농업용 LED 조명의 장점
2023. 10. 6
LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 조명이 농업 분야에서 인기를 얻고 있습니다. 특히 축산업, 온실, 실내 농업 부문의 경우 유지 관리가 필요없고 에너지 효율이 높다는 점 등 기존의 조명 방식과 비교해 여러 가지 장점이 있어 LED가 대세로 자리 잡는 추세입니다. LED는 소모 전력의 80% 이상을 빛으로 변환하고, 같은 조명 강도라도 기존 조명 대비 60%나 적은 양의 에너지를 소모합니다. 하지만 아무래도 가장 큰 장점은 스펙트럼 제어가 가능하다는 점일 것입니다. 작물이나 동물은 종류에 따라 최적의 성장, 수율, 웰빙을 보장하려면 저마다 다른 파장의 빛이 필요합니다. 그런데 LED는 필요한 스펙트럼을 정확히 제공할 뿐만 아니라 그러한 스펙트럼을 실시간으로 최적화할 수 있다는 장점까지 있습니다. LED는 이렇게 색 온도를 미세 조정할 수 있기 때문에 초창기 투자 비용이 기존 조명 방식보다 좀 더 들더라도 결과적으로는 비용 효율적인 솔루션입니다.
축산업용 LED 조명의 장점
축산업에서 LED 조명은 동물의 복지, 성장과 생산성을 향상하는 데 쓰입니다. 동물의 웰빙과 성장에는 적절하고 충분한 조명이 필수적이며, lED 조명은 동물의 발달 단계가 달라지면서 필요한 빛 스펙트럼을 정확히 맞춰 제공할 수 있습니다.
예를 들어 가금류 농장의 경우, 닭의 24시간 주기 리듬을 조절하기 위해 자외선과 가시광선 LED 조명을 사용합니다. 적당한 양과 스펙트럼으로 맞춰서 빛을 쪼여주면 달걀 생산량이 늘어나고 스트레스를 줄이며, 닭의 전반적인 복지를 개선할 수 있습니다. 조류는 빛에 반응하는 방식이 인간과는 다르기 때문에(망막의 색각 수용기가 3색각이 아니라 4색각) 사람의 눈에 보이지 않는 자외선 빛도 새의 눈으로는 지각할 수 있습니다. 조류는 이 능력을 사용해 서로 알아보고 위계 서열을 정립하고, 암탉은 새끼의 건강 상태를 판단하는 데 이를 활용합니다(병아리가 건강할수록 깃털이 빽빽해서 자외선이 강하게 반사되므로, 엄마 닭이 약한 병아리와 튼튼한 병아리를 재빨리 구분할 수 있음).
환경에 자외선이 적으면 가금류가 이런 감각을 쓸 수 없기 때문에 불편해하고 심하면 공격성을 띠기도 합니다. 이상적인 조도는 공간의 80% 이상에서 30~50럭스를 유지하는 것입니다(가금류는 인간(180°)보다 시야도 넓기 때문에(300°) 공간 전체를 골고루 잘 밝혀야 하고, 조류가 위협으로 받아들일 수 있는 어둡고 그늘진 구역이 없는 것이 좋음).
낙농업 분야에서는 LED 조명을 우유 생산량을 높이는 데 활용할 수 있습니다. 젖소가 하루에 가장 적당한 양의 우유를 생산하려면 특정한 양의 빛이 필요한데(보통 일일 16시간 150럭스), LED 조명이 이에 필요한 스펙트럼과 강도를 정확히 맞춰 제공할 수 있습니다. 테스트 결과 환경이 너무 어둡거나 조명 시간이 너무 짧을 때와 비교해 조명 수준을 최적으로 맞춰주면 우유 생산량이 5~16% 늘어나는 것으로 나타납니다. 가금류와 마찬가지로 소도 시야가 넓고, 보이는 곳에 어둡거나 그늘진 공간이 있으면 불안해하기 때문에 넓고 균등한 조명이 필요합니다. 또한 소가 적절히 휴식을 취할 수 있도록 일정 기간 낮은 조도(50럭스 미만)로 낮춰주는 것도 중요합니다. 소는 적색광을 볼 수 없습니다. 따라서 이 기간에는 LED 조명을 붉은색 스펙트럼으로 바꾸면 농장 근로자가 자는 소를 깨우지 않고도 상태를 확인할 수 있습니다.
최적의 우유 생산량을 보장하기 위한 “주간” 조명.
사람 눈에는 보이지만 소 눈에는 보이지 않는 “야간” 조명.
예를 들어 가금류 농장의 경우, 닭의 24시간 주기 리듬을 조절하기 위해 자외선과 가시광선 LED 조명을 사용합니다. 적당한 양과 스펙트럼으로 맞춰서 빛을 쪼여주면 달걀 생산량이 늘어나고 스트레스를 줄이며, 닭의 전반적인 복지를 개선할 수 있습니다. 조류는 빛에 반응하는 방식이 인간과는 다르기 때문에(망막의 색각 수용기가 3색각이 아니라 4색각) 사람의 눈에 보이지 않는 자외선 빛도 새의 눈으로는 지각할 수 있습니다. 조류는 이 능력을 사용해 서로 알아보고 위계 서열을 정립하고, 암탉은 새끼의 건강 상태를 판단하는 데 이를 활용합니다(병아리가 건강할수록 깃털이 빽빽해서 자외선이 강하게 반사되므로, 엄마 닭이 약한 병아리와 튼튼한 병아리를 재빨리 구분할 수 있음).
환경에 자외선이 적으면 가금류가 이런 감각을 쓸 수 없기 때문에 불편해하고 심하면 공격성을 띠기도 합니다. 이상적인 조도는 공간의 80% 이상에서 30~50럭스를 유지하는 것입니다(가금류는 인간(180°)보다 시야도 넓기 때문에(300°) 공간 전체를 골고루 잘 밝혀야 하고, 조류가 위협으로 받아들일 수 있는 어둡고 그늘진 구역이 없는 것이 좋음).
낙농업 분야에서는 LED 조명을 우유 생산량을 높이는 데 활용할 수 있습니다. 젖소가 하루에 가장 적당한 양의 우유를 생산하려면 특정한 양의 빛이 필요한데(보통 일일 16시간 150럭스), LED 조명이 이에 필요한 스펙트럼과 강도를 정확히 맞춰 제공할 수 있습니다. 테스트 결과 환경이 너무 어둡거나 조명 시간이 너무 짧을 때와 비교해 조명 수준을 최적으로 맞춰주면 우유 생산량이 5~16% 늘어나는 것으로 나타납니다. 가금류와 마찬가지로 소도 시야가 넓고, 보이는 곳에 어둡거나 그늘진 공간이 있으면 불안해하기 때문에 넓고 균등한 조명이 필요합니다. 또한 소가 적절히 휴식을 취할 수 있도록 일정 기간 낮은 조도(50럭스 미만)로 낮춰주는 것도 중요합니다. 소는 적색광을 볼 수 없습니다. 따라서 이 기간에는 LED 조명을 붉은색 스펙트럼으로 바꾸면 농장 근로자가 자는 소를 깨우지 않고도 상태를 확인할 수 있습니다.
최적의 우유 생산량을 보장하기 위한 “주간” 조명.
사람 눈에는 보이지만 소 눈에는 보이지 않는 “야간” 조명.
원예용 LED 조명의 장점
앞서 언급했듯이, LED 조명은 스펙트럼을 정밀하게 조절할 수 있습니다. 따라서 식물의 구체적인 필요에 따라 조명을 맞춤 조절할 수 있습니다. 일반적인 성장 램프의 경우 마젠타나 파란색이 강한 편인 빛을 발산합니다. 하지만 식물의 생장 단계마다 다른 파장의 조명이 필요한데, LED 조명은 각 단계에 가장 적합한 스펙트럼을 제공할 수 있습니다. 또 한 가지 장점은 LED 조명은 기존 조명 방식보다 발열량이 적고 적외선 복사가 덜하기 때문에 조도가 높을 때 식물에 열 스트레스가 발생할 위험이 적다는 사실입니다. 이것은 특히 온도 조절이 중요한 실내 농업과 온실 재배에 매우 중요합니다.
실내 농업의 경우 순전히 인공 조명만 사용해 실내 환경에서 작물을 재배해 사시사철 작물을 생산할 수 있는 것이 특징입니다. 수직 농법은 작물을 층층이 쌓아 재배하는 방식이라 도심에서도 공간 효율적인 선택지입니다. LED 조명은 각 층의 식물 성장에 필요한 빛을 제공하면서도 에너지 소모량과 열 출력량은 줄일 수 있습니다. 수경 재배 농법의 경우, 식물을 토양 없이 영양분이 풍부한 용액에 담가 재배합니다. LED 조명이 광합성을 위해 적절한 스펙트럼의 빛을 제공하면 식물의 성장 속도를 높이고 수율을 높일 수 있으며, 다양한 식물 종에 따라 필요한 구체적인 조명 요구 사항에 따라 맞춤 조정할 수도 있습니다. 흙을 사용하지 않는 원예 기법 중 수기경 재배(aeroponic farming)도 있습니다. 식물을 공중에서나 안개처럼 수분을 분사한 환경에서 키우는 방식입니다. 또한 아쿠아포닉(aquaponic) 농법의 경우 물고기 양식과 수경 재배를 결합한 환경에서 식물을 재배합니다.
여기서도 마찬가지로 LED 조명을 사용해 최적의 식물 생장과 수생 생물의 성장을 위해 필요한 빛 스펙트럼을 제공할 수 있습니다. 실내 농업은 특히 공간이 한정된 도심 지역에서 인기를 얻고 있습니다. 여기서 LED 조명이 매우 중요한 역할을 합니다. 식물 생장에 꼭 필요한 빛을 제공하면서도 에너지 소모량과 열 출력은 줄여주기 때문입니다. LED 조명은 대규모 온실 재배에서도 기후 조건과 관계없이 식물 생장에 필요한 빛을 공급하는 데 사용됩니다. 인공 조명은 성장 시기를 연장하는 데도 쓰입니다. 즉 작물의 일반적인 성장 시기를 벗어나서도 작물을 재배할 수 있다는 뜻입니다.
실내 농업의 경우 순전히 인공 조명만 사용해 실내 환경에서 작물을 재배해 사시사철 작물을 생산할 수 있는 것이 특징입니다. 수직 농법은 작물을 층층이 쌓아 재배하는 방식이라 도심에서도 공간 효율적인 선택지입니다. LED 조명은 각 층의 식물 성장에 필요한 빛을 제공하면서도 에너지 소모량과 열 출력량은 줄일 수 있습니다. 수경 재배 농법의 경우, 식물을 토양 없이 영양분이 풍부한 용액에 담가 재배합니다. LED 조명이 광합성을 위해 적절한 스펙트럼의 빛을 제공하면 식물의 성장 속도를 높이고 수율을 높일 수 있으며, 다양한 식물 종에 따라 필요한 구체적인 조명 요구 사항에 따라 맞춤 조정할 수도 있습니다. 흙을 사용하지 않는 원예 기법 중 수기경 재배(aeroponic farming)도 있습니다. 식물을 공중에서나 안개처럼 수분을 분사한 환경에서 키우는 방식입니다. 또한 아쿠아포닉(aquaponic) 농법의 경우 물고기 양식과 수경 재배를 결합한 환경에서 식물을 재배합니다.
여기서도 마찬가지로 LED 조명을 사용해 최적의 식물 생장과 수생 생물의 성장을 위해 필요한 빛 스펙트럼을 제공할 수 있습니다. 실내 농업은 특히 공간이 한정된 도심 지역에서 인기를 얻고 있습니다. 여기서 LED 조명이 매우 중요한 역할을 합니다. 식물 생장에 꼭 필요한 빛을 제공하면서도 에너지 소모량과 열 출력은 줄여주기 때문입니다. LED 조명은 대규모 온실 재배에서도 기후 조건과 관계없이 식물 생장에 필요한 빛을 공급하는 데 사용됩니다. 인공 조명은 성장 시기를 연장하는 데도 쓰입니다. 즉 작물의 일반적인 성장 시기를 벗어나서도 작물을 재배할 수 있다는 뜻입니다.
농업용 LED 조명에 적합한 실용적인 LED 솔루션
아래의 회로도는 농업용으로 매우 유연하고 저렴한 대규모 실내 LED 조명 솔루션 개념을 나타낸 것입니다. 시스템의 핵심은 저렴한 SBC(Single-Board Computer) 한 대입니다. 예를 들어 Raspberry Pi나 Arduino와 같은 컴퓨터를 WiFi 통신 모듈, 소형 LCD(터치스크린을 추가할 수도 있음)와 연결하고 여기에 밀폐, 방진, 팬리스 인클로저에서 1,000W를 공급할 수 있는 RACM1200 디지털 전원 공급 장치를 더한 것입니다.
동적 색 스펙트럼을 사용해 다양한 가축과 식물에 맞춰 조율할 수 있는 단순한 범용 LED 조명 시스템의 블록 다이어그램.
LED 조명 제어 시스템은 LED 뱅크를 개별적으로 조절해 밝기를 낮춰서 색 스펙트럼을 실시간으로 조절할 수 있습니다. 동시에 SBC가 전원 공급 장치와 통신을 주고받아 미리 설정한 시간에 LED 조명 전원을 켜거나 끌 수도 있고, 전체적인 조명 강도를 설정할 수도 있습니다. 전체 전력 소모량을 낮추기 위해 전체 밝기를 낮추려면 디지털 컨트롤을 통해 출력 전압을 조절하면 됩니다.
RACM1200은 이 용도에 이상적입니다. “상시 작동” 5V 출력이 별도로 제공되어 주 출력의 전원을 완전히 꺼버렸을 때도 SBC에 계속 전력을 공급할 수 있기 때문입니다. 또한 별도의 12V 팬 출력도 있어 이 예시에서처럼 SBC의 I/O 핀 출력 로직 레벨을 높여 전압 신호를 올리면 MOSFET에 더 효율적인 방식으로, 최대 전력으로 전원을 공급할 수 있습니다.
LED 조명은 안전한 48VDC에서 작동합니다. 따라서 동물이 노출된 배선을 씹더라도 감전될 위험이 없고, 균등한 조명을 위해 조명 장치를 천장에 매달아 가장 적합한 높이에 배치하면 농장 근로자의 손에 쉽게 닿더라도 위험하지 않습니다. 수직 농법의 경우, 습한 환경에서 가까운 거리에 식물이 층층이 쌓여 개별적으로 조명을 비추게 되는데, 이럴 때는 근로자의 안전을 위해 초저전압 배선 등 보호 장치가 필요합니다. 물론 RACM1200은 연속 단락 방지를 보장하며, 출력 전압이 단락되더라도 훼손되지 않습니다.
LED 뱅크의 PWM 신호를 각기 달리하면 표시되는 조명(색 온도)이 바뀝니다.
조명의 색 온도는 각 채널의 SBC에서 PWM 신호를 수정하여 설정합니다. 이렇게 해서 필요에 따라 빨강, 파랑, 흰색이 강한 조명이나 자외선을 강화한 조명을 제공할 수 있습니다. LED는 200Hz를 웃도는 주파수에서 PWM 신호로 스위칭하므로 가금류가 플리커 현상 때문에 불편을 느끼지 않습니다(사람은 100Hz를 초과하는 주파수에서 플리커를 감지하지 못하므로, 대다수의 비용 효율적인 LED 전원 공급 장치는 플리커가 메인 주파수 50Hz나 60Hz의 두 배에 해당하는 매우 높은 출력입니다. 가금류는 최고 190Hz까지 조명 플리커를 감지하기 때문에 문제가 될 수 있습니다. RACM1200 출력은 플리커가 없고 PWM 디밍 또한 동물의 가시 주파수보다 높습니다).
시스템 전체를 신발 상자만 한 인클로저에 담을 수 있습니다. 하지만 RACM1200의 출력은 축사나 온실을 장치 한 대만으로 밝힐 수 있을 만큼 강력합니다(팬 냉각 없이 출력 전력 1,000W). 또 한 가지 장점은 입력 전압 범위가 80~264VAC로 넓다는 점입니다. 따라서 외진 축사나 멀리 떨어진 별채에서 주 전원 공급 장치가 불안정하거나 불규칙하더라도 큰 문제가 아닙니다.
동적 색 스펙트럼을 사용해 다양한 가축과 식물에 맞춰 조율할 수 있는 단순한 범용 LED 조명 시스템의 블록 다이어그램.
LED 조명 제어 시스템은 LED 뱅크를 개별적으로 조절해 밝기를 낮춰서 색 스펙트럼을 실시간으로 조절할 수 있습니다. 동시에 SBC가 전원 공급 장치와 통신을 주고받아 미리 설정한 시간에 LED 조명 전원을 켜거나 끌 수도 있고, 전체적인 조명 강도를 설정할 수도 있습니다. 전체 전력 소모량을 낮추기 위해 전체 밝기를 낮추려면 디지털 컨트롤을 통해 출력 전압을 조절하면 됩니다.
RACM1200은 이 용도에 이상적입니다. “상시 작동” 5V 출력이 별도로 제공되어 주 출력의 전원을 완전히 꺼버렸을 때도 SBC에 계속 전력을 공급할 수 있기 때문입니다. 또한 별도의 12V 팬 출력도 있어 이 예시에서처럼 SBC의 I/O 핀 출력 로직 레벨을 높여 전압 신호를 올리면 MOSFET에 더 효율적인 방식으로, 최대 전력으로 전원을 공급할 수 있습니다.
LED 조명은 안전한 48VDC에서 작동합니다. 따라서 동물이 노출된 배선을 씹더라도 감전될 위험이 없고, 균등한 조명을 위해 조명 장치를 천장에 매달아 가장 적합한 높이에 배치하면 농장 근로자의 손에 쉽게 닿더라도 위험하지 않습니다. 수직 농법의 경우, 습한 환경에서 가까운 거리에 식물이 층층이 쌓여 개별적으로 조명을 비추게 되는데, 이럴 때는 근로자의 안전을 위해 초저전압 배선 등 보호 장치가 필요합니다. 물론 RACM1200은 연속 단락 방지를 보장하며, 출력 전압이 단락되더라도 훼손되지 않습니다.
LED 뱅크의 PWM 신호를 각기 달리하면 표시되는 조명(색 온도)이 바뀝니다.
조명의 색 온도는 각 채널의 SBC에서 PWM 신호를 수정하여 설정합니다. 이렇게 해서 필요에 따라 빨강, 파랑, 흰색이 강한 조명이나 자외선을 강화한 조명을 제공할 수 있습니다. LED는 200Hz를 웃도는 주파수에서 PWM 신호로 스위칭하므로 가금류가 플리커 현상 때문에 불편을 느끼지 않습니다(사람은 100Hz를 초과하는 주파수에서 플리커를 감지하지 못하므로, 대다수의 비용 효율적인 LED 전원 공급 장치는 플리커가 메인 주파수 50Hz나 60Hz의 두 배에 해당하는 매우 높은 출력입니다. 가금류는 최고 190Hz까지 조명 플리커를 감지하기 때문에 문제가 될 수 있습니다. RACM1200 출력은 플리커가 없고 PWM 디밍 또한 동물의 가시 주파수보다 높습니다).
시스템 전체를 신발 상자만 한 인클로저에 담을 수 있습니다. 하지만 RACM1200의 출력은 축사나 온실을 장치 한 대만으로 밝힐 수 있을 만큼 강력합니다(팬 냉각 없이 출력 전력 1,000W). 또 한 가지 장점은 입력 전압 범위가 80~264VAC로 넓다는 점입니다. 따라서 외진 축사나 멀리 떨어진 별채에서 주 전원 공급 장치가 불안정하거나 불규칙하더라도 큰 문제가 아닙니다.
용도
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RACM1200-V
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