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A Strategy of Green Innovation by IT based Smart Farming

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Academic year: 2021

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IT기반의 스마트 영농에 의한 그린 이노베이션 전략

배병숙˚, 황영헌˚, 변승섭**, 안형주**, 김인수**

˚KT 종합기술원, **㈜ 인성테크

A Strategy of Green Innovation by IT based

Smart Farming

Bae Byeong-Sook, Hwang Young-Hun, Byun Sung-Sub, Ahn Hyung-Chu and Kim In-Soo

KT Advanced Institute of Technology˚ , InsungTec Corporation**

E-mail : quantum@kt.com, johney@kt.com, bss@insungtec.co.kr, hcahn@insungtec.co.kr, kis@insung.co.kr

우리사회는 당면한 사회적인 문제가 많다. 수명연장ᆞ저출산에 의한 사회고령화가 가속되고 있 지만 사회적 부담 해소를 위한 노년 일자리 창출이 요원한 실정이다. 700 만 명이 넘는 1차 베이 비 붐 세대가 2012년을 시점으로 본격 은퇴가 예상되고 있는 반면 이들을 수용할 일자리가 절실 할 때에 고용상황의 악화로 오히려 조기퇴직이 가속화되고 있다. 또한 농촌인구의 감소 및 노령화 로 농촌의 황폐화가 심각한 실정이다. 본 논문에서는 영농분야에서 중장년층에게 안정적인 고용효 과를 제공하면서 에너지절감이 가능한 IT 기반의 스마트영농 기술 및 특성을 소개하고 고용창출, 농촌활성화 및 녹색산업의 성장으로 연계하기 위한 전략과 정부의 정책을 제안하고 관련된 이슈에 대해서 기술하고자 한다.

1. 서론

우리사회에 당면한 사회적인 문제가 많다. 수명 연장과 저 출산에 의한 사회고령화가 가속되고 있 지만 사회적 부담 해소를 위한 노년 일자리 창출 이 요원한 실정이다. 특히 7백만이 넘는 1차 베이 비 붐 세대가 2012년을 기점으로 본격 은퇴가 예 상되고 있는 반면 이들을 수용할 일자리가 절실할 때에 오히려 고용상황의 악화로 조기퇴직이 가속 화되고 있다. 청년실업 해소도 시급하지만 사회 및 가족의 안전을 담보하는 중장년 층의 실업이 만연화 되면 사회 안전성 유지가 위태해 질 수가 있다. 노령화의 문제는 특히 농촌에 심각하다. 농 가의 고령화율이 국가 전체의 3배인 34.2%에 이 르고 있다[1], 농촌인구가 해마다 줄어 전 인구의 6% 수준인 312 만 명에 불과하며 노령화로 인해 가구원이 2명인 농가는 전체 농가의 61.6%를 차 지하고 있다. 이 중 65.3%는 경영주 연령이 65세 이상으로 나타나 등 농촌붕괴 진행이 심각한 지경 이다[2]. 세계적으로는 지구온난화에 따른 탄소저감이 문

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제인 바 녹색산업을 각국에서 경제성장의 한 방안 으로 적극 펼치고 있다. 정부도 녹색성장을 비전 으로 하여 다각도로 정책과 산업진흥을 유도하고 있다[3]. 전통적인 1차 산업인 농업분야에서도 IT 융합에 의한 녹색성장 기술 및 산업에 다각적인 정책을 시도하고 있다. 인공 작물재배 방식인 식물공장이 기후변화에 따른 대안 농법, 토양오염을 회피할 수 있는 안전 식품 생산 그리고 연작 및 수확율 극대화에 의한 식량해결을 위한 미래농업으로 부상하고 있다 [4][5]. 아울러 농촌 노동력 감소문제와 신규 일 자리창출의 좋은 대안으로도 제시되고 있다[7]. 그러나 고가의 시설비, 자연광의 활용률 한계로 노지재배 혹은 전통적인 시설원예 작물과의 가격 경쟁력 열위로 본격적인 시장촉발로 이어지기에는 제약사항이 많은 형편이다. 이러한 제약사항을 해 소하기 위해서는 생산원가를 줄이고 재배농가를 확대하기 위한 제도적, 기술적 지원방안이 필요하 다. 또한 기존 시설작물 시장 및 재배농가와의 관 계를 고려하여 원활하게 진입이 될 수 있도록 제 도와 지원책을 구비하여야 한다. 본 논문에서는 기존 식물공장의 문제점을 보완 하여 한국의 실정에 맞는 농촌형 식물공장과 식물 공장에 IT 기술을 융합한 스마트영농을 제안하고 이에 의한 고용창출, 농촌황폐화 해소 및 에너지 절감 효과의 활성화를 위한 전략과 정부의 정책 그리고 관련된 이슈에 대해서 서술하고자 한다.

2. 본론

2.1 식물공장의 개념, 역사 및 의의 채소나 묘를 중심으로 하는 작물을 시설 내에서 광, 온도, 습도, 이산화탄소 농도 및 배양액 등의 환경조건을 인공적으로 제어하여 계절이나 장소에 관계없이 자동적으로 연속 생산하는 시스템을 식 물공장으로 정의한다[6]. 작물재배는 노지재배, 시설재배, 수경재배, 식물공장 형태로 진화해 왔 으며 인공재배의 틀을 최초로 갖춘 것이 온실과 같은 시설재배이다. 토양재배는 흙이 일차적으로 비료성분을 유지ᆞ보관하여 조금씩 식물에 제공하 는 버퍼역할을 하는데 다량공급 시, 토양의 염류 농도가 높아지거나 비료가 분해되면서 생성되는 산 등이 뿌리에 해를 주어 연작이 어렵다[6]. 분 무(噴霧)경을 포함한 수경재배는 비료성분의 일정 량을 제어하여 공급함으로써 토양재배의 연작한계 를 벗어나게 한 식물공장의 근간 기술이 된다. 식물의 유기질소 화합물 생산을 위해서는 뿌리 에 의한 수분, 양분 흡수 외에 빛에 의한 광합성 이 필수이다. 빛을 공급하는 방법에 따라 태양광 이(병)용형 식물공장과 인공광원에 의해 밀식으로 식물을 생산하는 완전제어형 식물공장으로 나눌 수가 있다[4]. 식물공장은 춥고 일조량이 적은 덴 마크, 네델란드와 같은 북유럽에서 1950년대에 시작되었으며 발달과정은 표 1과 같다. 년 도 국 가 형 태 비 고 1957년 덴마크 크리스텐센농장 온실재배, 태양광이 용 1960초 오스트리아 루스나 입체식, 자동화 1960년대 미국 제너럴일렉트릭 완전제어형 1970년대 미국 제너럴푸드 제너릴밀즈 파이토팜 완전제어형 1990년대 중단 1974년 일본 히타치제작소 정량적데이터화 1980초 일본 해양목장사 태양광이용형 실용화 1983년 일본 미우라농원 완전제어형 실용화 1980년대 일본 高柳榮夫 형광등식물공장 1980년대 일본 코스모플랜트 LED 식물공장 1999년 미국 Dickson Despommier 도심 수직농장 개 념 제안 표1. 식물공장의 발전 역사 최근에 주목 받고 있는 도심형 식물공장인 수직 농장(Vertical Farm)은 인공재배를 도심의 빌딩에 서 구현하는 것으로 재배기술의 혁신보다는 전통 적인 평면재배 방식을 입체적인 재배방식으로 바 꾸어 토지 이용효율을 극대화한 관점에서 근본적 인 혁신성의 의의를 가지고 있다[8]. 식물공장은 전통적인 토양재배 방식에 비해 기 후와 관계없이 연중 높은 수확율의 안정적인 작물 생산이 가능하고 무(저)농약의 청정 농산물 생산

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이 가능하며, 제초제, 농약, 화학비료의 사용이 적 어 환경오염이 적은 일차적 장점을 가지고 있다. 여기에 폐수재생시스템이나 농작물 폐기물 이용 및 신재생에너지 이용 기술을 적용하면 친환경, 저탄소 농작물 생산의 부차적인 효과도 가능해 진 다. 또한 수직농장과 같이 다양한 농산물을 한 곳 에서 생산할 경우 소비자의 기호변화에 신속히 대 응할 수가 있고 도심 혹은 근교에 건설 시, 운송 시간 및 비용의 절감이 가능하고 관련 전후방 산 업 발달에 긍정적인 효과가 있다[4]. 2.2 식물공장의 한계 인공광원을 이용하는 완전제어형의 식물공장은 시설투자규모(일반 비닐하우스 대비 17배) 및 인 공광원을 위한 막대한 전력비용 때문에 작물포기 당 생산단가가 높다. 나트륨 등이나 형광등 대신 LED를 이용함으로써 전력비용절감(최대 1/3), 사 용연한 연장으로 생산비용이 절감되기는 하지만 LED 광원 시설 투자비가 높아서 감가상각이나 금융비를 고려하면 생산원가를 낮추기가 어려워 고가로 작물판매가 보장되지 않으면 근 시일 내에 채산성을 맞추기가 어렵다. 일본의 경우 기존 재 배방식 대비 두 배 정도가 높은 형편이다[6]. 반면 태양광이용 식물공장은 자연광을 이용함으 로써 딸기와 같은 고부가가치의 과채류 생산이 용 이하고 광원을 위한 전력소모가 없는 장점이 있지 만 일반 시설원예와 같이 평면형태의 재배이어서 토지 이용효율이 낮고, 혹서기ᆞ혹한기에 막대한 냉난방비가 드는 단점을 가지고 있다. 도심의 수직농장은 완전 제어형이나 태양광 이 용형 어느 형태로든 구현을 할 수는 있어 각각의 단점을 피할 수 있는 가능성이 있다. 그러나 우리 나라의 경우 다음의 이유로 도심형 수직농장의 확 대에는 제약이 있다. 첫째는 도심형 식물공장의 장점인 신선작물재배는 우리나라와 같이 좁은 국 토와 발달된 교통망으로 인해 크게 장점이 되지 못한다. 둘째, 도심의 지가 혹은 건물가가 높아 투자수익을 얻기가 힘들며 이런 경우 대규모 자본 이 소요되어 시행이 어렵다. 셋째, 평면 온실재배 에 관해서는 우리나라의 기술력이 매우 앞서 있기 때문에 이러한 장점을 활용할 필요가 있으며, 마 지막으로 작물을 재배하기 좋은 날씨가 년 중 절 반 정도는 되기 때문에 도심형의 효용이 년 중 지 속되지 않는 한계가 있다. 2.3 에너지절감 효과가 높은 농촌형 식물공장 완전제어형 식물공장의 전력문제와 태양광이용 형의 냉난방에너지 문제 그리고 도심형이 갖는 한 계점을 줄이면서 농촌황폐화, 인구고령화 및 일자 리 부족 등의 사회적 문제를 줄이는데 있어서 효 과적인 형태의 식물공장이 있다. ‘ 농촌형 식물공 장’ 은 완전제어형과 태양광이용형의 결합형태로 지역적으로는 농촌 혹은 도시근교에 건립된다. 형 태는 농촌에서 흔히 시설원예재배에 사용되는 일 반 비닐하우스의 형태를 취함과 동시에 재배베드 를 다단으로 집적하는 단열성이 좋은 건물을 같이 가지고 있다. 일반적으로 재배지는 고정의 형태를 띄는데 농촌형 식물공장은 식물이 비닐하우스와 집적재배동을 오가면서 재배된다. 즉, 그림 1과 같이 식물이 때에 따라서 이동하면서 재배 된다. 그림 1 농촌형 식물공장의 개념도 겨울의 예를 들어 아이디어를 설명하면 햇빛이 나서 일정 온도가 유지되는 낮 중에는 식물을 비 닐하우스에서 재배하고 온도가 낮은 밤에는 좁은 면적의 단열 집적재배동으로 작물을 적층해서 열 손실을 최소화하는 방법이다. 실내의 일정 온도를 유지하기 위해서는 외부로 빼앗기는 열량만큼 계 속 보충을 해 주어야 하는데, 외부로 빼앗기는 열 비닐하우스(주간) 집적재배동(야간) 재배 베드

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량이 많을수록 난방비가 많이 든다. 반대로 외부 의 온도가 높고 그보다 낮은 온도를 유지하고자 할 때에는 외부로부터 침투되는 열량만큼 내부를 온도를 식히기 위한 에너지가 소모된다. 외부로부 터 빼앗기는 열량 혹은 침입하는 열량은 다음과 같이 표현된다. Q = kᆞA (Δ T/L) [W] 여기서, k는 열전도도, A는 온실 표면적, Δ T는 온도차, L은 두께가 된다. k는 보온재질에 의해 결 정되고 L 역시 보온재질의 특성이 작용한다. 빛의 투광, 낮은 열전도도, 설치용이성, 가격 등을 모두 고려할 때, 비닐재질이 가장 적정하고 비닐하우스 가 많은 이유이다. 열전도도가 낮더라도 장시간 온도차이가 존재하면 열전도에 의해 결국은 열 손 실이 발생한다. 현재까지 나온 온실의 온도유지 방안은 난방에 의한 열량보충(가온 온실)이나, 부 직포, 다겹막, 수막보온과 같은 등 k, 및 L값에 대한 방안(무가온 온실)만 시도 되었다. 농촌형 식물공장의 발상이 어려웠던 이유는 작물의 고정 재배를 염두에 두고 있었기 때문이며, 수경재배 역시 고정된 재배베드에 기초하여 설계하기 때문 이다. 재배베드의 이동은 전동기와 같은 동력장치 에 의해 자동으로 이루어 진다. 이러한 농촌형 식 물공장은 완전제어형과 태양광이용형의 에너지문 제를 해결함과 동시에 자연광 이용에 따른 작물의 다변화에도 유리하다. 농촌형 식물공장은 에너지절감 외에도 온실재배 에 익숙한 농민이 작업방식에 큰 거부감 없이 접 근할 수 있다는 장점이 있다. 이는 기존 시설원예 방식의 전환에도 유리하고 전원생활을 선호하는 도시 귀농인에게도 거부감이 적어 도시인의 취농 유도와 그로 인한 농촌 살리기에도 적합하다. 2.4 IT와 식물공장의 결합: 스마트영농 스마트영농은 식물공장에 IT를 접목하여 작목 의 선택, 생산, 출하와 유통에 있어서 작업의 효 율성과 영농의 부가가치를 높이는데 목적이 있다. 그림 2. 스마트영농에 의한 식물재배 컴퓨터에 의한 재배환경 모니터링 및 생장제어 는 특히 완전제어형 식물공장에서 일찍이 연구 개 발되어 정착단계에 있다[4]. 작농에 있어서 지능 화ᆞ자동화는 통상 로컬 제어시스템에 의한 자체 제어(Autonomous Control)가 대부분이다. IT에 의한 스마트영농은 이러한 자체제어와 아울러 생 장환경, 생장상태의 모니터링 및 생장제어를 원격 의 중앙시스템에서 가능하게 하는 것이다. 또한 생산과정에서만 데이터의 수집/분석/관리가 이루 어 지는 것이 아니고 유통을 포함한 생산의 전후 방 분야까지 확대 적용하는 것이고 특정 농가에 한정되어 데이터 관리가 이루어 지는 것이 아니고 전국 다수 농가의 영농데이터를 수집ᆞ분석하여 정보의 신뢰성과 활용성을 높인다. 그림 3. 스마트영농에서의 IT 접목 다이어그램 농촌형 식물공장에 IT를 융합하면 다음의 효과 를 가질 수가 있다. 첫째, 생장자료에 대한 통계적 분석에 의해 최 상의 생장조건을 빠르게 획득할 수 가 있고, 특정 농가가 이상이 있을 때에는 쉽게 그 원인 파악하 고 조치를 취할 수가 있다. 특히 이러한 통계적인 분석은 초기 식물공장의 설계와 최적 성장조건을 설정하는데 있어서 유용하다. 종자 종묘 생 산 유 통 IT(수집, 분석ᆞ가공, 정보제공) 품목 품종 선택 정보 출하 시기 물량 정보 영농 관제 및 지식

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둘째, 작목 종류에 따른 생산량 분석을 통해, 출하시기, 차기 재배작목의 선택 및 재배수량의 조절이 가능하다. 특히 유통정보와 연계될 시에는 물량조절에 의한 농가의 안정적 수익이 가능하다. 셋째, 원격관제는 로컬ᆞ자체시스템의 예상치 못한 오류에 대한 대처를 가능하게 한다. 오류의 원인파악 및 대처는 장기간 그리고 많은 농가로부 터 데이터가 축적 될수록 정확하게 된다. 또한 작 물의 생장에 관한 것뿐만 아니라 불법침입, 화재 등 안전에 관한 것들도 원격관제로 해결할 수 있 다. 이러한 정보를 스마트폰과 같은 이동단말에 제공하면 농민의 재배관리가 보다 용이해 진다. 2.5 Green Innovation을 위한 스마트영농 확산 전략 가. 투자 및 생산원가 절감을 위한 기술적 개선 식물공장은 일반 시설원예에 비해 초기 투자비 가 높고 고비용의 생산요인이 존재하므로 지속적 인 원가절감이 필요하다. 농촌형은 고가의 LED 광원을 사용하지 않아 투자비가 절감되지만 대신 재배베드의 이동 및 적층을 위한 기구 설치비가 추가된다. 시설투자비를 줄이기 위해서 가장 우선 하여 시행되어야 할 사항은 식물공장 제요소의 제 작 및 시공의 표준화이다. 주문생산에 의한 개별 구축에 의해서는 시설단가를 낮출 수가 없다. 또 한 자동화가 진전되지 않은 파종, 육묘 및 수확단 계에 있어서의 자동화 기술이 개발되어야 한다. 자동화에 의해 시설 투자비가 더 많이 소요되겠지 만 장기적으로 인건비를 줄이고 노령층과 도시귀 농인의 노동력 절감을 이룰 수 있다. 나. 시장 확대를 위한 중장기 기술개발 첫째, 식물공장의 재배 작물의 품목 및 품종의 다변화를 위한 지속적인 연구개발이 있어야 한다. 수경재배방식은 이론적으로 모든 종류의 식물의 재배가 가능하지만, 재배공간과 투자비 등을 고려 할 때 잎이나 줄기를 버리는 작물은 채산성이 맞 지 않는다. 현재는 엽채류와 지상부 모든 부분을 이용할 수 있는 과채류와 소형근채류가 적정하다. 하지만 시설작물 시장이 제한되어 있으므로 작물 의 다변화가 이루어 지지 않으면 식물공장의 시장 확대는 어려울 수 밖에 없다. 장미와 같은 고가의 화훼 작물이나, 인삼 등 고 기능성 특용작물로의 적용을 위한 연구개발이 필요하다. 둘째는 식물공장의 형태를 다변화할 필요가 있 다. 컨테이너 박스 크기의 밀식형태의 완전제어형 식물공장은 극지방이나 장기 운항중인 대형 선박 의 신선채소 공급원으로 적합하다. 혹서/혹한 혹 은 건조한 국가로의 식물공장 플랜트 수출을 위해 특이 기후에 적합한 식물공장 개발이 필요하다. 셋째는 유기농과의 결합 형태의 식물공장 개발 이 필요하다. 전통적인 유기농 재배는 병충해관리, 연작을 위한 토양관리로 인해 막대한 노력과 비용 이 수반된다. 그러나 무기농법인 수경재배와 달리 전통적인 유기농법에 대한 소비자의 인식이 좋고 품목의 다양화를 위해서 유기배지에 의한 유기농 법 개발도 장기적으로는 고려할 필요가 있다. 이 러한 중장기 기술개발에 있어서 IT에 의한 정보 처리를 처음부터 계획하고 시행하여 개발효율을 높일 필요가 있다. 다. 녹색성장 산업으로서의 정책 식물공장은 현재 미래농업의 대안으로 꾸준히 관심을 받고 있다. 도심형 식물공장은 대단위 자 본이 소요되어 쉽게 접근이 어렵고, 기존 농민의 입지를 입장과 대치 될 수 있다. 반면 농촌형 식 물공장은 우리사회가 안고 있는 일자리창출, 노령 화 문제, 도농 균형발전, 농촌살리기, 수출을 통한 산업진흥 등의 제 문제를 동시에 줄 일수 있는 형 태이다. 따라서 당연히 일부 정부부처에만 연관되 지 않고 다양한 정부부처와 연계되는 것이기 때문 에 종합적인 정책이 수반되어야 한다. 녹색성장 산업으로서의 가능성을 높이기 위해 필요한 정책 과제는 다음과 같다. 첫째는 시설제작 및 시공의 표준화와 아울러 IT와의 융합을 위해 데이터의 수집 및 영농제어

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를 위한 통신프로토콜 및 데이터형식의 표준화는 최소한 초기부터 이루어 져야 한다. 이에 의해 관 련 정보기기 및 응용시스템 구축ᆞ운용에 있어서 국가적인 낭비를 줄여 농민 및 소비자의 이익을 높일 수가 있다. 둘째는 시설구축에 있어서의 정부의 재정적인 지원이 있어야 한다. 현재 시설원예에너지효율화 사업의 일환으로 각종 ‘ 지열히트펌프’ , ‘ 순환 식 수막시스템’ 와 같은 에너지효율화 시설원예 시설에 대해서는 정부 및 지방비 부담으로 많게는 80%까지 보조를 하고 있다. 본 논문에서 제안하 고 있는 고 에너지효율의 농촌형 식물공장에도 이 와 같은 사업과 동등의 수준으로 지원하여 실질적 인 탄소저감으로 이어질 필요가 있다. 셋째는 기업의 참여를 유도하고 지원할 수 있는 정책이 뒷받침 되어야 한다. 현재 귀농 창업자금 융자, 정보제공 등의 지원 프로그램은 있지만 시 행에 있어서는 전적으로 개인의 노력과 능력에 달 려 있다. 그러나 도시근로자로서 익숙한 사람이 농촌 생활거점 확보, 생산시설 구축 및 운용, 판 매 등을 일거에 성공적으로 이루기에는 매우 힘들 다. 이러한 이유로 국민의 50%이상이 귀농을 생 각하고 있지만 실질적인 귀농으로 이어지지 못하 고 있다. 따라서 기업이 이러한 거주시설, 생산시 설에 대한 인프라 구축과 운용사업에 참여 할 수 있도록 해야 한다. 구체적으로는 영농법인이 아니더라도 농촌형 식 물공장의 구축을 전제로 농지의 매입/개발/임대ᆞ 분양에 있어서 규제를 최소화하여야 한다. 또한 농촌형 식물공장단지에 주거시설도 같이 건축할 수 있도록 하여 도시 귀농인들이 쉽게 정착할 수 있도록 배려하여야 한다. 2.7 농촌형 식물공장 시행의 이슈 및 대안 우리나라 시설원예 작물시장은 특별한 계기가 없는 한 늘어날 수 없다. 식물공장이 다량 보급되 고 그에 의한 작물생산이 많아지면 기존 시설원예 농민과의 갈등이 예상된다. 특히 도시 귀농자와 사업을 하는 기업에 대한 인식이 나빠질 수가 있 다. 이런 갈등을 해소하기 위해서는 기존 농민이 사업에 참여할 수 있는 방안이 필요하다. 예를 들 어 노령 농민이 토지를 제공하고 식물공장에 의한 수익을 일정 받는 방식과 일반시설원예 시설을 농 촌형 식물공장 전환을 지원하는 방안이 있을 수가 있다. 또한 기존 농민을 식물공장의 재배관리자 혹은 컨설턴트로 참여시키는 방안이 있다. 또한 수출작물 위주로 재배 기술을 확보하여 국내 시장 의 한계를 탈피해 보는 방안이 있을 수 있다.

3. 결론

우리나라에 당면한 사회적 문제를 줄이는 방안 의 하나로 식물공장이 있다. 한국의 실정에 맞고 에너지절감효과가 큰 농촌형 식물공장을 제안하였 으며 IT에 의한 정보화를 추가한 스마트영농은 식물공장이 갖는 이점을 극대화 할 수 있다. 스마 트영농을 확산하기 위해서는 기술개발과 아울러 정부의 정책지원이 뒷받침 되어야 한다.

[참고문헌]

[1] 통계청: http://www.kostat.go.kr [2] 농가 및 어가경제조사 결과, 한국농촌경제연구 원, 2009. [3] 신성장동력 분야별 예산 및 입법과제, 전용수, 국회예산정책처, 2009. [4] 식물공장의 동향과 전망, 농정연구속보 제 61 권, 김정호, 한국농촌경제연구원, 2009. 10. [5] 기후변화에 대응한 농업의 진화-식물공장 SERI 경제포커스 제255호, 삼성경제연구소, 2009. 8. [6] 식물공장 高辻正基, 월드사이언스, 2008. [7] 신성장동력 식물공장 산업육성에 관한 연구, 국회사무처, 2009. 8. [8] http://www.verticalfarm.com

참조

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