식물공장은 식물을 시설 안에서 빛·온도·습도·이산화탄소 등 재배환경을 인공적으로 제어해 계절에 관계없이 자동으로 연속 생산하는 시스템이다. 한편 모든 시설을 인공적으로 만들어야 하기 때문에 전기기술의 발달과 더불어 높은 초기비용과 가동비용의 절감이 향후 과제로 남아있다. 여기서는 식물공장의 발전에 중요한 LED 조명기술과 식물공장에서의 재배 사례를 통해 전기에 의한 환경제어기술을 소개한다.
번역·정리 김대근 기자
최근 소비자들의 식품 안전성에 대한 요구가 높아지고 있는 가운데 주목을 받고 있는 것이 바로 식물공장이다. 식물공장에서는 농작물의 육성 환경을 제어할 수 있으며 또한 농작물을 무농약으로 재배할 수 있다. 이를 응용해 자연환경 아래에서는 생산할 수 없었던 새로운 부가가치를 지닌 농작물을 환경제어기술과 유전자 조작 기술을 통해 육성하는 연구가 진행되고 있다. 식물공장이 발전해나가는 데 있어서 중요한 것이 바로 조명기술이다. 근년에는 LED 기술이 도입되어 빛의 파장의 미세한 제어가 가능해졌다. 이 LED 기술을 응용해 육성에 최적의 빛을 만들어내는 연구도 진행되고 있다. 본고에서는 우시오라이팅㈜과 지바대학 원예학부 환경조절공학연구실의 취재를 통해 조명기술 등 식물공장에서의 농작물 재배 시 중요한 환경조절공학기술에 대해 살펴본다.
식물공장에 대해
현재 행해지고 있는 농업의 형태로는 노지농업과 시설농업이 있다. 노지(露地)농업이란 논이나 밭 등 햇빛 아래에서 계절에 맞춘 생산을 하는 농업이다. 한편, 시설농업이란 비닐하우스와 온실 등의 실내에서 농작물이 성장하는 데 적합한 환경을 조성해 계절에 관계없이 생산을 하는 농업이다. 따라서 식물공장은 시설농업으로서 분류된다. <그림 1>에서 보이는 바와 같이 식물공장의 종류에는 비닐하우스나 온실에서처럼 햇빛을 이용한‘태양광 이용형’과 햇빛이 들어오지 않는 건물 안에서 램프에서 발하는 인공광만을 사용하여 농작물을 재배하는 ‘완전 인공광형’이 있다. 이번 취재는 ‘완전 인공광형의 식물공장’이다. 또한 식물공장에서는 <그림 2>에서와 같이 흙을 사용하지 않는 수경재배를 실시함으로써 농작물의 성장에 필요한 자양분의 양을 조절할 수 있다. 농작물의 성장에 크게 영향을 미치는 요소로는 ①빛 ②물(양분의 양) ③온도·습도 ④CO₂농도의 4가지가 있다. 본고에서는 ①빛에 관한 조명기술과 식물공장에서의 재배사례, 식물공장에서의 재배를 통해 얻은 부가가치(보다 좋은 맛과 영양 등)를 지닌 고부가가치 야채에 대해 기술한다.
조명기술에 대해
LED 기술이 도입되기 전의 식물공장에서는 <그림 3>에서와 같이 고압 나트륨 램프와 메탈 할라이드 램프, 그리고 형광등이 사용되고 있었다. 고압 나트륨 램프와 메탈 할라이드 램프에서는 램프 자체가 발하는 열량이 크기 때문에 램프를 농작물 근처에 설치하면 잎이 타버리게 된다. 따라서 농작물을 램프로부터 멀리 배치하기 위한 넓은 공간이 필요하다. 또 고압 나트륨 램프와 메탈 할라이드 램프에 비해 열량이 적은 형광등은 <그림 3>에서와 같이 농작물의 모종을 하나의 영역에 여러 단으로 겹겹이 쌓아올리는 ‘다단식 재배’가 가능하다. 최근의 연구성과로부터 빛의 파장이 농작물의 육성에 크게 영향을 미친다는 사실이 확인되었다. 다음 <그림 4>에 농작물의 육성에 유효한 파장을 나타내었다. 이 파장역(400~700㎚)에서도 특히 청색광(B)과 적색광(R)의 파장대가 농작물의 성장에 가장 큰 영향을 주고 있음을 알 수가 있다. <그림 5>에 청색광과 적색광을 쬐인 딸기의 묘종을 나타내었다. 청색광을 쬐이면 농작물의 줄기를 단단하게 하거나 색소를 진하게 하는 등 농작물의 형태를 만들 수 있다. 한편, 적색광은 광합성을 가장 촉진시키기 때문에 잎을 크게 만들 수가 있다. 농작물 육성 시 가장 적합한 청색광과 적색광의 비율은 적색광이 70~80%이고, 그 나머지가 청색광인 것으로 알려져 있다. <그림 6, 7>에는 빛의 파장별로 일반형광등과 LED바 조명의 방사강도 그리고 PPFD(광합성 유효 광량자속 밀도)를 나타내었다. PPFD란 광합성에 필요한 400~700㎚의 파장에 포함되는 1초당 그리고 1㎡당 광자의 수를 나타낸 것이다. <그림 6>의 형광등에서는 농작물의 성장에 효과적인 청색광과 적색광 이외의 다른 파장대의 빛도 포함되어 있음을 알 수 있다. 하지만 LED바 조명에서는 청색광과 적색광의 파장대만을 출력할 수 있다. <그림 7>에서는 PPFD의 높은 범위가 형광등에 비해 LED바 조명에서 더 넓은 분포로 나타나고 있음을 알 수 있다.
환경제어를 통한 고부가가치 야채 육성
고부가가치 야채란 맛과 색, 형태가 우수할 뿐만 아니라 무농약 재배 및 기능성 물질(비타민이나 항산화 물질 등)이 많은 야채를 말한다. 고부가가치 야채를 육성하기 위해서 중요한 것이 바로 육성환경의 제어이다. 일례로 양상추의 최적조건을 들어보면, 일조시간은 16시간이며, 일조가 있을 시에는 기온 25℃ 습도 60~70%, 일조가 없을 시에는 기온 20℃(습도는 동일), CO₂농도는 통상의 2~2.5배인 800~1000ppm(parts permillion)이다. 완전 인공광형의 식물공장은 폐쇄공간이기 때문에 육성환경을 완전히 제어할 수가 있어 출하까지의 기간을 노지재배의 60일에서 최대 25일까지 단축시켜 품질의 균일화에도 기여하고 있다. 또한 외부로부터의 해충과 바이러스가 혼입되지 않아 무농약 재베가 가능하다. 야채의 고부가가치화를 위해 중요한 것은 앞에서 이미 언급한 ‘빛의 제어’이다. 최근의 완전 인공광형 식물공장에서는 LED 광원을 통해, 농작물에 필요한 파장의 빛만을 사용하는 곳도 있다. 이에 따라 <그림 8>과 같이 빛의 환경을 늘 최적의 상태로 제어함으로써 제철 이외의 계절에서도 제철의 것과 변하지 않는 맛과 영양을 지닌 농작물을 육성할 수 있게 되었다. 이와 같이 빛 환경의 제어를 통해 다양한 니즈에 부합한 작물의 육성도 가능하게 되었다. 또한 청색광과 적색광의 영향에서 그 배광配光의 균형을 적절히 조절하여 다양한 색과 형태, 식감 등을 지닌 작물의 육성도 가능해졌다. 게다가 자외선(UV)과 청색과 같은 단파장역의 빛을 쬐이면 항산화 작용 및 생활습관병의 예방효과가 있는 파이토케미컬phytochemical)(식물 유래의 화학물질)이라고 불리는 기능성 물질을 증진시킬 수도 있다. <그림 9, 10>에 파이토케미컬의 일종인 안토시아닌Anthocyanin(폴리페놀Polyphenol<항산화 물질>의 일종)과 클로로겐산Chlorogenicacid (생활습관병 예방효과가 있는 항산화물질)이 UV와 청색광에 의해 증가하고 있는 결과를 나타냈다. <그림 9>는 적색 리프 레터스에 청색광과 적색광을 쬐여 청색광의 비율을 3~28%까지 변화시켰을 시 안토시아닌의 농도 변화를 나타낸 것이다. 그 결과, 청색광의 비율이 3%에서는 약 2㎎/g였던 안토시아닌의 농도가 32%로 약 14㎎/g까지 증가하였고, 그로 인해 적색의 안토시아닌 색소도 증가하였다. <그림 10>에서는 자외선(UV-B)의 강도를 200~1500㎽/㎡까지 변화시켜 키운 모로헤이야Molokheiya(동지중해산의 야채)의 클로로겐산 농도 변화를 나타내었다. 모로헤이야의 클로로겐산 농도 변화는 자외선(UV-B)의 강도가 증가함에 따라 함께 증가하였다. 이처럼 고부가가치의 야채를 안정적으로 육성시키기 위해서는 단파장의 빛을 제어해야 한다. LED 광원을 이용해 광환경 제어가 가능한 완전 인공광형 식물공장은 고부가가치 야채 생산에 최적이라고 할 수 있다. 하지만, 육성환경을 완전히 제어하기 위해서는 ①광원 ②공조 ③펌프 ④제어기기와 같은 설비를 갖춘 건물이 필요하고, 그 때문에 초기투자가 다른 시설농업에 비해 크다. 또 가동 코스트의 비율은 ①:②:기타=3:1:0.1로 코스트의 대부분이 광원에 의한 것이다. 완전 인공광형 식물공장에서 필요한 광량은 1~2만 럭스로 일반조명의 10~50배나 되는 상당히 많은 전기를 필요로 하기 때문에 태양광을 이용하는 다른 시설농업보다 가동 코스트가 많이 발생하는 편이다. 그에 따라 광원에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 공조코스트 역시 가동코스트를 인상시키는 요인이 된다. 그러나 공조기술의 발전에 따라 광원 코스트를 3분의 1까지 낮출 수 있게 되었고, 앞서 언급한 형광등과 마찬가지로 광원의 LED화를 통해 광원에서 발산되는 열량이 감소하여 다단식의 육성방법을 채용할 수 있게 되었다. 또한, 다단식 육성방법의 채용을 통해 공간의 절약화와 더불어 바닥면적당 생산량이 증가하여 종합적인 코스트가 절감되었다.
식물공장의 향후
농업취업자의 고령화가 진행되고 있는 일본에서는 식물공장의 육성환경 자동제어 및 다단식 재배와 같은 고상식 재배방식을 통해 전보다 신체의 부담이 경감되어 농업취업자수의 감소 억제에 기대가 모아지고 있다. 식물 및 농작물의 연구 촉진 수단으로서 늘 최적의 환경에서 육성시킬 수가 있어 유전자 조작 작물의 연구를 가속화하고 20㎚단위로 파장을 변화시킬 수 있는 LED를 통해 빛이 작물에 미치는 영향을 보다 세밀하게 연구할 수 있게 되었다. 한편, 식물공장 자체를 상품으로서 수출하는 것에도 기대가 모아지고 있다. 식물공장의 수요는 점점 높아지고 있으며, 유리온실의 식물공장은 네덜란드가 이미 인프라로 수출하여 성공을 거두었다. 향후 LED를 광원으로 한 완전 인공광형 식물공장에 대한 기대치는 점점 높아질 것이며, 시설뿐만 아니라, 환경제어기술 및 육성 노하우 등 하드웨어와 소프트웨어를 결합한 ‘패키지화 수출’을 통해 그 가치는 현저히 증가될 것으로 전망되고 있다. 완전 인공광형 식물공장이 지금보다 더 발전하기 위해서는 다른 시설농업보다 높은 초기비용과 가동비용을 절감시키는 것이 무엇보다 중요하며, 그러기 위해서는 전기기술의 발달도 함께 이루어져야 한다. 초기비용을 낮추는 요인으로서는 LED 소자 자체의 비용 절감을 들 수 있다. 특히, 일반적으로 신호 및 전광장식에만 사용되는 적색 LED는 개발과 양산이 늦어 비용도 높은 편이다. 하지만 식물공장이 보급되고 적색 LED의 수요가 높아지면 가격은 내려갈 것으로 전망되고 있다. 가동비용을 낮추는 요인으로서는 광원을 LED로 바꾸는 LED 소자의 발광효율 및 방열기술의 향상, 펄스 점등을 들 수 있다. 현재 식물공장의 주요 광원은 고주파 형광등이며, 이를 LED 소자로 바꾸면 비용 절감이 된다. 그러나 LED 소자는 입력전력을 100%로 했을 때 가시광으로 출력되는 양이 약 20%로, 나머지 80%는 열손실이 되기 때문에 LED 소자의 발광효율 및 방열기술의 향상이 무엇보다 중요하다고 하겠다. 이번에 취재한 지바대학 원예학부 환경조절공학연구실에 있는 우시오라이팅 제품의 ‘식물육성용 LED 패널 고출력 모델’에서는 LED의 열을 방출하기 위해 팬에 의한 공랭을 실시함으로써 냉각효율을 높이고 있다.
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식물공장에서는 환경제어기술을 통해 365일 균일한 품질의 농작물 재배가 가능하기 때문에 일본에서뿐만 아니라, 해외에서도 주목하고 있는 분야이다. 식물공장의 분야는 현재 일본이 다른 나라를 앞서고 있지만, 향후 지속적인 발전을 위해서는 식물공장의 패키지화와 더불어 전기기술의 발달도 함께 이루어져야 한다.
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