`과일 당도까지 정확히 측정`…휴대용 `분광센서` 개발

KAIST, 초박형 마이크로분광기 개발
기존 대비 1000배 이상 축소..균일 분해능

KAIST는 가시광선과 근적외선 분광기술을 이용해 현장 진단에 활용할 수 있는 '휴대용 분광센서'를 개발했다. 사진은 고체잠입회절판구조 마이크로분광기 기반 휴대용 분광 센서(왼쪽). 휴대용 분광 센서를 이용해 과일 표면의 분광신호를 측정하는 모습 KAIST 제공

KAIST가 개발한 고체잠입회절판구조 마이크로분광기 광학소자, 패키징된 초박형 마이크로분광기 시작품(왼쪽)과 마이크로 분광기의 모식도 KAIST 제공

잘 익은 사과의 당도 등 식음료 품질과 현장 검사·진단에 활용할 수 있는 휴대용 분광기술이 개발됐다.

KAIST는 정기훈 바이오·뇌공학과 교수 연구팀이 가시광선과 근적외선 분광 기술을 이용해 '고해상도 휴대용 분광센서'를 개발했다고 24일 밝혔다.

분광 측정은 물질의 반사 또는 흡수하는 빛의 파장 분포를 통해 고유의 성분을 분석할 수 있다. 기존 상용 분광기는 실시간 성분 분석을 제공하지만 시스템 크기가 커 휴대용이나 현장 진단 활용에 한계가 있다.

최근 마이크로 나노공정 기술 발전으로 소형 분광센서가 개발돼 활용되고 있지만 내부 광부품의 간소화로 인해 광학 성능이 크게 떨어져 시료 분석의 정확도가 낮고, 크기를 줄이는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 수 밀리미터 두께의 분광기 내부로 들어온 가시광선이 석영 속에 제작된 회절판을 거치며 짧은 거리에서 넓게 분산시키는 형태인 고체 잠입회절판 구조를 만들었다. 또한 회절판과 굴절률이 유사한 렌즈를 접합해 분산된 빛이 이미지센서에 평면 초점을 맺도록 설계해 가시광선 전 영역에서 균일한 분광분해능을 갖도록 구현했다.

이렇게 제작된 마이크로 분광기 모듈 크기는 기존 상용 분광기에 비해 1000배 이상 작고, 성능은 평균 5.8㎚의 고해상도와 76% 이상의 고감도를 나타낸다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 마이크로 분광기와 백색 LED 등을 결합한 휴대용 분광센서로 만들어 과일 표면에 부착해 분광신호 형태를 분석해 과일 성숙도를 예측해 실제 성숙도와 비교한 결과, 0.91 이상의 높은 신뢰도를 보여 현장 진단에 활용할 수 있음을 확인했다.

정기훈 KAIST 교수는 "마이크로 분광기는 식음료 품질검사뿐 아니라, 현장 진단이 필요한 농수산물, 헬스케어 분야, 고속 품질 분석이 필요한 제약, 바이오 , 반도체 검사 등에 비침습적 분석 도구로 널리 활용될 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스'에 게재됐다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr