저자: 조경, 저우정찬, 부윈룽 등. 출처: 농업공학기술(온실원예)

이 식물 공장은 현대 산업, 생명공학, 수경재배 및 정보 기술을 결합하여 시설 내 환경 요인을 고정밀로 제어합니다. 완전 밀폐형 구조로 주변 환경에 대한 요구 조건이 낮고, 식물 수확 기간을 단축하며, 물과 비료를 절약할 수 있습니다. 또한 무농약 재배 및 폐수 배출이 없어 단위 면적당 토지 이용 효율이 노지 재배 대비 40~108배에 달합니다. 특히 지능형 인공 조명과 조명 환경 조절 시스템은 생산 효율을 극대화하는 데 결정적인 역할을 합니다.

빛은 중요한 물리적 환경 요소로서 식물의 성장과 물질 대사를 조절하는 데 핵심적인 역할을 합니다. "식물 공장의 주요 특징 중 하나는 완전한 인공 조명 시스템과 빛 환경의 지능형 조절 구현"이라는 것이 업계에서 일반적인 합의가 되었습니다.

식물에게 필요한 빛

빛은 식물 광합성의 유일한 에너지원입니다. 빛의 강도, 빛의 질(스펙트럼), 그리고 주기적인 빛의 변화는 작물의 성장과 발달에 지대한 영향을 미치며, 그중에서도 빛의 강도는 식물 광합성에 가장 큰 영향을 줍니다.

■ 빛의 강도

빛의 강도는 작물의 개화, 마디 길이, 줄기 굵기, 잎의 크기와 두께 등 형태에 영향을 미칠 수 있습니다. 식물의 광량 요구량은 광친화성, 중광친화성, 저광친화성으로 나눌 수 있습니다. 채소는 대부분 광친화성 식물이며, 광보상점과 광포화점이 비교적 높습니다. 인공 조명 재배 시설에서 작물의 광량 요구량은 인공 광원 선택의 중요한 기준이 됩니다. 다양한 식물의 광량 요구량을 이해하는 것은 인공 광원 설계에 필수적이며, 시스템의 생산 효율을 향상시키는 데 매우 중요합니다.

■ 빛의 질

빛의 질(분광) 분포는 식물의 광합성과 형태 형성에 중요한 영향을 미칩니다(그림 1). 빛은 복사의 한 종류이며, 복사는 전자기파입니다. 전자기파는 파동적 특성과 양자(입자)적 특성을 모두 가지고 있습니다. 원예 분야에서는 빛의 양자를 광자라고 부릅니다. 300~800nm ​​파장 범위의 복사를 식물의 생리활성복사(PAR)라고 하고, 400~700nm 파장 범위의 복사를 식물의 광합성활성복사(PAR)라고 합니다.

엽록소와 카로틴은 식물 광합성에서 가장 중요한 두 가지 색소입니다. 그림 2는 각 광합성 색소의 흡수 스펙트럼을 보여주는데, 엽록소의 흡수 스펙트럼은 적색과 청색 대역에 집중되어 있습니다. 조명 시스템은 작물의 스펙트럼 요구량을 기반으로 인공적으로 빛을 보충하여 식물의 광합성을 촉진하도록 설계되었습니다.

■ 광주기
식물의 광합성과 광형태형성, 그리고 일조시간(또는 광주기) 사이의 관계를 식물의 광주기성이라고 합니다. 광주기성은 작물이 빛을 받는 시간인 일조시간과 밀접한 관련이 있습니다. 작물마다 개화와 결실을 위해 필요한 일조시간이 다릅니다. 광주기성에 따라 양배추 등 특정 생육 단계에서 12~14시간 이상의 일조시간이 필요한 장일성 작물, 양파, 콩 등 12~14시간 미만의 일조시간이 필요한 단일성 작물, 그리고 오이, 토마토, 고추 등 장일성 또는 단일성 일조시간 모두에서 개화와 결실이 가능한 중일성 작물로 나눌 수 있습니다.
환경의 세 가지 요소 중 광량은 인공 조명원을 선택하는 중요한 기준입니다. 현재 광량을 표현하는 방법은 다양하며, 주로 다음 세 가지를 들 수 있습니다.
(1)조명은 조명된 평면에 도달하는 광속의 표면 밀도(단위 면적당 광속)를 럭스(lx)로 나타낸 것이다.

(2) 광합성 유효 복사량, PAR, 단위: W/m².

(3) 광합성 유효 광자속 밀도 PPFD 또는 PPF는 단위 시간 및 단위 면적에 도달하거나 통과하는 광합성 유효 복사량의 수이며 단위는 μmol/(m²·s)입니다. 주로 광합성과 직접적으로 관련된 400~700nm의 광도를 의미하며, 식물 생산 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 광도 지표입니다.

일반적인 보조 조명 시스템의 광원 분석
인공 조명 보조는 식물의 광 요구량을 충족시키기 위해 보조 조명 시스템을 설치하여 대상 영역의 광량을 높이거나 일조 시간을 연장하는 것을 말합니다. 일반적으로 보조 조명 시스템은 보조 조명 장비, 회로 및 제어 시스템을 포함합니다. 보조 광원은 백열등, 형광등, 메탈 할라이드 램프, 고압 나트륨 램프 및 LED와 같은 몇 가지 일반적인 유형이 있습니다. 백열등은 전기적 및 광학적 효율이 낮고 광합성 에너지 효율이 낮은 등의 단점 때문에 시장에서 퇴출되었으므로 본 글에서는 자세히 분석하지 않습니다.

■ 형광등
형광등은 저압 가스 방전 램프의 일종입니다. 유리관에는 수은 증기 또는 불활성 가스가 채워져 있고, 관의 내벽에는 형광 분말이 코팅되어 있습니다. 빛의 색은 관에 코팅된 형광 물질의 종류에 따라 달라집니다. 형광등은 백열등에 비해 우수한 스펙트럼 성능, 높은 발광 효율, 낮은 전력 소비, 긴 수명(12,000시간) 및 상대적으로 저렴한 가격을 자랑합니다. 형광등 자체에서 발생하는 열이 적기 때문에 식물 가까이에 설치하여 조명할 수 있으며, 입체 재배에 적합합니다. 그러나 형광등의 스펙트럼 배치는 비효율적입니다. 전 세계적으로 가장 일반적인 방법은 재배 지역 내 작물의 유효 광원 성분을 극대화하기 위해 반사판을 추가하는 것입니다. 일본의 adv-agri사는 새로운 유형의 보조 광원인 HEFL을 개발했습니다. HEFL은 실제로 형광등의 한 종류이며, 냉음극 형광등(CCFL)과 외전극 형광등(EEFL)을 포괄하는 용어로, 혼합 전극 형광등입니다. HEFL 튜브는 직경이 약 4mm에 불과할 정도로 매우 얇으며, 재배 환경에 따라 길이를 450mm에서 1200mm까지 조절할 수 있습니다. 이는 기존 형광등의 개량형입니다.

■ 메탈 할라이드 램프
할로겐 램프는 고압 수은 램프를 기반으로 방전관에 다양한 금속 할로겐화물(브롬화주석, 요오드화나트륨 등)을 첨가하여 여러 원소를 여기시켜 다양한 파장의 빛을 생성하는 고강도 방전 램프입니다. 할로겐 램프는 높은 발광 효율, 높은 출력, 우수한 색 재현성, 긴 수명 및 넓은 스펙트럼을 가지고 있습니다. 그러나 발광 효율이 고압 나트륨 램프보다 낮고 수명이 짧기 때문에 현재는 일부 공장에서만 사용되고 있습니다.

■ 고압 나트륨 램프
고압 나트륨 램프는 고압 가스 방전 램프의 한 종류입니다. 고압 나트륨 램프는 방전관에 고압 나트륨 증기를 채우고 소량의 제논(Xe)과 할로겐화수은을 첨가하여 만든 고효율 램프입니다. 고압 나트륨 램프는 전기광학 변환 효율이 높고 제조 비용이 저렴하여 현재 농업 시설의 보조 조명으로 가장 널리 사용되고 있습니다. 그러나 스펙트럼 영역에서 광합성 효율이 낮아 에너지 효율이 떨어진다는 단점이 있습니다. 또한 고압 나트륨 램프에서 방출되는 빛의 스펙트럼 성분은 주로 황주황색 영역에 집중되어 있어 식물 생장에 필요한 적색과 청색 스펙트럼이 부족합니다.

■ 발광 다이오드
차세대 광원인 발광 다이오드(LED)는 높은 전기-광 변환 효율, 조절 가능한 스펙트럼, 높은 광합성 효율 등 여러 장점을 가지고 있습니다. LED는 식물 성장에 필요한 단색광을 방출할 수 있습니다. 일반 형광등이나 다른 보조 광원과 비교했을 때, LED는 에너지 절약, 환경 친화성, 긴 수명, 단색광, 냉광 등의 이점을 제공합니다. LED의 전기-광 변환 효율이 더욱 향상되고 규모의 경제로 비용이 절감됨에 따라, LED 식물 생장 조명 시스템은 농업 시설의 보조 조명 장비로 주류를 이룰 것으로 예상됩니다. 그 결과, 현재 99.9% 이상의 식물 공장에서 LED 식물 생장 조명을 사용하고 있습니다.

표 1에서 볼 수 있듯이, 비교를 통해 다양한 보조 광원의 특성을 명확하게 이해할 수 있습니다.

휴대용 조명 장치
빛의 강도는 작물의 성장에 밀접한 관련이 있습니다. 3차원 재배 방식은 식물 공장에서 흔히 사용됩니다. 그러나 재배대 구조의 한계로 인해 재배대 사이의 빛과 온도가 고르지 않게 분포되어 작물 수확량에 영향을 미치고 수확 시기가 일치하지 않는 문제가 발생합니다. 베이징의 한 회사는 2010년에 수동식 조명 높이 조절 장치(HPS 조명 및 LED 생장등)를 개발했습니다. 이 장치는 손잡이를 흔들어 구동축과 그에 고정된 와인더를 회전시켜 작은 필름 릴을 돌려 와이어 로프를 감고 푸는 원리로 작동합니다. 생장등의 와이어 로프는 여러 개의 역회전 바퀴를 통해 엘리베이터의 와인더에 연결되어 생장등의 높이를 조절할 수 있습니다. 2017년에는 이 회사가 작물의 성장 요구에 따라 실시간으로 조명 높이를 자동으로 조절할 수 있는 새로운 이동식 조명 높이 조절 장치를 설계 및 개발했습니다. 이 조절 장치는 현재 3단 조명 높이 조절식 3차원 재배대에 설치되어 사용되고 있습니다. 이 장치의 최상층은 최적의 조명 조건을 갖춘 곳으로 고압 나트륨 램프가 장착되어 있으며, 중간층과 최하층에는 LED 재배등과 높이 조절 시스템이 설치되어 있습니다. 재배등 높이를 자동으로 조절하여 작물에 적합한 조명 환경을 제공합니다.

3차원 재배에 특화된 이동식 조명 보조 장치와 비교하여, 네덜란드에서는 수평 이동식 LED 생장 조명 보조 장치를 개발했습니다. 햇빛 아래에서 생장 조명의 그림자가 식물 성장에 미치는 영향을 최소화하기 위해, 이 장치는 텔레스코픽 슬라이드를 이용하여 조명 시스템을 거치대 양쪽으로 수평 이동시킬 수 있어 햇빛이 식물에 고르게 비추도록 설계되었습니다. 또한, 흐린 날이나 비가 오는 날에는 조명 시스템을 거치대 중앙으로 이동시켜 식물에 고르게 빛을 비출 수 있습니다. 거치대에서 슬라이드를 이용해 조명 시스템을 수평으로 이동시킬 수 있으므로, 조명 시스템을 자주 분해하고 제거하는 번거로움을 줄여 작업자의 노동 강도를 낮추고 작업 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

일반적인 식물 재배용 조명 시스템의 디자인 아이디어
이동식 조명 보조 장치의 설계를 보면, 식물 공장의 보조 조명 시스템 설계는 일반적으로 작물 생육 단계별 광도, 광질, 광주기 매개변수를 핵심 내용으로 삼고 지능형 제어 시스템을 활용하여 에너지 절약과 고수확이라는 궁극적인 목표를 달성한다는 것을 쉽게 알 수 있다.

현재 잎채소용 보조광 설계 및 시공 기술은 점차 성숙해지고 있습니다. 예를 들어, 잎채소는 유묘기, 중기, 후기, 완기 네 단계로 나눌 수 있으며, 과채소는 유묘기, 영양생장기, 개화기, 수확기로 나눌 수 있습니다. 보조광의 강도 측면에서 유묘기에는 60~200 μmol/(m²·s) 정도로 낮게 설정하고 점차 증가시켜야 합니다. 잎채소는 100~200 μmol/(m²·s), 과채소는 300~500 μmol/(m²·s)까지 광량을 공급하여 각 생육 단계별 식물 광합성에 필요한 광량을 확보하고 높은 수확량을 달성할 수 있습니다. 광질 측면에서는 적색광과 청색광의 비율이 매우 중요합니다. 묘목의 품질을 향상시키고 묘목 단계의 과성장을 방지하기 위해 적색광과 청색광의 비율은 일반적으로 낮은 수준[(1~2):1]으로 설정한 후, 식물의 광 형태에 필요한 만큼 점차 낮춥니다. 잎채소의 경우 적색광과 청색광의 비율은 (3~6):1로 설정할 수 있습니다. 광주기는 광도와 마찬가지로 생육 기간이 길어짐에 따라 증가하는 경향을 보여야 잎채소가 광합성을 할 수 있는 시간이 늘어납니다. 과채소의 광보충 설계는 더욱 복잡합니다. 위에서 언급한 기본 원칙 외에도 개화기 광주기 설정에 특히 주의를 기울여야 하며, 채소의 개화와 결실을 촉진하여 역효과를 방지해야 합니다.

조명 설정에는 최종 조명 환경 조절을 포함하는 것이 중요하다는 점을 언급할 필요가 있습니다. 예를 들어, 지속적인 광 공급은 수경재배 잎채소 모종의 수확량과 품질을 크게 향상시킬 수 있으며, 자외선(UV) 처리는 새싹과 잎채소(특히 자주색 잎상추와 적상추)의 영양가를 현저히 높일 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 일부 인공 조명 식물 공장에서는 특정 작물에 대한 광 보충을 최적화하는 것 외에도 광원 제어 시스템이 빠르게 발전해 왔습니다. 이러한 제어 시스템은 일반적으로 B/S 구조를 기반으로 하며, 작물 생육 기간 동안 온도, 습도, 조도, CO2 농도와 같은 환경 요소를 Wi-Fi를 통해 원격 및 자동 제어함으로써 외부 조건에 구애받지 않는 생산 방식을 구현합니다. 이러한 지능형 보조 조명 시스템은 LED 생장등을 보조 광원으로 사용하고 원격 지능형 제어 시스템과 결합하여 식물의 파장별 조도 요구를 충족할 수 있으며, 특히 광 제어 식물 재배 환경에 적합하여 시장 수요를 효과적으로 충족할 수 있습니다.

결론
식물공장은 21세기 세계 자원, 인구, 환경 문제 해결의 중요한 방안이자 미래 첨단 기술 프로젝트에서 식량 자급자족을 달성하는 중요한 방법으로 여겨집니다. 새로운 농업 생산 방식인 식물공장은 아직 학습 및 성장 단계에 있으며, 더 많은 관심과 연구가 필요합니다. 본 논문에서는 식물공장에서 일반적으로 사용되는 보조 조명 방식의 특징과 장점을 설명하고, 대표적인 작물 보조 조명 시스템 설계 아이디어를 소개합니다. 지속적인 흐림이나 안개와 같은 악천후로 인한 저조도 환경에 대처하고 시설 작물의 높고 안정적인 생산을 보장하기 위해서는 LED 생장 조명 장비가 현재의 발전 추세에 가장 적합하다는 것을 비교를 통해 쉽게 알 수 있습니다.

미래 식물 공장의 발전 방향은 고정밀 저비용 센서, 원격 제어 및 스펙트럼 조절이 가능한 조명 시스템, 그리고 전문가 제어 시스템에 중점을 두어야 합니다. 동시에 미래의 식물 공장은 저비용, 지능화, 그리고 자율 적응성을 향해 지속적으로 발전해 나갈 것입니다. LED 생장 조명원의 사용 및 보급은 식물 공장의 고정밀 환경 제어를 보장합니다. LED 조명 환경 조절은 광질, 광도, 광주기를 종합적으로 조절하는 복잡한 과정입니다. 관련 전문가와 학자들은 심도 있는 연구를 수행하여 인공 조명 식물 공장에서 LED 보조 조명의 활용을 촉진해야 합니다.