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[식물공장과 전기전자정보기술 ①] 식물공장을 비추는 LED 이용기술

김대근 기자
입력 2017.04.01 00:00

[식물공장과 전기전자정보기술 ①]
식물공장을 비추는 LED 이용기술

식물공장이 미래 산업으로 떠오르고 있다. 식물공장은 기존 비닐하우스에서 크게 진화한 형태로, 토양 대신 양분을 포함한 배양액을 주고, 태양빛을 LED 등 인공조명으로 대체하는 방식이다. 최근에는 로봇자동화 기술 이용 및 무인생산시스템의 적용 등 나날이 기술이 첨단화되고 있는 분야이다. 식물공장은 넓은 땅이 필요 없기 때문에 공간의 제약이 적어 도시 한복판에서도 대규모 농업을 할 수 있을 뿐 아니라, 태풍이나 이상기후 등 예상치 못한 기후변화에도 생산성에 영향을 받지 않는다는 강점이 있다. 또한, 계절에 구애받지 않고 원하는 시기에 신선하고 균일한 제품을 생산할 수 있으며, 해충으로부터 자유로워 농약을 전혀 사용하지 않는 친환경 농산물을 얻을 수 있다. 식물공장의 경쟁력은 식물의 종류에 따라 최적의 빛 혼합비율을 찾아 빛을 가장 효율적으로 절감하는 공식을 구해내고, ▲파종 ▲발아 ▲수확 ▲포장 전 과정에 걸쳐 자동화 시스템을 구축하는 것이다. 이러한 면에서 우리나라는 비록 그 시작은 늦었지만 세계적인 경쟁력을 갖추고 있는 IT분야 및 LED 분야의 강국으로서 앞으로 식물공장의 발전 가능성은 점차 높아질 것으로 기대되고 있다.

정리 편집부

식물공장에서는 인공광을 이용하여 광환경(光環境)을 제어함으로써 식물재배에 적합한 환경을 조성해 식물을 생산한다. 식물공장에는 태양광을 주요광원으로 하고 인공광을 보조광원으로 이용하는 ‘태양광 병용형’과 폐쇄된 실내에서 인공광만을 이용하여 재배를 실시하는 ‘폐쇄형’ 혹은 ‘인공광형’으로 불리는 식물공장이 존재한다. 여기서는 주로 폐쇄형 식물공장의 경우에 대하여 논한다(이하, 단순히 식물공장이라 하는 경우는 폐쇄형 식물공장을 지칭함).

식물공장은 크게 두 가지로 나눠진다. 하나는 소형의 설비를 이용하는 것으로서 레스토랑 매장 등에서 디스플레이를 겸용해 설치되기도 하는 점산점소형(店産店消: 야채 등 식물을 매장 안에서 생산하여 매장 안에서 소비하는 개념)이 있다(총 재배면적 30㎡ 미만). 또 하나는 전자에 비해 규모가 큰 재배설비를 이용하는 것으로서 ‘재배선반’이라 불리는 다단식의 대형 재배장치를 복수 사용해 큰 면적에서 재배를 실시하는 것이다(총 재배면적 30㎡ 이상). 앞으로의 설명은 대체로 대규모의 식물공장을 염두에 두고 진행되는 것들이다.식물공장에서는 빛의 선택과 제어가 매우 중요하다. 예전에는 태양광을 대체하는 인공광원으로서 형광등 및 고압 나트륨 램프, 메탈 핼라이드 램프 등이 사용되어 왔다. 그러나 이러한 조명들은 인간을 대상으로 한 조명이기 때문에 식물에게 있어서 반드시 최적의 빛이라고는 할 수 없다. 이러한 광원들 대신에 LED를 이용함으로써 식물의 생육에 적합한 파장의 빛을 선택적이고 효율적으로 조사할 수 있어 소비전력의 절감이 실현되었다. 따라서 LED는 식물공장의 광원으로서 우수한 특성을 가지고 있다고 말할 수 있다. 또 LED를 이용하면 보다 넓은 선택지로부터 다양한 광환경을 제공할 수 있지만, 태양광과 다른 광환경에서의 식물 적응에 관한 연구결과는 아직 충분히 축적되어 있지 않다. 따라서 LED를 이용한 재배기술에 관해서는 높은 잠재력과 함께 아직 미지의 영역도 많이 남아있다.

본고에서는 먼저 식물공장에서 요구되는 LED의 특성에 대해 논한 뒤 재배시스템 관점에서의 요구사항을 소개하고 빛에 의한 식물의 제어 가능성에 대해 알아본다. 마지막으로 각종 식물재배에 대한 효과를 이해하는 데 있어 주의해야 할 점들을 정리한다.

식물공장에서의 LED
LED의 광파장
식물공장에서 ‘어떤 파장의 LED를 사용하는 것이 최적인가’에 대해서는 아직까지 의견이 분분하다. 실제로 식물은 태양광 아래 모든 파장의 빛을 수용하여 생육되며, 각각의 파장별로 또 각 파장의 강도비(强度比)에 따라 다양한 광응답을 나타낸다. 그러나 태양광의 파장 스펙트럼을 인공광으로 재현하는 일은 비용이 높아지기 때문에 비용을 우위에 두고 식물을 재배할 수 있는 광조건이 요구된다. 구체적으로는 광합성을 촉진하고 효율적으로 식물을 생육할 수 있는 광조건을 말한다. 그 중에서는 백색 LED를 이용하는 것과 적색과 청색 LED를 이용하는 것이 주류를 이루고 있다. 그 이유는 발광효율이 높고, 비교적 저렴하게 이용할 수 있기 때문이다.

백색 LED에는 여러 종류가 있으며, ▲청색 LED에 황색 형광체 ▲청색 LED에 적색·녹색 형광체 ▲적색· 녹색·청색의 각 LED 혼합광 ▲자색 LED에 적색·녹색·청색 형광체 등이 있다. 또한, 백색 LED+청색 LED, 백색 LED+적색 LED 등도 있다. 적색과 청색 LED뿐인 것 외에도 적색+청색+원적색, 적색+백색+ 원적색 등 다양한 파장 스펙트럼의 LED 조명이 사용되고 있다. 백색 LED는 재배식물의 색깔(녹색)을 눈으로 직접 확인할 수 있기 때문에 점산점소형 식물공장뿐만 아니라 대규모 식물공장에서도 사용되고 있다. 백색광은 외관상이나 작업환경이라는 관점에서는 장점이 있지만, 파장조성(波長組成) 및 광강도비(光强度比)가 식물의 생육에 적절하지 않으면 재배효율이 떨어진다. 한편, 적청광(赤靑光)을 사용하는 경우, 식물이 갖는 주요 광수용색소(光受容色素)인 클로로필a와 클로로필b의 극대흡수파장에 가깝기 때문에 식물에 효율적으로 흡수되어 광합성을 촉진함과 동시에 적절한 광량의 청색광에 의해 균형이 잘 잡힌 형태가 형성된다. 특히, 660nm의 적색광과 450nm의 청색광은 광합성 이용효율이 높아 적절한 밸런스로 조합하고 조사(照射)하면 효율적인 재배를 할 수 있다.

광조사(光照射) 조건
식물에 조사(照射)하는 광강도의 경우 약한 빛에서 강도를 높여나가면 광합성이 촉진되어 생육이 빨라지지만, 광포화점이라고 하는 강도를 초과하면 광합성에 사용되지 못하고 오히려 강광(强光) 스트레스에 의해 식물이 손상을 입게 된다. 따라서 적절한 강도의 광조사를 실시할 필요가 있다. 식물재배에서는 광조사량의 지표로 광합성 유효광량자속밀도(Photosynthetic Photon Flux Density: PPFD)라는 것을 이용한다. 또 하루에 조사되는 광량으로서 일적산 광합성 유효광량자량(Daily light integral: DLI)도 지표가 된다. 일반적인 LED 조명은 빛의 조사강도가 일정하지만, 식물에 따라 적합한 광강도는 각각 다르기 때문에 여러 가지 식물을 재배하려는 경우는 조광기에 의해 빛의 강도를 임의로 변화시킬 수 있게끔 한다. 예를 들면, 리프레티스(잎상추)의 광포화점은 약 300µmol m^-2s^-1 정도이므로 재배 시의 광량은 100~250µmol m^-2s^-1 정도가 바람직하다.

광강도와 더불어 조사 시간도 중요한 요소이다. 자연환경에서는 주야<명기(明期, light period), 암기(暗期, dark period)>의 사이클이 있어 계절마다 광강도와 일조시간이 변화한다. 한편, 인공환경을 갖춘 식물공장에서는 자연환경의 낮과 밤에 상관없이 광조사를 실시할 수 있어 24시간 조사가 가능하다. 일반적으로 식물에 있어 암기(暗期, dark period)는 필요하다고 보고 있기 때문에 암기를 설정하는 일이 많다. 또 경제적인 이유에서 광조사 시간을 제한하고 있는 경우도 있다. 그러나 암기 설정의 필요성은 재배품종에 따라 다르고, 파장조성 및 광강도에 따라 다르다. 실제 리프레티스(잎상추)에서는 24시간 조사하여 재배해도 문제없이 생장하는 사례가 많다.

상기의 ▲광파장 ▲광강도 ▲조사 시간을 적절하게 설정함으로써 보다 적합한 식물재배가 가능하며, 더 상세하게는 파장조성, 강도비 등 광조사 조건만으로도 많은 파라미터를 고려해볼 수 있다. 이러한 조건들을 경제성을 고려하여 적절하게 설정할 필요가 있다.

재배시스템으로서의 LED
재배선반과의 관계
통상 대규모 공장용 재배시스템은 다단식의 재배선반에 조명이 내장되어 있다. 이때 LED 조명을 어떤 형태로 설치해 광조사를 실시하는가가 중요하다. 먼저, LED 조명으로서 ‘패널형 조명을 사용할 것인가, 직관형(直管型) 조명을 사용할 것인가’하는 선택의 문제가 있다. 패널형 조명을 사용하는 경우, 면(面)으로 광조사가 가능하기 때문에 재배면에서의 광분포를 균일화할 수 있다. 그러나 직관형 조명에서도 그 배치 방법을 최적화함으로써 광분포의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또 반사판을 설치함으로써 빛을 선반 내부에서 놓치지 않고 재배면의 광균일성을 향상시킬 수 있다. 패널형 조명보다는 직관형 조명이 비용적으로 우위에 있고 중량도 가벼우며 설치가 용이하기 때문에 대규모 식물공장용 재배선반으로는 직관형 조명이 유리하다고 할 수 있다.

공조와의 관계
LED 조명의 발열은 형광등과 비교하면 극소하지만 재배 시 실내에 방출되기 때문에 공조능력에 영향을 끼칠 우려가 있다. 또 방열이 선반 내부에서 발생되면 재배면의 온도가 재배선반 바깥 실온보다 높아질 가능성이 있다. 따라서 방열 방법에 대한 연구가 필요하다.

LED에 의한 식물제어
광합성
인공광을 식물재배에 이용하면 광합성에 의한 생육촉진과 형태형성의 개선이라고 하는 2가지 측면을 제어할 수 있다. LED는 그 파장의 다양성으로부터 정밀한 광스펙트럼을 선택할 수 있다. 광합성 곡선은 빛의 파장과 광합성의 관계를 나타낸다. 이에 따르면 모든 파장의 빛을 광합성에 이용할 수 있지만 그중 가장 효율적으로 이용 가능한 것은 적색광이다. 또 소비전력당 광합성 유효광량자속인 광합성 유효광량자속효율에서도 적색광이 가장 효율이 높다. 따라서 LED를 이용하여 식물을 재배할 시 적색광을 사용하는 것은 광합성의 관점에서는 매우 합리적이다. 실제로 적색광으로 식물을 재배하면 잘 생장한다. 그러나 예를 들어 리프레티스를 적색광으로만 재배하면 많은 경우 줄기가 뻗어 이른바 도장(徒長)한 모습이 된다. 다른 작물에서는 적색광의 비율이 높으면 식물의 키가 작아지고 분지(分枝)가 촉진된다. 식물을 한 그루의 형태로 판매할 경우 잘 정돈된 초자(草姿, plant posture)는 상품의 가치로서 중요한 조건이 된다. 따라서 식물공장에서는 광합성 다음으로 형태형성의 제어가 중요하다고 하겠다.

형태형성, 초자(草姿, plant posture), 착색
청색광은 광합성에 있어서도 중요하지만 식물의 형태형성에 깊이 관여하며 크립토크롬(Cryptochrome)과 포토트로핀(Phototropin)이라고 하는 2가지 청색광 센서에 의해 제어된다. 크립토크롬에 의한 광형태형성에는 줄기의 신장제어 등을 그 예로 들 수 있으며, 적색광과 청색광의 적절한 비율을 맞춘 광환경에서 리프레티스를 재배하면 줄기의 신장과 잎의 전개 사이의 균형이 잘 잡힌 초자(草姿, plant posture)가 이루어진다. 청색광은 굴광성(屈光性)에도 관여하며, 또 기공개구(氣孔開口, stomatal opening) 등 다양한 광응답에 관여한다. 또 피토크롬은 적색광과 원적색광의 비율을 감지하고 응달(그늘)을 피해가도록 신장시킨다. 원적색의 비율이 높으면 줄기 및 잎자루가 길게 자라고, 잎의 전개는 억제된다. 자외광 및 청색광과 같은 단파장의 빛은 안토시아닌의 합성을 유도하여 잎을 붉게 착색한다. 이러한 다양한 파장이 식물의 광응답에 관여하고 있다. 그 중에서도 청색광의 관여는 큰 부분을 차지하며, 적색광과 청색광을 적절한 비율로 조사하는 광환경은 광합성과 형태형성 간의 균형을 잡는 의미에서 중요하다. 그 밖의 광파장은 재배품종에 따라 선택하면 된다.

성분함량, 식미, 식감

광환경을 제어하면 안토시아닌과 같은 항산화성 성분의 제어가 가능하다. 또한, 식물 중의 다른 기능성 성분, 예를 들어 비타민A나 비타민C도 증가시킬 수 있다고 한다. 그러나 이러한 성분함량은 광환경 이외에 양액(養液)의 성분 및 농도, 온도 등의 영향도 크며, 광환경으로부터의 영향이 이러한 요인에 어떤 식으로 상호작용을 할 것인가에 대해서는 앞으로의 연구에 기대가 모아지고 있다. 한편, 광환경 제어는 줄기의 신장 및 잎의 전개에 영향을 미쳐 잎의 두께 및 줄기의 굵기 등을 변화시킬 수 있다. 이러한 변화들은 씹는 맛이나 식감에 크게 관여하게 된다. 또 광환경은 광합성 산물의 전류(轉流) 등에도 관계가 있으며, 안토시아닌이 쓴맛으로 느껴지기도 한다. 이러한 점에서 빛에 의해 식미(食味)와 식감을 어느 정도 제어할 수 있다는 사실이 확인됐다. 단, 이러한 점들은 빛 이외에도 환경인자의 영향을 강하게 받기 때문에 재배환경 전체에서의 제어를 고려할 필요가 있다.

적청교호조사(赤靑交互照射)에 의한 재배사례
여기서는 적색 LED와 청색 LED를 이용하여 이 두 LED를 교대로 반복 조사함으로써 리프레티스의 생육촉진을 이끌어 낸 ‘LED를 이용한 광환경 제어사례’를 소개한다.

식물로는 리프레티스(Lactuca sativa var. crispa, 적치마상추)를 사용하였으며, 조사조건으로는 적색 LED의 PPFD를 120µmol m^-2s^-1, 조사시간을 12시간으로 하고, 청색 LED의 PPFD를 40µmol m^-2s^-1, 조사시간을 12시간으로 하여 이들을 교대로 반복 조사했다(교호조사구: S). 대조구(對照區)로서 적색 LED와 청색 LED의 동시조사 및 형광등 조사를 실시했다. 동시조사구의 조건은 적색 LED의 PPFD를 90µmol m^-2 s^-1, 청색 LED의 PPFD를 30µmol m^-2s^-1, 조사시간을 16시간, 암기 8시간(RB16) 및 적색 LED의 PPFD를 60µmol m^-2 s^-1, 청색 LED의 PPFD를 20µmol m^-2s^-1, 조사시간을 24시간(RB24)으로 했다. 형광등구의 조건은 PPFD를 120µmol m^-2 s^-1, 조사시간을 16시간, 암기 8시간(FL16) 및 PPFD를 80µmol m^-2 s^-1, 조사시간을 24시간(FL24)으로 했다. 어느 조건도 모두 DLI는 6.9mol m^-2 day^-1로 동일하게 했다. 그 결과, 파종 후 32일째의 수확 시 형광등구, 동시조사구에 대해 교호조사구에서는 리프레티스의 뿌리를 제외한 상태 그대로의 무게인 지상부 생중량(fresh weight)이 상당히 크게 나왔다([그림 1], [그림 2] 참조). 이에 따라 지상부 생중량이 100g이 되었을 때 수확하기까지의 재배일수가 30% 단축되어 연간 재배횟수가 최대 42%까지 증가할 것으로 추산되었다. 이때 LED 조사구의 소비전력은 형광등구 대비 56%이고, 수확량 100g당 교호조사구의 소비전력은 형광등구의 28%로 시산되어 높은 소비전력 절감효과가 있다는 것을 시사했다.

주의해야 할 점

식물공장용 LED 조명은 각 회사에서 판매되고 있으며, 다양한 재배시험에 대한 연구사례 및 LED 램프의 스펙(사양) 자료가 공개되어 있다. 이러한 자료들을 확인할 시 주의해야 할 점들을 설명한다.식물재배에 필요한 스펙은 밝기(조도)가 아닌, 광합성 유효광량자량이다. 따라서 LED 램프의 스펙으로는 램프 고유치인 광합성 유효광량자속(PPF: 단위 µmol s^-1) 및 소비전력에서 구해지는 광합성 유효발광효율(단위 µmol J^-1)이 중요하다. 단, 광합성 유효발광효율은 램프의 파장조성에 기인하기 때문에 단순히 수치만 비교하지 말고 파장조성도 함께 비교할 필요가 있다. 또 실제 재배 시에는 재배면에서의 광합성 유효광량자속밀도(PPFD: 단위 µmol m^-2s^-1 및 조사시간에서 구해지는 일적산 광합성 유효광량자량(DLI: 단위 mol day^-1)이 중요하다. 단순히 고정광량의 램프를 여러 개 비교하는 경우가 있는데 DLI가 다를 때가 있어 주의가 필요하다. DLI가 같아도 암기(暗期)의 유무가 재배결과에 영향을 줄 수 있기 때문에 이 점에도 주의가 필요하다. 여기서도 마찬가지로 파장조성이 다를 경우의 영향을 고려해야 한다.