[특허로 본 유망 미래기술⑧] 스마트 팜(Smart Farm)

특허뉴스 선우정 기자 | 기사입력 2019/06/13 [15:11]

[특허로 본 유망 미래기술⑧] 스마트 팜(Smart Farm)

특허뉴스 선우정 기자

| 입력 : 2019/06/13 [15:11]

농업+ICT 융합 기술은 타 산업보다 아직 초보적인 단계에 머물러 있지만, 최근 가장 활발한 연구개발이 추진되는 분야가 스마트팜(smart farm)이다. 그러나 우리나라의 스마트팜은 선진국에 비하면 걸음마 단계에 불과하다. 유럽을 비롯한 일본이 자체 개발 시스템을 적용해 재배작물 품목을 확대하고 생산성 향상 및 경비 절감에 초점을 맞추고 있다. 글로벌 스마트팜 관련 특허 동향을 분석해 본다. <편집자>

주목받는 스마트팜 기술

스마트팜은 온실의 환경과 작물의 생육상태에 대한 실시간 센싱 정보를 기반으로 최적의 환경조건 유지 및 양액 제어를 통해 작물의 생산성 및 품질을 향상하고자 하는 농업ICT융합 기술이다. 더 넓은 의미의 스마트팜은 노지 농업, 시설원예, 축산 등 농업 분야에서 농산물 생산·유통·소비의 전주기적 과정을 농업ICT융합 기술 적용을 통한 농촌의 삶의 질 향상을 도모하는 농업 형태까지 포함한다.

▲ 차세대 스마트팜 시스템 기본 구성도 ( ETRI) © 특허뉴스

스마트팜은 고품질이면서 안전한 작물의 안정적인 수확, 수확량의 향상, 비용 절감, 작업 효율의 향상, 일자리 창출, 경험이 적은 젊은 농가의 후원 등을 목적으로 한다. 현재 세계 인구는 73억명, 2060년이면 99억명으로 35%나 급증할 것으로 전망되면서 지금의 농업 생산방식으로는 필수적인 식량조차 충당하지 못하는 것은 자명해졌다. 따라서 현재 세계 각국은 첨단 기술을 활용한 농업 경쟁력 향상 노력을 기울이고 있다.

▲ 스마트팜 시스템 기본 구성도 (ETRI) © 특허뉴스

네덜란드는 우리나라 면적의 1/2에 불과하지만, ICT를 활용해 한계를 극복한 대표적인 농업 수출국으로 농산물 수입액의 1.5배를 수출(세계 2위의 농산품 수출국, 2013년 기준 1,115억불)하고 축산물과 화훼가 농업 총생산의 74%를 차지한다. 네덜란드 Priva사는 세계 최고 수준의 온실 환경제어 시스템을 생산하고, Leiy사는 세계 착유로봇 시장 65% 이상 점유한다.

일본의 스마트 농업 시장 규모는 2013년 66억1400만 엔에서 2020년 308억4900만 엔으로 2013년 대비 3.6배 정도 확대될 전망이다. 일본에서는 2009년 농지법이 개정돼 다른 업종의 농업 진출이 가능해지면서 일반 기업의 진출이 증가하는 추세이다.

확산되는 식물공장 건설

식물공장이나 스마트팜에서 식물을 재배하기 위해서는 이를 위한 장치가 필요하며, 이러한 장치의 가장 기본적인 요소가 바로 식물을 생장시킬 수 있는 재배기이므로, 관련 산업의 성장에 따라 식물재배기의 중요성이 부각되는 것은 당연하다.

식물공장이란 환경 및 생육의 모니터링을 기초로 고도의 환경제어를 수행해 채소 등 식물의 주간 및 연간 계획생산이 가능한 재배시설을 의미한다. 식물공장은 덴마크가 1957년부터 도입하면서 처음 시작됐으며, 1970년대부터 일본과 미국을 중심으로 인공광에 의한 식물공장연구가 진행됐다. 미국에서는 이러한 식물공장을 고층건물에 텃밭을 수직적으로 배치하는 수직농장(Vertical farm)으로 지칭하기도 한다. 일본에서는 일찍이 식물공장에 대한 상용화를 시작하고 중국, 싱가포르, 대만 등에서도 식물공장이 건설 되고 있는 추세이다.

기술적으로 본다면 식물공장은 컴퓨터로 통제된 시설 내에서 생물의 생육환경(빛, 공기, 열, 양분 등)을 인공적으로 제어해 농작물을 공산품과 같이 계획적인 생산이 가능하도록 한다. 식물공장에 대한 개념 및 미국의 수제어하고 인공 광원을 통해 농작물을 재배하므로 날씨나 계절과 같이 예측이 불가능한 외부 환경 및 기후에 관계없이 농산물을 안정적으로 생산하는 것이 가능하며 화학비료와 농약의 사용도 줄일 수 있다. 하지만 분명한 단점도 존재하기 때문에 IT, BT 기술의 접목 및 사업화에 대한 구체적이고 체계적인 장기계획을 수립해 경제성을 갖추는 것이 매우 중요하다.

현재 식물공장은 일본에서 그 보급, 운영 및 연구가 가장 활발하다. 식물공장의 수 및 시장규모가 계속 성장할 것으로 예상되고 있어 이에 대한 정부의 지원이 활발하다. 식물공장에는 뚜렷한 장점과 단점이 있다. 특히 기상상황에 영향을 받지 않는 완전 인공광형 식물공장에서 식물의 생육조건을 만족시키기 위한 에너지 소비가 크다는 단점이 있어 이를 극복하기 위해 태양광과 인공광을 함께 활용하는 식물공장도 건설되고 있다. 식물공장의 재배품목은 상추류와 과채류가 주를 이룬다.

식물공장의 주요 장점은 생육에 필요한 조건을 인공적으로 조절할 수 있다는 것이며, 단점은 이러한 인공적 생육 환경을 유지하기 위한 비용이 많이 소요되어 경제성을 갖추는 것이 쉽지 않다는 것으로 요약될 수 있다. 최근의 식물공장은 경제적 경쟁력 확보를 위해 ICT 융·복합 기술을 접목한 스마트팜으로 진화하는 추세이다.

글로벌 스마트팜 특허 동향

스마트 농업에서 IoT 관련 기술개발은 농업 정보분석서비스 사업자와 IT시스템 업체간 협력 관계를 중심으로 진행된다. 세계적으로는 스마트 농업의 기술개발과 구현은 네델란드가 리드해 나가고 있는 가운데 특허출원 건수는 미세한 증감을 반복하고, 2013년 피크이후, 2014년도 가장 많은 출원이 되고 있다. 식물공장에 의한 일과성 증가일 가능성은 있지만, 농업 현장에의 IoT 활용 촉진으로 출원이 급증할 전망이다.

▲ 스마트팜 분야 특허 출원 연도별 동향 (이모티) © 특허뉴스

현재는 얀마, 이세키농기, 구보타 등 농기계 업체들의 특허출원이 많으며, 2014~2015년 특허출원 미공개분을 고려하면, 출원인, 발명자 모두 증가 추세에 있다. 스마트 농업 기술동향을 예측함에 있어서 IoT의 도입 용도로는 △토양 개량·관리 △수경 및 수위 수질 △ 해충·피해 동물 감시·제거 △기후·재해 대책 △수확 향상·육성 관리 등 5가지로 규정할 수 있다.

용도별로 살펴보면, 수경 및 수위 수질분야에서 특허출원이 많고 식물공장이 지속적인 IoT화를 진행하고 있으며, 기업별로는 앞서가는 구보타를 얀마가 추격하는 구도이다. 요소 기술별 특허출원 건수는 센서중에서도 환경센서 관련 특허출원이 많고, 전체적으로 데이터 송수신에 비중을 둔 출원이 많아지고 있다.

▲ 후지쯔의 스마트팜 관련 특허 © 특허뉴스

일본 후지쯔는 생산자와 농업 관련 기업들과 공동개발을 진행하면서 독자적으로도 스마트 농업 실증실험을 실시하고, 이 분야의 정보분석 기술을 축적하고 있는 점이 특징이다.

후지쯔가 출원한 인증방법, 인증시스템 및 그 태그 장치, 정보 참조 클라이언트, 인증 서버, 정보 서버 및 태그 관리 서버 관련 특허(출원번호: 특원 2007-552823)은 트레이서빌리티 시스템에 있어서의 보안 관련 출원으로 농작물 생산시의 위장행위를 방지하는 방법이다.

후지쯔는 누마즈(沼津) 공장 부지내에 설치한 노지재배와 하우스재배로 구성된 ‘Akisai 농장’에서 양배추와 무를 재배하고, 하우스재배로는 토양에서만 재배하던 케일의 연중재배가 가능한 수경재배에 도전한다. 후지쯔 와카마츠(若松) 공장의 반도체 생산용 클린룸을 전용한 Akisai 야채공장은 아키타(秋田)현립대학의 특허와 이즈후지(會津富士) 가공기술을 바탕으로 저칼륨 야채를 생산한다. 반도체 제조에서 축적된 로트 관리, 품질 관리, 원가 관리 방법을 농업에 적용해 고품질, 고수익 생산기술의 확립을 목표로 한다.

베지테리아는 스마트 농업에 필수적인 센서와 그곳에서 얻은 데이터 분석기술 등을 제공하는 농업 정보분석서비스 사업자로 품종 개량, 농약, 화학 비료에 의존하지 않고, 농작물이 가진 본연의 영양가, 맛, 안전성을 유지하면서 안정적인 생산이 가능한 재배법을 목표로 한다. 구체적으로는 식물 생육, 병해충 발생의 매커니즘, 식물에 필요한 영양소를 만들어내는 토양 미생물의 다양한 균형 등 과학적 연구성과와 IoT에서 얻은 일사량, 온도, 습도, 토양 수분, 양분 등의 환경 정보, 수액류 등의 생체 정보, 시비 관리와 작업 기록 등 재배 정보를 AI로 분석해 최적의 재배법을 찾는다.

베지테리아가 출원한 식물 육성 장치 관련 특허(출원번호: 특원 2013-21945)는 플랜터용 식물배양시스템에 관한 출원으로 배양실내로 뻗은 식물의 잎을 제거, 토양의 소독 등이 용이한 식물육성장치를 제공한다.

네덜란드 Lemnis Lighting이 출원한 ‘식물의 성장을 자극하는 조명 디바이스 및 조명시스템 특허(출원번호: 특원 2008-554768)은 LED 조명시스템에 관한 출원으로 조명에 대한 규제가 심한 네델란드에서 효율적인 식물공장용 조명시스템에 관한 기술이다. 사물인터넷(IoT) 연계에서는 특히 특징은 없지만, 외부 기상조건과의 연계로 상세한 조사 제어에 도움이 될 가능성이 높으며 식물의 성장을 자극하는 조명 장치가 미리 정해진 파장범위내에서 적어도 하나의 파장의 빛을 방출하는데 적합한 고체 광원을 보유했다.

구보타는 농기계의 각 부위나 부품의 가동상황을 농기계내의 CAN(control area network)을 통해 자동으로 수집하여 클라우드로 전송한다. 이를 바탕으로 기계진단기록을 만들어 고객에게 제공함으로써 고객 스스로의 셀프 유지보수를 쉽게 하고 관리 항목마다 임계치를 설정하여 임계치를 초과하면 경고를 주어, 고장을 미연에 막을 수도 있다.

미래예상 제품·서비스 로드맵

현재 우리 농가에 적용되고 있는 스마트팜 시스템은 주로 환경정보(온·습도, CO2, 조도 등) 기반으로 스마트미디어를 통해 재배시설의 개폐 및 제어(보온덮개, 천창, 커튼, 환풍기, 스프링클러, 양액, 열풍기 등)하는 수준에 머물러 있다. 향후 재배 생육정보 기반의 생육단계별 정밀한 작물관리를 위한 생육 최적 환경설정 모델 개발 및 작물생리 장해 및 병충해 진단 전문가 모델을 개발이 요구된다.

특히 하우스 내의 환경정보, 생육정보 이외에 기상정보, 외부환경정보, 농산물 유통정보, 농산물 생산량 정보, 농산물 가격 정보 등을 빅데이터/클라우드 기반의 정보처리를 통해 고부가가치의 다양한 지식 서비스를 제공할 수 있는 기술을 개발하는 것이 매우 중요하다. 스마트팜 시스템이 단순히 생산 시설 영역에서 벗어나 농업 가치사슬 전반(생산, 유통, 서비스)의 효율성 강화 및 새로운 부가가치를 창출할 수 있도록 확대돼야 한다.

스마트팜 시설농업과 가공·유통·외식·관광·레저 등 2, 3차 산업과의 융합, 특히 기후환경, 물환경 등 타 산업과의 융합을 통한 새로운 상품 및 시장을 만들어야 한다.

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