KR101896007B1 - 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서 및 이의 제작방법 - Google Patents

다층구조의 환경장애 진단용 종이센서 및 이의 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정샘플의 프롤린과 닌히드린이 유동하는 미세유체채널을 밀폐형으로 구성하고 닌히드린을 균일하게 코팅함으로써 프롤린을 정밀하고 정확한 검출할 수 있도록 왁스프린팅(wax printing) 방법 및 오리가미(Origami) 방법을 사용한 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서에 관한 것이다.

Description

다층구조의 환경장애 진단용 종이센서 및 이의 제작방법{Paper Sensor for Diagnostic of Environmental disorders having multi layer and method for manufacturing the same}
본 발명은 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서 및 이의 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정샘플의 프롤린과 닌히드린이 유동하는 미세유체채널을 밀폐형으로 구성하고 닌히드린을 균일하게 코팅함으로써 프롤린을 정밀하고 정확한 검출할 수 있도록 왁스프린팅(wax printing) 방법 및 오리가미(Origami) 방법을 사용한 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서 및 이의 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로, 식물이나 작물(이하 '작물'이라 한다)은 이동이 불가하기 때문에, 생장하는 내내 다양한 환경 요인들로부터 영향을 받게 된다.
특히, 다양한 환경 요인 중 가뭄, 고염(high salinity), 중금속, 냉해, 고온 및 오존 등과 같은 환경장애, 즉 작물이 환경 스트레스에 직면하게 되고, 이러한 환경장애는 작물의 생장과 발달의 제한 요인이 된다.
이와 같이 작물이 환경장애에 영향을 받게 되면, 작물 세포 내 세포질에 아미노산의 일종인 프롤린을 축적하게 되며, 이러한 프롤린은 작물이 생장하는데 있어서 단백질의 합성뿐만 아니라 광합성 효율, 개화시기 및 배유 발달에 아주 중요한 용향을 미치는 신호 분자로 알려지고 있다.
따라서, 환경장애에 따라 세포질에 축적되는 프롤린의 농도 변화를 이용하여 환경장애가 작물의 생장에 얼마나 큰 영향을 미치는지 측정하여 알 수 있다.
하지만, 이러한 측정은 채취한 작물을 실험실로 가져가야만 이루어질 수 있으며 분석 시간이 많이 소요되어, 작물의 생장 측정 및 분석이 늦어질 뿐 아니라 환경장애에 대한 작물의 생장 상태를 현장에서 실시간으로 모니터링할 수 없는 단점이 있었다.
이상 설명한 바와 같은 환경장애가 작물의 생장에 미치는 영향에 대한 기술은 특허문헌 1에 자세히 기재되어 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명자는 상기와 같은 문제를 해결하고자 많은 투자와 연구를 계속한 끝에 채취한 식물을 실험실로 옮기지 않고 현장에서 바로 분석할 수 있는 기술을 개발하여, "환경장애 현장 진단키트"라는 명칭으로 특허출원하였으며, 이는 특허등록 제10-1579045호(이하 '선행문헌 1'이라 칭함)로 등록된 바 있다.
선행문헌 1은 환경장애에 따른 작물의 생장상태를 현장에서 실시간으로 측정하기 위한 진단키트로서, 진단키트는, 현장에서 채취한 작물의 샘플을 흡수하는 종이센서; 종이센서가 투입되어 구비되는 본체; 본체 내에 구비되어 종이센서를 히팅하는 히터; 및 본체에 구비되어 히팅되는 종이센서의 발색반응을 촬영할 수 있는 카메라를 갖는 스마트폰;을 포함한다.
이를 통해, 상기 선행문헌 1은 채취한 작물을 별도의 분석과정 없이 현장에서 실시간으로 측정하여 모니터링 할 수 있게 됨으로써 환경장애에 따른 작물의 생장 상태를 현장에서 신속하게 모니터링 할 수 있고, 그에 따른 후속 조치를 신속하게 취할 수 있어 작물 관리 비용을 최소화할 수 있으며, 생산량 개선의 효과가 있다.
또한, 본 발명자는 선행문헌 1에서, 본체에 종이센서를 투입할 때, 종이센서가 구겨지거나 또는 고정되지 않아 정해진 위치를 이탈함으로써, 카메라를 통해 찍을 수 없는 문제점과 정해진 위치에서 이탈되면 전체적으로 열이 전달되지 않으므로 열효율이 낮아지고 이로 인해 진단이 원활하게 진행되지 않는 문제점을 해결하기 위하여, 가뭄이나 저온 또는 수분 스트레스 현상 등의 환경장애에 따른 작물의 생장 및 생육 상태를 현장에서 신속하게 측정할 수 있도록 한 탈부착형 센서모듈을 구비한 "환경장애 예방용 진단키트"를 개발하여 특허출원하였으며, 이는 특허등록 제10-1699667호(이하 '선행문헌 2'라 칭함)로 등록된 바 있다.
선행문헌 2는 환경장애에 따른 작물의 생장상태를 현장에서 실시간으로 측정하기 위한 진단키트로서, 진단키트는, 현장에서 채취한 작물의 샘플을 흡수하는 종이센서; 히터와 온도센서가 집적화된 센서모듈을 포함하는 한편, 상기 종이센서를 구속하는 센서모듈조립체; 상기 센서모듈조립체가 삽입되어 결합되는 본체: 상기 본체에 구비되는 한편, 히팅되는 종이센서의 발색반응을 촬영할 수 있는 카메라를 갖는 스마트폰;을 포함하되, 상기 종이센서는 상기 센서모듈조립체가 상기 본체에 결합되어 통전될 때 발색반응을 일으키도록 구성된다.
이를 통해 선행문헌 2는 본체에 별도의 거치대를 형성할 필요가 없고, 스마트폰의 종류나 크기에 상관없이 호환될 수 있는 효과를 유지하면서 구조의 간단화 및 상기 본체에 착탈이 용이하며, 종이센서가 상기 본체내부로 구비될 때, 위치가 탈선되거나 또는 구겨짐이 발생되지 않아 상기 스마트폰을 통해 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 센서모듈 상부에 종이센서가 구비되는 한편, 본체 내부에 센서모듈조립체가 삽입될 때만 통전됨으로써, 히터의 열에너지 낭비를 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기한 선행문헌 1과 선행문헌 2에서는 닌히드린 반응을 이용하여 프롤린을 검출하는 종이센서를 개시하고 있으며, 이 종이센서는 오픈채널을 통해 샘플이 흐르도록 하고 비색법으로 프롤린을 검출하고 있다.
여기서, 닌히드린 반응은 단백질의 아미노산이 닌히드린과 반응하여 청자색 내지 적자색으로 발색하는 것을 나타내지만, 작물에 포함된 프롤린의 경우에는 닌히드린과 반응하여 발색하게 된다. 따라서, 센서부에 나타낸 색상을 비교함으로써 프롤린의 양을 정량적으로 검출할 수 있게 된다.
하지만, 종래의 종이센서는 오픈채널을 통해 샘플이 유동하게 되어 샘플 분석 중 외부환경으로부터 오염물질이 혼입되고, 현장에서의 프롤린 검출을 위하여 닌히드린 용액과 시약인 설포실리실산(sulfosalicylic acid) 용액을 구비하여야 하며, 오픈채널을 통한 샘플 유동 중에 측정샘플이 증발하여 정밀한 측정이 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 종이 센서는 단층 구조로 이루어져 시약 수를 줄이기 위해 닌히드린을 샘플로드부에 미리 로드하여 코팅할 경우, 닌히드린이 미세유체채널을 통해 유동하여 샘플로드부 및 채널의 위치에 따라 닌히드린 농도 차이가 발생하게 된다. 이에 따라, 측정샘플을 로드하여 프롤린을 검출할 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 센서부에서의 색이 균일하지 않고 띠 형태로 색상이 나타나는 불균일 반응이 일어나 프롤린을 정량적으로 검출하기 어려운 문제점도 있다.
KR 10-1361149 B1 KR 10-1579045 B1 KR 10-1699667 B1
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 환경장애에 따른 작물의 생장 상태를 현장에서 실시간으로 측정하는데 사용되는 종이센서를 외부환경으로부터의 오염물 혼입과 측정샘플의 증발을 방지하는 수단을 제공하데 그 목적이 있다.
또한, 닌히드린이 균일하게 코팅될 수 있도록 하여 센서 감도가 형상되며 프롤린의 각각의 농도에 따른 다양한 색상이 검출되도록 하는 수단을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 현장 검출이 가능할 수 있도록 휴대가 가능한 수단을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 센싱을 위한 센서 구동에 필요한 동력의 소비 및 센싱 시간을 최소화하는 구조를 제공하데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서는, 샘플로드부(11)가 형성된 제 1층(10); 상기 제 1층 저부에 위치하는 한편 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20); 상기 제 2층 저부에 위치하는 한편 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30); 상기 제 3층 저부에 위치하는 한편 방수층으로 형성된 제 4층(40);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서는, 샘플로드부(11) 및 디스플레이부(13)가 형성된 제 1층(10); 상기 제 1층 저부에 위치하는 한편 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20); 상기 제 2층 저부에 위치하는 한편 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30); 상기 제 3층 저부에 위치하는 한편 방수층으로 형성된 제 4층(40);을 포함하되, 상기 디스플레이부(13) 및 센서부(33)는 수직유체채널(35)를 통해 서로 연결된 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서는, 샘플로드부(11) 및 디스플레이부(13)가 형성된 제 1층(10); 상기 제 1층 저부에 위치하는 한편 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20); 상기 제 2층 저부에 위치하는 한편 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30); 상기 제 3층 저부에 위치하는 한편 방수층으로 형성된 제 4층(40);을 포함하되, 상기 디스플레이부(13)는 센서부(33)를 확인할 수 있도록 통공으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1층 및 제 2층의 길이는 센서부(33)를 덮지 않도록 제 3층보다 짧게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1층과 제 3층의 센서부(33)가 형성된 부분은 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1층, 제 2층 및 제 3층의 센서부(33)가 형성된 부분이 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수직유체채널(35)은 제 2층을 관통하여 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 디스플레이부(13)는 제 2층을 관통하여 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 샘플로드부(11)에도 닌히드린이 코팅된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세유체채널(31)은 측정샘플의 프롤린과 닌히드린이 충분하게 섞일 수 있도록 S자형 유로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1층 내지 제 4층은 한장의 종이로 형성되어 종이접기에 의해 다층으로 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서의 제작방법은, 한장의 종이에 일정 간격으로 종이접기 선, 샘플로드부(11), 닌히드린부(21), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)를 형성하는 패턴 디자인 단계(S10); 샘플로드부(11), 닌히드린부(21), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)를 제외한 나머지 부분을 왁스 프린터로 프린팅하는 왁스 프린팅 단계(S20); 상기 샘플로딩부(11)와 그 하부의 닌히드린부(21)에 닌히드린을 일정 농도로 코팅하는 닌히드린 코팅 단계(S30); 왁스가 침투된 종이를 종이접기 선을 따라 접어 다층구조로 형성하는 종이접기 단계(S40)와; 종이접기에 의해 접혀진 각 층을 접착제로 접착하여 본체(A)를 형성하는 접착 단계(S50);를 포함하는 것을 특징으로으로 한다.
또한, 상기 패턴 디자인 단계(S10)에서 설계되는 센서 패턴은, 샘플로드부(11)가 형성된 제 1층(10), 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30), 방수층으로 형성된 제 4층(40)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패턴 디자인 단계(S10)에서 설계되는 센서 패턴은, 샘플로드부(11) 및 디스플레이부(13)가 형성된 제 1층(10), 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30), 방수층으로 형성된 제 4층(40)을 포함하되, 상기 디스플레이부(13) 및 센서부(33)는 수직유체채널(35)를 통해 서로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패턴 디자인 단계(S10)에서 설계되는 센서 패턴은, 샘플로드부(11) 및 디스플레이부(13)가 형성된 제 1층(10), 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30), 방수층으로 형성된 제 4층(40)을 포함하되, 상기 디스플레이부(13)는 센서부(33)를 확인할 수 있도록 통공으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 닌히드린 코팅 단계(S30)는, 제 1층의 샘플로딩부(11)와 그 하부의 제 2층의 닌히드린부(21)에 일정 농도의 닌히드린 용액을 로드한 후 건조시켜 닌히드린이 코팅되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서 및 그 제작방법은 샘플로드부와 닌히드린부에 각각 닌히드린을 로드하되, 닌히드린부를 샘츨로드부와 서로 다른 층으로 독립적으로 형성함으로써 닌히드린을 균일하게 코팅할 수 있게 되어 센서부에서의 검출 감도가 향상되고 프롤린의 발색 반응에 따른 색상이 농도별로 다양하게 나타나는 효과가 있다.
또한, 샘플로드부와 센서부의 표층만 노출되고 샘플로드부와 센서부의 하부 및 이들을 연결하는 미세유체채널은 본체 내부에 밀폐되어 있도록 하므로, 외부환경으로부터의 이물질 혼입이나 측정샘플의 증발 등이 방지되어 측정 결과에 대한 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 상기 미세유체채널이 S자 형상으로 형성되어 길이가 길어짐에 따라 측정샘플의 프롤린과 닌히드린이 충분히 혼합되어 균일한 발색반응이 이루어지게 되는 효과가 있다.
또한, 상기 미세유체채널의 하부에 방수층이 형성되어 미세유체채널을 따라 흐르는 프롤린이나 닌히드린이 아래 방향으로 누설되지 않게 되고 검출 결과에 대한 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 다층구조를 형성함에 있어 오리가미 방법을 다양하게 적용함으로써, 발열부의 구동전력과 센싱에 소요되는 센싱시간을 최소화하는 효과가 있다.
또한, 상기 샘플로드부 및 그 하부의 닌히드린부에 닌히드린이 미리 코팅되어 있어 별도의 닌히드린 용액을 준비할 필요없이 시약인 설포실리실산만 준비하여 현장에서 프롤린을 검출할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 환경장애 진단용 종이센서가 도시된 사시도 및 단면도
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 환경장애 진단용 종이센서가 도시된 사시도 및 단면도
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 환경장애 진단용 종이센서가 도시된 사시도 및 단면도
도 4는 본 발명의 환경장애 진단용 종이센서의 제조 방법을 나타낸 순서도
도 5는 본 발명에 따른 패턴 디자인을 나타낸 평면도
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 패턴 디자인을 나타낸 평면도
도 7은 본 발명에 따른 왁스 프린팅 단계를 나타낸 공정도
도 8은 종이에 왁스가 침투되는 모습을 나타낸 참고도
도 9는 프롤린 농도에 따른 그린칼라 강도의 변화를 나타낸 그래프
도 10은 측정샘플의 프롤린 농도에 따른 센서부의 색상 변화를 나타낸 참고도
도 11은 본 발명에 따른 오리가미 단계를 나타낸 사시도
도 12는 종래의 오픈형 미세유체채널을 이용한 센서부의 발색반응을 나타낸 참고도
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우에는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서는, 샘플로드부(11)에 로드된 측정샘플에 대한 닌히드린 반응을 통해 프롤린을 검출하는 것으로, 각 실시예에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따른 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서는 작물에서 얻어진 측정샘플이 로드되도록 종이로 형성된 본체(A)의 일측에 형성되며 닌히드린이 코팅된 샘플로드부(11) 및 디스플레이부(13)가 형성된 제 1층(10); 상기 제 1층 저부에 위치하는 한편 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20); 상기 제 2층 저부에 위치하는 한편 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30); 상기 제 3층 저부에 위치하는 한편 방수층으로 형성된 제 4층(40);을 포함하되, 상기 디스플레이부(13) 및 센서부(33)는 수직유체채널(35)를 통해 서로 연결되어 이루어진다.
실시예 1의 경우 한장의 종이에 각 층별 구성을 패터닝하고, 그 길이를 동일하게 구획한 후 이를 종이접기 방법 중 오리가미(Origami)법을 통해 접음으로써 다층구조를 형성하는 것이므로, 상기 수직유체채널(35)은 제 2층을 관통하여 형성시킨다.
이로서, 환경장애를 진단하기 위하여 표본이 되는 작물로부터 측정샘플을 채취한 후, 이 측정샘플을 샘플로딩부(11)에 로딩하면. 로딩된 측정샘플의 프롤린은 샘플로딩부(11) 하부의 닌히드린부(21)에 코팅된 닌히드린과 반응하여 결합되고, 결합된 프롤린과 닌히드린은 용액의 형태로 미세유체채널(31)을 따라 흐르게 되고, 측정샘플의 프롤린과 닌히드린은 상기 미세유체채널(31)을 흐른 후 수직유체채널(35)을 따라 디스플레이부(13)까지 흐르는 동안 완벽하게 섞이게 된다, 이때, 미세유체채널(31)은 측정샘플의 프롤린과 닌히드린이 충분하게 섞일 수 있도록 S자형 유로를 형성하는 것도 무방하다.
이어서, 프롤린-닌히드린 반응에 의해 센서부(33)에서 발색이 디스플레이부(13)까지 이루어지도록 핫플레이트(hotplate)를 사용하여 150℃에서 10분 동안 가열하여 센서부(13) 및 디스플레이부(13)의 색의 변화, 즉 색이 분홍색으로 변색하는 변색 정도를 통해 프롤린의 농도를 검출할 수 있게 된다.
여기서, 실시예 1은 센서부(33)에서 디스플레이부(13)에 이르는 경로가 다른 실시예에 비해 길게 되어 프롤린-닌히드린 반응에 필요한 시간을 충분히 확보할 수 있는 장점을 갖는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 실시예 2에 따른 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서는 작물에서 얻어진 측정샘플이 로드되도록 종이로 형성된 본체(A)의 일측에 형성되며 닌히드린이 코팅된 샘플로드부(11) 및 디스플레이부(13)가 형성된 제 1층(10); 상기 제 1층 저부에 위치하는 한편 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20); 상기 제 2층 저부에 위치하는 한편 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30); 상기 제 3층 저부에 위치하는 한편 방수층으로 형성된 제 4층(40);을 포함하되, 상기 디스플레이부(13)는 센서부(33)를 확인할 수 있도록 통공으로 형성되어 이루어진다.
실시예 2의 경우 한장의 종이에 각 층별 구성을 패터닝하고, 그 길이를 동일하게 구획한 후 이를 종이접기 방법 중 오리가미(Origami)법을 통해 접음으로써 다층구조를 형성하는 것이므로, 상기 디스플레이부(13)의 통공은 제 2층을 관통하여 형성시킨다.
이로서, 환경장애를 진단하기 위하여 표본이 되는 작물로부터 측정샘플을 채취한 후, 이 측정샘플을 샘플로딩부(11)에 로딩하면. 로딩된 측정샘플의 프롤린은 샘플로딩부(11) 하부의 닌히드린부(21)에 코팅된 닌히드린과 반응하여 결합되고, 결합된 프롤린과 닌히드린은 용액의 형태로 미세유체채널(31)을 따라 흐르게 되고, 측정샘플의 프롤린과 닌히드린은 상기 미세유체채널(31)을 흐르는 동안 충분하게 섞이게 된다, 이를 위하여 미세유체채널(31)은 측정샘플의 프롤린과 닌히드린이 충분하게 섞일 수 있도록 S자형 유로를 형성하는 것이 바람직하다.
이어서, 프롤린-닌히드린 반응에 의해 센서부(33)에서 발색이 디스플레이부(13)까지 이루어지도록 핫플레이트(hotplate)를 사용하여 110℃에서 3분 동안 가열하여 센서부(13)의 색의 변화, 즉 색이 분홍색으로 변색하는 변색 정도를 통해 프롤린의 농도를 검출할 수 있게 된다.
여기서, 실시예 2는 센서부(33)에서 디스플레이부(13)가 통공으로 형성되어 있으므로 실시예 1에 비하여 프롤린-닌히드린 반응이 이러난 샘플이 센서부(33)에서 수직유체채널(35)을 통해 중력을 거스르면서 디스플레이부(13)까지 도달하는 시간을 줄일 수 있고, 또한 유체채널 경로가 짧게 되어 프롤린-닌히드린 반응 후 변색을 위해 가해지는 가열시간이 110℃에서 3분 정도로 짧게 됨에 따라 저전력, 빠른 센싱 및 고감도를 갖는 장점이 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 3에 따른 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서는 작물에서 얻어진 측정샘플이 로드되도록 종이로 형성된 본체(A)의 일측에 형성되며 닌히드린이 코팅된 샘플로드부(11)가 형성된 제 1층(10); 상기 제 1층 저부에 위치하는 한편 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20); 상기 제 2층 저부에 위치하는 한편 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30); 상기 제 3층 저부에 위치하는 한편 방수층으로 형성된 제 4층(40);을 포함하되, 상기 제 1층 및 제 2층의 길이는 센서부(33)를 덮지 않도록 제 3층보다 짧게 형성되어 이루어진다.
실시예 3의 경우 한장의 종이에 각 층별 구성을 패터닝하고, 그 길이를 달리하여 구획한 후 이를 종이접기 방법 중 오리가미(Origami)법을 통해 접음으로써 다층구조를 형성한다. 즉, 제 1층과 제 2층은 그 길이가 서로 상이하거나 동일할 수 있으나, 적어도 제 2층은 제 3층의 센서부를 제외한 나머지 부분에 접하여 미세유체채널(31)을 밀폐시키도록 형성한다. 이는 상기 제 1층과 제 3층의 센서부(33)가 형성된 부분은 외부로 노출되고, 상기 제 1층, 제 2층 및 제 3층의 센서부(33)가 형성된 부분이 외부로 노출되는 것을 의미한다.
이로서, 환경장애를 진단하기 위하여 표본이 되는 작물로부터 측정샘플을 채취한 후, 이 측정샘플을 샘플로딩부(11)에 로딩하면. 로딩된 측정샘플의 프롤린은 샘플로딩부(11) 하부의 닌히드린부(21)에 코팅된 닌히드린과 반응하여 결합되고, 결합된 프롤린과 닌히드린은 용액의 형태로 미세유체채널(31)을 따라 흐르게 되고, 측정샘플의 프롤린과 닌히드린은 상기 미세유체채널(31)을 흐르는 동안 충분하게 섞이게 된다, 이를 위하여 미세유체채널(31)은 측정샘플의 프롤린과 닌히드린이 충분하게 섞일 수 있도록 S자형 유로를 형성하는 것이 바람직하다.
이어서, 프롤린-닌히드린 반응에 의해 센서부(33)에서 발색이 디스플레이부(13)까지 이루어지도록 핫플레이트(hotplate)를 사용하여 110℃에서 3분 동안 가열하여 센서부(13)의 색의 변화, 즉 색이 분홍색으로 변색하는 변색 정도를 통해 프롤린의 농도를 검출할 수 있게 된다.
여기서, 실시예 2는 센서부(33)에서 디스플레이부(13)가 통공으로 형성되어 있으므로 실시예 1에 비하여 프롤린-닌히드린 반응이 이러난 샘플이 센서부(33)에서 수직유체채널(35)을 통해 중력을 거스르면서 디스플레이부(13)까지 도달하는 시간을 줄일 수 있고, 또한 유체채널 경로가 짧게 되어 프롤린-닌히드린 반응 후 변색을 위해 가해지는 가열시간이 110℃에서 3분 정도로 짧게 됨에 따라 저전력, 빠른 센싱 및 고감도를 갖는 장점뿐만 아니라, 실시예 2에 비하여 종이 소비 및 구조적 단순성을 유지할 수 있는 장접이 있다.
이로서, 실시예 1 내지 3은 작물의 생장 상태를 현장에서 실시간으로 측정하는데 사용되는 종이센서를 다층으로 구성하되, 밀폐 구조로 형성하는 구조를 제공하게 된다. 이에 따라, 상기 샘플로드부(11)에 로드된 측정샘플이나 상기 미세유체채널(15)을 따라 흐르는 측정샘플에 외부환경에 의한 이물질의 혼입이 방지되고, 측정샘플이 증발하지 않게 되어 측정 감도와 측정 결과에 대한 신뢰도가 향상된다.
한편, 실시예 1 내지 3에서는 상기 샘플로드부(11)에도 닌히드린을 코팅한다. 이로서, 닌히드린을 균일하게 코팅하기 위해 코팅할 수 있는 영역을 독립적인 층으로 형성한다. 즉, 닌히드린을 독립적으로 균일하게 도포할 수 있는 층을 두 층(샘프로드부 및 닌히드린부, 닌히드린부)으로 형성하고, 닌히드린을 닌히드린부에 약 90μl로 코팅할 경우 한 층보다는 두 층에서 센서의 감도가 우수하게 된다. 한편, 닌히드린부 삼 층 이상일 때는 두 층과 같은 센서 감도를 가지므로 닌히드린 코팅부를 두 층으로 하는 것이 바람직하다.
이는 특허문헌 1과 같이 종래 기술에서는 종이센서 제작시 왁스 프린팅(wax printing) 방법으로 샘플로딩부 및 닌히드린부, 채널부, 센서부가 동시에 하나의 종이 층에 구성되는 센서이므로 닌히드린부에만 닌히드린을 균일하게 코팅할 수 없는 문제점, 즉, 샘플로딩부 및 닌히드린부에 닌히드린을 코팅할 경우 닌히드린이 모세관 현상에 의해 닌히드린부부터 채널을 통해 센서부까지 흐르면서 균일하지 않게 닌히드린이 코팅이 되는 문제점, 및 이러한 상태에서 샘플로드부에 샘플을 로드할 경우 닌히드린과 샘플들이 맞나는 지점이 달라지면서 샘플마다 채널을 통해 섞이는 거리가 달라지는 문제점이 발생하며, 이로 인해 화학적 결합이 일정하게 일어나지 않아 일정한 열을 센서부에 인가했을 때 센서부에서 균일한 색 형태로 결과 값이 나타나지 않고 일정하지 않는 다양한 띠 형태로 나타나게 되어, 단지 샘플 내에 프롤린 유무에 대해서만 나타낼 수 있고 정량적인 량은 측정할 수 없는 문제점을 해결할 수 있게 된다.
한편, 실시예 1 내지 3에서 상기 제 4층을 방수층으로 형성하고, 이를 센서부가 형성된 제 3층과 동일한 길이로 그 저부에 형성함으로써, 상층부에 형성된 미세유체채널에서 반응을 확보할 수 있게 되어 휴대성이 가능해지는 효가를 갖는다.
아울러, 상기 미세유체채널을 측정샘플의 프롤린과 닌히드린이 충분하게 섞일 수 있도록 S자형 유로를 형성함으로써, 동일 면적에서 프롤린과 닌히드린이 반응하는 시간을 확보할 수 있게 되어 현장에서 사용할 수 있는 휴대형 종이센서의 구현이 가능해진다.
한편, 본체(A)를 구성함에 있어, 종이접기는 오리가미(Origami, 折り紙)법을 통해 형성하는 바, 오리가미란 한 장의 종이를 접어 다양한 형태의 모양을 만드는 '종이접기'를 의미하는 것으로, 본 실시예에서는 왁스가 코팅된 한장의 종이를 종이접기 선을 따라 시계방향과 반시계방향으로 서로 교번하여 접어 본체(A)를 형성한다. 이울러, 이렇게 형성된 다층구조의 종이센서 본체는 접혀진 각층을 통상의 접착제를 사용하여 완전밀폐되게 접착한다.
한편, 본 발명의 환경장애 진단용 종이센서의 제작방법은 도 3 내지 10에 도시된 바와 같이, 한장의 종이에 일정 간격으로 종이접기 선, 샘플로드부(11), 닌히드린부(21), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)를 형성하는 패턴 디자인 단계(S10); 샘플로드부(11), 닌히드린부(21), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)를 제외한 나머지 부분을 왁스 프린터로 프린팅하는 왁스 프린팅 단계(S20); 상기 샘플로딩부(11)와 그 하부의 닌히드린부(21)에 닌히드린을 일정 농도로 코팅하는 닌히드린 코팅 단계(S30); 왁스가 침투된 종이를 종이접기 선을 따라 접어 다층구조로 형성하는 종이접기 단계(S40)와; 종이접기에 의해 접혀진 각 층을 접착제로 접착하여 본체(A)를 형성하는 접착 단계(S50);를 포함하여 이루어진다.
상기 패턴 디자인 단계(S10)에서 설계되는 센서 패턴은, 도 1 내지 도 3과 같이, 샘플 로드부(11) 또는 샘플 로드부(11)와 디스플레이부(13)가 일정 간격을 두고 배치되도록 설계된 제 1층(10)과, 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20)과, 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30)과, 방수층으로 형성된 제 4층(40)으로 디자인되고, 상기 각 층을 구획하는 종이접기 선(a1 ~ a3)으로 디자인된다.
여기서, 상기 종이접기 선을 통해 형성되는 각 층의 길이는 서로 같거나 다를 수 있다. 이는 상기 실시예 1 내지 실시예 3을 통해 정해진다.
상기 왁스 프린팅 단계(S20)는 왁스가 프린팅된 종이를 핫 플레이트에 올려놓고 120℃의 온도조건으로 2~3분 동안 가열하여 왁스가 종이에 완전히 침투되도록 하게 된다. 예를 들면, 왁스가 프린팅된 종이를 핫 플레이트에 올려놓고 120℃의 온도조건으로 160초 정도 가열하게 되면 프린팅된 왁스가 녹아서 종이의 옆면으로 스며들면서 종이의 아랫면까지 완전히 침투하게 된다.
종이에 프린팅된 왁스는 120℃의 온도조건에서 녹아서 종이에 스며드는데, 시간의 흐름에 따라 더 깊은 곳까지 스며들게 된다. 구체적으로 두께가 800㎛인 종이에 왁스를 프린팅한 경우에는, 도 8과 9에 도시된 바와 같이 120℃의 온도조건으로 40초 동안 가열하더라도 왁스가 종이에 완전히 침투되지 못하고, 대략 160초 정도를 가열할 경우에 종이의 옆면으로 스며들면서 종이의 아랫면까지 완전히 침투된다.
상기 왁스 프린팅 단계(S20)에서 왁스가 프린팅되지 않는 부분은 종이만 남게 되고, 이 부분들이 상기 종이접기 선, 샘플로드부(11), 디스플레이부(13), 닌히드린부(21), 미세유체채널(33) 및 수직유체채널(35)를 형성하게 된다. 그리고, 상기 샘플로드부(11), 디스플레이부(13), 닌히드린부(21), 미세유체채널(33) 및 수직유체채널(35)의 주변이 왁스가 침투된 종이로 이루어져 있으므로, 상기 접착단계(S50)에 의해 형성된 본체(A)에서는 상기 샘플로드부(11), 또는 샘플로드부(11)와 디스플레이부(13), 또는 샘플로드부(11)와 센서부(33)만 외부로 노출되고 나머지 부분은 본체(A)의 내부에 위치하여 외부와 차단된 상태가 된다.
상기 닌히드린 코팅 단계(S30)에서는 상기 샘플로드부(11)와 그 하부의 닌히드린부(21)에 일정 농도의 닌히드린 용액을 로드한 후 건조시킴으로써 닌히드린이 일정한 농도로 코팅되도록 한다.
이와 같이, 상기 닌히드린부(21)에 일정 농도의 닌히드린이 코팅되면, 시약으로 설포실리실산 용액만 구비하고 있어도 간단하게 현장에서 프롤린을 검출할 수 있게 된다. 이에 따라, 기존에 현장에서 프롤린을 검출하기 위하여 프롤린을 추출하기 위한 시약인 설포실리실산 용액과 닌히드린 용액 두 개를 구비해야 하는 불편을 해소할 수 있게 된다.
그리고, 상기 샘플로드부(11)의 하부에 위치한 닌히드린부(21)에 닌히드린이 일정한 농도로 균일하게 코팅됨에 따라 센서부(33)에서의 감도가 향상되고 프롤린 농도에 따라 일정한 색상이 감지되어 검출 결과에 대한 신뢰성이 향상된다.
반면, 기존에는 샘플로드부와 미세유체채널 및 센서부로 구성된 종이센서가 단층구조로 형성되어 있어, 위치에 따라 닌히드린 농도의 차이가 발생하고 그로 인해 프롤린을 정량적으로 검출하기가 어려운 문제가 있었다. 즉, 종래의 단층구조에서는 샘플로드부에 코팅된 닌히드린이 미세유체채널을 통해 흘러감으로써 샘플로드부 및 미세유체채널의 위치에 따라 닌히드린 농도의 차이가 발생하게 되고, 그로 인해 센서부에서 프롤린을 검출할 때 센서부에 나타나는 색이 균일하지 않고 띠 형태로 색상이 나타나게 되어 프롤린을 정량적으로 검출하기가 어려웠던 것이다.
이상의 과정을 통해 닌히드린 코팅이 완료되면, 왁스가 코팅된 종이접기 단계(S40), 즉 오리가미(Origami) 단계를 수행한다. 상기 종이접기 단계(S40)에서는 본체(A)를 구성하는 각층을 특별한 정렬없이 종이접기 선을 기준으로 간단하게 접어주며, 종이접기 단계(S40)가 완료되면 각 층의 사이사이를 접착제로 접착하여 일체형의 본체(A)를 완성한다. 오리가미(折り紙)란 한 장의 종이를 접어 다양한 형태의 모양을 만드는 '종이접기'를 의미하는 것으로, 상기 종이접기 단계(S40)는 왁스가 코팅된 한장의 종이를 종이접기 선을 따라 시계방향과 반시계방향으로 서로 교번하여 접어 본체(A)의 형태를 만드는 단계이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 환경장애 진단용 종이센서를 이용하여 측정 샘플의 프롤린을 검출하는 과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.
환경장애를 진단하기 위하여 표본이 되는 작물로부터 측정샘플을 채취한 후, 이 측정샘플을 샘플로드부(11)에 로드한다. 로드된 측정샘플의 프롤린은 샘플로드부(11) 하부의 닌히드린부(21)에 코팅된 닌히드린과 반응하여 결합되고, 결합된 프롤린과 닌히드린은 용액의 형태로 S자형 미세유체채널(31)을 따라 흐르게 된다. 측정샘플의 프롤린과 닌히드린은 상기 미세유체채널(31)을 흐르는 동안 충분하게 섞이게 된다.
측정샘플을 샘플로드부(11)에 로드한 후 대략 2분 정도가 경과하면, 닌히드린이 결합된 프롤린이 센서부(33)에 도착한다. 상기 센서부(33)에 닌히드린이 결합된 프롤린이 도착하면, 핫 플레이트를 사용하여 각 실시예에 따른 조건, 즉, 제 1실시예의 경우 핫플레이트(hotplate)를 사용하여 150℃에서 10분 동안 가열, 제 2실시예 및 제 3실시예의 경우 핫플레이트(hotplate)를 사용하여 110℃에서 3분 동안 가열한다. 그 결과, 프롤린-닌히드린 반응에 의해 센서부(33)에서 발색이 이루어져 센서부(33)의 색이 변화된다.
이때, 상기 센서부(33) 또는 디스플레이부(13)의 색상은 측정샘플의 프롤린 농도에 따라 달라지게 되는데, 도 9에 도시된 바와 같이, 프롤린 농도가 증가할수록 상기 센서부(33) 또는 디스플레이부(13)의 색상에서 붉은 색의 발색 정도가 진하게 나타난다. 도 9에서는 150℃에서 10분 동안 종이센서를 가열하였을 때, 프롤린 농도가 각각 50, 100, 150, 200 마이크로몰인 경우에 있어서 상기 센서부(33) 또는 디스플레이부(13)의 색상을 나타내고 있다. 여기서, 프롤린 농도가 증가할수록 붉은 색의 발색정도가 진하게 나타나는 이유는, 도 10에 도시된 바와 같이, 측정샘플의 프롤린 농도가 증가하면 녹색의 색상강도는 감소함에 따른 것으로 판단된다.
이와 같이, 측정샘플의 프롤린 농도에 따라 상기 센서부(33) 또는 디스플레이부(13)의 색상이 달라지게 되므로, 상기 센서부(33) 또는 디스플레이부(13)의 변색 정도를 측정하여 기준이 되는 색상과 비교하는 비색법을 이용하면 측정샘플의 프롤린 농도를 검출할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
A...본체
10: 제 1층 11: 샘플로드부 13: 디스펠레이부
20: 제 2층 12: 닌히드린부
30: 제 3층 31: 미세유체채널 33: 센서부
40: 제 4층

Claims (16)

  1. 샘플로드부(11) 및 디스플레이부(13)가 형성된 제 1층(10);
    상기 제 1층 저부에 위치하는 한편 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20);
    상기 제 2층 저부에 위치하는 한편 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30);
    상기 제 3층 저부에 위치하는 한편 방수층으로 형성된 제 4층(40);을 포함하되,
    상기 디스플레이부(13) 및 센서부(33)는 수직유체채널(35)를 통해 서로 연결되는 한편,
    상기 제 1층 및 제 2층의 길이는 센서부(33)를 덮지 않도록 제 3층보다 짧게 형성됨으로써, 상기 제 1층과 제 3층의 센서부(33)가 형성된 부분이 외부로 노출되고,
    상기 샘플로드부(11)에도 닌히드린이 코팅되고,
    상기 미세유체채널(31)은 측정샘플의 프롤린과 닌히드린이 충분하게 섞일 수 있도록 S자형 유로를 형성하고,
    상기 제 1층 내지 제 4층은 한장의 종이로 형성되어 오리가미 방식에 의한 종이접기에 의해 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서
  2. 한장의 종이에 일정 간격으로 종이접기 선, 샘플로드부(11), 닌히드린부(21), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)를 형성하는 패턴 디자인 단계(S10);
    샘플로드부(11), 닌히드린부(21), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)를 제외한 나머지 부분을 왁스 프린터로 프린팅하는 왁스 프린팅 단계(S20);
    상기 샘플로드부(11)와 그 하부의 닌히드린부(21)에 닌히드린을 일정 농도로 코팅하는 닌히드린 코팅 단계(S30);
    왁스가 침투된 종이를 종이접기 선을 따라 접어 다층구조로 형성하는 오리가미 방식에 의한 종이접기 단계(S40)와;
    종이접기에 의해 접혀진 각 층을 접착제로 접착하여 본체(A)를 형성하는 접착 단계(S50);를 포함하고,
    상기 패턴 디자인 단계(S10)에서 설계되는 센서 패턴은, 샘플로드부(11) 및 디스플레이부(13)가 형성된 제 1층(10), 닌히드린부(21)가 형성된 제 2층(20), 미세유체채널(31) 및 센서부(33)가 형성된 제 3층(30), 방수층으로 형성된 제 4층(40)을 포함하되, 상기 디스플레이부(13) 및 센서부(33)는 수직유체채널(35)를 통해 서로 연결되고,
    상기 닌히드린 코팅 단계(S30)는, 제 1층의 샘플로딩부(11)와 제 2층의 닌히드린부(21)에 일정 농도의 닌히드린 용액을 로드한 후 건조시켜 닌히드린이 코팅되도록 하는 것을 특징으로 하는 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서 제작방법

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KR1020170164186A 2017-12-01 2017-12-01 다층구조의 환경장애 진단용 종이센서 및 이의 제작방법 KR101896007B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101987198B1 (ko) * 2018-10-22 2019-09-30 전남대학교산학협력단 작물의 병해를 진단하기 위한 종이 기반 pg 검출센서 및 그 제조방법과 이를 이용한 pg 검출방법

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US20040022678A1 (en) * 2000-03-17 2004-02-05 Yoshiyuki Komagoe Test paper
KR101579045B1 (ko) 2015-09-11 2015-12-18 전남대학교산학협력단 환경장애 현장 진단키트
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정진태 외, 작물 가뭄스트레스 진단을 위한 종이 기반 센서, 2015추계학술대회논문집제20권제2호, 한국농업기계학회, 2015. pp135-136
정진태, 작물 가뭄스트레스 신속 조기 진단을 위한 종이기반 미세유체 센서 개발, 전남대학교 공학 석사학위논문, 전남대학교 대학원 지역 바이오시스템 공학과, 2016년 8월*
최영수 외, 작물의 가뭄 스트레스 현장 진단을 위한 마이크로 히터 및 온도 센서가 집적화된 모듈을 사용한 종이기반 센서의 제작, 한국정밀공학회 학술대회발표논문집, 한국정밀공학회, 2017.05.pp702

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