주사기 필터형 미세플라스틱 검출 키트 및 인공지능 기반 분석 기술. (사진=재료연 제공)

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 이하 재료연) 나노바이오융합연구실 정호상 박사 연구팀이 KOTITI 시험연구원과의 융합연구를 통해, 환경 오염과 먹이사슬로 인한 인체 및 유전 독성을 일으킨다고 잘 알려진 미세 플라스틱을 현장에서 신속 및 고감도로 검출하는 기술을 세계 최초로 개발했다.

연구팀이 개발한 현장형 미세 플라스틱 검출기술은 키트형이다. 간단한 주사기 필터에 걸러지는 형태로, 전 처리 과정 없이 20분 이내에 미세 플라스틱의 종류와 개수, 분포 등을 파악할 수 있다. 연구팀은 미세 플라스틱이 필터를 통해 걸러질 수 있다는 사실에 착안했다. 마이크로 스케일의 기공을 가지는 종이필터 표면에 미세 플라스틱을 포집할 수 있는 나노 포켓 형태의 플라즈모닉 소재를 합성하고, 포집된 미세 플라스틱의 광학 신호를 증폭할 수 있도록 개발했다. 주사기를 통해 미세 플라스틱이 포함된 시료를 통과시키면, 나노 포켓형 플라즈모닉 소재상에서 미세 플라스틱의 라만 분광 신호가 증폭되어 고감도 검출이 가능해진다. 해당 기술은 나노미터 스케일의 미세 플라스틱 검출에도 적용할 수 있다.

또한 연구팀은 미세 플라스틱의 고유한 라만 분광 신호를 인공지능(AI)에게 미리 학습시켜, 환경 시료 내에 방해 요소가 있더라도 획득한 신호가 미세 플라스틱에 해당하는지를 인공지능이 판단하도록 했다. 이를 통해, 복잡한 환경 또는 인체 시료 내에서도 미세 플라스틱만 정확하게 판별할 수 있을 뿐 아니라, 농도와 분포, 종류까지도 함께 식별할 수 있도록 개발했다.

기존 미세 플라스틱 검출기술은 현장에서 활용하기가 어려웠다. 복잡한 전 처리 과정과 높은 성능의 장비, 그리고 숙련된 연구자의 분석이 필요하기 때문이다. 본 기술은 전 처리 과정을 필터 형태로 거르고, 장비의 성능을 높이는 대신 소재의 민감도를 증진했다. 또한 숙련된 연구자의 분석 능력을 인공지능으로 대체한 것이 가장 큰 차별점이다. 여기에 검출기기 또한 휴대용 라만분광기를 사용해 현장 검출 가능성까지 높였다는 장점이 있다.

현재, 국내외 미세 플라스틱에 대한 환경 오염 문제와 인체 위험성에 관한 이슈가 계속해서 대두 중이다. 음료수통이나 과자봉지와 같은 일상생활 속 제품에서도 미세 플라스틱이 쉽게 배출된다는 언론 보도도 있다. 그러나 현재까지 마이크로~나노 크기의 작은 미세 플라스틱을 검출하는 방법이 없어, 국제적으로 표준 검출법 설정을 위한 기술 개발이 필요한 실정이다. 이는 향후 플라스틱 제품 및 식음료 용기에 대한 규제로 이어질 수 있어, 국내 원천기술 개발을 통해 미래 환경 문제로 인한 수출입 규제를 선제적으로 극복하는 기술을 개발했다는 것에 의미가 있다. 또한 센서가 키트형으로 만들어져, 필요에 따라 일반인이 손쉽게 검사할 수 있다는 것 또한 장점이다.

연구책임자인 재료연 정호상 선임연구원은 "본 기술이 상용화되면, 미세 플라스틱을 좀 더 쉽고 빠르게 보편적으로 검출하는 기술이 보급될 것"이라며 "재료연은 이를 기반 삼아 국민과 후세대의 안전을 위한 소재 기술 개발에 계속해서 노력을 아끼지 않을 것"이라고 말했다.

본 연구성과는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국재료연구원 기본사업을 통해 수행됐다. 또한 연구결과는 재료 분야 세계적 학술지인 어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19, JCR < 5%)에 9월 10일 자로 게재됐다. 해당 기술은 KOTITI 시험연구원과 함께 향후 미세 플라스틱 검출기술 표준화를 위해 협력할 예정이다. 한편, 연구팀은 현재 미세 플라스틱 크기별 검출 및 인체 독성 평가를 위한 후속 연구를 진행 중이다.