KR20130120919A - 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 볼펜의 잉크 분석을 통해 의문 문서에 필적으로 존재하는 잉크의 동일성 여부와 기재 시기를 확인하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명을 통해 볼펜의 잉크 분석을 통해 의문 문서에 필적으로 존재하는 잉크의 동일성 여부와 기재시기 확인할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Description

볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템 및 그 방법{Discrimination and dating analysis system of black ballpoint pen ink and thereof.}
본 발명은 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 볼펜의 잉크 분석을 통해 의문 문서에 필적으로 존재하는 잉크의 동일성 여부와 기재 시기를 확인하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
잉크분석은 위조서류, 수표, 어음, 계약서 등 경제사기(financial fraud), 위협, 테러, 의료사기, 유언장 같은 의문 문서(Questioned Document)에 필적으로 존재하는 잉크의 동일성 여부와 위변조의 식별 목적으로 수행되고 있다.
문서위에 존재하는 필기잉크(writing ink)의 종류로는 ballpoint pen ink, roller-ballpen ink, fiber-tip pen ink, marker ink, fountain pen ink, gel-pen ink 등이 있으며 필기구의 종류, 색소(colour), 점착성(tackiness) 및 건조성(drying time)과 같은 요인에 의존적으로 잉크의 조성은 다양하게 구성된다.
그중 볼펜은 1945년부터 활발하게 시판되어 현재까지도 많은 사용이 이루어지고 있는 필기구로써 구성으로는 azo groups, chelate azo, phthalocyanine, perylene, authraquinone, nitro group의 blue violet, fucshin, pararosaniline, crystal violet, methyl violet과 같은 색소(dye)와 잉크의 유동성과 건조성을 위해 첨가되는 전달물질(vehicle)로 glycol 을 기본으로 하는 di(propylene) glycol, benzyl alcohol, phenoxyethanol, monophenyl ether 용매를 사용하고 있다.
기타 첨가제로는 ballpoint의 원활한 윤활을 위하여 지방산, xylene과 습윤성과 유연성을 위한 계면활성제, 잉크흐름 유지를 위한 연화제(softner), 잉크의 연화성 증대를 위한 가소제(plasticizer) 등으로 구성된다.
문서 위에 존재하는 잉크 분석 방법으로는 비파괴적인 방법을 우선적으로 시행하여 적외선을 조사하여 흡수 또는 반사되는 발광(luminescence) 특성을 파악하고 video spectral comparator(VSC), LAB color 프로그램을 이용하여 작성 획시료의 색상을 digital imaging화하여 식별하기도 하며, FT-IR 및 라만 스펙트럼을 확인하여 잉크의 동일성 여부 및 식별에 활용하고 있기도 하다.
파괴적인 방법으로는 UV-Vis spectroscopy를 이용하여 작성 후 시간의 경과에 따른 색소의 형태적 변화에 따른 spectum shift를 파악하여 시간 경과 근거자료로 활용하며 문서 위에 존재하는 잉크의 소량 시료 채취로의 식별법, 효과적인 추출용매 선정, 재현성 있는 분석법 및 장치개발에 대한 연구가 활발하다.
TLC 또는 HPTLC를 이용하여 색소의 구성을 확인하고 이때 이동상 및 전개 조건과 같은 요인에 따른 데이터를 확보하고 시간경과에 따른 색소 밴드의 변화를 파악한다.
HPLC/MS, GC/MS, LDI/MS 등을 이용한 성분분석 방법으로는 볼펜잉크에 포함되어 있는 색소의 증가, 감소 및 형태적 변화를 파악하고 용매와 수지는 문서 위에 기재후 증발되고 남은 잔존량을 확인하거나 산화 또는 중합에 의한 새로운 물질합성에 대한 특성을 파악하고 시간경과에 따른 추세선을 제시하여 기재시기를 추정할 수 있는 자료를 제시하고 있다.
그러나, 이러한 정보의 제공은 충분한 잉크 표준분석 데이터베이스가 확보되어야만 하기에 의문시된 잉크와의 동일성 여부로만 식별하고 있어서 작성 후 시간경과, UV광조사, 온도 등의 환경적 요인에 따른 잉크 변화에 대한 연구의 필요성이 증대되고 있다.
국외의 경우, 잉크분석 데이터베이스로는 U.S Secret Service가 1988년 Alcohol and Tabacco Tax Division Lab.의 1500-2000 개의 잉크 라이브러리를 흡수하여 현재 1960년부터 생산된 10,800 개의 미국내 잉크와 주요 생산국인 유럽과 일본의 필기류 잉크를 수집, 확보하고 잉크별 색소구성에 대한 HPTLC와 이동상, 고정상과 같은 분석 조건에 따른 데이터의 변화 등의 세부적인 digital ink library(DIL)를 구축하고 있으며 생산되는 잉크와 잉크 분석에 대한 데이터를 계속 증강시키고 있으나, 국내의 연구자료는 미비한 실정이다.
볼펜의 색소로 사용되는 염료로는 basic yellow 2(auramine O), basic blue 26(victoria blue), crystal violet(CV, hexamethylpararosaniline)과 pentamethylpararosaniline, tetramethyl pararosaniline과 같은 methyl violet을 사용하며, 선명한 색상을 보유한 장점으로 crystal violet과 같은 양이온성 염료를 많이 사용하고 있으나 내광성이 좋지 않아 광촉매(photocatalysis)과정을 거쳐 점차 둔탁하고 어두운 색으로 변하게 되는 광퇴화(photo degradation)의 과정을 거친다.
색소의 광퇴화는 산소, 수분, 온도, 빛 그리고 환경오염원인 SO2, NO나 지류에 포함되어 있는 TiO2에 의해 촉진되는데 이들의 산화시 생성되는 hydroxy radical(OH), superoxide radical anions(O2), hydroxy radical(OH)이 광촉매의 산화제로 사용되어져 가속화되며 광퇴화는 산소분자의 농도 의존적으로 radical anione의 형성과 퇴화를 유발하게 되는 것으로 알려져 있다.
그 중 Crystal violet(CV)의 경우, 발색단 골격의 demethylation 과정과 공액화된 발색단 구조 분할의 가수분해 과정이 경쟁적으로 진행되어 methyl(-CH3)기의 demethylation 과정이 연속적으로 진행되고 H기로 대체되면서 분자량이 14씩 감소되어 crystal violet(hexamethylpararosaniline, mw 372 g/mol)이 pentamethyl pararosaniline(mw 358 g/mol), tetramethyl pararosaniline(mw 344 g/mol), trimethyl pararosaniline(mw 330 g/mol)로 형성되고 완전한 환원형인 pararosaniline(mw 288 g/mol)이 형성될 때까지 산화적 탈메틸화(demethylation) 과정이 계속 연속된다.
이에 본 발명은 각국 흑색볼펜의 색소성분을 분석하여 식별가능성을 파악하고 기재후 장단기 보관시 색소의 성분변화를 분석하고자 UV-Vis spectrometry, TLC, HPLC-ESI/MS를 이용하여 작성시료에서의 식별법과 시간경과에 따른 변화를 파악하여 기재시기 식별을 제안하고자 한다.
한편, 배경기술로는 대한민국특허등록공보 0717637호인 '수기 특징 합성을 사용한 디지털 잉크 데이터베이스 탐색'이 개시되어 있으며, 작성자-특정 수기모델을 사용하여 텍스트 의문은 손으로 텍스트 의문을 작성한 디지털 잉크 데이터베이스의 작성자로부터 추출한 특징 벡터들과 유사한 특징 벡터들로 전환하게 되며, 상기 특징 벡터들은 데이터베이스를 탐색하기 위해 사용된다.
즉, 상기 기술은 작성자의 특징 벡터를 참조하여 디비를 탐색하여 해당 정보를 추출하는 것으로서, 잉크 변화에 따른 작성시기를 추출하기에는 역부족이었다.
대한민국등록특허 제 0717637호(2007.05.15)
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 볼펜의 잉크 분석을 통해 의문 문서에 필적으로 존재하는 잉크의 동일성 여부와 기재시기를 확인하도록 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여,
본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템은,
기재된 잉크 시료를 식별하기 위한 식별수단과;
상기 식별수단으로부터 식별된 색소의 파장을 획득하는 색소파장획득부와;
볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장 정보를 저장하고 관리하기 위한 볼펜잉크샘플디비와;
상기 색소파장획득부에 의해 획득된 볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장을 제공받아 볼펜잉크샘플디비를 참조하여 시판품 볼펜의 종류를 획득하는 볼펜종류획득부와;
580 nm, 550nm, 660 nm, 420 nm, 390 nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량을 측정하여 볼펜 잉크 작성시기를 판단하는 작성시기판단부;를 포함하여 구성되어 본 발명의 과제를 해결하게 된다.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템 및 그 방법은,
볼펜의 잉크 분석을 통해 의문 문서에 필적으로 존재하는 잉크의 동일성 여부와 기재시기 확인할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 흑색 볼포인트 펜의 샘플 리스트를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 흑색 볼포인트 펜의 Rf 값을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 시료별 구성 색소의 파장을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 TLC chromatography를 이용한 작성시료 TLC의 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 TLC spot을 각각 수집하여 추출액을 회수한 후 흑색 볼펜 잉크의 색소 성분을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 시료 S1의 TLC spot HPLS-ESI/MS를 이용한 질량 확인 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 HPLC-ESI-MS를 이용한 질량스펙트럼과 Total ion chromatogram을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 시료 S 3, 9, 13, 28, 55에서 확인된 색소 및 각 시료의 색소 구성차이를 나타낸 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 580 nm, 420 nm의 최대 흡수 파장을 유지하면서 흡광도가 감소하는 것을 나타낸 도면이다.
도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 TLC를 이용한 방법에서 시간 경과별 작성시료의 색소 변화를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 시간경과에 따른 변화 파악의 지표로 활용되는 다양한 형태의 색소의 증가와 감소에 대한 로그방정식을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 문서위 필적 잉크식별이 가능한 채취량별 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 문서위 필적을 자연적인 조건에서 보관한 필적시료의 분석예이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템블록도이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템은,
기재된 잉크 시료를 식별하기 위한 식별수단(100)과;
상기 식별수단으로부터 식별된 색소의 파장을 획득하는 색소파장획득부(200)와;
볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장 정보를 저장하고 관리하기 위한 볼펜잉크샘플디비(300)와;
상기 색소파장획득부에 의해 획득된 볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장을 제공받아 볼펜잉크샘플디비를 참조하여 시판품 볼펜의 종류를 획득하는 볼펜종류획득부(400)와;
580 nm, 550nm, 660 nm, 420 nm, 390 nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량을 측정하여 볼펜 잉크 작성시기를 판단하는 작성시기판단부(500);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 식별수단은,
유브이-비아이에스 스펙트로포토메트리(UV-Vis spectrophotometry)를 이용하여 200 내지 1100nm 파장 영역에서 흡광도를 조사하여 가시부(400 내지 700nm) 영역에서의 스펙트럼을 획득하는 것을 특징으로 한다.
이때, 다른 예에 따른 상기 식별수단은,
티엘씨 크로마토그래피(TLC chromatography)를 이용하여 n-butanol: ethanol: water: acetic acid (6: 1: 2: 0.05)를 이동상으로 전개하고 visible 영역과 UV detector 365 nm에서의 형광 특성을 영상으로 획득하며, 분리된 TLC spot을 채취하여 추출액을 회수하고, 유브이-비아이에스 스펙트로포토메트리를 이용하여 흡수파장을 획득하고, 에이치피엘씨-이에스아이-엠에스(HPLC-ESI-MS)를 이용하여 질량 스펙트럼을 획득하는 것을 특징으로 한다.
이때, 또 다른 예에 따른 상기 식별수단은,
에이치피엘씨-이에스아이-엠에스(HPLC-ESI-MS)를 이용하여 탄뎀(tandem) 질량 분석기의 스캔모드에서 질량 스펙트럼을 획득하며, 이동상 0.1% formic acid와 acetonitrile를 이용하여 기울기 용매 방법으로 분리시킨 티아이씨(Total ion chromatogram)를 획득하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 작성시기판단부의,
420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 하기의 측정식을 이용하는 것을 특징으로 한다.
y= -0.134ln(x)+0.4363 , R2 = 0.9152
(y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
이때, 상기 작성시기판단부의,
580nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 하기의 측정식을 이용하는 것을 특징으로 한다.
y= -0.128ln(x)+0.7088 , R2 = 0.9055
(y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
이때, 상기 잉크 식별을 위한 채취량은,
1.0 cm 내지 4.5 cm인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명인 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석방법은,
색소파장획득부가 식별수단으로부터 식별된 색소의 파장을 획득하는 제1단계;
볼펜종류획득부가 색소파장획득부에 의해 획득된 볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장을 제공받아 볼펜잉크샘플디비를 참조하여 시판품 볼펜의 종류를 획득하는 제2단계;
작성시기판단부가 580nm 혹은 420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량을 측정하여 볼펜 잉크 작성시기를 판단하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제3단계에서,
작성시기판단부의,
420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 하기의 측정식을 이용하는 것을 특징으로 한다.
y= -0.134ln(x)+0.4363 , R2 = 0.9152
(y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
이때, 상기 제3단계에서,
작성시기판단부의,
580nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 하기의 측정식을 이용하는 것을 특징으로 한다.
y= -0.128ln(x)+0.7088 , R2 = 0.9055
(y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
이하, 본 발명에 의한 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템 및 그 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템의 흑색 볼포인트 펜의 샘플 리스트를 나타낸 예시도이다.
샘플 리스트를 생성하기 위하여 흑색 볼펜을 사용하였으며, 흑색 볼펜은 시판품 56종으로 0.7 mm medium 크기의 ballpoint를 보유한 한국 22종, 일본산 16종, 미국 9종, 중국 6종, 독일 3종으로 도 1에 생산국, 제조사, 제품명을 나타내었다.
획시료 작성에 사용한 종이는 2008년 3월에 생산된 인쇄 및 복사용 종이(한국제지, 210 mm x 297 mm, 80g/m2)를 사용하였으며 볼펜은 데시케이터에 보관하면서 실험에 사용하였다.
또한, 2008년 6월에 pen plotter(Agilent 7440A Op 002) pen catridge에 볼펜을 고정시켜 작성하고 필기압력은 로드셀(AIKOH, Japan)을 이용하여 400 kgf 압력으로 기재됨을 확인하였다.
이후 25 ℃, 40 ~ 50% 습도 환경의 실내 공간의 밀폐공간에서 빛의 노출을 최소화하여 보관하면서 시간 경과에 따라 시료를 채취하였다.
기구로는 UV-visible spectrophotometry(SINCO, Co)0.5 mm sampling tool(Harris Micro-PunchTM, USA), sonicator(Bransonic 3210, Co), TLC plate Silica gel 60 F254 (20x20 cm, MERCK, Co), TLC chamber는 29x27 cm (general glassglowing, Co), Capillary tube Sigma-Aldrich사(St Louis, MO, USA), Docucenter 4500(projectina. Co, USA)의 365 nm, micro 17TR centrifuge (Hanil Science Industrial Co., Korea)를 사용하였다.
HPLC-ESI/MS는 Agilent 1200 series HPLC(Palo Alto, CA, USA), Triple Quadrupole Tandem Mass spectrometer(Agilent 6410 Triple Quad., Palo Alto, CA, USA)를 사용하였다.
한편, 본 발명의 식별수단으로는 UV-Vis spectrophotometry를 이용한 식별과, TLC chromatography를 이용한 식별 및 HPLC-ESI-MS를 이용한 식별을 적용하였다.
상기 UV-Vis spectrophotometry를 이용한 식별은 56 종 볼펜으로 작성된 시료를 methanol로 추출하고 200 ~ 1100 nm 파장 영역에서의 흡광도를 조사하여 가시부(400 ~ 700 nm)영역에서의 spectrum을 획득하였다.
그리고, TLC chromatography를 이용한 식별은 ASTM International Guide E 1422-05에서 제시하는 n-butanol: ethanol: water: acetic acid (6: 1: 2: 0.05)를 이동상으로 전개하고, visible 영역과 UV detector 365 nm에서의 형광 특성을 영상으로 획득하였으며, 분리된 TLC spot을 채취하여 추출액을 회수하고 이를 UV-visible spectrophotometry를 이용하여 흡수 파장을 확인하고, HPLC-ESI-MS를 이용하여 질량을 확인하였다.
그리고, HPLC-ESI-MS를 이용한 식별은 작성시료에서 잉크를 추출하고 직접 주입하여 TIC를 획득하고 Triple Quadrupole Tandem Mass spectrometer를 사용하여 질량을 확인하였다.
Eclipse plus C18 column 이동상 0.1 % formic acid, acetonitrile 100 % 를 사용하였으며 기울기 용매방법을 사용하여 분리시켰으며 이동상의 유속은 0.2mL/min, 시료주입량은 5 ㎕이었다. (도 2 참조)
한편, 작성시기 분석을 위하여 시간경과 시료는 56종 흑색 볼펜으로 2008년 작성시료에서 경과시간별로 채취하고 UV 광조사 시료는 Atlas Ci 4000 Xenon Weater-Ometer(Electric devices. Co.)를 이용하여 420 nm 파장, 42 ℃, 상대습도 30 %, 광량 1.1 W/m2 로 작성시료에 조사하여 노출 시간별로 시료를 획득하였다.(도 2 참조) (표1)
HPLC-ESI-MS Info.
Column Eclipse plus C18 (2.1X 50 mm, 1.8 )
Mobile phase A : 0.1 % Formic acid
B : Acetonitrile
Column flow rate 0.2 mL/min
Injection volume 2 ㎕
Column temperature 30 ℃
Ionization mode Positive & Nagative ion electrospray (scan mode)
Gas temperature 325℃
Gas flow 8.0 L/min (N2)
TIC Start Mass(150), End Mass(1000), Frag (135 V)
결국, UV-Vis spectrophotometry를 이용한 식별은 200 ~ 1100 nm 파장에서의 흡수 spectrum을 확인한 결과, 흑색 볼펜에 포함된 색소의 파장은 580 nm, 550nm, 660 nm, 420 nm, 390 nm이며, 단일 피크인 580 nm를 보유한 시료는 4종으로 한국 3종, 미국 1종이며 580 nm, 420 nm의 2 피크로 구성된 시료는 43종으로 한국 17종, 일본 14종, 중국 1종, 미국 8종, 독일 3종이며 580 nm과 550 nm로 구성된 2종으로 일본 1종과 중국 1으로 확인되었다.
580nm, 550nm, 420 nm의 3개의 피크로 구성된 시료는 4종으로 한국 1종, 일본 1종, 중국 1종이며 550nm, 580nm, 660nm, 380nm의 4개의 피크로 구성된 시료는 4종으로 한국 1종, 중국 3종임을 확인하여 시료별 구성 색소의 파장을 확인할 수 있었다.(도 3 참조)
그리고, TLC chromatography를 이용한 식별은 작성시료 TLC의 결과는 도 4와 같이, 12개 종류로 구분됨을 확인할 수 있었으며, 한국산 22종은 5개의 그룹으로 분리되어 Group 1(3종), Group 2(14종), Group 3(3종), Group 6(1종), Group 10(1종)에 포함되고 일본산의 경우에는 Group 2(10종), Group 4(2종), Group 5(2종), Group 7(1종)과 Group 8(1종)로 구분되는 것을 확인하였다.
중국산의 경우 Group 2(1종), Group 9(1종), Group 10(3종), Group 11(1종)로 구분됨을 알 수 있었다.
미국산의 경우 Group 2(8종), Group 12(1종), 독일산의 경우 Group 2(3종)에 포함되었다.
5개국 생산 56종 흑색볼펜의 TLC 특성으로 분리된 TLC spot은 총 21개로 확인되고 이때의 Rf 값은 도 2에 나타내었다.
분리된 21개의 TLC spot을 각각 수집하여 추출액을 회수하고 흡수파장 확인을 하여 흑색 볼펜 잉크의 색소 성분으로는 ① Skyblue(하늘색) 610 nm, 625 nm ② Yellow(노랑색) 410 nm, 415 nm, 420 nm ③ Orange(오렌지, 형광) 310 nm ④ Blue(파랑색 또는 진한 보라) 585 nm ⑤ Purple (보라색~연보라색) 580 nm, 570 nm와 같은 색상과 흡수파장을 나타내는 색소성분이 사용됨을 알 수 있었으며, 도 5는 Group 10의 S 6의 분석의 예이며, 도 6은 시료 S1의 TLC spot HPLS-ESI/MS를 이용한 질량 확인한 결과이다.
그리고, HPLC-ESI-MS를 이용한 식별은 작성시료의 methanol 추출액을 HPLC-ESI-MS를 이용하여 직접 tandem 질량 분석기의 스캔모드에서 질량스펙트럼을 확인한 후 이동상 0.1 % formic acid와 acetonitrile를 이용하여 기울기 용매방법으로 분리시킨 Total ion chromatogram은 도 7과 같으며, 확인된 색소 성분으로는 14종으로 Violet 9종, Yellow 2종, Blue 2종, 형광 1종이 검출되었으며 Violet 10 종으로는 crystal violet (CV, Hexamethyl pararosaniline)과 methyl violet 4종과 methyl violet의 가수분해 생성물인 CV+OH-2CH2을 비롯한 4종, basic violet 14, Yellow(2종)으로는 Basic yellow 33, Basic yellow 2, Blue(2종)로는 Basic blue 26, Basic blue 9, 형광성분으로는 Megawhite PL이 확인되었다.
도 8은 시료 S 3, 9, 13, 28, 55에서 확인된 색소이며, 각 시료의 색소 구성차이를 확인할 수 있었다.
다음은 작성 시기의 분석을 상세히 설명하도록 하겠다.
상기 UV-Vis spectrum 이용한 방법에서, 시간경과 시료는 2008년 6월에 작성하여 1년의 간격으로 채취하고 UV 광조사 시료는 시간별로 광조사하여 획득하고 spectrum을 분석하였다.
580 nm, 420 nm의 흡수파장을 나타낸 그룹(S1) 작성시료에서의 spectrum의 변화로는 0 day, 6개월(0.5 y), 1년(1 y), 2년(2 y), 3년(3 y)의 시간 경과별 작성시료의 경우, 도 9와 도 10과 같이 580 nm, 420 nm의 최대 흡수 파장을 유지하면서 흡광도의 감소를 확인하였으며, 580 nm의 감소에 대한 로그추세선 y = -0.128ln(x) + 0.7088 R² = 0.9055과 420 nm의 감소에 대한 로그추세선 y = -0.134ln(x) + 0.4363 R²= 0.9152 를 확인할 수 있었다.
UV 광조사 시료의 흡수 spectrum은 도 9와 도 10과 같이, 1 ~ 5 시간 조사시 580 nm, 420 nm의 최대흡수 파장을 유지하고, 580 nm의 감소에 대한 로그추세선 y= -0.077ln(x) + 0.6796 R²= 0.8895과 420 nm의 감소에 대한 로그추세선 y = -0.084ln(x) + 0.4493 R²= 0.7311을 확인할 수 있었다.
UV 광조사 시료의 5 시간 조사 이후 10 nm blue shift됨을 확인할 수 있었으며, 6 시간 이후 100 시간까지의 조사에 대한 spectrum의 shift 현상과 감소에 대한 로그추세선을 확보하였다.
3년의 시간경과는 5시간의 UV 광조사의 결과와 유사함을 알 수 있어서 UV 광조사 1.6 시간의 조사는 1년의 시간경과와 유사함을 알 수 있었다.
580 nm의 최대흡광도의 이러한 blue shift 현상은 580 nm의 흡광도를 나타내는 색소인 crystal violet의 발색단 골격의 demethylation과 가수분해 과정에 의해 발생되는 광퇴화 과정의 분해 산물의 최대흡광도의 변화를 확인한 보고의 crystal violet의 demethylation 단계마다 -6 ~ 8 shift의 흡광도의 변화를 나타내고 완전한 환원형인 pararosaniline까지는 -30 shift의 변화를 보이는 것으로 보고하고 있어서 인위적인 UV 광조사에 따른 흡광도의 감소나 shift 현상은 색소의 시간경과에 따른 변화를 예측할 수 있는 좋은 자료로 활용성이 높음을 알 수 있었다.
한편, TLC를 이용한 방법에서, 도 11a는 시료 S 2의 0 day, 6개월(0.5 y), 1년(1 y), 2년(2 y), 3년(3 y)의 시간 경과별 작성시료의 색소 변화로써 yellow 계열의 basic yellow 2로 시간경과에 따른 감소가 크고, 6개월 이상의 시간의 경과에 따라 현저히 감소하는 경향을 알 수 있었다.
Violet 계열의 색소인 경우 1년의 시간경과에 따라 crystal violet(mw 372)의 감소와 함께 demethylation 형태인 CV-CH2 CV-2CH2의 다양한 형태 색소의 증가와 감소를 확인하고 감소되는 경향을 그래프로 나타내고 로그 추세선으로 시간경과에 따른 감소를 나타낼 수 있었다.
도 12와 같은 CV와 demethylation 형태인 CV-CH2 CV-2CH2의 다양한 형태의 색소의 증가와 감소에 대한 로그방정식을 구할 수 있어서 crystal violet(mw 372)의 경우, 시간경과에 따른 변화 파악의 지표로 사용할 수 있음을 알 수 있었으며 총 56종 시료에서 TLC로 구분되는 12개의 그룹에 대한 자료를 확보하였다.
결국, 상기와 같은 실험 결과, 작성된 흑색 볼펜 잉크의 식별과 작성 후 시간경과 및 UV 광조사에 따른 변화를 파악하여 작성시기 식별 가능성을 확인하였다.
흑색 볼펜 작성시료 56종의 UV-Vis spectrum은 ①580 nm, 420 nm ②580nm, 550nm, 420 nm ③550nm, 580nm, 660nm, 380nm ④580nm ⑤580nm, 550nm의 파장을 보유한 잉크로 구분되며, 0 day ~ 3년(3 y)이 경과한 시료와 인위적인 노화 예측을 위한 UV 광조사 시료에서의 UV-visible spectrum의 변화에 대한 로그추세선을 확보하고, UV 광조사 시간에 따른 최대 흡광도 blue shift를 확인하였으며, UV 광조사 1.6 시간의 조사는 1년의 시간경과 시료에서의 결과와 유사하여 경과된 시간을 예측하여 식별할 수 있는 자료로 활용 가능함을 확인하였다.
또한, TLC를 이용한 식별 방법으로는 12개 TLC 형태로 구분되고 분리된 21개 spot의 Rf값을 획득하고, 각 spot별 최대흡수파장을 확인하여 데이터베이스화하며, 시간경과별 시료 및 UV 광조사 시료에서의 TLC 색소의 감소 및 증가에 대한 데이터를 확보할 수 있게 된다.
또한, HPLC-ESI-MS를 이용한 식별 방법으로 14종 색소로 Violet 10 종crystal violet (CV, Hexamethyl pararosaniline)과 methyl violet 4종과 methyl violet의 가수분해 생성물인 CV+OH-2CH2을 비롯한 4종, basic violet 14, Yellow(2종)으로는 Basic yellow 33, Basic yellow 2, Blue(2종)로는 Basic blue 26, Basic blue 9, 형광성분으로는 Megawhite PL을 확인하고 시료별 색소의 구성을 식별할 수 있었으며, 시간경과에 따른 색소 변화를 파악하여 crystal violet의 demethylation에 따른 methyl violet 3종인 pentamethyl pararosaniline (mw 358, CV-CH2), tetramethyl pararosaniline (mw 344, CV-2CH2)의 증가와 감소에 대한 로그방정식을 획득하여 methyl violet의 생성과 감소로 crystal violet을 주요 색소로 사용하는 흑색 볼펜 잉크 작성시료의 경과 시간 식별 자료로 활용할 수 있음을 알 수 있었다.
본 발명에서는 5개국에서 생산된 흑색볼펜 56종 작성시료의 식별을 위한 방법으로 UV-Vis spectrum, TLC, HPLC-ESI-MS를 이용한 방법을 구축하고 자료를 확보하였으며, 시간경과 및 UV 광조사에 따른 색소의 변화에 대한 분석 자료를 확보하고 이를 바탕으로 문서 위에 기재된 볼펜의 기재시기 식별에 활용이 가능함을 알 수 있었다.
다음은 상기와 같은 실험 결과를 토대로 볼펜 잉크 식별 및 작성시기를 분석하기 위한 시스템에 대하여 설명하도록 하겠다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템블록도이다.
도 15에 도시한 바와 같이, 본 발명의 시스템은,
기재된 잉크 시료를 식별하기 위한 식별수단(100)과;
상기 식별수단으로부터 식별된 색소의 파장을 획득하는 색소파장획득부(200)와;
볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장 정보를 저장하고 관리하기 위한 볼펜잉크샘플디비(300)와;
상기 색소파장획득부에 의해 획득된 볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장을 제공받아 볼펜잉크샘플디비를 참조하여 시판품 볼펜의 종류를 획득하는 볼펜종류획득부(400)와;
580 nm, 550nm, 660 nm, 420 nm, 390 nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량을 측정하여 볼펜 잉크 작성시기를 판단하는 작성시기판단부(500);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 식별수단(100)은,
유브이-비아이에스 스펙트로포토메트리(UV-Vis spectrophotometry)를 이용하여 200 내지 1100nm 파장 영역에서 흡광도를 조사하여 가시부(400 내지 700nm) 영역에서의 스펙트럼을 획득하게 된다.
예를 들어, 잉크 시료를 메탄올로 추출하고, 200 내지 1100nm 파장 영역에서 흡광도를 조사하여 가시부(400 내지 700nm) 영역에서의 스펙트럼을 획득하게 되는 것이다.
또한, 다른 일실시예에 따른 상기 식별수단은,
티엘씨 크로마토그래피(TLC chromatography)를 이용하여 n-butanol: ethanol: water: acetic acid (6: 1: 2: 0.05)를 이동상으로 전개하고 visible 영역과 UV detector 365 nm에서의 형광 특성을 영상으로 획득하며, 분리된 TLC spot을 채취하여 추출액을 회수하고, 유브이-비아이에스 스펙트로포토메트리를 이용하여 흡수파장을 획득하고, 에이치피엘씨-이에스아이-엠에스(HPLC-ESI-MS)를 이용하여 질량 스펙트럼을 획득하는 것을 특징으로 한다.
또한, 또 다른 일실시예에 따른 상기 식별수단은,
에이치피엘씨-이에스아이-엠에스(HPLC-ESI-MS)를 이용하여 탄뎀(tandem) 질량 분석기의 스캔모드에서 질량 스펙트럼을 획득하며, 이동상 0.1% formic acid와 acetonitrile를 이용하여 기울기 용매 방법으로 분리시킨 티아이씨(Total ion chromatogram)를 획득하는 것을 특징으로 한다.
한편, 문서 위에 필적으로 존재하는 잉크의 식별을 위한 채취 최소량은 0.5 cm, 1.0 cm, 1.5 cm, 2.0 cm, 2.5 cm, 3.0 cm, 3.5 cm, 4.0 cm, 4.5 cm, 5.0 cm로 채취, 추출용매 400 ㎕ 를 가하여 5℃, sonicator를 이용하여 추출하고 200 ~ 1100 nm 파장 대역에서의 흡수 spectrum을 확인한 결과, 실험예에 따라 580 nm와 420 nm 흡수파장을 나타내는 볼펜시료(S1)의 경우 1.0 ~ 4.5 cm를 채취하였을 경우, 580 nm와 420 nm에서 y = 0.0492x-0.0127 R² = 0.9805와 y = 0.0298x-0.014 R² = 0.9891로 직선성을 나타내어 식별이 가능한 최소량으로는 1.0 cm와 최대량으로는 4.5 cm이 적정한 것으로 확인되었으며, 0.5 cm와 5.0 cm의 채취로는 흡수파장의 피크의 정확한 흡광도가 파악되지 못하여 식별이 불가능함을 알 수 있었다.
한편, 시료별 구성 색소의 파장을 도 3과 같이 나타내었으며, 시료별 구성 색소의 파장 정보를 볼펜잉크샘플디비에 저장하고 관리하게 된다.
따라서, 상기 볼펜종류획득부(400)에서는 색소파장획득부에 의해 획득된 볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장을 제공받아 볼펜잉크샘플디비를 참조하여 시판품 볼펜의 종류를 획득할 수 있게 되는 것이다.
이를 위하여 상기 유브이-비아이에스 스펙트로포토메트리(UV-Vis spectrophotometry), 티엘씨 크로마토그래피(TLC chromatography), 에이치피엘씨-이에스아이-엠에스(HPLC-ESI-MS)와 같은 식별수단으로부터 식별된 색소의 파장을 색소파장획득부(200)에서 획득하게 되며, 획득된 정보를 볼펜종류획득부에서 획득하여 볼펜 종류를 판단하게 되는 것이다.
한편, 도 14는 문서위 필적을 자연적인 조건(25℃, 40 ~ 50% 습도)에서의 보관한 필적시료의 일실시예로써, 580nm, 420nm의 흡수파장을 나타낸 그룹(S1), 작성 시료에서의 스펙트럼의 변화로는 0일, 6개월(0.5y), 1년(1y), 2년(2y), 3년(3y)의 시간 경과별 작성 시료의 경우, 도 14와 같이 580nm, 420nm의 최대 흡수 파장을 유지하면서 흡광도의 감소를 확인할 수 있었으며, 580nm의 감소에 대한 로그추세선 y= -0.128ln(x)+0.7088 , R2 = 0.9055와 420nm의 감소에 대한 로그추세선 y= -0.134ln(x)+0.4363 , R2 = 0.9152를 확인할 수 있었다.
광조사 시료의 흡수 스펙트럼은 도 10과 도 11은 1 ~ 5시간 조사시 580nm, 420nm의 최대 흡수 파장을 유지하면서 흡광도의 감소를 확인할 수 있었으며, 580nm의 감소에 대한 로그추세선 y= -0.077ln(x)+0.6796 , R2 = 0.8895와 420nm의 감소에 대한 로그추세선 y= -0.084ln(x)+0.4493 , R2 = 0.7311를 확인할 수 있었다.
유브이 광조사 시료의 5시간 조사 이후 10nm blue shift 됨을 확인할 수 있었으며, 6시간 이후 100시간까지의 조사에 대한 스펙트럼의 쉬프트 현상과 감소에 대한 로그추세선을 획득할 수 있었다.
3년의 시간경과는 5시간의 유브이 광조사의 결과와 유사함을 알 수 있어서 유브이 광조사 1.6시간의 조사는 1년의 시간경과와 유사함을 알 수 있었다.
이를 작성시기판단부(500)에서 활용하게 되는데, 580nm 혹은 420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량을 측정하여 볼펜 잉크 작성시기를 판단할 수 있게 된다.
이때, 상기 420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 y= -0.134ln(x)+0.4363 , R2 = 0.9152를 이용하게 된다.(y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
또한, 580nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 y= -0.128ln(x)+0.7088 , R2 = 0.9055를 이용하게 되는 것이다.(y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
결론적으로 볼펜 작성시료 56종의 유브이-비아이에스 스펙트럼은 첫째 580nm, 420nm, 둘째 580nm, 550nm, 420nm, 셋째 550nm, 580nm, 660nm, 380nm, 넷째 580nm 다섯째 580nm, 550nm의 파장을 보유한 잉크로 구분되어지며, 0일 ~ 3년이 경과한 시료와 인위적인 노화 예측을 위한 유브이 광조사 시료에서의 유브이-비져블(visible) 스펙트럼의 변화에 대한 로그추세선을 획득하고 유브이 광조사에 따른 회대 흡광도 블루 쉬프트를 확인할 수 있었다.
유브이 광조사 1.6시간의 조사는 1년의 시간경과 시료에서의 결과와 유사하여 경과된 시간을 예측하여 경과시간을 식별할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석방법은,
색소파장획득부가 식별수단으로부터 식별된 색소의 파장을 획득하는 제1단계;
볼펜종류획득부가 색소파장획득부에 의해 획득된 볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장을 제공받아 볼펜잉크샘플디비를 참조하여 시판품 볼펜의 종류를 획득하는 제2단계;
작성시기판단부가 580nm 혹은 420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량을 측정하여 볼펜 잉크 작성시기를 판단하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
즉, 색소파장획득부가 식별수단으로부터 식별된 색소의 파장을 획득하게 되며, 볼펜종류획득부가 상기 색소파장획득부에 의해 획득된 볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장을 제공받아 볼펜잉크샘플디비를 참조하여 시판품 볼펜의 종류를 획득하게 되며, 작성시기판단부가 580nm 혹은 420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량을 측정하여 볼펜 잉크 작성시기를 판단하게 되는 것이다.
결국, 상기와 같은 구성 및 동작을 통해 볼펜의 잉크 분석을 통해 의문 문서에 필적으로 존재하는 잉크의 동일성 여부와 기재시기 확인할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
이상에서와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 식별수단
200 : 색소파장획득부
300 : 볼펜잉크샘플디비
400 : 볼펜종류획득부
500 : 작성시기판단부

Claims (10)

  1. 기재된 잉크 시료를 식별하기 위한 식별수단(100)과;
    상기 식별수단으로부터 식별된 색소의 파장을 획득하는 색소파장획득부(200)와;
    볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장 정보를 저장하고 관리하기 위한 볼펜잉크샘플디비(300)와;
    상기 색소파장획득부에 의해 획득된 볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장을 제공받아 볼펜잉크샘플디비를 참조하여 시판품 볼펜의 종류를 획득하는 볼펜종류획득부(400)와;
    580 nm, 550nm, 660 nm, 420 nm, 390 nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량을 측정하여 볼펜 잉크 작성시기를 판단하는 작성시기판단부(500);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 식별수단은,
    유브이-비아이에스 스펙트로포토메트리(UV-Vis spectrophotometry)를 이용하여 200 내지 1100nm 파장 영역에서 흡광도를 조사하여 가시부(400 내지 700nm) 영역에서의 스펙트럼을 획득하는 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 식별수단은,
    티엘씨 크로마토그래피(TLC chromatography)를 이용하여 n-butanol: ethanol: water: acetic acid (6: 1: 2: 0.05)를 이동상으로 전개하고 visible 영역과 UV detector 365 nm에서의 형광 특성을 영상으로 획득하며, 분리된 TLC spot을 채취하여 추출액을 회수하고, 유브이-비아이에스 스펙트로포토메트리를 이용하여 흡수파장을 획득하고, 에이치피엘씨-이에스아이-엠에스(HPLC-ESI-MS)를 이용하여 질량 스펙트럼을 획득하는 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 식별수단은,
    에이치피엘씨-이에스아이-엠에스(HPLC-ESI-MS)를 이용하여 탄뎀(tandem) 질량 분석기의 스캔모드에서 질량 스펙트럼을 획득하며, 이동상 0.1% formic acid와 acetonitrile를 이용하여 기울기 용매 방법으로 분리시킨 티아이씨(Total ion chromatogram)를 획득하는 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 작성시기판단부의,
    420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 하기의 측정식을 이용하는 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템.
    y= -0.134ln(x)+0.4363 , R2 = 0.9152
    (y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 작성시기판단부의,
    580nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 하기의 측정식을 이용하는 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템.
    y= -0.128ln(x)+0.7088 , R2 = 0.9055
    (y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 잉크 식별을 위한 채취량은,
    1.0 cm 내지 4.5 cm인 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석시스템.
  8. 색소파장획득부가 식별수단으로부터 식별된 색소의 파장을 획득하는 제1단계;
    볼펜종류획득부가 색소파장획득부에 의해 획득된 볼펜 잉크에 포함된 색소의 파장을 제공받아 볼펜잉크샘플디비를 참조하여 시판품 볼펜의 종류를 획득하는 제2단계;
    작성시기판단부가 580nm 혹은 420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량을 측정하여 볼펜 잉크 작성시기를 판단하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제3단계에서,
    작성시기판단부의,
    420nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 하기의 측정식을 이용하는 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석방법.
    y= -0.134ln(x)+0.4363 , R2 = 0.9152
    (y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제3단계에서,
    작성시기판단부의,
    580nm의 최대 흡수 파장에 대한 흡광도 감소량 측정식은 하기의 측정식을 이용하는 것을 특징으로 하는 볼펜잉크 식별 및 작성시기 분석방법.
    y= -0.128ln(x)+0.7088 , R2 = 0.9055
    (y는 흡광도 감소량, x는 작성시기)
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