KR102017999B1 - 인공 광원을 이용한 에너지 자립형 재배 장치 - Google Patents
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Abstract
핑크 LED 광원을 이용한 에너지 자립형 재배 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 자립형 재배 장치는 작물을 재배하기 위한 적어도 하나의 재배 유닛이 층을 이루어 배열되는 재배부; 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광 발전판; 상기 태양광 발전판에 의해 변환된 전기에너지를 이용하여 상기 재배 유닛 내에 재배 중인 작물에 인공광을 조명하는 조명 장치; 오목한 곡면 형상으로 이루어져 자연광을 집광하는 적어도 하나의 집광판; 상기 집광판에 의해 집광된 자연광을 상기 재배 유닛으로 전달하는 광섬유 부재; 및 상기 광섬유 부재를 통해 전달되는 자연광을 상기 재배 중인 작물에 조사하는 보조 조명 장치;를 포함한다.
Description
본 발명은 작물을 재배하기 위한 재배 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인공 광원을 이용한 에너지 자립형의 재배 장치에 관한 것이다.
일반적으로 인공 광합성(Artificial Photosynthesis) 기반의 식물공장(Plant Factory)은 농업-IT-에너지 혹은 농업-IT-바이오 기술을 융복합 혹은 시스템화한 것으로써 고부가가치의 미래 산업으로의 발전이 기대될 뿐만 아니라, 지구촌의 당면과제를 해결한다는 측면에서 주목받는 연구 분야이다.
식물공장은 야채나 기능성 식물을 주요 재배작물로 하는 생산시설 내에 광, 온도, 습도, CO2 농도, 배양액 등을 인공적으로 제어, 공급함으로써 식물을 자동적으로 생산하는 시스템으로써 농업기술에 IT, 에너지, 바이오 등의 기술융합에 의해 외부 환경에 의존하지 않고 무공해 농작물을 계획 생산할 수 있는 미래형 산업이다.
최근 정부차원에서 실용화를 적극 검토하여 일부 지자체를 중심으로 시범 운영되고 있고, 사업규모도 매년 증가일로에 있지만, 본격적 양산단계에 이르기 위해서는 극복해야할 장벽들이 많이 남아있다.
대표적으로 식물공장의 재배환경 유지에 많은 전력비용이 소요되는 문제점이 있다 즉, 광합성 촉진의 핵심 파장대인 440nm와 680nm에 해당하는 광 조사는 주로 450/650nm 부근의 LED 광을 사용하고 있으며, 광형태 형성, 즉 목적성분 증대에 필요한 광 환경조성은 형광램프 등을 사용하여 왔다.
그러나, LED와 형광램프를 사용하는 식물공장은 재배환경을 유지하기 위해 많은 전력이 소비되고, 생산규모의 확장을 통해 시장 경쟁력을 강화하려면 단위 재배면적당 매월 수 kW/m2 이상의 전력비용을 부담해야 하므로 적어도 식물공장의 채산성 확보를 위해서는 전력비용이 전체 생산비용의 1/3이하로 낮아져야 한다.
따라서, 저가격(Cost-effectiveness), 고효율(High-efficiency)이면서 식물생장에 최적화된 혁신적 광원(조명) 기술의 개발은 인공 광합성 기반 식물공장의 발전과 도약을 위한 필수적 선결과제에 해당한다.
식물공장에서 재배할 수 있는 작물 중 인삼은 뿌리식물로서 그늘에서 자라는 식물이므로 밭이나 집 주변의 나무그늘이 진 곳에서 재배되거나, 차광망을 씌워 인공적으로 그늘을 만들어 재배되고 있다. 이와 같은 재배 방식은 태풍이나 장마, 홍수 등의 환경 조건에 따라 인삼의 생육에 악영향이 미칠 수 있으며, 여름철의 강한 자외선에 의해 일소 현상이 발생할 수도 있다. 이러한 환경 제약 요인을 배제하고, 작물을 주변 환경에 의한 영향 없이 표준 재배하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 식물의 광합성에 필요한 두 개의 파장인 440nm 범위의 파장과 680nm 범위의 파장이 하나의 광원에서 동시에 조사될 수 있도록 하여 인공 광합성 기반 식물공장의 소비전력을 절감할 수 있는 식물의 인공 광합성을 위한 핑크 LED 광원을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 인삼과 같은 뿌리식물 등의 작물을 효율적이고 경제적으로 재배할 수 있는 에너지 자립형 재배 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 집광판을 이용하여 자연광을 효율적으로 수집하여 작물의 재배에 활용할 수 있는 에너지 자립형 재배 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 각 층 별로 재배 중인 작물들에 대한 자연광 조광 등의 재배 조건을 균일하게 조절할 수 있는 에너지 자립형 재배 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 자연광의 자외선을 이용하여 경제적으로 작물의 뿌리에 곰팡이가 피는 것을 방지할 수 있는 에너지 자립형 재배 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 에너지 자립형 재배 장치는 작물을 재배하기 위한 적어도 하나의 재배 유닛이 층을 이루어 배열되는 재배부; 상기 몸체의 상면에 제공되고, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광 발전판; 상기 태양광 발전판에 의해 변환된 전기에너지를 이용하여 상기 재배 유닛 내에 재배 중인 작물에 인공광을 조명하는 조명 장치; 상기 몸체의 외면에 제공되고, 오목한 곡면 형상으로 이루어져 자연광을 집광하는 적어도 하나의 집광판; 상기 집광판에 의해 집광된 자연광을 상기 재배 유닛으로 전달하는 광섬유 부재; 및 상기 광섬유 부재를 통해 전달되는 자연광을 상기 재배 중인 작물에 조사하는 보조 조명 장치;를 포함한다.
상기 조명 장치는: 청색광과 적색광을 동시에 조명하는 핑크 LED 광원을 포함할 수 있다.
상기 핑크 LED 광원은: 청색 LED 광원에 600 내지 700 nm의 파장에 해당하는 광을 발생시키는 적색 형광물질이 도포될 수 있다.
상기 적색 형광물질은 M2Si5N8:Eu2+ (M=Ca, Sr, Ba), CaAlSiN3:Eu2+, 6MgO·As2O5:Mn4+, 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn4+ 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 핑크 LED 광원은: 440 nm의 파장에 해당하는 청색광과 680 nm의 파장에 해당하는 적색광을 동시에 제공할 수 있다.
상기 조명 장치는: 백색광을 제공하는 백색 LED; 및 적색광을 제공하는 적색 LED를 포함할 수 있다.
상기 조명 장치는: 청색광과 황색광을 동시에 조명하는 인조 LED 광원을 포함할 수 있다.
상기 재배 유닛은, 재배틀; 상기 재배틀에 형성된 구멍에 삽입되어 상기 작물을 지지하는 지지부재; 및 상기 재배틀의 하부에 제공되어 상기 작물의 뿌리 부분에 물과 양분을 공급하는 공급부;를 포함할 수 있다.
상기 보조 조명 장치는 상기 재배틀의 상부에서 상기 광섬유 부재를 통해 전달되는 자연광을 상기 작물에 조사할 수 있다.
상기 에너지 자립형 재배 장치는, 상기 재배틀의 하부에 제공되고, 상기 작물의 뿌리 부분에 자외선을 조사하여 상기 작물의 뿌리에 곰팡이가 피는 것을 방지하는 자외선 발생 장치;를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 자립형 재배 장치는, 상기 집광판에 의해 집광된 자연광을 자외선과 비자외선으로 분배하는 광분배기;를 더 포함할 수 있다.
상기 광섬유 부재는, 상기 광분배기에 의해 분배된 비자외선을 상기 보조 조명 장치로 전달하는 제1 광섬유관; 및 상기 광분배기에 의해 분배된 자외선을 상기 자외선 발생 장치로 전달하는 제2 광섬유관;을 포함할 수 있다.
상기 자외선 발생 장치는, 상기 제2 광섬유관을 통해 전달되는 자외선을 상기 작물의 뿌리 부분에 조사하는 자외선 조사부; 상기 제2 광섬유관을 통해 전달되는 자외선의 광량을 측정하는 측정부; 및 상기 자외선의 광량에 따라 자외광을 생성하여 상기 작물의 뿌리 부분에 조사하는 자외선 발생기;를 포함할 수 있다.
상기 광분배기는, 상기 자연광의 자외선 및 비자외선 중 어느 하나를 투과하고, 다른 하나를 반사하는 빔스플리터;를 포함할 수 있다.
상기 제1 광섬유관 및 상기 제2 광섬유관은 복수 층의 재배 유닛에 균일한 자연광이 전달되도록 상기 자연광을 분배하는 적어도 하나의 광커플러를 포함할 수 있다.
상기 에너지 자립형 재배 장치는, 상기 집광판의 둘레 방향을 따라 제공되는 복수 개의 열전 소자를 포함하고, 상기 복수 개의 열전 소자의 온도 차이에 따라 전기신호를 생성하는 감지부; 및 상기 감지부에 의해 생성되는 전기신호에 따라 상기 집광판의 방향을 조절하는 구동부;를 더 포함할 수 있다.
상기 감지부는, 제 1 방향을 따라 상기 집광판의 양측에 제공되는 제1 열전소자 쌍; 및 상기 제 1 방향과 수직인 제 2 방향을 따라 상기 집광판의 양측에 제공되는 제2 열전소자 쌍;을 포함하고, 상기 구동부는, 상기 제1 열전소자 쌍의 온도 차이에 따라 상기 집광판을 상기 제 1 방향으로 회동시키는 제1 구동장치; 및 상기 제2 열전소자 쌍의 온도 차이에 따라 상기 집광판을 상기 제 2 방향으로 회동시키는 제2 구동장치;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 하나의 광원에서 식물 광합성에 필요한 두 파장인 440nm 범위의 파장과 780nm 범위의 파장이 동시에 조사될 수 있으므로 식물공장의 소비전력을 획기적으로 감소시켜 경제성을 도모할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 인삼과 같은 뿌리식물 등의 작물을 효율적이고 경제적으로 재배할 수 있는 에너지 자립형 재배 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 집광판을 이용하여 자연광을 효율적으로 수집하여 작물의 재배에 활용할 수 있는 에너지 자립형 재배 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 각 층 별로 재배 중인 작물들에 대한 자연광 조광 등의 재배 조건을 균일하게 조절할 수 있는 에너지 자립형 재배 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 자연광의 자외선을 이용하여 경제적으로 작물의 뿌리에 곰팡이가 피는 것을 방지할 수 있는 에너지 자립형 재배 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판, 광분배기 및 광섬유 부재의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 재배 유닛의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물의 인공 광합성을 위한 핑크 LED 광원의 구성을 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물의 인공 광합성을 위한 핑크 LED 광원에서 조사되는 두 파장을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물의 인공 광합성을 위한 핑크 LED 광원의 색좌표를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 핑크 LED 광원에서 광이 발광되는 모습을 촬영한 이미지이다.
도 9는 적색 형광물질 M2Si5N8:Eu2+의 발광 파장을 도시한 도면이다.
도 10은 적색 형광물질 CaAlSiN3:Eu2+의 발광 파장을 도시한 도면이다.
도 11은 적색 형광물질 6MgO·As2O5:Mn4+의 발광 파장을 도시한 도면이다.
도 12는 적색 형광물질 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn4+의 발광 파장을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 자외선 발생 장치의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판의 평면도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판의 동작 상태를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판, 광분배기 및 광섬유 부재의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 재배 유닛의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물의 인공 광합성을 위한 핑크 LED 광원의 구성을 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물의 인공 광합성을 위한 핑크 LED 광원에서 조사되는 두 파장을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물의 인공 광합성을 위한 핑크 LED 광원의 색좌표를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 핑크 LED 광원에서 광이 발광되는 모습을 촬영한 이미지이다.
도 9는 적색 형광물질 M2Si5N8:Eu2+의 발광 파장을 도시한 도면이다.
도 10은 적색 형광물질 CaAlSiN3:Eu2+의 발광 파장을 도시한 도면이다.
도 11은 적색 형광물질 6MgO·As2O5:Mn4+의 발광 파장을 도시한 도면이다.
도 12는 적색 형광물질 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn4+의 발광 파장을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 자외선 발생 장치의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판의 평면도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판의 동작 상태를 보여주는 단면도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 이 발명이 속한 기술분야에서 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치(100)는 몸체(110), 재배부(120), 태양광 발전판(130), 집광판(140), 광분배기(150) 및 광섬유 부재(170, 180)를 포함한다.
본 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치(100)는 인삼과 같은 뿌리식물 등의 작물을 재배하기에 적합하도록 제공된다. 계절이나, 주변 기온, 기상 조건, 태풍, 장마 등의 환경 영향을 배제하고, 작물을 주변 환경에 관계 없이 일정하게 생육할 수 있도록, 몸체(110)는 육면체의 컨테이너(container) 형태로 제공될 수 있다.
일 실시예로, 몸체(110)는 밀폐 가능한 내부 공간을 가질 수 있다. 재배부(120), 태양광 발전판(130), 집광판(140), 광분배기(150) 및 광섬유 부재(170, 180)는 몸체(110)의 내부 공간에 제공된다. 도시되지 않았으나, 몸체(110)에는 상기 내부 공간으로 출입을 위한 출입구와, 내부 공간을 환기시킬 수 있는 통풍 장치가 마련될 수 있다.
재배부(120)는 작물을 재배하기 위한 적어도 하나의 재배 유닛(122, 124, 126, 128)이 층을 이루어 배열된다. 도 2에는 재배 유닛(122, 124, 126, 128)이 4개의 층으로 적층된 구조가 도시되어 있으나, 재배부(120)의 층 수는 1층 또는 4층 이외의 복수 층으로 제공되는 것도 가능하다.
태양광 발전판(130)은 에너지 자립형으로 작물을 재배할 수 있도록 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하여 작물 재배에 활용하기 위한 것으로, 효율적인 발전을 위하여 몸체(110)의 상면에 제공될 수 있다.
태양광 발전판(130)에 의해 변환된 전기에너지는 재배 유닛들(122, 124, 126, 128)로 공급되어 조명 등 작물 재배를 위한 목적으로 활용되거나, 배터리 등의 충전 장치(도시 생략)에 축전될 수 있다.
집광판(140)은 자연광을 수집하여 작물에 직접 조서하여 작물 재배에 활용하기 위한 것으로, 몸체(110)의 외면에 제공되며, 자연광의 집광을 위해 하방을 향하여 오목한 곡면 형상으로 이루어진다. 집광판(140)의 내면은 자연광을 반사시켜 광섬유로 효과적으로 유입시킬 수 있도록 반사도가 높은 물질로 제공될 수 있다.
도 1의 실시예는 몸체(110)의 상면에서 태양광 발전판(130)과 간섭되지 않는 네 모서리 위치에 4개의 집광판(140)이 설치되어 있으나, 집광판(140)은 1개 또는 4개 외의의 복수 개로 제공될 수도 있다.
집광판(140)은 자연광의 효율적인 수집을 위하여 상부를 향하도록 배치될 수 있다. 집광판(140) 내부에 빗물이나 이물질 등이 유입되지 않도록, 집광판(140)의 상부 개구부에는 투광판(142)이 설치될 수 있다. 또한, 집광판(140)의 상부 개구부에 집광을 위한 렌즈 등의 수단이 설치되는 것도 가능하다. 집광판(140)에 의해 집광된 자연광은 광분배기(150)와 광섬유 부재(170, 180)를 통해 재배 유닛(122, 124, 126, 128)로 전달된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판, 광분배기 및 광섬유 부재의 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 집광판(140)에 의해 집광된 자연광은 집광판(140)의 중심부에 연결되는 광섬유(160)를 통해 광분배기(150)로 전달된다.
광분배기(150)는 광섬유(160)의 말단에 구비되어 광섬유(160)를 통해 전달되는 자연광(L)을 자외선(L2)과 비자외선(L1)으로 분배한다. 일 실시예로, 광분배기(150)는 광섬유(160)를 통해 전달되는 자연광(L)의 자외선(L2) 및 비자외선(L1) 중 어느 하나를 투과하고, 다른 하나를 반사하는 빔스플리터(152)로 제공될 수 있다.
도 3의 예에서, 빔스플리터(152)는 자연광(L) 중 자외선(L2)을 투과시키고 가시광 등의 비자외선(L1)을 반사시키도록 구성되나, 비자외선을 투과시키고 자외선을 반사시키도록 구성되는 것도 가능하다. 또는, 광분배기(150)는 빔스플리터(152) 뿐 아니라, 광을 자외선과 비자외선으로 분리할 수 있는 장치라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 광섬유 부재(170, 180)는 광분배기(150)로부터 분기되는 제1 광섬유관(170)과 제2 광섬유관(180)을 포함할 수 있다. 제1 광섬유관(170)은 광분배기(150)에 의해 분배된 비자외선(L1)을 재배 유닛(122, 124, 126, 128)으로 전달한다. 제2 광섬유관(180)은 광분배기(150)에 의해 분배된 자외선(L2)을 재배 유닛(122, 124, 126, 128)으로 전달한다.
제1 광섬유관(170)과 제2 광섬유관(180)은 광커플러(도시 생략) 등의 수단을 이용하여, 적층된 재배 유닛(122, 124, 126, 128) 별로 균일한 광량이 공급되도록 구성될 수 있다.
일 예로, n개(n은 2 이상의 정수) 층의 재배 유닛(122, 124, 126, 128)이 적층되어 있는 경우, (n-1)개의 광커플러들이 제공될 수 있으며, 광커플러들은 순차적으로 자연광을 1:(n-k)로 분기하여(k는 광커플러의 순번), 각 층별로 1/n의 자연광을 재배 유닛(122, 124, 126, 128)으로 공급할 수 있다.
다른 실시예로, 복수 개의 집광판(140)을 이용하여, 각 집광판(140)에 의해 집광된 자연광이 서로 다른 층의 재배 유닛으로 전달되도록 구성될 경우, 자연광을 복수 층의 재배 유닛으로 분배하기 위한 광커플러는 생략될 수 있다.
제1 광섬유관(170)을 통해 재배 유닛(122, 124, 126, 128)으로 전달된 비자외선(L1)은 작물에 보조 조명을 제공하는 용도로 활용될 수 있다. 제2 광섬유관(180)을 통해 재배 유닛(122, 124, 126, 128)으로 전달된 자외선(L2)은 작물의 뿌리에 곰팡이가 피는 것을 방지하도록 작물의 뿌리를 살균하는 용도로 활용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 재배 유닛의 단면도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 재배 유닛(122)은 수경재배를 위하여 재배틀(122a), 지지부재(122b), 공급부(122c) 및 배수부(122d)를 포함할 수 있다.
재배틀(122a)은 판 형태로 이루어질 수 있다. 일 예로, 재배틀(122a)은 스티로폼 등의 판부재로 제공될 수 있다. 재배틀(122a)에는 종방향 및 횡방향으로 구멍들이 소정 간격으로 관통된다.
지지부재(122b)는 재배틀(122a)에 형성된 구멍에 삽입되어 작물(1)의 줄기 부분을 지지할 수 있다. 일 예로, 지지부재(122b)는 스펀지 등의 부재로 제공될 수 있다.
공급부(122c)는 재배틀(122a)의 하부에 제공되며, 펌프 등의 수단에 의해 배관(도시 생략)을 통해 물과 양분을 공급받아 노즐을 통해 상방으로 분무하여 작물(1)의 뿌리(12) 부분에 물과 양분을 공급할 수 있다.
배수부(122d)는 작물(1)의 뿌리(12) 부분에 공급된 후 낙하되는 물과 양분을 회수하기 위한 것으로, 재배 유닛(122)의 저부에 제공된다. 배수부(122d)에 의해 회수된 물과 양분은 공급탱크로 전달되어 순환되며, 이에 따라 물과 양분의 사용량을 줄여 재배 비용을 절감할 수 있다.
재배 유닛(122)의 상부에는 재배 유닛(122) 내에 재배 중인 작물(1)의 줄기 및 잎 부분에 광을 조명하는 조명 장치(132)가 제공된다. 조명 장치(132)는 태양광 발전판(130)에 의해 변환된 전기에너지를 이용하여 작물(1)에 인공광을 조명할 수 있다. 일 실시예로, 조명 장치(132)는 발광장치(LED; Light Emitting Diode) 등의 면발광 장치로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조명 장치(132)는 자색광과 적색광을 동시에 조명하는 핑크 LED 광원을 포함할 수 있다. 핑크 LED 광원에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 조명 장치(132)는 백색광을 제공하는 백색 LED 및 적색광을 제공하는 적색 LED를 포함할 수 있다. 이 실시예에서 백색 LED와 적색 LED는 서로 인접하도록 배치되어 작물에 백색광과 적색광을 동시에 조사할 수 있다. 여기서, 적색광은 파장이 660 nm일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
재배틀(122a)의 상부에는 작물(1)의 줄기와 잎 부분에 적정 광의 보조 조명을 제공하기 위한 보조 조명 장치(172)가 제공된다. 제1 광섬유관(170)을 통하여 보조 조명 장치(172)로 전달되는 비자외선은 투광창(174)을 통해 작물(1)로 공급된다.
일 실시예로, 조명 장치(132)는 보조 조명 장치(172)에 의해 제공되는 자연광의 광량에 따라 조명 광량을 조절하도록 제공될 수 있다. 이를 위해, 보조 조명 장치(172)로 전달되는 비자외선의 광량을 측정하기 위한 측정 장치(도시 생략)가 제공될 수 있으며, 측정된 비자외선 광량을 기준값과 비교하여, 기준값과 비자외선 광량의 차이값에 따라 조명 장치(132)의 광도를 조절할 수 있다.
작물(1)에 자연광의 강한 자외선이 조사될 경우, 작물(1)의 잎이 타들어가 광합성 등의 작용을 원활하게 하지 못하여 작물(1)의 생육에 악영향을 미칠 수 있으나, 본 실시예에 의하면, 광분배기(150)에 의해 자외선을 배제한 비자외선만을 작물(1)에 공급함으로써, 작물(1)의 재배에 필요한 적정 자연광을 제공하면서도 강한 자외선에 의한 일소현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 자연광을 보조 광원으로 작물(1)에 제공함으로서, 보조 조명 장치(172)에 의해 작물(1)에 제공되는 비자외선 광량만큼 조명 장치(132)의 전력 사용량을 줄일 수 있다.
또한, 밀폐되어 있는 재배 장치의 경우, 복수 층의 재배 유닛이 적층되어 구성되면, 자연광이 하부 층의 재배 유닛으로 전달되지 않아 각 층별로 작물에 균일한 광이 공급되지 않을 수 있으나, 본 실시예에 의하면, 제1 광섬유관(170)을 통하여 각 층별로 균일한 자연광(비자외선)을 제공하여, 전 층에 걸쳐서 작물을 표준 재배할 수 있다.
재배틀(122a)의 하부에는 자외선 발생 장치(190)가 제공될 수 있다. 자외선 발생 장치(190)는 작물(1)의 뿌리(12) 부분에 자외선을 조사하여 작물(1)의 뿌리(12)에 곰팡이가 피는 것을 방지한다. 광분배기(150)에 의해 분배된 자외선은 제2 광섬유관(180)을 통해 자외선 발생 장치(190)로 전달된다.
재배 유닛(122, 124, 126, 128) 별로 상이한 작물을 재배하는 경우에는 각 재배 유닛(122, 124, 126, 128) 마다 작물에 조명(인공 조명 및/또는 자연광), 자외선 광량, 물과 양분의 성분과 공급량 등이 상이하게 조절될 수 있으며, 작물 별 생육 과정에 따라 재배 조건이 조절될 수 있다.
아래의 표1은 식물의 광수용체의 흡수파장 범위와 각종 광원의 광분배율의 특성을 나타내는 것으로 광 수용체인 클로로필(chlorophyll)의 광 흡수 스펙트럼은 주로 청색 또는 자색과 적색에 집중되어 있음을 알 수 있다.
| 주요 광반응 | 광수용체 | 주요 흡수파장 범위 (nm) |
| 광합성 | Chlorophyll | 청색: 400-500 적색: 640-700 |
| Carotenoid | 청색: 400-530 | |
| 광형태 형성 | Phytochrome | UV-A+청색: 380-480 적색: 540-690 원적색:700-750 (광주성반응) |
| Cryptochrome | UV-A380 부근 청색: 450 부근 |
|
| Phototropin | UV-A380 부근 청색:450 부근 (굴광성 반응) |
광합성에 최적인 광분배율은 청색광 24%, 녹색광 32% 그리고 적색광 44%인 것으로 보고되고 있으며, 더욱이 식물의 형상(잎과 줄기의 성장)은 660nm(적색광; Red)과 730nm(원적색광: Far-Red)의 파장대를 포함하는 광자속비(R/FR)와 밀접한 상관관계가 있는 것으로 알려져 있다. 이값이 너무 커지면 잎과 줄기가 제대로 성장하지 못하는데, 대체로 백열전구를 제외한 인공광원은 자연광에 비해 R/FR 수치가 크기 때문에 식물이 성장하는데 충분한 광 환경을 충족시키지 못하고 있다.
따라서 자연광(광자속비: R/FR=1)에 가까운 광원을 개발하거나, 식물생장에 최적인 광 분배율 조건이 필요하다.
일반적으로 청색 LED만으로는 식물의 광합성에 필요한 680nm 범위의 파장이 나오지 않아 실제 식물공장에서는 청색, 백색, 적색 LED를 적절한 비율로 조합하여 식물의 인공 광합성을 위한 광원으로 사용한다.
이럴 경우 수명이나 발광효율은 상승하나 비용 측면에서는 오히려 불리한 측면이 존재한다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 식물의 인공 광합성을 위한 인조 광원은 하나의 광원만을 사용하여 식물 광합성에 필요한 두 파장인 440nm 범위의 파장과 680nm 범위의 파장이 동시에 조사될 수 있도록 하여 식물공장의 소비전력을 획기적으로 감소시켜 경제성을 도모하고자 하는 발명이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 식물의 인공 광합성을 위한 인조 광원은 도 5를 참조하면, 청색 LED 광원(10) 및 적색 형광물질(20)을 포함한다.
440nm 범위의 파장을 발생시키며 발광하는 청색 LED 광원에 600 nm에서 700nm 범위의 파장을 발생하며 발광하는 적색 형광물질를 도포한다.
이 광원에 전원을 공급하여 발광시키면 조사된 광원의 색깔이 핑크색을 띠게 된다.
이때 광원에서 조사된 핑크색에는 분광 분석기를 통해 스펙트럼 분석을 한 결과 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 식물의 광합성에 필요한 440nm 범위의 파장과 680nm 범위의 파장을 동시에 발생시킨다.
또한, 도 7의 색좌표에 도시된 바와 같이 청색 또는 자색과 적색이 동시에 나타나는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 핑크 LED 광원에서 광이 발광되는 모습을 촬영한 이미지이다. 도 8과 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 청색 LED에 적색 형광물질이 도포된 광원은 핑크색 광을 발산함을 확인할 수 있다.
한편, 적색 형광물질로 M2Si5N8:Eu2+ 이 사용될 수 있다. 여기서 M은 Ca, Sr, Ba 중 어느 한 원소가 사용될 수 있다.
M2Si5N8:Eu2+ (M=Ca, Sr, Ba) 는 적색 인광물질로써 도 9에 도시한 발광 스펙트럼(luminescence spectra) 상에서 약 650nm 범위의 피크 파장을 가지는 것을 알 수 있다.
CaAlSiN3:Eu2+ 또한, 적색 형광물질로써 도 10에 도시한 바와 같이 약 650nm 범위의 피크 파장을 가지므로 본 발명의 청색 LED를 도포할 수 있는 적색 형광물질 사용될 수 있다.
적색 형광물질로 6MgO·As2O5:Mn4+ , 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn4+ 또한 도 11과 도 12에 도시한 바와 같이 약 650nm 범위의 피크 파장을 가지는 것을 알 수 있어 본 발명의 청색 LED에 도포할 수 있는 적색 형광물질 사용될 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 식물의 인공 광합성을 위한 인조 광원은 청색 LED 광원에 적색 형광물질 및 녹색 형광물질을 도포함으로써 형성될 수도 있다. 이 경우, 적색 형광물질 및 녹색 형광물질은 기 결정된 비율로 혼합되어 청색 LED 광원에 도포될 수 있다.
예를 들어, 이 실시예에 따르면 적색 형광물질과 녹색 형광물질은 약 6:4의 중량비율로 혼합되어 청색 LED 광원에 도포될 수 있다.
그 결과, 본 발명의 실시예에 따른 인조 광원은 청색광 또는 자색광과 녹색광 그리고 적색광을 함께 조사하여 식물에게 광합성에 필요한 광을 공급할 수 있다.
이 실시예에서 녹색 형광물질은 모체 결정 BaMoO4에 서로 다른 농도를 갖는 활성제 이온 Tb3+을 도핑하여 제작될 수 있다. 구체적으로, 상기 녹색 형광물질을 제조하는 방법은 다음과 같다.
상기 녹색 형광물질을 제조하기 위해 BaMoO4:Tb3+ 형광체는 고상반응법을 사용하여 합성하였다. 초기 물질 BaCO3(순도: 99.995%), MoO3 (99.9%), Tb4O7 (99.9 %)를 화학양론적으로 준비하였으며, Tb3+ 이온의 농도(x)를 각각 0, 1, 5, 10, 15, 20 mol%로 변화시켰으며, 화학 반응은 아래의 식과 같다:
(1 - 1.5x)BaCO3 + MoO3 + 0.25xTb4O7 → Ba1-1.5xMoO4: xTb + (1 - 1.5x)CO2 + 0.125O2
정밀 저울로 측량한 초기 물질을 농도별로 각각 분리하여 에탄올, ZrO2 볼과 함께 플라스틱 병에 넣고 10 시간 볼밀(ball-mill) 작업을 수행한 후, 비커에 담아서 60 ℃에서 10 시간의 건조 과정을 거쳐서 건조한 시료를 80 μm의 미세한 크기로 갈아서 6 개의 알루미나 도가니에 담아 400 ℃에서 3 시간의 하소 공정과 1100 ℃에서 5 시간의 소결 공정을 통하여 합성하였다.
더 나아가, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 식물의 인공 광합성을 위한 인조 광원은 청색 LED 광원에 황색 형광물질을 도포함으로써 형성될 수도 있다.
이 경우, 황색 형광물질은 실리케이트계, 가넷계의 야그(YAG) 및 옥시나이트라이드계 형광물질 중 적어도 하나일 수 있다. 황색 형광물질은 Y3Al5O12:Ce3+(Ce:YAG), CaAlSiN3:Ce3+, Eu2+-SiAlON 계열 중에서 선택된 형광물질, BOSE 계열 중에서 선택된 것, 또는 이들이 혼합된 것일 수 있다. 황색 형광물질은 또한 원하는 파장의 광 출력을 제공하기 위해 임의의 적합한 레벨로 도핑될 수 있다. Ce 및 Eu 중 적어도 하나가 약 0.1 내지 약 20% 범위의 도펀트 농도로 형광 물질에 도핑될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 자외선 발생 장치의 구성도이다. 도 4 및 도 13을 참조하면, 자외선 발생 장치(190)는 자외선 조사부(192)와, 자외선 발생기(194) 및 측정부(196)를 포함한다.
자외선 조사부(192)는 제2 광섬유관(180)을 통해 전달되는 자외선을 작물(1)의 뿌리(12) 부분에 조사하여 곰팡이 발생을 방지한다. 자외선 발생기(194)는 제2 광섬유관(180)을 통해 공급되는 자외선의 세기가 뿌리 곰팡이 방지를 위해 충분하지 않은 경우, 자외광을 생성하여 작물(1)의 뿌리(12) 부분에 조사한다.
측정부(196)는 제2 광섬유관(180)을 통해 전달되는 자외선의 광량을 측정한다. 예를 들어, 측정부(196)는 제2 광섬유관(180)을 통해 전달되는 자외선의 일부를 광커플러에 의해 분기시켜 그 광량을 측정함으로써 이로부터 제2 광섬유관(180)을 통해 전달되는 자외선의 광량을 측정할 수 있다.
자외선 발생기(194)는 측정부(196)에 의해 측정된 자외선 광량을 기준 광량과 비교하여, 측정된 자외선의 광량이 기준 광량에 미달하는 경우, 그 차이값(기준 광량 - 자외선 광량)에 비례하는 자외광을 생성하여 작물(1)의 뿌리(12) 부분에 조사할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 광분배기(150)에 의해 분리된 자외선을 작물의 뿌리 살균을 위한 용도로 활용함으로써, 자연광을 이용하여 작물의 뿌리에 곰팡이가 피는 것을 방지하여 자외선 공급을 위한 비용을 절감할 수 있으며, 농약을 사용하지 않고 뿌리 곰팡이를 방지할 수 있다. 또한, 자연광(자외선)의 광량에 따라 자외선 발생기(194)의 자외광 공급량을 조절함으로써, 효율적이고 경제적으로 뿌리 곰팡이를 방지할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판의 단면도이다. 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판의 평면도이다. 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치를 구성하는 집광판의 동작 상태를 보여주는 단면도이다.
도 14 및 도 15의 실시예에 따른 에너지 자립형 재배 장치는 집광판(140)의 둘레 방향을 따라 내장되는 복수 개의 열전 소자(144a-d)를 포함하는 감지부와, 복수 개의 열전 소자(144a-d)의 온도 차이에 따라 감지부에 의해 생성되는 전기신호에 따라 집광판(140)의 방향(각도)을 조절하는 구동부(146)를 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.
감지부는 복수 개의 열전 소자(144a-d)의 온도 차이에 따라 전기신호를 생성한다. 일 실시예에서, 감지부는 제 1 방향(X)을 따라 집광판(140)의 양측에 제공되는 제1 열전소자 쌍(144a-b)과, 제 1 방향(X)에 수직인 제 2 방향(Y)을 따라 집광판(140)의 양측에 제공되는 제2 열전소자 쌍(144c-d)을 포함한다.
일 실시예에서, 구동부(146)는 제1 열전소자 쌍(144a-b)의 온도 차이에 따라 집광판(140)을 제 1 방향(X)으로 회동시키는 제1 구동장치(146a)와, 제2 열전소자 쌍(144c-d)의 온도 차이에 따라 집광판(140)을 제 2 방향(Y)으로 회동시키는 제2 구동장치(146b)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 태양으로부터 입사되는 자연광(SL)에 대해 집광판(140)이 도 14에 도시된 바와 같이 기울어진 경우, 제1 열전소자 쌍(144a-b) 중 제2 열전소자(144b) 측으로 입사되는 자연광이 감소하고, 제1 열전소자(144a) 측으로 입사되는 자연광의 단위 면적당 광량이 증가하게 된다. 이에 따라, 제1 열전소자(144a)와 제2 열전소자(144b) 간에 온도 차이가 발생하게 되고, 그 온도 차이에 따라 전기신호가 생성된다.
구동부(146)는 열전소자들(144a-b)(144c-d)의 온도 차이에 따라 발생하는 전기신호에 따라 집광판(140)을 회동시킨다. 도 14의 경우, 제1 구동장치(146a)는 도 16의 도시와 같이 집광판(140)을 제 1 방향(X)으로 시계 방향으로 회동시켜 집광판(140)의 방향(각도)을 조절하며, 그에 따라 집광판(140)의 개구면이 자연광(SL)에 수직한 방향으로 배치되어 효율적으로 자연광(SL)을 수집할 수 있게 된다.
본 실시예에 의하면, 자연광을 수집하기 위한 집광판의 형상 및 특성을 이용하여 열전소자들(thermoelectric elements)을 도입함으로써, 자연광을 이용하여 집광판의 방향(각도)을 조절할 수 있으며, 저비용으로 자연광의 수집 효율을 높일 수 있다. 도 15에는 4개의 열전소자들을 이용하여 집광판(140)을 구동하는 예가 도시되어 있으나, 열전소자들의 개수 및 배열은 다양하게 변형될 수 있다.
이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
1: 작물
10: 청색 LED
12: 뿌리
20: 적색 형광물질
100: 에너지 자립형 재배 장치
110: 몸체
120: 재배부
122, 124, 126, 128: 재배 유닛
122a: 재배틀
122b: 지지부재
122c: 공급부
122d: 배수부
130: 태양광 발전판
132: 조명 장치
140: 집광판
142: 투광판
144a-d: 열전 소자
146: 구동부
146a: 제1 구동장치
146b: 제2 구동장치
150: 광분배기
152: 빔스플리터
160: 광섬유
170: 제1 광섬유관
172: 보조 조명 장치
174: 투광창
180: 제2 광섬유관
190: 자외선 발생 장치
192: 자외선 조사부
194: 자외선 발생기
196: 측정부
10: 청색 LED
12: 뿌리
20: 적색 형광물질
100: 에너지 자립형 재배 장치
110: 몸체
120: 재배부
122, 124, 126, 128: 재배 유닛
122a: 재배틀
122b: 지지부재
122c: 공급부
122d: 배수부
130: 태양광 발전판
132: 조명 장치
140: 집광판
142: 투광판
144a-d: 열전 소자
146: 구동부
146a: 제1 구동장치
146b: 제2 구동장치
150: 광분배기
152: 빔스플리터
160: 광섬유
170: 제1 광섬유관
172: 보조 조명 장치
174: 투광창
180: 제2 광섬유관
190: 자외선 발생 장치
192: 자외선 조사부
194: 자외선 발생기
196: 측정부
Claims (11)
- 작물을 재배하기 위한 적어도 하나의 재배 유닛이 층을 이루어 배열되는 재배부;
태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광 발전판;
상기 태양광 발전판에 의해 변환된 전기에너지를 이용하여 상기 재배 유닛 내에 재배 중인 작물에 인공광을 조명하는 조명 장치;
오목한 곡면 형상으로 이루어져 자연광을 집광하는 적어도 하나의 집광판;
상기 집광판에 의해 집광된 자연광을 상기 재배 유닛으로 전달하는 광섬유 부재;
상기 광섬유 부재를 통해 전달되는 자연광을 상기 재배 중인 작물에 조사하는 보조 조명 장치;
상기 집광판에 의해 집광된 자연광을 자외선과 비자외선으로 분배하는 광분배기; 및
상기 작물의 뿌리 부분에 자외선을 조사하여 상기 작물의 뿌리에 곰팡이가 피는 것을 방지하는 자외선 발생 장치;를 포함하되,
상기 조명 장치는: 청색광과 적색광을 동시에 조명하는 핑크 LED 광원을 포함하고,
상기 재배 유닛은,
재배틀;
상기 재배틀에 형성된 구멍에 삽입되어 상기 작물을 지지하는 지지부재; 및
상기 재배틀의 하부에 제공되어 상기 작물의 뿌리 부분에 물과 양분을 공급하는 공급부를 포함하며,
상기 보조 조명 장치는 상기 재배틀의 상부에서 상기 광섬유 부재를 통해 전달되는 자연광을 상기 작물에 조사하며,
상기 자외선 발생 장치는 상기 재배틀의 하부에 제공되고,
상기 광섬유 부재는,
상기 광분배기에 의해 분배된 비자외선을 상기 보조 조명 장치로 전달하는 제1 광섬유관; 및
상기 광분배기에 의해 분배된 자외선을 상기 자외선 발생 장치로 전달하는 제2 광섬유관;을 포함하고,
상기 자외선 발생 장치는,
상기 제2 광섬유관을 통해 전달되는 자외선을 상기 작물의 뿌리 부분에 조사하는 자외선 조사부;를 포함하는 에너지 자립형 재배 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 핑크 LED 광원은:
청색 LED 광원에 600 내지 700 nm의 파장에 해당하는 광을 발생시키는 적색 형광물질이 도포된 에너지 자립형 재배 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 적색 형광물질은 M2Si5N8:Eu2+ (M=Ca, Sr, Ba), CaAlSiN3:Eu2+, 6MgO·As2O5:Mn4+, 3.5MgO·0.5MgF2·GeO2:Mn4+ 중 적어도 하나인 에너지 자립형 재배 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 핑크 LED 광원은:
440 nm의 파장에 해당하는 청색광과 680 nm의 파장에 해당하는 적색광을 동시에 제공하는 에너지 자립형 재배 장치. - 작물을 재배하기 위한 적어도 하나의 재배 유닛이 층을 이루어 배열되는 재배부;
태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광 발전판;
상기 태양광 발전판에 의해 변환된 전기에너지를 이용하여 상기 재배 유닛 내에 재배 중인 작물에 인공광을 조명하는 조명 장치;
오목한 곡면 형상으로 이루어져 자연광을 집광하는 적어도 하나의 집광판;
상기 집광판에 의해 집광된 자연광을 상기 재배 유닛으로 전달하는 광섬유 부재;
상기 광섬유 부재를 통해 전달되는 자연광을 상기 재배 중인 작물에 조사하는 보조 조명 장치;
상기 집광판에 의해 집광된 자연광을 자외선과 비자외선으로 분배하는 광분배기; 및
상기 작물의 뿌리 부분에 자외선을 조사하여 상기 작물의 뿌리에 곰팡이가 피는 것을 방지하는 자외선 발생 장치;를 포함하되,
상기 조명 장치는:
백색광을 제공하는 백색 LED; 및
적색광을 제공하는 적색 LED를 포함하고,
상기 재배 유닛은,
재배틀;
상기 재배틀에 형성된 구멍에 삽입되어 상기 작물을 지지하는 지지부재; 및
상기 재배틀의 하부에 제공되어 상기 작물의 뿌리 부분에 물과 양분을 공급하는 공급부를 포함하며,
상기 보조 조명 장치는 상기 재배틀의 상부에서 상기 광섬유 부재를 통해 전달되는 자연광을 상기 작물에 조사하며,
상기 자외선 발생 장치는 상기 재배틀의 하부에 제공되고,
상기 광섬유 부재는,
상기 광분배기에 의해 분배된 비자외선을 상기 보조 조명 장치로 전달하는 제1 광섬유관; 및
상기 광분배기에 의해 분배된 자외선을 상기 자외선 발생 장치로 전달하는 제2 광섬유관;을 포함하고,
상기 자외선 발생 장치는,
상기 제2 광섬유관을 통해 전달되는 자외선을 상기 작물의 뿌리 부분에 조사하는 자외선 조사부;를 포함하는 에너지 자립형 재배 장치. - 작물을 재배하기 위한 적어도 하나의 재배 유닛이 층을 이루어 배열되는 재배부;
태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광 발전판;
상기 태양광 발전판에 의해 변환된 전기에너지를 이용하여 상기 재배 유닛 내에 재배 중인 작물에 인공광을 조명하는 조명 장치;
오목한 곡면 형상으로 이루어져 자연광을 집광하는 적어도 하나의 집광판;
상기 집광판에 의해 집광된 자연광을 상기 재배 유닛으로 전달하는 광섬유 부재;
상기 광섬유 부재를 통해 전달되는 자연광을 상기 재배 중인 작물에 조사하는 보조 조명 장치;
상기 집광판에 의해 집광된 자연광을 자외선과 비자외선으로 분배하는 광분배기; 및
상기 작물의 뿌리 부분에 자외선을 조사하여 상기 작물의 뿌리에 곰팡이가 피는 것을 방지하는 자외선 발생 장치;를 포함하되,
상기 조명 장치는: 청색광과 황색광을 동시에 조명하는 인조 LED 광원을 포함하고,
상기 재배 유닛은,
재배틀;
상기 재배틀에 형성된 구멍에 삽입되어 상기 작물을 지지하는 지지부재; 및
상기 재배틀의 하부에 제공되어 상기 작물의 뿌리 부분에 물과 양분을 공급하는 공급부를 포함하며,
상기 보조 조명 장치는 상기 재배틀의 상부에서 상기 광섬유 부재를 통해 전달되는 자연광을 상기 작물에 조사하며,
상기 자외선 발생 장치는 상기 재배틀의 하부에 제공되고,
상기 광섬유 부재는,
상기 광분배기에 의해 분배된 비자외선을 상기 보조 조명 장치로 전달하는 제1 광섬유관; 및
상기 광분배기에 의해 분배된 자외선을 상기 자외선 발생 장치로 전달하는 제2 광섬유관;을 포함하고,
상기 자외선 발생 장치는,
상기 제2 광섬유관을 통해 전달되는 자외선을 상기 작물의 뿌리 부분에 조사하는 자외선 조사부;를 포함하는 에너지 자립형 재배 장치. - 제 1 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 자외선 발생 장치는,
상기 제2 광섬유관을 통해 전달되는 자외선의 광량을 측정하는 측정부; 및
상기 자외선의 광량에 따라 자외광을 생성하여 상기 작물의 뿌리 부분에 조사하는 자외선 발생기;
를 더 포함하는 에너지 자립형 재배 장치. - 제 1 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 광분배기는,
상기 자연광의 자외선 및 비자외선 중 어느 하나를 투과하고, 다른 하나를 반사하는 빔스플리터;
를 포함하는 에너지 자립형 재배 장치. - 제 1 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 광섬유관 및 상기 제2 광섬유관은 복수 층의 재배 유닛에 균일한 자연광이 전달되도록 상기 자연광을 분배하는 적어도 하나의 광커플러를 포함하는 에너지 자립형 재배 장치. - 제 1 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 집광판의 둘레 방향을 따라 제공되는 복수 개의 열전 소자를 포함하고, 상기 복수 개의 열전 소자의 온도 차이에 따라 전기신호를 생성하는 감지부; 및
상기 감지부에 의해 생성되는 전기신호에 따라 상기 집광판의 방향을 조절하는 구동부;
를 더 포함하는 에너지 자립형 재배 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 감지부는,
제 1 방향을 따라 상기 집광판의 양측에 제공되는 제1 열전소자 쌍; 및
상기 제 1 방향과 수직인 제 2 방향을 따라 상기 집광판의 양측에 제공되는 제2 열전소자 쌍;
을 포함하고,
상기 구동부는,
상기 제1 열전소자 쌍의 온도 차이에 따라 상기 집광판을 상기 제 1 방향으로 회동시키는 제1 구동장치; 및
상기 제2 열전소자 쌍의 온도 차이에 따라 상기 집광판을 상기 제 2 방향으로 회동시키는 제2 구동장치;
를 포함하는 에너지 자립형 재배 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020180101778A KR102017999B1 (ko) | 2018-08-29 | 2018-08-29 | 인공 광원을 이용한 에너지 자립형 재배 장치 |
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