2.1 자연광과 인공광원의 비교 분석

실질적으로 인공광원을 자연광과 함께 사용하기 위해서는 광질의 비교·분석이 필요하다. 식물이 성장하는데 있어 필요한 파장은 가시광선 중에서 청색(430∼470nm)과 적색(630∼700nm)의 비율이 가장 크며 Fig. 1과 같이 색소, 엽록소 a, 엽록소 b에 대한 광합성 반응 곡선(Photosynthetic response curve)을 보면 알 수 있다. 500∼600nm의 녹색 가시광 영역도 필요하지만 다른 파장에 비해 같은 에너지를 소비하였을 때 식물 관점에서 받아들이는 효율이 상대적으로 낮다. 인간의 시감도 기준에서 Lux단위를 사용하며 1lux = 1lm/m² = 1cd·sr·m^-2 관계이며 1평방미터에 들어오는 광속의 량을 나타내는 척도로 나타낸다. 식물은 인간이 갖고 있는 시감도 차이로 PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density)의 µ㏖/m²/s 단위를 사용하며 식물 관점에서의 광합성 유효량 광량자속밀도를 나타낸다. 인공광원에 대한 단위 PPFD(µ㏖/m²/s)와 조도(lux)와의 상관관계는 Table 1에 나타내었다^(7,8).

2.2 자연광의 조도와 PPFD의 관계

식물 생장에 유용한 광원임을 평가하는 PPFD 값은 측정을 위해 고가의 PPFD 센서가 필요하다. 이로 인한 상용화 및 보급을 위한 문제점을 해결하고자 비교적 저가의 조도 센서를 이용하여 조도값을 측정한 후 PPFD 값으로 변환하는 방식으로 설계를 하고 실험을 진행하였다. Fig. 2와 같이 같은 장소에 하루를 기준으로 9월 중 특정 10일 동안 9시, 13시, 17시에 PPFD 측정 장치와 조도계를 이용하여 실험하였으며 그 결과 값을 Table 2에 측정한 결과표로 나타내었다. 날씨에 따라 시간대별로 측정된 값은 다르지만 측정값에 대해 조도를 PPFD로 나누어 평균값(lux/PPFD)을 계산해 보면 약 55 정도로 Table 1에 나타낸 Sunlight 54와 유사함을 알 수 있다. 또한, Table 1과 같이 인공광원 종류에 따라 단위 PPFD 당 조도값이 상이함으로 적절한 변환 인자 값 적용이 중요하다.

2.3 식물의 광보상점과 광포화점

식물에서 광보상점이란 광합성 작용을 위해 필요한 최소한의 광량이고, 광포화점이란 최소 광량을 넘어서 일정 수준에 도달하면 그 이상의 광량이 있어도 광합성 양이 늘어나지 않는 포화상태의 구간을 말한다. 인공광원의 제어를 하는데 있어 중요한 요소가 되며, 첫 번째로 광원의 설계가 완료되면 광원을 이용하여 식물의 종류에 따라 제어관점의 대상을 광보상점 또는 광포화점에 적용 할 것을 결정하며 이를 바탕으로 광원의 설계가 잘 되었는지도 확인할 수 있다. 식물의 종류별 광보상점과 광포화점이 존재한다⁽⁸⁾.

2.4 광보상점 추적 제어시스템

광보상점 추적 제어시스템의 구성 및 제원은 Fig. 3, Table 3과 같다. 주요 구성품으로 주 컨트롤러와 터치패널에 전원을 공급하는 24V 직류전원 공급장치, on/off 및 PWM 출력을 제어하는 컨트롤러, AC전원 on/off를 제어하는 DC 24V 릴레이, UI 구성 및 프로그램, 터치패널 등이다. LED 모듈에는 전원 공급를 위한 디밍용 SMPS로 DC 48V 출력으로 디밍 제어가 가능하다. LED 모듈 및 SMPS(Switching Mode Power Supply)는 정전류 방식의 구동 회로로 Flicker 현상을 줄이고 성능 및 수명을 높게 유지해 주는 장점이 있다.

2.5 식물 생장용 LED보광등의 제원 및 출력

식물 생장용 LED 보광등의 경우 종류에 따라 여러 유형의 파장 형태와 서로 다른 효율을 가진다.

통상적으로 광식물 생장용은 400∼700nm의 PAR (Photosynthetically Active Radiation) 영역이 대부분이며 기존에는 450nm peak와 660nm peak를 이용한 Narrow Spectrum을 구현하는 것이 대부분이었다. 그러나 작업자의 시야 확보 어려움의 문제와 White PKG 효율 상승 등으로 인해 Full Spectrum의 LED 보광등으로 변화하고 있다⁽⁹⁾. 실험에 적용한 것은 400nm∼700nm 영역의 Full Spectrum 구현이 가능한 것으로 자체 설계·제작한 LED 모듈의 제원 및 파장은 Table 4, Fig. 4와 같다. 청색 파장대의 450nm 와 적색 파장대의 약 660nm 의 첨두치를 갖는 Full-Spectrum LED PKG가 조합된 것으로 3,400K 색온도와 연색지수 90인 식물생육용 LED 모듈이다. 파장의 형태를 보면 White + RED로 분류할 수 있다.

2.6 조도와 PPFD의 광출력 관계 실험

320W급 Full Spectrum LED 보광등에 PWM Duty factor 입력에 따른 출력값을 측정하고 출력 변화에 따른 조도와 PPFD의 광출력 관계 실험을 하였다. 실험 화면은 Fig. 5와 같으며 실험 결과 값은 Table 5와 같다. Maximum Duty factor를 10,000으로 Duty factor 1000(Dimm. 10%) 간격으로 증가시키면서 조도 및 PPFD를 측정하였다. 실험 결과값으로 lux/PPFD(단위 PPFD에 대한 조도 값)의 평균값은 55.6으로 Table 1의 값 58과는 약간의 차이가 있지만, 실제 측정된 데이터 값을 적용하여 실험을 진행하였다. 또한, Dimming 10%씩의 출력 증가에 따라 PPFD의 평균 증가폭이 20.2µ㏖/m²s 인 것을 확인 할 수 있다.

식(1)은 조도의 거리 역제곱 법칙으로 거리변화에 의한 조도 및 PPFD를 계산 할 수 있다.

실제 농장에서는 재배하고자 하는 식물의 최대 높이, 인공광원의 투과된 에너지, 기구물의 간섭을 고려한 높이, 시설물의 환경 등을 고려하여 적정한 조명의 높이를 선정하는 것도 매우 중요하다. 설치 높이가 정해지면 PPFD 분석기로 식물에게 조사되는 포인트를 고정하고 계측하여 조명의 수량, 조명의 소비전력, 설치 간격 등을 정하는 것이 보광등용 조명 설계의 고려사항이다.

2.7 PPFD 와 Duty ratio의 광출력 관계 실험

태양광의 광량은 식(2)와 같이 조도 센서를 통해 입력받게 되고 최초 목표값과 현재 태양광의 조도 값의 차이가 작거나 0이면 인공조명(보광등)은 출력이 Off 상태이고 차이가 0보다 크면 출력이 On 된다. 출력 On 조건은 조도 값의 차이에 따라 필요한 만큼의 광량이 출력된다. 이때 필요한 광량은 PWM 신호의 Duty ratio 크기에 따라 결정된다.

여기서 PPFDn은 목표 값을 위한 필요한 값, PPFDg는 프로그램상에 목표 값, PPFD$_{s}$는 태양광의 값이다. 일반적인 식물농장에서는 조도 센서만 이용하므로 실질적으로 보광등에서 필요한 PPFDn값을 구하기 위해서는 PPFD 변환인자 값과 식(5)와 같은 단위 PPFD를 출력하는 PWM 신호의 Duty ratio가 필요하다. 이를 위해 Dimm. 10%(Duty ratio 1000) 증가에 따른 PPFD 평균값을 구해야 한다. 본 논문을 통해 조도 센서 1개를 이용하여 보광등의 수량과 설치 간격, 설치 높이의 환경적인 조건을 알 수 없음에도 식물에게 조사되는 보광등의 PPFD 평균값을 산출하는 방법을 제안하며 Fig. 5와 같이 동일한 조건에서 실험을 실시하였다. 초기상태에서 보광등이 Off 상태에서 광원의 1m 아래 바닥면이 식물에게 조사되는 계측 포인트가 되면 식물 위치에서 조도값은 태양광으로부터 들어오는 값이다. 이후 1.5초 간격으로 보광등이 On되고 10% 광량이 증가되어 조도값을 입력받게 되고 이 과정을 0∼100% 출력까지 순차적으로 측정하게 된다. 입력된 총 10개의 값은 태양광에 의한 조도값을 제외하고 10% 증가에 해당하는 조도값의 출력을 알 수 있으며 이를 평균하게 되면 평균 조도값이 된다. 이후 PPFD 변환 인자 값 “55.6”으로 나누게 되면 보광등의 10% 증가 출력에 대한 평균 추정 PPFD 값을 알 수 있고 Table 6과 같다. Table 6의 lux 값과 PPFD 값은 10% 구간의 델타 값이다.

광보상점 추적 제어를 위해 식(3)∼(5)를 통해 실내 환경이 고려된 PPFDn(목표 값을 위한 필요한 값)의 PWM Duty factor 값을 계산 할 수 있다.

여기서 PPFD$_{T}$는 PPFD의 합, PPFD$_{S}$는 태양광의 PPFD, PPFD$_{a}$는 보광등(LED)의 PPFD, lux$_{s}$는 태양광의 조도, lux$_{meter}$는 조도계에 측정된 값, lux$_{a}$는 보광등의 조도, 55.0은 태양광 PPFD 변환 인자(측정값), 55.6은 LED PPFD 변환 인자(측정값)이다.

식(3)을 통해 PPFD$_{S}$는 태양광의 PPFD값을 구하고 식(4)와 (5)를 통해 PWM Duty factor 출력을 구할 수 있다.

여기서 x는 단위 PPFD(µ㏖/m²/s)를 출력하기 위한 PWM Duty factor이며 20.04는 Dimm. 10%증가에 따른 추정 LED PPFD 값이다. 식(5)에 의해 필요한 PPFDn의 값은 x와의 연산에 의해 보광등의 출력 변화가 나타나게 된다. Fig. 6과 Table 7은 5월 중 하루 24시간 동안 광추적 제어 화면과 결과 값이다.

Sunlight 의 PPFD 값은 lux 값을 55로 나누고 소수점 첫째 자리에서 반올림하였다.

실험은 Fig. 5와 같이 동일 환경 조건으로 실내의 햇빛이 들어오는 창가에 위치하며 14∼15시 중에 가장 많은 태양광이 들어왔고, PPFD 기준 최대 600 수준의 태양광이 발생했음을 알 수 있었고, 목표값 PPFDg를 200으로 설정하여 측정된 기록이다. 태양광의 PPFD$_{s}$값을 계산하여 보광등의 PPFDn 출력이 결정된다. 실험을 통해 태양광이 200 이상 측정되면 보광등의 출력은 Off 상태이고, 200 이하에서 연산을 통해 출력이 On 상태임을 확인하였다.