한국생산기술연구원

실시간 에틸렌 측정으로 더 신선하게

- 채소, 과일 숙성 촉진하는 에틸렌 정밀 감지기술 개발 

- 1ppm 미만 저농도 에틸렌도 장기간 감지 가능한 센서기술 확보

□ 유엔식량농업기구(FAO) 보고서*에 따르면 전 세계 식품 생산량의 14%가 수확 이후부터 유통 과정에서 손실된다.

  * FAO, State of Food and Agriculture 2019

 ㅇ 버려지는 음식물 상당량은 매립지로 보내져 온실가스 배출의 원인이 되고 있다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 식품 저장 및 유통 단계에서 에틸렌을 감지해 농산물 폐기량을 줄일 수 있는 센서기술을 개발했다. 

 ㅇ 생기원 기능성소재부품연구그룹 정영규 수석연구원 연구팀은 장시간 사용해도 정밀 측정이 가능한 ‘에틸렌 감지 센서(Ni₅–ZnO 센서)’를 개발했다고 밝혔다. 

□ 에틸렌은 식물 생장 과정에서 자연 발생하는 호르몬으로, 농도가 0.1ppm 이상 올라가면 과일·채소의 숙성이 촉진돼 품질이 저하된다.

 ㅇ 상용화된 에틸렌 센서는 전기화학식이나 GC(가스크로마토그래피) 방식으로, 부피가 크고 가격이 높아 농가 등에 널리 보급하기에는 제약이 많다. 

 ㅇ 반도체식 센서의 경우에도 고온에서 작동해 장기간 사용하기에는 안정성이 낮고, 에틸렌처럼 반응성이 약한 물질의 선택적 감지가 어려운 한계가 있었다.

□ 연구팀은 아연 산화물(ZnO) 센서 소재 표면에 니켈(Ni) 나노입자를 균일하게 용출(Exsolution)하는 기술을 적용해 문제를 해결했다. 

 ㅇ 촉매 용출법은 센서 소재 물질 내부에 있던 특정 금속 원소를 밖으로 끌어내 초미세 나노입자로 만드는 기술로, 용출된 니켈 나노입자는 아연 산화물 센서에 강한 결합으로 고르게 분포되어 장시간 에틸렌만을 선택적으로 감지할 수 있도록 돕는다.

□ 실험 결과, 니켈 용출법을 적용한 센서는 30일 간의 장기간 테스트에서도 성능저하 없이 1ppm 미만 초저농도 에틸렌까지 감지해 냈다. 

 ㅇ 용출된 니켈 나노입자가 20~30㎚ 크기로 균일하게 성장해 에틸렌 감지 정밀도를 높이는 촉매 역할을 하는 것으로 밝혀졌으며, 그 결과 식품 부패 시 발생하는 암모니아, 황화수소, 트리메틸아민 등 방해 가스 간섭 없이 에틸렌만 선택적으로 감지 가능하다. 

 ㅇ 또한 니켈이 ‘화산 분화구(또는 소켓구조)’ 모양으로 센서 소재 표면에 강하게 고정되어 있어 고온의 센서 동작 환경에서도 장시간 안정적으로 에틸렌 감지를 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다.

 ㅇ 개발된 센서는 상대 습도 80% 이상의 환경에서도 감도 저하 없이 안정적으로 동작해 저장·유통 현장에서 활용도가 클 것으로 기대된다.

□ 정영규 수석연구원은 “감지가 어려웠던 에틸렌 가스를 장기간 정확하고 안정적으로 감지할 수 있는 반도체식 센서를 개발했고, 제작비용까지 저렴해 곧바로 실제 현장에 적용 가능하다”고 말했다. 

 ㅇ 연구총괄책임자인 최현석 수석연구원은 “물류창고 등 과실 저장 시설 현장에 에틸렌 센서를 보급할 수 있도록 한국식품연구원과 함께 실용화 연구를 공동 추진할 예정”이라고 밝혔다.

□ 이번 연구 성과는 생기원 내부사업인‘빅이슈 프로젝트’의 일환으로 추진되어 재료화학 분야 최고 권위지로 꼽히는 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 2월호에 표지논문으로 게재* 됐다.

 * 논문명 : Ultra-selective and stable ethylene detection via exsolution of catalytic Ni nanoparticles in chemiresistive gas sensors