미세플라스틱 농도 측정 센서

MEMS 센서(반도체 공정 기술 응용)을 활용한 미세플라스틱 검출 방법

인간에게 미세플라스틱은 어떻게 문제가 되는가?

미세플라스틱 문제의 심각성은 그 영향이 광범위하며, 많은 환경적 및 건강상의 위험을 내포하고 있기 때문에 중요하다. 미세플라스틱은 플라스틱 파편이 5mm 이하로 작게 부서진 상태를 말하며, 이는 여러 경로를 통해 환경에 유입되고 있다.

미세플라스틱은 물과 토양을 오염시켜 수생 및 육상 생태계에 영향을 미친다. 이 작은 플라스틱 조각들은 생물에 의해 쉽게 섭취될 수 있으며, 생물체 내에서 축적되어 생태계를 교란하고 생물 다양성을 위협하고 있다. 무엇보다 미세플라스틱은 먹이 사슬을 통해 최종적으로 인간에게까지 영향을 미칠 수 있다. 이 입자들은 식품을 통해 인간의 몸에 들어갈 수 있으며, 잠재적으로 독성을 가진 화학물질을 운반하는 매체가 될 수 있다. 이는 인체 내 호르몬 시스템의 교란, 발암성 물질의 노출 증가 등의 건강 문제를 유발할 수 있다. 

미세플라스틱은 매우 내구성이 강하고 잘 분해되지 않는다. 이로 인해 환경에서 제거하기가 매우 어렵고, 오염은 장기적으로 지속된다. 오염된 환경을 복원하는 데는 많은 비용과 시간이 소요되며, 기존의 오염 제거 기술로는 한계가 있다.

미세 플라스틱은 왜 검출이 필요한가?

미세플라스틱 검출 및 센서 기술은 왜 중요한가? 미세플라스틱은 강, 호수, 바다와 같은 수계에 존재하며, 생태계에 심각한 영향을 미친다. 이 물질들이 물 속에 축적되면서 수중 생물에게 독성을 발휘할 수 있다. 미세플라스틱을 정확하게 검출하고 모니터링함으로써, 환경 보호에 필수적인 데이터를 제공하고 오염의 원인과 규모를 파악할 수 있다.

현재 우리는 미세플라스틱이 인간에게 어떤 영향을 미치는지와 미세플라스틱의 양이 어느정도 되는지 데이터가 필요한 상황이다. 미세플라스틱은 먹이 사슬을 통해 인간에게도 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 물고기가 미세플라스틱을 섭취하고, 그 물고기를 사람들이 먹으면 건강에 해로울 수 있다. 따라서 미세플라스틱의 분포와 양을 정확히 알아내는 것이 중요하다. 미세플라스틱에 대한 정확한 데이터는 정부와 규제 기관이 효과적인 환경 정책과 규제를 수립하는 데 중요한 기초자료로 활용될 수 있다. 또한, 미세플라스틱 검출 및 센서 기술의 발전은 과학적 연구와 혁신을 촉진시켜, 더욱 정확하며 비용 효율적인 방법으로 오염을 감시하고 관리하는데 도움이 될 수 있으며, 새로운 검출 기술은 다른 환경 오염 문제를 해결하는 데도 응용될 수 있다.

MEMS 센서란? MEMS 센서 제작법은?

MEMS(a.k.a. 멤스) 센서는 미세 전자 기계시스템(Micro Electro-Mechanical Systems)를 의미한다. MEMS 센서는 작은 크기의 민감한 센서로 압력, 진동 등에 대한 물리적 감지와 더불어 화학/생물학적 감지를 통한 검출이 가능하다. MEMS 센서를 활용하면 마이크로미터~밀리미터의 크기의 입자를 모니터링 할 수 있다.

MEMS 센서를 제작할 때 반도체 공정기술을 응용해야 한다. 반도체 생산라인이 필요한 것은 아니고, 반도체 회로를 만드는 것과 유사한 방법을 통해 MEMS 센서를 제작해야 한다. 반도체를 만들 때 웨이퍼 위에 얇은 막을 증착하고, 회로를 새긴 후에(리소그래피), 에칭을 통해 화학액/가스를 통해 불필요한 막을 제거하면 미세 구조물을 얻을 수 있는 것처럼, MEMS 센서 역시 실리콘 기판 위에 얇은 막을 형성한 후 빛을 쪼여 원하는 패턴을 생성하고, 물리 구조물을 3차원으로 쌓아올린다는 점에서 반도체 제작과 유사한 점을 가지고 있다.

반도체 제작 공정 (출처 : https://news.lxsemicon.com/5657)

MEMS 센서를 활용한 미세플라스틱 검출 방법

먼저 MEMS 센서와 분석할 액체 샘플을 준비하고, 액체를 MEMS 센서 내의 실리콘 기반의 메시(mesh) 필터로 흘려보낸다. 이를 통해 미세플라스틱을 포집하고, 필터에 걸러진 액체에 진동을 가하면, MEMS 공진기 센서를 통해 미세플라스틱의 존재와 농도에 따라 공진 주파수가 다르게 나타난다. (공진주파수(3GHz 이하)가 낮으면 미세플라스틱 농도가 높음, 농도는 10,000ppm 이하 측정 가능)

통상 미세플라스틱 농도가 높아지면 공진 주파수는 낮아진다. 아울러 RF(Radio Frequency) 신호를 통해 액체 내의 미세 플라스틱 입자들의 크기를 분류하여, 송신된 신호와 해당 신호의 반사계수를 비교하여 입자 크기를 분류할 수 있다. (RF 신호의 입력값과 반사값을 비교하여 미세플라스틱 크기 분류, 5um~100um)

특히, 이러한 학습 과정을 통해 수집된 데이터들을 바탕으로 머신러닝 알고리즘을 통해 미세 플라스틱의 전기적 특성, 유전율, 파형 차이 등 패턴을 이용하여 미세플라스틱의 유형과 크기, 농도 등의 특성을 분류할 수 있다. (불순물이 없는 물(Pure water)을 넣었을 때와, 물 속에 미세 플라스틱(PE, PET, PS, PP 등)이 있을 때의 MEMS 공진기 센서를 통한 진동주파수와 반사계수, 파형(waveform) 차이(부도체인 미세 플라스틱의 유전율, 전하의 편극형태를 체크)를 AI 모델(머신러닝 등)을 통해 데이터 분류/분석 가능)

시장에서의 활용 방법

위에서 설명한 MEMS 센서 기반의 미세플라스틱 검출 기술은 그 정확도와 신속성 때문에 환경 모니터링 및 관리에 매우 유용하고, 실험실에서 오래 걸리는 것이 아니라, 산업 현장에서 바로 사용할 수 있는 휴대용 디바이스라는 점에서 강점을 가진다.

기존기술(현미경 육안관찰, 형광분석, 분광법, 열분해 등)은 고가이거나 분석에 오랜 시간이 걸리며, RF MEMS 센서를 미세플라스틱에 검출하는 연구 논문/특허 사례를 찾아보기 어렵다. 그러나, MEMS 센서를 활용한 미세플라스틱 검출 기술은, 기존 제품 대비 저렴하고, 현장에서 빠르게 미세플라스틱 종류와 농도 측정 가능하다는 점에서 강점을 가진다. 간단한 MEMS 센서는 알리바바에서 1~2 USD면 구매 가능하며, 연구용 센서는 400~2000 USD로 가격대 다양하다. 통상 독일 등 해외 실험실 제품은 전처리/분석에 1일 가량 시간이 소요되나, 이 휴대용 검출 기술을 활용하면 4시간 내외의 전처리 시간과 60분 정도의 분석 시간을 통해 1ml 이하의 액체 내의 미세플라스틱 농도/크기 분석이 가능하다.

최근 환경 이슈에 대한 소비자 관심이 증가함에 따라 산업 현장과 더불어 일상생활에 밀접한 환경 관련 비즈니스에 적용하기 좋은 아이템으로 판단된다(식품 제조 공장, 상하수도 등). 미국, 독일 등 해외 기업들은 포터블 장비가 아닌 실험실용 검측장비를 판매하고 있다(ISO13320 표준 스펙에 맞춰 제작). 그러나 휴대용으로 제품을 제작하면 가격과 편리성 측면에서 강점을 가질 것으로 기대된다. 향후 국내 중소기업을 통해 휴대용 미세플라스틱 농도 검출 장치(device)를 통해 양산하여, 식품 제조를 위한 공장 등 산업현장에서 샘플링을 통해 확인하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.