식물공장과 LED 조명 -2-

4, LED에서 방사되는 빛의 특성.

위에서와 같은 이유로 식물공장에서는 LED를 광원으로 쓸 수밖에 없다.,

 

이는 LED의 효율대비 가격 인하 추이 때문에 앞으로는 더욱 LED에 의존해야 한다.

그럼 어떻게 하면 LED를 가장 효율적으로 쓸 수 있는 걸까?

그러기 위해서는 아래의 법칙을 알고 이에 따라야 한다.

 

법칙 1: 1개의 LED 에서 방출되는 전체 빛의 양(μmolm^-2s^-1 로 표시해도 좋다)은 일정하다.

즉 각자의 1개의 LED 에서 방출되는 빛의 양은 입력전류에 비례할 뿐 누가 어떻게 사용

해도 동일하다는 이야기다.

 

그 상관관계를 (그림1)에 보인다.

아래는 국내 S 사의 1W 급 청색 LED(450nm)에 흐르는 전류를 가변해서 얻은 밝기와의

비교 그래프이다.

 

그림에서와 같이, LED 에서 방출되는 광량은 전류 포화점(메이커가 지정하는 최대 사용전류점)

까지는, 또는 그 이상 어느 한계까지는 전류의 변화에 거의 비례한다.

 

이 말은, 같은 LED라도, 전류를 많이 흘려 사용하면 그만큼 방출 광량이 많아진다는 뜻으로,

LED는 같은 값이면 많은 전류를 흘려 사용하는 것이 좋다는 뜻이다.

 

물론 전류가 증가하면 LED 에서 발생되는 열도 증가하므로, 이에 대한 대비는 따로 해야

한다. LED 는 고온에서 사용하면 수명이 급격히 줄 수도 있기 때문이다.

 

즉 LED는 방열(Heat sink) 기능만 잘 갖추면 더 많은 광량을 내도록 사용할 수 있다.

 

아래 (그림1) 의 설명. 대부분의 LED 는 최대 정격전류점이거나, 그보다는 조금 더

많은 전류에서도 광량이 비례하고 있음을 보인다.

 

청색선=전류의 증가량 표시

적색선=광량의 증가곡선

 

법칙 2: 광량은 어떤 경우에도 (산술적으로) 더해진다. 광원이 여러 개가 되면 그 광량은

단순한 값으로 더해진다.

 

다만 여러 개의 LED를 한 자리에 모을 수는 없으므로, 각개의 광량 값이 일률적으로

더해지지는 않는 것으로 보이나 주변의 광량을 다 더하면 그 값은 산술적 합산과 같다.

 

이는 아주 편리한 법칙으로, 한 개만의 LED로는 도저히 낼 수 없는 광도, 또는

광량일지라도 여러 개의 LED를 모으면 된다는 말이다.

 

즉 빛의 밝기, 또는 광량을 Lt 라고 하고 각개의 광량을 Lp 라 하면

Lt= Lp1 +Lp2 +Lp3…이 된다.

 

법칙 3: 빛의 밝기는 광원과의 거리의 제곱에 반비례한다.

 

즉 LB= LS/m2

 

여기서 ,LB 는 광도, LS 는 광원의 밝기, m 은 광원과 빛을 받는 곳 사이의 거리를 말한다.

즉 빛은 레이저 빛과 같이 빛 다발이 확산되지 않고 모여서 진행하는 경우를 제외하고는

어떤 경우에도 멀어지면 약해진다.

 

이는 빛이 멀리 갈수록 퍼지기 때문인데, 거리가 두 배 멀어지면 빛을 받는 면적은 4배

넓어지기 때문이다.

아래 (그림 2) 의 설명:

 

 

여기서 말하는 광량이란, 광도에 그 빛을 받는 총면적을 말한다.

이때의 광량은 LED가 같으면 일정이다.

 

즉 광량(LQ)= 광도(LB)* 빛을 받는 면적(S)= 일정.

여기서 광원이 가까우면 μmolm^-2s^-1 이 증가하고 빛의 조사면적은 적어진다는 뜻인데, 인공광을 식물재배에 사용해야 하는 모든 사람들에게는 피해 갈 수 없는 딜레머이기도 하다.

 

또한, 광원을 쓸데없이 높이 매달아서는 아무런 광합성 효과가 없다는 것도 이로써 알 수 있다.

 

즉 LED 광을 사용한 식물재배에서는 실제 광원의 높이가 식물의 지붕(The roof of the plants: 식물에서 햇빛을 주로 받는 나뭇잎)으로부터의 거리가 1.5 m 이상이 되어서는 아무리 광원이 세어도 식물의 잎에까지 도달해서는 광합성이 충분할 만한 세기가 될 수 없다는 뜻이다.

 

만일 식물의 잎에서 광원까지의 거리가 1.5m 일 때 광량이 5 μmolm^-2s^-1 이었다면, 그 거리를 50 cm 로 만 줄인다면 이때의 광량은 거리가 3배 줄었으므로 광량은 9배가 늘어나 45 μmolm^-2s^-1 이 될 수가 있기 때문이다.

 

법칙 4. 빛을 받는 곳에서 볼 때, 광량, 광도, 스팩트럼 등은 오로지 받는 쪽의 조건에 따라

결정된다.

 

즉 광원 쪽에서 본 cd(캔델라), lx, 방사각, lm(루멘) 등은 참고 자료에 불과하다.

 

이는 어떤 LED 가 어떻고, 그 특성이 어떻다는 등의 스팩은 그냥 참고 자료로만 이용할 뿐,

믿을 수도 없고 이용하는 방법도 쉽지가 않으니 모든 데이터는 직접 빛을 받는쪽에서 측정해

보아야 한다는 뜻이다.

 

LED는 하나씩 사용되는 것도 아니고, 방사각이 어떻다 한들 그걸로 빛을 받는 쪽에서의 특성을

알기는 어렵기 때문이다.

 

법칙5. 광량은 무언가를 투과(Penetrate)하고 무언가에 반사(Reflect)되고, 가는 거리가 멀수록

(Distant) 약해진다. 물론 무언가에 흡수(Absorb) 되어도 감쇄한다.

 

LED 에서 비추는 빛은 가능하면 식물의 잎에까지 가까이, 직접 조사돼야 한다.

아래는 빛이 무언가를 투과할 때의 감쇄율을 직접 측정해 본 데이터이다.

 

 A, 적색LED(660nm) 에서 방출된 빛

 

투과물질…………………………………………………  투과율

0.1    mm 비닐  ……………………………………………  89 (%)

2 mm 플라스틱  …………………………………………  88.2

0.1mm 운모     ……………………………………………  87.2

2mm 유리    ………………………………………………  89.7

 

 

B, 청색LED(450nm) 에서 방출된 빛

 

투과물질 …………………………………………………  투과율

0.1    mm 비닐   ……………………………………………  86.4 (%)

2mm 플라스틱    …………………………………………  87.9

0.1    mm 운모   ……………………………………………  73.7

2mm 유리     ………………………………………………  87.2

 

 

위에서 보듯, 청색빛이 적색빛 보다는 투과량이 조금 덜어지는데, 이는 청색빛의 파장대가

짧으므로 그만큼 무언가를 투과할 때 손실이 더 많이 생긴다는 뜻이다.

 

이 손실은 빛을 이용해 식물을 재배하는 측에서는 이것은 큰 문제가 될 수 있다.

 

만일 누군가 LED  빛을 2mm 두께의 플라스틱 케이스를 통해 공급하고 있다면,

그리고 LED 조명용으로 월 100 만원의 전기세를 내고 있다면, 그는 매월 12만원

의 전기세를 2mm 두께의 플라스틱 때문에 낭비하고 있는 것이 된다.

 

플라스틱의 투과율 88% 에서 12%의 빛 손실이 있으므로 그렇게 되는 것이다..

 

법칙 6. LED 에서 방사되는 빛은 빛이 비치는 수직면(정면) 에서 제일 강하고 이 각을

0°로 했을 때, 이 각을 벗어날수록 약해진다.

즉 빛이 비치는 각도에 따른 빛의 세기는 아래와 같다.

 

이 시험은 외제 T 사의 1W 급 백색(Natural White) LED, 스팩에는 방사각

130° 짜리라는 것에 350 mA의 전류를 흘려 방사각의 변화에 따른 빛의 세기를

측정해 본 것이다.

 

빛이 비치는 각도 ……………………………………  빛의 세기

 

0 (도)……………………………………………………  100 (%)

15  ………………………………………………………  97.2

30  ………………………………………………………  91.8

45  ………………………………………………………  73

60  ………………………………………………………  54

65  ………………………………………………………  48

70  ………………………………………………………  41

75  ………………………………………………………  34

80  ………………………………………………………  26

 

 

아래 (그림 3) 설명.

 

 

이런 규명을 위해 KAST는 아래와 같은 시험도 진행해 보았다.

 

즉 LED 를 13개 직렬로 연결한 Bar 를 수평으로 두었을 때와, 이 Bar 를 수평에서

한쪽만 들어 올려 54°가 되게 기울였을 때의 빛의 세기를 측정해 본 결과이다.

 

여기에 사용된 LED는 반사각이 130° 짜리임을 제조자 측에서 밝힌 제품이다.

아래(그림 4) 설명.

 

Bar 가 수평으로 있을 때의 밝기………………………………………  14 μmolm^-2s^-1

Bar 를 54° 기울게 들어 올렸을 때의 밝기    …………………………  6 μmolm^-2s^-1

 

이 시험에서, 식물에 비춰주는 LED 조명은 가까울수록, 또 방사각은 수평일 때가 가장

효율적임을 알 수 있었다.

 

법칙 7. 광원이 어떤 모양일지라도 광원에서 차츰 멀어지면 빛을 받는 면의 형태는

원에 가까워진다.

 

이 말은, LED 의 광원 형태가 막대형이거나 직사각형, 어느 것이라도 멀리에서는

그 빛을 받는 면의 모양은 원형 형태가 된다는 뜻이다.

 

 

 

또한 각기 다른 빛을 내는 LED를 섞어 놓더라도 그 전체적인 빛 스팩트럼은 어느 정도

거리 밖에서는 저절로 섞이게 된다는 뜻이다.

 

 

 

이러한 특성은 각기 다른 여러 가지 파장대의 빛과, 각기 다른 밝기의 LED를 섞어

쓰더라도 아무런 문제가 되질 않아, 합성 스팩트럼을 만들기가 편하다.

 

 

아래(그림5) 의 설명.

그림은 위에서 본 것으로,  이와 같이 광원이 2개일 경우라도, 가까이에서는 안쪽의

타원형과 같은 모양의 면에 빛이  비춰지나, 멀리(광원을 높이)에서는 빛의 방사분포도는

원형이 된다는 걸 보여주고 있다.

 

 

5, LED를 가장 적절하게 사용하는 방법.

위와 같은 연구에서 얻은 결론에 의하면 LEDD의 가장 효율적인 사용방법은 아래와 같다.

 

방법1. LED 광원은 무조건 재배식물과 가까워야 한다.

이 방법을 실현하기 위해서는, LED 바는 꼭 높이를 조절할 수가 있어야 한다.

 

즉 식물이 덜 자라 키가 낮을때는 LED 바의 높이도 낮춰주고, 식물이 자랄수록 광원의

높이를 올려 주어야 한다.

이 방법으로는, LED 바를 장착한 지지대의 높이를 간편하게 변경시킬 수 있는 자동화

장치가 필요하다는 뜻이다.

LED 바가 재배식물에 2배 가까이 있으면 전기세는 4배 절약이 되는 셈이기 때문이다.

 

방법 2. LED는 식물의 위치에서 봤을 때 수직인 채로 바로 비춰 줘야 한다.

이는 아주 중요한 것으로, 위의 (그림3)에서와 같은 각도를 유지해야 한다는 뜻이다.

LED 를 식물의 위치에서 봐서 50° 쯤 기울어져 있게 설치한다는 것은, 전기세의

50%를 아무런 이유도 없이 갖다 버리는 꼴이 된다.

 

방법 3. LED 사용전류를 가능한 한 최대정격이나 조금 더 많은 양을 흘려 사용한다.

광량의 변화는 포화점 가까이 까지는 LED에 흐르는 전류에 비례하므로, 가능하면

많은 전류를 흘려 사용하는 것이 경제적이다.

다만 여기서는 LED 의 발열 문제를 해결해야 하므로 충분한 방열판을 장착해

밀착되도록 해야 한다.

LED 의 사용 권장 주변온도는 대략 약 45℃ 까지로, 그 이상이 되면 수명이 급격하게

짧아지기 때문이다.

어떤 경우에는 LED와 밀착되어 있는 방열판에 가느다란 구리 파이프를 연결해 두고

여기에 물을 흘려 냉각시키는 방법도 고려해 볼 수 있다.

 

방법 4. 설치 후 시험측정.

모든 식물공장과 보광재배시설에서는 LED 조명이든 형광등이거나 백열등이든 설치 후에는

그 빛의 실태를 꼭 직접 측정해 보아야 한다.

왜냐하면 사람의 시각적 관찰로는 실제 식물의 성장에 필요한 조명 조건이 맞는지의 여부를

결코 알 수 없을 만큼 큰 편차가 있기 때문이다.

그리고 그 판단은 다음과 같이 한다.

 

a, 빛의 파장대가 맞는지 확인한다.

어떤 식물이건 한가지 빛의 파장대에서는 결코 잘 자라지 않는다. 예를 들어 적색 빛만으로

엽채류를 키운다면, 식물이 성장은 하나, 상품성 있는 식물로 완전하게 자랄 수는 없다는

뜻이다. 이것은 물론 청색 빛만으로 식물을 키우는 경우에도 똑같다.

 

왜냐하면 식물은 적색, 청색, 녹색, 황색의 빛 중 어느 것 하나만 비춰줘도 일견 잘 자라는 것 같이 보이기도 하기

때문이다. 그러나 결코 완전한 성장은 이루어지지 않아, 웃자라거나, 색상이 진하지 않거나

너무 힘이 없이 자랄 뿐이다.

 

이런 여러 가지 시험에서 얻은 결론은, 식물성장용 빛의 스팩트럼은 분포대가 어느 정도 넓은

빛이어야 한다는 점이다. 즉 빛의 파장대가 아래 위로만 날카롭게 드러나 있어서는 안되고

위의 (사진9)에서와 같이 옆으로 퍼져 있어 여러 파장대가 조금씩은 섞여 있어야

한다는 것이다.

 

그런 이치에서, 식물을 키우기 위한 빛을 만일 사람의 눈으로 보아 한가지 색만을

선택하라면 그건 흰색일 수 밖에 없다. 흰색이란 여러 가지 색이 섞여있다는 뜻이기 때문이다.

 

그런데 문제는 이렇듯 빛의 스팩트럼을 측정해 보기 위해서는 아주 고가의 측정장비인

Light spectrum Analyzer 가 필요하다는 점이다. 이 장비는 일반인이 구입하기는

불가능하므로 전문 기업체에 의뢰할 수 밖에 없는 실정이다.

 

 

b, 빛의 세기를 측정해 본다.

만일 100% 인공광만으로 식물을 키우고자 한다면 빛의 세기는 최소한 30~ 150 μmolm^-2s^-1은

되어야 한다.

 

한편 주된 광원은 태양광으로 하고, 밤에 인공광을 보광해 주는 보조광원으로 쓸 때의

빛의 세기는 최소한 2~15 μmolm^-2s^-1은 되어야 한다.

 

여기서 빛의 세기, 특히 μmolm^-2s^-1 을 측정하기 위해서는 Quantum Meter 를 쓴다.

 

보조광원의 기능으로는 화훼재배나 잎들깨밭에서의 추대를 막고 잎의 크기를 균일하게

유지시키기 위한 목적으로 쓰기도 하는데, 이때의 목적은 식물을 키우는 것이 아니기

때문에 빛의 세기가 좀 약해도 되는 것이다.

 

c, 실제 LED 의 동작상태를 관찰, 측정해 본다.

먼저 LED에서 열이 나는지를 확인해 보아야 한다.

 

대부분 LED 메이커들은 LED 의 사용 스펙에 몇 도 의 온도까지 에서만 사용하라는 권장

조건을 명기해 놓았다.

 

대부분의 LED 는 80℃ 까지 에서는 사용할 수 있다고 되어 있으나 이것은 LED 내부의

접합부위 온도를 말하므로, 외부에서의 측정온도는 45℃를 넘지 않아야 한다.

 

즉 손으로 만져 보아 그냥 따뜻한 정도면 되겠으나, 뜨겁다는 느낌이 들어서는 안된다.

LED 의 수명은 오로지 사용온도에 반비례하기 때문이다.

 

그리고 LED 에 흐르는 전류도 꼭 측정해보아야 할 항목이다.

 

소형( Oval type, 원의 지름이 5mm 쯤 되는 구형)LED 는 최대 사용전류가 20 m A 나

30mA 급으로, 소모전력이 30mW(0.03W) 정도의 소전력용이고, 또는 큰 것이 45 mW

급이어서 이런 LED 를 사용한 경우 최대 전류는 역시 20~30 mA 가 한계인데,

 광변환효율이 낮아 요즈음은 사용하지 않는 추세이다.

 

요즈음은 고휘도 LED 라는 걸 주로 사용하는데, 1W 급이 주류를 이룬다.

 

이 LED 는 대부분 사용전류가 350mA 이다.

 

 

만일 이 LED를 350mA 가 안되는 전류가 흐르도록 사용하는 것은 설비의 낭비에 속한다.

왜냐하면 그 LED 가 낼 수 있는 최대의 광량을 다 못 쓰는 셈이 되니까 그렇다.

 

그러나 만일, 이 최대 권장 정격전류치 이상으로 사용하게 되면 이번에는 수명이 짧아지므로

이것도 설비의 낭비에 해당된다.

 

현실적으로는, 현장에 나가서 측정해 본 바에 의하면, 한 비닐하우스 내에서 조차 각기

사용전류의 편차가 극심한 경우가 많았으므로 꼭 유의해 보아야 할 사항이다.

 

 

*결론:

이상으로 LED를 사용한 식물 재배의 기술적 일면을 살펴 보았다.

 

다음 호에서는 LED의 고속 점멸 사용의 효율성과 문제점, 전원회로(Converter)의 효율 등을

실제 식물의 시험재배를 통해 알아보기로 하겠다.

 

한가지 약속드릴 수 있는 것은, 이 연구 발표에 있어 무엇보다 사실적인 실험과 자료를

바탕으로 할 것이라는 점이다. 이런 연구 시험으로 지금까지의 식물공장, LED 조명에서의

잘못된 사실이나 과장된 점들이 바로 잡혀지길 기대해 본다.

朴昌鎬님의 파란블로그에서 발행된 글입니다.