수직형 작물 재배 농장의 수확률 높이는 LED 조명 시스템

[테크월드=양대규 기자] LED는 초기에는 가정과 상가 건물의 조명을 중심으로 보급되기 시작했으나, 이제 새로운 종류의 LED가 개발되면서 다른 시장 부문으로 확대되기 시작했다. 그 중 하나는 온실과 수직형 작물재배 농장(Vertical farm)이다. 작물 재배에 활용되는 인공 조명에는 전통적으로 고압 나트륨(High-Pressure Sodium, HPS) 등이 사용돼 왔지만, 시간이 지날수록 LED 제조회사들이 초기 LED보다 더 우수하고 스펙트럼 특성이 좋으며, 보다 효율적이고 비용효율적인 차세대 LED를 개발하고 있다.

최신 LED는 작물 재배에서 기존 고압 나트륨 등보다 뛰어난 특성을 제공한다. LED는 전력 소모가 적고 발열이 거의 없으며 수명도 길다. 이런 특성은 재배 시장에 새로운 가능성을 열어준다. 농부들은 이제 식물에 더 가깝게 조명을 설치할 수 있으며, 조명의 세기와 스펙트럼 방사율을 조절해 식물의 성장을 최적화할 수 있다. 이는 두 가지 면에서 이점을 제공한다. 하나는 수직 농장이라고 알려진 기법인데, 식물을 수직으로 빽빽하게 적층해 식물의 재배 밀도를 높일 수 있다는 점이고, 다른 하나는 식물의 성장 사이클과 그에 따른 온실 재배 시간을 최적화할 수 있다는 점이다. 이런 이유로 LED는 작물 재배 조명 분야에서 각광을 받고 있다.

하지만 LED는 몇 가지 제약도 갖고 있어 조명을 안정적으로 유지하고 식물 성장을 최적화하려면 이를 주의깊게 다뤄야 한다. 스펙트럼 센서로 구동하는 폐쇄 루프 제어 아키텍처를 사용하면 이런 문제를 해결할 수 있다.

성장 조명의 효과

많은 식물들이 공간적으로는 지구의 특정 지역에만, 시간적으로는 일년 중 특정 시기에만 자란다. 이는 부분적으로 식물의 온도와 습도 요건과 관련된다. 그 밖에 또 다른 중요한 요소가 식물이 노출되는 광원이다. 광원은 식물의 광합성과 성장에 필요한 에너지를 생산하는 데 직접적인 영향을 미친다.

일례로 일부 연구자들은 토마토 재배 시 발아 단계에서는 680nm 파장의 빛의 세기가 식물의 성장 속도에 매우 중요한 역할을 하지만 발아 후에는 거의 영향을 미치지 않는다는 사실을 밝혀냈다. 식물의 생장 단계에서는 650nm의 빛 세기가 성장과 엽록소(색소) 농도를 최적화한다. 그들은 연구에서 성장 기간의 각 단계(발아, 생장, 과실 단계)는 서로 다른 파장을 이용한 빛 조사가 필요하다고 결론을 맺고 있다.

북반구에서 일년 내내 토마토를 재배하려면 혹독한 겨울 날씨로부터 식물을 보호할 수 있는 온실이 필요하며, 겨울 동안 부족한 자연광을 보충해주면서 성장을 위한 최적의 스펙트럼 특성을 제공하는 조명 시스템을 갖출 필요가 있다. 조명 시스템이 태양 스펙트럼의 매일 달라지는 일조량 변화를 반영해 식물의 24시간 주기에 맞출 수 있다면 인공 조명 솔루션을 완벽하게 최적화할 수 있을 것이다.

다른 식물들 역시 생장 및 광합성에 고유의 스펙트럼 광 프로파일을 필요로 한다. 이런 프로파일에는 스펙트럼 파장 범위와 24시간 주기가 모두 포함된다. 작물 재배에 사용되는 광 스펙트럼은 대체로 파장이 400~700nm 사이인 가시광선 스펙트럼에 있다. 피크는 적색과 청색 범위에 있다. 하지만 각 식물들은 최적의 성장을 위해 전체 스펙트럼을 필요로 한다. 24시간 주기는 각 식물의 원산지 광 조건에 따라 다르다.

같은 종류의 식물 간에도 차이가 있기 때문에 광 품질은 특정 식물의 생산성, 성장 및 발달에 많은 영향을 미칠 수 있다. 광원의 강도와 스펙트럼, 24시간 주기를 모니터링하면 최적의 성장 조명 조건을 제공하도록 보장할 수 있다.

LED 스펙트럼 방사율의 온도 의존성

[그림 1]은 적색, 녹색, 청색 LED를 혼합해 사용하는 광원의 스펙트럼 방사율이 온도에 따라 어떻게 달라지는지를 보여준다. 수평축은 파장을, 수직축은 밝기를 나타낸다.

그래프는 적색 LED의 방사율이 청색 LED보다 온도 변화의 영향을 훨씬 많이 받는다는 것을 뚜렷하게 보여준다. 밝기는 5~70°C((41~158°F) 온도 범위에서 40% 가까이 감소한다.

이런 변화는 광원으로부터 나오는 광 출력의 색을 변화시킨다. 작물 재배 조명 시스템은 정밀하게 지정되는 파장에서 빛을 방출해야 하므로, 이는 제조업체에게는 반갑지 않은 효과다. [그림 2]는 이와 관련된 사례를 보여준다. 광원의 특성은 주변 온도에서 이상적인 흑체 곡선(Black body curve) 또는 플랑키안 궤적(Planckian locus)에 매우 근접할 수 있지만, 주변 온도가 80°C로 높아지면 광원의 방사율은 목표값으로부터 크게 벗어난다.

앞에서도 언급했듯이 식물의 성장을 최적화하기 위해서는 사람 눈이 인식하는 조명의 색이 아니라 출력의 실제 스펙트럼 프로파일이 중요하다. 따라서 전체 온도에서 광원의 스펙트럼 방사율을 제어하기 위해서는 방사되는 광 스펙트럼 프로파일을 알아야 한다.

LED 노화의 영향

LED 수명은 일반적으로 밝기가 새 것일 때의 70%로 떨어지는 데 걸리는 시간으로 정의된다.

[그림 3]은 1만 시간을 사용할 때까지 고출력 RGB LED의 밝기 특성의 변화를 보여준다. 이들 특성은 제조업체마다 다르지만, 일반적으로 처음 5000시간까지의 밝기 손실은 5~15%의 차이를 보인다. 흥미롭게도 [그림 3]에서 밝기의 차이가 모든 LED에 똑같지 않으며, 녹색과 적색 LED보다 청색 LED에서 밝기 저하가 더 크게 나타난다는 것을 알 수 있다.

이처럼 시간이 경과함에 따라 밝기가 저하되기 때문에 조명 시스템에서 LED를 주기적으로 교체해야 하며, 이는 어렵고 비용이 많이 드는 유지보수 작업을 요구한다는 점에서 소유 비용을 증가시킨다.

광학 피드백 시스템의 개념

작물 재배 조명 시스템이 적절히 동작하기 위해서는 시간과 온도에 걸쳐 출력을 조정해 지정된 색도와 강도를 유지해야 한다.

이를 위한 한 가지 방법은 LED의 전류와 전압을 안정화하는 것이다. 또 다른 방법은 LED의 온도를 측정해서 이 값을 LED 드라이버에 보고해, 온도 제어 루프를 구현하는 것이다. 이런 솔루션은 간접적인 레귤레이션을 수행하며, LED의 인광 물질에 대한 예상 노화 모델을 따른다. 또한 이들 솔루션은 광원 생성에 사용되는 LED에 대한 엄격한 분류를 요구한다.

이들 두 가지 방법보다 훨씬 우수한 방법이 이제 살펴볼 폐쇄 루프 레귤레이션 기법이다. [그림 4]에서 보듯이 이 솔루션은 스펙트럼 센서를 사용해 실시간으로 조명의 실제 스펙트럼 프로파일을 측정하고, 직접적으로 LED 드라이버나 컨트롤러를 제어해, 색도와 강도에 대해 지정된 목표 값에 일치할 때까지 출력을 조정한다는 점에서 레귤레이트되지 않는 제어 솔루션과 다르다.

[그림 4]는 혼합 LED 시스템을 보여준다. 이 시스템의 원리는 RGB + 백색, RGB 백색 + 황색 또는 4개 이상의 스펙트럼 LED를 사용하는 스펙트럼 성장 조명 시스템 등 모든 LED 광원에 적용된다.

센서를 위한 광 수집은 다양한 방법으로 달성할 수 있다. 한 가지 방법은 광원 안에 여러 LED로부터 빛을 수집해 혼합된 빛을 센서로 보내는 라이트 가이드를 설계하는 것이다. 또 다른 방법은 광원 외부에, 식물의 높이로 직접 배치할 수 있는 스펙트럼 감지 장치를 설계하고, 드라이버에 통신 인터페이스를 구축하는 것이다. 이 경우, 감지 장치는 낮 동안의 빛을 감지하고 반응할 수도 있다.

센서를 활용한 LED 폐쇄 루프 제어 아키텍처

앞에서 설명한 폐쇄 루프 제어 아키텍처는 광원의 여러 LED로부터 방출되는 광 스펙트럼 프로파일을 높은 해상도로 측정할 수 있는 소형 센서 디바이스를 필요로 한다.

ams가 출시한 AS7265x는 이에 필요한 기능을 제공한다. 이 센서 디바이스는 각각의 크기가 4.5x4.4x2.5mm인 고집적 6채널 스펙트럼 센서 디바이스 3개로 구성된 칩셋으로, 센서 어레이에 입사되는 빛을 제어하는 애퍼처(Aperture)를 통합한 LGA 패키지로 제공된다. 이 디바이스 제품군은 나노광학 증착 간섭 필터 기술을 사용하여 가우시안 필터를 표준 CMOS 실리콘에 통합했다.

이 디바이스는 마스터-슬레이브-슬레이브 아키텍처를 채택하고 있어 호스트가 3개의 센서 IC를 1개의 로직 디바이스로 인식하므로 시스템 통합을 간소화하고 개발 시간을 단축시킨다. AS7265x에 통합된 지능형 기능은 원시(raw) 광 측정을 보정된 디지털 출력으로 변환하고, I2C 또는 UART 인터페이스를 통해 호스트 마이크로프로세서에 대한 인터페이스를 관리한다.

AS7265x의 18개 채널은 20nm 간격으로 가시광선과 근적외선(NIR) 스펙트럼의 파장에 걸치며, 410nm, 435nm, 460nm, 485nm, 510nm, 535nm, 560nm, 585nm, 610nm, 645nm, 680nm, 705nm, 730nm, 760nm, 810nm, 860nm, 900nm, 940nm에서 파장 중심점을 갖는다. 이런 AS7265x 필터 특성은 맥크리 곡선(McCree curve)로 알려진 스펙트럼 프로파일인 최적의 성장 조명 조사에 필요한 파장 범위를 정확히 지원한다.

AS7265x의 간섭 필터는 극히 정밀하고 재현 가능한 특성을 제공하며, 시간과 온도 조건 모두에 대해 안정적이다. 이런 특성을 바탕으로 ams는 많은 채널 수의 스펙트럼 분석 계측에 필요한 일반적인 부품 솔루션보다 훨씬 작고 더 비용 효율적인 스펙트럼 센서 IC를 제공한다.

AS72651/652/653 칩셋은 공장에서 보정을 마치고 출고되며, 감지되는 전체 스펙트럼에 걸쳐 정규화된 35count/µW/cm2를 제공하고 알고리즘 개발을 간소화한다. 또한 시간과 온도 조건에 대해 뛰어난 필터 안정성을 갖고 있기 때문에, 제품 수명이 다 할 때까지 추가 보정이 필요 없는 제품 설계를 지원함으로써 부품과 생산 비용을 모두 낮추고 작물 재배 조명과 같은 새로운 애플리케이션을 개발할 수 있게 해준다[그림 5].

새로운 AS7265x 칩셋은 소형 크기에 저전력 특성을 모두 갖추고 있어, 조명 제조회사는 이런 고유한 특성을 이용하는 새로운 작물 재배 조명 시스템을 개발할 수 있다.

이런 조명 시스템은 식물 조명 시스템의 스펙트럼 방사 프로파일과 밝기를 광원에서 모니터링할 수 있고, 또는 식물에서 직접 할 수도 있다. AS7265x 센서는 고유한 스펙트럼 필터 특성 덕분에, 식물이 광합성을 하는 광 주파수 범위인 400nm 이하에서 700nm 이하 사이의 광합성 유효 방사(PAR) 같은 파라미터를 모니터링할 수 있다[그림 6]. 뿐만 아니라 센서의 스펙트럼 데이터는 전기 전원 입력과 LED의 광학 전력 출력의 비율인 벽면 플러그 효율을 모니터링하는 데 사용할 수 있다.

ams는 자체 수행한 초기 테스트에서 AS7265x의 정확도가 조명 시스템의 적절한 보정을 통해 실험실 등급의 분광계 정확도에 근접함을 확인했다.

[그림 7]은 분광계(적색)와 AS7265x 센서(청색)가 제공하는 측정값의 차이를 보여준다. 이 경우 ams는 분광계와 비교해 AS7265x 센서의 벤치마크를 수행할 수 있도록 절대값을 측정했다. 폐쇄 루프 제어 방식이 표준 프로파일로부터 벗어나는 드리프트만 측정한다면, 공장 보정은 상대값을 측정할 수 있을 만큼 충분히 우수한 성능을 제공한다.

AS7265x 센서는 스펙트럼 LED에서 노화의 영향과 온도 드리프트를 모니터링하는 것 외에도 낮 동안의 빛의 영향을 감지할 수 있다. 이렇게 감지한 정보는 낮 동안의 빛에 이미 포함되어 있으면서 스펙트럼 LED에 의해서도 방출되는 파장의 강도를 낮추는 데 사용할 수 있다.

이는 식물에 대한 최적의 조명을 유지하면서 추가적인 에너지와 비용을 절감할 수 있게 해준다. 결론적으로, 스펙트럼 18채널 AS7265x 센서 칩셋에 의해 구현되는 폐쇄 루프 제어 방법을 활용한다면, 작물 재배 조명 제조업체들은 다음과 같은 기능을 갖는 완전 자동 조명 시스템을 개발할 수 있다.

▲ 낮 동안 빛의 영향을 자동으로 보상

▲ 24시간 주기 자동 조정

▲ 전체 수명과 온도에 대한 LED 드리프트 자동 밸런싱

결론

향후 LED는 전통적인 HPS 조명을 대체하면서 대부분의 작물 재배 조명 시스템에 채택되는 광원이 될 것이다. 이런 전환이 가능한 이유는 LED 광원이 더 우수한 전력 효율과 낮은 방사 발열, 더 긴 수명을 제공하고 소유 비용을 낮추기 때문이다. 새로운 LED 기반 조명 시스템은 많은 센서를 탑재하고 더 지능적이고 연결된 시스템이 될 것이며, 온실에 더 우수한 제어와 자동화 기능을 가져다 줄 것이다. 스펙트럼 센서는 조명과 식물의 광합성 활동을 모두 모니터링하고, 이러한 정보는 자동으로 식물 성장 조명을 최적화하는 데 사용될 것이다.

AS7265x 같은 스펙트럼 센서를 사용하면 작물 재배 조명 시스템은 장기간에 걸쳐 더 효율적이고 더 안정적으로 운영할 수 있다. 이 센서는 자동 광 프로파일 밸런싱 및 성장 모니터링과 같은 새로운 기능을 구현할 수 있게 해준다. 이런 기능은 작물을 재배하는 데 필요한 노력과 에너지 비용을 절감시키고 작물 수확률과 품질을 최적화하는 데 도움을 준다.

글: 마커스 부스(Markus Busz)

자료제공: ams AG