사진은 국립한밭대학교 하지환 교수 공동연구팀

국립한밭대학교(총장 오용준) 신소재공학과 하지환 교수 공동 연구팀이 표면증강 라만 산란 기술을 이용해 육류, 생선, 채소, 과일 등의 신선도와 영양성분, 유해물질을 포장을 뜯지 않고도 비파괴적으로 탐지할 수 있는 광학식 센서 기반 실시간 식품 품질 모니터링 플랫폼을 개발했다. 

표면증강 라만 산란(Surface-Enhanced Raman Scattering, 이하 SERS)이란 빛이 물질을 통과할 때 나타나는 고유한 스펙트럼인 라만 산란 신호가 금속 표면에서 비약적으로 증폭되는 현상으로, 극미량의 병원균, 유해물질, 환경호르몬 등을 검출하는 기술로 다양하게 활용되고 있다.

국립한밭대학교와 고려대학교 세종캠퍼스, 한국기계연구원 연구진으로 구성된 공동 연구팀은 이러한 SERS 기술을 응용해 전기방사 미세 섬유 위에 나노전사인쇄 공정이 접목된 세계최초의 섬유 위 미세 구조체 정전기적 직접 전사기술을 활용한 나노 구조 SERS 기판을 제작했다.

이를 통해 빛의 산란을 이용한 미량 분자의 검출을 가능하게 하여 식품의 영양성분, 부패정도, 신선도를 즉각적 비파괴 방식으로 확인할 수 있었다.

더 나아가, 고신축성 기능성 소재를 섬유화 하여 신축성과 항균 기능을 갖춘 식품 포장지를 개발하여 이를 SERS 기판과 결합함으로써 다양한 식품에 적용할 수 있는 유연 센서 플랫폼을 개발했다.

이러한 접근법은 기존 SERS 센서가 지니던 낮은 실용성과 제한적인 적용 범위의 한계를 극복한 것으로 평가되며, 개발된 센서 포장재는 식품의 유통․보관 과정에서 포장지 자체가 실시간으로 품질을 감지하는 스마트 포장으로 활용될 수 있다.

포장을 열지 않고도 내용물의 부패 여부나 유해물질 존재를 확인할 수 있어 새로운 식품 신선도 관리와 안전성 검사방법을 가져올 것으로 기대되고, 또한 포장재에 포함된 항균 기능은 식품의 부패를 지연시켜 신선도를 더욱 오래 유지하는 데 도움을 준다.

연구팀은 이 센서 포장 기술이 향후 식품 유통 현장의 신선도 모니터링과 안전성 평가에 적극 활용되어 식품 폐기물 감소와 소비자 안전 향상에 기여할 것으로 기대하고 있다.

기계공학과 하지환 교수와 연구팀은 “이번 연구에서 통해 전기방사 섬유 위에 나노전사인쇄 공정을 세계 최초로 적용해 유연하면서도 신축성 있는 SERS 센서를 개발할 수 있었다”며,

“개발된 식품 모니터링 플랫폼은 포장재를 열지 않고도 식품의 신선도와 유해물질을 모니터링하는 새로운 접근법으로 이는 스마트 포장재 상용화 단계로 나아가는 중요한 토대가 될 수 있다”고 전했다.

국립한밭대 하지환 교수와 고려대 세종캠퍼스 양진혁 학생이 공동 제1저자, 고려대 세종캠퍼스 안준성, 소순애 교수, 한국기계연구원 정준호 책임연구원이 교신저자, 고려대 세종캠퍼스 김도담 학생이 공동저자로 참여한 이번 연구는 지난 29일 재료․나노과학 분야의 국제학술지 ‘Small’(Impact Factor 13, JCR 7%)에 온라인 게재됐다.(논문명: SERS Sensor Integrated in Stretchable and Antimicrobial Wrapper for Food Quality Monitoring and Preservation)

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부, 문화체육관광부, 중소벤처기업부, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.