WO2014204108A1 - 식물공장용 led 조명모듈과 이를 탑재한 식물공장용 led 조명장치 - Google Patents

식물공장용 led 조명모듈과 이를 탑재한 식물공장용 led 조명장치 Download PDF

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light
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light source
lighting device
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조성빈
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농업회사법인 주식회사 퓨쳐그린
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    • F21Y2103/10—Elongate light sources, e.g. fluorescent tubes comprising a linear array of point-like light-generating elements
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
    • Y02P60/14—Measures for saving energy, e.g. in green houses

Definitions

  • the present invention is a technique for implementing a technique for adjusting the amount of light according to the wavelength range of light irradiated from the lighting device to the growth conditions suitable for plants at a low price.
  • the present invention employs a low-cost LED blue chip instead of the expensive LED red chip conventionally employed in the plant factory to lower the manufacturing cost of the lighting device for the plant factory, the red-based, green-based, yellow-based force From the lighting device manufactured by combining the fabrics, the amount of light meeting the target condition was irradiated in the wavelength range corresponding to the target condition of the plant growth.
  • the work environment is improved by reducing eye fatigue due to the red light source, and at the same time, the technology for improving plant growth efficiency is improved by improving the wavelength of light emitted from the lighting device.
  • the present invention allows the light emitted from the LED lighting module and the LED lighting apparatus on which the LED lighting module is mounted to realize the first peak value in the blue wavelength band (450 nm), and the second wavelength in the red wavelength band (660 nm). Peak values are achieved to promote overall plant growth.
  • plants absorb nutrients and moisture through their roots and grow and produce energy through photosynthesis in the leaves.
  • the energy needed for plant growth is produced by photosynthesis, the most important of which is light energy.
  • red chips have been adopted to realize the red wavelength range, which is very important for plant growth.
  • a blue LED or a white LED is combined with the red chip to realize a desired wavelength range.
  • red chips are much more expensive and consume less power than blue chips, and are inefficient in operating a plant factory.
  • red chips are being employed to implement red wavelength bands.
  • red, green, yellow phosphor and RGY phosphor are applied to the LED blue chip to adjust the wavelength range of light emitted from the lighting device.
  • it is required to implement the technique of the present invention can improve the wavelength of the light emitted from the lighting device at the same time to increase the growth efficiency of the plant rather.
  • An object of the present invention is to adjust the amount of light according to the wavelength of the light irradiated despite the adoption of a relatively cheap LED blue chip than the conventional RED blue chip in the lighting device plant lighting LED lighting technology that can increase the growth efficiency of the plant even more To provide.
  • Another object of the present invention is a plant factory LED that can make the growth and growth of plants uniform by excluding the possibility of changing a predetermined target condition during installation and use by configuring a configuration indicating a specific light quantity in a specific wavelength band in a single chip unit To provide lighting technology.
  • the blue chip light source 10 for driving the light of the blue series by driving the power supplied from the outside;
  • a combination of yellow series, green series, and red series phosphors is formed, and is applied to the outer surface of the blue chip light source to show a first maximum point having a maximum value within a region of 625 nm to 700 nm.
  • the LED lighting module for a plant factory the blue chip light source 10 for driving the light of the blue series by driving the power supplied from the outside; It is composed of red R phosphor and is applied to the outer surface of the blue chip light source so that the amount of light irradiated to the outside through the blue chip light source shows the first maximum value within the wavelength range of 430 nm to 470 nm and within the wavelength range of 600 nm to 730 nm.
  • the second maximum value is shown, and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 430 nm to 470 nm and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 600 nm to 730 nm are the maximum values of the amount of light irradiated within the wavelength range of 490 nm to 560 nm. It is configured to include; mixed phospho 20 to be maintained larger.
  • the LED lighting module for a plant factory the blue chip light source 10 for driving the light of the blue series by driving the power supplied from the outside; RG phosphors of red series and green series are combined and applied to the outer surface of the blue chip light source so that the amount of light irradiated to the outside through the blue chip light source shows the first maximum value within the wavelength range of 430 nm to 470 nm and is 600 nm to 730 nm. It is configured to include a; the mixture phospho 20 to represent the second maximum value within the wavelength range of the third maximum value less than the first and second maximum value within the wavelength range of 490nm to 560nm.
  • the LED lighting module for a plant factory the blue chip light source 10 for driving the light of the blue series by driving the power supplied from the outside; RY phosphor of red series and yellow series is combined and applied to the outer surface of the blue chip light source so that the amount of light irradiated to the outside through the blue chip light source shows the first maximum value within the wavelength range of 430 nm to 470 nm, and 550 nm to 730 nm.
  • the second maximum value is within the wavelength range of, and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 430 nm to 470 nm and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 550 nm to 730 nm are irradiated within the wavelength range of 490 nm to 530 nm. It is configured to include; mixed phosphor 20 to be maintained larger than the maximum value of the amount of light to be.
  • LED lighting device for a plant factory the LED lighting module 100 as described above; A circuit board 200 having a plurality of LED lighting modules, the circuit wiring being patterned to control on / off of the LED lighting module and to apply external power to the LED lighting module; And a frame 300 which fixes the circuit board while the bottom surface of the circuit board is seated.
  • LED lighting device for a plant factory is attached to the bottom edge of the frame detachably attached to the closing cover 400 for closing the circuit board mounted on the frame and the LED lighting module mounted on the circuit board; Can be configured.
  • the plurality of LED lighting modules mounted on the circuit board is preferably arranged in a line apart from each other at equal intervals.
  • LED lighting technology for a plant factory can obtain the following advantages.
  • LED blue chips are adopted to lower manufacturing costs.
  • FIG. 1 is an exemplary view showing an LED lighting device for a plant factory according to the present invention.
  • Figure 2 is an enlarged view of the LED lighting device and LED lighting module for a plant factory according to the present invention.
  • 3 is a graph showing the wavelength of light emitted from a general fluorescent lamp.
  • Figure 4 is a graph showing the target conditions when applying the RGY phosphor to the LED lighting device in the present invention.
  • 5 and 6 are graphs showing the wavelength of light emitted from the LED lighting apparatus of the prior art.
  • FIG. 7 is a graph showing a target condition of a white LED lighting apparatus emphasizing the red wavelength band in the present invention.
  • Figure 8 and Figure 9 is a graph comparing the growth state of the lighting device for the "caesars red” plants.
  • 10 and 11 is a graph comparing the growth state of the lighting device for the "lettuce" plants.
  • 12 and 13 is a graph comparing the growth state of the lighting device for the "caesars green” plants.
  • 15 is a graph showing an emission spectrum according to the second embodiment of the mixed phosphor in the present invention.
  • 16 is a graph showing an emission spectrum according to the third embodiment of the mixed phosphor in the present invention.
  • FIG. 1 is an exemplary view showing an LED lighting device for a plant factory according to the present invention
  • Figure 2 is an enlarged view of the LED lighting device and LED lighting module for a plant factory according to the present invention.
  • the LED lighting module 100 for a plant factory according to the present invention is installed in the LED lighting device, it consists of a blue chip light source 10 and the phosphor 20.
  • the phospho 20 may be embodied as RGY phospho (Red Green Yellow Phospher) or mixing phospho (mixing phospher).
  • the mixed phosphor is composed of any one of red phosphorus R phosphor, RG phosphor combining red and green series, and RY phosphor combining red and yellow series.
  • the blue chip light source 10 is driven by a power supplied from the outside to emit blue light.
  • the phosphor 20 is applied to the outer surface of the blue chip light source 10, the light emitted by the blue chip light source 10 and the phosphor 20 is combined to implement light that particularly emphasizes the red wavelength band.
  • the RGY phosphor 20 is composed of a combination of yellow, green, and red phosphors, and is applied to an outer surface of the blue chip light source 10 to irradiate the light through the blue chip light source 10 to a region of 625 nm to 700 nm. Indicate a first maximal point having a maximum value within the region, a second maximal point having a value less than the first maximal point within the range of 430 nm to 470 nm, and maintain a value greater than or equal to the second maximal point within the range of 550 nm to 660 nm. Do it.
  • the amount of light generated by the blue chip light source 10 emitting the blue light is passed through the RGY phosphor 20 on the outer surface thereof to represent the first maximum point having a maximum value in the region of 625 nm to 700 nm.
  • the second maximum point having a value smaller than the first maximum point in the region of 430 nm to 470 nm, and having a relatively larger value than the second maximum point in the region of 550 nm to 660 nm.
  • the mixed phosphor 20 according to the first embodiment of the present invention is composed of a red phosphor R phosphor.
  • the second maximum value within the wavelength range of, and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 430nm to 470nm and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 600nm to 730nm is irradiated within the wavelength range of 490nm to 560nm It is preferable to be configured to be kept larger than the maximum value of the amount of light to be.
  • the mixed phosphor 20 according to the second embodiment of the present invention is formed by combining red and green RG phosphors.
  • the amount of light applied to the outer surface of the blue chip light source 10 and irradiated to the outside through the blue chip light source 10 exhibits a first maximum value within a wavelength range of 430 nm to 470 nm, and 600 nm to 730 nm. It is preferable to be configured to represent a second maximum value within the wavelength range of, and to display a third maximum value less than the first and second maximum values within the wavelength range of 490nm to 560nm.
  • the mixed phosphor 20 according to the third embodiment of the present invention is a combination of red-based, yellow-based RY phosphor.
  • the amount of light applied to the outer surface of the blue chip light source 10 and irradiated to the outside through the blue chip light source 10 exhibits a first maximum value within a wavelength range of 430 nm to 470 nm, and 550 nm to 730 nm.
  • the second maximum value is within the wavelength range of, and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 430 nm to 470 nm and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 550 nm to 730 nm are irradiated within the wavelength range of 490 nm to 530 nm. It is desirable to maintain greater than the maximum value of the amount of light to be.
  • the mixing phosphor (20) adopted in the present invention is a material that emits fluorescence, and generally can be produced by combining a phosphor having a plurality of series of colors.
  • the mixed phosphor 20 is applied to the outer surface of the LED chip, and the light emitted from the LED chip (for example, a blue chip light source) itself represents a specific amount of light in a specific wavelength band, and the mixed force applied to the LED chip.
  • Guns can also be combined to show a specific amount of light in a specific wavelength range when emitting light from an external light source (eg a blue chip light source).
  • a target condition (for example, a graph indicating the wavelength of light emitted and the amount of light emitted) is first determined to indicate the relative intensity of the wavelength band of light emitted through the mixed phosphor 20 and the amount of light irradiated for each specific wavelength band, and then correspondingly.
  • the combination of the mixed phosphors 20 can be automatically determined.
  • the target condition may be determined in consideration of whether the light amount is relatively large or small in each of the yellow series, the green series, and the red series.
  • a dedicated tool for example, a combination of phospho
  • a dedicated tool for example, a combination of phospho
  • a dedicated tool is preferably arranged to automatically combine a specific series of phosphors corresponding to the target condition. Program. Therefore, those skilled in the art can set the target conditions to be irradiated from the light emitter, and then prepare the phosphor 20 by combining the phosphors corresponding to the target conditions using a dedicated tool.
  • LED lighting device for a plant factory is equipped with an LED lighting module 100, and includes a circuit board 200, a frame 300, the closing cover 400.
  • the LED lighting module 100 is formed by applying a phosphor 20 to adjust the emitted light on the outer surface of the blue chip light source 10 that is driven by a power supplied from the outside to emit blue-based light.
  • the phosphor 20 is preferably applied to the outer surface of the blue chip light source 10, depending on the embodiment can be attached in the form of a sticker.
  • the circuit board 200 includes a plurality of LED lighting modules 100, and circuit wiring is patterned to control on / off of the LED lighting module 100 and to apply external power to the LED lighting module 100.
  • the plurality of LED lighting modules 100 mounted on the circuit board 200 may be arranged in a line apart at equal intervals.
  • the frame 300 fixes the circuit board 200 in a state where the bottom surface of the circuit board 200 is seated, and is fixed to the support frame of the plant factory to support the lighting device.
  • the closing cover 400 is detachably attached to the bottom edge of the frame 300 to close the circuit board 200 seated on the frame 300 and the LED lighting module 100 mounted on the circuit board 200.
  • the finishing cover 400 may be adopted as any one of glass or synthetic resin material, preferably may be adopted as a light synthetic resin material.
  • FIG. 3 is a graph illustrating an analysis of wavelengths of light emitted from a general fluorescent lamp.
  • 4 is a graph showing target conditions in a specific wavelength band when the RGY phosphor 20 is applied to the wavelength of light emitted from the LED lighting device for a plant factory according to the present invention.
  • the graph of FIG. 4 schematically shows only target conditions for a portion of a specific wavelength band and omits the continuous portion.
  • the light emitted from the general three-wavelength fluorescent lamp is very weak in the light intensity in the 660nm wavelength band which is very important for the plant growth of the present invention.
  • such a conventional three-wavelength fluorescent lamp has the disadvantage that the power consumption is too large and short life.
  • RGY phosphor 20 is a combination of a yellow-based, green-based, red-based phospho is applied to the outer surface of the blue chip light source 10, at this time irradiated through the blue chip light source 10
  • the amount of light indicates a first maximum point having a maximum value, and a second maximum point having a value smaller than the first maximum point in a region of 430 nm to 470 nm.
  • a value larger than the second maximum point is maintained. That is, it has a first maximal point in the (3) region, has a second maximal point in the (1) region, and maintains a relatively larger value than the second maximal point in the (2) region.
  • FIG. 5 is a graph showing the wavelength of light emitted from a lighting device combining a red LED and a blue LED in the prior art
  • Figure 6 is a graph of the light emitted from a lighting device combining a white LED and a red LED for general lighting in the prior art. It is a graph showing the wavelength.
  • approximately 5 red LEDs are arranged in a row in order to control the power applied to the blue LEDs and the red LEDs at the same time, thereby realizing the amount of light in the wavelength band corresponding to the target condition.
  • Figure 6 is a lighting device produced by the process of realizing the amount of light in the wavelength band according to the target conditions by arranging approximately two red LEDs per one white LED sequentially and at the same time controlling the power applied to the white LED and red LED Experiment through.
  • the light emitted from the lighting device exhibits peak values in the 450 nm wavelength band of the blue series and the 660 nm wavelength band of the red series, but maintains the intensity smaller than the 450 nm wavelength band in the wavelength range of 550 nm to 660 nm. It has adverse conditions for plant growth.
  • the light emitted from the illumination device maintains relatively small intensity in the wavelength range of 550 nm to 660 nm even though the intensity peaks in the 450 nm wavelength band of the blue series and the 660 nm wavelength band of the red series. It has been described in FIG. 5 above that it has disadvantageous conditions for plant growth. The result can be found in the following description of FIG. 8 to FIG. 13.
  • the individual LEDs emitting a specific color are arranged in a mixture so as to exhibit a relatively high amount of light in the wavelength band of 450 nm and the wavelength band adjacent to the wavelength band of 660 nm. It went through the complicated process of controlling the power applied to individual LEDs to achieve the target conditions.
  • the target condition that is already matched during the use of the finished lighting device is likely to cause an error in the process of determining the amount of light that meets the target condition and mechanically arranging the individual LEDs accordingly, and also due to the difference in durability of the individual LEDs. There was a drawback to this change.
  • FIG. 7 is a graph showing target conditions of a specific wavelength band with respect to a wavelength of light emitted from a white LED lighting device emphasizing a red wavelength band.
  • the graph of FIG. 7 schematically shows only target conditions for a part of a specific wavelength band and omits the continuous part.
  • the intensity of light emitted from an illumination device exhibits a peak value in the 450 nm wavelength band of blue series, and the 660 nm wavelength band of red series is maintained even when the intensity is relatively larger than the 450 nm wavelength band in the wavelength range of 550 nm to 660 nm.
  • the intensity peak is not realized at this, it also has a very disadvantageous condition for plant growth. That is, in the region 1, it has a second maximal point, and in the region 2, it maintains a relatively larger value than the second maximal point.
  • the intensity peak is not realized in the 660 nm wavelength band, this also has a very disadvantageous condition for plant growth.
  • 8 to 13 are experiments obtained by observing a process of growing plants of "Caesars red”, “lettuce”, “Caesars green” by the light irradiated a plurality of LED lighting apparatus according to the conditions of the following [Table 1] Results are shown. 8 to 13, as a result of experimenting with "Chases red”, “lettuce”, “Caesars green", the lighting device of the present invention (white LED) adopting a blue chip with low power consumption and low unit cost is the power consumption and Compared with the lighting device of the white LED + red LED using the prior art red chip with a high unit cost, it was confirmed that the overall plant growth rate was good.
  • the lighting device using a fluorescent lamp is a lighting device in combination with a white LED and a red LED, the power consumption is much higher than the lighting device according to the present invention, the growth rate of each plant is rather disadvantageous through FIGS. 8 to 13 You can check it.
  • Table 1 division Fluorescent lamp White LED + Red LED Embodiment of the present invention Direct height 18 cm 18 cm 21 cm Roughness 8,920 lux 7,490 lux 7,650 lux PPFD 123 uMol / m2sec 133 uMol / m2sec 115 uMol / m2sec Power Consumption 32 W 18 W 19 W
  • the height directly below represents the distance from the LED lighting module 100 to the measurement point.
  • FIG 8 and 9 are graphs comparing the growth state when the light is irradiated from the illumination device according to the present invention and the illumination device combining the fluorescent lamp, the white LED and the red LED to the "Chasers red” plant.
  • the present invention adopts a blue chip with low power consumption and low unit cost (white LED It can be seen that the growth rate is almost the same as that of "caesar red” grown through the lighting device.
  • FIGS. 10 and 11 are graphs comparing the growth state when the light is irradiated from the lighting device according to the present invention and a lighting device combining a fluorescent lamp, a white LED and a red LED on the "lettuce" plant.
  • the “lettuce” grown through the lighting device of the white LED + red LED using the red chip having high power consumption and unit cost is the present invention adopting the blue chip having low power consumption and low unit price (white LED). It can be seen that the "lettuce” grown through the lighting device of) shows a rather good growth rate.
  • 12 and 13 are graphs comparing the growth state when the light is irradiated from the lighting device according to the present invention and the lighting device combining the fluorescent lamp, the white LED and the red LED to the "Chases green” plant.
  • the present invention adopts a blue chip having low power consumption and a low unit cost even in "caesar green” grown through a lighting device of a white LED + red LED using a red chip having high power consumption and unit cost (white It can be seen that "caesars green” grown through the lighting device of the LED) shows a rather good growth rate.
  • the mixed phosphor 20 according to the first embodiment is formed by combining a red phosphor R phosphor and applied to an outer surface of the blue chip light source 10 to irradiate light through the blue chip light source 10. Combine to show specific amount of light from specific plant group at specific wavelength range.
  • the amount of light irradiated within the wavelength range of 430 nm to 470 nm, which has a great influence on the specific plant growth, is shown to be the first maximum value, and the amount of light irradiated within the wavelength range of 600 nm to 730 nm, which has a great influence on the plant growth, is shown as the second maximum value. It is preferable to represent.
  • the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 430 nm to 470 nm and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 600 nm to 730 nm are configured to be maintained larger than the maximum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 490 nm to 560 nm. This is preferable, which maintains the intensity of light in the wavelength range of 430 nm to 470 nm and the wavelength range of 600 nm to 730 nm, which are important for plant growth and growth, and maintains a relatively low amount of light in other wavelengths which are disadvantageous for plant growth and growth.
  • the mixed phosphor 20 according to the second embodiment is made of a combination of red and green RG phosphors, and is applied to an outer surface of the blue chip light source 10 so as to pass through the blue chip light source 10. When irradiated with light, it is combined to show a specific light amount for a specific plant group in a specific wavelength band.
  • the amount of light irradiated within the wavelength range of 430 nm to 470 nm, which has a great influence on the specific plant growth, is shown to be the first maximum value, and the amount of light irradiated within the wavelength range of 600 nm to 730 nm, which has a great influence on the plant growth, is shown as the second maximum value. It is preferable to represent.
  • the light quantity graph is formed to be convex upward in the region of?
  • the mixed phosphor 20 according to the third embodiment is made of a combination of red and yellow RY phosphors, a combination of red and yellow RY phosphors, and a blue chip light source 10. It is applied to the outer surface of the blue chip light source 10 when combined with the irradiation of light through a specific wavelength band to combine to show a specific amount of light for a specific plant group.
  • the amount of light irradiated within the wavelength range of 430 nm to 470 nm, which has a great influence on the specific plant growth, is shown to be the first maximum value
  • the amount of light irradiated within the wavelength range of 550 nm to 730 nm, which has a great influence on the plant growth is shown as the second maximum value. It is preferable to represent.
  • the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 430 nm to 470 nm and the minimum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 550 nm to 730 nm are maintained to be larger than the maximum value of the amount of light irradiated within the wavelength range of 490 nm to 530 nm. It is preferable that the amount of light irradiated within the wavelength range of 550 nm to 600 nm is set relatively high as compared with the second embodiment so as to be configured for the plant optimal for the second embodiment and another specific plant.
  • the light quantity graph is moved to the region (2) and is convexly formed in the upper left direction in the wavelength band of approximately 600 nm.
  • the mixed phospho 20 according to the first, second, third embodiments is the first maximum point according to the amount applied to the outer surface of the blue chip light source 10 and It shows that the amount of light may fluctuate in the second maximal portion.

Abstract

본 발명은 조명장치로부터 조사되는 빛의 파장범위에 따른 광량을 식물에 생육조건에 적합하게 조정하는 기술을 저렴한 가격으로 구현하는 기술이다. 이를 위해, 본 발명은 식물공장에서 종래 채용되는 고가의 LED 레드칩 대신 저가의 LED 블루칩을 채용하여 식물공장용 조명장치의 제작단가를 낮추고, 이 LED 블루칩에 레드 계열, 그린 계열, 옐로우 계열의 포스포를 조합하여 제작한 조명장치로부터 식물 생장의 목표 조건에 맞는 파장범위에서 목표 조건에 맞는 광량이 조사되도록 하였다. 나아가, 레드 광원으로 인한 눈의 피로를 감소시켜 작업 환경이 개선되고, 동시에 조명장치로부터 발광되는 빛의 파장을 개선하여 식물의 생육 효율은 상대적으로 더 높일 수 있는 기술을 제시하였다.

Description

식물공장용 LED 조명모듈과 이를 탑재한 식물공장용 LED 조명장치
본 발명은 조명장치로부터 조사되는 빛의 파장범위에 따른 광량을 식물에 생육조건에 적합하게 조정하는 기술을 저렴한 가격으로 구현하는 기술이다.
이를 위해, 본 발명은 식물공장에서 종래 채용되는 고가의 LED 레드칩 대신 저가의 LED 블루칩을 채용하여 식물공장용 조명장치의 제작단가를 낮추고, 이 LED 블루칩에 레드 계열, 그린 계열, 옐로우 계열의 포스포를 조합하여 제작한 조명장치로부터 식물 생장의 목표 조건에 맞는 파장범위에서 목표 조건에 맞는 광량이 조사되도록 하였다. 나아가, 레드 광원으로 인한 눈의 피로를 감소시켜 작업 환경이 개선되고, 동시에 조명장치로부터 발광되는 빛의 파장을 개선하여 식물의 생육 효율은 상대적으로 더 높일 수 있는 기술을 제시하였다.
구체적으로는, 본 발명은 LED 조명모듈과 이 LED 조명모듈이 탑재되는 LED 조명장치로부터 발광되는 빛이 블루계열 파장대(450nm)에서 1차 피크치를 구현하도록 하고, 레드계열 파장대(660nm)에서도 2차 피크치를 구현하도록 하여 식물의 생육이 전반적으로 촉진되도록 한다.
일반적으로 식물은 뿌리를 통해 양분과 수분을 흡수하고 잎에서의 광합성으로 에너지를 생성하여 생장한다. 식물 생장에 필요한 에너지는 광합성으로 생성되는데, 이때 가장 중요한 것이 빛 에너지이다.
노지에서 재배되는 식물은 자연광(태양광)에 의해 빛에너지를 공급받기 때문에 특별히 빛을 선택하는 경우가 없지만, 식물공장이나 실내에서 재배되는 식물은 식물의 생장을 조절하기 위해 자연광 대신에 자연광과 유사한 인공조명을 활용한다.
이러한 인공조명을 구현하는 방법은 여러 가지가 있지만, 식물의 생육에 적합한 빛의 파장대를 구현하는 것이 중요한데 이러한 인공조명의 목표 조건 파장대를 구현하는 것이 식물공장에서 핵심기술이라 할 수 있다.
종래에는 3파장 형광등을 이용하는 방식을 많이 이용하였지만, 소비전력이 너무 크고 수명은 짧은데 반해, 식물 생육에는 오히려 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
이를 극복하기 위해 LED를 이용한 다양한 조명장치들이 개발되었는데, 그 중에서 식물 생장에 매우 중요한 레드 계열의 파장대를 구현하기 위해 레드칩을 채택하였다. 그리고, 이 레드칩에 블루 LED 또는 화이트 LED를 조합하여 목적하는 파장범위를 구현하기도 한다.
그런데, 레드칩은 블루칩에 비해 훨씬 고가이고 소비전력도 커서 식물공장을 운영하는데 있어서 비효율적이지만, 레드 계열의 파장대를 구현하기 위해 채용하고 있는 실정이다.
위와 같은 단점을 해결하기 위해 LED 블루칩에 레드 계열, 그린 계열, 옐로우 계열의 포스포, RGY 포스포를 적용하여 조명장치로부터 발광되는 빛의 파장범위를 조정함에 따라 식물공장용 조명장치의 제작단가를 낮추면서도 동시에 조명장치로부터 발광되는 빛의 파장을 개선하여 식물의 생육 효율은 오히려 더 높일 수 있는 본 발명의 기술의 구현이 요구된다.
[관련기술문헌]
1. 대한민국 특허출원 10-2010-0028266호 "식물공장 LED 조명장치 및 이의 제조방법"
2. 대한민국 특허출원 10-2003-0078989호 "엘이디 광원을 이용한 색소 식물공장 및 그 장치"
3. 대한민국 특허출원 10-2009-0008331호 "발광다이오드 모듈 및 그 제조방법"
4. 대한민국 특허출원 10-2009-0049401호 "LED 조명 모듈"
본 발명의 목적은 조명장치에 종래의 RED 블루칩보다 상대적으로 저렴한 LED 블루칩을 채용함에도 불구하고 조사되는 빛의 파장대에 따른 광량을 조절하여 식물의 생육 효율을 오히려 더 높일 수 있는 식물공장용 LED 조명 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특정 파장대에서 특정 광량을 나타내는 구성을 단일의 칩 단위로 구성하여 설치 사용중 미리 설정된 목표 조건이 변경될 가능성을 배제하여 식물의 생육과 생장을 균일하게 할 수 있는 식물공장용 LED 조명 기술을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명모듈은, 외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10); 옐로우 계열, 그린 계열, 레드 계열의 포스포가 조합되어 이루어지며, 블루칩 광원의 외표면에 도포되어 블루칩 광원을 통해 외부로 조사되는 광량이 625nm 내지 700nm의 영역 내에서 최대값을 갖는 제 1 극대점을 나타내도록 하고, 430nm 내지 470nm의 영역 내에서 제 1 극대점보다 작은 값을 갖는 제 2 극대점을 나타내도록 하고, 550nm 내지 660nm 영역내에서 제 2 극대점 이상의 값을 유지하도록 하는 RGY 포스포(20);를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명모듈은, 외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10); 레드 계열의 R 포스포로 이루어지며, 블루칩 광원의 외표면에 도포되어 블루칩 광원을 통해 외부로 조사되는 광량이 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 제 1 극대값을 나타내도록 하고 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 제 2 극대값을 나타내도록 하며, 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값과 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값은 490nm 내지 560nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최대값보다 크게 유지되도록 하는 혼합 포스포(20);를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명모듈은, 외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10); 레드 계열, 그린 계열의 RG 포스포가 조합되어 이루어지며, 블루칩 광원의 외표면에 도포되어 블루칩 광원을 통해 외부로 조사되는 광량이 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 제 1 극대값을 나타내도록 하고 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 제 2 극대값을 나타내도록 하며, 490nm 내지 560nm의 파장범위 내에서 제 1,2 극대값보다 작은 제 3 극대값을 나타내도록 하는 혼합 포스포(20);를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명모듈은, 외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10); 레드 계열, 옐로우 계열의 RY 포스포가 조합되어 이루어지며, 블루칩 광원의 외표면에 도포되어 블루칩 광원을 통해 외부로 조사되는 광량이 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 제 1 극대값을 나타내도록 하고 550nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 제 2 극대값을 나타내도록 하며, 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값과 550nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값은 490nm 내지 530nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최대값보다 크게 유지되도록 하는 혼합 포스포(20);를 포함하여 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명장치는, 이상과 같은 LED 조명모듈(100); LED 조명모듈을 복수 개 탑재하며, 회로배선이 패터닝되어 LED 조명모듈의 온/오프를 제어하고 LED 조명모듈에 외부 전원을 인가시키는 회로기판(200); 회로기판의 저면이 안착된 상태로 회로기판을 고정시키는 프레임(300);을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명장치는, 프레임의 저면 테두리에 탈착 가능하게 부착되어 프레임에 안착된 회로기판 및 회로기판에 탑재된 LED 조명모듈을 마감하는 마감커버(400);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 회로기판에 복수 개 탑재되는 LED 조명모듈은 상호 등간격으로 떨어져 일렬로 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명 기술에 따르면 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다.
(1) 일반적으로 식물공장용 조명장치에 채용되는 고가의 LED 레드칩 대신 저렴한 LED 블루칩을 채용하여 제작단가를 낮추면서도 식물에 조사되는 빛의 파장대에 따른 광량을 블루계열 파장대(450nm)에서 피크치를 구현하도록 하고, 레드계열 파장대(660nm)에서도 피크치를 구현하도록 함으로써 식물공자의 식물 생장은 오히려 촉진시킬 수 있는 장점이 있다.
(2) 이때, 식물에 조사되는 빛의 파장대에 따른 광량을 개별 식물에 따라서 레드 계열, 또는 레드 계열에 그린 계열 및 옐로우 계열의 포스포를 선택적으로 달리 조합하여 식물별 생육 효율을 효과적으로 높일 수 있는 장점이 있다.
(3) 블루칩 광원의 외표면에 혼합된 포스포를 도포하여 특정 파장대에서 특정 광량을 나타내는 구성을 하나의 칩 단위를 구현할 수 있기 때문에 설치 사용중에 목표 조건이 변경될 가능성이 적어 식물의 생육과 생장을 균일하게 할 수 있는 장점이 있다.
(4) 일반적으로 식물공장용 조명장치에 채용되는 고가의 LED 레드칩을 배제하고, LED 블루칩을 채용하여 제작단가를 낮춘 장점이 있다.
(5) 또한, 레드 광원으로 인한 눈의 피로를 감소시켜 작업 환경이 개선되는 장점도 있다.
(6) 또한, 각종의 포스포(RGY 포스포, 레드 계열, 또는 레드 계열에 그린 계열 및 옐로우 계열의 포스포)를 조합한 후에 블루칩 광원의 외표면에 도포하여 구현하는 방식이어서 단일 LED 칩으로 제작이 간편하다.
도 1은 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명장치를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명장치와 LED 조명모듈을 발췌하여 확대한 도면.
도 3은 일반적인 형광등으로부터 발광되는 빛의 파장을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에서 LED 조명장치에 RGY 포스포를 적용한 경우의 목표 조건을 나타낸 그래프.
도 5와 도 6은 종래기술의 LED 조명장치로부터 발광되는 빛의 파장을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에서 레드 파장대를 강조한 화이트 LED 조명장치의 목표 조건을 나타낸 그래프.
도 8과 도 9는 "시저스 레드" 식물에 대한 조명장치별 생육상태를 비교한 그래프.
도 10과 도 11은 "양상추" 식물에 대한 조명장치별 생육상태를 비교한 그래프.
도 12와 도 13은 "시저스 그린" 식물에 대한 조명장치별 생육상태를 비교한 그래프.
도 14는 본 발명에서 혼합 포스포의 제 1 실시예에 따른 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 15은 본 발명에서 혼합 포스포의 제 2 실시예에 따른 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 16은 본 발명에서 혼합 포스포의 제 3 실시예에 따른 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명장치를 도시한 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명장치와 LED 조명모듈을 발췌하여 확대한 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명모듈(100)은 LED 조명장치에 설치되며, 블루칩 광원(10)과 포스포(20)로 이루어진다. 이때, 포스포(20)는 RGY 포스포(Red Green Yellow Phospher) 또는 혼합 포스포(mixing phospher)로 구현될 수 있다. 여기서, 혼합 포스포는 레드 계열의 R 포스포, 레드 계열과 그린 계열이 조합된 RG 포스포, 레드 계열과 옐로우 계열이 조합된 RY 포스포 중 어느 하나로 구성된다.
블루칩 광원(10)은 외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광한다. 포스포(20)가 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되면, 블루칩 광원(10)과 포스포(20)가 합쳐져 발광하는 빛은 레드 계열의 파장대를 특히 강조한 광을 구현한다.
먼저, 포스포(20)가 RGY 포스포로 구현되는 경우를 살펴본다.
RGY 포스포(20)는 옐로우 계열, 그린 계열, 레드 계열의 포스포가 조합되어 이루어지며, 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되어 블루칩 광원(10)을 통해 조사되는 광량이 625nm 내지 700nm의 영역 내에서 최대값을 갖는 제 1 극대점을 나타내도록 하고, 430nm 내지 470nm의 영역 내에서 제 1 극대점보다 작은 값을 갖는 제 2 극대점을 나타내도록 하고, 550nm 내지 660nm 영역내에서 제 2 극대점 이상의 값을 유지하도록 한다.
즉, 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10)에서 생성된 광량이 그 외표면의 RGY 포스포(20)를 통과하면서 625nm 내지 700nm의 영역 내에서 최대값을 갖는 제 1 극대점을 나타내도록 하고, 430nm 내지 470nm의 영역 내에서 제 1 극대점보다 작은 값을 갖는 제 2 극대점을 나타내도록 하고, 550nm 내지 660nm 영역내에서 제 2 극대점보다 상대적으로 큰 값을 유지하는 특성을 갖게 된다.
다음으로, 포스포(20)가 혼합 포스포로 구현되는 경우를 살펴본다.
여기서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 혼합 포스포(20)는 레드 계열의 R 포스포로 이루어진다. 이때, 제 1 실시예에서는 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되어 블루칩 광원(10)을 통해 외부로 조사되는 광량이 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 제 1 극대값을 나타내도록 하고, 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 제 2 극대값을 나타내도록 하며, 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값과 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값은 490nm 내지 560nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최대값보다 크게 유지되도록 구성함이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 혼합 포스포(20)는 레드 계열, 그린 계열의 RG 포스포가 조합되어 이루어진다. 이때, 제 2 실시예에서는 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되어 블루칩 광원(10)을 통해 외부로 조사되는 광량이 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 제 1 극대값을 나타내도록 하고, 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 제 2 극대값을 나타내도록 하며, 490nm 내지 560nm의 파장범위 내에서 제 1,2 극대값보다 작은 제 3 극대값을 나타내도록 구성됨이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 혼합 포스포(20)는 레드 계열, 옐로우 계열의 RY 포스포가 조합되어 이루어진다. 이때, 제 3 실시예에서는 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되어 블루칩 광원(10)을 통해 외부로 조사되는 광량이 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 제 1 극대값을 나타내도록 하고, 550nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 제 2 극대값을 나타내도록 하며, 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값과 550nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값은 490nm 내지 530nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최대값보다 크게 유지되도록 함이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 채택한 혼합 포스포(mixing phospher;20)는 형광을 발산하는 물질로서, 일반적으로는 복수 계열의 색을 갖는 포스포를 조합하여 제작할 수 있다.
그리고, 혼합 포스포(20)는 LED칩의 외표면에 도포하여 사용하는데, LED칩(예:블루칩 광원) 자체에서 발광하는 빛은 제각각 특정 파장대에서 특정 광량을 나타내고, LED칩에 도포되는 혼합 포스포 또한 외부 광원(예: 블루칩 광원)을 통한 발광시 특정 파장대에서 특정 광량을 나타내도록 조합할 수 있다.
즉, 혼합 포스포(20)를 통해 발광되는 빛의 파장대와 특정 파장대별로 조사되는 광량의 상대적인 세기를 나타내도록 목표 조건(예: 발광되는 빛의 파장과 상대적인 광량을 나타내는 그래프)을 먼저 정하고 그에 대응하는 혼합 포스포(20)의 조합을 자동적으로 정할 수 있다. 이러한 목표 조건에는 옐로우 계열, 그린 계열, 레드 계열 각각에서 광량이 상대적으로 큰지 또는 작은지를 고려하여 정할 수 있다.
다른 한편, 본 발명에 관련된 업계에서는 LED 조명모듈(100)로부터 조사될 목표 조건이 정해지면, 바람직하게는 그 목표 조건에 대응하는 특정 계열의 포스포가 자동으로 조합되도록 전용 툴(예:포스포 조합 프로그램)을 사용할 수 있다. 그러므로 본 발명의 당업계에서 통상의 기술자는 발광체로부터 조사될 목표 조건을 설정한 후, 전용툴을 이용하여 이 목표 조건에 대응하는 포스포를 조합하여 포스포(20)를 제조할 수 있다.
위와 같은 과정을 거치면 본 발명의 당업자는 혼합 포스포(20)에 대한 특정 배합비를 갖지 않아도 미리 설정한 목표 조건에 대응하는 혼합 포스포(20)를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명장치는 LED 조명모듈(100)을 탑재하며, 회로기판(200), 프레임(300), 마감커버(400)를 구비한다.
LED 조명모듈(100)은 외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10)의 외표면에 그 발광된 빛을 조정하는 포스포(20)가 도포되어 이루어진다. 이때, 포스포(20)는 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포하는 것이 바람직한데 구현 예에 따라서는 스티커 형태로 부착할 수 있다.
회로기판(200)은 LED 조명모듈(100)을 복수 개 탑재하며, 회로배선이 패터닝되어 LED 조명모듈(100)의 온/오프를 제어하고 LED 조명모듈(100)에 외부 전원을 인가시키도록 한다. 이때, 회로기판(200)에 복수 개 탑재되는 LED 조명모듈(100)은 상호 등간격으로 떨어져 일렬로 배치될 수 있다.
프레임(300)은 회로기판(200)의 저면이 안착된 상태로 회로기판(200)을 고정시키고, 식물공장의 지지프레임에 고정되어 조명장치를 지지한다.
마감커버(400)는 프레임(300)의 저면 테두리에 탈착 가능하게 부착되어 프레임(300)에 안착된 회로기판(200)과, 회로기판(200)에 탑재된 LED 조명모듈(100)을 마감한다. 이때, 마감커버(400)는 유리 또는 합성수지재 중 어느 하나로 채택될 수 있으며, 바람직하게는 가벼운 합성수지재로 채택될 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하여 본 발명에서 달성하려는 식물공장용 조명장치의 목표 조건을 살펴본다.
도 3은 일반적인 형광등으로부터 발광되는 빛의 파장을 분석하여 나타낸 그래프이다. 도 4는 본 발명에 따른 식물공장용 LED 조명장치로부터 발광되는 빛의 파장에 대해 RGY 포스포(20)를 적용한 경우에 특정 파장대의 목표 조건을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 4의 그래프는 특정 파장대의 일부분에 대한 목표 조건만을 개략적으로 도시하고 연속적인 부분은 생략하였다.
먼저, 도 3을 참조하면, 일반적인 3파장 형광등으로부터 조사되는 빛은 본 발명에서 주목하는 식물 생장에 매우 중요한 660nm 파장대에서 빛의 강도가 매우 약함을 알 수 있다. 게다가, 이러한 일반적인 3파장 형광등은 소비전력이 너무 크고 수명을 짧다는 단점도 있다.
반면, 도 4를 참조하면, 옐로우 계열, 그린 계열, 레드 계열의 포스포가 조합되어 이루어지는 RGY 포스포(20)는 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되는데, 이때 블루칩 광원(10)을 통해 조사되는 광량이 625nm 내지 700nm의 영역 내에서 빛의 강도(intensity)가 최대값을 갖는 제 1 극대점을 나타내며, 430nm 내지 470nm의 영역 내에서 제 1 극대점보다 작은 값을 갖는 제 2 극대점을 나타낸다. 그리고 550nm 내지 660nm 영역내에서 제 2 극대점보다 상대적으로 큰 값을 유지하도록 한다. 즉, ③ 영역에서 제 1 극대점을 갖고, ① 영역에서 제 2 극대점을 가지며, ② 영역에서 제 2 극대점보다 상대적을 큰 값을 유지한다.
이와 같은 빛의 세기와 파장대를 구현하는 본 발명의 작용 효과는 아래의 도 8 내지 도 13를 설명하는 부분에서 확인할 수 있다.
도 5와 도 6을 참조하여 종래기술에서 레드 LED를 사용하여 식물공장용 조명장치를 적용한 예를 살펴본다.
도 5는 종래기술에서 레드 LED와 블루 LED를 조합한 조명장치로부터 발광되는 빛의 파장을 나타낸 그래프이고, 도 6은 종래기술에서 일반조명용 화이트 LED와 레드 LED를 조합한 조명장치로부터 발광되는 빛의 파장을 나타낸 그래프이다. 이때, 도 5에서는 블루 LED 1개당 대략 레드 LED 5개를 순차적으로 일렬 배열하고 동시에 블루 LED와 레드 LED에 인가되는 전원을 제어하여 목표 조건에 맞는 파장대에서의 광량을 구현하는 과정으로 제작한 조명장치를 통해 실험하였다. 또한, 도 6은 화이트 LED 1개당 대략 레드 LED 2개를 순차적으로 일렬 배열하고 동시에 화이트 LED와 레드 LED에 인가되는 전원을 제어하여 목표 조건에 맞는 파장대에서의 광량을 구현하는 과정으로 제작한 조명장치를 통해 실험하였다.
도 5를 참조하면, 조명장치로부터 조사되는 빛은 블루 계열인 450nm 파장대와 레드 계열인 660nm 파장대에서 세기가 피크치를 나타내지만, 550nm 내지 660nm 영역의 파장대에서 450nm 파장대의 세기보다 상대적으로 작은 세기를 유지하여 식물 생장에 불리한 조건을 갖는다.
도 6을 참조하면, 조명장치로부터 조사되는 빛은 블루 계열인 450nm 파장대와 레드 계열인 660nm 파장대에서 세기가 피크치를 나타내어도, 550nm 내지 660nm 영역의 파장대에서 450nm 파장대의 세기보다 상대적으로 작은 세기를 유지하면 식물 생장에 불리한 조건을 갖는다는 것은 위의 도 5에서 설명하였다. 이에 대한 결과는 아래의 도 8 내지 도 13를 설명하는 부분에서 확인할 수 있다.
도 5 및 도 6에서와 같이, 종래에는 조명장치의 제작에 있어서, 450nm의 파장대와 660nm의 파장대에서 인접하는 파장대보다 상대적으로 높은 광량을 나타내도록 하기 위해 특정 색상을 발광하는 개별 LED를 섞어서 배열하고 개별 LED에 인가되는 전원을 제어하여 목표 조건을 구현하는 복잡한 과정을 거쳤다. 여기서, 목표 조건에 맞는 광량을 정하고 그에 따라 기구적으로 개별 LED를 기구적으로 배열하는 과정에서 오류가 발생할 가능성이 높고 또한 개별 LED의 내구성 차이로 인해 완성된 조명장치의 사용중에 이미 맞추어진 목표 조건이 변경되기도 하는 단점이 있었다.
도 7은 레드 파장대를 강조한 화이트 LED 조명장치로부터 발광되는 빛의 파장에 대해 특정 파장대의 목표 조건을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 7의 그래프는 특정 파장대의 일부분에 대한 목표 조건만을 개략적으로 도시하고 연속적인 부분은 생략하였다.
도 7을 참조하면, 조명장치로부터 조사되는 빛의 세기가 블루 계열인 450nm 파장대에서 피크치를 나타내고, 550nm 내지 660nm 영역의 파장대에서 450nm 파장대의 세기보다 상대적으로 큰 세기를 유지하여도 레드 계열인 660nm 파장대에서 세기가 피크치가 구현되지 않으면 이 또한 식물 생장에 매우 불리한 조건을 갖게 된다. 즉, ① 영역에서는 제 2 극대점을 가지며, ② 영역에서 제 2 극대점보다 상대적을 큰 값을 유지한다. 그러나, 그래프의 ③ 영역에서 제 1 극대점을 나타내어도 660nm 파장대에서 세기가 피크치가 구현되지 않으면 이 또한 식물 생장에 매우 불리한 조건을 갖게 된다.
도 8 내지 도 13은 복수의 LED 조명장치를 아래 [표 1]의 조건에 따라 조사한 빛에 의해 "시저스 레드", "양상추", "시저스 그린"의 식물들이 생장하는 과정을 관찰하여 획득한 실험 결과를 나타낸다. 아래의 도 8 내지 도 13에서 "시저스 레드", "양상추", "시저스 그린"을 통해 실험한 결과, 소비전력이 낮고 단가가 낮은 블루칩을 채택한 본 발명(화이트 LED)의 조명장치가 소비전력과 단가가 높은 종래기술의 레드칩을 사용한 화이트 LED + 레드 LED의 조명장치에 비해 전반적으로 양호한 식물의 생장율을 나타냄을 확인하였다. 한편, 형광등을 이용한 조명장치는 화이트 LED와 레드 LED를 조합한 조명장치, 본 발명에 따른 조명장치에 비해 소비전력이 훨씬 큰데 반해, 각 식물의 생장율은 오히려 불리하다는 것도 도 8 내지 도 13를 통해 확인할 수 있다.
표 1
구분 형광등 화이트 LED + 레드 LED 본 발명의 실시예
직하 높이 18 cm 18 cm 21 cm
조도 8,920 lux 7,490 lux 7,650 lux
PPFD 123 uMol/m2·sec 133 uMol/m2·sec 115 uMol/m2·sec
소비 전력 32 W 18 W 19 W
여기서, 직하 높이는 LED 조명모듈(100)로부터 측정 지점까지의 거리를 나타낸다.
도 8과 도 9는 "시저스 레드" 식물에 형광등, 화이트 LED와 레드 LED를 조합한 조명장치와 본 발명에 따른 조명장치로부터 각각 빛이 조사되는 경우 생육상태를 비교한 그래프이다.
도 8과 도 9에서 보면, 소비전력과 단가가 높은 레드칩을 사용한 화이트 LED + 레드 LED의 조명장치를 통해 생육되는 "시저스 레드"는 소비전력이 낮고 단가가 낮은 블루칩을 채택한 본 발명(화이트 LED)의 조명장치를 통해 생육되는 "시저스 레드"와 거의 동등한 수준의 생장율을 나타냄을 알 수 있다.
도 10과 도 11은 "양상추" 식물에 형광등, 화이트 LED와 레드 LED를 조합한 조명장치와 본 발명에 따른 조명장치로부터 각각 빛이 조사되는 경우 생육상태를 비교한 그래프이다.
도 10과 도 11을 참조하면, 소비전력과 단가가 높은 레드칩을 사용한 화이트 LED + 레드 LED의 조명장치를 통해 생육되는 "양상추"는 소비전력이 낮고 단가가 낮은 블루칩을 채택한 본 발명(화이트 LED)의 조명장치를 통해 생육되는 "양상추"가 오히려 양호한 생장율을 나타냄을 알 수 있다.
도 12와 도 13은 "시저스 그린" 식물에 형광등, 화이트 LED와 레드 LED를 조합한 조명장치와 본 발명에 따른 조명장치로부터 각각 빛이 조사되는 경우 생육상태를 비교한 그래프이다.
도 12와 도 13을 참조하면, 소비전력과 단가가 높은 레드칩을 사용한 화이트 LED + 레드 LED의 조명장치를 통해 생육되는 "시저스 그린"에서도 소비전력이 낮고 단가가 낮은 블루칩을 채택한 본 발명(화이트 LED)의 조명장치를 통해 생육되는 "시저스 그린"이 오히려 양호한 생장율을 나타냄을 알 수 있다.
도 14는 본 발명에서 혼합 포스포의 제 1 실시예에 따른 식물공장용 LED 조명장치로부터 발광되는 빛에 대한 특정 파장범위에서의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 14를 참조하면, 제 1 실시예에 따른 혼합 포스포(20)는 레드 계열의 R 포스포가 조합되어 이루어지고 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되어 블루칩 광원(10)을 통한 빛의 조사시 특정 파장대에서 특정 식물군에서 특정 광량을 나타내도록 조합한다.
특정 식물 생육에 큰 영향을 미치는 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량이 제 1 극대값을 나타내도록 하고, 식물 생장에 큰 영향을 미치는 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서는 조사되는 광량이 제 2 극대값을 나타내도록 함이 바람직하다.
그리고, 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값과 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값은 490nm 내지 560nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최대값보다 크게 유지되도록 구성함이 바람직한데, 이는 식물의 생육과 생장에 중요한 430nm 내지 470nm의 파장범위와 600nm 내지 730nm의 파장범위에서 집중적으로 광량을 유지하고 그외 식물 생육과 생장에 불리한 파장대에서는 상대적으로 낮은 광량을 유지하도록 하였다.
도 15은 본 발명에서 혼합 포스포의 제 2 실시예에 따른 식물공장용 LED 조명장치로부터 발광되는 빛에 대한 특정 파장범위에서의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 15을 참조하면, 제 2 실시예에 따른 혼합 포스포(20)는 레드 계열, 그린 계열의 RG 포스포가 조합되어 이루어지고 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되어 블루칩 광원(10)을 통한 빛의 조사시 특정 파장대에서 특정 식물군에 맞는 특정 광량을 나타내도록 조합한다.
특정 식물 생육에 큰 영향을 미치는 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량이 제 1 극대값을 나타내도록 하고, 식물 생장에 큰 영향을 미치는 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서는 조사되는 광량이 제 2 극대값을 나타내도록 함이 바람직하다.
그리고, 490nm 내지 560nm의 파장범위 내에서 제 1,2 극대값보다 작은 제 3 극대값을 나타내도록 구성됨이 바람직한데, 이는 식물의 생육과 생장에 중요한 430nm 내지 470nm의 파장범위와 600nm 내지 730nm의 파장범위에서 집중적으로 광량을 유지하고 그외 식물 생육과 생장에 불리한 파장대에서는 상대적으로 낮은 광량을 유지하되, 490nm 내지 560nm의 파장범위 내에서 제 1,2 극대값보다 작은 제 3 극대값을 나타내도록 구성하여 490nm 내지 560nm의 파장범위에서 다른 식물에 비해 상대적으로 높은 광량을 요구하는 특정 식물을 위해 구성한 것이다.
도 15을 보면, 제 2 실시예에서는 대략 510nm 파장대에서 광량 그래프가 ① 영역으로 이동하여 상방향으로 볼록하게 형성된다는 것을 알 수 있다.
도 16은 본 발명에서 혼합 포스포의 제 3 실시예에 따른 식물공장용 LED 조명장치로부터 발광되는 빛에 대한 특정 파장범위에서의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 16을 참조하면, 제 3 실시예에 따른 혼합 포스포(20)는 레드 계열, 옐로우 계열의 RY 포스포가 조합되어 이루어지고 레드 계열, 옐로우 계열의 RY 포스포가 조합되어 이루어지며 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되어 블루칩 광원(10)을 통한 빛의 조사시 특정 파장대에서 특정 식물군에 맞는 특정 광량을 나타내도록 조합한다.
특정 식물 생육에 큰 영향을 미치는 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량이 제 1 극대값을 나타내도록 하고, 식물 생장에 큰 영향을 미치는 550nm 내지 730nm의 파장범위 내에서는 조사되는 광량이 제 2 극대값을 나타내도록 함이 바람직하다.
그리고, 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값과 550nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최소값은 490nm 내지 530nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량의 최대값보다 크게 유지되도록 함이 바람직한데, 이는 550nm 내지 600nm의 파장범위 내에서 조사되는 광량을 제 2 실시예에 비해 상대적으로 높게 설정하여 제 2 실시예에 최적인 식물과 또 다른 특정 식물을 위해 구성한 것이다.
도 16을 보면, 제 3 실시예에서는 대략 600nm 파장대에서 광량 그래프가 ② 영역으로 이동하여 좌상 방향으로 볼록하게 형성된다는 것을 알 수 있다.
한편, 도 14 내지 도 16에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 제 1,2,3 실시예에 따른 혼합 포스포(20)는 블루칩 광원(10)의 외표면에 도포되는 양에 따라 제 1 극대점과 제 2 극대점 부분에서 광량의 크기가 등락할 수 있음을 보여준다.

Claims (7)

  1. 식물공장용 LED 조명장치에 설치되는 LED 조명모듈로서,
    외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10);
    옐로우 계열, 그린 계열, 레드 계열의 포스포가 조합되어 이루어지며, 상기 블루칩 광원의 외표면에 도포되어 상기 블루칩 광원을 통해 외부로 조사되는 광량이 625nm 내지 700nm의 영역 내에서 최대값을 갖는 제 1 극대점을 나타내도록 하고, 430nm 내지 470nm의 영역 내에서 상기 제 1 극대점보다 작은 값을 갖는 제 2 극대점을 나타내도록 하고, 550nm 내지 660nm 영역내에서 상기 제 2 극대점 이상의 값을 유지하도록 하는 RGY 포스포(20);
    를 포함하여 구성되는 식물공장용 LED 조명모듈.
  2. 식물공장용 LED 조명장치에 설치되는 LED 조명모듈로서,
    외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10);
    레드 계열의 R 포스포로 이루어지며, 상기 블루칩 광원의 외표면에 도포되어 상기 블루칩 광원을 통해 외부로 조사되는 광량이 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 제 1 극대값을 나타내도록 하고 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 제 2 극대값을 나타내도록 하며, 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 상기 광량의 최소값과 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 조사되는 상기 광량의 최소값은 490nm 내지 560nm의 파장범위 내에서 조사되는 상기 광량의 최대값보다 크게 유지되도록 하는 혼합 포스포(20);
    를 포함하여 구성되는 식물공장용 LED 조명모듈.
  3. 식물공장용 LED 조명장치에 설치되는 LED 조명모듈로서,
    외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10);
    레드 계열, 그린 계열의 RG 포스포가 조합되어 이루어지며, 상기 블루칩 광원의 외표면에 도포되어 상기 블루칩 광원을 통해 외부로 조사되는 광량이 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 제 1 극대값을 나타내도록 하고 600nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 제 2 극대값을 나타내도록 하며, 490nm 내지 560nm의 파장범위 내에서 상기 제 1,2 극대값보다 작은 제 3 극대값을 나타내도록 하는 혼합 포스포(20);
    를 포함하여 구성되는 식물공장용 LED 조명모듈.
  4. 식물공장용 LED 조명장치에 설치되는 LED 조명모듈로서,
    외부로부터 공급되는 전원으로 구동하여 블루 계열의 빛을 발광하는 블루칩 광원(10);
    레드 계열, 옐로우 계열의 RY 포스포가 조합되어 이루어지며, 상기 블루칩 광원의 외표면에 도포되어 상기 블루칩 광원을 통해 외부로 조사되는 광량이 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 제 1 극대값을 나타내도록 하고 550nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 제 2 극대값을 나타내도록 하며, 430nm 내지 470nm의 파장범위 내에서 조사되는 상기 광량의 최소값과 550nm 내지 730nm의 파장범위 내에서 조사되는 상기 광량의 최소값은 490nm 내지 530nm의 파장범위 내에서 조사되는 상기 광량의 최대값보다 크게 유지되도록 하는 혼합 포스포(20);
    를 포함하여 구성되는 식물공장용 LED 조명모듈.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 따른 LED 조명모듈(100);
    상기 LED 조명모듈을 복수 개 탑재하며, 회로배선이 패터닝되어 상기 LED 조명모듈의 온/오프를 제어하고 상기 LED 조명모듈에 외부 전원을 인가시키는 회로기판(200);
    상기 회로기판의 저면이 안착된 상태로 상기 회로기판을 고정시키는 프레임(300);
    을 포함하여 구성되는 식물공장용 LED 조명장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 프레임의 저면 테두리에 탈착 가능하게 부착되어 상기 프레임에 안착된 상기 회로기판 및 상기 회로기판에 탑재된 상기 LED 조명모듈을 마감하는 마감커버(400);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 식물공장용 LED 조명장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 회로기판에 복수 개 탑재되는 상기 LED 조명모듈은 상호 등간격으로 떨어져 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 식물공장용 LED 조명장치.
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