보광 자동화 설계 – 작물 중심의 광 환경 최적화 전략

스마트팜 환경에서 광(光)은 단순한 외부 요인이 아니라 생장의 직접적인 연료다.

 

작물은 스스로 에너지를 생산할 수 없기 때문에, 빛을 받아 화학 에너지로 전환하는 광합성 과정을 통해 생장과 발달을 수행한다.

 

따라서 빛의 양과 질, 지속 시간은 작물의 생리 상태에 극적으로 영향을 준다.

 

자연광이 풍부한 노지와 달리, 실내형 스마트팜이나 비닐하우스 환경에서는 일조량이 불규칙하거나 절대량이 부족하기 때문에 인공 광원을 통한 보광 시스템이 필수적이다.

 

하지만 다수의 스마트팜에서는 여전히 “조도가 일정 수치 이하로 떨어지면 보광등을 켠다”는 단순 조건으로 광 제어를 진행하고 있다.

 

이러한 방식은 기계적으로는 자동화지만, 생리적으로는 매우 비효율적이다.

 

작물이 필요로 하는 광량은 하루 중 시간대, 생장 단계, 광질(파장 구성), 광포화점, 누적 광량(DLI) 등에 따라 변화하며, 조도(LUX)라는 단일 지표로는 이를 파악할 수 없다.

 

이 글에서는 보광 자동화 시스템을 단순 점등 장치가 아닌, 작물 생리와 환경 조건을 읽어내는 정밀한 제어 장치로 재구성하는 방법을 제시한다.

 

생리 기반 보광 설계의 필요성부터, 시간대 연동형 보광 알고리즘, 광질 센서 활용, 에너지 효율 기반 작동 전략까지, 실전 중심의 자동화 설계 기준을 제안하며, 스마트팜의 핵심인 ‘빛의 정밀 제어’에 대한 통합적 사고를 제공한다.

 

목차

• 보광 시스템의 구조와 설계 목적
• 작물 생리에 기반한 광 요구 분석
• 조도 중심 보광 자동화의 구조적 한계
• 시간·광질·생장단계 연동 설계 방식
• 에너지 효율을 고려한 보광 운영 전략

 

Ⅰ. 보광 시스템의 구조와 설계 목적

보광 시스템은 조도 센서, 타이머, 보광등, 제어기라는 네 가지 핵심 구성요소로 이루어져 있다.

 

조도 센서는 현재의 광량을 실시간으로 측정하고, 타이머는 보광이 가능한 시간대를 설정하며, 제어기는 센서 데이터를 기반으로 보광등의 작동 여부를 판단한다.

 

LED나 고압나트륨등이 대표적인 보광 광원으로 사용되며, 최근에는 적색(660nm), 청색(450nm), 백색광(400~700nm 혼합) 등 파장 선택이 가능한 LED 조명으로 빠르게 전환되고 있다.

 

보광 설계의 목적은 명확하다.

 

일사량이 부족한 시간대나 계절에 작물에게 광합성에 충분한 빛을 제공하고, 생장 속도를 유지하거나 촉진하는 것이다.

 

그러나 목적이 같다고 해서 방식도 같은 것은 아니다.

 

중요한 것은 작물이 어떤 광량을 필요로 하며, 그 요구량을 어떤 시점에서 어떤 방식으로 제공해야 최적의 반응을 이끌어낼 수 있는가에 있다.

 

Ⅱ. 작물 생리에 기반한 광 요구 분석

광합성은 작물마다 반응하는 포화 지점이 다르다. 이를 ‘광포화점’이라고 하며, 이 지점을 초과하는 빛은 생장에 기여하지 못하고 오히려 광 스트레스를 유발할 수 있다.

 

예를 들어 상추는 비교적 낮은 광포화점을 가지고 있어 600~800 μmol/m²/s 정도의 광량이면 충분한 반면, 토마토나 오이는 1000~1200 μmol/m²/s 이상의 광량을 필요로 한다.

 

또한 작물은 하루 중 광합성 반응이 활발한 시간대와 그렇지 않은 시간대가 존재한다.

 

일반적으로 오전 7시부터 11시 사이가 광합성 효율이 가장 높은 시간대이며, 이때의 광 공급은 생장에 직접적인 영향을 준다.

 

반대로 오후 2시 이후는 고온 스트레스로 인해 광합성 효율이 저하되며, 이 시점의 과도한 보광은 오히려 스트레스를 유발할 수 있다.

 

생장 단계에 따라 광 요구량도 달라진다.

 

정식 직후의 어린묘는 광에 대한 민감도가 높아 과도한 보광이 조직 괴사를 유발할 수 있으며, 생장기에는 광량을 증가시켜야 충분한 광합성 에너지를 확보할 수 있다.

 

개화기와 수확기에는 과도한 보광보다는 광질 조절(청색 또는 적색 비율 조정)이 더 중요해진다.

 

결국, 보광 설계는 작물의 생장곡선과 연동되어야 하며, 고정된 값이 아니라 동적 조건에 기반한 설계가 필요하다.

 

Ⅲ. 조도 중심 보광 자동화의 구조적 한계

조도(LUX)는 사람이 인지하는 밝기의 개념이며, 작물이 흡수하는 광합성 유효광량(PAR: Photosynthetically Active Radiation)과는 개념적으로 완전히 다르다.

 

예를 들어 300lx의 LED 백색광과 300lx의 태양광은 파장 구성에서 큰 차이를 보이며, 작물이 실제로 흡수하는 광합성 효율에도 큰 차이가 발생한다.

 

조도 중심의 보광 자동화는 이 차이를 인식하지 못한 채 작동한다.

 

특정 조도 이하로 떨어지면 무조건 보광등이 켜지고, 조도 상승 시 꺼진다.

 

이 방식은 다음과 같은 한계를 지닌다.

 

첫째, 시간대를 고려하지 않는다.

 

오후 5시에 조도가 낮다고 보광을 시작하면, 작물은 실제로 광합성 활동을 거의 하지 않는 시간에 빛을 받게 되며, 이는 에너지 낭비로 직결된다.

 

둘째, 누적 광량 개념이 없다.

 

작물이 하루 동안 받은 총 빛의 양, 즉 DLI(Daily Light Integral)를 기준으로 보광을 판단하지 않기 때문에 과보광 또는 광량 부족이 발생하기 쉽다.

 

셋째, 파장 특성 무시.

 

청색광 중심의 작물에 적색 보광이 지속되면 생장이 왜곡될 수 있다.

 

따라서 조도는 참고 지표로만 활용하고, 실제 자동화 기준은 광질, 시간대, 생장 상태, 누적 광량 등 복합 조건을 고려해야 한다.

 

Ⅳ. 시간·광질·생장단계 연동 설계 방식

정밀한 보광 자동화는 단순히 광량의 부족 여부를 감지하는 것이 아니라, 작물이 ‘지금’ 그 빛을 필요로 하는가를 중심에 두고 판단해야 한다.

 

이를 위해 보광 알고리즘은 다음의 요소를 조합해 설계되어야 한다.

1. 시간 조건 연동
   • 오전 6시~10시: 광합성 활성 시간대 → 적극 보광
   • 10시~14시: 실외광량 연계 조정
   • 14시~18시: 광량 유지 위주 / 보광 강도 조절
   • 18시 이후: 광합성 효율 감소 → 제한적 단광 사용
2. 생장 단계 인식
   • 정식 초기: 광량 제한 / 광질 조절 중심
   • 생장기: 고광량 보광 + DLI 목표 설정
   • 개화기: 청색비율 조절 / 광량 제한
   • 수확기: 미세보광 또는 중지
3. 광질 중심 설정
   • 청색광: 잎 생장, 초장 억제
   • 적색광: 개화 촉진, 광합성 강화
   • 혼합비율 제어 가능 조명 도입
4. DLI 기반 누적 보광량 보정
   • 작물별 DLI 목표치 설정
   • 실외광량 실시간 계산 → 부족분만 보광

이러한 연동 구조를 바탕으로 한 자동화 알고리즘은 에너지 효율을 극대화하며, 작물 생리에 최적화된 보광 환경을 제공한다.

 

Ⅴ. 에너지 효율을 고려한 보광 운영 전략

보광은 에너지 소모가 큰 장치이므로, 정밀 설계 없이는 전기료 부담이 급증할 수 있다.

 

효율적 운영을 위해선 다음과 같은 전략이 필요하다.

1. 보광 시작 전 실외광량 모니터링
   • 구름 예보, 일조량 예측값 활용 → 사전 보광 조절
2. 보광량 기준을 DLI 목표로 역산 설정
   • 예: 상추 DLI 14 mol → 실외 8 mol 확보 시, 보광으로 6 mol 충당
   • 시간당 광출력 기준 보광 지속시간 산출
3. CO₂ 시스템과 동시 연동
   • 보광이 켜질 때 CO₂ 자동 보충
   • 빛 + CO₂ → 광합성 효율 상승
   • CO₂가 부족한 보광은 광낭비
4. 냉방 시스템과 연계 제어
   • 고광량 보광 시 내부 온도 상승 → 냉방 자동 연동

보광은 단독 시스템이 아니라, CO₂, 온도, EC, 생장률까지 포함한 복합 제어 구조로 설계되어야 한다.

 

결론

스마트팜 보광은 단순한 점등이 아니다.

 

작물의 생장 흐름을 이해하고, 그 흐름에 맞게 빛을 공급하는 정밀 생리 설계 행위다.

 

정확한 시간에, 정확한 파장의 빛을, 정확한 양만큼만 공급하는 것.

 

그것이 진짜 자동화이며, 그것이 진짜 스마트팜이 된다.