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IT기술과 로봇 그리고 식물의 만남은 풍성하고 싱싱한 채소를 우리의 식탁에 올린다.

첨단 IT기술을 적용한 무균 식물공장은 새로운 농산업

검토 완료

이상우(tkddn)등록 2011.09.17 20:41
상추를 건물에서 생산하는 A씨는 컴퓨터로 오늘에 생산되는 상추의 생산량과 품질을 체크한다. 한달전에 주문 들어온 상추를 자동으로 수확과 포장하는 과정을 모니터링하면서 식당과 백화점으로 제대로 배송될 수 있도록 배송표가 작성 되었는지를 확인한다. 농장은 컴퓨터에 의해 식물이 가장 잘 자랄 수 있도록 환경을 자동으로 제어되고 로봇은 수확할 상추를 수확장으로 자동으로 옮긴다. 상추는 크린룸에서 채광기에서 채집된 자연광과 LED 인공광으로 탐스럽게 자라며 병원균도 식중독균도 없도록 안전하게 무농약으로 키워진다. A씨는 오전 확인 작업을 마치고 오후에 퇴근하여 사진기를 들고 산으로 여가 시간을 보내러 떠난다. 산에서도 스마트폰으로 농장의 상태를 점검한다. 이것은 먼 미래의 일이 아니다. 이러한 식물공장을 가능하게 하는 것은 우리나라에 발전된 첨단 IT기술과 농업기술이 결합되었기 때문이다.

식물공장은 IT․BT 등 첨단 기술을 접목한 새로운 산업

  사이보그란 생물 본래의 기관과 같은 기능을 조절하고 제어하는 기계 장치를 생물에 이식한 결합체인데 최근 시력을 잃은 분들을 위해 인공 망막을 만들어 흑백을 감지할 수 있도록 하는 기술이 개발되어 상용화가 멀지 않았다. 앞으로 의술의 발달로 사람은 로보캅처럼 진화될지도 모른다. 식물에 있어서도 이러한 스마트 자동화 장치와 바이오 기술을 결합 시켜 새로운 산업을 만들 수 있다. 인공지능을 가지고 있는 지능형 로봇장치가 식물체에 영양분을 공급해 주고 식물이 커감에 따라 식물체을 옮겨준다. 또한 식물이 가장 잘 자랄 수 있는 최적환경을 조절해 줄 수 있는 소프트웨어와 각종 제어장치 등이 결합하여 새로운 식물재배시스템을 구축할 수 있다. 또한 냉난방시설, 자동 장치와 컴퓨터를 작동시키는 에너지 원은 태양광 발전, 지열냉난방 등 신재생에너지를 이용하여 친환경적으로 관리가 가능하다. 이러한 식물공장의 전후방산업으로는 LED 조명, 태양전지, 태양광발전, 자연채광, 지열, 풍력, 2차전지, 지능형 로봇시스템, 실내환경감시, 전력에너지 관리, 무선통신, 영양이 강화된 식품, 바이오에너지산업 등의 산업을 기반으로 하여 새로운 산업으로 발전시킬 수 있어 식물공장의 산업적 중요성은 크다고 할 수 있다.

지구 환경보호를 위한 첨단농업인 식물공장

  농업은 우리가 필요로 하는 식물을 넓은 지역에 재배하여 필요한 식량과 채소 등 먹거리를 얻는 것을 말한다고 할 수 있다. 인구가 증가함에 따라 식량을 생산하기 위한 농경지의 면적이 증가 되어 왔으며 수확량을 증가시키기 위하여 화학비료로 많이 사용하게 되었다. 또한 단일 작물의 재배면적이 늘어남에 따라 이 식물을 기주로 하는 병해충 발생이 증가되었으며 이에 따라 병해충 방제를 위하여 농약을 개발하여 살포하게 되었다. 이러한 농약 살포는 대상 병해충 뿐만 아니라 먹이사슬 관계에 있는 다른 이로운 벌레나 미생물 등을 함께 죽이는 결과를 가져와 생태계에 심각한 영향을 미쳤다. 또한 인위적인 생태계의 변화는 결국 환경파괴라는 큰 문제에 귀결 될 수밖에 없다. 이러한 농업의 특성은 자연생태계에 인위적으로 우리가 원하는 식물을 대규모 면적에 재배함으로써 발생한다. 따라서 작물재배를 밀폐된 건물안에서 재배하면 병해충에 의한 피해를 막을 수 있고 농업생태계와 자연생태계와 단절시킬 수 있어서 자연환경을 보호하여 농약 등 농업에 사용되는 화학물질에 의한 생태계 파괴를 막을 수 있을 것이다. 결국 식물공장은 이러한 농업의 발달에 의해 나타나는 자연생태계 파괴를 막아 줄 수 있는 새로운 대안이라고 할 수 있다. 

이상기후의 해결사 식물공장

  최근 몇 년 사이 전 세계적으로 발생하고 있는 이상기후가 농업생산에 미치는 영향은 매우 심각하여 농업생산량이 급감하고 있고, 우리나라를 포함한 주변국을 보더라도 여름철에 온도가 높으면서 비가 오는 아열대성 기후로 변하면서 하우스는 물론이고 노지에서 생산하는 모든 작물의 수확량이 급격히 감소하여 농작물 확보 대란을 예고하고 있다. 따라서 이러한 악순환의 연결 고리를 끊고 소비자에게 안전한 농산물을 공급하고자 할 목적으로 수경재배를 이용하여 작물을 대량 생산할 목적으로 도입된 것이 식물공장이라고 할 수 있다.
식물공장은 시설내에 작물을 광, 온도, 습도, 이산화탄소 농도 및 배양액 등의 환경조건을 인공적으로 제어하여 계절이나 장소에 관계없이 환경제어 및 자동화를 통하여 공장생산과 동일하게 작물을 계획 생산할 수 있는 시스템이다. 식물공장은 기후변화에 대응하여 안정적 식물 공급, 식품 안전성에 대한 관심 증가, 농업인력의 감소 및 고령화 인력의 활용, 식물공장을 통한 생명공학 연구, 녹색도시 및 녹색기술과의 접목 및 식물공장 자체 플랜트 개발 및 수출 등 다양한 목적으로 개발이 시도되고 있으며 궁극적으로는 극한지에서의 식물재배, 의학용 GMO (Genetic Modified Organims)식물의 대량생산에 그 활용이 클 것으로 생각된다.  이러한 밀폐형 식물공장에서 공간활용을 극대화시킬 목적으로 다단식으로 식물을 재배를 하고 있는데 이 경우 인공광이 절대적으로 필요하게 된다. 식물체에 최적의 파장을 생산하고 열이 적게 발생하며 소형의 조명장치를 만들 수 있는 LED가 이러한 식물공장에 적합한 새로운 광원의 소재로써 이용되고 있다.

식물공장에 농산물은 안전한가?

  식물은 태양광이 있어야 광합성을 하여 자랄 수 있다. 빛은 식물체 잎의 엽록소에서 식물이 이산화탄소를 고정하여 탄수화물을 만들 수 있는 에너지원인 ATP와 NaDPH생산에 쓰인다. 따라서 자연광대신 인공광을 사용하여 식물을 재배할 경우 영향을 미치는 것은 ATP와 NaDPH 생산량에 영향을 미치는 것이지 식물에 유해한 성분을 흡수하게 하는 영향을 줄 수 없다. 인공광에서 생산된 상추를 비교해 보면 상추의 쓴맛은 줄어들고 단맛은 증가한다. 성분에서도 무기성분 함량은 크게 차이가 없으면서 비타민 함량은 식물공장에서 생산된 상추가 더 높다. 또한 미생물이 적은 크린룸에서 생산되기 때문에 식중독균과 같은 인체 유해한 미생물은 전혀 없으며 총세균수도 하우스 상추보다 100배 이상 적다. 이와 같이 식물공장에서 생산된 상추는 무농약 채소이고, 식중독균으로부터 안전하면서도 고품질이다. 따라서 누구든지 안심하게 먹을 수 있는 채소라고 할 수 있다. 특히 노약자, 유치원, 병원으로 공급할 수 있는 청정채소라 할 수 있다. 서울도심지에서 공기와 수질 오염으로 작물의 중금속 오염 등이 문제가 될 수 있다. 식물공장은 이러한 외부 환경을 차단하기 때문에 환경오염에 의해 발생하는 문제

식물공장은 수경재배가 기본이다.

식물은 N,P, K, Ca, Mg 등의 다량원소와 미량원소가 있어야 자랄 수 있다. 이러한 영양소를 물에 녹여 주면 식물은 뿌리로부터 영양분을 흡수하여 토양 없이 물에서 재배할 수 있는 것이다. 우리는 이러한 재배방법을 수경재배라고 한다. 식물공장은 이런 수경재배 방법을 이용하고 있다. 식물공장이 밀폐된 공간에서 식물을 재배하는 것은 외부로부터 병해충이 들어오는 것을 막기 위해서이다. 이러한 곳에 토양을 이용하게 되면 토양에서 식물의 병해충이 유입되어 또다시 농약을 치지 않으면 안된다. 수경재배를 하면 이러한 걱정거리를 덜 수 있는 것이다. 이러한 수경재배기술은 우리나라에서도 20년 이상의 기술과 노하우가 축적되어 있어 식물공장에서 안전하고 맛있는 채소를 재배하기 위한 충분한 조건을 갖추고 있다.

우리나라 식물공장시스템

일본의 식물공장은 형태를 구분할 때, 완전인공광형 34개소와 태양광인공광병행형 16개소로 하여 총 50개의 시설이 있으며 재배품목은 상추류나 샐러드용 채소가 주를 이루고 있다. 일본에서 식물공장 기술을 확보하여 건설하는 대표적인 회사에는 에스펙크믹크 주식회사, 주식회사 M식수경연구소, 카시마 건설 주식회사, QP 주식회사, JFE 라이프 주식회사, 주식회사 스프레드, 일본 아드반스트아그리 주식회사, 주식회사 페어리 엔젤, 마루베니 주식회사/주식회사 베르데, 미츠비시 화학 주식회사, 야채다업 연구소, ENZAN KOUBOU, Plant Factory Development Inc. 등의 업체가 있다. (주)미라이의 'Green Flavor' 식물공장은 파나소닉의 형광등을 채용하여 경쟁력을 확보, 도심 곳곳에서 점포를 개설하고, 점포 내 식물공장 시설에서 직접 재배한 야채류를 판매하고 있으며, 현재, 일본은 정부의 보조금제도를 도입 시장 활성화에 총력을 기울이고 있으며, 2009년 식물공장 시장이 95(약 1,225억원)억엔에서 2020년에는 417(약 5,468억원)억엔으로 성장할 전망이며, 이러한 성장에는 보조금제도가 가장 큰 원동력으로 작용하는 것으로 추정되고 있다.
  우리나라의 식물재배시스템은 이제 시작하는 초기 단계로서 시범적으로 식물공장이 운영되고 있다. 농촌진흥청은 4층 식물공장에 수평 이동형 식물재배 시스템을 설치하여 일반인에게 2011년 준공하여 공개하고 있으며, 남극 세종기지에 설치한 컨테이너형 식물공장을 제품화한 업체는 (주)파루, (주)와이즈산전 등이 있다. 인성테크는 용인시 죽전에 태양빛을 전혀 사용하지 않는 '완전 인공광형' 공장을 시범적으로 운영하였다. 넥스트팜은 용인시 처인구 모현면에 식물공장을 구축하여 상추, 엔다이브, 브로콜리 등을 온라인과 오프라인으로 판매하고 있다. 또한 전문 계측회사인 (주)카스트엔지니어링에서도 회사에 식물공장을 구축하여 연구중에 있으며 (재)전주생물소재연구소에서는 식물공장에서 인삼과 엽채류 재배에 대한 연구를 하고 있으며 (주)한녹은 충북 진천군에 토경 식물공장을 준공하여 운영하고 있다. 전북LED융합기술지원센터는 LED 연구를 위한 식물공장을 올해 준공 하였다. 우리나라 식물공장은 최근 설치되었으며 대부분 연구 및 시스템 판매를 위한 전시용으로 설치되었다. 그러나 앞으로 채소 생산을 목적으로 식물공장이 더 많이 구축될 것으로 생각되며 일본에 비해 10배 정도 싼 전기비용 등을 고려할 때 일본과 비교하여 생산비가 절감되어 식물공장이 상용화 되면안정적으로 경영이 가능할 것으로 생각된다.

로봇을 이용한 식물공장

경기도농업기술원 미래농업연구센터에는 로봇을 이용한 식물공장 시스템이 2010년 10월26일 개관되었다. 경기도농업기술원과 LG CNS가 협력하여 만든 작품이다. LED 인공광 연구설비, 식물생장제어 재배모듈과 소트프웨어, 또 이와연동 되는 로봇을 이용한 식물재배생산 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 새로 들어온 베드를 제자리에 놓고 식물들이 자라는 크기에 따라 베드를 이리저리 옮겨 놓는 것 등 모두 이 로봇이 척척 알아서 한다. 또한 자동화에 의해 사람의 일손이 크게 필요치 안아 식물공장 내에서 사람에 의한 유해미생물의 전염을 막을 수 있다. 그리고 로봇에 의해 10층 이상의 다단으로 제작된 재배시스템에서 식물을 재배할 수 있기 때문에 수직 공간을 최대로 이용하여 생산량을 층 수 만큼 증가 시킬 수 있는 세계최초로 개발된 시스템이라 할 수 있다. 미래농업연구센터는 재배실, 육묘실, 공조실, 양액공급실, 이산화탄소공급실로 구성되어 있으며 냉방만으로도 시설 온도 유지가 가능한 점도 특징이다. 이 매래농업센터에서는 로봇을 이용한 식물 자동화 생산 시스템을 테스트 하고 있으며, 엽채류의 비타민, 항암물질 등 기능성 물질 함량을 증가 시키기 위한 재배방법에 대하여 연구를 하고 있다. 또한 유해미생물 발생을 방지하기 위한 종자 살균방법을 개발하여 청정 채소 생산을 기반 기술 개발을 하고 있다.  로봇을 이용한 자동화 생산 시스템은 만주 이상의 대량 생산시스템을 가능하게 한다는 점에서 이전 소규모 식물공장과 차별화 된다. 무엇보다 롭소을 이용해 10층 이상의  다단식 재배가 가능해 실내공간을 최대한 활용할 수 있기 때문이다. 게다가 인력 투입도 최소화 시켜 파종과 수확일부에만 인력이 사용되고 모든 과정이 자동화가 가능하다. 이러한 시스템은 중동 등 환경이 식물재배에 적합하지 않은 곳에서 구축할 경우 채소를 대량 생산할 수 있다는 점에서 획기적이라고 할 수 있다. 아직은 경제성에 대한 면밀한 검토가 필요하지만 앞으로 우리나라에서 식물공장에서 생산되는 채소를 먹는 것은 멀지 않은 현실이다.

태양광과 지열을 이용한 친환경 식물공장

경기도농업기술원은 식물공장 자동화 생산 시스템과 태양광 발전시스템의 식물공장 이용, 인공광 LED개발, 컨테이너 식물공장 개발, 미세환경 조절에 의한 최적 환경제공, 태양광 병용형 식물공장 구축 등을 위하여 신재생 에너지를 이용한 태양광 병용 미래형 첨단 식물공장을 개발 구축 중에 있다. 태양광과 LED 인공광을 같이 이용하고 땅속의 무한한 지열을 이용한 지열 히트 펌프를 설치하여 에너지를 절감할 수 있는 새로운 식물생산 시스템을 설계를 완료하였다.또한 현진조명(주)과 협약을 체결하여 이 식물공장에 적합한 이동형 식물재배시스템을 새롭게 설계하여 추운 겨울에는 한곳으로 재배시스템을 이동시켜 국부적으로 난방하여 에너지 소비를 최소화 시킬 예정이다. 또한 이러한 시스템을 개발 구축할 경우 낮에는 태양광을 이용하고 밤에는 형광등이나 LED조명을 이용하여 식물을 재배하기 때문에 전기에너지를 획기적으로 절감할 수 있을 있다.  태양광 병용 식물공장은 경기도농업기술원, 솔트웨어(주), (주)맥스포, 전자부품연구원, 세종대, 에코앤바이오(주), (주)엠투소프트,등의 대학, 연구소 그리고 기업체와 공동으로 서울전략과제로 추진중인『그린네트워크를 이용한 도시환경에 적합한 식물재배시스템 및 생장시스템 개발』과제의 결과 도출물을 이 식물공장에 적용하여 언제 어느 곳에서 인터넷 또는 스마트폰으로 식물공장의 온도, 습도, 이산화탄소 농도 등을 실시간으로 원격 제어할 수 있는 최첨단 시설을 설계를 완료하였으며 금년 11월까지 구축할 예정이다.

새로운 농업에 대한 희망과 도전

일본의 방사능유출 사고로 먹거리에 대한 불안이 커지고 있고 지구 온난화로 이상기온이 계속되고 기후가 변하면 식량난은 더욱 심각해질 가능성지며 각 국은 식량생산이 급감하면 식량 수출을 통제할 가능성이 있다. 이에 대하여 식물공장은 대안이 될 수 있다. 식물공장은 외부 환경에 상관없이 식물을 생산할 수 있기 때문에 안정적으로 식량을 공급할 수 있다. 이러한 식물공장은 IT기술이 집약된 첨단산업이기 때문에 일본이 식물공장에 대한 핵심 기술을 선점하기 전에 식물공장에 대한 연구개발을 서두르지 않으면 않된다. 또한 아직 미개척 분야이기 때문에 식물공장 전망은 밝다. 얼마 전 뉴스를 보니 미래의 유망직종으로 식물공장 설계사를 꼽고 있다. 촉망 받는 미개척 분야인 만큼 많은 젊은이들이 도전을 하여 식물공장을 새로운 첨단 주역산업으로 발전시켰으면 한다. 식물공장에서는 엽채류를 중심으로 생산에 대한 연구가 진행되고 있으며 보다 밝은 광이 개발되면 과채류 뿐만 아니라 벼도 재배가 가능하다. 보다 맛있고 품질이 좋고 소비자가 믿고 먹을 수 있는 채소, 환경오염과 유해미생물이 없는 안전한 청정 채소를 생산하기 위한 재배기술을 개발하기 위한 연구와 자동화에 필요한 IT기술의 개발 그리고 신재생에너지를 접목한 에너지 절감, 새로운 기술과 만남을 통해 식물공장은 첨단 시설로 진화될 것이다.
첨부파일
식물공장 사진.ppt
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