식물생장 촉진을 위한 LED조명시스템 개발 및 식물공장 응용사례 및 시장 전망
박병근 (주)오디텍 대표이사

최근 국내 뿐 아니라 세계 곳곳에서 심각한 기후변화로 인하여 농업 생산성을 약화시키고 이에 따라 농산물 가격의 폭등을 일으키고 있다. 특히 국내의 경우, 식량 자급률이 27% 정도로 매우 낮아 국제 농산물 가격의 변동에 따라서 소비자 물가지수가 변동될 정도로 영향을 받고 있다. 지난해의 경우 일조량 부족으로 인해 국내 채소가격이 폭등한 기억이 분명할 것이다. 이러한 현상은 과거에 비하여 그 주기가 빨라지고 있으며, 변동폭은 더욱 커지고 있어 시급한 대책이 필요하다.
이에 따라서 기상조건과 관계없이 연중 재배가 가능한 완전제어형 식물공장이 크게 부각되고 있다. 식물공장이란 고도의 환경제어기술이 적용된 통제된 시설내에서 작물의 생육에 필요한 모든 환경요소(광환경, 온도, 습도, 기류속도, 양분, CO2)를 인공적으로 제어하여 최적의 작물 생장환경을 제공함으로써 공산품처럼 계획생산이 가능한 농업형태를 말한다.
이러한 식물공장은 기존의 전통적인 농업형태와 비교했을 때 많은 장점을 가지고 있다.
첫째, 균일한 품질의 작물을 연중 계획적으로 안정생산이 가능하다는 점이다. 작물 재배에 필요한 모든 환경적 요소가 인공적으로 제어되므로 일반 노지재배뿐만 아니라, 유리온실과 같은 시설재배와 달리 외부의 환경적 요인에 크게 구애 받지 않고 연중 생산할 수 있기 때문이다.
둘째 외부로부터 완전히 독립된 밀폐된 공간은 외부 오염원을 차단하여, 무농약 재배가 가능하다는 점이다. 생활수준이 높아짐에 따라서 안전한 먹거리에 대한 수요가 급격히 늘고 있어 이에 대한 좋은 대안이 될 수 있을 것이다.
셋째, 공간과 시간의 제약이 없어진다는 것이다. 기존 수평형의 농업형태를 수직형으로 바꾸면서 재배면적 이용효율이 극대화되며, 환경제어기술을 통하여 사막과 극지와 같은 공간에서 신선한 채소를 연중 공급하는 것이 가능해진다.
산업적인 측면에서도 식물공장이란 아이템은 여러 가지로 장점을 가지고 있다. 식물공장은 고도의 환경제어를 통하여 작물을 재배하기 때문에 IT-BT 등의 산업기술이 융합한 형태로 발전할 수 밖에 없다. 이는 식물공장의 육성은 전후방 산업의 동반 성장이란 긍정적 효과를 기대할 수 있다. 당사와 같은 IT업체에서 식물공장이란 산업분야에 대해서 사업화전략을 마련하는 것도 IT-BT융복합 산업이라는 특징적 요소를 가지고 있기에 가능한 것이다.
이러한 많은 장점에도 불구하고 아직은 식물공장이 널리 보급되지 못하고 있는 이유는 기존의 유리온실, 비닐하우스에 비하여 초기 투자비가 매우 높다는 점이다. 이는 식물공장의 장점을 최대한 활용하여 극복해야할 과제가 될 것이다.
식물공장의 종류에는 태양광 이용형, 태양광병용형, 완전제어형으로 크게 세가지로 구분할 수 있으며, 이중 태양광이용형, 태양광병용형의 경우는 상용화에 거의 도달한 상태이나, 완전제어형 식물공장의 경우는 일본의 중심으로 보급되고 있으나 아직 실용화 단계이 이르지는 못하고 있으며, 국내의 식물공장 기술수준은 선진국과 비교하여 아직 미진한 실정이다. 그러나 다행히도 최근 국내에서도 식물공장이 기업을 중심으로 급속히 보급되고 있으며, 정부기관 및 각 연구소에서도 미래 지향적 농업으로 식물공장을 적극적으로 검토하고 있다. 
이와 같이 식물공장의 형태를 광원의 종류로 구분하는 이유는 작물의 광합성작용의 매커니즘을 살펴보면 알 수 있다. 모든 식물은 광합성작용을 통하여 생장하며, 빛의 파장과 생장의 관계는 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 기존 완전폐쇄형 식물공장의 경우 대부분 그 광원으로 형광등, 메탈할라이드등 등을 인공광원으로 사용하고 있으나, 이러한 광원은 파장의 선택성이 없어 식물의 생장을 조절하는 데에는 한계가 있다. 
이에 반해 최근 친환경 녹색조명으로 각광받고 있는 LED는 파장선택이 용이하여 사용자가 원하는 파장대역을 조사할 수 있을 뿐 아니라 수명이 길고, 전력소비량이 기존광원에 비하여 적어 식물생장용 조명으로 최적의 인공광원이 될 수 있을 것이다.
식물생장용 LED조명 시장은 크게 세가지로 구분할 수 있다. 첫째 온실에서 사용되는 묘생산 및 작물재배 보광용HID 광원 대체용 고광동 LED 시장으로 주로 상용화되어 널리 보급된 온실과 같은 곳에 주로 사용되어진다. 재배 면적이 가장 큰 온실을 대상으로 하기 때문에 가장 큰 시장으로 온실이 발달된 유럽시장을 중심으로 개발이 이루어지고 있다.국내의 경우에도 농촌진흥청의 시범사업으로 전조·보광재배용 LED조명이 본격적으로 보급되기 시작했다. 이에 따라 국내에서도 식물생장용 LED조명을 개발, 제조하는 업체가 늘어나고 있는 추세이다. 둘째, 완전제어형 식물공장용 LED조명시장이다. 온실에 비하여 재배면적이 매우 작지만 태양광을 주광원으로 하고 보조광원으로 역할을 하는 전조, 보광용 조명에 비하여 인공광원만으로 작물을 생산해야하기 때문에 그 성장성은 매우 밝다고 할 수 있다.
식물생장용 LED조명과 일반 상업용 LED조명의 가장 큰 차이점은 적용 대상이다. 사람의 시감도에 의해서 성능이 결정되는 일반 상업용 LED조명은 주로 백색광원을 활용한 반면, 식물생장용 LED조명은 대상이 식물이기 때문에 식물에 유용한 파장의 빛을 사용하게 된다. 따라서 식물생장용 조명에서는 광합성유효광량자속밀도 (Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)라는 단위로 광량을 표현한다. 최근에 식물생장용 LED조명에는 광합성 속도가 최대치에 이르는 적색 및 청색 계열의 LED를 주로 사용한다. 반대로 광합성 작용에 유효하지 않은 녹색계열의 LED는 사용하지 않는 것이 일반적이다.
이와 같이 파장에 따른 식물의 반응 작용을 활용하여 식물 생장을 조절하고 식물의 유용성분을 증대시키기 위한 목적으로 LED 조명이 활용되고 있다. 최근 국내의 경우, 국화, 들깨, 딸기 등의 작물에 LED조명을 활용함으로써 일장 조절을 통한 개화시기 조절, 당도 향상, 항산화물질 증대의 효과를 얻고 있는 것으로 보고되고 있다. 식물공장이 가장 발달한 일본의 경우, 전국에 약 50개소의 식물공장이 운영중에 있고 이중 완전제어형 식물공장은 약 35개소이며, 정부의 지원책으로 향후 3년 이내 그 규모가 3배이상 늘어날것으로 예측하고 있다. 그러나 일본의 경우에도 아직 식물생장용 LED조명의 활용은 미비한 실정이며, 각각의 식물공장에서 실험적 접근으로 일부 적용되고 있다. 이는 LED조명기기가 아직은 형광등과 같은 기존 조명에 비하여 아직은 고가이고 이 효율성 또한 만족할만한 수준으로 검증되지 않았다는 점에서 기인할 것이라고 생각된다.
이에 반하여 국내의 식물공장(완전제어형)에서의 LED조명의 활용 비율은 일본에 비하여 높은 편이다. 이는 기존에는 시장을 주도하고 있던 곳이 농촌진흥청, 각 대학의 농학계열(시설원예그룹) 등 주로 농업계열의 기관에서 주도하고 있었으나, 최근에는 당사와 같이 첨단IT업종의 회사, 기관에서 관심을 가지기 시작하면서 국내의 첨단 IT 기술이 접목되고 있어, LED조명의 활용이 높은 것으로 판단된다. 그러나, 이러한 점이 장점을 가지고 있지만 이에 반해 경계해야할 부분도 분명히 있다. 이는 식물에 있어 광(光)이라는 환경요소가 매우 중요한 역할을 하는 것은 사실이지만 역설적이게도 광(光 )만을 가지고 생장하는 것 또한 아니라는 점이다. “광”이외에도 온도, 습도, 이산화탄소 농도 등 기타 환경적 요소 또한 매우 중요한 제어요소이며, 이는 키우는 재배기술은 이러한 하드웨어적인 요소보다도 더욱 중요한 요소일 수 있다.
식물생장용 LED 조명을 기술적으로 세부화한다면 크게 세가지로 나눌 수 있을 것이다.
첫째, LED CHIP, Package에 해당하는 LED 광소자기술이다. 둘째, 조명 단계의 방열기술 등이 포함된 LED모듈화 기술이다. 마지막으로 식물에게 효율적인 광을 제공할 수 있도록 하는 기술인 LED제어기술이다. 이러한 기술이 잘 조합되어야만 경쟁력있는 식물생장용 LED조명기기가 탄생할 수 있을 것이다.
국내의 기술수준은 세계 최고수준에 접근해가고 있지만 핵심소재에 대한 원천기술 보유는 상대적으로 미약하다. LED 칩 기술의 성숙도는 논문 등의 발표편수 등을 고려한면 세계 3위 수준이나, 연구개발투자의 상대적 부족으로 산업적으로 세계 3위의 위상이 흔들이고 있다.
또한 시장 수요가 가장 큰 백색 LED Chip에 연구개발이 집중화되어 있어 식물생장용 LED조명에 필요한 적색, 근적외선, 자외선 대역의 LED Chip 기술은 세계 수준에 접근하고 있지 못하고 있다. 다행히도 최근 적색 LED Chip은 당사에서 주관하여 진행한 신성장동력 스마트프로젝트를 통하여 개발되어졌으며, 자외선 LED chip도 그 활용도가 높아짐에 따라서 개발 추진중에 있는 것으로 파악되어지고 있다.
적색 LED Chip은 세계적으로 미국의 Lumileds社를 선두로, 일본의 Showa Denko社, 대만의 Epistar社가 주도하고 있다. 이중 식물생장용 적색 LED Chip은 쇼와전공(Showa) 주식회사에서 개발된 4원계 적색 LED Chip이 최근 주목을 끌고 있다. 본 제품에 의해 식물 생육에 최적 파장인 660nm의 LED Chip을 개발하여 세계 최고 수준의 발광 출력을 달성하였다.
조명모듈 기술 및 제어기술은 LED 응용기술로 국내기술 수준은 소재 기술에 비하여 앞서가고 있다. 이 분야에 있어 식물생장용 LED조명기술로 선도하기 위해서는 식물공장의 환경적 부분을 고려하고 나아가 대상 작물별 요구기술을 파악하는 것이 매우 중요하다. 식물공장은 일반 조명이 적용되는 장소에 비하여 환경적으로 고습한 환경에 놓이게 되기 때문에 방습대책이 필요하다. 또한 조명기기에서 나오는 열은 수경재배베드의 수온을 상승시키기도 하고 식물 주변의 온도를 상승시켜 식물의 생장에 악영향을 주기도 할 뿐만 아니라, 식물공장 내부의 공조부하를 가중시켜, 전열비의 상승을 초래한다. 따라서 효율적인 방습, 방열 설계는 LED조명기기의 수명을 좌우할 뿐만 아니라 최적의 식물생장환경 제공에도 필수적인 요소이다.
LED조명의 제어기술은 LED광원의 광량, 광질, 광주기, 주파수 등을 제어하는 기술로 식물은 생육단계에 따라서 요구되는 광환경이 다르다. 이에 따라서 생장주기별로 최적의 광환경을 공급하기위해서는 적극적인 광원제어기술을 활용할 필요가 있다. 그러나 제어요소가 많다는 점은 결국 가격 상승을 부추기는 요인이 된다. 이는 식물생장용 LED조명기기의 최대 단점인 고가격에 악영향을 끼치는 원인이다. 제어요소를 최소화할 수 있는 것은 결국 대상작물별로 최적의 광환경을 규명하고 이에 따른 최적의 조명기기를 개발하는 것이다. 또한 사용자 관점에서 보면 다양한 광환경을 제공하여 실험하기위한 연구자 그룹과 양산시스템에 즉시 적용하기를 원하는 사업자 그룹을 분류하여 용도에 맞은 최적의 LED조명시스템을 개발하는 것이 가격경쟁력을 확보하는데 도움이 될 수 있을 것이다. 결국 식물생장용 LED조명시스템은 LED조명인 하드웨어적인 관점 뿐만 아니라, 재배적 요소까지 같이 고려한 복합적인 조명시스템이 되어야 할 것이다. 최근 각종 전시회나 당사에 찾아오시는 바이어들과 상담을 진행하다보면 “상추 LED모듈이 있느냐?, 딸기 LED모듈이 있느냐?라는 이러한 질문을 많이 받는다. 결론부터 말하자면 상추 LED모듈은 현재로써는 존재하지 않는다. 다만, LED조명시스템이 상추에 적용되고 있거나, 딸기에 적용되고 있을 뿐이다. LED조명이 식물과의 만나 최고의 효율을 내기 위해서는 다양한 재배시험을 통하여 하드웨어적인 성능 뿐만 아니라 식물생장에 적합한 기능을 구현하는 형태의 LED조명시스템이 개발되어야만 지속가능한 사업이 될 수 있을 것이다.
당사에 구축된 식물공장은 약495m2의 규모로 그 내부에 재배실을 비롯하여, 기계실, 제어실, 준비실 등으로 구성되어 있다. 수경재배베드를 구간별로 구분을 하고 작물별로 필요한 광량을 기준으로 광환경제어시스템을 구성하였다. 아래의 시스템은 당사에 구축된 광환경제어시스템의 개략도이다. 크게 LED조명기기부-전원부-제어부로 구성되어있다. 이렇게 구성된 제어시스템은 중앙 제어시스템에 통합되어, 공조제어, 양액제어부 등과 통합되어 운영되어 진다.
주광원으로 청색 및 적색 LED 광원이 적용되었으며, 이 외에도 재배시험시 비교 평가를 위하여 백색 LED조명, 형광등을 적용하였다. 당사에 적용된 조명시스템 외에도 다른 곳의 조명시스템도 이와 유사한 형태이다. 다만, 제어요소, 모듈의 형태가 각 재배환경에 따라서 다르게 적용되어 질 것이다.
LED 관련 산업은 최근 10여년 사이에 비약적인 발전을 거듭하고 있다. 주변에 조금만 관심을 돌리면 LED가 적용되지 않은 제품이 거의 없을 정도이다. 그 사이 국내 시장 뿐만 아니라 국내 시장도 매우 폭발적으로 성장하고 있다. 현재 LED관련 세계시장의 규모는 아래의 표3과 같다.  이중 농수산업과 관련된 시장은 다른 시장에 비하여 매우 작은 규모이다. 국내의 경우도 이와 크게 다르지 않으며, 2012년 약 500억원, 2015년 약 1,800억원 (한국광기술원 LED시장분석서)으로 추산하고 있다.
그러나 그 시장의 성장속도가 매우 빠르게 전개되고 있어 그 잠재력은 매우 클 것으로 전망된다. 이는 세계적인 식량부족사태가 진행되고 있는 현 상황을 잘 반영하고 있다고 할 수 있다. 즉, 제한된 공간내에서 더욱 최고의 효율을 낼 수 있도록 다양한 방법이 시도되고 있으며, 이중 광원을 이용한 방법이 한 부분을 차지하고 있다는 것이다.
또한, 농생명 응용 LED 산업은 일부 전자 관련 산업을 제외하고는 대부분 기술 도입 단계이므로 우리에겐 시장 선점을 위한 기회요소일 수도 있을 것이다. 현 시점에서 경쟁력있는 제품을 개발하고 지속가능한 산업으로 육성하기 위해서는 IT-BT산업간의 끊임없는 융복합화를 시도하고 핵심기반기술을 중점적으로 육성해야할 것이다. 끝으로 LED조명시스템이 식물공장의 핵심으로 자리잡기 위해서는 하드웨어적인 단순한 접근 뿐 아니라 농업용 조명으로써의 대상을 명확히 인지하여 작물생산의 고효율, 고부가가치에의 접목이 반드시 필요하다는 것을 다시 한번 강조하고 싶다.

표 1. 식물공장의 전후방산업
표 2. 광선의 파장에 대한 식물의 반응       
그림 1. 식물의 광합성작용
그림 2. 엽록소의 파장과 흡수도 관계
그림 3. 다양한 형태의 식물생장용 LED조명 사례
그림 4. 식물공장에서의 LED식물공장 활용 (a),(b)(주)오디텍 식물공장, (c)식물생장상 ((주)오디텍)
그림 5. 도심형 LED 식물공장 적용 사례 ((재)전주생물소재연구소 제공)
그림 6. 해외 식물공장 사례
그림 7. LED식물공장의 광환경제어시스템 개략도

표 3. LED 관련 세계시장 규모

박병근
전북대학교 전기공학과 졸업
서울대학교 최고경영자과정 수료
1996년 포토리서치 창업
2000년 (주)오디텍 창업
현재 (주)오디텍 대표이사

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2011년 2월호를 참조바랍니다.>