식물공장, 이렇게 짓는다.

식물공장, 이렇게 짓는다.

 

 

작성자 : 주) 카스트 친환경 농업기술 박선원 010-3539-5191

 

< 한국 표준형의 식물공장을 제시한다 >

 

식물공장을 설계하고 직접 지어서 운영하기까지의 경험을 하는 동안 우리나라의 실정에 맞는 보다 효율적인 식물공장은 어떤 것일까 하는 생각을 하게 되었다.

 

지금부터 제시하고자 하는 한국 표준형 식물공장은 이미 가동되고 있는 기존의 식물공장을 짓는 과정에서 겪어야 했던 많은 시행착오를 통해서 얻은 결과이다.

 

 

한국 표준형이라고 이름 붙이게 된 것은 다음의 몇 가지 이유에서다.

 

 

1. 한국 최초로 상용화 된 실제의 LED 전용 식물공장을 통해서 검증된 유일한 시스템이다.

 

2. 식물공장의 규모와 시설이 가장 합리적이고 효율적이다.

 

3. 경제적이다. 몇 가지의 방식 중에서 가장 저렴한 시설비와 편리한 운영방식이다.

 

4. 절전형이다. LED가 소모하는 전력을 정확하게 반으로 줄이는 방식을 택했다.

 

 

 

한국 표준형 식물공장의 제원

 

 

1. 건물의 규모 : 전체건물 가로 14m, 세로 21m. ( 전체면적 294 평방미터 ).

이 건물은 순수 식물공장 가로 9m. 세로 21m의 식물공장 본 건물 ( 189평방미터 ) 과 식물공장과 붙어 있는 보조건물 가로 5m. 세로 21m ( 105평방미터 )로 구성되어 있다.

 

2. 재배면적 : 가로 1.2m. 세로15m짜리 재배상 ( Bed ) 8단. 이와 똑같은 재배상이 4열 ( Line ). 재배면적 합계 576 평방미터.

 

3. LED 숫자 : LED 36개 부착된 길이 2m 의 LED Bar 672개.

( LED 합계 24,192 개 )

 

4. LED 전력 : 26 kW ( LED 한 개의 출력 1W )

 

 

이제부터 한국형 식물공장의 자세한 구조를 밝히고 어떻게 건설되고 운영되는지를 설명한다.

물론 식물공장은 이미 지어진 건물에서 내부시설을 할 수도 있으며 주어진 형태의 땅에 맞추어 건물을 지어서 할 수도 있다. 그러나 가장 합리적이고 효율적인 식물공장의 표준은 어떤 것인지 반드시 밝혀 둘 필요가 있다고 생각된다.

 

 

<1> 건물

 

 

건물은 단열 패널로 짓는다.

두께 100mm 단열 패널이면 충분하다. 물론 더 두꺼우면 좋다. 필자는 100mm 짜리를 사용했는데 단열에 별 문제는 없었다.

다만 패널의 이음새에 틈이 생기는 부분은 철저히 실리콘으로 막아야 한다. 빗물이 새어들지 않게, 그리고 해충과 병균이 침투하지 못하게 하기 위해서다.

 

식물공장의 앞쪽과 뒤쪽에 큰 문을 만들어야 한다. 식물공장이 완성될 때까지 모든 구조물과 양액설비를 들여가기 위해서다. 내부 구조물이 완성된 다음에는 문을 닫으면 밀폐되도록 부드러운 고무제품 등을 부착해서 공기의 유통을 막아야 한다.

 

창문은 필요 없다. 그러나 내부 구조물이 조립되어 가는 과정에서 앞 뒤의 문만으로는 길게 재단한 앵글이나 C 형강을 건물 내부로 들여가지 못하게 될 때 넣기 위한 임시창문이 필요하다. 나중에 내부 구조물 설치가 끝난 후에는 창문을 막아야 한다. 창문을 통해서 여름에는 엄청난 열이 들어오고, 겨울에는 많은 열을 빼앗기기 때문이다.

 

이렇게 쓰면서 필자도 느끼는 점이지만 식물공장이란 참으로 삭막하고 멋없는 건물이라는 생각이 든다. 가능한 모든 수단을 써서 에너지를 절감해야 하므로 어쩔 수 없다.

 

그런데 자주 미래의 식물공장이라는 그림을 보면 아주 여유로운 넓은 공간의 빌딩내부에 한쪽에는 식물이 자라고 있고 그 주변에 관광객이 한가롭게 산책을 하는 모습이 그려져 있다. 살충제를 전혀 사용하지 못하는 곳에서 해충이 침입하거나 식물이 세균에 감염되면 어떻게 하겠다는 건지 모르겠다. 또 그 넓은 유리면은 여름이나 겨울에 엄청난 에너지의 손실을 가져올 텐데 식물을 키운 수익으로 유지비를 감당할 수 있을지도 의심스럽다.

실제의 식물공장과는 전혀 맞지 않는 상상화일 뿐이다.

 

식물공장의 바닥은 고르고 수평이 맞아야 한다. 철구조물을 설치할 때 바닥이 고르지 못하면 오차가 생겨서 조립하기가 힘들어진다. 그리고 미리 지름 100mm 정도의 양액 회수 파이프가 지나는 곳에 바닥보다 밑으로 묻히도록 폭 30cm. 깊이 20cm정도의 홈을 만들어 두어야 한다. 양액 공급용 파이프는 위쪽으로 설치되지만 양액 회수용 파이프는 가장 밑층의 재배상보다 낮아야 하기 때문이다.

그리고 회수된 양액이 흘러들어 가도록 하기 위해서 양액 회수탱크는 지면보다 약 2m쯤 낮게 설치한다 그러기 위해서는 가로 1,2m. 세로 2m. 깊이 2m 정도의 웅덩이를 양액 설비가 들어설 곳에 만들어 두어야 한다.

 

건물의 내부 높이는 5.4m 정도가 적당하다고 생각한다. 8단의 재배상 높이가 약 4m이며 천장에 에어컨을 매달기 위해서는 1m이상의 공간은 있어야 한다.

 

에어컨을 요즘 방식대로 천장내부에 매립하면 보기에는 깔끔하겠지만 에어컨의 몸체에 부착된 더운 공기 흡입구가 천장 과 지붕 사이의 공기를 식물공장 안으로 끌어 들이는 결과가 되므로 반드시 천장 밑에 매달아야한다. 그리고 찬바람이 나오는 토출구는 한 대에 세 개씩 있으니까 되도록 골고루 배치해서 위치에 따라 온도 편차가 나지 않도록 해야 한다.

 

에어컨의 용량은 필자의 경험으로 추정했다. 기존 식물공장에는 길이 15m, 폭 9m의 건물에 5.6 kW 용량의 에어컨 3대를 설치했다. 재배상이 시작되는 위치에 1대, 재배상이 끝나는 위치에 1대, 그리고 재배상의 가운데 1대를 설치했는데 한 여름에도 3대를 동시에 켤 필요는 없었다. 그러니까 냉방능력이 충분하다는 결론이다.

 

기존 식물공장과 비교해서 재배상이 1.6배 큰 표준형 식물공장에는 같은 크기의 에어컨 4대를 설치하면 충분하다고 생각한다.

설치비까지 포함된 모든 비용이 대당 370 만원 정도이므로 전체 설비비는 약 1,500만원이든다.

 

건물의 규모는 전체 면적이 가로 14m. 세로 21m 이나 식물재배상만 설치한 가로 9m. 세로 21m의 높은 건물 부분을 편의상 식물공장이라 하고 붙어있는 낮은 부분을 보조건물이라고 한다. 되도록 저렴한 건축비와 냉난방의 에너지 손실을 막기 위해서 이렇게 짓는 것이 좋다.

 

마지막으로 왜 건물의 규모가 294 평방미터냐 하는 의구심에 관해서다.

식물공장을 하고 싶다는 사람들의 대부분은 너무 작다고 지적한다.

의욕이 넘쳐서일까 더 큰 규모를 원한다.

하지만 실제로 식물을 키워보면 이 정도의 크기가 결코 작은 것이 아니다.

 

아직 우리나라에 식물공장을 운영해본 사람은 없다. 처음에 너무 크게 시도했다가 시행착오 등의 혼란을 겪다보면 혹시 자신감을 잃을 지도 모른다는 걱정이 들기도 한다. 물론 클수록

면적당 효율은 조금씩 높아진다.

 

하지만 규모를 이정도로 정한 가장 큰 이유는 만일 바이러스에 감염되었을 때를 대비해서다.

 

식물공장 내부에서 어느 부분이든, 아주 작은 부분일지라도 바이러스감염이 확인되면, 그러니까 병이 발생하면, 공장가동을 즉시 중단하고, 대 청소를 한 다음 소독을 해야 한다.

농약이나 살충제를 사용하지 않는 식물공장에서 그냥두면 전체로 번지기 때문이다.

 

 

대청소를 하고 소독을 한 다음 발아과정부터 다시 시작해야한다. 그러자면 수확이 중단되는 기간은 약 25일 쯤 걸린다고 생각된다.

 

규모가 크면 그 손실은 엄청날 뿐 아니라. 모든 예정된 계획이 어긋나게 된다.

그런 피해를 막기 위해서 적은 규모의 식물공장으로 나누어서 보유하는 것이 유리하다고 생각된다.

 

그러나 같은 방법을 세균감염에 대비하는 수단으로 사용할 수도 있다.

정기적으로 일 년에 한번 가장 더운 시기에 약 일주일의 예정으로 휴식기를 가지면서 모든 재배를 중단하고 대청소와 소독을 하는 것이다.

 

아주 좋은 방법이라고 생각한다. 미리 감염을 예방하는 효과도 있고 휴식기 동안에 청소와 소독을 하면 더욱 청결을 유지하기가 쉬워질 테니까.

 

하여튼 그런 조건들을 고려해서 건물의 규모를 너무 크게 하기보다 작은 규모로 여러 개를 짓는, 운영하기 편한 쪽을 선택하게 된 것이다.

 

식물공장을 운영해 보고 자신감이 생기면 그 경험을 바탕으로 한 개 더 지으면 된다.

다음 사진은 한국 표준형 식물공장의 투시도와 평면도, 측면도, 그리고 정면도이다.

사진 1 : 투시도

사진2 : 평면도

 



사진 3 : 측면도




사진 4 : 정면도

 

 

* 참고사진 : 카스트식물공장 식물공장 전경

 

 

 

< 2 > 내부 구조물

 

식물공장은 수경재배방식이다. 아래층과 위층의 좁은 공간에서 수경재배가 아니고서는 모종을 심고 ( 정식하고) 수확하는 작업이 불가능하기 때문이다.

 

내부 구조물은 식물재배상 ( Bed )을 설치하기 위한 철제 구조물을 말한다.

 

전체 길이 21m에서 순수 재배상의 길이는 15m이다. 재배상의 폭은 1.2m이며, 이런 재배상을 밑에서부터 위로 8단 설치한다. 이 8단의 재배상을 한개의 라인이라고 하면, 이런 라인을 4개 설치한다. 그러니까 폭 1.2m. 길이 15m의 재배상이 합계 32개 설치된다.

 

그리고 각 라인과 라인 사이는 720mm의 간격을 두어서 통로로 사용한다. 그리고 이 통로

의 5단 재배상 높이에는 2층 복도를 만든다. 그러니까 복도는 5개가 되며, 앞뒤 복도까지 합해서 전체의 복도는 7개가 된다.

 

복도는 가로 걸쳐진 앵글위에 폭 290mm짜리 ( 두께 40mm )방부목을 두 개 깔면 적당하다. 약간의 틈새가 생기는데 이 틈새는 에어컨의 찬 바람이 복도 밑에까지 골고루 전달되도록 도와주는 결과가 되어서 오히려 좋다. 앞쪽과 뒤쪽의 복도는 자주 사람이 다니므로 폭이 더 넓다. 여기는 방부목 3개를 깔면 된다.

 

1단에서 4단까지는 지면에서 수확하고 5단부터 8단까지는 2층 통로에서 수확한다.

육묘를 심거나 수확할 곳을 찾기 위해서 재배상을 찾아 다니며 살펴 볼 필요가 없다.

아무런 도구도 필요없이 한 자리에 서서 식물을 심고 ( 육묘판을 밀어 넣고 ) 서있는 곳까지 밀려온 다 자란 식물을 수확하는 것이다.

 

구조를 달리하는 또 다른 방식의 식물공장에서는 육묘를 심거나 수확할 때 좌우로 또는 아래위로 이동하는 리프트를 타고 다니도록 되어 있기도 하다.

이 방법은 육묘를 가지고 리프트를 타고 올라가서 심어야 할 빈자리를 찾아서 심고, 수확해야 할 자리를 찾아서 수확한 다음 내려와야 한다. 불편하고 시간도 많이 걸린다.

 

구조물 설치에 관해서 좀 더 자세히 설명하자면 8층의 제배상을 설치하기 위한 기둥은 미리 도금이 된 C형강( 100 * 50. 뚜께 3mm )으로 만들고 재배상을 받쳐주는 모든 철제는 앵글을 사용한다. ( 40 * 40. 두께 3mm. 복도 밑에는 두께 4mm ) 앵글은 조립하기 좋도록 가공해서 조금 가격이 비싸도 도금을 하는 것이 좋다. 필자는 도색을 했는데 칠이 벗겨지거나 생각보다 빨리 녹이 슬어서 보기도 싫고 계속 덧칠을 해야 하므로 불편하다.

 

재배상의 아래위 간격은 480mm로 정했다. 이보다 더 높이 하면 4단의 식물을 수확할 때 손길이 닿기 어려워진다.

 

여기서 처음 식물공장을 지을 때 필자가 고심했던 것은 양액이 공급되는 앞쪽과 양액을 회수하는 반대쪽과의 경사를 어떻게 해야 좋을지 몰랐다. 실제로 만들어 본 결과 같은 높이로 해도 좋다는 결론을 얻었다.

 

철구조물이 완성되면 스티로폼으로 만들어진 재배상을 얹는다. 폭은 1.2m, 길이 1m로 만들어서 판매하는 재배상을 차례로 끼우면서 연결해 나가면 된다. 그리고 그 위에 농업용 비닐을 깔고 뒤쪽에는 양액회수 파이프를 설치하면 재배상은 완성된다.

 

스티로폼으로 만든 1m 짜리 재배상 한 개 가격이 10,000원이니까 15m의 재배상의 가격은 150,000원쯤이라고 예상하면 된다. 그와 똑같은 재배상을 32개 설치한다.

 

식물공장의 앞쪽, 모든 재배상이 시작되는 곳, 그러니까 모종을 정식한 스티로폼 판을 투입하는 곳에서 양액을 공급한다. 재배상마다 수도꼭지처럼 설치해서 양액을 공급하면 이 양액은 수확하는 뒤쪽으로 흐르고 여기서 양액을 회수한다.

 

회수 파이프는 수압이 없으므로 싱크대의 물 빠지는 곳처럼 설치하면 되지만 안쪽에 파이프는 약간 돌출되어 있도록 해두면 양액은 그 돌출된 높이만큼 유지되고 넘치는 만큼 흘러나온다.

 

* 참고사진 : 카스트 식물공장의 내부 설비 사진
 

 

 

 

< 3 > 양액 공급시설

 

양액 공급시설에 관해서는 필자도 식물공장을 하기 전까지는 몰랐었다.

지금도 조금밖에 모른다.

필자는 전문 업체에 의뢰해서 양액시설을 했다.

수경재배 전문인이라고 할지라도 시설은 전문 업체에 의뢰해서 만들게 된다.

 

지금 양액 공급시설을 말하고자 하는 것은 아직 한 번도 접해보지 못한 사람들이 막연하게 양액공급은 자동으로 이루어진다고 하니까 왠지 복잡하고 어려운 것처럼 받아들일 것 같이 생각되어서다. 물론 양액의 부족해진 성분을 자동으로 보충해주고 하는 정도의 자동화는 필수적이다. 이미 모든 양액전문업체가 그런 설비를 하고 있다.

 

미래의 식물공장에 관한 자료를 보면 식물공장의 < 완전 자동제어 시스템 >을 위한 < 식물공장 운영 소프트 웨어 >의 개발이 우선 이루어 져야 한다는 등 막연한 주장을 하는 사람들이 있다.

 

필자의 기존 식물공장에서 사용하는 모니터를 공개한다.

바로 이런 것을 두고 하는 말인지 아니면 훨씬 고급화 된 어려운 장치가 따로 필요한 것인지 필자도 궁금하다.

* 참고사진 : * 제어실 전경 사진

 

* 제어실 모니터 화면 사진

 

사진설명 : 양액이 공급되는 전과정을 실시간으로 보여준다.

모든 탱크의 담수량이 표시되고 작동하고 있는 펌프를 알려준다.

제어실에서 양액의 농도설정과 혼입 상태 등 전 과정을 파악할 수 있다

 

 

양액순환은 물론, 부족한 성분을 보충해 주는 양액혼입, pH 조절, EC( 전해질 농도 )조절, 온도 조절, 탄산가스 조절이 자동으로 이루어지고 이 상황을 컴퓨터를 통해서 실시간 파악하는 정도면 충분하다고 생각한다.

필자의 식물공장도 그렇게 하고 있다. 운영하는데 전혀 불편하지 않다.

 

혹시 누군가 씨앗이 자동으로 심어지고 성장과정에 맞추어서 자동으로 수확되고, 자동으로 포장되어서 자동으로 라벨까지 부착되어 나오는 시설을 상상하고 있는 것은 아닐까.

물론 그런 시설을 할 수도 있다. 그래도 결국 사람의 손은 필요한 만큼 필요하다.

 

하지만 가장 중요한 것, 식물을 키워서 수익을 창출해야 한다는 사실을 잊어서는 안된다.

 

 

먼저 양액을 만들기 위해서 수돗물이나 지하수를 받아 두는 탱크가 있어야 한다. 여기 공급되는 물을 원수라고 한다.

 

이 원수탱크의 크기를 계산하는 공식은 없는 듯하다.

그래서 지름 1,650mm, 높이 2200mm 의 3톤짜리 둥근 통을 사용하기로 했다. 원수가 모자라면 언제든지 자동으로 보충되니 크기가 문제되지는 않을 듯하다.

 

다음 양액탱크는 좀더 큰 지름 1920mm, 높이 2320mm의 5톤짜리를 쓰기로 했다.

 

만일 모든 재배상에 양액이 흐르고 있는 상태 (가동되는 상태 )일 때 양액의 수면 높이가 2.5cm라면 전체 양액은 14.4 톤이 된다. 양액탱크가 전체 양액에 비해서 너무 작은 것일지도 모른다.

그러나 전체 공장을 한꺼번에 시작하지는 않고 순차적으로 가동하게 될 테니까 걱정하지 않아도 된다. 상황에 따라 원수와 비료성분을 보충해 가면 된다.

 

그런데 양액탱크는 두 개를 설치하는 것이 좋다.

특성이 다른 두 종의 작물을 키우게 될지 모르기 때문이다.

성분이 다른 앵액을 사용하게 되는 경우를 대배해서다.

물론 순환 파이프 등의 구조가 더 많아진다.

그렇다면 양액탱크도 3톤짜리 두 개를 설치하면 된다.

 

양액탱크의 양액은 펌프로 재배상의 가장 높은 8단까지 올려 져서 재배상에 공급된다.

그러면 양액은 재배상을 흘러서 반대편의 회수 파이프가 있는 곳에서 회수된다.

이렇게 양액은 계속 순환하고, 그러는 동안에 부족해진 비료성분을 센서가 감지해서 자동으로 보충 받게 된다.

 

양액은 A 성분과 B 성분, 둘로 나누어서 각각 다른 탱크에 담아 두고 필요할 때 혼입펌프로 섞여서 들어가도록 한다.

A성분은 질산칼슘 등 4종의 성분이며, B성분은 인산암모늄 등 8종의 성분이다. 미리 섞어두면 변질되거나 하므로 A양액과 B양액으로 따로 준비했다가 사용할 때 섞어서 쓴다.

양액의 성분이나 섞는 비율은 많은 수경재배 전문인들로부터 그 기술이 일반화 되어 있고 좋은 책도 있다. 전문업체 선택이나 시설하는데 별 어려움은 없다

 

* 참고자료 : 카스트 식물공장의 양액 혼합비율

KAST 식물공장에 사용되는 배양액 조건표 - 물1톤 (1,000ℓ)당 양액 포함량

질산칼슘	400g	A 양액
질산칼륨	600g
키레이트철	25g
제1인산암모늄	90g	B 양액
황산마그네슘	250g
붕소(붕산)	3g
망간	2g
아연	0.5g
구리	0.2g
몰리브텐산나트륨	0.1g

*KAT 식물공장의 양액 혼합비율은 도표와 같다. 이 양액혼합비율은 특히 엽채류와 과채류재배에서는 안정된 사용이 많은 시험을 통해 입증된 상태이다.

여기서 육묘장의 운영에 관해서 잠깐 언급한다.

모든 식물공장과 수경재배를 하는 곳에서 육묘장은 필수적이다.

그러나 한국 표준형에서는 육묘장을 따로 만들지는 않았다.

육묘장의 면적은 전체 재배면적의 약 16분에 1 정도면 여유가 있다.

 

육묘장에서 자란 모종이 재배상으로 이식될 때 보통 그 면적이 15~20배 넓어지기 때문에 이런 비율이 나온다.

 

표준형 식물공장의 재배상 ( Bed )은 32개다. 그 32개 중에서 2개를 육묘용으로 사용하면

비율도 적당하다. ( 이때 육묘장과 재배상의 비율은 1 : 15 가 된다 )

 

육묘장이라고 따로 공간을 만들어서 사용하는 것보다 번거롭지 않고 훨씬 편하다.

재배상을 둘러보며 육묘장의 상태도 함께 점검할 수 있으니까.

 

다만 육묘용 재배상의 양액공급 파이프와 양액회수 파이프는 따로 설치해야 한다.

약 600 리터 짜리 조그만 양액통과 양액공급용 일반 비닐 호스, 그리고 싱크대의 물 빠지는 배수구와 작은 수중펌프 한 개만 있으면 된다.

양액을 따로 취급하는 것은 아직 어린 육묘는 일반 양액보다 묽은 양액을 공급해 주어야 하기 때문이다.

 

 

그리고 육묘용에는 보통의 재배상보다 LED를 약 1.5배 이상 설치해야 한다.

육묘는 키가 작아서 LED를 더 낮게 달아야 하는데 그러다 보면 LED의 조사각 범위를 벗어나게 되어서 어떤 육묘는 빛을 충분히 못 받게 되기 때문이다. 좀 더 많은 숫자의 LED를 써서 낮게 골고루 비춰주면 육묘는 아주 빨리 자란다.

또한 육묘장에서의 LED증설은 좀 더 빠르게, 그리고 튼튼한 모종을 키우기 위해서다.

필자도 이렇게 육묘장을 운영하는데 정말 놀랍도록 빨리 자란다.

 

* 육묘재배상의 사진

 

< 4 > LED 조명

 

식물공장에서 가장 중요한 부분은 LED조명이다.

앞에 설명한 모든 시설은 누구나 따라서 할 수 있다. 그러나 LED조명은 단순하게 남의 시설을 보고 따라서 할 수는 없다. LED를 활용하기 위해서는 고도의 전자지식이 필요하기 때문이다. 물론 식물공장을 소유하는 사람이 그런 지식을 갖추어야 할 필요는 없다.

그러나 LED의 특성정도는 알아야 올바른 사용법을 선택할 수 있다.

 

아주 쉽게 LED의 특성과 실제로 식물공장에서 사용하고 있는 방법을 설명하겠다.

 

LED는 지금까지의 조명과는 다른 특성을 가지고 있다.

 

LED는 전기를 빛으로 전환하는 효율이 뛰어나다. 그리고 수명이 무척 길다.

하지만 그 효율성과 수명이 길다는 것만으로 LED를 광원으로 사용하는 것은 아니다.

LED는 햇빛이 가지고 있는 모든 색깔의 빛을 가지고 있기 때문이다.

 

LED가 사용 된지는 오래 전부터이지만 1999년 일본의 슈지 나카무라 박사가 청색 LED를 발명하므로 비로소 햇빛의 모든 빛을 구현하게 되었다. 그러니까 LED릏 이용해서 식물을 성장시킬 수 있게 된 역사는 극히 짧은 시간이라고 할 수 있다.

 

지금은 용도에 맞는 빛의 LED를 구입해서 사용할 수 있게 되었다.

누구나 450 나노미터 파장의 청색 LED와 660 나노미터 파장의 적색 LED를 구입해서 식물공장에 사용하면 된다.

 

그러나 LED는 더욱 중요한 특성, 적어도 식물공장에서만큼은 가장 중요한 또 하나의 특성을 가지고 있다.

 

다른 모든 전기제품과 다르게 LED는 on/OFF 특성이 뛰어나다는 것이다. LED는 아주 빠르게 on/OFF를 반복해도 과도전류현상( Rush Current )이 없다. 1초에 10,000회까지도 점멸시킬 수 있고, 그렇게 빠르게 점멸해도 전력손실이 없다는 것이다.

 

이 특성은 식물공장에서 엄청난 효과를 가져다준다.

LED가 켜져 있는 시간과 꺼져 있는 시간이 같으면 전기사용량은 정확하게 반으로 줄어든다.

 

한국 표준형 식물공장( 294 평방미터 )에서 재배면적은 576 평방미터다.

재배면적 1평방미터에 45W의 LED를 사용하게 되면 전체 LED의 소모 전력만 26kW 이다.

전기 사용량이 너무 많다.

LED를 조명등이나 신호등처럼 단순조명으로 사용하면 전기사용료를 감당하지 못한다.

식물성장에 가장 효과적인 형태이면서 전력소모를 줄여주는 빛을 만들어서 조명해야 한다.

 

 

식물의 광합성작용에는 명반응과 암반응이 있다고 한다. 모든 식물은 계속적인 빛의 조사보다 아주 빠르게 점멸되는 빛( 펄스전압 인가방식 : Pulse )에서 더 빨리 성장한다는 것이다. 이 이론은 이미 정설로 되어있다.

바로 이런 이유에서 LED의 고속 on/OFF특성이 식물공장에서 전기사용량을 반으로 줄여 주는 가장 중요한 특성이 되는 것이다.

 

필자는 이 특성을 어떻게 활용하느냐가 식물공장의 성패를 결정할 것이라고 확신한다.

 

물론 필자의 식물공장에는 이 방법으로 LED조명을 하고 있다.

 

 

한국 표준형 식물공장의 LED조명 방법은 현재 운영되고 있는 식물공장의 방식을 그대로 적용한다.

수차례의 시행착오와 지속적인 시험을 거쳐서 검증된 유일한 방법이며 실제로 기대 이상의 식물성장 효과를 보이고 있기 때문이다.

 

o LED 바 ( Bar )

 

우선 LED 바 ( Bar )의 제작방법과 사용되는 LED의 숫자를 밝힌다.

 

LED 바 ( Bar )의 길이는 2m 이다.

이 한 개의 바에는 1W급 LED 36개가 50mm 간격으로 부착되어 있다.

LED가 가장 열손실이 적은 발광체이긴 하지만 열이 발생한다.

때문에 열 발산을 위해서 바는 전도율이 좋은 알루미늄으로 만들어야 한다.

 

같은 재질의 모든 방열판의 방열효과는 대기와 접한 면적에 비례한다. 물론 그 효과를 높이기 위해서 더 두껍게 만들 수도 있다.

 

방열판은 클수록 좋다.

그러니까 대기와 닿는 면적이 적은 방열판으로 더 큰 방열판과 같은 효과를 낼 수 있다고 주장하는 것은 틀린 주장이다.

 

열을 발산시키기 좋고 또 다루기 편해서 2m로 정한 것이다.

 

한국 표준형 식물공장의 2미터짜리 LED 바 한 개는 660nm파장의 적색 LED 24개와 450nm파장의 청색 LED 8개, 그리고 백색 LED 4개가 알맞게 배열되어 있다.

 

위의 LED배열은 그동안 실제의 식물시험을 통해서 얻은 가장 효율적인 배열이라고 생각된다.

빛 스펙트럼으로는 어떤 모양인지 사진을 공개한다. 
  



< 사진설명 >

 카스트 식물공장에서 사용하는 LED 바의 빛 스펙트럼이다.

450 nm의 청색 빛 1과 660 nm의 적색빛 3의 파형이고 가운데 조금 돌출된 황색, 녹색의 파형은 흰색 LED 때문이다.

 

이런 LED바를 폭 1,2m 의 재배상에 3개씩 부착한다. 그러니까 15m의 재배상 한 단에 21개의 LED바가 부착된다. 그러면 LED는 756개로서 1 평방미터 당 45개가 된다.

 

1 평방미터에 45개의 LED는 여러 차례의 시험을 거쳐서 알게 된 가장 알맞은 숫자이다.

 

더 적은 숫자의 LED를 켜면 가격은 낮아지겠지만 식물이 잘 자라지 못하고 약하거나 제 빛깔을 내지 못한다.

상추의 경우 안토시안이 발현되지 않아서 적색 빛깔은 잘 드러나지 않고 잎이 연두색으로 보이며 얇아서 힘이 없고 부드럽다.

 

모든 식물은 어느 수준 이상의 빛이 있어야 자라기 시작하는 광 보상점이 있고, 또 빛이 어느 수준을 넘으면 식물이 다 받아드리지 못하는 광 포화점이 있다. 광포화점이 넘는 빛은 손실이므로 그 이상 켤 필요는 없다.

 

식물이 잘 자랄 것인지 아닌지를 알아보는데 흔히 빛의 밝기를 나타내는 룩스 ( lux )를 가지고 판단하는데 사실 룩스는 식물성장하고는 별 관계가 없다.

 

식물의 광합성에 필요한 빛은 PPFD ( Photosynthetic Photon Flux Density )의 단위인 마이크로 몰로 나타낸다.

µmolm-2s-1 < 마이크로 몰 퍼 스퀘어 미터 퍼 세컨드 >이다.

그냥< 마이크로 몰 >이라고 부른다. 광합성용 광양자속 밀도를 의미한다.

1 평방미터에 1초동안 떨어지는 광양자의 양을 말한다.

 

lux는 사람의 눈으로 보는 밝기일 뿐으로 식물이 광합성하는데는 필요한 빛은 아니다. 태양빛이나 형광등에서 발하는 흰색 빛은 모든 빛이 모여서 만들어 진다. 그 빛의 밝기를 표시하는 단위가 룩스다.

 

그런데 그 중에서도 가장 많은 에너지 분포대를 가진 녹색 빛은 식물이 받아들이지 않고 반사해 버린다. 그래도 태양은 워낙 풍부한 빛을 가지고 있어서 식물성장에 문제가 없으나, 전기를 소비하면서 발생되는 형광등의 흰색 빛에는 식물한테는 소용없는 빛이 55%나 포함되어 있으니 그만큼 낭비하면서 손해를 보는 셈이다.

 

그런 이유로 식물이 잘 자랄지 여부를 판단하는 기준으로 룩스는 맞지 않는다는 것이다.

 

그럼 마이크로몰과 룩스위의 관계를 알아본다.

 

어떤 광원이 1 µmolm-2s-1일 때 그 빛을 lux로 측정해 보면 다음과 같다.

 

광원 lux

 

태양광-----------------54

백열등---------------- 50

형광등-----------------74

고압 나트륨 등-----------82

적색 LED (660nm)--------9.94

청색 LED (450nm)--------11.9

백색 LED (Warm white)---- 68.2

녹색 LED (530nm)---------101

 

형광등을 사용하는 일본의 식물공장에서 실제로 22cm의 높이에서 10,000 lux를 켜고 있다.

대단히 많은 양의 전기를 사용하고 있는 것이다. 또한 형광등이 발생시키는 열을 식혀 주기위한 냉방기의 전기사용량도 엄청나다.

위의 표를 보면 10,000 lux의 빛은 135 µmolm-2s-1이 된다는 뜻이다.

 

LED를 이용해서 그 빛을 발생시키려면 눈으로 보기는 어두울지라도 가장 유리한 빛은 적색 LED(660nm)라는 것을 알 수 있다. 다시 말하지만 형광등은 많은 전기를 낭비하고 있다는 것을 알 수 있다.

 

그런데 LED만으로 식물을 키운다는 곳을 다녀보면 아직도 형광등과 같은 백색 LED를 주로 사용하는 것을 볼 수 있다. 눈으로 보기엔 밝아서 식물이 잘 자랄 것 같아 보인다. 그러나 전혀 그렇지 않다. 빛의 효과를 눈으로 보이는 밝기만으로 판단하는 생각을 바꿔야 식물공장에 필요한 빛을 보게 된다.

 

예를 들면 3파장 형광등 빛에는 식물성장에 도움이 안 되는 빛이 약 55% 포함되어 있고, 백색 LED빛에는 필요 없는 빛이 약 45% 포함되어 있다.

 

식물공장에서 형광등이 불리한 이유는 몇 가지 더 있다.

 

형광등의 광 변환효율은 LED보다 떨어지므로 더 많은 열을 발생시킨다.

형광등은 유리관이 뜨거워서 식물 가까이 켜지 못한다.

형광등에서 발생되는 열은 에어컨으로만 냉각시켜야 하므로 전력손실이 더욱 많아진다.

 

빛에 대한 잘못된 정보가 워낙 많은 실정이므로 옳은 판단이 어려워질 것 같아서 지적해둔다.

 

더 염려스러운 것은 식물공장의 핵심을 거론하는 사람이 없다는 것이다.

 

어떤 LED를 몇 개 사용해서 몇 V 의 전압을 인가했고, 몇 mA의 전류를 흐르게 했더니 몇 W 가 되었고, 몇 cm의 거리에서 몇 µmol 이 나오더라. 이런 방식으로 조명을 하면

빛 스펙트럼은 어떻고, 식물은 어떻게 성장한다고 말해야 하는데 그러는 사람이 없다.

 

위의 글에 맞는 정확한 수치가 식물공장에서 가장 중요한 핵심이다.

 

그런데 식물공장에 관한 여러 모임에서조차 이런 중요한 수치를 정확하게 제시하는 사람은

없다.

 

그러면서 몇 차례의 수확이 가능하고, 몇 포기의 채소를 생산한다는 등의 발표를 한다.

식물이 자라는 최적의 조건을 모르면서 어떻게 정확한 수확량을 예측하는지 모르겠다.

식물의 수확량을 몇 포기로 말하는 것도 잘못이다. 큰 포기와 작은 포기의 차이는 너무 커서 정확하지 않다. 식물의 수확량은 무게 ( g )으로 표시해야 한다.

 

또 미래의 식물공장이라는 그림을 보면 실제의 식물이 자라는 모습과는 다르다.

그래서 식물공장의 겉모습까지 완전히 다른 그림이 많다.

식물공장에 관한 많은 정보가 신뢰하기 어려운 부정확한 것들이다.

 

 

평균정도의 광 보상점인 약 30 µmolm-2s-1 이 넘으면 식물은 자라기는 한다.

 

1W 짜리 LED 36개가 부착되어 있으므로 바 하나의 출력은 36W 이다.

이 바 한 개는 0.8 평방미터의 재배상에 20cm의 높이에서 약 75 umolm-2s-1의 광양자를 발산한다.

 

다시 말해서 식물이 자라는 지면에서 20cm높이에 이런 LED 바를 달아두면 식물이 잘 자라는 수준의 PPFD 를 얻을 수 있다.

 

한국형 식물공장의 재배면적 1평방미터에는 LED 바 1.25개( LED 45개 )가 장착된다. 이 정도면 대단히 많은 숫자다.

1W급 LED 한 개가 약 2,200 원 이니까 바 한 개의 LED 가격만 70,000원이 넘는다.

1 평방미터의 LED 45개 가격은 약 100,000 원 정도가 된다.

 

전기를 소모해서 인공광을 만들고, 그 빛으로 식물을 키우다 보면 빛이 얼마나 소중한지 알게 된다. 정말 그렇다. 꼭 필요한 빛을 정확하게, 그리고 알뜰하게 사용해야 한다.

 

 

∎KAST의 LED Bar 조도 측정표(아래는 연속 사용일때)

 

측정지점……………………………… µmolm-2s-1……………………..……….lx

a………………………………………………122.22…………………………..……….2752

b………………………………,,,,,………….121.59…………………………….……2722

c…………………………………,,,,,……….82.62……………………………….…….1867

d………………………………,,,,,,…………120.7……………………………….…….2715

e………………………………,,,,,………….115.6……………………………….……2638

f………………………………,,,,,……,…….90.24…………………………….………2024

g………………………………,,,,,,…,……..86.69…………………………………….1967

h…………………………………,,,………..86.06……………..……………………….1936

i…………………………………,,,,………….64.45………….…………………………1456

전체 평균……………………,,,,,…,…..92.03……………….……………………..2230

 

LED를 효율적으로 사용하는 아주 중요한 또 한 가지 방법은 식물로부터의 LED 높이를 조절하는 것이다.

처음 육묘판에서 정식된 식물은 키가 작다. 그 위에 켜진 LED와의 간격이 많다. 그래서 식물에 도달하는 빛이 적다. 많은 양의 빛이 달아나 버린다.

너무나 아까운 일이다.

 

LED의 높이 조절방법은 반드시 필요하다.

만일 20cm의 높이에 달려있는 LED를 10cm 낮춰 주기만 해도 식물에 도달하는 빛은 4배 많아진다. 당연히 성장속도가 4배 빨라진다. 식물이 자라는데 따라서 LED의 높이를 조절해 주면 참으로 알뜰하게 LED의 빛을 이용하는 것이 되며, 다시 말해서 전기를 아끼는 것이다.

 

그 장치를 어렵게, 복잡한 기구를 써서 할 필요는 없다. 더구나 모터 등을 이용해서 자동으로 할 필요는 전혀 없다. 매일 높이 조절을 하는 것도 아니고 며칠에 한 번씩 잠깐이면 되는걸 자동식이라며 돈을 들일 필요가 없다.

 

그냥 LED 바가 달려있는 앵글이나 또는 그런 걸침막대를 손으로 잠시 들고 낮은 곳에 걸거나 높은 곳에 걸면 되도록 만들어 두면 된다. 그런 간단한 장치가 엄청난 도움을 준다.

 

 

 

* 참고사진 : 재배상 식물자라는 모습

 

o LED 컨트롤러

 

다음에는 LED 조명용 컨트롤러에 관해서다.

LED 컨트롤러란 LED를 점등하기 위한 기구이다.

 

가정이나 공장에서 공급받는 모든 전기는 교류전기 (AC) 이다. 가정에서는 보통 220V를 공급받고 공장 등 규모가 큰 산업체에서는 더 높은 전압의 전기를 공급받는다.

LED를 점등하기 위해서는 직류전기 (DC)가 필요하며 LED 1개를 점등하기 위한 전압은 2V, 3V 또는 그 정도인데, 공급받는 전기와 달라서 LED를 바로 점등할 수가 없다.

 

우리가 공급받는 전기를, LED를 켤 수 있는 전기로 바꿔주는 기기를 변환기, 또는 컨버터, 또는 정류기라고 한다.

 

이런 정류기를 지칭하는 말은 여러 가지 있다. 이런 명칭을 혼용하고 있는 실정이므로 이것도 한번 정리해야 할 필요가 있다고 느낀다.

* SMPS ( Switching Mode Power Supply ) : 스위칭 방법으로 정류하는 전원 공급기라는 뜻이다. LED 점등뿐 아니라 모든 기기의 직 류전원이다. 최근의 모든 정류기는 이 방식을 택하고 있다. 가볍고 많은 용 량의 전력을 공급한다. 고장나면 수리하기 어렵다 . 약간의 전압조종이 가능하다.

* Converter ( 변환기 ) : AC를 DC로 바꿔 준다는 뜻의 정류기이다. 거의 모든 Converter는 SMPS 방식이다. 역시 약간의 전압조종이 가 능하다.

* Power Supply ( 전원 공급기 ) : 교류를 직류로 바꾸는 용도의 모든 정류기를 Power Supply 라고도 한다.

다시 말하면 주파수 변환 등 특수기능이 포함되지 않은 LED 점등용은 컨버터, 변환기, SMPS, Power Supply 라고 하는 모두가 교류전기를 직류전기로 바꾸어 주는 정류기로서 그 기능이나 용도는 같은 것들이다.

 

위에 열거한 모든 정류기는 LED의 조명등, 신호등을 단순 조명하는데 쓰이고 있다.

물론 식물을 재배한다는 모든 곳에서 지금까지도 단순 조명방식으로 조명을 하고 있다.

 

지금까지 식물공장에서 단순조명 방식이 가능했던 것은 전시용에 불과한 소규모였기 때문이다.

 

 

앞에서 언급했듯이 한국 표준형 식물공장 규모 294 평방미터에서도 LED점등에만 26kW의 엄청난 전력을 소모한다.

만일 본격적인 식물공장에서 이 정도의 규모로 10동을 짓는다면 어떻게 될까.

단순조명방법이라면 그토록 큰 규모에서의 전기사용료를 감당하기 어렵다.

 

그래서 대규모 식물공장에서는 더욱 복잡한 기능의 LED 컨트롤러가 필요하다.

컨트롤러는 식물성장에는 효과적이면서 전력소모는 줄여주는 LED 점등방법이어야 한다.

다시 말해서 필요에 따라 임의로 LED의 점멸시간 선택이 가능하도록 만들어야 한다.

 

아주 빠른 점멸시간의 선택은 더욱 효과적이면서도 전력소모는 정확하게 반으로 줄여주기 때문이다.

 

명반응( 광화학반응 )과 암반응( 효소반응 )의 시간을 200 마이크로 초 ( 5000 분에 1초 )대로 설정한 실제의 점멸시간을 오실로 스코프로 찍어 보았다.

 

 

* 이 사진은 (주) 카스트 친환경 농업기술의 식물공장에서 사용하고 있는 LED 컨트롤러 Model : SF - 6030을 이용해서 찍은 사진이다.

 

 

Duty Time 50% <200/200 µsec>

 

Duty Time 33% < 133/266 usec >

 

Duty Time 25% <100/300 µsec>

위의 방식으로 조명을 한 시험결과를 간단히 도표로 만들었다.

 

< 시험조건 >

1. 시험기간 : 2010년 3월 18일 ~ 4월 14일

2. 시험면적 : 가로 27cm, 세로 45cm의 재배상 2개씩

3. 재배품목 : 상추 24포기

4. LED : 1W급 LED 28개 ( 조사거리 25cm)G

5. umolm-2 s-1 : 평균 54.5 ( lux 평균 1,355 )

 

 

< 시험결과 도표 >

시험항목	T1	T2	T3	T4	T5	T6
조명방식	연속조명	200µs/200µs on/OFF	133µs/266µs on/OFF	100µs/300µs on/OFF	연속조명 초록색추가	형광등
소비전류	350mA	ON:450mA 평균:225mA	ON:600mA 평균:200mA	ON:700mA 평균:175mA	350mA	18W 형광등 4개
소비전력(손실포함)	35.6w	27w	20.7w	18.4w	35.6w	84w
상추수확량(g)	429g	415g	353g	399g	394g	417g
상추100g당 소비전력(kwh)	5.17	4.59	3.65	2.80	5.63	12.56
상추100g당 전기요금(원)	136.2	120.9	96	73.8	148.2	330.5
적색발현정도 순위	1	4	5	3	6	2

 

 * 이 시험은 식물공장과 같은 밀폐된 공간이 아니므로 방열을 위한 냉각용 소비전력은

제외되었음. 냉각용 소비전력까지 포함하면 훨씬 더 큰 차이를 나타냄

 

* 이 시험에 관한 자세한 자료는 직접 시험을 주관한 (주) 카스트 친환경 농업기술의 대표

박 후원의 연구보고서 < 식물공장과 LED조명의 과학적 고찰 5 > 에 있음.

 

위의 도표를 보면 전기사용료 부담을 줄이는 확실한 방법일 뿐 아니라 국가적인 에너지 절약차원에서도 큰 몫을 하게 된다.

 

앞으로 식물공장에서 사용하게 될 모든 LED컨트롤러는 기본적으로 위의 기능을 갖추어야 될 뿐 아니라 다음의 조건을 충족하는 방식으로 제작되어야 한다.

 

 1. 컨트롤러를 식물공장 밖에 설치할 수 있어야 한다. - 컨트롤러 또는 컨버터에서 거의 모 든 열(총 공급전력의 약 15%)이 발생한다. 컨버터를 LED 바에 부착하는 방식은 컨버터 에서 발생되는 열을 실내에 방출하므로 이 열을 식히기 위해서 에어컨을 가동하는데 또 많은 전기가 소비된다.

  2. LED 바에 연결되는 선은 직류 50V 미만 이어야 한다. - 건물 전체가 철재로 구성된 식 물공장에 가정선(220V)으로 배선을 하면 감전의 우려가 있어서 위험하다.

  * 참고사진 : LED 컨트롤러 ( Model : SF - 6030 )

 

  다시 한 번 강조하지만 식물공장은 소모되는 전기의 양과 생산되는 식물의 양과의 치열한 전쟁터 바로 그 현장이다.

오직 전력소모 절감만이 식물공장의 이익과 경쟁력을 키워준다.

 

그래서 LED 응용기술이 식물공장의 핵심이 된다.

 

LED 조명에 관한 설명이 길어 졌다. 그러나 식물공장에서 가장 중요한 분야인 만큼 어느 정도는 알아둘 필요가 있다고 생각되었다.

5. < 맺는말 >

  이제 식물공장의 장점을 새삼 강조할 필요도 없다.

앞으로 곳곳에 식물공장이 등장하게 되는 것은 틀림없다.

 

이 새로운 기술이 정착화 되지 않은 초기단계에서 부정확한 정보가 넘쳐나고 있다.

필자는 경험으로 알게 된 정확한 정보를 제공하고, 또한 식물공장을 짓는데 더욱 저렴하고 효율적인 시설 투자비, 그리고 편리한 운영방법을 하나라도 더 찾아내려고 노력했다. 그러나 아직 미흡한 듯해서 아쉬운 마음이 든다.

 

누군가 이런 글을 바탕으로 더 좋은 기술을 찾아내어 많은 사람에게 보급했으면 좋겠다.

특히 직접 농업에 종사하는 농민들이 새로운 형태의 농업에 자신감을 갖고 많이 참여했으면 하는 마음으로 유용한 자료가 되길 바란다.

  그리고 더 큰 희망을 갖게 하는 것은, 뛰어난 시설작물 재배기술과 풍부한 경험, 앞서가는 LED응용기술을 가진 우리나라는 멀지 않아서 세계의 식물공장 강국이 되리라고 믿는다.

 그 때 식물공장 운영을 경험한 많은 사람이 해외로 진출했으면 좋겠다. 특히 겨울이면 한낮의 길이가 4 ~5 시간밖에 안 되는 북 유럽의 선진국들. 식물공장이 반드시 필요한 그곳에 우리 식물공장을 수출하고 보급했으면 하는 바램을 가져본다.

 

 ( 끝 )

 

2010, 9, 16. 상무 박선원 010-3539-5191

 

주) 카스트 친환경 농업기술

주소 : 경북 구미시 구평동 387-1

T : 054-474-6495, F : 054-474-6493

Web : www.sunnyfield.co.kr

E-mail : hello@sunnyfield.co.kr

 

 

 

식물공장, 이렇게 짓는다.

 

 

작성자 : 주) 카스트 친환경 농업기술 박선원 010-3539-5191

 

< 한국 표준형의 식물공장을 제시한다 >

 

식물공장을 설계하고 직접 지어서 운영하기까지의 경험을 하는 동안 우리나라의 실정에 맞는 보다 효율적인 식물공장은 어떤 것일까 하는 생각을 하게 되었다.

 

지금부터 제시하고자 하는 한국 표준형 식물공장은 이미 가동되고 있는 기존의 식물공장을 짓는 과정에서 겪어야 했던 많은 시행착오를 통해서 얻은 결과이다.

 

 

한국 표준형이라고 이름 붙이게 된 것은 다음의 몇 가지 이유에서다.

 

 

1. 한국 최초로 상용화 된 실제의 LED 전용 식물공장을 통해서 검증된 유일한 시스템이다.

 

2. 식물공장의 규모와 시설이 가장 합리적이고 효율적이다.

 

3. 경제적이다. 몇 가지의 방식 중에서 가장 저렴한 시설비와 편리한 운영방식이다.

 

4. 절전형이다. LED가 소모하는 전력을 정확하게 반으로 줄이는 방식을 택했다.

 

 

 

한국 표준형 식물공장의 제원

 

 

1. 건물의 규모 : 전체건물 가로 14m, 세로 21m. ( 전체면적 294 평방미터 ).

이 건물은 순수 식물공장 가로 9m. 세로 21m의 식물공장 본 건물 ( 189평방미터 ) 과 식물공장과 붙어 있는 보조건물 가로 5m. 세로 21m ( 105평방미터 )로 구성되어 있다.

 

2. 재배면적 : 가로 1.2m. 세로15m짜리 재배상 ( Bed ) 8단. 이와 똑같은 재배상이 4열 ( Line ). 재배면적 합계 576 평방미터.

 

3. LED 숫자 : LED 36개 부착된 길이 2m 의 LED Bar 672개.

( LED 합계 24,192 개 )

 

4. LED 전력 : 26 kW ( LED 한 개의 출력 1W )

 

 

이제부터 한국형 식물공장의 자세한 구조를 밝히고 어떻게 건설되고 운영되는지를 설명한다.

물론 식물공장은 이미 지어진 건물에서 내부시설을 할 수도 있으며 주어진 형태의 땅에 맞추어 건물을 지어서 할 수도 있다. 그러나 가장 합리적이고 효율적인 식물공장의 표준은 어떤 것인지 반드시 밝혀 둘 필요가 있다고 생각된다.

 

 

<1> 건물

 

 

건물은 단열 패널로 짓는다.

두께 100mm 단열 패널이면 충분하다. 물론 더 두꺼우면 좋다. 필자는 100mm 짜리를 사용했는데 단열에 별 문제는 없었다.

다만 패널의 이음새에 틈이 생기는 부분은 철저히 실리콘으로 막아야 한다. 빗물이 새어들지 않게, 그리고 해충과 병균이 침투하지 못하게 하기 위해서다.

 

식물공장의 앞쪽과 뒤쪽에 큰 문을 만들어야 한다. 식물공장이 완성될 때까지 모든 구조물과 양액설비를 들여가기 위해서다. 내부 구조물이 완성된 다음에는 문을 닫으면 밀폐되도록 부드러운 고무제품 등을 부착해서 공기의 유통을 막아야 한다.

 

창문은 필요 없다. 그러나 내부 구조물이 조립되어 가는 과정에서 앞 뒤의 문만으로는 길게 재단한 앵글이나 C 형강을 건물 내부로 들여가지 못하게 될 때 넣기 위한 임시창문이 필요하다. 나중에 내부 구조물 설치가 끝난 후에는 창문을 막아야 한다. 창문을 통해서 여름에는 엄청난 열이 들어오고, 겨울에는 많은 열을 빼앗기기 때문이다.

 

이렇게 쓰면서 필자도 느끼는 점이지만 식물공장이란 참으로 삭막하고 멋없는 건물이라는 생각이 든다. 가능한 모든 수단을 써서 에너지를 절감해야 하므로 어쩔 수 없다.

 

그런데 자주 미래의 식물공장이라는 그림을 보면 아주 여유로운 넓은 공간의 빌딩내부에 한쪽에는 식물이 자라고 있고 그 주변에 관광객이 한가롭게 산책을 하는 모습이 그려져 있다. 살충제를 전혀 사용하지 못하는 곳에서 해충이 침입하거나 식물이 세균에 감염되면 어떻게 하겠다는 건지 모르겠다. 또 그 넓은 유리면은 여름이나 겨울에 엄청난 에너지의 손실을 가져올 텐데 식물을 키운 수익으로 유지비를 감당할 수 있을지도 의심스럽다.

실제의 식물공장과는 전혀 맞지 않는 상상화일 뿐이다.

 

식물공장의 바닥은 고르고 수평이 맞아야 한다. 철구조물을 설치할 때 바닥이 고르지 못하면 오차가 생겨서 조립하기가 힘들어진다. 그리고 미리 지름 100mm 정도의 양액 회수 파이프가 지나는 곳에 바닥보다 밑으로 묻히도록 폭 30cm. 깊이 20cm정도의 홈을 만들어 두어야 한다. 양액 공급용 파이프는 위쪽으로 설치되지만 양액 회수용 파이프는 가장 밑층의 재배상보다 낮아야 하기 때문이다.

그리고 회수된 양액이 흘러들어 가도록 하기 위해서 양액 회수탱크는 지면보다 약 2m쯤 낮게 설치한다 그러기 위해서는 가로 1,2m. 세로 2m. 깊이 2m 정도의 웅덩이를 양액 설비가 들어설 곳에 만들어 두어야 한다.

 

건물의 내부 높이는 5.4m 정도가 적당하다고 생각한다. 8단의 재배상 높이가 약 4m이며 천장에 에어컨을 매달기 위해서는 1m이상의 공간은 있어야 한다.

 

에어컨을 요즘 방식대로 천장내부에 매립하면 보기에는 깔끔하겠지만 에어컨의 몸체에 부착된 더운 공기 흡입구가 천장 과 지붕 사이의 공기를 식물공장 안으로 끌어 들이는 결과가 되므로 반드시 천장 밑에 매달아야한다. 그리고 찬바람이 나오는 토출구는 한 대에 세 개씩 있으니까 되도록 골고루 배치해서 위치에 따라 온도 편차가 나지 않도록 해야 한다.

 

에어컨의 용량은 필자의 경험으로 추정했다. 기존 식물공장에는 길이 15m, 폭 9m의 건물에 5.6 kW 용량의 에어컨 3대를 설치했다. 재배상이 시작되는 위치에 1대, 재배상이 끝나는 위치에 1대, 그리고 재배상의 가운데 1대를 설치했는데 한 여름에도 3대를 동시에 켤 필요는 없었다. 그러니까 냉방능력이 충분하다는 결론이다.

 

기존 식물공장과 비교해서 재배상이 1.6배 큰 표준형 식물공장에는 같은 크기의 에어컨 4대를 설치하면 충분하다고 생각한다.

설치비까지 포함된 모든 비용이 대당 370 만원 정도이므로 전체 설비비는 약 1,500만원이든다.

 

건물의 규모는 전체 면적이 가로 14m. 세로 21m 이나 식물재배상만 설치한 가로 9m. 세로 21m의 높은 건물 부분을 편의상 식물공장이라 하고 붙어있는 낮은 부분을 보조건물이라고 한다. 되도록 저렴한 건축비와 냉난방의 에너지 손실을 막기 위해서 이렇게 짓는 것이 좋다.

 

마지막으로 왜 건물의 규모가 294 평방미터냐 하는 의구심에 관해서다.

식물공장을 하고 싶다는 사람들의 대부분은 너무 작다고 지적한다.

의욕이 넘쳐서일까 더 큰 규모를 원한다.

하지만 실제로 식물을 키워보면 이 정도의 크기가 결코 작은 것이 아니다.

 

아직 우리나라에 식물공장을 운영해본 사람은 없다. 처음에 너무 크게 시도했다가 시행착오 등의 혼란을 겪다보면 혹시 자신감을 잃을 지도 모른다는 걱정이 들기도 한다. 물론 클수록

면적당 효율은 조금씩 높아진다.

 

하지만 규모를 이정도로 정한 가장 큰 이유는 만일 바이러스에 감염되었을 때를 대비해서다.

 

식물공장 내부에서 어느 부분이든, 아주 작은 부분일지라도 바이러스감염이 확인되면, 그러니까 병이 발생하면, 공장가동을 즉시 중단하고, 대 청소를 한 다음 소독을 해야 한다.

농약이나 살충제를 사용하지 않는 식물공장에서 그냥두면 전체로 번지기 때문이다.

 

 

대청소를 하고 소독을 한 다음 발아과정부터 다시 시작해야한다. 그러자면 수확이 중단되는 기간은 약 25일 쯤 걸린다고 생각된다.

 

규모가 크면 그 손실은 엄청날 뿐 아니라. 모든 예정된 계획이 어긋나게 된다.

그런 피해를 막기 위해서 적은 규모의 식물공장으로 나누어서 보유하는 것이 유리하다고 생각된다.

 

그러나 같은 방법을 세균감염에 대비하는 수단으로 사용할 수도 있다.

정기적으로 일 년에 한번 가장 더운 시기에 약 일주일의 예정으로 휴식기를 가지면서 모든 재배를 중단하고 대청소와 소독을 하는 것이다.

 

아주 좋은 방법이라고 생각한다. 미리 감염을 예방하는 효과도 있고 휴식기 동안에 청소와 소독을 하면 더욱 청결을 유지하기가 쉬워질 테니까.

 

하여튼 그런 조건들을 고려해서 건물의 규모를 너무 크게 하기보다 작은 규모로 여러 개를 짓는, 운영하기 편한 쪽을 선택하게 된 것이다.

 

식물공장을 운영해 보고 자신감이 생기면 그 경험을 바탕으로 한 개 더 지으면 된다.

다음 사진은 한국 표준형 식물공장의 투시도와 평면도, 측면도, 그리고 정면도이다.

사진 1 : 투시도

사진2 : 평면도

 



사진 3 : 측면도




사진 4 : 정면도

 

 

* 참고사진 : 카스트식물공장 식물공장 전경

 

 

 

< 2 > 내부 구조물

 

식물공장은 수경재배방식이다. 아래층과 위층의 좁은 공간에서 수경재배가 아니고서는 모종을 심고 ( 정식하고) 수확하는 작업이 불가능하기 때문이다.

 

내부 구조물은 식물재배상 ( Bed )을 설치하기 위한 철제 구조물을 말한다.

 

전체 길이 21m에서 순수 재배상의 길이는 15m이다. 재배상의 폭은 1.2m이며, 이런 재배상을 밑에서부터 위로 8단 설치한다. 이 8단의 재배상을 한개의 라인이라고 하면, 이런 라인을 4개 설치한다. 그러니까 폭 1.2m. 길이 15m의 재배상이 합계 32개 설치된다.

 

그리고 각 라인과 라인 사이는 720mm의 간격을 두어서 통로로 사용한다. 그리고 이 통로

의 5단 재배상 높이에는 2층 복도를 만든다. 그러니까 복도는 5개가 되며, 앞뒤 복도까지 합해서 전체의 복도는 7개가 된다.

 

복도는 가로 걸쳐진 앵글위에 폭 290mm짜리 ( 두께 40mm )방부목을 두 개 깔면 적당하다. 약간의 틈새가 생기는데 이 틈새는 에어컨의 찬 바람이 복도 밑에까지 골고루 전달되도록 도와주는 결과가 되어서 오히려 좋다. 앞쪽과 뒤쪽의 복도는 자주 사람이 다니므로 폭이 더 넓다. 여기는 방부목 3개를 깔면 된다.

 

1단에서 4단까지는 지면에서 수확하고 5단부터 8단까지는 2층 통로에서 수확한다.

육묘를 심거나 수확할 곳을 찾기 위해서 재배상을 찾아 다니며 살펴 볼 필요가 없다.

아무런 도구도 필요없이 한 자리에 서서 식물을 심고 ( 육묘판을 밀어 넣고 ) 서있는 곳까지 밀려온 다 자란 식물을 수확하는 것이다.

 

구조를 달리하는 또 다른 방식의 식물공장에서는 육묘를 심거나 수확할 때 좌우로 또는 아래위로 이동하는 리프트를 타고 다니도록 되어 있기도 하다.

이 방법은 육묘를 가지고 리프트를 타고 올라가서 심어야 할 빈자리를 찾아서 심고, 수확해야 할 자리를 찾아서 수확한 다음 내려와야 한다. 불편하고 시간도 많이 걸린다.

 

구조물 설치에 관해서 좀 더 자세히 설명하자면 8층의 제배상을 설치하기 위한 기둥은 미리 도금이 된 C형강( 100 * 50. 뚜께 3mm )으로 만들고 재배상을 받쳐주는 모든 철제는 앵글을 사용한다. ( 40 * 40. 두께 3mm. 복도 밑에는 두께 4mm ) 앵글은 조립하기 좋도록 가공해서 조금 가격이 비싸도 도금을 하는 것이 좋다. 필자는 도색을 했는데 칠이 벗겨지거나 생각보다 빨리 녹이 슬어서 보기도 싫고 계속 덧칠을 해야 하므로 불편하다.

 

재배상의 아래위 간격은 480mm로 정했다. 이보다 더 높이 하면 4단의 식물을 수확할 때 손길이 닿기 어려워진다.

 

여기서 처음 식물공장을 지을 때 필자가 고심했던 것은 양액이 공급되는 앞쪽과 양액을 회수하는 반대쪽과의 경사를 어떻게 해야 좋을지 몰랐다. 실제로 만들어 본 결과 같은 높이로 해도 좋다는 결론을 얻었다.

 

철구조물이 완성되면 스티로폼으로 만들어진 재배상을 얹는다. 폭은 1.2m, 길이 1m로 만들어서 판매하는 재배상을 차례로 끼우면서 연결해 나가면 된다. 그리고 그 위에 농업용 비닐을 깔고 뒤쪽에는 양액회수 파이프를 설치하면 재배상은 완성된다.

 

스티로폼으로 만든 1m 짜리 재배상 한 개 가격이 10,000원이니까 15m의 재배상의 가격은 150,000원쯤이라고 예상하면 된다. 그와 똑같은 재배상을 32개 설치한다.

 

식물공장의 앞쪽, 모든 재배상이 시작되는 곳, 그러니까 모종을 정식한 스티로폼 판을 투입하는 곳에서 양액을 공급한다. 재배상마다 수도꼭지처럼 설치해서 양액을 공급하면 이 양액은 수확하는 뒤쪽으로 흐르고 여기서 양액을 회수한다.

 

회수 파이프는 수압이 없으므로 싱크대의 물 빠지는 곳처럼 설치하면 되지만 안쪽에 파이프는 약간 돌출되어 있도록 해두면 양액은 그 돌출된 높이만큼 유지되고 넘치는 만큼 흘러나온다.

 

* 참고사진 : 카스트 식물공장의 내부 설비 사진
 

 

 

 

< 3 > 양액 공급시설

 

양액 공급시설에 관해서는 필자도 식물공장을 하기 전까지는 몰랐었다.

지금도 조금밖에 모른다.

필자는 전문 업체에 의뢰해서 양액시설을 했다.

수경재배 전문인이라고 할지라도 시설은 전문 업체에 의뢰해서 만들게 된다.

 

지금 양액 공급시설을 말하고자 하는 것은 아직 한 번도 접해보지 못한 사람들이 막연하게 양액공급은 자동으로 이루어진다고 하니까 왠지 복잡하고 어려운 것처럼 받아들일 것 같이 생각되어서다. 물론 양액의 부족해진 성분을 자동으로 보충해주고 하는 정도의 자동화는 필수적이다. 이미 모든 양액전문업체가 그런 설비를 하고 있다.

 

미래의 식물공장에 관한 자료를 보면 식물공장의 < 완전 자동제어 시스템 >을 위한 < 식물공장 운영 소프트 웨어 >의 개발이 우선 이루어 져야 한다는 등 막연한 주장을 하는 사람들이 있다.

 

필자의 기존 식물공장에서 사용하는 모니터를 공개한다.

바로 이런 것을 두고 하는 말인지 아니면 훨씬 고급화 된 어려운 장치가 따로 필요한 것인지 필자도 궁금하다.

* 참고사진 : * 제어실 전경 사진

 

* 제어실 모니터 화면 사진

 

사진설명 : 양액이 공급되는 전과정을 실시간으로 보여준다.

모든 탱크의 담수량이 표시되고 작동하고 있는 펌프를 알려준다.

제어실에서 양액의 농도설정과 혼입 상태 등 전 과정을 파악할 수 있다

 

 

양액순환은 물론, 부족한 성분을 보충해 주는 양액혼입, pH 조절, EC( 전해질 농도 )조절, 온도 조절, 탄산가스 조절이 자동으로 이루어지고 이 상황을 컴퓨터를 통해서 실시간 파악하는 정도면 충분하다고 생각한다.

필자의 식물공장도 그렇게 하고 있다. 운영하는데 전혀 불편하지 않다.

 

혹시 누군가 씨앗이 자동으로 심어지고 성장과정에 맞추어서 자동으로 수확되고, 자동으로 포장되어서 자동으로 라벨까지 부착되어 나오는 시설을 상상하고 있는 것은 아닐까.

물론 그런 시설을 할 수도 있다. 그래도 결국 사람의 손은 필요한 만큼 필요하다.

 

하지만 가장 중요한 것, 식물을 키워서 수익을 창출해야 한다는 사실을 잊어서는 안된다.

 

 

먼저 양액을 만들기 위해서 수돗물이나 지하수를 받아 두는 탱크가 있어야 한다. 여기 공급되는 물을 원수라고 한다.

 

이 원수탱크의 크기를 계산하는 공식은 없는 듯하다.

그래서 지름 1,650mm, 높이 2200mm 의 3톤짜리 둥근 통을 사용하기로 했다. 원수가 모자라면 언제든지 자동으로 보충되니 크기가 문제되지는 않을 듯하다.

 

다음 양액탱크는 좀더 큰 지름 1920mm, 높이 2320mm의 5톤짜리를 쓰기로 했다.

 

만일 모든 재배상에 양액이 흐르고 있는 상태 (가동되는 상태 )일 때 양액의 수면 높이가 2.5cm라면 전체 양액은 14.4 톤이 된다. 양액탱크가 전체 양액에 비해서 너무 작은 것일지도 모른다.

그러나 전체 공장을 한꺼번에 시작하지는 않고 순차적으로 가동하게 될 테니까 걱정하지 않아도 된다. 상황에 따라 원수와 비료성분을 보충해 가면 된다.

 

그런데 양액탱크는 두 개를 설치하는 것이 좋다.

특성이 다른 두 종의 작물을 키우게 될지 모르기 때문이다.

성분이 다른 앵액을 사용하게 되는 경우를 대배해서다.

물론 순환 파이프 등의 구조가 더 많아진다.

그렇다면 양액탱크도 3톤짜리 두 개를 설치하면 된다.

 

양액탱크의 양액은 펌프로 재배상의 가장 높은 8단까지 올려 져서 재배상에 공급된다.

그러면 양액은 재배상을 흘러서 반대편의 회수 파이프가 있는 곳에서 회수된다.

이렇게 양액은 계속 순환하고, 그러는 동안에 부족해진 비료성분을 센서가 감지해서 자동으로 보충 받게 된다.

 

양액은 A 성분과 B 성분, 둘로 나누어서 각각 다른 탱크에 담아 두고 필요할 때 혼입펌프로 섞여서 들어가도록 한다.

A성분은 질산칼슘 등 4종의 성분이며, B성분은 인산암모늄 등 8종의 성분이다. 미리 섞어두면 변질되거나 하므로 A양액과 B양액으로 따로 준비했다가 사용할 때 섞어서 쓴다.

양액의 성분이나 섞는 비율은 많은 수경재배 전문인들로부터 그 기술이 일반화 되어 있고 좋은 책도 있다. 전문업체 선택이나 시설하는데 별 어려움은 없다

 

* 참고자료 : 카스트 식물공장의 양액 혼합비율

KAST 식물공장에 사용되는 배양액 조건표 - 물1톤 (1,000ℓ)당 양액 포함량

질산칼슘	400g	A 양액
질산칼륨	600g
키레이트철	25g
제1인산암모늄	90g	B 양액
황산마그네슘	250g
붕소(붕산)	3g
망간	2g
아연	0.5g
구리	0.2g
몰리브텐산나트륨	0.1g

*KAT 식물공장의 양액 혼합비율은 도표와 같다. 이 양액혼합비율은 특히 엽채류와 과채류재배에서는 안정된 사용이 많은 시험을 통해 입증된 상태이다.

여기서 육묘장의 운영에 관해서 잠깐 언급한다.

모든 식물공장과 수경재배를 하는 곳에서 육묘장은 필수적이다.

그러나 한국 표준형에서는 육묘장을 따로 만들지는 않았다.

육묘장의 면적은 전체 재배면적의 약 16분에 1 정도면 여유가 있다.

 

육묘장에서 자란 모종이 재배상으로 이식될 때 보통 그 면적이 15~20배 넓어지기 때문에 이런 비율이 나온다.

 

표준형 식물공장의 재배상 ( Bed )은 32개다. 그 32개 중에서 2개를 육묘용으로 사용하면

비율도 적당하다. ( 이때 육묘장과 재배상의 비율은 1 : 15 가 된다 )

 

육묘장이라고 따로 공간을 만들어서 사용하는 것보다 번거롭지 않고 훨씬 편하다.

재배상을 둘러보며 육묘장의 상태도 함께 점검할 수 있으니까.

 

다만 육묘용 재배상의 양액공급 파이프와 양액회수 파이프는 따로 설치해야 한다.

약 600 리터 짜리 조그만 양액통과 양액공급용 일반 비닐 호스, 그리고 싱크대의 물 빠지는 배수구와 작은 수중펌프 한 개만 있으면 된다.

양액을 따로 취급하는 것은 아직 어린 육묘는 일반 양액보다 묽은 양액을 공급해 주어야 하기 때문이다.

 

 

그리고 육묘용에는 보통의 재배상보다 LED를 약 1.5배 이상 설치해야 한다.

육묘는 키가 작아서 LED를 더 낮게 달아야 하는데 그러다 보면 LED의 조사각 범위를 벗어나게 되어서 어떤 육묘는 빛을 충분히 못 받게 되기 때문이다. 좀 더 많은 숫자의 LED를 써서 낮게 골고루 비춰주면 육묘는 아주 빨리 자란다.

또한 육묘장에서의 LED증설은 좀 더 빠르게, 그리고 튼튼한 모종을 키우기 위해서다.

필자도 이렇게 육묘장을 운영하는데 정말 놀랍도록 빨리 자란다.

 

* 육묘재배상의 사진

 

< 4 > LED 조명

 

식물공장에서 가장 중요한 부분은 LED조명이다.

앞에 설명한 모든 시설은 누구나 따라서 할 수 있다. 그러나 LED조명은 단순하게 남의 시설을 보고 따라서 할 수는 없다. LED를 활용하기 위해서는 고도의 전자지식이 필요하기 때문이다. 물론 식물공장을 소유하는 사람이 그런 지식을 갖추어야 할 필요는 없다.

그러나 LED의 특성정도는 알아야 올바른 사용법을 선택할 수 있다.

 

아주 쉽게 LED의 특성과 실제로 식물공장에서 사용하고 있는 방법을 설명하겠다.

 

LED는 지금까지의 조명과는 다른 특성을 가지고 있다.

 

LED는 전기를 빛으로 전환하는 효율이 뛰어나다. 그리고 수명이 무척 길다.

하지만 그 효율성과 수명이 길다는 것만으로 LED를 광원으로 사용하는 것은 아니다.

LED는 햇빛이 가지고 있는 모든 색깔의 빛을 가지고 있기 때문이다.

 

LED가 사용 된지는 오래 전부터이지만 1999년 일본의 슈지 나카무라 박사가 청색 LED를 발명하므로 비로소 햇빛의 모든 빛을 구현하게 되었다. 그러니까 LED릏 이용해서 식물을 성장시킬 수 있게 된 역사는 극히 짧은 시간이라고 할 수 있다.

 

지금은 용도에 맞는 빛의 LED를 구입해서 사용할 수 있게 되었다.

누구나 450 나노미터 파장의 청색 LED와 660 나노미터 파장의 적색 LED를 구입해서 식물공장에 사용하면 된다.

 

그러나 LED는 더욱 중요한 특성, 적어도 식물공장에서만큼은 가장 중요한 또 하나의 특성을 가지고 있다.

 

다른 모든 전기제품과 다르게 LED는 on/OFF 특성이 뛰어나다는 것이다. LED는 아주 빠르게 on/OFF를 반복해도 과도전류현상( Rush Current )이 없다. 1초에 10,000회까지도 점멸시킬 수 있고, 그렇게 빠르게 점멸해도 전력손실이 없다는 것이다.

 

이 특성은 식물공장에서 엄청난 효과를 가져다준다.

LED가 켜져 있는 시간과 꺼져 있는 시간이 같으면 전기사용량은 정확하게 반으로 줄어든다.

 

한국 표준형 식물공장( 294 평방미터 )에서 재배면적은 576 평방미터다.

재배면적 1평방미터에 45W의 LED를 사용하게 되면 전체 LED의 소모 전력만 26kW 이다.

전기 사용량이 너무 많다.

LED를 조명등이나 신호등처럼 단순조명으로 사용하면 전기사용료를 감당하지 못한다.

식물성장에 가장 효과적인 형태이면서 전력소모를 줄여주는 빛을 만들어서 조명해야 한다.

 

 

식물의 광합성작용에는 명반응과 암반응이 있다고 한다. 모든 식물은 계속적인 빛의 조사보다 아주 빠르게 점멸되는 빛( 펄스전압 인가방식 : Pulse )에서 더 빨리 성장한다는 것이다. 이 이론은 이미 정설로 되어있다.

바로 이런 이유에서 LED의 고속 on/OFF특성이 식물공장에서 전기사용량을 반으로 줄여 주는 가장 중요한 특성이 되는 것이다.

 

필자는 이 특성을 어떻게 활용하느냐가 식물공장의 성패를 결정할 것이라고 확신한다.

 

물론 필자의 식물공장에는 이 방법으로 LED조명을 하고 있다.

 

 

한국 표준형 식물공장의 LED조명 방법은 현재 운영되고 있는 식물공장의 방식을 그대로 적용한다.

수차례의 시행착오와 지속적인 시험을 거쳐서 검증된 유일한 방법이며 실제로 기대 이상의 식물성장 효과를 보이고 있기 때문이다.

 

o LED 바 ( Bar )

 

우선 LED 바 ( Bar )의 제작방법과 사용되는 LED의 숫자를 밝힌다.

 

LED 바 ( Bar )의 길이는 2m 이다.

이 한 개의 바에는 1W급 LED 36개가 50mm 간격으로 부착되어 있다.

LED가 가장 열손실이 적은 발광체이긴 하지만 열이 발생한다.

때문에 열 발산을 위해서 바는 전도율이 좋은 알루미늄으로 만들어야 한다.

 

같은 재질의 모든 방열판의 방열효과는 대기와 접한 면적에 비례한다. 물론 그 효과를 높이기 위해서 더 두껍게 만들 수도 있다.

 

방열판은 클수록 좋다.

그러니까 대기와 닿는 면적이 적은 방열판으로 더 큰 방열판과 같은 효과를 낼 수 있다고 주장하는 것은 틀린 주장이다.

 

열을 발산시키기 좋고 또 다루기 편해서 2m로 정한 것이다.

 

한국 표준형 식물공장의 2미터짜리 LED 바 한 개는 660nm파장의 적색 LED 24개와 450nm파장의 청색 LED 8개, 그리고 백색 LED 4개가 알맞게 배열되어 있다.

 

위의 LED배열은 그동안 실제의 식물시험을 통해서 얻은 가장 효율적인 배열이라고 생각된다.

빛 스펙트럼으로는 어떤 모양인지 사진을 공개한다. 
  



< 사진설명 >

 카스트 식물공장에서 사용하는 LED 바의 빛 스펙트럼이다.

450 nm의 청색 빛 1과 660 nm의 적색빛 3의 파형이고 가운데 조금 돌출된 황색, 녹색의 파형은 흰색 LED 때문이다.

 

이런 LED바를 폭 1,2m 의 재배상에 3개씩 부착한다. 그러니까 15m의 재배상 한 단에 21개의 LED바가 부착된다. 그러면 LED는 756개로서 1 평방미터 당 45개가 된다.

 

1 평방미터에 45개의 LED는 여러 차례의 시험을 거쳐서 알게 된 가장 알맞은 숫자이다.

 

더 적은 숫자의 LED를 켜면 가격은 낮아지겠지만 식물이 잘 자라지 못하고 약하거나 제 빛깔을 내지 못한다.

상추의 경우 안토시안이 발현되지 않아서 적색 빛깔은 잘 드러나지 않고 잎이 연두색으로 보이며 얇아서 힘이 없고 부드럽다.

 

모든 식물은 어느 수준 이상의 빛이 있어야 자라기 시작하는 광 보상점이 있고, 또 빛이 어느 수준을 넘으면 식물이 다 받아드리지 못하는 광 포화점이 있다. 광포화점이 넘는 빛은 손실이므로 그 이상 켤 필요는 없다.

 

식물이 잘 자랄 것인지 아닌지를 알아보는데 흔히 빛의 밝기를 나타내는 룩스 ( lux )를 가지고 판단하는데 사실 룩스는 식물성장하고는 별 관계가 없다.

 

식물의 광합성에 필요한 빛은 PPFD ( Photosynthetic Photon Flux Density )의 단위인 마이크로 몰로 나타낸다.

µmolm-2s-1 < 마이크로 몰 퍼 스퀘어 미터 퍼 세컨드 >이다.

그냥< 마이크로 몰 >이라고 부른다. 광합성용 광양자속 밀도를 의미한다.

1 평방미터에 1초동안 떨어지는 광양자의 양을 말한다.

 

lux는 사람의 눈으로 보는 밝기일 뿐으로 식물이 광합성하는데는 필요한 빛은 아니다. 태양빛이나 형광등에서 발하는 흰색 빛은 모든 빛이 모여서 만들어 진다. 그 빛의 밝기를 표시하는 단위가 룩스다.

 

그런데 그 중에서도 가장 많은 에너지 분포대를 가진 녹색 빛은 식물이 받아들이지 않고 반사해 버린다. 그래도 태양은 워낙 풍부한 빛을 가지고 있어서 식물성장에 문제가 없으나, 전기를 소비하면서 발생되는 형광등의 흰색 빛에는 식물한테는 소용없는 빛이 55%나 포함되어 있으니 그만큼 낭비하면서 손해를 보는 셈이다.

 

그런 이유로 식물이 잘 자랄지 여부를 판단하는 기준으로 룩스는 맞지 않는다는 것이다.

 

그럼 마이크로몰과 룩스위의 관계를 알아본다.

 

어떤 광원이 1 µmolm-2s-1일 때 그 빛을 lux로 측정해 보면 다음과 같다.

 

광원 lux

 

태양광-----------------54

백열등---------------- 50

형광등-----------------74

고압 나트륨 등-----------82

적색 LED (660nm)--------9.94

청색 LED (450nm)--------11.9

백색 LED (Warm white)---- 68.2

녹색 LED (530nm)---------101

 

형광등을 사용하는 일본의 식물공장에서 실제로 22cm의 높이에서 10,000 lux를 켜고 있다.

대단히 많은 양의 전기를 사용하고 있는 것이다. 또한 형광등이 발생시키는 열을 식혀 주기위한 냉방기의 전기사용량도 엄청나다.

위의 표를 보면 10,000 lux의 빛은 135 µmolm-2s-1이 된다는 뜻이다.

 

LED를 이용해서 그 빛을 발생시키려면 눈으로 보기는 어두울지라도 가장 유리한 빛은 적색 LED(660nm)라는 것을 알 수 있다. 다시 말하지만 형광등은 많은 전기를 낭비하고 있다는 것을 알 수 있다.

 

그런데 LED만으로 식물을 키운다는 곳을 다녀보면 아직도 형광등과 같은 백색 LED를 주로 사용하는 것을 볼 수 있다. 눈으로 보기엔 밝아서 식물이 잘 자랄 것 같아 보인다. 그러나 전혀 그렇지 않다. 빛의 효과를 눈으로 보이는 밝기만으로 판단하는 생각을 바꿔야 식물공장에 필요한 빛을 보게 된다.

 

예를 들면 3파장 형광등 빛에는 식물성장에 도움이 안 되는 빛이 약 55% 포함되어 있고, 백색 LED빛에는 필요 없는 빛이 약 45% 포함되어 있다.

 

식물공장에서 형광등이 불리한 이유는 몇 가지 더 있다.

 

형광등의 광 변환효율은 LED보다 떨어지므로 더 많은 열을 발생시킨다.

형광등은 유리관이 뜨거워서 식물 가까이 켜지 못한다.

형광등에서 발생되는 열은 에어컨으로만 냉각시켜야 하므로 전력손실이 더욱 많아진다.

 

빛에 대한 잘못된 정보가 워낙 많은 실정이므로 옳은 판단이 어려워질 것 같아서 지적해둔다.

 

더 염려스러운 것은 식물공장의 핵심을 거론하는 사람이 없다는 것이다.

 

어떤 LED를 몇 개 사용해서 몇 V 의 전압을 인가했고, 몇 mA의 전류를 흐르게 했더니 몇 W 가 되었고, 몇 cm의 거리에서 몇 µmol 이 나오더라. 이런 방식으로 조명을 하면

빛 스펙트럼은 어떻고, 식물은 어떻게 성장한다고 말해야 하는데 그러는 사람이 없다.

 

위의 글에 맞는 정확한 수치가 식물공장에서 가장 중요한 핵심이다.

 

그런데 식물공장에 관한 여러 모임에서조차 이런 중요한 수치를 정확하게 제시하는 사람은

없다.

 

그러면서 몇 차례의 수확이 가능하고, 몇 포기의 채소를 생산한다는 등의 발표를 한다.

식물이 자라는 최적의 조건을 모르면서 어떻게 정확한 수확량을 예측하는지 모르겠다.

식물의 수확량을 몇 포기로 말하는 것도 잘못이다. 큰 포기와 작은 포기의 차이는 너무 커서 정확하지 않다. 식물의 수확량은 무게 ( g )으로 표시해야 한다.

 

또 미래의 식물공장이라는 그림을 보면 실제의 식물이 자라는 모습과는 다르다.

그래서 식물공장의 겉모습까지 완전히 다른 그림이 많다.

식물공장에 관한 많은 정보가 신뢰하기 어려운 부정확한 것들이다.

 

 

평균정도의 광 보상점인 약 30 µmolm-2s-1 이 넘으면 식물은 자라기는 한다.

 

1W 짜리 LED 36개가 부착되어 있으므로 바 하나의 출력은 36W 이다.

이 바 한 개는 0.8 평방미터의 재배상에 20cm의 높이에서 약 75 umolm-2s-1의 광양자를 발산한다.

 

다시 말해서 식물이 자라는 지면에서 20cm높이에 이런 LED 바를 달아두면 식물이 잘 자라는 수준의 PPFD 를 얻을 수 있다.

 

한국형 식물공장의 재배면적 1평방미터에는 LED 바 1.25개( LED 45개 )가 장착된다. 이 정도면 대단히 많은 숫자다.

1W급 LED 한 개가 약 2,200 원 이니까 바 한 개의 LED 가격만 70,000원이 넘는다.

1 평방미터의 LED 45개 가격은 약 100,000 원 정도가 된다.

 

전기를 소모해서 인공광을 만들고, 그 빛으로 식물을 키우다 보면 빛이 얼마나 소중한지 알게 된다. 정말 그렇다. 꼭 필요한 빛을 정확하게, 그리고 알뜰하게 사용해야 한다.

 

 

∎KAST의 LED Bar 조도 측정표(아래는 연속 사용일때)

 

측정지점……………………………… µmolm-2s-1……………………..……….lx

a………………………………………………122.22…………………………..……….2752

b………………………………,,,,,………….121.59…………………………….……2722

c…………………………………,,,,,……….82.62……………………………….…….1867

d………………………………,,,,,,…………120.7……………………………….…….2715

e………………………………,,,,,………….115.6……………………………….……2638

f………………………………,,,,,……,…….90.24…………………………….………2024

g………………………………,,,,,,…,……..86.69…………………………………….1967

h…………………………………,,,………..86.06……………..……………………….1936

i…………………………………,,,,………….64.45………….…………………………1456

전체 평균……………………,,,,,…,…..92.03……………….……………………..2230

 

LED를 효율적으로 사용하는 아주 중요한 또 한 가지 방법은 식물로부터의 LED 높이를 조절하는 것이다.

처음 육묘판에서 정식된 식물은 키가 작다. 그 위에 켜진 LED와의 간격이 많다. 그래서 식물에 도달하는 빛이 적다. 많은 양의 빛이 달아나 버린다.

너무나 아까운 일이다.

 

LED의 높이 조절방법은 반드시 필요하다.

만일 20cm의 높이에 달려있는 LED를 10cm 낮춰 주기만 해도 식물에 도달하는 빛은 4배 많아진다. 당연히 성장속도가 4배 빨라진다. 식물이 자라는데 따라서 LED의 높이를 조절해 주면 참으로 알뜰하게 LED의 빛을 이용하는 것이 되며, 다시 말해서 전기를 아끼는 것이다.

 

그 장치를 어렵게, 복잡한 기구를 써서 할 필요는 없다. 더구나 모터 등을 이용해서 자동으로 할 필요는 전혀 없다. 매일 높이 조절을 하는 것도 아니고 며칠에 한 번씩 잠깐이면 되는걸 자동식이라며 돈을 들일 필요가 없다.

 

그냥 LED 바가 달려있는 앵글이나 또는 그런 걸침막대를 손으로 잠시 들고 낮은 곳에 걸거나 높은 곳에 걸면 되도록 만들어 두면 된다. 그런 간단한 장치가 엄청난 도움을 준다.

 

 

 

* 참고사진 : 재배상 식물자라는 모습

 

o LED 컨트롤러

 

다음에는 LED 조명용 컨트롤러에 관해서다.

LED 컨트롤러란 LED를 점등하기 위한 기구이다.

 

가정이나 공장에서 공급받는 모든 전기는 교류전기 (AC) 이다. 가정에서는 보통 220V를 공급받고 공장 등 규모가 큰 산업체에서는 더 높은 전압의 전기를 공급받는다.

LED를 점등하기 위해서는 직류전기 (DC)가 필요하며 LED 1개를 점등하기 위한 전압은 2V, 3V 또는 그 정도인데, 공급받는 전기와 달라서 LED를 바로 점등할 수가 없다.

 

우리가 공급받는 전기를, LED를 켤 수 있는 전기로 바꿔주는 기기를 변환기, 또는 컨버터, 또는 정류기라고 한다.

 

이런 정류기를 지칭하는 말은 여러 가지 있다. 이런 명칭을 혼용하고 있는 실정이므로 이것도 한번 정리해야 할 필요가 있다고 느낀다.

* SMPS ( Switching Mode Power Supply ) : 스위칭 방법으로 정류하는 전원 공급기라는 뜻이다. LED 점등뿐 아니라 모든 기기의 직 류전원이다. 최근의 모든 정류기는 이 방식을 택하고 있다. 가볍고 많은 용 량의 전력을 공급한다. 고장나면 수리하기 어렵다 . 약간의 전압조종이 가능하다.

* Converter ( 변환기 ) : AC를 DC로 바꿔 준다는 뜻의 정류기이다. 거의 모든 Converter는 SMPS 방식이다. 역시 약간의 전압조종이 가 능하다.

* Power Supply ( 전원 공급기 ) : 교류를 직류로 바꾸는 용도의 모든 정류기를 Power Supply 라고도 한다.

다시 말하면 주파수 변환 등 특수기능이 포함되지 않은 LED 점등용은 컨버터, 변환기, SMPS, Power Supply 라고 하는 모두가 교류전기를 직류전기로 바꾸어 주는 정류기로서 그 기능이나 용도는 같은 것들이다.

 

위에 열거한 모든 정류기는 LED의 조명등, 신호등을 단순 조명하는데 쓰이고 있다.

물론 식물을 재배한다는 모든 곳에서 지금까지도 단순 조명방식으로 조명을 하고 있다.

 

지금까지 식물공장에서 단순조명 방식이 가능했던 것은 전시용에 불과한 소규모였기 때문이다.

 

 

앞에서 언급했듯이 한국 표준형 식물공장 규모 294 평방미터에서도 LED점등에만 26kW의 엄청난 전력을 소모한다.

만일 본격적인 식물공장에서 이 정도의 규모로 10동을 짓는다면 어떻게 될까.

단순조명방법이라면 그토록 큰 규모에서의 전기사용료를 감당하기 어렵다.

 

그래서 대규모 식물공장에서는 더욱 복잡한 기능의 LED 컨트롤러가 필요하다.

컨트롤러는 식물성장에는 효과적이면서 전력소모는 줄여주는 LED 점등방법이어야 한다.

다시 말해서 필요에 따라 임의로 LED의 점멸시간 선택이 가능하도록 만들어야 한다.

 

아주 빠른 점멸시간의 선택은 더욱 효과적이면서도 전력소모는 정확하게 반으로 줄여주기 때문이다.

 

명반응( 광화학반응 )과 암반응( 효소반응 )의 시간을 200 마이크로 초 ( 5000 분에 1초 )대로 설정한 실제의 점멸시간을 오실로 스코프로 찍어 보았다.

 

 

* 이 사진은 (주) 카스트 친환경 농업기술의 식물공장에서 사용하고 있는 LED 컨트롤러 Model : SF - 6030을 이용해서 찍은 사진이다.

 

 

Duty Time 50% <200/200 µsec>

 

Duty Time 33% < 133/266 usec >

 

Duty Time 25% <100/300 µsec>

위의 방식으로 조명을 한 시험결과를 간단히 도표로 만들었다.

 

< 시험조건 >

1. 시험기간 : 2010년 3월 18일 ~ 4월 14일

2. 시험면적 : 가로 27cm, 세로 45cm의 재배상 2개씩

3. 재배품목 : 상추 24포기

4. LED : 1W급 LED 28개 ( 조사거리 25cm)G

5. umolm-2 s-1 : 평균 54.5 ( lux 평균 1,355 )

 

 

< 시험결과 도표 >

시험항목	T1	T2	T3	T4	T5	T6
조명방식	연속조명	200µs/200µs on/OFF	133µs/266µs on/OFF	100µs/300µs on/OFF	연속조명 초록색추가	형광등
소비전류	350mA	ON:450mA 평균:225mA	ON:600mA 평균:200mA	ON:700mA 평균:175mA	350mA	18W 형광등 4개
소비전력(손실포함)	35.6w	27w	20.7w	18.4w	35.6w	84w
상추수확량(g)	429g	415g	353g	399g	394g	417g
상추100g당 소비전력(kwh)	5.17	4.59	3.65	2.80	5.63	12.56
상추100g당 전기요금(원)	136.2	120.9	96	73.8	148.2	330.5
적색발현정도 순위	1	4	5	3	6	2

 

 * 이 시험은 식물공장과 같은 밀폐된 공간이 아니므로 방열을 위한 냉각용 소비전력은

제외되었음. 냉각용 소비전력까지 포함하면 훨씬 더 큰 차이를 나타냄

 

* 이 시험에 관한 자세한 자료는 직접 시험을 주관한 (주) 카스트 친환경 농업기술의 대표

박 후원의 연구보고서 < 식물공장과 LED조명의 과학적 고찰 5 > 에 있음.

 

위의 도표를 보면 전기사용료 부담을 줄이는 확실한 방법일 뿐 아니라 국가적인 에너지 절약차원에서도 큰 몫을 하게 된다.

 

앞으로 식물공장에서 사용하게 될 모든 LED컨트롤러는 기본적으로 위의 기능을 갖추어야 될 뿐 아니라 다음의 조건을 충족하는 방식으로 제작되어야 한다.

 

 1. 컨트롤러를 식물공장 밖에 설치할 수 있어야 한다. - 컨트롤러 또는 컨버터에서 거의 모 든 열(총 공급전력의 약 15%)이 발생한다. 컨버터를 LED 바에 부착하는 방식은 컨버터 에서 발생되는 열을 실내에 방출하므로 이 열을 식히기 위해서 에어컨을 가동하는데 또 많은 전기가 소비된다.

  2. LED 바에 연결되는 선은 직류 50V 미만 이어야 한다. - 건물 전체가 철재로 구성된 식 물공장에 가정선(220V)으로 배선을 하면 감전의 우려가 있어서 위험하다.

  * 참고사진 : LED 컨트롤러 ( Model : SF - 6030 )

 

  다시 한 번 강조하지만 식물공장은 소모되는 전기의 양과 생산되는 식물의 양과의 치열한 전쟁터 바로 그 현장이다.

오직 전력소모 절감만이 식물공장의 이익과 경쟁력을 키워준다.

 

그래서 LED 응용기술이 식물공장의 핵심이 된다.

 

LED 조명에 관한 설명이 길어 졌다. 그러나 식물공장에서 가장 중요한 분야인 만큼 어느 정도는 알아둘 필요가 있다고 생각되었다.

5. < 맺는말 >

  이제 식물공장의 장점을 새삼 강조할 필요도 없다.

앞으로 곳곳에 식물공장이 등장하게 되는 것은 틀림없다.

 

이 새로운 기술이 정착화 되지 않은 초기단계에서 부정확한 정보가 넘쳐나고 있다.

필자는 경험으로 알게 된 정확한 정보를 제공하고, 또한 식물공장을 짓는데 더욱 저렴하고 효율적인 시설 투자비, 그리고 편리한 운영방법을 하나라도 더 찾아내려고 노력했다. 그러나 아직 미흡한 듯해서 아쉬운 마음이 든다.

 

누군가 이런 글을 바탕으로 더 좋은 기술을 찾아내어 많은 사람에게 보급했으면 좋겠다.

특히 직접 농업에 종사하는 농민들이 새로운 형태의 농업에 자신감을 갖고 많이 참여했으면 하는 마음으로 유용한 자료가 되길 바란다.

  그리고 더 큰 희망을 갖게 하는 것은, 뛰어난 시설작물 재배기술과 풍부한 경험, 앞서가는 LED응용기술을 가진 우리나라는 멀지 않아서 세계의 식물공장 강국이 되리라고 믿는다.

 그 때 식물공장 운영을 경험한 많은 사람이 해외로 진출했으면 좋겠다. 특히 겨울이면 한낮의 길이가 4 ~5 시간밖에 안 되는 북 유럽의 선진국들. 식물공장이 반드시 필요한 그곳에 우리 식물공장을 수출하고 보급했으면 하는 바램을 가져본다.

 

 ( 끝 )

 

2010, 9, 16. 상무 박선원 010-3539-5191

 

주) 카스트 친환경 농업기술

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