서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 기계공학부 고승환 교수 연구팀이 친환경적인 생분해성 종이에 그래핀 센서로 식품의 온도 및 신선도를 감지하는 기술을 개발했다고 밝혔다.
최근 식품 및 음료 산업에서의 환경, 식품위생 및 안전 문제가 전 세계적 이슈가 되고 있는 가운데, 그 린피스의 2021년 조사 결과에 따르면, 가정에서 배출 되는 플라스틱 쓰레기 78%는 식품 포장재에서 발생한 것으로 알려졌다.
이같이 최근 플라스틱의 과도한 사용으로 인해 전 세계적으로 심각한 환경 문제가 제기되면서 스타벅 스, 코카콜라, 맥도날드 등의 여러 다국적 식품 기업 들은 이를 대체하기 위해 생분해성 종이 기반의 컵, 병, 빨대를 론칭하는 등의 환경오염 방지 친환경 혁 신 기술로 앞장서고 있다.식품 산업에서는 대량 생 산 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 식품 의 품질을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술이 요구된다.
최근 식품 보관 및 모니터링 기술 발전은 식품 산 업에서의 광범위한 응용을 가능하게 했다. 하지만 현재 식품 상태 감지 플랫폼의 경우 별개의 센서를 식품 보관 용기에 부착해야 하는 번거로움이 있었으 며, 사용되는 센서는 생분해가 되지 않는 금속 기반 의 물질이기 때문에 친환적 측면에서 문제가 제기되 고 있다.
고승환 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 별도의 물 질 첨가 없이 상업적으로 유통되는 우유용기에 직접 레이저를 조사한 그래핀 센서를 제작해 실시간으로 우유에서 나오는 가스를 감지, 식품 신선도를 파악 할 수 있는 기술을 개발했다.
바코드 뒷면에 종이 기반 레이저 유도 그래핀 센서 를 제작해 시간에 따른 육고기의 신선도를 휴대폰으 로 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 기판 에 추가적인 공정 없이 곧바로 센서를 제작해 식품 상태를 실시간 및 지속적으로 감지하는 플랫폼을 구 축했다.
여기서 레이저 유도 그래핀은 탄소나노튜브, 풀러 렌, 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 되 지 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 지속적으 로 모니터링 하는 것은 중요하다. 대부분의 식료품 은 부패 시 가스가 방출되기 때문에 식료품에서 방 출되는 가스를 감지해 식료품의 신선도를 파악할 수 있다. 즉, 식품의 신선도 및 온도를 파악해 식품의 현재 상태와 다가올 식품의 상태에 대한 정보를 얻 을 수 있다.
이번 연구에서 개발한 친환경 생분해성 종이 기반 의 식품 온도 및 신선도 감지 플랫폼은 식품의 현재 및 미래 상태에 대한 정보를 제공하면서 식품 환경 및 안전 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 연 구팀은 실제 음식물의 부패 상황을 모사해 식품의 부패 신호를 감지했고, 다양한 열적 환경에서의 식 품 온도 또한 감지할 수 있는 것을 확인했다. 고승환 교수는 “이번 성과가 전 세계적인 그린 뉴 딜 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 물 질 기반의 온도 및 가스 센서로 다양한 산업 분야에 활용할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기 술개발사업 사업의 지원을 받았으며, 세계적으로 주 목을 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).