삼성전자는 지난해 수직농장에서 사용하는 ‘백색 빛 기반 식물 생장용 LED(Horticulture LED Module)’를 출시하며, 미래 먹거리 산업에 발을 들였다. 미래에 먹거리는 어떻게 재배하고 소비하며, 농업 분야에서 ‘기술’은 어떤 역할을 하게 될까. 삼성전자 뉴스룸은 식물 생장 LED 개발의 자문교수이자, 이 분야 권위자인 서울대학교 농업생명과학대학 전창후 교수를 최근 연구실에서 만나 미래 먹거리와 기술에 대한 이야기를 나눴다. 다음은 일문일답.

▲ 서울대 전창후 교수

Q. 글로벌 수직농장 트렌드와 전망은.

“‘김치’ 형태로 채소를 소비하던 예전과 달리, ‘샐러드’ 형태로 채소 본연의 건강한 맛을 즐기는 이들이 많아지고 있다. 동시에 당일 배송 등 집 앞까지 작은 양의 신선한 먹거리를 배달하는 유통 산업이 발달하면서, 신선한 먹거리에 대한 소비자의 기대치도 높아지고 있다. 이런 상황에서 수직농장 또는 식물공장(Vegetable Factory)은 사람들의 욕구를 충족하는 농업 모델로 떠오르고 있다.

실내에서 식물을 기르는 식물공장은 해충에 노출될 염려가 거의 없어 농약 등을 사용하지 않는다. 덕분에 식물공장에서 생산된 채소들은 별도의 세척과정조차 필요로 하지 않는다. 포장을 뜯자마자 바로 섭취하는 게 더 깨끗할 정도다. 지능형 시스템으로 식물에 필요한 최적의 환경을 제공하기 때문에, 맛도 영양도 더 풍부한 채소를 재배할 수 있다. 날씨나 미세먼지 등 환경의 영향을 받지 않아 안정적인 수확 역시 기대할 수 있다.”

Q. 식물공장에선 어떤 식물들을 재배할 수 있는지.

“식물은 일반적으로 빛, 수분 등 생장에 필요한 몇 가지 필수 요소가 있으면 재배할 수 있다. 식물공장에선 빛과 수분, 영양소 등 식물에 필요한 요소를 모두 제공할 수 있기 때문에, 이론적으로 모든 종류의 식물을 재배할 수 있다.

다만 경제성과 수요를 고려해 생육 기간이 짧고 키가 20~30cm 정도 되면서, 한 공간에 수직으로 적층해 재배할 수 있는 종을 주로 재배한다. 사람들이 많이 찾는 허브나 상추, 루꼴라 등을 예로 들 수 있다.”

Q. 식물공장에서 사용되는 빛은 어떤 역할을 하는지. 태양광을 대체할 수도 있는 것인가.

“식물 생장에서 빛은 매우 중요한 요소다. 결론부터 말하면 최근 식물공장에서 많이 사용되는 LED 조명은 태양광의 역할을 ‘120%’ 대체할 수 있다.

식물은 빛의 파장에 따라 생장과 광합성의 정도, 발아작용 등에서 영향을 받는다. LED 조명은 빛의 파장을 비교적 손쉽게 조절할 수 있기 때문에, 식물이 필요로 하는 최적의 빛을 제공하는 데 효과적이다. 빛의 파장을 이용해 식물의 맛과 영양소까지 변경시킬 수도 있다. 같은 종류의 채소라고 해도 더 쓴맛을 내게 할 수 있고, 부드럽고 연하게 키울 수도 있는 것. 이것을 ‘라이팅 레시피(Lighting Recipe)’라고 부른다.

예를 들어 노지에서 키우는 시금치는 뻣뻣해서 데쳐 먹을 수밖에 없는데, 라이팅 레시피를 적용해 연하게 키울 수 있다. ‘시금치는 데쳐 먹는다’는 상식을 깨고 샐러드로 즐길 수 있게 되는 것이다.”

Q. 삼성전자와 협업해 개발한 ‘백색 빛 기반 식물 생장용 LED’는 어떤 제품인가.

“식물공장 도입 초기엔 적색과 청색을 조합한 빛이 주로 사용됐다. 당시 연구에선 식물 생장에 적색과 청색의 파장을 가진 빛이 영향을 많이 끼친다고 여겨졌기 때문이다. 하지만 적색과 청색 빛 아래에선 잎의 색깔이나 식물의 발육 상태를 확인하기 힘들다는 불편이 있었다.

최근에는 식물과 빛의 관계에 대한 연구가 활발히 진행되며, ‘녹색 빛’의 중요성이 강조되기 시작했다. 녹색은 다른 빛에 비해 잎 안으로 잘 흡수된다는 결과들이 나오기 시작한 것이다. 그래서 세 개의 빛을 더한 ‘백색’ 빛을 개발하게 됐다. ‘백색 빛 기반 식물 생장용 LED’는 폭넓은 파장대의 빛을 구현해, 식물 생장에도 효과적이고 작업의 편의성 역시 높여준다.”

Q. 삼성의 ‘백색 빛 기반 식물 생장용 LED’만이 갖는 강점이 있다면.

“식물을 잘 키우기 위해선 영양 생장류, 과실류, 생약류 등 대상에 맞춰 스펙트럼의 조합을 달리해야 한다. 그러나 최적의 빛 조합을 찾는 것은 시간과 비용이 많이 들기 때문에, 일반 ‘수직농장(Vertical Farm)’을 하는 농가에서 이를 적용하긴 쉽지 않다.

식물 생장에 필요한 최적 빛의 파장 조합을 찾기 위해 세계 최고 LED 기술력을 가진 삼성전자와 협업했다. 식물공장에서 주로 키우는 식물을 카테고리화하고, 다양한 빛 스펙트럼을 조합해 수차례 실험을 반복했다. 그렇게 찾은 최적의 스펙트럼 조합, 즉 ‘라이팅 솔루션(Lighting Solution)’을 시리즈 제품으로 출시한 것이 바로 ‘백색 빛 기반 식물 생장용 LED’다. 기존 대규모 식물공장뿐만 아니라 이 업을 처음 시작하거나 새로운 작물에 도전해 보는 이들을 포함해, 식물공장 산업 발전에 큰 도움이 될 것이라 기대한다.”

Q. 미래 먹거리와 농업 분야 관련, 삼성에 기대하는 바가 있다면.

“삼성전자와 농업 분야 연구팀이 협업해, 식물 생장 분야 발전에 일조할 수 있는 새로운 기술과 제품을 선보였다는 것만으로 커다란 의미가 있었다고 본다. 향후에도 이러한 타 분야 간 협업이 지속적으로 일어나, 미래 먹거리 산업과 농업 분야 발전에 시너지를 냈으면 한다.

최근 삼성에서 공개한 가정용 채소 재배 냉장고 ‘셰프 가든(Chef Garden)’과 같은 제품은 사람들의 생활 양식에 새로운 변화를 불러올 것이라 생각한다. 소비자인 동시에 생산자가 돼 보고, 나아가 연구자도 될 수 있어 농업 분야에 대한 관심을 높일 것이란 점에서 매우 긍정적으로 생각한다. 더 많은 사람들이 식물을 가까이 접하며, 식물과 먹거리에 대해 ‘감사함’과 ‘호기심’을 느끼면 좋겠다.”

삼성전자는 이러한 흐름 속에서 첨단 기술을 활용해 건강한 먹거리를 확보할 수 있는 방안을 다각도로 고민하고 있다.

햇빛 대체하는 식물 생장 LED 개발 가속

실내에서 작물을 재배하는 ‘식물공장’은 공간·기후의 제약이 적고 친환경 공법을 쓰기 때문에 미래 먹거리 확보의 대안으로 떠오르고 있다. 식물공장에서 중요한 요소 중 하나는 밀폐된 실내에서 자연광을 대체해 식물이 성장하는데 필요한 빛을 원활히 공급하는 일이다.

삼성전자는 지난해 5월, 세계 최고의 발광다이오드(LED) 기술력을 적용한 작물 재배용 LED 라인업을 처음 선보였다. LED 조명은 기존 실내 농장에서 사용되는 인공 조명들에 비해 효율이 높고 수명이 길며, 빛의 스펙트럼 조절이 용이하다는 장점이 있어 점차 사용이 확대되고 있다.

▲ 삼성전자 식물 생장용 LED 패키지와 모듈

식물 생장에서 빛의 파장은 시기별로 매우 중요한 영향을 끼친다. 예를 들어 △430~700나노미터(nm) 파장은 광합성 △450나노미터 파장은 발아작용 △660나노미터 파장은 식물의 신장 △730나노미터 이상의 파장은 꽃과 열매 맺기를 각각 촉진시키는 역할을 한다. 때문에 식물공장도입 초기에는 적색(약600~750나노미터)과 청색(약 400~450나노미터)을 조합한 빛이 주로 사용되었다.

그런데 최근 관련 업계 연구에서는 550나노미터 ‘녹색 빛’의 중요성이 커지고 있다. 녹색 빛은 잎의 투과율이 높아 식물 임관층(Canopy Layer)[1]의 광합성을 증가시킬 수 있다는 점이 밝혀진 것.

삼성전자는 지난해 11월, 기존 청색과 적색 파장의 빛에 ‘녹색 빛’을 더한 ‘백색 빛’ 식물 생장 LED를 개발했다. 폭넓은 파장대(full Spectrum)의 빛을 구현한 삼성전자의 ‘백색 빛 기반 식물 생장용 LED 패키지’는 기존 단일 색상 조명에 비해 식물의 영양소를 증가시키고, 병충해 예방에도 효과가 높다. 백색의 밝은 빛은 작업자들이 식물 발육 상태를 확인하는 데도 도움을 준다.

독자적인 패키지 설계 기술을 적용해, 화학비료를 사용하는 곳이나 온실과 같이 고온 다습한 환경에서도 높은 신뢰성을 제공한다는 장점도 있다. 특히 적색 LED 제품보다 가격 경쟁력이 높아 식물공장의 조명 시스템 구축 비용을 떨어뜨릴 수 있다.

지난 23일에는 업계 최고 수준의 ‘광합성 유효 발광효율’을 가진 ‘LM301H ’제품을 선보이며 다시 한번 기술 리더십을 강조했다. 동일한 성능의 등기구를 제작할 때, 기존 제품 대비 30%가량 LED 패키지를 절약할 수 있어 경제적이며, 조명 업계를 선도해 나갈 계획을 밝혔다. 삼성전자는 백색 LED 패키지 5종과 모듈 1종 외에도 식물의 종류나 용도에 맞춰 선택할 수 있도록 단일 파장의 청색 패키지 1종, 적색 패키지 2종도 제공하고 있다.

삼성전자 LED 사업부 정진욱 연구원은 “식물 생장 LED 사업을 시작한 지 2년이 채 안 됐지만, 뛰어난 광질의 스펙트럼을 개발해 시장에서 좋은 평가를 받고 있다”며 “앞으로도 전문가의 자문, 양질의 이론 연구와 시험을 거쳐, 작업자의 편의는 물론 수확량도 증진시킬 수 있도록 식물 생장 LED의 효율을 높여 나갈 것”이라고 포부를 밝혔다.

냉장고로 가꾸는 가정 내 무공해 텃밭, ‘셰프 가든’

우리 가족이 먹을 식재료, 직접 길러서 먹는다면? 삼성전자가 2월 미국 최대 주방·욕실 전시회(‘KBIS 2019’)에서 처음 공개한 ‘셰프 가든(Chef Garden)’은 일반 가정에서 쉽게 채소를 재배해 먹을 수 있는 아이디어를 제시한다. 캡슐에 담긴 식물의 씨앗을 심으면 식물 생장에 필요한 온도·습도·영양분·빛 등을 조절해 식물을 재배할 수 있는 콘셉트 냉장고다. 사두면 금방 상해버리는 잎채소, 작은 양을 자주 먹는 허브류를 키우기에 좋으며 작은 열매채소나 과일 또한 재배를 할 수 있을 것으로 기대된다.

안개 재배 기술을 이용해 수분과 영양분을 공급하기 때문에 농약 없이도 건강한 채소를 길러낼 수 있다. 수확 시기를 알려주는 것은 물론 패밀리허브 냉장고의 푸드매니지먼트 서비스와 연동해, 재배된 채소와 냉장고 속 재료의 조합으로 만들 수 있는 다양한 요리법까지 제안해 주는 개념을 적용했다.

미래 식량과 작물재배 기술도 고민

삼성전자는 삼성미래기술육성사업(삼미술)의 일환으로 미래 작물재배와 그 파생기술에 대한 국내 과학계 지원에도 활발히 나서고 있다. 삼미술 과제 중 <식물체 잎을 이용한 단백질 의약품(drug)생산(연구책임자 포스텍 황인환 교수)>은 식물의 잎에서 의료용 단백질을 생산하는 동시에 안정적으로 패키징하는 것까지 연구하는 프로젝트다. 식물공장에서 식물체를 어떻게 재배할 것인가 하는 연구를 포함한다. 지금까지 두 차례 연구지원을 받아 상업화를 위한 벤처기업 창업까지 이어지고 있다.

<린네 꽃 시계의 유전적 작동원리 규명(KAIST 김상규 교수)>은 꽃이 피는 시간을 조절할 수 있는 분자 메커니즘을 연구하는 과제다. 추후 식물공장의 작물재배 과정에서 응용할 수 있는 파생기술이 나올 수도 있을 것으로 기대를 모은다.

삼성전자 미래기술육성센터 음두찬 상무는 “미래의 환경, 식량 문제를 포함해 우리 사회 난제를 해결할 기술을 고민하는 것도 지원사업의 주요 목표 중 하나”라며 “2013년부터 올해까지 선정한 500여개 과제 중에서 기초과학, 정보통신기술(ICT) 등 분야의 미래기술들을 활용한다면 건강한 먹거리를 위한 접근에서 시너지를 낼 수 있을 것”이라고 밝혔다.

[1]숲지붕, 식물의 가지와 잎으로 구성된 윗 층

이처럼 지구의 식량이 위협받고 있는 시기, 외부 환경에 구애받지 않고 작물을 맘껏 재배할 수 있는 ‘기술’이 각별히 조명을 받고 있다.

도심서 싹트는 건강 먹거리 ‘식물공장’, 조명받는 ‘빛’ 기술

안정적인 먹거리 재배에 대한 해답으로 한정된 실내 공간에 식물을 층층이 쌓아 올려 ‘단위 면적당 생산량’을 늘리는 형태의 ‘식물공장(Vegetable Factory)’이 관심을 모으고 있다. ‘수직농장(Vertical Farm)’ 또는 ‘도시농업(Urban Farming)’이란 말로 불리기도 하는 식물공장은 통제된 시설 안에서 빛, 온도, 습도 등을 인위적으로 조절해 기후 변화와 관계없이 사계절 안정적으로 농산물을 기르는 시설이다.

기술과 먹거리의 만남이라 할 수 있는 식물공장은 공간을 절약하고, 유해물질 없이 친환경 식물을 기를 수 있다는 점을 비롯해 장점이 많다. 농업 선진국인 미국, 유럽 국가들과 일본을 필두로 확대되고 있다. 시장조사업체인 마켓앤드마켓은 세계 실내농장 시장 규모가 2016년 90억달러(약 10조원)에서 2022년 184억달러(약 20조원)로 두 배 증가할 것이라 내다봤다.

식물공장의 성장과 함께 식물의 생장에 필수인 ‘조명(horticulture light)’ 역시 각광받고 있다. 식물 생장 조명은 밀폐된 실내 환경에서 햇볕을 대체해 식물 생장에 최적의 ‘빛’을 제공한다. IHS마킷, LED인사이드(inside) 등 시장 조사업체들에 따르면, 식물 생장 조명 시장은 2019년 5억9,000만 달러(약 6,700억원) 규모에서 2022년 9억800만달러(약 1조400억원) 규모로 커지며 연평균 20%의 높은 성장률을 기록할 전망이다.

‘직접 길러 먹어볼까?’… 건강한 먹거리를 고민하다

모두가 풍족하게 즐길 수 있는 건강한 먹거리를 확보하기 위한 움직임은 세계 곳곳에서 일어나고 있다. 첨단 기술·제품을 활용해 집이나 식당에서 직접 필요한 만큼 작물을 기를 수 있다면 작물 재배·운송·유통 등 비용을 줄이는 동시에, 친환경 식재료를 간편히 확보할 수 있다.

삼성전자는 발광다이오드(LED) 분야의 기술력을 바탕으로 지난해부터 다양한 종류의 식물 생장용 LED 제품을 선보이고 있다. 23일에는 ‘광합성 유효 발광효율’을 업계 최고 수준으로 향상 시킨 ‘LM301H’ 제품을 출시했다. 이처럼 삼성의 식물 생장용 LED 제품은 폭넓은 빛 파장 대역으로 생산량을 높여줄 뿐 아니라, 동일한 성능의 등기구 제작 시 LED 패키지 사용량을 30% 이상 줄일 수 있는 등 경제성과 효율성도 갖추고 있다.

삼성전자는 또 2월 미국 최대 주방·욕실 전시회(‘KBIS 2019’)에서 작물을 집안에서 간편히 기를 수 있는 형태의 콘셉트 냉장고 제품 ‘셰프 가든(Chef Garden)’을 선보이기도 했다. 이 제품은 온·습도, 영양분, 빛 등을 간편히 조절할 수 있는, 식물공장의 ‘축소판’이라 할 수 있다.

삼성전자가 KBIS 2019에서 선보인 콘셉트 제품 ‘쉐프 가든’ 냉장고

삼성전자 LED 기술센터 김초희 연구원은 “건강한 먹거리에 대한 관심이 부쩍 커지고 있는 상황”이라며, “식물생장용 LED는 식물공장이나 실내 작물재배에 있어 핵심 역할을 하고 있으며, 삼성은 다양한 분야의 적용과 협업을 모색하고 있다”고 밝혔다.

삼성전자 뉴스룸의 ‘건강한 먹거리, 기술과 만나다’ 기획시리즈 2편에서는 환경친화적인 작물 재배 관련 자세한 기술 동향과 회사의 노력을 짚어볼 예정이다.