식물공장과 LED 조명을 이용한 식물재배에 관한 과학적 고찰

[정원사]

식물공장과 LED 조명을 이용한 식물재배에 관한 과학적 고찰 ( 1 ) 작성자: ㈜ 카스트엔지니어링, ㈜ 카스트친환경농업기술 대표 박후원 1. 서론 근래 식물공장이란 말이 자주 등장하고 있다. 식물공장이란 말 그대로 식물을 공장에서 대량으로 생산한다는 말이다. 그럼 왜 식물을 이제 와서는 공장에서 키워야 하는 걸까. * 왜 식물공장이어야 하는가? 며칠 전, 스위스에서 온 토마스 마티라는 분 내외를 만난 일이 있다. 나는 우선 내가 제일 궁금해 하는 질문, 스위스에서는 겨울철에 어디서 야채를 공급받는지를 물어봤다. 스위스에서는 겨울철 채소를 주로 남부 스페인에서 공수해 온다고 한다. 영국의 수도 런던에서는 겨울철 싱싱한 채소를 남아프리카공화국(남아공)에서 공수해 온다고 한다. 아시다시피 런던은 북위 50도 선상에 위치해 있다. 그래서 겨울철엔 해가 수평선에서 16.5도 선상까지만 떠오르고, 일조시간도 하루 4~5시간 밖에 안된다 이 말은, 런던에서는 겨울철 야채를 자체 공급할 수가 없어 남부지방에서 공수해 와야 하는데, 남아공에서 런던까지 채소 1kg을 공수해 오는 데는 탄산가스가 430g이 발생한다. 런던 뿐만이 아니라, 북 유럽의 대부분의 도시, 예를 들어 한국의 대전은 북위 35도 선에 위치해 있는데 반해 베를린은 북위 52도, 스위스의 베른은 47도 선에, 스톡홀름 58도, 오슬로 60도, 헬싱키 62도, 바르샤바가 51도 선에 있다. 즉 대부분의 북유럽 대도시들은 겨울철 일조시간이 짧아 채소 재배가 어려운데, 앞으로는 채소를 비행기를 이용해 운반할 수가 없게 된다는 점이 문제다. 비행기 연료의 소모에 따른 탄산가스 배출이 규제를 받게 되기 때문이다. 다시 말해 유럽의 대도시를 비롯해 세계의 모든 대도시에서는 가까운 곳에서 채소를 재배하고 공급받아야 한다는 뜻이고, 이는 앞으로 엄청난 식물공장의 건립이 필요하게 된다는 뜻이다. 다행히 한국은 일본, 대만과 함께 LED 제조 기술이 뛰어나다. LED는 계속 발전해 나간다. 광 변환 효율은 증가하고, 가격은 낮아진다. LED는 반도체, 태양전지의 제조방식과 흡사해서 앞으로의 광 변환 효율이나 가격 면에서의 국제적 우위를 점해 나갈 수 있다. 그 위에 LED를 이용한 식물 재배의 기술, 빛의 혼합과 제어, 식물공장 운용 Software 기술만 갖춘다면 우리는 앞으로 몇 년 내에 닥칠 세계 식물공장 건립의 종주국으로 세계를 제패할 수 있게 되리라는 추측이다.. 그리고 그 수출액수는 엄청난 금액이어서 향후 10년 20년 후의 한국을 먹여 살릴 수 있게 되리라고 확신한다. 뿐만 아니라 가까이는 가장 저렴하고 효율적인 소형 식물공장의 건립으로 농민들의 새로운 소득원을 찾아내는 것이 목적이기도 하다. 식물공장은 물을 절약하고 인력과 에너지를 절약하고 무엇보다 농약을 전혀 사용하지 않아 친환경적이다. 다만 식물공장은 휘황한 조명이 비치는 농장 곁으로 깨끗한 산책로가 있어 어린애를 데리고 가족이 피크닉을 다니거나, 할 수는 없는 곳이다. 식물공장은 세균으로부터 격리되어야 하고, 에너지의 낭비를 막기 위해 두꺼운 단열재로 둘러 쌓인, 유리창 조차 없는 건물이다. 식물공장은 궁극적으로 얼마만큼의 전기 에너지를 투입해 얼마만큼의 식물을 수확할 수 있는가 하는 치열한 효율성 경쟁이 벌어지는 생산공장 현장일 뿐이다. 그렇듯 우리가 식물공장(식물촉성재배방법)에 관한 세계적 기술 우위를 차지하기 위해서는, 우리는 이에 관한 최소한 30,000점의 측정, 연구, 시험을 거친 자료를 축적하고 있어야 한다. 그 중 처음 10,000 점의 자료(data)는 단순히 측정, 시험만으로도 가능하고 시간도 그리 오래 걸리지 않는다. 그 후의 10,000 점의 기술자료는 예를 들어 식물의 종류에 따른 최적의 빛 혼합비율, 빛의 세기에 따른 가장 효율적인 비용절감의 공식 등을 찾아내는 길이다. 이에는 대략 100명의 연구원이 한 10년쯤을 투자하면 되리라고 본다. 그리고 다음의 더 어렵고 지루하고 세밀한 연구가 필요한 시험자료, 예를 들어 어떻게 하면 비타민의 함량을 더 증가시킬 수 있는 지와 해충에 대한 면역력 등 우리가 필요한대로 식물을 키울 수 있는 방법에 대한 연구에는 한 1,000명의 연구원이 10년쯤은 연구를 해야 하리라. 이제 우리 카스트(KAST)는, 그리고 우리 국내 연구진들은 겨우 처음 10,000점의 쉬운 측정, 시험 자료 중 한 1,000점의 데이터를 얻었다고 본다. * 왜 LED 이어야 하는가. 현재까지 인공광을 이용한 식물의 재배방법에는 형광등이 주로 사용되어 왔다. 형광등의 광변환 효율은 통칭 20% 정도라고 알려져 왔고, 다른 광원(예를 들어 백열등은 8%)에 비해 높은 편이기 때문이다. 그러나 LED의 광 변환효율은 대략 25~30%정도로, 형광등보다는 높아 같은 광량을 발산하면 형광등보다 열이 덜 난다. 실제 시험에서도, 형광등(18W)에서의 외부 접촉온도는 110℃ 였으나, LED(1W급 13개가 장착된 LED Bar)에서의 접촉온도는 35℃ 였다. 이 말은, LED 광원이 더 재배식물에 가까이 둘 수 있다는 이야기다. 빛의 세기는 광원과의 거리의 제곱에 반비례한다. 즉 광원과 식물 사이의 거리가 두 배 멀어지면 빛은 4 분지 1로 약해지는데, 형광등은 열이 많이 나므로 재배식물에서 어느 정도의 거리를 띄워 높은 곳에 설치해야 하는데, 이 때문에 그만큼 빛이 약해질 수 밖에 없다는 결론이 된다. 인공 광에 의한 식물재배에서는 한 다발의 빛도 아껴 사용해야 하므로, 여기서는 큰 문제가 된다. 카스트가 시행한 직접 재배시험에서도 LED는 형광등을 이용한 비교시험에서 훨씬 우수함을 보여 주었다. (사진1)은 가로 세로 각 105cm, 50cm의 재배상 두 곳에, 한 곳에는 LED 만을 이용해 식물을 재배하는 장면이고, (사진2)는 이와 비교시험하기 위해 형광등만을 사용해 식물을 재배하는 사진이다.  (2010년 2월 4일 재배상에 정식한 후 3월 2일 촬영) 두 곳 모두 동일한 조건으로 각 재배상의 왼쪽에는 청경채, 가운데 적겨자, 오른쪽에 적치마상추를 각 3분지 1씩, 동일한 날 정식한 후 추적조사를 한 결과이다. 아래(사진1) 설명: LED조명만을 이용해 식물을 키우는 장면. 여기에서는 1W 급 LED 13개가 달린 LED 바(막대모양) 4개를 조명용으로 사용했으므로 총 LED 의 사용 갯수는 52개가 되고, 광원과 식물재배상의 바닥까지의 거리는 30cm 이다. 그리고 여기서 소모되는 전력량은 전원회로의 손실 약 30% 를 포함, 약 70W 였다.   아래 (사진2)형광등만으로 채소를 키우는 장면. 여기에는 37W 급 형광등 2개가 사용되고 있고, 여기 소비되는 전력은 85W 이다. 사진에서 보듯 성장속도도 (사진1)에 비해 느리고, 웃자란 모습이 보인다. 특히 오른쪽 부분의 적치마상추가 붉은 색을 띄지 않고 초록색으로 그대로 있어 힘이 없어 보인다. 여기서 LED 재배상에서의 소모전력은 형광등 쪽에 비해 의 82% 로 적으나 성장상태는 눈으로 봐도 훨씬 우세함을 알 수 있다.   한편 다른 곳에서의 비교시험결과도 형광등보다는 LED가 우수함을 보여주었다. 이 시험에서 사용된 상추씨앗은 2010년 3월 3일 파종한 후 3월 18일 재배상에 정식한 것으로, 사진은 4월 5일 촬영한 것이다. 아래 (사진 3)의 설명: 가로 세로 각 25cm, 45cm 의 재배상(Bed) 에서의 LED와 형광등의 비교시험결과. (사진3)은 LED만으로 식물을 재배하는 모습. 여기 사용된 식물은 적치마상추로, (사진3)은 LED로, (사진4)는 형광등만으로 식물을 시험재배하는 모습이다. (사진3)에서는 LED 7개가 직렬로 이어진 바 2개가 사용되어 LED가 모두 14개 사용되었고, 여기서 소모되는 전력량은 전원부의 손실을 포함, 24W 이다. 한편 (사진4)에서는 18W 형광등 2개가 사용되었고, 전력소모량은 41W 이었다. 즉 형광등을 사용하는 경우가 전력소모량으로 볼 때, LED 를 사용한 곳보다 1.7배 많았 으나, 상추의 성장상태는 LED 쪽이 더 우세했다. 이 시험에서 비교시험군 두 곳에서의 각기 빛의 조사량은 다음과 같다.       측정 위치:                          C              X              Y               Z    A, LED 시험:     μmolm-2s-1     84.4          46.35        53.05        32.11                              lx             2267          1256        1430.5       1183     B, 형광등 시험: μmolm-2s-1   110.66         59.02        79.72        49.04                            lx               7880            5426         4253         3219 여기서 C는 재배상의 중심점을, X는 가로쪽으로 재배상의 끝부분, Y 는 재배상의 세로쪽 끝부분을, Z 는 재배상의 대각선 쪽 끝부분을 가리킨다. 각기의 수치는 그 지점에서의 빛의 밝기 μmolm-2s-1 (PPFD의 단위. Photosynthetic Photon Flux Density 로, 광합성용 광양자속 밀도를 의미함) 과 lx( Photometry 의 단위, 인간의 시각감도에 의한 밝기를 나타내는 단위) 인데, 이 수치에서 보듯 모두 형광등 쪽이 빛의 강도는 더 세나, 성장은 LED 쪽이 더 우세하다. 즉, 식물은 빛의 밝기에만 의존해서 자라는 것은 아니라는 것을 이 시험에서 알 수 있다. 왜 그런걸까? 위의 두 재배상의 차이점을 알아보기 위해 2010년 4월 6일, 그동안 성장해온 상추의 무게를 달아 보았다. 물론 이것은 상추의 뿌리까지를 포함한 무게로, LED 재배상의 무게는 292g 이었고 형광등 재배쪽은 270g 으로, 약간의 차이이긴 하나 LED 쪽의 상추 생채중이 더 많았다. 이것으로 보아, 형광등에서 발산되는 빛 스팩트럼에는 식물이 자라는 데 그다지 도움이 되지 않는, 즉 식물이 반사해 버리거나, 광합성에 이용하지 않는 빛이 포함되어 있다는 뜻이다.   위(사진3) LED 만으로 상추를 키우는 장면. 아래(사진4)의 설명. 형광등만으로 상추를 키우는 장면.   2. 빛의 스팩트럼. 빛에는 여러 가지 색이 있다. 그리고 우리가 잘 알고 있듯 흰 빛에는 여러 가지 색의 빛이 섞여 있다. 즉 여러 가지 색, 예를 들어 빨간색, 파란색, 초록색, 노란색을 섞어 놓으면 우리의 눈에는 흰색으로 보인다. 그러나 빛의 색은 원래 각기 분리되어 있는 것이고, 각각의 빛깔의 색은 각기 다른 일을 한다. 즉 붉은색이거나 적외선(Infra Red)은 열 작용을 하고, 파란색 빛이나 자외선(Ultra Violet)은 화학적 작용을 주로 한다. 그리고 대부분의 식물은 초록색 빛을 싫어해서 반사해 버린다. 즉 식물의 성장에는 초록색이 아무런 도움이 안되므로 반사해 버리게 되는데, 그래서 식물은 초록색으로 보이게 된다. 그러나 엄밀한 의미에서는 초록색도 식물의 성장에 특이한 영향을 준다. 아래(사진5)설명. 햇빛의 스팩트럼. 햇빛은 흰 색으로 보이나, 사진에서와 같이 자외선(왼쪽 의 파란색 쪽으로 400nm(빛의 파장의 길이를 나타냄: 400nm 란 그 빛의 파장이 10억 분지 400 m(미터)라는 뜻))을 벗어나 더 짧은 쪽의 빛을 자외선이라고 하는데, 햇빛에는 그림과 같이 자외선에서부터, 오른쪽으로 빛의 파장이 700nm 를 넘는 적외선 까지를 두루 포함하고 있다. 그 중에서도 파장이 400nm 보다 크고, 700nm 보다는 짧은 가운데 영역을 가시광선이라고 하며, 그 속에 적색부터 보라색까지가 포함되어 있고, 460~480nm 대의 빛(진초록)부근에 가장 강한 피크를 이루고 있음을 알 수 있다. 이 그림의 그래프는 2010년 4월 6일, 오후 4시경 경북 구미지역, 흐린 날 햇빛이 반쯤 드는 곳에서 수집한 햇빛 스팩트럼으로, 햇빛은 이렇듯 넓은 주파수대의 빛과 복잡한 분포를 가지고 있다.   위(사진6)설명. 백열등에서 발산되는 빛의 스팩트럼. 이 빛은 60W 백열전등을 켜 놓은 후 약 1m 밖에서 잡은 빛 스팩트럼이다. 그래프에서와 같이 730nm 파장대(근적외선)의 빛이 가장 세고, 가시광선대에서는 빛의 파장이 짧을수록(파란색으로 갈수록) 그 세기가 약해지는 것을 볼 수 있다. 그러나 백열등에서도 그래프의 왼쪽 끝에서와 같이 미약하나마 자외선도 방출되고 있음을 알 수 있다. 즉 아래 (사진7)에서 보듯 형광등에서 발산되는 빛 파장에는, 초록색, 노란색 등과 같이, 식물에서는 탄소동화작용에 필요하지 않는 색이 섞여 있다는 뜻이 된다. 이렇듯 식물은 태양에서, 또는 형광등이나 백열등에서 비치는 모든 빛을 푸짐하게 식탁에 차려 주어도 광합성에는 자신이 선호하는 빛깔만 골라 섭취한다. LED는 이런 점에서, 식물이 좋아하는 빛을 쉽게 조합해 낼 수 있어 식물재배에 필요한 빛을 만들어 내는데 가장 유리하고 이 점이 다른 어떤 광원보다 좋은 이점이 된다.   위(사진7)의 설명. 형광등에서 방사되고 있는 빛의 스팩트럼. 이른바 3파장 형광등이란 말과 같이, 3가지 빛의 피크(440nm 대의 파란색과 550nm 대의 초록색, 620nm 대의 적색)가 있고 전체적으로는 파장대별로 매우 불규칙한 세기의 빛 스팩트럼을 포함하고 있다. 식물은 위의 세가지 빛 중 어느 것 아래서도 빛의 세기만 어느 정도 이상이 되면 성장을 한다. 물론 적색광만으로도 식물은 자라고, 청색광만으로도 식물이 성장할 수는 있다. 그러나 어떤 빛이 식물의 성장에 가장 효율적인가 하는 점은, 태양광이 아닌 인공광으로 식물을 재배하고자 할 때는 아주 중요한 문제가 된다. 태양광은 너무 세어 비록 비효율적으로 낭비가 되더라도 식물이 성장을 잘 하나, 인공광을 만들어야 하는 입장에서는 그 효율이 바로 생산비가 되기 때문이다.   위(사진 8) 의 설명. 식물이 가장 잘 성장하는 것으로 알려진 빛의 스팩트럼. 식물은 660nm 파장대의 적색과 450nm 파장대의 청색에서 가장 잘 자란다고 알려져 있다. 이것은 식물재배에서는 이미 잘 알려져 있는 정설이다. 그뿐이 아니라, 어떤 연구에서는 적색(Red)대 청색(Bue)의 비율(빛의 세기)가 5:1 일때, 10:1 일때, 또는 88%대 12%의 비율로 섞여 있을 때, 또는 20:1 로 혼합했을 때 식물이 가장 잘 자란다는 연구 결과도 많이 발표되어 있다. (사진8) 에서의 그래프는 1W 짜리 660nm 파장대의 적색 LED 4개와 450nm 파장대의 청색 LED 1 개를 섞어 점등시켜 얻은 스팩트럼이다. 그래프에서는 적색 빛의 세기가 10일때 청색이 3으로, 그 빛의 세기가 적색대 청색 10: 3으로 섞여있는 셈인데, 여기서 청색의 비율을 좀 낮춰 적색대 청색의 비율을 8 : 1 정도로 해야 한다. 이 그래프에서는 660nm 대의 적색과 450nm 대의 청색 빛 외에는 다른 아무 색도 포함되어 있지 않아 말 그대로 2가지 색 만의 순수색혼합이 되어있는 셈이다. 그러나, 실제로는, KAST 의 시험에서는 꼭 이 두 가지 색깔의 빛만으로는 식물이 그리 만족스럽게 성장하지는 않는다는 결론을 얻었다. 왠가 겉자라고, 빛깔이 강하지 않고 힘이 없어 보이는 게 대부분이었으니까. 물론 빛의 세기만 강하면 이런 빛의 색갈별 분포는 어느 정도 보상이 되긴 하겠지만. 아래(사진9)설명. KAST 가 만들어낸 가장 이상적인 식물성장 빛 스팩트럼. 아래 그래프는 KAST 가 여러번의 시험을 거쳐 얻은, 가장 이상적인 식물성장을 위한 빛 스팩트럼이다. 물론 이 스팩트럼은 엽채류의 식물을 키우는 목적에서만은 확실히 이상적이라고 말할 수 있을 만큼 많은 시험을 거쳐 얻은 스팩트럼이기 때문이다. 여기에는 적색과 청색 외에 백색, 주황색 빛을 섞어 얻은 것이다. 즉 적색과 청색이 주를 이루는 스팩트럼 중에도 주황색, 황색, 녹색이 조금이나마 포함되어 있고, 청색의 분포도도 덜 날카롭다. 식물은 어찌됐건 30억년쯤 태양광 아래 성장해 오고 발달해 왔다고 한다면, 인공광 역시 태양광 에서의 특성은 그대로 지니고 있어야 할 것이라는 추정에서 이런 결론을 얻는다. 위(사진 10) 위의 빛의 혼합에 다시 초록색 LED(530nm 파장대)를 조금 섞은 빛의 스팩트럼. 그래프의 530nm 파장대에 작은 피크가 있는 것이 보인다. 식물은 원래 초록색을 싫어해서 반사하므로 초록색으로 보이는 것이 사실이나, 이 그래프에서처럼 초록색 빛을 약간 섞은 빛에서 어떤 식물은 더 잘 자라기도 한다. 이렇듯 식물의 성장은 빛에 아주 민감하고 어떤 일률적인 추리를 거부한 채 제멋대로 자라기도 한다. 식물의 이런 조그만 변화나 민감성에 대한 모든 부분의 연구가 앞으로의 과제이기도 하다.