식물공장 에너지 저감과 식물생육촉진을 위한
원적외선 및 음이온 응용

한충수 충북대학교 바이오시스템공학과 교수

1. 서언
최근 세계 각국의 예측할 수 없는 기상이변은 식량 자원의 수급 불균형을 초래하여 가격이 폭등하는 등 경제에 막대한 영향을 미치고 있다. 특히 근래의 폭설과 폭우 등은 농작물 수확량에 막대한 손실을 초래하여 우리 생활에 경제적, 정신적인 피해를 끼치고 있다.
이와 같은 농작물 수확량의 손실은 전통적인 농업생산 방식인 노지 및 하우스 재배 방식에서 많이 발생하므로 작물재배에 필요한 환경조건을 인공적으로 제어하면서 실내에서 재배수확 할 수 있는 시설 , 즉 식물공장이 대안이 될 수 있다.
식물공장은 외부 기후 조건에 관계없이 농작물을 안정적으로 수확하여 소비자에게 공급 할 수 있을 뿐만 아니라, 온·습도, 인공 광원, 이산화탄소 농도 및 배양액 등의 재배환경조건 제어, 육묘의 자동 이식 및 수확과 관련된 IT·NT·BT 등 첨단 기술이 융복합된 전자동 운영시스템이 농업 분야에 도입되는 첨단농업기술로 식량 자원의 일부를 해결할 수 있고, 농업이 새로운 공장형 산업으로 각광 받을 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 식물공장이 전통농업의 일부분에서 대안이 될 수는 있어도 현재 농업의 모든 문제점을 해결하기에는 상당 분야에서 많은 연구 개발이 필요하다.
또한 식물공장에 대해서 우리가 간과해서는 안되는 점은 식물공장의 초기시설 투자비용, 재배 운영 및 냉난방 에너지 비용, 생산단가, 안정성, 재배 작물의 종류 제한 등이다. 특히 재배 운영 및 냉난방 에너지 비용, 생산단가 문제는 금후 식물공장의 상용화 및 활성화의 성공 여부에 상당한 영향을 미치는 요인이 될 것으로 예측된다. 단지 남북극 지역, 사막 및 고산지역 등과 같이 노지경작이 용이하지 않은 극한 지역에서의 식물공장은 기후의 영향을 받지 않고 작물생산이 가능하겠지만, 역시 냉난방 에너지 및 경제성 문제는 해결해야 할 요인이라 생각된다.  각종 재배 시설 내의 냉난방은 작물 재배에 최적의 온도와 습도를 제어하여 최소의 냉난방 비용으로 고품질인 최대의 수확량을 얻는 것이 가장 효율적이고 경제적인 시스템이다.
현재 난방 기술은 등유나 경유 온풍난방을 가장 많이 사용하고 있고, 공기와 지하수를 이용한 열펌프 이용 냉난방 기술도 있지만 활성화 된 상태는 아니다. 최근에는 신재생에너지로써 지열을 이용하는 시스템이 보급되고 있지만 설치비용이 고가이므로 보급이 미진한 상태이다.
따라서 여기에서는 식물공장의 난방에 적용할 수 있는 원적외선을 이용한 하우스 난방과 재배 특성에 대하여 실험 결과를 간략히 서술하고, 작물재배와 음이온의 적용에 대해서 관련 자료를 간략히 소개하고자 한다.

2. 원적외선을 이용한 하우스 난방
하우스 난방에서 중요한 요소는 난방비용과 생산단가 절감, 하우스내의 균일한 온도 분포, 난방기 설치면적 최소화, 고품질 작물 재배이다.
그러나 기존의 하우스 난방은 경유를 원료로 하는 온풍난방이 주를 이루고 있다. 온풍난방은 공기 대류에 의한 난방으로 효율성이 낮고, 하우스 내에 온도 불균일로 인한 작물의 생육 불균일 등의 문제점이 있는 관계로 좀 더 고효율 난방시스템이 필요하다.
특히 최근에 국제유가 인상으로 시설원예 농업은 에너지 비용 문제로 큰 어려움에 봉착한 상태이고, 생산비의 30∼40%를 차지하는 난방비는 농가 소득향상의 결정적 장애 요인으로 작용하고 있다. 그러므로 어느 때보다 시설원예의 에너지 절감기술과 효율적인 난방시스템이 매우 필요한 실정이다.
원적외선 난방은 복사에너지로 가열 매체 없이 직접 작물에 조사되므로 에너지 효율이 높고, 또한 근접 난방이 가능하므로 작물 생육에 적합한 온도를 유지하면서 실내 온도는 작물에 필요한 최저 온도를 유지하여 난방비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 심야전기나 농업용 전기를 이용함으로써 에너지 절감효과를 기대 할 수 있는 난방 열원이다.

(1) 하우스의 원적외선 및 온풍 난방 시스템
실험용 하우스는 연동이고, 남·북향 총 45평(15평×3동)형 규모로 2중 피복 구조이며, 난방시스템은 3종류로 원적외선 면상발열체 측면설치 난방시스템(이후 원적외선 측면난방시스템으로 표기), 원적외선 면상발열체 천정설치 난방시스템(이후 원적외선 천정난방시스템으로 표기), 경유 온풍 난방시스템을 설치하여 비교 실험을 실시하였다.
사진 1에서 보는 바와 같이 원적외선 측면난방시스템은 750W 용량의 면상발열체 10매를 좌우측면에 각각 5매씩 수직으로 설치하였으며, 원적외선 천정난방시스템은 350W용량의 면상발열체 4매씩을 5열로 총 20매를 천정에 설치하였다. 천정 난방 면상발열체는 구동모터를 정회전 또는 역회전시키면 난방 여부에 따라 면상발열체가 수직, 수평으로 놓이도록 하였다. 대조구인 경유 온풍난방시스템은 76,350kJ/hr 용량의 경유온풍기 1대를 설치하였다.

(2) 원적외선 측면난방, 천정난방 및 온풍난방시 하우스의 내부 온도 분포 비교
하우스난방 방식에 따른 실내온도의 변화 비교는 난방기간 중에 외기온도가 가장 낮은 날(2005년 2월 20일부터 2월 21일)을 선택하였고, 그림 1에 원적외선 난방시스템 설치구와 대조구인 경유 온풍 난방시스템의 하우스 실내온도와 외기온 변화를 나타내었다.
외기온도는 최고온도 -0.4℃, 최저온도 -9.8℃이었고, 하우스 내의 난방온도는 14℃로 설정하였다.
그림 1에서 보는 바와 같이 오후 5시 이후 경유 온풍난방을 한 경우 하우스 내부의 온도분포는 10∼26℃로 변화폭이 매우 크게 나타났고, 원적외선 측면과 천장 난방시스템은 각각 12.7∼14.8℃, 12.2∼14.3℃ 내외로 경유 온풍난방보다 큰 편차 없이 하우스 내부온도가 유지되었다.
원적외선 천정난방시스템과 측면난방시스템의 경우 하우스 내의 0.5m와 1.5m인 지점의 온도 편차는 각각 0.8, 1.9℃, 경유 온풍난방의 경우는 3.5℃로 원적외선 난방시스템보다 위치에 따른 편차가 크게 나타났다. 이와 같이 경유 온풍난방시스템의 온도의 변화폭이 큰 이유는 온풍기가 정지할 경우 하우스의 보온성이 낮아 실내공기온도가 급강하 하게 되고, 온풍기가 가동할 경우 풍량이 많아 실내온도가 급상승하기 때문이라 판단된다.
한편 온도변화가 클 경우 작물이 스트레스를 받기 때문에 작물생육에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
따라서 원적외선 난방시스템의 경우는 온풍 난방시스템의 단점인 온도편차를 최소화 할 수 있고, 복사에너지로 근접난방이 가능하다는 측면에서 하우스 난방시스템으로서 매우 효과적일 것으로 판단된다.

(3) 하우스의 원적외선 측면난방, 천정난방 및 온풍난방에 따른 작물 온도 비교
그림 2는 원적외선 난방시스템 설치구와 온풍난방시스템 대조구에서 방울토마토의 온도 변화와 외기온을 시간별로 나타낸 것이다.
그림 2에서 알 수 있듯이 방울토마토 온도 변화는 원적외선 난방시스템이 온풍난방시스템과 비교하여 난방으로 인한 온도편차가 작은 것으로 나타났다. 외기온은 오후 5시부터 익일 오전 7시까지 -2.5~-9.3℃를 나타내었다.
오전 오후 5시부터 익일 오전 7시까지 원적외선 난방시스템의 방울토마토 온도 변화는 측면의 경우 15.9~6.8℃, 천장의 경우에는 17.5~9.8℃를 나타내었고, 온풍난방시스템의 경우에는 15.0~7.7℃로 나타났다. 그러나 시간대별 방울토마토의 온도변화를 살펴보면 원적외선 난방시스템의 경우 거의 변화가 없는 반면, 온풍난방시스템의 경우에는 온풍난방기 작동으로 인하여 동일 시간대에서 5~6℃의 온도편차가 발생하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 짧은 시간내에 작물의 온도편차가 클 경우 온도 스트레스로 인하여 작물 생육에 부정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.

(4) 원적외선 난방시스템과 경유 온풍난방시스템의 생육 특성 비교
표 1은 난방시스템별 방울토마토의 생육특성을 비교하여 나타낸 것이다.
표 1에서 알 수 있듯이 방울토마토의 생육상태를 조사한 결과, 원적외선 난방시스템의 생육상태가 온풍 난방시스템 보다 다소 양호한 경향을 나타내었다.
초장은 정식 후 42일 경과한 원적외선 천정난방 한 것이 71.29cm로 가장 컸고, 다음은 원적외선 측면난방 한 것이 63.26cm, 경유 온풍난방 한 것이 59.99cm로 가장 작게 나타났다. 엽수는 대개 19매로 난방간의 차이가 없는 것으로 나타났다. 엽장, 엽폭, 경경(줄기 지름)은 초장의 경우와 같이 원적외선 난방시스템이 경유 온풍난방보다 각각 2∼5cm, 1∼2.1cm, 0.5∼1.1mm 큰 것으로 나타났다.
정식 후 91일 경과한 방울토마토의 초장은 천정난방 한 것이 135.54cm로 가장 컸으며, 다음은 원적외선 측면난방 한 것이 129.17cm, 경유 온풍난방 한 것이 123.39cm로 작게 나타났다. 엽수는 대개 25∼26매로 난방간의 차이가 없는 것으로 나타났다. 엽장, 엽폭, 경경도 앞에서 서술한 초장의 경우와 같이 원적외선 난방시스템이 경유 온풍 난방시스템보다 양호한 경향을 나타내었다.
이것은 원적외선 난방시스템이 온풍 난방시스템보다 내부온도 편차가 작아 작물 생육에 좋은 조건이었기 때문이라고 판단된다.

(5) 원적외선 난방시스템과 경유 온풍난방시스템의 난방비용 비교
실험기간 동안 원적외선 난방시스템과 경유 온풍난방시스템의 에너지소비량과 난방비용의 비교 분석한 결과를 표 2에 나타내었다.
표에서 보는 바와 같이 2개월 동안의 원적외선 측면난방과 천정난방의 소비전력량은 각각 3044.9kWh, 2560.6kWh 이었고, 경유 온풍난방의 경유 소비량과 소비전력량은 각각 432ℓ, 125.52kWh 이었다.
원적외선 난방시스템의 난방비용 계산은 농업용(병) 전기를 기준으로 하였고, 경유는 2005년 2월의 면세경유 가격(510원/ℓ)을 기준으로 하였다.
표 2에서 알 수 있듯이 2개월간의 난방비는 원적외선 난방시스템이 경유 온풍난방시스템에 비해 난방비용이 적게 소요되어 난방비 절감에 효과가 있는 것으로 나타났다.
난방 비용은 지역과 하우스 규모, 단열 형태 등에 따라서 변동이 될 수 있겠지만, 최근에 경유 가격 급등으로 인하여 원적외선 난방시스템의 비용이 저렴한 기조는 유지될 것으로 본다.

3. 음이온과 작물 생육
공기이온에는 양이온 및 음이온이 포함되고, 양이온은 원자 또는 분자가 전자를 잃어 +로 대전한 것이며, 음이온이란 원자 또는 분자가 전하를 얻어 마이너스로 대전한 것을 나타낸다.
음이온에 대한 응용연구 및 제품 개발이 가장 활발한 일본의 경우 원적외선과 음이온을 이용한 제품은 인체에 온열효과, 혈류량, 뇌파 및 대사기능 증진 등의 효과가 있다고 보고되고 있으나, 연구 사례 및 검증이 미진한 상태이다. 특히 식물에 대한 응용 사례는 제한된 작물의 생장에 관한 것 이외에는 매우 미흡한 상태이다.
이온이 결핍된 공기는 동식물에 대하여 좋지 않은 영향을 미치는 것으로 알려져 있고, 혼잡한 실내에서 이온이 결핍되면 온도, 습도, CO2 함량이 쾌적한 상태로 유지되어도 피실험자는 불쾌감, 두통, 발한, 혈압 상승 등의 증상을 느끼게 되고, 이와 같은 증상은 음이온을 500~2,000개/cm3 정도 공급하면 어느 정도 완화되는 것으로 보고되고 있다. 통상 대기중에 포함된 작은 이온은 공기 위생학 분야에 있어서 온도, 습도, 공기의 흐름 등과 동등한 중요성을 갖고, 생명을 유지하기 위한 필수 요인으로 인식하고 있다.
여기에서는 공기 이온이 식물 생장에 미치는 영향에 대한 연구 사례가 매우 미진한 상태이므로 극히 일부만 간단히 소개하고자 한다.
식물에 공기 이온을 처리할 경우 화학적 조성인 단백질, 질소, 당, 환원당량 등은 일반 공기 중에서 생장한 식물과 기본적으로 차이가 없는 것으로 보고되고 있고, 이온화된 공기 중에 생장 자극을 하는 것은 O2- 및 O2+인 것으로 보고되고 있다.
그리고 보리의 백화 과정에 대한 공기 이온의 작용에 관한 연구에서 공기 이온이 유발하는 식물 생장촉진의 생화학적 메커니즘에 대한 것이 몇 가지 밝혀졌다. 마이너스, 플러스 공기 이온의 농도를 상승시키면, 철분이 함유되어 있지 않은 배지에서 발육하는 육묘의 백화 현상 빨리 나타나고, 활성철분 및 엽록소의 감소가 진행됨과 동시에, 잔여 철분, 사이토크롬(cytochrome:동식물의 세포 속에 존재하는 여러 종류의 산화 환원 효소의 총칭) 및 철을 함유한 그 밖의 효소량이 증가하는 것으로 보고되었다.
또한 공기 이온이 풍부한 대기중에서, 철을 함유한 배지에서 육묘가 생장하면 엽록소의 광합성은 정상적으로 진행되는 한편, 백화로 보이는 식물의 경우에서도 그 육묘는 대조군과 비교하여 보다 많은 사이토크롬(cytochrome) 및 그 밖의 철을 함유하는 효소를 생성하는 것으로 보고하였다.
플러스 이온 및 마이너스 이온이 각각 30개/cm3±50%인 이온이 결핍된 대기 중에 설치한 육묘의 생장 둔화는 10일째에 나타나고, 시간이 경과하면서 현저하게 나타난다. 더욱이 이 조건에서의 육묘와 잎은 매우 연약해진다고 발표하였다. 따라서 이온이 결핍된 공기 상태에서 작물 생육은 비정상적으로 생장하고, 적정한 이온이 유지되어야 생육이 정상적 이루어지는 것으로 판단된다.

4. 결론
식물공장이 정착화 및 활성화되기 위해서는 설비, 재배 및 운영, 재배작물 종류, 광원, 냉난방기술 등에 관한 연구가 활발히 수행되어 효율적이고 경제적인 모델이 개발되어야 한다. 효율적이고 경적적인 식물공장의 개발은 안정적으로 연중 작물 재배와 공급이 가능하여 미래 농업의 모델이 될 수 있다.
특히 난방기술은 앞에서 서술한 바와 같이 원적외선 난방의 경우 대류 난방방식이 아닌 복사 에너지로 열매체 없이 바로 작물에 근접 난방이 가능하므로 열효율이 높고, 경유 온풍난방에 비해 난방비 절감효과가 우수하며, 심야전기나 농업용 전기를 이용함으로써 에너지 절감효과를 더욱 기대 할 수 있다.
원적외선 난방시스템의 경우 하우스내부 및 작물의 온도 편차가 적어 작물 생육에 적합한 난방 방식이다. 또한 농업용 전기를 이용하므로 난방 비용도 저렴한 것으로 나타났다.
원적외선 난방시스템의 경우 효율면에서는 경유 온풍난방시스템보다 우수한 것으로 나타났지만, 초기 난방시스템 설치비가 고가인 점을 고려하여 금후 경제적인 난방시스템을 개발하여 실용화하는 것이 매우 중요하다.
또한 공기 이온이 증가하면 작물 생육이 건실해지므로 금후 작물 생육과 적정 이온량의 관계를 구명하고, 원적외선을 이용한 효율적이고 경제적인 작물 재배와 난방 방안을 강구하여 식물공장에 접목하는 연구가 필요하다고 생각된다.
참고문헌
1. 한충수, 박완서 역. 1995. 원적외선 가열의 이론과 실제. 원적외선응용연구소.
2. 농촌진흥청 원예연구소. 2000. 시설원예 생산비용 절감기술 연구보고서.
3. 한국생산기술연구원. 세카파 원적외선 면상발열체를 이용한 시설원예 난방시스템 개발의 기술성 및 사업성 평가. 연구보고서. 2002.
4. 유영선. 1997. 시설원예의 에너지 절감방안. 한국첨단농업시설협의회.
5. 강금춘. 2001. 시설원예 난방에너지의 효율적 이용기술. 한국시설원예연구회 심포지엄.
6. 이병일. 1995. 시설원예학. 향문사.
7. 김희준외 5인. 2009. 원적외선 난방시스템이 방울토마토 생육에 미치는 영향. 바이오시스템공학. 34(3). pp 161∼166.
8. 琉子友男. 佐ヶ木久夫. 2003. 空氣マイナスイオン實用ハンドブック. 人間と歷史社.　

그림 1. 하우스 난방시스템별 실내온도 변화 비교
사진 1. 원적외선 면상발열체 측면 및 천정설치 난방시스템
그림 2. 난방시스템별 작물 엽온 변화 비교
표 1. 정식 후 경과일수에 따른 난방시스템별 방울토마토의 생육 특성
표 2. 하우스 난방시스템에 따른 기간별 에너지 소비량과 비용 비교

한충수
충북대학교 농과대학 농업기계학과 학사
충북대학교대학원 농공학과 농업기계학전공 석사
일본 북해도대학대학원 농업공학과 농산가공기계전공 박사                
현재 원적외선 협회 자문교수
현재 재단법인 남강장학회 이사
현재 한국농업기계학회 편집위원장 및 운영위원
현재 충북대학교 농업전문창업보육센터 센터장    
현재 충북대학교 농업생명환경대학 바이오시스템공학과 교수