LED를 이용한 식물공장의 현황 및 전망
근래에 외식문화의 증가로 각종 메뉴의 식재 중 하나인 야채에 대한 수요는 연중 발생된다. 이와 같이 야채는 주로 시설원예에서 생산, 공급되고 있지만 계절에 따라 기온, 일사량 변동으로 연중 동일한 품질이 생산되기는 어렵다. 이에 따라 외부 기상변화와 완전히 차단된 새로운 재배시설로서 식물공장(plant factory)이 제안됐다. 1980년대에 실용화된 식물공장은 창이 없는 빌딩, 대형저장고 등과 비슷하지만 식물의 광합성을 위한 강한 조명이 필요하다.
식물공장은 ① 연중 균일 품질로 안정적인 계획 재배 및 공급, ② 공간절약(입체재배 등) 및 재배기간 단축으로 높은 마루면적 당 생산량, ③ 재배환경조건 제어에 의한 식물의 특정성분 함유량 증가, ④ 적절한 환경스트레스에 의한 유용한 성분(기능성․향기․정유성분 등)의 함유량 증가, ⑤ 외부로부터의 해충, 병원균 등의 혼입방지 및 농약 미사용, ⑥ 물․배양액․CO2가스 등의 순환 이용 및 폐기물 감축 등의 장점을 갖는다.
식물공장의 특징 중 하나는 조명이다. 식물성장에 영향을 주는 광 파장대역은 300~800 ㎚이다. 자외선(UV)에 있어 식물에 영향을 주는 것은 UV-A(315~400㎚)와 UV-B(280~315 ㎚)로서 항산화작용을 갖는 안토시안 색소 합성, 병해저항성물질 합성 등 광형태형성반응을 일으키는 것으로 알려져 있다. 식물 광합성에 이용되는 파장대역(400~700 ㎚)은 광합성유효방사라 부른다. 이 파장대역의 빛은 광합성반응뿐만 아니라 발아, 줄기성장, 잎 형성, 꽃눈 분화․형성, 개화 등의 광형태형성반응을 일으키며, 청색광(B:400~500 ㎚), 녹색광(G:500~600 ㎚), 적색광(R:600~700 ㎚)의 3대역으로 구분된다. 가시광 영역 중 적외선에 인접되는 700~800 ㎚ 파장대의 원적외선(FR)은 광형태형성반응을 일으키므로 열작용 기능만 갖는 800 ㎚ 이상의 적외선과는 구분한다.
인간에게 적합한 빛이 식물에게도 최적하다고 말할 수는 없다. 하지만 식물생산용 광원으로서 광 변환효율이 높고 대량생산으로 가격이 저렴한 고압나트륨램프, 메탈할라이드램프, 형광램프 등이 사용되고 있다. 식물 잎은 빛을 광합성과 광형태형성에 이용한다. 광합성에서는 엽록소(chlorophyll)가 광 에너지를 흡수, 광화학반응에 이용한다. 광합성효율은 적색광, 청색광, 녹색광의 순으로 높다. 광합성 유도 신호를 발생하는 광수용체에는 청색광, 적색광, 원적색광에 대한 감수파장영역이 있다. 잎은 필요한 파장대역의 빛은 흡수하고 이용가치가 적은 녹색광은 반사한다. 필요 없는 빛은 흡수 시 체온이 상승되므로 파장선택적인 흡수는 중요하다.
식물공장용 광원은 인간생활용으로 최적화한 상태가 아니라 식물종류별 필요 파장이 조성된 것을 선택하는 것이 좋다. 발광다이오드(LED: Lighting Emitting Diode)는 단일 피크파장을 갖는 파장 폭이 좁은 단색 광원이다. 따라서 필요 파장만을 조사하는 데에 적합하고, 복수의 파장대역이 필요한 경우에는 복수 종류의 LED소자를 특정비율로 조합해 혼합 광을 만든다. 이와 같이 LED는 타 광원과는 달리 식물에 대해 최적 파장으로 조성된 광 환경을 만들 수 있다. LED는 식물에 필요한 적색과 청색광을 효율적으로 조사하는 광원으로 이미 시설원예 현장에 도입되고 있다.
LED의 특징으로는 긴 수명․작은 소자 크기․낮은 소비전력․적은 발열, 그리고 단색광 조성․점등방법의 용이, 근접조명에 의한 고광강도가 가능한 것 등을 들 수 있다. 그리고 식물재배에 이용 시에는 타 광원에 비해 광 강도조절 용이, 펄스조사 가능, 재배면의 균일 광 강도, 실험장치 크기에 맞는 광원제작, 다양한 피크파장, 파괴 시의 저 위험 등의 특징을 갖는다.
LED 적용에 있어서 신규시설 건설․신규구축 조명시설에 대해서는 초기 설비투자비 및 장래 유지비용 측면에서 광원이 선택되므로 LED가 다른 광원보다 유리한 경우에는 도입이 용이하다. 한편, 기존설비에 대해서는 기존 조명유닛 내의 안정기 교환이 필요하다. 따라서 소요 투자비를 고려하여 우위성을 판단하는 것이 필요하다. 농업에 있어 식물생산은 코스트에 매우 민감하다. 따라서 LED 적용은 쉽지는 않지만 빛 강도가 낮아도 효과가 있는 낮 시간 연장용 보충 광, 그리고 광 요구량이 적은 야채․화훼의 광합성용 보충 광에는 효과가 있다.
근래 일반조명용으로 보급되고 있는 백색 LED에 대한 활용검토가 진행되고 있다. 농업에 있어서 일반조명용 광원을 사용한 실적이 있기 때문에 조명용 백색 LED는 매력적이다. 하지만 백색 LED의 파장특성은 현재 식물공장 용으로 사용되는 백색계 형광램프의 파장특성과 다르고 식물에 맞는 파장특성도 아니다. 따라서 연구기관과 재배현장에서는 백색 LED에 대한 재배시험이 활발히 진행되고 있다.
이상과 같은 LED에 대한 식물공장용 광원으로서의 활용 검토는 불과 2000년대 후반부터 시작되었다. 하지만 LED 기술개발의 진전과 함께 재배현장에서의 활발한 시험 전개에 힘입어 향후 수년 내에 다수의 첨단 LED 식물공장이 탄생할 것으로 기대된다.
출처 : 後藤英司, “LEDを利用した植物工場の現狀と將來展望”, 「應用物理(日本)」, 80(1), 2011, pp.42~45
전 문 연 구 위 원 이 홍 원(hongwlee@reseat.re.kr)
미세 전주금형에 의한 고기능 도광판
1. 머리말
○ 차세대 조명 광원으로서 기대되는 LED는 절전, 소형경량, 원재료 감축 등 환경성능에서 뛰어난 특징을 갖고 있다. 최근에는 특정 용도로서 연출 조명에 의한 점포 조명으로부터 일반 조명 분야에 이르기까지 사용이 확대되고 있다. 이와 같은 LED 조명기구는 소형화, 고출력 및 고효율화는 물론 저가격화가 요구되고 있다.
○ 미세 금형에 의해 제작된 LED 조명용 고기능 도광판(light guide plate)은 상기와 같은 과제들에 대해서 매우 우수성이 높아 주목을 받고 있다. 구조가 단순함은 물론 광 이용 효율이 높은 특징을 가지고 있다. 여기서는 고기능 도광판의 원리 및 제조법, 그리고 LED 조명 용도 및 활용방안에 대하여 기술한다.
2. LED 조명 방식
○ LED 조명의 대부분은 다수의 LED를 고밀도로 집적한 형태로서 수십 개에서 수백 개 단위의 LED를 고밀도로 집적하여 면 발광체를 구성한다. 면 발광체 전체 면에 균일하게 빛을 조사하는 것은 쉽지 않다. 고밀도 집적형 면 발광체의 휘도를 균일하게 하기 위해 확산판이나 반사판을 사용하기도 하지만 광 손실이 큰 것이 문제다. LED 광 손실을 줄이면서 형광등과 같은 넓은 광 출사각을 구성하는 것은 어려운 과제다.
○ 도광판에 의한 면 발광체는 주로 액정 디스플레이의 라이팅 패널(lighting panel)로 사용되고 있다. 광원으로부터의 광이 발광 면 전체에 균일하고 효율적으로 비추도록 도광판 표면에는 반사 도트(dot)가 구성된다. 도광판 내를 전파하는 빛이 반사 도트에 닿으면 확산 반사가 일어나 반사 도트에서의 반사는 물론 투과한 광의 일부가 도광판의 윗면으로 출사되도록 구성된다.
○ 반사판은 도광판 이면에서 누설되는 빛을 도광판 내부로 되돌리는 역할을 한다. 확산 시트는 도광판 표면에서 출사되는 빛에 대한 확산 및 편광을 위해 사용된다. 고기능 도광판을 사용한 LED 조명은 구성요소가 적어 경량․박형이면서 광 출사각(시야각) 조정과 양면 발광이 가능하다. 또한, 그림자가 없어 눈으로 보기에 우수한 빛을 얻을 수 있는 특징을 갖는다.
3. 도광판의 설계 및 제조
○ 원추 사다리꼴(circular truncated cone) 모양의 반사판은 도광판의 윗면 휘도를 높여준다. 반사 도트의 배치 패턴은 도광판의 광학적 품질에 지배적인 효과를 가져 온다. 빛을 광선으로 생각할 경우에 광원부근은 광선 밀도가 높고 광원에서 멀어짐에 따라 광선 밀도는 떨어진다. 따라서 광원 부근은 반사 도트 밀도를 낮게 하고 광원에서 멀어짐에 따라 밀도를 높이는 것이 바람직하다. 즉, 불규칙성을 갖고 있으며, 얼룩이 눈에 띄지 않을 정도로 균일하고, 임의의 연속적 밀도 분포에 유연하게 대응할 수 있는 3가지 조건을 만족되도록 설계해야 한다.
○ 기계가공에 의해서 소정의 테이퍼가 있는 원추 사다리꼴 형상을 가공한다는 것은 어려운 일이다. 가공면이 거칠게 되면 반사광이 일정하지 않고 출사광을 제어할 수가 없다. 도광판의 양산에는 LIGA(Lithographie, Galvanoformung, Abformung의 약어) 프로세스와 같은 미세 구조체의 전사기술이 원자적으로도 유리하다.
○ LIGA 프로세스는 원래 방사광을 이용하는 리소그래피에 의한 3차원 미세형상의 금형 마스터 제작, 전주에 의한 미세 패턴 금형 제작, 정밀성형을 조합한 가공기술이다. 최근에는 후막 레지스트가 개발되어 UV(Ultra Violet) 리소그래피에 의해서도 높은 아스팩트(Aspect)비의 구조체 가공이 가능하게 되어 3차원 미세형상을 갖는 디바이스에 자주 활용되고 있다.
○ 미세반사 도트가 있는 금형 마스터의 3차원 미세형상인 원추 사다리꼴 반사 도트는 UV 리소그래피 기술을 바탕으로 새로이 고안된 회절 노광법에 의해서 구성된다. 이 방법은 레지스트와 마스크 간에 간격을 두고 일어나는 회절현상을 이용한 노광 방법이다. 회절각은 파장에 비례하고 개구부 지름에 반비례한다.
– 이번에 사용한 광원의 파장은 365㎚이고 유리 마스크 개구부의 지름은 수십 μ 정도의 크기를 사용하였기 때문에 프레넬 회절(Fresnel diffraction) 영역에 속한다. 프레넬 회절에서는 개구부를 통과하는 빛의 강도 피크는 회절에 의해 넓어지지 않고 좁아지는 경향이 있다.
이러한 회절 광 강도의 변화를 이용하여 1회의 노광으로 테이퍼 형상을 만들 수 있었다.
○ LIGA 프로세스에 의한 미세금형의 제작은 Ni 전주법을 활용하는 것이 주류이다. Ni 전주는 전해석출이기 때문에 전주 조건에 따라서 전착응력에 의한 휨 현상이 도금 피막에 발생된다. 이를 방지하기 위해 전주 조건의 최적화와 사출성형용 미세금형에 필요한 휨이 없는 두께 4㎜의 Ni 전주층을 고속 Ni 전주 프로세스로 제작하는 방법이 개발됐다. 개발된 미세금형은 금형 전체에 Ni 도금을 하지 않는다. 전주금형 표면에 무전해 Ni-B 합금피막을 위한 2층 Ni 도금처리를 통해 휨이 극히 적고 표면경도가 800HV 정도가 되는 고경도 미세금형을 개발하였다.
4. 고기능 도광판 LED 조명
○ 지금까지 UV-LIGA 프로세스에 의해 원추 사다리꼴의 반사 돌기를 형성한 고기능 도광판, 고휘도 LED 및 반사판 적용의 LED 조명장치 사례에 대해서 기술하였다. 고기능 도광판과 고휘도 LED를 사용한 LED조명장치는 소비전력 당 광속이 형광등의 1.2배, 백열전등의 약 6.3배가 되었다. 또한, 형광등과 동등한 빛의 시야각을 갖고 있어 목적에 맞는 LED 조명을 얻게 되었다.
○ 산화 티타늄 광촉매는 자외선 조사에 의해 생성한 정공이 흡착물을 산화해서 전자가 공기 중의 산소를 환원하여 유기물을 2산화탄소와 물로 분해하며 그 능력은 오존이나 염소보다 강하다. 광촉매 반응을 위해서는 외부로부터 산화티타늄의 밴드 갭에 상당하는 약 3.2eV 이상의 에너지를 갖는 빛, 즉 약 380㎚ 이하의 파장을 갖는 자외선을 조사해줄 필요가 있다.
○ 광촉매의 여기광원(excitation light)으로서 자외선 형광등을 사용한 담배 냄새 제거, 포름알데히드(Formaldehyde)의 제거, 균, 바이러스의 불활성화 등을 위한 공기 청정기도 개발 되었다. 그러나 블랙 라이트(black light) 등은 광원의 표면 온도가 올라가 안전성 등에 문제가 있다. 따라서 광촉매용 광원으로서는 자외선 LED를 사용한 자외선 면발광체가 요망된다.
5. 맺음말
○ LED 조명의 주류인 고밀도 집적형 LED 조명 방식의 강점이 입증되었다. 고기능 도광판 제조 시 미세금형을 이용한 전사기술인 LIGA 프로세스가 개발되었으며, 특히 전주에 의한 미세금형 제작은 2층 Ni 금형을 사용하였다.
○ 고기능 도광판을 이용한 LED 조명의 활용으로 가시광 LED 조명장치, 자외선 LED를 사용한 광촉매용 광원의 강점도 확인되었다. 앞으로 LED 조명의 시장요구는 점점 커질 것으로 생각되며 응용 발전이 기대된다.
출처 : 腹部 正, “微細電鑄金型による高機能導光板の作製とLED照明用途への展開”, 「表面技術(日本)」, 61(9), 2010, p.630~636
◃전문가 제언▹
○ LED는 점광원이기 때문에 넓은 면적을 효율적으로 조명하는 데는 한계가 있다. 액정 디스플레이 등에서 볼 수 있는 바와 같이 도광판 기술을 활용하여 효율적인 조명이 이뤄지고 있다. 도광판의 측면으로부터 입사한 빛은 도광판의 한 단면에 설치된 광산란층에서 산란해 면 전체가 균일하게 발광하는 역할을 한다.
○ 도광판 도트 형상을 매우 미세한 원추 사다리꼴 형상으로 구성함으로써 라이팅 패널의 구성부품인 확산 시트, 집광 프리즘 시트 기능을 포함, 균일한 발광이 가능한 획기적인 고기능 도광판이 개발되었다. 고기능 도광판의 제조에는 전주가공에 의한 미세금형을 이용한 전사기술로서 LIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung) 프로세스를 활용하고 있다.
○ 전주(Electro-forming)라 함은 전기도금을 이용해 원형과 똑같은 모양으로 복제하는 방법으로서 마스터 모델에 전기도금을 하여 모델 형상 표면의 凹凸을 반전하는 전기주조 방식을 말한다. LIGA 프로세스는 3차원 미세 패턴을 형성에 의한 정밀 금형 마스터 제작, 전주에 의한 미세 패턴 금형 제작 및 미세 패턴 금형에 의한 정밀 성형을 조합한 가공기술을 총칭한다.
○ FPD(Flat Panel Display) 관련부품 소재 시장은 BLU(Back Light Unit)의 LED화로 성장이 계속될 것으로 보인다. 미국 Display Search에 따르면 세계 TFT 액정부품 소재 시장규모는 2010년 603억 달러로 전년대비 17% 증가했다. 2011년에는 소재 시장규모가 626억 달러로 확대되고, 특히 BLU가 206달러 대폭 성장할 것으로 전망하고 있다. 따라서 고기능 도광판에 대한 시장 요구를 충족하기 위한 양산체제의 구축이 필요하다.
전 문 연 구 위 원 심 영 일(apsim@reseat.re.kr)
Source : KISTI Reseat.
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