KR100385168B1 - 염분 센서 및 염분 센서 장착 기구 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염분 센서 및 염분 센서 장착 기구에 관한 것으로서, 구체적으로는 염분 감응을 위한 작동 전극(2), 기준 전극(1) 및 전기적 연결부(3)로 이루어진 염분 센서에 있어서, 상기 작동 전극(2)과 기준 전극(1)이 하나의 기판 위에 평면형으로 형성된 것을 특징으로 하는 염분 센서 및 상기 염분 센서의 전기적 연결부(3)와 장착 기구 외부의 전기적 측정 장치를 전기적으로 연결하기 위한 장착 기구 연결부(31), 몸체(32), 덮개(33), 시료 통로(34) 및 밀봉고무(35)로 구성되는 염분 센서 장착 기구에 관한 것이며, 본 발명에 의한 염분 센서는 활성화 시간이 빠르고 장시간 동안 안정적이기 때문에 현장 측정이 가능하고 상기 염분 센서 및 염분 센서 장착 기구의 구조 및 제조 방법이 간단하여 대량 생산이 가능하고 제조 비용이 저렴하기 때문에 특히 산업 현장에서의 염분 분석에 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 염분 센서 및 염분 센서 장착 기구에 관한 것으로서, 구체적으로는 염분 감응을 위한 작동 전극, 기준 전극 및 전극 연결부로 이루어진 염분 센서에 있어서, 상기 작동 전극과 기준 전극이 하나의 기판 위에 평면형으로 형성된 것을 특징으로 하는 염분 센서 및 염분 센서의 전극 연결부와 장착 기구 외부의 전기적 측정 장치를 전기적으로 연결하기 위한 장착 기구 연결부 몸체, 덮개, 시료 통로 및 밀봉고무로 구성되는 염분 센서 장착 기구에 관한 것이다.
미지 시료에 포함된 다양한 화학 물질의 종류 및 구조를 밝히고 그 물질들의 양을 정량적으로 측정하기 위하여 여러 가지 분석 방법들이 개발되어 왔으며, 최근 들어 분석하고자 하는 특정 화학 물질에 대한 선택성이 우수하고 극미량의 시료도 정확하게 분석할 수 있는 방법들이 개발되고 있다. 특히, 공정의 자동화, 품질 관리, 의학적 분석, 환경 시료의 분석 등을 위해 정확하면서도 짧은 시간 안에 분석 시료를 분석해야 할 필요성이 증가함에 따라, 화학 물질을 간편하게 분석하는 방법 및 장치의 개발에 대한 관심이 증가하고 있다.
화학 물질의 분석에는 주로 전기화학적인 방법이 사용되는데, 그 중 전위차법(potentiometry)은 액체 시료 내에 존재하는 전해질 및 기타 물질과의 전기화학적인 반응에 의한 전위 변화를 측정함으로써 분석 물질의 양을 정량하는 방법이다. 전위차법은 분석 대상 물질에 대한 선택성이 우수하고 감응 시간이 수초 이내로 짧을 뿐만 아니라 대량 분석이 용이하다. 또한 전위차법은 분광학적 분석 방법과는 달리 시료의 탁도 등에 영향을 받지 않기 때문에 시료의 전처리 단계가 필요 없으며 분석 장치의 제조가 비교적 간단하다.
이와 같이 전기화학적인 분석 방법, 특히 전위차법에 의한 분석 방법은 극소량의 시료 분석 및 분석 기기의 대량 생산이 가능하다는 장점을 갖는다. 따라서 전위차법에 의한 분석 방법은 임상, 수질 및 공업 분석에서 뿐만 아니라 혈액, 뇨등의 생체액 분석, 발효 공정 등의 식품 화학, 공업 화학 분야에서의 공정 조절 및 환경 분석에 이르기까지 널리 응용되고 있다.
한편 임상, 수질 및 공업 시료를 분석하기 위해서는 일반적으로 시료를 채취한 후 분석 기기가 있는 장소까지 운반해야 하는데, 이러한 이동 과정 중에 시료가 오염되거나 측정 시간이 지연됨에 따라 시료가 변질되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 현장 측정이 바로 이루어져야 하는데, 분석 기기의 높은 가격 및 휴대화할 수 없을 정도의 큰 부피가 현장에서의 직접 분석에 장애물이 되고 있다. 즉, 현장 측정이 가능한 분석 기기를 보편화하기 위해서는 분석 기기의 소형화 및 가격의 저렴화가 이루어져야 한다.
전기화학적 방법에 의한 분석 장치 중, 특히 고체상 분석 장치의 경우에는 소형화가 가능하고 대량 생산이 용이하므로 가격의 저렴화까지 가져올 수 있다는 장점이 있다. 또한 상기 언급된 전위차법 전극 자체의 장점 외에도 감응막 부분의 소형화가 가능하기 때문에 미량의 시료에 대해서도 분석이 가능하다. 따라서 전기화학적 방법, 특히 전위차법에 의한 고체상 분석 장치는 기기의 소형화 및 가격의 저렴화가 가능하여 상기에서 언급된 바와 같은 현장 측정에 적합하므로, 대부분의 전기화학적 분석 장치는 재래형이 아닌 고체상 형태로 개발되고 있다.
한편 건설 현장에서도 건축 재료들을 분석하여 건축 재료의 사용 가능 여부를 판단하는데, 이는 곧 건축 재료의 상태가 건축물의 내구성에 영향을 미쳐 건축물의 수명을 결정하기 때문이다. 특히 건축 재료로 가장 많이 사용되는 철근의 부식, 즉 금속의 산화가 건축물의 내구성에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 철근이 부식되면 철근의 두께가 점점 감소하게 되므로 건축물의 수명이 급격히 줄어들게 된다. 철근은 일반적으로 콘크리트의 중성화, 동결 융해 작용, 염화물 침투 및 황산염의 에트린과 이트화 등에 의해 부식되며, 특히 일정량 이상의 염분을 함유하고 있는 시멘트를 사용하는 것이 철근 부식의 가장 큰 요인이 되고 있다. 따라서 건축 재료로 사용되는 시멘트에는 염분 함유량이 일정 범위 이하로 한정되어야 하며, 건축 현장에서 시멘트의 염분을 측정하는 일은 건축물의 내구성 향상을 위해 중요하다.
현재 시중에는 상기와 같은 목적으로 건축 현장에서 사용될 수 있는 여러 가지 종류의 염분 측정기가 시판되고 있다. 그 중에서도 시료 중의 염분에 대해 민감하게 감응하는 작동 전극과 염분에 대해 감응하지 않고 항상 일정한 전위를 유지하는 기준 전극의 2 전극계로 구성되어 있는, 전위차법을 이용한 염분 측정기가 감응 시간이 수 초 이내로 짧고 시료의 전처리 단계가 필요 없는 등 이미 상기에서 언급된 바와 같은 장점을 갖기 때문에 많이 사용되고 있다.
그러나 현재 시판되고 있는 전위차법 염분 센서는 개당 가격이 수십 만원에 이르는 등 가격이 비싸 보편적으로 사용하기 어렵다. 또한 건설 현장에서 센서를 직접 보관하고 관리하는 것은 거의 불가능한데, 현재 시판되고 있는 염분 센서는 소형화된 형태가 아니며 일회용으로 사용할 수도 없기 때문에 사실상 건설 현장에서 사용하기에는 어려움이 많다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 노력한 결과, 염분 감응을 위한 작동 전극(2), 기준 전극(1) 및 전기적 연결부(3)로 이루어진 염분 센서에 있어서, 상기 작동 전극(2)과 기준 전극(1)이 하나의 기판 위에 평면형으로 형성된 것을 특징으로 하는 염분 센서 및 이를 산업 현장에서 용이하게 사용할 수 있도록 하는 염분 센서 장착 기구를 개발하고, 상기 염분 센서가 활성화 시간이 빠르고 안정성이 우수하며 단순한 구조로 제작이 용이하여 저렴하게 대량 생산할 수 있다는 것을 알아냄으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 활성화 시간이 빠르고 안정성이 우수하며 단순한 구조로 제작이 용이하여 저렴하게 대량 생산할 수 있는 염분 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 염분 센서가 장착되어 사용될 수 있는 염분 센서 장착 기구를 제공하는 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 염분 센서의 정면도를 나타낸 것이고,도 1b는 종래의 염분 센서의 정면도를 나타낸 것이고,도 2a는 염분 감응 전극의 정면도를 나타낸 것이고,
도 2b는 도 2a의 ㄱ-ㄱ' 면의 단면도를 나타낸 것이고,
도 2c는 도 2a의 ㄴ-ㄴ' 면의 단면도를 나타낸 것이고,
도 2d는 도 2a의 ㄷ-ㄷ' 면의 단면도를 나타낸 것이고,
도 3a 는 핀 홀(pin hole) 형태의 계면을 갖는 본 발명에 의한 기준 전극의 정면도를 나타낸 것이고,
도 3b는 도 3a의 ㄱ-ㄱ' 면의 단면도를 나타낸 것이고,
도 3c는 도 3a의 ㄴ-ㄴ' 면의 단면도를 나타낸 것이고,
도 3d는 도 3a의 ㄷ-ㄷ' 면의 단면도를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 염분 센서 장착 기구를 나타낸 것으로, 도 4a는 염분 센서 장착 기구의 외형을 나타낸 도면이고, 도 4b는 염분 센서 장착 기구의 내형을 나타낸 정단면도이고, 도 4c는 염분 센서 장착 기구의 측단면도이고,
도 5는 염분 센서의 염분 감응 곡선을 나타낸 그래프로서, a는 종래의 염분 센서의 염분 감응 곡선이고, b는 본 발명의 염분 센서의 염분 감응 곡선이고,도 6은 염분 센서의 염분 감응곡선의 검정곡선을 나타낸 그래프로서, a는 종래의 염분 센서의 검정곡선이고, b는 본 발명의 염분 센서의 검정곡선이고,
도 7은 염분 센서의 염분 감응성 상관관계 곡선을 나타낸 그래프이고,
도 8은 염분 센서의 0.5 % 염분 용액 속에서 시간에 따른 전위 변화를 나타낸 그래프로서, a는 종래의 염분 센서의 전위 변화를 나타낸 그래프이고, b는 본 발명의 염분 센서의 전위 변화를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
1 : 기준전극 2 : 염분 감응 전극
3 : 전기적 연결부 12 : 염분 감응 전극의 절연막
11 : 염분 감응 전극의 전극물질 13 : 기판
21 : 기준전극의 전극물질22 : 내부기준용액을 담기 위한 폴리에스테르층23 : 내부기준용액 24 : 핀홀 계면25 : 보호막 26 : 고분자 막31 : 장착기구 연결부 32 : 장착기구 몸체
33 : 덮개 34 : 시료통로
35 : 밀봉고무 36 : 센서 고정대37 : 센서 연결 확인창 38 : 연결핀39 : 납땜 연결부
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 염분 감응을 위한 작동 전극(2), 기준 전극(1) 및 전기적 연결부(3)로 이루어진 염분 센서에 있어서, 상기 작동 전극(2)과 기준 전극(1)이 하나의 기판 위에 평면형으로 형성된 것을 특징으로 하는 염분 센서를 제공한다(도 1 참조).
상기 염분 센서에서 작동 전극(2)은 시료 속 염화 이온 농도에 따라 전위가 변하게 되고 기준 전극(1)은 시료의 조건에 관계 없이 항상 일정한 전위를 유지하며, 시료 속 염화 이온 농도에 따른 작동 전극(2)에서의 전위 변화를 기준 전극(1)의 전위를 기준으로 측정함으로써 시료 속 염분 농도를 측정하게 된다.
또한, 본 발명에서는 염분 센서를 산업 현장에서 직접 사용하기 편리하도록 하기 위한 염분 센서 장착 기구를 제공한다.이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 염분 센서에서 기판(13)은 세라믹 물질 또는 폴리에스테르(polyester)를 포함하는 플라스틱 물질인 것이 바람직하다.
특히, 플라스틱 물질 중 폴리에스테르(polyester)는 기존의 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride; PVC)에 비해 열안정성이 우수하므로 고온 경화가 필요한 고전도성 반죽(paste)의 스크린 프린팅에 유리하며, 전극의 보관 수명 역시 PVC보다 우수하다.
도 2a, 2b, 2c 및 2d는 도 1b에 도시된 염분 감응 전극(2)의 구조를 나타낸 도면이다. 상기 염분 센서에서 염분 감응 전극(2)은 폴리에스테르 기판 위에 형성된 전극 물질(11) 및 절연막(12)으로 구성된다. 염분 감응 전극(2)은 시료 중 염화 이온에 대해 감응하는 부분이므로, 전극 물질(11)은 염화 이온과 반응하여 전위를 변화시키는 물질로서 금속층 또는 금속층/난용성 금속층으로 이루어질 수 있다. 구체적으로 전극 물질(11)은 은/염화은으로 이루어지는 것이 바람직하다.
전극 물질이 금속으로 이루어진 경우 금속은 통상의 스크린 프린팅법에 의해 형성할 수 있으며, 전극 물질이 금속층/난용성 금속층으로 구성되는 경우에는 스크린 프린팅법으로 금속층을 형성한 후 별도의 공정에 의해 난용성 금속층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전극 물질이 금속인 은(Ag)과 난용성 금속인 염화은(AgCl)으로 이루어지는 경우, 일정 농도의 염화철 또는 KCrO3Cl 수용액에 수분 동안 넣어 화학 반응에 의해 난용성 금속층을 올릴 수 있으며, 또는 염산 등과 같이 염화 이온(Cl-)을 포함하는 수용액에 넣고 수분 동안 일정 전류(예를 들어 0.4 ㎃/㎠)를 걸어 주어 전기화학적 방법에 의해 난용성 금속층을 올릴 수도 있다.
도 3a, 3b, 3c 및 3d는 도 1b에 도시된 기준 전극(1)의 구조를 나타낸 도면이다. 기준 전극(1)은 전극 물질(21)과 절연막(22), 내부 기준 용액(23) 및 계면(24)과 고분자막(26)을 포함한 보호막(25)으로 구성된다.
전극 물질(21)은 은(Ag), 팔라듐, 구리 및 백금 등의 금속층으로 구성될 수 있으며, 또는 은/염화은, 수은/산화수은 등과 같이 금속층/난용성 금속층으로 구성될 수도 있다. 또한, 전극의 수명을 증가시키기 위해 순수 은을 사용하는 대신 팔라듐을 1 ∼ 5 중량 %로 포함한 은 또는 나피온(Nafion)을 코팅한 은을 사용할 수도 있다. 본 발명에서는 스크린 프린팅 방법을 이용하여 기판 위에 상기 전극 물질을 쉽게 형성할 수 있다.
내부 기준 용액(23)은 전해질이 포함된 85 ∼ 99 중량 %의 글리세롤 수용액, 1 ∼ 10 중량 %의 아교 수용액, 또는 액체 풀을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 전해질은 전극 물질이 은인 경우 질산은 또는 과염소산은을, 전극 물질이 은/염화은인 경우 염화칼륨 또는 염화나트륨을, 전극 물질이 수은/산화수은인 경우 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 포화시키거나 일정 농도로 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
계면(24)은 고분자 막을 포함하는 핀 홀(pin hole) 형태로 이루어지며 기준전극 보호막(25)위에 형성된다. 핀 홀 형태의 계면은 폴리에스테르 보호막(25) 위에 바늘 구멍 만한 구멍을 하나 뚫어 제조하는데, 이 구멍 위에 고분자 막(26)을 올려서 시료와 내부 기준 용액의 물리적인 혼합을 막는 동시에 시료와 내부 기준 용액 사이의 전기적인 연결을 꾀할 수 있게 한다. 이때, 핀 홀 형태의 계면이 형성되는 보호막의 두께는 2 mm 이하로, 바람직하게는 1 mm 이하로 한다.
이때 사용되는 보호막(25)은 폴리에스테르를 포함하는 플라스틱 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 계면 위에 형성되는 고분자 막(26)은 다공성 성질을 가지는 다공성 고분자, 예를 들어 친수성 폴리우레탄(hydrophilic polyurethane) 또는 초산 셀룰로스와 같은 고분자를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
염분 감응 전극(2) 및 기준 전극(1)에서 절연막(12)은 시료와 반응할 부분 및 전극의 전극 물질 부분과 외부의 전기적 측정 장치와의 연결 부분인 전기적 연결부(3)를 제외한 부분에 형성되며, 전극의 감응 영역을 일정하게 조절하는 역할을 하게 된다. 이러한 절연막은 전극 물질 위에 통상의 스크린 프린팅 방법에 의해 형성하는 것이 바람직하다.
전기적 연결부(3)는 작동 전극(2) 및 기준 전극(1)을 포함하는 염분 센서를 외부의 전기적 측정 장치와 전기적으로 연결하는 역할을 하며, 전기 전도성이 있는 물질로 형성한다. 바람직하게는 통상의 스크린 프린팅법에 의해 은(Ag)과 같은 전도성 금속물질로 전기적 연결부(3)를 형성한다.
평면 구조를 가지는 전위차법 또는 전압전류법 전극계의 구성에 있어서, 스크린 프린팅 방법과 같은 미소 제작 기술은 경제적이고, 재현성 및 감응성이 우수한 일회용 전기화학 센서를 구축하는데 용이하다. 이러한 스크린 프린팅 방법은 인쇄시 스퀴지(squeegee)의 움직임에 따라 수행된다. 스크린의 개방된 패턴에 대하여 스퀴지로 일정한 힘을 가하면서 이동하면 잉크 또는 반죽 등을 특정 기질 위에 패턴대로 도입할 수 있다. 본 발명에서는 작동 전극 및 기준 전극의 전극 물질, 절연체 및 전기적 연결부를 스크린 프린팅 방법에 의하여 도입하여 평면형 스트립(strip) 센서를 구축한다.
본 발명에 의한 염분 센서 장착 기구는 상기 염분 센서를 산업 현장에서 직접 용이하게 사용할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 도 4a, 4b 및 4c에 도시된 바와 같이, 염분 센서의 전기적 연결부(3)와 장착 기구 외부의 전기적 측정 장치를 전기적으로 연결하기 위한 장착 기구 연결부(31), 몸체(32), 덮개(33), 시료 통로(34) 및 밀봉고무(35)로 구성된다.
몸체(32)는 염분 센서 장착 기구의 형태를 유지하는 골격으로서, 상기 염분 센서에서 기판으로 사용하는 플라스틱 물질의 유연성 때문에 염분 센서를 산업 현장에 직접 사용하기 어려우므로 몸체(32) 및 덮개(33)는 연성이 없는 통상의 플라스틱 물질로 제조하는 것이 바람직하다.
시료 통로(34)는 염분 센서 장착 기구 외부의 시료와 염분 센서 장착 기구 내부의 염분 센서를 연결시키는 역할을 하는 것으로, 시료 통로(34)를 통해 외부로부터 유입된 시료가 염분 센서의 감응 부분에 닿아 염화 이온, 즉 염분의 농도를 측정하게 된다. 시료 통로(34)는 몸체(32)에 작은 구멍들을 뚫어 형성하거나 구멍을 만든 몸체(32)에 망사 형태의 물질을 덧붙여 시료 통로(34)를 형성할 수 있다.
밀봉고무(35)는 염분 센서 장착 기구 외부의 시료 외 불순물이 기구 내부로 유입되지 않도록 하여 염분 센서가 오염되는 것을 방지하며, 몸체(32)와 덮개(33)가 맞닿는 부분에 위치한다.
장착 기구 연결부(31)는 염분 센서 장착 기구 외부의 전기적 측정 장치와 내부의 염분 센서를 전기적으로 연결하는 역할을 하며, 통상의 전선을 사용해 형성할 수 있다.또한, 도 4a에 도시된 바와 같이, 몸체(32)의 대직경부에는 내부를 들여다볼 수 있는 확인창(37)이 구비되어 있으며, 하단부 내주면 중간에는 기판(13)을 고정하기 위한 센서 고정대(36)가 돌출되어 있으며, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 몸체(32) 내부의 연결선(31)은 선단부분에 납땜 연결부(39)에 의해 부착된 한 쌍의 연결핀(38)을 통해 전극(1,2)의 전기적 연결부(3)와 각각 전기적으로 연결된다.
본 발명에 의한 염분 센서는 저농도에서부터 고농도의 염화 이온에 이르기까지 넓은 농도 범위의 염화 이온에 대해 감응하므로 다양한 시료 조건에 대해 사용할 수 있으며 활성화 시간이 수초 이내로 빠르고 안정성이 1시간 이상 유지되는 장점을 갖는다. 상기와 같은 염분 센서의 전기적 특성은 통상의 염분 센서와 동일 또는 보다 향상된 것으로서, 본 발명에 의한 염분 센서는 구조가 단순하여 제작이 용이하고 소형화 및 대량 생산이 가능할 뿐 만 아니라 가격이 저렴하므로 산업 현장에서 염분 농도 측정을 위한 염분 센서로서 종래의 염분 센서를 대체하여 유용하게 사용될 수 있다. 또한 본 발명의 염분 센서 장착 기구는 상기 염분센서를 장착시킴으로써 실제 산업 현장에서 염분센서의 사용과 보관을 용이하게 할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예는 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 염분 센서의 제조
먼저 전극의 크기에 맞게 자른 폴리에스테르 기판 위에 작동 전극의 전극 물질 및 전기적 연결부에 해당하는 부분과 기준 전극의 전극 물질 및 전기적 연결부에 해당하는 부분에 은(Ag) 페이스트를 이용해 통상의 스크린 프린팅 방법으로 도입하여 은 금속층을 형성하였다. 다음으로 작동 전극에서는 시료와 반응할 부분을 제외한 전극 물질 부분 및 전기적 연결부 중 외부의 전기적 측정 장치와 연결된 부분을 제외한 영역에, 기준 전극에서는 시료 용액 속에서 일정한 전위를 발생할 부분을 제외한 전극 물질 부분 및 전기적 연결부 중 외부의 전기적 측정 장치와 연결된 부분을 제외한 영역에 전극의 감응 영역을 일정하게 조절해 줄 절연체를 스크린 프린팅 방법으로 형성하였다.
본 발명의 모든 전극의 센서는 제작의 용이함과 재현성을 위하여 반자동 스크린 프린터(semi-auto screen printer; MSP 350S)를 이용하는 스크린 프린팅 방법으로 제작되었다.
상기 단계까지 형성된 두 전극의 전극 물질 부분을 일정농도의 염화철 용액에 수분에서 십수분 동안 담가두어 은(Ag) 금속층 위에 염화은(AgCl)층의 난용성 금속층을 형성하였다. 상기와 같이 형성된 폴리에스테르 기판위의 은/염화은 두 전극 중의 한쪽은 더 이상의 처리 없이 염분 감응전극으로 완성되었고, 다른 하나의 전극은 몇가지 단계를 더 거쳐 기준전극으로 완성되었다.
구체적으로, 기준전극이 될 전극 부분에 은/염화은 전극 물질의 내부 기준 용액을 담기 위하여 직경 6 ㎜인 원 형태의 구멍을 만들어 폴리에스테르 층(22)을 형성하였다. 이렇게 제조된 폴리에스테르 층(22)은 그 양쪽 면에 양면 테입을 사용하여 한쪽을 기판(13) 위에 붙였다. 한편, 내부 기준 용액(23)은 85~98 중량 %의 글리세롤 수용액을 제조한 후 전해질로서 염화 칼륨(KCl)을 포화될 때까지 첨가하여 제조하였다. 상기 폴리에스테르 층(22)의 구멍 안에 이 내부 기준 용액(23)을 5 ㎕ 씩 첨가하였다. 마지막으로, 시료 용액과 내부 기준 용액(23)을 분리를 위해 핀홀(pin hole) 형태의 계면(24)이 형성되어 있는 폴리에스테르 보호막(25)을 내부기준 용액을 담을 수 있는 폴리에스테르 층(22)의 접착력이 있는 나머지 한 쪽 면에 붙였다. 이 폴리에스테르 보호막(25)에 바늘 구멍 만한 구멍 하나를 만들고 이 구멍 위에 다공성 고분자 막을 올려 핀 홀 형태의 계면을 형성하였다. 고분자 보호막은 8% 초산 셀룰로스 용액(아세톤 1.81 ㎖와 사이클로헥사논(cyclohexanone) 1.51 ㎖를 혼합한 후 초산 셀룰로스 250 ㎎을 용해시켜 제조) 5 ㎕를 핀 홀 계면 위에 올리고 60 ℃에서 30분 정도 건조시켜 유기용매를 휘발시킴으로써 형성하였다.
<실시예 2> 염분 센서 장착 기구의 제조
먼저, 도 4a, 4b 및 4c에서와 같은 플라스틱 몸체는 사출 방법을 이용하여 플라스틱으로 제조하였다. 이때, 플라스틱 몸체의 끝 부분에 여러 개의 작은 구멍을 만들어 시료 통로를 형성하였다. 또한, 플라스틱 몸체의 한편은 개방되어 있으므로 이 부분에 동일한 플라스틱으로 형성된 덮개를 장착하여 염분 센서 장착기구 안에 염분 센서를 장착할 수 있는 입구를 만든 후 이와 같이 형성된 장착기구의 플라스틱 몸체에 장착기구 연결부와 고무를 형성하였다. 장착기구 연결부는 플라스틱 몸체에서 시료 통로와 반대편쪽으로 작은 구멍을 뚫어서 그 구멍으로 전선을 넣어 연결하는데, 이와 같이 연결된 전선은 플라스틱 덮개의 시작부분까지 연결시켰다. 플라스틱 몸체에서 전선이 들어올 공간은 플라스틱 몸체가 사출 방법으로 형성될 시에 만들었다. 마지막으로, 플라스틱 몸체와 플라스틱 덮개가 만나는 부분은 두께 4 mm 정도의 고무를 가장자리 부분에 모두 접착시켰고, 플라스틱 몸체 안의 전극이 장착될 부분 또한 플라스틱 몸체가 사출 방법으로 형성되는 동안 만들었다.
<실험예 1> 염분 센서의 염분 감응성
실시예 1에서 제작된 염분 센서의 염분 감응성을 하기와 같이 조사하였다.
실험에 사용된 전위차법 전극계는 작동전극, 기준전극 및 이들 사이의 전위차를 측정할 수 있는 볼트미터로 구성되어 있고, 작동전극과 기준전극 간의 전위차 값은 통상적인 고-임피던스 입력 16-채널 A/D 컨버터가 장착된 전위차 측정기를 이용하여 측정하였다.
본 발명에 의해 제작된 염분 센서의 염분 감응성을 객관적으로 평가해 보기 위하여 상용화된 염분 센서(EM 250-A, COSMOS, Japan)를 동일한 환경 조건에서 실험하여 비교하였다.
실시예 1에서 제작된 염분 센서를 실시예 2에서 제작된 염분 센서 장착 기구에 장착하고 0.0001~1 % 염도를 가진 용액에 담궈 염도에 따른 전위 변화를 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 염분 센서는 0.0001~1 %의 염도 조건에서 종래 염분 센서와 동일한 수준의 감응성을 나타내었다.
한편, 상기 두 염분 센서의 염분 감응성을 염도의 상용 로그값 변화에 따른 전위값 변화에 관한 검량선으로 나타내었는데(도 6), 이러한 검량선에서는 센서의 염분 감응 기울기와 실험한 염도에서의 감응성이 서로 직선 관계를 나타내면 그 센서의 감응성이 우수한 것이다. 본 발명에 의한 염분 센서의 경우 0.0001~1 %의 염도에서 염분 감응 기울기가 53.84 mV/dec 였으며, 이 농도 영역에서 염분 감응의 직선성은 0.999 였다(도 6의 b). 또한, 같은 실험 환경 조건에서 상용화된 염분 센서의 경우 염분 감응 기울기는 55.80 mV/dec 였고, 이 농도 영역에서 염분 감응의 직선성은 0.998 로 나타났다(도 6의 a). 즉, 본 발명에 의한 염분 센서는 0.0001~1 %의 염분을 포함하는 시료 속의 염분을 측정하기에 적합하여 상용화된 염분 센서와도 대등한 염분 측정 능력을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> 본 발명의 염분 센서와 상용화 된 염분 센서의 염분 감응성 상관관계
본 발명에 의한 염분 센서와 상용화된 염분 센서의 염분 측정 능력을 비교해 보기 위하여, 본 발명에 의한 염분 센서와 상용화된 염분 센서 사이의 염분 감응성 상관관계를 구하였다.
실험은 실험예 1과 동일한 전위차법 측정방법으로 실시하였으며, 여러 가지 다양한 염도를 가지는 시료를 대상으로 각각의 염분 센서를 사용해 염분 농도를 측정하였다. 실험을 통해 산출된 두 센서의 염분 감응성의 상관 관계곡선을 도 7에 나타내었다.
도 7에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 염분 센서는 상용화된 염분 센서와 0.999의 상관계수를 가졌다. 즉, 염분 감응성을 비교한 결과, 본 발명에 의한 염분 센서는 상용화 된 염분 센서와 대등한 염분 측정 능력을 가지고 있음을 알 수 있었다.
<실험예 3> 염분 센서의 안정성
본 발명에서 제작된 염분 센서의 안정성을 알아보기 위해, 실험예 1과 동일한 전위차법 측정 방법을 이용하여 0.5 %의 염도를 가진 용액 속에 센서를 담그고 전위값 변화를 1시간 이상 살펴보았다. 본 발명에 의한 염분 센서의 성능을 객관적으로 평가하기 위하여 상용화된 염분 센서(EM 250-A, COSMOS, Japan)의 전위값 변화를 동일한 환경 조건에서 측정하여 비교하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에서 볼 수 있듯이, 상용화된 염분 센서(도 8의 a)는 1시간 동안에 전위 변화가1.9 mV 였고, 본 발명에 의한 염분 센서(도 8의 b)는 1 시간 동안에 전위 변화가 1.4 mV로 나타나 종래 염분 센서에 비해 약 26 % 정도 안정성이 증가하였음을 알 수 있었다.
이와 같이 본 발명에 의한 염분 센서는 오랜 시간 동안의 염분 측정에도 안정적으로 사용할 수 있으며 상용화된 염분 센서와 대등하거나 보다 우수한 안정성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 염분 센서는 활성화 시간이 빨라서 단시간 안에 현장에서의 즉석 사용이 가능하며, 안정성이 뛰어나 오랜 시간 동안의 시료 속 염분 측정에도 안정하다. 더욱이, 종래의 상용화 된 염분 센서에 비하여 구조가 단순하고 재현성이 뛰어나 소형화가 가능하며, 제조가 용이하여 대량생산이 가능하므로 시료 당 분석료가 저렴할 뿐 아니라, 일회용 센서로 사용할 수 있기 때문에 센서의 보관 및 관리가 용이하다는 등의 장점을 갖고 있어 종래의 상용화된 염분 센서의 문제점들을 극복하고 이들을 대체할 수 있다. 또한 본 발명의 염분 센서 장착 기구는 상기 염분센서를 장착시킴으로써 실제 산업 현장에서 염분센서의 사용과 보관을 용이하게 할 수 있다.
Claims (10)
- 염분 감응을 위한 작동 전극(2), 항상 일정한 전위를 유지하는 기준 전극(1), 외부의 전기적 측정장치가 인가되는 전도성 금속물질로 된 전기적 연결부(3)로 이루어져 있으며, 상기 작동 전극(2)과 상기 기준 전극(1)이 하나의 기판(13) 위에 평면형으로 형성되어 있는 염분 센서에 있어서,상기 작동 전극(2)은 상기 전기적 연결부(3)의 일단에 부착 형성된 전극물질(11)과, 시료와 접촉하는 부분을 제외한 나머지 영역의 상기 전극 물질(11) 위에 형성된 절연막(12)으로 이루어져 있으며, 상기 기준 전극(1)은 상기 전기적 연결부(3)의 일단에 부착 형성된 전극물질(21)과, 시료와 접촉하는 부분을 제외한 나머지 영역의 상기 전극 물질(21) 위에 형성된 절연막(12)과, 상기 전극 물질(21)을 둘러싸고 있는 공간 및 보호막(25)이 이루는 공간에 수용된 내부 기준용액(23)과, 상기 보호막(25)에 관통된 핀 홀 형태의 계면(24)을 덮고 있는 고분자 막(26)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 염분 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 기판(13)은 세라믹 물질 또는 폴리에스테르(polyester)를 포함하는 플라스틱 물질인 것을 특징으로 하는 염분 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 전극물질(11,21)은 은/염화은으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 염분 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 전기적 연결부(3)를 이루는 전도성 금속물질은 은(Ag)인 것을 특징으로 하는 염분 센서.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,상기 고분자막(26)은 다공성 고분자인 것을 특징으로 하는 염분센서.
- 염분센서의 전기적 연결부(3)와 외부의 전기적 측정장치를 전기적으로 연결하는 장착 기구 연결부(31), 상기 염분센서와 연결부(31)를 둘러싸는 몸체(32), 상기 몸체(31)의 염분센서측 개방부를 덮고 있는 덮개(33) 및 상기 몸체(32)와 상기 덮개(33)의 선단부분에 관통된 시료통로(34)로 구성되는 것을 특징으로 하는 염분 센서 장착기구.
- 제7 항에 있어서,상기 몸체(32) 및 덮개(33)는 연성이 없는 플라스틱 물질인 것을 특징으로 하는 염분 센서 장착 기구.
- 제7 항에 있어서,상기 시료 통로(34)는 상기 몸체(32)와 상기 덮개(33)의 선단부분에 부착되는 망사에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 염분 센서 장착 기구.
- 제 7 항에 있어서,상기 몸체(32)의 덮개(33) 맞닿음 부분에는 밀봉고무(35)가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 염분 센서 장착 기구.
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