KR102267243B1 - 열적으로 강화된 광촉매 반응을 활용한 수질 분석 소자 및 그 제조 방법, 이를 활용한 수질 분석 장치 - Google Patents
열적으로 강화된 광촉매 반응을 활용한 수질 분석 소자 및 그 제조 방법, 이를 활용한 수질 분석 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 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 측정부;를 포함하고, 상기 전처리부는 상기 시료와 전처리 용액을 혼합한 혼합 용액과 광촉매 반응을 하는 광촉매층과, 상기 광촉매층의 하부에 형성되어 상기 광촉매 반응에 열 에너지를 가하는 히터를 더 포함하는 수질 분석 소자를 제공한다.
Description
본 발명은 수질 분석 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 저온과 보다 짧은 분석시간에서 샘플 내 질산염 또는 인산염의 양을 실시간으로 분석하고 측정할 수 있는 초소형의 수질 분석 장치에 관한 것이다.
강이나 바다 등 수중생태계에 생활하수, 산업폐수, 가축 배설물 등의 오염물질이 유입되면, 질소, 인과 같은 영양물질이 많아지고, 이를 '부영양화'라고 한다.
이러한 부영양화에 의해 조류의 광합성량이 급격히 증가하여 성장과 번식이 매우 빠르게 진행되고 대량 증식으로 이어지고 있고 수질 오염에 큰 문제로 인식되고 있다.
현재 수질 오염의 큰 원인으로 인식되고 있는 부영양화를 억제하기 위한 방법으로 인 또는 질소 측정기기를 통해 사전 예방하고 있는 실정이다.
하지만, 종래의 수질 분석을 위한 인 또는 질소 측정기기는 실험실 단위의 설치면적을 차지할 정도로 부피가 크고 수 백만원 이상의 비싼 가격과 수 시간 내지 하루 이상의 긴 분석시간이 소요되어 사전 예방 및 방지에 미흡한 문제점이 있었다.
또한, 기존의 전처리 방법은 고온과 고압의 조건에서 긴 시간의 산화분해 과정을 수행하기 때문에 소형화된 장치로 구현하기가 매우 어려웠다.
이에 본 출원인의 선행특허 10-1766283호(수질분석용 마이크로 유체칩 및 이의 제조방법)을 통해 해결하고 있으나, 여전히 120℃ 이상의 고온과 30분 이상의 긴 분석 시간이 요구되고 있어 개선이 필요하다.
본 발명은 선행특허를 보다 개량한 형태로, 보다 저온과 보다 짧은 분석시간에서 샘플 내 질산염 또는 인산염의 양을 실시간으로 분석하고 측정할 수 있는 초소형의 수질 분석 소자을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 공정 기술 및 MEMS 기술을 이용하여 전술한 수질 분석 소자을 제작하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 수질 분석 소자을 이용한 수질 분석 장치를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 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 측정부;를 포함하고,
상기 전처리부는 상기 시료와 전처리 용액을 혼합한 혼합 용액과 광촉매 반응을 하는 광촉매층과, 상기 광촉매층의 하부에 형성되어 상기 광촉매 반응에 열 에너지를 가하는 히터를 더 포함하는 수질 분석 소자를 제공한다.
또한, 상기 수질 분석 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
또한, 상기 수질 분석 소자를 이용한 수질 분석 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 수질 분석 소자는 반도체 공정 기술 및 MEMS 기술을 이용하여 제작된 것으로서 휴대가 가능한 초소형의 크기로 제작이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 수질 분석 소자는 수질 분석에 필요한 전처리부, 혼합부, 측정부가 집적화되도록 구성되어, 시료내에 포함된 질소 또는 인의 농도를 실시간으로 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수질 분석 소자는 미량의 시료를 이용하여 분석할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수질 분석 소자는 기존 소자 대비 전처리 온도를 기존 120℃에서 75℃로 낮추어 보다 낮은 온도에서 가능하도록 하여 가열과 가압에 따른 소자 파괴 가능성을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수질 분석 소자는 기존 소자 대비 동작시간 또는 시료 내에 포함된 질소 또는 인의 농도 검출시간을 기존 30분에서 10분대 시간으로 처리 시간을 단축하여 측정시간이 짧고 소비전력이 낮은 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)를 도식화한 평면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)를 도식화한 측면도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)의 하층부(12)를 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이고
도 5는 도 3 및 도 4에 의해 제작된 하층부(12)과 상층부(14)를 접합하여 수질 분석 소자(10)을 완성한 상태를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자을 이용한 수질 분석 장치를 개략적으로 도시한 구성도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)에서 다중반사구조를 설명하기 위한 개념도,
도 8은 일반적으로 촉매와 온도가 분자들간에 미치는 영향을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 수질 분석 소자를 이용하여 광촉매(+열) 기반의 총인 전처리 성능 평가를 위한 실험 구성도,
도 10은 도 9의 실험에 따라 시간 및 온도 조건에 따른 흡광도를 나타낸 그래프,
도 11은 도 10의 시간 및 온도 조건에 따른 흡광도를 나타낸 그래프에서, 인이 포함된 용액의 농도를 변화시켜 (2mg/500ml -> 0.25mg/500ml) 측정된 흡광도를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 수질 분석 소자와 기존 상용 전처리 장비에 대해 검량선을 작성하여 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)를 도식화한 측면도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)의 하층부(12)를 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이고
도 5는 도 3 및 도 4에 의해 제작된 하층부(12)과 상층부(14)를 접합하여 수질 분석 소자(10)을 완성한 상태를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자을 이용한 수질 분석 장치를 개략적으로 도시한 구성도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)에서 다중반사구조를 설명하기 위한 개념도,
도 8은 일반적으로 촉매와 온도가 분자들간에 미치는 영향을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 수질 분석 소자를 이용하여 광촉매(+열) 기반의 총인 전처리 성능 평가를 위한 실험 구성도,
도 10은 도 9의 실험에 따라 시간 및 온도 조건에 따른 흡광도를 나타낸 그래프,
도 11은 도 10의 시간 및 온도 조건에 따른 흡광도를 나타낸 그래프에서, 인이 포함된 용액의 농도를 변화시켜 (2mg/500ml -> 0.25mg/500ml) 측정된 흡광도를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 수질 분석 소자와 기존 상용 전처리 장비에 대해 검량선을 작성하여 비교한 그래프이다.
본 발명에 따른 수질 분석 소자는 반도체 제조 공정 및 MEMS 기술을 이용하여 마이크로 칩의 초소형으로 저가로 제작될 수 있으며, 분석 대상인 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 분석 소자, 상기 수질 분석 소자를 이용한 수질 분석 장치 및 상기 수질 분석 소자의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
< 수질 분석 소자 >
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)를 도식화한 평면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)를 도식화한 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수질 분석 소자(10)은, 제1 주입구(100), 제2 주입구(110), 제3 주입구(120), 제1 혼합부(130), 전처리부(140), 제2 혼합부(150) 및 측정부(160)를 구비한다.
상기 제1 주입구(100)는 검사 대상 시료로서 인(Phosphorus)이 포함된 시료를 주입하는 주입구이다.
상기 제2 주입구(110)는 상기 제1 주입구(100)를 통해 주입된 시료를 전처리하기 위한 전처리 용액을 주입하기 위한 주입구이다. 가령, 전처리 용액은 인(Phosphorus)을 분해하기 위한 분해제가 주입될 수 있고, 상기 분해제로는 과황산칼륨(K2S2O8)이 사용될 수 있다.
상기 제3 주입구(120)는 발색제를 주입하기 위한 주입구이다. 가령, 상기 발색제는 시료 내 포함된 인의 농도를 분석하는 경우 암모늄 몰리브데이트(Ammonoium molybdate) 및 아스코르빈산(ascorbic acid)의 혼합액을 사용할 수 있다.
상기 제1 혼합부(130)는 입력단과 출력단을 갖는 제1 유체 채널로 구성되며, 상기 입력단은 상기 제1 및 제2 주입구(100, 110)와 연결되며 상기 출력단은 전처리부(140)의 입력단과 연결된다. 이와 같이 구성된 제1 혼합부(130)는 제1 및 제2 주입구(100, 110)로 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 전처리부(140)는 상부에 형성된 UV LED ARRAY에서 조사된 자외선(UV)에 의해 상기 시료와 전처리 용액을 혼합한 혼합 용액과 광촉매 반응을 하는 광촉매층(141)과, 상기 광촉매층(141)의 하부에 형성되어 상기 광촉매 반응에 열 에너지를 가하는 히터(142)를 구비하여, 열적으로 강화된 광촉매 반응을 통해 전처리 효율을 개선할 수 있다. 이때, 상기 자외선의 파장은 365nm 대역이 바람직하고, 상기 광촉매 물질은 TiO2 등이 사용될 수 있고, 상기 상부의 광촉매층(141)과 하부의 히터(142)는 한 쌍으로 상기 제2 유체 채널 상에 소정 간격을 두고 다수 개 형성될 수 있다(도 2는 4쌍이 형성되어 있음).
보다 자세히 설명하면, 가령, 광촉매층(141)(TiO2 박막)은 상부에 형성된 UV LED ARRAY에서 조사된 자외선(UV)에 의해 산화력이 강한 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)을 생성하고, 생성된 하이드록실 라디칼은 시료속에 포함된 인을 인산염 인(phosphate) 형태로 분해시키며, 분해된 인산염 인은 제2 혼합부(150)로 출력한다.
특히, 본 발명에서는 상기 광촉매층(142)을 통한 광촉매 반응시에 열 에너지(thermal energy)를 가할 수 있도록 상기 광촉매층(142)의 하부에 히터(141)를 형성한다. 여기서, 히터(141)는 상부에 형성된 UV LED ARRAY에서 조사된 자외선(UV)에 의해 가열되는 열전도층으로, 가령, 열전도성이 좋은 금속층이 해당될 수 있고, Cu, Ni, Ti 등이 바람직하다.
이를 통해, 상기 광촉매층(142)은 상부에서 상기 UV LED ARRAY에 의한 UV의 직접적인 조사 뿐만아니라 가열된 마이크로 히터(141)에 의한 하부에서 상부의 광촉매층(142)으로 열 에너지(thermal energy)를 인가하여 전처리 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 일반적으로 상용 전처리 과정은 고온/고압의 조건하에서 진행되나, 전처리 온도를 기존 120℃에서 75℃로 낮추어 보다 낮은 온도에서 전처리 가능하게 한다.
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 측정부(160)의 입력단과 연결되도록 구성된다.
상기 제2 혼합부(150)는 전처리부(140)로부터 전처리된 시료가 유입되고 상기 제3 주입구(120)로부터 발색제가 주입되며, 상기 전처리된 시료와 상기 발색제를 혼합하여 발색된 시료를 측정부(160)로 출력한다. 가령, 상기 전처리부(140)에서 분해된 인산염 인은 제2 혼합부(150)에서 청색으로 발색된다.
상기 측정부(160)는 입력단과 출력단을 갖는 제4 유체 채널로 구성되며, 입력단은 상기 제2 혼합부(150)의 출력단과 연결되고 출력단은 배출구와 연결되도록 구성된다. 상기 측정부(160)는 상기 제2 혼합부(150)로부터 상기 발색된 시료가 유입되며 상기 배출구를 통해 최종적으로 배출된다. 가령, 상기 측정부(160)는 발색된 빛을 투과시켜 흡수된 빛의 양을 측정함으로써 상기 발색된 시료속에 포함된 인의 양을 정량적으로 측정할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 수질 분석 소자에 있어서, 상기 측정부(160)의 제4 유체 채널을 통과하는 동안, LED와 같은 소정의 광원이 외부에서 제4 유체 채널로 빛을 조사하고, 포토다이오드(photodiode)와 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.
특히, 본 발명에 따른 수질 분석 소자는 수질 분석을 위해 시료 내에 포함된 인(phosphorus)의 농도를 실시간 분석함을 위주로 설명한다. 그러나, 인의 농도에 한정되는 것은 아니며, 질소 등 인 이외의 분석하고자 하는 물질의 종류에 따라 제2 주입구(110)으로 주입되는 전처리제 및 제3 주입구(120)로 주입되는 발색제의 종류가 결정된다.
< 수질 분석 소자의 제조 방법 >
이하, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 수질 분석 소자(10)의 제조 방법은 LOC 및 MEMS 기술을 이용하여 초소형으로 제작된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)의 제조 방법은, 상층부 및 하층부를 각각 제작한 후 이들을 상하로 결합하여 완성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자의 제조 방법은, (a) 주입된 시료를 전처리하는 전처리 하기 위해 소정 간격을 두고 상하부에 한쌍의 광촉매층과 히터를 형성한 제2 유체 채널과 상기 시료의 흡광도를 측정하기 위해 제4 유체 채널이 형성된 하층부(12)를 제작하는 단계; (b) 제1 및 제2 주입구와 제1 혼합부를 위한 제1 유체 채널과, 상기 제2 유체 채널에서 광촉매층과 히터가 삽입되는 삽입구와, 제3 주입구와 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 분석 소자(10)을 완성하는 단계;를 구비한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자의 하층부(12)를 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 단면도들이다. 도 5는 도 3 및 도 4에 의해 제작된 하층부(12)과 상층부(14)를 접합하여 수질 분석 소자(10)을 완성한 상태를 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자의 하층부(12)을 제작하는 과정을 설명한다. 상기 하층부는 기판을 아세톤 또는 메탄올로 세정하고 광촉매 및 마이크로 히터로 전처리 채널구조를 형성한다.
먼저, 기판(200)을 아세톤 또는 메탄올로 세정하고, 상기 기판(200)의 표면을 산화시켜 상기 기판의 표면에 산화층(210)을 형성한다(a1). 이때, 상기 기판은 실리콘(Si) 웨이퍼를 사용할 수 있으며, 상기 산화층은 SiO2로 실리콘 웨이퍼를 산화(oxidation)시켜 형성될 수 있다.
다음, 식각 공정을 이용하여 상기 SiO2 산화층(210)의 표면을 패터닝하고, 상기 패터닝된 산화층을 마스크로 사용하여 상기 기판(200)을 습식 식각하여 측정부(160)를 위한 제4 유체 채널을 형성한다(단계 a2). 이때, 식각을 통해 상기 제4 유체 채널(160)에 소정 간격을 두고 형성된 역 사다리꼴 모양의 하부 반사구조를 형성한다.
다음, 새도우 마스크를 이용하여 상기 산화층(210) 상에 마이크로 히터(220)을 증착하고, 상기 마이크로 히터(220)를 습식 식각하여 전처리부(140)의 제2 유체 채널을 형성한다(단계 a3). 이때, 상기 마이크로 히터(micro-heater)는 상기 산화층(210) 상에 전자빔 증발 공정(e-beam evaporation process)에 의해 금속층이 증착된다. 또한, 증착되는 금속층은 전도성이 좋은 금속으로, Cu, Ti, Ti 등이 사용될 수 있다. 또한, 증착되는 금속층은 단일 금속층 또는 서로 다른 종류의 금속층이 연속으로 증착되는 이종 금속층이 형성될 수 있다. 가령, 상기 마이크로 히터(220)는 상기 산화층(210) 상에 전자빔 증발공정을 통해 두께 60nm인 니켈(Ni)이 증착되고 두께가 20nm인 티타늄(Ti)가 증착되는 이종 금속층으로 형성되거나 두께 80nm인 Ni, Ti, 또는 Cu 금속층이 증착될 수 있다.
다음, 새도우 마스크(231)를 이용하여 상기 제2 유체 채널(140)에서 마이크히터(220) 상에 광촉매 물질(TiO2)을 증착하고, 상기 TiO2을 습식 식각하여 광촉매층(230)을 형성한다(단계 a4). 이때, 증착공정은 전자빔 증발공정 또는 스퍼터링 공정 등을 이용할 수 있다. 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. 또한, 전자빔 증발공정으로 니켈(Ni)을 증착하고 나서 Ti를 증착시킨 후 기판 전체를 산화시켜 광촉매층인 TiO2층을 형성할 수 있다.
다음, 새도우 마스크(232)를 이용하여 제4 유체 채널(160)에서 상기 하부 반사구조 상에 Au 또는 Al 금속층을 증착하고, 상기 Au 또는 Al 금속층을 습식 식각하여 반사층(240)을 형성한다(단계 a5).
다음, 상기 제2 유체 채널(140)에서 상기 마이크로 히터(220) 및 광촉매층(230)이 형성된 상기 실리콘 기판(200)의 반대면은 deep Si etch(DRIE) 공정을 통해 식각(etching)되어 열분리 구조체(Thermal isolation strcuture fabrication)(250)를 형성하여 하층부를 완성한다(단계 a6). 이때, DRIE 공정에 의해 형성된 열분리 구조체(250)는 단열구조로 기능하게 된다. 즉, 상기 열분리 구조체는 자외선 조사에 따른 마이크로 히터(220)로서 기능하는 Cu, Ni, Ti 등의 금속층의 하부에 형성되어, 상기 Cu, Ni, Ti 금속층에 의해 발생된 열이 실리콘 기판을 통한 열전도 현상으로 인해 손실되는 양을 최소화하는 역할을 수행한다. 이는 Cu, Ni, Ti 등의 금속에서 발생된 열 손실을 최소화할 수 있다.
다음, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자의 상층부(14)를 제작하는 과정을 설명한다. 상층부(14)을 제작하는 과정도 하층부(12)를 형성하는 과정에서 유사한 부분이 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
먼저, 기판을 아세톤 또는 메탄올로 세정하고 상기 기판 위에 포토레지스트(PR) 물질인 SU-8 2075 negative PR을 도포하여 포토 리소그래피(photolithography) 공정을 통해 상기 기판상에 패터닝된다.
또한, 패턴화된 포토레지스트(PR)가 몰드로 사용되기 때문에, 사용되는 SU-8 2075 PR의 폭과 높이는 후술하는 혼합채널과 전처리채널의 폭과 높이를 결정하게 된다. 가령, 패턴화된 포토레지스트(PR)의 폭과 높이는 각각 1000㎛ 및 150㎛가 바람직하다.
이러한 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝하여, 기판 위에 제1 및 제2 주입구와 제1 혼합부를 위한 제1 유체 채널과, 상기 제2 유체 채널에서 광촉매층과 히터가 삽입되는 삽입구와, 제3 주입구 및 제2 혼합부를 위한 제3 유체 채널이 형성된 몰드를 제작한다(단계 b1). 이때, 제4 유체 채널에 소정 간격을 두고 형성된 역 사다리꼴 모양의 하부 반사구조에 대응되는 상부 반사구조를 더 형성할 수 있다. 또한, 상기 상부 반사구조는 역 사다리꼴 모양을 뒤집어 놓은 정 사다리꼴 모양이며, 하부 반사구조의 역 사다리꼴 모양과 교차로 소정 간격을 두고 형성된다. 이에 따라 상부 반사 구조와 하부 반사구조는 전체적으로 광 경로를 증가시키기 위한 다중반사구조를 형성한다. 이에 대해서는 도 7에서 후술한다.
다음, 상기 몰드 위에 열경화성 고분자 물질을 도포한 후 경화시켜 고분자층을 형성한다(단계 b2). 상기 고분자층을 형성하는 열경화성 고분자 물질은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane;'PDMS'), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate;'PMMA') 중 하나로 구성될 수 있으며, 상기 고분자층은 투명한 고분자 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
다음, 상기 고분자층을 몰드로부터 분리시킨 후, 상기 분리된 고분자층에 펀치쓰루(punch-through) 공정을 통해 제1, 제2, 제3 주입구 및 배출구에 대응되는 위치에 각각 관통홀을 형성하여 입구와 출구를 제조한다. 또한, 상기 분리된 고분자층에 광촉매층과 히터가 삽입되는 삽입구와 상기 정 사다리꼴 모양의 상부 반사구조를 형성하여, 상기 상층부을 완성한다(단계 b3).
전술한 과정에 의해 상층부 및 하층부가 완성되면, 도 5에 도시된 바와 같이 상층부 및 하층부를 결합시켜, 본 발명에 따른 수질 분석 소자(10)을 완성하게 된다. 여기서, 하층부를 먼저 제조하고 상층부를 제조할 경우에는 하부 기판상에 하층부를 형성하고 상층부 형성을 위해서는 별도의 상부 기판이 필요하나, 상층부를 먼저 형성하고 하층부를 제조할 경우에는 기판이 지지구조에서 상층부 형성시에 이용될 뿐이므로 상기 기판에 하층부를 제조할 수 있어 하나의 동일 기판만 이용하여 가능하다.
< 수질 분석 장치 >
전술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)을 이용한 수질 분석 장치(50)의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자을 이용한 수질 분석 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 수질 분석 소자을 이용한 수질 분석 장치(50)는 수질 분석 소자(10), 제1 광원(510), 제2 광원(520), 광 검출 소자(530) 및 제어기(540)를 구비한다.
상기 수질 분석 소자(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 분석 소자의 전처리부의 외부에 위치하여 상기 전처리부의 제2 유체 채널의 광촉매층(230)으로 광촉매 반응과 상기 광촉매 반응에 열 에너지를 가하는 히터(220)에 자외선 광을 제공하는 것으로서, Ultraviolet LED ARRAY를 사용할 수 있다. 따라서, 상기 수질 분석 소자의 전처리부의 제2 유체 채널을 통과하는 시료는 제1 광원으로부터 제공된 광에 의해 광촉매층과 반응하여 전처리되고, 히터를 통해 광촉매 반응에 열 에너지를 인가하여 전처리 효율을 개선하다. 가령, 일반적으로 상용 전처리 과정은 고온/고압의 조건하에서 진행되나, 전처리 온도를 기존 120℃에서 75℃로 낮추어 보다 낮은 온도에서 전처리 가능하게 한다.
상기 제2 광원(520)은 상기 수질 분석 소자의 측정부의 외부에 위치하여 상기 측정부의 제4 유체 채널로 광을 제공하는 것으로, LED 등이 사용될 수 있다. 따라서, 제2 광원을 이용하여 상기 수질 분석 소자의 측정부로 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 분석 소자의 측정부의 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 분석 소자에 통과시킨 후 광 검출 소자로부터 출력 신호를 검출하고, 상기 검량선 그래프와 출력 신호를 이용하여 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 분석하게 된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 분석 소자(10)에서 다중반사구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7a는 기존의 수질 분석 소자에서 발색된 시료의 흡광도를 측정하는 측정부의 광경로를 나타낸 것으로, 발광 다이오드에서 광검출 다이오드로의 광경로가 일직선을 이룬다.
반면에, 도 7b는 본 발명에 따른 수질 분석 소자(10)에서 발색된 시료의 흡광도를 측정하는 측정부의 광경로를 나타낸 것이다.
즉, 하층부(12)의 역 사다리꼴 모양의 하부 반사구조에 대응되는 상부 반사구조와, 상층부(14)의 상부 반사구조를 형성한다. 이때 상부 반사구조는 역 사다리꼴 모양을 뒤집어 놓은 정 사다리꼴 모양이며, 하부 반사구조의 역 사다리꼴 모양과 교차로 소정 간격을 두고 형성된다. 이에 따라 상부 반사 구조와 하부 반사구조는 측정부의 반사경로 길이를 최대화할 수 있어, 전체적으로 광 경로를 증가시키기 위한 다중반사구조를 형성할 수 있다.
도 8은 일반적으로 촉매와 온도가 분자들간에 미치는 영향을 나타낸 그래프로서, 본 발명에 따른 수질 분석 소자에서 열적으로 강화된 광촉매 반응의 특성을 확인할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 촉매가 분자들간 반응에 미치는 영향을 나타낸 그래프로서, 광촉매 활용하여 분자들이 반응하기 위해 필요한 활성화 에너지를 낮추는 것을 확인할 수 있다.
도 8c 및 도 8d는 온도가 분자들간 반응에 미치는 영향을 나타낸 그래프로서, 광촉매를 활용한 전처리 반응에 적절한 열 에너지를 인가하여 분자들간의 반응 확률을 증가시킴을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수질 분석 소자는 광촉매층과 반응하여 전처리되고, 히터를 통해 광촉매 반응에 열 에너지를 인가하여 전처리 효율을 개선함을 확인할 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 12를 참조하여, 본 발명에 따른 수질 분석 소자를 이용하여 광촉매(+열) 기반의 총인 전처리 실험을 수행하였고 그에 따른 결과를 나타낸 것으로, 이에 대해 자세히 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 수질 분석 소자를 이용하여 광촉매(+열) 기반의 총인 전처리 성능 평가를 위한 실험 구성도이다.
도 9을 참조하면, 마이크로 펌프를 이용하여 전처리 채널에 머무는 시간을 조절하고, 제작된 히터에 인가되는 전압을 조절하여 전처리 온도를 조절하고, 조건별로 전처리된 시료를 수집하여 미리 준비된 발색제와 혼합후 흡광도를 측정하였다.
도 10은 도 9의 실험에 따라 시간 및 온도 조건에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 기존 기술로서 상용 전처리 장비(Autoclave)는 120℃에서 30분간 수행되었으며, 본 발명에 따른 수질 분석 소자와 대비하였다.
가령, 본 발명에 따른 수질 분석 소자를 활용하여 광촉매(+열) 기반의 총인 전처리를 수행한 후 전처리가 완료된 시료에 발색제를 투입하여 발색되는 정도를 확인 후 흡광도를 측정하였다. 이때, 도 10을 참조하면, 용액(2mg/500ml)의 온도가 증가함에 따라 상용 전처리 장비(Autoclave)를 통해 전처리된 시료와 발색정도와 거의 유사해짐을 확인할 수 있다. 여기서, 광촉매(+열) 반응 기반의 전처리 시간은 10분, 용액 온도가 75℃에서 최적 전처리 조건임을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 수질 분석 소자는 기존 Autoclave 대비 전처리 온도를 기존 120℃에서 75℃로 낮추어 보다 낮은 온도에서 가능하도록 하여 가열과 가압에 따른 소자 파괴 가능성을 감소시킬 수 있으며, 동작시간 또는 시료 내에 포함된 질소 또는 인의 농도 검출시간을 기존 30분에서 10분대 시간으로 처리 시간을 단축할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 11은 도 10의 시간 및 온도 조건에 따른 흡광도를 나타낸 그래프에서, 인이 포함된 용액의 농도를 변화시켜 (2mg/500ml -> 0.25mg/500ml) 측정된 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 수질 분석소자를 이용하여, 인이 포함된 용액의 농도를 2mg/500ml -> 0.25mg/500ml까지 변화시켜 광촉매 기반의 전처리를 수행한 결과 측정된 흡광도는 Autoclave와 비교하면, 거의 유사한 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 수질 분석 소자와 기존 상용 전처리 장비에 대해 검량선을 작성하여 비교한 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 수질 분석 소자를 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.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수질 분석 소자를 이용하여 최적화된 광촉매 기반 전처리법과 오토클레이브 전처리법의 흡광도를 비교하고, 이를 통해 작성된 검량선 그래프를 비교하여, 기존 방식에 상응하는 전처리 효율을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
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.
10: 수질 분석 소자
100: 제1 주입구
110: 제2 주입구
120: 제3 주입구
130: 제1 혼합부
140: 전처리부
150: 제2 혼합부
160: 측정부
100: 제1 주입구
110: 제2 주입구
120: 제3 주입구
130: 제1 혼합부
140: 전처리부
150: 제2 혼합부
160: 측정부
Claims (24)
- 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 측정부;를 포함하고,
상기 전처리부는 상기 시료와 전처리 용액을 혼합한 혼합 용액과 광촉매 반응을 하는 광촉매층과, 상기 광촉매층의 하부에 형성되어 상기 광촉매 반응에 열 에너지를 가하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자. - 제1항에 있어서,
상부의 광촉매층과 하부의 히터는 한 쌍으로 상기 제2 유체 채널 상에 소정 간격을 두고 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자. - 제1항에 있어서,
상기 수질 분석 소자는 분석하고자 하는 시료의 구성 물질의 종류에 따라 제2 주입구으로 주입되는 전처리제 및 제3 주입구로 주입되는 발색제의 종류가 결정되는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자. - 제3항에 있어서,
상기 전처리제는 인(Phosphorus)을 분해하기 분해제이고,
상기 분해제로는 과황산칼륨(K2S2O8)이 사용되는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자. - 제3항에 있어서,
상기 발색제는 상기 시료내 포함된 인의 농도를 분석하는 경우, 암모늄 몰리브데이트(Ammonoium molybdate) 및 아스코르빈산(ascorbic acid)의 혼합액을 사용하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자. - 제1항에 있어서,
상기 히터는 자외선 조사에 의해 가열되는 열전도성이 높은 금속으로 Cu, Ni, Ti 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자. - 제1항에 있어서,
상기 광촉매층에 사용되는 물질은 TiO2 가 사용되는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자. - 제1항에 있어서,
상기 측정부는 광경로를 증가시키는 다중반사구조를 구비한 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자. - 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항의 상기 수질 분석 소자;
상기 수질 분석 소자에서 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 특정 물질의 농도를 측정하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 장치. - 제9항에 있어서,
상기 제어기는, 특정 물질의 농도에 따른 흡광도 데이터를 사전에 측정하여 저장하고, 미지의 시료를 상기 수질 분석 소자에 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 수질 분석 소자의 전처리부의 광촉매층으로 광촉매 반응과 히터로 열 에너지를 인가하기 위한 자외선을 조사하는 UV 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 장치. - (a) 기판상에 주입된 시료를 전처리 하기 위해 소정 간격을 두고 상하부에 한쌍의 광촉매층과 히터를 형성한 제2 유체 채널과 상기 시료의 흡광도를 측정하기 위해 제4 유체 채널이 형성된 하층부를 제작하는 단계;
(b) 제1 및 제2 주입구와 제1 혼합부를 위한 제1 유체 채널과, 상기 제2 유체 채널에서 광촉매층과 히터가 삽입되는 삽입구와, 제3 주입구와 제2 혼합부를 위한 제3 유체 채널이 형성된 상층부를 제작하는 단계; 및
(c) 상기 하층부 위에 상층부를 접합시켜 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 유체 채널이 순차적으로 연결되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
(a1) 상기 기판의 표면에 산화층을 형성하는 단계;
(a2) 상기 산화층 및 상기 기판을 식각하여 상기 제4 유체 채널을 형성하는 단계;
(a3) 상기 산화층 상에 히터를 증착하고, 증착된 히터를 식각하여 상기 제2 유체 채널을 형성하는 단계; 및
(a4) 상기 제2 유체 채널에서 상기 히터 상에 광촉매 물질을 증착하고, 증착된 광촉매 물질을 식각하여 광촉매층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 (a3) 단계에서 상기 히터는 Cu, Ni, Ti 중 어느 하나의 금속층인 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 (a4) 단계에서 상기 광촉매층은 TiO2인 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 (a2) 단계에서, 식각을 통해 상기 제4 유체 채널에 소정 간격을 두고 형성된 역 사다리꼴 모양의 하부 반사구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 하부 반사구조 상에 Au 또는 Al 금속층을 증착하고, 상기 Au 또는 Al 금속층을 식각하여 반사층을 형성하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
(a5) 상기 제2 유체 채널에서 열분리 구조체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 열분리 구조체는 상기 히터 및 광촉매층이 형성된 상기 기판의 반대면에 DRIE 공정을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조방법. - 제12항에 있어서,
(b1) 기판 위에 제1 및 제2 주입구와 제1 혼합부를 위한 제1 유체 채널과, 상기 제2 유체 채널에서 광촉매층과 히터가 삽입되는 삽입구와, 제3 주입구 및 제2 혼합부를 위한 제3 유체 채널이 형성된 몰드를 제작하는 단계;
(b2) 상기 몰드 위에 열경화성 고분자 물질을 도포한 후 경화시켜 고분자층을 형성하는 단계; 및
(b3) 상기 고분자층을 상기 몰드로부터 분리시킨 후, 상기 분리된 고분자층에 제1, 제2, 제3 주입구 및 배출구에 대응되는 위치에 각각 관통홀을 형성하고, 상기 분리된 고분자층에 광촉매층과 히터가 삽입되는 삽입구를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조 방법. - 제20항에 있어서,
상기 (b1) 단계에서, 상기 제4 유체 채널에 소정 간격을 두고 형성된 역 사다리꼴 모양의 하부 반사구조에 대응되는 상부 반사구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조 방법. - 제21항에 있어서,
상기 상부 반사구조는 하부 반사구조의 역 사다리꼴 모양과 교차로 정 사다리꼴 모양을 소정 간격을 두고 형성하는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조방법. - 제21항에 있어서,
상기 (b1) 단계에서,
포토리소그래피 공정을 통해 패턴화된 포토레지스트가 상기 몰드로 사용되는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조방법. - 제20항에 있어서,
상기 고분자층을 형성하는 열경화성 고분자 물질은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane;'PDMS'), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate;'PMMA') 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 수질 분석 소자의 제조방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230163033A (ko) * | 2022-05-23 | 2023-11-30 | (주)메디센텍 | 수질측정시스템 |
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| JP2008516252A (ja) * | 2005-09-20 | 2008-05-15 | ビ−エイイ− システムズ パブリック リミテッド カンパニ− | センサー装置 |
| KR101541368B1 (ko) * | 2013-11-08 | 2015-08-03 | 포항공과대학교 산학협력단 | 플립칩 발광소자 |
| KR101766283B1 (ko) | 2016-03-02 | 2017-08-24 | 경북대학교 산학협력단 | 수질분석용 마이크로 유체칩 및 이의 제조 방법 |
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2019
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