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이것이 식물 공장 이다.

곰부리
2017.01.30. 21:30
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식물공장

1. 식물공장이란 무엇인가?

식물공장(Vertical Farm)이라는 개념은 1999년 미국의 딕슨 디스포미어(Dickson Despommir)교수에 의해 처음 제안된 개념으로, 미래의 인구증가에 따른 식물 생산량의 부족으로, 앞으로는 식물을 수평상태(노지재배)의 농사에서 벗어나 수직재배(Vertical Cultivation)해야 한다는 적극 대응방안에서 시작됐다.

그는 예를 들어 50층 식물공장을 지으면 그곳에서 생산되는 식물로 50,000명 분의 식물을 생산할 수 있게 된다는 구체적 안을 제시했는데, 식물을 다층(Multi-Layer)으로 재배하고 온도, 습도 등을 제어하고 최적의 양액공급, CO2 공급 등으로 수확량을 같은 재배면적 대비 10배 정도 더 많이 늘일수 있다고 했다.

다만 식물공장에서는 다층재배를 최대 잇점으로 하기 때문에 더는 자연광(태양광)을 사용할 수가 없게 되는데, 여기서 태양광을 대신할 인공광을 찾아내야 하는 문제가 있다

아직까지는 식물공장이라 함은

ㄱ. 1단계 - 자연광(태양광)을 이용한 단층 재배구조의 과학적이고 자동화된 식물재배 시설

ㄴ. 2단계 - 자연광과 인공광을 혼합한 형태의 단층 재배구조의 식물 생산성 증대 시설

ㄷ. 3단계 - 인공광만을 이용한 다층 식물 재배시설

의 3가지로 구분할 수 있다. 그러나 최종의 궁극적인 대량 식물 생산시설(식물공장)은 'ㄷ' 항의 인공광만을 이용한 다층 식물재배구조를 말하는 것으로, 완전 밀폐된 시설에서 외부의 자연환경에 영향을 받지 않고 농약은 일체 사용하지 않으며 온도, 습도, 양액, 탄산가스 등을 최적의 상태로 자동 조절하고 인공광만을 이용하는 설비를 말한다.

그런 식물공장의 구체적 연구, 실험은 일본에서 시작되었고, 일본에는 지금 이미 50~100개 정도의 식물공장이 있으나, 아직은 대부분 자연광(태양광)과 인공광을 함께 사용하는 단층 구조의 보광재배 형태이고, 다층형 식물공장에서는 인공광으로는 주로 형광등을 사용하고 있는 실정이다.

형광등은 광변환효율이 지금까지의 조명등 중에서는 가장 양호한 편이나. 근래와서 관심을 가지게 된 식물의 촉성재배용 광원으로는 LED 광원이 더 효율적이라는 것이 많은 시험을 통해 밝혀지고 있다.

다만, LED의 가격이 아직은 너무 비싸다는 결점이 있으나 추후 기술발전 추세에 따르면 가격은 급속히 인하되어가는 반면, 광변환효율은 더 개선되고 있으므로 곧 식물공장의 주된 광원으로 정착될 것으로 보인다.

LED광원의 또 다른 장점은 식물의 가장 광합성 효율이 높은 빛 파장대의 빛만을 모아 조사할 수도 있고 (예를 들어 660mm 파장대의 적색과 450mm 파장대의 빛을 혼합한 빛) 이런 적색과 청색 빛의 혼합 비율도 조절도 가능하며, 더 나아가 이 빛을 1초에 1,000~10,000회 까지 고속으로 ON/OFF 시킬수 있어 더 효율적이고 전기 에너지도 절약할 수 있는 길을 열게 됐다.

그러나 일본에서는 이미 7~8 년 전에 식물공장을 건립해 놓은 실정으로, 형광등 광원을 쉽게 LED로 교체하기도 어렵거니와 형광등만이 식물재배에 최적이라는 생각(형광등 신드롬)에 젖어 LED로의 기술적 전환 시기를 놓친 상태이다.

한편, 덴마크, 네덜란드와 같은 유럽지역에서는 온실 재배 기술이 매우 발달되어 있을 뿐만 아니라 모든 설치가 자동화 되어 있어 식물을 꼭 다층으로 재배해야 할 필요성이 절실하지 않아 식물공장(다층재배, 인공광 사용)쪽의 진입과 기술 발전이 늦어졌다.

그러나 최근 들어서는 일본과 유럽, 미국등이 식물공장에 깊은 관심을 가지고 있을 뿐만 아니라 적극적인 연구에 돌입해 있는 상태이다.

이 점에 있어서만은 다행이 한국은 이미 3~4년 전부터 식물공장과 그에 따른 최적의 인공조명 방법으로 LED에 관심을 가지고 연구해 온 덕분에 상당한 기술을 축적해온 실정이다.

뿐만 아니라 한국은 지난 2011년 10월 28일 김학용 국회의원(한나라당)의 발의로 국회에서 '도시농업의 육성 및 지원에 관한 법률안' 이 통과됐다.

이 법은 통과된 후 바로 정부에 이송되어 15일 이내 대통령이 공포하고, 특별한 규정이 없는 한 공포일로부터 20일이 경과함으로써 효력이 발생하므로 지난 2011년 11월 2일부터 효력이 발생했고, 만일 6개월 정도의 유보과정을 거치더라도 2012년 5월경에는 실무적인 시행에 들어간다.

이 법은 도시농업 육성과 지원을 위한 종합계획을 수립하고 도시농업농장을 개설하는 구체적 내용을 담고 있다.

그 중 '공영도시농업농장의 개설' 에서 지방자치단체의 장은 도시농업공간의 확보를 위하여 공유지 중 도시농업에 적합하다고 인정하는 토지에 공영도시 농업농장을 개설하여 도시농업인에게 제공하도록 되어 있다.

이 법의 구체적인 내용을 살펴보면

* 도시농업 육성 및 지원에 관한 종합계획 수립

* 도시농업위원회 구성

* 도시농업지원센터 설치

* 공영 및 민영 도시농업공장 설치

* 종합 정보 시스템 구축, 운영 등의 구체적 시행 시책을 담고 있다.

이러한 도시농업법의 제정과 시행은 늦은 감이 있으나 국내 식물공장 설립과 지원에 관한 구체적인 내용을 담고 있어 비로소 식물공장 시스템이 법적인 자리를 잡게 되는 계기가 됐다.

또한 각 지자체는 앞으로 ' 도시농업법의 활성화를 위한 조례와 시행세칙'을 마련해 적극적인 지원을 하게 될 전망이므로 이 기회를 이용해 식물공장 관련 기술발전과 경험을 살려 세계시장 진출에 나서야 할 것으로 본다.

2. 왜 식물공장인가

식물공장은 농업의 발달과정에서 보면, 노지재배에서 비닐하우스를 거쳐 외부의 환경조건에서 조금은 더 자유로운 유리온실로 진화했고, 기온, 습도 등을 더욱 완벽하게 제어하기 위해 외벽을 더 보강한 결과 이로 인해 해충과 바이러스의 침입을 막을 수 있게 된 농업용 건물에 지나지 않는다.

다만 이 과정에서 식물 재배상을 다층으로 무한히 증설할 수 있는 길이 열렸으나, 그 대신 태양광의 이용이 불가능하게 되므로 해서 인공광만을 사용하는 식물 재배 방법을 채택하게 됐고, 그 덕분에 해충, 바이러스 등의 외부 침입도 막을 수 있게 되어 완전 무농약 재배를 가능하게 한 것이다.

식물공장은 근래 들어 급변하는 기후의 변화에 대처하고, 사계절 전천후 농사가 가능하고 해충의 피해, 잔류농약과 중금속, 식중독균, 수퍼 박테리아의 감염을 막을 수 있는 유일한 농사방법이기도 하다.

심지어는 황사, 방사능 오염, 산성비 등을 막는 대책으로도 완벽한 농업방법이고, 농경지 면적, 물과 에너지를 제일 절약하는 농사방법이기도 하다. 식물공장에서는 노지재배 보다 농경지는 10분지 1 이하, 에너지 소모량과 인력, 물의 사용량도 기존의 농사 방법보다 10분지 1 이하로 줄일 수 있다.

물론 농약은 전혀 사용하지 않아도 된다.

우리나라에서의 현재 농약 사용량이 30 년 전보다 150 배가 된다는 것을 생각해 보면, 식물공장의 필요성은 더 절실하다.

뿐만 아니라, 식물공장에서 생산되는 식물은 요즈음 들어 흔히 말하는 '유기농 재배' 보다 더 안전한 식품 생산방법이기도 하다.

일반인들은 모두가 '유기농 농산물'이 안전한 농산물로 생각하고 있으나, 사실은 그렇지 않다.

아래는 2011년 7월 호 <농경과 원예> 지에서 발췌한 "농식품 안전, GAP가 정답이다' 기사중의 내용이다. (65페이지 중간부분 기사)

"지금까지 대부분의 소비자들은 안전한 농산물이라면 자연스럽게 유기농산물 생산제도를 포

함한 친환경농산물 생산제도 및 생산이력제 등으로 관리된 농산물을 생각하고 있다. 그러나 이

들 제도는 농약을 비롯한 화학적 위해요소 관리만 강조되었을 뿐, 중요한 식중독균을 포함한

생물학적 위해요인 관리가 제외되고 있어 사실상 안전한 농산물이라고 생각하기 어렵다.

이와 같이 생물학적 위해요소의 관리가 부족할 때 수퍼 박테리아와 같은 사건이 발생될 수도

있다"

참조 : GAP: 농수산물 우수관리제도: Good Agricultural Practices.

위의 인용문에서와 같이 유기농 재배는 농업의 완벽한 형태가 아니고

안전한 식물재배방법도 아니다.

유기농 재배란 땅의 힘을 유지하면서 가능한 한 자연 그대로 형태의 농사법을 말하는데, 여기에는 잔류농약과 잔류 중금속의 제거 방법이 없고, 무엇보다 식중독균이나 기생충, 수퍼 박테리아의 감염을 막는 시스템이 없다는 것이 치명적인 결함이다.

농지 전체를 소독하는 방법이 없고, 만일 소독한다면 이미 유기농이 아니기 때문이다.

식물공장은 건물의 외벽을 밀폐하고 수경재배방식(또는 토경재배일지라도 흙이나 인공배지를 사용하여 이를 쉽게 살균할 수 있음)을 채택하여 여기 공급되는 물과 양액만 살균하므로써 이런 복잡한 문제를 일거에 해결할 수 있게 된다.

이러한 이유들로 해서, 앞으로 10년 쯤 후엔 우리가 먹는 식물, 특히 채소는 50% 이상이 식물공장에서 공급되리라고 본다.

우리가 수돗물을 식수로 사용하지 않고, 그보다 500배나 비싼 생수를 식수로 마시듯이 말이다.

3. 식물공장의 기술적 현황과 전망

식물공장에서의 최대 이슈는 에너지 절감이다.

특히 식물공장에서는 인공광을 쓰므로 이 문제는 아주 중요하다.

누구든 전기를 마음껏 쓰면서 식물을 재배하기는 쉽다.

그러나 전기를 쓴다는 것 자체가 탄산가스 배출의 원인이 되고, 에너지 소모가 많다는 것은 그린 에너지 사업의 취지에도 어긋날 뿐만 아니라 경제적 효율성이 떨어지게 되므로 식물공장에서는 전기와 물의 사용량을 가능한 한 최대로 줄여야 한다.

또한 식물공장은 외부의 해충이나 바이러스의 침입을 막기 위해서라도 완전 밀폐형 건물이어야 하고, 단열설비가 완벽해야 실내 온도 조절에도 에너지의 소모가 적어진다.

이렇듯 완벽한 단열, 차폐를 통해 식물공장의 내부는 외부와 차단되므로써 농약을 일체 사용할 필요가 없게 되고, 온도 조절을 위한 에어컨, 난방설비의 절전화가 가능하고, 탄산가스의 양도 식물재배에 제일 적합한 800~1,200 ppm 으로 유지하고 습도 역시 60~70% 선을 쉽게 유지하도록 한다.

이와같이 식물공장 내부를 세균으로부터 차폐하기 위해서는 그 안을 출입하는 작업자 역시 출입시에는 가운과 모자, 마스크를 착용하고 에워사워룸(Air shower room)에서 공기세척을 하면서 동시에 신발 바닥을 소독용 매트가 깔려 있는 바닥에 문지른 후에 출입을 하도록 한다.

물론 식물공장 내부로 반입되는 물건 역시 자외선을 이용한 살균실을 거쳐 출입해야 한다.

식물공장에서는 근채류를 제외하고는 대부분 수경재배방식을 택하는데, 그 이유로는 양액(비료)의 공급이 용이하고, 또한 양액의 농도(EC)와 페하(pH:산의 농도)를 관측, 조절하기가 쉽기 때문이다.

뿐만 아니라, 살균이 쉽게 때문에 토양재배에서의 중금속 오염, 기생충의 감염을 쉽게 막을 수도 있다는 장점이 있다.

물론 포트(pot)를 이용하거나 트레이(tray)를 이용해 토경재배를 할 수도 있으나, 양액은 식물의 뿌리를 적시며 지나가게 되어 있어 그 형태는 동일하다.

4. 카스트 식물공장의 현황

(주)카스트친환경농업기술은 2008년 3월부터 식물공장 건립 프로젝트를 구상하여 식물의 촉성재배를 위한 조명, 양액설비, 재배상, 온도조절 방식 등의 연구를 거쳐 2010년 6월 구미시 구평동 117-4번지의 대지 210평 부지에 식물공장(연 면적 본건물 40평(132 제곱미터), 보조건물 18평(60 제곱미터), 건물 면적 합계 58평(192 제곱미터)의 식물공장을 착공하여 2010년 10월 27일 준공했다.

재배상은 1.2m*9m의 베드가 8층인 구조이며, 이런 구조가 4라인이 있어서 재배상의 총 합계는 32개이다.

이렇듯 32개의 재배상중 2개는 육묘장으로, 나머지 30개의 베드는 재배상으로 쓰인다.

이 식물공장에서는 1일 약 40kg의 채소(상추 기준)가 생산되고 있으며, 전체가 풀 가동되면 월간 전기료는 약 50만원이 나온다.

* 카스트식물공장의 내역

ㄱ. 위치 : 경북 구미시 구평동 117-4번지

ㄴ. 대지면적 : 693 제곱미터(210평)

ㄷ. 건물면적 : 본건물 132 제곱미터 (40평), 보조건물 60제곱미터(18평)

ㄹ. 식물재배상 면적 : 645.6제곱미터(105평)

ㅁ. 식물 재배방식 : 담액식 수경재배방식

ㅂ. 조명방식: LED 방식(Pulse 방식, duty time 가변 방식, Red(660nm), Blue(450nm) 혼합비율

조절 방식

ㅅ. 사용계약전력 : 농업용 병, 계약전력 : 40kW

ㅇ. 생산품목 : 상추, 청경채, 치커리 등의 엽채류

ㅈ. 근무인원 : 2.5명, 정규직 2명 연구직 1명

ㅊ. 생산량 : 월 약 1,200kg(1일 약 40kg)

ㅋ. 인증 : 무농약 인증, 친환경농산물 인증

ㅌ. 채소 판매 방식 : 인터넷을 통한 택배 배송방식

ㅍ. 판매가격 : 100g 당 2,000원

ㅎ, 월 식물공장 전체 운영경비: 780,000 원(인건비 제외)

내역 a, 전기세: 540,000원

b, 수도세: 약 50,000원

c, 씨앗대금: 약 30,000원

d, 스티로폼(재배상) : 약 40,000원

e, 탄산가스 요금: 60,000원(20kg 짜리 4개)

f 스펀지(육묘상) : 30,000원

g, 양액: 30,000원

* 위에서와 같이, 월 1200kg 의 채소를 생산하는데 드는 월간 총 자재비(전기, 수도세 포함)는

780,000 원으로, 채소 1kg 을 생산하는데 드는 비용은 650원이 된다.

다만 이 금액에는 인건비가 포함되지 않은 것으로, 카스트 식물공장과 같은 규모에서는

관리인력은 2.5명이 적정한 것으로 보나, 포장, 판매, 배송 등에서는 따로 추가 인력이 있어야 하겠지만, 한 가족 단위위 영농방식으로는 적당할 것 같다는 생각이다.

5. 카스트 식물공장의 앞으로의 계획

a, 카스트는 앞으로 새싹 채소를 전문으로 재배하는 식물공장을 새로 건립하여 도시농업인과 농민에게 저가 실용적 식물공장의 표준을 제시하고 건립, 운용에 관한 기술을 전수하고자 부지를 물색중에 있다.

이 식물공장은 외부인의 방문, 관람이 용이한 곳에 대지 면적 660제곱미터(약 200평)의 부지에 264제곱미터(80평) 규모의 실용적인 표준 식물공장을 건립, 운용하면서 식물공장 사업에 관심이 있는 농민들을 참여시켜 함께 식물을 재배하고 체험하도록 하며, 이곳에서 생산되는 채소를 직접 소비자에게 판매할 계획이다.

b, 카스트는 아울러 LED 외에도 다른 더 효율적인 광원의 개발을 위해서도 현재 많은 연구를 진행중이며, 대형 식물공장 안에서의 과채류를 재배하기 위한 다른 시험도 진행중이다.

카스트는 이런 시험이 하나씩 완료되고 특허 등의 문제가 해결되면 그 기술을 공개하거나 카스트의 식물공장 시스템을 구입하는 고객에게 제공할 생각이다.

c, 카스트는 한편으로는 태양광 발전설비(Solar cell)를 식물공장의 전원으로 사용하는 방법에 대해서도 많은 연구를 하고 있다.

태양광 설비를 식물공장 전원으로 사용하기 위한 가장 효율적인 방법으로 LED 광원에 직접 연결하는 법, 가정용 전원과 태양광 전원의 자동 전환 방법등이 그 내용이다.

6. 식물공장의 국제적 위치

식물공장은 비록 처음에는 미국의 딕슨 교수에 의해 제창되었고, 약 7~8년 전부터 일본에서 첫 상업용 식물공장이 건립되기 시작했으나, 유럽은 근래에 와서 다층형 식물공장에 관심을 가지기 시작한 실정이다.

그러나 일본에서의 식물공장은 지금 이 시점에서도 형광등을 주 광원으로 사용하고 있다.

비록 식물의 광합성에 아주 유효한 청색 LED 가 처음 일본에서 발명되었다고 하더라도 그것이 광합성 촉진용 광원으로 사용되라라고는 생각을 못했었기 때문이다.

또한 일본에서는 비록 식물공장이라고는 하더라도 태양광을 병용하는 방법의 연구 개발에 치중해 왔기 때문에 기존의 농법인 단층형 식물 재배방식이 대부분이다.

뿐만 아니라, 세계적으로 식물공장의 연구, 건립은 아직 미개척 문야로, 연구할 과제와 실질적인 사업성에 있어서도 무한한 가능성을 포함하고 있다.

식물공장에서 생산된 채소는 완전 무농약 식품으로, 더 나아가 미래에는 모든 곡물을 포함한 식물들이 생산 가능하다.

물론 식물공장에서는 과채류, 근채류 등의 특정식품, 나아가 한약재 등의 특수 목적을 가진 식물도 생산하기가 쉽다.

식물공장에서는 이뿐만 아니라 기능성 식물의 재배도 가능해서 비타민C가 대량 함유된 상추, 임산부를 위한 철분과 셀레니움이 대량 함유된 미나리, 또는 특정 영양소가 함유되거나, 감기 예방을 위한 상추 등의 생산도 가능하고, 이에 대한 많은 연구도 진행되고 있다.

양액에서부터 기온, 습도, 광원의 밝기와 질을 조절함에 따라 식물은 함유성분이 달라지기 때문이다.

LED의 제조 기술은 반도체나 태양광 발전설비의 기본 셀(Cell)을 만드는 공정과 흡사해서, 한국, 일본, 대만이 앞서 있다.

한국은 세계적 반도체 강국이므로 당연히 LED 제조 기술도 언젠가는 세계를 제패할 것이며, 이를 이용한 기술, 특히 인공광을 이용한 식물의 촉성재배 방면에서의 기술도 동반 성장할 것으로 기대되는 만큼, 우리가 시의적절한 타이밍과 좀 더 적극적인 연구를 한다면, 식물공장에 관한 지식과 데이터를 축적할 수 있고, 세계적으로도 독보적인 위치를 차지할 수 있으리라고 본다.

6. 수출산업으로서의 전망

영국의 수도 런던은 북위 51도 선상에 위치해 있기 때문에 겨울철이면 태양의 양각이 15.5도 밖에 안되고 낮이 짧기 때문에 채소를 남아프리카 공화국에서 공수해 온다.

지구의 북반부에서 겨울이 되면 남반부쪽인 남아공은 여름철이고, 채소의 수확이 왕성해 가격이 싸기 때문이다.

다만 남아공에서 채소 1kg을 런던까지 공수해 오기 위해서는 항공기 연료를 소모하는데 드는 탄산가스 발생량이 430g이 된다.

그러나 앞으로는 이렇듯 비행기 연료의 소모에 따른 탄산가스 발생이 규제를 받게 되므로 채소 등의 장거리 운송이 불가능해지고 대도시 주변에서 채소 등의 식물을 자급해야 되는 실정이다.

지구 온난화를 막기 위한 조치이기 때문이다.

그리고 대도시 주변의 식물 생산 시스템으로는 식물공장이 가장 적합하다.

식물공장은 노지 재배에서 보다 대지면적, 투입 에너지, 물의 사용량, 인력소모가 10분지 1 이하로 줄일 수 있기 때문이다.

식물공장의 건설은 특히 북위 45도 이북의 추운 지방과 죽위 15도 이하의 적도 부근 열대지방에서 절대 필요한 시설이다.

예를 들어 북유럽 지역에서 북위 50도 이상의 지역만 해도 런던(51.31도), 스톡홀름(59.20도), 암스테르담(북위 52.24도), 브루셀(50.50도) 등으로 절대 필요한 지역이고, 모스크바, 베를린, 폴랜드의 바르샤바, 몽골의 울란바토르 등도 식물공장 절대 필요지역이 된다.

뿐만 아니라 북위 15도 이하의 열대지역, 싱가포르, 쿠알라룸프르, 사우디아라비아, 두바이 등에서도 식물공장의 필요성은 절대적이다.

다행이 한국은 반도체 강국으로 세계 제일의 LED 제조 기술을 가지고 있고, 식물공장에 관한 설비기술의 연구에서도 앞서 가고 있다

이렇듯 LED 를 이용한 식물의 재배기술, 빛의 혼합과 제어, 건설기술은 이미 많이 축적되어 있는 실정이므로 우리가 식물공장 시스템의 수출에 보다 적극적으로 관심과 노력을 기울인다면 우리는 앞으로 몇 년 내에 닥칠 세계 식물공장의 수요에 적극 대처할 수 있고, 나아가 조선, 전자제품과 반도체, 원자력 발전설비가 수출의 길을 걷듯, 더 나아가 식물공장 건설의 종주국으로 세계를 제패하게 되리라는 추측이다.

뿐만 아니라 국내에서는 가장 저렴하고 효율적인 갖가지 형태의 식물공장의 건립으로 농민들의 새로운 소득원을 찾아내는것이 목적이기도 하다.

식물공장은 에너지와 물을 획기적으로 절약하는 농사 방법이고 무엇보다 농약을 전혀 사용하지 않는 농법으로, 식량증산과 함께 앞으로 나아가야 할 새로운 농업의 미래이기도 하다.