오늘은 스마트 팜에 대해 설명드리겠습니다. ‘스마트 팜'( Smart Farm)이란, ‘지능형 농장’이라고 하며 ‘정보 통신 기술'( ICT: Information and Communications Technology)을 활용해 ‘시간과 공간의 제약 없이’ 원격으로 제어하는 과학 기술 기반의 농업 방식입니다. 여기서는 센서와 통신기술을 이용해 실시간으로 센싱 하여 Data 화하고 그 상황에 맞게 관리하여 농산물의 생산량 증가는 물론, 노동시간 감소를 통해 전반적인 농업 환경을 획기적으로 개선하는 것을 말합니다. 이때 식물 광합성과 생장에 필요한 일조량이 매우 중요한데 식물이 좋아하는 LED파장을 조사하여 생산량을 극대화하는 것을 목적으로 합니다.
1. LED파장에 따른 식물 반응 실험
a) 식물 생장용 LED
인간은 가시광 영역인 380nm ~750nm에서 빛을 감지하여 명도와 채도를 구분하지만, 식물은 빛의 파장에 따라 성장과 생리 반응을 합니다.
- 식물 광합성에 영향을 주는 청색 빛 파장: 400nm ~500nm
- 식물 생장에 도움을 주는 척색의 빛 파장: 620nm~700nm
따라서 LED 스마트팜에서 LED조명 적용 시, 사람들이 어두운 곳을 밝게 하는 일반 조명과는 다르게 광합성과 생장에 도움을 주지 않는 500nm ~620nm의 빛을 제외하고 식물광합성과 생장에 도움을 주는 450nm와 660nm의 빛만을 스마트팜에서 적용합니다.
- 광합성이란: 식물이 살아가는 데 필요한 영양분을 얻기 위해 빛에너지를 화학 에너지로 전환하기 위해 사용하는 과정임
- 생장이란: 식물의 씨앗이 발아를 하고 뿌리, 줄기, 잎을 내기 시작하며 그 이후 광합성을 하면서 점차 크기와 무게를 더 해가는 과정을 의미함.
b) 빛의 파장에 따른 식물의 반응
앞에서 식물 광합성과 생장의 차이에 따른 파장 변화를 설명했습니다만, 씨앗의 발아와 개화 촉진에도 영향을 크게 미치는 것을 확인할 수 있었습니다.
- 발아를 촉진시키는 청색 LED 빛 : 450nm 전후 파장
- 발아, 개화를 촉진시키는 적색 LED빛 : 660nm 전후 파장
그 외의 파장대별 식물에 대한 반응
- 광합성에 별로 유리하지 않은 파장 : 610nm
- 노란 색소에 의한 일부의 빛만 흡수 : 510nm
- UVA를 조사(照射) 시, 일반적으로 식물의 잎을 두껍게 함 : 400~320nm
- UVC 조사 시, 엽록소를 파괴하기 시작 : 100nm
2. 스마트 팜 LED 연구의 발전
과거에 사람들이 생각했던 것은 식물 광합성을 위한 조건만 갖추어준다면 식물이 잘 성장할 것이라 생각했으나 연구를 거듭한 결고 중요한 요소가 있음을 알아내었다.
■’CRI’와 ‘CCT’의 중요성
과거 LED ‘스마트 팜’에서는 ‘PPFD'( Photosynthetic Photon Flux Density: 광합성 광량 자속 밀도)와 ‘PPE'( Photon per Energy: 광자량 효율) 이었습니다만, 최근 연구에 따르면 ‘연색지수’를 나타내는 ‘CRI’ (Color Rendering Index)와 ‘색온도’를 나타내는 ‘CCT'(Correlated Color Temperature)가 식물성장에 매우 중요한 요소임을 알아냈습니다.
- CRI값을 가능하면 태양광( 100Ra) 수준까지 올려 90~95Ra 사용하면 LED의 광도가 떨어지기는 하나 스마트 팜에서 생산한 채소의 맛이 좋음을 확인함
- 색온도가 파란색 범위의 ( 5000K~7000K) : 영양 생장을 촉진
- 색온도 빨간색 범위의( 3500K~4500K) : 꽃의 개화를 촉진
3. 마치며
이상으로 ‘LED파장에 따른 식물 반응 실험’과 ‘스마트 팜 LED 연구의 발전’에 대해 설명드렸습니다. LED를 적용한 스마트팜은 어떤 면에서 보면 이제 시작단계라 앞으로도 많은 개발과 연구가 필요한 부분이 있습니다. 다음에는 LED 제조 특성을 이용한 LED Application에 대해 설명드리겠습니다.