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어류의 빛 수용을 이용한 집어등의 설계 기술 LED Resource - I


어류의 빛 수용을 이용한 집어등의 설계 기술


 

어업의 효율성을 높이는 도구인 집어등은 어류의 빛에 대한 행동 특성을 이용한 조업 방식이다. 최근 어업에서 온실가스 배출량의 감축, 연료 가격의 폭등 등에 대한 대책으로서 고효율 등기구의 개발, 어류의 대광행동 특성, 어군의 운집 행동의 해명 등에 관한 연구의 필요성이 제기되고 있다.

집어등에서 방사된 빛은 어획 대상물이 서식하는 물을 매질로 하여 전달되어 최종적으로 어류의 광감각기에 수용되어 행동을 유발한다.

효율적인 등기구 개발은 수중 투과성이 높은 빛과 어류시각의 분광감도에 적합한 빛의 선택이 유효한 것으로 밝혀져 있고, 어업 분야에서도 어류 시각의 구조와 기능에 관한 연구, 빛에 대한 행동 특성을 수조 혹은 해양에서의 연구 등이 시행되고 있다.



1. 고휘도 LED 등기구 개발을 위한 배열기술

LED 조명은 투입된 에너지 중 빛으로 변환된 에너지는 30% 정도이고 나머지 70%는 열로서 방출된다.

LED 칩을 밀집 배열한 고휘도 LED 등기구의 개발에는 배열 기술의 확립이 불가결하다.

모렉스사(www.molexkiire.com)는 ‘평면 파이프 열 분산 기판’(FGHP)을 사용한 LED 실험 기판을 개발하였고, 그 배열 효율과 LED 장착기판으로서 유효성을 실증하였다.

수산업에서의 고휘도 LED 집어등 개발로서 유효한 기술로 평가 받고 있다.



2. 어류 시각의 분광감도

어류의 망막에는 빛을 수용하는 추체(錐體) 시각세포와 간체(桿體) 시각세포 2종류가 있다.

추체는 밝은 곳에서 색각(色覺)에 관여하고 간체는 어두운 곳에서 기능한다.

어획 과정에서 어군의 유인은 어두운 환경에서 이루어지므로, 집어 개시의 행동은 간체가 강하게 관계하는 것으로 고찰되었다.

시각의 분광 감도를 측정하는 방법은 전기 생리학적으로 단일 시각세포 혹은 망막 전체의 광 자극에 대한 전기적 활동을 기록 분석하는 방법, 단일 시각세포의 분광흡수 특성을 계측하는 법(현미경 분광 계측), 행동학적 방법 등이 있다.

가고시마 대학 수산학부 연구진은 광 자극에 대한 망막 활동을 기록하는 망막전도(ERG)를 사용하여, 등화이용 어업대상 어종의 분광감도 벌치를 복수의 파장광에 대하여 각각 구하고, 그 벌치의 역수를 구한 최대치가 1이 되도록 규격화하여 분광시감도로 설정하였다.

간체시각세포의 빛을 흡수하는 물질은 로돕신이다.

통상 간체의 감도 곡선은 500nm에서 피크를 나타내는 단봉형이다.

사람의 시각은 암소와 명소에서의 시감도가 표준화되어 있고, 각각 표준 시감도 곡선이 공개되어 있어, 등기구의 분광방사 조도(방사량)로부터 사람의 시각에 작용하는 측정광량을 구하기 위하여 이용되고 있다.

어류의 분광 시 감도는 많은 어종이 밝혀져 있고, 어종 별 시감도 곡선을 함수 표시하는 것으로 사람의 시각과 같은 측정 광량을 추정하여, 다른 파장 특성을 가진 집어등 별로 자극 효율을 비교하는 목적으로 이용할 수 있다.

연구진은 시감도 곡선의 추정으로 시각세포의 분광흡수 특성을 나타내는 템플릿(template)식을 사용할 것을 제안하였다.



3. 해수의 광투과성 간이 정량법

수중에서 빛의 전달거리 감소는 Beer-Lambert 공식을 사용하고 있다.

  


여기서 z는 전달거리,  

는 원래의 방사 조도, 

는 거리 z(m) 전달된 위치
에서의 방사 조도, c는 빛의 감소를 결정하는 소산계수이다.



수중에서의 빛
의 감소는 물 분자나 수중 부유 현탁물에 따라 빛의 흡수와 산란으로 설명할 수 있고, 소산계수는 그 양자를 합친 수치이다.

일반적으로 청록색의 빛은 투과성이 높은 것으로 알려져 있다.

소산계수는 파장에 따라 크게 다르고, 계절이나 해역에 따라서도 투과특성은 크게 다르며, 어선 주위에서의 조도 분포를 추정하는 경우 등 소산계수를 간단하게 구하는 방법이 필요하다.

연구진은 소형 분광방사 조도계와 소형 PC를 접속한 실험 장치로서, 낮 동안 가고시마 만에서 수심 2~50m 수중으로 쪼인 빛의 조도를 계측하였다.

어진 데이터를 기초로 파장별로 심도(전달거리)와 방사 조도의 관계를 Beer-Lambert 공식을 사용하여 소산계수 c를 구하였다.

다만 엄밀하게 소산계수의 계측과 차이가 있는 것은 연구진은 이것을 감소계수라 하였다.

결론적으로 겨울철 가고시마 만에서 추정한 감소계수는 파장 490nm에서 최소치를 나타내고, 단파장 및 장파장 측으로 증대하는 경향을 나타내었다.

490nm에서 감소계수는 약 0.1이고, 투명도가 높은 연안 해역의 소산계수로서 알려진 값의 범위로 추정할 수 있다.



4. 집어등 주변에서의 조도 분포의 추정

위 방법에 따라 파장별 감소계수의 추정이 가능하므로, 종래 백열등이나 할로겐등, 다양한 파장을 구성한 LED 집어등 주위에서 방사 조도 분포의 비교도 가능하다.

연구진은 가고시마 만에서 계측 추정한 파장 380~600nm에서 구해진 감소계수를 사용하여 백열등, 할로겐등 LED를 광원으로 하는 수중집어등 주위에서의 조도 분포를 시뮬레이션하였다.

이 평가 기법은 종래 집어등을 신규 LED 등기구로 바꾸어 장착할 때, 현재의 조도 효과를 나타내기 위하여 어느 정도 출력의 신규 등기구를 필요로 하는지 추정할 수 있다.

또한, 등화이용 어선 주위에서 조도 분포를 추정하기 위하여 유익할 것으로 생각된다.


출처 : 安樂和彦, 遠藤將一, 松岡達浪, 水田敬, 田中康一浪, 藤井敏, “魚類による光の受容と集魚燈設計への應用”, 「日本水産學會志」, 79(5), 2013, pp.879~880


한국과학기술정보연구원/전 문 연 구 위 원 허 종 화(
hurjwkor@reseat.re.kr)


Source
: KISTI





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