미래 산업형 식물공장과 LED 기술

<편집자 주>
북부 유럽의 일부 국가에서 부족한 일조량을 보충하기 위하여 시작된 식물공장은 통제된 시설 내 빛, 공기, 열, 양분 등 생물의 생육환경을 인공적으로 제어해 공산품처럼 계획 생산이 가능한 농업 형태로, 이미 일본과 유럽, 미국 등 선진국에서는 연구가 활발하다. 이러한 식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있는 점 이외에도 이산화탄소 발생량을 30% 정도 줄일 수 있는 장점이 있고, 농업용 로봇, LED 등 인공광, 생산 자동화 시스템 등 농업 기술을 IT, BT, RT 분야와 연계하여 농업, 공업 나아가 서비스업 등의 협력까지 도모할 수 있는 신성장 산업의 동력이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

----- 목차 -----
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법

위와 같은 연구에서 얻은 결론에 의하면 LED의 가장 효율적인 사용방법은 아래와 같다.

방법 1. LED 광원은 무조건 재배식물과 가까워야 한다. 이 방법을 실현하기 위해서는, LED 바는 꼭 높이를 조절할 수가 있어야 한다. 즉 식물이 덜 자라 키가 낮을 때는 LED 바의 높이도 낮춰주고, 식물이 자랄수록 광원의 높이를 올려 주어야 한다.
이 방법으로는, LED 바를 장착한 지지대의 높이를 간편하게 변경시킬 수 있는 자동화 장치가 필요하다는 뜻이다. LED 바가 재배식물에 2배 가까이 있으면 전기세는 4배 절약이 되는 셈이기 때문이다.

방법 2. LED는 식물의 위치에서 봤을 때 수직인 채로 바로 비춰 줘야 한다. 이는 아주 중요한 것으로, 같은 각도를 유지해야 한다는 뜻이다. LED를 식물의 위치에서 봐서 50° 쯤 기울어져 있게 설치한다는 것은, 전기세의 50%를 아무런 이유도 없이 갖다 버리는 꼴이 된다.

방법 3. LED 사용전류를 가능한 한 최대정격이나 조금 더 많은 양을 흘려 사용한다. 광량의 변화는 포화점 가까이 까지는 LED에 흐르는 전류에 비례하므로, 가능하면 많은 전류를 흘려 사용하는 것이 경제적이다. 다만 여기서는 LED의 발열 문제를 해결해야 하므로 충분한 방열판을 장착해 밀착되도록 해야 한다.
LED의 사용 권장 주변온도는 대략 약 45℃까지로, 그 이상이 되면 수명이 급격하게 짧아지기 때문이다. 어떤 경우에는 LED와 밀착되어 있는 방열판에 가느다란 구리 파이프를 연결해 두고 여기에 물을 흘려 냉각시키는 방법도 고려해 볼 수 있다.

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미래 산업형 식물공장과 LED 기술

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북부 유럽의 일부 국가에서 부족한 일조량을 보충하기 위하여 시작된 식물공장은 통제된 시설 내 빛, 공기, 열, 양분 등 생물의 생육환경을 인공적으로 제어해 공산품처럼 계획 생산이 가능한 농업 형태로, 이미 일본과 유럽, 미국 등 선진국에서는 연구가 활발하다. 이러한 식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있는 점 이외에도 이산화탄소 발생량을 30% 정도 줄일 수 있는 장점이 있고, 농업용 로봇, LED 등 인공광, 생산 자동화 시스템 등 농업 기술을 IT, BT, RT 분야와 연계하여 농업, 공업 나아가 서비스업 등의 협력까지 도모할 수 있는 신성장 산업의 동력이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

----- 목차 -----
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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7. LED에서 방사되는 빛의 특성

위에서와 같은 이유로 식물공장에서는 LED를 광원으로 쓸 수밖에 없다. 이는 LED의 효율대비 가격 인하 추이 때문에 앞으로는 더욱 LED에 의존해야 한다. 그럼 어떻게 하면 LED를 가장 효율적으로 쓸 수 있는 걸까?
그러기 위해서는 아래의 법칙을 알고 이에 따라야 한다.

법칙 1. 1개의 LED에서 방출되는 전체 빛의 양(μmolm-2s-1로 표시해도 좋다)은 일정하다. 즉 각자의 1개의 LED에서 방출되는 빛의 양은 입력전류에 비례할 뿐 누가 어떻게 사용해도 동일하다는 이야기다.
그 상관관계를 (그림11)에 보인다. (그림11)은 국내 S사의 1W급 청색 LED(450㎚)에 흐르는 전류를 가변해서 얻은 밝기와의 비교 그래프이다. 그림에서와 같이, LED에서 방출되는 광량은 전류 포화점(메이커가 지정하는 최대 사용전류점)까지는, 또는 그 이상 어느 한계까지는 전류의 변화에 거의 비례한다. 이 말은 같은 LED라도 전류를 많이 흘려 사용하면 그만큼 방출 광량이 많아진다는 뜻으로, LED는 같은 값이면 많은 전류를 흘려 사용하는 것이 좋다는 뜻이다.
물론 전류가 증가하면 LED에서 발생되는 열도 증가하므로, 이에 대한 대비는 따로 해야 한다. LED는 고온에서 사용하면 수명이 급격히 줄 수도 있기 때문이다. 즉 LED는 방열(Heat Sink) 기능만 잘 갖추면 더 많은 광량을 내도록 사용할 수 있다.

(그림11)에서 대부분의 LED는 최대 정격전류점이거나, 그보다는 조금 더 많은 전류에서도 광량이 비례하고 있음을 보인다

(청색선=전류의 증가량 표시, 적색선=광량의 증가곡선).

법칙 2. 광량은 어떤 경우에도(산술적으로) 더해진다. 광원이 여러 개가 되면 그 광량은 단순한 값으로 더해진다.
다만 여러 개의 LED를 한 자리에 모을 수는 없으므로, 각개의 광량 값이 일률적으로 더해지지는 않는 것으로 보이나 주변의 광량을 다 더하면 그 값은 산술적 합산과 같다. 이는 아주 편리한 법칙으로, 한 개만의 LED로는 도저히 낼 수 없는 광도, 또는 광량일지라도 여러 개의 LED를 모으면 된다는 말이다.
즉 빛의 밝기, 또는 광량을 Lt라고 하고 각개의 광량을 Lp라 하면 Lt= Lp1 +Lp2 +Lp3…이 된다.

법칙 3. 빛의 밝기는 광원과의 거리의 제곱에 반비례한다. 즉 LB= LS/㎡이다.
여기서 LB는 광도, LS는 광원의 밝기, m은 광원과 빛을 받는 곳 사이의 거리를 말한다. 즉 빛은 레이저 빛과 같이 빛다발이 확산되지 않고 모여서 진행하는 경우를 제외하고는 어떤 경우에도 멀어지면 약해진다. 이는 빛이 멀리 갈수록 퍼지기 때문인데, 거리가 두 배 멀어지면 빛을 받는 면적은 4배  넓어지기 때문이다.
여기서 말하는 광량이란, 광도에 그 빛을 받는 총면적을 말한다. 이때의 광량은 LED가 같으면 일정하다.
즉, 광량(LQ) = 광도(LB) * 빛을 받는 면적(S) = 일정
여기서 광원이 가까우면 μmolm-2s-1이 증가하고 빛의 조사면적은 적어진다는 뜻인데, 인공광을 식물재배에 사용해야 하는 모든 사람들에게는 피해 갈 수 없는 딜레마이기도 하다.
또한, 광원을 쓸데없이 높이 매달아서는 아무런 광합성 효과가 없다는 것도 이로써 알 수 있다. 즉 LED광을 사용한 식물재배에서는 실제 광원의 높이가 식물의 지붕(The Roof of the Plants: 식물에서 햇빛을 주로 받는 나뭇잎)으로부터의 거리가 1.5m 이상이 되어서는 아무리 광원이 세어도 식물의 잎에까지 도달해서는 광합성이 충분할 만한 세기가 될 수 없다는 뜻이다.
만일 식물의 잎에서 광원까지의 거리가 1.5m일 때 광량이 5μmolm-2s-1이었다면, 그 거리를 50㎝로  줄인다면 이때의 광량은 거리가 3배 줄었으므로 광량은 9배가 늘어나 45 molm-2s-1  될 수가 있기 때문이다.

법칙 4. 빛을 받는 곳에서 볼 때 광량, 광도, 스펙트럼 등은 오로지 받는 쪽의 조건에 따라 결정된다. 즉 광원 쪽에서 본 cd(캔델라), lx, 방사각, lm(루멘) 등은 참고 자료에 불과하다.
이는 어떤 LED가 어떻고, 그 특성이 어떻다는 등의 스펙은 그냥 참고 자료로만 이용할 뿐, 믿을 수도 없고 이용하는 방법도 쉽지가 않으니 모든 데이터는 직접 빛을 받는 쪽에서 측정해 보아야 한다는 뜻이다. LED는 하나씩 사용되는 것도 아니고, 방사각이 어떻다 한들 그걸로 빛을 받는 쪽에서의 특성을 알기는 어렵기 때문이다.

법칙5. 광량은 무언가를 투과(Penetrate)하고 무언가에 반사(Reflect)되고, 가는 거리가 멀수록(Distant) 약해진다. 물론 무언가에 흡수(Absorb)되어도 감쇄한다. LED에서 비추는 빛은 가능하면 식물의 잎에까지 가까이, 직접 조사돼야 한다. 아래는 빛이 무언가를 투과할 때의 감쇄율을 직접 측정해 본 데이터이다.

A. 적색LED(660㎚)에서 방출된 빛
투과물질…………………………………………………  투과율
0.1㎜ 비닐  ……………………………………………  89 (%)
2㎜ 플라스틱  …………………………………………  88.2
0.1㎜ 운모     ……………………………………………  87.2
2㎜ 유리    ………………………………………………  89.7

B. 청색LED(450㎚)에서 방출된 빛
투과물질 …………………………………………………  투과율
0.1㎜ 비닐   ……………………………………………  86.4 (%)
2㎜ 플라스틱    …………………………………………  87.9
0.1㎜ 운모   ……………………………………………  73.7
2㎜ 유리     ………………………………………………  87.2

위에서 보듯, 청색빛이 적색빛보다는 투과량이 조금 덜어지는데, 이는 청색빛의 파장대가 짧으므로 그만큼 무언가를 투과할 때 손실이 더 많이 생긴다는 뜻이다. 이 손실은 빛을 이용해 식물을 재배하는 측에서는 이것은 큰 문제가 될 수 있다.
만일 누군가 LED 빛을 2㎜ 두께의 플라스틱 케이스를 통해 공급하고 있다면, 그리고 LED 조명용으로 월 100만원의 전기세를 내고 있다면, 그는 매월 12만원의 전기세를 2㎜ 두께의 플라스틱 때문에 낭비하고 있는 것이 된다. 플라스틱의 투과율 88%에서 12%의 빛 손실이 있으므로 그렇게 되는 것이다.

법칙 6. LED에서 방사되는 빛은 빛이 비치는 수직면(정면)에서 제일 강하고 이 각을 0°로 했을 때, 이 각을 벗어날수록 약해진다. 즉 빛이 비치는 각도에 따른 빛의 세기는 아래와 같다.
이 시험은 외제 T사의 1W급 백색(Natural White) LED, 스펙에는 방사각 130°짜리라는 것에 350mA의 전류를 흘려 방사각의 변화에 따른 빛의 세기를 측정해 본 것이다.

빛이 비치는 각도 ……………………………………  빛의 세기
0 (도)……………………………………………………  100 (%)
15  ………………………………………………………  97.2
30  ………………………………………………………  91.8
45  ………………………………………………………  73
60  ………………………………………………………  54
65  ………………………………………………………  48
70  ………………………………………………………  41
75  ………………………………………………………  34
80  ………………………………………………………  26

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미래 산업형 식물공장과 LED 기술

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북부 유럽의 일부 국가에서 부족한 일조량을 보충하기 위하여 시작된 식물공장은 통제된 시설 내 빛, 공기, 열, 양분 등 생물의 생육환경을 인공적으로 제어해 공산품처럼 계획 생산이 가능한 농업 형태로, 이미 일본과 유럽, 미국 등 선진국에서는 연구가 활발하다. 이러한 식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있는 점 이외에도 이산화탄소 발생량을 30% 정도 줄일 수 있는 장점이 있고, 농업용 로봇, LED 등 인공광, 생산 자동화 시스템 등 농업 기술을 IT, BT, RT 분야와 연계하여 농업, 공업 나아가 서비스업 등의 협력까지 도모할 수 있는 신성장 산업의 동력이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

----- 목차 -----
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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6. 빛의 세기

빛에는 색깔별 분류(스펙트럼)도 있지만 그 세기에도 강하고 약함이 있다. 사람의 눈으로 봐서 빛이 강하다, 또는 약하다는 걸 말할 때는 그 단위로 lx(룩스)라는 걸 쓴다.
예를 들어 적도지역에서의 여름철 한낮 바로 내리쬐는 햇빛의 강도는 50,000 ~130,000Lx가 된다.

아래는 lx로 표시한 밝기의 예이다.

조건…………………………………………………………………  lx
한낮…………………………………………………………………  10,000~25,000
인공조명(TV 스튜디오) …………………………………………  1,000
맑은 날의 해돋이, 일몰…………………………………………  400
권장 오피스 실내조명……………………………………………  320
매우 어두운 낮……………………………………………………  100
복도, 화장실  ……………………………………………………  80
권장 거실 밝기……………………………………………………  50
맑은 날의 밝은 보름달 …………………………………………  0.2~1
초승달………………………………………………………………  0.01
달 없는 맑은 밤하늘 ……………………………………………  0.002
가장 밝은 별………………………………………………………  0.00001

이런 예로 보아, 사람의 눈은 한 낮의 밝은 햇빛에서 별빛까지를 볼 수 있는, 즉 가장 어두운 빛에서부터 그 빛의 10억배 밝기도 볼 수 있는 아주 광범위한 가시능력을 가지고 있는 셈이다.
참고로 말한다면, 60W 백열등을 1m 밖에서 보았을 때의 밝기가 대략 60lx가 되고, 이렇듯 lx를 쓰는 빛의 밝기를 조도(Illuminance, Photometric)라고 한다. 그러나 사람의 시각에 의존하는 빛의 밝기는 빛 그 자체가 가지고 있는 빛에너지와는 별로 관계가 없다.
사람은 같은 양의 에너지를 가진 세기의 빛을 보았을 때 초록색(555㎚ 파장대)을 가장 강하게 느끼고, 적색, 청색으로 편향될수록 빛이 약한 걸로 느끼게 된다. 그런데 식물은 빛의 세기를 사람과는 다르게, 빛에 포함된 광양자의 양에 의해 강약으로 받아들인다.
여기서, 식물이 빛의 세기에 반응한다는 뜻은, 빛을 받아들여 얼마만큼 광합성을 하는가에 기준을 둔다는 뜻이다.
식물은 빛에 포함된 광양자 하나를 받아들여 하나의 광합성을 하기 때문인데, 이런 식의 빛의 강도를 나타내는 방법으로는 ‘광합성,광양자속 밀도(Photosynthetic Photon Flux Density)’ 라는 말을 쓰고, 그 단위로는 molm-2s-1을 써 나타낸다.
그리고 이때의 molm-2s-1 단위는 너무 커서 마이크로 몰(μmolm-2s-1)을 쓰고, molm-2s-1이라고 표기해 ‘마이크로몰 퍼 스퀘어미터 퍼 세컨드’라고 읽는다. 이 말은 1㎡의 면적에 1초 동안 내리는 광양자의 양이 얼마가 된다는 뜻이다.
그럼 μmolm-2s-1은 사람이 느끼는 빛의 강도 lx와 어떤 관계가 있는 걸까. μmolm-2s-1은 빛의 파장대와 광원에 따라 다른데 lx 와의 비교는 아래와 같다.

1μmolm-2s-1당 lx와의 관계

광원……………………………………………………  lx
태양광…………………………………………………  54
백열등…………………………………………………  50
형광등…………………………………………………  74
메탈 할라이드 등……………………………………  71
고압 나트륨 등………………………………………  82
적색 LED(660nm) …………………………………  9.94
청색 LED(450nm) …………………………………  11.9
백색 LED(Warm white) ……………………………  68.2
녹색(530nm)  ………………………………………  101

위의 환산치에서와 같이, μmolm-2s-1은 광원과 빛의 색깔에 따라 다르다.
이에 따라, 형광등으로 10,000lx의 빛을 식물에 쪼여 준다는 말은 135μmolm-2s-1의  빛을 비춰준다는 뜻이고, 비록 lx로 쳐서는 어두울지라도 이를 μmolm-2s-1로 환산하는데 가장 유리한 빛은 적색 LED(660㎚)라는 걸 알 수 있다.
그러면 식물은 대개 어느 정도의 빛의 세기(μmolm-2s-1)에서 성장하는 걸까? KAST의 재배시험에 의하면 식물(엽채류, 상추, 쑥갓, 청경채, 적겨자, 케일 등)은 대략 30μmolm-2s-1에서 150μmolm-2s-1 사이에서 무난히 성장한다는 시험결과를 얻었다.
물론 이보다 더 센 빛에서는 더 잘 자라겠으나, 그렇게 되면 그 빛을 만들어내는데 드는 전기료에 비해 그만한 효과를 얻지 못한다는 뜻이다. 즉 엽채류의 빛의 세기에 대한 최소 필요량은 30μmolm-2s-1 부근이고, 최대 포화점(더 이상은 경제적으로 불리한 점)은 대략 150μmolm-2s-1이라는 뜻이다.

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----- 목차 -----
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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5. 빛의 스펙트럼

빛에는 여러 가지 색이 있다. 그리고 우리가 잘 알고 있듯 흰 빛에는 여러 가지 색의 빛이 섞여 있다. 예를 들어 빨간색, 파란색, 초록색, 노란색을 섞어 놓으면 우리의 눈에는 흰색으로 보인다. 그러나 빛의 색은 원래 각기 분리되어 있는 것이고, 각각의 빛깔의 색은 각기 다른 일을 한다. 즉 붉은색이거나 적외선(Infra Red)은 열작용을 하고, 파란색 빛이나 자외선(Ultra Violet)은 화학적 작용을 주로 한다.
그리고 대부분의 식물은 초록색 빛을 싫어해서 반사해 버린다. 즉 식물의 성장에는 초록색이 아무런 도움이 안 되므로 반사해 버리게 되는데, 그래서 식물은 초록색으로 보이게 된다.
그러나 엄밀한 의미에서는 초록색도 식물의 성장에 특이한 영향을 준다. (사진5)는 햇빛의 스펙트럼으로 햇빛은 흰 색으로 보이나, 사진에서와 같이 자외선(왼쪽의 파란색 쪽으로 400㎚(빛의 파장의 길이를 나타냄. 400㎚란 그 빛의 파장이 10억분지 400m라는 뜻)을 벗어나 더 짧은 쪽의 빛을 자외선이라고 하는데, 햇빛에는 그림과 같이 자외선에서부터, 오른쪽으로 빛의 파장이 700㎚를 넘는 적외선까지를 두루 포함하고 있다.
그 중에서도 파장이 400㎚보다 크고, 700㎚보다는 짧은 가운데 영역을 가시광선이라고 하며, 그 속에 적색부터 보라색까지가 포함되어 있고, 460~480㎚대의 빛(진초록)부근에 가장 강한 피크를 이루고 있음을 알 수 있다.

(사진5)는 2010년 4월 6일, 오후 4시경 경북 구미지역, 흐린 날 햇빛이 반쯤 드는 곳에서 수집한 햇빛 스펙트럼으로, 햇빛은 이렇듯 넓은 주파수대의 빛과 복잡한 분포를 가지고 있다.

(사진6)은 백열등에서 발산되는 빛의 스펙트럼이다. 이 빛은 60W 백열전등을 켜 놓은 후약 1m  밖에서 잡은 빛 스펙트럼이다. 그래프에서와 같이 730㎚ 파장대(근적외선)의 빛이 가장 세고, 가시광선대에서는 빛의 파장이 짧을수록(파란색으로 갈수록) 그 세기가 약해지는 것을 볼 수 있다. 그러나 백열등에서도 그래프의 왼쪽 끝에서와 같이 미약하나마 자외선도 방출되고 있음을 알 수 있다.

즉 (사진7)에서 보듯 형광등에서 발산되는 빛 파장에는, 초록색, 노란색 등과 같이, 식물에서는 탄소동화작용에 필요하지 않는 색이 섞여 있다는 뜻이 된다.
이렇듯 식물은 태양에서, 또는 형광등이나 백열등에서 비치는 모든 빛을 푸짐하게 식탁에 차려 주어도 광합성에는 자신이 선호하는 빛깔만 골라 섭취한다.
LED는 이런 점에서, 식물이 좋아하는 빛을 쉽게 조합해 낼 수 있어 식물재배에 필요한 빛을 만들어 내는데 가장 유리하고 이 점이 다른 어떤 광원보다 좋은 이점이 된다.

(사진7)은 형광등에서 방사되고 있는 빛의 스펙트럼이다. 이른바 3파장 형광등이란 말과 같이, 3가지 빛의 피크(440㎚대의 파란색과 550㎚대의 초록색, 620㎚대의 적색)가 있고 전체적으로는 파장대별로 매우 불규칙한 세기의 빛스펙트럼을 포함하고 있다.

그러나 형광등에서 발생되는 빛에는 식물의 광합성에 이용되지 않는, 480㎚ 파장에서  620㎚ 파장대 사이의 빛이 대략 55% 쯤이 포함되어 있어 식물을 키우는 데 있어서는 이만큼 빛에너지의 손실이 발생한다. 이 시험은 식물의 잎에서 반사(Reflect)되는 빛스펙트럼과, 투과(Penetrate)되는 빛스펙트럼을 겹쳐보아 얻은 결과이다.
식물은 위의 4가지 빛, 태양광, 백열등, 형광등, LED 빛 중 어느 것 아래서도 빛의 세기만 어느 정도 이상이 되면 성장을 한다. 물론 적색광만으로도 식물은 자라고, 청색광만으로도 식물이 성장할 수는 있다.
그러나 어떤 빛이 식물의 성장에 가장 효율적인가 하는 점은, 태양광이 아닌 인공광으로 식물을 재배하고자 할 때는 아주 중요한 문제가 된다. 태양광은 너무 세어 비록 비효율적으로 낭비가 되더라도 식물이 성장을 잘 하나, 인공광을 만들어야 하는 입장에서는 그 효율이 바로 생산비가 되기 때문이다.

(사진 8)은 식물이 가장 잘 성장하는 것으로 알려진 빛의 스펙트럼이다. 식물은 660㎚ 파장대의 적색과 450㎚ 파장대의 청색에서 가장 잘 자란다고 알려져 있다. 이것은 식물재배에서는 이미 잘 알려져 있는 정설이다.

그뿐만 아니라, 어떤 연구에서는 적색 대 청색의 비율(빛의 세기)이 5:1일 때, 10:1일 때, 또는 88% 대 12%의 비율로 섞여 있을 때, 또는 20:1로 혼합했을 때 식물이 가장 잘 자란다는 연구 결과도 많이 발표되어 있다.

(사진8)에서의 그래프는 1W짜리 660㎚ 파장대의 적색 LED 4개와 450㎚ 파장대의 청색 LED 1개를 섞어 점등시켜 얻은 스펙트럼이다.

그래프에서는 적색 빛의 세기가 10일 때 청색이 3으로, 그 빛의 세기가 적색대 청색 10: 3으로 섞여있는 셈인데, 여기서 청색의 비율은 이 정도에서 부터 5:1, 또는 청색을 조금 더 낮춰 적색대 청색의 비율을 8:1 정도로 혼합해 주는 것이 가장 좋은 결과를 가져왔다.
이 그래프에서는 660㎚ 대의 적색과 450㎚ 대의 청색 빛 외에는 다른 아무 색도 포함되어 있지 않아 말 그대로 2가지 색 만의 순수색혼합이 되어있는 셈이다. 그러나 실제로는, KAST의 시험에서는 꼭 이 두 가지 색깔의 빛만으로는 식물이 그리 만족스럽게 성장하지는 않는다는 결론을 얻었다. 왠가 겉자라고, 빛깔이 강하지 않으며 힘이 없어 보이는 게 대부분이었다. 물론 빛의 세기만 강하면 이런 빛의 색깔별 분포는 어느 정도 보상이 되긴 하겠다.

(사진9)는 KAST가 여러 번의 시험을 거쳐 얻은, 가장 이상적인 식물성장을 위한 빛스펙트럼이다. 물론 이 스펙트럼은 엽채류의 식물을 키우는 목적에서만은 확실히 이상적이라고 말할 수 있을 만큼 많은 시험을 거쳐 얻은 스펙트럼이기 때문이다. 여기에는 적색과 청색 외에 백색, 주황색 빛을 섞어 얻은 것이다. 즉 적색과 청색이 주를 이루는 스펙트럼 중에도 주황색, 황색, 녹색이 조금이나마 포함되어 있고, 청색의 분포도도 덜 날카롭다.

식물은 어찌됐건 30억년쯤 태양광 아래 성장해 오고 발달해 왔다고 한다면, 인공광 역시 태양광에서의 특성은 그대로 지니고 있어야 할 것이라는 추정에서 이런 결론을 얻는다.

(사진 10)은 빛의 혼합에 다시 초록색 LED(530㎚ 파장대)를 조금 섞은 빛의 스펙트럼이다. 그래프의 530㎚ 파장대에 작은 피크가 있는 것이 보인다.

식물은 원래 초록색을 싫어해서 반사하므로 초록색으로 보이는 것이 사실이나, 이 그래프에서처럼 초록색 빛을 약간 섞은 빛에서 어떤 식물은 더 잘 자라기도 한다. 이렇듯 식물의 성장은 빛에 아주 민감하고 어떤 일률적인 추리를 거부한 채 제멋대로 자라기도 한다. 식물의 이런 조그만 변화나 민감성에 대한 모든 부분의 연구가 앞으로의 과제이기도 하다.

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미래 산업형 식물공장과 LED 기술

<편집자 주>
북부 유럽의 일부 국가에서 부족한 일조량을 보충하기 위하여 시작된 식물공장은 통제된 시설 내 빛, 공기, 열, 양분 등 생물의 생육환경을 인공적으로 제어해 공산품처럼 계획 생산이 가능한 농업 형태로, 이미 일본과 유럽, 미국 등 선진국에서는 연구가 활발하다. 이러한 식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있는 점 이외에도 이산화탄소 발생량을 30% 정도 줄일 수 있는 장점이 있고, 농업용 로봇, LED 등 인공광, 생산 자동화 시스템 등 농업 기술을 IT, BT, RT 분야와 연계하여 농업, 공업 나아가 서비스업 등의 협력까지 도모할 수 있는 신성장 산업의 동력이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

----- 목차 -----
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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4. 왜 LED이어야 하는가

현재까지 인공광을 이용한 식물의 재배방법에는 형광등이 주로 사용되어 왔다. 형광등의 광변환 효율은 통칭 20% 정도라고 알려져 왔고, 다른 광원(예를 들어 백열등은 8%)에 비해 높은 편이기 때문이다.

그러나 LED의 광 변환효율은 대략 25~30%정도로, 형광등보다는 높아 같은 광량을 발산하면 형광등보다 열이 덜 난다.

실제 시험에서도, 형광등(18W)에서의 외부 접촉온도는 110℃였으나, LED(1W급 13개가 장착된 LED Bar)에서의 접촉온도는 35℃였다. 이 말은, LED 광원이 더 재배식물에 가까이 둘 수 있다는 이야기다.

빛의 세기는 광원과의 거리의 제곱에 반비례한다. 즉 광원과 식물 사이의 거리가 두 배 멀어지면 빛은 4분지 1로 약해지는데, 형광등은 열이 많이 나므로 재배식물에서 어느 정도의 거리를 띄워 높은 곳에 설치해야 하는데, 이 때문에 그만큼 빛이 약해질 수밖에 없다는 결론이 된다. 인공광에 의한 식물재배에서는 한 다발의 빛도 아껴 사용해야 하므로, 여기서는 큰 문제가 된다.

KAST가 시행한 직접 재배시험에서도 LED는 형광등을 이용한 비교시험에서 훨씬 우수함을 보여 주었다.

(사진1)은 가로, 세로 각 105㎝, 50㎝의 재배상 두 곳에, 한 곳에는 LED만을 이용해 식물을 재배하는 장면이고, (사진2)는 이와 비교시험하기 위해 형광등만을 사용해 식물을 재배하는 사진이다(2010년 2월 4일 재배상에 정식한 후 3월 2일 촬영).

두 곳 모두 동일한 조건으로 각 재배상의 왼쪽에는 청경채, 가운데 적겨자, 오른쪽에 적치마상추를 각 3분지 1씩, 동일한 날 정식한 후 추적조사를 한 결과이다.

(사진1) LED조명만을 이용해 식물을 키우는 장면이다. 여기에서는 1W급 LED 13개가 달린 LED바(막대모양) 4개를 조명용으로 사용했으므로 총 LED의 사용개수는 52개가 되고, 광원과 식물재배상의 바닥까지의 거리는 30㎝이다. 그리고 여기서 소모되는 전력량은 전원회로의 손실 약 30%를 포함, 약 70W였다.

(사진2) 형광등만으로 채소를 키우는 장면이다. 여기에는 37W급 형광등 2개가 사용되고 있고, 소비되는 전력은 85W이다. 사진에서 보듯 성장속도도 (사진1)에 비해 느리고, 웃자란 모습이 보인다. 특히 오른쪽 부분의 적치마상추가 붉은 색을 띄지 않고 초록색으로 그대로 있어 힘이 없어 보인다. 여기서 LED 재배상에서의 소모전력은 형광등 쪽에 비해 82%로 적으나 성장상태는 눈으로 봐도 훨씬 우세함을 알 수 있다.

한편 다른 곳에서의 비교시험결과도 형광등보다는 LED가 우수함을 보여주었다.

(사진3)은 가로, 세로 각 25㎝, 45㎝의 재배상에서의 LED와 형광등의 비교시험결과로 LED만으로 식물을 재배하는 모습이다. 여기 사용된 식물은 적치마상추로, (사진3)은 LED, (사진4)는 형광등만으로 식물을 시험 재배하는 모습이다.

(사진3)에서는 LED 7개가 직렬로 이어진 바 2개가 사용되어 LED가 모두 14개 사용되었고, 여기서 소모되는 전력량은 전원부의 손실을 포함, 24W이다.

한편 (사진4)에서는 18W 형광등 2개가 사용되었고, 전력소모량은 41W이었다(실제 측정해 본 결과에 의하면 형광등에서의 공칭 사용전력 표시에 비해 실제 전기소모량은 약 5~10% 더 많다.).

즉 형광등을 사용하는 경우가 전력소모량으로 볼 때, LED를 사용한 곳보다 1.7배 많았으나, 상추의 성장상태는 LED쪽이 더 우세했다.

(주)카스트친환경농업기술 www.sunnyfield.co.kr

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<편집자 주>
북부 유럽의 일부 국가에서 부족한 일조량을 보충하기 위하여 시작된 식물공장은 통제된 시설 내 빛, 공기, 열, 양분 등 생물의 생육환경을 인공적으로 제어해 공산품처럼 계획 생산이 가능한 농업 형태로, 이미 일본과 유럽, 미국 등 선진국에서는 연구가 활발하다. 이러한 식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있는 점 이외에도 이산화탄소 발생량을 30% 정도 줄일 수 있는 장점이 있고, 농업용 로봇, LED 등 인공광, 생산 자동화 시스템 등 농업 기술을 IT, BT, RT 분야와 연계하여 농업, 공업 나아가 서비스업 등의 협력까지 도모할 수 있는 신성장 산업의 동력이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

----- 목차 -----
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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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 차단됨으로써 농약을 일체 사용할 필요가 없게 되고, 온도 조절을 위한 에어컨, 난방설비의 절전화가 가능하며, 탄산가스의 양도 식물재배에 제일 적합한 800~1,200ppm으로 유지하고 습도 역시 60~70% 선을 쉽게 유지하도록 한다.

이와 같이 식물공장 내부를 세균으로부터 차폐하기 위해서는 그 안을 출입하는 작업자 역시 출입 시에는 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 쉽기 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.
 

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----- 목차 -----
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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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 재배가 가능하게 한 것이다.

식물공장은 근래 들어 급변하는 기후의 변화에 대처하고, 사계절 전천후 농사가 가능하고 해충의 피해, 잔류농약과 중금속, 식중독균, 슈퍼 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 노지재배보다 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 30년 전보다 150배가 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 농산물이 안전한 농산물로 생각하고 있으나, 사실은 그렇지 않다. 아래는 2011년 7월 호 <농경과 원예>지에서 발췌한 ‘농식품 안전, GAP가 정답이다’ 기사 중의 내용이다.

“지금까지 대부분의 소비자들은 안전한 농산물이라면 자연스럽게 유기농산물 생산제도를 포함한 친환경농산물 생산제도 및 생산이력제 등으로 관리된 농산물을 생각하고 있다. 그러나 이들 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 슈퍼 박테리아와 같은 사건이 발생될 수도 있다”

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, 슈퍼 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 살균함으로써 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.

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북부 유럽의 일부 국가에서 부족한 일조량을 보충하기 위하여 시작된 식물공장은 통제된 시설 내 빛, 공기, 열, 양분 등 생물의 생육환경을 인공적으로 제어해 공산품처럼 계획 생산이 가능한 농업 형태로, 이미 일본과 유럽, 미국 등 선진국에서는 연구가 활발하다. 이러한 식물공장은 기후와 지역에 관계없이 농산물을 재배할 수 있는 점 이외에도 이산화탄소 발생량을 30% 정도 줄일 수 있는 장점이 있고, 농업용 로봇, LED 등 인공광, 생산 자동화 시스템 등 농업 기술을 IT, BT, RT 분야와 연계하여 농업, 공업 나아가 서비스업 등의 협력까지 도모할 수 있는 신성장 산업의 동력이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

----- 목차 -----? 

?
1. 식물공장이란 무엇인가?
2. 왜 식물공장인가
3. 식물공장의 기술적 현황과 전망
4. 왜 LED이어야 하는가?
5. 빛의 스펙트럼
6. 빛의 세기
7. LED에서 방사되는 빛의 특성
8. LED를 가장 적절하게 사용하는 방법
9. 설치 후 시험측정
10. 식물공장의 국제적 위치
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1. 식물공장이란 무엇인가?

식물공장(Vertical Farm, Plant Factory)이라는 개념은 미국의 딕슨 디스포마이어(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 50,000명분의 식물을 생산할 수 있게 된다는 구체적 안을 제시했는데, 식물을 다층(Multi-Layer)으로 재배하고 온도, 습도 등을 제어하며 최적의 양액공급, CO₂공급 등으로 수확량을 같은 재배면적 대비 10배 정도 더 많이 늘릴 수 있다고 했다.
식물공장이란 가히 ‘제 3의 농업혁명(The Third Agricultural Revolution)’이라고 말할 수 있는데 그 근거로는 아래와 같은 변화가 따르기 때문이다.

a. 농지가 필요 없다.
b. 물이 필요 없다.
c. 햇빛이 필요 없다.
d. 노동력이 필요 없다.

인류가 숲에서 나와 농사를 짓기 시작한 것은 대략 10,000~15,000년 전의 일로, 식물을 재배하기 시작하면서 농사에는 농지가 절대적인 요소로 되어있다. 즉 ‘땅’이 있어야 농사를 지을 수 있다는 말이다.
식물공장은 그 생각을 바꿔놓으려고 하고 있으니 가히 농업혁명이라고 할 수 있지 않을까? 물론 식물공장을 지으려고 해도 땅은 필요하다. 그러나 식물공장에서는 농사를 짓는데 필요한 땅은 기본적으로 극히 적어도 되고, 재배면적은 식물공장을 수직으로 계속 쌓아 올라가면 재배면적이 10배, 20배 늘어날 수도 있으므로 땅이 필요 없다고 하는 것이다.

다만 식물공장에서는 다층재배를 최대 이점으로 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

이 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 근래에 와서 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 660㎚ 파장대의 적색과 450㎚ 파장대의 빛을 혼합한 빛) 이런 적색과 청색 빛의 혼합 비율도 조절도 가능하며, 더 나아가 이 빛을 1초에 1,000~10,000회까지 고속으로 ON/OFF 시킬 수 있어 더 효율적이고 전기 에너지도 절약할 수 있는 길을 열게 됐다.
그러나 일본에서는 이미 7~8년 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, 미국 등이 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.

(주)카스트친환경농업기술 www.sunnyfield.co.kr