시리즈: 재배 과학 — 제12편
태그:kolightingspectrumDLILEDcultivation-science
카테고리: 실내 재배 / 조명 기술
서론
광합성의 질과 양은 대마 재배에서 수확량과 칠나비노이드 프로필을 결정하는 핵심 요소입니다. 이 글에서는 PAR 정의의 진화부터 LED 비교까지, 현대 조명 과학의 모든 측면을 다룹니다. 각 데이터는 동만 심사 연구에 기반합니다.
1. PAR vs ePAR — 광합성 유효 방사의 재정의
전통적 PAR (400–700 nm)
McCree(1972)가 정의한 전통 PAR 범위는 400~700 nm입니다. 이 범위에서 McCree 곡선의 피크는 두 곳에 나타납니다:
- 적색 피크: ~630 nm
- 청색 피크: ~440 nm
확장 PAR — ePAR (380–760 nm)
Zhen & Bugbee(2020–2022)는 ePAR 개념을 제안했습니다. 380~760 nm 범위로 확장하여 원적외선(far-red)과 UV-A를 포함합니다.
| 항목 | 전통 PAR | ePAR |
|---|---|---|
| 파장 범위 | 400–700 nm | 380–760 nm |
| 정의 연도 | 1972 | 2020 |
| UV-A 포함 | 아니오 | 예 |
| 원적외선 포함 | 아니오 | 예 |
| 시너지 효과 | 미반영 | 반영 |
원적외선 시너지 효과
원적외선(700–780 nm)은 단독으로는 광합성 효율이 낮지만, 적색광과 동시에 조사하면 **헐머슨 증강 효과(Emerson Enhancement Effect)**로 인해 광핫성 속도가 합계 이상으로 증가합니다.
2. PPFD 측정 방법
광합성 광양자 유속 밀도(PPFD)는 식물 캐녹피에 도달하는 광자 수를 나타냅니다.
| 요소 | 지침 |
|---|---|
| 센서 위치 | 캐노피 높이, 수평 배치 |
| 측정 그리드 | 최소 9개 지점 |
| 단위 | µmol/m²/s — 럭스(lux) 사용 금지 |
| 센서 종류 | 양자 센서(Quantum sensor) |
균일도(Uniformity)
균일도 = 최소 PPFD / 최대 PPFD
| 균일도 | 평가 |
|---|---|
| < 0.65 | 불량 — 핫스팟 및 그늠 발생 |
| 0.65–0.74 | 보통 |
| 0.75–0.90 | 양호 — 권장 범위 |
| > 0.90 | 우수 |
주의: 럭스(lux)는 인간 시각 반읁 기준이며, 식물 광합성 측정에는 부적합합니다. 반드시 µmol/m²/s 단위를 사용하세요.
3. 생장 단계별 DLI
DLI 계산 공식
DLI (mol/m²/day) = PPFD × 조사 시간(초) / 1,000,000
DLI = PPFD × Hours × 3600 / 1,000,000
단계별 권장 사항
| 단계 | DLI (mol/m²/day) | PPFD (µmol/m²/s) | 광주기 |
|---|---|---|---|
| 묘목기 | 12–20 | 100–300 | 18시간 |
| 초기 영양생장 | 18–25 | 200–400 | 18시간 |
| 후기 영양생장 | 25–35 | 400–600 | 18시간 |
| 초기 개화 | 25–35 | 600–800 | 12시간 |
| 완전 개화 | 35–50 | 800–1,000 | 12시간 |
| 개화+CO₂ | 45–65 | 1,000–1,500 | 12시간 |
핵심: CO₂ 보충 없이 PPFD 1,000 µmol/m²/s 이상을 조사하면 광포화로 인해 효율이 떨어집니다.
4. 청색광 (400–500 nm)
형태학적 효과
Rodriguez-Morrison 등(2025)의 연구에 따르면 청색광 비율 증가 시:
| 지표 | 변화율 |
|---|---|
| 줄기 바이오매스 | +15.1% |
| 잎 바이오매스 | +13.7% |
| 줄기 직경 | +10.2% |
식물 형태
- 절간 단축 → 더 짧고 밀집된 수형
- 크립토크롬 및 포토트로핀 활성화
- 기공 개도 증가 → 가스 교환 촉진
카나비노이드 농도
| 지표 | 청색광 효과 |
|---|---|
| THC 농도(%) | 최고 |
| 개체당 총 THC | 최저 |
| 추천 비율(개화기) | 4–10% |
해석: 청색광은 THC 농도를 높이지만, 수형이 작아 개체당 총 생산량은 감소합니다. 개화기에는 4~10%가 최적입니다.
5. 적색광 (600–700 nm)
양자 효율
적색 광자는 청색 광자 대비 25% 높은 양자 효율을 보입니다(Terashima 등, 2009). 이는 적색 광자의 에너지가 광합성 반응 중심에 더 효율적으로 전달되기 때문입니다.
이중 피크 전략
| 구성 | 효과 |
|---|---|
| 660 nm 단일 | 기본 효율 |
| 640 + 660 nm 이중 | 단일 660 nm 대비 우수 |
피토크롬 개화 메커니즘
- Pfr(활성형): 적색광(660 nm)에 의해 변환
- Pr(비활성형): 원적외선(730 nm)에 의해 변환
- Pfr/Pr 비율이 개화 신호를 조절
6. 원적외선 (700–780 nm)
Peterswald 등(2025)의 Scientific Reports 연구 결과:
| 처리 | 설명 | 결과 |
|---|---|---|
| 12L 대조군 | 12시간 일반 조명 | 0.25 g/plant |
| 10L_2D | 10시간 + 2시간 FR 암기 | 0.43 g/plant (+70%) |
| 12L_2_2D | 12시간 + 4시간 FR | 개화 지연 |
해심 메커니즘
- 원적외선은 일몰 신호를 모방하여 Pfr → Pr 전환을 가속
- 10L_2D 프로토콜은 야간 시간을 절약하면서도 개화를 촉진
- 과도한 원적외선(12L_2_2D)은 식물이 아직 "낮"이라고 인식하여 개화 지연
7. UV 광선
UV-A 효과 (Westmoreland 등, 2021)
UV-A(395 nm) 보충 시 카나비노이드 변화:
| 카나비노이드 | 변화율 |
|---|---|
| CBD | +44.1% |
| CBG | +91.8% |
권장 프로토콜
| 항목 | 권장 사항 |
|---|---|
| UVA:UVB 비율 | 99:1 |
| 조사 강도 | 1.8 W/m² |
| 일일 조사 시간 | 3–4시간 |
| 적용 시기 | 후기 개화기 |
주의: UV-B는 DNA 손상을 유발할 수 있으므로, 작업자 보호 장비(고글, 장갑)가 필수입니다.
8. 녹색광 (500–600 nm)
일반적 오해 vs 실제
| 항목 | 오해 | 실제 |
|---|---|---|
| 흡수율 | 5–10% | 70% 이상 |
| 광합성 기여 | 없음 | 있음 — 특히 고 PPFD에서 |
고 PPFD에서의 역할
Terashima 등(2009)에 따르메, 고 PPFD 조건에서 녹색광의 추가는 적색+청색 추가보다 더 효율적일 수 있습니다. 이는 녹색광이 깊은 캐노피 층까지 침투하여 하위 엽의 광합성을 촉진하기 때문입니다.
9. 광주기와 암기 오염
암기 광원 안전성
| 광원 | 강도 (µmol/m²/s) | 안전 여부 |
|---|---|---|
| 달빛 | ~0.002 | 안전 |
| 임계치 | < 0.05 | 안전 |
| 지연 위험 | 0.1 | 위험 |
해심 주의사항
- 암기 중 0.1 µmol/m²/s 이상의 광 누출은 개화를 지연시킬 수 있습니다
- 재배실의 모든 광 누출(문틈, 타이머 LED 등)을 차단해야 합니다
- 암기 작업 시 녹색 안전등 사용도 최소혔 권장
10. LED 조명 비교
주요 제품 비교
| 조명 | µmol/J | PPF (µmol/s) | 소비 전력 |
|---|---|---|---|
| Fluence VYPR 4 R8 @400V | 3.6 | 2,660 | 800W |
| HLG Scorpion Diablo | 3.2 | 2,130 | ~665W |
| Gavita Pro RS 2400e | 3.2 | ~2,400 | ~750W |
효율 등급 기준
| 등급 | µmol/J |
|---|---|
| 최소 기준 | 2.5 |
| 양호 | 2.8 |
| 프리미엄 | 3.0+ |
| 최고급 | 3.3–3.6 |
구매 팁: µmol/J은 독립 테스트 결과를 기준으로 확인하세요. 제조사 발표 수치는 실제보다 10~15% 높을 수 있습니다.
11. 종합 권장 사항
| 항목 | 권장 사항 |
|---|---|
| 조명 종류 | 광대역 LED ≥ 2.8 µmol/J |
| 영양생장 PPFD | 400–600 µmol/m²/s (18시간) |
| 개화기 PPFD | 800–1,000 µmol/m²/s (12시간) |
| 개화기 DLI | 40–50 mol/m²/day |
| 청색광 비율 | 4–10% |
| UV-A | 1.8 W/m², UVA:UVB 99:1, 3–4시간 |
| 암기 광 누출 | < 0.05 µmol/m²/s |
| CO₂ 보충 | 1,000–1,500 ppm (고 PPFD 시) |
면책 조항
이 글은 교육 및 연구 목적으로만 작성되었습니다. 태국에서의 대마 재배는 통제 약초법 2025(Controlled Herbs Act 2025) 및 **2569년 각료규젗(Ministerial Regulation B.E. 2569, 2024년 4월 시행)**에 의해 규제됩니다. 재배자는 반드시 유효한 허가증을 보유해야 합니다.
참고문헌
- Zhen S, Bugbee B (2020). Substituting Far-Red for Traditionally Defined Photosynthetic Photons Results in Equal Canopy Quantum Yield for CO₂ Fixation and Increased Photon Capture During Long-Term Studies. Frontiers in Plant Science.
- Rodriguez-Morrison V et al. (2025). The influence of light spectrum on morphology, cannabinoids, and terpenes in Cannabis sativa L. Scientific Reports.
- Westmoreland FM et al. (2021). Cannabis lighting: Decreasing blue photon fraction increases yield but efficacy is more important for cost effective production of cannabinoids. PLOS ONE.
- Peterswald TJ et al. (2025). Manipulating photoperiod and light intensity to increase cannabis floral biomass yield. Scientific Reports 15:17435.
- Chandra S et al. (2008). Photosynthetic response of Cannabis sativa L. to variations in photosynthetic photon flux densities, temperature and CO₂ conditions. Physiology and Molecular Biology of Plants.
- McCree KJ (1972). The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants. Agricultural Meteorology.
- Terashima I et al. (2009). Green light drives leaf photosynthesis more efficiently than red light in strong white light. Plant and Cell Physiology.
- Viet Growers Community (2015). Viet Grower Handbook.
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