기록적인 폭염, 지구온 난화 등 기후 문제가 지속되며, 환경뿐만 아니라 우리가 먹을 ‘식량의 위기’ 또한 커지고 있다. 2017년 한국을 방문한 푸드테크 기업 ‘임파서블 푸드’의 닉 할라(Nick Halla) 최고전략책임자는 “식량 생산에 쓰이는 농약, 살충제가 환경을 회복 불능 수준에 빠뜨릴 정도로 파괴하고 있다”며 “현재의 비효율적인 식량 생산 체계를 반드시 바꿔야 한다”고 경고하기도 했다. 삼성전자는 이러한 흐름 속에서 첨단 기술을 활용해 건강한 먹거리를 확보할 수 있는 방안을 다각도로 고민한 끝에 지난해 3월부터 식물 광합성용 백색 LED 패키지와 모듈을 출시했으며, 백색 빛 기반 제품의 라인업 확대에 주력하고 있다. 삼성전자 뉴스룸 콘텐츠를 바탕으로 건강한 먹거리를 기르는 식물 성장용 빛 기술의 이모저모를 소개한다.

외부환경 구애받지 않고 작물 맘껏 재배할 수 있는 ‘기술’ 개발
식물 광합성용 백색 LED 모듈로 안정적 먹거리 재배 해답 선사

세계 실내농장 시장규모 2016년 10조→2022년 20조 폭풍 성장
온도·습도·영양분·빛 간편하게 조절해 작물 기르는 냉장고 선보여

▲ 안정적인 먹거리 재배에 대한 해답으로 한정된 실내 공간에 식물을 층층이 쌓아올려 ‘단위 면적당 생산량’을 늘리는 형태의 ‘식물공장(Vegetable Factory)’이 관심을 모으고 있다.

세계인의 먹거리를 제공하는 농업은 인류와 영원히 뗄 수 없는 ‘업(業)’이다. 하지만 공업화와 산업화로 먹거리를 재배할 수 있는 땅은 점점 줄고, 지구 온난화로 비옥한 토양마저 감소하고 있다. 유엔식량농업기구(FAO)는 2017년 기준 76억 명의 세계 인구가 2050년에는 98억 명으로 늘어나며, 같은 기간 필요한 식량은 약 1.7배가 증가할 것으로 전망하고 있다.

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

조명받는 ‘빛’ 기술

안정적인 먹거리 재배에 대한 해답으로 한정된 실내 공간에 식물을 층층이 쌓아올려 ‘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. 시장조사 업체인 마켓앤드마켓은 세계 실내농장 시장 규모가 2016년 90억 달러(약 10조 원)에서 2022년 184억 달러(약 20조 원)로 두 배쯤 증가할 것이라고 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 시장조사 업체들에 따르면, 식물 생장 조명 시장은 2019년 5억9000만 달러(약 6700억 원) 규모에서 2022년 9억800만 달러(약 1조400억 원) 규모로 커지며 연평균 20%의 높은 성장률을 기록할 전망이다.

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. ‘광합성 유효 발광효율’을 업계 최고 수준으로 향상 시킨 ‘LM301H’ 제품도 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 지난 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 온도·습도·영양분·빛 등을 간편히 조절할 수 있는, 식물공장의 ‘축소판’이라 할 수 있다.

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.

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.

▲ 시장조사 업체인 마켓앤드마켓은 세계 실내농장 시장 규모가 2016년 90억 달러(약 10조 원)에서 2022년 184억 달러(약 20조 원)로 두 배쯤 증가할 것이라고 내다봤다.

식재료, 직접 길러서 먹는다면?

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.

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)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 4월에는 업계 최고 수준의 ‘광합성 유효 발광효율’을 가진 ‘LM301H’ 제품을 선보이며 다시 한 번 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.

삼성전자가 지난 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.

미래식량과 작물재배 기술 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.