“과일 ‘당도’ 정밀 예측” KAIST, 휴대용 분광센서 개발

과일 당도를 정밀 예측할 수 있는 휴대용 분광 센서가 개발됐다. 휴대하기 편리한 작은 크기에 정확한 당도 예측은 현장에서의 활용도를 높일 것으로 기대된다.

KAIST는 바이오 및 뇌 공학과 정기훈 교수 연구팀이 고해상도의 휴대용 분광 센서를 개발하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

KAIST 제공

통상 분광측정은 물질이 반사 또는 흡수하는 빛의 파장 분포로, 고유의 성분을 분석할 수 있는 장점으로 다양한 응용 분야에서 비파괴 시료 분석기법으로 활발하게 사용된다.

다만 기존에 상용화된 분광기는 실시간 성분분석을 제공하는 기능은 가졌지만, 시스템의 크기가 커 휴대하거나 현장 진단에 활용하기에 한계가 따랐다.

그나마 최근에는 마이크로 나노공정 기술 발전으로 소형 분광 센서가 개발돼 품질평가, 환경 모니터링, 위약 진단 및 헬스케어 등에서 활용되고 있다.

하지만 현재의 소형 분광 센서는 내부 광부품의 간소화로 광학 성능이 저하돼 시료 분석의 정확도가 낮아지는 문제를 드러낸다. 광학 성능이 저하되지 않으면서, 크기를 줄이는 기술 개발이 진행된 배경이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 수 밀리미터 두께의 분광기 안으로 들어온 가시광선이 석영(Quartz) 속에 제작된 회절판을 거치며, 짧은 거리에서 넓게 분산시키는 형태인 고체 잠입 회절판 구조를 처음 제안했다.

또 회절판과 굴절률이 유사한 렌즈를 접합해 분산된 빛이 이미지센서에 평면 초점을 맺히도록 설계, 가시광선 전 영역에서 균일한 분광 분해능을 갖도록 제작했다.

이를 통해 연구팀이 제작한 마이크로 분광기 모듈은 8㎜×12.5㎜×15㎜의 크기로 개발됐다.

이는 기존 상용 분광기보다 1000배 이상 축소한 성과물로, 상용 분광기의 성능과 비슷한 평균 5.8㎜의 고해상도 및 작동 파장 범위 내 76% 이상의 고감도는 최대 장점으로 꼽힌다.

KAIST 제공

앞서 연구팀은 마이크로 분광기 모듈의 응용 예시를 실험적으로 검증하기 위해 휴대용 분광 센서를 설계·제작하고, 분광 응용 분야 중 가장 대표적인 사례인 과일의 품질검증을 진행했다.

이 과정에서 연구팀은 개발한 분광 센서를 과일의 표면에 부착해 손쉽게 분광 신호를 획득, 분광 신호의 형태 분석으로 과일의 성숙도를 예측해 실제 성숙도와 비교한 결과 0.91 이상의 높은 상관계수로 높은 신뢰도의 예측 모델을 정립했다.

이를 통해 기존 소형 분광기에서 발생했던 광학 성능의 저하를 고체 잠입 회절판 구조의 마이크로분광기로 해결함으로써 휴대용 분광 센서의 현장 진단에 활용 가능함이 확인됐다는 것이 연구팀의 설명이다.

정기훈 교수는 “연구팀이 개발한 마이크로 분광기는 식음료 품질검사 외에도 현장 검사·진단이 필요한 농수산물·헬스케어 분야와 고속 품질분석이 필요한 제약·바이오·반도체 검사 분야에서도 중요 도구로 쓰일 수 있을 것”이라고 강조했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부, 재단법인 범부처전주기의료기기연구개발사업단, ㈜파이퀀트의 지원을 받아 KAIST 바이오 및 뇌 공학과 박정우 박사과정이 주도해 진행했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’에도 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr