스마트팜이란?

스마트팜은 ICT(정보통신, Information Technology와 Communication이 결합된 개념), 인공지능 등 4차 산업혁명 기술을 활용해 재배 작물의 최적생산환경을 제공하는 시설 재배 방식입니다. 이 방식은 기존 작물 재배 방식에 다양한 ICT 기술을 결합해 편의성을 향상하고, 지능화와 자동화를 통한 지속 가능성을 높이는 방식입니다. 이번 글에선 스마트팜의 종류와 국내외 사례, 향후 스마트팜의 미래까지 알아보겠습니다.

*이번 글에선 스마트팜의 범위를 축사를 제외한 식물 생산에 한정하겠습니다.

스마트팜은 태양광(자연광)을 이용하는 온실(Greenhouse)과 LED 등의 인공광원을 이용하는 실내농장(Indoor farm)으로 구분됩니다. 실내농장의 경우 제한된 실내 공간 활용을 극대화하는 다단식 재배단 구조를 사용하고 있어, 수직농장(Vertical Farm, 자동화된 시스템에서 고도의 환경조절을 통해 작물의 생산량과 품질을 향상시키는 차세대 식물생산 시스템)이란 용어를 보편적으로 사용합니다.

스마트팜을 자연광 또는 인공광 사용 유무에 따라 온실과 수직농장으로 구분하지만, 최근 이 두 가지 유형의 경계가 허물어지고 있습니다. 그 예로, 유리 또는 플라스틱 온실 구조를 갖고 있으면서 인공 광원을 보조광원으로 설치해 태양광이 부족할 때 광원을 보충하는 방법이 있습니다. 외부 공기의 유입을 조절하는 반밀폐형(Semi-closed type) 온실들은 High-tech 온실이라 부르며 완전밀폐형 수직농장과의 경제적 효율성 측면에서 비교되기도 합니다.

[표 1]은 스마트팜 분류 유형과 용어를 정리한 표입니다. 표와 함께 온실과 수직농장의 장단점을 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

온실 장점: 식물 생장에 가장 필수적인 광을 효율적으로 활용하기 위해 광 투과율이 높은 투명한 유리 또는 플라스틱 재질을 피복재로 사용합니다.

온실 단점: 광 투과율 중심으로 피복재를 선택하다 보니 단열 능력이 떨어지고, 외부의 기상환경에 영향을 받기 쉽습니다.

수직농장 장점: 완전 밀폐된 실내에 인공광원을 통해 식물의 생장에 요구되는 광을 완전 통제 하에 제공할 수 있습니다. 또한 온도, 습도, 이산화탄소(CO2) 제어를 외부의 영향을 덜 받는 밀폐된 환경(Closed environment)에서 할 수 있습니다.

수직농장 단점: 초기 시설구축 비용이 온실 대비 많이 소요되며, 대규모화에 한계가 있어 시설 유지 비용도 많이 소모됩니다.

스마트팜 핵심 기술 세 가지

1. 인프라 및 설비 기술

스마트팜의 인프라와 설비 기술 발전은 주로 고비용 에너지 문제를 해결하기 위한 방향으로 전개되고 있습니다. 이제는 가스 등의 화석연료에 의존하는 난방 방식에서 벗어나 신재생 에너지를 활용하거나 계절간 냉온기 저장과 같은 대안을 찾는 방향으로 인프라와 설비 개선이 이뤄지고 있습니다. 특히 기존의 고압 나트륨 등을 고효율 LED 광원으로 교체하거나, 에너지 절감을 위해 재배작물의 환경 적응력을 높이는 신품종 개발도 진행 중입니다.

네덜란드 WUR(Wageningen University&Research)의 GREENHOUSE2030 사례는 네덜란드가 자국의 스마트팜 기술을 지속가능한 미래 농업에 적합한 형태로 변화시키기 위한 R&D 측면의 노력이라는 점에서 세부 추진 내용들을 참고할 필요가 있습니다. [그림 2]를 참고해 보세요.

2. 시스템 제어기술

스마트팜의 시스템 제어는 작물의 생산성과 품질을 극대화하고 비용을 최소화하기 위해 지능형 로직을 탑재하는 방향으로 발전하고 있습니다. PRIVA사의 ECO(Energy Crop Optimizer)와 ECO’s AI 제품은 작물 생산에 필요한 비용을 절감하고, 필요한 열 에너지를 예측해 효율적인 설비 제어 로직을 도출하는 기능을 갖고 있습니다.

최근 PRIVA사는 핀란드의 Sig-Plant사와 함께한 파일럿 프로젝트를 통해 PRIVA ECO의 디지털 트윈 기술을 사용한 솔루션이 효과적으로 온실 에너지 비용 절감을 이끌었다는 결과를 발표했습니다. Hoogendoorm사의 IIVO와 Blue Radix사의 Crop controller 기술 등 인공지능을 기반으로 한 지능형 제어 솔루션들도 모두 실제 스마트팜 작물 생산 회사들과의 파일럿 프로젝트를 통해 검증하고 확산하는 전략을 추진하고 있습니다.

3. 작물 재배관리 기술

작물의 재배관리는 작물 최적 재배를 위한 광, 온도, 습도 등의 재배환경 관리, 물과 영양분의 공급 관리, 병해충 관리, 농작업 관리, 그리고 출하 및 유통을 포함하는 경영관리까지 포함합니다.

스마트팜의 재배생산이 규모화되면서, 기상변화와 고에너지 비용 등 빠르게 변하는 외부요인에 능동적으로 대응하는 것이 필요해졌는데요. 이에 재배관리 의사결정 방식이 기존의 경험과 지식에 의존하는 것에서 다양한 상황에 따른 데이터 분석을 통한 의사결정 방식으로 전환되고 있습니다. 이에 다양한 데이터를 체계적으로 수집하고 분석할 수 있는 소프트웨어의 사용이 증가하고 있는데요. 인공지능 기술이 발전하며, 스마트팜에서 수집된 데이터 분석 및 예측에 분석형 인공지능(Analytical AI)이 활용되고 있습니다. 뿐만 아니라 농업에 대한 질문과 답변, 특별한 상황에 대한 예측 등에도 생성형 인공지능(Generative AI)을 활용할 수 있을 것이라는 가능성도 주목받고 있습니다.

종자, 작물보호제, 디지털 파밍 분야의 글로벌 기업인 Bayer 사는 최근 농업용 생성형 AI인 GenAI를 개발해 테스트하고 있는데요. 사용자가 질문하면, Bayer 사의 농작물 및 작물 관리 관련 정보를 신속하게 제공합니다. 아직 초기 단계지만, 계획 수립, 재배 적용 테스트, 작물 반응 평가, 새로운 계획 수립 등 농업생산을 위한 반복 과정을 데이터로 학습시키고 개선된 결과를 얻어, 새로운 계획을 수립하는 데 도움을 받을 수 있습니다.

스마트팜 사업화 사례

• 도시농업

미국 FARMANYWHERE사는 컨테이너팜을 활용해 신선한 채소를 재배할 수 있도록 컨테이너팜을 구입, 대여해주는 파이낸싱 프로그램을 제공하고 있습니다.

도시농업 생태계를 조성하고 사업화를 추진하는 미국 Square Roots사는 최근 ‘Dark Growth Farm’ 기술을 소개했습니다. 비료로 제공되는 아세테이트(acetate)에서 탄소를 흡수할 수 있도록 유전자 교정을 한 컨테이너팜 용 식물을 공개한 것인데요. 이는 컨테이너팜 운영의 상당한 비중을 차지하는 인공광원 비용을 절감할 수 있다는 점에서 큰 의미를 갖고 있습니다.

• 수직농장

미국의 Oishii사는 수직농장 환경을 최적으로 제어하고, 고품질 고부가가치 농산물을 생산해 차별화를 추구하고 있습니다. 해당 회사는 자체 수직농장에서 생산하는 ‘오마카세 베리’부터 고당도 토마토까지 제품군을 확대했는데요. 안정적인 생산량을 확보하기 위해 새로운 시설을 구축하고 있습니다.

Oishii사의 주요 전략은 아래와 같습니다.

1. 딸기와 토마토의 육종(인간이 원하는 형태로 작물을 개선(진화 또는 변형)하는 것을 목표로 작물을 분리하는 행위)을 통해 수직농장에 적합한 최고 품질의 품종을 선발해 재배품목 다양화

2. 인공지능과 로보틱스 기술을 활용해 수직농장에서 작물 생산 전 과정 자동화

2023년에는 많은 수직농장 기업들이 기대 이하의 수익 창출로 인해 자금 조달에 어려움을 겪어 폐업하거나 구조조정을 진행했는데요. 이런 상황 속, Oishii사의 고품질 제품은 수직농장이 단순히 값비싼 재배 시스템이 아님을 증명할 수 있을지 주목받고 있습니다.

• AI와 로보틱스

미국의 Zordi사는 스마트팜 온실을 활용해 고당도 딸기를 생산하고 판매하는 한편, 스마트팜에 적용 가능한 AI 기반의 자동 온실 제어 솔루션과 수확 로봇 등을 사업화하고 있습니다. Zordi사는 미국에서 판매되는 딸기 품종보다 2~3배 더 당도가 높은 딸기를 최적의 시기에 수확해 24시간 이내에 배송함으로써, 고객들이 최상의 맛을 즐길 수 있도록 서비스를 제공하고 있는데요. 최근에는 인공지능과 로보틱스 기술을 활용해 기존 스마트팜 온실에 필요한 노동력의 80%를 절감할 수 있는 솔루션을 개발하고 있습니다.

스마트팜의 미래

미래 농업 분야의 핵심은 지속 가능성의 확보입니다. 기후 변화와 이상 기상 현상으로, 수입에 의존하던 방식은 식량안보 차원에서 한계가 존재합니다. 때문에 과거 주변 국가로부터 채소를 수입하던 국가도 스마트팜과 같은 CEA(Controlled Environment Agriculture, 최첨단 HW, SW 기술로 식물의 성장 과정을 통제하는 농업 방식)를 도입해 자급자족하는 비율을 늘리고 있습니다. 앞으로 물과 자원의 고갈, 이상 기후 발생 빈도의 증가, 농업 노동력 감소 등의 문제가 점차 심각해질 것으로 예상되는데요. 이러한 상황 속에서, 지속 가능성 확보를 위한 대응 기술 보유 여부가 미래 농업의 생존을 결정할 것입니다.

지속 가능성 실현을 위해 신재생 에너지 활용부터 에너지 및 자원의 효율적 활용을 위한 지능형 관리 체계, 노동력 절감을 위한 로봇 자동화 솔루션, 변화하는 환경에 잘 적응할 수 있는 새로운 작물 육종 등 다양한 기술이 융합돼 스마트팜 시스템에 적용될 것으로 예측되는데요. 과거의 농업 혁명처럼 패러다임 전환에 성공적으로 대응한 기업들이 사업 기회를 얻을 수 있을 것입니다.

글 ㅣ LG CNS CTO 융합기술연구소 기술전략팀