그동안 수경재배쪽을 공부하면서 제일 골치 아펐던 부분이 조명부분이었습니다. 무엇보다도 초기 도입비용이 LED에 비교해서 무척저렴하기 때문입니다. |
먼저 식물은 뿌리로 영양분을 흡수하고 (수경재배에서 양액의 역할) 잎으로는 광합성(태양,조명의 역할)을 됩니다. 광합성을 하기위해서는 빛과 CO2(이산화 탄소)가 필요하게 됩니다.
대단위 온실에 재배를 위해서는 빛도 중요하지만 식물들이 너나 할것 없이 광합성을 하기 때문에 인위적으로 CO2도 보충을 해야 합니다. 마치 어항에서 수초를 재배할 때 빛만 가지고는 수초가 제대로 자라지 않습니다. CO2를 인위적으로 공급을 해야 한다는 것이 상식이듯이요.
문제는 수경재배의 경우 다단재배가 보통이므로 아래층은 윗층에 가려서 자연채광이 현실적으로 어렵게 되버립니다. 결국 보광재배도 아닌 전조재배가 되버리게 되는 것이지요.
결국 조명비용이라는 것이 가장 큰 이슈가 되버리게 됩니다. 제가 귀향후의 텃밭대신 수경재배장을 만들려는 계획에서 가장 크게 벽에 부딪친 부분이지요.
가장 좋은것은 역시 태양빛의 자연광이지만 실내 수경재배의 경우 온실이 아닌이상 인공조명이 절대적인것이 되버립니다. 비닐하우스는 그나마 낫지만 유리온실의 경우 초기시설비가 넘사벽이 되버립니다. 결국 제가 생각하는 부분은 자연채광을 아예 포기해서 초기 시설비를 줄이고(유리온실대비) 대신 단열로 겨울철 난방비를 절감하는쪽으로 생각을 하게 된것입니다. 비닐온실은 말할것도 없고 유리온실의 유리도 단열면에서는 별로이기 때문입니다.
유리온실비용과 유리온실 수경재배는 자연채광을 목표로 하기 때문에 다단수경재배는 힘이 듭니다. 결국 대면적이 필요하게 되는 것이지요. 다단 수경재배의 경우 같은 면적에서 실재배면적이 단수에 비례해 늘기 때문에 전체 토지면적이 많이 줄어 듭니다. 토지비용과 시설비(유리) 비용등을 감안 하면 나름 전조재배의 다단 수경재배도 비용면에서 실효성이 있을것이라 생각하기 때문입니다.
사실 귀향하게 되면 별도의 토지를 사야하기 때문에 토지구입비용이 우리나라 어디나 만만치 않게 되어 넓은 땅은 전업농도 아닌데 초기 투자비에서 문제가 생길수 있습니다. 단순 계산상으로는 토지구입비를 감안하면 LED조명투자비용은 크게 문제가 안될수도 있다는 생각이 들었기 때문입니다. (단 직접 DIY를 통한 비용일경우)
계획상으로는 반지하 혹은 옥상으로 주거와 복합으로 구성을 생각중이기 때문입니다. 마당을 포함한 지하면적이면 꽤나 면적이 나올수 있고 전조재배이므로 반지하도 무방하리라는 생각입니다. 옥상은 태양열 혹은 태양광 발전을 고려해야 하구요. 요즘 그린홈 100만가구 보급사업의 지열난방도 고려해야 하겠지요 ...
광합성을 위해 필요한 조명의 경우 결국 태양 자연광을 대치 하는 개념이 됩니다. 여러 연구결과에서 식물이 광합성을 하기 위해서는 태양빛의 모든 파장이 필요치는 않다고 합니다. |
일반적인 태양빛의 스팩트럼 파장입니다.
실재 가시광선영역인 400~600nm 주변이 아주 고르게
분포되어 있는것을 알수 있습니다.
이중에서 식물이 광합성을 하는데 필요한 파장을 정리해논 그래프 입니다.
450nm 주변과 660nm 주변이 식물이 광합성을 하는데
필요한 파장 영역 입니다. 450nm는 청색, 660nm는 적색이지요.
그래서 손쉽게 구할수 있는 조명에서 이 파장대 영역이 잘나오는 조명을
선택해야만이 광합성 작용을 잘 시킬수 있게 됩니다.
식물은 450nm 부근에서 광합성과 엽록작용을 660nm부근에서
엽록작용을 하게 됩니다.
자연광은 아주 고르게 분포가 되어 있어 가장 이상적이라
할수가 있지만 일단 전재가 자연채광을 포기한 상황이라
자연광은 그림의 떡입니다.
백열등은 일단 전기세라는 유지비용을 감당하지 못하지만
청색파장이 너무 낮아 광합작용에 크게 도움이 되지 못합니다.
형광등의 경우 반대로 660nm 부근의 적색이 너무 없어 엽록작용에
문제가 있게 됩니다.
이런 문제를 해결하려고 나온것이 PG 형광램프라고
형광등에 450nm와 특히 부족한 660nm부근을
보강한 형광등이 Plant Grow(식물성장) 형광등으로
나오고 있습니다. 가격도 참하고 백열등과는 비교안되는
전기세 비용이 강점입니다.
역시나 660nm 가 크게 보강되어 색상은 핑크색으로 천이가
되어 있습니다. (가정용으로 골치아픈 색상의 문제)
저도 실제 수경재배시에는 PG 램프도 병행해서 사용하려고
하고 있습니다. 비용문제 때문입니다.
다음은 LED부분입니다.
LED의 경우 같은 광량대비 현저한 전기세 절감이
최대의 장점입니다. 하지만 초기 비용이 너무 크기 때문에
비용면에서 너무 큰 장벽이 있습니다.
사실 주관적으로 전기세 절감으로 초기 투자 비용을
뽑아낸다는 것은 보광등으로는 조금 무리고 전조등의
경우 고민스럽게 하는 부분이 됩니다.
하지만 LED 이런 고비용에도 불구하고 LED만의
장점이 있습니다. 먼저 에너지 효율부분입니다.
시설이 조금커질경우 유지하는데 필요한 전기세가
부담이 되지만 LED의 경우 잘 설계된 제품의 경우
이 비용이 많이 줄어 들게 됩니다.
다음에는 제어의 편리성입니다.
형광등의 경우 밝기제어가 거의 불가능합니다.
수명이 급감하게 되버리기 때문입니다.
백열등은 손쉽게 되지만 원천 탈락이기 때문에
반면 LED의 경우 아주 손쉽게 제어가 됩니다.
또한 적,청 개별적으로 손쉽게 밝기 제어가
가능하기 때문에 식물종류나 성장시기별로
적절하게 맞춤제어가 가능하다는 점입니다.
(이부분이 제가 가장 크게 생각하는 부분입니다.)
다음에 수명입니다.
형광등의 경우 수명이 그리 길지를 못합니다.
하지만 LED의 경우는 잘설계해서 정격대로만
사용하게 되면 아주 긴 수명이 보장이 됩니다.
하지만 역시 초기 도입비용대비 에너지절약,
유지보수 및 교체비용은 아직은 크게 메리트가
없을것 같습니다. 이럼에도 제가 LED를 선택
한것은 제어의 용이성과 성능이라는 부분입니다.
목표가 자동제어형 수경재배이므로 여기에
가장 적합한것이 LED조명이기 때문입니다.
또한가지 문제는 유지보수 문제입니다.
일반 시중의 저급을 쓸경우 성능과 효능성도
문제지만 추후 유지관리 부분에서도 문제가
클수 있다는 것을 느꼈습니다.
결구 DIY를 통한 직접 제조일경우는 직접 A/S가능
하므로 이문제로부터는 원천 해방이 될수 있고
이것이 직접 DIY를 하게된 결정적 이유입니다.
제가 이번에 사용하려고 하는 LED들의 스펙트럼 파장입니다.
주의 깊게 보아야 하는것이 RED와 BLUE입니다.
중요한것은 파장분포가 아주 협소하다는 점입니다.
이점 때문에 사실 식물재배 LED의 경우 많은
오해와 불편한 진실들이 있게 됩니다.
식물재배용 LED라고 할경우 RED와 BLUE의
두가지 파장만을 사용하게 됩니다.
그럴경우 위의 아주 협소한 두개의 파장만을 갖는
조명이 되게 됩니다.
가장 큰 문제는 LED의 파장대가 식물성장에 필요한
정확한 파장대 제품을 채용해야만 한다는 것입니다.
이유는 파장이 협소하기 때문에 약간만 벗어나도
성장에 필요한 파장이 없어지기 때문입니다.
일례로 일반조명용 RED와 660nm 중심의
식물재배용 RED LED의 스팩트럼 표 입니다.
일반 조명용 LED는 대부분 파장이 620~640nm의
중심파장을 가지고 있습니다.
위의 붉은줄을 보시면 쉽게 이해를 하시겠지만
실제 필요한 660nm 주변은 아예 나오지를
않습니다.
이런 LED를 가지고 만든 제품을 식물에다
계속 켜주어 봤자 광합성을 할수가 없겠지요.
오히려 일조량 부족으로 심각한 웃자람을
겪게 될것 입니다.
식물성장용 RED는 보통 로얄레드라고 해서
상당히 진한 적색입니다. 따라서 인테리어용
조명으로는 별로 색상이 좋지를 않습니다.
블루도 식물성장용은 딥불루라고 일반
인테리어 조명색상과는 다릅니다.
당근 파장이 다르므로 색상도 다르게
발색이 되는 것이지요,
식물성장용 LED를 생산하는곳은 그리 많지를
않습니다. 특히나 요즘은 예전에 생산한 곳도
그리 판매가 없어서 조명용만 생산하고 단종을
하고 있는 상황입니다.
그래서 더더욱 제대로된 식물성장용 LED를
일반 시중에서 구하기는 어렵고 유행은 되다보니
말도 안되는 파장대의 제품을 가지고 식물성장등
이라고 팔고 있는 상황이고 그러다 보니
켜봤자 웃자라는 조명이라 효과 없다는
소리들이 나오게 되는 것입니다.
그리고 문제는 PG램프도 그렇지만
적색과 청색이 강화된 조명이므로 색상이
핑크 (제대로 된놈은 검붉은 핑크)가
발현이 됩니다. 가정용 실내용으로서는
색상이 좀 기묘하게 되버립니다.
그래서 White를 추가하기도 합니다만.
문제는 White의 경우 LED는 웜부터 쿨까지
색온도가 여러가지인 제품이 나오게 됩니다.
위의 그래프를 보시면 웜과 쿨의 경우
스팩트럼 보시면 쿨은 청색쪽이 웜은 적색쪽에서
식물성장에 필요한 파장이 많이 분포되어 있는것을
볼수가 있습니다.
즉 White라도 하나의 색온도 제품만을 사용하게되면
편식을 시키는 것과 같게 됩니다.
웜과 쿨을 적절히 잘섞을 경우 적청만의 조명보다
좀더 자연색에 가깝고도 식물 성장에 필요한
파장대를 공급할수가 있게 됩니다.
따라서 시중의 LED는 효과 없다, 적,청 LED보다
화이트가 더 효과 있다라는 오해와 불편한 진실들은
위 스팩트럼 파장을 잘 살펴보면 어떤 상황인지
쉽게 이해가 가능할 것 입니다.
이번에 제가 DIY중인 LED조명의 경우 위 스펙트럼시트에
있는 4가지의 LED를 합해서 제작을 하고 있습니다.
중첩을 시켜보면 위의 스펙트럼 그래프를 얻을수가
있습니다.
450nm 와 660nm 의 중심파장인 RED/BLUE의 식물성장
LED중심에 웜과 쿨 화이트로 보충을 하게 되면 보다 폭넓은
파장대를 갖춘 조명이 되리라는 계산입니다.
위의 그래프에서 보면 500nm 부분이 자연광에 비해 부족합니다.
이 부분이 바로 녹색영역의 파장대 입니다.
사실 식물의 경우 이 파장대를 거의 사용치 않습니다.
제일 위의 식물성장에 필요한 스펙트럼 파장그래프를
보시면 거의 필요가 없고 필요한 양도 웜과 쿨화이트로
충분히 보상이 될수 있습니다.
식물이 녹색을 띄는 이유가 바로 녹색은 필요가 없어 흡수하지 않고
반사하기 때문입니다. 색상은 해당 파장이 반사되는 색을 띄고있습니다.
검은색의 경우 모든 파장대를 흡수하기 때문에 검고 흰색은 반대의
경우가 됩니다. 그래서 검은색 옷을 여름에 입으면 모두 흡수 하기
때문에 한여름에 아주 따뜻하게 되겠지요 ^^..
빛의 삼원색은 RGB 입니다. 화이트 LED에서 녹색이
낮게 되어 있는것은 인간의 눈도 녹색에 민감하기
때문입니다. 즉 녹색은 인식성이 좋기 때문에
조금만 들어가도 흰색으로 느낌이 오게 되는 것이지요.
RGB가 33.33% 씩 똑같아야 되는 것은 아닙니다.
하지만 지금 당장 시험할때는 집에서 그것도 아파트에서
베란다에서 처리를 해야 합니다. ㅠ,ㅠ;
문제는 PG등도 그렇고 LED등도 그렇고 적청이 강화되면
핑크계열의 조명은 피할수가 없다는 점입니다.
특히나 야간의 경우에는 조명공해를 유발하거나 민원이
들어올수도 있기 때문입니다.
결국 그래서 지금 집에서 시험하기 위해서는 어쩔수 없이
GREEN을 추가하기로 하였습니다.
핑크를 좀더 무마하기 위해서입니다.
주간 점등시에는 RED/BLUE만 켜더라도 크게 문제는 없습니다.
야간 점등시에는 White만 켜더라도 크게 문제는 없습니다.
야간 풀로드시에는 그린도 켜주면 민원들어올 상황은
피할수 있겠지요 ^^..
그리고 LED조명의 경우 가장 중요한 부분은 발열부분입니다.
물론 형광등도 실제로는 열이 아주 많이 납니다.
천정에 있어서 모르지만 실제 켜논후 만져보면
장난아니게 뜨겁습니다.
하지만 형광등의 경우 발열이 크게 수명에 영향을
주지는 않습니다.
LED의 경우 발열이 문제가 되는 것은 수명에
아주 큰 영향을 주기 때문입니다.
LED도 점점 고출력화 되는 추세로 있습니다.
작은 페키지에 고용량을 넣다보니 발열은
피할수가 없게 됩니다. 문제는 발열을
잡지 못하거나 방열을 잘시키지 못해
온도가 상승할경우 LED의 장점인 고수명을
채우지 못하고 사망할수 있게 됩니다.
그래서 실제 LED조명업체의 기술은
구동회로와 같은 전기적인 부분보다도
방열설계기술의 노하우가 업체의 기술력을
판가름할수 있는 것이 됩니다.
유리나 비닐온실과 같은 보광재배의 경우는
조명의 면적이 넓으면 채광을 방해해서 문제가
될수 있습니다. 그래서 고출력으로 조명 면적을
작게 하는 노력이 필요합니다.
그리고 설치 위치가 천정과 같은 높은곳에 있기 때문에
방열 대책만 세우면 크게 문제가 없습니다.
하지만 다단 수경재배의 경우에는 조명과 식물의
거리가 아주 짧게 됩니다.
그리고 조도는 거리의 제곱에 반비례 합니다.
거리가 멀어질수록 조도가 급감하게 된다는 것이지요.
따라서 가급적 가까이 설치해야 만이 적은 광도로도
효과를 높일수 있습니다.
문제는 고출력용의 경우 발열체가 식물의 잎과
너무 근접하면 문제가 될수 있다는 것이지요.
그래서 다단 수경재배기에는 발열이 심한
고출력용은 조금 문제가 있지 않을까 싶습니다.
실제 실험상으로는 0.2W급은 정전류 구동했을경우
발열문제는 거의 고려치 않아도 됩니다.
단지 일반 시중의 저항방식은 저항에서 발열되는
양도 꽤나 크므로 조금 조심은 해야 합니다.
(이 부분은 이전 포스팅을 참고해 보시기 바랍니다)
1W급은 조금 신경을 써주어야 합니다.
심각할 정도는 아니지만 상당히 설치위치나
기타 방열을 방해할 만한 요소가 없는지
나름 잘 따져 보고 사용을 해야 합니다.
3W급은 수경 다단 재배용으로는
적합하지가 않습니다. 방열비용이
원가에서 너무 커지게 되기 때문입니다.
저같은 경우 DIY로 하기 때문에
조립은 무척 힘들지만 일단 0.2W급으로
시작하고 있습니다. 나중에 귀향시에는 한번
SMT업체에서 조립하면 되므로 문제는 없습니다.
0.2W급의경우 조도각이 120도로 좀 넓은 편입니다.
하지만 LED가격에 근접한 집광렌즈는 적당한
반사갓이면 충분히 방열과 함께 대치가 가능합니다.
이번에는 손으로 접어 볼품 없지만 역시나
귀향할때는 절곡집에 필요수량 주문해서
만들면 되므로 문제 없습니다.
1W급은 단순 반사간으로만은 조금 부족하다는
생각입니다. 매번 조심해서 높이를 조절해야 하는
불편함을 초래하고 해결하자니 방열비용이 상승해서
원가가 올라가는 상황이 올수 있기 때문입니다.
3W급은 둘다 적합하지를 않습니다.
토마토와 같은 키다리 식물은 다단이 원래 불가능하기 때문에
천정등으로 처리 해야 해서 이런 상황과는 다르겠지요.
마지막으로 LED조명을 선정한 경우는 구동회로나
효율 문제를 별도로 따져 봐야 합니다.
사용하려는 제품이 어떤 구동방식으로 설계가 되었는지
그리고 LED칩은 적합한 놈을 사용하고 있는지
확인을 해본후에 사야 효과없다는 느낌을
들게 하지 않을테니까요.
이 구동과 효율 부분은 이전 포스트를 참고하시면
나름 자세히 설명을 해놓았으니 참고하실수 있을
것이라 생각합니다.
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