WO2021201634A1 - 식물 재배용 광원 및 이를 이용한 식물 재배 방법 - Google Patents

식물 재배용 광원 및 이를 이용한 식물 재배 방법 Download PDF

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light source
plant
plant cultivation
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오명민
최다슬
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충북대학교 산학협력단
서울바이오시스주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a light source for plant cultivation and a plant cultivation method using the same, and more particularly, to a light source emitting light optimized for the synthesis of useful substances in plants and a plant cultivation method using the same.
  • Plants can synthesize substances useful to humans in the process of resisting various stresses, and various light sources, cultivation devices, cultivation methods, etc. are required for cultivating plants containing a large amount of substances useful to humans.
  • An object of the present invention is to provide a light source for plant cultivation capable of cultivating a plant containing a large amount of functional substances beneficial to humans.
  • Another object of the present invention is to provide a plant cultivation method capable of promoting plant growth using the light source.
  • a light source for plant cultivation a first light source emitting a first light for photosynthesis of the plant and having at least one peak in a visible ray band, and a second light source for controlling an active ingredient in the plant and a second light source emitting light and having a peak in a wavelength band different from that of the first light source.
  • the second light source includes a first semiconductor layer doped with a first conductivity type dopant, a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer and doped with a second conductivity type dopant different from the first conductivity type dopant, and the an active layer provided between the first and second semiconductor layers, wherein the second light has a peak in a wavelength band of about 360 nm to about 420 nm.
  • the second light may be ultraviolet light, purple light, or blue light.
  • the second light may have a peak within a wavelength band of about 400 nm to about 420 nm.
  • the first light may have at least two or more peaks within a wavelength band of about 380 nm to about 780 nm.
  • the first light may correspond to PAR (Photosynthetic Active Radiation).
  • the first light source may have a sunlight-like spectrum in a visible light wavelength band.
  • the first light may have one peak in a wavelength band of about 420 nm to about 500 nm and another peak in a wavelength band of about 600 nm to about 700 nm.
  • the first light source and the second light source may be independently driven to be turned on or off.
  • the first light source includes a first semiconductor layer doped with a first conductivity type dopant, a second conductivity type dopant different from the first conductivity type dopant and provided on the first semiconductor layer It may include a doped second semiconductor layer, and an active layer provided between the first and second semiconductor layers.
  • the first light source may be turned on or off according to a light cycle consisting of a light cycle and a dark cycle.
  • the second light may be irradiated for a time in which at least a portion of the light period and the dark period of the first light source overlap. In an embodiment of the present invention, the second light may be continuously irradiated.
  • the active ingredient may include at least one or more of phenol and antioxidants.
  • the plant may be a cruciferous plant, and the cruciferous plant may be at least one of kale, broccoli, Chinese cabbage, cabbage, wasabi, bok choy, rapeseed, radish, and mustard.
  • An embodiment of the present invention includes a plant cultivation method for cultivating a plant using the light source for plant cultivation that irradiates light to the plant, wherein the light source for plant cultivation provides the plant with the first light and the second light The content of the active ingredient of the plant is controlled by irradiation.
  • the content of a functional material beneficial to humans in the plant can be easily increased while substantially not affecting the growth of the plant or rather enhancing it.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating a light source for plant cultivation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a light source module for plant cultivation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 illustrates a light emitting device as a light source according to an embodiment of the present invention.
  • 4A to 4F show the peak wavelengths of the second light used in the present experimental example, respectively.
  • 5A to 5F show the peak wavelengths of each of the second light of FIGS. 4A through 4F and the first light used in the present experimental example.
  • Figure 6a is a graph showing the change in the live weight of the above-ground part according to each condition, that is, treatment groups 1 to 6, and a control group for 7 days.
  • 6B is a graph showing the change in dry weight in the above-ground part according to each condition, that is, treatment groups 1 to 6, and a control group for 7 days.
  • 7A and 7B are graphs of results obtained by measuring the live weights of the above-ground and underground parts on the 7th day.
  • 8A and 8B are graphs as a result of measuring the building weight of the above-ground part and the underground part on the 7th day.
  • 9 is a photograph of kale according to each condition of the 7th day, that is, treatment groups 1 to 6, and a control group.
  • 10A and 10B are graphs of results obtained by sequentially measuring the leaf area and number of leaves on the 7th day.
  • 11A to 11B are graphs of the results of measuring the SPAD value and total chlorophyll content on the 7th day in order.
  • 12A is a graph showing the photosynthetic rate measured during the day on the 3rd and 4th days of treatment.
  • 12B is a graph showing the photosynthetic rate measured during the night of treatment days 3 and 4;
  • 13 is a graph showing the result of measuring the change in the maximum photon yield for one week.
  • 14A and 14B are image fluorescence values measured for each condition, that is, treatment groups 1 to 6, and a control group for one week.
  • 15 is a graph showing the result of measuring the value of chlorophyll a/b on the 7th day.
  • FIG. 17A is a graph showing the result of measuring the phenol content per g in dry matter of the plant
  • FIG. 17B is a graph showing the result of measuring the phenol content per plant.
  • FIG. 18A is a graph showing the result of measuring the antioxidant level per gram of dry matter in the plant
  • FIG. 18B is a graph showing the result of measuring the antioxidant level per plant.
  • 19 is a graph showing the results of measuring the activity of phenylalanine ammonia degrading enzyme on the second and fifth days.
  • FIG. 20 is a cultivation apparatus conceptually illustrating a cultivation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.
  • the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
  • the present invention relates to a light source used in plant cultivation.
  • the light source according to an embodiment of the present invention may be used in a plant factory to provide light to plants in the plant factory.
  • a plant factory is “in the facility, artificially controlling the above-ground environment (light, temperature, humidity, carbon dioxide concentration, etc.) and the underground environment (culture medium acidity, concentration, nutrient composition, etc.) It can be defined as “a system that automatically produces crops year-round regardless of restrictions”.
  • the biggest advantage of plant factories is that they can completely control the above-ground and underground environments in which crops are grown.
  • an embodiment of the present invention discloses a light source for providing light of a wavelength band for increasing an effective component in addition to light of a visible light wavelength band.
  • the active ingredient is a substance known to be necessary for humans, and may be, for example, a phenolic substance and an antioxidant substance.
  • the type of plant to which the light source according to an embodiment of the present invention is applied may be variously changed. However, there may be differences in the photosynthetic efficiency of light emitted from the light source or the degree of increase in the content of the active ingredient depending on the species.
  • the light source according to an embodiment of the present invention may be applied to plants of the cruciferous family.
  • Cruciferous plants include kale, broccoli, Chinese cabbage, cabbage, wasabi, bok choy, rapeseed, radish, and mustard.
  • it may be applied to kale among cruciferous plants.
  • the type of plant according to an embodiment of the present invention is not limited thereto, and may be applied to other species.
  • the light source according to an embodiment of the present invention will be applied to plants of the Cruciferous family, in particular, kale will be described as an example.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating a light source for plant cultivation according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a light source module for plant cultivation according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a light source for plant cultivation, and the light source for plant cultivation includes a plurality of light emitting devices that provide light to plants.
  • the light source may include two or more light emitting devices, but hereinafter, two light sources will be described as an example. However, the number of light emitting devices is not limited thereto, and three or more may be provided.
  • the light source module 100 for plant cultivation includes a light source 30 for emitting light necessary for plants, a controller 40 for controlling the light source 30, the light source 30 and/or It includes a power supply unit 50 for providing power to the control unit 40 .
  • the light source 30 may include first and second light sources 31 and 33 emitting first and second light having spectral peaks at different wavelengths, respectively. At least one of the first and second light sources 31 and 33 emits light in a wavelength band used for photosynthesis of plants, and the other one emits light in a wavelength band used for synthesis or control of active ingredients of plants. do.
  • light of a wavelength band used for photosynthesis is described as a first light
  • a light source emitting the first light is described as a first light source
  • light of a wavelength band related to an active ingredient of a plant is used as a second light
  • a light source emitting the second light will be described as a second light source.
  • the first light corresponds to light in the visible ray band for photosynthesis of plants.
  • the first light may correspond to a wavelength band of about 380 nm to about 780 nm, which substantially corresponds to the entire wavelength band of visible light.
  • the first light according to an embodiment of the present invention may have a part of the entire wavelength of visible light, for example, a wavelength band of about 400 nm to about 700 nm.
  • Light of a wavelength band of about 400 nm to about 700 nm is light of a wavelength band mainly used for photosynthesis of plants, and corresponds to light within a Photosynthetic Active Radiation (PAR) region.
  • PAR Photosynthetic Active Radiation
  • the first light source corresponding to the wavelength band of the first light for example, a light source having a sunlight-like spectrum in the wavelength band of sunlight or visible light. This can be used When sunlight is used, an additional component capable of shielding or transmitting sunlight may be provided, thereby creating a turn-off/turn-on effect.
  • the light source having the sunlight-like spectrum may include an incandescent lamp, a fluorescent lamp, a light emitting device including a light emitting diode, and the like, and may implement a sunlight-like spectrum alone or in combination.
  • a sunlight-like spectrum may be realized by using a single or a plurality of light emitting diodes emitting a specific wavelength.
  • the first light according to an embodiment of the present invention may have at least two or more peaks within a wavelength band of about 400 nm to about 700 nm.
  • the first light according to an embodiment of the present invention may have a first peak at about 420 nm to about 500 nm, and may have a second peak at about 600 nm to about 700 nm.
  • the first light source is selected from those capable of providing light capable of photosynthesis to plants, and various types of light sources such as the sun, incandescent lamps, fluorescent lamps, and light emitting diodes (LEDs) are used.
  • a light source may be used.
  • the first light source may be a light emitting device.
  • the first light source may be implemented as one or a plurality of light emitting devices within a limit for emitting light of the wavelength band.
  • the first light source may include a blue light emitting device, a red light emitting device, or may include a red light emitting device, a blue light emitting device, and a white light emitting device.
  • the first light source 31 may be formed of a plurality of light emitting diodes among light emitting devices.
  • the second light is for increasing the content of active ingredients in the plant, for example, phenol, antioxidants, and the like.
  • the second light may have a wavelength band corresponding to blue light or purple light among ultraviolet to visible light.
  • the second light according to an embodiment of the present invention may correspond to a part of the entire wavelength of visible light, for example, a wavelength band corresponding to ultraviolet A.
  • the second light according to an embodiment of the present invention may have a peak within a wavelength band of about 360 nm to about 420 nm, or may have a peak within a wavelength band of about 400 nm to about 420 nm.
  • the intensity of light emitted from the first light source 31 may be from about 100 ⁇ mol and m -2 s -1 and about 200 ⁇ mol and m -2 s -1 and.
  • the intensity of light emitted from the first light source 31 may be about 130 ⁇ mol ⁇ m -2 ⁇ s -1 to about 170 ⁇ mol ⁇ m -2 ⁇ s -1 , and about 150 ⁇ mol ⁇ m -2 ⁇ s -1 have.
  • the irradiation energy of the second light source 33 may be about 20 W/m 2 to about 40 W/m 2 , and may be about 30 W/m 2 .
  • first light source 31 and the second light source 33 may be driven independently. If the first light source 31 and the second light source 33 are formed of a plurality of light emitting devices, each light emitting device may also be driven independently.
  • first light source 31 and the second light source 33 may be turned on, or both the first light source 31 and the second light source 33 may be turned on or off.
  • the first light source 31 and the second light source 33 may be independently turned on/off to provide light having a predetermined spectrum to the plant. Plants receive light in various forms from the first and second light sources 33 according to a growth period, a light cycle or a dark cycle.
  • the first light source 31 may be turned on or off according to a light cycle consisting of a light cycle and a dark cycle. Accordingly, the first light is emitted during the light period and is not emitted during the dark period.
  • the second light may be emitted for a time in which at least a portion of the light period and the dark period overlap, for example, the second light may be continuously emitted during the light period and the dark period.
  • the second light may be provided flashing as needed.
  • the photoperiod of the first light source 31 may consist of a light cycle of about 10 to about 15 hours and a dark cycle of about 14 hours to about 9 hours, and the first light source (31) may be turned on in the light period and turned off in the dark period according to the photoperiod.
  • the light cycle may be about 12 hours
  • the dark cycle may be about 12 hours.
  • the second light source may be continuously turned on for a predetermined period irrespective of the photoperiod after the plant grows to a predetermined degree.
  • a predetermined plant after a predetermined plant is sown and grown to a predetermined degree, it may be turned on for about a week to provide the plant with the second light, or may be turned on for about a week before harvest to provide the plant with the second light. may be
  • an active ingredient in a plant for example, phenol or antioxidant, is produced without interfering with photosynthesis of the plant, or Its content can be adjusted.
  • the first light source 31 and the second light source 33 may be disposed on the substrate 20 .
  • the substrate 20 may be a printed circuit board on which wiring or circuits on which the first light source 31 and the second light source 33 can be directly mounted are formed, but is not limited thereto.
  • the substrate 20 suffices as long as the first light source 31 and the second light source 33 can be disposed, and the shape or structure thereof is not particularly limited and may be omitted.
  • control unit 40 is connected to the first and/or second light sources 31 and 33 to control whether the first light source 31 and the second light source 33 operate.
  • the controller 40 may be connected to the first and/or second light sources 31 and 33 by wire or wirelessly.
  • a power supply unit 50 for supplying power to the control unit 40 is connected to the control unit 40 .
  • the power supply unit 50 may supply power to the light source 30 through the control unit 40 or directly connected to the light source 30 .
  • the control unit 40 turns on/off the first light source 31 and/or the second light source 33 so that the first light source 31 and the second light source 33 emit light with a predetermined intensity in a predetermined section.
  • the first light source 31 and the second light source 33 may be operated individually so that the plant performs photosynthesis as efficiently as possible.
  • the control unit 40 may independently control the intensity of the light emitted from the first and second light sources 31 and 33, the emission time, and the like.
  • individual light emitting devices can be independently controlled.
  • the controller 40 may control the operation of the first light source 31 and the second light source 33 according to a preset process or according to a user input.
  • the operations of the first light source 31 and the second light source 33 may be variously changed according to the type of plant, the growth period of the plant, and the like.
  • the plant may be grown by photosynthesis using the light emitted from the light source 30 of the present invention.
  • the plant may be cultivated in various forms, such as hydroponics or soil cultivation.
  • the first light source and the second light source in particular, the second light source may be implemented as a light emitting diode.
  • the first light source various types of light sources including existing light sources are used as light sources for photosynthesis, but the second light source may be implemented as a light emitting diode.
  • both the first light source and the second light source may be implemented as light emitting diodes.
  • FIG 3 is a light source according to an embodiment of the present invention, and when a light emitting device is used as the first and second light sources, the light emitting device is conceptually shown.
  • each of the first light source and the second light source may be provided as a light emitting diode among light emitting devices, and the light emitting diode includes a first semiconductor layer 223 , an active layer 225 , and a second semiconductor layer 227 . It may include a light emitting structure including a light emitting structure, and a first electrode 221 and a second electrode 229 connected to the light emitting structure.
  • the first semiconductor layer 223 is a semiconductor layer doped with a first conductivity type dopant.
  • the first conductivity-type dopant may be a p-type dopant.
  • the first conductivity type dopant may be Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, or the like.
  • the first semiconductor layer 223 may include a nitride-based semiconductor material.
  • the material of the first semiconductor layer 223 may include GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, and the like.
  • the active layer 225 is provided on the first semiconductor layer 223 and corresponds to an emission layer.
  • electrons (or holes) injected through the first semiconductor layer 223 and holes (or electrons) injected through the second semiconductor layer 227 meet each other to form a material of the active layer 225 . It is a layer that emits light due to the difference in the band gap of the energy band.
  • the active layer 225 may be implemented with a compound semiconductor.
  • the active layer 225 may be implemented, for example, by at least one of a group 3-5 or group 2-6 compound semiconductor.
  • the second semiconductor layer 227 is provided on the active layer 225 .
  • the second semiconductor layer 227 is a semiconductor layer having a second conductivity type dopant having a polarity opposite to that of the first conductivity type dopant.
  • the second conductivity-type dopant may be an n-type dopant, and the second conductivity-type dopant may include, for example, Si, Ge, Se, Te, O, C, or the like.
  • the second semiconductor layer 227 may include a nitride-based semiconductor material.
  • the material of the second semiconductor layer 227 may include GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, or the like.
  • the first electrode 221 and the first electrode 229 may be provided in various forms to be connected to the first semiconductor layer 223 and the second semiconductor layer 227 , respectively.
  • the first electrode 221 is provided under the first semiconductor layer 223 and the second electrode 229 is provided on the second semiconductor layer 227 , but the present invention is not limited thereto. no.
  • the first electrode 221 and the second electrode 229 are, for example, various metals such as Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Sn, W, Cu, or these may be made of an alloy of
  • the first electrode 221 and the second electrode 229 may be formed as a single layer or a multilayer.
  • the light emitting diode is provided in a vertical type
  • the light emitting diode is not necessarily of the vertical type, and other types may be provided as long as it is consistent with the concept of the present invention.
  • the following effects can be obtained by using a light emitting diode instead of a conventional lamp as a light source for plant cultivation.
  • plants may be treated using light of a specific wavelength compared to light emitted from an existing general lamp (eg, an existing incandescent lamp).
  • the light emitted from the conventional lamp has a broad spectrum in a wide area compared to the light emitted from the light emitting diode. Accordingly, in the case of a conventional general lamp, it is not easy to separate only a portion of the light of the wavelength band of the emitted light.
  • light emitted from the light emitting diode may be manufactured to have a sharp peak at a specific wavelength, and light of a specific wavelength having a very narrow half maximum width compared to light from a conventional lamp is provided.
  • the irradiation time may also be set in a wide range, but in the case of a light emitting diode, it is possible to provide the required light to the sample in a relatively short time and within a clear time.
  • light emitting diodes are advantageous over conventional fluorescent lamps in terms of economy because they generate less heat than conventional fluorescent lamps, consume less power, and have a long lifespan.
  • sowing kale (' late collard', Brassica oleracea var. acephala) seeds in a seed growth pack, 2 weeks later, it was formally cultivated with a deep-flow technique (DFT) hydroponics system under a closed plant production system and cultivated for 3 weeks. did.
  • the cultivation environment was carried out in a plant factory under the conditions of temperature 20°C and humidity 60%, photoperiod 12 hours, light intensity (Photosynthetic Photon Flux Density; PPFD) 150 ⁇ molm -2 s -1 , and EC 1 (unit) using Hogland culture medium. It was adjusted to pH 6.0.
  • the second light treatment was started 3 weeks after planting, and irradiation was performed for 7 consecutive days, and sampling was performed at 1 day intervals for 7 days during the treatment period.
  • the plant's live weight, dry weight, total chlorophyll content, chlorophyll a/b, photosynthesis, image fluorescence, total phenol concentration, antioxidant level, reactive oxygen species (ROS), Phenylalanine ammonia-lyase (PAL) was measured as follows.
  • Table 1 below shows the wavelength and irradiation energy of the irradiated light in the treatment group and the control group treated with the second light.
  • FIGS. 4a to 4f respectively show the peak wavelengths of the second light used in treatments 1 to 6, and FIGS. 5a to 5f respectively show the peak wavelengths of the second light and the first light of FIGS. 4a to 4f.
  • the first light (dotted line in FIGS. 5A to 5F) has a peak between about 600 nm and about 710 nm
  • the second light ( FIGS. 5A to 5F ) has a peak.
  • 5f) has peak wavelengths of 365 nm, 375 nm, 385 nm, 395 nm, 405 nm, and 415 nm in Treatments 1 to 6, respectively.
  • the control group was not subjected to the second light treatment, and the first light was irradiated to both the treatment group and the control group under the same conditions.
  • kale seeds were planted as plant plants of the DFT system. Thereafter, the first light was irradiated from 7 am to 7 pm for 2 weeks. At this time, the light intensity (PPFD) was irradiated under 150 ⁇ molm -2 s -1 conditions.
  • the second light treatment was started from the third week after planting, and was irradiated with the first light.
  • the second light was irradiated continuously for 7 days under the condition of 24h/d, and sampling was conducted at 5pm at 1 day intervals for 7 days during the treatment period.
  • Figure 6a is a graph showing the change in the above-ground live weight according to each condition, that is, treatment groups 1 to 6, and a control for 7 days
  • Figure 6b is each condition, that is, treatment groups 1 to 6, and according to the control group for 7 days It is a graph showing the change in the weight of the above-ground building.
  • control group was indicated by Control or con
  • treatment group 1 was 365 nm
  • treatment group 2 was 375 nm
  • treatment group 3 was 385 nm
  • treatment group 4 was 395 nm
  • treatment group 5 was 405 nm
  • treatment group 6 was 415 nm.
  • the 405 nm and 415 nm treatment groups had the highest live weight above the ground, and the remaining treatment groups did not show a significant difference from the control group. Accordingly, it is construed that the second light treatment does not harm kale growth or produces a growth enhancing effect.
  • the above-ground building weight also showed a similar tendency to the above-ground live weight.
  • the dry weight of the above-ground portion was the highest in the 415nm treatment area, and as the wavelength of the treatment area increased, the dry weight of the above-ground portion showed a tendency to increase. Accordingly, it can be seen that the second light treatment does not harm the kale growth or causes a growth promoting effect.
  • 7A and 7B are graphs of results obtained by measuring the live weights of the above-ground and underground parts on the 7th day.
  • the above-ground live weight was high in the 395 nm to 415 nm treatment groups, and it is determined that there is no significant difference between the treatment groups and the control group except for this.
  • the highest was found in the 385 nm treatment group, and it is judged that there is no significant difference between the treatment groups and the control group except for this.
  • 8A and 8B are graphs as a result of measuring the building weight of the above-ground part and the underground part on the 7th day.
  • the above-ground dry weight was higher than that of the control in the 395 nm to 415 nm treatment groups, and in the case of the underground building weight, the 385 nm to 415 nm treatment groups showed a high level. It is judged that there is no significant difference between the treatment groups and the control group except for this.
  • FIG. 9 is a photograph of kale according to each condition of the 7th day, that is, treatment groups 1 to 6, and a control group. Referring to FIG. 9 , it is judged that there is no significant characteristic distinguishable with the naked eye, although growth is somewhat improved in the treatment groups compared to the control group.
  • the live weight and dry weight of the treated groups were generally high compared to the control group. As it was confirmed that the larger the wavelength of the treatment groups, the higher the live weight and the dry weight. Therefore, it was determined that the UV-A and/or blue/violet light treatment did not harm the kale growth or had a growth enhancing effect.
  • 10A and 10B are graphs of results obtained by sequentially measuring the leaf area and number of leaves on the 7th day.
  • the leaf area on the 7th day showed the highest value in the 405 nm treatment group and the lowest value in the 365 nm treatment group. Overall, the leaf area value showed a tendency to increase as the wavelength increased. However, it is confirmed that there is no significant difference from the control group.
  • the above-ground parts are harvested 4 weeks after planting and freeze-dried for 72 hours at -75°C. got it 40 mg of the powder sample was used, and 80% acetone was added to the 4 ml sample, followed by extraction using ultrasound. After that, 1 ml of the sample was extracted and absorbance was measured at about 663.2 nm and about 646.8 nm conditions using a spectrophotometer.
  • FIG. 11A is a graph showing the result of measuring the Soil Plant Analysis Development (SPAD) value of the 7th day
  • FIG. 11B is a graph showing the result of measuring the total chlorophyll content.
  • the vertical item is a SPAD value, meaning a value measured with SPAD-502, a spad chlorophyll meter of leaves, and a high SPAD value can be interpreted as having a high chlorophyll content.
  • treatment groups 3 to 5 showed a high value, but it is determined that there is no significant difference.
  • the total chlorophyll content of the 7th day was the highest in the control group, and the content decreased as the wavelength increased.
  • the 415nm treatment group showed a significant difference from the control group, and it was confirmed that there was no significant difference in the remaining treatment groups.
  • the photosynthetic rate was measured using a photosynthetic meter (LI-6400, LI-COR, Lincoln, NE, USA).
  • the concentration of carbon dioxide (CO2) was set to 500 ⁇ mol ⁇ mol -1 , temperature 20°C, flow rate 400 ⁇ mol ⁇ s -1 , and each light source at the same light intensity (PPFD) 150 ⁇ mol ⁇ m -2 ⁇ s -1
  • the lower chamber was placed and measurements were taken using the fully unfolded leaf between about 3 hours and about 6 hours after the light was turned on. Even after the light was turned off, the photosynthetic rate was measured under the same conditions.
  • 12A is a graph showing the photosynthetic rate measured during the day on the 3rd and 4th days of treatment.
  • the photosynthetic rate measured during the day on the 3rd and 4th days of treatment showed a tendency to increase as the wavelength increased, and showed the highest value in the treatment group having the wavelengths of 405 nm and 415 nm.
  • the treatment group having a wavelength of 405 nm and 415 nm had a significant difference from the control group, and on the 4th day, there was no significant difference from the control group in all treatment groups.
  • 12B is a graph showing the photosynthetic rate measured during the night of treatment days 3 and 4;
  • the control group did not photosynthesize, but it was confirmed that photosynthesis was also performed at night time in all treatment groups, and the photosynthesis rate also showed a tendency to increase as the wavelength increased.
  • the 3rd day it was confirmed that there was a significant difference in the 395nm to 415nm treatment groups compared to the control group, and on the 4th day, a significant difference was confirmed in all the treatment groups except the 365nm treatment group.
  • 13 is a graph showing the result of measuring the change in the maximum photon yield for one week.
  • 14A and 14B are image fluorescence values measured for each condition, that is, treatment groups 1 to 6, and a control group for one week.
  • 15 is a graph showing the result of measuring the value of chlorophyll a/b on the 7th day.
  • Chl (chlorophyll) a/b value increased as the wavelength increased.
  • Chlorophyll a is the main pigment that absorbs light energy required for photosynthesis.
  • chlorophyll b is an auxiliary pigment that absorbs light energy required for photosynthesis.
  • the chlorophyll b value becomes higher as the stress of the plant increases, and as the chlorophyll b value increases, the Chla a/b value, which is a vertical item of the graph, becomes smaller. Accordingly, as the wavelength of the treatment group on the 7th day increases, the Chla a/b value tends to increase, and the chlorophyll b value decreases, which is judged to decrease the degree of stress received by the plant.
  • Chla a/b value of treatment groups 1 to 3 was relatively small relative to the control group, it was interpreted that the stress level to the plant was greater in treatment groups 1 to 3 than the control group, but except for treatment group 1, there was no significant difference. is judged to be
  • Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) to confirm the reliability of the image fluorescence value and Chla a/b measurement experiment performed above The content was measured.
  • Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) which is one of Reactive Oxygen Species (ROS) in the plant, can be used as a stress index to evaluate whether the plant is under stress.
  • Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) content was analyzed using a measuring instrument EZ-Hydrogen Peroxide/Peroxidase Assay Kit (Oxidative Stress Assay Kit, Dugen Bio).
  • 16 is a graph showing the results of measuring the content of hydrogen peroxide on the 2nd and 5th days.
  • the hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) content did not show a significant difference between the control group and the treatment section on both the 2nd and 5th days, but on the 5th day of treatment, the shorter the wavelength of the treatment group, the shorter the hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ) It was confirmed that the content was high.
  • the hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) content was the highest in the 365 nm treatment group with the lowest maximum photon yield (Fv/Fm) value, that is, the highest stress. and the Chla a/b value was confirmed to be the lowest. That is, it is judged that the shorter the wavelength of the treatment, the greater the energy, and the greater the stress level received by the plant.
  • the phenol content per g plant, the phenol content per plant body, the antioxidant degree per g, and the antioxidant degree per plant body were measured.
  • the phenol content and the degree of antioxidant are parameters for measuring the presence or absence of an increase in useful secondary metabolites in kale during the second light treatment.
  • the above-ground parts of kale were harvested 4 weeks after planting and freeze-dried at -75°C for about 72 hours. 40 mg of the powder sample was used, and 80% acetone was added to extract the solution.
  • the supernatant was centrifuged at 3,000Xg for 2 minutes for analysis, and the unit is GAE mg/g DW. After reacting with the analyte samples, 1 ml of the sample was extracted and measured with a spectrophotometer at about 765 nm. Gallic acid was used as standard.
  • the extracted solution was stored at -20 °C for 12 hours and then diluted about 10-fold by adding 80% acetone to the centrifuged supernatant. Then, the absorbance was adjusted to 0.7 ⁇ 0.05 by mixing 5 mM of the antioxidant level measurement solution (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid); ABTS) and phosphate buffered saline (PBS). Before measurement, record the absorbance of 0.7 ⁇ 0.05, add 100 ⁇ L of the supernatant, vortex, and then measure and record the absorbance again after 1 minute. Absorbance was measured at 730 nm.
  • the antioxidant level measurement solution (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid); ABTS) and phosphate buffered saline (PBS).
  • PBS phosphate buffered saline
  • FIG. 17A is a graph showing the result of measuring the phenol content per g in dry matter of the plant
  • FIG. 17B is a graph showing the result of measuring the phenol content per plant.
  • FIG. 18A is a graph showing the result of measuring the antioxidant level per gram of dry matter in the plant
  • FIG. 18B is a graph showing the result of measuring the antioxidant level per plant.
  • the production of the active ingredient is improved in the treatment groups treated with the second light compared to the control group, and in particular, the amount of the active ingredient is increased as the wavelength of the treatment group increases.
  • the production of the active ingredient per unit g may be higher even if the size of the individual is small. That is, since more individuals can be harvested in a narrow area, it is determined that when the content of the active ingredient is high in a plant having a small size, it is easier to obtain the active ingredient than when the size of the individual is large.
  • Phenylalanine ammonia-lyase (PAL) activity was measured in order to more directly confirm whether the active substance was actually formed in the plant according to the second light treatment.
  • 19 is a graph showing the results of measuring the activity of phenylalanine ammonia degrading enzyme on the second and fifth days.
  • phenylalanine ammonia-lyase (Phenylalanine ammonia-lyase; PAL) activity did not show a significant difference between the treatment group and the control group on both days 2 and 5, but as the wavelength of the treatment group increased, the activity showed a tendency to increase. . It was found that compared with the graph of the total phenol content per dry weight of the plant of Experimental Example 8, it was found to show a similar trend.
  • the higher the wavelength of the treatment group the greater the effect of promoting plant growth and production of secondary metabolites (total phenol content, antioxidant level).
  • the effect was more pronounced in the kale irradiated with the second light having a wavelength of 405 nm and 415 nm compared to the kale irradiated with the second light having a wavelength of 365 nm to 395 nm, in both growth and promotion of secondary metabolites. appeared to be effective.
  • the second light having wavelengths of 405 nm and 415 nm beyond the wavelength region of 400 nm can enhance the growth of crops and enhance the production of secondary metabolites without stress.
  • the light source according to an embodiment of the present invention may be used for plant cultivation, and may be applied to a plant factory, a plant cultivation apparatus, a greenhouse, etc. in which the light source is installed.
  • FIG. 20 is a cultivation apparatus conceptually illustrating a cultivation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the cultivation apparatus shown in FIG. 20 shows a small cultivation apparatus as an example, but is not limited thereto.
  • the cultivation apparatus according to an embodiment of the present invention may be used in a large-scale plant factory, but in this embodiment, a small cultivation apparatus will be described as an example.
  • the cultivation apparatus 100 includes a housing 60 having an internal space for growing plants, and a light source 30 provided in the housing 60 and emitting light. includes
  • the housing 60 provides an empty space therein in which plants can grow and grow.
  • the housing 60 may be provided in the form of a box capable of blocking external light.
  • the housing 60 may include a lower case 61 opened in the upper direction, and the upper case 63 opened in the lower direction.
  • the lower case 61 and the upper case 63 may be fastened to have a box shape that blocks external light.
  • the lower case 61 includes a bottom portion and a side wall portion extending upwardly from the bottom portion.
  • the upper case 63 includes a cover portion and a sidewall portion extending downwardly from the cover portion.
  • the side wall portions of the lower case 61 and the upper case 63 may have a structure in which they are engaged and fastened to each other.
  • the lower case 61 and the upper case 63 may be fastened or separated according to the user's intention, and accordingly, the user may open or close the housing 60 .
  • the housing 60 may be provided in various shapes. For example, it may have an approximately rectangular parallelepiped shape, or may have a cylindrical shape. However, the shape of the housing 60 is not limited thereto, and may be provided in a different shape.
  • the housing 60 provides an environment in which plants provided therein can grow.
  • the housing 60 may be provided with a size that can accommodate them even when a plurality of plants are provided and grown.
  • the size of the housing 60 may vary depending on the use of the plant cultivation apparatus 100 . For example, when the plant cultivation apparatus 100 is used for small-scale plant cultivation used at home, the size of the housing 60 may be relatively small. When the plant cultivation apparatus 100 is used to grow and sell plants commercially, the size of the housing 60 may be relatively large.
  • the housing 60 may block light so that light outside the housing 60 does not flow into the housing 60 . Accordingly, the inside of the housing 60 may be provided with a darkroom environment isolated from the outside. Accordingly, it is possible to prevent the external light from being unnecessarily irradiated to the plant provided in the housing 60 .
  • the housing 60 may prevent external visible light from being irradiated to the plant.
  • the housing 60 may be designed to be partially open to receive external light as it is.
  • one space in the housing 60 may be provided. However, this is for convenience of description and may be divided into a plurality of zones. That is, partition walls dividing the space within the housing 60 into a plurality of partitions may be provided in the housing 60 .
  • the light source provides light to the plants in the space within the housing 60 .
  • the light source is provided on the inner surface of the upper case 63 or the lower case 61 .
  • the light source may be provided on the cover portion of the upper case (63).
  • the light source may be provided on the side wall portion of the upper case 63 .
  • the light source may be provided on the side wall portion of the lower case 61, for example, may be provided on the upper end of the side wall portion.
  • the light source may be provided on at least one of a cover portion of the upper case 63 , a sidewall portion of the upper case 63 , and a sidewall portion of the lower case 61 .
  • a cultivation table 70 may be provided to facilitate plant cultivation, for example, to facilitate hydroponic cultivation.
  • the culture table 70 may be formed of a plate-shaped plate 71 spaced apart from the bottom of the housing 60 in the upper direction.
  • the plate 71 may be provided with a through hole 73 of a predetermined size.
  • the cultivation table 70 is for growing plants on the upper surface of the plate 71 , and may have a plurality of through holes 73 so that the supplied water can be drained when the water is supplied.
  • the through hole 73 may be sized to prevent the plant from being swept downward. For example, the diameter of the through hole 73 may have a smaller size than that of a plant.
  • the space between the cultivation table 70 and the bottom of the lower case 61 may function as a water tank in which drained water is stored. Accordingly, the water drained downward through the through hole 73 of the cultivation table 70 may be stored in a space between the bottom of the lower case 61 and the cultivation table 70 .
  • the cruciferous plant may be grown by methods other than hydroponics, and in this case, the space in the housing 60 is water so that moisture and/or nutrients necessary for the cruciferous plant can be supplied.
  • medium, soil, etc. may be provided, and in this case, the housing 60 may function as a container.
  • the medium or soil may contain nutrients that plants can grow, for example, potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), sodium (Na), iron (Fe), and the like. Plants may be provided in a form buried in the medium or placed on the surface of the medium, depending on the type.
  • the size and shape of the culture table 70 may vary depending on the shape of the housing 60 and the provision of the first light source and the second light source.
  • the size and shape of the cultivation table 70 may be configured such that the plant provided on the cultivation table 70 falls within an irradiation range of light irradiated from the first light source and the second light source.
  • a moisture supply device for supplying moisture to plants may be provided in the housing 60 .
  • the moisture supply device may be provided on the upper end of the housing 60 , for example, on the inner surface of the cover part of the upper case 63 to spray water on the housing 60 culturing table 70 .
  • the shape of the moisture supply device is not limited to the above, and may vary depending on the shape of the housing 60 and the arrangement of the cultivation table 70 .
  • the user may directly supply moisture into the housing 60 without a separate moisture supply device.
  • One or a plurality of moisture supply devices may be provided.
  • the number of moisture supply devices may vary depending on the size of the housing. For example, in the case of a home plant cultivation apparatus having a relatively small size, one water supply device may be provided because the size of the housing is small. Conversely, in the case of a commercial plant cultivation apparatus having a relatively large size, a plurality of water supply apparatuses may be provided because the size of the housing is large.
  • the number of the moisture supply devices is not limited thereto, and may be provided at various locations in various numbers.
  • the moisture supply device may be connected to a water tank provided in the housing 60 or a faucet outside the housing 60 .
  • the water supply device may further include a filtering device so that pollutants floating in the water are not provided to the plants.
  • the filtering device may include a filter such as activated carbon or non-woven fabric, and accordingly, the water that has passed through the filtering device may be purified water.
  • the filtering device may further include a light irradiation filter in some cases.
  • the light irradiation filter may irradiate water with ultraviolet rays, etc. to remove bacteria, bacteria, mold spores, etc. present in the water. Since the water supply device includes the above-described filtration devices, there is no risk of contamination of the housing 60 and the plants even when water is recycled or rainwater is directly used for cultivation.
  • Water provided from the water supply device may be provided only with water itself (eg, purified water) without additional nutrients, but is not limited thereto, and may include nutrients necessary for plant growth.
  • substances such as potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), sodium (Na), iron (Fe), nitrate (Nitrate), phosphate (Phosphate), sulfate (Sulfate), Chloride (Cl) and the like may be contained.
  • Sachs liquid, Knop liquid, Hoagland liquid, Hewitt liquid, etc. may be supplied from the moisture supply device.
  • a plant may be grown using the light source.
  • the method of cultivating a plant according to an embodiment of the present invention may include germinating the plant and providing at least one or more light to the germinated plant.
  • the light source for plant cultivation includes: a first light source emitting a first light for photosynthesis; and a second light source emitting a second light composed of blue light, purple light, or ultraviolet A, wherein the second light has a peak in a wavelength band of about 360 nm to about 420 nm.
  • the photoperiod of the first light source and the second light source is made in the order of the light cycle and the dark cycle, the first light is emitted during the light cycle, and the second light is 2 weeks after planting of the plant It is continuously emitted during the light cycle and dark cycle for 1 week.
  • the content of the active ingredient of the plant is controlled by irradiating the plant with the first light and the second light.

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Abstract

식물 재배용 광원은, 상기 식물의 광합성을 위한 제1 광을 출사하며 가시광선 대역에서 적어도 하나의 피크를 가지는 제1 광원, 및 상기 식물 내의 유효 성분을 조절하는 제2 광을 출사하며 상기 제1 광원과 다른 파장 대역에서 피크를 가지는 제2 광원을 포함한다. 상기 제2 광은 약 360nm 내지 약 420nm의 파장 대역 내에 피크를 가진다.

Description

식물 재배용 광원 및 이를 이용한 식물 재배 방법
본 발명은 식물 재배용 광원 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 식물의 유용 물질의 합성에 최적화된 광을 출사하는 광원 및 이를 이용한 식물 재배 방법에 관한 것이다.
식물 재배용 조명 기구로서 태양광을 대신하는 다양한 광원들이 개발되어 사용되고 있다. 기존에는 식물 재배용 조명 기구로서 백열등, 형광등 등이 주로 사용되었다. 그러나, 기존의 식물 재배용 조명 기구는 단순히 식물의 광합성만을 위해 소정 파장의 광만 식물에 제공하며, 그 외의 추가적인 기능이 없는 것이 대부분이다.
식물은 다양한 스트레스에 저항하는 과정에서 사람에게 유용한 물질들을 합성할 수 있는 바, 사람에게 유용한 물질이 다량 함유된 식물을 재배할 수 있는 광원, 재배 장치, 재배 방법 등이 다양하게 요구된다.
본 발명은 사람에게 이로운 기능성 물질이 다량 함유된 식물을 재배할 수 있는 식물 재배용 광원을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 광원을 이용하여 식물의 생장을 증진할 수 있는 식물 재배 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원은, 상기 식물의 광합성을 위한 제1 광을 출사하며 가시광선 대역에서 적어도 하나의 피크를 가지는 제1 광원, 및 상기 식물 내의 유효 성분을 조절하는 제2 광을 출사하며 상기 제1 광원과 다른 파장 대역에서 피크를 가지는 제2 광원을 포함한다. 상기 제2 광원은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 제1 반도체층, 상기 제1 반도체층 상에 제공되며 상기 제1 도전형 도펀트와 다른 제2 도전형 도펀트가 도핑된 제2 반도체층, 및 상기 제1 및 제2 반도체층들 사이에 제공된 활성층을 포함하며, 상기 제2 광은 약 360nm 내지 약 420nm의 파장 대역 내에 피크를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광은 자외선, 자색광, 또는 청색광일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광은 약 400nm 내지 약 420nm의 파장 대역 내에서 피크를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광은 약 380nm 내지 약 780nm의 파장 대역 내에서 적어도 2개 이상의 피크를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광은 PAR (Photosynthetic Active Radiation)에 해당할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광원은 가시광선 파장 대역에서 태양광 유사 스펙트럼을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광은 약 420nm 내지 약 500nm 파장 대역에서 하나의 피크를 가지며, 약 600nm 내지 약 700nm 에서 다른 하나의 피크를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 독립적으로 구동되어 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광원은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 제1 반도체층, 상기 제1 반도체층 상에 제공되며 상기 제1 도전형 도펀트와 다른 제2 도전형 도펀트가 도핑된 제2 반도체층, 및 상기 제1 및 제2 반도체층들 사이에 제공된 활성층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광원은 명주기와 암주기로 이루어진 광 주기에 따라 턴 온 또는 턴오프될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광은 상기 제1 광원의 상기 명주기와 상기 암주기와 적어도 일부가 중첩하는 시간 동안 조사될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광은 연속 조사될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유효 성분은 페놀 및 항산화 물질 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 식물은 십자화과 식물일 수 있으며, 상기 십자화과 식물은 케일, 브로콜리, 배추, 양배추, 냉이, 청경채, 유채, 무, 및 겨자 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 식물에 광을 조사하는 상기 식물 재배용 광원을 이용하여 식물을 재배하는 식물 재배 방법을 포함하며, 상기 식물 재배용 광원은, 상기 식물에 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 조사함으로써 상기 식물의 유효 성분의 함량을 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용하여 식물을 재배하는 경우 식물의 생장에 영향을 실질적으로 미치지 않거나 오히려 증진시키면서 식물 내 사람에게 이로운 기능성 물질의 함량을 용이하게 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원을 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원 모듈을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원으로서, 발광 소자를 도시한 것이다.
도 4a 내지 4f는 본 실험예에서 사용된 제2 광의 피크 파장을 각각 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5f는 도 4a 내지 4f의 각 제2 광과 본 실험예에서 사용된 제1 광의 피크 파장을 함께 나타낸 것이다.
도 6a은 7일간 각 조건, 즉, 처리구 1 내지 처리구 6, 및 대조구에 따른 지상부 생체중의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6b는 7일간 각 조건, 즉, 처리구 1 내지 처리구 6, 및 대조구에 따른 지상부 건물중의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7a 및 7b는 7일차의 지상부와 지하부의 생체중을 측정한 결과 그래프이다.
도 8a 및 8b는 7일차의 지상부와 지하부의 건물중을 측정한 결과 그래프이다.
도 9는 7일차의 각 조건, 즉, 처리구 1 내지 처리구 6, 및 대조구에 따른 케일을 촬영한 사진이다.
도 10a 및 10b는 순서대로 7일차의 엽 면적, 엽 수를 측정한 결과 그래프이다.
도 11a 내지 11b는 순서대로 7일차의 SPAD 값, 총 엽록소 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 12a는 처리 3, 4일차의 낮 동안 측정된 광합성율을 나타낸 그래프이다.
도 12b는 처리 3, 4일차의 밤 동안 측정된 광합성율을 나타낸 그래프이다.
도 13은 일주일간 최대광양자수율의 변화를 측정한 결과 그래프이다.
도 14a 및 14b는 각 조건, 즉, 처리구 1 내지 처리구 6, 및 대조구를 일주일간 측정한 이미지 형광값이다.
도 15는 7일차 엽록소 a/b의 값을 측정한 결과 그래프이다.
도 16은 2, 5일차 과산화수소수 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 17a는 식물체 건물중 g당 페놀 함량을 측정한 결과 그래프이고, 도 17b는 식물체당 페놀 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 18a는 식물체 건물중 g당 항산화도를 측정한 결과 그래프이고, 도 18b는 식물체당 항산화도를 측정한 결과 그래프이다.
도 19는 2, 5일차 페닐알라닌 암모니아 분해효소 활성도를 측정한 결과 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 재배 장치를 개념적으로 도시한 재배 장치이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 식물 재배 시 사용되는 광원에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광원은 식물 공장에 사용되어 식물 공장 내 식물에 광을 제공할 수 있다. 식물 공장이란 “시설 내에서 작물의 지상부 환경(광, 온도, 습도, 이산화탄소의 농도 등)과 지하부 환경(배양액 산도, 농도, 양분구성 등)을 인공적으로 제어하고 작업의 자동화를 통하여 계절이나 장소에 구애 받지 않고 자동적으로 연중 작물을 생산하는 시스템”으로 정의할 수 있다. 식물 공장의 가장 큰 장점은 작물이 자라는 지상부와 지하부 환경을 완벽하게 제어할 수 있다는 것이다.
식물은 가시광선 파장 대역의 광을 이용하여 광합성을 하며, 광합성을 통해 에너지를 얻는다. 식물은 가시광선 파장 대역의 광 이외에 다른 광에 조사되면 섭취시 사람 또는 식물의 건강에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 성분(이하에서는 유효 성분이라 칭함)의 함량이 증가될 수 있다. 이에 본 발명의 일 실시예에서는 가시 광선 파장 대역의 광 이외에 유효 성분을 증가시키기 위한 파장 대역의 광을 제공하기 위한 광원을 개시한다. 여기서 유효 성분은 사람에게 필요하다고 알려진 물질로서, 예를 들면, 페놀성 물질 및 항산화성 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광원이 적용되는 식물의 종류는 다양하게 변경될 수 있다. 다만, 종에 따라 광원으로부터 출사된 광의 광합성 효율이나 상기 유효 성분의 함량 증가 정도 등은 차이가 있을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 경우 십자화과의 식물에 적용될 수 있다. 십자화과의 식물로는 케일, 브로콜리, 배추, 양배추, 냉이, 청경채, 유채, 무, 및 겨자 등이 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 경우, 십자화과의 식물 중 케일에 적용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 식물의 종류는 이에만 한정되는 것은 아니며, 다른 종에도 적용될 수 있음은 물론이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 십자화과의 식물, 그중 특히 케일에 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 적용한 것을 일 예로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원을 도시한 평면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원 모듈을 도시한 블록도이다.
본 발명은 식물 재배용 광원에 관한 것으로, 식물 재배용 광원은 식물에 광을 제공하는 복수 개의 발광 소자들을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 광원은 2개 이상의 발광 소자들을 포함할 수 있으나, 이하에서는 광원이 2개인 것을 일 예로서 설명한다. 그러나, 발광 소자들의 개수는 이에 한정되는 것은 아니며 3개 이상으로 제공될 수도 있다.
도 1 및 도 2을 참조하면, 식물 재배용 광원 모듈(100)은 식물이 필요한 광을 출사하는 광원(30), 상기 광원(30)을 제어하는 제어부(40), 상기 광원(30) 및/또는 제어부(40)에 전원을 제공하는 전원공급부(50)를 포함한다.
광원(30)은 서로 다른 파장에서 스펙트럼 피크를 갖는 제1 및 제2 광을 각각 출사하는 제1 및 제2 광원(31, 33)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 광원(31, 33) 중 적어도 하나는 식물의 광합성에 이용되는 파장 대역의 광을 출사하며, 나머지 하나는 식물의 유효 성분의 합성이나 조절에 이용되는 파장 대역의 광을 출사한다. 본 발명의 일 실시예에서는 광합성에 이용되는 파장 대역의 광을 제1 광으로, 상기 제1 광을 출사하는 광원을 제1 광원으로 설명하며, 식물의 유효 성분과 관련된 파장 대역의 광을 제2 광으로, 상기 제2 광을 출사하는 광원을 제2 광원으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 광은 식물의 광합성을 위한 가시광선 대역의 광에 해당된다. 제1 광은 실질적으로 가시 광선의 전체 파장 대역에 대응하는 약 380nm 내지 약 780nm 파장 대역에 해당할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시에 따른 제1 광은 가시 광선 전체 파장 중 일부, 예를 들어, 약 400nm 내지 약 700nm의 파장 대역을 가질 수 있다. 약 400nm 내지 약 700nm의 파장 대역의 광은 식물의 광합성에 주로 사용되는 파장 대역의 광으로서, 광합성유효방사(Photosynthetic Active Radiation; PAR) 영역 내의 광에 해당한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광의 파장 대역에 해당하는 제1 광원으로 사용될 수 있는 것은 다양한 것이 있을 수 있으며, 예를 들어, 태양광이나 가시광선 파장 대역에서 태양광 유사 스펙트럼을 갖는 광원이 사용될 수 있다. 태양광이 사용되는 경우, 태양광을 차폐하거나 투과시킬 수 있는 추가적인 구성 요소가 제공됨으로써 턴 오프/턴 온 효과를 낼 수 있다. 태양광 유사 스펙트럼을 갖는 광원으로는 백열등, 형광등, 발광 다이오드를 포함하는 발광 소자 등이 있을 수 있으며 단독 또는 조합을 통해 태양광 유사 스펙트럼을 구현할 수 있다. 특히, 발광 다이오드를 이용한 발광 소자의 경우, 특정 파장을 출사하는 발광 다이오드를 단수 또는 복수 개 사용하여 태양광 유사 스펙트럼을 구현할 수 있다.
이에 더해, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광은 약 400nm 내지 약 700nm 파장 대역 내에서 적어도 2개 이상의 피크를 가질 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광은 약 420nm 내지 약 500nm에서 제1 피크를 가질 수 있고, 약 600nm 내지 약 700nm 에서 제2 피크를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광원은 식물에 광합성을 할 수 있는 광을 제공할 수 있는 것 중에서 선택되며, 태양, 백열등, 형광등, 발광 소자(light emitting diode; LED) 등 다양한 형태의 광원이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광원은 발광 소자일 수 있다.
제1 광원은 상기 파장 대역의 광을 출사하는 한도 내에서 하나 또는 복수 개의 발광 소자들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 광원은 청색 발광 소자, 적색 발광 소자를 포함할 수 있으며, 또는 적색 발광 소자, 청색 발광 소자, 및 백색 발광 소자를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 제1 광원(31)은 발광소자 중 다수개의 발광 다이오드로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 적색광(R), 백색광(W), 및 청색광(B)의 발광 다이오드가 R:W:B=8:1:1의 비율로 제공될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 이와 다른 다양한 형태로 제공될 수 있을 것이다.
제2 광은 식물 내의 유효 성분, 예를 들어, 페놀, 항산화물질 등의 함량을 증가시키기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 광은 자외선 내지 가시 광선 중 청색광 또는 자색광에 대응하는 파장대역을 가질 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시에 따른 제2 광은 가시 광선 전체 파장 중 일부, 예를 들어, 자외선 A에 해당하는 파장 대역에 해당할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광은 약 360nm 내지 약 420nm의 파장 대역 내에 피크를 가질 수 있으며, 또는, 약 400nm 내지 약 420 nm의 파장 대역 내에서 피크를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광원(31)으로부터 출사되는 광의 강도는 약 100μmolㆍm-2ㆍs-1 내지 약 200μmolㆍm-2ㆍs-1일 수 있다. 또는 제1 광원(31)으로부터 출사되는 광의 강도는 약 130μmolㆍm-2ㆍs-1 내지 약 170μmolㆍm-2ㆍs-1 일 수 있으며, 약 150μmolㆍm-2ㆍs-1 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 광원(33)의 조사 에너지는 약 20 W/m2 내지 약 40 W/m2 일 수 있으며, 약 30 W/m2 일 수 있다.
또한, 제1 광원(31) 및 제2 광원(33)은 독립적으로 구동될 수 있다. 만약, 제1 광원(31) 및 제2 광원(33)이 다수개의 발광 소자로 이루어지는 경우, 각각의 발광 소자 또한 독립적으로 구동될 수 있다.
이에 따라, 제1 광원(31) 및 제2 광원(33) 중 어느 하나의 광원만 턴 온 될 수 있으며, 또는 제1 광원(31) 및 제2 광원(33) 모두 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광원(31) 및 제2 광원(33)은 독립적으로 턴 온/오프되어 소정 스펙트럼을 갖는 광을 식물에 제공할 수 있다. 식물은 생장 시기에 따라, 명주기이냐 암주기이냐에 따라, 제1 및 제2 광원(33)으로부터 다양한 형태로 광을 받게 된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광원(31)은 명주기와 암주기로 이루어진 광 주기에 따라 턴 온 또는 턴오프될 수 있다. 이에 따라, 제1 광은 명주기 동안 출사되고, 암주기 동안에는 출사되지 않는다. 제2 광은 명주기와 암주기와 적어도 일부가 중첩하는 시간 동안 출사될 수 있으며, 예를 들어, 제2 광은 명주기와 암주기에 연속 출사될 수 있다. 그러나, 제2 광이 항상 연속적으로 출사될 필요는 없으며, 필요에 따라 제2 광이 점멸적으로 제공될 수도 있다.
좀 더 상세하게는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광원(31)의 광주기는 약 10 내지 약 15시간의 명주기와 약 14 시간 내지 약 9시간의 암주기로 이루어질 수 있으며, 제1 광원(31)은 상기 광주기에 따라 명주기에서 턴 온되고 암주기에서 턴 오프될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 명주기는 약 12시간으로, 암주기는 약 12시간으로 이루어질 수 있다. 제2 광원은 식물이 소정 정도 자란 후, 광주기와 상관없이 소정 기간 동인 지속적으로 턴 온될 수 있다. 예를 들어, 소정 식물이 파종되고 소정 정도로 자라 정식이 이루어진 후부터 약 일주일 동안 턴 온되어 식물에 제2 광을 제공할 수 있으며, 또는 수확 전 약 일주일 동안 턴 온되어 식물에 제2 광을 제공할 수도 있다.
위와 같이 제1 광 및 제2 광의 파장 대역, 광 강도, 조사 에너지, 조사 기간 등을 적절하게 제어함으로써, 식물의 광합성을 방해하지 않으면서도 식물 내 유효 성분, 예를 들어 페놀이나 항산화 물질을 생성하거나 그 함량을 조절할 수 있다.
제1 광원(31) 및 제2 광원(33)은 기판(20) 상에 배치될 수 있다. 기판(20)은 제1 광원(31) 및 제2 광원(33)이 직접 실장될 수 있는 배선이나 회로 등이 형성된 인쇄 회로 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기판(20)은 제1 광원(31) 및 제2 광원(33)이 배치될 수 있는 것이라면 족하며, 그 형상이나 구조는 특별히 한정되는 것은 아니며, 생략될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부(40)는 제1 및/또는 제2 광원(31, 33)에 연결되어 제1 광원(31)과 제2 광원(33)의 동작 여부를 제어한다. 제어부(40)는 제1 및/또는 제2 광원(31, 33)에 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 제어부(40)에는 제어부(40)에 전원을 공급하는 전원공급부(50)가 연결된다. 전원공급부(50)는 제어부(40)를 통해, 또는 광원(30)에 직접 연결되어, 광원(30)에 전원을 공급할 수 있다.
제어부(40)는, 제1 광원(31)과 제2 광원(33)을 소정 구간에 소정의 강도로 광을 출사하도록 제1 광원(31) 및/또는 제2 광원(33)의 온/오프를 제어할 수 있다. 식물이 광합성을 최대한 효율적으로 하도록 제1 광원(31)과 제2 광원(33)이 각각 개별적으로 동작될 수 있다. 제어부(40)는 제1 및 제2 광원(31, 33)으로부터의 광의 출사 강도나 출사 시간 등을 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 또한, 제1 광원(31) 및/또는 제2 광원(33)이 복수 개의 발광 소자들을 포함하는 경우, 개별적인 발광 소자를 독립적으로 제어할 수 있다.
제어부(40)는 제1 광원(31)과 제2 광원(33)의 동작이 선 셋팅된 프로세스에 따라, 또는 사용자의 입력에 따라 제어할 수 있다. 제1 광원(31)과 제2 광원(33)의 동작은 식물의 종류, 식물의 생장 시기 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 식물은 본 발명의 광원(30)으로부터 출사된 광을 이용하여 광합성을 하는 방식으로 생육될 수 있다. 예를 들면, 식물은 수경 재배 또는 토경 재배 등 다양한 형태로 재배될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광원 및 제2 광원, 특히 제2 광원은 발광 다이오드로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 광원의 경우 광합성을 위한 광원으로서 기존의 광원을 포함하여 다양한 형태의 광원을 사용하되, 제2 광원의 경우 발광 다이오드로 구현될 수 있다. 또는, 제1 광원과 제2 광원이 모두 발광 다이오드로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원으로서, 제1 및 제2 광원으로서 발광 소자가 사용된 경우, 그 발광 소자를 개념적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 제1 광원 및 제2 광원 각각은 발광 소자 중 발광 다이오드로 제공될 수 있으며, 발광 다이오드는 제1 반도체층(223), 활성층(225), 및 제2 반도체층(227)을 포함하는 발광 구조체와, 발광 구조체에 연결된 제1 전극(221) 및 제2 전극(229)를 포함할 수 있다.
제1 반도체층(223)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 반도체 층이다. 제1 도전형 도펀트는 p형 도펀트일 수 있다. 제1 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 반도체층(223)은 질화물계 반도체 재료를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 반도체층(223)의 재료로는 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등을 들 수 있다.
활성층(225)은 제1 반도체층(223) 상에 제공되며 발광층에 해당한다. 활성층(225)은 제1 반도체층(223)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2 반도체층(227)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 활성층(225)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드 갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다.
활성층(225)은 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 활성층(225)은 예로서 3족-5족 또는 2족-6족의 화합물반도체 중에서 적어도 하나로 구현될 수 있다.
제2 반도체층(227)은 활성층(225) 상에 제공된다. 제2 반도체층(227)은 제1 도전형 도펀트와 반대의 극성을 갖는 제2 도전형 도펀트를 갖는 반도체층이다. 제2 도전형 도펀트는 n형 도펀트일 수 있는 바, 제2 도전형 도펀트는 예를 들어, Si, Ge, Se, Te, O, C 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 반도체층(227)은 질화물계 반도체 재료를 포함할 수 있다. 제2 반도체층(227)의 재료로는 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, 등을 들 수 있다.
제1 전극(221)과 제1 전극(229)은 각각 제1 반도체층(223)과 제2 반도체층(227)과 연결되도록 다양한 형태로 제공될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 반도체층(223)의 하부에 제1 전극(221)이 제공되고, 제2 반도체층(227)의 상부에 제2 전극(229)가 제공된 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 전극(221) 및 제2 전극(229)는 예를 들어, Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Sn, W, Cu 등의 다양한 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 제1 전극(221) 및 제2 전극(229)는 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 발광 다이오드가 버티컬 타입으로 제공된 것을 설명하였으나, 발광 다이오드가 반드시 버티컬 타입일 필요는 없으며, 본 발명의 개념에 부합하는 한, 다른 타입으로 제공될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 식물 재배용 광원으로, 기존의 램프가 아닌 발광 다이오드를 사용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 발광 다이오드를 광원으로 사용하는 경우, 기존 일반 램프(예를 들어, 기존 백열광 램프)로부터 출사된 광 대비 특정 파장의 광을 이용하여 식물을 처리할 수 있다. 기존 램프로부터 출사된 광은, 발광 다이오드로부터 출사된 광 대비 넓은 영역에서 브로드한 스펙트럼을 갖는다. 이에 따라, 기존의 일반 램프의 경우 출사된 광의 파장 대역 중 일부 대역의 광만을 분리하는 것이 용이하지 않다. 이에 비해 발광 다이오드로부터 출사된 광은 특정 파장에서의 샤프한 피크를 가지도록 제조될 수 있으며 기존 램프로부터의 광에 비해 반치폭이 매우 좁은 특정 파장의 광을 제공한다. 이에 따라, 특정 파장의 광만이 필요한 경우, 특정 파장의 광을 선택하는 것이 용이하며 그 선택된 특정 파장의 광만을 시료에 제공할 수 있다. 결과적으로, 브로드한 파장의 광이나 특정 파장의 광을 선택할 수 있는 폭이 넓어진다.
또한, 기존 램프의 경우 식물체에 광을 제공하되 광량의 정확한 한정이 어려울 수 있으나, 발광 다이오드의 경우 광량을 명확하게 한정하여 제공할 수 있다. 또한, 기존 램프의 경우 광량의 정확한 한정이 어려울 수 있으므로 조사 시간 또한 넓은 범위로 설정될 수 있으나, 발광 다이오드의 경우 상대적으로 짧은 시간 동안 명확한 시간 내에 시료에 필요한 광을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 기존 램프의 경우 상대적으로 넓은 범위의 파장, 넓은 범위의 광량, 및 넓은 범위의 조사 시간으로 인해 광 조사량의 명확한 판단이 어렵다. 이에 비해 발광 다이오드의 경우 상대적으로 좁은 범위의 파장, 좁은 범위의 광량, 및 좁은 범위의 조사 시간으로 인해 명확한 광 조사량을 제공할 수 있다.
이에 더해, 기존 램프의 경우 전원을 켠 후 최대 광량까지 도달하는 데 시간이 상당히 소요되었다. 이에 비해, 발광 다이오드를 사용하는 경우, 전원을 켠 후 워밍업 시간이 실질적으로 거의 없이 바로 최대 광량까지 도달한다. 따라서, 발광 다이오드 광원의 경우, 식물에 특정 파장의 광을 조사할 때 광의 조사 시간을 명확하게 제어할 수 있다.
또한, 발광 다이오드는 기존 형광등 대비 발열량이 적고 전력소모가 적을 뿐 아니라 수명이 길어 경제적인 측면에서 기존 형광등보다 유리하다.
상기한 바와 같은 식물 재배용 광원을 이용하여 식물을 재배하는 경우, 유효 성분으로 페놀성 물질 및 항산화성 물질을 비롯한 2차대사산물이 증진된다. 따라서, 본 발명의 식물 재배용 광원을 사용하는 경우, 상술한 유효 성분을 다량으로 함유하는 식물의 생산을 촉진시킬 수 있는 식물 재배 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배용 광원을 이용하여 다양한 조건에서 케일의 생장 및 2차대사산물의 생성에 미치는 영향을 조사하는 실험을 설명한다.
실험예 1 : 재배 환경
케일(‘만추콜라드’, Brassica oleracea var. acephala) 종자를 종자성장팩에 파종한 후 2주 후에 밀폐형 식물생산 시스템 하의 담액 수경(deep-flow technique; DFT) 수경재배 시스템으로 정식하여 3주간 재배하였다. 재배 환경은 온도 20℃습도 60%, 광주기 12시간, 광 세기(Photosynthetic Photon Flux Density; PPFD) 150μmolm-2s-1 조건의 식물공장에서 진행하였으며, 호글랜드 배양액을 사용하여 EC 1(단위) pH 6.0에 맞춰주었다.
정식 후 3주일 째에 제2 광 처리를 시작하여 7일간 연속 조사해주었으며, 샘플링은 처리기간 7일 동안 1일 간격으로 진행하였다.
제2 광의 처리 유무에 따른 차이를 보기 위해 식물체의 생체중, 건물중, 총 엽록소 함량, 엽록소 a/b, 광합성, 이미지형광, 총 페놀 농도, 항산화도, 활성 산소종 (Reactive Oxygen Species; ROS), 페닐알라닌 암모니아 분해효소(Phenylalanine ammonia-lyase; PAL)를 다음과 같이 측정하였다.
실험예 2 : 광 조사 조건
케일에서 2차대사산물 증진을 위한 광 조사 조건을 설정하기 위한 실험을 수행하였다.
하기 표 1은 제2 광을 처리한 처리구 및 대조구에서의 조사 광의 파장 및 조사 에너지를 나타낸 것이다.
처리명 처리구 1 처리구 2 처리구 3 처리구 4 처리구 5 처리구 6 대조구
피크 파장(nm) 365 375 385 395 405 415 -
조사에너지(W/m2) 30 30 30 30 30 30 -
도 4a 내지 4f는 처리구 1 내지 6에서 사용된 제2 광의 피크 파장을 각각 나타낸 것이고, 도 5a 내지 도 5f는 각각 도 4a 내지 4f의 제2 광과 제1 광의 피크 파장을 함께 나타낸 것이다.
도 4a 내지 4f 및 도 5a 내지 도 5f를 참조하면, 본 실험예에서 제1 광(도 5a 내지 도 5f의 점선)은 약 600nm 내지 약 710nm 사이에서 피크를 가지며, 제2 광(도 5a 내지 도 5f의 실선)은 처리구 1 내지 6에서 각각 365nm, 375nm, 385nm, 395nm 405nm, 및 415nm의 피크파장을 가진다.
표 1을 참조하면, 365nm, 375nm, 385nm, 395nm, 405nm, 및 415nm의 광은 모두 30W/m2 세기로 조사되었다.
대조구에는 제2 광 처리를 수행하지 않았으며, 제1 광은 처리구와 대조구 모두에 동일한 조건으로 조사되었다.
본 실험에 있어서, 케일 종자를 DFT 시스템의 식물공장으로 정식하였다. 이후 2주간 제1 광을 오전 7시부터 오후 7시까지 조사하였다. 이때 광 세기(PPFD)를 150μmolm-2s-1 조건으로 조사하였다.
정식 후 3주일 째부터 제2 광 처리를 시작하였으며, 상기 제1 광과 함께 조사해주었다. 제2 광은 24h/d 조건하에서 7일간 연속 조사하였으며, 샘플링은 처리기간 7일 동안 1일 간격으로 오후 5시에 진행하였다.
실험예 3 : 광 조사 후 생체중 및 건물중
실험예 1에서의 처리 조건에 따른 결과 차이를 보기 위해, 케일의 생체중 및 건물중을 측정하였다. 이하에서 참조할 모든 그래프들에서 각 항목의 세로선은 표준 오차 (n=5)이며 유의성 검정은 아노바(Anova)를 사용하여 p<0.05 를 나타낸다.
도 6a은 7일간 각 조건, 즉, 처리구 1 내지 처리구 6, 및 대조구에 따른 지상부 생체중의 변화를 도시한 그래프이고, 도 6b는 7일간 각 조건, 즉, 처리구 1 내지 처리구 6, 및 대조구에 따른 지상부 건물중의 변화를 도시한 그래프이다.
이하의 각 그래프에 있어서 대조구는 Control 또는 con으로 표시되었으며, 처리구 1은 365nm, 처리구 2는 375nm, 처리구 3은 385nm, 처리구 4는 395nm, 처리구 5는 405nm, 처리구 6은 415nm로 표시되었다.
도 6a를 참조하면, 처리 7일차에 405nm 및 415nm 처리구에서 지상부 생체중이 가장 높았으며, 이를 제외한 나머지 처리구들은 대조구와 유의적 차이가 나타나지 않았다. 이에 따라, 제2 광 처리는 케일 생장에 해를 주지 않거나 생장 증진 효과를 일으키는 것으로 해석된다.
도 6b를 참조하면, 지상부 건물중 역시 지상부 생체중과 비슷한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 처리 7일차에 415nm 처리구에서 지상부 건물중이 가장 높았으며, 처리구의 파장이 증가할수록 지상부 건물중이 증가하는 경향을 보였다. 이에 따라, 제2 광 처리는 케일 생장에 해를 주지 않거나 생장 증진 효과를 일으킴을 알 수 있다.
도 7a 및 7b는 7일차의 지상부와 지하부의 생체중을 측정한 결과 그래프이다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 395nm 내지 415nm 처리구들에서 지상부 생체중이 높게 나타났으며, 이를 제외한 나머지 처리구들은 대조구와 유의 차가 없는 것으로 판단된다. 지하부 생체중의 경우, 385nm 처리구에서 가장 높게 나타났으며, 이를 제외한 나머지 처리구들은 대조구와 유의 차가 없는 것으로 판단된다.
도 8a 및 8b는 7일차의 지상부와 지하부의 건물중을 측정한 결과 그래프이다.
도 8a 및 8b를 참조하면, 395nm 내지 415nm 처리구들에서 대조구 대비 지상부 건물중이 높게 나타났으며, 지하부 건물중의 경우, 385nm 내지 415nm 처리구들에서 높게 나타났다. 이를 제외한 나머지 처리구들은 대조구와 유의 차가 없는 것으로 판단된다.
도 9는 7일차의 각 조건, 즉, 처리구 1 내지 처리구 6, 및 대조구에 따른 케일을 촬영한 사진이다. 도 9를 참조하면, 대조구 대비 처리구들에서 생장이 다소 증진된 것으로 보이나 육안으로 판별 가능한 큰 특징은 없는 것으로 판단된다.
이상의 실험에서, 전반적으로 대조구 대비 처리구들의 생체중 및 건물중이 높게 나타났으며, 건물중의 경우, 생체중 대비 대조군과 처리구 간의 차이가 상대적으로 크게 나타나는 경향을 보였다. 처리군들의 파장이 커질수록 생체중 및 건물중이 높게 나타나는 것으로 확인됨에 따라, 자외선-A 및/또는 청색광/자색광 처리는 케일 생장에 해를 주지 않거나 생장 증진 효과를 가진다고 판단하였다.
실험예 4 : 광 조사 후 엽면적 및 엽수의 변화
도 10a 및 10b는 순서대로 7일차의 엽면적, 엽수를 측정한 결과 그래프이다.
도 10a를 참조하면, 7일차의 엽 면적은 405nm 처리구에서 가장 높은 값을 보였고 365nm 처리구에서 가장 낮은 값을 보였으며, 전반적으로 파장이 증가할수록 엽 면적 값이 증가하는 경향을 보였다. 하지만 대조구와 유의적 차이는 없는 것으로 확인된다.
도 10b를 참조하면, 엽 수에 대해서는 대조구 및 처리구들 전반에서 유사한 값이 측정되었으며, 유의 차가 존재하지 않는 것으로 나타났다.
실험예 5 : 광 조사 후 엽록소 함량의 변화
케일의 정식 후 4주차에 지상부를 수확해 -75℃에서 약 72시간 동안 동결건조를 시킨 후, 분쇄기(Mill)를 이용해 식물체의 지상부를 약 15,000rpm으로 3분 동안 분쇄하여 분석에 이용할 파우더 샘플을 얻었다. 파우더 샘플 중 40mg를 사용하였으며, 4ml 샘플에 80% 아세톤을 넣은 다음 초음파를 사용하여 추출하였다. 그 후 샘플 1ml를 추출하여 분광광도계를 이용하여 약 663.2nm, 약 646.8nm 조건에서 흡광도를 측정하였다.
도 11a는 7일차의 SPAD(Soil Plant Analysis Development) 값을 측정한 결과 그래프이며, 도 11b는 총 엽록소 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 11a에서 세로 항목은 SPAD 값으로서, 잎의　엽록소　측정기(spad chlorophyll meter)인 SPAD-502로 측정한 수치를 의미하며, SPAD 값이 높으면 엽록소 함량이 많은 것으로 해석될 수 있다. 그래프 상에서는 처리구 3 내지 5에서 높은 값을 보였으나, 유의적 차이는 없는 것으로 판단된다.
도 11b를 참조하면, 7일차의 총 엽록소 함량은 대조구가 가장 높은 값을 가졌으며 파장이 증가할 수록 함량이 감소하는 양상을 보였다. 다만, 415nm 처리구만이 대조구와 유의적 차이를 나타내었으며, 나머지 처리구들은 유의 차가 없는 것으로 확인되었다.
실험예 6 : 광 조사 후 광합성률 측정
제2 광 처리 3, 4일째에 광합성 측정기(LI-6400, LI-COR, Lincoln, NE, USA)를 이용하여 광합성률을 측정하였다. 챔버의 환경은 이산화탄소(CO₂)의 농도는 500μmolㆍmol-1, 온도 20°C, 유량 400μmolㆍs-1로 설정하였으며, 동일한 광 세기(PPFD) 150μmolㆍm-2ㆍs-1에서 각 광원 아래 챔버를 놓고 광이 켜진 후 약 3시간 내지 약 6시간 사이에 완전히 펴진 잎을 이용하여 측정하였다. 광이 꺼진 후에도 동일한 조건 하에서 광합성률을 측정하였다.
도 12a는 처리 3, 4일차의 낮 동안 측정된 광합성율을 나타낸 그래프이다.
도 12a를 참조하면, 처리 3, 4일차에 낮 동안 측정된 광합성율은 모두 파장이 증가할수록 증가되는 경향을 보였으며, 405nm 및 415nm의 파장을 갖는 처리구에서 가장 높은 값을 보이는 것으로 나타났다. 3일차의 경우, 405nm 및 415nm의 파장을 갖는 처리구만이 대조군과 유의적 차이를 가졌으며, 4일차에는 모든 처리구에서 대조군과 유의적 차이가 없는 것으로 나타났다.
도 12b는 처리 3, 4일차의 밤 동안 측정된 광합성율을 나타낸 그래프이다.
도 12b를 참조하면, 처리 3, 4일차 밤 시간 동안, 대조군은 광합성을 하지 않는 것에 반하여, 모든 처리구들에서 밤 시간에도 광합성을 하는 것을 확인할 수 있었으며 파장이 증가할수록 광합성률 또한 증가되는 경향을 보였다. 3일차에서는 대조구 대비 395nm 내지 415nm 처리구들에서 유의적 차가 존재하는 것으로 확인되었으며, 4일차의 경우, 365nm 처리구를 제외한 모든 처리구들에서 유의적 차이를 확인할 수 있었다.
이것으로 미루어보아, 낮과 밤 모두에서 제2 광 처리가 케일의 광합성에 해를 주지 않거나 오히려 광합성의 증진 효과를 가지는 것으로 판단하였다. 이는, 앞서 살펴본 실험예 3의 건물중 및 생체중 측정 실험과도 동일한 경향을 나타내는 것으로, 제2 광을 처리함에 따라 광합성율을 높여 생장 증진 효과를 이끌어낸 것으로 해석할 수 있다.
실험예 7 : 광 조사 후 스트레스 지수 분석
1. 이미지 형광(Fv/Fm) 측정
식물에 제2 광을 처리 하였을 때 이러한 처리가 식물체에 스트레스를 주었는지 간접적으로 평가하기 위해서 식물체 전체 잎의 이미지 형광 (Fv/Fm, 최대광양자수율)을 측정하였다. 포화광(Saturation Pulse) 조사를 통하여 Fv/Fm 파라미터를 산출하기 위해서는 반드시 식물체의 암적응(Dark adaptation)이 선행되어야 하므로, 측정 전 케일 개체는 30분 이상 동안 암 조건에 놓이도록 하였다. 이 후 최대 형광값(Fm)과 최소 형광값(Fo)을 측정하였으며, 포화점 이상의 광 펄스와 세기는 20kHz였으며 1,100 μmolㆍm-2ㆍs-1로 설정하였다. 최대광양자수율(Fv/Fm) 값은 방정식 Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm을 이용하여 계산되었다.
도 13은 일주일간 최대광양자수율의 변화를 측정한 결과 그래프이다.
도 13을 참조하면, 모든 처리구들은 최대광양자수율(Fv/Fm) 값이 0.8 이하의 값을 가지는 것으로 나타난 반면, 405nm, 415nm 피크 파장을 갖는 처리구들의 경우, 0.8 이상의 값을 가지는 것으로 나타났으나, 대조구와 유의적 차이를 보이지 않는 것으로 확인되었다.
도 14a 및 14b는 각 조건, 즉, 처리구 1 내지 처리구 6, 및 대조구를 일주일간 측정한 이미지 형광값이다.
도 14a 및 14b를 참조하면, 형광값이 0.8 이상일 경우 식물체가 스트레스를 받지 않았음을 보여주는데, Violet 처리구들과 대조구를 제외한 모든 UV-A 처리구들은 0.8 이하의 값으로 나타났다. 이로써, 처리구의 파장이 짧아질수록 에너지가 커져 식물체가 받는 스트레스 지수가 크다는 것을 확인할 수 있었다.
2. Chl a/b 측정
도 15는 7일 차 엽록소 a/b의 값을 측정한 결과 그래프이다.
도 15를 참조하면, Chl(chlorophyll) a/b 값은 파장이 증가할수록 값이 증가하였다. 클로로필(chlorophyll) a는 광합성에 필요한 광 에너지를 흡수하는 주 색소이다. 또한, 클로로필 b는 광합성에 필요한 광 에너지를 흡수하는 보조 색소이다. 여기에서, 클로로필 b 값은 식물체가 받는 스트레스가 클수록 높은 값을 나타내게 되며, 클로로필 b 값이 커질수록 그래프의 세로 항목인 Chl a/b 값은 작아지게 된다. 이에 따라, 7일차의 처리구의 파장이 커질수록 Chl a/b 값이 커지는 경향을 보이는 바, 클로로필 b 값은 작아져 식물체가 받는 스트레스의 정도가 감소하는 것으로 판단된다. 다만, 대조군을 기준으로 처리구 1 내지 3의 Chl a/b 값이 상대적으로 작은 것으로 나타나 식물체가 받는 스트레스 정도가 대조군 보다 처리구 1 내지 3에서 큰 것으로 해석되나, 처리구 1을 제외하면 유의 차는 존재하지 않는 것으로 판단된다.
3. 과산화수소(H2O2 ) 함량 측정
상기에서 실시한 이미지 형광값 및 Chl a/b 측정 실험의 신뢰도를 확인하기 위해 과산화수소수(H2O2) 함량을 측정하였다. 식물체내의 활성 산소종(Reactive Oxygen Species; ROS) 중 하나인 과산화수소수(H2O2)는, 식물체가 스트레스를 받았는지 여부를 평가할 수 있는 스트레스 지수로 활용될 수 있다. 과산화수소수(H2O2) 함량은 측정기기 EZ-Hydrogen Peroxide/Peroxidase Assay Kit(Oxidative Stress Assay Kit, 두젠바이오)를 사용하여 분석하였다.
도 16은 2, 5일차 과산화수소수 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 16을 참조하면, 과산화수소수(H2O2) 함량은 2, 5일차 모두 대조구와 처리구간에 유의적 차이는 나타나지 않았지만 처리 5일차에서 처리구의 파장이 짧을수록 과산화수소수(H2O2) 함량이 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
앞서 수행한 실험예 7의 결과 그래프와 비교해보았을 때, 최대광양자수율(Fv/Fm) 값이 가장 낮았던, 즉 스트레스를 가장 크게 받았던 365nm 처리구에서 과산화수소수(H2O2) 함량이 가장 높게 나타났으며, Chl a/b 값이 가장 낮게 측정된 것으로 확인되었다. 즉, 처리구의 파장이 짧아질수록 에너지가 커져 식물체가 받는 스트레스 정도가 커지는 것으로 판단된다.
실험예 8 : 광 조사 후 유효 성분 함량 측정
1. 실험 목적
실험예 2에서의 처리 조건에 따른 유효 성분의 생성 결과 차이를 확인하기 위해, 식물체 g당 페놀 함량, 식물체당 페놀 함량, g당 항산화도, 및 식물체당 항산화도를 측정하였다. 여기서, 페놀 함량과 항산화도는 제2 광 처리 시 케일 내 유용한 2차대사산물의 증가 유무를 측정하기 위한 파라미터이다.
2. 실험 방법
정식 후 4주차에 케일의 지상부를 수확해 -75℃에서 약 72시간 동안 동결건조시킨 후, 분쇄기 Mill를 이용해 식물체의 지상부를 약 15,000rpm으로 3분 동안 분쇄하여 분석에 이용할 파우더 샘플을 얻었다. 파우더 샘플 중 40mg를 사용하였으며, 80% 아세톤을 첨가하여 용액을 추출하였다.
(1) 총 페놀함량 측정
추출한 용액을 4°C에 12시간 동안 보관한 후에 3,000Xg에서 2분간 원심분리 한 상층액을 분석에 사용하였으며, 단위는 GAE mg/g DW 이다. 분석 시료들과 반응시킨 후 1ml의 시료를 추출하여 약 765nm에서 분광광도계로 측정하였다. 스탠다드로서 갈산(gallic acid)이 사용되었다.
(2) 항산화도 측정
추출한 용액을 -20°C에서 12시간 동안 보관 후 원심분리한 상층액에 80% 아세톤을 첨가하여 약 10배 희석하였다. 이후 항산화도 측정용액(2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid); ABTS)과 인산완충식염수(Phosphate Buffered Saline; PBS) 5mM을 섞어 흡광도 0.7±0.05로 맞춰주었다. 측정 전, 0.7±0.05 흡광도를 기록하고 상층액 100μL을 넣고 볼텍싱(vortexing) 한 후, 1분 후에 흡광도를 다시 측정하여 기록한다. 흡광도는 730nm에서 측정하였다.
3. 실험 결과
도 17a는 식물체 건물중 g당 페놀 함량을 측정한 결과 그래프이고, 도 17b는 식물체당 페놀 함량을 측정한 결과 그래프이다.
도 17a 및 17b를 참조하면, g당 총 페놀 함량은 모든 처리구가 대조구와 유의적 차이를 나타내지 않은 것으로 확인되었다. 다만, 식물체당 총 페놀 함량의 경우, 처리 4일차부터 처리구의 파장이 증가할수록 총 페놀 함량이 증가되며, 처리 7일차에는 385nm 내지 415nm 처리구들에서 대조구와 유의적 차이를 나타내며 증가한 것으로 확인되었다.
도 18a는 식물체 건물중 g당 항산화도를 측정한 결과 그래프이고, 도 18b는 식물체당 항산화도를 측정한 결과 그래프이다.
도 18a 및 18b를 참조하면, 식물체 건물중 단위 g당 항산화도의 경우 처리 5, 6일차에 파장이 짧을수록 항산화도가 높은 것을 확인할 수 있었다. 식물체 전체당 항산화도의 경우, 총 페놀 함량과 유사한 경향성을 나타내었다. 처리 4일차부터 파장이 증가할수록 항산화도가 증가하는 양상을 보였으며, 처리 7일차에는 385nm 내지 415nm 처리구들이 대조구와 유의적 차이를 나타내며 증가한 것으로 확인되었다.
이로써, 대조구 대비 제2 광을 처리한 처리구들의 유효성분 생산이 증진되며, 특히, 처리구의 파장이 증가할수록 유효성분의 생성량이 증진되는 것을 알 수 있다. 나아가, 본 실시예에 있어서, g당 페놀 함량 및 항산화도와 식물체당 페놀 함량 및 항산화도가 서로 다른 점을 고려하면, 개체의 크기가 작아도 단위 g당 유효 성분의 생산량이 더 높을 수 있다. 즉, 좁은 면적에서 더 많은 개체를 수확할 수 있기 때문에, 개체의 크기가 작은 식물에 유효 성분의 함량이 높은 경우에는 유효 성분을 수득하기가 개체의 크기가 큰 경우보다 용이한 것으로 판단된다.
실험예 9 : 페닐알라닌 암모니아 분해효소 활성 분석
제2 광 처리에 따라 식물체 내에서 유효 물질이 실제적으로 이루어졌는지 보다 직접적으로 확인해보기 위해 페닐알라닌 암모니아 분해효소(Phenylalanine ammonia-lyase; PAL) 활성도를 측정하였다.
기능성 물질의 생산이 식물체의 아래로부터 세 번째 잎을 처리 후 2,5일차에 각각 0.5g씩 채취하였다. 잎을 분쇄한 후, 25mM, pH 8.8의 붕산염 완충액(borate buffer) 10mL와 3mM의 ß머캡토에탄올(ß-mercaptoethanol) 2mL를 분쇄한 가루에 넣어 혼합하였다. 1.5 mL의 그 용액을 추출하고, 900×g로 20분 간 원심분리한 용액의 상층액 0.5mL를 40℃의 온도에서 2시간 동안 10mM, pH 8.8의 붕산염 완충용액(borate buffer) 2.5mL와 10mM의 1-페닐알라닌(1-phenylalanine)에 혼합해 주었다. 5N HCl 100μL를 넣어 그 반응을 종결시킨 후, 분광광도계를 이용하여 290nm에서 흡광도를 측정하였다.
도 19는 2, 5일차 페닐알라닌 암모니아 분해효소 활성도를 측정한 결과 그래프이다.
도 19를 참조하면, 페닐알라닌 암모니아 분해효소(Phenylalanine ammonia-lyase; PAL) 활성은 2, 5일차 모두 처리구와 대조구 간에 유의적 차이는 나타나지 않았지만, 처리구의 파장이 증가할수록 활성이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 실험예 8의 식물체 건물중당 총 페놀 함량의 그래프와 비교했을 때 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다.
평가
이상에서, 케일 재배 시 대조구 대비 제2 광을 처리함에 따라, 스트레스가 유발되었으나 생장 저해를 일으키지 않았으며, 오히려 생장이 제2 광을 처리하지 않은 대조구와 유사한 정도를 보이거나 생장이 더욱 증진되는 효과가 있었다.
또한, 처리구의 파장이 높을수록 식물체의 생장 및 2차대사산물(총 페놀 함량, 항산화도)의 생성 증진 효과가 커지는 것을 알 수 있었다. 특히, 365nm 내지 395nm의 파장을 가지는 제2 광을 조사한 케일 대비 405nm, 415nm의 파장을 가지는 제2 광을 조사한 케일들에서 그 효과가 더 뚜렷함을 확인하였으며, 생장, 2차대사산물 증진 모두에서 효과가 좋은 것으로 나타났다.
이를 통해 파장 영역 400nm을 넘어서 405nm, 415nm의 파장을 갖는 제2 광은 작물의 생장을 증대시키고 스트레스를 주지 않으면서도 2차대사산물의 생성을 증진시킬 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다.
<본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 활용>
본 발명의 일 실시예에 따른 광원은 식물 재배용으로 사용될 수 있는 바, 광원이 설치된 식물 공장, 식물 재배 장치, 온실 등에 적용될 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 재배 장치를 개념적으로 도시한 재배 장치이다.
도 20에 도시된 재배 장치는 일 예로서 소형 재배 장치를 도시한 것으로서, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 재배 장치는 대규모 식물 공장에도 사용될 수 있으나, 본 실시예에서는 일 예로 소형 재배 장치를 설명한다.
도 20을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재배 장치(100)는 식물을 기를 수 있는 내부 공간을 갖는 하우징(60), 상기 하우징(60) 내에 제공되며 광을 출사하는 광원(30)을 포함한다.
하우징(60)는 내부에 식물이 제공되어 자라날 수 있는 빈 공간을 그 내부에 제공한다. 하우징(60)는 외부의 광을 막을 수 있는 박스 형태로 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 하우징(60)는 상부 방향으로 개구된 하부 케이스(61)와, 하부 방향으로 개구된 상부 케이스(63)를 포함할 수 있다. 하부 케이스(61)와 상부 케이스(63)는 외부 광을 막는 박스 형태가 되도록 체결될 수 있다.
하부 케이스(61)는 바닥부와 바닥부로부터 상향 연장된 측벽부를 포함한다. 상부 케이스(63)는 커버부와 커버부로부터 하향 연장된 측벽부를 포함한다. 하부 케이스(61)와 상부 케이스(63)의 측벽부들은 서로 맞물려 체결되는 구조를 가질 수 있다. 하부 케이스(61)와 상부 케이스(63)는 사용자의 의도에 따라 체결하거나 분리할 수 있으며, 이에 따라, 사용자가 하우징(60)를 열거나 닫을 수 있다.
하우징(60)는 다양한 형상으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 대략적으로 직육면체 형상을 가질 수 있으며, 또는 원통 형상을 가질 수 있다. 그러나, 하우징(60)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 이와 다른 형상으로 제공될 수도 있다.
하우징(60)는 내부에 제공된 식물이 생장할 수 있는 환경을 제공한다. 하우징(60)에는 복수 개의 식물이 제공되어 생장하는 경우에도 이를 수용할 수 있는 크기로 제공될 수 있다. 아울러, 하우징(60)의 크기는 식물 재배 장치(100)의 용도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 식물 재배 장치(100)가 가정에서 사용하는 소규모 식물 재배에 이용되는 경우 하우징(60)의 크기는 상대적으로 작을 수 있다. 식물 재배 장치(100)가 상업적으로 식물을 재배하고 판매하는데 사용되는 경우 하우징(60)의 크기는 상대적으로 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 하우징(60)는 하우징(60) 밖의 광이 하우징(60) 내부로 유입되지 않도록 광을 차단할 수 있다. 따라서, 하우징(60) 내부는 외부와 격리된 암실 환경이 제공될 수 있다. 이에 따라, 외부의 광이 불필요하게 하우징(60) 내부에 제공된 식물에 조사되는 것을 막을 수 있다. 특히, 하우징(60)는 외부의 가시광선이 식물에 조사되는 것을 막을 수 있다. 다만, 경우에 따라서는 하우징(60)는 일부가 오픈되어 외부의 광을 그대로 받을 수 있도록 설계될 수도 있다.
본 실시예에 있어서, 하우징(60) 내의 공간은 하나로 제공될 수 있다. 그러나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 복수 개의 구역으로 분리될 수 있다. 즉, 하우징(60) 내에는 하우징(60) 내 공간을 다수 개로 나누는 격벽들이 제공될 수 있다.
광원은 하우징(60) 내 공간에 식물에 광을 제공한다. 광원은 상부 케이스(63)나 하부 케이스(61)의 내면 상에 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 광원은 상부 케이스(63)의 커버부 상에 제공될 수 있다. 본 실시예에서는 일 예로서, 상부 케이스(63)의 커버부 내면 상에 광원이 제공된 것을 도시하였는 바, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 광원은 상부 케이스(63)의 측벽부 상에 제공될 수 있다. 또는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 광원은 하부 케이스(61)의 측벽부에 제공될 수 있으며, 예를 들어, 측벽부 상단에 제공될 수도 있다. 또는 본발명의 또 다른 실시예에 있어서, 광원은 상부 케이스(63)의 커버부, 상부 케이스(63)의 측벽부, 하부 케이스(61)의 측벽부 중 적어도 한 곳에 제공될 수도 있다.
하우징(60) 내의 공간에는 식물이 재배되기 용이하도록, 예를 들어, 수경 재배가 용이하도록 재배대(70)가 제공될 수 있다. 재배대(70)는 하우징(60)의 바닥부로부터 상부 방향으로 이격되어 배치된 판상의 플레이트(71)로 이루어질 수 있다. 플레이트(71)에는 일정 크기의 관통공(73)이 제공될 수 있다. 재배대(70)는 플레이트(71)의 상면에 식물이 놓여 자라날 수 있도록 하기 위한 것으로서, 그 물을 공급하였을 때 공급된 물이 배수될 수 있도록 복수 개의 관통공(73) 가질 수 있다. 관통공(73)은 식물이 하부로 쓸려가지 않도록 하는 크기로 제공될 수 있다. 예를 들어, 관통공(73)의 직경은 식물보다 작은 크기를 가질 수 있다. 재배대(70)와 하부 케이스(61)의 바닥부 사이의 공간은 배수된 물이 저장되는 수조로서 기능할 수 있다. 이에 따라, 재배대(70)의 관통공(73)을 통해 하부로 배수된 물은 하부 케이스(61) 바닥부와 재배대(70) 사이의 공간에 저장될 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 십자화과 식물은 수경재배 이외의 방법으로도 재배될 수 있으며, 이 경우, 하우징(60) 내 공간은 십자화과 식물에 필요한 수분 및/또는 양분이 공급될 수 있도록 물, 배지, 흙 등이 제공될 있으며, 이때, 하우징(60)는 컨테이너로서 기능할 수 있다. 배지나 흙 등에는 식물이 자랄 수 있는 양분, 예를 들어, 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 철(Fe) 등을 포함할 수 있다. 식물은 그 종류에 따라 배지 속에 묻힌 형태로 제공되거나, 배지 표면 상에 놓인 형태로 제공될 수 있다.
재배대(70)의 크기와 형태는 하우징(60)의 형태 및 제1 광원과 제2 광원의 제공 형태에 따라 달라질 수 있다. 재배대(70)의 크기와 형태는 재배대(70) 상에 제공된 식물이 제1 광원 및 제2 광원으로부터 조사되는 광의 조사 범위 내에 들어오도록 구성될 수 있다.
하우징(60) 내에는 식물에 수분을 공급하는 수분 공급 장치가 제공될 수 있다. 수분 공급 장치는 하우징(60) 상단, 예를 들어, 상부 케이스(63)의 커버부 내면 상에 제공되어 하우징(60) 재배대(70) 상에 물을 분사하는 형태로 구성될 수 있다. 다만, 수분 공급 장치의 형태가 상술한 것에 제한되는 것은 아니고, 하우징(60)의 형상 및 재배대(70)의 배치 형태에 따라 달라질 수 있다. 또한, 별도의 수분 공급 장치 없이 사용자가 직접 하우징(60) 내에 수분을 공급할 수도 있다.
수분 공급 장치는 한 개 또는 복수 개 제공될 수 있다. 수분 공급 장치의 개수는 하우징의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 작은 크기의 가정용 식물 재배 장치의 경우, 하우징의 크기가 작기 때문에 수분 공급 장치가 하나 제공될 수 있다. 반대로, 상대적으로 크기가 큰 상업용 식물 재배 장치의 경우, 하우징의 크기가 크기 때문에 수분 공급 장치가 여러 개 제공될 수 있다. 그러나, 수분 공급 장치의 개수는 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 개수로 다양한 위치에 제공될 수 있다.
수분 공급 장치는 하우징(60)에 제공된 수조 또는 하우징(60) 외부의 수전에 연결될 수 있다. 아울러, 수분 공급 장치는 물 속에 부유하는 오염 물질이 식물에 제공되지 않도록 여과 장치를 더 포함할 수 있다. 여과 장치는 활성탄, 부직포 등의 필터를 포함할 수 있으며, 이에 따라 여과 장치를 거친 물은 정수된 것일 수 있다. 여과 장치는 경우에 따라 광조사 필터를 더 포함할 수 있는데 광조사 필터는 자외선 등을 물에 조사하여, 물 속에 존재하는 세균, 박테리아, 곰팡이 포자 등을 제거할 수 있다. 수분 공급 장치가 상술한 여과 장치들을 포함함으로써, 물을 재활용하거나 빗물 등을 바로 재배에 사용하는 경우에도 하우징(60) 내부 및 식물이 오염될 우려가 없다.
수분 공급 장치에서 제공되는 물은 별도의 양분이 없이 물 자체(예를 들어 정제수)로만 제공될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 식물의 생장에 필요한 양분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 물에는 포타슘(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 철(Fe) 등의 물질이나 나이트레이트(Nitrate), 포스페이트(Phosphate), 설페이트(Sulfate), 클로라이드(Cl) 등이 함유될 수 있다. 예를 들어 삭스(Sachs)액, 크놉(Knop)액, 호글랜드((Hoagland)액, 휴위트(Hewitt)액 등이 수분 공급 장치로부터 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 광원을 이용하여 식물을 재배할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 식물의 재배 방법은 식물을 발아시키는 단계와, 발아된 식물에 적어도 하나 이상의 광을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 식물에 광을 조사하는 광원을 이용하여 식물을 재배하는 식물 재배 방법 있어서, 식물 재배용 광원은, 광합성을 위한 제1 광을 출사하는 제1 광원; 및 청색광, 자색광 또는 자외선 A로 이루어진 제2 광을 출사하는 제2 광원을 포함하며, 제2 광은 약 360nm 내지 약 420nm의 파장 대역 내에 피크를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광원 및 제2 광원의 광주기는 명주기와 암주기의 순서로 이루어지고, 제1 광은 명주기 동안 출사되며, 제2 광은 식물의 정식 2주 후 1주간 명주기와 암주기에 연속 출사된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 식물에 제1 광 및 제2 광을 조사함으로써 식물의 유효 성분의 함량을 조절한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (20)

  1. 식물에 광을 조사하는 식물 재배용 광원에 있어서,
    상기 식물의 광합성을 위한 제1 광을 출사하며 가시광선 대역에서 적어도 하나의 피크를 가지는 제1 광원; 및
    상기 식물 내의 유효 성분을 조절하는 제2 광을 출사하며 상기 제1 광원과 다른 파장 대역에서 피크를 가지는 제2 광원을 포함하며,
    상기 제2 광원은
    제1 도전형 도펀트가 도핑된 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상에 제공되며 상기 제1 도전형 도펀트와 다른 제2 도전형 도펀트가 도핑된 제2 반도체층; 및
    상기 제1 및 제2 반도체층들 사이에 제공된 활성층을 포함하며,
    상기 제2 광은 약 360nm 내지 약 420nm의 파장 대역 내에 피크를 가지는 식물 재배용 광원.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광은 자외선, 자색광, 또는 청색광인 식물 재배용 광원.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 광은 약 400nm 내지 약 420nm의 파장 대역 내에서 피크를 가지는 식물 재배용 광원.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광은 약 380nm 내지 약 780nm의 파장 대역 내에서 적어도 2개 이상의 피크를 갖는 식물 재배용 광원.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 광은 PAR (Photosynthetic Active Radiation)에 해당하는 식물 재배용 광원.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 광원은 가시광선 파장 대역에서 태양광 유사 스펙트럼을 갖는 광원인 식물 재배용 광원.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 광은 약 420nm 내지 약 500nm 파장 대역에서 하나의 피크를 가지며, 약 600nm 내지 약 700nm 에서 다른 하나의 피크를 갖는 식물 재배용 광원.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 독립적으로 구동되어 턴 온 또는 턴 오프되는 식물 재배용 광원.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 광원은,
    제1 도전형 도펀트가 도핑된 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상에 제공되며 상기 제1 도전형 도펀트와 다른 제2 도전형 도펀트가 도핑된 제2 반도체층; 및
    상기 제1 및 제2 반도체층들 사이에 제공된 활성층을 포함하는 식물 재배용 광원.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광원은 명주기와 암주기로 이루어진 광 주기에 따라 턴 온 또는 턴오프되는 식물 재배용 광원.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 광은 상기 명주기와 상기 암주기와 적어도 일부가 중첩하는 시간 동안 조사되는 식물 재배용 광원.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 광은 연속 조사되는 식물 재배용 광원.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 유효 성분은 페놀 및 항산화 물질 중 적어도 하나 이상을 포함하는 식물 재배용 광원.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 식물은 십자화과 식물인 식물 재배용 광원.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 십자화과 식물은 케일, 브로콜리, 배추, 양배추, 냉이, 청경채, 유채, 무, 및 겨자 중 적어도 하나인 식물 재배용 광원.
  16. 식물에 광을 조사하는 식물 재배용 광원을 이용하여 식물을 재배하는 식물 재배 방법 있어서,
    상기 식물 재배용 광원은,
    상기 식물의 광합성을 위한 제1 광을 출사하며 가시광선 대역에서 적어도 하나의 피크를 가지는 제1 광원; 및
    상기 식물 내의 유효 성분을 조절하는 제2 광을 출사하며 상기 제1 광원과 다른 파장 대역에서 피크를 가지는 제2 광원을 포함하며,
    상기 제2 광은 약 360nm 내지 약 420nm의 파장 대역 내에 피크를 가지며,
    상기 식물에 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 조사함으로써 상기 식물의 유효 성분의 함량을 조절하는 식물 재배 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제2 광은 약 400nm 내지 약 420nm의 파장 대역 내에서 피크를 가지는 식물 재배 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 광은 약 380nm 내지 약 780nm의 파장 대역 내에서 적어도 2개 이상의 피크를 가지며, PAR (Photosynthetic Active Radiation)에 해당하는 식물 재배 방법.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 광원은 명주기와 암주기로 이루어진 광 주기에 따라 턴 온 또는 턴오프되는 식물 재배 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제2 광은 상기 제1 광원의 상기 명주기와 상기 암주기와 적어도 일부가 중첩하는 시간 동안 조사되는 식물 재배 방법.
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