원문 출처: Houcheng Liu. LED 식물 조명 산업의 발전 현황 및 동향[J].조명공학저널, 2018, 29(04):8-9.
기사 출처: Material Once Deep

빛은 식물의 성장과 발달에 있어 기본적인 환경 요인입니다. 빛은 광합성을 통해 식물 성장에 필요한 에너지를 공급할 뿐만 아니라, 식물의 성장과 발달을 조절하는 중요한 요소이기도 합니다. 인공 조명을 보조하거나 완전히 인공 조명을 조사하면 식물 성장을 촉진하고, 수확량을 늘리고, 제품의 모양과 색을 개선하고, 기능성 성분을 강화하며, 병해충 발생을 줄일 수 있습니다. 오늘은 식물 조명 산업의 발전 현황과 동향에 대해 이야기해 보겠습니다.
인공 광원 기술은 식물 조명 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. LED는 높은 광효율, 낮은 발열, 소형화, 긴 수명 등 여러 장점을 가지고 있으며, 특히 식물 생장 조명 분야에서 뚜렷한 이점을 제공합니다. 앞으로 식물 생장 조명 산업은 식물 재배용 LED 조명 기구를 점차 도입할 것으로 예상됩니다.

A. LED 식물 재배 조명 산업의 발전 현황 

1. 식물 재배용 LED 패키지

식물 생장용 LED 조명 포장 분야에는 다양한 포장 장치가 존재하며, 통일된 측정 및 평가 표준 체계가 없습니다. 따라서 국내 제품과 비교했을 때, 해외 제조업체들은 주로 고출력, COB, 모듈형 제품에 집중하고 있습니다. 백색광 계열의 식물 생장용 조명은 식물의 생장 특성과 인체 친화적인 조명 환경을 고려하여 신뢰성, 광효율, 다양한 생장 단계의 식물에 대한 광합성 특성 등 여러 측면에서 기술적 우위를 점하고 있습니다. 고출력, 중출력, 저출력 등 다양한 크기와 종류의 제품을 제공하여 다양한 생장 환경에서 자라는 여러 식물의 요구를 충족하고, 식물 생장 극대화와 에너지 절약이라는 목표를 달성하고자 합니다.

반도체 에피택셜 웨이퍼 관련 핵심 특허는 일본의 니치아(Nichia)와 미국의 커리어(Career) 등 초기 선도 기업들이 여전히 다수 보유하고 있습니다. 국내 반도체 제조업체들은 시장 경쟁력을 갖춘 특허 제품이 부족한 상황입니다. 한편, 많은 기업들이 식물 생장용 조명 패키징 칩 분야에서 새로운 기술을 개발하고 있습니다. 예를 들어, 오스람(Osram)의 박막 칩 기술은 칩들을 밀착시켜 대면적 조명 표면을 구현할 수 있게 합니다. 이 기술을 기반으로 한 660nm 파장의 고효율 LED 조명 시스템은 재배 공간의 에너지 소비량을 최대 40%까지 절감할 수 있습니다.

2. 성장 조명 스펙트럼 및 장치
식물 조명의 스펙트럼은 매우 복잡하고 다양합니다. 식물마다 생장 주기와 생장 환경에 따라 필요한 스펙트럼이 크게 다릅니다. 이러한 다양한 요구를 충족하기 위해 현재 업계에서는 다음과 같은 방식들을 사용하고 있습니다. ① 다중 단색광 조합 방식: 식물 광합성에 가장 효과적인 세 가지 스펙트럼은 주로 450nm와 660nm에서 피크를 이루는 스펙트럼, 개화를 유도하는 730nm 대역, 그리고 525nm의 녹색광과 380nm 이하의 자외선 대역입니다. 식물의 필요에 따라 이러한 스펙트럼들을 조합하여 가장 적합한 스펙트럼을 구성합니다. ② 식물이 필요로 하는 모든 스펙트럼을 포괄하는 전 스펙트럼 방식: 서울반도체와 삼성이 개발한 SUNLIKE 칩에 해당하는 이 방식은 가장 효율적이지는 않지만 모든 식물에 적합하며, 단색광 조합 방식보다 비용이 훨씬 저렴합니다. ③ 전 스펙트럼 백색광을 주광으로 사용하고 660nm 적색광을 추가하여 스펙트럼의 효율성을 높이는 조합 방식. 이 방식이 더 경제적이고 실용적입니다.

식물 생장용 단색광 LED 칩(주 파장: 450nm, 660nm, 730nm) 패키지 장치는 국내외 여러 기업에서 생산하고 있으며, 국내 제품은 더욱 다양하고 규격화되어 ​​있는 반면, 해외 제품은 표준화가 더 잘 되어 있습니다. 광합성 유효 광자량, 광효율 등 여러 측면에서 국내외 패키지 장치 제조업체 간에는 여전히 큰 격차가 존재합니다. 식물 생장용 단색광 패키지 장치의 경우, 450nm, 660nm, 730nm의 주 파장대 제품 외에도 많은 제조업체들이 광합성 유효 복사(PAR) 파장대(450~730nm)를 완벽하게 커버하기 위해 다른 파장대의 신제품 개발에도 힘쓰고 있습니다.

단색 LED 식물 생장등은 모든 식물의 생장에 적합하지 않습니다. 따라서 풀스펙트럼 LED의 장점이 부각됩니다. 풀스펙트럼은 우선 가시광선 전체 스펙트럼(400~700nm)을 포괄하고, 특히 청록색(470~510nm)과 적색(660~700nm) 대역의 성능을 향상시켜야 합니다. 일반적인 청색 LED 또는 자외선 LED 칩에 형광체를 첨가하여 "풀" 스펙트럼을 구현하는 경우, 광합성 효율에 장단점이 있습니다. 대부분의 식물 조명용 백색 LED 패키지 장치 제조업체는 청색 칩과 형광체를 결합하여 풀스펙트럼을 구현합니다. 단색광과 청색 또는 자외선 칩에 형광체를 첨가하여 백색광을 구현하는 방식 외에도, 적색, 청색/자외선, RGB, RGBW 등 두 가지 이상의 파장 칩을 사용하는 복합 패키지 방식도 있습니다. 이러한 복합 패키지 방식은 디밍 기능이 뛰어나다는 장점이 있습니다.

협대역 LED 제품의 경우, 대부분의 패키징 공급업체는 365~740nm 대역에서 다양한 파장의 제품을 고객에게 제공할 수 있습니다. 형광체를 이용한 식물 조명 스펙트럼 변환 제품의 경우에도 대부분의 패키징 제조업체는 고객이 선택할 수 있는 다양한 스펙트럼을 제공합니다. 2016년 대비 2017년 매출 성장률은 상당한 증가세를 보였습니다. 특히 660nm LED 광원의 성장률은 20~50%에 달했으며, 형광체 변환 식물용 LED 광원의 성장률은 50~200%에 이르러 형광체 변환 식물용 LED 광원의 판매량이 더욱 빠르게 성장하고 있습니다.

모든 포장 회사들은 0.2~0.9W 및 1~3W급 일반 포장 조명 제품을 제공할 수 있습니다. 이러한 광원은 조명 제조업체에게 조명 설계에 있어 뛰어난 유연성을 제공합니다. 또한 일부 제조업체는 더 높은 출력의 일체형 포장 조명 제품도 제공합니다. 현재 대부분의 제조업체 출하량의 80% 이상이 0.2~0.9W 또는 1~3W급 제품입니다. 그중에서도 주요 국제 포장 회사들은 1~3W급 제품에 집중되어 있는 반면, 중소 포장 회사들은 0.2~0.9W급 제품에 집중되어 있습니다.

3. 식물 생장 조명의 적용 분야

적용 분야를 살펴보면, 식물 생장 조명 기구는 주로 온실 조명, 완전 인공 조명 방식의 식물 공장, 식물 조직 배양, 야외 농장 조명, 가정용 채소 및 화훼 재배, 실험실 연구 등에 사용됩니다.

①태양열 온실과 다중 스팬 온실에서 보조 조명으로 사용되는 인공 조명의 비중은 여전히 ​​낮으며, 메탈 할라이드 램프와 고압 나트륨 램프가 주를 이룹니다. LED 생장 조명 시스템의 보급률은 상대적으로 낮지만, 가격이 하락함에 따라 성장 속도가 빨라지고 있습니다. 주요 원인은 사용자들이 메탈 할라이드 램프와 고압 나트륨 램프를 오랫동안 사용해 온 경험이 있고, 이러한 램프를 사용하면 식물에 화상을 입히지 않으면서 온실에 필요한 열에너지의 약 6~8%를 공급할 수 있기 때문입니다. LED 생장 조명 시스템은 구체적이고 효과적인 사용 설명서와 데이터 지원이 부족하여 일광 온실과 다중 스팬 온실에서의 적용이 지연되었습니다. 현재는 소규모 시범 사업이 주를 이루고 있습니다. LED는 냉광원이므로 식물 잎 가까이에 설치할 수 있어 온도 변화에 미치는 영향이 적습니다. 일광 온실과 다중 스팬 온실에서는 LED 생장 조명을 작물 사이 재배에 주로 사용합니다.

②야외 농장 적용. 시설 농업에서 식물 조명의 보급 및 적용은 비교적 더디게 진행되어 왔지만, 경제적 가치가 높은 장일 작물(예: 용과)의 야외 재배에 LED 식물 조명 시스템(광주기 제어)을 적용하는 것은 빠르게 발전해 왔습니다.

③ 식물 공장. 현재 가장 빠르게 발전하고 널리 사용되는 식물 조명 시스템은 완전 인공 조명 식물 공장이며, 이는 중앙 집중식 다층 구조와 분산형 이동식 식물 공장으로 구분됩니다. 중국에서 인공 조명 식물 공장의 발전은 매우 빠르게 진행되고 있습니다. 중앙 집중식 다층 구조 완전 인공 조명 식물 공장의 주요 투자 주체는 전통적인 농업 기업이 아니라 중커산안, 폭스콘, 파나소닉 쑤저우, 징둥과 같은 반도체 및 가전제품 기업과 COFCO, 시추이 등의 신흥 현대 농업 기업들입니다. 분산형 및 이동식 식물 공장에서는 여전히 선적 컨테이너(신규 컨테이너 또는 중고 컨테이너 개조)가 표준 운송 수단으로 사용됩니다. 완전 인공 식물의 조명 시스템은 대부분 선형 또는 평판형 배열 조명 시스템을 사용하며, 재배 작물의 종류도 지속적으로 확대되고 있습니다. 다양한 실험적인 LED 광원이 널리 사용되기 시작했습니다. 시판 제품은 주로 잎채소입니다.

④가정용 식물 재배. LED는 가정용 식물 테이블 램프, 가정용 식물 재배대, 가정용 채소 재배기 등에 사용할 수 있습니다.

⑤ 약용 식물 재배. 약용 식물 재배에는 아노엑토킬루스(Anoectochilus)와 리토스페르뭄(Lithospermum)과 같은 식물이 포함됩니다. 이러한 시장의 제품은 경제적 가치가 높으며, 현재 식물 조명 적용이 더욱 활발하게 이루어지고 있는 산업입니다. 또한 북미와 유럽 일부 지역에서 대마 재배가 합법화되면서 대마 재배 분야에서 LED 생장 조명의 적용이 촉진되었습니다.

⑥개화등. 화훼 산업에서 꽃의 개화 시기를 조절하는 데 필수적인 도구인 개화등은 초기에는 백열등이 사용되었고, 그 후 에너지 절약형 형광등이 사용되었습니다. LED 산업화가 진행됨에 따라 LED 방식의 개화등이 점차 기존 램프를 대체하고 있습니다.

⑦ 식물 조직 배양. 전통적인 조직 배양 광원은 주로 백색 형광등인데, 이는 광효율이 낮고 발열량이 많습니다. LED는 저전력 소비, 낮은 발열량, 긴 수명 등의 뛰어난 특성 덕분에 효율적이고 제어 가능하며 소형화된 식물 조직 배양에 더욱 적합합니다. 현재 백색 LED 튜브가 백색 형광등을 점차 대체하고 있습니다.

4. 식물 재배용 조명 회사의 지역별 분포

통계에 따르면 현재 우리나라에는 300개 이상의 식물 재배용 조명 업체가 있으며, 그중 50% 이상을 차지하는 주강 삼각주 지역 업체들이 시장을 주도하고 있습니다. 양쯔강 삼각주 지역의 업체들은 약 30%를 차지하며, 여전히 중요한 식물 재배용 조명 제품 생산 지역입니다. 전통적인 식물 재배용 램프 업체들은 주로 양쯔강 삼각주, 주강 삼각주, 보하이만 연안에 분포되어 있으며, 양쯔강 삼각주가 53%, 주강 삼각주와 보하이만 연안이 각각 24%와 22%를 차지합니다. LED 식물 재배용 조명 제조업체의 주요 분포 지역은 주강 삼각주(62%), 양쯔강 삼각주(20%), 보하이만 연안(12%)입니다.

B. LED 식물 재배 조명 산업의 발전 추세

1. 전문화

LED 재배 조명은 스펙트럼과 광량을 조절할 수 있고, 전체적으로 발열량이 적으며, 방수 성능이 우수하여 다양한 환경에서 재배에 적합합니다. 동시에, 변화하는 자연환경과 소비자의 식생활 품질 향상에 대한 요구가 증가하면서 시설농업과 재배공장이 활발하게 발전하고 있으며, 이는 LED 재배 조명 산업의 급속한 성장을 이끌고 있습니다. 앞으로 LED 재배 조명은 농업 생산 효율 향상, 식품 안전성 제고, 과일과 채소 품질 개선에 중요한 역할을 할 것입니다. 재배 조명용 LED 광원은 산업의 전문화가 진행됨에 따라 더욱 발전하고 특정 용도에 맞춘 방향으로 나아갈 것입니다.

2. 높은 효율성

광효율 및 에너지효율 향상은 식물 조명 운영 비용을 크게 절감하는 핵심 요소입니다. 기존 램프를 LED로 대체하고, 파종기부터 수확기까지 식물의 생육 단계별 광량 요구 사항에 맞춰 조명 환경을 동적으로 최적화하고 조절하는 것은 미래 정밀 농업의 필연적인 추세입니다. 수확량 증대 측면에서는 식물의 생육 특성에 따른 단계별 재배와 광량 조절을 통해 각 단계별 생산 효율과 수확량을 향상시킬 수 있습니다. 품질 향상 측면에서는 영양 조절과 광량 조절을 통해 영양소 및 기타 건강 기능 성분의 함량을 높일 수 있습니다.

추산에 따르면 현재 국내 채소 모종 수요는 6,800억 개에 달하지만, 공장식 모종 생산 능력은 10%에도 미치지 못합니다. 모종 산업은 환경적 요구 조건이 까다롭습니다. 생산 시기는 주로 겨울과 봄이며, 자연광이 부족하여 인공 조명이 필수적입니다. 식물 생장 조명은 투입 대비 효율이 높고 투입 수용도가 높습니다. 특히 토마토, 오이, 멜론 등 접목이 필요한 과일 및 채소의 경우, 고습 환경에서 특정 스펙트럼의 조명을 보충하면 접목 모종의 치유를 촉진할 수 있다는 점에서 LED 조명은 매우 효과적입니다. 온실 채소 재배 시 보조 조명은 자연광 부족을 보완하고, 식물의 광합성 효율을 향상시키며, 개화 및 결실을 촉진하고, 수확량을 늘리고, 제품 품질을 개선하는 데 도움을 줍니다. 따라서 LED 생장 조명은 채소 모종 및 온실 생산 분야에서 폭넓은 활용 가능성을 가지고 있습니다.

3. 지능형

식물 생장 조명은 광질과 광량의 실시간 제어에 대한 수요가 높습니다. 지능형 제어 기술의 발전과 사물 인터넷(IoT)의 적용으로 다양한 단색 스펙트럼과 지능형 제어 시스템을 통해 시간 제어, 광량 제어가 가능해졌으며, 식물의 생장 상태에 따라 광질과 광량을 적시에 조절하는 것이 향후 식물 생장 조명 기술 발전의 주요 트렌드가 될 것입니다.