Introduction
식물공장(Plant Factory)은 인공시설에서 식물의 생육특성에 적합한 생육환경(광, 온도, 습도, 이산화탄소 농도 및 배양액 등)을 제공하여 계절이나 자연 환경의 제약 없이 식물을 자동으로 생산하는 시스템을 말한다(Kim, 2017). 사용하는 광원에 따라 인공광만 쓰는 완전밀폐형과 태양광과 인공광을 함께 사용하는 하이브리드형(태양광병용형, 부분제어형)으로 분류된다. 완전밀폐형 식물공장은 외부 환경으로부터 격리되도록 설계하여 모든 생육환경을 인공적으로 통제함으로써 식물을 연중 내내 생산한다. 외부와 격리 또는 차단 정도가 높을수록 광합성을 해야 하는 식물을 재배하는데 광원은 매우 중요한 역할을 한다. 광원 설치의 용이성으로 인해 식물을 키우는 베드를 여러 단으로 쌓거나 복층 설비에서도 식물을 재배할 수 있다. 하이브리드형 식물공장에서는 기상 상황에 따라 부족할 수 있는 태양광에 대한 보광을 위해 인공광원을 사용한다.
식물이 광합성에 사용하는 빛의 파장대역은 가시광선 영역대(400-800 nm)로 그 중에 카르테노이드와 엽록소가 흡수하는 파장(450-570 nm), 적색광(650-665 nm), 적외광(730-735 nm)가 사용된다(Hang, 2012). 식물이 흡수하게되는 파장에 따라 발아, 줄기 성장, 잎 형성, 꽃눈, 개화의 정도와 시기에 영향을 미친다(Hang, 2018). Table 1에 광 파장이 식물에 미치는 영향을 정리하였다. 적외선 파장대는 광합성에 미치는 영향은 없지만, special kidney effect를 촉진하는 기능을 한다. 가시광선 파장은 광합성에 매우 주요한 역할을 하는데, 발아와 관련하는 파장, 해충과 관련하는 파장, 잎과 줄기의 형상에 관련하는 기능이 있다. 자외선 파장대는 식물 잎의 두께를 키우거나(UV-A), 기능성 물질 생산을 늘려 면역형성에 관여하기도 하고(UV-B), 클로로필의 파괴(UV-C)를 일으키기도 한다.
인공광원은 백열 발광(예: 백열 전구), 방전 발광(예: 형광등, 수은등, 나트륨등, 메탈할라이드등), 전계 발광(예: LED, 레이저 다이오드)으로 구분할 수 있다. 그 중에 식물공장에는 형광등, 고압나트륨등, 메탈할라이드등, LED, 백열등이 사용되었다. 형광등은 다단식 재배에서 식물에 근접 조명이 가능하나 발광 효율이 20% 정도이고, 광합성에 유효한 파장의 광량이 부족하다. 고압나트륨등은 관 안에 나트륨, 수은, 크세논 가스 등이 혼입되어 있는 것으로 광합성 방사 효율이 높다. 적색광과 청색광의 가시광선 변환효율이 30% 정도로 높지만, 발열량이 높아 공조설비가 필요해 비용이 들고, 식물과 일정 거리 이상을 두어야한다. 할로겐등의 일종인 메탈할라이드등은 고압 수은 조명에 인듐, 탈륨, 나트륨 등의 할로겐 화합물을 첨가한 등이다. 파장은 가시광 전반에 분포하여 고압나트륨보다 식물재배 효과가 우수하다. 고압나트륨등에 비해 발광효율이 낮고 수명이 짧아 식물공장에 적합하지 않는다. LED는 일반 백열전구나 나트륨등을 대체하기 위하여 개발된 조명으로 기존에 소모되는 전력을 약 60% 정도 절감할 수 있다. 또한, 식물의 광합성에 필요한 특정 파장을 선택적으로 사용할 수 있어 식물의 광합성 촉진에 효과적이며 좁은 공간에서도 활용할 수 있다(Kim, 1999; Kim et al., 2011). Table 2는 식물공장에서 주로 사용하는 인공광원인 백열등, 할로겐등, 형광등, LED를 비교한 것이다. 이 중에 LED는 소비전력, 효율, 평균 수명을 비교하였을 때 효율적인 인공광원으로 평가할 수 있다(Han, 2017).
일조가 부족한 일수가 많은 일부 유럽의 온실에서는 고압나트륨 램프를 농업의 보광용 광원으로 널리 쓰이고 있었으나 에너지 절감을 위해 LED로 대체하려는 시도가 이루어지고 있다. 특히, Osram, Phillips 등 조명 전문 제조업체에서는 과채류 재배에 보광용으로 고광도의 직선형 또는 네트형 LED 조명 시스템(Fig. 1)을 개발하고 있다.
LED는 1960년대 개발되었고, 1990년대 고휘도 청색 LED가 개발되면서 식물재배용 인공광원으로서의 가능성을 검토하기 시작하여 최근까지 연구가 진행되고 있다. 특히 완전밀폐형 식물공장에서 LED는 다른 광원에 비해 Table 2.의 내용처럼 구조적으로 안전하고, 광효율이 높고, 백열등과 형광등에 비해 전력 소모량과 발열량이 적고, 반영구적인 수명을 갖고, 특정 파장대의 광조사가 가능하고, 광질의 선택 및 광량 제어가 용이한 장점이 있다. 이런 이유 중에서도 에너지효율이 가장 뛰어나며 앞으로 광전환 효율을 최대치 까지 올릴 가능성이 있는 광원으로 에너지 사용량을 줄일 수 있는 식물재배용 인공광원이기 때문에 많은 연구가 진행되고 있는 것이다. 이러한 LED의 특성을 이용해 특정 광파장을 조사하여 카로티노이드, 안토시아닌과 같이 작물이 가지고 있는 기능성 성분의 함량을 증가(M.M.2020) 시키거나 생육을 촉진하는 등 고품질 농산물 생산에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다(Lee, 2018). 최근에는 신재생에너지를 이용한 냉난방 기술의 도입으로 화석연료 사용에 따른 CO2발생량을 줄이는 등 환경문제에 대응 하고 있다. 신재생에너지 중 태양광, 태양열, 지열 등이 유망한 열공급원 대상으로 연구개발 중이다. 우리나라는 충북농업기술원 에서 태양광발전시스템을 통해 에너지를 공급받는 첨단 농업연구시설인 식물공장을 준공하여 태양광을 통해 에너지공급 및 LED 빚을 활용하는 연구를 하고 있다(Jeong. 2019).
하이브리드형 식물공장의 식물 재배에서 LED는 식물의 광합성 및 생장에 필요한 파장만을 갖는 단색광 또는 혼합광을 이용한 생장 촉진 및 생리 조절 기능을 갖추고 있으며, 광합성 촉진용 LED, 개화 조절용 LED, 기능성 향상용 LED처럼 목적에 맞게 사용할 수 있다(RDA, 2021). 적색 LED를 이용한 농업 에너지 절감 기술 개발, 농가 보급형 LED 광처리 장치 개발, 보광기술과 일조가 부족한 계절과 지방에 수박의 착과를 돕기 위한 LED 광질과 광량 기술 등이 개발되고 있다(Kwon, 2018). LED 조명은 초기 설비 비용은 비싸지만 다른 조명에 비하여 전기료를 1/3 정도 절약할 수 있다. LED의 파장에 따라 병해충을 예방하고 항산화 물질을 증가시키는 기능성도 있다(Kim, 2017).
LED는 이와 같은 장점 외에도 수명이 길고, 소형이며, 구동하기 편하고, 펄스 조명이 가능한 점 등의 장점을 가지고 있어 앞으로 식물공장의 주요한 광원으로서 사용될 것이다. 앞으로 완전히 특별한 광원의 발달이 이루어지기 전까지는 앞에서 말한 것처럼 광전환 효율이 이론적 한계치까지 발전하고 발열이 거의 0에 가까울 때까지 발전할 것으로 예상한다. 지금까지 LED 단가는 10년 전에 비해 1/10 감소하고 출력은 20배 증가하였다.
이런 효율적 광원이면서 기술의 발달로 저가를 실현하고 있는 LED를 광원을 완전밀폐형 식물공장에서 식물을 재배하는데 사용한 연구 사례에 대해 알아보고 완전밀폐형 식물공장에서 LED 광원의 발전 방향에 대해 제시해 보고자 한다.
Materials and Methods
식물공장의 광 조절 기술, 특히 완전밀폐형 식물공장 내에서 LED를 사용한 화훼류의 개화조절, 광 주기 조절, 광도, 광질에 따른 개화반응 규명, 국화 등의 품질향상, 출하시기 조절 등의 연구, 적정 광도 조건 규명, 원적외선 파장대와 적색 파장대의 광에 의한 개화 조절 규명 연구 등 다양한 연구 결과가 보고 되었다. 여기서 LED광원이 태양과 동일한 파장으로 개발하는 것이 좋은지(효율이 높은지) 아니면 식물의 생체주기에 따라 주파수 대역을 변환하여 조사하는 것이 좋은지에 대하여 고민할 필요가 있다. 분명 여기에 경제적인 또는 에너지 사용량에 대한 결과가 나올 수 있기 때문이다. 이에 대해 일본에서는 상추, 가지, 토마토, 딸기, 배추, 시금치, 오이 등 채소류와 국화, 폐튜니아, 장미, 애기장대 등 화훼류뿐만 아니라 밀, 콩, 대두 등 식량작물과 초지 등을 시험재료로 하여 자외선, 적색, 청색, 녹색, 백색, 황색, 원적외선 등 단일광이나 혼합광질, 광도, 광주기 등의 연구가 진행되고 있다. 또한 재배작물과 품종별 광질에 따른 식물생육 및 생리활성 물질인 안토시아닌, 클로로필, PAL (Phenylalanine ammonia-lyase) 활성, 아스코빅산, 페놀물질 등의 함량 증대를 위한 최적 광질, 광도 조건 및 조합 등에 대한 규명 연구 등도 진행되고 있다(Kim, 2017).
갓의 생육시험에서의 LED 소비전력과 효율의 관계
갓(Leaf mustard; Brassica juncea L.)을 이용하여 생육별 LED 종류에 따라 광 이용 효율을 알아 보기 위해 정식 후부터 생육이 끝나는 21일 동안 광 소비 전력을 측정하였다. 정식 후 21일간 전 생육기간 동안 White LED를 사용하여 24시간을 기준으로 8, 12, 16, 20시간 동안 광을 조사하였을 때 각각 20.46, 26.16, 36.62, 47.61 kWh가 측정되었다. 광조사 시간에 따른 광 이용 효율을 알아보기 위해 단위 면적당 지상부의 건물중을 적산일사량으로 나눠 계산하였다. 광 이용효율은 8, 12, 16 시간 처리구에서 낮았으며 20시간 처리구에서 8시간 처리구보다 1.45배 높은 수치(4.71 g/MJ)가 나왔다. 이와 같은 결과는 상추 연구에서 광조사 시간을 길게 주었을 때 광 이용 효율의 증가와 유사하였다.
광조사 시간에 따른 갓의 생육을 알아보기 위해 정식 21일 후 지상부 와 지하부를 채취하였다. 갓의 생육은 엽장, 엽폭，지상 부의 생체중과 건물중, 지하부의 생체중과 건물중이 광조사 시간이 길어 질수록 증가하는 경향을 보였다(Fig. 2). 소비 전력은 LED에 비해 형광등에서 현저하게 높았다. 청색광 LED가 42.34 kWh로 가장 높았고, 백색광 LED는 청색광LED의 81%인 30.74 kWh로 가장 낮았다. 혼합광(적색3:청색2)은 약 40 kWh로 적색광과 청색광의 중간이었다. 형광등의 소비 전력은 69.93 kWh로 LED 중 소비 전력이 가장 높은 청색광 LED 보다 1.65배 더 높았으며 소비 전력이 가장 낮은 백색광 LED보다 2.27배 높았다. LED를 이용한 작물의 광 이용효율은 혼합광 >적색광 > 청색광 > 백색광 > 형광등 순으로 높았다. 혼합광에서 광 이용효율은 형광등에서의 광 이용 효율에 비해 2.70배 높았다. 또한 LED 간 광 이용 효율을 비교했을 때 혼합광의 광 이용 효율은 적색광의 광 이용 효율보다 1.6배 높아 LED 중 가장 높은 광 이용 효율을 보였다(Park, 2018). 완전제어형 식물공장에서 인공광의 이용은 많은 에너지가 사용되기 때 문에 광이용효율을 높이는 연구가 필요하며(Kang et al., 2016; Mills, 2012) 광을 이용한 연구 중 광질을 변화시켜 식물의 광이용효율을 증가 시키기는 연구들이 진행되었다(Cho et al., 2013; Hogewoning et al., 2010; Lim et al., 2013). 결과적으로 20시간 동안 광조사할 경우 광 이용 효율이 가장 높은 혼합광을 사용할 경우 적은 전력으로 많은 시간의 광조사가 이루어 지는 것을 알 수 있으며 LED 혼합광이 광이용효율이 가장 좋다고 할 것이다.
PPFD에 따른 LED 광원별 청치마상추의 생장효율
암실에서 평균 온도 20~25℃, 습도 50~70%로 하루 12시간 동안PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density, µmol)에 따라 LED를 비춰주며 청치마상추의 성장을 측정하여 온도와 습도가 고정 되었을 때 PPFD량에 의한 식물 생장량을 관측하였다. 광원의 크기는 길이 500 mm, 폭 30 mm, 높이 30 mm로 직관형 구조로 방 열은 알루미늄 바와 LED모듈，커버로 이루어 졌다. LED 광원은 식물재배용 전용으로 적색 (660 nm), 청색(450 nm), 과 녹색 (550 nm), 백색(6,300 K)을 단색 및 혼합하여 광합성 효율이 좋은 광원을 제작하였다. 배열 구조로 SMD 칩 18개를 기준으로 단색광 4개(적색，청색，녹색，백색)，혼합광 6개(적색1+청색1, 적색1+청색2, 적색2+청색1, 적색7+청색2，백색2+청색1, 백색1+적색2+청색1)로 구성하였다. Table 3은 LED 광원을 달리하여 처리한 결과로 25 µmol 일 때 청치마상추의 성장을 비교한 표이다. 단색광은 적색광 > 녹색광 > 백색광> 청색광 순으로 성장 속도가 증가하였다. 혼합광은 백색1+적색2+청색1 > 적색1+청색1> 적색7+청색2 / 백색2+청색1 > 적색2+청색1 > 적색1+청색2 순으로 성장 속도가 증가하였다.
Table 4는 PPFD가 50 µmol일 때 청치마상추의 성장을 비교한 표이다. 단색광은 적색광 > 녹색광 > 백색광 > 청색광 순으로 성장 속도가 증가하였다. 혼합광은 백색2+청색1 > 적색7+청색2 > 적색2+청색1 / 백색1+적색2+청색1 > 적색1+청색1 >적색1+청색2 순으로 성장 속도가 증가하였다.
Table 5는 PPFD가 100 µmol 일 때 청치마상추의 성장을 비교한 표이다. 단색광은 적색광 > 녹색광 > 청색광 > 백색광 순으로 성장 속도가 증가하였다. 혼합광은 적색1+청색2 >백색1+적색2+청색1 > 적색7+청색2> 백색2+청색1 > 백색2+청색1> 적색1+청색2 순으로 성장 속도가 증가하였다. 이러한 결과로부터 청치마상추의 성장에 영향을 주는 적색광은 성장 속도가 높고, 줄기 상태가 길어 불량하였다. 적색광과 청색광이 혼합되어 있는 광에서는 성장 속도가 비슷하고 줄기 상태가 튼튼하여 청치마상추에는 혼합광이 적합하였다. 또한, 적색광은 식물의 성장을 촉진시키는 반면 청색광은 줄기를 튼튼하게 하고, 잎을 무성하게 하며 녹색광은 광합성 및 성장이 억제되어 잎이 가늘고 길게 되는 것을 실험을 통해 확인하였다(Yang et al., 2014).
LED 종류별 딸기 재배
과채류인 딸기를 재배하면서 사용한 LED 종류별로 일주일에 2회씩 2개월간 딸기의 성장을 측정 비교하였다. LED 모듈의 크기는 길이 500 mm, 폭 30 mm, 높이 1.5 mm이며 LED패키지를 직렬로 연결하여 9개의 병렬회로로 구성되었다. 광원의 크기는 길이 500 mm, 폭 30 mm, 높이 30 mm로 직관형 구조로 방열은 알루미늄 바와 LED모듈, 커버로 이루어 졌다. LED 광원은 식물재배용 전용으로 적색(660 nm), 청색(450 nm), 백색(6,300 K)을 단색 및 혼합하여 광합성 효율을 확인할 수 있는 광원을 제작하였다. 배열 구조로 SMD 칩 18개를 기준으로 3종류의 광원에 대한 생장을 비교해 보고자 광원을 구성하였다. 그 결과 적색+청색 혼합광을 조사한 딸기의 성장이 가장 빠르며 적색+청색+백색 혼합광, 백색광 순으로 딸기 성장이 빨랐다. 특히 10일 후부터는 딸기 잎이 크게 성장하는 것을 확인할 수 있었다. 적색, 청색, 백색 각각을 혼합하여 3가지의 광원을 구현하였다. 식물재배용 시스템을 이용하여 딸기의 성장을 통해 Fig. 3의 결과는 별도의 혼합광과 백색광을 제작하여 다음과 같은 결과를 얻었다. LED 광원의 광 특성 결과 3가지의 광원별 광 효율은 백색광이 125 lm/W 높았으며 적색2:청색2 광은 14.9 lm/W로 광 효율이 낮아지는 결과를 얻었다. 적색2:청색2:백색2 광은 45 lm/W의 결과를 얻었다. 광질에 따른 전력 소비량을 분석한 결과 적색광은 전력소비가 낮았으며 청색광은 전력소비가 높아 효율성이 낮은 것을 확인하였다. 동일한 조도의 크기로 비교 했을 때 광 효율은 백색>백색2+청색1+적색1 >적색2+청색2 순으로 나타났다. 재배실험 결과 적색+청색광이 백색광보다 성장속도가 높았음을 확인하였다 (Han, 2017).
LED광원의 발전 동향
식물 생장용 LED 조명으로 특히 수직형 식물 공장 전용 LED-tube 조명생산에 집중하여 급속히 성장하고 있으며 식물 공장 전용 식물 LED 조명이 LED 업계를 선도하고 있다. 가정용, 시설 하우스용 식물 LED 조명 외에 농작물 생장을 촉진하는 백색 기반 LED PKG (Package)와 660 nm, 730 nm 파장의 LED PKG를 조합한 폭 넓은 빛 파장 대역의 LED 모듈과 다습한 환경에서 사용할 수 있는 IP65등급의 등기구를 사용하는 제품으로 높은 신뢰성을 제공하여 다수의 식물 공장에서 전용 모델을 채택하여 사용하고 있다. 특히 전원 공급용 SMPS (Switched Mode Power Supply)는 내장형과 외장형(식물공장내 발열량을 거의 0 상태로 유지)을 동시에 공급하고 있어 안정성은 물론 공간 활용도가 뛰어나는 등 치열한 경쟁으로 발전하고 있다. 하지만 아무리 공간 활용도가 뛰어나도 작물과 LED와의 간격과 열량 제어의 실패는 작물의 잎면적이 말리는 현상을 가져올 수 있으며，이는 작물생장 제어에 있어 가장 큰 장애가 된다. 이를 해결하기 위해 다양한 작물생장 요소를 적용한 PLC기반의 효율적인 LED제어 서비스를 제공할 수 있는 식물공장 자동 관리 시스템 구현에 관하여 연구되고 있다(Park, 2014).
식물 공장 전용 제품은 광합성에 효과적으로 알려진 청색과 적색 파장의 빛을 포함한 백색기반 전체 스펙트럼을 활용한 제품의 개발로 단일 파장 제품 대비 식물의 영양소 증가, 생산량 증가, 병충해 예방에 효과적이다. 더불어 백색의 빛 덕분에 작업자들이 식물의 발육 상태를 확인하기에 용이하며 작업의 편의성을 개선한 것이 특징이다. 특히, 730 nm 파장의 LED PKG를 사용하여 정식 후 생장 시 잎 면적을 넓게 키울 수 있음으로 재배 효율을 높일 수 있다는 장점이다. 또한 백색 기반 제품은 기존의 적색 기반 제품보다 가격 경쟁력이 높아 식물 공장 등의 조명 시스템 구축비용을 절감시킬 수 있다. 독자적 맞춤형 LED 모듈 설계 기술을 적용해 일반 다른 조명들을 사용할 경우 재배 배드에 조사되는 광이 균일하지 못하다는 단점을 보완하여 식물의 고른 생장을 돕고 생산량을 늘릴 수 있게 하였다. 작물 생산량 증가, 시설 구축비용 절감 등의 장점으로 수직형 식물 공장에 새로운 솔루션을 제공하게 될 것이며 향후 식물 공장 설비 업체와 협업하여 수직형 식물 공장의 보급화에 앞장서 새로운 산업에서 새로운 가치를 창출할 것으로 판단된다.
Results and Discussion
지금까지 LED 광원을 중심으로한 식물공장의 형성과 식물공장에서 사용하는 LED광원에 대하여 각각을 중심으로 조사해 보았다. 결과적으로 현존하는 식물공장의 광원은 LED 이상의 것이 없다. 그것은 LED가 가지는 가장 기본적인 특성인 LED 자체가 반도체 소자라는 것에서 기인한다. LED 인공광원의 효율성이 지금보다 3배 이상 높아져 광전환 효율이 이론적 한계치에 도달한다고 가정하더라도, 상추 1 kg 생산에 따른 이산화탄소 배출량은 농산물 중량의 약 5배인 5 kg 수준을 유지할 것으로 예상된다. 이렇듯 식물공장이 많은 에너지를 필요로하고 다량의 이산화탄소를 배출하는 이유는 인공광으로 광합성을 수행하기 때문이다. 이것이 미래의 식물공장이 풀어야할 숙제이자 난재이다. 하지만 현재로서는 완전히 새로운 광원이 개발되지 않는 한 예를 들어 “인공태양광의 개발”, “태양광의 완전한 저장과 필요시 손쉽게 이용하는 방안” 등의 발전이 없는 한 계속적인 이론적 광전환 효율의 발전과 태양광과 가장 유사한 파장 개발에 총력을 기울일 것이다. 물론 식물의 생장에 필요한 파장을 태양광과 같도록하기 위하여 더 많은 에너지를 사용할 필요는 없다. 단지 필요한 생장시기에 필요한 만큼의 적정 파장의 광원을 줄 수 있는 연구로 에너지 효율을 최대한으로 올릴 수는 있을 것이다. 하지만 지금은 최대한 태양광과 비교적 매우 유사한 파장을 내는 LED의 개발이 우선시 되는 것이 현실이다. 가장 최근에 사용한 SHPG-1200 (Shinwhaconst, Gwangju, Rep. Korea)는 400-720 nm 파장을 제공하여 식물광합성 450 nm 증대, 660 nm 피크 파장 식물종류에 따른 광원 선택 가능, 태양광유사 스펙트럼 제공과 장시간 발광 가능한 SMPS의 내장 및 외장이 가능하며, 유지보수가 용이한 G13 Base 소켓타입이며 가성비 또한 좋은 일 예로 판단하였다. 이외도 여러 제품군의 형성이 다양하게 이루어지고 있음을 명확히 보여주고 있다. 이렇게 지속적으로 태양광 파장을 닮아 가다 보면 최고의 광효율에 최대한의 태양광 근접 파장까지 도달할 때가 올 것이다. 그때가 되면 일단 식물공장의 광효율 문제는 완전하지는 않지만 해결될 것임을 확신한다. 더불어 신재생에너지 발전(태양광, 풍력, 지열 등)과 ESS (Energy Storage System)과의 결합에서 지금의 식물공장이 가지고 있는 에너지 사용문제에 대한 난제들을 풀어갈 해법들을 찾아갈 수 있으리라 판단된다.
Acknowledgement
This work was supported by Korea Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agriculture and Forestry (IPET) through Agriculture, Food and Rural Affairs Convergence Technologies Program for Educating Creative Global Leader, funded by Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (MAFRA) (Project No. 320001-4), Republic of Korea.
