1. 식물의 광합성 스펙트럼 코드
엽록체에는 광계 I과 II가 있는데, 이는 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 데 사용하는 스펙트럼이 매우 까다롭습니다. 엽록소 a/b는 660nm 빨간색 및 450nm 파란색 광 대역에서 빛을 가장 잘 흡수합니다. 이 밴드는 빛 에너지 변환의 90% 이상을 차지합니다. 카로티노이드는 400~500nm 사이의 청색-자색광을 흡수하여 두 가지 유형의 빛을 포착하는 시스템을 만드는 데 도움이 됩니다. 붉은 빛의 양이 80%일 때 토마토의 광합성 속도는 50% 증가하고, 과일 하나의 무게도 14~30% 증가할 수 있다는 실험 결과가 나왔습니다. 윈난 장미 재배 베이스는 청색광을 사용하여 줄기를 20% 더 두껍게 만들고 꽃잎의 색상을 35% 더 일관되게 만듭니다.
식물은 녹색광(520~610nm)을 최대 60%까지 반사할 수 있지만, 이 빛이 캐노피를 통과하면 아래쪽 잎의 광합성 효율을 18%까지 높일 수 있습니다. 일본 미쓰비시 케미칼의 실험에서는 적색 청색 복합광에 녹색광을 5% 추가하면 상추 생산량이 12% 향상되는 것으로 나타났습니다. 이는 고밀도 식재 시 빛 손실 문제를 해결했습니다.- 원적외선(730nm)의 "그림자 효과"는 성장을 멈추고 꽃봉오리의 분화를 촉진합니다. 이렇게 하면 딸기 생산의 결실 단계가 7~10일 더 길어질 수 있습니다.
2. LED 기술의 스펙트럼 혁명
기존 광원의 세 가지 주요 문제는 고압 나트륨 램프가 전기 에너지의 12%만 광합성 활성 방사선으로 변환하고, 형광등 스펙트럼이 식물에 필요한 스펙트럼보다 최대 40% 낮으며, 메탈 할라이드 램프가 너무 많은 원적외선을 방출하여-식물이 너무 빨리 자라게 한다는 것입니다. 그리고 LED는 새로운 반도체 재료를 개발하여 정확한 스펙트럼 맞춤화를 가능하게 했습니다.
단색 광학 칩 기술: InGaN/GaN 재료 조합 덕분에 ±2nm의 피크 파장 오류로 깨끗한 스펙트럼을 보낼 수 있습니다. 독일의 Osram은 660nm 적색광 대역에서 일반 광원보다 300% 더 효율적인 OSLON Square 시리즈 칩을 만듭니다.
동적 스펙트럼 제어: Philips GrowWise 시스템은 IoT 기술을 사용하여 식물의 성장 단계에 따라 스펙트럼 비율을 변경합니다. 하배축 신장을 막기 위해 묘목 단계에서는 블루라이트의 양을 30%까지 높입니다. 꽃눈의 분화를 돕기 위해 개화기에는 붉은빛의 양을 85%까지 높인다. 결실기에 원적색광을 사용하면 열매가 더 크게 자란다.
열 관리의 획기적인 발전: 세라믹 기판과 액체 냉각 기술을 사용하여 LED 온도를 45도 미만으로 유지합니다. 일반 광원보다 열 발생량이 60% 적기 때문에 식물 캐노피에서 15cm 떨어진 곳에 조명을 배치할 수 있으며, 공간 활용도가 4배 더 좋습니다.
3. 농업의 '빛 통제 시대'
산둥성 서광(Shouguang)에 위치한 지능형 온실에서는 LED 조명을 사용하여 토마토 재배를 돕고 있습니다. 이 기술은 연간 60kg/m²의 토마토를 생산하는데, 이는 기존 방식보다 3배 더 많은 수치입니다. 6:1 비율의 빨간색과 파란색 빛을 활용하여 "3차원{3}}선반"을 심는 것이 가능합니다. 이는 단위 면적당 출력 효율을 500% 증가시킵니다. 내몽고의 사막 온실은 흐린 날과 눈이 오는 날에 오이에게 매일 4~6시간의 추가 빛을 제공합니다(강도 200μmol/m²·s). 이렇게 하면 오이가 평소보다 25% 더 많이 자라게 되어 악천후에 생산성이 낮아지는 문제를 해결합니다.
LED 기술은 식물 공장 영역에서 제품이 만들어지는 방식을 변화시키고 있습니다. 일본의 Mirai Company는 풀 스펙트럼 LED 조명(UV{1}}A 380nm 및 원적색광 730nm 포함)을 사용하여 양상추의 비타민 C 함량을 18%, 안토시아닌 함량을 25% 높입니다. 광주기(적광 16시간, 암광 8시간)를 조절하여 딸기가 익는 데 걸리는 시간을 일반 파종에 비해 3분의 1로 단축합니다. 즉, 딸기는 일년 내내 먹을 수 있습니다.
4. 기술의 변화와 산업 동향
현재의 LED 플랜트 조명은 이제 세 번째 개발 반복 단계에 있습니다.
양자점 LED: 나노결정질 소재를 사용하여 380~850nm의 전체 파장 범위에 걸쳐 연속적인 스펙트럼 조정 가능성을 달성하고 광 효율은 4μmol/J 이상입니다.
바이오피드백 시스템: 내장된 엽록소 형광 센서,{0}}PSII의 실제 광화학적 효율성에 대한 실시간 모니터링 및 빛 공식의 동적 최적화.
AI 조명 환경 모델링: 딥 러닝 기술을 사용하여 식물 성장 스펙트럼 환경의 디지털 트윈 모델을 생성하여 정확한 예측과 제어가 가능합니다.
MarketsandMarkets에 따르면 세계 식물 조명 시장은 매년 22.5%씩 증가하여 2027년에는 186억 달러에 이를 것이라고 합니다. 중국은 최대 생산국이며 칩 제조에서 시스템 조립에 이르기까지 완전한 산업 체인을 구축했습니다. Huawei 및 Sanan Optoelectronics와 같은 회사는 5G+LED 스마트 농업 솔루션 사용을 추진하고 있습니다.
5. 문제점 및 향후 조치
기술이 점점 더 좋아지고 있음에도 불구하고 이 분야에는 여전히 해결해야 할 세 가지 큰 문제가 있습니다.
초기 비용: 중소기업은 투자 회수에 3~5년이 걸리기 때문에 전체 스펙트럼 LED 시스템을 사용할 가능성이 낮습니다.
표준 없음: 가벼운 포뮬러에 대한 글로벌 인증 시스템이 없으므로 사용 시 다른 결과가 발생합니다.
에너지 효율 병목 현상: 원적색광 대역(700~800nm)의 광전 변환 효율은 적색광의 광전 변환 효율의 60% 미만입니다. 이는 재료과학이 큰 발전을 이루어야 함을 의미합니다.
업계는 향후 5년 동안 세 가지 주요 혁신 영역에 중점을 둘 것입니다.
스펙트럼 유전자 편집: CRISPR 기술을 사용하여 특정 스펙트럼에 더 잘 반응하는 작물 유형을 재배합니다.
사진-CO2 공동 규제: 빛 에너지를 더 잘 활용하기 위해 공기 중 빛의 양과 이산화탄소를 연결하는 시스템을 만듭니다.
우주 농업 애플리케이션: 95% CO2인 화성 대기에 대한 고유한 스펙트럼 솔루션을 만들어 심층 우주 탐험을 위한 식량 안보를 보장합니다.
6. 실제-사례 및 금전적 이득
Shandong Shouguang의 토마토 재배: 적색-청색광 비율이 8:1인 LED 시스템을 사용하여 식물당 과일 수가 12개에서 18개로 늘었고 당도는 1.5도 증가했으며 에이커당 생산량은 500,000위안 이상이었습니다.
운남 플라워 베이스: 청색광을 이용해 장미 줄기의 굵기를 변화시킴으로써 A-등급 꽃의 비율이 65%에서 82%로 증가하고, 수출 단위당 가격이 30% 증가했습니다.
몽골 사막 한가운데 온실: 겨울철 영하 20도일 때 LED 조명을 켜면 오이가 일반 온실보다 2.3배 더 많이 자라며 물과 비료의 활용도가 40% 더 좋아집니다.
