KR20140129532A - 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시료의 변색 구간에서 색 변화가 나타나는 것을 원리로 하여 시료에 영향을 주지 않는 광을 조사하고, 이를 광학 소자를 이용하여 투과되는 광량을 측정 및 분석할 수 있는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 디지털 컬러 광 센서를 통해 주위의 광원을 백색광으로 유도하고, 상기 백색광이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되고, 상기 투과된 빛은 컬러 필터를 지나 포토 다이오드에 입사되어 pH를 측정하고, 상기 PH 정보가 저장부에 저장된다.
본 발명은 디지털 컬러 광 센서를 통해 주위의 광원을 백색광으로 유도하고, 상기 백색광이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되고, 상기 투과된 빛은 컬러 필터를 지나 포토 다이오드에 입사되어 pH를 측정하고, 상기 PH 정보가 저장부에 저장된다.
Description
본 발명은 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시료의 변색 구간에서 색 변화가 나타나는 것을 원리로 하여 시료에 영향을 주지 않는 광을 조사하고, 이를 광학 소자를 이용하여 투과되는 광량을 측정 및 분석할 수 있는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 생체의 주성분은 전해질용액이며, 생체액의 pH는 그 생화학적 특징을 좌우하는 중요한 지표가 된다.
그러므로 더욱 0.01pH이하의 정밀한 계측이 요망된다. 용액 중의 수소 이온 농도의 역수의 대수를 pH라 하고, 순수의 경우는 7로 정하며, 이것을 기준으로 하여 산, 알칼리를 0~14의 수치로 나타낸다.
pH는 공학, 화학 의학 등 여러 분야에서 활발하게 사용되고 있는 분야이다. 용액의 산성이나 염기성은 수소 이온의 농도로 나타낼 수 있는데, 이를 pH(power of the hydrogen ion)라고 한다.
다시 말해, pH는 물질의 산성 및 염기성의 정도를 나타내는 수치이며, 수소 이온의 해리농도를 로그의 역수 로 취해 사용대수를 이용하여 정의한다.
수용액에서 수소 이온의 활동도는 물의 해리상수(dissociation constant, Kw = 1.011×10-14)와 다른 이온과의 상호작용으로 나타내어지고, 해리상수 때문에 중성의 수용액은 pH 7의 값을 가진다.
즉 섭씨 25°를 기준 온도로 하여 pH가 7.0보다 낮으면 산성이라 하고, 7.0보다 높으면 염기성이라 한다.
산 염기 지시약은 물질의 산성도에 따라 자신의 색깔을 변화시킴으로써 그 물질이 어떤 특성(산성, 중성,염기성)을 지니는가를 구분해주는 물질을 말한다.
pH 지시약의 색상의 변화 범위는 한정되어 있고 지시약의 종류마다 다르다. 산염기 지시약은 일반적으로 거대한 유기분자로서 그 자체가 약산 또는 약 염기로서 그 물질이 지시약으로 이용되기 위해서는 산성형과 염기성형의 색깔이 서로 달라야 한다. 지시약의 선택은 pH의 범위에 의존한다.
다양한 pH 연구에 적용하기 위해 pH의 정밀한 측정은 널리 사용되는 분야가 되었다. 현재 여러 종류의 pH 센서가 개발 되어 있다. pH 측정 방법에는 pH 지시약, 유리전극을 사용하는 pH미터기 등이 있다.
pH 미터는 수소 이온 농도를 정확히 측정하는 기기이지만 pH 미터의 전극은 충격에 매우 약하여 조금만 부딪쳐도 파손되는 단점이 있고 유리 전극이 건조되지 않도록 항상 증류수에 담궈둬야 하며 계측기가 비교적 큰 단점을 가진다.
이처럼 pH 계는 측정이 어려울 뿐만 아니라 보관도 쉽지 않고 손이 많이 가며 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
이러한 단점을 보안하기 위해 국내에서 다른 방법을 모색하고 있다. 그 중 하나는 마이크로 컴퓨터를 이용한 pH 측정 시스템인데 이는 디지털 pH계의 계측에 있어서 인력에 의하여 계속적으로 기록하는 번거로움을 줄이고 다른 데이터와 동시적인 수정이 불가능하여 나타나는 분석의 오차를 해결하고자 개발하였다.
하지만 이 방법은 정확성과 연속성 및 기록성이 용이 하지만 analog pH meter를 사용하므로 이 역시 표준용액에 담가 기본조정을 하는 것은 변함이 없다. 회로 구성에도 OP AMP를 사용하여 증폭시키기 때문에 최고전압을 정해 주어야 하며 증폭률도 맞춰 줘야 오차가 줄어들으므로 그에 따른 번거로움이 있고 pH계 자체가 아날로그 방식을 쓰고 있기 때문에 A/D 변환을 해주어야 하며 여기서도 오차가 생길 가능성이 있다.
다른 방법인 pH 시험지는 지시약을 여과지에 침투시켜 만든 종이로, pH 시험지를 용액에 담그면 용액이 종이에 묻어있는 지시약과 반응하게 되는데 이 때 용액의 수소 이온 농도에 따라 반응 후의 색깔이 달라지기 때문에 이 색깔 변화를 관찰하여 이를 표준 변색표와 비교하면 용액의 pH를 알아낼 수 있다.
예를 들어 pH 시험지를 적당한 길이로 잘라 용액 속에 살짝 넣었다 꺼냈더니 용액과 닿은 부분의 색깔이 오렌지색으로 변했다면 이 용액은 pH 4 정도의 산성 용액임을 알 수 있다.
pH 시험지의 색깔이 풀색이었다면 이 용액은 중성이다. pH를 간단하고 빠르게 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 pH 시험지의 오차 범위는 0.2~0.5 pH 정도로 정확도는 떨어진다.
또한, pH 시험지의 색깔 변화는 용액에 담갔다가 꺼낸 뒤 바로 관찰하는 것이 보다 확실하고, pH 시험지를 보관할 때에는 빛이 없는 곳에 두는 것이 좋으므로 이 역시 시간에 구애받으며 보관이 어렵다는 단점을 가지고 있다.
또 다른 방법으로는 지시약을 이용한 방법도 연구되고 있다. pH시험지와 마찬가지로 변색범위에서 지시약의 색이 바뀌는 원리를 사용하여 pH의 값을 측정하는 방법이다.
지시약의 변색된 색을 구분하기위해 분광 광도법과 등흡광점을 이용하여 pH를 측정하는 방법을 모색하고 있다. 분광 광도법은 표준완충액 계열법으로 측정이 가능하나 표준완충액에 지시약을 정확히 첨가하여 흡광도를 측정하므로 번거롭고 표준용액과 이온강도가 다를 경우 오차가 생길 가능성이 크다.
또한 측정 시 시료 자체의 흡광도도 측정하고 시료를 알카리성으로 만들고 나서 측정한 뒤 다시 산성으로 만들어서 측정하여 pH를 계산해야 하므로 조작이 쉽지 않다는 단점이 있다.
등흡광점을 이용한 측정법은 오차가 적고 기존의 pH계와 값이 같다는 점에서 좋으나 흡수 파장에서의 액층의 길이를 일정히 유지해야하며 흡광도를 구하는 방법이 일반인들이 계산하기에는 어렵고 흡광도 측정 역시 스펙트로미터와 석영 셀을 사용하여 고가의 장비가 필요하고 용액의 pH도 일정한 이온강도로 유지시켜야하는 어려움이 있다.
이상 설명한 여러가지 방법의 공통적인 단점은 보관이 어려우며 시간에 종속되고, 계산이 어렵다는 것이다.
특히 가장 많이 쓰이고 있고 세계적으로 기본으로 사용되는 pH계의 경우는 측정하는데 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 손이 많이 가며 표준용액이 있어야만 측정이 가능하다는 번거로움이 있다. 이러한 단점들을 보안하는 쉽고 간편하며 시간에 얽매이지 않고, 0.01이하의 정밀한 계측을 할 수 있는 광학적 방법을 사용한 pH측정법을 제시한다.
pH 지시약은 현재 가장 널리 사용하고 있는 수소이온의 농도를 측정하는 방법이지만 눈으로만 측정하여 사용자의 주관적인 측정방법이 내포되어있고 미세한 변색범위는 눈으로 측정하지 못하거나 측정 오차가 큰 단점을 가진다.
지시약은 화학반응에서 일정한 상태를 판별하는 데 사용되는 시약이다. 지시약은 적정을 하면서 중화점을 알기 위해, 혹은 수소이온의 농도를 알기 위해서 주로 사용된다. 지시약은 용액의 pH가 변함에 따라 눈에 띄는 변화가 나타나는 물질로, 이러한 변화가 색깔로 나타나는 지시약도 있고, 형광이나 발광 등으로 나타나는 것도 있다. 용액이 혼탁해지거나 침전물이 생성되는 경우도 있다. 이 중 가장 널리 사용되는 것은 색깔의 변화가 나타나는 지시약이다.
지시약의 종류는 매우 다양하며 변화가 나타나는 시점이 각각 다양하다. 가장 흔하게 쓰이는 지시약은 산염기지시약으로, 산염기지시약은 pH(수소이온지수)에 따라 그 색깔이 달라진다. 산염기지시약은 그 자체가 약산 또는 약염기다. 만약 산성용액에 약산인 지시약을 한 두 방울 떨어뜨리면 지시약에 붙어 있는 수소는 잘 떨어져 나가지 않는다.
이미 용액 속에 수소이온이 많기 때문이다. 그렇지만 이 용액에 염기성 물질을 조금씩 넣어주면 용액 속의 수소이온 농도가 줄어들기 때문에 지시약에 붙어 있던 수소들이 해리되어 이온상태로 존재하는 분자의 수가 많아진다. 용액의 산성도가 변함에 따라 분자구조가 바뀌는 지시약 분자가 많아지고, 분자구조가 바뀔 때 분자의 색깔도 함께 변하게 된다.
이렇게 나타난 색을 작은 용기에 덜어 포토다이오드 위에 올리고 백색광을 비춰 RGB값을 측정하면 0.01이하의 pH값 차이도 구별할 수 있으며 온도에 의해 쉽게 변화하는 pH값도 측정할 수 있다. 측정한 RGB값으로 파장을 구하여 대략적인 파장 값의 변화도 볼 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 물질의 색에 따라 각각의 다른 빛의 양을 투과시키기 위해, 용액에는 pH 측정 방법에 이용되는 각각의 서로 다른 지시약이 혼합되고, 물질의 색 특성에 따라 빛을 투과하는 정도가 다른점을 이용하여 pH 변색구간에서의 pH를 구별할 수 있는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치 및 그 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 시료의 변색 구간에서 색 변화가 나타나는 것을 원리로 하여 시료에 영향을 주지 않는 광을 조사하고, 이를 광학 소자를 이용하여 투과되는 광량을 측정 및 분석하여 pH를 알아내는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치 및 그 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 디지털 컬러 광 센서를 통해 주위의 광원을 백색광으로 유도하고, 상기 백색광이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되고, 상기 투과된 빛은 컬러 필터를 지나 포토 다이오드에 입사되어 pH를 측정하고, 상기 PH 정보가 저장부에 저장된다.
일 실시예에 있어서, 상기 디지털 컬러 광 센서에 장착된 컬러 필터는 Red, Blue, Green의 컬러필터이다.
일 실시예에 있어서, 상기 Red, Green, Blue 컬러 필터가 4개씩 어레이 타입(array type)으로 배열되어 있고, 상기 컬러 필터에 포토 다이오드(Photo Diode)가 내장된다.
일 실시예에 있어서, 상기 Red, Green, Blue 컬러 필터를 거친 후 포토다이오드에 입사된 빛을 수치화 시켜 분석한 Red, Blue, Green 컬러를 수치로 나타낸 값의 파장과 순도를 찾기 위해 색좌표로 변환한다.
일 실시예에 있어서, 상기 색좌표는 cie1931에 이용되는 색좌표값으로 변환된다.
일 실시예에 있어서, 상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 cie_lab, cmy값으로 변환된다.
일 실시예에 있어서, 상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 CIE XYZ 색 공간에서, 아래 수학식 1 내지 수학식 3을 통해 두 개의 값 X, Y, Z로부터 계산된 값 x, y로 표현된다.
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
일 실시예에 있어서, 상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 x, y, Y로 표현된 색 공간인 CIE xyY 색 공간에서, 아래 수학식 4와 수학식 5를 통하여 x와 y로부터 X와 Z가 계산된다.
[수학식 4]
[수학식 5]
본 발명은 색의 RGB 정보를 측정하기 위한 측정수단; 상기 측정 수단을 통해 측정된 신호에서 아날로그 디지털 변환을 통해 데이터를 저장하고, 피팅(FITTING)을 통해 이를 0~255사이의 값으로 바꾸어주는 변환수단; 저장된 정보를 가지고 CIE 1931에 적용하여 Lab, CMYK, RGB, XYZ, Yxy등의 좌표값으로 산출하는 산출수단을 포함하여 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 산출수단을 통하여 산출한 좌표값을 토대로 dominant wavelength, purity를 산출한다.
일 실시예에 있어서, 상기 색의 RGB 정보 중 RGB 값을 추출 하되, 다른 외부 조명이나 광원에 의한 빛은 차단하고 백색광만을 주입하며, 사용한 광원에서의 빛 만을 감지하고 그 신호를 조합하여 fitting 과정을 통해 색 좌표값을 검출한다.
본 발명은 디지털 컬러 광 센서를 통해 주위의 광원을 백색광으로 유도하는 단계; 상기 백색광이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되는 단계; 상기 투과된 빛은 컬러 필터를 지나 포토다이오드에 입사된 빛을 수치화 시켜 분석한 Red, Blue, Green 컬러를 수치로 나타내는 단계; 상기 Red, Blue, Green 컬러 정보가 저장부에 저장되는 단계;를 포함하여 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 CIE XYZ 색 공간에서, 상기 수학식 1 내지 수학식 3을 통해 두 개의 값 X, Y, Z로부터 계산된 값 x, y로 표현된다.
일 실시예에 있어서, 상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 x, y, Y로 표현된 색 공간인 CIE xyY 색 공간에서, 상기 수학식 4와 수학식 5를 통하여 x와 y로부터 X와 Z가 계산된다.
본 발명은 측정수단을 통해 색의 RGB 정보를 측정하는 단계; 변환수단이 상기 측정 수단을 통해 측정된 신호에서 아날로그 디지털 변환을 통해 데이터를 저장하고, 피팅(FITTING)을 통해 이를 0~255사이의 값으로 바꾸어주는 단계; 산출수단이 저장된 정보를 가지고 CIE 1931에 적용하여 Lab, CMYK, RGB, XYZ, Yxy등의 좌표값으로 산출하는 단계;를 포함하여 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 산출수단을 통하여 산출한 좌표값을 토대로 dominant wavelength, purity를 산출하는 단계;를 더 포함하여 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 색의 RGB 정보 중 RGB 값을 추출 하되, 다른 외부 조명이나 광원에 의한 빛은 차단하고 백색광만을 주입하며, 사용한 광원에서의 빛 만을 감지하고 그 신호를 조합하여 fitting 과정을 통해 색 좌표값을 검출하는 단계;를 더 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 pH 측정 방법은 소량의 용액만으로도 pH를 측정할 수 있고 비 접촉식으로 분석하고자 하는 pH를 간단하게 측정이 가능하다.
또한 본 발명에 따르면 광량을 이용한 분석 방법으로써 시료에 영향을 주지 않아 시료의 손실이 없다는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 LED와 간단한 광학 소자를 이용하여 개발하는 것으로 현재 출시되어 있는 분광기보다 훨씬 저렴한 가격에 장비를 개발할 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면 색을 판단해야 하는 분야인 pH 지시약의 색 판별, 과일의 색 판별, 피부색 판별 및 피부 색소 침착 정도 판별 등에는 모두 적용이 가능하다.
본 발명에 따르면 분광계나 컬러리미터와 같은 고가의 분석 장치가 아닌 소형의 분석 장치를 이용하여 지시약의 pH농도를 분석할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 미세한 변화까지도 확인할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 RGB 데이터 정보와, 상기 RGB데이터를 토대로 색 좌표값을 얻어, pH를 정량적으로 판단하거나 평가할 수 있고, 크기가 소형임으로 어디서나 간단히 다룰 수 있는 장점이 있고, pH 이외에도 물체의 색 변화 정도나, 염료의 염색 정도, 코팅 정도 등을 실시간으로 분석할 수 있는 이점이 있다
본 발명에 따르면 특히 분광계나 컬러리미터와 같은 고가의 분석 장치가 아닌 소형의 분석 장치를 이용하여 지시약의 pH농도를 분석 할 수 있는 장점이 있다. 또한 미세한 변화까지도 확인할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 RGB 데이터 정보와, 이 RGB데이터를 토대로 색 좌표값을 얻어, pH를 정량적으로 판단하거나 평가 할 수 있고, 크기가 소형임으로 어디서나 간단히 다룰 수 있는 장점이 있고, pH이외에도 물체의 색 변화 정도나, 염료의 염색 정도, 코팅 정도 등을 실시간으로 분석할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실험 방법을 개략적으로 그려놓은 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 실험에 사용된 센서를 간략히 모식화한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 센서를 거쳐 얻은 R,G,B 값을 파장과 순도를 찾기 위해 색좌표로 변환하는 과정을 간단히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 RGB 피팅 단계 등을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 페놀프탈레인 실험결과를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 BTB 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 메틸 오렌지 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 페놀프탈레인 실험 결과 그래프를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 메틸 오렌지 실험 결과 그래프를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 BTB 실험 결과 그래프를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 실험에 사용된 센서를 간략히 모식화한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 센서를 거쳐 얻은 R,G,B 값을 파장과 순도를 찾기 위해 색좌표로 변환하는 과정을 간단히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 RGB 피팅 단계 등을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 페놀프탈레인 실험결과를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 BTB 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 메틸 오렌지 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 페놀프탈레인 실험 결과 그래프를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 메틸 오렌지 실험 결과 그래프를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 BTB 실험 결과 그래프를 보여주는 도면이다.
본 발명에서는 광의 흡수, 투과도를 이용한 pH 측정 방법을 제시한다. 실험은 작은 크기의 컬러 센서를 사용하였으며 광의 투과도를 측정하여 데이터를 분석하고 이를 cie1931 이라는 국제 표준 방법에 적용 시켜 pH에 의해 변하는 지시약의 특성을 이용하여 이의 광학적 특성을 분석하고자 하였다.
도 1에서 보는 바와 같이 본 발명은 디지털 컬러 광 센서(10)를 통해 주위의 광원을 백색광원(18)으로 유도하고, 상기 백색광원(18)이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되고, 상기 투과된 빛은 큐벳(cuvette) 내의 PH 리퀴드 솔루션(14)의 컬러 필터(16)를 지나 포토 다이오드(34)에 입사되어 pH를 측정하고, 상기 PH 정보가 컴퓨터(20)의 저장부에 저장되고, 디스플레이된다.
즉 도 2에서 보는 바와 같이 본 발명은 먼저 백색 LED(31)에서 PH 인디케이터(32), 컬러 필터 장치(33), 포토 다이오드(34), A/D 컨버터(35), 디텍터(36)로 정보가 전송되어 저장된다.
구체적으로 살펴보면, 본 발명의 일실시예에 따른 실험은 pH 용액에 지시약을 첨가하여 광학적 특성을 분석하여 Red, Green, Blue 광 신호를 분석하고 검출하고 이를 1931 에 적용하여 색 좌표를 검출하고 파장 및 순도를 검출하는 방법으로 진행되었다.
여기에서 제시하는 광학적 방법을 사용한 pH측정법은 미지의 pH가의 용액에 특정 지시약을 투입하여 나타낸 색변화로 pH를 보다 정확하게 수치화하여 나타내는 법이고, 이는 저장부에 저장된다.
상기 표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실험에 사용한 지시약의 종류를 표로 나타낸 것이다. 지시약은 산성, 중성, 염기성에서 변색 범위를 갖는 3가지의 대표적인 지시약을 사용하였다.
염기성에서 변색 범위를 가지는 메틸 오렌지 지시약과 중성 근처에서 변색 범위를 가지는 BTB 지시약, 또한 산성에서 변색 범위를 가지는 페놀프탈레인 지시약을 사용하였다. 지시약은 고유의 산성도를 가지고 있다. 또한 변색 범위에서 색 변화가 뚜렷한 특징이 있다.
사용한 지시약은 페놀프탈레인, 메틸오렌지, BTB, 용액을 사용하였다. 우선, 페놀프탈레인[phenolphthalein] 용액은 산·염기를 구별하는 지시약으로 산성 용액 속에서는 무색이며, pH 9 이상의 염기성 용액에서는 붉은색을 띠기 때문에 산·염기 적정에 많이 이용된다. 페놀프탈레인이 포함된 트라이페닐메틸계 물질들은 일반적으로 탄소원자가 다른 4개의 원자와 결합해 있는 경우(산성형)에는 무색을 띠고, 이 지시약에 염기성 분자인 OH-를 넣어주면 페놀프탈레인에 포함된 H+와 결합하여 H2O를 생성하여 다른 3개의 원자와 결합하여 분자가 평면에 가까운 구조로 바뀌게 되며 이 경우(염기성형)에는 붉은색을 띤다.
다음으로 사용한 메틸 오렌지[methyl orange]는 메틸레드와 함께 아조염료를 대표하는 산염기지시약이다. 메틸오렌지는 노란색을 띄는 아조기(-N=N-)를 가지고 있는 아조염료의 하나로서, 염기성용액 속에서는 아조기를 유지하고 있다가 산성용액 속에서 수소이온이 달라붙으면서 구조가 바뀐다. 바뀐 구조의 물질은 붉은색을 띠기 때문에 염기성용액에서는 노란색을 띠고, 용액의 산성도가 강해질수록 붉은색을 띤다. 더 정확하게는 pH 3.1∼4.4를 변색범위로 가지고 있으며 pH 3.1 아래에서 붉은색을 띠고 pH 4.4보다 높은 pH에서는 노란색을 띤다.
마지막으로 사용한 BTB용액 [bromothymol blue] 은 산성, 중성, 염기성에서 모두 다른 색을 나타내는 지시약으로 중화적정이나 광합성반응 등을 확인할 때 주로 쓰인다. 변색범위는 pH6에서 pH7.6으로 중성 상태의 용액에 BTB용액을 넣으면 그 용액은 초록색을 띤다. 이 용액도 위의 지시약과 같이 수소 이온을 넣으면 분자 구조가 바뀌어 색이 노란색으로 나타나고 염기성 용액이 들어오면 푸른색이 나타나게 된다.
본 발명은 위에서 상술한 문제점을 해결하기 위함에 있다. 이는 시약의 색 변화에 의한 광 투과도를 관찰 함으로써 아주 작은 시료의 양 변화도 정확하게 검출해 내어 pH를 측정 할 수 있는 방법을 제시한다. 이 발명은 비 접촉적이고 pH를 측정하는 동시에 특정 파장까지 검출해 낼 수 있는 장점이 있다. 이 방법은 pH 용액의 색 변화를 측정하는 방법이다. 이는 용액으로 입사된 빛이 용액의 색상에 따라 빛을 흡수 투과하는 정도가 다르고, 이로 인해 흡수하는 빛의 정도가 달라지게 된다. 이때 각각의 투과하는 파장이 다른 red, green, blue 컬러 필터를 거친 후 포토다이오드에 입사된 빛을 수치화 시켜 분석 하게 된다.
본 발명은 pH에 관한 정보를 측정 하는데 있어 광학적 방법을 이용하여 객관적이고 정량화된 방법으로 측정할 수 있는 시스템에 관한 발명이다. 이외에 본 연구팀에서 하고자 하는 목표는 RGB 색 정보를 정량적으로 판별해 낸다. 또한 측정한 RGB 정보를 기반으로 하여 이를 cie1931 에 적용시켜 각 지시약에 대한 파장과 순도 값을 알아낼 수 있다. 이 색 정보 측정 장치는 모든 색의 빛을 포함한 백색광을 광원으로 하여 광원의 빛이 컬러 필터를 거친후 필터를 거친 3가지의 서로 다른 색이 광 다이오드에 입사되어 분석 된다.
백색광에서 방출 된 빛이 시약을 통과해 시약의 광학적 성질에 따라 일부는 흡수하고 일부는 투과하여 투과된 빛이 광 다이오드로 입사된다. 광 다이오드로 입사된 서로 다른 색의 각각의 빛을 A/D 변환을 하여 데이터를 얻고 이를 분석 하는 방법으로 색에 관한 정보와 색을 검출 하게 된다. RGB값을 얻어 색에 관한 정보를 분석하고 pH등 색의 변화를 실시간으로 정량적으로 분석 할 수 있는 방법의 제시이다.
다시 처음으로 돌아와서, 도 1은 실험 방법을 개략적으로 그려놓은 개략도이다. 실험에 사용된 센서는 tcs3414(TAOS)라는 명칭의 디지털 컬러 광 센서(10)로써 색을 정확하게 유도하도록 설계된다. 센서 주위의 광원을 백색광으로 유도 하였으며 백색광이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되고 투과된 빛은 컬러 필터를 지나 포토 다이오드에 입사 된다.
도 3은 실험에 사용된 센서를 간략히 모식화한 도면이다. 센서에 장착된 컬러 필터는 Red, Blue, Green의 컬러필터(16)가 장착되어져 있고 실험 방법을 개략적으로 그려놓은 개략도이다. 실험에 사용된 센서는 각각 Red, Green, Blue 컬러 필터(16)가 4개씩 array type으로 배열되어 있고 특히 각각 필터에 PhotoDiode가 내장되어 있다. 센서 주위의 광원을 백색광으로 유도하였으며 백색광이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되고 투과된 빛은 컬러 필터를 지나 포토 다이오드에 입사 된다.
도 4는 센서를 거쳐 얻은 R,G,B 값을 파장과 순도를 찾기 위해 색좌표로 변환하는 과정을 간단히 나타낸 것이다. 얻어진 R,G,B값은 cie1931(CIE 1931 standard colorimetric system)에 이용되는 색좌표값으로 변환된다. x,y,z,X,Y,Z 등 색좌표 값으로 변환된다. 또한 cie_lab, cmy값 등으로도 변환되어 R,G,B와 Yxy의 색 좌표 이외에도 다른 색 좌표값을 얻어 다른 방법을 이용해 색 정보를 분석 할 수 있다. 각각의 색 좌표가 의미하는 값 역시 다르다. 대문자 X,Y,Z 는 대략적으로 RGB 값을 나타내고 CMY는 cyan,magenta,yellow의 값으로 각각이 의미하는 색 좌표 값 역시 다르다. 특히 Yxy로 색 좌표를 찾아 cie1931에 적용시켜 색의 파장과 순도 값을 검출한다.
CIE 1931 XYZ 색 공간(혹은 CIE 1931 색 공간)은 인간의 색채 인지에 대한 연구를 바탕으로 수학적으로 정의된 최초의 색 공간 가운데 하나이다. 국제조명위원회(CIE)가 1931년 제정하였다.색 공간은 이 세 개의 자극값과 각각의 색깔을 연관시키는 수학적 모델을 가리킨다. 여러 가지 색 공간 가운데 CIE XYZ는 인간의 색채 인지를 직접 측정하여 만들어졌기 때문에, 이러한 색 공간을 만드는 데 기본이 되는 특수한 색 공간이다. x, y, Y로 표현된 색 공간은 CIE xyY 색 공간이라 부르며, 실제로 색깔을 나타내기 위한 용도로 많이 사용된다.
도 4는 x와 y 변수를 이용해 그려진 CIE 1931 색 공간의 색도 분포표이다. 외곽의 곡선 모양 경계선은 단색광에 해당하며, 각각의 단색광의 파장이 나노미터로 표시되어 있다. 색도 분포표는 특정한 파장을 가진 빛에 인간의 눈이 어떻게 반응할 것인가를 보여주는 표이며, 물체의 색깔을 직접 표현하는 수단은 아니라는 것에 주의하라. 인간의 눈에 보이는 물체의 색깔에는 광원의 색깔 또한 영향을 미치기 때문이다. 색도 분포표는 CIE XYZ 색 공간의 몇 가지 흥미로운 특징을 나타내고 있다. 색도 분포표는 평균적인 인간의 눈에 보이는 모든 색깔을 표현한다. 따라서 도 4는 인간의 눈에 보이는 모든 가뭇을 표현한 것이라 할 수 있다. 바깥쪽의 곡선 경계선은 스펙트럼 위치라 부르며, 단색광의 색깔에 해당한다. 아래쪽의 직선 경계선은 보라색 선이라 부른다. 이 선에 해당하는 색깔은 경계 위치에 있기는 하지만 단색광으로는 표현할 수 없는 색깔이다. 보다 채도가 낮은 색깔은 가운데 영역에 존재하며, 한가운데에는 흰색이 있다.
가시광선 내의 모든 색깔은 양의 x, y, z 값으로 모두 나타낼 수 있다. (따라서, X, Y, Z 값으로도 나타낼 수 있다). 이 도표에서 임의로 두 개의 점을 찍으면, 각각의 두 색을 섞어서 나타낼 수 있는 모든 색깔은 두 점을 잇는 직선 위에 존재한다. 또한, 세 개의 색깔을 섞어 나타낼 수 있는 모든 색깔은 세 점으로 이루어진 삼각형 안에 존재한다. (그 이상의 여러 개의 색깔에 대해서도 마찬가지이다.) 두 색을 똑같은 양만큼 섞어 만들어진 색은, 두 점의 한가운데에 있지는 않다. 다시 말해, xy 색도표 상의 거리는 두 색의 차이와 일치하지는 않는다. 색 공간 상의 거리가 곧 색의 차이를 나타내는 색 공간은 후에 만들어진 CIE L*u*v*(1960) 색 공간, 혹은 CIE L*a*b*(1976) 색 공간이다.
곡선 모양 공간에서 유추할 수 있는 것처럼, 세 개의 색깔을 섞어 인간이 볼 수 있는 모든 가뭇을 표현하는 방법은 존재하지 않는다. 인간 시각의 가뭇은 삼각형이 아니기 때문이다. 흰색은 (x, y) = (1/3, 1/3) 지점에 존재한다.
인간의 눈은 세 개의 색채 수용기를 갖고 있기 때문에, 모든 가시광선의 분포도는 3차원 도형이 된다. 그러나 색은 밝기와 색도의 두 가지 요소로 나눌 수 있다. 예를 들어, 흰색은 밝은 색이며, 회색은 동일한 흰색의 좀 더 어두운 형태로 표현할 수 있다. 즉 흰색과 회색은 밝기는 다르지만 색도는 같은 색이다.
CIE XYZ 색 공간은 Y 값이 밝기 또는 조도의 값이 되도록 설계되어 있다. 따라서 아래 수학식 1 내지 수학식 3에서 처럼 어떤 색의 색도는 두 개의 값 X, Y, Z로부터 계산된 값 x, y로 표현할 수 있다.
x, y, Y로 표현된 색 공간은 CIE xyY 색 공간이고, 실제로 색깔을 나타내기 위한 용도로 많이 사용된다. 아래 수학식 4와 5처럼 x와 y로부터 X와 Z를 다시 계산하는 것도 가능하다.
본 발명은 빛을 투과시켜 pH의 정보를 알아 낼 수 있는 목적을 갖는 장치이다. 이 장치는 지시약의 색상 정보의 특징을 객관적이고 정량화된 방식으로 판단하는대 목적이 있다. 가산혼합의 경우 RGB로 이루어져있고 RGB 같은 양을 섞을 경우 가산혼합의 원리에 따라 흰색이 된다. 가산혼합의 원리에 의하면 모든 색은 RGB로 이루어져있고, 색을 가진 모든 물체는 RGB의 조합으로 이루어져 있음을 기본 원리로 한다.
본 발명은 위에서 언급한 장치들에 비해 제한되는 점이 적다는 장점을 가진다. 장치의 규모가 소형이고, 프리즘이나 회절 격자가 삽입되지 않아 장치가 비교적 간단하며, 별도의 이미지 프로세서가 필요하지 않아 영상처리 장치를 필요로 하지 않는다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 색 정보 측정 장치는, 색 정보를 분석하는데 있어서, 색의 RGB 정보를 측정하기 위한 측정수단; 상기 측정 수단을 통해 측정된 신호에서 아날로그 디지털 변환을 통해 데이터를 저장하고, FITTING을 통해 이를 0~255사이의 값으로 바꾸어주는 변환수단과, 저장된 정보를 가지고 CIE 1931에 적용하여 Lab, CMYK, RGB, XYZ, Yxy등의 좌표값으로 산출하는 산출수단을 포함한다. 또한 본 발명은 상기 산출 수단을 통하여 산출한 좌표값을 토대로 dominant wavelength를 산출하고, purity 또한 찾아내는데 목적이 있다.
본 발명의 시스템은, 색 정보중 RGB 값을 추출 하되, 다른 외부 조명이나 광원에 의한 빛은 완벽히 차단하고 오로지 백색광을 주입함으로써, 사용한 광원에서의 빛 만을 감지하고 그 신호를 조합하여 fitting 과정을 통해 색 좌표값을 검출한다.
따라서 도 5의 본 발명에 따른 RGB 피팅 단계 등을 통하여 도 6 내지 도 11에서 보는 바와 같이 페놀프탈레인 실험결과, BTB 실험 결과, 메틸 오렌지 실험 결과, 페놀프탈레인 실험 결과 그래프, 메틸 오렌지 실험 결과 그래프, BTB 실험 결과 그래프를 통하여 유용성을 확인할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 분석 방법을 설명한다.
본 발명은 디지털 컬러 광 센서를 통해 주위의 광원을 백색광으로 유도하는 단계; 상기 백색광이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되는 단계; 상기 투과된 빛은 컬러 필터를 지나 포토다이오드에 입사된 빛을 수치화 시켜 분석한 Red, Blue, Green 컬러를 수치로 나타내는 단계; 상기 Red, Blue, Green 컬러 정보가 저장부에 저장되는 단계;를 포함하여 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 CIE XYZ 색 공간에서, 상기 수학식 1 내지 수학식 3을 통해 두 개의 값 X, Y, Z로부터 계산된 값 x, y로 표현된다.
일 실시예에 있어서, 상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 x, y, Y로 표현된 색 공간인 CIE xyY 색 공간에서, 상기 수학식 4와 수학식 5를 통하여 x와 y로부터 X와 Z가 계산된다.
본 발명은 측정수단을 통해 색의 RGB 정보를 측정하는 단계; 변환수단이 상기 측정 수단을 통해 측정된 신호에서 아날로그 디지털 변환을 통해 데이터를 저장하고, 피팅(FITTING)을 통해 이를 0~255사이의 값으로 바꾸어주는 단계; 산출수단이 저장된 정보를 가지고 CIE 1931에 적용하여 Lab, CMYK, RGB, XYZ, Yxy등의 좌표값으로 산출하는 단계;를 포함하여 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 산출수단을 통하여 산출한 좌표값을 토대로 dominant wavelength, purity를 산출하는 단계;를 더 포함하여 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 색의 RGB 정보 중 RGB 값을 추출 하되, 다른 외부 조명이나 광원에 의한 빛은 차단하고 백색광만을 주입하며, 사용한 광원에서의 빛 만을 감지하고 그 신호를 조합하여 fitting 과정을 통해 색 좌표값을 검출하는 단계;를 더 포함하여 구성된다.
10 : 디지털 컬러 광 센서
12 : 큐벳
14 : PH 리퀴드 솔루션
16 : 컬러 필터
18 : 백색광원
34 : 포토 다이오드
20 : 컴퓨터
31 : 백색 LED
32 : PH 인디케이터
33 : 컬러 필터 장치
34 : 포토 다이오드
35 : A/D 컨버터
36 : 디텍터
12 : 큐벳
14 : PH 리퀴드 솔루션
16 : 컬러 필터
18 : 백색광원
34 : 포토 다이오드
20 : 컴퓨터
31 : 백색 LED
32 : PH 인디케이터
33 : 컬러 필터 장치
34 : 포토 다이오드
35 : A/D 컨버터
36 : 디텍터
Claims (17)
- 디지털 컬러 광 센서를 통해 주위의 광원을 백색광으로 유도하고, 상기 백색광이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되고, 상기 투과된 빛은 컬러 필터를 지나 포토 다이오드에 입사되어 pH를 측정하고, 상기 PH 정보가 저장부에 저장되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 디지털 컬러 광 센서에 장착된 컬러 필터는 Red, Blue, Green의 컬러필터인 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치. - 제2항에 있어서,
상기 Red, Green, Blue 컬러 필터가 4개씩 어레이 타입(array type)으로 배열되어 있고, 상기 컬러 필터에 포토 다이오드(Photo Diode)가 내장되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치. - 제2항에 있어서,
상기 Red, Green, Blue 컬러 필터를 거친 후 포토다이오드에 입사된 빛을 수치화 시켜 분석한 Red, Blue, Green 컬러를 수치로 나타낸 값의 파장과 순도를 찾기 위해 색좌표로 변환하는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치. - 제4항에 있어서,
상기 색좌표는 cie1931에 이용되는 색좌표값으로 변환되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치. - 제4항에 있어서,
상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 cie_lab, cmy값으로 변환되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치. - 제4항에 있어서,
상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 CIE XYZ 색 공간에서, 아래 수학식 1 내지 수학식 3을 통해 두 개의 값 X, Y, Z로부터 계산된 값 x, y로 표현되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치.
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
- 제4항에 있어서,
상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 x, y, Y로 표현된 색 공간인 CIE xyY 색 공간에서, 아래 수학식 4와 수학식 5를 통하여 x와 y로부터 X와 Z가 계산되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치.
[수학식 4]
[수학식 5]
- 색의 RGB 정보를 측정하기 위한 측정수단;
상기 측정 수단을 통해 측정된 신호에서 아날로그 디지털 변환을 통해 데이터를 저장하고, 피팅(FITTING)을 통해 이를 0~255사이의 값으로 바꾸어주는 변환수단;
저장된 정보를 가지고 CIE 1931에 적용하여 Lab, CMYK, RGB, XYZ, Yxy등의 좌표값으로 산출하는 산출수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치. - 제9항에 있어서,
상기 산출수단을 통하여 산출한 좌표값을 토대로 dominant wavelength, purity를 산출하는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치. - 제9항에 있어서,
상기 색의 RGB 정보 중 RGB 값을 추출 하되, 다른 외부 조명이나 광원에 의한 빛은 차단하고 백색광만을 주입하며, 사용한 광원에서의 빛 만을 감지하고 그 신호를 조합하여 fitting 과정을 통해 색 좌표값을 검출하는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 장치. - 디지털 컬러 광 센서를 통해 주위의 광원을 백색광으로 유도하는 단계;
상기 백색광이 시약을 지나 일부의 빛이 투과되는 단계;
상기 투과된 빛은 컬러 필터를 지나 포토다이오드에 입사된 빛을 수치화 시켜 분석한 Red, Blue, Green 컬러를 수치로 나타내는 단계:
상기 Red, Blue, Green 컬러 정보가 저장부에 저장되는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 방법. - 제12항에 있어서,
상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 CIE XYZ 색 공간에서, 아래 수학식 1 내지 수학식 3을 통해 두 개의 값 X, Y, Z로부터 계산된 값 x, y로 표현되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 방법.
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
- 제12항에 있어서,
상기 Red, Blue, Green 컬러 값은 x, y, Y로 표현된 색 공간인 CIE xyY 색 공간에서, 아래 수학식 4와 수학식 5를 통하여 x와 y로부터 X와 Z가 계산되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 방법.
[수학식 4]
[수학식 5]
- 측정수단을 통해 색의 RGB 정보를 측정하는 단계;
변환수단이 상기 측정 수단을 통해 측정된 신호에서 아날로그 디지털 변환을 통해 데이터를 저장하고, 피팅(FITTING)을 통해 이를 0~255사이의 값으로 바꾸어주는 단계;
산출수단이 저장된 정보를 가지고 CIE 1931에 적용하여 Lab, CMYK, RGB, XYZ, Yxy등의 좌표값으로 산출하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 방법. - 제15항에 있어서,
상기 산출수단을 통하여 산출한 좌표값을 토대로 dominant wavelength, purity를 산출하는 단계;
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 방법. - 제15항에 있어서,
상기 색의 RGB 정보 중 RGB 값을 추출 하되, 다른 외부 조명이나 광원에 의한 빛은 차단하고 백색광만을 주입하며, 사용한 광원에서의 빛 만을 감지하고 그 신호를 조합하여 fitting 과정을 통해 색 좌표값을 검출하는 단계;
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 빛의 투과도를 이용한 pH측정 방법.
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