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1. (WO2010074528) LIGHTING APPARATUS WITH LED FOR PLANT CULTIVATION
Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1   2  

배경기술

3   4   5   6   7   8   9   10  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

11  

과제 해결 수단

12   13  

발명의 효과

14   15   16  

도면의 간단한 설명

17   18   19   20   21   22   23   24   25   26  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

27   28   29   30   31   32   33   34   35  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

도면

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15  

명세서

발명의 명칭 : LED를 갖는 식물재배용 조명장치

기술분야

[1]
본 발명은 LED를 이용한 식물재배용 조명장치 및 이를 이용한 식물재배 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED에서 방출되는 빛의 특정 파장대별로 비율을 적합하게 혼합 구성함으로써 식물의 발아, 개화, 성장을 촉진시키는 식물재배 장치 및 방법에 관한 것이다.
[2]

배경기술

[3]
식물성장에 필요한 조명을 위해서 종래에는 백열등, 형광등, 할로겐 전구, 고압나트륨 전구 등을 사용하여 왔었으나 최근에는 이를 대체하는 식물 재배용 반도체 발광 다이오드에 대한 내용으로 종래의 기술이 갖추지 못한 식물성장의 광합성 및 엽록성 작용의 효과를 발생시키고 에너지 절감 및 환경 보호로 인한 파급적인 경제 효과를 발생시킬 수 있다. 이러한 최근의 식물재배용 발광다이오드를 가지고 있는 조명장치의 식물 성·생장 육성장치에는 식물의 특성에 따라 그리고 제어하고자 하는 매개변수에 따라 최적의 파장대역 및 밝기의 광을 조사함으로써 식물의 성·생장을 위한 제어부를 구성하여 제어할 수 있는 발광다이오드를 이용한 식물 성·생장 육성장치가 공개(특허문헌 1)되어 있고 이와 비슷한 문헌으로 식물의 종류와 생육과정에 맞추어 최적 파장의 빛을 발산하는 여러 종류의 LED를 적당한 비율로 조합하는데 적색, 청색, 녹색, 백색, 적외선, 자외선 등의 LED 중에서 선택되는 1종류 또는 2종류 이상의 LED를 보드상에 적당한 비율로 다수 배치하여 식물의 종류나 생육상황에 따라 교체할 수 있도록 구성 한 문헌(특허문헌 2)이 있다.
[4]
또한, 색소식물을 재배하는데 있어서 좁은 공간에서 생산효율과 단시간에 재배가 가능하도록 만들어진 폐쇄형 LED 식물공장으로써 전력소비가 적고 광 효율이 높은 원 적외선광 730nm, 적색광 660nm, 청색광 450nm의 엘이디 램프를 광원으로 사용하고 광 폐쇄 공간에서 고효율 식물재배 시스템에 관한 문헌(특허문헌 3) 등 식물의 성장 촉진을 향상시키고 전력소비가 적은 식물 재배장치 등의 문헌들이 나타나 있다
[5]
그러나 상기 종래 기술에 의한 식물 생육장치 등은 다음과 같은 문제점이 발생하게 된다. 상술한 바와 같이, 종래에는 식물성장이나 발아 , 개화에 필요한 파장의 광원을 생산하기 위하여 네트워크를 통한 제어부를 설치해야 하고 그 제어부는 시스템과 결합되어 통합 운영되는 구성이다. 이러한 방식은 이론적으로는 가능하나 실제 적용이 되지 않을 뿐 아니라 비효율을 초래한다. 제어 시스템으로 필요한 파장의 광원을 구성하려면 크기가 커지고 비용이 증대되어 생산성 수지를 맞추지 못하고 필요한 파장이 구동되고 있을 시 사용되지 않은 광원은 불필요한 공간을 차지하게 된다. 또한 식물 생장에 있어서의 공간은 높은 습도를 유지 하여야 하고 그로 인한 교체식 부품들은 노화나 고장으로부터 자유로울 수 가 없다. 그리고 청색과 적색 그리고 근 적외광인 730nm 파장을 혼합한 방식의 식물재배에 대한 구성은 특정 식물의 성장부분에는 효과가 있으나 종자 발아에는 문제를 발생 시켜 한정적으로 사용이 가능한 형태이다. 연구에 의하면 오래전 1952년 H.A.보스윅과 S.B.헨드릭스 등은 상추 종자의 발아에 미치는 빛의 작용스펙트럼을 측정하여 670 nm의 적색광이 발아촉진 효과가 가장 크고, 730nm의 근적외선광은 적색광에 의한 촉진효과를 소멸시키는 효과가 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 두 파장의 빛을 서로 1분씩 교차하여 비출 경우, 횟수에 관계없이 최후에 비춘 빛의 파장에 따라 발아율이 결정되었다. 그러므로 국소적인 곳에서 한정적으로 밖에 사용될 수 없는 것이다.
[6]
이와 같은 종래 기술은 식물공장 제어 시스템 용도로 개발되어 일반적인 식물을 재배하는 농가에서 사용하기는 어렵다고 볼 수 있다. 또한, 복잡한 시스템 형태의 구조는 잦은 고장의 원인 될 뿐 아니라 도입을 하였다고 하더라도 투자비용이 과다하여 수익을 낼 수 없는 구조이고 기술적인 한계점을 가지고 있다. 이는 이미 외국에서 투자 비용대비 효율성에 문제가 되어 이를 해결하기 위한 여러 기관들의 연구가 진행 중에 있는 것이 사실이다.
[7]
특허문헌 1 : 국내공개특허 2000-0006611 공보
[8]
특허문헌 2 : 국내공개특허 2003-0005023 공보
[9]
특허문헌 2 : 국내공개특허 2004-0010426 공보
[10]

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[11]
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고 식물 재배 시 누구나 쉽게 식물재배 효율의 증대와 에너지 사용 감소, 환경보호 및 안전문제를 해결할 수 있는 발명이다.

과제 해결 수단

[12]
본 발명의 반도체 발광 다이오드 조명은 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED;와 425nm∼455nm의 파장을 발생 시키는 LED;를 각각 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4 중 어느 하나의 비율로 조합하여 조명기구를 구성함으로써 식물이 생장하는데 필요한 광합성 작용과 엽록소 작용을 극대화시킴과 동시에 식물의 발아, 개화, 성장 등의 식물 생장 전 분야에 쉽고 빠른 적용이 가능하도록 하고 또한 파장의 비율별 조합 구성으로 인한 제어장치나 전체 통합시스템이 필요하지 않은 단독 일반형 조명을 구성하여 에너지 사용을 절감하는데 있다.
[13]

발명의 효과

[14]
본 발명은 환경보호와 에너지 절감을 원칙으로 식물 재배에 가장 효과적인 반도체 발광 다이오드를 가지고 있으면서 이들을 최적의 빛의 파장대 비율로 조합하여 조명장치로 사용함으로 인해 식물의 생장에 있어서 광합성과 엽록성 향상에 최적의 조건을 갖추게 함으로써 식물의 성장을 대폭 촉진시켜 식량생산 증가에 크게 기여하게 될 것이다.
[15]
또한, 본 발명의 반도체 발광 다이오드를 이용한 조명은 식물 생장에 필요한 빛의 프리즘 중 가장 중요한 영향을 미치는 파장을 조명으로 이용하여 식물 생장에 있어 가장 효율적인 재배가 가능하게 함과 동시에 일반인이라도 누구나 손쉽게 사용할 수 있는 일반 표준형으로 구성하여 과학 기술의 효과를 전문가 뿐만 아니라 일반 농민들도 사용할 수 있도록 되어 범용화가 가능하여 농가의 소득 증대 및 발전에 기여할 것이다.
[16]
본 발명의 구성은 식물이 생장 하는데 필요한 빛 에너지의 원천 구조를 과학적으로 규명하여 가장 효과적인 방법으로 식물에게 빛 에너지를 공급함으로써 생산성 향상과 효율 증대를 이루는 조명기구의 구성으로 일반인들 누구나 쉽게 사용할 수 있는 국제표준형 조명등 구조이다.

도면의 간단한 설명

[17]
도 1 내지 도 3은 본 발명의 원형 전구 형태의 조명장치를 나타낸 도면으로서, 도 1은 LED 형태와 배치구조를 나타낸 도면이고, 도 2 및 도 3은 도 1을 구성으로 하여 완성된 조명장치를 나타내는 도면이다.
[18]
도 4 및 도5는 본 발명의 패널방식 형태의 조명장치를 나타내는 도면으로서,
[19]
도 4는 LED 형태와 배치구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4를 구성으로 하여 완성된 조명장치를 나타내는 도면이다.
[20]
도 6 및 도7은 본 발명의 MSMD방식의 패널방식 형태의 조명장치를 나타내는 도면으로서, 도 6는 LED 형태와 배치구조를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6을 구성으로 하여 완성된 조명장치를 나타내는 도면이다.
[21]
도 8 및 도9는 발명의 도광판 방식의 형태의 조명장치를 나타내는 도면으로서, 도 8은 도광판 방식의 구조와 LED 배치 도면이고, 도 9는 도 8을 구성으로 하여 완성된 조명장치를 나타내는 도면이다.
[22]
도 10은 본 발명의 삼각형 형태의 구조를 갖는 조명장치를 나타내는 도면이다.
[23]
도 11 및 도12는 본 발명의 원통형 전구 형태의 조명장치를 나타내는 도면으로서, 도 11은 원통형 방식의 구조와 LED 배치 도면이고, 도 12는 도 11을 구성으로 하여 완성된 조명장치를 나타내는 도면이다.
[24]
도 13 및 도 14는 본 발명의 형광등 방식의 형태의 조명장치를 나타내는 도면으로서, 도 13은 형광등 방식의 구조와 LED 배치 도면이고, 도 14는 도 13을 구성으로 하여 완성된 조명장치를 나타내는 도면이다.
[25]
도 15는 태양광 발전을 이용한 식물재배 조명장치 구성도를 나타내는 도면이다.
[26]

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[27]
도 1∼14을 살펴보면, 식물 생산에 영향을 주는 반도체 발광 다이오드를 선별하여 최적화한 조명을 구성하여 적용한 것이다. 대부분의 광원은 인간을 위해 개발되어 있기 때문에 감도를 바탕으로 한 단위가 사용되고 있어, 광합성 작용은 일반적인 광원에 반응을 하지 않는다. 식물 재배에 필요한 광도를 구성하기 위해서는 광합성의 특성에 부합하는 단위를 쓸 필요 가 있 다. 모든 식물은 생장 광합성 작용과 엽록소 작용에 의해 생장 요건이 결정되고 잎과 과실의 형태가 구성된다. 좋은 조건에서 자란 식물은 잎도 두툼하고 비타민의 함량도 풍부하며 색이나 형태가 분명하다. 이러한 식물 광합성 작용의 최대 효과의 빛의 파장은 670nm 근처 파장과 430nm 근처의 파장이고, 엽록소 합성의 최대 효과는 655nm 근처의 파장과 440nm 근처인 것이다. 본 발명은 이러한 파장을 가장 정확하게 발생시키는 반도체 발광 다이오드를 사용하고 이러한 고 효율의 파장을 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4등으로 조합하여 최적의 비율을 계산하여 구성한 것이다.
[28]
이와 같이 이루어 지는 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 1∼15을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 1~3은 본 발명의 실시 예에 따른 빛을 아래 방향으로 조사하는 원형 조명장치의 구성을 나타낸 것이다. 도1~3과 같이 원형 조명장치는 소형 조명장치에 속하는 것으로 도 1~3에서 나타낸 것과 같이, 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED(C01)와 425nm∼455nm의 파장을 발생 시키는 LED(C02)로 구성되고 이 두 가지 종류의 파장 방식의 LED는 개개의 LED전구 모양에 따라 일반 전구형 과 SMD방식 중 한가지 또는 두 가지 종류를 같이 조합하여 사용되며 이를 (C01):(C02) 대비 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4의 비율 중 식물 재배 목적에 따라 한가지를 선택하여 구성한다. 위와 같이 LED 모양에 따라 전구형 이나 SMD 방식을 조합하여 사용하는 이유는 빛의 조도와 관련된 것으로 같은 수량의 LED를 사용할 경우 일반 전구형 보다 SMD 방식이 더 밝고 SMD보다는 MSMD방식이 더 밝은 조도를 나타낸다. 조도를 높이거나 낮출 경우 조합을 통하여 선택 할 수 있다. 비율을 선택하여 구성하는 이유는 사용 목적에 대한 효율을 극대화 하고 편리한 방식으로 식물을 재배하기 위함이다. 식물 재배에 있어서는 식물 성장뿐만 아니라 종자발아, 화아, 분화, 개화, 자엽, 엽록소 합성 등의 여러 과정과 식물의 종류에 따라 양지식물 반음지 식물, 음지식물 등으로 구분되는데, 이러한 식물의 여러 형태에 따라 각각의 성장이나 구성에 맞는 간단하면서 편리한 맞춤식 구성의 식물 재배용 조명장치의 구현이다. 식물의 발아나 성장 위주의 구성은 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED(C01)와 425nm∼455nm의 파장을 발생 시키는 LED(C02)를 각각 9:1 또는 8:2 비율의 조명이 접합하며 식물의 잎이나 줄기가 튼튼하게 구성하는 데에는 7:3, 6:4등의 비율이 접합하고 또한 425nm∼455nm의 파장을 발생시키는 LED(C02)비율이 높을수록 식물에 해충의 접근을 방지하는 데에 효과가 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 도 2는 SMD방식으로 구성된 실 예이고, 도 3은 일반 전구형 방식의 형태로 구성된 조명장치이다.
[29]
도 4~5는 본 발명의 실시 예에 따른 사각형 조명장치의 구성을 나타낸 것이다. 도 4~5에서 나타낸 것과 같이, 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED(B01)과 425nm∼455nm의 파장을 발생 시키는 LED(B02)로 구성되고 이 두 가지 종류의 파장 방식의 LED는 개개의 LED전구 모양에 따라 일반 전구형 과 SMD방식, MSMD방식 중 한가지 또는 두가지를 혼합하여 적용하며, 이를 (B01) : (B02) 대비 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4로 구성한다. 도 5는 일반 전구형 으로 구성된 본 발명의 실시 예이다.
[30]
도 6~7은 본 발명의 실시 예에 따른 또 다른 MSMD형 LED를 사용하는 사각형 조명장치의 구성을 나타낸 것으로 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED(A01)과 425nm∼455nm의 파장을 발생 시키는 LED(A02)로 구성되고 이 두 가지 종류의 파장 방식의 LED는 MSMD방식이 사용되며 이를 (A01):(A02) 대비 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4로 구성한다. 도 7는 MSMD방식 LED로 구성된 본 발명의 실시 예이다.
[31]
도 8~9는 본 발명의 실시 예에 따른 도광판 방식의 구성을 나타낸 것으로 도광판(D02)를 둘러싼 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED(D01)과 425nm∼455nm의 파장을 발생 시키는 LED(D03)로 구성되고 도광판(D02)를 둘러 싼 사각형의 사면에서 LED(D01), LED(D03)에서 조사되는 빛을 도광판(D02)를 통하여 간접 조사되는 방식이다. 도 9는 본 발명의 실 시 예에 따라 구성된 조명 장치이다.
[32]
도 10는 본 발명의 실시 예에 따라 구성된 방사형 구조로 45도의 각도 아래로 빛을 넓게 조사 할 수 있는 방식이며, 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED(E01)과 425nm∼455nm의 파장을 발생 시키는 LED(E02)로 구성되고 이 두 가지 종류의 파장 방식의 LED의 모양은 일반전구형 과 SMD형 그리고 MSMD방식 중 한가지 또는 두 가지를 혼합하여 사용한다. 이를 (E01):(E02) 대비 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4로 구성한다.
[33]
도 11~12은 본 발명의 실시 예에 따라 원통형의 구조로 180도 각도의 아래로 빛을 조사하는 방식이며 원통형과 아래 부분에 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED(F02)과 425nm∼455nm의 파장을 발생 시키는 LED(F01)로 구성되고 이 두 가지 종류의 파장 방식의 LED의 모양은 일반 전구형과 SMD형 그리고 MSMD방식 중 한가지 또는 두 가지를 혼합하여 사용한다. 이를(F02):(F01) 대비 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4로 구성한다. 도 12는 본 발명의 실 시 예에 따라 구성된 조명 장치이다.
[34]
도 13~14은 본 발명의 실시 예에 따라 형광등 방식의 긴 구조로 아래로 빛을 조사하는 방식이며 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED(G01)과 425nm∼455nm의 파장을 발생 시키는 LED(G02)로 구성되고 이 두 가지 종류의 파장 방식의 LED의 모양은 일반 전구형 과 SMD형 그리고 MSMD방식 중 한가지 또는 두 가지를 혼합하여 사용한다. 이를 (G01):(G02) 대비 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4로 구성한다. 도 14는 본 발명의 실 시 예에 따라 구성된 조명 장치이다.
[35]
위와 같이 식물 재배에 있어서 시기와 종류에 따라 각각의 요구에맞는 조명을 사용할 수 있도록 도 1~14에 나타나 있듯이 기존의 백열 전구나 기타 할로겐 또는 나트륨 조명등의 기존 소켓에 그대로 사용할 수 있는일반형 호환 방식으로 구성하여 전문지식이 필요하지 않고, 쉽고 편리한 사용을 가지는 특징 기술을 적용한 것이다. 또한, 이러한 발광다이오드를 가지고 있는 조명장치의 전원공급을 위해 태양광을 이용 시 도 15와 같이 친환경 재배가 가능하도록 구성되어 태양광 발전을 통한 에너지 사용을 구성하였다. 태양에서 방출되는 에너지를 낮 시간에 축전지(Battery)에 모아 두었다가 태양이 없는 시간에 활용하도록 구성된 구조는 저 전력을 사용하고 본 발명의 식물재배용 반도체 다이오드를 사용하는 조명장치는 소비전력을 백열등 대비 80%이상 낮추었기 때문에 태양광 발전의 효율을 향상시킬 수 있는 구조의 특징을 지니고 있다.

청구범위

[청구항 1]
다수의 LED가 내부에 배치되어 빛이 방출되도록 조명을 함으로써 식물을 재배 하기 위한 조명장치에 있어서, 640 ∼ 675nm 파장의 빛을 방출하는 제1 LED와; 425∼455nm 파장의 빛을 방출하는 제2 LED를; 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4 중 어느 하나의 비율로 혼합 배치하는 것을 특징으로 하는 조명장치
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 제1,2 LED를 갖고 있는 조명장치의 조명영역 중심에는 상기 제1,2 LED를 혼합하여 배치하고, 상기 조명영역 외곽에는 상기 제1 LED를 배치함을 특징으로 하는 조명장치.
[청구항 3]
제1항에 있어서, 상기 제1,2 LED를 갖고 있는 조명장치의 조명영역 중심에는 상기 제1,2 LED를 혼합하여 배치하고, 상기 조명영역 외곽에는 상기 제2 LED를 배치함을 특징으로 하는 조명장치.
[청구항 4]
제1항에 있어서, 상기 제1,2 LED를 조명장치의 조명영역 내부에 상호 교대로 배치함을 특징으로 하는 조명장치.
[청구항 5]
제1항에 있어서, 상기 조명장치의 조명영역 우측에 제1 LED를 배치하고 좌측에 상기 제2 LED를 배치하거나, 우측에 상기 제2 LED를 배치하고 좌측에 상기 제1 LED를 배치함을 특징으로 하는 조명장치.
[청구항 6]
제1항에 있어서, 상기 제1,2 LED를 도광판 측면에 대응되도록 배치함을 특징으로 하는 조명장치
[청구항 7]
제1항에 있어서, 상기 제1,2 LED를 상호 교대로 1열 또는 2열, 3열로 길게 배치함을 특징으로 하는 조명장치.
[청구항 8]
제1항에 있어서, 상기 조명장치의 갓의 구조는 원통형 또는 방사형 형태를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 조명장치.0
[청구항 9]
제1항에 있어서, 상기 제1,2 LED를 가지고 있는 조명장치의 전원공급을 태양광 발전을 이용하여 공급하는 것을 특징으로 하는 조명장치

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]

[도7]

[도8]

[도9]

[도10]

[도11]

[도12]

[도13]

[도14]

[도15]