LED의 농업적 이용 - LED를 이용한 전조재배 기술 2010. 3.29 농촌진흥청 국립농업과학원 기후변화생태과

I. 연구배경 및 필요성 ○ 국제유가와 전기요금 인상으로 전등조명 재배농가 생산비 가중 시설재배지의 광환경   ○ 저탄소 녹색성장 실현을 위한 LED 이용 시설재배 신기술 개발 필요 시설재배지의 광환경 - 광 부족 현재의 전조재배 - 에너지 다소비 4중 3중 2중 1중 백열등 전조 (충남 금산군, ‘08.12.2) 4중 비닐피복 (충남 부여군, ‘08.11.8)

전조, 보광재배 현황 2,864ha, 9,983 농가에서 전조, 보광재배 실시 구 분 면 적 (ha) 작 물 딸기 1,665.7, 잎들깨 568.6, 국화 458.4, 부추 20.0, 기타 23.6 전구종류 백열등 2,380.3, 할로겐등 156.5, 형광등 97.3, 고압수은등 59.0, LED 21.6, 기타 21.6 보광재배 : 127.6ha, 413 농가 구 분 면 적 (ha) 작 물 장미 42.3, 딸기 33.7, 국화 25.4, 기타 26.2 전구종류 백열등 60.7, 할로겐등 31.1, 형광등 24.8, 할로겐등 11 * 1ha = 3,000평

LED의 특성 및 활용 LED (Light Emitting Diode) 란? 단일 파장을 방출하는 반도체 발광소자, 반영구적 고효율 미래광원   수명 10～30배, 광전환 효율 90% , CO2 저감 타 산업분야 활용   LED 시장 고성장 : 반도체 시장규모에 육박, 성능대비 가격하락 주요 응용분야 : 전자기기, 휴대폰, TV, 전광판, 교통신호, 차량, 경관 및 장식조명

II. 주요 연구성과 작물 광생리의 중심이론 적색 LED를 이용한 농업에너지 절감 기술 개발

작물 광생리의 중심이론 가. 빛의 정의 : 사람의 시각에 생리적인 자극을 일으킬 수 있는 1. 빛의 물리적 성질 가. 빛의 정의 : 사람의 시각에 생리적인 자극을 일으킬 수 있는 전자기 스펙트럼(electromagnetic spectrum)의 부분 나. 빛의 성질 : 연속적인 파동과 개별적인 입자의 이중성을 띤 전자기 에너지

ν = 진동수 c = 빛의 속도 (3×108m s-1) λ = 파장 다. 파동현상으로서의 빛 - 파동성 : 공간 이동, 물체에 의한 반사, 렌즈에 의한 굴절 ν = c /λ ν = 진동수 c = 빛의 속도 (3×108m s-1) λ = 파장 생물학에서 관심대상인 방사선 빛의 파동성

작물 광생리의 중심이론 파이토크롬 (phytochrome) 미국 Maryland 주 Beltsville의 농무성 연구소 1945~1960년 광가역성(photoreversibility) - 빛에 민감한 상추씨의 발아, 완두의 줄기 신장, 광주기에 의한 개화조절등의 작용 스펙트럼(action spectrum) 연구중 - 이들 작용은 적색광과 초적색광 파장 부위에서 피크를 나타내는 유사성 발견 - 적색광에 의해 가능한 반응이 적색광에 이어 초적색광을 처리하면 무효화 됨 (Borthwick, Hendricks 1952)

최초 제안된 광가역적인 체계 적색광(660nm) 초적색광(730nm)

개화의 광가역성    (Flint et al)

왜 농작물의 조명재배에 적색광을 사용했는가 ? 식물의 광인식단백질인 파이토크롬(phytochrome)의 작용 1. 식물의 해길이(日長)연장 효과 : 적색광이 필수 식물의 광인식단백질인 파이토크롬(phytochrome)의 작용 2. 농작물의 전등조명재배시 백색광보다 효율이 5배 높음 농작 물 백색광 (Lux) 적색광 (Lux) 잎들깨 25 ~ 30 5 ~ 6 국 화 55 ~ 60 10 ~ 12 전조(조명)재배 : 전기조명을 켜 주어 해길이를 연장시켜 농작물의 개화, 생장을 조절하여 생산량을 늘리는 재배법 3. 식물의 광합성 작용에는 적색광 이 백색광보다 효과적임 백색광 청색광 적색광

적색 LED를 이용한 농업에너지 절감기술 개발 전기에너지 70% 절감 : 적색 LED vs 백열등 (60~100W) (특허출원, ‘08)   - 잎들깨, 국화, 딸기등 : 재배면적 2,864ha, 127억원/년 절감 (3억3천9백만 KWh) 국 화 폐 백열등 적색 LED 백열등 전등조명 재배 - 야간에 전등을 켜 주어 꽃피는 시기를 조절하여 생산량을 늘리는 재배법

농가 보급형 LED 광처리 장치 개발 농가보급형 LED 광처리 장치 실용화 소요량 68% 절감 ( 특허출원 3건, 7종 ’08.9, 국제특허(PCT) 출원 예정, ’09 ) 천장 부착형 (비닐하우스) - 설치 소요량 : 80개 (60개) / 300평 기둥 부착형 (대형온실) 소요량 68% 절감 실용화 LED를 이용한 연구용 광처리 장치 ( 특허출원 ’08.4 ) 야외형 (과수원) - 설치 소요량 : 250개 / 300평

LED 광처리장치 현장 실용화 효 과 - 백열등 1,370,000원  적색 LED 398,000원/1,500평 ○ 시험지 : 충남 금산군 추부면 < 백열등 > < 적색 LED > 효 과 ○ 전기사용 절감 : 71% (백열등 60W : 적색 LED 10W) ○ 절감액 : 972,000원/1,500평/년   - 백열등 1,370,000원  적색 LED 398,000원/1,500평

잎들깨 전조 광원별 전기사용량 광 원 전기사용량 절감율(%) 백열등(60W) 554.0 71% 적색 LED(10W) 161.3  잎들깨 전조 광원별 전기사용량         광 원 전기사용량 (KWh) 절감율(%) (백열등 대비)       백열등(60W) 554.0 71%       적색 LED(10W) 161.3  * 60일 사용

적색 LED 이용 잎들깨 전조재배 < 백열등 > < 적색 LED > 효 과 ○ 개화억제 < 백열등 > < 적색 LED > 잎 수량 : 3회 별도조사 사진 : 3회 잎 수확 후 지상부 효 과 ○ 개화억제 ○ 잎들깨 생육 및 수량 4~10% 증가

LED 광처리장치 현장 실용화 < 백열등 > < 적색 LED > 효 과 ○ 시험재배지 : 경남 김해시 대동면 < 백열등 > < 적색 LED > 효 과 ○ 전기사용 절감 : 82%(백열등 100W : 적색 LED 13W)    ○ 절감액 : 2,042,000원/2,000평/년   - 백열등 2,490천원  적색 LED 448천원/2,000평

LED 광처리장치 현장 실용화 – 딸기 효 과 - 백열등 1,370,000원  적색 LED 398,000원/1,500평 ○ 시험재배지 : 경남 김해시 생림면 < 백열등 > < 적색 LED > 효 과 ○ 전기사용 절감 : 71% (백열등 60W : 적색 LED 10W) ○ 절감액 : 972,000원/1,500평/년   - 백열등 1,370,000원  적색 LED 398,000원/1,500평 < 백열등 > < 적색 LED >

경제성 분석 잎들깨 전조재배 광질제어장치 사용 (300평) 추가 비용 - 적색 LED 장치 추가설치 비용 100,000원*84개+3,000천원 (전원조절기 등) = 11,470천원/10년 생산비 절감 (전기요금) - 전기요금 절감 : 224,000원 추가수입 - 생산량 증가 : 10% 529kg * 3,500원 = 1,851,500원 합계 ( A) : 1,147,000원 합계(B) : 2,075,500원 수익의 변화 (B-A) 750,000원   - 잎들깨 가격 : 3,500/kg (3년 평년가격의 평균) 농산물유통공사 농산물유통정보 - 전기요금 : 농사용 병 적용, 백열등 60W, 8와트 LED 모듈 적용, 생산량 : 5,294kg/1기작/10a

III. 기대 효과 ○ 광수용단백질인 파이토크롬의 작용을 유도하여 잎들깨,국화, 딸기의 개화조절 ○ 광수용단백질인 파이토크롬의 작용을 유도하여 잎들깨,국화, 딸기의 개화조절 ○ 잎들깨, 국화, 딸기 전조재배시 (농업용) 전기에너지 절감 : 70~80%, - 2,864ha, 127억원/년 (3억3천9백만 KWh) - 이산화탄소 배출 저감 16만1천톤/년 ○ 잎들깨, 국화, 딸기 전조재배시 수량 및 상품성 증가 : 10~15 % - 2,864ha, 311억원/년 ○ 잎들깨, 국화, 딸기 전조재배시 생산비 절감으로 농가소득 증대 ○ 고품질 친환경 농작물 생산으로 소비 촉진

IV . 금후 연구 추진방안 LED 이용 작물의 광환경 개선 기술연구 생리,생태 기초연구 분야   농업 전기에너지 절감기술 실용화 - 전조재배, 보광재배   생리,생태 기초연구 분야   생산성 증대 및 품질향상 기술분야 - 시설작물 생산성 증대 및 품질향상 기술개발 : 과채류, 엽채류 - 과수 품질향상 및 생산성 증대 기술개발 : 시설, 노지(야외) - 노지작물 품질향상 및 생산성 증대 기술개발 기능성 증진 기술분야 - 약용작물

LED의 농업적 이용분야 전망 (기능별)