LED와 식물

LED(light-emitting diode)

다이오드(diode)는 p형 반도체와 n형 반도체가 접합되어 한쪽 방향으로만 전류를 흘리는 전자소자입니다. 사용하는 반도체의 재료를 달리하면 빛을 내게 할 수도 있는데, 이를 LED(Lingt-Emitting Diode: 발광 다이오드)라 합니다. 반도체 속의 전자가 전류에 의해 에너지를 얻으면 높은 에너지 상태가 됩니다. 이후 비어 있던 정공(electron hole)과 결합하면서 광자(photon)의 형태로 에너지를 내놓습니다. 전자가 에너지를 얻거나 잃을 때의 에너지 차이를 에너지 밴드갭(energy band gap)이라 합니다. 빛의 색깔은 전자가 반도체의 밴드갭을 가로지르는 데에 요구되는 에너지에 의해 결정되고, 이 에너지는 빛의 주파수(frequency)로 나타납니다. 주파수(frequency)가 높은 빛일수록 높은 에너지를 가집니다. 에너지 밴드갭은 반도체에 들어가는 물질과 농도에 따라 정해집니다. 이렇게 만들어진 반도체는 하나의 밴드갭을 가지므로 LED 소자는 한 가지 색의 빛(monochromatic light: 단색광)만 낼 수 있습니다. 빛의 색을 다룰 때는 주파수보다는 파장(wavelength)을 사용하는 편입니다. 주파수와 파장은 (주파수)*(파장) = (빛의 속력)의 관계가 있습니다. 

참조: https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

 

다이오드의 스펙트럼

아래 그래프는 여러 다이오드를 함께 나타낸 스펙트럼입니다. 각각의 다이오드가 일정한 파장에서 아주 뾰족한 모양을 하고 있음을 볼 수 있습니다. 한 LED는 일정 파장의 빛만 나온다는 뜻입니다.

여러 단색광의 스펙트럼. {출처: https://www.dcmsistemes.com/en/technical-data/additional-information/51/monochromatic-light/}

 

여러 빛이 섞이지 않은 한 파장만의 빛을 단색광(monochromatic light)라고 합니다. 쉽게 볼 수 있는 단색광의 광원(light source)은 LED와 LASER입니다. 

 

LED를 식물생장용으로 사용한다면, 광합성이 가장 잘 되는 파장을 알아내어 그 파장의 빛을 내는 LED를 사용하면 필요없는 빛을 내는 데에 사용하는 전기를 절약할 수 있습니다.

 

요즘에는 광합성에만 초점을 맞추기보다 식물이 필요로하는 모든 빛에 초점을 맞추는 경향이 있습니다. 그러다보니 태양광과 비슷한 빛을 내는 LED 조명이 많아지고 있습니다. 빛이 고루 섞여 태양광과 비슷한 성질을 가지는 것을 연색성이라 하고, 그 정도를 연색지수(CRI: Color Rendering Index)라고 합니다. LED는 단색광을 내는 특성 때문에 연색성이 높은 빛을 만드는 데 불리합니다. 그래서 LED 소자에 형광물질을 발라 연색성을 높인 LED 패키지가 생산되고 있습니다. 식물생장용 LED 조명의 추세에 대해서는 여기에 실었습니다.