■ 어떻게 하면 스마트팜 전성시대가 열릴까?

이상기후로 인한 식량 부족과 농촌 인구의 고령화 및 감소, 농촌소득 감소, 경지면적의 감소로 인해 농업 생산성 향상을 통한 경쟁력 향상이라는 필요성 때문에 최근 스마트팜 산업은 ICT기술의 융복합, 증가하는 귀농 인구의 요구와 환경부하를 줄인 친환경 생산에 부응하기 위해 빠르게 확대되었다. 
농업과 ICT의 융복합을 통해 농업의 생산 분야에서 유통과 가공·소비를 포함하여 기존 농업 영역을 넘어 다양한 분야에서 스마트팜은 새로운 가치를 창출하고 있다. 
국내외적으로 기업형 영농뿐만 아니라 소규모 농장에서 스마트팜 도입 사례가 증가하였고, 최근 ICT 대기업이 농업의 진출도 증가하고 있다. 예를 들어 일본에서 플로피디스크를 생산하는 도시바 공장을 재활용하여 식물공장에서 비타민 C와 같은 기능성 물질이 높은 기능성 채소를 생산, 시내 슈퍼마켓 등에 공급하는 사례가 있다. 국내에서 화성시 화옹 간척지에서 아시아 최대 규모의 유리 온실이 기업형 스마트팜 형태로 설립되어 운영되고 있다. 
스마트팜 모델 국가인 네덜란드는 국토는 작지만, 온실 관련 복합환경 제어기 및 관련 설비를 지속적으로 개발하면서 농산물 수출 강국이 되었다. 또, 네덜란드 온실의 규모화와 보광을 포함한 정밀 환경조절을 통해 노동·작물 생산성을 달성하였고, 온실 토마토 생산에서 순환식 수경재배를 이용해 토양 재배에 투입되는 양수분의 10%이내로 사용하는 기술 수준으로 생산성과 친환경이라는 상반된 목표를 달성하였다.
스마트팜 분야인 온실 산업은 짧은 기간에 주목할 만큼 발전하였지만, 국내 온실의 낮은 생산성, 높은 에너지 비용 및 외국인 노동자 증가 등 많은 문제점을 내포하고 있다. 불리한 주변 여건에 대응하여 국제경쟁력을 확보하기 위해서 생산 중심의 기술개발로 이러한 어려움을 해결하기에는 부족하기 때문에 농업의 부가가치를 높이고 타산업과 융복합을 통해서 시설원예가 도약해야 할 상황이다. 그러나, 대부분 낙후된 시설에서 농산물 생산이 이루어짐에 따라 수량과 품질이 떨어지고 있어 생산성을 높이기 위해서 온실의 현대화와 스마트팜 환경 제어 장비가 필요하다. 온실 환경관리는 온도와 일사량 중심으로 대부분 개별적으로 제어하고 있어 생산성이 낮은 편이다. 일부 선진농가에서는 온도·습도, 일사량, 탄산가스 등을 시설 내 복합환경 제어시스템을 활용하여 작물의 생육환경 정보를 수집하고 진단해 최적의 환경관리를 하면서 농산물을 생산하고 있다. 뿐만 아니라 최근에는 정보통신기술을 도입해 작물재배는 물론이고 유통 분야에 활용하여 부가가치를 창출하고 있다. 
이와 같이 최근 주목을 받고 있는 스마트팜은 주변의 산업기술과 접목하고 다양한 정보를 수집하여 농업생산, 유통, 판매에 이용하는 등 새로운 가치를 창출할 수 있다. 농업기술 및 정보를 활용하여 쌍방향 소통으로 빠르게 환경변화에 대응하고 독창적인 아이디어를 상품화해 소득을 높일 수 있으며, 생산이력시스템을 구축하여 생산·경영관리 등 다양한 기술 융합을 이룰 수 있다. 
나아가 스마트팜을 구축하여 보다 편리하고 안전하게 온실 환경관리를 하면서 농산물을 생산할 수 있는 새로운 시대가 오고 있다. 국가적으로 스마트팜이 이끄는 새로운 시대를 앞당기기 위해 과학기술정보통신부·농림축산식품부·농촌진흥청이 주도하여 스마트연구개발사업단을 2020년 9월부터 출범시켜 관련 연구를 집약적으로 수행하고 있다. 

# 한국 기후 맞춤형 온실 생산성 향상 모델 필요

네덜란드 유리 온실 토마토 평균 생산성은 1980년대 이래 3.3㎡당 59.4kg, 2015년 198kg으로 세계에서 제일 높으며 꾸준히 생산성 향상을 달성하였다. 네덜란드의 토마토 평균 단수는 우리나라 상위 농가의 약 2배 정도로 토마토 생산성의 격차 차이가 크게 난다. 네덜란드 온실 생산성은 순환식 수경재배 기술과 탄산시비, 보광 기술 등 환경조절 기술을 순차적으로 적용하면서 계속 향상되었으며, 네덜란드는 시설원예 기술을 이끌어 왔다. 네덜란드는 북위도에 위치하면서 저온기 온실 내 광부족의 원천적인 한계를 고압나트륨 등을 이용한 보광 기술을 적극적으로 적용하면서 극복해왔다. 1980년대 이후로 네덜란드 온실 생산성은 꾸준히 증가하면서, 반면에 에너지는 단위면적당 80년대 대비 40% 이하로 투입되는 온실 에너지 효율이 높은 기술을 지속적으로 확립해왔다. 온실 에너지의 효율을 높이는 다양한 기술 중에 가장 대표적인 성과로 제시되는 것으로 대형온실에 필요한 열, 탄산가스, 전기를 통합적으로 공급하는 열병합 발전 시스템을 설치하여 에너지 효율을 비약적으로 향상시켰다. 네덜란드는 농업 기술 혁신을 통해 온실의 생산성을 올리고, 에너지 효율을 올리는 기술집약적인 모델을 선도하였다. 현재 미국 다음으로 농산물 수출량이 제일 많은 국가인 네덜란드는 우리나라보다 국토 면적이 작지만, 모범적으로 기술 집약적인 농업 발전 모델을 제시하고 있다. 이에 우리나라의 기술집약적인 스마트팜 발전 모델 국가로 네덜란드가 나오는 것은 당연하다. 네덜란드 기술을 모방하는 것도 중요하지만, 우리나라의 여건에 맞게 기술의 변형 및 독자적인 기술 확보도 매우 중요하다. 예를 들어 1990년 초반에 정부 주도로 네덜란드 대표적인 벤노형 유리 온실을 턴키 방식으로 수입, 보급했지만 실제로 우리나라에서 네덜란드만큼 온실 생산성이 나오지 않았다. 이것은 우리나라 기후에 맞는 새로운 온실 생산성 향상 모델의 필요성을 반영한다.
스마트연구개발사업단은 스마트팜의 세대별 목표로서, 1세대 스마트팜을 통해 네트워크화 온실 기술로 원격감시 및 간편 제어로 편이성을 향상시키고, 현재 2세대 스마트팜 기술의 적용을 통해 생산성 증대를 달성하고, 앞으로 3세대 스마트팜 기술을 확립하여 해외 플랜트팜 수출이라는 목표를 달성할 것을 천명하였다.
스마트팜의 선도 분야인 스마트 온실 분야의 기술적인 측면에서 살펴보면 1세대 스마트 온실 기술은 개발 및 실증연구는 달성하였고, 앞으로 가성비가 뛰어난 스마트 온실 장비가 개발되어 효과적으로 보급되는 것이 필요하다. 그런 점에서 아두이노와 같은 오픈제어기를 이용해 농가에서 스마트 온실 장비의 자가 제조 및 개발에 관하여 정책적인 관심이 필요하다. 청년 농업인의 유입이라는 측면에서 보면 DIY 스마트 온실 장비의 기술 보편화는 청년 농업인의 경쟁력을 올리는 하나의 방안이 될 수 있다. 또, 자가 제조 스마트 온실 장비와 스마트 온실 전문 업체들의 제품 비교는 스마트 온실 장비 기술의 양산화 기술 개발을 가속화하는 하나의 촉매가 될 것이다. 
2·3세대 스마트 온실기술의 경우 현재 스마트팜 다부처 사업단 과제로 수행 중인데, 2014년부터 농촌진흥청 스마트팜 핵심기술 개발이라는 주제로 지속 연구를 수행해왔다. 그동안 개발돼온 기술 중에 2,3세대 스마트 온실 기술의 핵심 기술 중 하나인 작물 생육 측정 기술은 표현체학(Phenomics)을 다루는 시스템에서 지속적으로 개발되었는데, 표현체학이란 작물의 생리상태, 형태 및 생화학적 특성 등의 표현형 영상정보를 유전정보와 통합 분석하여 최적의 작물재배를 위한 빅데이터 분석에 사용하고자 하는 연구 분야다. 표현체학 분야에서 대표적인 장비로 LemanTec과 PlantEye가 매우 유명하다. 특히 PlantEye의 경우 작물 전용 레이저 스캔 장비로 생육 측정의 신뢰도와 정확도가 매우 높기로 유명하다. 
국내에서는 3D 깊이 카메라(Depth camera), 열화상카메라, 로봇이동시스템을 이용해 토마토 생육을 측정하는 시스템을 농촌진흥청과 전남농업기술원에서 2018년에 개발하였고, 실용성과 정확성을 높이기 위해 이동 로봇과 딥러닝 기반 영상 분석 시스템을 지속적으로 개선하였다. 현재 토마토, 파프리카, 멜론, 오이 등을 영상으로 생육 측정 항목인 엽온, 엽면적, 초장, 화방수, 마디수, 과실수 등의 측정이 가능하다. 영상 기반 작물 생육 측정 시스템은 이동식으로 레일 간에 자동으로 이동이 가능하면서 개체별로 측정이 가능한 시스템으로 개선되었다. 영상 기반 작물 분석 기술이 축적되면서 휴대용 작물분석 시스템을 상용으로 2022년부터 판매를 시작하였다. 

# 생육·생체정보 활용 스마트팜 운영 확산 전망

스마트 온실은 작물의 생육 및 생체 정보를 기반으로 운영되는데, 예를 들어 작물의 광합성 능력과 계절적 환경변화에 기초하여 온실의 차광 및 보광 조건을 설정하거나 작물에 맞게 관리해 수확량을 증수하거나 상품과의 비율을 증가 시킬 수 있다. 과거에는 작물의 생육 정보나 생체정보를 얻는 것이 매우 어려웠지만, 과학기술의 발전으로 인해 실험실 차원에서 이뤄지는 기술들이 농가 현장에 접목되기 시작됐다. 이미지를 활용해 엽면적을 추정하거나, 열화상을 이용해 체온을 측정하는 기술은 현장에서 적용되어 생리 정보에 기초한 빠른 예찰로 병 확산을 늦추거나 작물체 온도를 측정, 스트레스를 경감시켜 작물 생산성을 유지하는 기술은 네덜란드에서 적용되고 있고, 최근 국내에도 확산되기 시작하였다.
작물과 생체정보를 측정하는 장비의 발전에도 불구하고, 아직까지 생체정보를 측정하는 것은 쉽지 않다. 특히 사용하는 농가의 수준에 따라 이용 효과가 달라지고, 고가 장비의 투입에 따른 경제성에 관한 문제는 남아 있지만, 생체 정보를 측정하는 장비의 가격 하락 및 농가의 규모화에 따른 경제성 확보가 진전되면서 생육 및 생체 정보를 이용한 스마트팜 운영은 계속 적용 확산될 것으로 예상된다. 
국내에서 개발된 생체정보 센서로는 수액량 센서와 작물에서 유래한 전기신호센서가 있다. 수액 유동량 센서는 작물이 흡수한 물관을 지나간 수액량 측정하는 센서다. 수액 유동량을 측정하기 위해 예전에는 해외에서 수입된 센서로 측정하였는데, 최근 농촌진흥청 과제를 통해 서울대에서 멤스 기술을 이용, 줄기 내 수액량을 측정하는 센서로 국산화했다. 반도체를 이용한 바늘 위에 마이크로센서를 올려 물의 이동에 따른 열 손실을 측정, 수액 유동량을 측정하는 방식이다. 작물 수액 유동량의 정밀한 측정을 통해 작물에 필요한 수분만큼 관수 조절이 가능해 수자원 절감에 기여할 것이다. 
이어 작물유래 전기신호 측정 센서는 국내에서 시판 중인 나무청진기 제품을 다점의 측정에서 센서형으로 개선하여 작물에 적용하고 있다. 지금까지 수체 활력을 작물 컨설턴트의 경험에 의존한 것을 기기를 이용해 수치화할 수 있는 것이 특징이고, 측정 원리는 인체에 적용되는 인바디 제품의 원리를 원용해 식물의 임피던스값을 측정하는 방식이다. 작물유래 전기신호 측정 센서값을 통해 수분 부족 조건에서 작물의 활력이 낮아지는 수치 측정이 가능한 제품이고, 양액기 오작동 및 고온 스트레스 조건에서 온실 관리자가 쉽게 작물 스트레스 상황을 알 수 있게 모니터링이 가능하다. 

# 오픈플랫폼 이용 온실제어 시스템 고도화 

대형 온실의 제어기로는 대표적인 네덜란드 브랜드인 프리바 시스템이 매우 유명하다. 제품의 안정성 측면에서 매우 장점을 가지지만, 동일 브랜드 센서를 사용해야하는 폐쇄성과 프로그램 유지 보수의 높은 비용으로 와게닝겐대학에서는 폐쇄적인 프리바보다 다양한 센서 및 액츄에이터를 지원하는 호겐드론 시스템을 선택하였고, 최근에 폐쇄형 온실 제어기보다 센서 지원 및 정보 이동이 용이한 개방형 온실 제어기로 확장되고 있다. 특히, 한국의 온실 제어기 회사들은 매우 영세하여 온실 제어기를 개발했다가 제어기 설치와 유통 비용으로 인해 부도가 나거나 짧은 개발로 인해 온실 제어 시스템 고도화를 달성하는데 매우 어려움을 겪어왔다. 온실 제어 시스템을 고도화하기 위한 방안으로 표준화된 오픈 플랫폼 이용이 제시되었다. 
TTA 표준으로 채택된 온실 관제시스템을 기반으로 농촌진흥청과 이지팜에서는 스마트팜 표준 플랫폼인 CFLORA를 오픈소스기반 플랫폼으로 개발하였고, KS표준으로 2018년에 등록되었다. 최근에는 농업기술진훙원에 스마트팜 표준기기에 대한 확산 사업이 진행 중이고, 기존 제품을 KS표준 준수하는 제품으로 개선하는 비용을 지원해주는 사업이다. 스마트팜 표준 플랫폼에 KS기반 제어기가 결합하여 농가의 빅데이터 수집, 온실 제어기의 오작동 모니터링, 컨설팅과 연계 서비스가 가능해질 것이며, 스마트팜 표준 플랫폼의 확산은 앞으로 K팜 온실 플랜트 수출에 기여할 것이다.  

# 한국형 스마트 온실 기술 확립 시급

네덜란드가 광부족 조건에서 보광 기술로 온실 생산성을 올려왔다. 반면, 우리나라는 겨울철에 광이 부족하고, 여름철에 고온 조건에서 온실 재배가 쉽지 않다. 기술적으로 극복하기 위해 겨울철에 온실 보광 기술이 필요하고, 여름철에 적극적인 냉방 기술이 필요함을 의미한다. 농촌진흥청 빅데이터 팀에서는 한국 온실에서 이론적인 최고 생산성을 3.3㎡당 175kg로 네덜란드 평균 생산성의 87%로 제시하였고, 비닐하우스에서 토마토를 1년에 평당 175kg를 생산하면 네덜란드의 유리 온실에 비해 기술적인 경쟁력을 가지는 것을 의미한다. 
최근 한국 온실의 생산성을 올리기 위해 보광 및 냉방 시설이 투입되고 있다. 온실의 작물 생산성은 작물의 광합성 속도와 밀접한 관련이 있다. 보광 광원으로 작물의 광합성 속도를 증가시키면서 보다 가성비 높은 광원 개발이 필요하다. 광합성 속도를 증가시키는 보광 광원 개발은 러시아와 같은 고위도 지역에 위치한 온실에 필요한 기술이 될 것이다. 비닐하우스에 에어컨과 시설을 투입할 때 작물의 경제성을 고려해야 한다. 그래서 파프리카 및 토마토의 고온기 재배시 히트펌프를 적용할 때 주간 냉방보다 야간 냉방을 주로 하는 것은 경제적인 효과 때문이다. 최근에 냉방 부하를 낮추기 위해 반밀폐 온실에서 지열 및 공기열 냉방, 팬앤 패드 냉방, 양액 냉방을 패키지해 이상기후 대응 하이브리드 온실 냉방 기술이 개발 중이고, 2023년에 실증할 예정이다. 겨울에 보광기술, 여름에 하이브리드 냉방 기술의 반밀폐 온실 적용을 통해 온실 토마토 생산성을 네덜란드 온실 생산성의 80%까지 올릴 수 있다.
최근 러·우 전쟁으로 가스 가격이 급등하면서, 열병합 발전 기술을 이용해 온실의 에너지 절감 및 생산성 향상을 달성한 네덜란드에서는 심부(2km 이상) 지열의 뜨거운 물을 끌어올려 난방에 활용하는 기술이 대형 온실에 설치되고 있다. 심부 지열을 활용해 난방비를 절감하면서 가스 가격이 올라가고, 전력 가격이 떨어지는 현 상황을 대응하고 있다. 이와 동시에 온실 주위 공장에서 발생한 탄산가스를 식음료용 수준의 탄산가스를 정제하고, 온실에 공급하여 탄소 배출권 확보에 기여하고 있다. 
게다가 네덜란드에서는 온실 양수분의 재순환 사용이 법제화되어 온실 친환경성에 대해 엄격히 관리하고 있지만, 한국에서 온실 양수분의 재활용 비율은 아직 10% 미만이라 지속가능한 친환경 온실 기술에 대해 국가적으로 적극적인 연구와 투자가 필요한 상황이다. 
한국형 스마트 온실에서 네덜란드 수준의 고생산성(2세대)과 지속가능한 친환경적인 기술(3세대)이 확립될 때 해외 플랜트 수출의 가속화 및 시설원예 기술의 고도화를 달성할 것이다. 네덜란드 유리 온실 및 관련 자재는 대부분의 국가에서 설치하기에 고가이므로 한국 시설원예 자재는 기술 경쟁력을 바탕으로 충분한 경쟁력을 가지고 있다. 전세계적으로 요구되는 고생산성과 친환경적인 시설원예 기술을 만족시키는 한국형 스마트 온실 기술의 확립을 통해 시설원예 종주국으로 나아갈 수 있을 것이다.

■박경섭<국립목포대학교 원예과학과 교수>

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