[요약] 본 논문은 방대한 실험 데이터를 바탕으로 식물 공장의 광질 선택에 있어 중요한 몇 가지 문제, 즉 광원 선택, 적색, 청색, 황색광의 영향, 그리고 스펙트럼 범위 선택에 대해 논의하여 식물 공장의 광질 최적화 전략 수립에 대한 통찰력을 제공하고, 참고할 만한 실질적인 해결책을 제시한다.
광원 선택

일반적으로 식물 공장에서는 LED 조명을 사용합니다. LED 조명은 높은 발광 효율, 낮은 에너지 소비, 적은 발열, 긴 수명, 그리고 조절 가능한 광도 및 스펙트럼 등의 특징을 가지고 있어 식물 생장과 효율적인 물질 축적에 필요한 조건을 충족할 뿐만 아니라 에너지 절약, 발열 감소, 전기료 절감에도 도움이 됩니다. LED 식물 재배등은 일반용 단일 칩 광대역 LED 조명, 식물 재배 전용 단일 칩 광대역 LED 조명, 그리고 다중 칩 복합 스펙트럼 조절 LED 조명으로 나눌 수 있습니다. 후자의 두 종류의 식물 재배 전용 LED 조명은 일반 LED 조명보다 가격이 5배 이상 높기 때문에 용도에 따라 적절한 광원을 선택해야 합니다. 대규모 식물 공장의 경우, 재배하는 식물의 종류는 시장 수요에 따라 변화합니다. 따라서 건설 비용을 절감하고 생산 효율에 큰 영향을 미치지 않도록 일반 조명용으로는 광대역 LED 칩을 사용하는 것이 좋습니다. 소규모 식물 공장의 경우, 재배하는 식물의 종류가 비교적 고정되어 있다면, 건설 비용을 크게 늘리지 않고도 높은 생산 효율과 품질을 얻기 위해 식물 특성에 맞춘 조명이나 일반 조명에 적합한 광범위 스펙트럼 LED 칩을 광원으로 사용할 수 있습니다. 만약 빛이 식물의 생장과 유효 물질 축적에 미치는 영향을 연구하여 향후 대규모 생산에 적합한 최적의 조명 조건을 제공하고자 한다면, 스펙트럼 조절이 가능한 LED 조명을 여러 개 조합하여 광도, 스펙트럼, 조명 시간 등의 요소를 조절함으로써 각 식물에 맞는 최적의 조명 조건을 만들어낼 수 있으며, 이는 향후 대규모 생산을 위한 기반을 마련해 줄 것입니다.

빨간색과 파란색 빛

구체적인 실험 결과를 살펴보면, 적색광(R) 함량이 청색광(B) 함량보다 높을 때(상추 R:B = 6:2 및 7:3; 시금치 R:B = 4:1; 호박 묘목 R:B = 7:3; 오이 묘목 R:B = 7:3), 바이오매스 함량(지상부 높이, 최대 잎 면적, 생중량, 건중량 등)은 더 높았지만, 줄기 직경과 묘목의 강건 지수는 청색광 함량이 적색광 함량보다 높을 때 더 큰 것으로 나타났습니다. 생화학적 지표의 경우, 적색광 함량이 청색광 함량보다 높을수록 식물의 가용성 당 함량이 증가하는 데 일반적으로 유리합니다. 그러나 비타민 C, 가용성 단백질, 엽록소, 카로티노이드 축적에는 청색광 함량이 적색광보다 높은 LED 조명을 사용하는 것이 더 유리하며, 이러한 조명 조건에서 말론디알데히드 함량 또한 상대적으로 낮습니다.

식물 공장은 주로 잎채소 재배나 산업용 묘목 육성에 사용되므로, 위의 결과를 종합해 볼 때 수확량 증대와 품질 유지를 전제로 적색광 함량이 청색광보다 높은 LED 칩을 광원으로 사용하는 것이 적합하다는 결론을 내릴 수 있다. 최적의 비율은 적색광과 청색광의 비율이 7:3이다. 더욱이, 이러한 적색광과 청색광의 비율은 모든 종류의 잎채소나 묘목에 기본적으로 적용 가능하며, 특정 작물에 대한 특별한 요구 사항은 없다.

적색 및 청색 파장 선택

광합성 과정에서 빛 에너지는 주로 엽록소 a와 엽록소 b를 통해 흡수됩니다. 아래 그림은 엽록소 a와 엽록소 b의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것으로, 녹색 선은 엽록소 a의 흡수 스펙트럼이고, 파란색 선은 엽록소 b의 흡수 스펙트럼입니다. 그림에서 볼 수 있듯이 엽록소 a와 엽록소 b 모두 청색광 영역과 적색광 영역에 각각 하나씩, 두 개의 흡수 피크를 가지고 있습니다. 하지만 엽록소 a와 엽록소 b의 두 흡수 피크 파장은 약간 다릅니다. 정확히 말하면, 엽록소 a의 두 피크 파장은 각각 430nm와 662nm이고, 엽록소 b의 두 피크 파장은 각각 453nm와 642nm입니다. 이 네 가지 파장 값은 식물의 종류에 따라 변하지 않으므로, 광원의 적색 및 청색 파장 선택은 식물 종류에 관계없이 동일합니다.

엽록소 a와 엽록소 b의 흡수 스펙트럼

일반적인 광범위 스펙트럼 LED 조명은 식물 공장의 광원으로 사용할 수 있습니다. 단, 적색광과 청색광이 엽록소 a와 엽록소 b의 두 가지 주요 파장을 포함해야 합니다. 즉, 적색광의 파장 범위는 일반적으로 620~680nm이고, 청색광의 파장 범위는 400~480nm입니다. 그러나 적색광과 청색광의 파장 범위가 너무 넓으면 광에너지가 낭비될 뿐만 아니라 다른 영향도 미칠 수 있으므로 주의해야 합니다.

적색, 황색, 청색 칩으로 구성된 LED 조명을 식물 공장의 광원으로 사용하는 경우, 적색광의 최대 파장은 엽록소 a의 최대 파장인 660nm로, 청색광의 최대 파장은 엽록소 b의 최대 파장인 450nm로 설정해야 합니다.

노란색 빛과 녹색 빛의 역할

적색, 녹색, 청색광의 비율이 R:G:B=6:1:3일 때 더 적절합니다. 녹색광의 최대 파장을 결정할 때는, 식물 생장 과정에서 주로 조절 역할을 하기 때문에 530~550nm 범위면 충분합니다.

요약

본 논문에서는 식물 공장의 광질 선택 전략을 이론적, 실제적 측면에서 고찰합니다. 특히 LED 광원의 적색 및 청색광 파장 범위 선택과 황색 및 녹색광의 역할 및 비율에 대해 논의합니다. 식물 생장 과정에서 광도, 광질, 광시간의 세 가지 요소와 이들 요소가 영양분, 온도, 습도, 이산화탄소 농도에 미치는 영향을 종합적으로 고려해야 합니다. 실제 생산 과정에서는 광범위 스펙트럼 LED 또는 멀티칩 조합 가변 스펙트럼 LED를 사용하든 관계없이 파장 비율이 가장 중요한 고려 사항입니다. 광질 외에도 다른 요소들을 실시간으로 조절할 수 있기 때문입니다. 따라서 식물 공장 설계 단계에서 가장 중요한 고려 사항은 광질 선택입니다.

작가: 용쑤

기사 출처: 농업공학기술(온실원예) 위챗 계정

참고: 용수(Yong Xu),식물 공장의 광질 선택 전략 [J]. 농업공학기술, 2022, 42(4): 22-25.