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사라 손
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1 식물공장에서인삼의최대생산을위한최적인공광조건탐색 An Investigation into the Optimum Artificial Light Condition for Maximum Production of Panax ginseng in the Plant Factory 임진혜 1) ㆍ이수인 1) ㆍ최재윤 1) ㆍ윤단비 1) ㆍ배서영 1) 국립공주대학교 1) 멘토 : 유영한 1) ㆍ전숙례 2) 국립공주대학교 1) ㆍ동문이엔티 ( 주 ) 기업부설연구소 2) 초록 본연구는식물공장에서특용작물인인삼을대상으로 LED광원, Hertz와 Duty ratio에따른인삼의최대생산을위한최적인공광조건을알아보고자하였다. LED광원의종류는단색의적색광 (R), 청색광 (B), 황색광 (Y), 백색광 (W), 원적색광 (fr) 과적색 + 청색혼합광 (R+B), 적색 + 청색 + 백색혼합광 (R+B+W), 적색 + 원적색혼합광 (R+fR) 을이용하였으며, RB광원의 Hz는각각 20, 60, 180, 540, 1620, 4860Hz로 RBW광원의 Hz는각각 60, 180, 540, 1620Hz로, 이를제외한나머지광원은모두 180Hz로처리하여총 16개구배를하였다. 인삼은 1년생묘삼을한화분 ( 지름24cm 높이23cm) 에 3개체씩이식하여각구배당 5개의화분을배치하였다. 그리고이실험을각각 Duty비 30%, 50%, 70% 로총 3번진행하였다. 인삼의광원과 Hz에따른광합성률, 증산률, 기공전도도, 엽록소형광및함량에대한결과를종합해볼때인삼을식물공장의 LED광조건으로재배할경우 Duty비 30%, 180Hz에서가장최적의생리 생태학적반응이나타났으며또한에너지절감을할수있음을의미한다. 이러한연구는추후진행될식물공장내최적광질을통한인삼의재배연구에기초자료로이용될수있을것으로판단된다. The aim of the research presented in this thesis was to find out the optimum artificial light condition of LED sources, Hertz and Duty ratio for maximum production of Panax ginseng which has been used as a medicinal plant in the plant factory. This study was conducted under five different light sources of single LED (red, blue, yellow, white and far-red) and three different light sources of mixed LED (red+blue, red+blue+white and red+far-red). The frequency of all these light sources were used 180Hz except RB(red+blue) and RBW(red+blue+white). The frequency of RB(20, 60, 180, 540, 1620, 4860 Hz) and of RBW(60, 180, 540, 1620 Hz) was used respectively, so this research contain

2 total of sixteen gradients. The Panax ginseng was used for the first-year ginseng seedling and was transplanted for three individual a pot(diameter24cm height23cm), then disposed for two pots a gradient. And the values were conducted by three independent experiments run by 30%, 50% and 70% of duty ratio. The result for photosynthetic rate, transpiration rate, water use efficiency, chlorophyll fluorescent and content showed that 30% of duty ratio and 180 Hz of frequency in the plant factory for the ginseng cultivation described the best physio-ecological responses furthermore we can also save the energy. This study of ginseng cultivation research through the optimum light quality in the plant factory may helpful for further research. 키워드 : 인삼, LED, Hertz, Duty 비, 식물공장, 광합성률, 증산률, 기공전도도, 엽록소형광, 엽록소함량 Key word: Panax ginseng, LED, Hertz, Duty ratio, Plant factory, Photosynthetic rate, Transpiration rate, Stomatal conductance, Chlorophyll fluorescence and contents Ⅰ. 서론 1. 개요인삼 (Panax ginseng C. A. Meyer) 은 두릅나무과에속하는반음지성, 호냉성다년생식물로서항암, 면연증강, 혈압강하, 혈당강하및항산화효과등약리 효능면에서그우수성을인정받고있는약용작물이다 (Chon and Jeong 2011; Lee 2013). 하지만최근기후변화에의한고온장해로인하여인삼의생산량및품질이낮아지고있으며, 재배되고있는단위면적당생산량이늘어나고있지않아단기 다수확재배기술의개발이시급하다 ( 한 2003). 따라서외부환경요인에관계없이작물을생산할수있는식물공장이최근큰관심을받고, 연구되고있는추세이다 (Kim et al., 2011). 식물공장은시설내의작물을고도의환경제어및작업의자동화를통하여 공장생산과동일하게작물을계획생산할수있는시스템으로, 작물의연속생산, 작물의고속생산, 작물의대량생산, 작물의계획생산등의특징을가지고있다 (Son 1997). 또한식물공장은컴퓨터로통합된시스템으로서 (Hashimoto 1991), 식물생장에필요한빛, 온도, 습도이산화탄소농도및배양액등의환경을최적의상태로제어하여시간및장소에관계없이식물을연속적으로생산하는시스템을말한다 (Choi et al. 2014). 그중완전제어형은외부와완전히단절된형태로서인공광원하에서수경재배를하는형태이며, 병해충발생이적어농약사용이적고, 자동화생산을목적으로하는형태이다 (Lee, 2010). 특히, 이러한식물공장은고품질의농작물을생산하기위해경제성및생산성을확보할수있는적절한재배시스템이

3 필요하다. 펄스를이용한조명은작물을재배할때전기에너지를절약하기위해발전되어졌다. 이조명은두가지의형질을가지는데, 첫번째는높은진동수를만들어단기적인식물성장과광합성에효과를주며, 두번째는 Duty비를기초로하여장기적인식물생장과광합성에효과를준다. 이두가지형질중전기에너지절약에관점을두자면 Duty비를기초로한두번째형질이알맞다 (Hashimoto et al., 1988). Duty비란주기를가지는펄스 (Pulse) 에서쓰이는용어이다. 일반적으로 duty비라고하면 on duty ratio를가리키는경우가대부분인데, 이는한주기에대해서펄스가 on 상태인시간의비율을뜻한다. 따라서 duty비를낮추게되면 off 상태가길어지므로전력소비량을감소시킬수있다. 파장은공간에퍼져있는파동의한번의주기가가지는길이이다. 단위는 SI단위로주파수단위의 hertz( 헤르츠 ) 이다. 1 Hz는 1초에한번을의미하며, 즉 100 Hz는 1초에 100번을반복혹은진동함을의미한다. 식물공장의재배환경중광원을이용한연구는식물 LED 의색상과파장변화에따른식물성장비교연구 ( 이등 2011), 인삼수경재배에서 LED 파장및재배기간이생육및 Ginsenoside 함량에미치는영향 ( 김등 2013) 등에관한연구가 우리나라의식물공장연구를보면광원에따른조사는많이이루어져있지만 duty비와 Hz에관한연구는아직많이진행되어있지않다. 따라서본연구에서는약용작물인인삼을대상으로 LED 광원, duty비와 Hertz에따른인삼의재배및생리 생태학적반응을알아보고자하였다. Ⅱ. 실험및방법 1. 실험재료및재배 실험에사용된인삼은 2015년 03월에 백년인삼농산에서 1년생종삼 ( 묘삼 ) 을구입하여식물의눈이있으며뿌리가유사한개체들을선별한후, 총 80개의화분 ( 지름 24cm 높이 23cm) 에 3개체씩이식하여각구배당 5개의화분을배치하였다. 토양은동일입자크기의모래를사용하였다. 수분은 7일간격으로화분의포장용수량의 70% 인 500mL씩공급하였으며, 건조시 3~4일간격으로공급하였다. 식물공장내온도와상대습도는냉 온풍기 (SS-2000, Zero engineering, Korea) 와가습기 (LC-505P, LLucex Co., Korea) 를이용하였으며, 데이터로거 (LCSEMS, Parus Co., Korea) 를이용하여 30분간격으로데이터를수집하였다. 재배기간동안온도와상대습도및 CO 2 농도는각각 19 ± 4.12, 74 ± 14.20%, 439 ± ppm이였다. 진행되고있다.

4 2. LED 광원의종류 LED 광원은식물재배용 LED system(café Farm System, Parus Co., Korea) 을이용하여단색의적색광 (R), 청색광 (B), 황색광 (Y), 백색광 (W), 원적색광 (fr) 과적색과청색을 11:7로혼합한혼합광 (R+B), 적색, 청색그리고백색을 11:4:3으로혼합한혼합광 (R+B+W), 적색과원적색을 11:7로혼합한혼합광 (R+fR) 으로총 8개의광원을사용하였다. 그리고 Duty비와 Hertz에따른인삼의생리 생태학적반응을알아보기위해 RB광원의 Hz를 20, 60, 180, 540, 1620, 4860으로, RBW광원의 Hz를 60, 180, 540, 1620으로, 이를제외한광원은모두 180Hz로처리하여총 16개의구배를하였다. 그리고이실험을각각 Duty비 30%, 50%, 70% 로총 3번진행하였다. 모든광구배의일장시간은 16시간으로하였다. 실험에사용된 LED 광원별광파장스펙트럼은적색광이 630~660nm, 청색광이 440nm, 황색광이 612nm, 백색광이 450~540nm 그리고원적색광이 730nm에서각각최대피크를보였다. 2005) 를이용하여각구배마다측정하였다. 엽록소형광및엽록소함량은각각엽록소형광측정기 (OS30p, ADC Co., UK) 와엽록소함량측정기 (CCM-20, ADC Co., UK) 를이용하여각구배마다측정하였다. 4. 통계분석각 LED광구배별차이가유사한지를조사하기위해각형질별일원분산분석을실시해구배별차이의유의성을검정하였다. 일원분산분석 (Analysis of variance, ANOVA) 은독립변수를몇개의수준또는범주로나누고각수준에따라나누어진집단간의평균차를검정하는것이며 (Park and Yun 2008), 집단간에평균치들의유의적인차이가있는지를파악하기위해사용된다 (Cha et al. 2008). 구배별차이의유의성은 Statistica 8 통계패키지 (Statsoft Co. 2008) 을이용하여포스트-훅검정에의해평균치의 Fisher 최소유의차법으로 5% 유의수준에서검정하였다 (Noh and Jeong 2002). Ⅲ. 결과및토론 3. 측정형질인삼의생장단계에있는 2015년 05월에일사량이광포화점보다높은오전 10시부터 12시사이에광합성률과증산률및기공전도도는광합성측정기 (LCi Ultra Compact Photosynthesis System, ADC 1. LED 광원에따른반응 인삼의 광원의 따른 광합성률과 증산률은 RB혼합광, Duty비 30% 에서 높았고, 기공전도도는 LED 광원과 Duty비에따른통계적유의성은보이지 않았다 (Fig. 1). 엽록소형광은청색광 (B) 과

5 원적색광 (fr), Duty비 30% 에서높았으며, 엽록소함량은황색광 (Y), Duty비 30% 에서 높았다 (Fig. 2). 2. Hertz에따른반응 인삼의 Hz에 따른 RB혼합광에서의 광합성률은 180Hz, Dudy비 30% 에서 높았고, 증산률은 20Hz, Duty비 50% 높았으며, 기공전도도는 60Hz, Duty비 30% 와 20Hz, Duty비 50% 에서 높았다 (Fig. 3). 엽록소형광은 4860Hz, Duty비 30% 에서 높았고, 엽록소함량은 20Hz와 4860Hz의 Duty비 30% 에서 높았다 (Fig. 4). Hz에따른 RBW혼합광에서의광합성률은 60Hz, Dudy비 50% 에서높았고, 증산률은 20Hz, Duty비 30% 에서 높았으며, 기공전도도는 60Hz, Duty비 30% 에서 높았다 (Fig. 5). 엽록소형광은 Hz에따른 통계적 유의성이 나타나지 않았으며, 엽록소함량은 180Hz, Duty비 50% 에서 높았다 (Fig. 6). Ⅳ. 결론 본연구에서 LED광원과 Duty비및 Hertz에대한인삼의연구결과, Hz가낮은 180Hz, RB혼합광, Duty비 30% 에서광합성률이높게나왔다. 엽록소형광및함량은황색광 (Y), Duty비 30% 에서높았으며, RB혼합광에서는 4860Hz, Duty비 30%, RBW혼합광에서는 180Hz, Duty비 50% 가높았다. 감자묘목을가지고실험한 Jao&Fang(2004) 에서는 720Hz과 180Hz, Duty비 50% 에서생육반응이높았고, Jao&Fang(2005) 에서는칼라묘목을사용하였고 Duty비 100% 보다 50%, 60Hz에서생육반응이높았다고보고하였다. 인삼을식물공장의 LED광조건으로재배할경우 RB혼합광, 180Hz, Duty비 30% 에서가장효율적인광합성이나타날것이며, 엽록소형광및함량에는황색광 (Y), Duty비 30% 가최적생장으로판단된다. 결과를종합적으로보았을때여러가지식물들을식물공장에서재배할때대상식물이전체적으로광합성이효과적으로촉진되도록광합성감도에적합한파장특성을갖고있고, 광합성과호흡에의해식물로부터나오는이산화탄소의흡수와배출의균형유지에필요한광량보다상당히많은광을균일하게조사하는것이필요하다. 이광량은작물마다다르고, 또한 Duty비와 Hz를이용하여작물을재배한다면좀더낮은 Duty비와 Hz로에너지절감에효과적인재배를할수있다는결과를도출하였다. 이러한결과는앞으로완전제어형식물공장에서광원과광질의변화기술에있어서기초자료로이용가능할것으로판단된다. 또한한작물을선택하여본연구보다다양한실험방법을가지고생육및생리반응의결과를도출하고, 이를이용하여경제적인 광조건을규명할필요가있다고생각된다.

6 Fig. 1. The photosynthetic rate(a, b, c), transpiration rate(d, e, f) and stomatal conductance(g, h, I) of Panax ginseng on different light sources which are Red+Blue, Red+Blue+White, Blue, Red, Red+far-Red, Yellow, far-red, White LEDs, in treatment adjusted by 30%, 50% and 70% duty ratio in plant factory. The alphabets on the bar mean statistical significance difference among LED treatments(fisher s least significant difference, p>0.05). Fig. 2. The chlorophyll fluorescence(a, b, c) and chlorophyll content(d, e, f) of Panax ginseng on different light sources which are Red+Blue, Red+Blue+White, Blue, Red, Red+far-Red, Yellow, far-red, White LEDs, in treatment adjusted by 30%, 50% and 70% duty ratio in plant factory. The alphabets on the bar mean statistical significance difference among LED treatments(fisher s least significant difference, p>0.05).

7 Fig. 3. The photosynthetic rate(a, b, c), transpiration rate(d, e, f) and stomatal conductance(g, h, I) of Panax ginseng on Red+Blue mixed light and on different hertz which are 20, 60, 180, 540, 1620, 4860 Hz, in treatment adjusted by 30%, 50% and 70% duty ratio in plant factory. The alphabets on the bar mean statistical significance difference among LED treatments(fisher s least significant difference, p>0.05). Fig. 4. The chlorophyll fluorescence(a, b, c) and chlorophyll content(d, e, f) of Panax ginseng on Red+Blue mixed light and on different hertz which are 20, 60, 180, 540, 1620, 4860 Hz, in treatment adjusted by 30%, 50% and 70% duty ratio in plant factory. The alphabets on the bar mean statistical significance difference among LED treatments(fisher s least significant difference, p>0.05).

8 Fig. 5. The photosynthetic rate(a, b, c), transpiration rate(d, e, f) and stomatal conductance(g, h, I) of Panax ginseng on Red+Blue+White mixed light and on different hertz which are 60, 180, 540, 1620 Hz, in treatment adjusted by 30%, 50% and 70% duty ratio in plant factory. The alphabets on the bar mean statistical significance difference among LED treatments(fisher s least significant difference, p>0.05). Fig. 6. The chlorophyll fluorescence(a, b, c) and chlorophyll content(d, e, f) of Panax ginseng on Red+Blue+White mixed light and on different hertz which are 60, 180, 540, 1620 Hz, in treatment adjusted by 30%, 50% and 70% duty ratio in plant factory. The alphabets on the bar mean statistical significance difference among LED treatments(fisher s least significant difference, p>0.05). Ⅴ. 참고문헌 김상범 식물공장에서 LED광처리에따른수종작물의생육및생리 생태학적반응. 공주대학교석사학위논문. 김용범, et al. 인삼수경재배에서 LED 파장 및 재배기간이 생육 및 Ginsenoside 함량에 미치는 영향. 원예과학기술지 제 31 권 별호 Ⅰ, 2013, 김유호, 김동익, 이공인, 강동현, 이혜진.

9 2011. 인공광형식물공장의국내외현황및발전방향. 한국원예학회기술지제 29권별호. pp. 37. 노형진, 정한열 STATISTICA에의한알기쉬운통계분석. 형설출판사. pp 박정신, 윤영선 현대통계학제 4판. 다산출판사. pp 손정익 한국농업에서의식물공장개발. 원예학세계. 제2권제1호. pp. 1 이상우 식물공장과 LED 인공광이용한식물재배. 광학과기술, 14(3), 이장원 ; 임지원 ; 노재엽. 식물 LED 의색상과파장변화에따른식물성장비교연구. 한국조명 전기설비학회 2011 추계학술대회논문집, 2011, 차석빈, 김홍범, 오흥철, 윤지환, 김우곤 사례를통해본다변량분석의이해. 백산출판사. pp 한영희 인삼의재배환경에따른광합성작용과그관련형질에관한생리생태학적연구. 밀양대학교석사학위논문. Choi, M.K., G.Y. Baek, S.J. Kwon, Y.C. Yoon and H.T. Kim Effect of LED light wavelength on lettuce Chon, S.U. and S.M. Jeong Effects of shading degree and substrate component on early growth and physiological activity of Panax ginseng grown under plastic house. Kor. J. Plant Res. 24.5: Hashimoto, Y Computer integrated plant growth factory for agriculture and horticulture. Proc. Of IFAC/ISHS Workshop on Mathematical and Control Applications in Agriculture and Horticulture. Pergamon Press, Oxford. pp Jao. R. C. and Fang. W Effects of frequency and duty ratio on the growth of potato plantlets in vitro using light-emitting diodes. American Society for Horticultural Science. 39(2): Y. Hashimoto, Y. Yi, F. Nyunoya, Y. Anzai, H. Yamazaki, S. Nakayama, A. Ikeda Vegetable growth as affected by on-off light intensity developed for vegetable factory. Acta Horticulturae(ISHS). (229): growth, vitamin C and anthocyanin contents. Kor. J. Prot. Hort. and Plant factory. 23.1:19-25

<30355FB1E8C8AFBFEB2DBDC4B9B020C0E7B9E8B1E2C0C720C8BFC0B2C0FBC0CE204C454420C1B6B8ED2E687770>

<30355FB1E8C8AFBFEB2DBDC4B9B020C0E7B9E8B1E2C0C720C8BFC0B2C0FBC0CE204C454420C1B6B8ED2E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 11 pp. 7256-7261, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.11.7256 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 안교명 1, 홍영진 1, 김환용 1* 1 원광대학교전자공학과