천 배 축소된 분광기로 과일 당도 정밀 측정한다
천 배 축소된 분광기로 과일 당도 정밀 측정한다
  • 함예솔
  • 승인 2023.10.27 22:54
  • 조회수 1254
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눈으로 보기에 잘 익은 사과의 당도를 휴대용 분광기로 정확하게 예측이 가능한 기술이 개발됐습니다.

 

KAIST는 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 가시광선 및 근적외선 분광을 바탕으로 현장 진단에 적합한 고해상도의 휴대용 분광 센서를 개발하는 데 성공했다고 24일 밝혔는데요.

 

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

 

최근 마이크로나노공정 기술의 발전으로 소형 분광센서가 개발돼 품질 평가, 환경 모니터링, 위약 진단 및 헬스케어 등에서 활용되고 있습니다. 하지만 현재의 소형 분광센서들은 내부 광부품들의 간소화를 거치며 광학 성능이 크게 저하돼 시료 분석의 정확도를 낮추고 있으며, 여전히 광학 성능이 저하되지 않으면서 동시에 크기를 줄이는 데 어려움을 겪고 있습니다.

 

연구팀은 수 밀리미터 두께의 분광기 내로 들어온 가시광선이 석영(Quartz) 속에 제작된 회절판을 거치며 짧은 거리에서 넓게 분산시키는 형태인 고체잠입회절판구조를 최초로 제안했습니다. 또한, 회절판과 굴절률이 유사한 렌즈를 접합하여 분산된 빛이 이미지센서에 평면 초점을 맺히도록 설계하여 가시광선 전 영역에서 균일한 분광분해능을 갖도록 제작했는데요. 연구팀이 제작한 마이크로분광기 모듈은 8 mm × 12.5 mm × 15 mm의 크기를 가지고, 이는 기존 상용분광기를 1천 배 이상 축소시킨 성과입니다. 또한, 상용분광기의 성능과 비슷한 평균 5.8 nm의 고해상도 및 작동 파장 범위 내 76% 이상의 고감도를 나타냅니다.

고체잠입회절판구조 마이크로분광기 광학소자, 패키징된 초박형 마이크로분광기 시작품 (좌) 및 광구조 모식도 (우). 출처 : KAIST
고체잠입회절판구조 마이크로분광기 광학소자, 패키징된 초박형 마이크로분광기 시작품 (좌) 및 광구조 모식도 (우). 출처 : KAIST

연구팀은 마이크로분광기 모듈의 응용예시를 실험적으로 검증하기 위해 휴대용 분광 센서를 설계·제작하고, 분광 응용 분야 중 가장 대표적인 사례인 과일의 품질 검증을 진행했습니다. 제작한 마이크로분광기와 백색 LED 등을 결합한 분광 센서는 과일의 표면에 부착하여 손쉽게 분광 신호를 획득했습니다. 또한, 분광 신호의 형태를 분석하여 과일의 성숙도를 예측해 실제 성숙도와 비교하고, 0.91 이상의 높은 상관계수로 신뢰도 높은 예측 모델을 정립했습니다. 

고체잠입회절판구조 마이크로분광기 기반 휴대용 분광 센서. (우) 휴대용 분광 센서를 이용한 과일 표면 반사 스펙트럼 측정. 출처 : KAIST
고체잠입회절판구조 마이크로분광기 기반 휴대용 분광 센서. (우) 휴대용 분광 센서를 이용한 과일 표면 반사 스펙트럼 측정. 출처 : KAIST

이를 통해 기존 소형 분광기에서 발생했던 광학 성능의 저하를 고체잠입회절판구조의 마이크로분광기를 이용해 해결하고, 연구팀은 휴대용 분광 센서의 현장 진단에 활용 가능함을 확인했습니다.

(좌) 마이크로분광기로 측정한 과일의 반사 스펙트럼을 통한 성숙도 예측 과정. (우) 예측 성숙도와 실제 성숙도 간의 상관관계 비교. 출처 : KAIST
(좌) 마이크로분광기로 측정한 과일의 반사 스펙트럼을 통한 성숙도 예측 과정. (우) 예측 성숙도와 실제 성숙도 간의 상관관계 비교. 출처 : KAIST

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 정확하고 비침습적인 분석을 위한 중요한 도구 역할을 수행할 수 있을 것”이라고 연구의 의미를 설명했습니다.

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

논문명: Fully Integrated Ultrathin Solid Immersion Grating Microspectrometer for Handheld Visible and Near-Infrared Spectroscopic Applications


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