KR101766283B1 - 수질분석용 마이크로 유체칩 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수질 분석용 마이크로 유체칩, 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩을 이용한 수질 분석 장치 및 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩은 시료 및 전처리 용액이 각각 주입되는 제1 및 제2 주입구, 상기 주입된 시료 및 전처리 용액을 혼합하는 제1 혼합부, 상기 전처리 용액과 혼합된 시료를 전처리하는 전처리부, 상기 전처리된 시료와 발색제를 혼합하는 제2 혼합부, 상기 발색제에 의해 발색된 시료에 대한 흡광도를 결정하도록 하는 흡광도 결정부를 구비한다. 상기 흡광도 결정부는 외부로부터 광이 제공되고, 상기 광이 시료로부터 다시 방출되도록 하며, 외부의 광 검출소자가 상기 방출된 광을 검출하여 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 분석하게 된다.
상기 수질 분석용 마이크로 유체칩은 반도체 제조 공정 및 MEMS 기술을 이용하여 초소형으로 저가로 제작될 수 있으며, 미지의 시료에 포함된 인 또는 질소 등과 같은 특정 물질의 농도를 실시간으로 분석할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 수질 분석용 마이크로 유체칩은 반도체 제조 공정 및 MEMS 기술을 이용하여 초소형으로 저가로 제작될 수 있으며, 미지의 시료에 포함된 인 또는 질소 등과 같은 특정 물질의 농도를 실시간으로 분석할 수 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 수질분석용 마이크로 유체칩 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 수질 분석을 위하여 샘플 내 포함된 인산염 및 질산염의 양을 실시간으로 분석할 수 있는 초소형의 수질 분석용 마이크로 유체칩 및 반도체 공정 기술 및 MEMS 기술을 이용한 마이크로유체칩의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 환경 오염에 대한 관심이 증가함에 따라 환경 오염 계측 장비들에 대한 요구가 증대되고 있는 실정이다. 하지만, 종래의 수질 분석 장비는 분광 장비가 필요하므로 일반적으로 부피가 크고 가격이 비싸며 분석시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
한편, IoT (Internet of Things) 기반의 센서 시스템들에 대한 필요성이 증대됨에 따라, 이들에 대한 연구들도 활발하게 진행되고 있다. 또한, IoT 기반의 센서 시스템의 개발과 함께 이러한 센서 시스템들에 사용될 수 있는 초소형 고성능 센서들에 대한 필요성도 증대되고 있는 실정이다.
한편, 수질 분석 분야에도 IoT 기반의 센서 시스템을 적용하고자 하는 요구가 증대되고 있으나, 수질 분석과 관련된 IoT 기반의 센서 시스템들에 사용될 수 있는 휴대가 가능한 초소형의 수질 분석이 가능한 칩들에 대한 연구가 부족한 실정이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 샘플 내 질산염 및 인산염의 양을 실시간으로 분석하고 측정할 수 있는 초소형의 수질 분석용 마이크로 유체칩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 공정 기술 및 MEMS 기술을 이용하여 전술한 수질 분석용 마이크로 유체칩을 제작하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 수질 분석용 마이크로 유체칩을 이용한 수질 분석 장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩은, 검사하고자 하는 시료를 주입하기 위한 제1 주입구; 시료를 전처리하기 위한 전처리 용액을 주입하기 위한 제2 주입구; 발색제를 주입하기 위한 제3 주입구; 입력단이 상기 제1 및 제2 주입구와 연결된 제1 유체 채널로 구성되어, 제1 및 제2 주입구로 주입되는 시료와 전처리 용액을 혼합하여 출력하는 제1 혼합부; 입력단이 상기 제1 혼합부의 출력단과 연결된 제2 유체 채널로 구성되어, 제1 혼합부로부터 유입된 시료를 전처리하여 출력하는 전처리부; 입력단이 상기 전처리부의 출력단 및 제3 주입구와 연결된 제3 유체 채널로 구성되어, 전처리부로부터 전처리된 시료가 유입되고 상기 제3 주입구로부터 발색제가 주입되며, 상기 전처리된 시료와 상기 발색제를 혼합하여 발색된 시료를 출력하는 제2 혼합부; 입력단이 상기 제2 혼합부의 출력단과 연결된 제4 유체 채널로 구성되어, 상기 제2 혼합부로부터 상기 발색된 시료가 유입되는 흡광도 결정부;를 구비한다.
전술한 제1 특징에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩에 있어서, 상기 전처리부는 제2 유체 채널의 내측 표면에 전처리에 필요한 광촉매 물질이 증착되어 형성된 광촉매층을 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 제1 특징에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩에 있어서, 상기 흡광도 결정부는 제4 유체 채널을 통과하는 시료가 외부의 광원으로부터 제공된 빛을 흡수하고 일부 다시 방출하도록 구성된 것이 바람직하다.
전술한 제1 특징에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩에 있어서, 수질 분석용 마이크로 유체칩은 분석하고자 하는 시료의 구성 물질의 종류에 따라 제2 주입구으로 주입되는 전처리제 및 제3 주입구로 주입되는 발색제의 종류가 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법은, 제1 혼합부, 전처리부, 제2 혼합부 및 흡광도 결정부가 순차적으로 연결되어 구성되고 제1 및 제2 주입구가 제1 혼합부의 입력단에 연결되고, 제3 주입구가 제2 혼합부의 입력단에 연결되어 구성된 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법에 관한 것으로서, (a) 전처리부를 위한 제2 유체 채널과 흡광도 결정부를 위한 제4 유체 채널이 형성된 하층부를 제작하는 단계; (b) 제1, 제2 및 제3 주입구가 형성되고, 제1 혼합부를 위한 제1 유체 채널과 제2 혼합부를 위한 제3 유체 채널이 형성된 상층부를 제작하는 단계; (c) 상기 하층부위에 상층부를 접합시켜 제1, 제2, 제3 및 제4 유체 채널이 순차적으로 연결되도록 하는 단계; 를 구비한다.
본 발명의 제2 특징에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법에 있어서, 상기 (a) 단계는, (a1) 기판의 표면을 산화시켜 산화층을 형성하는 단계; (a2) 상기 산화층을 패터닝하는 단계; (a3) 상기 패터닝된 산화층을 마스크로 사용하여 상기 기판을 식각하여 전처리부를 위한 제2 유체 채널 및 흡광도 결정부를 위한 제4 유체 채널을 형성하는 단계; (a4) 상기 산화층을 제거하는 단계; (a5) 상기 제2 유체 채널의 표면에 광촉매 물질을 증착하여 광촉매층을 형성하는 단계; 을 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 제2 특징에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법에 있어서, 상기 (b) 단계는, (b1) 기판의 표면에 산화층을 형성하는 단계; (b2) 상기 기판위에 포토 레지스트 물질을 증착한 후 패터닝하여, 기판위에 제1 및 제3 유체 채널에 대한 역상 구조가 형성된 몰드를 제작하는 단계; (b3) 상기 몰드위에 열경화성 고분자 물질을 도포한 후 경화시켜 고분자층을 형성하는 단계; (b4) 상기 고분자층을 몰드로부터 분리시키는 단계; (b5) 상기 분리된 고분자층에 제1, 제2 및 제3 주입구와 배출구에 대응되는 위치에 각각 관통홀을 형성하는 단계; 를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 제2 특징에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법은, 상기 고분자층을 형성하는 열경화성 고분자 물질은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane;'PDMS'), 폴리우레탄 아크릴레이트(Polyurethane acrylate;'PUA') 중 하나로 구성된 것이 바람직하다.
본 발명의 전술한 제3 특징에 따른 수질 분석 장치는, 미지의 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 분석하기 위하여, 주입된 시료를 전처리한 후 발색시켜 제공하는 수질 분석용 마이크로 유체칩; 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩에서 발색된 시료가 통과하는 채널 영역으로 광을 제공하는 광원; 상기 제공된 광에 의해 상기 발색된 시료로부터 발산되는 광을 검출하고 이를 전기적 신호로 변환하여 출력 신호를 제공하는 광 검출소자; 상기 광 검출소자로부터 제공되는 출력 신호를 이용하여 흡광도를 검출하고, 상기 흡광도를 이용하여 상기 특정 물질의 농도를 측정하는 제어기; 를 구비한다.
전술한 제3 특징에 따른 수질 분석 장치에 있어서, 상기 제어기는, 특정 물질의 농도에 따른 흡광도 데이터를 사전에 측정하여 저장하고,
미지의 시료를 상기 수질 측정용 마이크로 유체칩을 통과시키고 이에 대응하여 광 검출 소자로부터 출력되는 출력 신호를 측정하고, 상기 측정된 출력 신호에 따른 흡광도를 계산하고,
상기 미지의 시료에 대하여 계산된 흡광도와 상기 사전에 저장된 농도에 따른 흡광도 데이터를 이용하여, 상기 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 검출하는 것이 바람직하다.
전술한 제3 특징에 따른 수질 분석 장치는 분석하고자 하는 염의 종류에 따라 수질분석용 마이크로 유체칩의 제2 및 제3 주입구로 각각 주입되는 전처리제 및 발색제의 종류가 결정되는 것이 바람직하다.
전술한 제3 특징에 따른 수질 분석 장치에 있어서, 수질 분석용 마이크로 유체칩의 전처리부의 광촉매층으로 광촉매 반응을 위한 광을 제공하는 추가의 광원을 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩은 반도체 공정 기술 및 MEMS 기술을 이용하여 제작된 것으로서 휴대가 가능한 초소형의 크기로 제작이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩은 수질 분석에 필요한 전처리부, 혼합부, 측정부가 집적화되도록 구성되어, 시료내에 포함된 질소 및 인의 농도를 실시간으로 검출할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩은 미량의 시료를 이용하여 분석할 수 있어서, 측정시간이 짧고 소비전력이 낮다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩을 도식화한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 하층부를 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 상층부을 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이다.
도 4는 도 2에 의해 제작된 하층부과 도 3에 의해 제작된 상층부을 접합하여 수질 분석용 마이크로 유체칩을 완성한 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩을 이용한 수질 분석 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 6은 인산염의 표준 용액에 있어서 각 농도에 대한 흡광도들을 도시한 그래프이다.
도 7은 분광 광도계에서, 표준 용액내의 총인의 농도에 따른 흡광도를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩에 있어서, 표준 용액내의 총인의 농도에 따른 흡광도를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 하층부를 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 상층부을 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이다.
도 4는 도 2에 의해 제작된 하층부과 도 3에 의해 제작된 상층부을 접합하여 수질 분석용 마이크로 유체칩을 완성한 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩을 이용한 수질 분석 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 6은 인산염의 표준 용액에 있어서 각 농도에 대한 흡광도들을 도시한 그래프이다.
도 7은 분광 광도계에서, 표준 용액내의 총인의 농도에 따른 흡광도를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩에 있어서, 표준 용액내의 총인의 농도에 따른 흡광도를 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩은 반도체 제조 공정 및 MEMS 기술을 이용하여 초소형으로 저가로 제작될 수 있으며, 미지의 시료에 포함된 인 또는 질소 등과 같은 특정 물질의 농도를 실시간으로 분석할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩, 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩을 이용한 수질 분석 장치 및 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
< 수질 분석용 마이크로 유체칩 >
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩을 도식화한 평면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩(10)은 제1 주입구(100), 제2 주입구(110), 제3 주입구(120), 제1 혼합부(130), 전처리부(140), 제2 혼합부(150) 및 흡광도 결정부(160)를 구비한다.
상기 제1 주입구(100)는 검사하고자 하는 미지의 시료를 주입하기 위한 주입구이다.
상기 제2 주입구(110)는 시료를 전처리하기 위한 전처리 용액을 주입하기 위한 주입구이다.
상기 제3 주입구(120)는 발색제를 주입하기 위한 주입구이다.
상기 제1 혼합부(130)는 입력단과 출력단을 갖는 제1 유체 채널로 구성되며, 상기 입력단은 상기 제1 및 제2 주입구와 연결되며 상기 출력단은 전처리부(140)의 입력단과 연결된다. 전술한 구성을 갖는 제1 혼합부는 제1 및 제2 주입구로 각각 주입되는 시료와 전처리 용액을 혼합하여 전처리부(140)로 출력한다.
상기 전처리부(140)는 입력단과 출력단을 갖는 제2 유체 채널로 구성되며 상기 입력단은 상기 제1 혼합부(130)의 출력단과 연결되고 상기 출력단은 상기 제2 혼합부(150)의 입력단과 연결되도록 구성된다. 상기 전처리부는 제2 유체 채널의 내측 표면에 전처리에 필요한 광촉매 물질이 증착된 광촉매층이 형성되어 있으며, 상기 광촉매 물질은 TiO2 등이 사용될 수 있다.
전술한 구성을 갖는 전처리부(140)는 제1 혼합부(130)로부터 유입된 혼합액을 전처리하여 제2 혼합부(150)로 출력한다. 투입된 시료는 전처리부의 전처리 과정을 통해, 인산염 또는 질산염으로 분리가 된다.
상기 제2 혼합부(150)는 입력단과 출력단을 갖는 제3 유체 채널로 구성되며 상기 입력단은 상기 전처리부(140)의 출력단과 제3 주입구(120)와 연결되고 상기 출력단은 상기 흡광도 결정부(160)의 입력단과 연결되도록 구성된다. 상기 제2 혼합부(150)는 전처리부(140)로부터 전처리된 시료가 유입되고 상기 제3 주입구로부터 발색제가 주입되며, 상기 전처리된 시료와 상기 발색제를 혼합하여 발색된 시료를 흡광도 결정부(160)로 출력한다.
상기 흡광도 결정부(160)는 입력단과 출력단을 갖는 제4 유체 채널로 구성되며, 입력단은 상기 제2 혼합부(150)의 출력단과 연결되고 출력단은 배출구와 연결되도록 구성된다. 상기 흡광도 결정부(160)는 상기 제2 혼합부로부터 상기 발색된 시료가 유입되며 상기 배출구를 통해 최종적으로 배출된다.
본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩에 있어서, 상기 흡광도 결정부의 제4 유체 채널을 통과하는 동안, LED와 같은 소정의 광원이 외부에서 제4 유체 채널로 빛을 조사하고, 포토 다이오드와 같은 광 검출 소자를 이용하여 상기 광원의 광에 의해 상기 제4 유체 채널로부터 방출되는 빛을 감지하고 이를 전기적 신호로 변환한 출력 신호를 검출하게 된다. 이렇게 검출된 출력 신호를 이용하여 시료의 흡광도를 측정하게 되고, 상기 측정된 흡광도를 이용하여 상기 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 분석할 수 있게 된다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩은 분석하고자 하는 물질의 종류에 따라 제2 주입구으로 주입되는 전처리제 및 제3 주입구로 주입되는 발색제의 종류가 결정된다.
특히, 본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩은 시료내에 포함된 질소 또는 인의 농도를 실시간으로 분석하기 위하여 사용될 수 있다. 시료 내 포함된 질소의 농도를 분석하고자 하는 경우, 전처리제로는 과황산칼륨(K2S2O8)을 사용하며, 발색제로는 하이드라진, 술퍼닐아미드 및 a-나프틸 에틸렌디아민의 혼합액을 사용할 수 있다. 또한, 시료 내 포함된 인의 농도를 분석하고자 하는 경우, 전처리제로는 과황산칼륨(K2S2O8)을 사용하며, 발색제로는 암모늄 몰리브데이트(Ammonoium molybdate) 및 아스코르빈산(ascorbic acid)의 혼합액을 사용할 수 있다.
< 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법 >
이하, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법은 반도체 제조 공정 및 MEMS 기술을 이용하여 초소형으로 제작된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법은, 상층부 및 하층부를 각각 제작한 후 이들을 상하로 결합하여 완성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 제조 방법은, (a) 전처리부를 위한 제2 유체 채널과 흡광도 결정부를 위한 제4 유체 채널이 형성된 하층부(12)를 제작하는 단계; (b) 제1, 제2 및 제3 주입구가 형성되고, 제1 혼합부를 위한 제1 유체 채널과 제2 혼합부를 위한 제3 유체 채널이 형성된 상층부(14)를 제작하는 단계; (c) 상기 하층부위에 상층부를 접합시켜 제1, 제2, 제3 및 제4 유체 채널이 순차적으로 연결되도록 하여, 수질 분석용 마이크로 유체칩(10)을 완성하는 단계;를 구비한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 하층부를 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 상층부을 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이다. 도 4는 도 2에 의해 제작된 하층부과 도 3에 의해 제작된 상층부을 접합하여 수질 분석용 마이크로 유체칩을 완성한 상태를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 하층부(12)을 제작하는 과정을 설명한다. 하층부를 제작하기 위하여, 먼저 기판(200)의 표면을 산화시켜 기판의 표면에 산화층(210)을 형성한다(단계 a1). 상기 기판은 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있으며, 상기 산화층은 실리콘 웨이퍼를 산화(oxidation)시켜 형성될 수 있다.
다음, 사진 식각 공정을 이용하여 상기 산화층의 표면을 패터닝한다(단계 a2). 이때, 패터닝된 산화층은 전처리부의 제2 유체 채널(140)과 흡광도 결정부의 제4 유체 채널(160)이 될 영역이 제거된 형상을 갖게 된다.
다음, 상기 패터닝된 산화층을 마스크로 사용하여 상기 기판(200)을 습식 식각하여 전처리부를 위한 제2 유체 채널(140) 및 흡광도 결정부를 위한 제4 유체 채널(160)을 형성한다(단계 a3).
다음, 상기 산화층(210)을 제거한다(단계 a4).
다음, 상기 제2 유체 채널(140)의 표면에 광촉매 물질을 증착하여 광촉매층을 형성하여 하층부를 완성한다(단계 a5). 상기 광촉매층을 형성하기 위한 일 실시형태로는, 상기 제2 유체 채널의 표면에 Ti를 증착시킨 후 기판 전체를 산화시킴으로써, 제2 유체 채널의 표면에는 광촉매층인 TiO2층을 형성시키고, 나머지 영역에는 SiO2층을 형성시킬 수 있다.
다음, 도 3를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩의 상층부(14)을 제작하는 과정을 설명한다. 상층부을 제작하기 위하여, 먼저 기판(300)의 표면에 산화층(310)을 형성하고, 그 위에 포토 레지스트 물질인 Su-8(320)을 일정 두께로 증착시킨 후 패터닝하여, 기판위에 제1 및 제3 유체 채널의 역상이 형성된 몰드(330)를 제작한다(단계 b1).
다음, 상기 몰드(330)위에 열경화성 고분자 물질을 도포한 후 경화시켜 고분자층(340)을 형성한다(단계 b2). 상기 고분자층을 형성하는 열경화성 고분자 물질은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane;'PDMS'), 폴리우레탄 아크릴레이트(Polyurethane acrylate;'PUA') 중 하나로 구성될 수 있으며, 상기 고분자 층은 투명한 고분자 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
다음, 상기 고분자층(340)을 몰드(330)로부터 분리시킨 후, 상기 분리된 고분자층에 제1, 제2, 제3 주입구 및 배출구에 대응되는 위치에 각각 관통홀을 형성하여 상층부을 완성한다(단계 b3),
전술한 과정에 의해 상층부 및 하층부가 완성되면, 도 4에 도시된 바와 같이 상층부 및 하층부를 결합시켜, 본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩(10)을 완성하게 된다.
< 수질 분석 장치 >
전술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩을 이용한 수질 분석 장치의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩을 이용한 수질 분석 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩을 이용한 수질 분석 장치(50)는 수질 분석용 마이크로 유체칩(10), 제1 광원(510), 제2 광원(520), 광 검출 소자(530) 및 제어기(540)를 구비한다.
상기 수질 분석용 마이크로 유체칩(10)은 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 분석하기 위하여, 주입된 시료를 전처리한 후 발색시켜 제공하는 것으로서, 그 구성은 전술한 것과 동일하다.
상기 제1 광원(510)은 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩의 전처리부의 외부에 위치하여 상기 전처리부의 제2 유체 채널의 광촉매층으로 광촉매 반응을 위한 자외선 광을 제공하는 것으로서, Ultraviolet LED 를 사용할 수 있다. 따라서, 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩의 전처리부의 제2 유체 채널을 통과하는 시료는 제1 광원으로부터 제공된 광에 의해 광촉매층과 반응하여 전처리된다.
상기 제2 광원(520)은 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩의 흡광도 결정부의 외부에 위치하여 상기 흡광도 결정부의 제4 유체 채널로 광을 제공하는 것으로, LED 등이 사용될 수 있다. 따라서, 제2 광원을 이용하여 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩의 흡광도 결정부로 유입되는 시료로 흡광도 측정을 위한 광을 제공할 수 있게 된다.
상기 광 검출 소자(530)는 포토 다이오드(Photo Diode)로 구성될 수 있으며, 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩의 흡광도 결정부의 제4 유체 채널의 외부에 위치하여 상기 제2 광원에 의해 시료로 제공된 광에 의해 상기 시료로부터 발산되는 광을 검출하고 이를 전기적 신호로 변환하여 출력 신호를 제어기로 제공한다.
상기 제어기(540)는 상기 광 검출 소자로부터 제공되는 출력 신호를 이용하여 흡광도를 검출하고, 상기 흡광도를 이용하여 상기 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 측정하게 된다. 상기 제어기는 미지의 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 측정하기 위하여, 사전에 특정 물질에 대한 검량선 그래프를 준비하고, 분석하고자 하는 미지의 시료를 상기 수질 측정용 마이크로 유체칩을 통과시킨 후 광 검출 소자로부터 출력 신호를 검출하고, 상기 검량선 그래프와 출력 신호를 이용하여 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 분석하게 된다.
이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 상기 검량선 그래프를 준비하는 과정을 간단하게 설명한다. 도 6은 인산염의 표준 용액에 있어서 각 농도에 대한 흡광도들을 도시한 그래프이며, 도 7은 분광 광도계에서, 표준 용액내의 총인의 농도에 따른 흡광도를 도시한 그래프이며, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석용 마이크로 유체칩에 있어서, 표준 용액내의 총인의 농도에 따른 흡광도를 도시한 그래프이다.
먼저, 특정 물질, 예컨대 질소 또는 인의 농도를 알고 있는 표준 용액을 제작하고, 상용화된 전처리 장비를 이용하여 상기 표준 용액을 전처리 및 발색시키고, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 분광 장비를 이용하여 특정 물질의 농도에 따른 흡광도를 측정한다. 다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 동일한 표준 용액을 본 발명에 따른 수질 분석 장치의 수질 분석용 마이크로 유체칩을 이용하여 혼합, 전처리 및 발색시킨 후 상용의 분광 장비를 이용하여 특정 물질의 농도에 따른 흡광도를 측정하고 본 발명에 따른 수질 분석 장치의 광 검출 소자의 출력 신호도 측정한다. 이 때, 종래의 전처리 장비 및 분광 장비를 이용하여 측정된 흡광도와 본 발명에 따른 마이크로 유체칩을 이용하여 측정된 흡광도를 비교하여, 그 결과가 동일한지 여부를 판단하고, 만약 그 결과가 동일하지 아니한 경우 본 발명에 따른 수질 분석 장치의 수질 분석용 마이크로 유체칩의 전처리제 및 발색제의 용량 등을 조절하여 상용 장비에 의한 흡광도와 동일한 흡광도가 나오도록 캘리브레이션(Callibration)하는 것이 바람직하다.
이러한 과정을 통해, 본 발명에 따른 수질 분석 장치를 이용하여 특정 물질의 농도를 이미 알고 있는 표준 용액의 특정 물질에 대한 흡광도 및 광 검출 소자의 출력 신호를 측정하고, 측정된 결과들을 Beer-lambert 법칙을 토대로 하여 검량선 그래프를 작성하게 된다. Beer-Lambert 법칙은 수학식 1로 표현될 수 있으며, 광 검출 소자의 출력 신호가 전류값인 경우, 시료가 없는 경우의 기준값(Iref)과 시료에 의한 측정값(Ic)을 이용하여, 흡광도 A를 구할 수 있게 된다.
이렇게 작성된 검량선 그래프는 제어기의 데이터 저장부에 저장되며 미지의 시료의 분석시 사용된다.
이하, 상기 제어기가 검량선 그래프를 이용하여 미지의 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 분석하는 과정을 간단하게 설명한다. 상기 제어기는 분석하고자 하는 미지의 시료를 상기 수질 측정용 마이크로 유체칩을 통과시킨 후 광 검출 소자로부터 출력 신호를 검출하고, 상기 측정된 출력 신호와 상기 검량선 그래프를 비교하여 상기 시료에 포함된 특정 물질에 대한 흡광도 및 농도를 검출하여 제공하게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 수질 분석 장치 및 수질 분석용 마이크로 유체칩은 수질 분석 등의 분야에 널리 사용될 수 있다.
10 : 수질 분석용 마이크로 유체칩
100 : 제1 주입구
110 : 제2 주입구
120 : 제3 주입구
130 : 제1 혼합부
140 : 전처리부
150 : 제2 혼합부
160 : 흡광도 결정부
50 : 수질 분석 장치
510 : 제1 광원
520 : 제2 광원
530 : 광 검출 소자
540 : 제어기
100 : 제1 주입구
110 : 제2 주입구
120 : 제3 주입구
130 : 제1 혼합부
140 : 전처리부
150 : 제2 혼합부
160 : 흡광도 결정부
50 : 수질 분석 장치
510 : 제1 광원
520 : 제2 광원
530 : 광 검출 소자
540 : 제어기
Claims (14)
- 검사하고자 하는 시료를 주입하기 위한 제1 주입구;
시료를 전처리하기 위한 전처리 용액을 주입하기 위한 제2 주입구;
발색제를 주입하기 위한 제3 주입구;
입력단이 상기 제1 및 제2 주입구와 연결된 제1 유체 채널로 구성되어, 제1 및 제2 주입구로 각각 주입되는 시료와 전처리 용액을 혼합하여 출력하는 제1 혼합부;
입력단이 상기 제1 혼합부의 출력단과 연결된 제2 유체 채널로 구성되어, 제1 혼합부로부터 유입된 시료를 전처리하여 상기 시료로부터 질산염 또는 인산염을 분리시키고, 질산염 또는 인산염이 분리된 상기 전처리된 시료를 출력하는 전처리부;
입력단이 상기 전처리부의 출력단 및 제3 주입구와 연결된 제3 유체 채널로 구성되어, 전처리부로부터 전처리된 시료가 유입되고 상기 제3 주입구로부터 발색제가 주입되며, 상기 전처리된 시료와 상기 발색제를 혼합하여 시료를 발색시키고, 상기 발색된 시료를 출력하는 제2 혼합부;
입력단이 상기 제2 혼합부의 출력단과 연결된 제4 유체 채널로 구성되어, 상기 제2 혼합부로부터 상기 발색된 시료가 유입되는 흡광도 결정부;
를 구비하고, 상기 전처리부는 제2 유체 채널의 내측 표면에 전처리에 사용되는 광촉매 물질이 증착되어 형성된 광촉매층을 구비하여 광촉매를 이용한 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 수질 분석용 마이크로 유체칩. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩의 흡광도 결정부는 제4 유체 채널을 통과하는 시료가 외부의 광원으로부터 제공된 빛을 흡수하고 일부 다시 방출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수질 분석용 마이크로 유체칩.
- 제1항에 있어서, 수질 분석용 마이크로 유체칩은 분석하고자 하는 시료의 구성 물질의 종류에 따라 제2 주입구으로 주입되는 전처리제 및 제3 주입구로 주입되는 발색제의 종류가 결정되는 것을 특징으로 하는 수질 분석용 마이크로 유체칩.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 미지의 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 분석하기 위하여, 주입된 시료를 전처리한 후 발색시켜 제공하는 수질 분석용 마이크로 유체칩;
상기 수질 분석용 마이크로 유체칩에서 발색된 시료가 통과하는 채널 영역으로 광을 제공하는 광원;
상기 제공된 광에 의해 상기 발색된 시료로부터 발산되는 광을 검출하고 이를 전기적 신호로 변환하여 출력 신호를 제공하는 광 검출소자;
상기 광 검출소자로부터 제공되는 출력 신호를 이용하여 흡광도를 검출하고, 상기 흡광도를 이용하여 상기 특정 물질의 농도를 측정하는 제어기;
를 구비하고, 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩은,
검사하고자 하는 시료를 주입하기 위한 제1 주입구;
시료를 전처리하기 위한 전처리 용액을 주입하기 위한 제2 주입구;
발색제를 주입하기 위한 제3 주입구;
입력단이 상기 제1 및 제2 주입구와 연결된 제1 유체 채널로 구성되어, 제1 및 제2 주입구로 각각 주입되는 시료와 전처리 용액을 혼합하여 출력하는 제1 혼합부;
입력단이 상기 제1 혼합부의 출력단과 연결된 제2 유체 채널로 구성되어, 제1 혼합부로부터 유입된 시료를 전처리하여 상기 시료로부터 질산염 또는 인산염을 분리시키고, 질산염 또는 인산염이 분리된 상기 전처리된 시료를 출력하는 전처리부;
입력단이 상기 전처리부의 출력단 및 제3 주입구와 연결된 제3 유체 채널로 구성되어, 전처리부로부터 전처리된 시료가 유입되고 상기 제3 주입구로부터 발색제가 주입되며, 상기 전처리된 시료와 상기 발색제를 혼합하여 시료를 발색시키고, 상기 발색된 시료를 출력하는 제2 혼합부;
입력단이 상기 제2 혼합부의 출력단과 연결된 제4 유체 채널로 구성되어, 상기 제2 혼합부로부터 상기 발색된 시료가 유입되는 흡광도 결정부;
를 구비하고, 상기 전처리부는 제2 유체 채널의 내측 표면에 전처리에 사용되는 광촉매 물질이 증착되어 형성된 광촉매층을 구비하여 광촉매를 이용한 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 장치. - 삭제
- 삭제
- 제9항에 있어서, 상기 제어기는,
특정 물질의 농도에 따른 흡광도 데이터를 사전에 측정하여 저장하고,
미지의 시료를 상기 수질 분석용 마이크로 유체칩을 통과시키고 이에 대응하여 광 검출 소자로부터 출력되는 출력 신호를 측정하고, 상기 측정된 출력 신호에 따른 흡광도를 계산하고,
상기 미지의 시료에 대하여 계산된 흡광도와 상기 사전에 저장된 농도에 따른 흡광도 데이터를 이용하여, 상기 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 장치. - 제9항에 있어서, 상기 수질 분석 장치는 분석하고자 하는 물질의 종류에 따라 수질분석용 마이크로 유체칩의 제2 및 제3 주입구로 각각 주입되는 전처리제 및 발색제의 종류가 결정되는 것을 특징으로 하는 수질 분석 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 수질 분석 장치는 수질 분석용 마이크로 유체칩의 전처리부의 광촉매층으로 광촉매 반응을 위한 광을 제공하는 제1 광원을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020160025280A KR101766283B1 (ko) | 2016-03-02 | 2016-03-02 | 수질분석용 마이크로 유체칩 및 이의 제조 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020160025280A KR101766283B1 (ko) | 2016-03-02 | 2016-03-02 | 수질분석용 마이크로 유체칩 및 이의 제조 방법 |
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