KR101088098B1

KR101088098B1 - 식물 재배용 램프

Info

Publication number: KR101088098B1
Application number: KR1020100072219A
Authority: KR
Inventors: 이동권; 신유진
Original assignee: 주식회사 엔비오
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2011-11-29
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: KR20100110757A

Abstract

램프 유리관; 및 상기 램프 유리관에 도포되는 것으로, 식물의 광합성에 필요한 청색광, 적색광 및 원적색 광을 발산하는 삼파장 형광체;를 포함하며, 상기 삼파장 형광체는 Y_2-p-q-z(TR_Ⅲ)_p(TR_Ⅳ)_q(TR_Ⅴ)_zO₂S 를 성분식으로 하고, 여기서, p=0.01~0.1, q=0~0.001, z=0~0.0002이고, TR_Ⅲ=유로퓸(europium; Eu), TR_Ⅳ=프라세오디뮴(praseodymium; Pr) 또는 사마륨(samarium; Sm), TR_Ⅴ=프라세오디뮴(praseodymium; Pr) 또는 터븀(terbium; Tb) 인 것을 특징으로 하는 고효율의 식물 재배용 램프가 개시된다.

Description

식물 재배용 램프{LAMP FOR CULTIVATING A PLANT}

본 발명은 식물 재배용 램프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 식물의 광합성에 유효한 파장의 빛을 주로 발산함으로써 식물의 광합성 효율을 증대시킬 수 있는 고효율의 식물 재배용 램프에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 광 스펙트럼을 파장 대역별로 도시한 그래프이다. 도 2는 녹색 식물의 광 흡수 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 가시광선은 각 파장 대역별로 고유의 색을 띠는 광으로 구성되어 있다. 그리고, 녹색 식물은 녹색을 반사하기 때문에 녹색을 띠며 광합성을 위하여 엽록소가 흡수하는 광은 주로 적생광과 청색광이다. 식물의 클로로필 인자 중 엽록소a는 빛 에너지를 중심 색소로 전달하는 기능을 하고, 엽록소b는 빛 에너지를 엽록소a로 전달하는 기능을 한다.

그리고, 도시되지는 않았지만 각 파장 대역에 있어서 광합성의 효율을 표시하는 작용 스펙트럼을 살펴보면, 광합성에 가장 유효한 빛은 적색광이고 그 다음은 청색광이라고 하는 사실이 널리 알려져 있다.

일반적으로 식물은 태양의 복사 에너지를 이용하여 이산화탄소와 물로부터 포도당과 산소를 만들어 내는 광합성 작용을 한다. 1869년에 태양광 스펙트럼 중 붉은 오렌지 색(파장 대역 590~700 nm)과 청색광(파장 대역 420~470 nm)이 식물의 수확량을 크게 증가시킨다는 것이 입증된 이후로 작물의 성장속도와 태양광 스펙트럼의 상관관계에 대한 연구가 활발히 이루어졌다.

1950 년대 말, 원적색광이 없는 상태에서는 적색광에서도 엽록체의 양자 수율이 급격히 떨어지는 현상이 규명되었다.

1957년, 미국 일리노이대학의 에머슨(Emerson)은 적색광과 원적색광을 동시에 조사하면, 각 색을 단독으로 조사하였을 때보다 광합성 효율이 훨씬 증가하는 현상을 발견하였는데, 이를 광합성 촉진 효과(Photosynthetic enhancement) 또는 에머슨 효과(Emerson effect)라 한다.

적색광과 원적색광은 광합성은 물론, 식물의 발아와 개화, 영양생장과 생식생장, 광 주기성 등에서도 상호 밀접하게 관련되어 있는 것으로 판명되었으며, 식물생리학 등에서는 이를 광합성 유효 파장이라고 명하고 있다.

따라서, 식물의 생육에 유효한 인공 광원을 제조하기 위해서는 청색, 적색 및 원적색광이 모두 조사될 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다. 그러나, 종래의 그린하우스 등에 설치된 식물 재배용 램프는 청색과 적색 영역의 파장만 방출하므로 원적색광을 발생할 수 없어 광합성 효율이 저하되며 실제로 광합성이 원활히 이루어지지 못하는 문제점이 있다.

또한 형광등이나 고전압의 나트륨 램프에 의한 광 발생 장치를 그린하우스 등에서 설치할 경우, 식물의 광합성에 유효한 파장의 빛 이외의 빛도 다량으로 포함되어 있어 색물의 생육에 유효한 파장의 빛만을 강하게 조사할 수 없음은 물론 광합성 유효 파장 이외의 빛이 포함되는 많은 광량을 발생해야 하므로 소비전력이 커지고, 광합성 유효 파장 이외의 빛도 강하게 조사되어 식물의 잎이 타버리는 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로, 식물의 광합성에 필수 요소인 청색광, 적색광 및 원적색광 파장을 방출하는 단일 형광체를 형광램프에 도포하여 식물의 생육에 유효한 파장의 빛을 주로 발산하는 고효율 식물재배용 램프에 관한 것으로, 이를 이용하여 그린하우스, 실내 공간 등에서 인공조명을 이용하여 적은 에너지로 식물을 재배할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 그린하우스 등의 실내에서 식물을 재배함에 있어서 식물의 광합성에 불필요한 파장의 빛을 발산하지 않고 식물의 광합성에 유효한 파장의 빛을 주로 발산하는 식물 재배용 램프를 제공할 수 있도록, 여러 가지의 형광체를 조합하지 않고, 단일 혹은 2개의 형광체만을 가지고 광합성 유효 파장을 발산하는 식물 재배용 램프를 제공한다.

즉, 본 발명의 식물 재배용 램프는, 식물의 광합성에 필요한 청색광, 적색광 및 원적색 광을 발산하는 삼파장 형광체를 램프 유리관에 도포한 것으로, 삼파장 형광체는 Y_2-p-q-z(TR_Ⅲ)_p(TR_Ⅳ)_q(TR_Ⅴ)_zO₂S (Y=이트륨(yttrium), O=산소(oxygen), S=황(sulfur))를 성분식으로 하며, 여기서, p=0.01~0.1, q=0~0.001, z=0~0.0002이고, TR_Ⅲ=유로퓸(europium; Eu), TR_Ⅳ=프라세오디뮴(praseodymium; Pr) 또는 사마륨(samarium; Sm), TR_Ⅴ=프라세오디뮴(praseodymium; Pr) 또는 터븀(terbium; Tb) 인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서, 삼파장 형광체는 식물의 광합성에 필요한 청색광, 적색광 및 원적색 광 모두를 발산하는, 단일한 조성의 하나의 형광체를 의미한다.

또한, 일 실시예로서, 청색광을 보강할 수 있도록, 삼파장 형광체에 청색 형광체를 혼합하여 램프 유리관에 도포한 식물 재배용 램프가 제공된다. 청색 형광체는 Y_2-x-y(TR_Ⅰ)_x(TR_Ⅱ)_ySiO₅ (Y=이트륨(yttrium), O=산소(oxygen), Si=실리콘(silicon))를 성분식으로 하고, 여기서, x=0.01~0.1, y=0~0.005이고, TR_Ⅰ=세륨(cerium; Ce), TR_Ⅱ=네오디뮴(neodymium; Nd) 또는 툴륨(thulium; Tm) 이다.

삭제

본 발명의 고효율 식물 재배용 램프를 이용할 경우, 광합성에 유효한 파장이 전체 발산되는 광의 90% 이상이 되므로, 불필요한 광이 감소되어 에너지 낭비가 거의 없으며, 원활한 광합성으로 인하여 식물 생장 속도가 빠르고, 수확량이 증대되며 식물의 웃자람 등을 방지할 수 있게 된다.

또한, 작물 생산의 기본 요인인 빛, 물, 온도, 영양분 및 기타 필요 요소를 인공적으로 제공하며 이를 제어하는 식물 공장 시스템의 구현시, 작물을 생산하는 식물 공장의 인공 광원으로서 최적의 해결책이 될 수 있다.

즉, 고압 나트륨 램프 또는 메탈할라이드 램프보다 광합성 유효 파장에 해당하는 빛의 양은 증가되면서 상대적인 전력 소모는 거의 1/10에 그쳐 식물 공장의 실현에 가장 걸림돌이었던 광열비의 부담을 10배 이상 줄일 수 있어 식물 공장의 경제성 향상에 이바지할 수 있다.

도 1은 일반적인 광 스펙트럼을 파장 대역별로 도시한 그래프이다.
도 2는 녹색 식물의 광 흡수 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3은 원적색광 성분이 없는 종래의 식물 재배용 램프의 광 스펙트럼 그래프 및 색도도이다.
도 4는 원적색광 성분이 있는 본 발명의 식물 재배용 램프의 광 스펙트럼 그래프 및 색도도이다.

이하에서 본 발명의 실시예를 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 청색광, 적색광 및 원적색 광을 발산하는 식물 재배용 램프는, Y_2-p-q-z(TR_Ⅲ)_p(TR_Ⅳ)_q(TR_Ⅴ)_zO₂S 를 성분식으로 하는 삼파장 형광체를 포함한다. 여기서, p=0.01~0.1, q=0~0.001, z=0~0.0002이고, TR_Ⅲ=유로퓸(europium; Eu), TR_Ⅳ=프라세오디뮴(praseodymium; Pr) 또는 사마륨(samarium; Sm), TR_Ⅴ=프라세오디뮴(praseodymium; Pr) 또는 터븀(terbium; Tb)이다.

삼파장 형광체는 자외선 영역의 빛을 흡수하여 여기된 후, 광합성 유효파장을 발산하는 특징이 있다. 삼파장 형광체를 이용하여 고효율의 식물 재배용 램프를 제조하는 과정은 기존의 형광램프를 제조하는 과정에 준한다.

즉, 입경 3~10 ㎛, 바람직하게는 약 4 ㎛의 삼파장 형광체를 결착제와 혼합하여 형광물질 투입공정에서 램프유리관 내로 투입하고 열풍건조시킨 뒤, 필라멘트 삽입, 휴징작업, 램프 유리관 내 진공 작업 및 수은 가스 주입, 베이스 연결 작업 등을 거쳐 광합성 유효 파장을 발산하는 고효율 식물 재배용 램프가 제작된다.

사용되는 삼파장 형광체의 양은 40W 급 직관램프의 경우, 램프 1개당 삼파장 형광체 3~4 그램이 바람직하다. 3 그램을 넣을 경우, 자외선의 양이 많아지며, 4 그램을 넣을 경우, 발산되는 자외선의 양이 0.1% 미만으로 자외선이 거의 나오지 않는다.

식물에 따라서 약간의 자외선이 필요한 경우가 있기 때문에 바람직하게는 40W급 직관램프의 경우, 램프 1개당 3.5 그램의 삼파장 형광체를 투여하는 것이 가장 이상적이다. 또한, FPL 램프 등, 다른 형태의 램프에 있어서는 발산되는 자외선의 양이 전체 광의 1~3%가 되도록 투입되는 삼파장 형광체의 양을 조절하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 삼파장 형광체를 도포하여 제작한 고효율 식물 재배용 램프의 발광 스펙트럼을 표준 측색 기준에 맞추어 측정한 스펙트럼과 색도도이다. 여기에서 광합성에 유효한 청색, 적색 및 원적색 파장의 빛이 모두 발산되는 것을 확인할 수 있다.

도 3은 비교를 위하여 도시된 것으로 종래의 식물 재배 램프(편의상 PG 램프라 칭한다)의 스펙트럼과 색도도이다. 청색 및 적색광이 주류를 이루고 있지만 원적색 파장의 빛이 없음을 확인할 수 있다. 원적색광이 결핍된 경우, 광합성 저하 현상이 일어나 식물의 광합성이 원활히 이루어 지지 않게 된다.

한편, 청색광을 보강하기 위하여 2개 이상의 형광체를 혼합한 형광체를 램프 유리관에 도포하여 식물 재배용 램프를 제작할 수 있다. 이러한 2개 이상의 형광체를 혼합한 형광체는 삼파장 형광체와 청색 형광체를 소정 비율로 혼합한 혼합물이다.

청색 형광체는 Y_2-x-y(TR_Ⅰ)_x(TR_Ⅱ)_ySiO₅ 를 성분식으로 하며, 여기서, x=0.01~0.1, y=0~0.005이고, TR_Ⅰ=세륨(cerium; Ce), TR_Ⅱ=네오디뮴(neodymium; Nd) 또는 툴륨(thulium; Tm)이다.

청색 형광체를 삼파장 형광체와 혼합하여 고효율의 식물 재배용 램프를 제작할 수 있으며, 이때, 바람직한 배합 비율은 삼파장 형광체 : 청색 형광체 = 1 : (0.001~0.4)이다. 청색 형광체를 삼파장 형광체에 추가하여 청색 파장의 빛을 더욱 강하게 할 수 있다.

(실시예1)

월동춘재, 알파파, 적무의 씨앗을 3일간 물에 담가 불린 후, 각각 물에 적신 3개의 스펀지에 나누어 올려놓은 후, 암실에 두고 발아에 걸리는 시간을 측정하였다. 암실은 3개의 칸으로 구분하였으며, 각각의 암실에는 일반 형광램프, 식물재배램프, 그리고 고효율 식물 재배용 램프를 씨앗으로부터 1m 위에 달아 빛을 조사하였다. 다음 표 1에 각 램프의 경우에 대하여 발아에 걸린 시간을 표시하였다.

구분	일반 형광등	종래의 PG 램프	고효율 식물 재배용 램프
발아에 걸린 시간(hr)	72	52	6

(실시예2)

고효율 식물 재배용 램프를 겨울철 딸기 재배 하우스 내에 설치하였다. 겨울철 하우스 딸기 재배에는 전조를 하는 것이 일반적이며, 이때, 전조 시간은 오후 10시부터 새벽 4시까지이며 10분 점등에 50분 소등하는 것을 반복한다. 일반적으로 사용하는 조명은 백열전구 100W급이며, 지면으로부터 2m 높이에 2 m 간격으로 설치한다. 동일한 조건으로 동일 하우스 내에 일부 백열전구를 고효율 식물 재배용 램프로 교체하고 15일 경과 후, 그 차이점을 살펴보았더니, 고효율 식물 재배용 램프의 영향권에 있는 딸기의 잎이 백열전구의 영향권에 있던 딸기의 잎보다 두꺼워지고 색이 연하게 바뀌었음을 확인하였다.

(실시예3)

일반적으로 깻잎은 밤에도 수면을 방해하여 꽃대가 서지 않도록 하여 영양생장만 하도록 하여 지속적으로 잎을 수확하는 것으로 알려져 있다. 이를 위하여 야간 전조는 필수적이며, 이 때, 일반 형광등을 사용할 경우, 꽃대가 서면서 바로 생식생장으로 이어져 더 이상 잎을 수확할 수 없는 상황이 된다. 따라서, 깻잎 하우스에서는 태양광과 유사하다고 알려져 있는 백열전구를 사용하는 것이 가장 보편화 되어 있다. 본 발명자는 깻잎하우스에 고효율 식물 재배용 램프를 설치하고 일주일 후에 그 결과를 확인한 바, 잎이 연해지고 두꺼워 졌으며, 생식생장을 하지 않은 것을 확인하였다.

본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예 들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

램프 유리관; 및
상기 램프 유리관에 도포되는 것으로, 식물의 광합성에 필요한 청색광, 적색광 및 원적색 광을 발산하는 삼파장 형광체; 를 포함하며,
상기 형광체는 Y_2-p-q-z(TR_Ⅲ)_p(TR_Ⅳ)_q(TR_Ⅴ)_zO₂S 를 성분식으로 하고,
여기서, p=0.01~0.1, q=0~0.001, z=0~0.0002이고, TR_Ⅲ=유로퓸(europium; Eu), TR_Ⅳ=프라세오디뮴(praseodymium; Pr) 또는 사마륨(samarium; Sm), TR_Ⅴ=프라세오디뮴(praseodymium; Pr) 또는 터븀(terbium; Tb) 인 것을 특징으로 하는 고효율의 식물 재배용 램프.
제1항에 있어서,
상기 청색광을 보강할 수 있도록, 상기 삼파장 형광체와 혼합되어 상기 램프 유리관에 도포되는 청색 형광체를 더 포함하며,
상기 청색 형광체는 Y_2-x-y(TR_Ⅰ)_x(TR_Ⅱ)_ySiO₅ 를 성분식으로 하고,
여기서, x=0.01~0.1, y=0~0.005이고, TR_Ⅰ=세륨(cerium; Ce), TR_Ⅱ=네오디뮴(neodymium; Nd) 또는 툴륨(thulium; Tm) 인 것을 특징으로 하는 고효율의 식물 재배용 램프.
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