WO2021025481A1 - 식물 재배용 광원 유닛 및 그것을 갖는 식물 재배 장치 - Google Patents

식물 재배용 광원 유닛 및 그것을 갖는 식물 재배 장치 Download PDF

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    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
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Definitions

  • the present disclosure relates to a light source unit for plant cultivation and a plant cultivation apparatus having the same.
  • Plants use light energy to synthesize organic matter from carbon dioxide and water. Plants use the chemical energy of organic substances obtained through photosynthesis as nutrients for growth.
  • Plants contain functional substances that have an effect on the object of interest. Plants have different levels of functional substances depending on their growth and environment. Plants, for example, protect themselves by producing antioxidants to defend against damage caused by oxidative stress. When a person consumes a plant containing a lot of such functional substances, the functional substances have a similar effect on the human body. Therefore, in order to efficiently obtain a functional substance, plants should be harvested when the functional substance is as large as possible.
  • the LED light source is superior in productivity compared to plant cultivation using natural light because plants can be grown regardless of weather, time or place.
  • the problem to be solved by the present disclosure is to provide a light source unit for plant cultivation suitable for increasing the growth rate while improving the functional material of the plant and a plant cultivation apparatus having the same.
  • the LED light source unit for plant cultivation includes at least one first light emitting diode chip that emits light of 430 nm or less and at least three types of phosphors excited by the at least one first light emitting diode chip.
  • the first phosphor having a peak wavelength in the first wavelength range of 440 to 500 nm;
  • a second phosphor having a peak wavelength in the second wavelength range of 500 to 600 nm;
  • a third phosphor having a peak wavelength in the third wavelength range of 600 to 650 nm is included, and the combination light of the light emitted from the first light emitting diode chip and the at least three types of phosphors is white light of a basic spectrum having a color temperature of 5000 K or higher.
  • the plant cultivation apparatus includes the LED light source unit for plant cultivation.
  • the LED light source unit for plant cultivation includes at least one first light emitting diode chip that emits light of 430 nm or less, and at least three types of phosphors excited by the at least one first light emitting diode chip.
  • the light emitting diode chip and the phosphor emits white light of a basic spectrum having a color temperature of 5000K or more, but when the relative intensity at each wavelength of the basic spectrum is defined based on the maximum intensity of the basic spectrum,
  • the difference between the maximum value of the relative intensity within the first wavelength range and the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range is less than 20%
  • the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range and the third wavelength range The difference in the maximum value of the relative strength within is less than 20%.
  • the light source for plant cultivation helps plant growth and increases the content of functional substances of the plant.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a plant cultivation apparatus according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a light source unit for plant cultivation according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG 3 is a graph showing a spectrum of a light source unit according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a plant cultivation apparatus according to another embodiment of the present disclosure.
  • 5 is a graph illustrating the spectrum of light source units for plant cultivation according to another embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a graph showing a spectrum of a light source unit of a comparative example.
  • 7A to 7F are graphs showing plant cultivation results according to the use of the light source unit according to the embodiment of the present disclosure and the light source unit of the comparative example.
  • 8A to 8F are graphs showing plant cultivation results according to the presence or absence of UV treatment.
  • FIG. 9 is a graph illustrating a spectrum of light source units for plant cultivation according to an embodiment.
  • the LED light source unit for plant cultivation includes at least one first light emitting diode chip that emits light of 430 nm or less and at least three types of phosphors excited by the at least one first light emitting diode chip.
  • the first phosphor having a peak wavelength in the first wavelength range of 440 to 480nm;
  • a second phosphor having a peak wavelength in the second wavelength range of 500 to 600 nm;
  • a third phosphor having a peak wavelength in the third wavelength range of 600 to 650 nm is included, and the combination light of the light emitted from the first light emitting diode chip and the at least three types of phosphors is white light of a basic spectrum having a color temperature of 5000 K or higher.
  • the first to third phosphors By using the first to third phosphors, it is possible to provide a basic spectrum of substantially uniform intensity over a relatively wide visible region, and the growth of plants can be promoted using this.
  • the maximum value of the relative intensity within the first wavelength range and the relative intensity within the second wavelength range in the base spectrum is less than 20%, and the difference between the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range and the maximum value of the relative intensity within the third wavelength range may be less than 20%.
  • a difference between the maximum value of the relative intensity within the fourth wavelength range of 400 to 430 nm and the maximum value of the relative intensity within the first wavelength range may be less than 30%.
  • the difference between the maximum value of the relative intensity within the first wavelength range and the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range is less than 10%, and the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range and the third The difference in the maximum value of the relative intensity within the wavelength range may be less than 10%.
  • the LED light source unit may further include a second light emitting diode chip having a peak wavelength within a fifth wavelength range of 650nm to 680nm.
  • the LED light source unit may further include a third light emitting diode chip, the first light emitting diode chip has a peak wavelength within a range of 410 to 430 nm, and the third light emitting diode chip is ultraviolet or a peak wavelength within a range of 440 to 460 nm It can emit blue light with.
  • a combination light of light emitted from the first light emitting diode chip and the first to third phosphors may represent white light of a basic spectrum having a color temperature of 5000K or higher.
  • the plant cultivation apparatus includes a first LED light source unit for plant cultivation, and the first LED light source unit includes at least one first light emitting diode chip emitting light of 430 nm or less, and the at least At least three types of phosphors excited by one first light-emitting diode chip, wherein the three types of phosphors include: a first phosphor having a peak wavelength within a first wavelength range of 440 to 480 nm; A second phosphor having a peak wavelength in the second wavelength range of 500 to 600 nm; A third phosphor having a peak wavelength in the third wavelength range of 600 to 650 nm is included, and the combination light of the light emitted from the first light emitting diode chip and the at least three types of phosphors is white light of a basic spectrum having a color temperature of 5000 K or higher. Show.
  • the plant cultivation apparatus may further include a second light source unit, and the second light source unit may include a second light emitting diode chip having a peak wavelength within a fifth wavelength range of 650 nm to 680 nm.
  • the plant cultivation apparatus may further include a panel in which the first light source unit and the second light source unit are disposed.
  • the plant cultivation apparatus may further include a third light source unit, and the third light source unit may include a light emitting diode chip emitting ultraviolet rays or a light emitting diode chip emitting blue light.
  • the plant cultivation apparatus may further include a panel in which the first light source unit and the third light source unit are disposed.
  • the first light source unit may further include a second light emitting diode chip having a peak wavelength in a fifth wavelength range of 650 nm to 680 nm.
  • the first light source unit may further include a third light emitting diode chip, the first light emitting diode chip has a peak wavelength within a range of 410 to 430 nm, and the third light emitting diode chip is ultraviolet or Blue light having a peak wavelength in the range of 440 to 460 nm may be emitted.
  • a combination light of light emitted from the first light emitting diode chip and the first to third phosphors may represent white light of a basic spectrum having a color temperature of 5000K or higher.
  • the present disclosure is not limited thereto, and light emitted from other phosphors may be further combined to represent white light of the basic spectrum.
  • the LED light source unit for plant cultivation includes at least one first light emitting diode chip that emits light of 430 nm or less, and at least three types of phosphors excited by the at least one first light emitting diode chip.
  • the light emitting diode chip and the phosphor emits white light of a basic spectrum having a color temperature of 5000K or more, but when the relative intensity at each wavelength of the basic spectrum is defined based on the maximum intensity of the basic spectrum,
  • the difference between the maximum value of the relative intensity within the first wavelength range and the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range is less than 20%
  • the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range and the third wavelength range The difference in the maximum value of the relative strength within is less than 20%.
  • the difference between the maximum value of the relative intensity within the first wavelength range and the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range is less than 10%, and the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range and the third The difference in the maximum value of the relative intensity within the wavelength range may be less than 10%.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a plant cultivation apparatus 100 according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a light source unit 20a for plant cultivation according to an embodiment of the present disclosure. This is a cross-sectional view.
  • the plant cultivation apparatus 100 may include a panel 10 and an LED light source unit 20a.
  • the panel 10 is not particularly limited in shape, size, and material as long as a plurality of LED light source units 20a can be arranged.
  • One or more LED light source units 20a may be arranged on the panel 10.
  • the LED light source unit 20a irradiates light to the plants 30 growing in the container 40 for plant cultivation. Many plants may be arranged for mass cultivation, and light may be uniformly irradiated to the plants from a plurality of LED light source units 20a arranged on the panel 10.
  • the LED light source unit 20a may include a base 21, a light emitting diode chip 23, and a wavelength converter 25, and the wavelength converter 25 includes a phosphor 25a. .
  • the base 21 may include leads (not shown) for electrical connection to an external power source.
  • the base 21 may also include a cavity for mounting the light emitting diode chip 23 therein.
  • the base 21 is not limited to a specific structure as long as it provides leads for connecting the light emitting diode chip 23 to an external power source, and may be leads provided by a lead frame or a circuit board.
  • the base 21 may be omitted.
  • the light emitting diode chip 23 may be mounted on the base 21 and may be electrically connected to the leads of the base 21.
  • the light emitting diode chip 23 may be formed of, for example, a group III nitride-based semiconductor layer.
  • the light emitting diode chip 23 emits light of 430 nm or less.
  • the light emitting diode chip 23 may have a peak wavelength within a range of 400 to 430 nm, further within a range of 405 to 420 nm, and further within a range of 410 to 420 nm.
  • the light emitting diode chip 23 may emit short-wavelength visible light or ultraviolet rays of 400 nm or less.
  • the wavelength converter 25 is disposed on the path of light emitted from the light emitting diode chip 23.
  • the wavelength converter 25 may cover the light emitting diode chip 23 and may be, for example, an encapsulant of the light emitting diode chip 23.
  • the wavelength converter 25 may include a transparent member supporting the phosphor 25a.
  • the transparent member may be, for example, glass, or a transparent resin such as epoxy or silicone.
  • the wavelength converter 25 may be formed in the cavity of the base 21. In another embodiment, the wavelength converter 25 may be formed directly on the LED chip 23.
  • the wavelength converter 25 includes at least three types of phosphors 25a having different peak wavelengths.
  • the first phosphor may have a peak wavelength within the first wavelength range of 440 to 480 nm.
  • the first phosphor include BAM-based, Halo-Phosphate-based, or aluminate-based phosphors.
  • BaMgAl 10 O 17 :Mn 2 + , BaMgAl 12 O 19 :Mn 2+ or (Sr,Ca ,Ba)PO 4 Cl:Eu 2 + may be included.
  • the blue phosphor may have a peak wavelength in the range of 440 to 500 nm, for example.
  • the second phosphor may have a peak wavelength in the second wavelength range of 500 to 600 nm.
  • the second phosphor include LuAG(Lu 3 (Al,Gd) 5 O 12 :Ce 3 + ), YAG(Y 3 (Al,Gd) 5 O 12 :Ce 3 + ), Ga-LuAG((Lu,Ga ) 3 (Al,Gd) 5 O 12 :Ce 3+ ), Ga-YAG ((Ga,Y) 3 (Al,Gd) 5 O 12 :Ce 3 + ), LuYAG ((Lu,Y) 3 (Al ,Gd) 5 O 12 :Ce 3+ ), Ortho-Silicate ((Sr,Ba,Ca,Mg) 2 SiO 4 :Eu 2 + ), Oxynitride ((Ba,Sr,Ca)Si 2 O 2 N 2 : Eu 2+ ), or Thio Gallate (SrGa 2 S 4 :Eu 2+
  • the third phosphor may have a peak wavelength within the third wavelength range of 600 to 650 nm.
  • the third phosphor include Nitride, Sulfide, Fluoride, or Oxynitride-based phosphors, specifically CASN (CaAlSiN 3 : Eu 2 + ), (Ba,Sr,Ca) 2 Si 5 N 8 :Eu 2 + , (Ca,Sr)S 2 :Eu 2+ ), or (Sr,Ca) 2 SiS 4 :Eu 2+ Can be lifted.
  • the light source unit 20a is illustrated as including a single LED chip 23, but is not limited thereto, and may include a plurality of LED chips 23. Furthermore, in addition to the LED chip 23, a LED chip that emits ultraviolet or red light may be included.
  • FIG 3 is a graph showing a spectrum of the light source unit 20a according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • the light source unit 20a according to the present embodiment emits white light by the first LED chip 23 and the first to third phosphors.
  • the spectrum of the light source unit 20a according to the present embodiment is a basic spectrum used for plant cultivation, and a spectrum by another light source unit 20a or another light emitting diode chip may be added thereto.
  • the light source unit 20a may exhibit, for example, a basic spectrum of a color temperature of 5000K or more and 10000K or less by the first light emitting diode chip 23 and the phosphor 25a.
  • FIG. 3 is a graph for a fundamental spectrum, in particular, a graph showing the relative intensity at each wavelength based on the maximum intensity in the fundamental spectrum.
  • the relative intensity is expressed on the Y-axis in units of a.u, which represents an arbitrary unit of a measurement value showing the ratio of the intensity to a preset reference measurement value.
  • the fundamental spectrum has a maximum intensity at a wavelength of 620 nm.
  • the maximum intensity is set to a value of 1 at 620nm.
  • the intensity at other wavelengths is set for a maximum value of 1 at 620 nm, which is less than the maximum value of 1.
  • the maximum value of the relative intensity exists at a specific wavelength within the first wavelength range.
  • the maximum value of the relative intensity exists at a specific wavelength within the second wavelength range.
  • the maximum value of the relative intensity will be at a specific wavelength within the third wavelength range.
  • the relative intensity at each wavelength of the base spectrum is defined based on the maximum intensity (ie, at 620 nm) of the base spectrum.
  • a difference between the maximum value of the relative intensity within the first wavelength range and the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range in the basic spectrum is less than 20%, and further less than 10%.
  • a difference between the maximum value of the relative intensity within the second wavelength range and the maximum value of the relative intensity within the third wavelength range may be less than 20%, and further, less than 10%.
  • the maximum value of the relative intensity is at another specific wavelength within the fourth wavelength range.
  • a difference between the maximum value of the relative intensity within the fourth wavelength range of 400 nm to 430 nm in the base spectrum and the maximum value of the relative intensity within the first wavelength range may be less than 30%.
  • the phosphor generally has a relatively wide half width, when the phosphor is used to emit light in the visible region, light having a high relative intensity can be emitted over a relatively wide range. Accordingly, a difference in relative intensities at each wavelength may be relatively small over the first to third wavelength range. Furthermore, valleys between peak wavelengths by the first phosphor, the second phosphor, and the third phosphor may also have a relatively high relative intensity.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a plant cultivation apparatus 200 according to another embodiment of the present disclosure.
  • the plant cultivation apparatus 200 is substantially similar to the plant cultivation apparatus 100 described with reference to FIG. 1, but further includes a light source unit 20b, 20c, or 20d. There is a difference.
  • the light source unit 20b may include a light emitting diode chip having a peak wavelength in the range of 650 to 680 nm.
  • the light source unit 20b may have a structure similar to that described with reference to FIG. 2, but the phosphor 25a is omitted.
  • the light source unit 20c may include a light emitting diode chip having a peak wavelength within a wavelength range of 440 to 460 nm.
  • the light source unit 20c may include a phosphor, but light having a peak wavelength in the range of 440 to 460 nm exhibits a relatively high intensity.
  • Light in the wavelength range of 440 to 460nm activates the secondary metabolism of plants and increases the density of plants. Therefore, it is possible to increase the density of the plant by adding light in the wavelength range of 440 to 460 nm.
  • the light source unit 20d may include a light emitting diode chip that emits ultraviolet rays. Ultraviolet light can stress plants and increase the content of functional substances.
  • the light source unit 20d may include a phosphor, but light having a peak wavelength of ultraviolet rays exhibits a relatively high intensity.
  • the spectrum of ultraviolet rays may have a peak wavelength in the range of 280 to 400 nm, particularly, in the range of 280 to 315 nm, and may have a half width of about 10 nm or less.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a spectrum of a light source for plant cultivation according to another embodiment of the present disclosure. Here, the spectrum by the light source unit 20a and the light source unit 20b is shown.
  • the spectrum of the light source unit 20b is added to the basic spectrum described with reference to FIG. 3.
  • the entire spectrum of the light source unit 20a and the light source unit 20b can be obtained by adding the spectrum shown in FIG. 5 to each other.
  • the light source unit 20b has a peak wavelength at about 657 nm, emits light in the range of 620 to 680 nm, and hardly emits light outside the wavelength range.
  • the spectrum of light emitted by the light source unit 20a and the light source unit 20b is generally similar to the basic spectrum, but will exhibit a relatively high intensity around 657 nm.
  • the combination of the light source unit 20a and the light source unit 20c, or the combination of the light source unit 20a and the light source unit 20d is a basic spectrum in which the spectrum of the light source unit 20c or 20d is added. Will emit light.
  • any one of the light source units 20b, 20c, and 20d or two or more light source units may be arranged on the panel 10 together with the light source unit 20a.
  • the light source unit 20b, 20c, or 20d is added to the plant cultivation apparatus 200 separately from the light source unit 20a, but the present disclosure is not limited thereto.
  • a red light emitting diode chip, a blue light emitting diode chip, or an ultraviolet light emitting diode chip may be mounted in the light source unit 20a, and thus, the light source unit 20a may implement light of the spectrum as shown in FIG. 5.
  • the spectrum of the light source of the comparative example is typically implemented by a blue light emitting diode chip and a phosphor. Blue light has a relatively high intensity of the peak wavelength compared to light emitted by the phosphor.
  • FIG. 7A to 7F are graphs showing plant cultivation results according to use of a light source according to an embodiment of the present disclosure and a light source according to a comparative example.
  • the lettuce seedlings grown under the same conditions were divided into 4 groups of 6 and placed in a chamber at room temperature of 20°C and 60% relative humidity, and the light sources of Examples 1 and 2 and the light sources of Comparative Examples 1 and 2 were used for 2 weeks. It was grown by irradiation periodically. Light irradiation/quenching was repeated in a cycle of 16 hours/8 hours. All of the light sources applied in the experiment emit white light having a color temperature of 5000K, and the light quantity condition is 120 PPFD in Example 1 and Comparative Example 1, and 200 PPFD in Example 2 and Comparative Example 2.
  • PPFD is a photosynthetic photon flux density (PPFD), and the unit is ⁇ mol/m 2 /s.
  • 7A is a graph showing the fresh weight of lettuce grown for 2 weeks.
  • the biological weight of lettuce irradiated with the basic spectrum of the present disclosure was larger than that of the lettuce irradiated with the basic spectrum of Comparative Example under the same light intensity condition. That is, even if the amount of light is the same, plant growth can be promoted by irradiating light of a relatively high spectrum over the entire visible region like the basic spectrum of the present disclosure.
  • 7B is a graph showing the dry weight, similar to the living weight, the dry weight of lettuce grown using the light source of Example is larger than that of the dry weight grown using the light source of Comparative Example.
  • 7C and 7D are graphs showing total phenol content and antioxidant levels per cultivated plant agent.
  • the examples showed a higher phenol content than the comparative examples under the same light quantity condition.
  • the examples exhibited higher antioxidant levels than the comparative examples under the same light quantity condition.
  • 7E and 7F are graphs showing the relative contents of flavonol and anthocyanin measured using a dualx, a non-destructive plant component analysis device.
  • the examples showed higher flavonol content and higher anthocyanin content compared to the comparisons under the same light intensity condition.
  • light of a red spectrum for helping volume growth may be added to the light of the basic spectrum of the present embodiment.
  • light of a blue spectrum for increasing the density of a plant agent may be added to the light of the basic spectrum of the present embodiment.
  • FIGS. 8A to 8F are graphs showing plant cultivation results according to the use of a light source according to another exemplary embodiment of the present disclosure and a light source according to a comparative example.
  • the lettuce seedlings grown under the same conditions were divided into 4 groups of 9 each and placed in a chamber at room temperature of 20°C and 60% relative humidity, and the light sources of Examples 3 and 4 and the light sources of Comparative Examples 3 and 4 were used for 2 weeks. It was grown by irradiation periodically.
  • the light sources of Example 3 and Comparative Example 3 are the same as the light sources of Example 2 and Comparative Example 2, respectively, and the light sources of Example 4 and Comparative Example 4 were 285 nm to the light sources of Examples 3 and 4, respectively. This is the addition of an ultraviolet light source.
  • the light spectrum of the light source of Example 4 is shown in FIG. 9.
  • Light irradiation/extinction was repeated in a cycle of 16 hours/8 hours, and the ultraviolet light source was continuously irradiated for only the last 24 hours. All of the light sources applied in the experiment emit white light with a color temperature of 5000K, and the light quantity conditions are all 200 PPFD.
  • FIG. 8A is a graph showing the fresh weight of lettuce grown for 2 weeks. Referring to FIG. 8A, the biological weight of lettuce, which was further irradiated with ultraviolet light to white light, was substantially reduced.
  • 8B is a graph showing dry weight, showing a similar aspect to that of living weight.
  • the building weight was generally within the error range, so there was no significant difference.
  • 8C and 8D are graphs showing total phenol content and antioxidant level per cultivated plant agent.
  • the examples showed higher phenol content than the comparative examples under the same light intensity condition.
  • the lettuce added with ultraviolet light to the white light of Comparative Example 3 did not increase the phenol content, but the lettuce added with ultraviolet light to the white light of Example 3 was found to increase the phenol content numerically.
  • the examples exhibited higher antioxidant levels than the comparative examples under the same light quantity condition.
  • the addition of ultraviolet rays did not show a significant difference.
  • 8E and 8F are graphs showing the relative contents of flavonols and anthocyanins measured using a dualx, a non-destructive plant component analysis device.
  • the Examples showed higher flavonol content and higher anthocyanin content compared to Comparative Examples under the same light intensity condition.
  • ultraviolet rays were added to the white light of Example 3, it was found that the flavonol content was increased.
  • the anthocyanin content was not significantly improved by the addition of ultraviolet rays.
  • FIG. 9 is a graph showing a spectrum of a light source unit for plant cultivation according to an embodiment.
  • the phenol and flavonol content can be increased by adding ultraviolet light to a light source emitting white light of the basic spectrum.
  • 9 illustrates that ultraviolet rays are added to the basic spectrum.
  • the wavelength of ultraviolet rays may be in the range of 270 nm to 290 nm, but the present invention is not limited thereto.

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Abstract

일 실시예에 따른 식물 재배용 LED 광원 유닛은, 430nm 이하의 광을 방출하는 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 적어도 3종류의 형광체를 포함하고, 상기 3종류의 형광체는, 440 내지 500nm의 제1 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제1 형광체; 500 내지 600nm의 제2 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 형광체; 600 내지 650nm의 제3 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제3 형광체를 포함하고, 상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 3종류의 형광체에서 방출된 광의 조합광은 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타낸다.

Description

식물 재배용 광원 유닛 및 그것을 갖는 식물 재배 장치
본 개시는 식물 재배용 광원 유닛 및 그것을 갖는 식물 재배 장치에 관한 것이다.
식물은 빛 에너지를 이용하여 이산화 탄소와 물로부터 유기물을 합성하는 광합성 작용을 한다. 식물은 광합성 작용으로 얻어진 유기물의 화학 에너지를 생장 등을 위한 영양분으로 사용하고 있다.
식물은 목적하는 대상에 효능을 갖는 기능성 물질을 포함하고 있다. 식물은 성장 및 환경에 따라 함유하는 기능성 물질의 수치가 달라진다. 예를 들어, 식물은 산화 스트레스로 인한 손상을 방어하기 위해서 항산화 물질을 생성하여 스스로를 보호한다. 사람이 이와 같은 기능성 물질을 많이 함유한 식물을 섭취하면, 기능성 물질은 인체에 유사한 작용을 한다. 따라서, 기능성 물질을 효율적으로 획득하기 위해서는 식물을 가능한 한 기능성 물질이 많은 상태일 때 수확해야 한다.
최근, 태양광 이외의 광원을 이용하여 식물을 재배하는 기술이 연구되고 있으며, 특히, LED를 이용한 식물 재배가 현실화되고 있다. LED 광원은 날씨나 시간 또는 장소에 구애 받지 않고 식물을 재배할 수 있어 자연광을 이용한 식물재배에 비해 생산성이 우수하다.
따라서, 영양분이 풍부하며, 항산화 물질과 같은 기능성 물질을 풍부하게 함유하도록 식물을 빠르게 성장시킬 수 있는 LED 광원이 요구된다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제는 식물의 기능성 물질을 증진시키면서 생장 속도를 증가시키기에 적합한 식물 재배용 광원 유닛 및 그것을 갖는 식물 재배 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 일 실시예에 따를 식물 재배용 LED 광원 유닛은, 430nm 이하의 광을 방출하는 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 적어도 3종류의 형광체를 포함하고, 상기 3종류의 형광체는, 440 내지 500nm의 제1 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제1 형광체; 500 내지 600nm의 제2 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 형광체; 600 내지 650nm의 제3 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제3 형광체를 포함하고, 상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 3종류의 형광체에서 방출된 광의 조합광은 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타낸다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 식물 재배 장치는, 상기 식물 재배용 LED 광원 유닛을 포함한다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따른 식물 재배용 LED 광원 유닛은, 430nm 이하의 광을 방출하는 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 적어도 3종류의 형광체를 포함하고, 상기 발광 다이오드 칩과 상기 형광체에 의해 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 방출하되, 상기 기본 스펙트럼의 각 파장에서의 상대 강도를 상기 기본 스펙트럼의 최대 강도를 기준으로 정의할 때, 상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만이다.
본 개시의 실시예에 따른 식물 재배용 광원은 식물 생장을 돕고 식물의 기능성 물질의 함량을 증가시킨다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 식물 재배 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원 유닛을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다..
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 광원 유닛의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 식물 재배 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 식물 재배용 광원 유닛들의 스펙트럼을 예시하는 그래프이다.
도 6은 비교예의 광원 유닛의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 7A 내지 도 7F는 본 개시의 실시예에 따른 광원 유닛과 비교예의 광원 유닛 사용에 따른 식물 재배 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 8A 내지 도 8F는 자외선 처리 유무에 따른 식물 재배 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 9는 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원 유닛들의 스펙트럼을 예시하는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 개시의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 개시의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예시로써 제공되는 것이다. 따라서, 본 개시는 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타내고 유사한 참조번호는 대응하는 유사한 구성요소를 나타낸다.
본 개시의 일 실시예에 따른 식물 재배용 LED 광원 유닛은, 430nm 이하의 광을 방출하는 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 적어도 3종류의 형광체를 포함하고, 상기 3종류의 형광체는, 440 내지 480nm의 제1 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제1 형광체; 500 내지 600nm의 제2 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 형광체; 600 내지 650nm의 제3 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제3 형광체를 포함하고, 상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 3종류의 형광체에서 방출된 광의 조합광은 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타낸다.
제1 내지 제3 형광체를 이용함으로써 상대적으로 넓은 가시 영역에 걸쳐 대체로 균일한 강도의 기본 스펙트럼을 제공할 수 있으며, 이를 이용하여 식물의 생장을 촉진할 수 있다.
특히, 상기 기본 스펙트럼의 각 파장에서의 상대 강도를 상기 기본 스펙트럼의 최대 강도를 기준으로 정의할 때, 상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만일 수 있다.
나아가, 상기 기본 스펙트럼에서 400 내지 430nm의 제4 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 30% 미만일 수 있다.
또한, 상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만일 수 있다.
상기 LED 광원 유닛은 650nm 내지 680nm의 제5 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 발광 다이오드 칩을 더 포함할 수 있다.
상기 LED 광원 유닛은 제3 발광 다이오드 칩을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 발광 다이오드 칩은 410 내지 430nm 범위 내의 피크 파장을 갖고, 상기 제3 발광 다이오드 칩은 자외선 또는 440 내지 460nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 청색광을 방출할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 제1 내지 제3 형광체에서 방출된 광의 조합광이 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타낼 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 식물 재배 장치는, 식물 재배용 제1 LED 광원 유닛을 포함하며, 상기 제1 LED 광원 유닛은, 430nm 이하의 광을 방출하는 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 적어도 3종류의 형광체를 포함하고, 상기 3종류의 형광체는, 440 내지 480nm의 제1 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제1 형광체; 500 내지 600nm의 제2 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 형광체; 600 내지 650nm의 제3 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제3 형광체를 포함하고, 상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 3종류의 형광체에서 방출된 광의 조합광은 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타낸다.
상기 식물 재배 장치는 제2 광원 유닛을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 광원 유닛은 650nm 내지 680nm의 제5 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 발광 다이오드 칩을 포함할 수 있다.
또한, 상기 식물 재배 장치는 상기 제1 광원 유닛 및 상기 제2 광원 유닛이 배치된 패널을 더 포함할 수 있다.
상기 식물 재배 장치는 제3 광원 유닛을 더 포함할 수 있으며, 상기 제3 광원 유닛은 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩 또는 청색광을 방출하는 발광 다이오드 칩을 포함할 수 있다.
상기 식물 재배 장치는 또한 상기 제1 광원 유닛과 상기 제3 광원 유닛이 배치된 패널을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 광원 유닛은 650nm 내지 680nm의 제5 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 발광 다이오드 칩을 더 포함할 수있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 광원 유닛은 제3 발광 다이오드 칩을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 발광 다이오드 칩은 410 내지 430nm 범위 내의 피크 파장을 갖고, 상기 제3 발광 다이오드 칩은 자외선 또는 440 내지 460nm 범위 내의 피크 파장의 청색광을 방출할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 제1 내지 제3 형광체에서 방출된 광의 조합광이 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타낼 수 있다. 그러나 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니며, 기본 스펙트럼의 백색광을 나타내기 위해 다른 형광체에서 방출된 광이 더 조합될 수도 있다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따른 식물 재배용 LED 광원 유닛은, 430nm 이하의 광을 방출하는 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 적어도 3종류의 형광체를 포함하고, 상기 발광 다이오드 칩과 상기 형광체에 의해 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 방출하되, 상기 기본 스펙트럼의 각 파장에서의 상대 강도를 상기 기본 스펙트럼의 최대 강도를 기준으로 정의할 때, 상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만이다.
나아가, 상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만일 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 식물 재배 장치(100)를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원 유닛(20a)을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다..
도 1을 참조하면, 식물 재배 장치(100)는 패널(10), LED 광원 유닛(20a)을 포함할 수 있다. 패널(10)은 복수의 LED 광원 유닛(20a)을 배열할 수 있는 한 형상, 크기 및 재료 등이 특별히 한정되지 않는다.
하나 이상의 LED 광원 유닛(20a)이 패널(10) 상에 배열될 수 있다. LED 광원 유닛(20a)은 식물 재배용 용기(40)에서 자라는 식물(30)에 광을 조사한다. 대량 재배를 위해 많은 식물들이 배열될 수 있으며, 패널(10) 상에 배열된 복수의 LED 광원 유닛(20a)으로부터 식물들에 균일하게 광이 조사될 수 있다.
도 2를 참조하면, LED 광원 유닛(20a)은 베이스(21), 발광 다이오드 칩(23), 및 파장변환기(25)를 포함할 수 있으며, 파장변환기(25)는 형광체(25a)을 포함한다.
베이스(21)는 외부 전원에 전기적 접속을 위한 리드들(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 베이스(21)는 또한 내부에 발광 다이오드 칩(23)을 실장하기 위한 캐비티를 포함할 수 있다. 그러나, 베이스(21)는 발광 다이오드 칩(23)을 외부 전원에 연결하기 위한 리드들을 제공하는 한, 특정 구조에 한정되는 것은 아니며, 리드 프레임에 의해 제공된 리드들일 수도 있고, 회로 기판일 수도 있다. 더욱이, 발광 다이오드 칩(23)이 직접 패널(10) 상에 실장될 수 있다면, 베이스(21)는 생략될 수도 있다.
발광 다이오드 칩(23)은 베이스(21) 상에 실장될 수 있으며, 베이스(21)의 리드들에 전기적으로 연결될 수 있다. 발광 다이오드 칩(23)은 예를 들어, 3족 질화물 계열의 반도체층으로 형성될 수 있다.
발광 다이오드 칩(23)은 430nm 이하의 광을 방출한다. 일 실시예에 있어서, 발광 다이오드 칩(23)은 400 내지 430nm 범위 내, 나아가, 405 내지 420nm 범위 내, 더 나아가, 410 내지 420nm 범위 내에 피크 파장을 가질 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 발광 다이오드 칩(23)은 400nm 이하의 단파장 가시광이나 자외선을 방출할 수도 있다.
파장변환기(25)는 발광 다이오드 칩(23)에서 방출된 광의 경로 상에 배치된다. 파장변환기(25)는 발광 다이오드 칩(23)을 덮을 수 있으며, 예컨대, 발광 다이오드 칩(23)의 봉지재일 수도 있다. 파장변환기(25)는 형광체(25a)를 담지하는 투명 부재를 포함할 수 있다. 투명 부재는, 예를 들어, 글래스나, 에폭시 또는 실리콘과 같은 투명 수지일 수 있다. 일 실시예에서, 파장변환기(25)는 베이스(21)의 캐비티 내에 형성될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 파장변한기(25)는 발광 다이오드 칩(23)에 직접 형성될 수도 있다.
파장변환기(25)는 적어도 3종류의 서로 다른 피크 파장을 갖는 형광체들(25a)을 포함한다. 예를 들어, 제1 형광체는 440 내지 480nm의 제1 파장 범위 내에 피크 파장을 가질 수 있다. 제1 형광체의 예로는 BAM계, Halo-Phosphate계 또는 알루미네이트계의 형광체를 들 수 있으며, 예를 들어, BaMgAl10O17:Mn2 +, BaMgAl12O19:Mn2+ 또는 (Sr,Ca,Ba)PO4Cl:Eu2 + 를 포함할 수 있다. 청색 형광체는 예를 들어 440 내지 500nm 범위 내에 피크 파장을 가질 수 있다.
제2 형광체는 500 내지 600nm의 제2 파장 범위 내에 피크 파장을 가질 수 있다. 제2 형광체의 예로는 LuAG(Lu3(Al,Gd)5O12:Ce3 +), YAG(Y3(Al,Gd)5O12:Ce3 +), Ga-LuAG((Lu,Ga)3(Al,Gd)5O12:Ce3+), Ga-YAG ((Ga,Y)3(Al,Gd)5O12:Ce3 +), LuYAG ((Lu,Y)3(Al,Gd)5O12:Ce3+), Ortho-Silicate ((Sr,Ba,Ca,Mg)2SiO4:Eu2 +), Oxynitride ((Ba,Sr,Ca)Si2O2N2:Eu2+), 또는 Thio Gallate (SrGa2S4:Eu2+) 를 들 수 있다.
제3 형광체는 600 내지 650nm의 제3 파장 범위 내에 피크 파장을 가질 수 있다., 제3 형광체의 예로는 Nitride, Sulfide, Fluoride 또는 Oxynitride 계의 형광체를 들 수 있고, 구체적으로, CASN (CaAlSiN3:Eu2 +), (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu2 +, (Ca,Sr)S2:Eu2+), 또는 (Sr,Ca)2SiS4:Eu2+ 등을 들 수 있다.
도 2에서, 광원 유닛(20a)이 단일의 발광 다이오드 칩(23)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 발광 다이오드 칩(23)을 포함할 수도 있다. 나아가, 발광 다이오드 칩(23) 이외에 자외선 또는 적색 영역의 광을 방출하는 발광 다이오드 칩이 포함될 수도 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 광원 유닛(20a)의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 광원 유닛(20a)은 제1 발광 다이오드 칩(23) 및 상기 제1 내지 제3 형광체들에 의해 백색광을 방출한다. 특히, 본 실시예에 따른 광원 유닛(20a)의 스펙트럼은 식물 재배를 위해 사용되는 기본 스펙트럼이며, 여기에 다른 광원 유닛(20a)이나 다른 발광 다이오드 칩에 의한 스펙트럼이 추가될 수 있다.
도 3은 색온도 약 5000K의 스펙트럼을 나타내며, 440 내지 650nm의 파장범위에 걸쳐 흑체 복사의 스펙트럼과 유사한 스펙트럼을 보여준다. 그러나 본 개시가 색온도 5000K에 한정되는 것은 아니다. 광원 유닛(20a)은 제1 발광 다이오드 칩(23)과 형광체(25a)에 의해 예를 들어, 5000K 이상 10000K 이하의 색온도의 기본 스펙트럼을 나타낼 수 있다.
도 3은 기본 스펙트럼에 대한 그래프로, 특히, 기본 스펙트럼 내의 최대 강도를 기준으로 각 파장에서의 상대 강도를 나타낸 그래프이다. 도 3에서 상대 강도는 Y축에 a.u 단위로 표시되는데, 이 단위는 미리 설정된 참조 측정값에 대한 강도의 비율을 보여주는 측정값의 임의 단위를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 기본 스펙트럼은 620nm의 파장에서 최대 강도를 가진다. 최대 강도는 620nm 에서 1의 값으로 설정된다. 다른 파장에서의 강도는 620nnm에서 최대값 1에 대해 설정되는데, 이 값은 최대값 1보다 더 작다.
620nm를 포함하지 않는 제1 파장 범위에 대해, 상대강도의 최대값은 제1 파장 범위 내의 특정 파장에 존재한다. 620nm를 포함하지 않는 제2 파장 범위에 대해, 상대강도의 최대값은 제2 파장 범위 내의 특정 파장에 존재한다. 추가적으로, 620nm를 포함하지 않는 제3 파장 범위에 대해, 상대강도의 최대값은 제3 파장 범위 내의 특정 파장에 존재할 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 기본 스펙트럼의 각 파장에서의 상대 강도는 기본 스펙트럼의 최대 강도(즉, 620nm에서)를 기준으로 정의된다. 본 개시의 실시예들에 있어서, 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만, 나아가, 10% 미만이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만, 나아가, 10% 미만일 수 있다.
620nm를 포함하지 않는 제4 파장 범위에 대해, 상대 강도의 최대값은 제4 파장 범위 내의 또 다른 특정 파장에 존재한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 기본 스펙트럼에서 400nm 내지 430nm의 제4 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 30% 미만일 수 있다.
형광체는 일반적으로 상대적으로 넓은 반치폭을 갖기 때문에, 형광체를 이용하여 가시 영역의 광을 방출할 경우, 상대적으로 넓은 범위에 걸쳐 상대 강도가 높은 광을 방출할 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제3 파장 범위에 걸쳐, 각 파장에서의 상대 강도들의 차이가 상대적으로 작을 수 있다. 더욱이, 제1 형광체, 제2 형광체 및 제3 형광체에 의한 피크 파장들 사이의 골짜기도 상대적으로 높은 상대 강도를 가질 수 있다.
따라서, 제1 발광 다이오드 칩(23)과 형광체들(25a)을 이용하여 태양광에 유사한 백색광의 기본 스펙트럼을 구현할 수 있다.
도 4는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 식물 재배 장치(200)를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 식물 재배 장치(200)는 도 1을 참조하여 설명한 식물 재배 장치(100)와 대체로 유사하나, 광원 유닛(20b, 20c, 또는 20d)를 더 포함하는 것에 차이가 있다.
광원 유닛(20b)은 650 내지 680nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 발광 다이오드 칩을 포함할 수 있다. 광원 유닛(20b)은 도 2를 참조하여 설명한 바와 유사한 구조를 가질 수 있으나, 다만, 형광체(25a)는 생략된다.
650 내지 680nm의 광은 식물의 부피 생장을 촉진하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 기본 스펙트럼에 650 내지 680nm 파장 범위의 광을 추가함으로써 식물의 부피 생장을 도울 수 있다.
한편, 광원 유닛(20c)은 440 내지 460nm 파장 범위 내의 피크 파장을 갖는 발광 다이오드 칩을 포함할 수 있다. 광원 유닛(20c)은 형광체를 포함할 수 있으나, 440 내지 460nm 범위의 피크 파장의 광이 상대적으로 높은 강도를 나타낸다. 440 내지 460nm 파장 범위 내의 광은 식물의 2차 대사를 활성화 시키며 식물의 밀도를 증가시킨다. 따라서, 440 내지 460nm 파장 범위 내의 광을 추가함으로써 식물의 밀도를 증가시킬 수 있다.
광원 유닛(20d)은 자외선을 방출하는 발광 다이오드 칩을 포함할 수 있다. 자외선은 식물에 스트레스를 가하여 기능성 물질의 함량을 증가시킬 수 있다. 광원 유닛(20d)은 형광체를 포함할 수 있으나, 자외선의 피크 파장의 광이 상대적으로 높은 강도를 나타낸다. 자외선의 스펙트럼은 280~400nm 범위 내, 특히, 280 내지 315nm 범위 내의 피크 파장을 가질 수 있으며, 약 10nm 이하의 반치폭을 가질 수 있다.
도 5는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 식물 재배용 광원의 스펙트럼을 예시하는 그래프이다. 여기서는 광원 유닛(20a)과 광원 유닛(20b)에 의한 스펙트럼을 보여준다.
도 5를 참조하면, 도 3을 참조하여 설명한 기본 스펙트럼에 광원 유닛(20b)의 스펙트럼이 추가된다. 광원 유닛(20a)과 광원 유닛(20b)의 전체 스펙트럼은 도 5에 도시된 스펙트럼을 서로 더하여 구해질 수 있다.
광원 유닛(20b)은 약 657nm에 피크 파장을 가지고, 620 내지 680nm 범위에서 광을 방출하며, 그 파장 범위 외에서 거의 광을 방출하지 않는다.
따라서, 광원 유닛(20a)과 광원 유닛(20b)에 의해 방출되는 광의 스펙트럼은 대체로 기본 스펙트럼과 유사하며, 다만, 약 657nm 근처에서 상대적으로 높은 강도를 나타낼 것이다.
한편, 도시하지 않았지만, 광원 유닛(20a)과 광원 유닛(20c)의 조합, 또는 광원 유닛(20a)과 광원 유닛(20d)의 조합은 기본 스펙트럼에 광원 유닛(20c 또는 20d)의 스펙트럼이 추가된 광을 방출할 것이다.
광원 유닛들(20b, 20c, 20d) 중 어느 하나의 광원 유닛 또는 2개 이상의 광원 유닛들이 광원 유닛(20a)과 함께 패널(10) 상에 배열될 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 광원 유닛(20a)과 별개로 광원 유닛(20b, 20c, 또는 20d)이 식물 재배 장치(200)에 추가된 것으로 설명하지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 광원 유닛(20a) 내에 적색 발광 다이오드 칩, 청색 발광 다이오드 칩 또는 자외선 발광 다이오드 칩이 실장될 수도 있으며, 따라서, 광원 유닛(20a)이 도 5와 같은 스펙트럼의 광을 구현할 수도 있다.
(실험예)
기본 스펙트럼의 광이 식물의 생장 및 기능성 물질 함유에 도움이 되는 것을 확인하기 위해 종래의 백색 광원과 대비하여 식물 재배 실험을 하였다. 실시예의 기본 스펙트럼은 도 3에 도시된 것과 같으며, 비교예의 기본 스펙트럼은 도 6에 도시하였다.
도 6에 도시되듯이, 비교예의 광원의 스펙트럼은 전형적으로 청색 발광 다이오드 칩과 형광체에 의해 구현된다. 청색광은 피크 파장의 강도가 형광체에 의해 방출되는 광에 비해 상대적으로 높다.
도 7A 내지 도 7F는 본 개시의 실시예에 따른 광원과 비교예의 광원 사용에 따른 식물 재배 결과를 나타내는 그래프들이다.
동일 조건에서 성장된 상추 육묘를 6개씩 4그룹으로 나누어 각각 실내 온도 20℃ 상대 습도 60%의 챔버 내에 배치하고 2주일 동안 실시예 1 및 2의 광원들 및 비교예 1 및 2의 광원들을 일정한 광 주기로 조사하여 성장시켰다. 광 조사/소광을 16시간/8시간 주기로 반복하였다. 실험에 적용된 광원들은 모두 색온도 5000K의 백색광을 방출하며, 광량 조건은 실시예 1 및 비교예 1은 120 PPFD, 실시예 2 및 비교예 2는 200 PPFD이다. 여기서, PPFD는 광합성 유효광량자속밀도(photosynthetic photon flux density; PPFD)로, 단위는 μmol/m2/s이다.
도 7A는 2주 동안 성장된 상추의 생물중(fresh weight)을 나타내는 그래프이다.
도 7A를 참조하면, 본 개시의 기본 스펙트럼을 조사한 상추의 생물중은 동일 광량 조건에서 비교예의 기본 스펙트럼을 조사한 상추에 비해 더 컸다. 즉, 광량을 동일하게 하더라도, 본 개시의 기본 스펙트럼과 같이 가시 영역의 전체에 걸쳐 상대적으로 높은 스펙트럼의 광을 조사함으로써 식물 생장을 촉진할 수 있다.
도 7B는 건물중을 나타내는 그래프로, 생물중과 유사하게 실시예의 광원을 이용하여 성장한 상추의 건물중이 비교예의 광원을 이용하여 성장한 건물중에 비해 더 크다.
도 7C 및 도 7D는 재배한 식물제당 전체 페놀 함량 및 항산화도를 나타내는 그래프들이다.
도 7C에 도시한 바와 같이, 같은 광량 조건에서 비교예들보다 실시예들이 더 높은 페놀 함량을 보였다. 또한, 도 7D에 도시한 바와 같이, 같은 광량 조건에서 비교예들보다 실시예들이 더 높은 항산화도를 나타내었다.
도 7E 및 도 7F는 비파괴적 식물 성분 분석 장치인 듀얼렉스를 이용하여 측정된 플라보놀 및 안토시아닌의 상대적인 함량을 나타내는 그래프들이다.
도 7E 및 도 7F에 도시되듯이, 동일 광량 조건에서 비교들에 비해 실시예들이 더 높은 플라보놀 함량 및 더 높은 안토시아닌 함량을 나타내었다.
본 실시예에 따르면, 종래의 백색광을 사용한 경우에 비해 태양광에 유사한 기본 스펙트럼의 백색광을 방출하는 광원을 사용함으로써 식물제의 생장이 촉진되는 것을 확인할 수 있으며, 나아가, 식물제 내에 함유된 기능성 물질의 전체 함량이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 실시예의 기본 스펙트럼의 광에 부피 생장을 돕는 적색 스펙트럼의 광 또는 식물제의 밀도를 증가시키는 청색 스펙트럼의 광 또는 기능성 물질의 함량을 증가시키기 위한 자외선 스펙트럼의 광이 추가될 수 있다.
도 8A 내지 도 8F는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 광원과 비교예의 광원 사용에 따른 식물 재배 결과를 나타내는 그래프들이다.
동일 조건에서 성장된 상추 육묘를 9개씩 4그룹으로 나누어 각각 실내 온도 20℃ 상대 습도 60%의 챔버 내에 배치하고 2주일 동안 실시예 3 및 4의 광원들 및 비교예 3 및 4의 광원들을 일정한 광 주기로 조사하여 성장시켰다. 실시예 3 및 비교예 3의 광원들은 각각 앞서 설명한 실시예 2 및 비교예 2의 광원들과 동일한 것이고, 실시예 4 및 비교예 4의 광원들은 각각 실시예 3 및 실시예 4의 광원들에 285nm의 자외선 광원을 추가한 것이다. 실시예 4의 광원의 광 스펙트럼이 도 9에 도시되어 있다. 광 조사/소광을 16시간/8시간 주기로 반복하였으며, 자외선 광원은 마지막 24시간만 연속적으로 조사하였다. 실험에 적용된 광원들은 모두 색온도 5000K의 백색광을 방출하며, 광량 조건은 모두 200 PPFD이다.
도 8A는 2주 동안 성장된 상추의 생물중(fresh weight)을 나타내는 그래프이다. 도 8A를 참조하면, 백색광에 자외선을 추가로 조사한 상추의 생물중이 대체로 감소하였다.
도 8B는 건물중을 나타내는 그래프로, 생물중과 유사한 양상을 나타내었다. 건물중은 대체로 오차 범위 내에 있어 유의적인 차이가 있는 것으로 나타나지 않았다.
도 8C 및 도 8D는 재배한 식물제당 전체 페놀 함량 및 항산화도를 나타내는 그래프들이다.
도 8C에 도시한 바와 같이, 같은 광량 조건에서 비교예들보다 실시예들이 더 높은 페놀 함량을 보였다. 또한, 비교예 3의 백색광에 자외선을 추가한 상추는 페놀 함량이 증가하지 않았지만, 실시예 3의 백색광에 자외선을 추가한 상추는 수치적으로 페놀 함량이 증가하는 것으로 나타났다.
또한, 도 8D에 도시한 바와 같이, 같은 광량 조건에서 비교예들보다 실시예들이 더 높은 항산화도를 나타내었다. 그러나 항산화도에 있어서, 자외선 추가는 유의적인 차이를 나타내지는 않았다.
도 8E 및 도 8F는 비파괴적 식물 성분 분석 장치인 듀얼렉스를 이용하여 측정된 플라보놀 및 안토시아닌의 상대적인 함량을 나타내는 그래프들이다.
도 8E 및 도 8F에 도시되듯이, 동일 광량 조건에서 비교예들에 비해 실시예들이 더 높은 플라보놀 함량 및 더 높은 안토시아닌 함량을 나타내었다. 또한, 실시예 3의 백색광에 자외선을 추가한 경우, 플라보놀 함량이 증가되는 것으로 나타났다. 다만, 안토시아닌 함량은 자외선 추가에 의해 유의적으로 향상되지는 않았다.
결론적으로, 종래의 백색광을 사용한 경우에 비해 태양광에 유사한 기본 스펙트럼의 백색광을 방출하는 광원에 자외선을 추가함으로써 페놀 함량 및 플라보놀 함량을 증가시킬 수 있었다.
도 9는 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원 유닛의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 8A 내지 도 8F를 참조하여 논의한 바와 같이, 상기 기본 스펙트럼의 백색광을 방출하는 광원에 자외선을 추가함으로써 페놀 및 플라보놀 함량을 증가시킬 수 있다. 도 9는 상기 기본 스펙트럼에 자외선이 추가된 것을 예시한다. 단지 일 예로, 자외선의 파장은 270nm 내지 290nm 범위 내일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.

Claims (20)

  1. 식물 재배용 LED 광원 유닛으로서,
    430nm 이하의 광을 방출하는 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 적어도 3종류의 형광체를 포함하고,
    상기 3종류의 형광체는,
    440 내지 480nm의 제1 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제1 형광체;
    500 내지 600nm의 제2 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 형광체;
    600 내지 650nm의 제3 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제3 형광체를 포함하고,
    상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 3종류의 형광체에서 방출된 광의 조합광은 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타내는 LED 광원 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기본 스펙트럼의 각 파장에서의 상대 강도를 상기 기본 스펙트럼의 최대 강도를 기준으로 정의할 때, 상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만인 LED 광원 유닛.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 스펙트럼에서 400 내지 430nm의 제4 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 30% 미만인 LED 광원 유닛.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만인 LED 광원 유닛.
  5. 청구항 1에 있어서,
    650nm 내지 680nm의 제5 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 발광 다이오드 칩을 더 포함하는 LED 광원 유닛.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제3 발광 다이오드 칩을 더 포함하고,
    상기 제1 발광 다이오드 칩은 410 내지 430nm 범위 내의 피크 파장을 갖고,
    상기 제3 발광 다이오드 칩은 자외선 또는 440 내지 460nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 청색광을 방출하는 LED 광원 유닛.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 제1 내지 제3 형광체에서 방출된 광의 조합광이 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타내는 LED 광원 유닛.
  8. 식물 재배용 제1 LED 광원 유닛을 포함하되,
    상기 제1 LED 광원 유닛은,
    430nm 이하의 광을 방출하는 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 적어도 3종류의 형광체를 포함하고,
    상기 3종류의 형광체는,
    440 내지 480nm의 제1 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제1 형광체;
    500 내지 600nm의 제2 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 형광체;
    600 내지 650nm의 제3 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제3 형광체를 포함하고,
    상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 3종류의 형광체에서 방출된 광의 조합광은 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타내는 식물 재배 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기본 스펙트럼의 각 파장에서의 상대 강도를 상기 기본 스펙트럼의 최대 강도를 기준으로 정의할 때, 상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 20% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만인 식물 재배 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기본 스펙트럼에서 400 내지 430nm의 제4 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 30% 미만인 식물 재배 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만인 식물 재배 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    제2 광원 유닛을 더 포함하되,
    상기 제2 광원 유닛은 650nm 내지 680nm의 제5 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 발광 다이오드 칩을 포함하는 식물 재배 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 광원 유닛 및 상기 제2 광원 유닛이 배치된 패널을 더 포함하는 식물 재배 장치.
  14. 청구항 8에 있어서,
    제3 광원 유닛을 더 포함하되,
    상기 제3 광원 유닛은 자외선 또는 440 내지 460nm 범위 내의 청색광을 방출하는 발광 다이오드 칩을 포함하는 식물 재배 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 광원 유닛과 상기 제3 광원 유닛이 배치된 패널을 더 포함하는 식물 재배 장치.
  16. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 광원 유닛은 650nm 내지 680nm의 제5 파장 범위 내에 피크 파장을 갖는 제2 발광 다이오드 칩을 더 포함하는 LED 광원 유닛.
  17. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 광원 유닛은 제3 발광 다이오드 칩을 더 포함하고,
    상기 제1 발광 다이오드 칩은 410 내지 430nm 범위 내의 피크 파장을 갖고,
    상기 제3 발광 다이오드 칩은 자외선 또는 440 내지 460nm 범위 내의 피크 파장을 갖는 청색광을 방출하는 LED 광원 유닛.
  18. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 제1 내지 제3 형광체에서 방출된 광의 조합광이 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 나타내는 식물 재배 장치.
  19. 식물 재배용 LED 광원 유닛으로서,
    430nm 이하의 광을 방출하는 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩 및 상기 적어도 하나의 제1 발광 다이오드 칩에 의해 여기되는 적어도 3종류의 형광체를 포함하고,
    상기 발광 다이오드 칩과 상기 형광체에 의해 5000K 이상의 색온도를 갖는 기본 스펙트럼의 백색광을 방출하되,
    상기 기본 스펙트럼의 각 파장에서의 상대 강도를 상기 기본 스펙트럼의 최대 강도를 기준으로 정의할 때, 상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이가 20% 미만인 LED 광원 유닛.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 기본 스펙트럼에서 상기 제1 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 상기 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만이고, 제2 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값과 제3 파장 범위 내의 상대 강도의 최대값의 차이는 10% 미만인 LED 광원 유닛.
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