이상 기후 현상이 빈발하는 가운데 식물공장은 농산물의 안정적인 생산을 위한 하나의 대안이 될 수 있다.

이미 일본에서는 인공광형 식물공장이 사업화되고 있고, 미국은 도심에 고층 빌딩 형태의 식물공장건설 방안을 연구하고 있다. 한국에서도 정부와 기업의 관심이 커지고 있지만 관련 기술의 전반적인 수준이 아직 뒤쳐저 있는 것으로 평가되고 있다.

국내에서도 올해 들어 일조량 부족, 잦은 집중호우, 과거와 다른 태풍의 진행 경로 등 이상 기후 현상들이 연이어 발생해 과일, 야채류 등 각종 농산품 공급이 불안정해지고 가격이 급등하는 모습을 자주 보이고 있다.

단순한 기상 이변은 야채, 과일 등 일부 농산물의 작황에 영향을 미쳐 농산물의 일시적인 공급 불안정성을 키울 수 있다. 기후 변화가 장기적으로 지속된다면 노지 재배를 통한 쌀, 밀, 옥수수등 주식용 곡물 농사마저 어렵게 함으로써 결국 식량 부족 사태를 초래할 가능성도 있다. 기후 변화 현상은 농산물을 구매하는 일반 소비자뿐 아니라 유통, 식품업계 등 관련 기업에게도 사업의 안정성을 저해할 수 있는 잠재적인 위험 요인이 되고 있다.

농산물의 안정적인 생산을 위해 식물공장이 하나의 대안이 될 수 있다. 식물공장이란 무엇인지, 그리고 일본 등 주요국들은 최근 어떻게 개발하고 있는지를 살펴보자.

식물공장이란 일정한 시설 내에서 빛, 온도, 습도, 공기(이산화탄소 농도), 물, 영양분 등 식물 배양에 필요한 모든 환경 조건을 인공적으로 통제, 제어해 농작물을 생산하는 시스템을 의미한다.

이른바 공장제 생산 시스템을 도입한 농업 방식인 것이다. 식물공장형 농업 방식은 땅에서 이루어지는 노지 재배, 비닐하우스나 유리온실 등의 시설 원예, 흙을 사용하지 않고 영양액 만으로 식물을 재배하는 수경재배 다음으로 등장했다. 따라서 기술적 발달 정도로 볼 때 환경 제어 기술이 고도로 발달한 정점에 있는 단계로 볼 수 있다.

식물공장을 적용한 농업 방식은 기존 농업 방식과는 확연하게 구분되는 특징을 보인다. 첫째, 연중 안정적인 생산이 가능하다는 점이다. 모든 환경 조건이 인공적으로 제어되는 시설 내부에서 작물이 재배되므로 노지 재배뿐 아니라 비닐하우스, 유리온실 등의 시설재배와 달리 계절이나 환경의 변화, 지리적 입지 조건 등에 크게 구애 받지 않고 농작물을 1년 내내 생산할 수 있기 때문이다.

둘째, 재배작물의 규격화 및 정량화가 가능하다. 체계적인 생산 설비에서 작물이 재배, 수확되므로 크기나 용량 등이 규격화된 작물을 제품화할 수 있기 때문이다. 셋째, 기존의 주요농업 방식인노지 재배에 비해 훨씬 개선된 시장 대응 능력을 보유할 수 있다. 시장 수급 상황에 대응한 능동적이고 계획적인 생산량 조절, 소비자 수요 트렌드의 변화 등에 대응한 신속한 재배 품목 교체 등이 보다 수월하게 이루어질 수 있기 때문이다.

식물공장의 유형별 분류는 통상 조명 방식을 기준으로 한다. 식물 재배에 가장 중요한 광합성에 필수적인 요소 기술이 조명(광원) 기술이기 때문이다. 또한 어떤 조명 방식을 채택할 것인가는 식물공장의 건물 형태나 건물 내 재배설비의 구조와도 관련된다. 조명을 태양광에 의존하는 경우, 태양광 이용형 식물공장으로 분류한다.

태양광 이용형 식물공장의 형태는 주로 단층 건물이면서 작물 재배 설비도 평면형으로 되어 있다. 비닐하우스나 유리온실처럼 투명한 천장을 통해 들어오는 태양광을 직접 이용해야 하기 때문이다.

조명 설비를 인공광에 의존하는 식물공장은 인공광형(완전제어형) 식물공장으로 구분된다. 일부에서는 인공광형 시설을 진정한 의미의 식물공장으로 간주하기도 한다. 완전제어형 설비는 외부 환경으로부터 격리되어 있어 빛, 온도, 습도 등 작물의 생육에 필요한 환경제어 문제를 완전히 인공적으로 통제함으로써 연중 생산이 가능하기 때문이다.

이러한 인공광형 식물공장은 다단형 설비를 갖추거나 복층형 건물로 만들어진다. 한정된 대지 면적에서 최대한 많은 재배 면적을 확보할 수 있는 다단형 설비나 복층형 건물에서는 최상층 및 각 층의 일부만 태양광을 받을 수 있으므로 인공광 설비가 필수적이기 때문이다.

중간적인 형태로 태양광과 인공광을 모두 이용하는 경우도 있다. 태양광과 인공 광원을 병용하는 식물공장은 단층형 건물이더라도 재배 설비를 다단 또는 입체식으로 설치하기 위해 층고를 높인 형태가 되는데 이를 수직형 식물공장이라고도 한다. 이 경우 재배설비의 최상단 외에는 태양광을 받을 수 없어 인공광(인공 조명)으로 보완하는 보광 기능이 필요하므로 태양광과 인공광을 함께 이용하게 된다.

식물공장은 국가 경제 측면에서도 주목할 만한 사업이 될 수 있다. 그 이유는 첫째, 다양한 산업, 기술이 접목되어 전후방 효과를 기대할 수 있는 융복합형 사업이란 점이다. 식물공장의 설치와 운영에는 건물 설계, 시공을 위한 건축업, 식물 재배 설비를 위한 기계 산업, 환경 조건을 인공적으로 구현, 제어하기 위한 it기기 산업들과 재배 기술을 위한 농업 및 적합한 종자 개발을 위한 종자 산업 등이 모두 밀접하게 관련되어 있기 때문이다(<표> 참조).


둘째, 최근 추진되고 있는 지속 가능한 성장을 위한 녹색 성장 전략과도 부합한다. 농업 자체가 녹색 산업일 뿐더러 식물공장 운영에 필요한 전기, 물 등의 자원 소요량을 줄이는데 개발 중인 신재생 에너지 기술 및 수처리 기술등 녹색 산업 관련 기술들이 큰 역할을 할 수있기 때문이다.

셋째, 농업의 획기적인 발전 기회가 될 수도 있다. 1960년대 밀 등 주요 곡물의 생산성이 대폭 향상되었던 이른바 녹색 혁명에 버금가는 농업 발전 기회가 될 수도 있다는 것이다. 또한 장기적으로는 식량 안보 문제의 대응 방안이 될 가능성도 배제할 수 없다.

관련 기술이 발전하고 경제성도 확보된다면 식물공장에서는 야채, 과일 뿐 아니라 주식용 곡물인 쌀, 밀, 옥수수 등의 생산도 가능할 것이기 때문이다. 따라서 식물공장이 단기적으로는 각종 야채류 등 일부 농산물의 안정적공급원 역할을 하고 장기적, 전략적 관점에서는 기존 농업 방식으로 해결하지 못한 식량 안보 문제의 해결책이 될 것으로 기대하고 있다.

식물공장 사업은 유럽, 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 연구, 개발되고 있는데 개발양상은 각국의 여건에 따라 각각 상이하게 진행되는 것으로 보인다.

식물공장의 시초는 1950년대 북유럽 일부 국가에서 일조량 부족 문제 극복을 위해 시작한 채소류의 시설 재배로 알려진다. 최초로 자동화 설비를 적용한 식물공장도 유럽에서 개발되었다. 오스트리아 루스너(ruthner)사가 태양광 이용형 식물공장 내에서 태양광을 효과적으로 이용하기 위해 작물의 이동을 컨베이어 시스템으로 제어하는 시스템을 개발했던 것이다.

현재 네덜란드 등을 중심으로 발달한 유럽의 식물공장은 대부분 자동화된 냉난방 및 공조 설비를 갖춘 유리온실의 형태로 되어 있고 주로 화훼류 등 고부가가치 작물 재배 또는 식물의 육묘 등에 적용되고 있다. 최근에는 입체형 식물공장의 가동과 실용화 수준의 공정자동화 연구도 진행 중인 것으로 알려진다.

일각에서는 유럽의 유리온실 시스템을 식물공장이라 보기 힘들다는 의견도 제시하는데, 그 이유로는 유리온실 시스템에 자동화 설비를 갖춘 형태가 비록 식물공장과 유사하기는 하나 기본적으로 태양광에 의존하고 인공조명 설비가 보조적인 역할에 그치기 때문에 연중 안정적 생산이란 식물공장의 특징이 제대로 구현되기 힘들다는 점을 들고 있다.

현재 식물공장 관련 연구가 가장 활발하게 진행되는 국가는 일본이다. 1970년대 관련 연구를 시작해서 지금은 태양광 이용형에서 완전제어형에 이르는 다양한 형태의 식물공장에 대한 연구가 진행되고 있고 식용 작물을 생산하는 식물공장의 사업화도 가장 앞선 것으로 평가되고 있다.

이 같은 일본의 연구 성과는 낮은 식량자급률에 따른 식량 안보 문제, 농업인구의 노령화와 감소로 인한 농업 생산성 저하, 식품 안전성에 대한 관심 증가 등 농업을 둘러싼 여러 가지 문제에 대처하기 위해서는 기술집약형 농업인 식물공장이 필요하다는 전략적 판단 하에 자금 지원 등의 육성책을 지속해 온 정부의 뒷받침이 있었기 때문에 가능했다.

최근 일본 경제산업성에서는 자국 내 식물공장들의 사업화 사례를 조사, 발표한 바 있다. 2008년 당시 가동 중인 50개의 식물공장을 대상으로 사업 주체, 설치연도, 설치 면적과 재배 면적, 조명 설비 등 다양한 기준으로 분석한 조사 결과는 식물공장의 사업화 추이와 향후 발달을 전망하는데 도움이 된다.

조사 결과에 따르면 50개의 사업화된 식물공장 중에서 진정한 식물공장이라 할 수 있는 인공광형(완전제어형)이 절반을 넘는 34개에 달하는 반면 태양광과 인공광을 함께 이용하는 경우는 16개인 것으로 나타났다.

사업 주체별로 보면 34개의 인공광형 식물공장 중 19네덜란드의 유리온실 개는 기업이 운영 중인 반면 병용형 식물공장 16개 중 10개 시설은 일반 농민이 운영하는 것으로 집계되었다. 이러한 결과는 설비 투자 규모를 감당할 수 있는 자금조달능력과 설비 유형 간의 개연성을 보여주는 것이라 할 수 있다.

자금조달 능력이 있는 기업들이 투자 규모가 큰 완전제어형 식물공장 설비를 갖춘 반면 농민들은 보다 저렴한 병용형 조명 설비를 이용하는 것으로 볼 수 있다.

또 인공광형 식물공장의 38%(13개)가 최근 4년 내에 설치된 새로운 설비인 반면 병용형식물공장의 72%는 설치된 지 10년이 지나 상대적으로 노후화된 시설인 것으로 집계되었다. 기술 발달에 따라 인공광형 식물공장이 늘어나는 추세임을 짐작할 수 있다.

설치 면적 기준으로는 인공광형 식물공장의 85%가 설치 면적 1,000m² 미만의 소규모인데 반해 병용형 식물공장의 55%는 5,000m²이상의 대규모 설비인 것으로 나타났다. 그런데 실제 생산량을 결정하는 재배면적 기준으로는 인공광형 중 12개 시설(38%)이 설치 면적 보다 훨씬 넓은 1,000m² 이상인 것으로 나타났다. 즉, 주로 다단식 재배설비를 갖추고 있어 건물 면적보다 재배 면적이 더 넓은 인공광형 식물공장의 생산성이 보다 높은 것으로 볼 수 있다.

마지막으로 사용하는 조명 설비(광원)의실제 사용 현황에서는 형광등이나 고압 나트륨 램프 등 저렴하면서도 비교적 성능이 좋은 광원이 여전히 많이 사용되는 것으로 드러났다. 최근 it 산업에서 각광받고 있는 led의 보급률이 아직 미진하다.

이러한 조사 결과가나타난 원인으로는 전기 사용량이 적고 수명이 길다는 장점을 가진 led 사용에 대한 연구가 부족한 점, 고가의 부품 가격으로 인해 초기 설치비용 부담이 커진다는 단점 등을 들 수 있을 것이다.

일본의 조사 결과를 종합하면 외부 환경으로부터 격리되어 있어 진정한 식물공장이라 할 수 있는 인공광형 설비가 점차 늘어나고 있고 기업의 농업 참여도도 커지는 것으로 나타났다.

또한 재배 면적이 설치 면적보다 넓어 생산성 측면에서도 인공광형 설비가 보다 효과적인 것으로 볼 수 있다. 그러나 led 사용 실적이 미진하다는 점에서 식물공장의 사업화에는 설비투자비 부담이 여전히 중요한 과제라는 점도 알 수 있다.

경제성 확보 문제로 90년대 무렵 ge 등 주요기업들이 연구를 중단했던 미국에서는 최근학계를 중심으로 도심에 위치한 고층 빌딩형식물공장(vertical farm)이란 새로운 형태의 식물공장에 대한 연구가 진행되고 있다.

고층빌딩형 식물공장의 가장 큰 특징은 건물의 형태와 입지 조건이다. 즉 도심에 위치한 고층 빌딩이라는 것이다. 고층 빌딩형 식물공장은 기존의 단층형, 수직형 식물공장보다 훨씬 크고 형태도 다른 만큼 환경 제어용 설비, 통합 제어 기술이 훨씬 복잡하고 투자 규모도 클 것으로 예상된다.

미국에서 이런 특징을 가진 식물공장의 개념이 탄생하게 된 데에는 국토가 넓어 농업용지를 얼마든지 확보할 수 있는 미국의 여건이 크게 작용한 것으로 보인다. 일반적인 식물공장 형태로는 가격 경쟁력을 확보하기 힘들지만 도심형 식물공장이라면 운송 거리를 대폭 단축해서 물류 비용을 줄일 수 있고 대신 비싼 토지 구매 부담은 고층 건물 형태로 해결하자는 아이디어가 반영된 것이 고층빌딩형 식물공장이다.

이 같은 고층 빌딩형 식물공장 개발이 추진될 수 있는 중요한 배경으로는 그린빌딩을 위해 개발 중인 에너지 및 자원 절감 기술의 발달도 빼놓을 수 없다. 왜냐 하면 상식적으로도 도심에 고층 빌딩을 지어서 농사를 짓는다면 건축비용과 막대한 전기 및 물 사용에 따른 생산비용이 노지 재배보다 훨씬 많이 들것은 자명하기 때문이다. 따라서 에너지 및 자원 절감 기술의 발달이 고층 빌딩형 식물공장의 경제성 확보 여부를 결정지을 변수가 되고 있다.

고층형 식물공장의 결정적인 약점은 아직 건설된 적이 없는 개념에 불과하다는 점이다.고층 빌딩형 식물공장 가동을 위해 필수적인, 층간 에너지 및 자원 순환을 처리할 일종의 통합 생태계 제어 기술 개발은 아직 완료되지 못하고 있다.

또한 기술 개발이 완료되더라도 당장 경제성 확보를 장담할 수 없어 전시성 프로젝트 차원에서 소수로 건설되는데 그칠 것이란 우려도 있다. 따라서 고층 빌딩형 식물공장이 실제로 구현되는 데에는 시간이 걸릴 것이란 견해가 많다.

90년대부터 연구를 시작한 한국에서도 최근들어 정부나 기업들의 관심이 커지면서 농촌진흥청, 각종 연구기관 등을 중심으로 관련 연구가 가속화 되고 있다.

농촌진흥청에서는 2010년 내에 수직형 및 복층형 식물공장을 설치해 각종 작물의 생육 자료 축적 등에 활용할 예정이고 수직형 식물공장의 사업모델을 2015년 무렵까지 개발하기 위한 연구도 추진되고 있다.

또 소규모 식물공장 시스템을 내부에 갖춘 컨테이너형 식물공장 시스템을 남극 세종기지에서 설치하기도 했다. 사업화 노력은 일본과 마찬 가지로 소수의 중소기업을 중심으로 진행되고 있다.

그러나 관련 기술의 전반적인 수준은 아직 미흡한 것으로 평가되고 있다. 인공조명 설비, 수경재배 기술 등 개별 기술 수준은 세계 최고기술 대비 50~80% 수준에 그치는 것으로 평가되고 있다.

특히 식물공장에 적합한 전용 품종의 개발 기술은 세계 수준의 20% 정도에 그쳐 현저하게 뒤처져 있는 실정이다. 또 개별 기술을 통합 제어하는 설비 제어 기술에 대한 연구도 아직 미진하다고 지적하기도 한다.

관련 기술 개발을 전제로 한 식물공장의 사업화 성공 여부는 경제성 확보에 달려 있다. 경제성 확보는 각종 비용 절감과 수익원 개발이란 두 가지 측면에서 접근해야 할 것으로 보인다. 먼저 초기 설비투자를 절감하고 운영비용도 줄여야 한다.

그러나 현실적으로 볼때 고도 기술이 적용될수록 설비 투자비는 오히려 늘어날 가능성이 크다. 그래서 비용 절감의 핵심은 운영비용 절감, 즉 식물공장 설비 가동에 필요한 전기 사용량과 물 등 각종 자원 사용량을 줄일 수 있는 기술이라 할 수 있다.

또한 고급 야채류 또는 의약용 식물과 같은 특수 작물 등 고수익을 창출할 수 있는 시장 발굴과 식물공장에 적합한 종자 개발 등을통해 수익성 높은 사업모델을 개발하는 것도 사업화 시기를 앞당길 수 있을 것이다.

식물공장이 경제성 있는 사업으로 안착하기 위해서는 관련 기술에 대한 많은 연구가 추가되어야 할 것이다. 다양한 수종과 다양한 광원을 이용한 각종 작물의 재배 방법에 대한 연구도 필요하다.

환경 제어 기술 개발에 필수적인 각종 작물의 생육 자료 축적에만 수년 이상의시간이 걸릴 수 있다. 이런 상황을 감안하면 단기간에 식물공장 사업이 활성화되기는 힘들 것이다. 또 기술 개발과는 별개로 기업들이 농업에 진출하는 것에 대해 부정적인 시각도 있을 수 있다.

그러나 조명 기술, 그린에너지 기술 및 it기술 등이 계속 발달하고 있어 생산비용이 줄고 경제성이 확보되는 시기가 예상보다 빨라질 가능성도 배제할 수 없다.

국토가 제한된 한국에 식물공장은 이상기후, 식량 안보 문제 등의 대응 차원에서도 중요한 과제가 될 수 있다. 더군다나 식물공장의 성공에서 바이오, it 등 전후방 산업들의 발달이란 파생 효과도 기대할 수 있다. 그러나 가까운 미래에 경제성 있는 사업으로 정책될 수 있을지 단언하기 어려운 상황에서 관련 연구개발을 기업에게 기대하는 데는 한계가 있다. 미래 대비를 위해 정부의 적극적인 관심과 역할이 요구되는 분야라 할 수 있다. [진석용 책임연구원]