구 분 |
국 내 |
국 외 | |
유 럽 |
일 본 | ||
구조재료 |
보통유리 |
표준화 |
자외선, 열차단 피복재 |
인공광원 |
고효율 형광등 LED 초기단계 |
고압나트륨 램프 메탈할라이드 램프 |
고효율형광등 LED 광원 개발 |
조사방법 |
전면조사 |
근접, 간헐조명 |
근접, 간헐조명 |
냉난방 |
히트펌프 실용화 |
온수난방, 증발냉각 |
히트펌프 |
양액관리 |
EC, Ph제어 |
미량성분요소제어 |
미량성분요소제어 |
환경관리 |
개별제어 |
복합제어 |
원격 계층제어 |
이식작업 |
인력 |
반자동 |
로 봇 |
스페이싱 |
반자동화 |
자동화 |
자동화, 로봇 |
수확작업 |
인력 |
인력 |
자동화 |
생장제어 |
생장모델개발 초기 |
생육단계별 최적제어 |
생육단계별 최적제어 |
1. 환경관리 자동화
1) 온도제어
온도제어는 시설내부에 재배되는 작물에 따라 적절하게 제어해야 한다. 온도제어의 궁극적인 목적은 작물 재배환경을 최적화 하면서 냉난방부하 운영비를 최소화하는 것이다. 따라서 온도제어의 자동화는 필수적이며, 가능한 정밀 제어하여 경제적 부담을 줄여야 할 것이다.
난방 기술로는 현재 가장 많이 사용하는 온풍난방 기술이며, 공기를 직접 가열하여 난방하는 방법으로서 제어성이 우수하나. 에너지 절약과 환경오염 문제를 고려할 때 대체에너지를 활용하기 위한 연구가 되어야 한다. 열펌프 난방 기술은 흡수열의 종류에 따라 공기와 지하수로 구분하고, 열매체에 따라 온수와 온풍공급 열펌프로 구분한다. 최근에는 신재생에너지로 가장 각광받고 있는 지열은 매설방법에 따라 수평형과 수직형으로 구분된다.
2) 탄산가스제어
농작물은 수분을 제외하면 80~90%가 탄산가스의 화합물이다. 뿌리가 지중에서 흡수하는 질소, 인산, 칼륨으로 구성된 화합물 모두 합하여 10% 내외에 불과하다. 그러므로 모든 작물은 공기 중에 약 300ppm인 탄산가스를 원료로 하여 광합성에 의한 생산 활동을 하고 있다. 따라서 농업경쟁력을 제고하기 위하여 고품질 다수확을 위해서는 탄산가스 시비가 필요하게 되었고, 이를 제어하는 기술을 발달하게 되었다.
3) 광 환경제어
광은 작물의 주에너지원으로서 시설 내에서 여러 가지 기능을 담당하고 있다. 시설내의 광 환경제어는 광량, 광질, 일장으로 구분한다. 광량제어방법은 차광과 보광이 있다. 차광은 광의 일부를 차단하여 강한 일조와 광을 방지하여 작물 보호 및 품질을 향상시키기 위한 것이다. 반대로 일조량이 부족하여 작물의 광합성을 촉진하기 위하여 인공으로 조명하는 것이다. 보광용 광으로는 백열등, 형광등, 메탈할라이드 램프나 고압나트륨 램프가 주로 이용되고 있고, 최근에는 LED가 새로운 인공광원으로 주목 받고 있다.
4) 복합환경제어
선진국에서는 1965년도에 생산시설에 복합환경제어가 도입되었고, 일본은 1969년에 실시된 시설원예 에너지 절감 모델 단지 설치사업에서 도입되었다. 우리나라는 계절별 온습도가 심하게 차이나 고도의 기술을 요한다. 최근 시설재배가 각광 받으면서 온실의 복합환경제어의 필요성이 활발하게 논의되고 있다. 환경조건의 입력자료로서는 온도, 습도, 전기전도도, 산도, 및 탄산가스 농도를 입력하면 컴퓨터의 신호를 받아 천측장, 차광망, 송풍팬, 양액공급, 냉난방기 등이 자동으로 작동한다. 현재 우리나라에서도 복합환경제어 기술은 있으나, 제어 정도를 높이는 연구를 계속해야 할 것이다.
최근 연구되고 있는 복합환경제어 기술은 유선 RS485 통신을 통한 유선 센서 계측 대신 근거리 무선 통신 기술인 Zigbee를 이용한 무선 센서 네트워크를 구성하여 실시간으로 온․습도, CO2 등 환경과 천창 등 자동화기기를 실시간으로 모니터링하고 제어하는 스마트폰을 기반으로 한 유비쿼터스 통합제어시스템이다.
<환경제어시스템 구성도>
2. 양액관리 자동화
수경재배의 보급에서 시스템의 온도, EC, pH 및 용존산소농도 등 양액관리를 생력화하기 위해서는 자동화가 필요하다. 재배베드 바닥에 양액을 넣고 작물의 뿌리에 양액이 직접 닿도록 하는 담액형(Deep flow technique)과 암면포트로 양액을 공급하고 암면을 통하여 뿌리고 공급하는 박막형(Nutrient film technique) 재배시스템용 양액관리 자동화시스템과 암면경용 양액관리 자동화시스템이 있다. 최근에는 환경오염을 축소하기 위하여 양액을 재사용할 수 있는 폐양액 순환장치 등이 연구되고 있다.
3. 재배관리 자동화
1) 파종 및 육묘작업 자동화
파종공정은 상토 혼합과 충전, 상토진압, 관수가 있으며, 이 기계들은 조합하여 일관 자동 파종시스템을 구성한다. 자동파종 시스템은 플러그묘 대량생산 하기 위해 파종작업을 생력화 하는 장치이다. 육묘트레이 이송장치는 많은 양의 육묘트레이를 운반하여 다층 재배시스템에 탑재 및 하차하는 장치이다. 기술수준은 자동라인이 아닌 육묘장에서 트레이만 다수 운반하면서 발아실 탑재 겸용으로 전동지게차를 이용하고 있다. 관수장치는 저면관수장치와 두상관수장치로 구분한다. 저면관수장치는 양액을 육묘베드 바닥면으로 공급하는 것으로 급수, 배수 및 양액혼합장치로 이루어진다. 두상관수장치는 살수 균일도가 ±2% 이내로 모종의 생육을 일정하게 한다. 발아장치는 온도조절범위 15~35℃, 습도 80~98%를 유지할 수 있는 환경이 조성되어야 한다.
재배홈통 주간조절장치는 작물의 성장곡선과 재배홈통의 관계를 분석하여 성장일수에 따라 주간 간격을 달리하여 단위면적당 생산량을 향상시키는 장치이다. 즉, 어린묘일 때는 재배홈통의 주간간격을 좁히고 작물이 성장함에 따라 재배홈통의 주간간격을 넓히는 것이다.
<파종장치> <녹화기>
<이식로봇> <재배시설>
<주간간격조절장치(유묘)> <주간간격조절장치(성묘)>
3) 관수 자동화
식물체에서 물의 가장 중요한 생리작용은 광합성이며 뿌리로부터 물질 흡수와 이에 따른 체내의 이동, 물질의 합성과 분해 둥의 생리 반응작용은 물에 녹는 형태로 이루어지고 있다. 관수는 토양내 수분이 과다하거나 부족한 경우 인위적으로 최적상태로 조절하는 것이다.
4. 수확작업 자동화
수확작업은 노지에서나 시설재배에 상관없이 노동력이 많이 소요되고 자동화가 필요한 공정이다. 노지에서 적용하고 있는 수확기를 시설용으로 적용하기 위한 연구가 수행되어야 한다. 현재는 매일 수확을 하는 식물공장용 수확로봇이 연구되고 있고 대상 작물은 1회 수확이 되는 결구상추 이다.
5. 인공광원
농업에서의 광이용 분야는 식물공장, 배양생산, 동물사양관리, 농상물 가공처리 등이다. 식물공장에는 발아유도, 광합성 제어, 형태생성, 생장 및 분화, 결실 제어, 기능성물질 합성, 해충방제 등이 있고, 배양생산에는 세포바양, GMO 가능 유동 등이 있다.
LED는 형태에 따라 바 타입, 형광등 타입, 평판형, 스탠드형 등이 있으며, 광변환효율 유지와 수명단축방지를 위해 수냉식 또는 공랭식으로 냉각하는 기술을 개발하고 있다. 조명용으로 사용되는 LED는 공랭식으로 가능하지만 광량을 많이 요구되는 농업용으로 사용되는 광원은 수냉식 방법이 적합하다고 생각되며 이에 대한 충분한 연구가 필요하다.
재배작목의 생산 목적에 따른 광제어 사례는 식물공장에서 완전인공광으로 재배 할 때에는 상추 인삼 등은 310μ㏖/㎡s, 태양광․인공광 병용형 일 때에는 145μ㏖/㎡s이다. 아래 표는 한국 PARUS사의 사례를 나타내고 있다.
<바타입 LED> <패널형 LED>
<형광등타입 LED> <스탠드형 LED> <수냉식 LED>
<재배 목적에 따른 작목의 광제어 사례>
구 분 |
목 적 |
작 물 |
광량자속밀도 (μ㏖/㎡s) | |
식물공장 |
인공광 |
안정생산 |
상추, 인삼 등 |
310 |
태양광+인공광 |
안정생산 |
상추, 특용작물 등 |
145 | |
육묘공장 |
인공광 |
대량 안정생산 |
토마토 등 |
150 |
시설원예 |
전조재배 |
개화 제어 |
국화 |
0.5~1 |
|
|
딸기 |
0.2~0.8 | |
|
|
카네이션 |
0.5 | |
보광재배 |
안정생산 |
참나물 |
70 | |
|
착색 |
체리, 복숭아, 포도 |
30~250 | |
|
병해예방 |
딸기 등 |
150 | |
실내관상식물 |
보광재배 |
태양광+인공광 |
관엽식물, 화훼 등 |
70 |
* 자료출처 : PARUS社(한국)
우리나라에서의 인공광원에 대한 연구 초점은 에너지 절감과 작물의 생육환경 최적화 연구이다. 일본에서는 LED 등 새로운 광원을 이용하여 우주농업 연구, 에너지 절감, 기능성 물질 발현, 고출력 등에 대한 검정연구를 하고 있다.
石井․山崎(일본) 광질 제어에 의한 단일식물과 장일식물의 생육 및 개화 형성에 미치는 영향 연구에서 광의 색깔에 따른 식물의 종류를 분류하였다. 광 수용체가 분명한 청색광과 적색광에서 phytochrome가 개화반응에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
<식물 개화에 미치는 광질>
개화를 촉진하는 광질 |
식물의 종류 |
청색 |
나팔꽃, 대두, 벼, 코스모스, 사루비아, 금어초, 팬지, 장미, 담배, |
녹색 |
자소 |
황색 |
해바라기 |
적색 |
시금치, 도라지, 과꽃, 토마토 |
* 자료출처 : 식물공장과 조명기술(2009, 일본)
Ⅳ. 결론
식물공장은 미래농업을 준비하는 불가피한 농업 어젠다이며, 농업분야의 저탄소 신성장 동력산업이라고 본다. 농촌진흥청에서는 2004년도에 개발한 시설원예용 파종기, 발아기, 녹화기, 주간조절장치 등의 요소 기술과 빌딩형 식물공장 도입을 위하여 2009년부터 연구를 시작하고 있는 이식로봇, 수확로봇, 재배환경 원격 모니터링 및 제어기술 등의 자동화 기술 연구하고 있다. 2010년에는 그 동안 개발된 식물공장 자동화 요소 기술을 종합적인 시스템을 구성하는 수직형 식물생산공장 시스템을 파일럿 규모로 추진하고 있으며, 이는 한국형 식물공장의 모델이 될 것으로 기대한다.
일본은 식물공장 보급확대를 위하여 부처간(경제산업성, 농림수산성) 협력사업을 진취적으로 추진하고 있다. 정부보조금 제도 도입을 통해 활성화를 추진하고 있으며, 식물공장 시장이 2009년 95억엔에서 2020년 417억엔으로 성장할 것으로 전망하고 있으며, 보조금 제도(2009년 보조금 146억엔)를 통해 현재 50개 수준인 식물공장을 금후 3년간 150개소를 확대할 계획이다.
우리나라도 ‘10년부터 시작하는 「수직형 식물생산공장 모델 개발 사업」을 농진청이 주관하여 산학관연 협력 사업으로 확대 추진할 필요가 있다. 일본에서 식물공장 관련 전문가 육성, 국산자재 활용 확대, 저비용 식물공장 개발 등을 우선 과제로 추진하는 것과 같이 우리나라도 고효율․저비용 식물공장 자동화 기술 연구, 작물 재배기술 연구에 집중적으로 투자해야 할 것으로 사료된다.
식물공장 활성화는 농업발전과 더불어 전후방 산업 발달에도 긍정적으로 평가된다. 고효율에너지 소재산업, 환경 및 공정 제어산업, 식품바이오 산업 등의 발달에 긍정적인 영향을 미치게 될 것이다. 고효율에너지 소재산업으로는 작물재배에 3대 효소인 인공광원의 발전, 에너지 공급원으로 사용되는 태양광발전시스템, 지열히트펌프시스템 등과 같은 신재생에너지의 발전이 활발해 질 것이다. 작물생산 공정의 자동화·로봇응용산업, 재배실의 온습도, 일사량, 탄산가스 등의 환경제어기술이 발전될 것이다. 또한 식물공장은 단순히 생산량을 증대하기 위한 것이 아니라 재배하는 작물에서 영양성분, 기능성 성분이 발현되는 재배기술 개발에도 영향을 미칠 것이다.
이와 같이 식물공장은 어느 한 분야에 국한된 것이 아니라 시스템, 작물재배, 생리 등 다양한 분야와 얽혀져 있다고 볼 수 있다. 따라서 식물공장의 연구 발전 및 보급 활성화 효과를 높이기 위해서는 컨트롤 타워 역할을 할 수 있는 조직이 필요하고 이를 중심으로 로드맵을 만들어 전략적으로 준비하여 농업 선진국과 경쟁하여 미래의 신시장 선점을 위하여 공고투자의 의미로 접근해야 할 것이다.
참고문헌
1. 강희찬. 2009. 기후변화에 대응한 농업의 진화:식물공장. SERI보고서.
2. 김창길. 2008. 기후변화에 따른 농업부문 영향분석. 연구보고서. 한국농촌경제연구원
3. 김정호. 2010. 일본의 식물공장 동향과 시사점. 연구보고서. 한국농촌경제연구원
4. 송현갑 외 5인. 2005. 시설원예자동화. 문헌당
5. 福嶋邦彦. 2009. 植物工場とその照明技術.サイエンス&テクノロジ(株)
6. 西日本新聞 보도내용 정리(2009.4.19)
7. 植物工場の事例集. 2009. 日本 農林水産省∙經濟産業省
8. 日本 農林水産省 홈페이지. http://www.maff.go.jp
9. Dr. Dickson Despommier. 2009. Vertical Farm projects. Columbia Unversity.