성된 광의 부위별 선택이 가능하거나, 렌즈부(1310)로부터 출력되는 빔의 형태를 제한할 수 있도록 콜리메이터부(1330)가 더 기능할 수 있다. 이와 같이 구성되는 경우 렌즈부(1310)의 원하는 영역에서 선택된 파장과 강도의 빛이 방출되도록 선택이 가능하다.
상기와 같은 조절장치(1300)의 제1 내지 4의 기능에 의하여 실내재배장치의 전영역에 결쳐서 가려지는 부분 없이 광의 조사가 가능함에 유의하여야 한다.
본 발명의 개념에 의하여, 선택된 시간과 위치에 파장과 조도를 선택하여 최적의 효율을 나타내도록 광의 조사가 가능하기 때문에 식생의 효율성은 비약적으로 향상된다.
특히, 레이저빔의 사용에 의하여 정밀한 광의 제어가 가능할 뿐만 아니라 종래에 광의 위치 가변이 제한적이었음을 감안할 때 광원부와 경로부와 조절장치의 조합에 의하여 모든 생육환경에 유연하게 적응 가능하다.
이는 실내재배장치에서 식물의 재배의 수율이 높아지고 식생의 효율성과 경제성이 비약적으로 향상됨을 의미한다.
이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
100...식생트레이 110...급수부
120...배수부 1000...광원장치
1010...경로부 1100...광원부
1110...컨트롤러부 1121...제1광원
1122...제2광원 1123...제3광원
1130...광합성부 1140...스위칭부
1300...조절장치 1310...렌즈부
1320...틸트부 1330...콜리메이터부
1340...연동화부 1350...레일구동부
1400...모니터링부 1500...온도조절부

Claims (5)

  1. 실내재배장치에 구성될 수 있는 광원장치로서,
    컨트롤러와, 상기 컨트롤러에서 선택된 파장과 강도를 가지는 레이저광을 생성하는 하나 이상의 레이저 광원을 구비하는 광원부(1100);
    상기 광원부로부터 제어된 레이저를 전송하는 경로부(1010);
    상기 경로부로부터 전송받은 광을 확산하여 실내재배장치 내부에 조사하는 렌즈부와, 상기 렌즈부의 틸팅 또는 회전을 제어하는 틸트부를 구비하는 조절장치(1300);를 포함하는 실내재배용 광원장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    서로 다른 파장을 가지는 레이저광을 방출하는 복수의 광원을 포함하고 상기 컨트롤러에서 각각의 광원에서 출력되는 레이저광의 밝기를 제어하는 실내재배용 광원장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원부는,
    서로 다른 파장과 밝기의 레이저광을 합성하여 경로부에 입력시키는 광합성부를 더 구비하는 파장과 밝기 조절 기능을 가지는 실내재배용 광원장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조절장치는,
    상기 렌즈부로 입사되는 레이저빔의 방향을 제어하는 연동화부와,
    실내재배장치의 케이싱에 설치된 레일을 따라 이송 가능한 레일구동부를 포함하는 실내재배용 광원장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조절장치는,
    경로부의 말단과 렌즈부 사이에 개재되어 경로부에서 출력되는 빔의 영역을 제한하여 렌즈부의 선택된 영역에서만 레이저광이 확산하도록 하는 콜리메이터부를 더 포함하는 실내재배용 광원장치.
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