KR200255999Y1 - 적층형 모듈식 초소형 화학 분석기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 간편한 원터치 배관방식을 이용한 적층형 모듈식 초소형 화학 분석기에 관한 것으로, 기저부에 시료채취용 마이크로 다이아프램 펌프가 내장된 샘플러모듈의 위에 초소형 시린지 펌프모듈과, 초소형 인젝터 모듈과, 혼합코일 모듈과, 플로우셀 모듈과, 스페이서 및 검출센서 모듈을 차례로 적층하여 구성한다.

상기 적층 구조는 두개의 수직 지지막대로 정렬되며, 지지막대 상부에는 수평 압박막대로 단단히 고정되어 있고, 각 모듈에는 각각 8비트 마이크로 프로세서 기반의 제어회로가 내장되고 직렬통신버스로 연결되어 상호 통신할 수 있으며, 상기 베이스 모듈의 마이크로프로세서의 명령에 따라 상기 시료채취용 마이크로 다이어프램 펌프가 상기 인젝터 모듈에 시료를 주입하면, 상기 시린지 펌프모듈이 작동하여 주입된 시료를 상기 혼합모듈을 거쳐 상기 플로우셀 모듈로 이송하면 상기 센서모듈에서 시료의 화학 성분, 예컨데 포도당농도를 측정하게 되며 전체 구조가 기존의 3차원적 배관을 이용하는 화학분석기 보다 수십 분의 일로 축소된 초소형이며, 적층식 모듈의 상호 배관이 간단하며 전력소모량이 극히 작고, 각 모듈의 구성, 개량 및 확장이 간편하여 다양한 초소형 화학분석기로 사용될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

적층형 모듈식 초소형 화학 분석기 {Stacked Modular Miniaturised Flow Injection Analysis System}

본 고안은 적층식 모듈식 초소형 화학 분석기에 관한 것으로, 상세하게는 산업현장 및 실험실에서 널리 사용되는 유체주입형 화학분석기를 초소형으로 그리고 대량생산할 수 있으며, 각 모듈간의 독립성을 부여하여 각 모듈의 개선 및 개량이 자유로와 지도록 하였고, 원터치 배관에 의해 모듈의 적층형 구조에서 이상적인 상호 배관수단을 제공하도록 한 적층형 모듈식 초소형 화학 분석기에 관한 것이다.일반적으로 화학 분석기술이 환경, 식품, 생명공학, 의료산업 등 거의 모든 연구와 실험을 위해 널리 사용되고 있음은 이미 잘 알려진 사실이다.특히 생산공정이나 환경계측에서는 현장 휴대용 화학 분석기가 많이 사용되며 농업계통에서는 고가의 화학 분석기를 저렴하게 보급해야할 필요성이 대두되고 있다.이렇듯 제조가격은 낮추고 크기를 작게 공급하도록 하는 시장의 요구에 맞추어 이른바 마이크로 머시닝에 의한 화학 분석기의 초소형화에 대한 연구가 활발히 수행되고 있으나 아직 초기단계에 불과하다.기존의 화학 분석기 중 액체시료의 특정성분을 측정하는 기기는 크게 액체 크로마토그래피 기기와 유체주입형 기기로 나눌 수 있으며 전자는 매우 고가이며 유지 보수에 전문 인력이 필요하다는 이유로 상기와 같은 초소형 저가형 기기로 제조하는 데에는 맞지 않는다.한편, 유체주입형 기기는 전자와 같이 시료 중에 여러 성분을 동시에 측정할 수는 없고 단지 한 두 가지 성분만을 측정하는 단점이 있지만 구성이 단순하고 재현성이 뛰어나 생성공정용 화학 분석기와 현장용 분석기기로 널리 사용되고 있다.예를 들면, 발효공정에 사용되는 자동 포도당분석기, 폐수처리 공정에 사용되는 자동 질소성분 분석기 등이 그것이다.그러나 이와 같은 유체주입형 분석기기들 또한 배관이나 기구 설계가 복잡하여 고가이며 크기가 현장용으로 사용하기에 여전히 크다. 가장 큰 장애는 샘플러, 펌퍼, 인젝터, 혼합코일, 프로우셀을 배관하는 과정에서 고가의 초소형 배관자재가 사용되며 입체적인 배치로 인하여 제조시 수작업에 의존한다는 점이다.그러므로 식품공정, 환경산업현장에서 여전히 시료를 채취하여 분석실험실에 의뢰하게 되므로 그 분석 결과를 얻기까지 수 시간 또는 수일의 시간자연이 발생하므로 즉각적인 의사결정이 필요한 공정제어나 환경감시에 큰 장애가 되고 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 산업현장 및 실험실에서 널리 사용되는 유체주입형 화학분석기를 초소형으로 그리고 대량생산할 수 있으며, 각 모듈간의 독립성을 부여하여 각 모듈의 개선 및 개량이 자유로와 지도록 한 한 대량생산이 가능한 적층형 모듈식 초소형 화학 분석기를 제공하는 것을 목적으로 한다.또한 본 고안은 원터치 배관에 의해 모듈의 적층형 구조에서 이상적인 상호 배관수단을 제공하도록 함을 다른 목적으로 한다.상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안 적층형 모듈식 초소형 화학 분석기의 바람직한 실시예에 따르면, 초소형 다이아프램 펌프 및 제어용 마이크로 프로세서로 구성된 샘플러모듈과;그 위의 적층되며 초소형 시린지 펌프와 제어용 마이크로프로세서로 구성된 시린지 펌프모듈과;그 위에 적층되는 인젝터 모듈과;그 위에 적층되는 혼합코일모듈과;그 위에 적층되는 프로우셀 모듈과;그 위에 적층되는 센서모듈들도 구비하되,상기의 적층되는 모듈들이 두개의 지지막대와 수평 압박대의 의하여 정렬 및 고정되어 전체적인 크기의 초소형화를 달성하도록 하고,각 모듈의 제어회로를 각 모듈 내에 내장하면서 직렬통신버스로 연결하여 상호 통신이 가능하므로 별도의 전자제어부가 필요하지 않도록 하고,각 모듈들은 특수하게 제작된 원터치 배관으로 유체를 주고받으므로 상호 배관이 극히 단순한 것을 특징으로 한다.상기의 모듈들은 아크릴수지로 하는 것이 바람직하다.상기의 모듈들은 각각 상부에는 상위모듈에 연결되는 배관접속부가 돌출되어 있으며 기저부에는 하위모듈의 접속배관이 삽입되는 함몰형 접속배관이 있어 원터치로 단단히 상호 배관되도록 하는 것이 바람직하다.상기의 모듈들은 각 모듈의 제어용 마이크로 프로세서 및 주변 제어회로가 내장되도록 하면서 상기 제어회로는 직렬통신 버스(예컨대 IIC 버스 4핀, 전원 두핀 포함)로 상호 연결되도록 하여 통신을 수행하는 중에 각각의 모듈들이 완전히 독립적으로 동작하도록 하는 것이 바람직하다.상기의 모듈들은 정밀하게 가공한 서로 대각선방향으로 위치한 두개의 수직 지지막대로 튼튼히 적층되고 정밀하게 정렬되며, 최상부에 수평압박막대에 의하여 단단히 고정되도록 하는 것이 바람직하다.

도 1은 전체 시스템개념도이다.

도 2는 초소형 시린지 펌프의 구성도이다

도 3은 초소형 인젝터의 구성도이다.

도 4는 초소형 인젝터의 기능원리도이다.

도 5는 플로우셀 모듈의 개념도이다.

도 6은 각 모듈간의 배관방법에 관한 것이다.

도 7은 실제 제작된 초소형 적층형 모듈식 포도당 분석기의 실물사진이다.

도 8은 초소형 적층형 모듈식 포도당 분석기의 전형적인 분석결과이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 고안의 실시예에 따른 적층형 모듈식 초소형 화학 분석기를 상세히 설명한다.도 1에 도시한 것과 같이, 초소형 다이아프램 펌프(1)은 샘플 입력관(12) 및 샘풀 출력관(13)이 돌출된 상태에서 기저부에 위치한 샘플러 모듈(2)에 장착되도록 한다.상기의 샘플러 모듈(2) 위에는 초소형 시린지 펌프(3)가 위치하도록 하고, 상기 실린지 펌프(3)는 펌프 입력부에 놓인 입력방향의 체크밸브(14)와 출력방향의 체크밸브(15)가 역시 돌출되어 있다. 입력측 체크밸브는 추진액 용기와 가는 튜브로 연결된다. 상기 시린지 펌프의 피스톤(23)이 후퇴하면, 도 2에 도시된 바와 같이 추진액이 용기에서 흡입되어 시린지 펌프의 실린더(24)에 채워진다. 그리고 피스톤이 전진하면 출력방향 체크밸브(15)로 추진액이 밀려 나간다. 이 추진액은 초소형 인젝터 모듈(4)의 입력관으로 들어가게 된다. 이 때, 다이아프램펌프가 샘플을 퍼올리면, 이 샘플용액은 인젝터의 샘플입력관(10)을 통해 들어가 샘플루프(16,17)를 채우고 나와 샘플 출력관(11)으로 배출되어 폐기액 용기로 가게 된다. 이 때, 제어부에 의하여 인젝터의 피스톤이 전진하면 샘플루프(16,17)는 하부의 시린지 펌프(3) 및 상부의 혼합코일(5)과 연결되게 된다. 그리하여, 추진액이 전진하면 샘플루프에 채원진 시료토막도 따라 전진하여 혼합코일을 거쳐 플로우셀 모듈(6)로 간다.플로우셀 모듈에는 검출센서(9)가 있어 시료토막의 용해되어 있는 특정 성분을 검출하여 전기 신호로 바꾸게 된다. 검출 센서를 지난 용액은 최종적으로 배출구(18)를 통해 배출되어 폐기액 용기로 들어가게 된다.전체 구조는 수직 지지막대(7)와 수평 압박대(8)에 의하여 단단히 고정된다.이하, 도 2를 통하여 초소형 시린지 펌프에 대하여 상세히 설명한다.제어회로기판(38)에 있는 8비트 마이크로 프로세서는 질렬통신2선, 전원 2선등 총 4선으로 다른 모듈과 연결된다. 통신으로 명령을 받으면 서보모터를 회전시킨다. 이 회전은 감소기어(30)에 의하여 감속되고 직선운동 추진용 암나사(27)을 회전시켜 숫나사가 새겨진 피스톤 밀대(26)을 전진 또는 후진시킨다. 피스톤이 전진하면 전진위치검출 센서(28)가 제어회로기판(29)에 새겨진 접점과 접촉하면서 전진 종착점을 신호를 발생한다. 후기 시에는 후진위치센서(19)가 접점(25)과 접촉하 여 후진 종착점 신호를 발생한다. 그리고 액체 펌핑 과정은 전술한 바와 같다.이하, 도 3 및 도 4를 통하여 초소형 인젝터 모듈에 대하여 설명한다.제어회로기판(29)에 있는 8비트 마이크로 프로세서는 직렬통신 2선 및 전원 2선등 총 4선으로 다른 모듈과 연결된다. 그리고 인젝터의 피스톤이 전진 및 후진하는 기작은 전술한 초소형 시린지 펌프와 같다(31,32,33,34,35,35,37,38). 한편 다른 점은 입출력 관이 총 6개가 있다는 점이다. 도 4를 참조하면, 피스톤에 형성된 홈을 따라 샘플루프가 피스톤 후진시 시료입출력관(39)으로 연결되었다가 피스톤 전진시 시린지펌프 및 혼합코일로 연결된다. 그리하여, 샘플루프에 채원진 시료토막이 추진액 사이에 삽입되는 것이다.이하 도 5를 통하여 플로우셀 모듈을 상세히 설명한다. 그리고 검출센서는 전기화학센서의 예를 들어 설명한다.제어회로기판(47)에 있는 8비트 마이크로 프로세서는 직렬통신 2선, 전원 2선 등 총 4선(46)으로 다른 모듈과 연결된다.하위 모듈에서 올라온 액체는 유도관(49)을 통해 올라오다가 백금보조전극(50)을 통과하여 테프론제 스페이서(51)과 검출센서(52) 사이의 얇은 공간을 거쳐 배출 유도관(54)으로 흘러나간다. 이 때, 시료토막이 검출센서를 통과하면서 시료중의 특정 성분이 센서에 의하여 검출된다. 배출유도관에서는 기준전극의 박혀있으며 최종적으로 배출관(55)으로 연결되어 있다.이하, 도 6을 이용하여 모듈간의 상호연결에 대하여 설명한다.각 모듈은 50mm ×60 mm의 크기에 대각선 방향으로 10mm ×3mm의 함몰부가 있다 각 모듈의 두께는 다양하여 5mm에서 40mm 까지 있다. 대각선방향의 함몰부에 수직 지지막대가 위치하여 각 모듈을 정렬시키게 된다. 각 모듈에의 하부에는 직경이 1.4mm 정도인 홀(57)이, 상부에는 직경이 1.5mm 정도인 폴리이서이서케톤 재질의 튜브토막(58)이 박혀있고 둘은 직경 0.8mm 드릴 홀로 연결되어 있다. 상기 엔지니어링 플라스틱 튜브토막은 내마모성이 좋고 탄력이 뛰어난 물질로서 해당 모듈의 상부에 적층된 상위 모듈의 홀과 밀착 삽입된다. 이때, 0.1mm의 공차로 인하여 튜므와 홀은 단단하게 결합되어 1기압의 압력까지는 액체의 누수가 없다. 상기 압력은 유체 주입형 분석기기의 통상 운전 압력인 0.3 기압 보다 충분히 크므로 사실상 누수는 없다. 그리고, 수백 번의 탈착 실험에서도 마모나, 누수가 발견되지 않아 우수하고 간편한 원터치 배관이라는 점을 알 수 있다.한편, 도 7은 실제 제작된 초소형 적층형 모듈식 포도당분서기의 실물사진이다. 센서로는 직경 2mm 정도인 백금전극에 셀룰로스에세테이트 박막을 입힌후 (어드히젼 층), 글루코스 옥시다제, 알부민, 글루타르알데하이드를 이용하여 효소막을 입힌다음(감지막층), 다시 셀룰로스 에세테이트를 얇게 코팅(보호막)한것이다. 그리고 기준전극은 Ag/AgCl을 이용하여 형성했고, 보조전극은 전술한 바와 같은 백금판이다. 전위는 작동 백금전극에 400mV vs Ag/AgCl을 걸었다.도8은 상기 포도당분서기의 센서출력을 보여준다. 데이터는 0.1mM 에서 2.5mM사이의 여러샘플에 대한 센서의 촐력을 퍼스널컴퓨터에서 직렬통신으로 받아 그린것이다. 여기서 직선반응구간은 0.1 - 2.5mM이었고 해상도는 0.05mM이었다.마지막으로 전체적인 운전과정을 살펴보기로 한다. 기저부에 있는 샘플러 모듈의 마이크로 프로세서는 전체 운전에 대한총괄을 하게 된다. 샘플러모듈의 전면의 스위치가 눌려지면 차례대로 다음의 순서 조작을 수행한다.1. 인젝터의 피스톤을 후진시켜 샘플로딩 준비를 한다.2. 다이아프램펌프를 작동시켜 시료를 샘플루프에 채운다.3. 인젝터피스톤을 전진시켜 시료주입준비를 한다.4. 시린지 펌프를 작동시켜 추진액을 민다.6. 검풀기에서 출력을 모니터하다가 최대값(피크의높이)을 얻어내는 측정값으로 한다.

본 고안에 의하여 산업현장 및 실험실에서 널리 사용되는 유체주입형 화학분석기를 초소형으로 그리고 대량생산할 수 있게되었다. 그리고 각 모듈간의 독립성을 부여하여 각 모듈의 개선, 개량이 자유로와 지게 되었고 수많은 다른 모듈의 탄생이 기대되고 있다. 특히 본 고안의 편리한 원터치 배관은 모듈의 적층형 구조에서 이상적인 상호 배관수단을 제공하며 고가의 배관자재를 사용하지 않아도 되게 되었다.

본 고안의 따라 휴대용 수질 분석기, 강변에 설치하여 전지에 의하여 혼자 작동되는 현장 설치용 자동 수질 분석기, 또는 교육용 화학 분석기, 공정에 배치된 대형 반응기에 근접 설치되어 온라인 분석을 통해 자동제어할 수 있는 자동측정장비등 많은 응용가능성이 열리게 되었다.

Claims (4)

1. 화학분석의 단위 기능을 수행하는 플라스틱재질로 이루어진 다수 개의 모듈이 적층되어 두개의 수직지지대의 의하여 정렬되며;

   상기 수직 지지대는 설치된 수평 압박대에 의하여 단단히 고정되며;

   상기 다수 개의 모듈은 서로 원터치 배관에 의하여 상위 및 하위모듈 간의 유체관로의 연결이 이루어지고;

   상기 다수 개의 모듈은 초소형 다이아프램펌프, 초소형 시린지 펌프, 초소형 인젝터, 혼합코일, 플로우셀 등이며;

   상기 다수 개 각각의 모듈에는 마이크로프로세서가 내장되어 전원 및 직렬통신선로로 이루어진 직렬 통신 버스에 접속하여 상호 통신하여 자동샘플링, 자동보정 및 자동측정을 수행하는 적층형 모듈식 초소형 화학분석기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 원터치 배관은 폴리이서이서케톤(Polyetheretherketone)재질의 튜브토막과 이 튜브토막의 직경 보다 작은 직경을 갖는 피삽입 홀 사이의 공차를 이용하여 밀착되게 삽입된 적층형 모듈식 초소형 화학분석기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 시린지 펌프는 사각형 플라스틱 모듈 내에 감속기어, 실린더, 피스톤, 전후진 센서 및 두개의 체크밸브를 집적시켜 적층형 구조의 단위모듈로 사용할 수 있는 적층형 모듈식 초소형 화학분석기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 인젝터는 사각형 플라스틱 모듈 내에 감속기어, 실린더, 피스톤 및 전후진 센서를 집적시켜 적층형 구조의 단위모듈로 사용할 수 있는 형이며, 피스톤의 외벽에 유체관로를 음각시켜 샘플루프가 샘플 입출력관이나 추진액 입출력관에 피스톤의 전후진에 따라 서로 연결되는 적층형 모듈식 초소형 화학분석기.