물공장 실내는 온습도 및 통풍 조절을 할 수 있도록 공조시설이 필요한데 이것이 설치되어 있지 않을 경우 공기순환을 위해 냉난방기를 설치해야 한다. LED는 활용범위가 광범위하여 많은 분야에서 활용되고 있는데 상대적으로 농업용 조명은 다양하지 않아 수요는 미미하다. 그럼에도 LED 광원은 식물공장에 효율적으로 배치하여 사용한다면 유용하게 사용될 것이다.
<h1>식물공장의 시설물</h1><p>식물공장을 운영하기 위한 시설은 비닐하우스의 약 17배 정도의 경비가 드는 것으로 알려져 있다. 특히 LED 조명을 설치할 경우 시설비 총액의 절반 정도를 조명시설이 차지한다. 식물공장을 만들 때 시설비가 많이 투자되면 시설물 유지와 운영비가 많이 들고, 감가상각비가 많이 들게 되므로 채산성에 문제가 생긴다. 따라서 식물공장은 최소의 경비로 최대의 효율을 낼 수 있도록 치밀한 설계와 검증에 의해 시설물을 설치하고 운영해야 한다.</p><p>내부시설물은 크게 광원을 공급하는 조명장치, 식물을 올려놓고 재배하는 재배상 (bed)과 그 받침대, 영양분을 공급하는 양액통과 순환공급호스로 된 양액공급 장치 그리고 공조장치 (냉난방기) 등으로 구성된다. 조명장치는 완전제어형인 경우 재배상 위쪽에 설치하는게 일반적이지만 부분제어형인 경우에는 측면이나 위에서 빛을 쬐어주도록 벽이나 천정에 조명장치를 설치할 수 있다. 재배상은 공간활용을 최대로 하기 위해 여러 단으로 만들며 열을 지어 배치한다. 식물공장 실내는 온습도 및 통풍 조절을 할 수 있도록 공조시설을 하는데 이 시설이 되어 있지 않을 경우에는 공기순환을 감안해서 냉난방기를 실내에 설치해야 한다.</p><h2>조명장치</h2><p>빛은 식물재배에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 요인 중의 하나이다. 태양광은 식물재배에 있어서 최대의 혜택이지만 식물의 생장에 가장 좋은 것은 아니고, 반드시 필요한 것도 아니다. 그 이유는 태양광은 일일 중 또는 일년 중 끊임없이 변하고 다양한 파장을 가지고 있어 식물이 광합성 작용에 사용되는 파장은 그다지 많지 않다. 따라서 식물이 필요로 하는 광원은 인공조명장치로 얼마든지 대신할 수 있어 식물공장에서는 식물이 필요로 하는 광원을 인공광원으로 대체하고 있다. 식물의 생장에 필수적인 파장을 선택적으로 많이 공급할 수 있게 조명장치를 하는 것은 식물공장에 있어서 매우 중요하다. 식물은 빛에 포함된 광양자 하나를 받아서 하나의 광합성을 하는데 이 빛의 강도를 광합성광양자속 밀도 (Phostosynthetic photon flux density)라 하고, \( \operatorname{molm}^{-2} \mathrm{~s}^{-1} \) (또는 \( \mu \mathrm{molm}^{-2} \mathrm{~s}^{-1} \) )로 쓴다. 마이크로 퍼 스퀘어미터 퍼 세컨드 \( \left(\mu \mathrm{molm}^{-2} \mathrm{~s}^{-1}\right) \)는 1제곱미터 면적에 1초 동안 내리 쬐는 광양자의 양이고, 사람이 느끼는 빛의 강도 룩스 \( (\mathrm{lx}) \)와 비교해 실제 식물을 재배하는데 환산해 보면 편리하다.</p><p>인공광원을 만들어내는 조명시설은 식물공장의 특성에 따라 고압나트륨등, 메탈헬라이드등, 형광등, LED등이 있다. 완전제어형 식물공장의 경우 대부분 형광등과 LED등을 주로 사용하고 있는데 최근에는 LED등의 여러 가지 장점이 알려져 LED 등의 수요가 늘고 있다.</p><p>고압나트륨등은 발광관 안에 나트륨, 수은, 크세논 가스 등을 혼합해 넣고 방사시켜 빛을 내는 전등으로 가시광선에 대한 변환효율이 \( 30 \% \) 정도로 다른 전등에 비해 높은 편으로 가격도 비교적 싸고 경제성이 있어 초기 식물공장에서 주로 사용하였다. 고압나트륨등은 많은 열을 발생시키는 특징이 있어 겨울에는 난방을 겸하면서 사용할 수 있지만 여름에는 사용하기에 적절치 않다. 또한 발광 스펙트럼 중 식물에 필요한 적색과 청색의 비율이 낮아서 광합성 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 완전제어형 식물공장에서 고압나트륨등만을 사용하기에는 여러 문제점이 있지만 단위 출력당 비용이 저렴하여 태양광을 이용하는 부분제어형 식물공장에서는 보광용으로 사용하기에 가장 적합한 광원이다 (강 et al. 2007). 필자의 경우 학교 교실을 개조해 만든 부분제어형 식물공장의 벽에 나트륨등을 설치하여 8단으로 된 육묘대의 옆에서 빛을 쬐여 줄 수 있도록 하여 보광효과와 난방을 함께하여 좋은 효과를 얻었다.</p><p>메탈헬라이드 전등은 발광관 안에 인듐 (청색광), 리튬 (적색광), 탈륨, 나트륨 등의 할로겐족 금속화합물을 넣은 고압방전등으로 식물에게 필요한 적색광과 청색광이 분포하도록 되어 있지만 나트륨등에 비해 발광효율이 떨어지고, 수명이 길지 않아 실제 식물공장에는 적합하지 않아 그다지 사용하지 않는다.</p><p>형광등은 형광체를 도포한 발광관 안에서 수은을 저압으로 방전시켜 파장 \( 253.7 \mathrm{~nm} \)의 자외선을 방사하도록 하여 이 자외선에 의해 얻어지는 연속스펙트럼으로 전 가시광선을 낼 수 있다. 형광등의 종류는 형광체에 따라 백색, 주백색, 주광색, 3파장 등이 있는데 식물재배에는 3파장 전등이 방사하는 파장으로 볼 때 가장 불리하고 나머지 전등은 거의 비슷하다. 형광등은 구입하기가 쉽고, 설치하기가 편리하며 가격도 저렴한 장점이 있다. 반면에 직관형 형광등은 중앙부위와 양 끝부위와는 광도에서 차이가 나고, 광합성에 효과가 있는 적색광이 적어 약광하에서는 생산물의 당도가 떨어지는 단점이 있다. 최근 일반 형광등의 다른 형태로 외부전극관 (EEFL) 방식의 형광등이 식물공장의 조명시설로 주목받고 있는데 대형 액정 TV나 간판의 백라이트로 사용되는 하이브리드 전극 형광등 (HEFL)을 식물재배에 필요한 파장영역을 고루 갖추어 식물공장의 조명시설로 사용할 수 있도록 하였다. HEFL은 전극을 가열하지 않고 전자를 방출하도록 되어있어 구조가 간단하고, 수명이 수만 시간에 이르지만 가격은 일반 형광등보다 2-3배 비싼 편으로 초기 경제적인 부담이 있다. 식물공장에서 일반 형광등의 단점을 HEFL이 충분히 보완할 수 있지만 다른 전등과의 성능과 효과는 비교연구를 더욱 더 진행해야 할 것이다.</p><p>LED (반도체 발광다이오드)는 활용범위가 광범위해서 많은 산업분야에서 활용되고 있는데 반해 농업용 조명의 수요는 상대적으로 미미해 조명회사에서 농업용 제품을 다양하게 만들지 않고 있다. 최근 국내 중소업체에서 식물재배용 LED 전등을 생산하여 일부 보급하면서 식물재배에 이용되고 있지만 아직까지 적절한 광원의 배합, 적절한 광도 (PPF), 다른 환경요인과의 관계 등이 확실하게 규명되지 않고 있다 (Um et al. 2009). LED 전등의 발광파장은 식물 엽록소의 흡수피크와 거의 일치시킬 수 있어 광합성에 유리하고, 낮은 전압으로 작동할 수 있으며 수명이 긴 특징이 있다. 즉 식물의 주요 광합성 파장인 적색과 청색광만을 사용한 LED 전등은 전기사용량이 다른 조명장치에 비해 현저하게 적다고 할 수 있다 (박 2010a). 그러나 LED 전등은 식물재배에 적합한 고광도 LED광원의 생산이 어려운 기술적인 측면이 있고, 아직까지 다른 전등에 비해 가격이 비싸 식물공장 시설시 경제적인 부담이 크다. 몇 가지 단점에도 불구하고 LED 광원은 미래 식물공장에서 다른 전등과 효율적으로 배치해서 사용한다면 아주 유용한 광원으로 이용될 수 있을 것이다.</p>