LED 조명을 이용한 식물공장

 

LED 조명을 이용한 식물공장

 

 

1. 머리말

 

○ 식물공장이란 ‘안전한 식료 공급과 식재의 1년 주기 공급을 목적으로 폐쇄적 또는 반 폐쇄적인 공간 내에서 환경보전형의 생산관리 시스템에 의해 계획적으로 식물을 생산하는 재배 방식’이라고 정의하고 있다.

 

식물공장에는 태양광과 토지를 사용하지 않고, 인공광과 배양액을 사용하는 ‘완전 제어형 식물공장’과 온실과 같은 반 폐쇄적인 공간 내에서 필요로 하는 태양광을 제어하며, 재배하는 ‘태양광 이용형 식물공장’ 등의 두 가지 종류가 있다.

 

 

2. 식물공장의 특징

 

○ 일반적으로 농업은 자연환경에 따라서 작물을 재배하는 방법이기 때문에 노동력이 많이 소요되며, 1년을 통해서 정기적인 휴가나 장기적인 휴가를 얻을 수가 없고 자연에 순응해야 하는 가혹한 조건에 따라야만 한다. 재배에 적합한 기후조건이 갖춰진 해에는 수확량이 많아 좋긴 하지만, 가격이 폭락할 우려가 있고 기후가 불순하여 작황이 나쁜 해에는 출하를 제대로 하지 못해 안정된 수입을 얻기 힘든 직업이기 때문에 젊은이에게는 매력이 없는 일자리가 되고 있다.

 

○ 완전제어가 되는 식물공장은 폐쇄 환경이기 때문에 기후에 상관없이 연간 계획생산을 할 수가 있으며, 생산 환경을 제어할 수 있기 때문에 일년 내내 안정된 생산이 가능하고 안정된 수익을 얻을 수 있다. 노동형태도 농업에 종사한다기 보다도 공장에서 야채가 생산되는 과정에서 일하고 있는 셈이 된다. 식물공장의 운영, 관리는 생산물이나 생산 환경에 관한 지식과 경험 등을 필요로 하지만, 노동자는 특별히 그러한 지식이 없어도 된다.

 

 

3. 조명장치

 

○ 식물공장에 주로 사용되는 조명장치에는 고휘도형의 메탈할라이드 램프(MHL: Metal Halide Lamp), 고압 나트륨 램프(HPSL: High Pressure Sodium Lamp) 및 근거리 조사에는 하이브리드 전극 형광관(HEFL:Hyblid Electrode Fluorescent Lamp) 등이 있다. 고휘도 방전형인 MHL이나 HPSL은 빛이 강한 열선이기 때문에 근접 조명을 할 수 없어 높은 천정의 평면 재배밖에 할 수 없으며, 트라이앵글(Triangle)형과 같은 방법 이외에는 생산효율을 높이기 어렵다. 형광등은 여러 단의 선반식 재배를 할 수 있지만, 식물의 표면온도 조절이 필요하다.

 

○ 최근에 주목을 받고 있는 LED 조명은 방열도 거의 없어 정해진 파장성분을 쪼일 수 있다. 소비전력도 적으며, 수명이 긴 특징을 가지고 있다. 단점으로는 소자 자체는 발열이 없지만, 소자가 붙어있는 기판에서의 발열은 억제할 수 없다는 것과 LED 소자 한 개 한 개의 에너지가 작아 광범위한 면적을 조명하기 위해서는 대량의 소자가 필요하다. 가격 면에서 방전형 조명장치만은 못하지만, 광합성에 필요한 660~680nm의 고휘도 적색 LED가 개발되어 보급되면 가격도 싸져서 현재의 방전형 조명장치가 LED 조명으로 교체될 것으로 보인다.

 

○ 최근 들어 식물의 종류나 생장 단계 등에서 광질에 따라 생장에 차이가 있다는 것을 알게 되었다. LED 조명을 사용해서 재배하는 경우 구성된 각 LED 소자의 광질, 즉 어떤 색의 빛을 어느 정도의 비율로 혼합하여 주느냐의 문제로 이는 광합성의 문제만이 아니고 광 형태 형성에 커다란 관계가 있다.

 

 

4. 식물의 빛에 대한 반응

 

○ 사람의 눈은 매우 우수한 광 검출 장치이다. 달이 없는 어두운 밤에서 직사 일광에 이르기까지 밝기가 다른 환경에서도 물체를 볼 수가 있다. 개인차는 있지만 인간은 최대 380~770nm 파장의 전자파를 빛으로 인식할 수 있으며, 파장이 다른 빛을 보고 색이 다르다는 것을 인식하게 된다.

 

○ 식물은 빛을 받아서 광합성 및 기타 생명활동을 하게 되는데 빛을 감지하는 것은 색소 등이며, 이를 광수용체라고 한다. 식물에는 2가지의 광 수용체가 있다. 광합성과 관계 있는 클로로필(Chlorophyll) a~d 및 카로티노이드(Carotinoid)와 광 형태 형성과 관계되는 피토크롬(Phytochrome), 크립토크롬(Cryptochrome)과 포토트로핀(Phototropin)이 있다. 고등식물에서는 피토크롬이 꽃눈 형성 및 발아, 피음반응 등과 같은 여러 가지 반응을 하는 것으로 알려져 있다.

 

○ 식물의 광 수용체는 인간의 빛 감지 방법과 달리 혼합색 각각의 파장에 반응하기 때문에 인간의 눈에는 백색(투명)의 빛으로 보이는 빛이라도 적, 청, 록 각각의 빛으로 나뉘어 조명되지 않으면 안 된다.

 

○ 광질이 식물에 미치는 영향을 알아보기 위해 스프레이 장미(Spray Roses)의 생장에 대해서 살펴보았다. 장미의 육성은 항온 항습 분위기에서 온습도 및 모종에 주는 양액량을 일정하게 하여준다. LED 조명의 광질은 LED 적색구, LED 적색2: 청색1구, LED 적색4: 청색1구, 형광등구 등 4종류의 시험구역을 비교하여 보았다.

 

– 생장량이 가장 큰 것은 LED 4:1구이고 다음이 LED 2:1구, LED 적구의 순이다. 형광등구는 LED 조명구에 비해서 크게 생장하였는데, 그이유는 공시체의 최상부에서 광량을 일정하게 하였지만 형광등에서는 광량이 일정하게 되는 조사 면적이 넓어 식물의 거의 전체를 쪼일 수 있는데 비하여 LED는 머리부분의 근소한 면적만 설정치를 만족하기 때문에 광합성량이 형광등구만 못하였기 때문이다.

 

– 생장과 더불어 잎의 수 증가를 보면 LED 4:1구가 평균 62.3±4.0매, LED 2:1구가 평균 50.2±6.6매, LED 적구는 평균 47.8±7.2매로 LED 4:1구는 다를 LED 구와 1% 수준의 유의차를 보여주었다. 장미 나무의 형태를 비교하면 LED 적구는 잎이 밑으로 처지고 잎의 면적이 작은 경향을 보여주었다. 이상에서와 같이 광질은 식물의 생장에 큰 영향을 주어 광합성을 위한 광량이 충분하여도 정상적인 생장을 할 수 없다는 것을 알게 되었다.

 

 

5. 맺음말

 

○ 식물공장에 사용되는 광원은 영업 목적으로는 가격이 저렴하고 효율이 높은 조명을 사용하는 것이 필수조건이지만 모든 것을 만족시키는 조명은 없다. 방전형은 발열의 문제가 있고, LED는 조명 에너지와 원가에 문제가 있다. 그렇기 때문에 생산하는 식물에 따라서 주 광원을 바꿔주는 것이 원가절감을 할 수 있는 방법이다. 줄기와 잎이 길고, 키가 큰 토마토 등의 식물은 멀리까지 퍼지는 광원인 HPSL 등의 조명이 적 당하고 잎사귀를 식용으로 하는 야채에는 HEFL 또는 LED 등과 같은 근접 조명이 가능한 광원이 적당하다.

 

○ LED 조명에 대해서 현재는 원가적으로나 조명 에너지 면에서 열세이긴 하지만, 기술의 발전 속도로 봤을 때 멀지 않은 장래에 이러한 문제를 해결한 새로운 LED 조명장치가 나타날 것으로 본다. LED 조명은 필요한 곳에 필요한 빛만큼만 제공할 수 있기 때문에 식물 재배뿐만 아니라 병충해 방제 등에도 응용할 수가 있다.

 

출처 : 宮本 眞吾, “LED照明を用いた植物工場”, 「表面技術(日本)」, 61(9), 2010, p.641~645

 

 

 

◃전문가 제언▹

 

○ LED(Light Emitting Diode)는 반도체 양극에 전압을 가해 발광하도록 하는 인공광원 소자의 일종이다. 수명은 반영구적이며, 백열등이나 형광등에 비하여 광 효율이 높고 전력 소비량도 적어 산업용, 가정용 등에 많이 활용되고 있다. 최근에는 청색 LED 소자가 개발되어 식물의 광합성 작용에 최적의 광원으로 인식되면서 여러 식물의 재배에 응용되고 있으며, 다양한 효과가 입증되고 있다.

 

○ 최근 들어 환경오염 등 여러 가지 원인으로 인하여 이상기후가 빈발하고 있다. 날씨의 영향이 중요한 농업에서는 암울한 미래만 기다리고 있을 수 밖에 없는 것일까? 바로 이런 문제를 해결해 주는 것이 식물공장의 등장이라고 볼 수 있다. 식물공장은 식물이 자라는 데 필요한 온도, 빛, 습도 등의 환경을 인공적으로 만들어 기상조건에 구애 받지 않고 연중 농작물을 안정적으로 생산할 수 있는 시설이다. 지역이나 기후조건에 상관없이 연중 농산물을 생산할 수 있으므로 미래 농업을 이끌어 갈 제3차 농업생산 기반이라고 할 수 있다.

 

○ 실내에서 농사를 짓는다면 가뭄, 태풍, 홍수 등 이상기후로 인한 식량공급 문제를 안정화시킬 수 있고 식물공장 내에서 모든 것이 이루어지기 때문에 외부와 차단되어 병충해가 발생하지 않으며, 농약을 사용하지 않으므로 친환경 농산물을 생산할 수 있다. 더구나 요즈음 일본 대지진으로 인한 방사능 낙진의 공포에서도 벗어날 수 있어 더욱 관심을 갖게 하고 있다. 생산되는 신선한 농산물을 소비자에게 바로 공급할 수 있어 유통비용과 유지비가 절감되어 소비자 가격도 낮출 수 있다.

 

○ 우리나라에서도 2011년 3월 농촌진흥청에서 식물공장 연구동을 개관하였다. 재배 환경은 PC와 휴대폰을 이용해 원격으로 자동제어가 가능하다. 수직형으로 된 식물공장은 수직이송형이고 지붕은 유리온실 형태로 건립되어 LED와 태양광을 함께 이용할 수 있도록 되어 있다. 우리나라에서 처음으로 건립된 이번 빌딩형 및 수직형 식물공장은 앞으로 우리나라 식물공장의 연구 기술방향의 비전을 제시하고 차세대 농업생산기반을 마련하는 계기가 될 것으로 기대하는 바이다.

 

Source : KISTI-ReSEAT.