본 연구에서는 순환식 수경재배용 UV LED 모듈을 설계하고 제작하였다. UV LED의 광 출력을 개선하기 위해 석영(쿼츠) 렌즈를 사용하였고 출력을 조절할 수 있는 제어 기능을 추가하였다. 그리고 제안하는 모듈을 이용하여 수경재배 농작물의 생장에 필요한 양액내 유해 미생물의 살균 효과를 분석하였다.
순환식 수경재배는 식물 생장에 필요한 배양액을 베드를 통해 반복적으로 순환시켜 재배한다. 이러한 반복 순환되는 배양액은 각종 유해 미생물이 증식하기 쉬운 구조를 가지고 있고, 수경재배 중인 모든 식물들과 접촉하기 때문에 대량 감염이 일어날 위험이 있다. 즉, 수경재배는 유해 세균에 감염되기 쉬운, 환경적으로 취약한 문제점을 가지고 있다. 그러므로 배양액 반복 사용에 있어 폐양액 내의 병원성 유해 미생물의 살균, 멸균 과정이 반드시 필요하다. 이러한 이유로 여러 가지 다양한 방식의 살균을 위한 장치와 방법이 필요한 실정이다.
멸균(disinfection) 방식에는 화학적, 물리적, 광학적 등의 여러 가지가 존재한다. 이 중에서 자외선 빛을 이용한 광학적 살균 방식은 화학적, 물리적 방식과 달리 세균의 내성을 일으키지 않고, 비교적 빠르고 안전하며 표적 살균 목적으로 유용하고 효과적인 방식이라 할 수 있다.
본 연구는 광학적 살균 방식을 채택했으며 광원으로는 친환경적이고 효율이 높은 자외선 LED를 적용하였다. 스펙트럼 측정 시 270 nm∼280 nm 대역의 살균 파장(UV-C)을 방출하는 LED를 모듈(Modual)화 하고, 석영 소재의 집광 렌즈와 LED 배치를 구조화하여 제작하였다. 또한 UV LED 성능 측정을 위해 자외선 측정 장비를 사용하여 패키지의 광학적, 전기적, 배광 특성을 확인하였다. 제작한 패키지의 광학 특성, 즉 반사와 산란, 흡수를 고려하고 LED 칩 배열에 따른 광 출력의 강도와 조사면적의 균일도 설계를 기반으로 모듈을 제작 시험을 하였다. 모델링된 LED를 바탕으로 광학적 모의실험(simulation) 값과 실제 제품, 또는 계측기와의 편차를 확인하고 이를 최소화하기 위해 14개의 LED를 직선형으로 배치하여 모듈을 만들어 거리별 조사량을 확인하였다. 패키지 상측면으로부터 2 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm 떨어진 위치에 수신기를 설치하여 조사거리에 따른 조사 강도와 균일도의 변화를 평가하여 LED의 높이를 10 mm로 설정하였다.
유해 미생물의 살균 효과를 분석하기 위해 사용된 균은 총 4가지로 대장균, 토마토 궤양병 원인균, 상추 세균썩음병 원인균, 상추 시듦병 원인균을 각각 배양하여 실험에 적용하였다. 또한, UV LED 광 출력과 조사시간에 따른 영향, 광 출력과 조사거리에 대한 영향, 광 출력과 유속에 대한 영향을 실험하였다.
UV LED 광 출력과 조사시간에 따른 실험 결과에서는 제작된 모듈의 초기 광량 280 mW의 30%, 50%, 70%로 변환 설정하여 각각 84 mW, 140 mW, 196 mW의 효과를 실험하였다. 조사 광 출력이 84 mW일 때 4종의 배양된 미생물의 수가 10분 조사 시 4종 모두 100%의 살균력을 보였다. 광 출력을 높여 140 mW일 때 3분 조사 시, 5분 조사 시, 평균 96%의 살균력을 보였으며, 10분 조사 시 4종 모두 100%의 살균력을 보였다. 196 mW일 때 3분 조사 시, 4종의 배양된 미생물의 수가 평균 91%로 줄어드는 것을 확인하였다. 5분 조사 시, 4종의 미생물 모두 평균 100%의 살균력을 보였다. 광 출력 증가 시 조사시간에 비례하여 짧은 시간에 4종의 미생물의 수가 100% 줄어드는 결과를 얻었다.
UV LED 광 출력과 조사거리에 따른 실험 결과에서는 84 mW 광 출력으로 1 cm 거리에서 조사 시 평균 21%의 살균력을 보였으며, 5 cm 거리에서 조사 시 62%, 8 cm에서는 가장 높은 81%의 살균력을 보였다. 하지만 10 cm에서는 평균 25%로 살균력이 낮아졌다. 광 출력을 높여 140 mW에서의 결과는 1 cm 거리에서 조사 시 평균 19%의 살균력을 보였으며, 5 cm 거리에서 조사 시 64%, 8 cm에서는 가장 높은 94%의 살균력을 보였다. 하지만 10 cm에서는 평균 45%로 살균력이 낮아졌다. 광 출력 196 mW의 경우 1 cm 거리에서 조사 시 평균 22%의 살균력을 보였으며, 5 cm 거리에서 조사 시 91%, 8 cm에서는 가장 높은 99%의 살균력을 보였다. 하지만 10 cm에서는 평균 60%로 살균력이 낮아졌다.
실험 결과를 통해 광 출력이 높을 시 적절한 거리에서 강한 살균력을 가짐을 확인 하였고, 조사거리에 따르는 광량의 균일성이 전체적인 살균력에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.
수경재배 특성상 양액으로 인한 환경오염이나, 멸균이 되지 않은 유해한 균으로 인해 수경재배 시 뿌리의 균을 옮겨 생산성에 악영향을 주는 문제가 있다. 따라서 순환되는 배양액의 정화 및 멸균시스템의 중요한 척도로 흐르는 즉, 유속이 있는 상황에서의 살균실험을 하였다.
UV LED 광 출력과 흐르는 유체 살균에 관한 실험은 제작된 모듈의 초기광량 1,000 mW의 30%, 50%, 70%로 광 출력에 변화를 주고 유속의 흐름 속도를 제어하여 실험 하였다. 결과에서는 300 mW 광 출력을 조사 시 100 mL/s에서 92.5%의 살균력을 보였으며, 60 mL/s 유속 이하에서 100%의 살균력을 확인하였다. 500 mW 광 출력을 높여 유속에 따른 조사 시, 100 mL/s 유속에서 96%의 살균력을 보였으며, 60 mL/s의 유속 이하에서는 100%의 살균력을 보였다. 700 mW 광 출력 시 100 mL/s의 살균력은 가장 높은 99.2%의 살균력을 보였다. 높은 광 출력을 조건으로 조사 시 60 mL/s 이하의 유속일 때 가장 안정적인 살균능력을 보였다. 결과에서 순환식 수경재배 시 100 mL/s 유속보다는 60 mL/s 이하의 유속에서 4종의 미생물이 가장 높은 살균력을 보이는 것을 확인하였다.
미생물의 유속 상태에서의 실험은 유속의 흐름과 광 출력에 따라 영향이 있음을 확인하였다.
이러한 연구 결과는 순환식 수경재배 시스템을 구성하였을 때, 양액내 발생되는 병원균을 제거, 살균 하는 문제를 해결하여 수경재배의 생산성을 높이고 환경오염을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 적용되는 배관의 크기와 유속의 흐름속도에 따라 LED 광원의 균일한 조사와 출력의 세기를 설계 시 고려해야 한다.본 연구에서는 순환식 수경재배용 UV LED 모듈을 설계하고 제작하였다. UV LED의 광 출력을 개선하기 위해 석영(쿼츠) 렌즈를 사용하였고 출력을 조절할 수 있는 제어 기능을 추가하였다. 그리고 제안하는 모듈을 이용하여 수경재배 농작물의 생장에 필요한 양액내 유해 미생물의 살균 효과를 분석하였다.
순환식 수경재배는 식물 생장에 필요한 배양액을 베드를 통해 반복적으로 순환시켜 재배한다. 이러한 반복 순환되는 배양액은 각종 유해 미생물이 증식하기 쉬운 구조를 가지고 있고, 수경재배 중인 모든 식물들과 접촉하기 때문에 대량 감염이 일어날 위험이 있다. 즉, 수경재배는 유해 세균에 감염되기 쉬운, 환경적으로 취약한 문제점을 가지고 있다. 그러므로 배양액 반복 사용에 있어 폐양액 내의 병원성 유해 미생물의 살균, 멸균 과정이 반드시 필요하다. 이러한 이유로 여러 가지 다양한 방식의 살균을 위한 장치와 방법이 필요한 실정이다.
멸균(disinfection) 방식에는 화학적, 물리적, 광학적 등의 여러 가지가 존재한다. 이 중에서 자외선 빛을 이용한 광학적 살균 방식은 화학적, 물리적 방식과 달리 세균의 내성을 일으키지 않고, 비교적 빠르고 안전하며 표적 살균 목적으로 유용하고 효과적인 방식이라 할 수 있다.
본 연구는 광학적 살균 방식을 채택했으며 광원으로는 친환경적이고 효율이 높은 자외선 LED를 적용하였다. 스펙트럼 측정 시 270 nm∼280 nm 대역의 살균 파장(UV-C)을 방출하는 LED를 모듈(Modual)화 하고, 석영 소재의 집광 렌즈와 LED 배치를 구조화하여 제작하였다. 또한 UV LED 성능 측정을 위해 자외선 측정 장비를 사용하여 패키지의 광학적, 전기적, 배광 특성을 확인하였다. 제작한 패키지의 광학 특성, 즉 반사와 산란, 흡수를 고려하고 LED 칩 배열에 따른 광 출력의 강도와 조사면적의 균일도 설계를 기반으로 모듈을 제작 시험을 하였다. 모델링된 LED를 바탕으로 광학적 모의실험(simulation) 값과 실제 제품, 또는 계측기와의 편차를 확인하고 이를 최소화하기 위해 14개의 LED를 직선형으로 배치하여 모듈을 만들어 거리별 조사량을 확인하였다. 패키지 상측면으로부터 2 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm 떨어진 위치에 수신기를 설치하여 조사거리에 따른 조사 강도와 균일도의 변화를 평가하여 LED의 높이를 10 mm로 설정하였다.
유해 미생물의 살균 효과를 분석하기 위해 사용된 균은 총 4가지로 대장균, 토마토 궤양병 원인균, 상추 세균썩음병 원인균, 상추 시듦병 원인균을 각각 배양하여 실험에 적용하였다. 또한, UV LED 광 출력과 조사시간에 따른 영향, 광 출력과 조사거리에 대한 영향, 광 출력과 유속에 대한 영향을 실험하였다.
UV LED 광 출력과 조사시간에 따른 실험 결과에서는 제작된 모듈의 초기 광량 280 mW의 30%, 50%, 70%로 변환 설정하여 각각 84 mW, 140 mW, 196 mW의 효과를 실험하였다. 조사 광 출력이 84 mW일 때 4종의 배양된 미생물의 수가 10분 조사 시 4종 모두 100%의 살균력을 보였다. 광 출력을 높여 140 mW일 때 3분 조사 시, 5분 조사 시, 평균 96%의 살균력을 보였으며, 10분 조사 시 4종 모두 100%의 살균력을 보였다. 196 mW일 때 3분 조사 시, 4종의 배양된 미생물의 수가 평균 91%로 줄어드는 것을 확인하였다. 5분 조사 시, 4종의 미생물 모두 평균 100%의 살균력을 보였다. 광 출력 증가 시 조사시간에 비례하여 짧은 시간에 4종의 미생물의 수가 100% 줄어드는 결과를 얻었다.
UV LED 광 출력과 조사거리에 따른 실험 결과에서는 84 mW 광 출력으로 1 cm 거리에서 조사 시 평균 21%의 살균력을 보였으며, 5 cm 거리에서 조사 시 62%, 8 cm에서는 가장 높은 81%의 살균력을 보였다. 하지만 10 cm에서는 평균 25%로 살균력이 낮아졌다. 광 출력을 높여 140 mW에서의 결과는 1 cm 거리에서 조사 시 평균 19%의 살균력을 보였으며, 5 cm 거리에서 조사 시 64%, 8 cm에서는 가장 높은 94%의 살균력을 보였다. 하지만 10 cm에서는 평균 45%로 살균력이 낮아졌다. 광 출력 196 mW의 경우 1 cm 거리에서 조사 시 평균 22%의 살균력을 보였으며, 5 cm 거리에서 조사 시 91%, 8 cm에서는 가장 높은 99%의 살균력을 보였다. 하지만 10 cm에서는 평균 60%로 살균력이 낮아졌다.
실험 결과를 통해 광 출력이 높을 시 적절한 거리에서 강한 살균력을 가짐을 확인 하였고, 조사거리에 따르는 광량의 균일성이 전체적인 살균력에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.
수경재배 특성상 양액으로 인한 환경오염이나, 멸균이 되지 않은 유해한 균으로 인해 수경재배 시 뿌리의 균을 옮겨 생산성에 악영향을 주는 문제가 있다. 따라서 순환되는 배양액의 정화 및 멸균시스템의 중요한 척도로 흐르는 즉, 유속이 있는 상황에서의 살균실험을 하였다.
UV LED 광 출력과 흐르는 유체 살균에 관한 실험은 제작된 모듈의 초기광량 1,000 mW의 30%, 50%, 70%로 광 출력에 변화를 주고 유속의 흐름 속도를 제어하여 실험 하였다. 결과에서는 300 mW 광 출력을 조사 시 100 mL/s에서 92.5%의 살균력을 보였으며, 60 mL/s 유속 이하에서 100%의 살균력을 확인하였다. 500 mW 광 출력을 높여 유속에 따른 조사 시, 100 mL/s 유속에서 96%의 살균력을 보였으며, 60 mL/s의 유속 이하에서는 100%의 살균력을 보였다. 700 mW 광 출력 시 100 mL/s의 살균력은 가장 높은 99.2%의 살균력을 보였다. 높은 광 출력을 조건으로 조사 시 60 mL/s 이하의 유속일 때 가장 안정적인 살균능력을 보였다. 결과에서 순환식 수경재배 시 100 mL/s 유속보다는 60 mL/s 이하의 유속에서 4종의 미생물이 가장 높은 살균력을 보이는 것을 확인하였다.
미생물의 유속 상태에서의 실험은 유속의 흐름과 광 출력에 따라 영향이 있음을 확인하였다.
이러한 연구 결과는 순환식 수경재배 시스템을 구성하였을 때, 양액내 발생되는 병원균을 제거, 살균 하는 문제를 해결하여 수경재배의 생산성을 높이고 환경오염을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 적용되는 배관의 크기와 유속의 흐름속도에 따라 LED 광원의 균일한 조사와 출력의 세기를 설계 시 고려해야 한다.

In this study, a UV LED module for circulating hydroponic cultivation was designed and manufactured. To improve the light output of UV LED, a quitz lens was used and a control function to adjust the output was added. And the sterilization effect of harmful microorganisms on the growth of hydroponic crops was analyzed using the proposed module.
Cyclic hydroponic cultivation is cultivated by repeatedly circulating a culture medium necessary for plant growth through a bed. In particular, the repeatedly circulated culture medium has a structure in which various harmful microorganisms are easily generated. This prevents the plant from being free from pathogens. That is, it has an enviro nmentally vulnerable problem that can be infected with harmful bacteria. Therefore, it is necessary to sterilize and remove pathogenic and harmful microorganisms in the discarded nutrient solution in repeated use of the culture solution.
For this reason, various types of sterilization devices are required. There are several methods of disinfection systems, such as chemical, physical, and optical. Unlike chemical and physical methods, the optical sterilization method using ultraviolet light does not cause bacterial resistance and can be said to be a useful and effective method for sterilizing targets.
In this study, an eco-friendly and highly efficient UV light sterilization method was selected. When measuring the spectrum, an LED in the UV-C region having a sterilization wavelength of 270 to 280 nm was converted into a module. The module was fabricated by structuring the condensing lens and LED arrangement of quartz material. In addition, the optical, electrical, and light distribution characteristics of the package were confirmed by using an ultraviolet measuring device to measure the UV LED performance. The module was fabricated and tested based on the design of the intensity of light output and the uniformity of the irradiation area according to the LED chip arrangement, considering the optical characteristics of the manufactured package, namely reflection, scattering, and absorption. Based on the modeled LED, the optical simulation value and the deviation from the actual product or measuring instrument were checked, and in order to minimize this, 14 LEDs were arranged in a straight line to make a module to check the irradiation amount by distance. The receiver was installed at a distance of 2 mm, 3 mm, 5 mm, and 10 mm from the upper side of the package, and the change in irradiation intensity and uniformity according to the irradiation distance was evaluated and set to 10 mm.
Four types of bacteria were used to analyze the sterilization effect of harmful microorganisms, Escherichia coli, Clavibacter michiganensis, Pseudomonas cichorii, and Fusarium oxysporum are cultivated, respectively
The effects of UV LED light output and irradiation time, effects on light output and irradiation distance, and effects on light output and flow velocity were tested. In the experimental results according to the UV LED light output and irradiation time, the effects of 84 mW, 140 mW and 196 mW were tested by converting and setting 30%, 50%, and 70% of the initial amount of light of 280 mW of the manufactured module. When the irradiation light output was 84 mW, the number of cultured microorganisms of 4 species showed 100% sterilizing power when irradiated for 10 minutes. When the light output was increased to 140 mW, an average of 96% of the sterilizing power was obtained when irradiated for 3 minutes and 5 minutes, and 100% of all four types were shown when irradiated for 10 minutes. When irradiated for 3 minutes at 196 mW, it was confirmed that the number of cultured microorganisms of 4 types decreased to 91% on average. When irradiated for 5 minutes, all four kinds of microorganisms showed an average of 100% sterilizing power. When the light output was increased, the result was obtained that the number of four kinds of microorganisms decreased by 100% in a high light output and a short time in proportion to the irradiation time.
In the experimental results according to the UV LED light output and irradiation distance, when irradiated at a distance of 5 cm with 84 mW light output, 62% of sterilizing power was shown, and 81% of the highest at 10 cm. By increasing the light output, the result at 140 mW was the same as that of 84 mW. It showed high sterilization power of 64% at 5 cm irradiation distance and 94% at 10 cm distance. At 196 mW, the sterilizing power was 91% at the 5 cm irradiation distance, 100% at 10 cm, and 60% at the 15 cm distance. At light output of 196 mW and irradiation distance of 5 to 15 cm, the sterilization ability was 83% high. This confirmed a strong sterilizing power at a distance of 5 cm or more when the light output was high. As a result of the experiment, it was possible to confirm the difference according to the effect on the irradiation distance and the uniformity of the amount of light.
Due to the nature of hydroponic cultivation, there is a problem of adversely affecting productivity by transferring the root bacteria during hydroponic cultivation due to enviro nmental pollution due to nutrient solution or harmful bacteria that are not sterilized. For this reason, sterilization experiments were conducted by purifying the circulating culture medium and flowing to an important measure of the sterilization system, that is, flow rate.
The experiment according to the UV LED light output and flowing flow rate was set to convert to 30%, 50%, and 70% of the initial light intensity of 1,000 mW of the manufactured module, and the flow rate of the flow rate was controlled. In the results, when irradiating the 300 mW light output, the sterilization power was 92.5% at 100 mL/s, and 100% sterilization power was confirmed at a flow rate of 60 mL/s or less.
When irradiation according to the flow rate by increasing the light output of 500 mW, it showed 96% sterilization power at a flow rate of 100 mL/s, and 100% sterilization power at a flow rate of 60 mL/s or less. At 700 mW light output, the sterilization power of 100 mL/s showed the highest sterilization power of 99.2%. When irradiated under the condition of high light output, the most stable sterilization ability was shown at a flow rate of 60 mL/s or less. It was confirmed that four kinds of microorganisms showed the highest sterilization power at a flow rate of 60 mL/s or less than a flow rate of 100 mL/s in circulating hydroponic cultivation.
It was confirmed that the experiment in the state of the microbial flow rate was affected by the flow of the flow rate and the light output. These research results are expected to increase the productivity of hydroponic cultivation by solving the problem of removing and sterilizing plant pathogens when a circulating hydroponic cultivation system is constructed. However, according to the size of the applied pipe and the flow rate of the flow rate, the uniform irradiation of the LED light source and the intensity of the output must be considered when designing.