오태광의 바이오 산책 <57> 스마트 팜(Smart farm) > News Insight

  스마트 팜(Smart farm, 지능형 농장)이라는 용어가 이제 낯설지 않고, 현재 많은 농산물이 스마트 팜에서 생산되어 우리 밥상에 올라오고 있다. 스마트 팜은 정보통신기술(ICT)을 활용해 “시간과 공간의 제약 없이 원격으로”, 자동으로 작물의 생육환경을 관측하고 최적의 상태로 관리하는 과학 기반 농업기술이다. 농산물의 생산량 증가는 물론, 노동시간 감소를 통해 농업 환경을 획기적으로 개선하였다. 빅데이터 기술과 결합해 최적화된 생산·관리의 의사결정이 가능하고 최적화된 생육환경을 제공해 수확 시기와 수확량 예측뿐만 아니라 품질과 생산량을 한층 더 높일 수 있다. 

농사할 때 예상 할 수 없어 대비할 수 없는 점은 태풍, 장마, 가뭄, 한파와 같은 잦은 날씨 변화와 병충해 전파로 작물 생산과 질에 큰 피해를 주는 것을 들 수 있다. 스마트 팜은 외부로부터 차단된 밀폐 공간을 사용하기 때문에 전파되는 병충해는 물론 온도 습도, 일조량을 자동 조절할 수도 있어서 기후변화와 병충해에 대한 자연재해의 문제점을 많이 해결할 수 있다. 그뿐만 아니라, 때에 따라서는 태양광을 전혀 사용하지 않고 LED를 사용하기 때문에 노지(露地)가 아닌 지하실과 같은 과거 식물재배가 어려운 장소도 농작물을 생산할 수 있다. 특히, 지금까지의 농업은 많은 노동력 투입으로 힘들고 수입이 적은 산업으로 여겨졌는데, 자동화 기술과 원격조절 기술은 농민도 시간적 여유를 가지고, 생산하여 출하하는 시간을 조절하여 수요/공급을 조절할 수 있어서 생산작물의 고부가가치화가 가능하여 소득도 향상되고 있다. 

2016년 세계 경제 포럼(World Economic Forum)에서 클라우스 슈밥(Klaus Schuwab)이 4차산업혁명을 선언하면서 사물인터넷, 빅데이타, 인공지능, 영농로봇과 같은 신기술이 농업과 융합을 하게 된다. 농장끼리 클라우딩(Clauding) 하여 조업 조건과 수확량, 품질 및 유통 결과를 종합하여 만든 빅데이터는 더 진보된 생산/유통/관리 시스템으로 진화할 수 있어서 생산량과 품질을 높이고 심지어 생산제품의 출하 시점을 적절히 조절할 수 있다. 스마트 팜의 원조기술은 우주선을 멀리 보내기 위해 식량을 확보하는 차원에서 현재의 스마트 팜과 비슷한 개념인 우주농업 기술개발에서 실험됐다. 단위면적당 더 많은 생산을 위한 다 층수(層數)의 수직 농업은 농지에서 생산과 비교하면 적어도 층수만큼 더 많이 생산할 수 있다. 햇빛 대신 LED를 사용함으로 각종 작물에 적합한 파장의 LED를 사용하여 재배할 수 있을 뿐만 아니라 기능성이 높은 작물 생산도 가능하다. 

현재 스마트 팜 기술은 이제 일반적인 시설원예 스마트 온실을 뛰어넘어 로보틱스를 활용한 스마트 과수원, 가축을 키우는 스마트 축사로 활용하고 노지에도 스마트 작물관리 및 지능형 농기계를 사용한다. 앞으로는 일반 농축산물은 물론 특용 및 약용 작물 재배, 동물을 이용 고부가가치 기능성 물질 생산, 동식물 효능 시험, 기능성 고기능 작물 등에도 다양하게 이용될 전망이다. 특히, 노지재배(露地栽培) 분야에도 센서를 이용한 물과 비료 공급을 자동으로 공급하는 IOD(Irrigation On Demand)시스템과 지능형 로봇을 활용하여 스마트 작물 관리 시스템을 완비하여 노지 스마트 팜을 현재 운영하고 있다. 특히, 우리나라와 같은 농촌인구 감소 및 고령화, 농지감소, 농업경쟁력 약화, 낮은 농가소득, 한반도 기후변화 심화와 같은 문제점을 해결하는 방안으로 정보통신 기술(Information & Communication Technology, ICT)기반 스마트 팜 농축산업이 대안이 될 수 있다고 생각한다.

<해외 스마트 팜>

 농업 선진국은 농업 생산/유통/소비의 전주기 과정을 농업기술과 ICT 융합기술을 통해 농촌의 삶의 질 향상을 도모하는 농업 형태까지 포함하는 광범위한 의미로 스마트 팜이라는 용어보다는 정밀농업(Precision Agriculture)이라는 말을 사용하고 있다. 유럽, 미국 등 선진국은 적극적인 정부 지원과 함께, 농장이 자체 환경을 고려한 농장 맞춤 발전 시스템을 개발하여 생산성 향상과 경비 절감에 초점을 맞춰 스마트 팜 농업을 선도하고 있다. 유럽연합(EU)은 2009년부터 2017년까지 유럽 ICT-농업 구 프로젝트(EU ICT-AGRI Project)를 진행하여 정밀농업 분야에 대한 역량과 회원국 간의 협력네트워크를 강화하고, 농업과 정보통신기술(ICT) 융합 기술개발을 진행하고 있다.

 네덜란드 “테르누젠시”는 지속 가능한 온실 사업 중 하나로 남은 열을 활용하는 프로젝트(Heating network)를 구축하여 원예 분야에서 가장 주목받고 있다. 네덜란드는 정밀 복합환경제어시스템으로 적외선 센서, CO2 센서 등을 개발하여 다수의 스마트 팜 시설 내 공간을 같은 조건으로 제어하는 소프트웨어 기반의 제어시스템을 개발하였다. 농장별 생산 현장 인력과 생산량을 효율적으로 관리하는 시스템을 완성하였다. 특히, 기업은 개발 예는 “Priva”라는 회사는 세계 최고 수준의 온실 환경제어 시스템을 만들어 세계 스마트 팜 시장에서 인지도 높은 제품을 완성하였고, “Hortimax”사는 수경재배 영양액 제공과 시설환경을 통합제어하는 기술과 축적된 지역 날씨 정보로 온도편차를 최소화하는 기술을 산업화하였다. 스마트 팜 내 병해충을 탐지하는 기술로 다중의 스펙트럼 카메라를 이용한 병해 탐지 개술이 <그림 1>과 같이 개발되었고 해충의 경우는 황색 끈끈이 트랩을 스캔하여 자동으로 해충을 판독할 수 있게 하였다.

일본은 “후지쯔”사의 농업관리 클라우드 서비스 시스템, “NEC” 사의 생육과 환경감시 및 물류 서비스 시스템, “IBM”사의 농산물 이력 추적 서비스 시스템, “NTT”사 등이 농업 분야에 ICT 기술을 접목하여 다양한 서비스를 제공하고 있다. 예로 설명하면, “후지쯔”사의 클라우드 서비스인 “아키시아”는 IoT 센서를 활용하여 재배환경의 데이터를 실시간 계측/수집하는 동시에 클라우드 서비스를 이용하여 데이터를 축적 분석하여 토마토 등 여러 작물 재배에 활용하고 있는데, 기술적용 시, 수확량은 20~30% 증산하였고 생산계획과 수확량 예상이 가능하여 농산물 조달 계획 수립을 위한 기반 데이터로 사용하고 있다. 

축산분야도 이탈리아에서 개발된 사물인터넷 기반 양돈 관리 시스템인 “Pig Wise”는 고주파 전파식별(Radio Frequency Identification Reader, RFID)인식기와 카메라를 이용해서 돼지 개별성장, 모니터링으로 양돈 축사 내 돼지 행동, 사료섭취 등을 <그림 2>와 같이 파악

한다.​ 

돼지의 건강, 질병 감염 등에 실시간 모니터링과 호흡기 질병 발생 시 초기에 알람기능을 가져서 대량 발병을 막을 수 있다. 한편, 미국의 경우, 90년대부터 장기적으로 지속 가능한 농업 및 환경 촉진을 주요 전략으로 설정했고, 이런 영향으로 미국 농업은 영농규모가 크고 첨단기계의 사용이 활발해졌고, 농산물 생산량과 교역량 측면에서 세계에서 높은 비중을 차지하고 있다. 농무부를 중심으로 농업-ICT 융합 연구개발 정책을 추진하고 있고, 주로 장기적이고 고위험·고수익(Hish Risk, High Return) 과제를 추진하고 있다. 

 <우리나라 스마트 팜 현황> 

   우리나라의 스마트 팜 기술력은 미국 유럽 등 기술 선진국과 비교해 70% 경쟁력을 보유하고 있지만, 글로벌 시장 진출로 2026년까지는 현재 스마트 팜 시장의 2배 성장을 예상한다. (정보통신신문, 2023.3) 글로벌 스마트 팜 시장 규모도 2020년 124억US$에서 2023년 206억 US$로 66% 성장하였고, 2026년까지는 341억US$(2023년 대비 66% 성장)로 획기적으로 성장(BG Research)하고 있어서 연간 성장률은 약 10.2%로 전망(Grand view Research)하고 있다. 

우리나라 스마트 팜 기술은 기술 수주에 따라 3개 세대로 나누고 있다. 1세대는 비닐하우스 자동 개폐, 실시간 모니터링, 원격제어를 활용하고 있고, 2세대는 자동제어, 농업용 클라우드 서비스 소프트웨어를 사용하고 있다. 3세대는 복합에너지 관리, 로봇 농작업, 로봇 정밀센서를 사용하고, 한국형 스마트 팜 3세대는 지능형 농기계와 로봇을 사용하고 온실뿐만 아니라 노지에 스마트 팜 기술을 사용한다. 현재 사용하고 있는 주요 기술은 데이터 분석 소프트웨어, 수직 농업, 작물용 LED 조명, GPS/GIS 기술, 센서 기술, IoT, AI 기술, 지능형 농기계/로보틱스, 재생에너지 시스템 등 활용기술의 범위와 폭을 늘려가고 있다. 

글로벌 스마트 팜 주도 국가인 미국은 2022년 2021년 대비 12% 성장하여 2022년 40억 US$에 도달하였고 향후 2030년까지 연간 6.2% 성장할 것으로 예상한다. 우리가 ICT, 인터넷 기술의 강점을 살려 현재 진행하고 있는 도시공간을 활용한 수직 농업인 도시농업이나 특화작물에 특화된 보급형 스마트 팜은 기술 경쟁력이 있어서 미국 시장 진출이 가능할 것으로 전망한다. KOTRA가 분석한 우리나라 스마트 팜 기술이 미국진출의 SWOT 분석에서도 강점(Strength)과 기회(Oppotunity)를 수직 도시농업, 발달한 인터넷 ICT 기술로 정했고 약점(Weakness) 와 위협(Threats)을 스마트 팜의 기술 경쟁력과 농업 규모, 글로벌 경쟁력 부족, 부정적 기술인식, 관련 법제 미비로 분석하여 발달한 ICT 기술과 수직 농업, 특용작물 분야에 특성화 노력을 충분히 하면 진출할 수 있다고 판단한다. 

현재 경북 상주, 전북 김제, 전남 고흥, 경남 밀양 4곳을 스마트 팜 혁신 밸리로 선정(2019)하여 집단 육성하고 있고, 중앙/동남아시아, 중동, 아프리카 등 수출 유망국가를 중심으로 한국형 스마트 팜 식물공장을 기술R/D와 기술 표준화를 준비하고, ODA, 현지 인력 교육, 공동연구를 하고 있다. 

현재, 우리나라는 소비기관인 대형마트에서 스마트 팜을 설치하여 주로 쌈 채소를 재배하여 판매하고 있고, 지하철 역사에도 스마트 팜(메트로 팜)을 설치하여 지하공간에서 녹색 채소를 볼 수 있고 구매도 가능하다. 실제 경희대학교와 공주대학교에서는 스마트 팜 학과(스마트 팜 과학과, 스마트 팜 공학과)를 만들었고 전국 100여 곳에 스마트 팜 교육장을 만들어 기술체험과 교육을 받을 수 있다. 이런 스마트 팜 기술을 전파하여 첫째, 경쟁력 강화로 농업을 미래성장산업으로 발전하고, 둘째, 문제 시 되는 농업종사자의 고령화와 인구감소를 극복하여 경제적 수입이 보장된 젊은 신규농업종사자를 농촌으로 유입하고자 한다. 아울러, 셋째, 농작물 재배환경에 영향을 주는 온/습도, 일조량, 관수(灌水) 및 병해충 발생을 모니터링/조절하면서 축적된 빅데이타를 근거로 스마프 팜을 실시간 자동 조절하여 최적 재배환경을 만들어 최대 생산하는 시스템을 구축할 수 있다. 넷째, 농산물의 수요/공급의 조절할 수 있는 유통은 생산량을 예측하여 출하 시기를 조절하여 최대의 경제적 효과를 얻을 수 있다. 특히, 젊은 세대의 관심을 위해 힘든 농사를 탈피하기 위해 자동화, 원격조정을 할 수 있게 하여 도시인과 같은 처우와 여유를 가지게 한다. 

<국내 성공 스마트 팜 기업 소개>

 스마트 팜 기업의 특징은 적은 인력, 적은 관리비, 적은 경작지로 기존 농업방식보다 질이 좋은 작물을 더 많이 수확하고 있다. 수직 농업은 맞춤형 LED 빛을 이용한 외부 기온이나 일조량과 관계없이 365일 재배할 수 있다. 수직 농업은 작물에 따라 사용하는 층수가 다르지만, <그림 3>과 같이 6층을 사용하여 토지(노지)보다 같은 면적에서 적어도 6배 이상 수확량도 많지만, 적어도 층수만큼 더 많이 생산할 수 있다. 

 공장형 수직농장을 운영하고 있는 “팜에이트(주)”를 대표적인 스마트 팜 기업으로 소개하고자 한다.  현재 수직농장으로 양상추를 대량 생산하여 B2B 형태로 납품하고 있고 지하철 메트로 팜도 운영하고 있다. 수직 농업의 주력 상품인 양상추를 예로 들면 일반 농지에서는 평당 30포기를 재배할 수 있고, 1년에 2번 수확하는데, 15ton 수확에 6~7명 작업인력이 필요하다. 수직 농업으로 6층 재배할 경우, 평당 180포기 재배할 수 있고, 1년에 9번 수확하는데 작업인력은 1명이면 충분하다고 한다. 

이런 결과는 온/습도는 물론 빛과 비료 등 작업조건을 자료화하여 자동으로 조절하고 일반 농업에서 막대한 피해를 보는 폭우, 폭염, 가뭄, 한파 등과 같은 기후변화에 상관없이 안정된 농업 생산이 가능하다. 생산된 채소는 서브웨이, 버거킹, 롯데마트, 홈플러스 등 다수 기업에 납품하고 있다. 매출액 597억 원(2021)은 대형마트, 백화점 등 오프라인에 60%, 대형 유통기업의 온라인에 40%로 달성하고 있다. 2004년에 농업법인이 시작되어 현재 아시아 3대 스마트 팜 기업으로 성장하였고, LED를 이용한 수직 농업을 하는 대표적인 기업이다. 수직 농업과 태양 빛없이 작물을 키울 수 있는 장점으로 지하철 역사에 농사를 짓는 메트로 팜(Metrofarm)이 서울 상도역을 시작으로 을지로3가역, 답십리역, 천왕역, 충정로역 등으로 확산하고 있다. 

상도역 메트로 팜은 <그림 4>에서 보듯이 주로, 우리나라에서 키우기 어려운 유럽품종 7가지(버트헤드레스, 이자트릭스, 카이피라, 이자벨, 에즈라, 스테릭스, 파게로)를 생산하고 있고, 로봇이 파종부터 수확까지 전 과정 스스로 알아서 키우는 컨테이너형 인도어 팜에서는 어린 잎채소를 생산 유통하고 있다. 특히, 자판기와 카페에서 샐러드 등을 구매할 수 있게 했다. 메트로 팜은 2020년 우수디자인(GD, Good Design)으로 선정되어 지하의 어둡고 차가운 이미지를 벗어나 식물의 녹색의 밝고 긍정적인 느낌으로 지하철을 이용하는 시민이 편안한 공간을 확보한 점에 의미가 크다. 지하철의 메트로 팜뿐만 아니라 도시 빌딩의 옥상이나 아파트 베란다 등에서 작물을 재배하는 도시농업도 스마트 팜이 적격으로 생각한다. 

  <맺는말> 

   농업은 4차산업혁명 시대를 맞아 농업과 ICT, 로봇 기술이 융합하여 고질적인 농업의 문제점인 기후변화로 인한 자연재해, 힘든 노동, 적은 수입, 여가 없는 생활 등을 해결할 수 있는 스마트 팜 기술이 주목을 받고 있다. 스마트 팜은 효율적 생산과 유통이 가능해지면서 노령화된 농촌인구를 젊은 세대로 바뀌면서 밝은 미래성장농업으로 성장해 가고 있다. 실제, 불과 2004년에 시작한 스마트 팜 기업이 아시아에서 3대 스마트 기업으로 성장하여 기술수출까지 준비되고 있다고 하니 스마트 팜 장래는 아주 밝다고 생각한다. 특히, 지하철 역사의 지하공간을 이용한 스마트 팜인 메트로 팜은 이색적인 공간이라기보다는 지하철의 이미지를 밝고 생산적으로 바꾸어 우리의 살아가는 환경을 개선하고 있다. 메트로 팜은 우리 고유의 농작물뿐만 아니라 세계 어떤 곳에 있는 작물도 키울 수 있는 다양성을 만들어 음식물에 대한 지역적 특이성을 없애어 주고 있다. 

스마트 팜에서 생산된 작물은 일반 농지에서 생산된 작물에 비해서 자연환경에 노출이 적어서 신선하고 더 위생적일 수 있다고 한다. 하지만, 최적의 조건에서 엽채류, 과채류 위주의 대량 생산이라는 현재의 부가가치보다 더 고부가가치의 특수작물 등에 생산 검토가 필요하다. 더불어 LED를 사용했을 시 빛 파장, 에너지 사용 문제에 대한 정밀한 검토는 필요하다고 생각하고 사용배양액의 재사용이나 환경 스트레스가 적은 처리방안도 검토되어야 한다. 

최근, 그늘막 하의 흙에서 재배하는 인삼을 수경재배하고 있고, 고부가가치 약초를 재배하는 스마트 팜이 개발되고 있어서 스마트 팜의 미래는 농축 식품의 Green Biotechnology와 의학 소재, 예방/치료의 Red Biotechnology를 융합하여 바이오 기술간 경계를 무너뜨릴 수도 있다. 실제로 농업이 추구하는 1차 생산, 2차 가공, 3차 유통산업이 하나로 되는 농업의 6차 산업화가 ICT, 센서, 사물인터넷, 빅데이타, 인공지능, 로봇 기술 등의 4차산업혁명 기술과 융합하여 현재 가장 보수적인 농업에서 4차산업혁명 기술이 가시화되고 있다. 영농환경 자동조절, 클라우딩에 의한 빅데이타 생산/조절, 사물인터넷으로 원격조정, 지능형 로봇 사용, AI 기술 등을 사용하는 스마트 팜 기술에서 현재 진행 중인 4차산업혁명이 앞당겨 가시화되어 진행되고 있다는 현상을 실시간으로 보고 있다는 생각이 든다.

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