국내외 LED 식물공장 현황과
기술과제 및 발전방향

김용현 전북대학교 농업생명과학대학 학장

1. 서론
`최근 들어 식물공장에 대한 관심이 크게 증가하고 있는 가운데 대학, 연구소 및 민간기업을 중심으로 식물공장의 요소 기술 개발 및 상용화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 더구나 일부 지방자치단체에서는 식물공장을 지역의 랜드마크로 생각하며 식물공장을 건설할 움직임마저 보이고 있다. 발광다이오드(light-emitting diode, LED)는 반도체 광원으로서 전자와 정공이 결합될때 발광이 이루어진다. LED의 발광 특성에 주목하여 디스플레이, 조명뿐만 아니라 빛이 요구되는 식물생산 또는 농·생명 분야에 LED 조명을 이용하려는 시도가 진행되고 있다.
본고의 목적은 LED 식물공장의 개념과 현황을 살펴보고, LED 식물공장의 기술과제 및 발전 방향을 제시하는 데 있다.  

2. 식물생산 시설
2.1 식물과 광
식물은 대기에서 흡수된 이산화탄소와 뿌리에서 흡수된 물을 이용하여 광합성산물, 즉 탄수화물을 생성하는 데 이 과정에는 반드시 빛 에너지가 요구된다. 이러한 반응을 광합성이라고 한다. 빛이 없으면 광합성 반응이 일어나지 않기 때문에 빛은 식물의 생장에 절대적으로 필요한 환경요소이다. 광합성 작용에 의해서 만들어진 탄수화물은 식물의 잎, 줄기, 열매 등에 축적되면서 생장이 이루어진다.

2.2 식물재배 방식의 변화
식물은 자연에 존재하는 햇빛, 즉 태양광을 이용하여 생장한다. 대부분의 식물은 논 또는 밭과 같은 노지에서 재배되고 있다. 노지재배는 비, 바람, 추위 등 자연 조건에 완전하게 노출되어 있으므로 계절에 따라 식물재배가 불가능하다.
화학공업의 발달에 힘입어 폴리에틸렌 필름(polyethylene film), 염화비닐 필름(poly vinyl chloride film)과 같은 플라스틱 필름(plastic film)이 농가에 보급되면서 멀칭, 터널 또는 온실을 이용한 재배가 등장하였다. 플라스틱 필름으로 피복된 시설 내에서 식물의 높이, 즉 초장이 높거나 사람 또는 작업기가 들어가서 작업하려면 시설이 일정 높이 이상의 구조를 지녀야 한다. 이러한 시설을 플라스틱 온실(plastic greenhouse)이라 한다. 플라스틱 온실에 사용되는 플라스틱 필름은 광투과율이 우수하고 연성이 좋으나, 두께가 0.1 mm 내외로서 매우 얇기 때문에 수명이 짧은 단점을 지니고 있다. 또한 구고가 견고하지 않아 태풍 또는 적설에 의한 피해를 입을 수 있다. 유리온실(glasshouse)은 표면을 유리로 피복한 시설로서 광투과율이 높고, 구조가 견고하며, 내구성이 양호한 특성을 지니고 있다.
일반적으로 멀칭, 터널, 플라스틱 온실 또는 유리온실을 이용하여 식물을 재배하는 방식을 시설재배라 부른다. 시설재배 관련 자재, 환경제어 및 재배기술의 발전으로 말미암아 노지에서 작물재배가 불가능한 시기에도 다양한 종류의 엽채류와 과채류가 생산되고 있다. 이로 인하여 계절에 상관없이 신선한 채소의 공급이 가능해졌다. 한편 시설재배는 환경의 영향을 많이 받기 때문에 재배되는 산물의 수량과 품질이 일정하지 않다. 특히, 흐린 날이 지속되거나 광량이 부족할 때 수량과 품질이 크게 저하될 수 있다. 또한 시설 내에서 육묘, 정식(옮겨심기), 관수, 환경관리, 수확 등의 작업이 수작업에 의해서 이루어지는 경우가 많다. 그러므로 시설재배에 많은 노동력이 요구되고 있다. 식물공장은 시설재배의 단점을 극복하면서 식물재배에 공업의 개념을 도입한 식물생산 방식으로서, 공산품을 생산하는 공장과 유사하게 식물이 재배되는 시설 내의 생장 환경이 제어되는 식물생산 시설이다.
최근의 식물재배는 재배규모는 작으나 단위면적당 생산성이 높은 재배방식으로 변화되어 가고 있다. 또한 재배시스템의 폐쇄도가 높은 방향으로 식물재배 방식이 바뀌어가고 있다(그림 1). 여기에서 폐쇄도는 재배시설의 경계를 통하여 식물재배에 필요한 에너지 또는 물질(물, 이산화탄소) 출입의 제한 정도를 의미한다. 노지재배에서는 빛에너지 또는 물질의 출입이 제한받지 않으나, 온실과 같은 시설에서는 빛에너지 또는 물질의 출입이 제한을 받게 된다. 한편 식물공장은 폐쇄도가 더욱 높은 재배방식으로서 경계를 통한 에너지 또는 물질의 출입이 상당할 정도로 제한을 받는다. 폐쇄도가 높은 시설일수록 시설 내부에 미치는 외부 환경의 영향이 크기 않기 때문에 재배시설 내의 환경을 목표한 수준으로 제어하기가 쉽다.

3. 식물공장
3.1 식물생산 시설과 식물공장
식물생산 시설은 식물생장에 이용되는 광원의 종류에 따라 태양광이용형, 태양광 및 인공광 병용형, 인공광이용형으로 구분된다.
태양광이용형은 식물생장에 필요한 광원으로 태양을 이용하는 것으로서, 온실은 대표적인 태양광이용형 식물생산 시스템에 해당한다. 태양광 병용형은 주로 태양광을 이용하나, 날씨가 흐리거나 강우 등으로 일사량이 부족한 경우 인공광을 이용하여 보광을 하는 식물생산 시설이다(그림 2). 인공광 이용형에서는 식물생장에 필요한 광을 자연광에 의존하지 않고 오직 인공광원에 의해서만 재배가 이뤄진다(그림 3). 좁은 의미에서 식물공장은 인공광 이용형만을 의미한다. 식물공장은 식물이 재배되는 시설 내의 생육 환경을 제어하면서 무농약 및 안전성이 우수한 식물을 계획적으로 생산할 수 있는 식물생산 시설을 의미한다. 외부 환경의 변화와 무관하게 식물공장 내의 환경을 일정하게 유지할 수 있기 때문에 소비자가 밀집한 도시지역은 물론 사막, 극지와 같이 식물재배가 불가능한 지역에서도 식물공장을 이용하면 식물의 연중 생산이 가능하다. 이러한 식물공장에서는 주로 상추, 시금치, 허브 등의 엽채류와 딸기, 토마토와 같은 과채류가 생산되고 있다.
일본에서는 태양광 및 인공광 병용형 식물생산 시설을 넓은 의미의 식물공장에 포함시키고 있다. 한편 네덜란드를 비롯한 유럽에서는 태양광 및 인공광 병용형 시설에서 과채류와 분화류가 널리 재배되고 있으나, 이러한 식물생산 시설을 식물공장이라 부르지 않고 단지 온실로 구분하고 있다.

3.2 식물공장의 광원
이제까지 식물공장의 인공광원으로 고압나트륨램프, 메탈할라이드램프, 형광등이 주로 사용되고 있다. 고압나트륨램프는 조명효율이 우수하나, 적색광을 많이 포함하고 있어 발열이 크고, 전력소모가 많은 단점을 지니고 있다. 메탈할라이드램프는 청색광을 많이 포함하고 있어 식물의 초장을 억제한다. 그러므로 메탈할라이드램프는 식물생장용 인공광원으로 단독으로 사용되기보다 고압나트륨램프와 함께 사용되는 경우가 많다. 형광등은 고압나트륨램프와 같은 고휘도 방전등에 비해서 광속은 낮으나, 광이용효율이 높고, 가격이 저렴하기 때문문에 식물생산용 근접 조명 광원으로 사용되고 있다.
최근에는 LED가 식물재배용 인공광원으로 주목받고 있다. LED는 수명이 길고, 전력소모가 작으며, 펄스 구동이 가능한 장점을 지니고 있다. 또한 특정 파장의 단색광을 이루고 있기 때문에 식물재배에 적합하도록 다양한 스펙트럼의 파장을 만들 수 있다. 그러므로 LED 식물공장은 LED를 인공광원으로 사용한 식물공장을 의미한다. 

3.3 식물공장의 구성 및 환경 요소
시설 내의 제어된 환경하에서 식물을 계획적으로 생산하는 식물공장은 조명장치, 수경재배 시스템, 환경제어 및 자동화 설비 등으로 구성된다. 조명장치는 인공광원, 안정기로 이루어지며, 필요에 따라 반사판이 사용된다. 수경재배 시스템은 식물생장에 필요한 배양액을 만들어 식물이 재배되는 베드로 공급하는 설비이다. 환경제어 설비에는 식물공장 내의 환경요소를 측정하는 각종 센서, 이들에 연결된 제어기 및 공조 기기가 포함된다. 이밖에 파종, 이식, 주간 조절, 수확, 포장 등의 작업에 자동화 설비가 이용된다. 
식물의 생장 환경은 지상부와 지하부 환경으로 구분된다. 지상부와 지하부 환경이 적정 수준을 유지하고, 균형을 이룰 때 식물의 정상적인 생장이 가능하다. 지상부 환경요소에는 광, 기온, 이산화탄소, 상대습도 및 기류속도가 포함된다. 한편 수분, 배양액의 온도, pH 및 전기전도도(electric conductivity, EC) 등은 지하부 환경요소에 해당한다. 식물의 뿌리가 배양액에 녹아 있는 양분을 제대로 흡수하려면 배양액의 온도는 물론 pH와 EC가 적정 수준을 유지해야 한다.

4. 국내외 식물공장의 현황
4.1 일본
일본의 식물공장은 2009년을 기준으로 50개(인공광이용형 34개, 태양광 및 인공광 병용형 16개)가 전국적으로 설치되어 있다(그림 4-5). 이러한 식물공장에서는 엽채류와 허브류를 생산하고자 고압나트륨 램프와 메탈할라이드 램프를 인공광원으로 사용하고 있다. 또한 3파장 형광등 또는 하이브리드전극형광등(hybrid electorde fluorescent lamp)을 사용하여 근접조명에 의한 청정채소 생산 및 현장 판매가 가능한 식물공장이 보급되고 있다.
이러한 식물공장에서는 다단식 재배베드와 폐쇄형 순환식 수경재배 시스템을 도입하여 배양액 배출에 따른 환경오염을 차단하고 있다(그림 6).
큐피 식물공장은 재배베드를 경사지게 설치하여 공간의 이용도를 높이고 있다. 또한 (주)미라이의 ‘Green Flavor’ 식물공장은 도심 곳곳에 매장을 개설하고, 매장 내 식물공장에서 재배된 각종 채소류를 직접 판매하고 있다. 더구나 생산된 채소류에 대한 이력추적(traceability)을 실시하여 재배 및 유통 과정에서의 안전성 확보에 노력하고 있다. 한편 최근에 등장한 LED 식물공장에서는 인공광원으로 LED가 단독 또는 형광등과 병용해서 쓰이고 있다. LED 식물공장은 대학에서 연구 개발용으로 운영되고 있으며, 건강 증진 또는 의료 기능을 지닌 기능성 식물을 생산하고자 형질전환기술이 적용되고 있다.       
일본의 농림수산성과 경제산업성은 식물공장의 보급 확대를 위해서 2012년까지 식물공장을 150개로 늘리고, 생산비는 채소 무게를 기준으로 30% 절감하려는 노력을 기울이고 있다. 아울러 경제산업성은 식물공장 관련 기반기술 개발과 PR 활동을 지원하고, 농림수산성은 식물공장 기술의 실증과 인력 양성을 위한 연수 및 도입을 지원하는 등 역할을 분담하고 있다.

4.2 유럽
네덜란드, 벨기에 등 시설원예 기술이 앞서있는 유럽에서는 분화류와 과채류가 태양광 및 인공광 병용형의 온실에서 대규모로 생산되고 있다. 분화류 생산 온실에서 관수, 베드 이동, 수확, 선별, 포장 작업 등 작업의 자동화가 많이 진행된 가운데 재배베드 자동 이송 시스템은 재배관리의 대표적인 자동화에 해당한다(그림 8). 한편 유럽에서는 일조가 부족한 일수가 많기 때문에 고압나트륨 램프가 보광용 광원으로 널리 쓰이고 있다(그림 9). 최근에는 에너지 절감을 목표로 고압나트륨 램프를 LED로 교체하려는 시도가 이루어지고 있다. 특히, Osram, Phillips 등 조명 전문 제조업체에서 과채류 재배의 보광용으로 고광도의 직선형 또는 네트형의 LED 조명 시스템을 개발하고 있다(그림 10-11)

4.3 국내
국내의 식물공장에 관한 연구는 2000년대 후반까지 대학과 연구기관을 중심으로 태양광 및 인공광 병용형 식물공장의 요소 기술을 개발하는 데 초점이 맞추어져 있었다. 이 시기에는 파종 자동화 시스템, 이동식 재배베드, 배양액 자동화 관리 시스템, 폐쇄형 묘생산 시스템 등에 관한 기술개발이 주류를 이루었다. 최근 들어 저탄소 녹색산업으로 LED와 식물공장이 주목받으면서 (주)오디텍, (주)인성테크 등 10여개의 민간기업체에서 엽채류를 생산하는 인공광이용형 식물공장 시스템의 개발에 힘을 쏟고 있다(그림 12-13).
현재 이들 기업체에서는 LED를 인공광원으로 이용한 식물공장의 조명 장치를 비롯한 요소 기술 개발과 비즈니스 모델 개발에 깊은 관심을 두고 있다. 한편 농촌진흥청에서는 연구와 홍보용으로 빌딩형 식물공장을 건설하고 있다. 이 식물공장에는 에너지 공급을 위해 지열 히트펌프 시스템과 태양광 발전 시스템이 설치되고, 인공광원으로 LED와 고효율 형광등이 사용될 예정이다. 이밖에 전북대, 서울대 등 몇몇 대학에서는 IT 기술을 접목한 식물공장의 환경제어 시스템, LED 조명 시스템 등을 개발하고 있다. 

5. 식물공장의 기술개발 과제
국내외에서 연구용 또는 상업용 식물공장의 건설이 점차 늘어나고 있다. 그럼에도 불구하고 LED 식물공장은 해결되어야 할 기술개발 과제를 지니고 있다. 
첫째, 생산비의 절감이다. 식물공장의 건설비와 운영비가 과다하므로 경제성을 확보하기가 쉽지 않다. 식물공장의 건설비 가운데 감가상각비가 30~40%를 차지할 정도로 시설에 대한 초기 투자가 과도하게 많이 든다. 또한 운영비 중 전기요금이 20-30%로서 인공광원의 전력소모가 많다. 그러므로 건설비와 운영비를 절감하기 위한 기술개발이 무엇보다 필요하다. 특히 식물공장에서 소모되는 전기에너지를 줄이고자 벽면의 단열재 처리, 에너지 및 자원(물, 이산화탄소) 절감형 환경관리 기술개발이 요구된다. 
둘째, LED 광원의 조명효율과 안정성이 향상되어야 한다. LED 칩(chip)의 조명효율은 70-100lm/W로서, 형광등의 조명효율과 비슷하다. 그러나 LED 모듈을 거쳐 광원으로 제작되었을 때의 조명효율은 저하된다. 이로 인하여 충분한 광강도를 확보하기 어렵기 때문에 조명회로의 구동전류를 인위적으로 높여서 광강도를 높이고 있다. 이 과정에서 많은 발열이 이루어지므로 LED 광원의 수명저하가 불가피하다. 일반적으로 LED의 수명은 50,000 시간으로 알려져 있으나, 발열로 인한 광강도 및 조명효율의 저하가 불가피한 실정이다. 그러므로 고효율 LED 칩의 개발과 수냉식에 의한 냉각 방식의 적용이 필요하다.
셋째, 식물생장에 미치는 LED의 파장 혼합비, 주파수 및 duty ratio의 효과가 종합적으로 제시되어야 한다. 이제까지 적색(660nm)과 청색(450nm) LED가 단독 또는 병용으로 사용되면서 생장에 미치는 파장(광질)의 효과가 보고되고 있는 정도이다. 향후 식물의 종류에 따른 LED 파장의 적정 혼합비, 주파수 및 duty ratio가 검토되어야 한다. LED 조명 시스템의 전력소모를 절감하기 위해서라도 적정 주파수 및 duty ratio가 제시되어야 한다.
넷째, 안정적 판로 확보와 확대 기술이 개발되어야 한다. 식물공장의 장점은 무농약 재배에 따른 안전성이 우수한 식물의 생산이다. 그러므로 식물공장에서 생산된 산물의 안전성에 대한 적극적인 홍보가 필요하다. 또한 식품원료의 안전성에 대한 소비자의 인식이 점차 강화되어 가고 있으므로 이에 부응함과 동시에 판로를 안정적으로 확보하는 기술개발이 필요하다. 더구나 식품원료로서의 기능뿐만 아니라 의약품 또는 기능성 식품 개발에 관한 수요가 지속적으로 증가하고 있는 바 LED 식물공장이 예상되는 수요를 해결하는 하나의 수단이 되도록 체계적인 기술개발이 필요하다.
6. 식물공장의 발전 방향
기후 변화에 따라 식물 생산의 불안정성이 날로 증가하고 있는 반면에 안전한 먹거리를 확보하려는 소비자의 관심은 더욱 커지고 있다. 이에 따라 무농약 재배로 안전성이 우수한 채소류 또는 허브류를 생산하는 식물공장의 수요는 더욱 커질 전망이다. 특히 식물공장에서 생산된 고품질의 채소가 대형 매장을 통해서 유통되거나, 또는 생산된 현장에서 직접 판매하는 매장이 늘어날 것으로 전망된다. 또한 형질전환식물을 이용한 의약품 원료 생산 및 기능성성분을 증가시키는 방향으로 LED 식물공장이 발전될 것이다.
이러한 식물공장은 기후 변화와 무관하게 식품원료를 계획적으로 생산하는 고유의 기능을 갖는다. 또한 인간의 건강, 생태 및 환경보전을 위한 식물 생산에 LED 식물공장이 기여할 것이다. 그러므로 향후 LED 식물공장은 입지조건을 갖춘 곳이라면 어느 지역에서라도 설치가 가능하다. 특히 인구가 밀집한 대도시 지역에서 빌딩을 이용한 식물생산, 즉 빌딩형 식물공장은 지역 내 거주자들에게 신선한 원예산물을 공급하면서 지속가능한 식물생산 형태로 발전할 수 있다. 이밖에 사막 또는 극지와 같이 환경이 열악하여 노지에서 재배가 불가능한 지역에서도 식물 생산이 가능한 구조로 발전할 것이다. 물론 어떤 지역일지라도 식물공장에서 배출되는 탄소가 최소화되거나, 궁극적으로 탄소 배출이 제로(zero)가 되는 식물공장으로 개발되어야 한다.

7. 결론   
신성장 동력으로 주목받고 있는 LED와 식물공장을 결합한 LED 식물공장에 대한 관심이 날로 증가하고 있다. 이에 본고에서는 LED 식물공장의 현황, 기술개발 과제 및 발전 방향을 검토하였다. LED 식물공장이 연구용을 넘어서서 경제성을 확보하려면 수익을 창출하는 비즈니스 모델이 제시되어야 한다.
인공광원을 이용한 조명 시스템은 식물공장 요소 기술의 일부에 해당한다. LED가 식물생장에 유효한 인공광원에 해당하나, LED 조명 시스템의 과도한 설치비는 식물공장의 경제성 확보에 오히려 장애요소로 등장하고 있다. 전력소모가 적고, 파장 조절이 용이한 장점을 LED가 분명하게 지니고 있으나 LED 조명을 이용할지라도 식물의 생장속도 또는 수량이 급격하게 증가하지 않는다. 그러므로 LED가 식물공장의 상용화와 관련된 모든 문제를 해결하는 수단이 아님을 인식할 필요가 있다. 오히려 LED가 지니고 있는 장점을 살리면서 식물공장의 경제성을 확보하는 방향으로 기술개발이 진행되어야 한다. 그러기 위해서는 고효율 및 고출력의 LED 광원 개발, 식물공장에 적합한 식물 선정 및 품종 개발, 식물공장의 에너지 및 자원 절감 기술 개발, 판로 확보 및 확대 기술개발 등이 선행되어야 한다.

참고문헌
1) 김용현. 2010. 국내외 LED 식물공장 현황과 기술과제 및 발전방향. 녹색사업의 신규 비즈니스 모델과 시장성 분석 및 개인사업화 전략 세미나. 산업교육연구소.
2) 김용현. 2009. 식물공장의 광원기술 동향. 식물공장 세미나. 농촌진흥청 농업공학부
3) 김용현.  2009. 농생명 분야에서 LED의 이용. 한국생물환경조절학회 춘계 학술발표 논문집 18(1):27-40.
4) 김용현, 김현준, 이지원, 김정만. 2008. 폐쇄형 묘생산 시스템에서 감자 플러그묘의 생장에 미치는 광합성유효광양자속의 영향. 바이오시스템공학 33(2):106-114.
5) 김용현. 1999. 인공광원으로 발광다이오드를 이용한 묘생산 시스템에서 식물생장 및 형태형성 제어-발광다이오드의 광강도 및 분광 특성. 한국농업기계학회지 24(2):115-122.
6) 김용현. 1997. 식물생산과 관련한 광의 물리학적 용어 및 개념. 한국농업기계학회지 22(4):503-512.
7) 은종선, 김영선, 김용현. 2000. 도라지 배양묘의 생장 및 형태형성에 미치는 발광다이오우드의 효과. 한국식물조직배양학회지 27(1):71-75.
8) 日本農林水産省, 經濟産業省. 2009. 植物工場ワ-キンググル-プ報告書.,

그림 1. 식물재배 방식의 변화
그림 2. 태양광 병용형 식물생산 시설
그림 3. 인공광이용형 식물생산 시설
그림 4. 태양광 병용형 식물공장
그림 5. 인공광 이용형 식물공장
그림 6. 다단식 재배베드 식물공장
그림 7. LED 식물공장
그림 8. 온실 작업의 자동화
그림 9. 고압나트륨 램프를 이용한 거베라 재배
그림 10. 네트형 LED 조명 장치
그림 11. 과채류 재배용 LED 조명 장치
그림 12. LED 식물공장(오디텍)
그림 13. LED 식물공장(인성테크)

김용현
서울대학교 농과대학 농업기계전공 농학사, 석사, 박사
Div. of Horticultural Plant Eng.,Chiba Univ. 연구교수
Dept. of Agricultural & Biological Eng., Univ. of Florida 연구교수
농촌진흥청 원예연구소 겸임 연구관
현재 전북대 농업과학기술연구소 소장
현재 농림수산식품기술기획평가원 R&D 자문위원
현재 한국생물환경조절학회 부회장
현재 전북대 농생대 생물산업기계공학과 학과장, 농업생명과학대학 학장