식물공장 ( Plant Factory. Vertical Farm )의 실제

1. 서론

국내 최초의 식물공장을 착공했습니다.

저희 (주) 카스트 엔지니어링은 그동안 연구해온 농업문야의 전자기술과 LED 응용기술을 이용해서 국내 최초의 식물공장을 짓게 되었습니다.

저희는 지난 11월 20일 구미시청으로부터 < KAST 식물재배사 >라는 건축허가를 받고 12월 20일 착공을 했습니다. 식물재배사라는 명칭은 아직 국내의 선례가 없어서 편의로 붙인 이름이며 실제로는 국내 최초의 식물공장입니다.

< KAST 카스트의 식물공장 >은 상용화를 실현시키기 위한 국내 최초의 실속형 식물공장으로서 그 제원과 구조물의 형태, 그리고 효율적인 LED 이용방법 등을 모두 공개하겠습니다.

그 전에 제가 이런 글을 쓰게 되기까지 도움을 주신 분들께 감사드릴 기회를 갖고자 합니다.

먼저 2009년 8월 저를 초대해 주시고 삼일동안 오직 저를 위해서 아침부터 늦은 밤까지 직접 장거리 운전을 해주시고 여러 농업시설을 견학시켜 주신 분, 일본 사이타마현 미사토시에서 대규모 수경농장인< 오오꾸마 원예 >를 운영하시는  오오꾸마 사장님께 무한한 감사를 드립니다.

그리고 2009년 11월 24일부터 29일까지 저에게 일본 연수라는 행운을 주신 경북도청의 FTA 농축산 대책과의 나 영강 계장님께, 내실 있는 연수를 위해 애써 주신 역시 같은 과의 제갈 승님께 깊이 감사드립니다.

그리고 연수를 통해서 뵙게 된 높은 지식과 오랜 경륜을 지니신 두 분 교수님, 경북대학교의 이 기명 교수님 ( 농학 박사 )과 대구대학교의 전 하준 교수님 ( 농학박사 )께 감사드립니다.

또 한 분, 오래 전부터 LED를 연구하시고 저희 업체와 LED 공동연구 개발에 관한 MOU를 맺은 경북 농업기술원 성주 과채류시험장의 최 성용 장장님 ( 농학박사 )께 깊은 감사를 드립니다.

제가 이분들을 뵙지 못했다면 이런 글을 쓸 수 없었을 것입니다.

그토록 생소하게만 느껴지던 식물공장이라는 단어가 어느새 많은 사람에게 친숙해 져 있습니다.. 그 기능이나 목적, 그리고 생산방식이 공장이라는 이름을 붙일 수 밖에 없었다고  하겠으나, 이제 공장식의 농장은 여러 조건과 자연환경, 그리고  변화해 가는 상거래의 형태, 특히 일상화된 택배의 활용도 등을 볼 때 필연적인 해답이라고 하겠습니다.

식물공장은 넓은 땅과 많은 물이 필요 없으므로 도시에 건축이 가능할 뿐 아니라, 예상치 못한 기후의 변화와 계절에 구애받지 않고 자연광에 의존하는 농장보다 더욱 빠른 시간에 깨끗하고 신선하며, 균일한 고품질의 식물을 대량으로 생산합니다.

또한 외부와 밀폐되어 있어서 해충의 피해가 없으므로 농약에 따른 불안도 없는 안전한 제품을 복잡한 유통과정이나 그에 따른 시간적 손실 없이 적은 물류비용으로 신속하게 공급할 수 있다는 점에서 까다로워지는 소비자의 요구에 대응하는 최선의 방법이기 때문입니다.

최근에 더욱 식물공장의 가능성을 높여준 것은 햇빛을 대신하는, 식물성장에 필요한 특정파장의 빛을 임의로 선택할 수 있게 해 준 LED 생산기술의 발전과, 이를 식물재배에 적용시켜서 여러 성공적인 시험결과를 얻어낸 농업 전문인의 노력 덕분이라 하겠습니다. 

그러나 식물공장의 상용화가 그렇게 쉬운 것은 아닙니다. 지금까지 사용되던 인공광은 태양광과 같은 효과를 기대했을 때 소모되는 전력에 비해서 효율이 너무 떨어졌으나, LED는 전력소모도 적고 또 그만큼 발열도 적어서 편리하나 가격이 너무 비싸다는 한 가지 단점을 가지고 있습니다.

햇빛이 전혀 없는 곳에서도 식물을 성장시킬 수 있는 유리한 조건임에도 아직 상용화되고 있는 식물공장이 없다는 것은 그 첫째 이유가 과다한 시설비 부담 때문입니다. 

다행히도 많은 농업전문인의 연구결과에 의하면 LED는 이용방법에 따라 자연광보다 식물의 성장기간을 훨씬 단축시켜 준다는 것이 알려졌습니다.

 물론 24시간 점등이 가능하므로 성장이 빨라지는 것은 당연하겠지만 그런 효과에 덧붙여서 LED를 조명등처럼 단순점등으로 사용할 것이 아니고, 식물성장에 절대 필요한 몇 가지 파형의 빛을 효과적으로 혼합해 주고, 발광시간도 아주 짧은 시간에 반복적으로 점멸시켜 주면 식물성장은 더욱 빨라진다는 것입니다.

만일 아주 쉽고 간단하게 몇 가지 LED의 빛을 가장 효과적인 비율로 혼합해 주는 방법이 가능하고, 임의의 점멸시간 조종이 가능하다면 식물성장을 촉진시키는 것은 물론 또 하나의 엄청난 장점을 가지게 됩니다.

점등과 소등시간의 반복은 그 비율을 1:1로 설정한다고 해도 LED의 전력소모를 정확하게 반으로 줄여 주는 결과가 됩니다.

아무리 전력소모가 적은 LED라고 할지라도 식물공장에서처럼 수 만개 씩 사용하게 되면 소비되는 전력을 무시할 수 없게 됩니다.

그 전력을 반으로 줄이기 위한 LED의 순간 점멸방법, 다시 말해서 100 마이크로 초 단위까지 세밀하게 나누어서 가장 효과적인 시간에 맞게 점멸을 조종하는 방법은 전자기술의 도움으로 해결이 가능합니다.

앞으로의 모든 식물공장은 반드시 이 방법을 채택해야 합니다. 식물의 성장촉진과 에너지 절감의 이중효과로 식물공장의 수익성을 높여 줄 것이기 때문입니다. 농업분야에서 LED의 이용방법이 농업전문인의 연구와 노력에 따른 성과라면, 앞으로의 LED의 효율적인 이용에 관해서는 전자기술과의 접목이 필요합니다.

이런 기술이 적용되면 식물공장은 초기의 과다한 시설비를 감안해도 전력소비 절감효과로 운영비 등의 부담이 훨씬 덜어진다고 하겠습니다. 

위에 지적한 것 외에도 LED 바( Bar )의 제조방법 개선과, 식물공장 내부 구조의 실용적인 제작으로 시설비를 절감하는 몇 가지 방법이 있습니다.

이제부터 이 모든 방법을 구체적으로 제시해서 식물공장 상용화의 가능성을 보여 드리겠습니다.

지금까지는  농업분야에서, LED를 연구하는 전자분야에서 식물공장에 관한 많은 연구와 업적이 있었음에도, 정작 식물공장의 구조는 어떤 형태가 되어야 하며, LED는 어떤 것을 어떻게 써야 하는지, 다시 말해서 어떤 파장의 LED를 어떤 비율로  써야하며, 출력 몇 W 짜리 LED 몇 개를 어떤 조명방법으로 사용해야 하는지, 수익을 창출하는 실제의 식물공장을 구체적으로 밝혀 주는 예는 없었습니다.

그런 실정이다 보니까 몇 몇 업체에서는 식물공장에 관해서 정확하지 않은 과장된 수치나 막연히 너무 밝은 전망을 제시해서 관심 있는 사람들과 농민의 판단을 흐리고 있다는 느낌을 받아 왔습니다.

 

또한 LED에 관해서는 재배면적 대비, LED의 숫자라든가 출력이 식물공장과는 전혀 맞지 않는, 단지 전시용이라고 할 수 밖에 없는 모형만으로 마치 미래에 실현될 실제의 식물공장처럼 홍보하는 경우가 대부분이었습니다. 

이제 식물공장의 실제와 효율적인 LED의 이용방법을 구체적으로 제시하겠습니다.

2. 건물

당연히 식물공장은 식물을 전문적으로 생산하기에 적합해야 합니다.

사실 식물공장은 막연히 어떤 거창하고 멋진 빌딩일 것이라고 상상하는 모습과는 다릅니다. 다른 목적이나 용도를 위해서 부대시설이 필요한 경우가 아니라면 사무실 같은 고급건물과는 모습이 매우 다르기 때문입니다. 물론 이미 지어진 빌딩 내에서 식물공장을 설치하는 것은 얼마든지 가능합니다.

어떤 경우이든 식물공장의 가장 확실한 목표는 실제로 키운 식물을 판매해서 수익을 창출하는 것입니다.

LED, 또는 형광등을 이용해서 식물을 키울 수 있다는 것을 보여 주기 위한 단계의 시험용이나, 지금까지 보아온 것처럼 화려하게 꾸며 놓은 전시용과는 다릅니다. 실질적인 시설만 갖추어야 한다는 현실을 잊어서는 안 됩니다.

이제부터는 ( 주 ) 카스트 엔지니어링이 짓고 있는 실제의 모델을 예로 설명하겠습니다. 

< 사진 1 >

식물공장 내부 구조의 정면도입니다.

< 사진 2 >

식물공장 내부 구조의 평면도입니다

우선 저희가 허가 받은 식물공장의 규모는 132 평방미터입니다. 평수로는 40평에 불과한 작은 규모이나 국내 최초의 실질적 식물공장을 시작한다는  점에서는 알맞다고 생각합니다.

식물공장의 외형은 조립식 패널로 짓습니다. 건물이 갖추어야 할 조건으로는 단열이 좋아서 냉  난방의 손실이 적어야 합니다.

그리고 외부와의 밀폐성이 보장되어야 합니다. 농약을 전혀 사용하지 않으므로 외부로부터의 세균침입을 철저히 예방하는 구조여야 합니다.

식물공장에서의 난방문제는 그다지 어려운 일이 아니므로 너무 크지 않은 적은 용량의 난방장치를 구비해도 됩니다. 

전력소모가 극히 적고 효율이 좋아서 다른 어떤 조명보다 발열도 적은 것은 사실이나 LED에서 발생하는 열이 어느 정도는 난방역할을 해주기 때문입니다.

그러나 냉방시설은 대용량이 필요합니다. 세균침입 등의 문제로 내부의 더워진 공기를 밖으로 배출하는 등의 환기가 불가능하기 때문에 내부에서 발생하는 모든 열기를 냉방으로 식혀야 합니다.

제가 본 일본의 한 식물공장에서는 형광등만으로 조명을 하는 약 550 평방미터 정도의 규모였음에도  300 kW 의 엄청난 전원설비를 확보하고, 실제로 조명용과  비슷한 양의 전력을 냉방용으로 사용하고 있었습니다.

물론 LED 조명 시스템을 사용하는 KAST의 식물공장은 조명용의 최대 소모전력은  9.6 kW로서 형광등 조명보다는 훨씬 적은 용량의 전력을 소모합니다.

3. 내부 구조물

건물규격 가로 8.8 m. 세로 15 m.

이 건물 내부에 4개의 식물재배 라인이 설치되고 각 라인마다 식물 재배상 ( Bed 라고도 합니다 ) 이 아래 위 8단으로 설치됩니다.

 라인 사이에는 통로가 있고 , 그러니까 각 라인과 라인 사이에, 그리고 라인 외곽에도 통로가 있으니까 통로는 5개가 됩니다. 폭 8.8 m에 4개의 라인을 설치하기 위해, 통로의 폭은 그다지 여유가 많지는 않습니다.

그렇게 해서 건물면적과 비교해서 3.2배인 426 평방미터의 재배면적을 확보했습니다. 더 큰 규모의 식물공장에서는 더 높은 비율의 재배면적이 가능합니다.

앞으로 설명하는 모든 내부 구조물과 시설의 설계도를 공개해서 설명을 쉽게 이해하도록 하겠습니다. 허가받은 식물공장의 설계도와 저희가 설계한 내부구조의  설계도를 첨부합니다.

식물공장은 수경재배를 기본으로 하고 있습니다. 왜냐면 다단으로 구성된 재배상의 아래층과  위층 사이의  좁은 공간에서 사실상 어떤 작업도 불가능합니다.

8단으로 구성된 식물재배상의 한 단(층) 사이의 높이는 각각 50 cm 간격입니다. 너무 낮다고 생각되겠으나 그 이상 높이기도 어렵습니다. 조명의 효율이 떨어진다는 점과 수확이 불편해 지기 때문입니다.

8단의 식물재배상의 전체 높이는 4 m 정도입니다. 제가 일본에서 본 구조는 견실해 보였으나 시설비가 많이 들 것으로 추정됐으며 제가 시험해 본 바로는 시중에 이미 판매되는, 도금이 되어 있는  C형강을 사용하면 가장 저렴하게 제작이 가능할 것으로 생각됩니다.

일반 철제로 제작하면 별도의 도금이나 도색을 해야 하는데, 가격도 많이 들고 큰 구조물을 옮기기 불편하기 때문입니다.

모든 구조물은 밖에서 만들어서 안에다 들여 놓고 조립하는 방식이어야 합니다.

폭 1.4 m. 길이 10.4 m의 재배상을 밖에서 만들어서 들여가기는 불가능합니다.

철제 골격이 완성되면 재배상을 조립합니다. 재배상은 좌측과 우측에 세울 벽과 바닥으로 사용할 단단한 3 cm 두께의 스티로폼을 미리 규격에 맞게 재단해서 한쪽 끝에서 밀어 넣는 방식으로 조립하고 그 위에 두꺼운 농업용 비닐을 깔아서 물(양액)이 새지 않도록 합니다. 이 방법이 재배상을 만드는 가장 저렴한 방법이라고 확신합니다.  

다음 8단의 재배상을 관리하기 위해서 각 라인의 사이에 확보된 통로를 이용합니다. 처음 재배상을 제작할 때와 양액이 새어 나오는지 등을 관찰하고 식물의 생육상태를 살피기 위해서 필요합니다.

재배상의 1단에서 4단까지는 지면에서 수확하고 5단부터는 8단까지 2층 통로에서 수확합니다. 그러기 위해서 모든 통로에는 지면 바닥에서  1.9 m 높이에 2층 통로를 만들어야 합니다.

재배상을 8단으로 하는 것은 1.9 m 높이에 2층 통로만 더  설치해도 관리나 수확이 가능하기 때문입니다. 물론  더 높은 층을 만들면 더 많은 재배면적이 생기겠지만 약 4 m의 높이에 또 하나의 통로( 3층 통로 )를 만들어야 하는 손실을 감수해야 합니다. 그리고 4 m의 높이는 작업자들에게 심적 부담이 될 수도 있으므로 되도록 피하는 것이 좋다고 생각합니다.

 

각 식물 재배상에는  육묘판이 투입되는 위치에 양액 공급파이프를 설치해야 합니다. 그러니까 모든 재배상에 수도꼭지처럼 설치합니다. 플라스틱 파이프로 만든 간단한 구조입니다만 가정의 싱크대를 연상하면 됩니다.

양액은 재배상을 흘러서 역시 반대쪽 끝부분에 설치된 양액 회수파이프로 흘러 들어갑니다.

양액을 공급할 때는 수도꼭지와 같은 방법이지만 양액을 회수하는 파이프는 재배상에 고정되도록  설치해야 합니다.

양액 회수용 파이프는 재배상의 바닥에서 2~3 cm쯤 위로 돌출되도록 합니다.

그 돌출된 높이만큼 양액이 재배상에 모인 다음부터 넘치는 양액은 돌출된 회수파이프로 흘러 들어 갑니다. 그러니까 양액의 높이는 그 돌출 파이프의 높이만큼 유지됩니다. 

각 재배상을 거쳐서 모아진 양액은 파이프를 통해 양액탱크로 들어가고 다시 양액 공급파이프를 통해서 각 재배상으로 순환 공급됩니다.

양액탱크에는 일정한 온도가 유지되도록 온도조절기를 설치해야 합니다.

그리고 양액이 항상 산소를 포함하고 있도록 하기 위해서 양액탱크에는 마치 수족관처럼 공기를 불어넣어 주어야 합니다. 그리고 실내에는 일반 자연 상태의 공기보다 탄산가스를  아주 조금 더 많이 ( 1000 ppm ) 유지하기 위해서 실내 탄산가스 감지센서를  부착해 놓고 이 센서에 의해 탄산가스 탱크에서 탄산가스가 분출하도록 해서 자동조절이 되도록 합니다.

그러므로 탄산가스 양의 자동조절에는 그다지 어려움이 없습니다.

 

< 식물공장의 실제 2로 이어집니다 >