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 201545000** 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.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 휴대용 부패 측정기, "페레스 전자코(Peres e-nose)" 파일image21.jpg: · 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)" 파일:Image22.jpg · 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

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

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

내용