선진국의식물공장현황 이용범, 최기영 서울시립대학교자연대환경원예학과교수 1. 식물공장의개요 식물공장이란시설내에서광, 온도, CO 2, 습도, 기류속도, 무기영양등의 재배환경을최적상태로제어하고, 재배공정을자동화하여식물을연속적으로 계획생산하는효율성높은식물생산시스템을뜻한다.

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선진국의식물공장현황 이용범, 최기영 서울시립대학교자연대환경원예학과교수 1. 식물공장의개요 식물공장이란시설내에서광, 온도, CO 2, 습도, 기류속도, 무기영양등의 재배환경을최적상태로제어하고, 재배공정을자동화하여식물을연속적으로 계획생산하는효율성높은식물생산시스템을뜻한다.

2 선진국의식물공장현황 이용범, 최기영 서울시립대학교자연대환경원예학과교수 1. 식물공장의개요 식물공장이란시설내에서광, 온도, CO 2, 습도, 기류속도, 무기영양등의 재배환경을최적상태로제어하고, 재배공정을자동화하여식물을연속적으로 계획생산하는효율성높은식물생산시스템을뜻한다. 여기서식물이라함은 식물체전체, 식물조직, 식물세포를뜻하며, 이들을다시대량생산체계에따라 고도수경재배시스템으로식물을생산하는좁은의미의식물공장, 클론증식시스템, 세포대량배양시스템으로나누어진다. 그러나앞으로언급하는식물생산시스템은 고도환경제어와자동화기술을이용하여공산품을생산하는것처럼시설 내에서수경재배방식에따라농산물이나고기능성의바이오매스를주년계획 생산하는식물공장생산시스템만을의미한다. 표 1 넓은의미의식물공장생산시스템의분류 구분 식물공장( 협의) 클론증식시스템세포대량배양시스템 대상식물전체조직세포 방법주로수경재배조직배양세포배양 지상부제어요인 광, 온도, 습도, 탄산가스, 기류속도 광, 온도, 습도, 탄산가스 온도, 영양분, ph, 산소량, 교반속도 지하부환경제어 무기영양, EC, ph, 수분관리, 용존산소량 영양분( 당분, 미네랄, 비타민, 호르몬)

3 이러한식물공장의시작은덴마크의크리스텐센 (Christensen) 농장에서크레스 (cress) 의 균일한어린모를대량생산하기시작한 1957 년으로거슬러올라간다. 즉, 파종실, 발아실, 육성실및출하실을갖추고무농약, 무공해로싹채소를생산한 것이시작이다. 입체식자동식물공장은 1960 년대초오스트리아의루스나 (Ruther) 사에서입체상하이동식으로상추와토마토를재배하였다. 그이후 유럽, 미국, 일본등에서식물공장에대한연구가활발하게이루어져왔으며, 실용적인식물공장은유럽을중심으로상추류, 허브류, 분화류, 절화류( 튜립, 백합, 장미) 를대상으로이루어지고있다. 그동안농업이갖는생산의불안정성, 중노동, 농약의과다사용, 수익성이 낮은특성의개선이절실히요구되어왔다. 따라서첨단기술을농업에도입 하여생산성향상을도모하고, 생산과정의생력화, 자동화로중노동으로부터 벗어나생산과가격의안정화시키고, 무농약이나기능성을높여부가가치높은 식품이나바이오매스생산으로농업의채산성을높일수있는식물공장의 도입이절실히요구되어왔다. 최근이러한첨단농업기술의총집합체인식물 공장은기업의농업에대한투자와참여를촉진시키고있는유일한분야이 기도하다. 2. 식물공장의특징과분류 차세대농업생산의주역이될식물공장은파종에서수확까지공장식생산체계로 이루어지기때문에식물생산의모든기술이종합적으로제어되어야하는현대 농업기술의결정체라하수있다. 즉, 식물공장은컴퓨터에의한재배환경의 종합적제어에의하여생육속도, 수량, 품질등을향상시키면서생산과정을 전자동화하는것이라고할수있다. 따라서다양한학문을종합하여이루어지는식물공장은 생산하고자하는 식물의주년계획생산, 재배환경의완전제어, 생산작업의자동화, 생산물의 부가가치제고를통해경제성을맞추어야하는특성을갖고있는농업생산 시스템이라고할수있다. 작물을재배하는식물공장생산시스템즉, 협의의식물공장생산시스템은이용하는광원의종류에따라인공광중심의완전제어형, 인공광과태양광을함께

4 사용하는태양광병용형, 태양광만을이용하는태양광이용형으로나뉘어진다. 실내공간에작물을배치하는방법에따라입체식과평면식으로작물의이동여부에따라고정식과이동식으로구분된다. 공장의조건은생력화를위해서기계화및자동화를전제로이루어지며, 이를바탕으로인력사용을줄여인건비를최소화하고자하는것이특징이다. 최근에는식물공장과원예용시설에서작물생산과정을대부분로봇화로이루어내는단계로접어들었다. 표 2 식물공장의주요특징과내용 특징내용계획생산, 주년생산생산의계획성, 시기나장소에좌우되지않음 재배환경의최적제어 생육의제어, 단기간대량생산, 수확물의균일성과재현성, 수량및품질의향상 작업의자동화, 생력화 환경관리의자동화, 재배관리과정( 파종, 이식, 수확, 포장) 의 자동화및생력화 수확물의부가가치제고 재배불가능한작물의생산공급, 무농약및청정재배 영양가향상, 기능성향상, 고기능성바이오매스 2.1. 광원에의한분류 1) 완전제어형식물공장 완전제어형식물공장은태양광을투과시키지않는단열성재료를사용하여 외부기상조건과완전히차단하여외기온과태양의영향을거의받지않고 광합성에필요한에너지를인공광원으로부터얻는생산시스템이다. 이방식은 용이하게최적생육환경조건에서식물을재배할수있어주년계획생산이 가능하나인공광원만으로조명하게되어광량및광질에한계가있다. 또한 강한광을필요로하는작물을재배하기어렵고조명전력비및인공광원에서 발생하는열을제거하기위한냉방부하가커져공조시설비용등의초기투자 비가많이들고유지관리비가증가하는단점이있다. 이방식으로재배가능한 식물은주로광요구도가낮은엽채류가중심이되고있다.

5 2) 태양광병용형식물공장 태양광병용형식물공장은유리또는플라스틱필름과같이빛을잘투과시키는피복재료를사용하는관계로태양광을주로이용하며, 태양광이부족한기상조건일때와일조시간이짧은계절에는인공조명으로보광하는생산시스템방식이다. 이방식은보조광원설치비용과광원에서발생하는열을냉각시키기위한 냉방시설이필요하고완전제어형과같이환경제어의정확성을기하기어려우나 비교적간단하게충분한광량을확보할수있고저렴하게환경제어를할수 있는특징을갖고있다. 특히재배식물중강한햇빛을요구하는작물의재배가 용이하며, 계절및기후영향을최소화할수있어완전제어형식물공장에가까운 주년계획생산이가능하며고광도를요구하는엽채류, 과채류, 화훼및약용 식물재배에많이적용되고있다. 3) 태양광이용형식물공장 태양광이용형식물공장은유리또는플라스틱필름을피복재로사용하며보광을하지않고태양광에만의지하여작물을재배하는방식이다. 이방식은기존의원예작물생산시설의연장선상에있는시스템으로외부광조건에좌우되는관계로태양광이약한흐린날이나비오는날에는광량제어가곤란하며, 계절에따른일조시간제어가불가능하여작물의생육조건에적합한생장제어가제대로이루어지지않아작물의품질관리와계획생산이어려운재배방식이다. 특히, 여름철고온기에는냉방부하의증가와저온기난방비와같은운영비가증가할우려가높다. 반면에건축비가싸고유동비도싸서생산코스트를낮출수있는장점이있고, 앞으로적외선을반사시키고가시광선을잘투과시키는피복재가개발되면재배환경제어를크게향상시킬수있을것으로기대된다. 2.2 작물배치방법에따른분류 1) 평면식작물을평면상에배치하는방법으로조명등재배관리작업이편리하고균일하게관리할수있으나공간이용효율이떨어진다.

6 2) 입체식작물을입체식으로배치하는방법으로공간이용효율은높으나조명등을균일하게할수있는장치가필요하며관리작업에노력이많이들고자동화에도많은어려움이뒤따른다. 2.3 작물의이동여부에따른분류 식물공장생산시스템에서작물이이동하는지또는고정되어있는지에따라이동식과고정식으로나누어진다. 이동식은제어방식이복잡하고설치비가많이드나일정한장소에서농작업을할수있어생력화가가능하며작물의생육정도에따라작물의주간을조절할수있어공간이용효율을높일수있어대부분의식물공장에서채택하고있다. 3. 식물공장의용도, 구조및필요기술 3.1 식물공장용도 식물공장은신선, 청정채소생산에최적의생산시스템으로평가되어 1970년 대부터본격적으로미국을중심으로보급되기시작하여실용적으로규모화된 식물공장의보급은 1990 년대유럽에서이루어졌다. 최근에는싹채소, 어린 채소(micro vegetable, baby vegetable) 와같은샐러드용채소재배가급속히 증가하고있다. 최근에는식물공장에서부가가치를높이기위해서기능성이높은허브류생산이유럽을중심으로실용화되어전세계로보급되고있다. 식물공장은동물사육에필요한신선목초생산에도적용되고있으며, 약용이나건강보조식품생산과같은고기능성유용바이오매스를안정적으로대량생산에도활용될수있는가능성이타진되고있다. 앞으로는백신생산용딸기, 고추, 토마토등과같은 GMO 식물의안전하고 안정적생산에도활용될수있으며, GMO식물중심의맟춤바이오매스생산과 안전하게 GMO 다방면에서활용될것이다. 식물관리및생산에도활용될수있을만큼그용도가커서

그림1. 식물공장이채소생산용보다는기능성높은허브류가신선청정하게 생산되어소비자들이이용하고있는단계임 3.2 식물공장구조 시설원예는고생산성, 고품질, 고수익을목표로하며, 식물생산을위해만들어진 패쇠인공생태계다. 우리의수경재배보급이나환경제어용컴퓨터이용도근래의 일이다. 아직까지제대로된식물공장을건설한경험은없으나시설운영경험은 풍부해가고있다.

7 그림1. 식물공장이채소생산용보다는기능성높은허브류가신선청정하게 생산되어소비자들이이용하고있는단계임 3.2 식물공장구조 시설원예는고생산성, 고품질, 고수익을목표로하며, 식물생산을위해만들어진 패쇠인공생태계다. 우리의수경재배보급이나환경제어용컴퓨터이용도근래의 일이다. 아직까지제대로된식물공장을건설한경험은없으나시설운영경험은 풍부해가고있다. 이제새로운식물생산시스템으로서식물공장구조측면에서 알아본다. 식물공장의건축재료는공조부하를줄일수있는피복재나건축재료를사용 해야하고구조안전성을확보할수있어야한다. 식물공장은묘를기르는육묘실, 작물을기르는재배실이필요하며이외에도작업실, 환경제어실, 기계실, 휴식실, 냉난방실, 포장및저장실, 사무실등을갖춘공간이필요하다. 식물 공장의공간활용도를높일수있는구조설계가이루어져야하며가능한 70% 이상의재배공간을확보해야한다. 식물공장의건설비는크게시설비와설비비로나누어지며대체로설비비는 건설비의 60-70% 를차지한다. 그중 50% 는조명과공조설비가차지하므로 건물구조가냉난방비를낮출수있도록냉난방비를줄이고조명효율을극 대화해야한다.

그림 2. 식물공장에서재배베드로급액이적절하게이루어질수있는체계를 갖추고있는 Hortiplan사의식물공장급액배관과베드설치광경 3.3 식물공장에서주요필요기술 식물공장생산시스템기술적발전동향을살펴보면다음과같다. 먼저식물공장생상시스템의유형은유럽에서는태양광이용형또는태양광병용형에비중을두고있으나일본에서는궁극적으로완전제어형에더많은비중을두고있다.

8 그림 2. 식물공장에서재배베드로급액이적절하게이루어질수있는체계를 갖추고있는 Hortiplan사의식물공장급액배관과베드설치광경 3.3 식물공장에서주요필요기술 식물공장생산시스템기술적발전동향을살펴보면다음과같다. 먼저식물공장생상시스템의유형은유럽에서는태양광이용형또는태양광병용형에비중을두고있으나일본에서는궁극적으로완전제어형에더많은비중을두고있다. 재배작물측면에서유럽에서는상추를비롯한엽채류와허브생산이체계화되었고, 화훼류에서는분화생산이가장공장생산체계로발전하였고절화류로는튜립, 백하부장미생산에서공장생산체계로발전하여가고있다. 시스템측면에서유럽에서는태양광병용형식물공장으로표준화되었고, 일부스웨덴과같은고위도에서는완전제어형에대한실용화가진행되고있다. 일본에서는모두상추를비롯한엽채류와묘의대량생산시스템에서실용화되고있으며, 시스템은완전제어형을중심으로일부태양광병용형이용되고있다. 더불어태양광병용형에서는과채류에대한실용화연구가활발히진행되고있다. 식물공장생산시스템의개발은기업에서중점적으로개발하고있으며, 운영주체는 유럽은농업인이중심이지만근래규모화와더불어농산물유통을주로하는 기업으로바뀌는상황이다. 일본은주로전력회사, 식품회사, 유통회사등기업체 특히대기업에서자체적으로개발운영하는것이많으며따라서다양한식물 공장생산시스템들이나타나고있다.

9 식물공장생산시스템에대한최근의주된연구동향은식물공장생산시스템에서 생산할수있는품목을확대하는기술개발에주안점을두고있다. 식물공장 생산시스템의요소기술수준에서살펴보면조명에사용되는인공광원은 태양광병용형식물공장에서유럽과일본모두고압나트륨램프가일반적으로 사용되고있으나완전제어형식물공장이중심인일본에서는새로운광원으로서 LED 광원, 형광등대체로하이브리드전극형광등 (HEFL) 및마이크로파광원을 식물공장생산시스템에적용하기위한연구가활발하게진행되고있으며조명 방법은모두근접조명과간헐조명방식들이개발이용되고있다. 유럽에서는 온실보광및식물공장용고광도 LED 광원개발에필립스(Philips) 같은대기업 에서집중적으로이루어지고있다. 냉난방등공기조화에있어서는히트펌프에의한냉난방시스템이주로많이적용되고있으나공조비용절감을위하여증발냉각방식의일종인패드앤패드방식의냉각법이적용되고있으며, 재배공간전체를냉각시키지않고필요한부분만을직접냉각시키는국소냉각방식도도입되고있는실정이다. 작물재배환경제어측면에서는일반적으로복합환경제어시스템이사용되고있으나 일본에서는원격계층제어시스템에대한관심이높고작물의비파괴적생체 계측을통하여광합성, 호흡량, 기공개폐, 양분이동등작물의생체정보를수집한뒤 이에적합한환경을만들어줄수있는환경제어시스템연구가아주심도깊 게연구되고있다. 배양액관리도현재는 EC나 ph제어가주로이루어지고 있으나 양액중의각무기원소성분요소를계측하여각성분요소를제어하는 방향으로발전하고있다. 한편, 식물공장생산시스템에서의작업공정의생력화경향은유럽쪽에서는 태양광병용형또는태양광이용형의대형식물공장생산시스템을대상으로하면서 스페이싱, 이식, 수확등의농작업도로봇화되고있다. 일본에서는육묘관리, 이식, 스페이싱, 수확등거의전작업공정을자동화또는로봇화로연구 해나가는경향이나실제완전제어형식물공장에서는자동화율상당히낮은 상태다. 식물공장생산시스템에관련된기술수준은자연에너지를이용한온실냉난방용히트펌프시스템이실용화되었으며, 양액및환경제어가복합환경제어체계로자동화되었다. 작업공정의자동화등에관한기술개발은유럽을중심

10 으로계속새로운기술들이개발되어활용되고있다. 실제식물공장생산시스템의 실용화촉진을위해서는구조, 설계, 작물생장제어, 품질향상, 운영등에관한 기술개발이더한층발전되는것이요청되고있다. 4. 국내외식물공장생산시스템의역사 식물공장은고능률, 고품질의계획생산을도모함과동시에생력적인생산을 목적으로두고있다. 주로재배생산되는채소류는크게엽채류, 과채류, 근 채류가있으며, 그외에도허브류와약용식물등이다. 생력화를위해파종부터 생산및포장까지모든과정을완전자동화설비를가추고계획적인생산과 출하를하기위해많은비용이투자되므로파종부터생산까지재배기간이 짧은엽채류와허브류가많이재배되고있다. 광원은자연광, 자연광과인공광을 혼합된온실또는완전인공광원하에서재배되며, 재배방식은근권부양수분 환경을쉽게제어가능한수경재배시스템을근간으로하고있다. 4.1 유럽의식물공장 유럽에서는크리스텐센(Christensen) 농장이후많은연구개발이활발하게 진행되었다. 유럽의대표적인식물공장은스웨덴에서개발한 Swedeponic 이라는식물공장생산시스템과벨기에의 Hortiplan사에서개발된재배베드자 동이송시스템 (mobile gulley system) 으로어느정도표준화가이루어져있다. 이들방식은하나의생산단위가 2레인으로폭 25m, 길이 141m의규모이며 잎상추의경우 1일 5,000 주, 허브류는 1일 8,000개를생산할수있으며 피트모스를이용한피트블럭에파종하여육묘한뒤재배생산라인에정식하여 생육단계에따라거리간격이자동스페이싱이루어지도록되어있다. 상추의 경우여름철에는정식후 16 일, 겨울에는 23일만에약 200g의상추를수확 할수있으며판매가격은생산비의 2 배정도라고한다. 네덜란드를중심으로한유럽에서는대부분대형유리온실에인공광을병용한 태양광병용형식물공장생산시스템으로체계화되는경향이다.

11 4.2 미국의식물공장 미국에서식물공장생산시스템에대한본격적인실용화연구는 1970년대에 시작되었다. 미국의제네랄일렉트릭사, 제네랄밀즈사, 제네랄후즈사에서차례로 완전제어형식물공장생산시스템을개발하였으나모두채산성의결여로중단 되었다. 미국과같이토지가넓은곳에서는작물생산대규모화로생산성향상이 가능하므로완전제어형식물공장과같은집약적농업은시급히요구되지 않았을지도모른다. 이후화이트팜사는제네랄밀즈의식물공장생산시스템을인수한뒤심야전력을 이용상추, 시금치등과허브류를생산하여채산성을맞추었다. 화이트팜사의 생산시스템은재배면적이 4,800 에달하고 16개의재배레인을가지고있으며 여기서생산된농산물은슈퍼마켓과유나이티드항공사의기내식으로도일부 사용되었다 년대에들어미국에서는어그리시스템사, 어그로노틱스사등에서대형의자동화된태양광병용형의식물공장생산시스템을개발하여실용화하였다. 어그리시스템사의식물공장생산시스템은캘리포니아의건조지대에위치해 있으며공조방법은저비용의증발냉방시스템을사용하고국소냉방방법으로 공조비를절감할수있도록하였고파종, 이식, 수확의자동화도실현하였다. 이밖에스피드링크사는화훼, 채소, 수목등여러종류의식물육모공장 생산시스템을실용화하기도하였다. 1990년대부터는 NASA 등에서 CELSS( 폐쇄생태계생명유지시스템) 에서의 작물생산시스템에관한연구를계속해오고있다 일본의식물공장 일본에서는 1974년히다찌제작소의중앙연구소에서처음으로식물공장생산 시스템에관한연구를착수하였다. 그후 1985년쯔꾸바에서개최된과학 박람회에상추식물공장생산시스템을전시한것을계기로식물공장생산시스템에 대한연구개발이본격적으로이루어지기시작하였고이때부터기업체에서도 관심을갖고참여하기시작하였다.

12 같은해에치바현에위치한다이에사의슈퍼마켓내에있는채소매장에 20평 규모의식물공장생산시스템인 바이오팜 을설치하고무농약으로재배한 신선한엽상추를매일 100 주정도씩생산하여현지판매하기도하였다 년부터선진적농업생산총합추진대책사업 ( 시설채소생산고도화사업) 에 있어서식물공장생산시스템의설치에대한보조금을조성했으며, 1995년부터 실시중인농업생산체제강화대책사업에있어서도계속하여보조대상으로 지정되어있다. 식물공장생산시스템을보조지원키로한이유는 1 식물공장생산시스템이많은장점이있는반면에설치및운영비가많이들어장려조치를강구하지않으면그보급이쉽지않고 2 설치비가많이들어개인이설치하기어렵고농업단체가설치하는경우가많으므로장려조치로서무이자자금제공보다보조사업이유리하기때문이라고한다. 태양광병용형은경제성측면에서보아도경제성과실용화가가능하다고판단 하고있다. 반면에완전제어형식물공장은최초로실용화된삼포농원의식물 공장은버섯재배용으로전환하였으며, 큐비, 다바이엑스팩등이경비절감에 성공을거두었다고하나품목은엽상추를중심으로한수종류의엽채류에 한정되어있는상황이다. 그러나아직도일본에서는식물공장에대한연구개발이 가장활발하게이루어지고있고식물공장에대한관심과기대가큰편이다. 4.4 우리나라의식물공장 우리나라에서의식물공장생산시스템에관련된연구는 1990년대원예연구소 에서스테인레스체인컨베이어에의한작물이동식양액재배시스템으로상추를 재배한연구가유일하지만, 이는태양광이용형으로단지작물의이동재배만 고려한것으로식물공장생산시스템과는거리가있다. 1995년부터엽채류공장 생산시스템에대한연구를서울시립대학교에서 5 년간수행하였으며, 서울대 학교에서완전제어형식물공장생산시스템에대한연구는소규모의챔버내에서 생장정보의계측과생육제어에관한연구가수행되었으며, 배양액의자동제어에대한것을중심으로연구되었다. 작물생육환경과

서울시립대학교에서개발된장미식물공장에서장미가재배되고있는광경 (2003) 5. 유럽식물공장현황 5.1. 유럽의채소및허브식물공장 1) 엽채류및허브식물공장 온실내의수경재배와함께식물의공장생산에관한연구는유럽과일본을 중심으로진행되었다.

13 최근농림특정연구과제의일환으로서울대학교는식물공장생산시스템에서의 주요작업공정인이식, 파종자동화연구가수행되고있으며, 서울시립대학교는 2001 년부터장미의식물공장생산시스템과작물생장에관한기초연구를 수행하여절화류공장생산가능성을제시하였다. 이후에농업기계화연구소는 상추용작물수평이동식재배상과자동스페이싱시스템개발을수행하여왔다. 최근연구기관과기업에서는식물공장과수직농장 (vertical farm) 에대한 실용화많은관심을표명하면서산업화가앞당겨질수있을것으로본다. 그림 3. 서울시립대학교에서개발된장미식물공장에서장미가재배되고있는광경 (2003) 5. 유럽식물공장현황 5.1. 유럽의채소및허브식물공장 1) 엽채류및허브식물공장 온실내의수경재배와함께식물의공장생산에관한연구는유럽과일본을 중심으로진행되었다. 유럽에서식물공장은스웨덴의 Agritech Innovation A 사에서개발한스웨드포닉(Swedponics) 이라는채소및허브용엽채류 식물공장이유럽전역에설치되어실용적으로활용되고있다. 최근에는벨기에의 홀티플란(Hortiplan) 사에서개발된재배베드자동이송시스템(mobile gulley system) 에의한완전자동화된채소식물공장시스템이저렴한가격에설치 운영하는회사도증가하고있다.

14 근래우주농업에대한연구가활발한데이는우주기지에서식물재배를 통한신선한채소의공급이요구되기때문이다. 따라서양액의공급이나환경제어 등에관한연구가이루어지고있다. 우주기지에서한사람에게충분한채소를 공급하기위해서는 20m 2 의공간이필요한데이면적을줄이는연구도진행 되고있다. 또한스웨덴과같이겨울저광도와짧은일장조건에서주년허브 생산이가능하도록벤치모양의완전제어형식물공장도운영되고있다. 식물공장에서는공간활용도를 6-8 배높이고년중안정적인허브생산을하고있다. 이 1 Swedeponic 시스템 유럽에서는크리스텐센농장이후많은연구개발이활발하게진행되었다. 유럽의 대표적인식물공장은스웨덴의 Agritech Inovation A에서개발한 Swedeponic 이라는식물공장시스템으로어느정도표준화가이루어져있다. 하나의생산단위가 1ha에폭 25m, 길이 141m 규모의 2개레인으로구성 되어실재배면적이 7,050m 2 이며잎상추의경우 1일 5,000 주, 허브류는 1일 8,000 개를생산할수있으며피트모스에파종하여육묘한뒤재배베드에정식 하여생육단계에따라스페이싱이자동으로이루어지도록되어있다. 상추의 경우여름철에는정식후 16 일, 겨울에는 23일만에약 200g의상추를수확 할수있다고하며판매가격은생산비의 2 배정도라고한다. 이시스템의특징은기계화및자동화가잘이루어져있는데그대상을보면 자동재배베드이송시스템, 자동스페이싱, 로봇을이용한자동정식체계를비롯한 파종, 정식, 수확, 포장과정에서자동화로인력절감에기여하고있다. 공장 내온도관리는대부분지열히트펌프방식을채택하여냉난방을하고있다. 수경 재배방식은 NFT방식을채택하고순환식수경재배시스템으로운영되어친환경 방식을채택하고있다. 묘는전문묘생산공장에서생산된것을사용하던가 자체생산방식을채용한업체도있다. 작물생산에이용하는포트는 8cm 사각 포트를중심으로표준화하였다. 사용하고있다. 사용하는광원은대부분고압나트리움등을 운영주체는대부분농가이고재배규모는 1ha 규모가많다. 근래들어규모가 커지고기업이참여하는경우가늘어가고있다. 영국의 Lincolnshire Herbs 식물공장은약 5har 규모로증설이되었고, 년간 1400만주의허브를생산 하고있으며앞으로 10ha 로늘릴계획을갖고있다.

15 Swedeponic 시스템을이용한식물공장에서는초기상추류생산에서부가가치가 높은허브생산체계로많이바뀌었다. 이러한식물공장을운영하고있는국가는 영국, 네덜란드, 독일덴마크, 폴란드, 포르투갈, 러시아, 스웨덴등이다. 이처럼 네덜란드를중심으로한유럽에서는대부분대형유리온실에인공광을가미한 태양광병용형식물공장생산시스템화경향으로흘러가고있다. 그림 4. 허브류생산포장하고있는 Swedeponic시스템을채용한영국의 Bourne지역에설치되어운영되고있는 Lincolnshire Herbs 식물공장 그림 5. Swedeponic 시스템을이용한식물공장에서생산된허브와이를 소비자들이이용하고있는모습

16 2 Hortiplan 방식 벨기에본사를두고있는 Hortiplan사의식물공장은 1994년에처음설치하여 상추와허브재배에운영되기시작하였다. 이방식의식물공장은재배베드 자동이송시스템(MGS; mobile gully system) 을중심으로묘자동이식로봇, 자동재식거리조정방식, 최소의인력으로관리할수있도록하고있다. 재배베드가수확장소로이송될수있도록하고있어 식물공장에필요한상추묘의 생산, 자동이식, 재배베드에정식후작물이커감에따라자동이송중작물 크기에따라최적재식간격을자동조절할수있도록되어있는자동스페이싱 장치를갖추고있어공간활용을극대화할수있다. Hortiplan 에서는육묘전용트레이를사용하여피트모스를배지로사용한 모재식밀도를 100 주/m 2 로일정하게관리할수있어양묘를재배에활용 할수있도록하고있다. 피트묘는재배한후에도배지와함께뿌리체로수확 하여유통되므로소비자까지신선도유지가가능하여고품질을장기간유지 할수있는특징을갖고있다. 그러나비용 절감차원에서최근에는피트모스를 대체할수있는배지개발이이루어지고있다. 묘는전문묘생산공장에서생산된 것을사용하던가자체생산방식을채용한업체도있다. 식물공장은작물영양과재배환경관리가최적관리될수있는복합환경조절 장치를활용함으로서재배기간을줄일수있어년간재배횟수를늘리고 생산성을극대화할수있다. 식물공장에서작물의생산성은작물에따라 3-6 배까지증대할수있는것으로밝혀지고있다. 식물공장내온도관리는 지열히트펌프방식을채택하여냉난방을하고있다. 재배방식은 NFT방식을 채택하고순환식수경재배시스템으로운영되어친환경방식으로재배되고있다. 사용하는광원은대부분고압나트리움등을사용하고있다. MGS 시스템을채택하고하고있는 Hortiplan 의식물공장은호주, 벨기에, 이태리, 네덜란드, 영국, 미국에서운영되고있다. 재배작물은주로상추를비롯한엽채류 재배가주가되고있으며일부허브생산에도활용되고있다.

17 그림 6. NFT방식의수경재배로상추류를비롯한허브를주로생산하고있는 Hortiplan 사의재배베드자동이송시스템(MGS; mobile gully system) 을 이용한식물공장에서묘자동이식로봇, 자동재식거리조정방식, 중앙 수확체계를채택하여운영되고있는벨기에식물공장모습 그림 7. Hortiplan의재배베드자동이송시스템을활용한식물공장에서다양한 상추류를생산하고있는광경

18 그림 8. 식물공장에필요완상추묘생산, 자동이식, 재배베드및정식후자동 이송중작물크기에따라거리간격을자동조절할수있도록되어있는 Hortiplan 사의재배베드자동이송시스템 (MGS; mobile gully system) 활용 2) 과채류의식물공장 과채류의식물공장은파종에서과실생산기간이길므로많은상용화되어있지 않지만딸기, 토마토, 파프리카의공장형생산시스템을네덜란드에서개발과 생산현장에도입단계에있다. 과채류생산공정에필요한적엽, 적과, 수확및 포장단계를거치면서많은노동력이투입과투지이용효율을향상시키기위해 Working plant, 수확로봇, 유인로봇 등을개발하였고, 토지생산 효율을증대시키기위해과채류의고정식재배시스템에서이동식재배시스템을 개발단계에있다. 그림 2 는딸기식물공장이며, 2004년도에개발하여 1ha 규모의공장을설립하여냉장육묘된딸기를주기적으로정식하여생산하는 과정이다. 토마토나오이의경우정식부터수확종료기간은 11.5개월정도까지가능 하지만토마토는부정근이발생이잘되므로양수분을흡수할수있는배지를 회전이가능한드럼에부착하여그위에줄기를감고양수분을공급하면

19 양수분이동거리도짧아수년동안재배가가능하게된다. 이러한방식은부정근이 잘발달되고유인을할수있는품목에제한되어있다. 직립성인파프리카의경우에는분화재배에서많이적용되는재배시스템은 이동식벤치를이용할수있다. 그림 9. 자연광과인공광원을이용한딸기식물공장( 네덜란드) 그림 10. 딸기식물공장( 네덜란드) 에서작업용중앙통로위에중앙 2개 베드를상부에설치하여공간활용을극대화하고있는모습

20 6. 일본식물공장현황 6.1. 일본의식물공장정책과보급현황 일본에서의식물공장은주로완전제어형타입으로 1974년히타치제작소중앙 연구소의타카츠지마사모토등의연구그룹이최초로시작했다. 미국이경제성을 이유로식물공장을포기한반면일본은미국보다 10여년이상늦게출발하 였으나현재약 50 여개소의식물공장을운영하고있으며, 정부의적극적인 지원이이루어져그어느때보다식물공장분야는활기를띠고있다. 일본이 식물공장에적극적인지원을하는이유중의하나는일본농촌인구중 이하비율이 5% 40대 미만이라는농촌의고령화가앞으로의닥칠식량위기와기상 이변등을돌파할대안이바로식물공장이라는가장큰이유중하나이다. 즉식물공장은도심내에서일정량의채소공급이가능한식물공장시스템 이라는것이다. 지난해일본정부는 식물공장보급확대종합대책 을마련하고, 2013년까지 식물공장을현재의 50여개소에서 150 곳으로확대할계획이며, 이를위해 150 억엔의예산을편성했다. 농업인단체가공장을새로짓거나민간기업이 임대방식으로참여할경우투자비의절반을보조해주는제도를도입, 시장 활성화에힘을쏟고있다. 그러나설비투자비를감안하면아직까지식물공장은 경제성이없는것으로알려지고있다. 일본농림수산성연구보고서에의하면 완전제어형설치비용은 10a(300 평) 에약 3 억천만엔(720m 2 ) 으로비닐하우스 1850 만엔(850m 2 ) 에비해 17 배높다고했다. 특히연간광열비는식물공장이 약 1860만엔으로비닐하우스 40만엔에비해무려 47 배의차이를보인다. 한편식물공장반결구상추판매가격은 100g당 198엔으로일반수경재배에서 생산한양상추 148엔과비교하면약 34% 높은수준이다. 식물공장에서생 산한반결구상추 1주당생산단가는 100~140 엔으로광열비, 시설감각상각비, 인건비등이상당히작용한부담으로작용하였음을제시하였다. 이에일본 농림수산성과경제산업성은공동으로식물공장보급확대정책을마련하고 향후 3년간식물공장을약 150개로확대함에 LED 조명기술, 로봇기술, 태양전지, 히트펌프등신기술을농업에활용하여생산비 30% 점감을목표로 한다. 또한농림수산성은식물공장보급을위한실증. 전시사업과설치비를 보조하는리스지원사업등을추진하고, 경제산업성은식물공장기반기술연구 거점을지원할방침이다.

식물공장은농업과정보통신기술, 바이오기술등의산업기술이융합된것으로 1차산업으로분류된농업을 6 차산업(1 차+2 차+3 차) 으로인식시키는새로운 분야이라할수있다. 여기에조명기기, 기계설비등의업체등이이분야에 진출하면서시설원예의한분야에서비롯한식물공장이이제는그들의영역 으로시설원예를포함시키려하는아이러니한상황으로까지몰고있다.

21 식물공장은농업과정보통신기술, 바이오기술등의산업기술이융합된것으로 1차산업으로분류된농업을 6 차산업(1 차+2 차+3 차) 으로인식시키는새로운 분야이라할수있다. 여기에조명기기, 기계설비등의업체등이이분야에 진출하면서시설원예의한분야에서비롯한식물공장이이제는그들의영역 으로시설원예를포함시키려하는아이러니한상황으로까지몰고있다. LED 조명기기제조업체인 CCS사는자회사인페어리엔젤을 2008년 15억엔을 투자설립하여하루평균엽채류 13000여포기를생산하면서식물공장과 레스토랑을함께운영하고있다. 향후에는이회사는태양전지를이용한에너지 절감형식물공장시스템을실용화하는연구도진행중이라고한다. M식수경재배방식을고안한 M 식수경재배연구소는공기순환장치등을이용, 다단식재배시스템중하단부에는물고기를길러채소와물고기가함께공존 하는친환경식물공장모델을제안하기도하였으며, 조명기기, 기계설비업체뿐 아니라철강업체인 JFE 홀딩스와다이세이건설, 미쓰비시그룹등의기업이 진출하고있다. 기업은식물공장을새로운신성장산업으로인식하면서배출 된 CO 2 가스를포집하여식물공장에적용함으로써 CO 2 접목하려는시도를고려하고있다. 절감그린산업으로 그림11. 일본미쯔비시화학의식물공장 (

22 일본경제산업성으로부터위탁을받아미쯔비시종합연구소에서조사한일본 식물공장실태조사에의하면, 현재약 50 개가운영되고있으며, 이중완전 제어형은 34 개소, 태양광병용형은 16 개소이다. 식물공장형태에따른사업자 비율을보면, 완전제어형은 56% 가기업, 32% 가농업생산법인이지만, 태양광 병용형은 69% 가농업생산법인이다. 입지장소와설치년도를보면완전 제어형은공업단지외에도택지나잡종지등여러토지에입지한후에농지로 전용하였으며최근 3년이내가 38% 를차지하나, 태양광병용형은대부분이 농지에입지하고있으며 2000년이전에설치된것이약 72% 를차지하고 있다. 시설규모는완전제어형의설치실면적은 1000m 2 미만이 85% 이나, 재배실면적은 1,000m 2 를넘는곳이 38% 를차지하여다단식에의한건물 면적당생산효율을높이는방식을많이채택한것으로보이며, 태양광병용형은 설치면적 5,000m 2 이상이 보인다. 55% 를차지하고있어완전제어형에비해대규모임을 두시설모두주요재배품목은사라다나를중심으로한상추류가 대부분이며, 허브, 채소묘등이다. 시설내주광원을보면완전제어형은 형광등비율이높으며, 태양광병용형은고압나트륨등을설치하고있었다. 표 3. 일본식물공장형태별특징 완전제어형 태양광병용형 조사개소 34개 16 사업자기업(56%), 농업생산법인(32) 농업생산법인 (63%) 기업 (38%) 입지장소공업용지, 택지, 잡종지농지 설치년도 38%( 06 년이후 ), 44%( 00 년까지 ) 72%( 00 년이전) 시설규모( 설치면적) ( 재배실면적) 85% (1000m 2 미만 ) 47%(500m 2 미만 ), 55%(5,000m 2 이상 ) 54%(1,000~5,000m2) 고용규모 ( 시설면적당 ) 65% (10 인이하) 70%(10~20 인) 64%(11~50 인이하) 63%(3 인미만) 사용광원형광등(48%), 39%( 고압나트륨등 ) 73%( 고압나트륨등) 자료 : 미쯔비시연구소식물공장실태

그림12. 일본내식물공장종류별분포현황 6.2. 일본식물공장종류별특징 1) 완전제어형식물공장 1 오즈산업 2008 년약 1 억엔을투자해 ( 주) 미라이시스템을도입하여사라다나, 로메인등의 엽채류를생산하는식물공장이다. 건물 2 층에위치한식물공장은에어샤워실, 견학실등을제외한실재배면적은 450m2( 약136 평) 이다.

23 그림12. 일본내식물공장종류별분포현황 6.2. 일본식물공장종류별특징 1) 완전제어형식물공장 1 오즈산업 2008 년약 1 억엔을투자해 ( 주) 미라이시스템을도입하여사라다나, 로메인등의 엽채류를생산하는식물공장이다. 건물 2 층에위치한식물공장은에어샤워실, 견학실등을제외한실재배면적은 450m2( 약136 평) 이다. 식물공장내부는 출입을통제하고있으며, 반결구상추( 사라다나), 로메인, 바질, 로즈마리, 등의 8가지품목을 7~9 단의다단식수경재배방식으로생산한다. 식물공장내부에 파종, 육묘, 재배가동시에이루어지며, 파종에서수확까지는약 40일이소요 된다. 식물공장내부인공광원은형광등이며, CO2 조절장치, 공조시설및 NFT 순환방식으로재배되고있다. 작물재배는지속적인컨설팅이이루어지고 있다. 상추만을생산한다고가정할때식물공장에서하루에평균 1,700 주, 연간약 60 만주생산이가능하다고한다.

24 식물공장에서생산한엽채류를 1 층에서분류포장하여전량레스토랑, 백화점 으로유통하고있으며, 판매가격은 1kg 기준약 1000엔정도와일반수경 재배채소와같은가격대를형성하고있다. 식물공장에서생산한채소는일반 재배에비해세균없이포장함에따라유통기간이 10~15 일정도길며, 채소내 유효성분함량이증가되었다. 1일평균상주인원이 10~13명로식물공장 내부재배시스템을제외하고는대부분이수작업에의해이루어져있어고용 비율이상당히높은편이다. 한편오즈산업의카네코유이치메니저는동경도중심으로일정구역내에 상주하는인구가 가능성이있다고판단하나, 1,350만명에육박하고있어식물공장에서생산한채소수요는 식물공장의손익분기점이상의수익을올리기 위해서는시설자재절감및규모화를통한기계화가필요하다고했다. 도쿄근교의빈창고를활용한 계획이라고했다. LED 또한 조명을적용한식물공장확대도추진할 2 파소나오투 동경신마루노우치빌딩에위치한파소나오투는일본최대인재파견업체인 파소나그룹이운영하는새로운도시형농업으로도시중심지에서농업의 인재파견을진흥시키고, 빌딩내의녹색공간의전원생활공간화를추구하기 위한도시어메니티를창출하기위한목적으로세워졌다. 초기는 2005년 2월에 오오테마치노무리빌딩지하 2 층에 파소냐오투 를오픈했으며현재의 건물은지난 2009 년에이전하여운영하고있다. 초기설치부터현재까지 식물공장설계및시스템은타카츠지마사모토교수가진두지휘하에이루어지고 있으며, 약 1000m 2 (300 평) 에서의식물재배관리는약 20여명이고용되어 관리하고있으며도쿄도에서이빌딩은 CO 2 절감빌딩으로인증받았다한다. 빌딩입구는고압나트륨등과메탈할라이등이조합된광원하의장미정원이 연출되고있으며, 올해처음이곳빌딩에서다시재배한벼도약 50,000Lux 의 광원을조달하기위해강렬한고압나트륨등과메탈할라이드조명하에약 1m 가까이나자라있었다. 히기와가나코안내원에안내에따라 2층으로올라가면 오이, 호박, 고추등의 등의과채류뿐아니라무순등의새싹채소가벽면한 쪽에진열되어있었다. 새싹채소발아는사무용책상서랍을활용하였다. 형 광등대체하이브리드전극형광등 (HEFL) 에서의엽채류수경재배도눈에띄었다.

25 3 이탈리안레스토랑 Careta 일본도쿄중심가에위치한이탈리아음식전문점 카레타 에는다단식식물 재배시스템이설치되어있다. 다단식쇼케이스는형광등을광원으로로메인, 코스레터스등이어린묘에서부터수확용까지재식밀도조절이가능한이동 방식을채택한순환식수경재배시스템이다. 식물공장내부를출입하기위해서는 에어샤워룸과배양액조절탱크및온습도를조절하기위한공조시스템이 쇼케이스뒤에설치되어있었다. 이식당은샐러드종류의약 엽채류로충당하고있다고한다. 50% 를다단식식물재배시스템에서생산한 식당을찾는손님에게신선한볼거리와안전한 채소를사용하고있다는기업의이미지를크게부각시킨사례로본다. 최근엔 샌드위치전문점인써브웨이에서도작은쇼케이스를설치하여양상추를재배하는 식물공장을선보이면서대형외식업체들도이분야에적극적으로진출하고있다. 4큐피( 주) 마요네즈제조업체인큐피( 주) 는고압나트륨등을광원으로식물재배효율성을 위해 형태로한경사주간조절이가능한분무수경재배방식을채택하여 TS 팜 이라는식물공장사업을시작했다. 파종에서재배까지약 30일이 소요되며, 식물공장은 1999년까지일본에 12개소가보급되어현재까지도 가동중이다. 5 지바대학 원예학부 Kozai 교수가재임하고있던 1990년대후반토요타의연구지원을 받아 2000 년완공된 폐쇄형식물생산연구동 에서 virus free 고구마 대량생산에관한연구후현재는학교에기부되어식물공장에관련된연구를 진행하고있다. 최근에는 GMO 백신생산용딸기와벼생산에관한연구, LED 에관한연구를수행하고있다. ( 주) 미라이회사를설립한시마무라 시케하루도치바대학출신이며, 오즈산업등미라이시스템을도입한식물공장은 지바대학과산학체계또는컨설팅에따른작물관리가이루어지고있다.

26 그림13. 오즈산업의완전제어형식물공장 그림14. 파소나그룹의완전제어형식물공장

27 그림 15. 카레타이탈리안레스토랑과서브웨이에설치된간이완전제어형식물공장 그림16. 큐피사의완전제어형식물공장 TS팜

정식에서 수확까지여름은 21 일, 겨울은 32~33 일소요되며, 배양액은 1~2 회/ 년 교체하며순환방식을채택하여관리하고있다.

28 그림17. 지바대학의연구용완전제어형식물공장 2) 태양광병용형식물공장 1992 년농업법인 결구상추( 사라다나) 로설립된엽채류태양광병용형 식물공장으로재배작물은반결구상추와파이다. 재배면적은약 3300m 2 로 (1000 평) 이며, 수확실과저온창고를확보고하고있다. 수경재배방식은 NFT방식이며연 14 회운영되며, 일일 2,800~3000 주를수확한다. 정식에서 수확까지여름은 21 일, 겨울은 32~33 일소요되며, 배양액은 1~2 회/ 년 교체하며순환방식을채택하여관리하고있다. 온실환경관리를위해난방은 주유보일러를사용하며, 여름철은차광과환기팬를가동하여배양액온도를 26 이내로확보하고있다. 반결구상추출고가격은포기당 50엔미만으로 수익성은좋지않지만, 지역내고용인력창출과, 기타딸기관광농원에서 수익을창출하고있다. 수확후포장된상품은저장시설에보관하면서백화점, 로컬마켓에유통되고있다. 최근완전제어형식물공장과관련하여농장주는 경제성을이유로앞으로의지속여부에대해서부정적인생각과함께생산에 큰영향을받지않는다고했다.

29 그림18. 태양광형병용형엽채류식물공장

30 참고문헌 1. 강승원, 백준필, 서상규, 김선형, 박권우, 이용범공역 식물공장. 월드사이언스 2. 농촌진흥청 식물공장생산시스템 - 연구동향분석과금후연구방향. 연구동향분석보고서 이용범, 전하준, 손정익등 신고시설원예학. 향문사 4. 이용범, 이병일, 김영식 식물공장의최적배양액관리자동화시스템개발. 농림부 5. 이용범, 김완순, 나택상 공장형장미생산기술및시스템개발. 농림부 6. 日本植物工場學會ハイテク農業ハンドブック. 東海大學出版會 7. 高速正基日本植物ハンドブック(Handbook of plant factory). 東海大學出版會 8. ( 주) 미쯔비시三菱綜合硏究所植物工場實態調査 9. Swedeponic UK) 10.

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