미래 산업형 식물공장과 LED 기술(6)

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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6. 빛의 세기

 

빛에는 색깔별 분류(스펙트럼)도 있지만 그 세기에도 강하고 약함이 있다. 사람의 눈으로 봐서 빛이 강하다, 또는 약하다는 걸 말할 때는 그 단위로 lx(룩스)라는 걸 쓴다.
예를 들어 적도지역에서의 여름철 한낮 바로 내리쬐는 햇빛의 강도는 50,000 ~130,000Lx가 된다.

 

아래는 lx로 표시한 밝기의 예이다.

조건…………………………………………………………………  lx
한낮…………………………………………………………………  10,000~25,000
인공조명(TV 스튜디오) …………………………………………  1,000
맑은 날의 해돋이, 일몰…………………………………………  400
권장 오피스 실내조명……………………………………………  320
매우 어두운 낮……………………………………………………  100
복도, 화장실  ……………………………………………………  80
권장 거실 밝기……………………………………………………  50
맑은 날의 밝은 보름달 …………………………………………  0.2~1
초승달………………………………………………………………  0.01
달 없는 맑은 밤하늘 ……………………………………………  0.002
가장 밝은 별………………………………………………………  0.00001

 

이런 예로 보아, 사람의 눈은 한 낮의 밝은 햇빛에서 별빛까지를 볼 수 있는, 즉 가장 어두운 빛에서부터 그 빛의 10억배 밝기도 볼 수 있는 아주 광범위한 가시능력을 가지고 있는 셈이다.
참고로 말한다면, 60W 백열등을 1m 밖에서 보았을 때의 밝기가 대략 60lx가 되고, 이렇듯 lx를 쓰는 빛의 밝기를 조도(Illuminance, Photometric)라고 한다. 그러나 사람의 시각에 의존하는 빛의 밝기는 빛 그 자체가 가지고 있는 빛에너지와는 별로 관계가 없다.
사람은 같은 양의 에너지를 가진 세기의 빛을 보았을 때 초록색(555㎚ 파장대)을 가장 강하게 느끼고, 적색, 청색으로 편향될수록 빛이 약한 걸로 느끼게 된다. 그런데 식물은 빛의 세기를 사람과는 다르게, 빛에 포함된 광양자의 양에 의해 강약으로 받아들인다.
여기서, 식물이 빛의 세기에 반응한다는 뜻은, 빛을 받아들여 얼마만큼 광합성을 하는가에 기준을 둔다는 뜻이다.
식물은 빛에 포함된 광양자 하나를 받아들여 하나의 광합성을 하기 때문인데, 이런 식의 빛의 강도를 나타내는 방법으로는 ‘광합성,광양자속 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density)’ 라는 말을 쓰고, 그 단위로는 molm-2s-1을 써 나타낸다.
그리고 이때의 molm-2s-1 단위는 너무 커서 마이크로 몰(μmolm-2s-1)을 쓰고, molm-2s-1이라고 표기해 ‘마이크로몰 퍼 스퀘어미터 퍼 세컨드’라고 읽는다. 이 말은 1㎡의 면적에 1초 동안 내리는 광양자의 양이 얼마가 된다는 뜻이다.
그럼 μmolm-2s-1은 사람이 느끼는 빛의 강도 lx와 어떤 관계가 있는 걸까. μmolm-2s-1은 빛의 파장대와 광원에 따라 다른데 lx 와의 비교는 아래와 같다.

 

1μmolm-2s-1당 lx와의 관계

광원……………………………………………………  lx
태양광…………………………………………………  54
백열등…………………………………………………  50
형광등…………………………………………………  74
메탈 할라이드 등……………………………………  71
고압 나트륨 등………………………………………  82
적색 LED(660nm) …………………………………  9.94
청색 LED(450nm) …………………………………  11.9
백색 LED(Warm white) ……………………………  68.2
녹색(530nm)  ………………………………………  101

 

위의 환산치에서와 같이, μmolm-2s-1은 광원과 빛의 색깔에 따라 다르다.
이에 따라, 형광등으로 10,000lx의 빛을 식물에 쪼여 준다는 말은 135μmolm-2s-1의  빛을 비춰준다는 뜻이고, 비록 lx로 쳐서는 어두울지라도 이를 μmolm-2s-1로 환산하는데 가장 유리한 빛은 적색 LED(660㎚)라는 걸 알 수 있다.
그러면 식물은 대개 어느 정도의 빛의 세기(μmolm-2s-1)에서 성장하는 걸까? KAST의 재배시험에 의하면 식물(엽채류, 상추, 쑥갓, 청경채, 적겨자, 케일 등)은 대략 30μmolm-2s-1에서 150μmolm-2s-1 사이에서 무난히 성장한다는 시험결과를 얻었다.
물론 이보다 더 센 빛에서는 더 잘 자라겠으나, 그렇게 되면 그 빛을 만들어내는데 드는 전기료에 비해 그만한 효과를 얻지 못한다는 뜻이다. 즉 엽채류의 빛의 세기에 대한 최소 필요량은 30μmolm-2s-1 부근이고, 최대 포화점(더 이상은 경제적으로 불리한 점)은 대략 150μmolm-2s-1이라는 뜻이다.

 

 

(주)카스트친환경농업기술 www.sunnyfield.co.kr

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 미래 산업형 식물공장과 LED 기술(6)