왼쪽부터 서울대학교 기계공학부 고승환 교수, 서울대학교 기계공학부 정영주 박사과정, 서울대학교 기계공학부 민진기 박사과정, 동국대학교 기계로봇에너지공학과 이진우 교수

서울대학교 공과대학은 기계공학부 고승환 교수 연구팀이 친환경적인 생분해성 종이에 그래핀 센서로 식품의 온도 및 신선도를 감지하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

최근 식품 및 음료 산업에서의 환경, 식품위생 및 안전 문제가 전 세계적 이슈가 되고 있는 가운데, 그린피스의 2021년 조사 결과에 따르면, 가정에서 배출되는 플라스틱 쓰레기 78%는 식품 포장재에서 발생한 것으로 알려졌다.

이같이 최근 플라스틱의 과도한 사용으로 인해 전 세계적으로 심각한 환경 문제가 제기되면서 스타벅스, 코카콜라, 맥도날드 등의 여러 다국적 식품 기업들은 이를 대체하기 위해 생분해성 종이 기반의 컵, 병, 빨대를 론칭하는 등의 환경오염 방지 친환경 혁신 기술로 앞장서고 있다.

식품 산업에서는 대량 생산 및 장거리 유통이 자리매김하면서 식품 부패로 인한 글로벌 대형 식품안전 사고 발생이 우려되고 있다. 결과적으로 식품 산업에서의 복잡한 문제들을 해결하기 위해서는 친환경 식품 포장재 사용과 식품의 품질을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술이 요구된다.

최근 식품 보관 및 모니터링 기술 발전은 식품 산업에서의 광범위한 응용을 가능하게 했다. 하지만 현재 식품 상태 감지 플랫폼의 경우 별개의 센서를 식품 보관 용기에 부착해야 하는 번거로움이 있었으며, 사용되는 센서는 생분해가 되지 않는 금속 기반의 물질이기 때문에 친환적 측면에서 문제가 제기되고 있다.

고승환 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 별도의 물질 첨가 없이 상업적으로 유통되는 우유갑에 직접 레이저를 조사한 그래핀 센서를 제작해 실시간으로 우유에서 나오는 가스를 감지, 식품 신선도를 파악할 수 있는 기술을 개발했다.

바코드 뒷면에 종이 기반 레이저 유도 그래핀 센서를 제작해 시간에 따른 육고기의 신선도를 휴대폰으로 실시간 모니터링을 할 수 있도록 만들었다. 일반 종이컵에 같은 방법으로 센서를 제작해 내부에 담긴 액체 온도를 파악해 사용자에게 제공할 수 있다.

고승환 교수 연구팀은 레이저 유도 그래핀(Laser-induced graphene)에 주목했다. 연구팀은 탄소 기반의 친환경 종이 기판에 레이저를 조사함으로써 국소 열 반응으로 그래핀을 제작하는 기술을 개발했다. 이에 식품 포장지로 사용되는 일반적인 종이 재질의 기판에 추가적인 공정 없이 곧바로 센서를 제작해 식품 상태를 실시간 및 지속적으로 감지하는 플랫폼을 구축했다.

여기서 레이저 유도 그래핀은 탄소나노튜브, 풀러렌, 다이아몬드 등 탄소의 동소체 중 하나로, 온도에 따른 전자이동도가 달라짐에 따라 온도 변화를 감지할 뿐만 아니라, 3차원 다공성 구조로서 비표면적이 높아 가스 감지에 우수한 물질을 일컫는다.

대부분의 식품은 적절한 온도에서 냉장 보관이 되지 않으면, 식품에서 병원균(pathogen)이 성장하면서 식품이 부패하면서 가스를 방출하게 된다. 즉, 현재 보관되는 온도에 따라 식품의 다가올 미래에 상태가 어떻게 될지 결정되기 때문에 식품 온도를 지속적으로 모니터링하는 것은 중요하다. 대부분의 식료품은 부패 시 가스가 방출되기 때문에 식료품에서 방출되는 가스를 감지해 식료품의 신선도를 파악할 수 있다. 즉, 식품의 신선도 및 온도를 파악해 식품의 현재 상태와 다가올 식품의 상태에 대한 정보를 얻을 수 있다.

이번 연구에서 개발한 친환경 생분해성 종이 기반의 식품 온도 및 신선도 감지 플랫폼은 식품의 현재 및 미래 상태에 대한 정보를 제공하면서 식품 환경 및 안전 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 실제 음식물의 부패 상황을 모사해 식품의 부패 신호를 감지했고, 다양한 열적 환경에서의 식품 온도 또한 감지할 수 있는 것을 확인했다.

고승환 교수는 “이번 성과가 전 세계적인 그린 뉴딜 열풍에 걸맞는 연구로서 식품 산업에서의 환경 및 안전 문제를 해결할 수 있는 기술 개발에 대한 귀중한 자산과 통찰력을 제공할 것으로 기대한다”며 “식품 산업에서 더 나아가 친환경 및 생분해성 물질 기반의 온도 및 가스 센서로 다양한 산업 분야에 활용할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 사업의 지원을 받았으며, 세계적으로 주목을 받아 재료과학 분야 학술지인 ‘Applied materials today’ 저널에 2022년 7월 19일 온라인판에 게재됐다(Smart paper electronics by laser-induced graphene for biodegradable real-time food spoilage monitoring).

송만수  keilbo@keilbo.com

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