7조-엄마이거먹어도되조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 신소재종합설계

영문 :

과제 팀명

엄마 이거 먹어도 되조

지도교수

정재필 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 김*식 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 이*웅

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 이*윤

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 조*식

서울시립대학교 신소재공학과 201645000** 전*연

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

육류의 부패는 여러 가지 원인에 의해 발생하며, 부패 시 단백질 내에 증식하는 세균에 의한 아미노산 대사 과정에서 암모니아, 황화수소, 알데하이드, VOC (Volatile Organic Compound)와 같은 악취성 가스가 발생한다. 그 중 황 화합물의 일종인 황화수소(H2S)는 신선한 육류에서 발생 농도가 ppb 수준이나 부패 시 수~수백 ppm 수준으로 급격히 증가함소비자는 변색, 악취 등으로 육류의 부패 여부를 어느 정도 판별할 수 있다. 일반적으로 인간의 코는 20ppb 이상의 황화수소 농도를 감지할 수 있지만, 약 5ppm 이상의 상한 육류는 때때로 상하지 않은 것과 구분하기 힘들어, 소비자가 이를 모르고 섭취했을 경우 식중독, 장염 등 여러 가지 질환을 야기할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 과제는 육류가 부패하였을 때 색깔 등이 변하여 소비자가 육류의 부패 여부를 시각적으로 손쉽게 알 수 있도록 돕는 스티커의 설계를 목표로 하고 있다.

개발 과제의 배경 및 효과

• 육류의 부패 여부 인지의 어려움

육류의 신선도를 일반 소비자들이 정확히 식별하기란 매우 어렵다. 냄새나 육안만으로는 부패 여부를 쉽게 알 수 없으므로 소비자는 육류의 신선도를 제조연월일과 유통기한의 경과 여부만으로 파악할 수밖에 없다. 하지만 유통기한이 경과했음에도 식용 가능할 정도로 신선도가 유지되고 있는 육류가 음식물 쓰레기로 버려지기도 하고, 반대로 유통기한 이내의 육류라 할지라도 유통 및 보관 상태가 양호하지 않아 변질되어, 섭취 후 식중독과 장염 등의 질환이 발생할 수도 있다. 육류는 부패성이 높기 때문에 특히 여름철과 같이 기온이 높고 습한 환경에서는 이러한 문제가 발생할 염려가 더욱 크다.

• 음식물 쓰레기 문제

대한민국 환경부 환경통계에 따르면 2015년 기준 하루에 버려지는 음식물 쓰레기의 양은 15,340톤에 달했다. 이 통계에서 전체 음식물 쓰레기의 상당 부분인 70%가 가정 및 음식점에서 버려지는 것으로 나타났으며, 버려지는 음식물을 세부 항목으로 나누어보면 유통 및 조리과정에서 57%, 먹고 남긴 음식물이 30%, 보관 및 매기 식재료가 9%, 먹지 않은 음식물이 4%였다.[1] 이처럼 유통과정이나 보관 및 판매 과정에서 변질되어 버려지는 식자재의 비율이 전체 음식물 쓰레기 중 상당 부분을 차지하는 것을 알 수 있다.

• 음식물 부패 감지 센서

위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 본 과제는 소비자들이 육류의 부패 여부를 손쉽게 알 수 있도록 하는 도구의 제작을 목표로 하였다. 육류가 부패 등의 원인으로 변질되면 황화수소(H₂S), 암모니아(NH₃), 아민(amine), 메탄(methane) 등 악취를 유발하는 가스가 생성되고 맛, 색, 점성, 산가 등이 변한다. 따라서 이러한 변화를 식별하여 육류의 부패 여부를 확인할 수 있다. 이 원리를 응용하여 기존에 이미 신선도 감지 휴대용 센서, 음식의 부패 여부를 감지하여 스마트폰으로 경고 알림을 보내주는 전자 태그 등 다양한 음식물 부패 감지 센서가 개발되어 있다. 그러나 기존의 제품들은 가격적인 요소나 사용의 편리성 등을 고려해보았을 때 소비자들에게 다가가기 어려운 제품들이 대다수이다. 따라서 본 과제는 부패 감지 기능을 가진 저렴하면서도 이용에 편리한 제품을 설계함으로써 남녀노소 누구나 간편하게 이용할 수 있는 육류 부패 감지 센서를 제작하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 신뢰성

본 과제는 육류의 부패 시 발생하는 가스에 초점을 맞추었다. 육류 등이 부패하였을 때 황화수소, 아민, 메탄가스 등이 발생하는데, 발생한 가스를 센서가 감지하여 음식의 부패 여부를 판단한다. 이때, 센서가 감지하는 가스는 육류가 부패하였을 때에만 나오는 가스여야 하고, 센서는 특정 가스만 선택적으로 감지해야 한다. 이로써 소비자가 육류의 부패 여부를 확실하게 식별할 수 있는 제품을 제작한다.

• 정확성

제품에 사용되는 센서는 적은 양의 가스 분자에도 민감하게 반응하여, 육류가 부패하기 시작했을 때 발생한 미량의 가스도 효과적으로 감지할 수 있어야 한다. 또한, 부패의 진행도에 따라 제품 색의 채도 등이 달라지도록 하여, 소비자가 육류의 부패 진행도를 확실하게 알 수 있도록 도와 식자재 관리를 더욱 원활하게 한다.

• 디자인

제품을 스티커 형태로 제작하여 남녀노소 누구나 손쉽고 빠르게 사용할 수 있도록 제작한다. 육류 부패 정도에 따라 색이 변화하는 것을 보여주어 소비자들이 직관적으로 육류의 부패 진행도를 알 수 있도록 한다. 부패 정도에 따른 색 변화 표를 설명서 등에 첨부하여 소비자의 이해를 돕는다.

• 안정성

밀폐 용기 등에 보관된 육류의 부패 여부를 알기 위해 용기 내부에 스티커를 부착하였을 때, 용기 내부의 수분으로 인해 접착력이 약해져 스티커가 쉽게 떨어지지 않아야 한다. 또 음식물이 스티커에 닿거나 소비자가 스티커를 손으로 만지는 등 외부의 충격이 가해진 상황에서 부패 감지 능력이 손상되지 않도록 높은 내구성과 안정성을 지닌 제품을 제작한다.

• 경제성

스티커 형태로 제작하여 재료적인 측면에서 원가를 최대한 절감하고, 대량 생산이 가능하도록 하여 저렴한 가격으로 판매자와 소비자에게 쉽게 다가갈 수 있도록 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

• 탄소나노튜브를 활용한 센서 [1]

센서 소자로 코발트 원소를 지닌 금속포르피린(metalloporphyrin)으로 화학 처리한 탄소 나노튜브를 활용했다. 고기가 부패할 때 푸트레신과 카다베린이라는 생체 아민이 발생하는데 금속포르피린이 아민과 쉽게 결합하기 때문이다. 부패한 고기에서 발생한 아민이 금속 포르피린과 아민이 결합하면 탄소 나노튜브 소자에 흐르는 전류가 감소하는 것이다. 저렴하면서도 작다는 장점이 있지만 센서의 반응을 나타내는 추가적인 기기가 필요하고 사용하기 어렵다는 단점이 있다.

• 전자태그를 활용한 센서 [2]

해당 연구진은 음식이 부패할 때 방출되는 물질인 “생체 아민(biogenic amines)”에 매우 민감한 소형 가스 센서를 만들었고, 그 후에 제품을 추적하는 근거리 통신 태그를 같이 삽입했다. 감지 센서가 제대로 작동하는지를 조사하기 위해서 제품 태그가 부착된 육류를 화씨 86도에 방치했다. 생체 아민이 생성됐을 것이라고 추정될 때에 센서는 생체 아민을 감지하고 스마트폰으로 부패된 고기의 존재를 알렸다. 이 제품은 높은 정확도를 갖고 있지만 제품 자체의 큰 부피와 스마트폰과 같은 추가적 장비가 필요하다는 단점이 있다. 즉각적인 부패 인지가 불가능하다는 점과 추가적인 장비의 부재로는 확인할 수 없다.

• 휴대용 부패 감지 센서 [3]

본 발명은 사용자가 휴대하면서 음식물 부패 검출이 필요할 때 언제든지 간편하게 사용하기 위한 것으로서, 검출부에서 음식물의 부패 시 발생하는 물질을 검출하는 재질로 이루어진 검출 막대를 포함하는 휴대용 식품 부패 검출 장치를 제공한다. 상기 검출부의 검출 막대에는 수산화칼슘, pH용지, 지시약, pH 민감성 고분자 물질 또는 암모니아 감지 센서 또는 인디고 카민 용액을 함유한 천 등로 이루어진 그룹에서 적어도 하나 이상 선택된 것이 제공된다. 또한 본 발명의 휴대용 식품 부패 검출 장치는 상기 몸체부 내부의 경로에 공기가 유입될 때 함께 흡입되는 상기 음식물 부스러기를 상기 저장부로 향하도록 폐쇄되고, 내부의 공기가 외부로 배출될 때 내부 공기가 통과하도록 개방되는 개폐부를 포함한다.

제품의 부패를 지속적으로 확인할 수 없는 한계를 지니고 있으며 큰 크기와 사용방법이 복잡해 일반적인 소비자들이 사용하기 힘들다는 단점이 있다.

특허조사 및 특허 전략 분석

본 발명의 관련 선행기술들로는 등록특허 제0539567호, 등록특허 제1192651호, 등록특허 제1571819호가 있다.

등록특허 제0539567호는 식품의 pH를 확인하여 부패를 감지하는 장치로, 감지를 위해서는 식품과의 직접적인 접촉이 필요하며 측정 결과를 확인할 때마다 덮개를 개방하여야 하는 번거로움이 있다.

등록특허 제1192651호는 식품 부스러기의 흡입을 통해 부패를 감지하는 장치로, 주기적인 충전을 요구하며 휴대성이 좋지 않아 사용이 간편하지 않다.

등록특허 제1571819호는 컴퓨터 알고리즘을 이용한 육류 신선도 검사 장치로, 휴대성이 나쁘고 일반적인 소비자들이 사용방법을 숙지하기 어렵다.

[문헌 1] KR 10-0539567 B1, 2005. 12. 22 / 2005. 12. 29 [문헌 2] KR 10-1192651 B1, 2012. 10. 12 / 2012. 10. 19 [문헌 3] KR 10-1571819 B1, 2015. 11. 19 / 2015. 11. 30

기술 로드맵

상기 특허들의 공통적인 단점은 복잡한 제작과정과 비싼 가격으로 일반적인 소비자들이 사용하기 어렵다. 또한 부패 감지를 위해 추가적인 장비를 사용해야 한다. 따라서 본 팀 제품의 기술 로드맵 및 특허 전략은 다음과 같다.

• 높은 정확성과 신뢰도 본 논문에 따르면 육류에 있어서 반응 전과 후의 차이가 가장 큰 가스가 황화수소임을 알 수 있다. 그리고 일반적으로 부패를 하게 되면 수십ppm~수백ppm 수준으로 황화수소 가스가 발생되게 된다. 본 팀이 사용하는 Cu-PAN gel을 이용하게 되면 이론적인 계산으로 수십 ppm수준에서 색변화가 점차 일어나는 것으로 확인된다. 따라서 소비자가 직접적으로 색변화를 감지할 수 있게 하여 높은 정확성을 얻고자 하였고 반응성이 좋은 Cu-PAN을 사용함으로써 높은 신뢰도를 얻고자 하였다.

• 높은 수율을 통한 저렴한 원가

본 팀의 이론적인 계산에 의하면 H2S가스 반응 물질로 작용하는 Cu-PAN gel을 한 실험 과정 당 275ml 제작할 수 있게 된다. 이때 필요한 재료들의 원가는 3456원이다. 각각의 probe의 두께는 1mm로 설정하였을 때 총 687개의 probe를 제작할 수 있어 높은 수율을 얻을 수 있다. 그 결과 최종 제품의 원가는 5원으로 책정할 수 있다. 따라서 기타 재료 및 필름의 비용을 고려하였을 때 최종 원가를 10원 이내로 예상할 수 있다. 저렴한 원가를 통해 본 제품의 경쟁력을 기대할 수 있다.

• 편리한 이용성

본 발명품은 여드름패치의 형태에 착안해서 부패방지 스티커를 제작하고자 한다. 따라서 부패방지 스티커가 제작이 되면 밀폐용기 또는 육류가 담겨있는 용기에 부착만 하면 고기의 부패여부를 색변화를 통해 파악할 수 있다.

• 간단한 제작방법

특허청에 공개되어있는 특허들에 의하면, 일반적으로 복잡한 제작방법을 띄고 있다. 또한 논문들을 찾아본 결과 H2S가스에 대한 선택적인 반응을 위해 제일 많이 이용하는 방법은 형광을 이용한 stokes shift이다. 즉 발광 파장의 peak에 차이를 두어서 색변화를 유도한다. 하지만 이는 복잡한 제작방법을 가지고 있어 일반적인 대량생산을 통해 소비자에게 유통하기 어려운 단점이 있다. 따라서 본 팀은 상대적으로 간단한 CU-pan을 제작하고자 하였으며, 이를 이용한 스티커 형식으로 제작하고자 한다.

• 육류 부패시 발생하는 H2S 가스의 선택적 검출 반응

일반적으로 공증에 공개되어있는 고기 부패에 대한 특허는 생체아민, 암모니아에 대한 반응성에 대한 연구이다. 본 팀은 고기 부패 전과 후에 발생이 뚜렷한 황화수소가스를 감지하도록 하여 Colorimetry 방법을 이용하도록 한다. H2S가스의 경우 특정 수준 이상의 ppm에 도달하게 되면 쾌쾌한 냄새를 유발하지만 사람의 객관적인 판단으로는 고기의 부패를 객관적으로 확인할 수 없다. 결론적으로 H2S 가스의 선택적 검출 반응을 이용하고자 한다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

• 휴대용 부패 측정기, "페레스 전자코(Peres e-nose)"

· 업체명 : 페레스(Peres) · 가격 : 120달러(한화 약 146,000원) · 출처 : https://plus.hankyung.com/apps/newsinside.view?aid=201405194857A&category=AA006&sns=y

이 제품의 경우 돼지고기, 소고기, 닭고기, 오리고기, 생선 등 육류와 어패류의 부패를 측정할 수 있는 휴대용 전자기기이다. 기기를 고기 가까이 대고 버튼을 누르면 센서가 고기 근처 공기의 온도, 습도, 휘발성유기화학물질을 감지하여 연동된 스마트폰으로 정보를 전송한다. 따라서 전송된 정보를 스마트폰의 전용 앱으로 분석하여 신선도를 확인할 수 있다. 이 제품의 경우 음식의 신선도를 빠르고 정확하게 확인할 수 있다는 장점이 있지만 가격이 매우 비싸고, 스마트폰 연동과 전용 앱을 설치해야 한다는 불편함이 존재한다.

• 식품 신선도 측정 도구, "푸드 스니퍼(Food sniffer)"

· 업체명 : 푸드 스니퍼(Food sniffer) · 가격 : 129.9달러(한화 약 158,000원) · 출처 : http://dpg.danawa.com/news/view?boardSeq=60&listSeq=3288093&past=Y

이 제품은 페레스 사의 제품과 마찬가지로 소고기, 돼지고기, 생선 등 육류의 신선도를 측정해주는 휴대용 전자기기이다. 기기를 고기 가까이에 대고 연동된 스마트폰 앱에서 Get 버튼을 누르면 고기가 신선한지 상했는지 여부를 3단계로 알려준다. 충전식으로, 한 번 충전하면 12시간 연속 이용 가능하다. 역시 육류의 신선도를 빠르고 정확하게 알 수 있지만, 가격이 비싸고 충전식인 등의 단점이 있다.

마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 음식물 부패 감지 센서

본 과제는 소비자들이 육류의 부패 여부를 손쉽게 알 수 있도록 하는 도구의 제작을 목표로 하였다. 육류가 부패 등의 원인으로 변질되면 황화수소(H₂S), 암모니아(NH₃), 아민(amine), 메탄(methane) 등 악취를 유발하는 가스가 생성되고 이러한 변화를 식별하여 육류의 부패 여부를 확인할 수 있다. 기존에 신선도 감지 휴대용 센서, 음식의 부패 여부를 감지하는 센서가 개발되어 있다. 그러나 기존의 제품들은 가격적인 요소나 사용의 편리성 등을 고려해보았을 때 소비자들에게 다가가기 어려운 제품들이 대다수이다. 따라서 본 과제는 부패 감지 기능을 가진 저렴하면서도 이용에 편리한 제품을 설계함으로써 남녀노소 누구나 간편하게 이용할 수 있는 육류 부패 감지 센서를 제작하고자 한다. 이를 위해 부패 반응 물질을 젤 형태로 제작하여 주위 온도 및 습도와 외력에 의해 쉽게 변형되지 않아 제품의 안정성을 확보할 수 있다. 또한 스티커 형식으로 간단하게 제작하여 소비자가 편리하게 다양한 목적에 따라 이용할 수 있는 기대 효과를 얻을 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 음식물 쓰레기 문제

대한민국 환경부 환경통계에 따르면 2015년 기준 하루에 버려지는 음식물 쓰레기의 양은 15,340톤에 달했다. 이 통계에서 전체 음식물 쓰레기의 상당 부분인 70%가 가정 및 음식점에서 버려지는 것으로 나타났으며, 버려지는 음식물을 세부 항목으로 나누어보면 유통 및 조리과정에서 57%, 먹고 남긴 음식물이 30%, 보관 및 매기 식재료가 9%, 먹지 않은 음식물이 4%였다.[1] 이처럼 유통과정이나 보관 및 판매 과정에서 변질되어 버려지는 식자재의 비율이 전체 음식물 쓰레기 중 상당 부분을 차지하는 것을 알 수 있다. 본 제품을 통해 육류의 부패 정도를 유통과정 및 판매 과정에서 파악할 수 있다면 불필요한 음식물 쓰레기의 양을 줄일 수 있다. 또한, 부패 여부를 알 수 없는 음식물이나 유통기한이 지났지만 신선도를 유지하고 있는 육류 등이 버려지는 것을 막아줌으로써 가정에서 발생하는 음식물 쓰레기를 줄일 수 있다.

• 사회적 기대효과

본 과제는 스티커 형태로 저렴하고 간편하게 이용 가능하고, 부패 진행 정도에 따라 색이 변하여 소비자가 부패 여부를 직관적으로 알 수 있도록 하는 제품의 설계를 목표로 하고 있다. 따라서 이 제품을 이용하는 소비자들은 육류의 조리 혹은 섭취 전에 부패 여부를 사전에 파악하여 변질된 음식의 섭취를 막을 수 있고, 식중독 등의 질환을 예방할 수 있다. 그리고 육류의 부패 정도에 따라 색이 점진적으로 변화되게 하여 부패가 시작되기 직전 단계의 육류를 우선 섭취하는 등 소비자의 식자재 관리를 도울 수 있다.  사용이 간편하고 직관적인 디자인으로 노인, 어린아이 등도 사용 방법을 손쉽게 익히고 사용할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 및 추진체계

• 김준식

본 팀의 팀장을 맡고 있다. 실험 및 결과 데이터 수집의 대표담당자이다.

• 전다연

제품의 초기 및 최종 재료선정과 제품디자인 설계의 대표담당자이다.

• 이창윤

사용되는 물질에 대한 계산을 통한 이론분석 및 탐색의 대표담당자이다.

• 조홍식

본 팀의 캡스톤 서류담당자를 맡고 있다. 최종 시제품 제작 및 보완의 대표담당자이다.

• 이세웅

본 팀의 학과 서류담당자를 맡고 있다. 계산을 통한 이론분석 및 탐색의 대표담당자이다.

설계

설계사양

개념설계안

H2S 가스 발생 시 감지부의 색 변화

 물질 반응 -> Stokes shift, 색 변화

반응 방법

기존의 H2S가스 반응 매커니즘은 2가지로 분류할 수 있다.
- 용액 형태의 반응물질에서 반응
- 전기방사(electro spinning)로 나노 섬유 제작

기존 방법은 반응성은 좋으나 실제 제품 제작 과정에 있어서 액체 상태인 용액을 사용해야 한다는 단점이 존재하였다. 용액 형태는 제품의 안정성이 보장되지 않아 파손될 위험이 있었다. 또한 용액이 증발하면 제품의 기능성이 저하되는 문제가 있다. 하지만 이를 보안하기 위해 건조된 형태로 제작하면 H2S가스에 대해 반응 물질이 반응하지 않게 되었다. 그래서 우리는 젤 형태로 제작할 수 있는 하이셀을 접목하였다. 반응물질 용액을 젤 형태로 제작하여 H2S가스에 대한 반응성을 높임과 동시에 제품의 기능성과 안정성을 확보하는 기대를 얻을 수 있었다.

반응 물질을 하이셀을 통해 젤 형태로 제작하고 통기성 필름으로 표면을 덮음으로써 제품으로 상용화 시킨다.

제품 디자인

제품 디자인은 세 가지가 논의되었다.

먼저 첫 번째는 필름 형태이다. 원하는 곳에 원하는 사이즈로 잘라 사용가능하도록 필름에 황화수소를 감지하는 물질을 골고루 코팅하는 방식이다.

두 번째는 티백 형태이다. 티백의 주머니처럼 형태를 만들고, 감지 물질을 주머니의 안에 고체 알갱이 형태로 넣는 방식이다. 이 때 감지 물질의 색을 볼 수 있도록 주머니는 투명해야 한다.

세 번째는 패치 스티커 형식이다. 아래의 사진처럼 뒷면에 테이프로 원하는 곳에 붙일 수 있도록 하고 제일 겉면에는 투명 통기성 필름을 배치해 공기는 통하되 액체 등의 다른 물질은 통하지 않도록 설계하였다. 가운데에는 황화수소 가스 감지 물질을 배치해 투명 통기성 필름을 통해 색이 변하는 정도를 볼 수 있도록 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

Sensing Mechanism: Colorimetry

H2S 가스는 기체 상태에서 안정하여 거의 분해가 되지 않는다. 하지만 용액에 용해된 상태에서는 용액 내부의 NaOH 등의 염기에서 떨어져 나온 OH-와 반응하여 , 혹은 상태로 존지한다. 용액 내부의 는 감지 물질 Cu-PAN과 반응하여 노란빛을 띄는 아조 화합물을 생성한다. 위 반응이 진행됨에 따라 CuPAN 의 영향으로 보라색을 띠고 있던 용액이 서서히 노란빛을 띠게 된다. 이와 같은 과정을 통해 시각적으로 황화수소 가스의 발생정도를 알 수 있다.

Gel Formation : Hydroxyethyl Cellulose

하이셀(Hydroxyethyl Cellulose)은 하이드록시에칠 곁사슬을 가지며, 친수성이 강한 변형된 셀룰로오스 고분자 구조를 가진 점증제이다. 물에 용해시켜 항셀 용액을 제작한 후, 에탄올이나 기타 용액에 첨가하여 겔을 형성한다.

육류 부패의 감지 방법

소고기, 닭고기, 돼지고기 등 육류가 부패할 때에는 H2S, CH3SH, DMS, CS2, DMDS 등의 가스가 발생하며, 그 중에서도 황화수소(H2S) 가스의 농도가 20ppb에서 수백 ppm까지 큰 변화폭을 보인다. 따라서 육류 부패를 감지하는 데 황화수소 가스의 농도를 측정하는 것이 적합하다고 판단된다. 황화수소 가스를 감지하는 데는 Cu-PAN을 사용한다. Cu-PAN Probe는 다음과 같은 과정으로 합성된다.

① 염화구리 2수화물을 사용하여 0.1667M의 염화구리 수용액을 제작한다. ② 95% 에탄올 용매 하에서 0.0067M의 H-PAN 용액을 제작한다. ③ 염화구리와 H-PAN의 몰수 비가 1:1이 되도록 두 용액을 혼합한다. ④ 상온에서 6시간 동안 교반한다. 다음과 같은 반응식에 의해 Cu-PAN이 석출된다. CuCl2 (aq) + H-PAN (aq) → Cu-PAN (s) + HCl (aq) ⑤ 석출된 Cu-PAN을 여과한 뒤 에탄올로 세척하고 질소 환경에서 건조시킨다. ⑥ 에탄올 용매 하에서 0.1M NaOH, 2000μM Cu-PAN 용액을 제작한다. → Cu-PAN Probe

육류 방치 시간에 따른 H2S 농도

우선 절차는 다음과 같다. - 12L 부피의 수조 안에 약 300g의 고기를 투입 - 소고기, 닭고기, 돼지고기 3가지를 상온 20 ~ 25℃ 에서 100h까지 방치하여 부패에 따라 방출되는 H2S가스 농도 (ppm) 측정. 측정결과 세 가지 육류는 비슷한 양상의 H2S가스가 측정되고, 초기에 급격하게 H2S가스의 농도가 증가하는 구간을 확인했다. 이를 근거로 하여 10ppm을 기준으로 부패 위험 구간을 설정했다.

부패 감지 능력

논문의 실험 결과에서, 2x2cm2의 Probe는 400~600ppb의 농도에서 미미한 색 변화를 보였고, 1ppm의 농도 이상에서 확연한 색 변화를 보였다. 육류가 부패하였을 때 발생하는 황화수소 가스의 농도는 수 ppm에서 수백 ppm으로, Probe가 색 변화를 보이는 농도 구간과 일치하는 것을 알 수 있다. 논문에 따르면 황화수소 가스의 농도가 0ppm일 때의 Lab 색 좌표는 (69.56, 15.46, -15.72)였고 1ppm일 때의 Lab 색 좌표는 (72.09, 8.86, -0.46)이었다. 두 색 사이의 색차를 계산하면 16.82로, Just-noticeable difference(JND)에 해당하는 값인 2.3보다 훨씬 크다. 따라서 Cu-PAN Probe는 육류의 부패를 감지하는 데 적합하다. 직접 상온 20 ~ 25℃ 에서 Sensor를 10ppm의 H2S가스에 노출시킨 뒤 Sensor의 색 변화를 관찰한 결과 Lab 색 좌표 상에서 초기 색을 기준으로 한 색차(Color Difference)의 변화 양상이 다음 그래프와 같이 나타나므로 색 변화를 인간의 육안으로 확연히 알 수 있었다. 시뮬레이션 결과 Lab색좌표와 색차, 시간에 따른 그래프는 다음과 같았다.

성능 시험(Performance Test)

황화수소 가스는 매우 유독하기 때문에 실험 시 주의가 필요하다. 따라서 그림 1과 같은 실험 장치를 고안하였다. 실험 전, 밀폐된 사각 수조에 열고 닫을 수 있는 뚜껑을 설치한 후 구멍을 뚫어 장갑을 부착시킨다. 다음으로 여과 플라스크와 사각 수조 사이를 관으로 연결하고, 사각 수조 안에 황화수소 센서와 스티코를 넣고 스티코를 페트리접시 등으로 덮어 놓는다. 이후의 실험은 후드 내부에서 진행한다. ① 여과 플라스크 안에 염산과 황화철을 넣은 후 마개로 입구를 막는다. 다음과 같은 반응식에 의해 황화수소 가스가 생성된다. FeS (s) + 2HCl (aq) → FeCl2 (s) + H2S (g)

② 사각 수조 내부에 흘러들어간 황화수소 가스의 농도를 내부의 황화수소 센서를 통해 확인한다. 사각 수조 내부의 황화수소 가스의 농도가 일정 농도에 도달하면, 관을 막아 가스의 유입을 중단시키고 마개를 열어 황화수소 가스가 빠져나갈 수 있도록 한다. ③ 장갑에 손을 넣어 스티코 위에 덮어두었던 페트리접시를 치운다. ④ 충분한 시간이 흐른 뒤 스티코를 꺼내고 Lab 색 좌표를 측정한다.

Cu-PAN 용액과 하이셀 용액의 혼합 비율 실험

실험 절차는 다음과 같다. 우선, CU-PAN 용액과 하이셀 용액을 혼합하여 혼합 비율별로 색깔 변화를 관찰하였다. 윗줄 좌측부터 순서대로 13:7, 6:4, 7:3, 2:8, 3:7, 5:5의 비율로 혼합한 것이다.

실험 결과는 다음과 같다. 같은 시간 동안 H2S가스에 반응하여 가장 빠른 속도로 색이 변화하는 최적의 비율은 5:5로 혼합하였을 때임을 확인하였다.

상세설계 내용

조립도

부품도

결과 및 평가

완료 작품의 소개

가. 프로토타입 사진

• 상온에서의 H2S에 대한 색변화 실험[1]

부품도를 기반으로 스티코를 제작하고 10ppm에서 반응성 실험을 하였을 때 뚜렷한 색 변화를 나타냈다.

• 냉장보관에서의 H2S에 대한 색변화 실험[2]

상온에서의 고기 부패 실험이 12L에서 고기300g 을 넣고 시간에 따른 고기의 H2S발생량을 실험하였다 따라서 고기가 10ppm의 부패도를 가질 때, 지퍼백의 부피를 고려해 부패된 고기와 스티코를 동봉해 상온 4도의 냉장환경에서 10ppm정도의 부패도를 가진 고기와 함께 실험을 한 결과 1시간 정도 지나면 상온과 비슷한 색차의 변화를 가져왔다.

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

[1] 상온에서의 실험&시제품

[2] 냉장고에서의 실험

포스터

완료작품의 평가

향후계획

본 설계는 Cu-PAN 용액 내부에서 S2-이온과 Cu-PAN의 반응이 진행됨에 따라 보라색에서 노란색으로 용액의 색이 변한다는 특성을 이용하여, H2S 가스를 감지하는 스티커를 제작하였다. 용액 상태 그대로 스티커 제작을 할 경우 안정성 등 여러 가지 문제가 발생할 수 있기에 하이셀을 이용해 Cu-PAN 용액을 겔 형태로 변화시켰다. 이를 통해 안정성과 신뢰성을 가진 제품을 구현하였다.
본 제품은 스티커 형태로 저렴하고 간편하게 이용 가능하며 누구나 직관적으로 색 변화를 인지해 부패 여부를 판단 가능하며, 여러 번 재사용 가능한 장점을 지닌다. 따라서 소비자들은 육류의 조리 혹은 섭취 전에 부패 여부를 사전에 파악하여 변질된 음식의 섭취를 막을 수 있고, 식중독 등의 질환을 예방할 수 있다. 그리고 육류의 부패 정도에 따라 색이 점진적으로 변화되게 하여 부패가 시작되기 직전 단계의 육류를 우선 섭취하는 등 소비자의 식자재 관리를 도울 수 있다. 사용이 간편하고 직관적인 디자인으로 노인, 어린아이 등도 사용 방법을 손쉽게 익히고 사용할 수 있다. 또한 NaOH와 Cu-PAN의 농도에 따라 민감도를 조절하여 폭넓은 응용범위를 기대할 수 있다. 본 제품을 통해 소비자가 변질된 음식을 섭취하는 것을 예방할 수 있다.
소비자들은 육류의 조리 혹은 섭취 전에 부패 여부를 사전에 파악하여 변질된 음식의 섭취를 막을 수 있고, 식중독 등의 질환을 예방할 수 있다. 그리고 육류의 부패 정도에 따라 색이 점진적으로 변화되게 하여 부패가 시작되기 직전 단계의 육류를 우선 섭취하는 등 소비자의 식자재 관리를 도울 수 있다. 사용이 간편하고 직관적인 디자인으로 노인, 어린아이 등도 사용 방법을 손쉽게 익히고 사용할 수 있다. 하지만 일반 가정에서 사용 후 폐기 시 다음과 같은 주의사항이 있다. 스티코 제품의 제작 시 Cu-PAN이라는 무독성인 화학약품이 포함되기 때문에 일반 쓰레기와 동일시하기 어렵다. 따라서 본 제품은 폐기 시 폐의약품과 같은 취급을 하여 주변 약국 혹은 보건소에 가서 폐기처리를 하도록 권장한다.

특허 출원 내용

발명의 명칭은 Cu-PAN 프로브가 포함된 겔 형태의 황화수소 센서를 포함하는 육류 부패 감지 스티커로 특허 출원을 하였다.
본 발명은 육류의 부패를 감지하기 위한 스티커 형태의 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제품을 부착시키기 위한 투명한 접착부, 육류의 부패 시 발생하는 황화수소를 감지하여 색이 변하는 Cu-PAN 프로브를 포함하는 겔 형태의 센서부, 공기는 통과시키면서 액체는 통과시키지 않는 투명한 필름 형태의 통기부를 포함하는 육류 부패 감지 스티커에 관한 것이다.

특허 명세서의 청구항은 아래와 같다.

【청구항 1】

제품을 부착시키기 위한 접착부;

상기 접착부 위에 황화수소와 반응해 변색되는 Cu-PAN 프로브를 포함하는 겔 형태의 센서부;

상기 접착부와 센서부 위에 공기는 통과시키면서 액체는 통과시키지 않는 투명한 필름 형태의 통기부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고기부패 감지 스티커.

【청구항 2】

제 1항에 있어서,

상기 접착부는 양면테이프를 포함함으로써 상기 센서부와 통기부를 동시에 접착부의 위에 고정시킬 수 있는 것;

을 특징으로 하는 육류 부패 감지 스티커.

【청구항 3】

제 2항에 있어서,

상기 접착부의 물질로부터 상기 센서부가 오염되는 것을 방지하기 위하여 접착부와 센서부 사이에 투명한 필름 형태의 보호부를 포함하는 것;