“과일 숙성여부 현장서 즉각 판별” KAIST, 1천배 축소 ‘휴대용분광기’ 개발

- 바이오및뇌공학과 정기훈 교수팀

패키징된 초박형 마이크로분광기 시작품.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 과일의 당도를 현장에서 즉시 측정할 수 있는 초소형 분광기술이 개발됐다.

카이스트(KAIST)는 바이오및뇌공학과 정기훈(사진) 교수 연구팀이 현장 진단에 적합한 고해상도의 휴대용 분광 센서를 개발했다고 24일 밝혔다.

물질이 반사 또는 흡수하는 빛의 파장 분포를 통해 고유의 성분을 분석할 수 있다는 면에서 분광측정은 다양한 응용 분야에서 비파괴 시료 분석에 활발히 사용되고 있다. 기존 상용분광기는 실시간 성분분석을 제공하지만, 시스템의 크기가 커서 휴대용이나 현장 진단에 활용하는데 한계가 존재한다.

최근 마이크로나노공정 기술의 발전으로 소형 분광센서가 개발돼 품질 평가, 환경 모니터링, 위약 진단 및 헬스케어 등에서 활용되고 있다. 하지만 소형 분광센서들은 내부 광부품들의 간소화를 거치며 광학 성능이 크게 저하돼 시료 분석의 정확도가 낮다.

고체잠입회절판구조 마이크로분광기 기반 휴대용 분광 센서(왼쪽). 휴대용 분광 센서를 이용한 과일 표면 반사 스펙트럼 측정(오른쪽).[KAIST 제공]

연구팀은 수 밀리미터 두께의 분광기 내로 들어온 가시광선이 석영(Quartz) 속에 제작된 회절판을 거치며 짧은 거리에서 넓게 분산시키는 형태인 고체잠입회절판구조를 최초로 제안했다. 또한 회절판과 굴절률이 유사한 렌즈를 접합하여 분산된 빛이 이미지센서에 평면 초점을 맺히도록 설계, 가시광선 전 영역에서 균일한 분광분해능을 갖도록 제작했다.

연구팀이 제작한 마이크로분광기 모듈은 8 mm × 12.5 mm × 15 mm의 크기를 가지고, 이는 기존 상용분광기를 1천 배 이상 축소시켰다. 상용분광기의 성능과 비슷한 평균 5.8nm(나노미터)의 고해상도 및 작동 파장 범위 내 76% 이상의 고감도를 나타낸다.

정기훈 KAIST 바이오및뇌공학과 교수.[KAIST 제공]

연구팀은 마이크로분광기 모듈의 응용예시를 실험적으로 검증하기 위해 휴대용 분광 센서를 설계·제작하고, 분광 응용 분야 중 가장 대표적인 사례인 과일의 품질 검증을 진행했다. 제작한 마이크로분광기와 백색 LED 등을 결합한 분광 센서는 과일의 표면에 부착해 손쉽게 분광 신호를 획득했다. 분광 신호의 형태를 분석해 과일의 성숙도를 예측해 실제 성숙도와 유사한 결과를 얻었다.

정기훈 교수는 “이 초박형 및 고해상도의 마이크로분광기는 식음료 품질검사는 물론 현장형 검사·진단이 필요한 농수산물·헬스케어 분야뿐만 아니라 고속 품질분석이 필요한 제약·바이오·반도체 검사 분야에서 활용이 가능하다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com