실내 재배를 위한 LED 조명 설계를 최적화하는 방법

실내 농업에서는 점차적으로 LED 조명의 다양한 이점을 활용하고 있으며 그럴만한 충분한 이유가 있습니다. LED는 매우 작고 가벼우며, 다른 광원보다 최소 10배 더 오래 작동하고, 최소의 전류를 소비하고, 매우 효과적이며, 다른 스펙트럼 파장을 생성 가능하고, 디지털 제어 시스템과 호환됩니다. 하지만 LED 조명 시스템을 설계하여 성능을 최적화하는 과정이 매우 복잡하므로 고압 나트륨(HPS) 램프와 같은 비교적 간단한 이전 제품보다 더 많은 지표에 주의해야 합니다.

이 기사에서는 실내 농업에서 LED의 역할과 LED로 인한 문제점을 설명하고 LED 사용에 대한 권장 사항을 제공합니다. 그 과정에서 OSRAM, Luminous Devices, Würth Elektronik, ams, RayVio, Microchip Technology 등과 같은 기업에서 실내 농업 응용 분야용으로 공급하는 LED 및 관련 부품의 예를 제공합니다. 마지막으로 UV 스펙트럼을 사용한 최신 개발과 LED 조명 시스템 최적화를 위한 기타 요구 사항을 설명합니다.

재배 LED 농업 에코시스템

실내 재배용 소비자 조명 시장에서는 HPS 및 기타 광원에서 LED로의 전환이 엄청난 규모로 이루어지고 있으며 빠르게 첨단화되고 있습니다. 그 결과 LED의 다양성, 성능, 신뢰성 및 비용이 최근 몇 년 사이에 획기적으로 향상되었습니다. 예를 들어 OSRAM 모델 GH CS8PM1.24-4T2U-1은 646nm ~ 666nm 스펙트럼(빨간색)의 중심에 위치하고 59% 효율과 80˚ 회전 각도에서 425mW의 방사력을 제공합니다.

Luminous Devices 모델 SST-10-B는 450nm 파장(파란색)의 중심에 위치하고 57% 효율에서 510mW의 최소 방사력을 제공합니다. 방사각을 90° 또는 130°로 지정할 수 있습니다. Würth Elektronik의 원예용 LED에는 시야각이 125˚인 모델 150353GS74500 525nm(녹색) 장치가 있습니다. 또한 이러한 제조업체들은 재배에 필요한 전체 스펙트럼을 포괄하는 다른 파장을 가진 실내 농장용 LED를 제공합니다(그림 1).

그림 1: 광합성에 사용되는 색소의 흡수 스펙트럼은 약 400nm ~ 700nm의 가시 스펙트럼 전반에 널리 분포됩니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

실내 식물 재배는 식물학, 식물 토양학, 농작물 관리, 전자 모니터링, 제어 시스템 등 다양한 과학 부문을 포괄합니다. 이 환경에 새로운 광원을 도입하는 것은 어려운 일이지만 새로운 발견이 빠른 속도로 이루어지면서 보람도 있습니다. LED 조명을 사용하여 실내에서 실현되는 최적의 조건에서 실로 놀라운 결과를 얻을 수 있습니다.

이에 대한 사례로 일본 타가조 시의 Mirai 수직 농법 상추 농원이 널리 인용되고 있습니다(그림 2). 이전 Sony 제조 건물의 클린룸에 위치한 이 25,000ft² 시설에서는 2015년부터 매일 수천 포기의 상추와 다른 식물들을 수확하고 있습니다. 이를 위해 박테리아가 없는 환경에서 농약을 사용하지 않고 17,500개의 LED와 1/50의 물을 사용하여 재배하고 음식물 쓰레기를 40% 줄였습니다.

그림 2: Mirai 수직 농법 농원은 수직 농법을 사용하는 세계에서 두 번째 큰 농원으로 이 농법으로 운영되는 최초의 농원 중 한 곳입니다. (이미지 출처: National Geographic)

다양성과 과제

아이러니하게 실내 재배를 위한 고유하고 기본적인 이점 중 하나인 LED의 다양성은 LED 기반 실내 농원을 운영하는 것을 더 복잡하게 만듭니다. 예를 들어 구동기에 LED 조명을 어둡게 하는 기능을 포함해야 합니다. 또한 식물별 파장을 맞추기 위해 LED의 더 복잡한 사양에 대해 알고 있어야 합니다.

무접점 장치인 LED는 안정적이고 빠르게 작동하는 과부하 방지, 다이오드와 제어 회로의 정밀한 매칭 등과 같은 “전구”에 필요하지 않은 요소에 주의해야 합니다. 다행히 원예학 특히, 수직 농법의 빠른 성장은 조명 부품 제조업체에서 참조 설계, 평가 기판, 설계자의 업무를 훨씬 간소화해주는 기술 문헌(기초부터 고급까지)을 비롯하여 이 응용 분야에 기여하는 전체 에코시스템을 개발하기 위한 동기를 부여했습니다.

재배자들은 LED가 HPS 설비보다 낮은 열을 발생한다고 흔히 오해하지만, 이는 LED 설비가 낮은 전력으로 구동되는 경우에만 해당됩니다. 즉, 600W LED 설비와 600W HPS 광원은 거의 동일한 양의 열을 발생합니다. 둘 간에는 빛 에너지가 생성되는 양과 설비에서 열이 방사되는 방법에 차이가 있습니다.

HPS 광원의 열은 800°F에 도달하면 농작물을 향해 방사되는 반면에, LED의 열은 다이오드와 전자 장치가 PC 기판에 실장되는 위치에서 발생하므로 식물에 집중되지 않습니다. 따라서 LED는 식물에 피해를 주지 않으면서 실물에 매우 가깝게 배치할 수 있으므로 수직 농법에서 LED가 HPS보다 기본적으로 훨씬 우수합니다.

위의 설명에 따라 저전력 LED를 선택하는 것이 더 논리적이며, 인접한 다층 응용 분야의 경우에 일반적입니다. 하지만 대부분의 저전력 LED는 방사각이 고정적이고, 고전력 LED에서는 80도 ~ 150도 사이에서 방사각을 증분할 수 있습니다. 또한 고전력 LED의 성능에 대응하려면 많은 저전력 LED가 필요합니다. 고전력 LED는 대체적으로 강한 출력으로 먼 거리에서 광범위한 적용 범위를 포괄할 수 있는 캐노피 응용 분야에 가장 적합합니다.

그럼에도 불구하고 LED 설비에서 발생되는 열이 여전히 존재하므로 열 관리 시스템을 통해 기판에서 열을 빠르게 제거해야 합니다. 그렇지 않으면 LED의 수명이 크게 감소하며 완전히 고장 나는 경우도 있습니다. 기본 냉각 방법에는 방열판이 있는 수동 설비와 팬 또는 물을 사용하는 능동 냉각 설비가 있습니다. 후자의 경우 에너지를 소비하며 기계식 장치 고장으로 LED가 과열될 수 있습니다.

작동 수명 최적화

밝기가 원래 값에서 70% 감소되는 시점을 사용 기한으로 정의할 때 제조업체에서 지정하는 LED의 작동 수명은 대체적으로 최소 20,000시간이며 최대 50,000시간에 이르는 경우도 있습니다. LED 조명 시스템 설계자는 입력 전압과 전류를 안정화하여 정격 수명까지 시간의 경과에도 최대 출력을 유지하도록 보장하는 데 목표를 두고 있습니다. 전원 공급 장치 특히, LED 구동기가 온도 센서에서 데이터를 지속적으로 수집하고 조정하여 최적의 성능을 유지하는 역할을 합니다. 이러한 기능을 보완하기 위해 구동기에 정보를 다시 한번 제공하여 광원의 밝기를 실시간으로 측정하는 것이 좋습니다. 스펙트럼 센서는 이 작업을 수행하는 가장 비용 효율적이고 가장 단순한 방법입니다.

예를 들어 ams는 LED의 실제 스펙트럼 프로파일을 실시간으로 측정하고 색도 및 강도에 대해 지정된 목표 값과 일치할 때까지 LED 구동기를 직접 제어하여 출력을 조정하는 스펙트럼 센서 제품군을 제공합니다. AS7263-BLGT 모델은 600nm ~ 870nm 범위에서 스펙트럼 응답을 조정하는 6개의 독립된 광학 필터가 있고(그림 3), AS7262-BLGT 모델은 450nm ~ 650nm를 포괄합니다. 또한 이러한 모델은 설비 내부 또는 식물 레벨에서 직접 개별 LED를 정밀하게 모니터링할 수 있습니다. UART 또는 I²C를 통해 텍스트 기반 메시지로 통신합니다. 이러한 센서를 다른 기능과 함께 사용하면 추세 분석과 기타 분석을 수행하면서 LED 수명을 최적화할 수 있습니다.

그림 3: AS7263-BLGT 광센서는 450nm ~ 650nm 사이의 파장에 민감합니다. 이 센서는 LED의 스펙트럼 프로파일을 실시간으로 측정하고 색도 및 강도에 대해 지정된 목표 값과 일치할 때까지 LED 구동기를 직접 제어하여 출력을 조정하는 스펙트럼 센서 제품군 중 하나입니다. (이미지 출처: ams)

회로 보호

대부분의 응용 분야에서는 정전류 전원 공급 장치에 LED 스트링을 공급해야 하며, 긴 스트링으로 설계하려면 까다로울 수 있습니다. LED부터 수동 부품과 능동 부품까지 전체 제어 회로를 과도 전류로부터 보호해야 하므로 제어 시스템 내의 여러 부품에 의존하여 회로를 보호합니다. 기본 과전압 보호 장치는 AC 입력에 위치하고 높은 레벨의 과도 전압 억제기를 제공하고 링파 효과에 의해 발생하는 스트레스를 줄여주는 금속 산화물 배리스터(MOV)입니다. 이 장치는 잠재적인 파괴 에너지를 흡수한 후 열로 소비하여 부품을 보호합니다. 또한 LED 스트링 구동기 회로에는 일반적으로 과전류 및 고온으로부터 LED를 보호하는 정비례 온도 계수(PTC) 저항기와 과전압 보호를 위한 병렬 과도 전압 억제(TVS) 다이오드가 포함되어 있습니다. 회선 정류기 회로의 출력에는 2차 보호를 위한 고전압 DC 퓨즈가 포함되어 있습니다. 또한 열폭주를 방지하기 위해 리셋 가능 퓨즈를 LED와 직렬로 추가하는 것이 좋습니다.

일반적으로 실내 농법에서는 식물 성장을 촉진하기 위해 상대적으로 높은 주위 온도와 높은 습도가 필요하므로 조명 시스템이 이러한 환경에서 작동할 수 있어야 한다는 사실을 고려해야 합니다. 작동 수명 주기 내내 한 곳에서 유지되는 다른 응용 분야에 사용되는 설비와 달리 수직 농법 농원에서는 식물 성장을 최적화하기 위해 높이를 올리거나 내리고 위치를 이동할 수 있도록 설비를 설계해야 합니다. 이는 UL 8000에 자세히 설명된 배선 요구 사항에 영향을 줍니다.

구동기 고려 사항

저전압 DC 입력 전력을 사용하는 구동기와 고전압 AC 전력을 사용하는 구동기의 두 가지 기본 유형이 있습니다. 예를 들어 Microchip Technology CL88030-E/MF는 120V, 230V 또는 277V_AC에서 긴 저전류 LED 스트링을 직접 구동하도록 설계되었습니다. 일반 응용 분야에는 구동기 IC, 전력 FET 4개, 저항기 4개, 커패시터 2개, 브리지 정류기 1개가 포함되어 있습니다. 라인 조정과 함께 온도가 높아지는 만큼 조명 출력을 점진적으로 줄이도록 과온 방지 기능을 제공합니다. NTC 서미스터와 함께 추가적인 과온 방지 기능을 구현할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: Microchip Technology 모델 CL88030-E/MF 순차적 선형 구동기의 응용 회로는 MOV를 사용하는 보호 회로와 함께 장치를 보여줍니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

직렬로 배치할 수 있는 LED 수는 구동기, 입력 전압, 전기 코드 및 안전 표준에 따라 다릅니다. 단일 계열 체인으로 LED를 배치하면 구동기를 하나만 사용하면 되고 각 LED를 통해 동일한 전류가 흐르는 이점이 있습니다. 하지만 출력 전압이 높아서 더 큰 회로 부품이 필요하고 추가적인 안전 표준을 준수해야 할 수 있습니다.

직렬형 병렬 어레이는 입력 전압이 낮아서 감전의 가능성을 줄일 수 있습니다. LED 분기 중 하나에 문제가 발생할 경우 다른 분기는 계속 작동하므로 고장 난 LED로 인해 전체 어레이가 비활성화되는 일이 없습니다. 즉, 구동기는 정전류원이므로 작동 장치에 더 많은 전류를 공급하고 과열될 수 있습니다. 또한 직렬형 병렬 어레이에서는 LED 순방향 전압이 흡사한 경우를 제외하고 LED 간에 구동 전류를 균등하게 공유할 수 없습니다.

이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법으로 각 LED 스트링에 대해 여러 구동기를 사용하는 것입니다. 그러면 가장 높은 신뢰성이 제공되지만 비용과 크기가 증가합니다. 이 접근 방법에서는 여러 LED 스트링에 장애가 발생하더라도 약간의 조명을 출력할 수 있습니다.

UV 조명 관련 질문

학계와 산업계에서는 식물 재배를 위해 280nm ~ 385nm 사이의 자외선 “B”(UV-B) 비가시 스펙트럼 부분에서 LED를 사용할 경우의 그 잠재력에 대해 지속적이고 활발한 논의가 이루어지고 있습니다. UV 조명은 광합성 유효 파장을 벗어나므로 실내 농법에서 일반적으로 관심을 받지 못했습니다. 따라서 15년 전에만 해도 이 주제에 대해 최소한의 연구만 실시되었습니다.

이 특수 영역에 대한 관심을 제한하는 다른 요인으로는 안전이 있습니다. UV-B 광자는 인간과 식물의 세포에 피해를 주는 것으로 잘 알려져 있습니다. 실제로 조명 제조업체에서는 장치에서 발생하는 UV 조명을 획기적으로 줄이기 위해 포괄적인 조치를 취합니다. 따라서 실내 농법에서 UV를 채택하려면 인클로저 내에서 작업하는 모든 사람에 대한 포괄적인 보호 조치를 취해야 합니다.

수직 농법 업계와 일반 농업 모두의 관심을 끄는 것으로 UV-B 조명에 대한 식물의 반응이 있습니다. 즉, 식물이 방어 메커니즘을 활성화하여 이러한 파장으로부터 스스로를 보호합니다. 연구 결과에 따르면 일부 식물은 UV-B에 노출될 경우 15가지 방어 단백질을 생성할 수 있다고 합니다. 이러한 단백질 중 일부는 다른 파장에서는 생성되지 않는 식물의 냄새, 색상, 맛, 질병 저항 등에 영향을 줍니다.

UV-B 특정 광수용체(UVR8)가 2000년대 초에 발견되고 2011년에 특정되었을 때 논란이 많은 이 주제에 한 줄기 서광이 나타났습니다. UVR8에서 유전자 발현을 규제하는 메커니즘은 명확히 밝혀지지 않고, UVR8 경로가 어떤 기능을 하고 다른 광수용체의 통제 하에서 다른 경로와 어떻게 상호 작용하는지도 밝혀지지 않았습니다.

그럼에도 불구하고 신장 성장 감소, 잎 두께 및 밀랍 증가, 붉은 잎 상추와 일부 다른 식물의 잎 색상 향상, 병원균 및 곤충에 대한 저항력 강화, 보관 수명 2배 향상, 유익한 산화 방지제 및 플라보노이드 생성량 증가, 과일과 야채의 영양가 증가 등 UV-B 조명의 잠재적 이점이 문헌에 언급되고 있습니다.

많은 주장된 이점이 실질적인지 여부와 실내 재배에서 UV-B 조명을 사용하는 것이 안전 보장을 위해 시간, 장비 및 교육에 투자할만한 가치가 있는지 여부를 확인하기 위해 많은 연구를 수행해야 합니다. 그동안 280nm의 스펙트럼 파장을 가진 RayVio 모델 RVXR-280-SB-073105 UV LED 스타기판과 같은 다른 응용 분야용 UV LED를 사용할 수 있습니다.

결론

LED가 제공하는 유연성은 HPS와 같은 비교적 간단한 광원을 사용하는 설비에 비해 많은 문제점이 있습니다. 그럼에도 불구하고 화학 물질을 사용하지 않고 적은 토양이나 토양 없이 적은 공간에서 더 많은 식물을 재배할 수 있고, 야채의 영양가가 증가하고 식물의 개화기가 향상되는 이점은 매우 매력적입니다. 따라서 조명 및 반도체 부품 산업에서는 체계적으로 지원되는 솔루션을 통해 LED 조명 응용 분야를 간소화하는 동시에 기술을 개선하고 있습니다.