수경재배 준비물 (3) 주광색 전구색 T5 LED 식물등 밝기와 전기요금 계산 방법

1. t5 led 뜻

베란다에 자연광이 부족하면 인공조명으로 빛을 보충해주어야 합니다. 인공조명에는 식물을 키우는 데 최적화되어 있는 식물등이 있고, 일반 조명이 있습니다. 식물등도 일반 조명도 요즘은 다 led를 쓰고 있습니다.

 

엘이디led는 light emitting diode의 약자로 발광 다이오드라고 번역되는데 직역하자면 빛을 내는 2극 진공관이란 뜻입니다. led는 보통의 형광등보다 응답속도가 빠르고, 수명이 길고, 전기요금이 적게 나오며, 다양한 형태로 가공할 수 있다는 장점이 있습니다. 

 

t5 뜻은 led 튜브의 규격을 말하며 튜브의 직경이 5/8인치=16밀리미터입니다.

 

그러므로 t5 led는 직경 16mm짜리 튜브에 들어있는 led판입니다. 길이는 30cm, 60cm, 90cm 등 여러 가지가 있습니다. (조명전문가가 아니므로 이 정도에서 통과.)

2. 빛의 파장과 광합성의 관계

 

엽록소a는 470nm와 620m의 파장대의 빛을 가장 잘 흡수하고, 엽록소b는 430nm와 675nm의 빛을 가장 잘 흡수합니다. 

식물 광합성의 이런 특성을 이용해서 이 파장대의 빛을 내는 led를 조립한 것이 식물등입니다. 따라서 일반 형광등이나 흰색의 led보다 식물등을 사용하는 것이 실내에서 식물을 재배할 때 더 효율적이지만 실제로는 여러가지 문제가 있습니다. 

3. 식물등의 문제점

첫번째는 정확한 파장의 led가 아니면 단순히 청색 또는 적색을 낸다고 해서 다 식물등의 효과가 있는 것이 아니라는 것입니다. 

위의 그림에서 보이듯이 그래프의 기울기가 상당히 가파릅니다. 엽록소b를 위해서는 적색광 670~675 nm가 정확하게 나와야 합니다. 만일 650nm의 led를 사용하게 된다면 675nm의 led보다 광합성 효율이 3분의 1이하로 떨어질 것입니다. 

 

청색광(그래프의 왼쪽)은 그래도 400nm 이상이면 효율이 떨어진다 하더라도 어느 정도는 광합성이 이루어지는 데 반해서 적색광(그래프의 오른쪽)은 정확한 파장이 아니면 광합성 효율이 급속도로 나빠집니다. 저가의 식물등은 적색광 파장이 630~660nm, 청색광 파장이 465~470nm인 제품이 많습니다. 

 

470nm라면 청색광 쪽에서 엽록소a가 흡수하는 데 적합하지만 엽록소b는 거의 활용할 수 없는 파장의 빛입니다. 630nm는 엽록소a는 흡수할 수 있지만 엽록소b는 불가능하며, 660nm는 엽록소b가 흡수할 수 있지만 675nm에 비해 효율이 절반 이하입니다.

 

그러므로 정확한 파장을 내는 식물등이 아닌 저가의 식물등은 전기요금만 들뿐 실제로 광합성에 그리 도움이 되지 않으므로 적색광과 청색광의 비율이 2:1이니 3:1이니 4:1이니 하는 논의들은 무의미한 논쟁이 되어버립니다. 물론 제대로 된 파장의 식물등이라면 적색2:청색1:녹색1의 비율로 조립한 led칩이 가장 효과가 좋다고 합니다. 

 

가격이 비싼 고가의 식물등도 예전에는 적색광 청색광의 조합이 2:1, 3:1, 4:1 등인 제품이 나와서 식물등을 설치하면 울긋불긋한 빛이 합쳐져 붉은 색에 가까운 보라색을 띠었습니다. 하지만 적색광과 청색광만으로 키운 작물은 외형적인 성장속도는 빠르지만 전체적인 생육상태가 불량하며 태양광과 비슷한 파장이 식물의 성장에 가장 도움이 된다는 최신 연구결과에 따라 요즘은 백색에 가까운 빛을 내는 식물등이 판매되고 있습니다. 빛의 삼원색은 청적녹으로 다 합쳐지면 백색이 되므로 백색의 식물등이라는 것은 기존의 청색과 적색에 녹색이 합쳐진 것입니다. 즉 청색, 적색, 녹색의 모든 파장이 다 있어야 식물이 균형적으로 성장할 수 있다는 것입니다.

 

식물등의 또 다른 문제는 광량이 부족하기 쉽다는 것입니다. 가시광선 영역에서 같은 밝기일 때 청색등과 적색등은 초록색이나 백색등에 비해 사람 눈에 어둡게 보일뿐만 아니라 조도가 낮게 측정됩니다. 그러나 녹색이 포함된 백색이 사람 눈에 밝게 보인다고 해서 식물의 광합성에 가장 효율적인 것은 아닙니다. 청색이나 적색의 정확한 파장이 식물의 광합성에 더 효율적이기 때문입니다.

4. LUX와 PPFD

사람 눈에 보이는 밝기(조도)를 측정하는 단위는 룩스lux이고 빛의 밀도를 측정하는 단위는 PPFD라고 합니다. PPFD는 photosynthetic photon flux density의 약자로 광합성 광량자 유동 밀도라고 번역할 수 있습니다. 광합성 광자속 밀도라고 하기도 합니다. 단위면적당 광합성에 이용되는 광량자(빛의 입자)가 얼마나 있는지 측정한 것입니다. 즉 1제곱미터의 면적에 1초의 시간 동안 빛의 입자가 얼마나 비치는지를 측정한 값이 PPFD입니다.

 

우리가 활용하는 핸드폰 조도 어플은 lux를 측정합니다. 이 lux를 PPFD로 환산하면 같은 1만 lux라도 빛의 종류에 따라 서로 다른 PPFD가 나옵니다. 예를 들어 1만 룩스의 빛이라고 했을 때 자연광, led, 청색등+적색등, 청색등+적색등+백색등이 다 다르게 환산됩니다. 

 

이 내용을 표로 정리하면 다음과 같습니다.

 

조도 10,000 lux일 때 PPFD(umol/s/m2)
햇빛(6500K)	230
고효율 led(6500K)	172
고효율 led(3000K)	190
저효율 led(6500K)	134
저효율 led(3500K)	160
청색(450nm)	1156
적색(650nm)	769
청색(450nm)+적색(650nm)	887
청색(450nm)+적색(650nm)+백색(3500K)	257

 

위의 표는 lux를 PPFD로 변환한 것인데 해석하자면 사람 눈에 같은 밝기로 보일 때 청색등의 빛의 밀도가 가장 높습니다. 자연광에 비해 4배 이상의 효율이 있는 것을 알 수 있습니다.

 

반대로 PPFD를 lux로 환산하면 다음과 같습니다. 

 

100 PPFD(umol/s/m2)일 때 조도(lux)
햇빛(6500K)	4348
고효율 led(6500K)	5803
고효율 led(3000K)	5256
저효율 led(6500K)	7459
저효율 led(3500K)	6236
청색(450nm)	865
적색(650nm)	1301
청색(450nm)+적색(650nm)	1127
청색(450nm)+적색(650nm)+백색(3500K)	3893

 

위 표는 밝기가 1127룩스인 청색1:적색1의 식물등과 같은 일을 하기 위해서는 4348룩스의 태양광이 필요하다는 뜻입니다. 그러니까 사람 눈에 태양광의 1/4의 밝기로 많이 어두워 보이더라도 식물등은 충분히 제 역할을 하고 있는 것입니다. 그러나 정확한 파장일 경우에 한합니다.

5. 식물등이 아닌 일반 led로 식물을 키워도 되는 이유

 

그런데 정확한 청색과 적색 파장을 내기 힘들 뿐만 아니라, 청색등과 적색등으로 필요한 PPFD를 확보하기 위해서는 전기가 많이 필요하고, 여기에 녹색을 첨가해서 백색을 활용하려고 한다면 굳이 값비싼 식물등을 이용하지 않더라도 대충 백색과 가까운 파장을 내는 led 등을 식물재배에 활용하면 전구의 비용과 전기요금을 줄일 수 있을 거라는 추론하에 t5 led등을 식물재배에 활용하는 사람들이 늘어나고 있습니다.

 

(출처 The Impact of LED Correlated Color Temperature on Visual Performance Under Mesopic Conditions. IEEE Photonics Journal Volume 9, Number 6, December 2017. Lili Dong, Li Qin, Wenhai Xu, Lidong Zhang)

 

위 그래프는 전구의 파장을 표시한 그래프입니다. 식물등은 좁은 파장의 빛을 내기 때문에 nm로 표시하는 것과 달리 보통의 led는 넓은 파장의 빛을 내므로 색온도에 따라 구분합니다. 색온도를 표시하는 단위는 K(켈빈)입니다.

 

색이름	영어이름	색온도	밝기
주광색(청백색)	데이라이트 블루(Daylight Blue)	6500K	열대의 대낮
주백색(연청백색)	내츄럴화이트(Natural White)   또는 쿨화이트(Cool White)	4300K	정오경
백색	퓨어화이트(Fure White)	3500K	일출 2시간경
전구색(황백색)	웜화이트(Warm White)	3000K	일출 40분경
		2200K	촛불, 여명, 석양

 

색이름이 일본어를 번역한 것이어서 무슨 뜻인지 헷갈리기 쉽습니다. 주광색晝光色은 한낮의 햇빛이라는 뜻으로 흰색보다 약간 푸른 빛을 띠고 있어 청색등의 역할을 대신할 수 있고, 전구색은 약간 노란 빛을 띠고 있어 적색등의 역할을 대신할 수 있습니다. 위의 그래프에서 보이는 것처럼 스펙트럼이 좁은 식물등보다 넓은 영역의 파장을 내기 때문에 효율은 좀 떨어질지라도 식물이 광범위하게 이용할 수 있습니다. 

6. 식물등과 일반 t5 led 비교

그런 의미에서 여러 형태의 저가형 식물등과 요즘 많이 쓰고 있는 t5 led의 전력과 밝기를 비교해 보겠습니다. 비교에 사용된 제품은 릴 타입의 식물등(적색3:청색1), 바 타입의 식물등(적색3:청색1), 고휘도 식물 led 3구 모듈 렌즈형(적색2:청색1), 커버 제거 고효율 t5 led(주광색 5700K), 커버 제거 고효율 t5 led(전구색 3000K)입니다.

 

종류	전력 W	조도 lux - 5cm	조도 lux - 10cm
릴타입 5미터	26	1400	700
바타입 50cm 5개 연결  (2.5미터)	26	6000	3000
고휘도 3구 모듈 35개  (5미터)	36	10000	3500
고효율 t5 led 1개  (주광색 5700K) 60cm	10	26000	11000
고효율 t5 led 1개  (전구색 3000K) 60cm	10	22000	10000

 

이 수치는 핸드폰 어플로 측정한 것이라서 정확하지 않습니다. 거리나 각도가 조금만 바뀌어도 1000 단위는 쉽게 오차가 나니 대략의 수치만 참고하는 것이 좋습니다. 

 

 

릴타입 식물등 5M 롤은 중국에서 직구로 구입했습니다. 필요한 길이대로 잘라서 조립하는 제품입니다. 

 

제조사의 설명에 따르면 led 5050 칩을 사용하고 있으며 적색:청색 비율은 3:1입니다. 적색 파장 630-660nm, 청색 파장 465-470nm이라고 합니다. 청색파장은 엽록소a가 흡수하기에는 적당하나 적색파장은 엽록소a도 b도 제대로 활용할 수 없는 파장입니다. 

 

전력은 미터당 12W라고 합니다. 방수는 ip65 에폭시로 되어 있습니다. 그러나 실제 전기요금측정기로 측정해보니 5미터가 소모하는 전력은 26W였고 조도는 5cm 거리에서 1400룩스에 불과했습니다. 

 

소비전력이 26W이므로 26W×12시간×30일=9360W입니다. KW로 환산하면 약 9.4KW이고 전력량 요금이 KW당 93.3원이므로 9.4×93.3=약 877원입니다.(누진세 미적용 기준)

 

릴 자체의 가격은 싼데 조도는 낮으면서 전력을 많이 잡아먹습니다. 발열도 상당합니다. 파장도 적당하지 않습니다. 추천하지 않습니다.

 

 

다음은 바타입 led입니다. 이것도 중국에서 직구한 것입니다. 국산도 있긴한데 중국에서 생산한 제품을 수입판매하는 제품이 많으므로 별 차이는 없을 것입니다. 

 

5630 led칩이고 ip68 방수입니다. 5050이나 5630은 칩의 가로세로 크기를 나타내는 말이지만 성능에도 차이가 있습니다. 5630칩은 5050칩보다 약 3배 정도 더 밝습니다. 개당 길이는 50cm입니다. 

 

식물등의 파장에 대해 잘 알지 못할 때 구입한 제품이라 적색3:청색1이라는 설명만 있지 파장에 대한 설명은 나와있지 않습니다. 안타깝게도 빛의 파장을 측정하는 기계는 가정에서 구비하기에는 지나치게 고가이므로 정확한 파장은 알 수 없습니다.

 

5개를 연결하면 2.5미터이고 전력소모량은 26W이므로 전기요금은 위의 릴타입과 같습니다. 5cm 거리에서 측정한 조도는 6000입니다. 이 제품은 릴타입보다는 밝지만 전력소비량 대비 조도가 만족스럽지 않습니다. 발열은 릴타입보다는 조금 적지만 많은 편입니다. 

 

 

다음은 고휘도 식물 led 3구 모듈(렌즈형)입니다. 5630 led칩이고 ip68 방수입니다. 적색2:청색1입니다. 소비전력은 3개 1세트당 1.2W입니다. 

 

제조사의 설명에 따르면 청색은 420~480nm, 적색은 650~670nm입니다. 식물등으로서 대체로 적당한 파장을 가지고 있습니다. 그런데 적색등과 청색등만 있는 것보다 백색이 있는 것이 더 식물이 잘 자란다는 연구결과를 참조한다면 이 등은 어느 정도 자연광이 들어오는 곳에서 보조로 사용하면 효과가 좋을 것이라고 생각됩니다. 

 

전기요금은 몇 개를 연결하느냐에 따라 다른데 35개를 연결하면 1.2×35=42W이지만 실제로 측정해보니 36W가 나옵니다. 36W×12시간×30일=12960W, 약 13KW이므로 누진세가 적용되지 않았을 때 월 1213원 정도 나옵니다.

 

 

다음은 t5 led 주광색(위)과 전구색(아래)입니다. 저효율 t5 led의 주광색은 6500K, 전구색은 3000K이지만 이 제품은 고효율이어서 색온도가 조금 다릅니다. 고효율 t5 led의 주광색은 5700K, 전구색은 3000K입니다. 고효율 제품은 저효율 제품보다 발열이 적고 전기요금도 적게 나온다고 합니다.

 

t5 led 제품은 불투명한 커버가 붙어있어서 제거한 후에 측정했습니다. 커버를 임의로 제거하면 화재보험이나 애프터서비스를 받지 못하지만 조도가 30% 정도는 올라가므로 벗기지 않을 수 없습니다. 조도가 올라가는 대신 방수가 되지 않으므로 실리콘을 도포하거나 투명필름을 부착하는 등 별도의 방수처리를 해주어야 합니다.

 

뿐만 아니라 가능한 식물과 전등의 거리를 가깝게 유지하고, 식물과 전등과의 각도를 직각으로 배치해서 빛이 직선으로 식물에 닿을 수 있도록 해야 빛의 효율을 높일 수 있습니다. 조도는 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 거리가 2배로 멀어지면 빛은 1/4로 줄어들고, 삐딱하게 전등을 설치하면 빛은 더 줄어듭니다.

 

전구색2:주광색1의 조합이면 대략 적색2:청색1의 비율과 비슷한 효과를 낼 수 있지만 그보다 훨씬 육안으로 보기에 밝게 보입니다. 가운데 초록색의 파장이 강하기 때문입니다. 

7. 식물등 전기요금 계산 방법

본격적으로 베란다에서 수경재배를 할 것이라면 전기요금 계산을 잘 해야 합니다. 전구를 하나만 사용할 것이 아니고 여러 개를 사용해야 하기 때문에 자칫하다가는 전기세 폭탄을 맞을 수 있습니다. 

 

90cm 폭, 30cm 깊이의 선반 한 칸에는 t5 led 90cm 짜리를 최소한 3개는 달아야 10cm 거리에서 1만 룩스 정도의 광량을 확보할 수 있습니다. 4단짜리 선반이라면 엘이디 전구를 최소한 12개는 달아야 한다는 말입니다. 

 

선반 한 칸 당 3개가 아니라 4개나 5개를 설치하면 더 많은 빛을 확보할 수 있고 식물에 더 많은 빛을 줄 수 있지만 전기세를 고려해서 결정해야 합니다. 실제로 집에서 식물을 키워보니 선반 한 칸에 전구색2:주광색1로 설치하면 빛이 조금 부족한 감이 있고 식물의 색 발현이 충분하지 않았습니다. 전구1:주광1:전구1:주광1로 4개는 달아야 할 것 같습니다. 이게 번거로우면 주백색만 4개 달아도 됩니다.

 

90cm 전등은 소비전력이 1시간에 15W이므로 15와트×12개×12시간×30일=64,800와트입니다. 약 65KW이므로 한달 전기요금은 ×93.3원 하면 약 6천원입니다. 누진세 1단계의 요금이므로 누진세 2단계에 적용된다면 이 두 배인 12000원, 3단계에 적용이 된다면 전기요금은 18000원으로 올라갑니다.

 

전기요금의 부담은 있지만 안전한 농산물을 구하기 힘들 경우에는 베란다에서 직접 채소 농사를 짓는 것이 대안이 될 수 있다고 생각됩니다.

 

 

[요약]

 

제대로 된 식물등은 너무 비싸다.

 

가난한 농부들은 고효율 t5 led를 구입해서 커버를 벗기고 방수처리를 해서 쓰자.(커버를 벗긴 후의 사태에 대해서는 책임지지 않음)

 

t5 led는 고효율 전등으로 태양광과 가장 비슷한 주백색을 선택한다.

 

식물등은 식물과 최대한 가까운 거리에 직각으로 설치한다.