<기술 해설>

 

1. 식물은 어떤 빛에서 잘 자라는가.

 

식물은 태양광 아래서 가장 잘 자란다.

 

식물은 오랜 세월, 20~30억 년 동안 태양광 아래서 성장해 왔기 때문에, 그 방향

으로 진화해 왔을 것으로 추정되기 때문이다.

 

그런데 꼭 그렇지만은 않다는 것이, 태양광 중에서도 식물이 특히 선호하는 빛깔의 색이

따로 있고, 태양광 전부는 식물이 자라기에 좀 과할 만큼 강하기도 하다.

 

즉 식물은 태양광을 받아 광합성을 하나, 초록색은 그다지 좋아하지 않아, 거의 대부분을

반사해 버린다.

 

그래서 식물은 초록색으로 보인다.

 

또한, 대략 670nm 파장대 이상의 빛(검붉은 적색에서 근적외선대의 빛)은 식물을 투과해

버린다.

 

즉 식물은 670 nm 보다도 긴 파장대(적색에서 근적외선 부근)의 빛은 투과해 버리고,

610nm 보다 짧은 파장대의 빛(노란색에서 초록색 까지)은 반사하고, 450nm 파장대의

파란빛은 또 광합성에 이용을 한다.

 

그래서 식물은 660nm 대의 적색 빛과 450nm 대의 청색 빛에서 가장 잘 자란다고 알려져

있다.

 

이것은 식물학계에서는 잘 알려져 있는 정설이다.

특히 이때의 적색 대 청색 빛의 세기가, 식물의 종류에 따라 약간씩 차이가 있기는 하나,

대략 5:1 에서 20:1 의 세기 중 어느 점에서 가장 잘 자란다고 한다.

 

아래 (사진11)에 이런 파장대의 빛만을 모아놓은 빛 스팩트럼을 보여준다.

여기서는 660nm 파장대의 적색 LED 와, 450nm 대의 청색 LED, 그리고 White 와

또 다른 색이 포함되어 있어, 많은 시험을 거친 결과 얻어진 가장 효율적인 식물재

배용 조명이다.

 

여기서 적색대 청색 빛의 세기 비율은 대략 5:1 에서 20:1 사이가 가장 효율적이라는 연구

결과 발표가 많이 있다.

 

적어도 이 빛 스팩트럼은 엽채류(채소)를 재배하는 광원으로는 많은 시험을 거쳐 그 효율

성이 입증된 편이다.

 

 

 

 

 

위 (사진 12) 설명. 태양빛 스팩트럼

 

그림에서 보듯, 태양광의 스팩트럼은 자와선에서부터 가시광선, 적외선대를 모두 포함하고

있는데 그 중 가시광선대의 비율은 전체 태양광의 약 46%이고, 50%쯤이 근적외선과 적외

선 파장대이다. 식물은 이 가시광선대 중 초록색, 황색등은 광합성에 이용하질 않아 약

10%만을 광합성에 이용하는 실정이다.

 

그 결과, 그림에서 보듯 식물은 태양광의 일부분만을 광합성에 이용하는 격이 되는데, 그렇

더라도 태양광은 아주 세므로 아무리 비효율적이라도 식물을 성장 시키기엔 충분하다.

 

그러나 모든 빛을 전기 에너지에 의존하는 인공광 이용방법의 식물재배 방식에서는 빛의

효율이 바로 전기세가 되기 때문에 아주 효율적인 방법을 찾아내야 한다.

 

LED를 이용한 광합성용 빛을 만들어 내는 것이 가장 좋은 이유는, 이러한 빛 파장대를

가장 확실하게 만들어 낼 수가 있기 때문이다.

 

 

 

위(사진13)설명. 형광등에서 발산되는 빛의 스팩트럼.

 

형광등에는 그래프에서와 같이 620nm 대의 적색과 530nm 대의 초록색, 480nm 대의

청색에서 빛 스팩트럼의 피크가 있다. 식물은 형광등 불빛에서도 빛의 세기만 어느 정도

세면 잘 자란다.

 

그러나 형광등 불빛에는 식물의 성장에 도움이 안되는 주황색, 황색, 초록색과 자외선 등이

포함되어 있어 빛의 낭비가 있다. 특히 660nm 대의 적색 계열의 빛 스팩트럼이 약해 식물

의 광합성에는 적합하지 않은 빛이나, 아직은 광변환효율이 높은 편 (약 20%)이고 램프의

가격이 싸서 식물재배에 많이 이용되고 있는 편이다.

 

반면에 식물은 (사진11)에서와 같이, LED로는 적색(660nm 파장대)LED 와 청색(450nm 파

장대) 의 LED를 적당히 섞고, 여기에 다른 몇 가지 색들을 더하면 어떤 임의의 파장대를

따른 빛도 만들어 낼 수가 있고, 당연히 식물의 성장에 도움이 되는 최적의 빛도 합성해 낼

수가 있다.

 

그러나 KAST의 여러 번에 걸친 시험에 의하면 꼭 (사진12)에서와 같이, 척색과 청색만의

빛만으로는 식물이 그다지 잘 자라지 않는다는 사실을 찾아냈다.

 

 

식물은 이 빛 이외에도 다른 여러 가지 색을 섞어줘야 튼실하게 잘 자란다는 점이다.

 

그래서 KAST 의 가정용 식물지배기에도 이렇듯 주된 식물성장 빛 외에도 몇 가지 더 많은

빛의 조합을 이룬 LED를 광합성용 빛으로 사용하고 있다. (사진 11 참조)

 

사진에서 보듯 적색(660nm 파장대) 빛의 세기가 100% 라면, 이 때의 청색(450nm 파장대)

의 빛은 약 42%가 되어, 적색대 청색의 비율이 약 2.4:1 이 됨을 보여주고 있다.

그리고 그 외에도 초록색과 주황색 빛도 아주 조금 섞여있는 것이 보인다.

 

 

식물이 광합성에 가장 적극적으로 이용하는 660nm대의 적색 빛과 450nm 대의 청색 빛

외에도 다른 색의 빛을 섞어 그림과 같은 빛 스팩트럼을 만들어 낸다. 이 빛의 조합은

KAST 가 제법 오래 많은 시험을 거쳐 가장 식물 성장에 좋다고 판단

되어 얻어진 결과이다.

 

 

 

2. 식물은 어느 정도로 센 빛에 성장하는가.

 

 맑은 여름날 한 낮, 햇빛의 밝기는 약 100.000 ~150,000Lx(럭스)에 이른다.

 

여기서 럭스란, 인간의 눈에 비춰진 빛의 밝기를 나타내는 단위로, 사람의 눈에 비춰진

어떤 빛의 밝기를 말할 때는 이 단위를 쓴다. 또 대부분의 빛의 밝기는 이 단위로 말해도

된다.

 

여기 그 정도가 어느 정도인지를 보겠다.

 

조건................................................................................밝기(럭스: Lx)

 

여름철 맑은 한 낮 바로 비치는 햇빛............................. 50,000~130,000

한낮(바로 비치는 빛 없음)........................................... 10,000~25,000

TV 스튜디오의 조명.................................................... 1,000

사무실 내 권장조명..................................................... 320

매우 어두운 낮............................................................ 100

복도, 화장실............................................................... 80

거실의 약간 어두운 조명.............................................. 30~50

적도지방의 맑은 날 보름달........................................... 1

맑은 보름달................................................................. 0.27

달 없는 맑은 밤하늘..................................................... 0.002

하늘을 덮은 밝은 별빛.................................................. 0.0001

 

 

 

그러나 위의 밝기를 나타내는 단위는 Lx 로 나타내는 것으로, 이런 밝기의 대조는

인간의 시각에서 본 것으로, 사람의 눈에 느껴지는 밝기는 럭스 (Lx)로 나타낼

수가 있다.

 

그러나 식물이 빛의 밝기를 받아들이는 감도는 광합성작용을 하는데 필요한

광양자의 양에 의해 결정된다

 

이렇듯 식물이 받아들이는 빛의 밝기는 광합성광양자밀도 (PPFD: Photosynthetic Photon

Flux Density)라는 세기로 나타낸다.

 

이 말은 한마디로 1평방미터당 1초에 얼마나 많은 광합성에 필요한 광전자가 쏟아져

내리는가를 나타내는 것으로, 그 단위로는 µmolm^-2s^-1 로 나타내고, “마이크로몰 퍼

스퀘어미터 퍼 세컨드”라고 읽는다.

 

아래(사진14) 설명.  2010년 1월 23일, 위의 발아한 상추 싹을 재배상에 옮겨 심은 후 5일

이 지나 찍은 사진이다.

 

사진에서는 작은 싹들이 이제 겨우 자리를 잡은 듯 아직은 가녀리나 잎의 색이 좀 진해져

있어 견실해 보인다.

 

 

 

아래(사진15) 이 사진은 1월 28일 찍은 것으로, 정식 후 10일만에 식물공장에 관한 궁굼증 Next

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