식용란의 품질은 식용란의 크기, 알껍질의 색, 그리고 내용물의 신선도 등으로 판별되며, 이를 위한 검사 방법은 크게 할란법, 비중법, 투시법 등에 기반하고 있다[1]. 할란법은 평판 위에 식용란을 깨트려 난황의 높이와 지름을 측정하고 난백의 수양화를 검사하여 식용란의 신선도를 판정하는 방법이다[1]. 비중법은 비중차가 있는 액체에 식용란을 넣고 떠오르는 상태로 신선도를 확인하는 방법으로, 식용란의 기실의 크기가 신선도가 저하될수록 커지는 현상을 활용한다[2,3]. 마지막으로 투시법은 어두운 공간에서 회전하는 식용란에 가시광선을 투과시켜 내부를 관찰하는 방법으로, 측정된 광학 영상을 통하여 기실의 크기, 혈반 유무, 난백의 수양화 등을 판별한다[4].

식용란의 품질검사 기술 중 투시법은 다른 기술과 달리 식용란의 손상 없이 여러 품질 요소를 검사할 수 있는 장점이 있기 때문에 식용란 유통 이전에 가장 많이 활용되고 있다. 그러나 투시법은 광학적 방식에 기반하고 있기 때문에, 식용란의 표면이 오염되어 광학적 불 균일성을 갖게 되는 경우 조사 대상의 품질을 정확히 판별하기 어렵다는 단점이 있다. 특히, 메추리알 같이 크기가 작고 어두운 무늬가 있는 식용란의 경우, 난각의 무늬에 의하여 투과광의 변화가 나타나게 되기 때문에, 투과광을 통하여 조사 대상의 내부 상태를 관찰하여 품질을 판단하는데 있어 오류의 가능성이 증가하게 된다. 따라서, 투시법으로 식용란 내부의 상태를 정확히 판별하기 위해서는 식용란 표면의 오염물질, 혹은 난각의 무늬에 의해 투과 강도가 변하지 않는 파장의 빛, 즉 전자기파를 검출 광으로 사용하는 것이 중요하다. 그러나, 난각은 축산 농가의 특성 상 다양한 종류의 물질로 오염될 수 있으며, 이러한 다양한 물질에 대해 언제나 좋은 투과성을 갖는 가시광 영역의 파장을 찾는 것은 어렵다고 할 수 있다. 그리고 이것은, 검출광의 파장을 가시광 영역 외의 전자기파로 확장시킬 필요가 있다는 것을 의미한다.

마이크로파는 파장이 1 mm에서 10 cm 사이인 전자기파로, 다양한 유전체 물질에 좋은 투과성을 갖는 특징이 있다[5]. 따라서 마이크로파 영역의 전자기파를 검출광으로 사용하여 식용란을 투과한 마이크로파를 영상화 한다면, 난각의 오염물질에 의한 영향 없이 식용란의 내부 상태를 조사할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 그러나 마이크로파 안테나, 혹은 주사 탐침을 활용한 기존의 마이크로파 영상화 시스템은 분해능이 수십 cm 로 매우 낮으며, 주사 탐침을 활용한 기술의 경우 측정속도가 매우 느리기 때문에 실용적으로 식용란 검사 기술에 적용되는 것이 어렵다는 한계가 있다[6,7]. 반면 최근 보고된 광학 인디케이터를 활용한 마이크로파 근접장 영상화 기술인 thermos-elastic optical indicator microscopy (TEOIM) 은 광학 현미경을 기반으로 하고 있기 때문에 광학적 분해능으로 마이크로파 근접장을 영상화 할 수 있는 장점이 있다[8-14]. 특히, TEOIM은 CCD 카메라 기반의 측정 방식을 활용하기 때문에 때문에 근접장의 실시간 변화를 15–20 fps (frame per second)의 속도로 측정할 수 있는 장점이 있다[8]. 따라서 TEOIM을 활용하여 식용란의 마이크로파 근접장 분포를 영상화 한다면, 식용란 외부의 오염 물질에 영향을 받지 않고 내부의 상태를 검출할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

본 연구에서는 TEOIM 기술을 활용하여 난각이 광학적으로 불 균일한 메추리알의 근접장을 영상화 하고 이를 분석하였다. 다양한 형태의 인위적인 결함을 갖는 메추리알을 준비하여 마이크로파 근접장의 분포 를 측정하였고, 각 결함 상태에 따른 마이크로파 근접장 분포의 변화를 분석하였다. 실험 결과로부터, 메추리알에 만들어진 인위적인 결함이 메추리알 내부의 유전율 분포의 변화를 만들어 내며, 이로 인하여 마이크로파 근접장의 분포가 변화하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과를 통하여 본 TEOIM을 활용한 근접장 영상화 기술을 통하여 광학적으로 불 균일한 난각을 갖는 식용란의 품질을 비 파괴적, 그리고 비 침습적으로 평가할 수 있는 것을 확인하였다.

Figure 1에 마이크로파 근접장 측정을 위한 TEOIM의 구조를 나타내었다. 신호 생성기 (Signal generator) 에서 생성된 7–15 GHz 주파수 영역과 10 dBm의 강도를 갖는 마이크로파는 동축선을 통하여 마이크로파 증폭기 (Amplifier) 로 전달되었다. 증폭기는 일정한 전력을 인가하는 외부 전원 (power supply)과 연결하여 입력된 마이크로파가 30 dBm의 강도로 일정하게 증폭되도록 구성하였다. 증폭된 마이크로파는 이후 TE-mode 도파관 안테나로 전달되어 시료로 방사되며, 도파관 안테나가 회전이 가능하도록 설치하여 인가되는 마이크로파의 편광을 변화시킬 수 있도록 하였다. 마이크로파 근접장의 광학적 측정을 위한 장치는 크게, 광원, 원 편광필터, 마이크로파를 광학적 신호로 변환하는 역할을 하는 인디케이터, 그리고 인디케이터에서 반사된 빛의 편광 상태 분포를 영상화 하기 위한 선형 편광자와 렌즈, 그리고 CCD 카메라로 구성되어 있다. 광원에서 출발한 빛은 원 편광필터를 통과하며 좌 원 편광 상태로 변환된 후 인디케이터로 입사된다. 인디케이터로 입사된 빛은 인디케이터에 작용하는 마이크로파 분포에 따라 편광 상태가 변화된 후 선형 편광자 방향으로 반사되고, 이후 선형 편광자를 통과한 빛의 밝기 분포는 렌즈와 CCD 카메라로 구성된 영상화 시스템에서 영상화 된 후 분석된다. 본 연구 에서는 광원으로 LED 배열로 만들어진 백색 면 광원을 사용하였고, 광학 인디케이터는 소다유리 (Soda lime glass) 기판에 ITO (Indium Tin Oxide) 박막을 200 nm 두께로 증착하여 제작하였다. 인디케이터는 광학적으로 불투명한 두께 1mm의 알루미나 기판에 부착된 후, 알루미나 기판이 시료를 향하도록 하여 시료의 근접장 영역 안에 위치시켰으며 (< 1 cm), 이때 알루미나 기판은 인디케이터의 고정 및 시료에서 반사되는 반사광의 영향을 제거하기 위하여 사용되었다.

Figure 1. (Color online) Measurement system of Thermos Elastic Optical Indicator Microscopy (TEOIM). The incident light is circularly polarized by a sheet polarizer and reflected from the surface of an optical indicator, where the optical indicator is consists of glass substrate coated by indium tin oxide (ITO) thin film. The reflected light propagates to the linear polarizer aligned at 0° and 45°, and the intensity of reflected light is measured by a CCD camera.

마이크로파가 시료에 인가될 때, 시료와 근접한 주변에 공간적으로 진행하지 않는 마이크로파 근접장이 형성되며, 이때 근접장의 분포는 시료의 전자기적 특성 분포에 따라 변화한다. 이 근접장의 분포는 마이크로파 신호를 광학적 신호로 변환하는 역할을 하는 광학 인디케이터 (Optical indicator)를 시료 주변에 위치시켜 광학적인 방법으로 측정할 수 있다. 인디케이터가 마이크로파 근접장 영역에 있을 때, 인디케이터의 전자기적 성질에 의존하여 마이크로파-물질 간에 다양한 형태의 상호작용이 나타나게 된다. 특히 인디케이터가 금속과 같은 높은 전기 전도도를 갖는 물질 박막으로 구성된 경우, 마이크로파 근접장의 자기장 성분이 금속 박막에 강한 마이크로파 전류를 여기 시키게 되고, 이 마이크로파 전류에 의한 Joule 가열로 인하여 박막에 열이 발생하게 된다. 이 발생된 열은 박막이 증착되어 있는 기판으로 전달되게 되고, 전달된 열은 기판에 열 응력을 발생시키게 된다. 이때 마이크로파에 의해 발생되는 열 및 응력의 크기는 마이크로파의 강도에 의해 결정되기 때문에, 인디케이터의 유리 기판의 응력 분포를 측정하여 분석하여 인디케이터에 작용하고 있는 마이크로파 근접장의 분포를 영상화 할 수 있다[8].

인디케이터에 작용하고 있는 열 응력의 분포는, 응력이 작용하고 있는 매질에서 나타나는 광학 현상인 광탄성 효과를 통하여 측정할 수 있다. 유리 기판과 같이 투명한 물질에 응력이 작용하는 경우, 응력의 방향 및 크기에 따라 선형 편광 빛에 대한 굴절률이 변화하게 된다. 그리고 이러한 선형 복굴절 특성을 갖는 β투과광의 타원 편광 상태를 분석하면 매질에 작용하고 있는 응력의 방향과 크기를 알 수 있으며, 타원 편광 상태는 투과강을 광축이 0°, 그리고 45°로 정렬된 선형 편광자를 통과시킨 후 투과광의 밝기 변화를 측정하여 분석할 수 있다. 즉, 열 응력에 의해 인디케이터 기판에 β의 선형 복 굴절률이 나타나는 경우 선형 편광자의 광축이 이루는 각도 φ에 대해 CCD에 도달하는 빛의 밝기 I는 다음과 같이 나타낼 수 있다[8]:

여기서, E_i 는 입사광의 전기장, θ는 선형 편광자의 광축과 응력의 주축이 이루는 각, x 와 y는 빛의 밝기가 측정된 공간 좌표를 의미한다. 인디케이터에 마이크로파 근접장이 작용하지 않는 경우, 인디케이터는 광학적으로 등방적이기 때문에 β와 θ는 0이 되어 측정되는 밝기는 입사광의 절반이 된다. 따라서 마이크로파가 인가되었을 때와 인가되지 않았을 때의 빛의 밝기를 측정하면 다음과 같이 응력에 의한 선형 복굴절률 β를 계산할 수 있다[8]:

여기서, β1과 β2는 각각 수직 응력과 전단 응력에 의해 나타나는 선형 복굴절률을 의미하고, Iφ=0,MWOFF와 Iφ=π4,MWOFF는 각각 마이크로파가 인가되지 않은 상황에서 선형 편광자의 각도 φ가 0과 π/4일때 측정된 빛의 밝기를 나타내며, Iφ=0,MWON과 Iφ=π4,MWON은 각각 마이크로파가 인가된 상황에서 선형 편광자의 각도 φ가 0과 π/4일때 측정된 빛의 밝기를 나타낸다. β1 과 β2는 인디케이터에 나타난 열 응력의 크기와 방향에 의존하며, 이때 열 응력의 원인인 열원의 분포는 β1과 β2의 공간적인 분포를 미분하여 영상화 할 수 있다:

여기서 q(x,y)는 인디케이터에 나타나는 열밀도 분포, x와 y는 픽셀의 공간 좌표, C는 입사광의 파장 및 인디케이터의 광학적 특성에 의존하는 상수를 의미한다. 본 연구에서 사용된 인디케이터는 높은 전도도를 갖는 박막을 활용하기 때문에 마이크로파 근접장의 자기장 성분에 의해 가열된다[10-12,14]. 따라서 열원의 분포를 영상화 하면 인디케이터에 작용하고 있는 마이크로파 근접장의 자기장 성분을 영상화 할 수 있다[8-14].

본 연구에서는 다양한 결함을 갖는 메추리알에서 나타나는 마이크로파 근접장 영상을 측정하고 이를 분석하는 연구를 수행하였다. 이를 위하여 먼저 정상상태의 메추리알을 마이크로파 도파관 안테나와 인디케이터 사이에 위치시킨 후, 정상 메추리알에서 나타나는 마이크로파 근접장 분포를 영상화 하였다. 이후 정상상태의 메추리알에 인위적 결함을 만든 후 근접장의 분포를 측정하여 결함에 의해 나타나는 근접장의 분포 변화를 분석하였다. 또한 근접장 측정 시, 메추리알은 아크릴판에 에폭시로 고정하여 위치가 변하지 않도록 하였으며, 매 측정에서 메추리알이 같은 위치에서 측정되도록 하여 메추리알 위치변화에 의한 근접장 변화를 최소화되도록 하였다.

Figure 2에 서로 다른 현광 상태에서 측정된 메추리알의 유무에 따른 마이크로파 근접장 분포를 나타내었다. 측정 결과로부터 메추리알이 없는 경우 마이크로파의 근접장 분포는 특별한 형태를 보이지 않은 반면, 메추리알이 있을 때 두 마이크로파 편광 상태에서 메추리알 부근에 강한 마이크로파 근접장이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 메추리알이 있을 때 마이크로파 근접장의 강도는 중심 부근에서 국소화 되어 강하게 나타났으며, 메추리알 중심으로 양쪽 끝 부분에 추가적으로 마이크로파 근접장이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 TEOIM을 통하여 메추리알에 나타나는 마이크로파의 근접장을 영상화 할 수 있다는 것을 의미한다. 특히 중심부근에 강한 마이크로파가 여기 되는 것은, 메추리알이 구형의 형태를 갖고 있기 때문에 나타나는 입력 마이크로파에 대하여 렌즈와 유사한 역할을 하기 때문으로 이해할 수 있다. 또한 마이크로파 전기장 방향에 따른 마이크로파 근접장 분포로부터 전기장 방향이 수직에서 수평으로 90° 회전하는 경우 근접장의 분포 또한 구조적인 큰 변화 없이 90° 회전하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 정상 상태의 메추리알이 마이크로파 전기장에 대하여 등방적임을 의미하며, 따라서 마이크로파의 전기장 방향과 무관하게 메추리알의 상태를 조사할 수 있음을 알 수 있다.

Figure 2. (Color online) Microwave near-field distribution of quail eggs according to the microwave electric field direction. The applied microwave frequency and power were 11 GHz and 30 dBm, respectively. Red arrows indicate direction of microwave electric field. (a–b) Measured microwave near-field distribution when excited by microwaves with a horizontal electric field direction: (a) without quail eggs; (b) with quail eggs. (c–d) Measured microwave near-field distributions when excited by microwaves with a vertical electric field direction: (c) without quail eggs; (d) with quail eggs.

Figure 3에 마이크로파 전기장 방향에 따른 정상상태의 메추리알과 부분적으로 비워진 메추리알의 근접장 분포를 나타내었다. 실험 결과로부터 메추리알이 부분적으로 비워진 경우 메추리알에서 나타나는 마이크로파 근접장의 강도가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 마이크로파 강도의 감소는 중심 부근에서 가장 크게 나타났으며, 중심으로부터 양 끝에 나타나는 마이크로파의 강도 또한 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 이러한 현상은 마이크로파의 전기장 방향이 수직에서 수평으로 변화하는 상황에서도 동일하게 나타났으며, 이것은 마이크로파 근접장의 감소가 전기장의 방향에 무관하다는 것을 의미한다. 이 결과는 메추리알 중심 부근에 나타나는 근접장의 강도가 메추리알 내용물의 상태에 크게 의존하는 것을 의미하며, 메추리알 내부가 비워지는 경우 마이크로파와 메추리알의 상호작용이 크게 감소한다는 것을 나타낸다.

Figure 3. (Color online) Microwave near-field distribution of normal and partially filled quail eggs according to the microwave electric field direction. The applied microwave frequency and power were 11 GHz and 30 dBm, respectively. Red arrows indicate direction of microwave electric field. (a–b) Measured microwave near-field distribution when excited by microwaves with a horizontal electric field direction: (a) normal eggs; (b) partially filled eggs. (c–d) Measured microwave near-field distributions when excited by microwaves with a vertical electric field direction: (c) normal eggs; (d) partially filled eggs.

이 결과는 메추리 알 내부가 비워지는 경우 메추리알의 유전율이 크게 감소하기 때문으로 이해할 수 있다. 마이크로파 근접장의 분포는 물질의 내부 유전율에 크게 의존한다[10, 14]. 메추리알이 부분적으로 비워지는 경우, 메추리알 내부의 유전율은 공기의 유전율과 거의 유사하게 변화하게 된다. 즉, 비워진 메추리알의 유전율 감소에 의해 마이크로파와 메추리알의 상호작용이 감소하게 되며, 결과적으로 메추리알 주변에 여기 된 마이크로파 근접장의 강도 또한 감소하게 될 것으로 이해할 수 있다. 본 결과는 메추리알 마이크로파 근접장의 강도 변화를 통하여 메추리알 내부 공동의 크기를 알 수 있으며, 따라서 식용란의 품질 검사에 있어 중요한 요소인 내부 기공의 부피를 마이크로파 근접장을 영상화 하여 측정할 수 있다는 것을 의미한다.

다음으로 식용란의 품질 검사 중 중요한 항목인 난황의 상태를 마이크로파 근접장을 통하여 검출할 수 있는지 확인하기 위하여 난황이 파괴된 메추리알의 근접장을 영상화 하였다. Figure 4에 정상상태의 메추리알과 난황이 파괴된 메추리알의 근접장 영상을 나타내었다. 실험 결과로부터 두 경우 모두 메추리 알의 중심 부근에 강한 강도의 마이크로파 근접장이 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이것은 메추리알 중심부근에서 나타나는 마이크로파와 메추리알의 상호 작용이 난황의 물리적 상태에 대하여 크게 변화하지 않는다는 것을 의미한다. 반면 실험 결과로부터 메추리알 양쪽 끝 영역에서 나타나는 마이크로파의 강도가 난황이 파괴된 경우에 소폭 증가하는 것을 볼 수 있으며, 이러한 현상이 마이크로파 전기장 방향과 무관하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 난황의 파괴에 의해 메추리알 내부의 유전율 분포가 불 균일하게 변하여 나타나는 것으로 이해할 수 있다. 난황이 파괴되는 경우에도, 난백과 난황은 서로 섞이지 않고 분리된 채 남아 있게 되며, 난황의 상대적으로 높은 비중에 의해 중력 방향으로 이동하게 된다. 이것은 난황이 파괴되는 경우 메추리알의 유전율 분포가 위 아래에서 다르게 나타난다는 것을 의미하며, 이러한 유전율 분포의 불 균일 성으로 인하여 마이크로파 분포가 변화하게 될 것으로 예상할 수 있다[14].

Figure 4. (Color online) Microwave near-field distribution of quail eggs according to the microwave electric field direction. The applied microwave frequency and power were 11 GHz and 30 dBm, respectively. Red arrows indicate direction of microwave electric field. (a–b) Measured microwave near-field distribution when excited by microwaves with a horizontal electric field direction: (a) normal eggs; (b) eggs with destroyed yolks. (c–d) Measured microwave near-field distributions when excited by microwaves with a vertical electric field direction: (c) normal eggs; (d) eggs with destroyed yolks.

마지막으로 메추리알 내부의 단백질 변성에 의한 마이크로파 근접장의 분포 변화를 확인하기 위하여 열에 의해 변성된 삶은 메추리알에서 나타나는 마이크로파 근접장을 측정하였다. Figure 5에 정상상태의 메추리알과 100 °C에서5분간 삶은 메추리알에서 나타나는 마이크로파 근접장의 분포 영상과, 메추리알 중심 부근에서 나타나는 위치에 따른 마이크로파 강도 변화를 나타내었다. 실험 결과를 통하여 삶은 메추리알에서 나타나는 근접장의 분포는 정상상태 메추리알의 근접장 분포와 유사하게 나타나지만, 근접장의 강도가 삶은 메추리알에서 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 열에 의해 단백질이 변성되는 경우, 메추리알의 유전율이 감소한다는 것을 의미하며, 이에 의해 근접장의 강도가 감소하는 것으로 이해할 수 있다. 따라서, 이 결과는 마이크로파 근접장 영상화를 통하여 측정된 근접장의 강도를 비교하면, 식용란의 단백질 변성을 비 파괴적, 그리고 비 침습적으로 검출할 수 있다는 것을 의미한다.

Figure 5. (Color online) Microwave near-field distribution of quail eggs. The applied microwave frequency and power were 11 GHz and 30 dBm, respectively. Red arrows indicate direction of microwave electric field. (a–b) Measured microwave near-field distribution when excited by microwaves with a horizontal electric field direction: (a) normal eggs; (b) boiled eggs. (c) Intensity line profile of microwave near field distribution around the quail eggs.

본 연구에서는 마이크로파 근접장 영상화 기술인 TEOIM을 활용하여 식용란의 품질을 검사하는 방법에 관한 연구를 수행하였다. 큰 기공을 갖는 상태, 난황이 파괴된 상태 및 단백질이 변상된 상태 등, 인위적 결함을 만든 메추리알에서 나타나는 마이크로파 근접장의 분포를 TEOIM을 통하여 영상화 하였고, 이를 정상상태에서 나타나는 마이크로파 근접장의 분포와 비교 분석하였다. 측정 결과를 통하여 메추리알에 결함이 만들어지는 경우 근접장의 분포 및 강도가 변화하는 것을 확인하였으며, 이러한 근접장의 변화가 결함에 의한 메추리알의 유전 특성 변화에 의한 것으로 이해할 수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과를 통하여, 식용란 품질 검사의 주요 항목인 기공의 부피, 난황의 물리적 상태 및 식용란 내 단백질 성분의 변성 등을 마이크로파 근접장의 분포 및 강도 변화로부터 확인할 수 있으며, TEOIM을 통한 마이크로파 근접장 영상화가 식용란 품질 검사에 활용될 수 있음을 확인하였다.

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다 (No. 2020R1C1C1004556).