기호 및 약어 설명

HLWS : Hybrid louver window system

LED : Light emitting diode

PPFD : Photosynthetically active radiation flux density

Tv : Visible light transmittance

T(λ) : Spectral transmittance

E(λ) : Spectral power distribution of photosynthetically active radiation flux density

V(λ) : Luminous transmittance

λ : Wavelength

dλ : Differential of wavelength

λ1 : Lower limit of visible wavelength range

λ2 : Upper limit of visible wavelength range

1. 서 론

전 세계적으로 기후변화, 환경오염 문제, 식품 안전성 요구 등으로 인해 도시 스마트팜에 많은 관심이 집중되고 있으며 스마트팜 산업 규모는 2023년부터 2028년까지 CAGR 9.4%로 성장하고 있다¹⁾. 또한 기후변화 대응, 고부가가치 농산물 수요 증가 등으로 인해 수직농장의 세계 시장규모는 2024년부터 2034년까지 CAGR 28.3%까지 높은 성장이 전망되고 있다²⁾. 국내 스마트팜과 식물공장도 최근 기후위기와 환경변화에 대한 적극적 대응 방안 중 하나로 새로운 성장 동력원으로 주목받고 있으며 정밀화와 데이터 분석 등 관련 산업발전으로 미래 농업 성장 가능성이 높은 특징이 있다³⁾. 이에 대한민국 정부는 수직농장 성장과 보급을 목적으로 전국 1,315개 산업단지 안에 건축물 형태의 수직농장(또는 식물공장)을 입주할 수 있도록 법적 근거를 마련하였다⁴⁾. 하지만 식물공장은 연중 작물재배를 위해 태양빛 대신 LED lamp을 사용하며 실내에 설치되는 LED 광원의 낮은 효율에 의한 발열(60 ~ 80℃ 수준)으로 냉방에 과다한 에너지가 소비되고 있으며 냉방 전력이 총 에너지 소비의 80% 수준에 달하므로 이런 문제를 해결할 수 있는 기술개발이 시급하다⁵⁾.

기존 폐쇄형 식물공장과 같이 자연광을 이용할 수 없었던 시설에서 식물을 재배하기 위한 태양광을 집광하고 전송하는 광공급 시스템을 적용하면 에너지 절감뿐만 아니라 식물공장 같은 시설내에서 식물을 재배할 수 있다⁶⁾. Vu et al. (2021)⁷⁾은 플라스틱 광섬유(Plastic optic fiber)을 이용하여 식물 공장내 태양광을 사용하기 위해 프레넬 렌즈와 원형 플라스틱 광섬유(POF) 번들을 조합한 Case_1 조건과 도파관 집광기(Waveguide concentrator)와 평면 POF 번들을 조합한 Case_2 조건을 정량적으로 평가한 결과 Case_2이 Case_1보다 광 효율이 높고 연간 최대 46.5%의 에너지 절감 효과가 있다고 밝혔다. Han et al. (2025)⁸⁾은 건물에서 sunlight와 artificial light을 결합한 active daylighting system 이 17 lm/W 효능을 갖는 LED lamp보다 174 kWh의 에너지절감이 가능하다고 분석했다. Chen et al. (2025)⁹⁾은 계절과 태양고도에 따른 슬랫 각도의 변화가 가능한 태양광 셔틀시스템은 6월에 에너지 절감이 9.18 ~ 22.46 kWh, 실내조도는 450 ~ 2000 lx 범위로 나타났고 daylighting시간은 50% 이상으로 발휘한다고 밝혔다. Ullah and Shin (2025)¹⁰⁾은 office 에 daylighting 활용하기 위해서 parabolic concentrator, Fresnel lens, optical fibers 결합한 daylighting system은 조명의 전력 소비량을 절감할 수 있고 실내 환경을 개선 할 수 있다고 광학시뮬레이션을 이용해 분석하였다.

이와 같이 선행연구를 통해서 태양광을 이용하면 건축물 내 채광 효율을 높이거나 식물공장의 에너지 절감 효과가 뚜렷한 것을 확인할 수 있다. 하지만 태양광을 이용하기 위해서 집광장치, 프레넬 렌즈, 광섬유 등 고가의 재료를 사용함으로써 시스템의 초기 투자비가 높아 질 수 있고 태양광과 LED 가 하이브리드된 조명시스템의 형상 및 적용 조건 등 에 따라 식물에 제공할 수 있는 광량 차이가 다를 수 있다.

본 연구에서는 지난 연구를 통해서 고가의 재료를 사용하지 않은 태양광 하이브리드 조명 시스템 HLWS를 개발하여 냉난방 에너지 절감 효과를 실험적으로 검증하였다¹¹⁾. 또한 국내외 식물 공장에 주로 설치되는 수평 재배단의 위치에 따라 태양광의 활용도의 차이가 큰 것을 파악하였다. 이에 본 논문에서는 지난 연구에서 고려하지 않은 Grating을 개발하였고 재배단의 위치에 따른 태양광의 활용도를 높이기 위해서 HLWS 시스템과 연계시켜 HLWS 시스템으로 부터 이격된 재배단의 위치에 따른 태양광과 LED의 PPFD 값과 전기에너지 소비량을 분석 하였다. 실험은 Full scale mock-up facility과 시뮬레이션 프로그램 LightTools을 이용하여 수행하였으며 Grating 적용시 HLWS 시스템을 이용한 재배단의 PPFD 분포 특성을 확인하였고 태양광을 활용하여 식물공장의 조명에너지 소비량 특성을 평가하였다.

2. 태양광 하이브리드 조명 기술

2.1 태양광 하이브리드 조명의 개념

HLWS은 Fig. 1과 같이 주로 LED, Slat, Diffuser, Vent, Grating로 구성되어 있다. 식물의 요구 PPFD는 태양광과 LED 가 하이브리드 되어 발휘할 수 있는 PPFD로 충족이 되며 주로 태양광을 이용하여 요구 PPFD을 최대한 총족시키며 LED는 보조적으로 태양광에 의해 요구 하는 값을 도달시키기 위해서 Dimming 제어가 된다. Slat은 외부의 태양광을 내부로 전달하는 역할을 하며 표면 반사율은 92%이다. Slat은 태양고도에 따라 Slat의 각도 제어가 가능하고 태양광이 요구하는 값을 초과하는 경우에는 Slat으로 태양광을 차폐시켜 PPFD를 조절할 수 있다. Diffuser는 외부에서 실내로 유입되는 태양광을 투과시키고 확산시키는 기능을 가지고 있으며 진공유리와 단판유리를 적용하여 복층유리 구조를 갖으며 태양광(Tvis) 49.5% 성능을 갖으며 PPFD확보를 위해서 투과율과 단열성능을 향상 시킬 수 있도록 하였다. Vent는 외피의 외측와 내측 상부와 하부에 각각 배치되며 중공층 내부 온도 조건에 따라 개방하거나 밀폐가 가능하며 하절기에는 태양광으로 인해서 중공층의 온도가 높아지게 되는 경우 냉방부하를 상승을 방지하기 위해서 Table 1과 같이 하절기에는 내측 Vent는 밀폐시키고 외측 Vent는 개방하여 불필요한 열을 외부로 배출 시키고, 동절기에는 외측 Vent를 밀폐시키고 내측 Vent는 개방하여 중공층의 높은 온도의 공기를 실내에 활용 난방부하에 활용되도록 하였다. Grating은 Diffuser를 통해서 실내로 확산되는 태양광을 식물이 재배되는 재배단 위에 고르게 반사시켜 주는 역할을 하며 재배단 하부측에 설치된 Grating은 태양광을 아래 재배단에 태양광 95%를 반사시킬 수 있으며 재료는 국내 S 사에서 제공받았다. Grating 사이에 설치된 보조 LED는 태양광 이용시 작물의 요구 PPFD 값이 충족이 안되는 경우 보조 조명원으로 활용이 가능하도록 하였다.

Fig. 1

Section view of indoor farm model with Hybrid louver window system

작물을 재배시 필요한 광량은 광합성광양자속밀도(PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density)로 표현하며 가시광선 파장 기준으로 단위 시간과 면적당 광자(photon)의 개수로 나타낸다. 이것은 식물 잎 표면 위에 떨어지는 가시광선의 광합성 유효광자의 밀도이다. HLWS이용한 광량 측정은 가시광선 파장 400 ~ 700 nm 영역으로 HLWS을 구성하는 Diffuser를 통해서 입사되는 광량 대비 투과되는 광량의 비율을 의미하며 태양광으로 부터 HLWS을 통해 Graing의 재반사를 거쳐 재배단까지 광량의 비율은 다음 식으로 표현된다.

여기서 T(λ)는 파장 λ에서의 분광 투과율로 Diffuser의 광학적 특성에 의해 결정된다. E(λ)는 태양 분광 에너지 분포에서의 입사광 세기이다. V(λ)는 시각적 투과율을 나타내며 조도 Lux 값을 PPFD 값으로 변환하였다. λ1, λ2는 가시광선 영역인 400 ~ 700 nm를 의미한다. 분광 투과율 T(λ)는 프레넬(Fresnel) 방정식을 통해 다음과 같이 계산된다.

여기서 R(λ)는 반사율로, 입사광 중 표면에서 반사되는 부분을 의미한다. A(λ)는 흡수율로, 재료 내부에서 흡수되는 빛의 에너지를 나타낸다.

2.2 시뮬레이션 모델링

최적 요구 PPFD 분석을 위해서 사용한 시뮬레이션 프로그램(LightTools)은 조명 및 광학 시스템의 설계, 분석, 최적화 및 시각화가 가능하며 3D 모델링, 광선 추적(ray tracing), 광도·휘도·조도 등 광학적 성능 예측이 가능하며 조도 조건은 lux를 사용하였다. 본 논문에서는 Fig. 2와 같이 HLWS 모델을 대상으로 재배단과 재배단 하부측의 Grating에 대한 최적화 설계 및 분석 등에 이용하였다. Fig. 2(a)는 Fig. 2(c)의 전체 모델링에서 HLWS 에 인접한 재배단 일부(검정색 사각 테두리)를 확대한 것이며 재배단 하부에 Grating을 적용하여 모델링한 것으로 이 Grating으로 인해서 HLWS를 통해서 실내로 유입된 태양광을 Grating 하부에 위치한 재배단 상부 표면에서 반사시킨 결과를 확인할 수 있다. 이와 같은 현상은 Fig. 2(b)와 같이 태양광 광선 추적을 통해서 빛의 흐름을 확인할 수 있으며 Fig. 2(d)에는 Grating의 치수를 나타냈다.

Fig. 2

Simulation modeling for analysis of PPFD effect by grating application: (a) Cultivation detail (b) Ray tracing (c) Section view of the model (d) Grating detail

2.3 Mock-up 구축

Mock-up은 Fig. 3과 같이 구축하였으며 HLWS이 적용된 공간은 2,000(w) × 2,000(d) × 2,100(h) mm로 약 8.4 m³의 체적을 갖는다 . HLWS 크기는 890(w) × 220(d) × 1600(h) mm 크기로 Mock-up의 남향 외벽면에 설치하였다. 재배단 상부 반사판 역할을 하는 Grating은 Fig. 3(b)에 나타냈으며 개별 Grating의 크기 등의 설치 조건은 시뮬레이션 프로그램을 통해서 도출한 Fig. 2와 같은 기준으로 설치하였다. 이 설치 조건은 프로그램을 통해서 제한된 재배단 너비 조건에서 Grating 수를 고려하여 태양광 분포가 가장 양호한 조건을 도출하여 적용하였다. PPFD 측정은 작물이 재배되는 재배단 위에 센서를 설치하였으며 센서 간격은 HLWS을 기준으로 첫 번째 센서는 650 mm 나머지 센서는 일정하게 450 mm를 이격시켜 측정하였다. Mock-up은 대전광역시 유성구에 위치하고 있다. 데이터 측정을 위한 측정 기기와 데이터 수집 장치는 Table 2와 같다.

Fig. 3

Figure Full scale Mock-up and sensor for PPFD measurement according to distance from HLWS: (a) HLWS size (b) Grating and sensor spacing (b) Sensor location and number

3. 결과 및 토의

3.1 광량 측정 결과

HLWS로부터 일정하게 이격된 센서의 PPFD 측정 값을 Fig. 4에 나타냈다. Fig. 4(a)는 각 Sensor의 측정 값을 도식한 것으로 Sensor_1은 HLWS로부터 650 mm, Sensor_2는 Sensor_1로부터 450 mm, Sensor_3은 Sensor_2로부터 450 mm 이격되었다. 수직면 일사량이 양호한 하루(2024년 4월 27일) 동안 PPFD의 측정 결과는 HLWS 에 가장 근접하여 측정된 Sensor_1은 최고 155.1 µmol/m²s,평균 88.7 µmol/m²s, Sensor_2는 최고 81.3 µmol/m²s 평균 47.3 µmol/m²s, Sensor_3은 최고 42.4 µmol/m²s 평균 26.4 µmol/m²s로 나타났으며 Sensor_1의 최고 155.1 µmol/m²s 시점을 기준으로 수직면 일사량은 469.8 W/m²으로 나타났다. Fig. 4(b)는 하나의 재배단 위에 있는 세 개의 센서의 값을 평균하여 도식한 것으로 평균 최고는 92.9 µmol/m²s, 전체 평균은 54.1 µmol/m²s를 나타냈다. 이 결과는 LED 운전 없이 순수 태양광에 의해 PPFD를 확보할 수 있는 것으로 측정된 PPFD 만큼 LED의 소요 전력을 절감 할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 다만 HLWS로부터 거리가 멀어질 수 록 PPFD 값이 현저히 낮아지므로 작물에 따른 재배단의 평균 요구 PPFD 값을 충족시키기 위해서는 보광용 LED 가 필수라는 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 4

Measuring PPFD value according to the distance from HLWS: (a) Each sensor measuring PPFD, (b) Average PPFD

Fig. 5는 춘분(4월 21일), 하지(6월 21일), 동지(12월 21일) 때 HLWS로부터 이격된 재배단 순서별로 시뮬레이션을 이용하여 시간별 태양고도에 따른 입사각을 적용하여 분석한 PPFD 값을 나타낸 것이다. Fig. 5(a) First의 시뮬레이션 분석 값은 실측 값 Fig. 4(b) 기준으로 시뮬레이션 모델을 검증한 결과이며 실측 값 평균이 54.1 µmol/m²s일 때 시뮬레이션 평균 값은 56.1 µmol/m²s로 약 3.6%의 차이를 보여 시뮬레이션 모델이 신뢰할 만하다고 판단하였다. Fig. 5(a)와 같이 춘분 때 HLWS에 인접하여 있는 First 재배단의 PPFD 값이 Second, Third 에 위치해 있는 재배단보다 상당히 높은 값을 나타냈다. 최고 값을 나타낸 13시를 기준으로 First 113.2 µmol/m²s, Second 25.9 µmol/m²s, Third 9.1 µmol/m²s을 보였으며 First를 기준으로 Second는 22.8%, Third는 8%의 낮은 수준을 나타냈다. 이것은 HLWS로부터 멀어질수록 PPFD 값이 현저히 낮아지며 그로 인해서 태양광이 조명의 역할이 낮아져 LED의 이용율이 높아지는 것을 의미하며 작물 생장 단계별 요구 PPFD 고려하여 실제 생육 환경을 조성하여 적용하는 것이 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. Fig. 5(b)와 같이 하지 때 춘분 때보다 태양광의 활용이 더 낮아지는 것으로 분석되었으며 13시를 기준으로 춘분 때는 평균 49.4 µmol/m²s로 나타났지만 하지 때는 평균 20 µmol/m²s를 나타내 약 40.4%의 낮은 수준을 보였다. 이것은 춘분 때보다 하지 때 높은 태양고도로 인해서 HLWS 통해서 실내로 투과되는 태양광 양이 낮은 영향인 것으로 판단된다. 역시 하지 때 HLWS로부터 멀어진 재배단의 PPFD는 First 48.5 µmol/m²s, Second 8.6 µmol/m²s, Third 2.9 µmol/m²s을 나타내 춘분 때와 같이 First를 기준으로 Second는17.7%, Third는 5.9%의 낮은 수준을 보였다. Fig. 5(c)는 동지때 분석결과를 나타낸 것으로 춘분 때와 유사한 결과를 보였으며 13시 First를 기준으로 Second는 20.6%, Third는 5.4%의 낮은 수준을 보였다.

Fig. 5

PPFD value according to the distance from HLWS and season: (a) Spring, (b) Summer, (c) fall

분석결과를 통해서 HLWS를 통해 실내로 유입되는 태양광으로 인해서 LED의 소요 전력을 절감할 수 있는 것을 확인하였고 더불어 HLWS로부터 멀어진 재배단 위의 PPFD 값은 상당히 낮아지는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과는 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 Grating 적용으로 인해서 PPFD 향상 효과를 얻었기 때문이다. Fig. 6(a)와 같이 춘분 때 Grating과 LED를 결합하여 엽채류 작물의 목표 PPFD를 100% 달성한 조건을 기준으로 Grating을 적용하지 않은 경우에는 PPFD는 평균 12.3 µmol/m²s로 4.9%에 불과하였지만 Grating을 적용한 경우에는 평균 66.9 µmol/m²s로 26.8%까지 향상되었다. Fig. 6(b)에 나타낸 하지에도 마찬가지로 Grating과 LED를 조합한 PPFD를 기준으로 Grating을 적용하지 않은 경우에는 평균 4.2 µmol/m²s로 1.7%에 불과하였지만 Grating을 적용한 경우에는 평균 PPFD가 31.3 µmol/m²s로 12.5%까지 향상되었다. 하지만 하지 때 PPFD 값은 Grating 적용 여부에 상관없이 매우 낮은 값을 보였다. 이것은 하지 때 높은 태양고도로 인해서 실내 유입되는 태양광이 낮기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 6(c)와 같이 동지의 분석결과는 Grating 적용으로 4.8%에서 30.3%까지 향상되었다.

Fig. 6

PPFD simulation analysis results according to the application of grating and LED : (a) Spring, (b) Summer, (c) fall

결국 Grating 적용 효과로 인해서 PPFD 가 향상되고 이것은 LED 소요 전력을 감축하는 효과를 나타냈다. Fig. 7(a)에 도식한 춘분 때 태양광을 전혀 사용하지 않은 100% LED를 적용하는 경우에는 전력 소비량이 7.48 kWh로 나타났으며 Grating을 LED와 조합하여 실제 조광제어 시뮬레이션 분석시 HLWS에서 가장 가까운 First 재배단은 6.72 kWh로 약 11%를 절감하는 효과가 있는 것으로 나타났다. 반면에 태양광 활용이 낮은 Second는 7.24 kWh로 약 3.2%, Third는 7.36 kWh로 1.7% 가 절감 되었다. 높은 태양 고도로 인해서 태양광 활용이 낮은 하지에는 Fig. 7(b)와 같이 전력소비량도 다른 절기에 비해 낮았으며 First 7.07 kWh, Second 7.33 kWh, Third 7.36 kWh의 전력을 소비하여 각각 절감 비율은 5.5%, 2%, 1.6%로 분석되었다. 동지의 경우에는 First 6.78 kWh, Second 7.27 kWh, Third 7.35 kWh의 전력을 소비하여 각각 First 9.5%, Second 2.8%, Third 1.7%로 춘분보다는 낮고 하지보다는 높은 전력소비 절감 효과를 보였다. 이와 같이 절기 따른 차이를 보이는 것은 태양광 입사각에 따른 영향이 큰 것으로 판단된다.

Fig. 7

LED electrical consumption simulation analysis results according to the application of grating and LED : (a) Spring, (b) Summer, (c) fall

3.2 소결 및 토의

무한한 태양광을 이용하는 것은 여러 분야에서 에너지를 대체할 수는 효과가 있으며 본 논문에서도 식물공장에 태양광을 활용하여 식물이 요구하는 PPFD를 충족하기 위한 태양광을 하이브리드한 HLWS 시스템 개발하였고 이 시스템의 LED 전기에너지 소비량의 절감 효과를 검증하였다. 분석결과 통해서 HLWS로부터 거리가 멀어진 재배단의 경우에는 태양광의 효과가 가장 양호한 조건을 기준으로 가장 불리한 조건의 PPFD 값이 춘분 8%, 하지 5.9%, 동지 5.4% 값을 나타내 매우 낮은 것으로 확인되었다. 이것은 식물공장 외벽에 적용된 HLWS 에 인접한 재배단에는 태양광 효과가 크므로 활용가치 높지만 그렇지 않은 재배단에는 활용 가치가 낮은 것을 의미한다. 여러 식물공장 형태 중에 컨네이너형과 같은 작은 규모의 식물공장에는 HLWS의 적용 가능성이 높을 것으로 판단되지만 건물형의 대규모의 식물공장에는 실내 깊은 장소까지 장거리 태양광 전달이 어렵기 때문에 적용 가능성이 낮을 수 있다. 건물형의 대규모의 식물공장에 HLWS을 적용하다면 공간적으로 구획을 나누어 HLWS 이 적용된 인접공간과 인접하지 않은 HLWS로부터 먼 공간으로 구성할 수 있으며 이때 태양광 이용에 따른 적용 거리 한계와 광 손실율에 대한 광학적 특성이 고려되어야 한다. 또한 한 공간에서 여러 재배단이 수직으로 배치되거나 수평으로 배치되는데 한 가지 식물을 재배하기 보다는 각 재배단의 PPFD 조건에 맞도록 그룹화 하여 다양한 식물을 재배하는 것도 방법이 될 수 있다. 본 논문에서는 수평 재배단 기준으로 상하 4개 재배단 중 아래부터 두 번째 재배단을 기준으로 시뮬레이션 모델 구현과 Mock-up 실험을 수행하여 평가하였지만 각 재배단의 광량 특성의 차이가 있으므로 각 재배단의 광량 특성을 고려해야한다. 식물 공장의 재배단은 대부분 수평 재배단으로 설계되고 있지만 수직 재배단 구조의 이동식 방법으로 적용된다면 식물 공장 내 모든 식물들이 골고루 태양광을 활용 할 수 있을 것으로 판단된다. 또 이와 같은 방식은 높은 투자비가 요구되므로 수익성이 높은 의료용 원료 등으로 사용될 수 있는 고부가가치 식물 재배하여 높은 투자비를 회수할 수 있는 대안이 될 수 있다.

4. 결 론

본 논문에서는 식물공장의 LED의 전기에너지 소비량을 절감하기 위해서 태양광을 이용할 수 있는 태양광 LED 하이브리드 루버 조명 시스템 HLWS 개발하여 HLWS 시스템으로부터 이격된 거리에 따라 성능을 Mock-up 실험과 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 분석하였다.

HLWS로부터 거리가 가까운 재배단이 태양광 활용이 높고 거리가 멀수록 태양광 활용은 낮았으며 절기에 따른 태양 고도의 변화에 따라 낮은 태양고도의 계절이 높은 태양 고도의 계절보다 태양광 활용 효과가 더 큰 것으로 나타났다.

HLWS을 통해서 실내로 유입된 태양광을 식물에 고르게 전달시키기 위해서 수평 재배단 하부에 개발한 Grating을 적용한 경우에는 Grating을 적용하지 않을 때 보다 PPFD가 최고 30.3%까지 개선되는 효과가 있는 것으로 나타났다.

HLWS 시스템에 Grating의 적용으로 재배단의 거리에 따른 LED의 전기에너지 소비량은 Grating을 적용하지 않은 때 보다 First 조건에 춘분 11%, 하지 5.5%, 동지 9.5%의 절감 효과를 나타냈고, Second와 Third는 First 보나 낮은 효과를 보였다.

향후 본 연구를 기반으로 건물형 대규모 식물공장에 적합한 공간 구획 및 작물 배치 알고리즘을 개발하여 태양광 활용 효율을 극대화하고 HLWS을 구성하는 Diffuser, Slat Grating 등 구성요소의 구조와 재질의 광학적 특성 및 민감도를 분석하여 재배단 간 PPFD 분포의 균일성을 향상시키는 연구를 기획할 예정이다. 또한 HLWS 시스템의 계절별 및 기후별 실증을 통해 장기적인 에너지 절감 효과가 검증되어야 하며, 고부가가치 작물 재배와 경제성 평가를 통합한 모델을 구축하여 HLWS 시스템의 상용화 가능성을 체계적으로 평가하는 연구를 계획하고 있다.