태양을 대신하는 빛

실내농장에서 식물 재배를 위한 빛

최근 급격한 기후변화에 대응해 안정적인 작물 생산을 원하는 요구가 높아지며 실내에서 인공적인 빛을 이용해 식물을 키우는 밀폐형 스마트팜, 식물공장에 대한 관심이 커지며 인공적인 빛에 대한 관심이 급격이 커지게 되었습니다.

이것은 매스컴을 통해 간간히 보이는 식물재배 전용 LED에 대한 소식을 보면 알 수 있을 것입니다.

어떻게 하면 식물을 재배할 때 최소한의 작은 에너지로 태양이 하는 역할을 대신할 수 있을까?

이것이 실내에서 인공적인 빛으로 식물을 재배하는 사람들의 가장 큰 관심사입니다.

현재 개발되어 상용화된 빛 중 이 요구에 가장 가깝게 있는 것이 LED입니다.

먼저 식물이 성장하는데 필요한 빛의 역할을 정확히 이해하는 것이 중요할 것 같습니다.

식물의 성장에 가장 기초적인 활동은 광합성과 호흡입니다.

광합성과 호흡이라는 개념은 우리가 중학교에서 배우는 것이라 대부분 어떤 내용인지는 알고 있습니다만 이것이 식물 재배에 어떤 식으로 작용하는지를 아는 사람은 많지 않습니다.

사람은 생명을 유지하고 성장하기 위해 음식을 먹고 위와 장에서 소화, 분해하여 혈관으로 영양분을 흡수합니다. 

혈관에 흡수된 영양분은 호흡기와 폐를 통해 받아들여진 산소와 반응해 에너지가 되고 이것이 생명을 유지시키고, 근육을 움직이고, 뼈와 세포를 성장시키는 활동의 에너지가 됩니다.

식물도 생명을 유지하고 성장하기 위해 에너지가 필요하고 이 에너지를 얻기 위해 무언가를 해야합니다.

이것이 광합성과 호흡입니다.

이중에 광합성은 사람으로 치면 음식을 만들고 그 음식을 소화, 분해해서 영양분을 만드는 활동입니다.

광합성은 [그림]에서 보는 것과 같이 엽록체라는 장소에 태양에서 오는 빛 에너지와 뿌리를 통해 끌어올린 물 그리고 잎의 기공을 통해 흡수한 공기중의 이산화탄소를 합성하여   포도당과 산소를 만들어 내는 것입니다.

이렇게 합성된 포도당과 산소중 산소는 광합성과 동시에 이루어지고 있는 호흡에 사용되고, 남는 산소는 기공을 통해 외부로 빠져나갑니다.

포도당은 물에 녹지 않는 녹말의 형태로 잎에 저장되었다가 빛이 사라져 광합성이 이루어지지 않는 야간에 당으로 분해되어 식물의 각기관으로 보내집니다.

우리 인체에서 음식물을 소화하고 분해한 영양분이 혈관으로 흡수되어 전신으로 가서 에너지가 되는 것과 같은 원리입니다.

호흡은 야간에 식물의 각기관에 보내진 당과 기공을 통해 받아들인 산소를 반응시켜 식물의 생명활동과 성장에 필요한 에너지를 만들어내는 것입니다.

이 에너지를 가지고 뿌리로 부터 물과 함께 받아들인 주요영양성분인 N,P,K와 미량요소들을 합성하여 식물을 성장시키게 되는 것입니다. 즉 호흡이라는 것은 광합성으로 만들어진 당을 소비하여 에너지를 만들고 이 에너지로 식물을 성장시키는 과정이라고 볼 수 있습니다.

광합성은 빛, 이산화탄소, 물이라는 3가지 요소중 1가지라도 없으면 진행이 안되기 때문에 빛이 없는 밤에는 광합성이 진행되지 않고 호흡만 진행됩니다.

호흡은 산소와 식물의 각기관에 저장된 당만 있으면 되기 때문에 밤과 낮을 가리지 않고 일어납니다. 즉 밤과 낮을 가리지 않고 호흡이 일어나기 때문에 식물의 성장 역시 밤과 낮을 가리지 않고 일어나지만 광합성이 주를 이루는 낮에는 그 성장이 작을수 밖에 없습니다.

태양의 빛 대신에 LED와 같은 인공적인 빛을 이용해 식물을 재배할때 24시간 내내 식물에 빛을 주면 식물이 더 빨리 자랄것으로 생각하는 사람이 있습니다.

이것은 광합성과 호흡을 이해하고 보면 말도 안되는 생각이라는 것을 금방 알 수 있을 것입니다.

사람이 키가 크고 몸이 튼튼해지려면 밥만 많이 먹는 것이 아니라 적당히 운동도 하고 잠도 자야하는 것과 같이 식물도 광합성을 통해 합성한 당으로 호흡을 통해 에너지를 얻고 이 에너지로 식물을 성장시킬시간이 필요하기 때문에 적절한 시간의 밤이 필요합니다.

우리가 식물을 재배할 때 온도, 습도, 이산화탄소농도, 광량을 조절하는 환경조절을 하는 이유는 이 광합성과 호흡이 잘 이루어질 수 있도록 하기 위해서입니다.     

기후변화에 대응해 안정적 작물생산으로 각광 받고 있는 스마트팜에서 가장 큰 관심을 받고 있는 부분이 이 빛입니다.

다른 부분은 원래의 농업방식과 큰 차이가 없는데 반해 이 빛은 그동안 태양광 외는 많이 사용해봐야 보조광 정도 였기 때문에 앞으로 많은 공부가 필요할 부분입니다.

광합성을 위한 필수 요소중 하나인 빛을 프리즘에 통과해보면 [그림]에서 보시는 것과 같이 다양한 색깔의 빛이 나오는 것은 다들 아실 겁니다.

빛이 보시는 것과 같이 다양한 색깔로 변화하는 것은 빛이 가지는 고유의 파장때문입니다.

사람의 눈으로 보이는 빛의 파장대를 가시 광선 영역이라고 하는데 파장이 짧을수록 보라색에 가깝고 파장이 길수록 적색에 가깝습니다. 

물론 파장이 극단적으로 짧거나 길면 우리 눈으로 볼 수 없는 경우도 있습니다.

몇 년전까지 인공광으로 식물을 재배하는 밀폐형 스마트팜, 식물공장 사진을 보면 붉은 빛이 많이 나는 것을 확인할 수 있을 겁니다.

인터넷에 식물공장이라는 키워드로 검색을 해보시면 금방 붉은 빛이 가득한 식물재배장치를 확인할 수 있습니다.

이렇게 식물공장에 붉은 빛이 많은 것은 광의 파장대에 따라 식물이 어떻게 반응하는 지 연구를 한 결과 670nm이상의 적색 파장대가 적은 에너지로 식물 성장에 가장 많은 영향을 준다는 것을 알았기 때문입니다.

물론 현재는 400~500nm의 청색파장대는 물론 500~600nm의 녹색파장대, 700~800nm대의 Far-red 파장대도 다양한 역할을 한다고 연구가 되어 단순히 적색파장대만 강조하는 것에 벗어나 작물이 요구하는 광 특징에 따라 파장대를 구성해 예전과 같이 붉은 빛이 가득한 곳은 많이 없습니다.     

인공광을 이용해 식물을 키우는 것이 꾸준히 연구되며 670nm이상의 적색파장대가 적은 에너지로 식물성장에 가장 큰 영향을 준다는 단순한 지식을 벗어나 각 파장대가 식물의 성장에 미치는 영향에 대해 좀 더 심도 있는 연구결과가 나왔습니다.

[그림]에서 보시는 것과 같이 빛의 파장대 마다 고유의 역할이 있습니다.

광 파장대에 따른 식물의 반응에 대한 연구가 초기일때는 앞서 언급한 670nm이상의 적색파장대에만 집중해서 재배한 경우도 있었습니다만 지금은 재배하는 작물의 특성에 따라 각각의 파장대를 적절히 혼합해 사용합니다.

물론 에너지 효율이 높은 적색파장대를 많이 사용합니다만 오직 적색파장대만 극대화하는 방식은 사용하지 않습니다.

간단한 예로 우리나라와 같이 쌈문화가 발달한 국가에서 적색상추를 재배할때는 상추잎 색깔발현이 잘되고 상추 잎이 좀 두꺼워야 하는데 이것을 위해 [그림]에서 보시는 것과 같이 자외선에 까운 315~400nm v파장대의 역할을 고려해 적절하게 파장대를 혼합하면 섬유질이 발달하고 잎이 두꺼워져 쌈채소로 사용하기 적절하게 자라게 됩니다.

[그림]에는 나오지 않습다만 400~500nm대의 파장은 식물이 가지는 고유의 기능성 성분을 높이는 역할을 하기 때문에 약초를 재배할 때 적절한 파장대를 사용하는 경우 일반적인 노지농업으로 약초를 재배하는 것보다 더 좋은 약초를 재배할 수 도 있습니다.

그 외에도 광의 파장대를 적절히 조절함에 따라 식물의 맛을 강하게도 하고 약하게도 할 수 있고 쓴맛, 단맛, 아삭거리는 맛, 부드러운 맛 등 다양하게 조절이 가능합니다.     

인공적인 빛이 가지는 이런 장점이 있지만 우리가 식물을 재배할 때 사용하는 빛은 현재 태양광의 빛을 완전히 대체할 수 없습니다.

가장 큰 문제는 태양에 비해 에너지 비용이 너무 많이 든다는 것입니다.

현재의 기술로 가장 에너지 효율이 높다고 할 수 있는 LED 역시 마찬가지입니다.

그런데 스마트팜에서 태양광 대신 인공광을 사용하고 또 인공광으로 태양광을 대신하는 것이 가능한 이유는 뭘까요?

그것은 모든 식물은 태양이 주는 에너지를 모두 사용하지 않기 때문입니다.

아니 어떤 식물은 너무 강한 태양광을 받을 경우 시들거나 죽는 경우도 있습니다.

스마트팜에서 태양대신 인공광을 사용할 수 있는 이유는 태양광을 완전히 대체하는 것은 어렵지만 특정 식물이 필요로 하는 광량 정도는 충분히 경제성을 가지고 제공해줄 수 있기 때문입니다.

스마트팜에서 태양광 대신 인공광을 사용하는 이유는 태양광에는 식물의 광합성에 필요한 광량자도 있지만 높은 수준의 열도 같이 전달되기 때문입니다.

여름에는 식물성장에 필요한 수준으로 온도를 낮추는데 들어가는 에너지가 빛을 인공광으로 대체할 때 들어가는 에너지보다 많을때가 있습니다. 이럴 경우 에너지 효율성 측면에서 태양광 보다는 인공광으로 대체할 수 있게 되는 것입니다.

앞서 잠깐 언급했습니다만 무한대에 가까운 태양광 대신에 인공광으로 식물을 재배할 수 있는 이유는 식물은 태양이 제공하는 에너지 즉 광량자를 모두 활용하는 것이 아니라 아주 일부만 활용하기때문입니다.

이것을 정확히 이야기하면 [그림]에 보시는 것과 같은 광 보상점과 광 포화점을 말합니다.

광보상점은 광량자의 량이 커짐에 따라 앞서 설명한 광합성과 호흡이 같아지는 지점이며 이 지점을 통과하면 광량자의 량이 커짐에 따라 광합성이 량이 늘어납니다.

광포화점은 이렇게 광량자의 량이 커짐에 따라 늘어나던 광합성의 량이 어느 지점에 이르면 아무리 광량자의 량을 늘이더라도 더 이상 광합성의 량이 늘어나지 않는 지점을 말합니다.

식물은 태양이 제공하는 광량자를 일정수준까지는 광합성에 활용하지만 광포화점에 이르는 지점에 이르면 아무리 광량자를 많이 제공해도 광합성에 활용할 수 없습니다.

태양빛 만큼 광량자를 공급하는 것은 어렵겠지만 식물이 원하는 광포화점 수준의 광량자를 공급하는 것은 LED와 같은 인공광으로 공급이 가능합니다. 그래서 인공광으로 태양광을 대신하는 것이 가능한 것입니다.

태양광 대신 인공광으로 대신하면 좋은 장점이 있습니다.

앞서 언급한 파장대에 따른 역할을 고려해서 파장대를 조절해주면 내가 원하는 맛이나 식감의 식물을 만드는 것도 가능합니다.

물론 벼나 보리와 같은 식량작물은 인공광으로 대체할 수 없을 정도로 태양 빛이 제공하는 광량자를 요구하기때문에 식물공장에서 재배하는 것이 아직은 많이 어렵다고 할 수 있습니다만 현재 국내외에서 각광을 받고 있는 양상추 등 잎채소 등은 충분한 강점을 가지고 있다고 할 수 있습니다.     

식물을 재배할때 필요한 인공적인 빛을 내는 광원은 다양합니다. LED뿐만 아니라  백열등이나 형광등도 사용 가능합니다. 

예전에 백열 전구로 깻잎을 재배하는 곳도 있었습니다.

형광등은 PG(Plant Grow)등이라고 식물재배를 위한 별도의 등이 제품으로 나오기도 했습니다.

그 외도 고압나트륨램프는 일본에서 LED가 많이 사용되기전에 식물공장의 재배등으로 많이 활용되었습니다.

요즘은 LED가격이 많이 다운되어서 대부분 LED를 사용하고 있습니다.

HEFL등은 예전에 대형액정TV나 간판의 백라이트로 사용되는 하이브리드 전극 형광등인데 LED가 빠르게 발전하고 저렴해지면서 일본에서 잠깐 사용되다가 현재는 사용되고 있지 않습니다.

그 외  쌀이나 보리와 같은 높은 수준의 광량자를 요구하는 작물을 재배하기 위해 레이저를 이용한 조명도 연구되고 있습니다.