KR102619002B1 - 항균 식물 성장 백색 led 조명 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백색광을 출력하면서도 항균 효과를 가지도록 하고 광합성 효율이 전혀 저하되지 않는 식물 성장 효과를 도출하는 고품질 백색 LED 조명을 제공할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 측면에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명은 441 내지 458nm의 광을 출사하는 LED 베어칩, 및 상기 LED 베어칩 상에 형성된 형광체층를 포함하여 백색광을 출사하는 제1 LED패키지, 402 내지 408nm의 광을 출사하는 제2 LED패키지 및 645 내지 675nm의 광을 출사하는 제3 LED패키지를 포함하고, 광 스펙트럼에서 제2 LED패키지가 생성하는 피크의 상대 강도는 0.35 내지 0.45로 형성되고, 상기 제3 LED패키지가 생성하는 피크의 상대 강도는 8.5 내지 9.8로 형성된다.

Description

항균 식물 성장 백색 LED 조명{WHITE LED LIGHTING FOR ANTIBACTERIAL PLANT GROWTH}

본 발명은 LED 조명에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 살균 효과 및 높은 광합성 효율을 갖는 항균 식물 성장 백색 LED 조명에 대한 것이다.

각종 조명장치의 광원으로 LED 소자가 각광을 받고 있다. LED 소자는 종래의 조명광원에 비해 발열량이 적고, 적은 소비전력과 긴 수명, 내충격성 등의 장점을 갖고 있다. 또한, 제조과정에서 형광등과 같이 수은이나 방전용 가스를 사용하지 않으므로 환경오염을 유발하지 않는 장점이 있다.

최근에는 비닐하우스 내부에 식물의 성장을 촉진하기 위하여 일반전구나 백열등을 대체하는 LED 전구 타입과 LED 바 타입의 조명등기구의 수요가 크게 증가하고 있는 추세이다. 특히, LED 바 타입의 조명등기구는 LED 전구 타입보다 작물과 더 가까운 거리에서 많은 면적에 일정한 광량을 제공할 수 있는 장점이 있으며, 밀폐형과 수직적 식물 공장 및 식물 재배용 선반 등에 주로 사용되고 있다.

LED 바 타입의 조명등기구는 식물 광합성 효과에 최적화된 청색광과 적색광의 혼합광을 이용한다. 엽채류에 가장 효과적인 파장은 적색 70%와 청색 30%이며, 묘종이나 과채류 및 일반 작물에 효과적인 파장은 적색 60%와 청색 40%의 비율로 혼합되는 것으로 주로 인식되어 왔다.

이에 선행기술문헌1에서는 사용자가 식물성장에 따른 광합성 작용에 필요한 파장(nm)과 광량을 확인하면서 조절 가능하여 특정식물에 국한되지 않고 다양한 식물에 적용 가능하며, LED조명등을 이용한 식물성장 연구기자재로 활용 가능하도록 한 식물성장 LED조명등의 파장의 세기 및 광량 제어 시스템을 개시하고 있다.

그러나, 선행기술문헌1은 종래기술과 같이 오직 청색광과 적색광을 조합하는 한계점이 존재하고, 적색광을 많이 포함되므로 조명으로 사용되기에는 미흡한 부분이 많다. 나아가, 식물의 생장에 필요한 광합성을 촉진하는 광에 대한 연구는 아직 알려지지 않은 부분이 많으며, 나아가, 식물의 생장에는 광합성 이외의 다른 요소도 고려하는 것이 필요한 실정이다.

[선행기술문헌1]

한국공개특허 제10-2017-0096244호(2017. 8. 24.)

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 충분한 식물성장 효과가 있으면서도 백색광을 발광하여 기본적인 조명의 기능을 충실히 수행하는 항균 식물 성장 LED 조명을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명은 441 내지 458nm의 광을 출사하는 LED 베어칩, 및 상기 LED 베어칩 상에 형성된 형광체층를 포함하여 백색광을 출사하는 제1 LED패키지; 402 내지 408nm의 광을 출사하는 제2 LED패키지; 및 645 내지 675nm의 광을 출사하는 제3 LED패키지;를 포함하고, 광 스펙트럼에서 제2 LED패키지가 생성하는 피크의 상대 강도는 0.35 내지 0.45로 형성되고, 상기 제3 LED패키지가 생성하는 피크의 상대 강도는 8.5 내지 9.8로 형성된다.

이때, 상기 제1 LED 패키지의 연색지수(CRI)는 90 이상일 수 있다.

또하, 상기 형광체층은 발광피크가 500 내지 560nm 또는 600 내지 700nm일 수 있다.

또한, 상기 항균 식물 성장 백색 LED 조명은 색온도가 5500 내지 6500K 또는 2500 내지 3500K일 수 있다.

또한, 상기 항균 식물 성장 백색 LED 조명은 720 내지 740nm의 광을 출사하는 제4 LED 패키지를 더 포함할 수 있다.

또한, 전체 광량 중에서 제1 LED패키지, 제2 LED패키지, 제3 LED 패키지 및 제4 LED패키지가 차지하는 비율은 25 내지 45, 5 내지 15, 40 내지 60, 및 10 내지 30일 수 있다.

또한, 상기 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 광합성광량자속밀도(PPFD) 비율은 청색계열 20 내지 30, 녹색계열 30 내지 40, 및 적색계열 35 내지 45으로 형성되어 색온도가 2500 내지 3500K로 형성될 수 있다.

또한, 상기 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 광합성광량자속밀도 비율은 청색계열 10 내지 20, 녹색계열 25 내지 35, 및 적색계열 50 내지 60으로 형성되어 색온도가 5500 내지 6500K로 형성될 수 있다.

본 발명은 백색광을 출력하면서도 항균 효과를 가지도록 하고 광합성 효율이 전혀 저하되지 않는 식물 성장 효과를 도출하는 고품질 백색 LED 조명을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 구성도이다.
도 2는 도 1에서의 제1 LED패키지를 더욱 상세하게 도시한 단면도이다.
도 3은 식물 생장에 필요한 광합성의 흡수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명을 적용한 제품1의 사진 및 광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명을 적용한 제품2의 사진 및 광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 실험 방법을 예시한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 공인시험성적서1과 사진을 도시한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 공인시험성적서2와 사진을 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 공인시험성적서3과 사진을 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 방충용 화이트 LED 패키지를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 구성도이고, 도 2는 도 1에서의 제1 LED패키지를 더욱 상세하게 도시한 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명(1000)은 제1 LED패키지(100), 제2 LED패키지(200), 및 제3 LED 패키지(300)를 포함한다. 또한, 도시된 바와 같이 항균 식물 성장 백색 LED 조명(1000)은 제4 LED패키지(400)를 더 포함할 수 있다.

제1 LED패키지는 백색광을 출사하는데, 기판(10), LED 베어칩(20), 및 형광체층(30)을 포함하고, 광 출사 효율을 향상시키도록 리플렉터(40)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

기판(10)은 LED 베어칩(20)을 고밀도로 실장할 수 있는 기판이면 어느 것이나 가능하다. 제한적이지는 않으나, 예를 들어, 이러한 기판(10)으로는 알루미나(alumina), 수정(quartz), 칼슘지르코네이트(calcium zirconate), 감람석(forsterite), SiC, 흑연, 용융실리카(fusedsilica), 뮬라이트(mullite), 근청석(cordierite), 지르코니아(zirconia), 베릴리아(beryllia), 및 질화알루미늄(aluminum nitride), LTCC(lowtemperature co-fired ceramic) 등을 들 수 있다.

기판(10)은 직선형, 원형 또는 다각형상의 판으로 이루어질 수 있으며, 기판(10)에는 LED 베어칩(20)에 전원을 공급하기 위한 제1와이어와 제2와이어가 설치될 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 LED 모듈(100)은 솔더링을 통해서 LED 베어칩(20)과 기판(10)이 전기적으로 연결되며 별도의 본딩 와이어를 갖지 않을 수도 있다. 이때, LED 베어칩(20)에 형성된 단자를 기판(10)에 전기적으로 연결하는데, 표면실장 방식(SMT; Surface Mount Technology)으로 형성될 수 있다.

LED 베어칩(20)은 청색 발광 LED 칩으로서, 441nm 내지 458nm의 파장을 발광하는 반도체 성분으로 이루어질 수 있다. 이때, 458nm를 초과하는 청색광은 곤충의 유인을 증가할 수 있으므로 바람직하지 않다.

형광체층(30)은 LED 베어칩(20)이 출사한다. 청색광을 여기하여 490nm 내지 700nm 대역의 백색광으로 발광하는데, 실리콘 기지(matrix)에 발광피크가 500 내지 560nm인 녹색 계열 형광체 또는 발광피크가 600 내지700nm인 적색 계열 형광체가 분포하도록 한다.

이때, 본 실시예에 따른 제1 LED패키지(100)는 이러한 형광체층의 조합을 통하여 백색광을 출력하되, 색온도가 5500 내지 6500K를 갖도록 하거나 2500 내지 3500K를 갖도록 한다. 이에 따라, 식물 성장광이면서 백색광이 발광될 수 있는 기본 LED패키지로 기능하도록 한다.

이때, 제1 LED 패키지의 연색지수(CRI)는 90 이상으로 형성되는 것을 바람직하다. 연색지수가 높은 경우에는 적색계열 빛의 함유량이 높아져 광합성 효율이 향상되기 때문이다. 따라서 보다 바람직하게 연색지수는 90이상으로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 제2 LED패키지(200)는 가시광 살균효과를 구현하기 위해 추가되었다. 종래의 식물 생장 LED 조명의 경우에는 청색광과 적색광을 혼합하여 적색광의 광량을 우세하도록 하므로 살균효과가 극히 미비하였다. 이에, 본 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명(1000)은 402 내지 408nm의 살균광을 출사하는 제2 LED 패키지를 더욱 포함시켰다. 이때, 광 스펙트럼 상에서 백색 조명으로서의 연색성 향상을 위해서 제2 LED 패키지가 형성하는 파장 피크의 상대 강도는 0.35 내지 0.45로 형성하는 것이 매우 바람직하다.

이에, 적색광의 광량적 우위를 막으면서 가시광 살균 효과를 구현하도록 하였다. 이때, 본 파장 대역의 광을 함께 인가하여 식물이 곰팡이류의 병에 걸리지 않도록 항균 상태를 계속적으로 유지할 수 있으면서, 식물에 자극을 주어 잎 및 줄기 등이 더 굵어지고 튼튼해지도록 만들 수 있게 된다.

제3 LED패키지(300)는 645 내지 675nm의 광을 출사한다. 제3 LED패키지는 광합성 효과에 최적회된 적색계열 광을 출사하는 역할을 수행한다. 이때, 광 스펙트럼에서 제3 LED가 형성하는 파장 피크의 상대 강도는 8.5 내지 9.8로 형성해야 고 연색성이 확보되면서 광합성 효과를 극대화할 수 있다. 더욱 상세하게, 전체 광량 중에서 제1 LED패키지, 제2 LED패키지, 및 제3 LED 패키지가 차지하는 비율은 25 내지 50, 10 내지 25 및 40 내지 55로 형성된다.

이에 따라 최종 주광색을 발광하는 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 광합성광량자속밀도 비율은 청색계열 20 내지 30, 녹색계열 30 내지 40, 및 적색계열 35 내지 45으로 형성되어 색온도가 2500 내지 3500K로 형성되도록 할 수 있다. 또한, 최종 전구색을 발광하는 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 광합성광량자속밀도 비율은 청색계열 10 내지 20, 녹색계열 25 내지 35, 및 적색계열 50 내지 60으로 형성되어 색온도가 5500 내지 6500K로 형성되도록 할 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명은 제3 LED패키지의 광량이 우세하지만, 제1 LED패키지 및 제2 LED패키지의 광량에 따라 전체적인 백색이 유지되도록 한다. 따라서, 식물 성장광을 제공하면서 고품질의 백색광을 제공하는 것이 가능해진다.

한편, 본 실시예에서는 제2 LED패키지(200)의 추가에 따른 적색 계열 광의 감소가 유발될 수 있으므로 제4 LED패키지(400)를 더욱 추가할 수 있는데, 제4 LED 패키지(400)는 720 내지 740nm의 광을 출사한다. 따라서, 적색광의 감소에 따른 광합성 효과 저감을 근적외선 계열 광의 추가 출사에 의해 상보하도록 한다.

이 경우, 전체 광량 중에서 제1 LED패키지, 제2 LED패키지, 제3 LED 패키지 및 제4 LED패키지가 차지하는 비율은 25 내지 45, 5 내지 15, 40 내지 60, 및 10 내지 30으로 형성되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명은 백색광을 출력하면서도 항균 효과를 가지도록 하고 광합성 효율이 전혀 저하되지 않는 식물 성장 효과를 도출하는 고품질 백색 LED 조명을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명에 대하여 더욱 자세하게 설명한다. 도 3은 식물 생장에 필요한 광합성의 흡수 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명을 적용한 제품1의 사진 및 광 스펙트럼을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명을 적용한 제품2의 사진 및 광 스펙트럼을 도시한 도면이다.

우선, 충분한 식물 성장 효과를 위해서는 도 3에서와 같은 광합성의 흡수 스펙트럼이 도출되어야 한다. 본 실시예에 따라 제조된 LED 조명은 백색을 구현하면서 색온도를 5500 내지 6500K 또는 2500 내지 3500K로 구현할 수 있음은 당연한데, 색온도를 5700K인 제품1을 도 4에 도시하였고, 색온도를 3000K인 제품2를 도 5에 도시하였다.

제품1 및 제품2는 모두 정격전압 AC 100~240V로 동작하도록 하였으며, 주파수 60Hz, 정격전력 15W, 광각 120도, E26 사이즈 소켓의 벌브를 제작하였다. 이때, 도 4 및 도 5의 각 스펙트럼은 모두 도 3의 스펙트럼과 피크 영역이 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서, 식물 성장 효과의 도출은 당연히 도출된다 할 것이다. 이때, 중요한 것은 백색이면서, 식물 성장 효과가 도출되는 것에서 나아가 항균 효과가 도출되는 것이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 항균 효과에 대하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 실험 방법을 예시한 도면이고, 도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 공인시험성적서1과 사진을 도시한 도면이며, 도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 공인시험성적서2와 사진을 도시한 도면이고, 도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 항균 식물 성장 백색 LED 조명의 공인시험성적서3과 사진을 도시한 도면이다.

항균 시험은 한국 건설생활환경 시험연구원에서 수행되었으며, CFU는 Colony Forming Unit으로, 사용한 균주는 Escherichia Coil ATCC 25922와 Staphylococcus aureus ATCC 6538이 사용되었다. 실험은 도 6에 도시된 것와 같이 직하 방식으로 균주에 조명을 비추어 수행되었다. 이때, 시험균주가 접종된 배지를 시료 조명으로부터 50cm의 거리에서 8시간(1단계), 16시간(2단계), 24시간(3단계) 동안 노출시킨 후 세균 감소율을 측정하였다. 접종원을 준비하고 접종방법 및 결과판독을 KCL-FIR-1002:2018을 준용하였다.

우선, 도 7a에서와 같이 8시간 노출의 경우에는 대장균(도 7b)은 10.0%의 세균감소율을 나타냈고, 황색포도상구균(도 7c)의 경우에는 53.3%의 세균감소율을 나타내었다. 황색포도상구균은 8시간 노출만으로 유의미한 감소 결과가 도출됨을 알 수 있었다.

다음으로, 도 8a 에서와 같이 16시간 노출의 경우에는 대장균(도 8b)은 21.0%의 세균감소율을 나타냈고, 황색포도상구균(도 8c)의 경우에는 84.1%의 세균감소율을 나타내었다. 이어서 도 9a 에서와 같이 24시간 노출의 경우에는 대장균(도 9b)은 42.3%의 세균감소율을 나타냈고, 황색포도상구균(도 9c)의 경우에는 99.9%의 세균감소율을 나타내었다. 즉, 황색포도상구균의 경우에는 만하루가 지나는 경우에 소멸됨을 확인할 수 있었고, 대장균의 경우에도 지속적인 광 노출에 의해 소멸 증가율이 커지는 형태로 급속도록 소멸됨을 확인할 수 있었다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

1000: 항균 식물 성장 백색 LED 조명
10: 기판
20: LED 베어칩
30: 형광체층
40: 리플렉터
100: 제1 LED패키지
200: 제2 LED패키지
300: 제3 LED패키지
400: 제4 LED패키지

Claims (9)

1. 441 내지 458nm의 광을 출사하는 LED 베어칩, 및 상기 LED 베어칩 상에 형성된 형광체층를 포함하여 백색광을 출사하는 제1 LED패키지;
   405nm의 광을 출사하는 제2 LED패키지;
   645 내지 675nm의 광을 출사하는 제3 LED패키지; 및
   720 내지 740nm의 광을 출사하는 제4 LED 패키지;를
   포함하고,
   상기 제1 LED패키지 내지 제4 LED패키지의 전체 광량 100을 기준으로 제1 LED패키지, 제2 LED패키지, 제3 LED 패키지 및 제4 LED패키지가 각각 차지하는 비율은 25 내지 45, 5 내지 15, 40 내지 60, 및 10 내지 30이며,
   광스펙트럼 상에서 제2 LED패키지가 형성하는 파장 피크의 상대 강도는 0.35 내지 0.45인 것을 특징으로 하는 항균 식물 성장 백색 LED 조명.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 LED 패키지의 연색지수(CRI)는 90 이상인 것을 특징으로 하는 항균 식물 성장 백색 LED 조명.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 형광체층은 발광피크가 500 내지 560nm 또는 600 내지 700nm인 것을 특징으로 하는 항균 식물 성장 백색 LED 조명.
   
4. 제3항에 있어서,
   전체 광량 중에서 제1 LED패키지, 제2 LED패키지, 및 제3 LED 패키지가 차지하는 비율은 25 내지 50, 10 내지 25 및 40 내지 55로 형성되는 것을 특징으로 하는 항균 식물 성장 백색 LED 조명.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 항균 식물 성장 백색 LED 조명은 색온도가 5500 내지 6500K 또는 2500 내지 3500K인 것을 특징으로 하는 항균 식물 성장 백색 LED 조명.
   
   
   
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