미래 산업형 식물공장과 LED 기술(5)

미래 산업형 식물공장과 LED 기술

 

 

<편집자 주>
북부 유럽의 일부 국가에서 부족한 일조량을 보충하기 위하여 시작된 식물공장은 통제된 시설 내 빛, 공기, 열, 양분 등 생물의 생육환경을 인공적으로 제어해 공산품처럼 계획 생산이 가능한 농업 형태로, 이미 일본과 유럽, 미국 등 선진국에서는 연구가 활발하다. 이러한 식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있는 점 이외에도 이산화탄소 발생량을 30% 정도 줄일 수 있는 장점이 있고, 농업용 로봇, LED 등 인공광, 생산 자동화 시스템 등 농업 기술을 IT, BT, RT 분야와 연계하여 농업, 공업 나아가 서비스업 등의 협력까지 도모할 수 있는 신성장 산업의 동력이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

 

----- 목차 -----
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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5. 빛의 스펙트럼

 

빛에는 여러 가지 색이 있다. 그리고 우리가 잘 알고 있듯 흰 빛에는 여러 가지 색의 빛이 섞여 있다. 예를 들어 빨간색, 파란색, 초록색, 노란색을 섞어 놓으면 우리의 눈에는 흰색으로 보인다. 그러나 빛의 색은 원래 각기 분리되어 있는 것이고, 각각의 빛깔의 색은 각기 다른 일을 한다. 즉 붉은색이거나 적외선(Infra Red)은 열작용을 하고, 파란색 빛이나 자외선(Ultra Violet)은 화학적 작용을 주로 한다.
그리고 대부분의 식물은 초록색 빛을 싫어해서 반사해 버린다. 즉 식물의 성장에는 초록색이 아무런 도움이 안 되므로 반사해 버리게 되는데, 그래서 식물은 초록색으로 보이게 된다.
그러나 엄밀한 의미에서는 초록색도 식물의 성장에 특이한 영향을 준다. (사진5)는 햇빛의 스펙트럼으로 햇빛은 흰 색으로 보이나, 사진에서와 같이 자외선(왼쪽의 파란색 쪽으로 400㎚(빛의 파장의 길이를 나타냄. 400㎚란 그 빛의 파장이 10억분지 400m라는 뜻)을 벗어나 더 짧은 쪽의 빛을 자외선이라고 하는데, 햇빛에는 그림과 같이 자외선에서부터, 오른쪽으로 빛의 파장이 700㎚를 넘는 적외선까지를 두루 포함하고 있다.
그 중에서도 파장이 400㎚보다 크고, 700㎚보다는 짧은 가운데 영역을 가시광선이라고 하며, 그 속에 적색부터 보라색까지가 포함되어 있고, 460~480㎚대의 빛(진초록)부근에 가장 강한 피크를 이루고 있음을 알 수 있다.

 

(사진5)는 2010년 4월 6일, 오후 4시경 경북 구미지역, 흐린 날 햇빛이 반쯤 드는 곳에서 수집한 햇빛 스펙트럼으로, 햇빛은 이렇듯 넓은 주파수대의 빛과 복잡한 분포를 가지고 있다.

 

(사진6)은 백열등에서 발산되는 빛의 스펙트럼이다. 이 빛은 60W 백열전등을 켜 놓은 후약 1m  밖에서 잡은 빛 스펙트럼이다. 그래프에서와 같이 730㎚ 파장대(근적외선)의 빛이 가장 세고, 가시광선대에서는 빛의 파장이 짧을수록(파란색으로 갈수록) 그 세기가 약해지는 것을 볼 수 있다. 그러나 백열등에서도 그래프의 왼쪽 끝에서와 같이 미약하나마 자외선도 방출되고 있음을 알 수 있다.

 

즉 (사진7)에서 보듯 형광등에서 발산되는 빛 파장에는, 초록색, 노란색 등과 같이, 식물에서는 탄소동화작용에 필요하지 않는 색이 섞여 있다는 뜻이 된다.
이렇듯 식물은 태양에서, 또는 형광등이나 백열등에서 비치는 모든 빛을 푸짐하게 식탁에 차려 주어도 광합성에는 자신이 선호하는 빛깔만 골라 섭취한다.
LED는 이런 점에서, 식물이 좋아하는 빛을 쉽게 조합해 낼 수 있어 식물재배에 필요한 빛을 만들어 내는데 가장 유리하고 이 점이 다른 어떤 광원보다 좋은 이점이 된다.

 

(사진7)은 형광등에서 방사되고 있는 빛의 스펙트럼이다. 이른바 3파장 형광등이란 말과 같이, 3가지 빛의 피크(440㎚대의 파란색과 550㎚대의 초록색, 620㎚대의 적색)가 있고 전체적으로는 파장대별로 매우 불규칙한 세기의 빛스펙트럼을 포함하고 있다.

그러나 형광등에서 발생되는 빛에는 식물의 광합성에 이용되지 않는, 480㎚ 파장에서  620㎚ 파장대 사이의 빛이 대략 55% 쯤이 포함되어 있어 식물을 키우는 데 있어서는 이만큼 빛에너지의 손실이 발생한다. 이 시험은 식물의 잎에서 반사(Reflect)되는 빛스펙트럼과, 투과(Penetrate)되는 빛스펙트럼을 겹쳐보아 얻은 결과이다.
식물은 위의 4가지 빛, 태양광, 백열등, 형광등, LED 빛 중 어느 것 아래서도 빛의 세기만 어느 정도 이상이 되면 성장을 한다. 물론 적색광만으로도 식물은 자라고, 청색광만으로도 식물이 성장할 수는 있다.
그러나 어떤 빛이 식물의 성장에 가장 효율적인가 하는 점은, 태양광이 아닌 인공광으로 식물을 재배하고자 할 때는 아주 중요한 문제가 된다. 태양광은 너무 세어 비록 비효율적으로 낭비가 되더라도 식물이 성장을 잘 하나, 인공광을 만들어야 하는 입장에서는 그 효율이 바로 생산비가 되기 때문이다.

 

(사진 8)은 식물이 가장 잘 성장하는 것으로 알려진 빛의 스펙트럼이다. 식물은 660㎚ 파장대의 적색과 450㎚ 파장대의 청색에서 가장 잘 자란다고 알려져 있다. 이것은 식물재배에서는 이미 잘 알려져 있는 정설이다.

그뿐만 아니라, 어떤 연구에서는 적색 대 청색의 비율(빛의 세기)이 5:1일 때, 10:1일 때, 또는 88% 대 12%의 비율로 섞여 있을 때, 또는 20:1로 혼합했을 때 식물이 가장 잘 자란다는 연구 결과도 많이 발표되어 있다.

 

(사진8)에서의 그래프는 1W짜리 660㎚ 파장대의 적색 LED 4개와 450㎚ 파장대의 청색 LED 1개를 섞어 점등시켜 얻은 스펙트럼이다.

그래프에서는 적색 빛의 세기가 10일 때 청색이 3으로, 그 빛의 세기가 적색대 청색 10: 3으로 섞여있는 셈인데, 여기서 청색의 비율은 이 정도에서 부터 5:1, 또는 청색을 조금 더 낮춰 적색대 청색의 비율을 8:1 정도로 혼합해 주는 것이 가장 좋은 결과를 가져왔다.
이 그래프에서는 660㎚ 대의 적색과 450㎚ 대의 청색 빛 외에는 다른 아무 색도 포함되어 있지 않아 말 그대로 2가지 색 만의 순수색혼합이 되어있는 셈이다. 그러나 실제로는, KAST의 시험에서는 꼭 이 두 가지 색깔의 빛만으로는 식물이 그리 만족스럽게 성장하지는 않는다는 결론을 얻었다. 왠가 겉자라고, 빛깔이 강하지 않으며 힘이 없어 보이는 게 대부분이었다. 물론 빛의 세기만 강하면 이런 빛의 색깔별 분포는 어느 정도 보상이 되긴 하겠다.

 

(사진9)는 KAST가 여러 번의 시험을 거쳐 얻은, 가장 이상적인 식물성장을 위한 빛스펙트럼이다. 물론 이 스펙트럼은 엽채류의 식물을 키우는 목적에서만은 확실히 이상적이라고 말할 수 있을 만큼 많은 시험을 거쳐 얻은 스펙트럼이기 때문이다. 여기에는 적색과 청색 외에 백색, 주황색 빛을 섞어 얻은 것이다. 즉 적색과 청색이 주를 이루는 스펙트럼 중에도 주황색, 황색, 녹색이 조금이나마 포함되어 있고, 청색의 분포도도 덜 날카롭다.

식물은 어찌됐건 30억년쯤 태양광 아래 성장해 오고 발달해 왔다고 한다면, 인공광 역시 태양광에서의 특성은 그대로 지니고 있어야 할 것이라는 추정에서 이런 결론을 얻는다.

 

(사진 10)은 빛의 혼합에 다시 초록색 LED(530㎚ 파장대)를 조금 섞은 빛의 스펙트럼이다. 그래프의 530㎚ 파장대에 작은 피크가 있는 것이 보인다.

식물은 원래 초록색을 싫어해서 반사하므로 초록색으로 보이는 것이 사실이나, 이 그래프에서처럼 초록색 빛을 약간 섞은 빛에서 어떤 식물은 더 잘 자라기도 한다. 이렇듯 식물의 성장은 빛에 아주 민감하고 어떤 일률적인 추리를 거부한 채 제멋대로 자라기도 한다. 식물의 이런 조그만 변화나 민감성에 대한 모든 부분의 연구가 앞으로의 과제이기도 하다.

 (주)카스트친환경농업기술 www.sunnyfield.co.kr

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 미래 산업형 식물공장과 LED 기술(5)