미래 산업형 식물공장과 LED 기술(1)

미래 산업형 식물공장과 LED 기술

 

 

<편집자 주>
북부 유럽의 일부 국가에서 부족한 일조량을 보충하기 위하여 시작된 식물공장은 통제된 시설 내 빛, 공기, 열, 양분 등 생물의 생육환경을 인공적으로 제어해 공산품처럼 계획 생산이 가능한 농업 형태로, 이미 일본과 유럽, 미국 등 선진국에서는 연구가 활발하다. 이러한 식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있는 점 이외에도 이산화탄소 발생량을 30% 정도 줄일 수 있는 장점이 있고, 농업용 로봇, LED 등 인공광, 생산 자동화 시스템 등 농업 기술을 IT, BT, RT 분야와 연계하여 농업, 공업 나아가 서비스업 등의 협력까지 도모할 수 있는 신성장 산업의 동력이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

 

----- 목차 -----? 

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1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가?
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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1. 식물공장이란 무엇인가?

 

식물공장(Vertical Farm, Plant Factory)이라는 개념은 미국의 딕슨 디스포마이어(Dickson Despommir) 교수에 의해 처음 제안된 개념으로, 미래의 인구증가에 따른 식물 생산량의 부족으로 앞으로는 식물을 수평상태(노지재배)의 농사에서 벗어나 수직재배(Vertical Cultivation)해야 한다는 적극 대응방안에서 시작됐다.
그는 예를 들어 50층 식물공장을 지으면 그곳에서 생산되는 식물로 50,000명분의 식물을 생산할 수 있게 된다는 구체적 안을 제시했는데, 식물을 다층(Multi-Layer)으로 재배하고 온도, 습도 등을 제어하며 최적의 양액공급, CO₂공급 등으로 수확량을 같은 재배면적 대비 10배 정도 더 많이 늘릴 수 있다고 했다.
식물공장이란 가히 ‘제 3의 농업혁명(The Third Agricultural Revolution)’이라고 말할 수 있는데 그 근거로는 아래와 같은 변화가 따르기 때문이다.

 

a. 농지가 필요 없다.
b. 물이 필요 없다.
c. 햇빛이 필요 없다.
d. 노동력이 필요 없다.

 

인류가 숲에서 나와 농사를 짓기 시작한 것은 대략 10,000~15,000년 전의 일로, 식물을 재배하기 시작하면서 농사에는 농지가 절대적인 요소로 되어있다. 즉 ‘땅’이 있어야 농사를 지을 수 있다는 말이다.
식물공장은 그 생각을 바꿔놓으려고 하고 있으니 가히 농업혁명이라고 할 수 있지 않을까? 물론 식물공장을 지으려고 해도 땅은 필요하다. 그러나 식물공장에서는 농사를 짓는데 필요한 땅은 기본적으로 극히 적어도 되고, 재배면적은 식물공장을 수직으로 계속 쌓아 올라가면 재배면적이 10배, 20배 늘어날 수도 있으므로 땅이 필요 없다고 하는 것이다.

 

다만 식물공장에서는 다층재배를 최대 이점으로 하기 때문에 더는 자연광(태양광)을 사용할 수가 없게 되는데, 여기서 태양광을 대신할 인공광을 찾아내야 하는 문제가 있다.

아직까지는 식물공장이라 함은

ㄱ. 1단계 - 자연광(태양광)을 이용한 단층 재배구조의 과학적이고 자동화된 식물재배 시설
ㄴ. 2단계 - 자연광과 인공광을 혼합한 형태의 단층 재배구조의 식물 생산성 증대 시설
ㄷ. 3단계 - 인공광만을 이용한 다층 식물 재배시설

 

이 3가지로 구분할 수 있다. 그러나 최종의 궁극적인 대량 식물 생산시설(식물공장)은 ‘ㄷ’ 항의 인공광만을 이용한 다층 식물재배구조를 말하는 것으로, 완전 밀폐된 시설에서 외부의 자연환경에 영향을 받지 않고 농약은 일체 사용하지 않으며 온도, 습도, 양액, 탄산가스 등을 최적의 상태로 자동 조절하고 인공광만을 이용하는 설비를 말한다.
그런 식물공장의 구체적 연구, 실험은 일본에서 시작되었고, 일본에는 지금 이미 50~100개 정도의 식물공장이 있으나, 아직은 대부분 자연광(태양광)과 인공광을 함께 사용하는 단층 구조의 보광재배 형태이고, 다층형 식물공장에서는 인공광으로는 주로 형광등을 사용하고 있는 실정이다.
형광등은 광변환효율이 지금까지의 조명등 중에서는 가장 양호한 편이나 근래에 와서 관심을 가지게 된 식물의 촉성재배용 광원으로는 LED 광원이 더 효율적이라는 것이 많은 시험을 통해 밝혀지고 있다.
다만, LED의 가격이 아직은 너무 비싸다는 결점이 있으나 추후 기술발전 추세에 따르면 가격은 급속히 인하되어가는 반면, 광변환효율은 더 개선되고 있으므로 곧 식물공장의 주된 광원으로 정착될 것으로 보인다.
LED광원의 또 다른 장점은 식물의 가장 광합성 효율이 높은 빛 파장대의 빛만을 모아 조사할 수도 있고(예를 들어 660㎚ 파장대의 적색과 450㎚ 파장대의 빛을 혼합한 빛) 이런 적색과 청색 빛의 혼합 비율도 조절도 가능하며, 더 나아가 이 빛을 1초에 1,000~10,000회까지 고속으로 ON/OFF 시킬 수 있어 더 효율적이고 전기 에너지도 절약할 수 있는 길을 열게 됐다.
그러나 일본에서는 이미 7~8년 전에 식물공장을 건립해 놓은 실정으로, 형광등 광원을 쉽게 LED로 교체하기도 어렵거니와 형광등만이 식물재배에 최적이라는 생각(형광등 신드롬)에 젖어 LED로의 기술적 전환 시기를 놓친 상태이다.
한편, 덴마크, 네덜란드와 같은 유럽지역에서는 온실 재배 기술이 매우 발달되어 있을 뿐만 아니라 모든 설치가 자동화 되어 있어 식물을 꼭 다층으로 재배해야 할 필요성이 절실하지 않아 식물공장(다층재배, 인공광 사용)쪽의 진입과 기술 발전이 늦어졌다.
그러나 최근 들어서는 일본과 유럽, 미국 등이 식물공장에 깊은 관심을 가지고 있을 뿐만 아니라 적극적인 연구에 돌입해 있는 상태이다.
이 점에 있어서만은 다행이 한국은 이미 3~4년 전부터 식물공장과 그에 따른 최적의 인공조명 방법으로 LED에 관심을 가지고 연구해 온 덕분에 상당한 기술을 축적해온 실정이다.

 

(주)카스트친환경농업기술 www.sunnyfield.co.kr
 

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 미래 산업형 식물공장과 LED 기술(1)