소개

빛은 식물 생장 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 빛은 식물의 엽록소 흡수와 카로틴 등 다양한 생장 인자의 흡수를 촉진하는 최고의 비료입니다. 그러나 식물 생장을 결정짓는 요인은 빛뿐만 아니라 물, 토양, 비료의 구성, 생장 환경 조건, 그리고 종합적인 기술 관리 등 여러 요소가 복합적으로 작용하는 것입니다.

지난 2~3년 동안 3차원 식물 공장이나 식물 성장에 반도체 조명 기술을 적용한 사례에 대한 보도가 끊이지 않았습니다. 하지만 자세히 읽어보면 항상 어딘가 찜찜한 기분이 듭니다. 일반적으로 식물 성장에 있어 빛이 어떤 역할을 해야 하는지에 대한 명확한 이해가 부족하기 때문입니다.

먼저 그림 1에서 볼 수 있듯이 태양의 스펙트럼을 이해해 봅시다. 태양 스펙트럼은 연속 스펙트럼이며, 청색과 녹색 스펙트럼이 적색 스펙트럼보다 강하고 가시광선 스펙트럼은 380~780nm 범위에 걸쳐 있습니다. 자연계 생물의 성장은 스펙트럼의 강도와 관련이 있습니다. 예를 들어 적도 부근의 식물들은 대부분 매우 빠르게 자라며, 크기도 비교적 큽니다. 하지만 태양 복사 강도가 높다고 항상 좋은 것은 아니며, 동식물의 성장에는 어느 정도 선택성이 존재합니다.

그림 1. 태양 스펙트럼 및 가시광선 스펙트럼의 특성

둘째로, 식물 성장의 주요 흡수 요소 몇 가지의 두 번째 스펙트럼 다이어그램이 그림 2에 나타나 있다.

그림 2. 식물 생장에 관여하는 여러 옥신의 흡수 스펙트럼

그림 2에서 볼 수 있듯이 식물 생장에 영향을 미치는 몇 가지 주요 옥신의 광 흡수 스펙트럼은 상당히 다릅니다. 따라서 LED 식물 생장등의 적용은 간단한 문제가 아니라 매우 구체적인 접근이 필요합니다. 여기서는 식물의 광합성 생장에 가장 중요한 두 가지 요소의 개념을 소개할 필요가 있습니다.

• 엽록소

엽록소는 광합성과 관련된 가장 중요한 색소 중 하나입니다. 녹색 식물, 원핵생물인 남조류(시아노박테리아), 진핵생물인 조류를 포함하여 광합성을 할 수 있는 모든 생물체에 존재합니다. 엽록소는 빛으로부터 에너지를 흡수하여 이산화탄소를 탄수화물로 전환하는 데 사용합니다.

엽록소 a는 주로 붉은색 빛을 흡수하고, 엽록소 b는 주로 청자색 빛을 흡수하여 그늘 식물과 햇빛 식물을 구분하는 주요 특징입니다. 그늘 식물은 엽록소 a와 b의 비율이 낮아 청색광을 강하게 이용하고 그늘진 환경에 잘 적응하여 자랍니다. 엽록소 a는 청록색을 띠고, 엽록소 b는 황록색을 띕니다. 엽록소 a와 b는 각각 630~680nm 파장의 붉은색 영역과 400~460nm 파장의 청자색 영역에서 강한 흡수 피크를 나타냅니다.

• 카로티노이드

카로티노이드는 동물, 고등 식물, 균류 및 조류에서 흔히 발견되는 노란색, 주황색 또는 붉은색 색소의 한 종류로, 중요한 천연 색소입니다. 현재까지 600종 이상의 천연 카로티노이드가 발견되었습니다.

카로티노이드의 빛 흡수 범위는 OD303~505 nm로, 음식의 색을 결정짓고 신체의 음식 섭취에 영향을 미칩니다. 조류, 식물, 미생물에서는 엽록소에 가려져 카로티노이드의 색이 나타나지 않습니다. 식물 세포에서 생성된 카로티노이드는 광합성을 돕기 위해 에너지를 흡수하고 전달할 뿐만 아니라, 들뜬 단일 전자 결합 산소 분자로부터 세포를 보호하는 기능도 합니다.

몇 가지 개념적 오해

에너지 절약 효과, 빛의 선택성, 빛의 조화 등 여러 측면에서 반도체 조명은 큰 장점을 보여왔습니다. 그러나 지난 2년간의 급속한 발전과 함께 조명 설계 및 응용에 있어 많은 오해가 발생했는데, 이는 주로 다음과 같은 측면에서 나타납니다.

①특정 파장의 적색 및 청색 칩을 특정 비율로 조합하기만 하면 식물 재배에 사용할 수 있습니다. 예를 들어 적색과 청색의 비율은 4:1, 6:1, 9:1 등입니다.

② 백색광이라면 태양광을 대체할 수 있습니다. 예를 들어 일본에서 널리 사용되는 삼원색 백색광등 등이 있습니다. 이러한 스펙트럼의 빛은 식물 성장에 어느 정도 효과가 있지만, LED 광원만큼 효과적이지는 않습니다.

③조명 매개변수 중 중요한 PPFD(광량 밀도)가 특정 값(예: 200 μmol·m⁻²·s⁻¹ 이상)에 도달하면 충분합니다. 그러나 이 지표를 사용할 때는 해당 식물이 그늘 식물인지 햇볕을 좋아하는 식물인지 반드시 고려해야 합니다. 또한, 각 식물의 광보상포화점(광보상점이라고도 함)을 확인해야 합니다. 실제 적용 시 묘목이 타는 경우가 종종 발생하므로, 이 매개변수의 설정은 식물의 종류, 생육 환경 및 조건에 따라 조정해야 합니다.

첫 번째 측면과 관련하여, 서론에서 언급했듯이 식물 성장에 필요한 스펙트럼은 특정 분포 폭을 가진 연속 스펙트럼이어야 합니다. 그림 3(a)와 같이 스펙트럼이 매우 좁은 적색과 청색의 두 가지 특정 파장 칩으로 구성된 광원을 사용하는 것은 명백히 부적절합니다. 실험 결과, 식물이 노랗게 변하고 잎줄기가 매우 옅어지며 가늘어지는 경향이 나타났습니다.

과거에 흔히 사용되던 삼색 형광등의 경우, 백색은 합성되지만 적색, 녹색, 청색 스펙트럼이 분리되어(그림 3(b) 참조) 스펙트럼 폭이 매우 좁습니다. 따라서 연속적인 부분의 스펙트럼 강도가 상대적으로 약하고, LED에 비해 전력 소모량도 1.5~3배나 많아 LED 조명만큼 효율이 좋지 않습니다.

그림 3. 적색 및 청색 칩 LED 식물 조명과 3원색 형광등 스펙트럼

PPFD는 광 양자 밀도로, 광합성에 작용하는 빛의 유효 복사 광속 밀도를 나타냅니다. 이는 단위 시간 및 단위 면적당 400~700nm 파장 범위의 빛 양자가 식물 잎줄기에 입사하는 총량을 의미합니다. 단위는 μE·m⁻²·s⁻¹(μmol·m⁻²·s⁻¹)입니다. 광합성 유효 복사(PAR)는 400~700nm 파장 범위의 총 태양 복사량을 나타냅니다. 이는 빛 양자 또는 복사 에너지로 표현할 수 있습니다.

과거에는 조도계로 측정한 빛의 강도가 밝기였지만, 식물 생장의 스펙트럼은 조명기구와 식물 사이의 높이, 빛의 분포 범위, 잎을 투과하는 빛의 양 등 여러 요인에 따라 변화합니다. 따라서 광합성 연구에서 광 강도의 지표로 PAR(광합성 유효 광량)을 사용하는 것은 정확하지 않습니다.

일반적으로 햇빛을 좋아하는 식물은 PPFD(광합성 유효 광량)가 50 μmol·m⁻²·s⁻¹ 이상일 때 광합성이 시작되는 반면, 그늘을 좋아하는 식물은 20 μmol·m⁻²·s⁻¹만 있어도 광합성이 가능합니다. 따라서 LED 식물 재배등을 구매할 때는 이 기준값과 재배하려는 식물의 종류를 고려하여 필요한 LED 재배등의 개수를 선택하는 것이 좋습니다. 예를 들어, LED 전구 하나의 PPFD가 20 μmol·m⁻²·s⁻¹라면 햇빛을 좋아하는 식물을 재배하기 위해서는 3개 이상의 LED 전구가 필요합니다.

반도체 조명에 대한 여러 가지 설계 솔루션

반도체 조명은 식물 생장이나 파종에 사용되며, 기본적으로 두 가지 기준 방법이 있습니다.

• 현재 중국에서는 실내 재배 모델이 매우 인기를 끌고 있습니다. 이 모델은 다음과 같은 몇 가지 특징을 가지고 있습니다.

①LED 조명의 역할은 식물에 필요한 모든 스펙트럼의 빛을 제공하는 것이며, 이를 위해서는 조명 시스템이 모든 조명 에너지를 공급해야 하므로 생산 비용이 상대적으로 높습니다.
②LED 식물 재배 조명의 설계는 스펙트럼의 연속성과 완전성을 고려해야 합니다.
③ 식물에게 몇 시간 동안 휴식을 주거나, 조명 강도가 부족하거나 너무 강한지 등을 조절하여 조명 시간과 조명 강도를 효과적으로 제어해야 합니다.
④ 전체 과정은 습도, 온도, 이산화탄소 농도 등 식물이 야외에서 실제로 최적으로 자라는 데 필요한 조건을 모방해야 합니다.

• 우수한 야외 온실 재배 기반을 갖춘 야외 재배 모드. 이 모델의 특징은 다음과 같습니다.

① LED 조명의 역할은 빛을 보충하는 것입니다. 첫째, 낮에는 햇빛 조사 시 청색 및 적색 영역의 광량을 증가시켜 식물의 광합성을 촉진하고, 둘째, 밤에 햇빛이 없을 때는 빛을 보충하여 식물의 생장 속도를 높이는 것입니다.
②보조 조명은 식물의 생장 단계, 예를 들어 묘목기 또는 개화 및 결실기를 고려하여 선택해야 합니다.

따라서 LED 식물 생장등의 설계는 우선 두 가지 기본 설계 모드, 즉 24시간 조명(실내)과 식물 생장 보조 조명(실외)을 고려해야 합니다. 실내 식물 재배의 경우, LED 생장등 설계 시 그림 4와 같이 세 가지 측면을 고려해야 합니다. 세 가지 기본 색상의 칩을 특정 비율로 패키징하는 것은 불가능합니다.

그림 4. 실내 LED 식물 생장 촉진등을 24시간 조명에 활용하는 설계 아이디어

예를 들어, 묘목 단계에서 뿌리와 줄기의 성장을 강화하고 잎의 가지치기를 촉진해야 하며 실내 광원을 사용하는 경우, 그림 5와 같이 스펙트럼을 설계할 수 있습니다.

그림 5. LED 실내 유아원 기간에 적합한 스펙트럼 구조

두 번째 유형의 LED 식물 생장등 설계는 주로 야외 온실 바닥의 식물 생장을 촉진하기 위한 보조 조명 솔루션에 중점을 두었습니다. 설계 아이디어는 그림 6에 나타나 있습니다.

그림 6. 실외 식물 재배용 조명의 디자인 아이디어 

저자는 더 많은 원예 회사들이 식물 성장을 촉진하기 위해 LED 조명을 사용하는 두 번째 방법을 채택해야 한다고 제안합니다.

우선, 중국의 노지 온실 재배는 남북을 막론하고 수십 년간 축적된 방대한 경험과 광범위한 노하우를 보유하고 있습니다. 온실 재배 기술의 탄탄한 기반을 바탕으로 주변 도시에 풍부한 신선한 과일과 채소를 공급하고 있으며, 특히 토양, 물, 비료 재배 분야에서 풍부한 연구 성과를 이루어냈습니다.

둘째로, 이러한 보조 조명 시스템은 불필요한 에너지 소비를 크게 줄이는 동시에 과일과 채소의 수확량을 효과적으로 증가시킬 수 있습니다. 또한, 중국의 광활한 지리적 조건은 보급에 매우 유리합니다.

LED 식물 조명에 대한 과학적 연구로서, 이는 또한 더 넓은 실험적 기반을 제공합니다. 그림 7은 본 연구팀이 개발한 LED 식물 재배 조명의 일종으로, 온실 재배에 적합하며, 그 스펙트럼은 그림 8에 나타나 있습니다.

그림 7. LED 식물 재배 조명의 일종

그림 8. 특정 종류의 LED 식물 재배등의 스펙트럼

위의 설계 아이디어에 따라 연구팀은 일련의 실험을 수행했으며, 실험 결과는 매우 고무적이었습니다. 예를 들어, 모종 생육 단계의 조명으로 기존에는 32W 형광등을 사용했고, 모종 생육 기간은 40일이었습니다. 본 연구에서는 12W LED 조명을 제공하여 모종 생육 기간을 30일로 단축하고, 모종 작업장의 온도 변화에 미치는 영향을 효과적으로 줄였으며, 냉방 장치의 전력 소비량도 절감했습니다. 또한, 모종의 굵기, 길이, 색깔도 기존 모종 재배 방식보다 우수했습니다. 일반 채소 모종에서도 좋은 검증 결과를 얻었으며, 이는 아래 표에 요약되어 있습니다.

그중, 보조광을 조사한 그룹의 PPFD는 70-80 μmol·m⁻²·s⁻¹이고 적색-청색 비율은 0.6-0.7이었다. 자연 조건에서 자란 그룹의 주간 PPFD 값 범위는 40~800 μmol·m⁻²·s⁻¹였고, 적색-청색 비율은 0.6~1.2였다. 위의 지표들을 보면, 보조광을 조사한 그룹이 자연 조건에서 자란 묘목보다 우수한 것을 알 수 있다.

결론

본 논문에서는 식물 재배에 LED 생장등을 적용하는 최신 동향을 소개하고, LED 생장등 적용 시 발생하는 몇 가지 오해를 지적합니다. 마지막으로, 식물 재배용 LED 생장등의 개발을 위한 기술적 구상과 계획을 제시합니다. 또한, 조명과 식물 사이의 거리, 램프의 조사 범위, 그리고 일반적인 물, 비료, 토양과의 조화로운 사용 방법 등 조명의 설치 및 사용 시 고려해야 할 요소들이 있음을 강조합니다.

저자: Yi Wang 외. 출처 : CNKI