KR20210046159A - 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 넓은 작동 범위, 선형 감지 성능, 짧은 반응 시간 및 짧은 회복 시간을 가지는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체를 포함하는 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템은 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 도전체로 구성되고, 제1 방향으로 연장된 제1 전극 핑거들 및 상기 제1 방향과는 반대 방향인 제2 방향으로 연장되고 상기 제1 전극 핑거들과 접촉하지 않고 교번하여 배치된 제2 전극 핑거들을 포함하는, 교차형 전극; 및 상기 교차형 전극을 덮고, 용매변색성 물질이 포함된 정전용량 변화층;을 포함하고, 젖산 농도에 따라 정전용량이 변화되는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체; 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체와 전기적으로 연결되고, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체에 제1 전기적 신호를 제공하는 신호발생부; 및 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체와 전기적으로 연결되고, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량 변화에 의하여 상기 제1 전기적 신호가 변화된 제2 전기적 신호를 처리하는 신호처리부;를 포함한다

Description

위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템{lactate sensor system using phase change}
본 발명의 기술적 사상은 젖산 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템에 관한 것이다.
젖산 센서는 젖산 농도를 측정, 감지, 확정하기 위하여 사용되며, 식품 산업, 화장품 산업, 스포츠 의학 산업, 의료진단 산업, 화학 산업, 및 제약 산업 등의 많은 영역에서 광범위하게 사용되고 있다. 젖산 센서에 의한 젖산 농도의 측정은 다양한 식품 산업, 영양 산업 및 발효 산업에서 식품의 품질 및 신선도 평가에 매우 중요하다. 예를 들어, 젖산의 함량에 대한 정보가 필요한 발효 상품은 와인, 식초 절임 야채, 발효 유제품, 소금 절임 생선, 소금 절임 고기 등이 있다. 또한, 스트레스를 받지 않은 환자의 혈액 내의 젖산 농도는 0.5 mmol/L 내지 1.5 mmol/L 의 범위이지만, 강한 운동을 수행하면 상기 농도가 25 mmol/L 까지 증가될 수 있다. 환자의 혈액 내의 젖산 농도는 발병의 경고 신호가 될 수 있으므로, 따라서 의료 진단 시설에서는 혈액 내에서의 젖산 농도를 관찰하거나 확정하기 위하여 젖산 센서를 사용할 수 있다. 이러한 젖산 센서는 넓은 범위의 질환들의 진단이나 치료를 적절하게 개선할 수 있다. 스포츠 의학 산업에서는, 운동 중에 육체적 적합성을 결정하기 위하여, 스포츠 약품 내의 젖산 수준을 확정하도록 젖산 센서를 사용할 수 있다. 그 이유는 훈련과 신체 단련을 위한 운동을 수행하는 중에 혈액 내의 젖산 농도를 보조 지시자로 사용할 수 있기 때문이다.
많은 연구자들과 연구 기관들이 다양한 종류의 젖산 센서들을 설계하고 개발시키고 있으며, 다양한 검출 방법들, 장치 구조들, 및 물질들에 대하여 연구하고 있다. 예를 들어, 전위차분석법, 전압전류법, 전류법, 임피던스법, 전기화학 젖산 바이오 센서, 미세 바늘 기반 기술, 웨어러블(wearable) 센서, 전계효과 트랜지스터(FET), 유기 전계효과 트랜지스터(OFET), 탄소 나노튜브(CNT), 광섬유, 및 표면 플라즈몬 공명(SPR) 등이 있다.
데니 차나(Deni Chana) 등은 2017년에 스크린 인쇄된 탄소 잉크 전극들 상에 젖산 탈수소효소(LDH)/피루브산 산화효소(PyrOx) 바이오 선택성 멤브레인을 증착하여 임피던스법 젖산 바이오 센서를 제조하였고, 상기 임피던스법 젖산 바이오 센서를 이용하여 요구르트 샘플들에서 L-젖산을 감지하였다. 상기 임피던스법 젖산 바이오 센서는 간단한 구조를 가지면서도 동작 안정성이 우수하고 감지 성능의 선형성이 우수한 장점이 있다. 그러나, 상기 임피던스법 젖산 바이오 센서는 좁은 작동 범위, 긴 회복 시간 및 센서 저장에 대한 낮은 안정성을 가지는 한계가 있다.
메쉬람(B.H. Meshram) 등은 5 μM 내지 60 μM 의 작동 범위를 가지는 전기화학 젖산 바이오 센서를 제안하였다. 상기 전기화학 젖산 바이오 센서에서는 스테인리스 스틸 전극 상에 PPy/c-MWCNT/LOD 나노 바이오 복합물 박막을 증착하여 작업 전극을 구성하였다. 상기 전기화학 젖산 바이오 센서는 구조와 작동법이 간단하며, 민감성이 높으며, 약 8초의 빠른 반응 시간을 가지는 장점이 있. 그러나, 상기 전기화학 젖산 바이오 센서는 부피가 상대적으로 크고, 약 5 μM 내지 60 μM의 좁은 측정 작동 범위를 가지는 한계가 있다.
미나미키(Minamiki) 등은, 젖산 검출을 위한 플랙서블 유기 전계효과 트랜지스터 기반 젖산 센서에 적용을 위한 효소 및 오스뮴-산화환원 폴리머를 가지는 확장 게이트를 개선하였다. 상기 트랜지스터 기반 젖산 센서의 설계는 간단하고, 낮은 전압에서 동작할 수 있는 장점이 있으나, 상기 트랜지스터 기반 젖산 센서는 약 0 내지 10 mM 의 좁은 젖산 검출 범위를 가지는 한계가 있다.
루오(Xiaojin Luo) 등은 2018년 인쇄된 웨어러블(wearable) 탄소나노튜브 기반 젖산 센서를 개발하였다. 상기 탄소나노튜브 기반 젖산 센서는 전류법(amperometric) 원리를 이용하여 작동하였다. 상기 탄소나노튜브 기반 젖산 센서에서는 사람이 착용하는 장갑에 세 개의 전극들을 수작업으로 인쇄하여 형성하였다. 상기 탄소나노튜브 기반 젖산 센서는 구조와 작동법은 매우 간단하고, 낮은 제조 비용으로 제조가능하고, 작은 크기를 가지는 장점이 있다. 그러나, 상기 탄소나노튜브 기반 젖산 센서는 짧은 작동 범위 내에서 선형 감지 반응을 제공하는 한계가 있다.
이그나토브(S. G. Ignatov) 등은, 강도 변조(intensity modulation, IM) 원리를 이용하여 형성한 광섬유 젖산 센서를 제안하였다. 상기 광섬유 젖산 센서는, 형질 전환제(transduce)로서 산소 민감성 박막을 사용하였고, 생물학적 인식 요소로서 박테리아 세포질 멤브레인을 사용하였다. 상기 멤브레인들을 광섬유 상에 배치하여 상기 광섬유 젖산 센서를 형성하였다. 상기 광섬유 젖산 센서는 구조 및 작동 원리가 간단하고, 낮은 제조 비용으로 제조가능하고, 높은 민감성을 가지고, 원격 감지가 가능한 장점이 있다. 그러나, 상기 광섬유 젖산 센서는 약 0 내지 5 mM 의 좁은 작동 범위, 낮은 선형성, 긴 반응 시간 및 긴 회복 시간을 가지는 한계가 있다.
샤마(Sharma) 등은 2019년에 광섬유 SPR 기반 젖산 센서를 제안하였다. 상기 광섬유 SPR 기반 젖산 센서는, 은과 실리콘으로 다중 모드 광섬유의 비클래드 영역을 코팅하고, 히드로젤, 젖산 탈수소효소(L-LDH) 및 니코틴아미드 아데닌디뉴클레오티드(NAD+)의 혼합물을 실리콘 층에 적층함으로써 형성하였다. 상기 광섬유 SPR 기반 젖산 센서는 구조가 단순하고, 민감도가 높고, 반응이 안정적이고, 재현성이 우수한 장점을 가진다. 그러나, 상기 광섬유 SPR 기반 젖산 센서는 구조체의 형태가 구식이고, 기본 광섬유 SPR 구조체에 의하여 부피가 크고, 공명 파장을 얻기가 어렵고, 약 0 내지 10 mM의 좁은 작동 범위를 가지고, 감지 성능이 비선형이고, 약 2분의 반응 시간과 회복 시간의 긴 시간이 걸리는 한계가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 넓은 작동 범위, 선형 감지 성능, 짧은 반응 시간 및 짧은 회복 시간을 가지는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체를 포함하는, 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 젖산 센서 시스템은, 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 도전체로 구성되고, 제1 방향으로 연장된 제1 전극 핑거들 및 상기 제1 방향과는 반대 방향인 제2 방향으로 연장되고 상기 제1 전극 핑거들과 접촉하지 않고 교번하여 배치된 제2 전극 핑거들을 포함하는, 교차형 전극; 및 상기 교차형 전극을 덮고, 용매변색성 물질이 포함된 정전용량 변화층;을 포함하고, 젖산 농도에 따라 정전용량이 변화되는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체; 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체와 전기적으로 연결되고, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체에 제1 전기적 신호를 제공하는 신호발생부; 및 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체와 전기적으로 연결되고, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량 변화에 의하여 상기 제1 전기적 신호가 변화된 제2 전기적 신호를 처리하는 신호처리부;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 신호처리부는 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량 변화를 위상 변화로 변환함으로써, 상기 젖산 농도를 측정할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 신호발생부는 사인파형 신호를 발생할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 신호처리부는, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체에 전기적으로 연결되고, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량의 변화를 위상 각도의 변화로 변환한 사인파형 감지 신호를 형성하는 정전용량-투-위상 변환 회로부; 상기 정전용량-투-위상 변환 회로부에 전기적으로 연결되고, 상기 정전용량-투-위상 변환 회로부에서 전달된 상기 사인파형 감지 신호를 디지털 감지 신호로 변환하는 사인-투-디지털 변환 회로부; 상기 사인-투-디지털 변환 회로부에 전기적으로 연결되고, 상기 사인-투-디지털 변환 회로부에서 전달된 디지털 감지 신호와 기준 정전용량에 대한 디지털 기준 신호 사이의 위상 차이 신호를 검출하는 위상 검출부; 상기 위상 검출부와 전기적으로 연결되고, 상기 위상 검출부에서 전달된 상기 위상 차이 신호를 직류 전압으로 변환하는 피크 검출부; 및 상기 피크 검출부와 전기적으로 연결되고, 상기 피크 검출부에서 전달된 상기 직류 전압에 관한 데이터를 수집하는 데이터 수집 모듈;을 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 금속층을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 크롬층을 형성하는 단계; 및 상기 크롬층 상에 구리층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교차형 전극을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 교차형 전극 상에 전기 도금을 이용하여 추가 구리층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 추가 구리층을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 추가 구리층 상에 전기 도금을 이용하여 주석층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 정전용량 변화층을 형성하는 단계는, 상기 교차형 전극 상에 용매변색성 물질인 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논을 포함하여 폴리염화비닐 및 N,N-디메틸아세트아미드를 포함하는 혼합 용액을 도포한 후 건조하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 데이터 수집 모듈은, 아날로그 디지털 변환 회로(ADC), 마이크로컨트롤러 및 통신 회로를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 젖산 농도 감지에 의하여 상기 정전용량-투-위상 변환 회로부에서 출력되는 신호의 출력 전압은 하기의 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기에서, Ψ는 위상 변화, CF 는 피드백 정전용량, CS 는 감지 정전용량이다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 젖산 농도 감지에 의하여 상기 정전용량-투-위상 변환 회로부에서 출력되는 신호의 위상 변화는 하기의 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00002
여기에서, Ψ는 위상 변화, CS 는 감지 정전용량이다.
본 발명의 기술적 사상은 물리적, 화학적 및 생물학적 센서를 제공하는 것으로서, 구체적으로 축전기 원리를 이용한 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체를 포함하는 젖산 센서 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 젖산 센서 시스템은 정전용량을 위상으로 변환하는 원리에 기반하여 작동하며, 민감성이 높고, 안정성이 우수하며, 경제적이다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 젖산 센서 시스템은 100 nM 내지 1 M 범위의 농도를 가지는 젖산함유용액의 젖산 농도를 감지하기 위하여, 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논을 포함하는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체를 제안한다. 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체가 젖산함유용액들과 접촉하면, 정전용량의 변화에 기반하여 작동하게 된다. 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체는 젖산 측정의 넓은 작동 범위에 걸쳐서 약 11.28 ns/decade 의 높은 감지 능력을 나타내고, 약 1초의 빠른 반응 시간과 1.3 초의 빠른 회복 시간을 나타낸다. 또한, 감지 성능은 0.998의 상관 계수를 가지는 선형이며, 안정적인 감지 특성들을 가진다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 상기 젖산 센서 시스템은 낮은 가격, 매우 안정적인 감지 성능, 실시간 젖산 측정 가능성 등의 장점들을 가진다. 상기 젖산 센서 시스템은 전체적으로 종래의 젖산 센서들에 비하여 우수한 감지 성능을 가진다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 제조 방법을 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템에 적용된 젖산 감지법으로서 용매변색성 물질이 갖는 특성을 설명하는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템에서, 젖산 감지에 따른 신호 변화를 설명하는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템의 젖산함유 여부에 따른 파형 변화를 도시하는 그래프들이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템의 젖산함유용액의 젖산 농도에 따른 감지 성능을 도시하는 그래프들이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템의 젖산 감지에 대한 특성들을 도시하는 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템의 젖산 감지에 대한 반응 시간 및 회복 시간 특성을 도시하는 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)를 도시하는 개략도이다.
도 1에서, (a)는 정전용량 변화층(130)이 없는 상태이고, (b)는 정전용량 변화층(130)이 있는 상태를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)는 기판(110), 교차형 전극(120), 및 정전용량 변화층(130)을 포함한다.
기판(110)은 넓은 온도 범위에서 화학적 특성, 물리적 특성 및 전기적 특성이 균형있는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 유리 또는 폴리머를 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리이미드를 포함할 수 있다.
교차형 전극(120)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 교차형 전극(120)은 제1 방향으로 연장된 제1 전극 핑거들(122) 및 상기 제1 방향과는 반대 방향인 제2 방향으로 연장되고, 제1 전극 핑거들(122)과 접촉하지 않고 교번하여 배치된 제2 전극 핑거들(124)을 포함한다. 또한, 교차형 전극(120)은 양극(+)과 음극(-)이 각각 전기적으로 연결되는 전극 단말부(129)를 더 포함할 수 있다.
교차형 전극(120)은 도전체로 구성될 수 있고, 예를 들어 금속으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 교차형 전극(120)은 기판(110)으로부터 크롬층, 구리층, 및 주석층이 적층된 구조를 가질 수 있다.
정전용량 변화층(130)은 교차형 전극(120)을 덮을 수 있다. 정전용량 변화층(130)은 제1 전극 핑거들(122)과 제2 전극 핑거들(124) 사이의 공간을 채우도록 배치될 수 있다. 정전용량 변화층(130)은 젖산 농도에 따라 정전용량이 변화되는 물질을 포함할 수 있다. 정전용량 변화층(130)은 정전용량 변화층(130)은, 용매변색성(solvatochromism) 물질인 유전체를 포함할 수 있고, 젖산 감지성 물질로서 용매변색성(solvatochromism) 물질인 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논 ( 9-diethylamino-5-benzo[a]phenoxazinone)일 수 있다. 또한, 정전용량 변화층(130)은 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC) 및 N,N-디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide, DMAC)를 포함하여 구성되며, 구체적인 혼합비율은 N,N-디메틸아세트아미드 100중량 대비 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논 2 내지 10 중량부 및 폴리염화비닐 20 내지 30중량부가 포함 될 수 있다. 이와 같은 범위에서 우수한 젖산 검출 능력을 확보할 수 있다. 반면, 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논의 함량이 너무 적을 경우 젖산 검출 능력이 저하될 수 있으며, 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논의 함량이 너무 많을 경우 폴리염화비닐의 상대적인 함량이 너무 적어져 접착력이 떨어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)의 제조 방법을 도시하는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 제조 방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 포토마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토마스크 패턴으로부터 노출된 금속층을 제거하여 교차형 전극을 형성하는 단계; 및 상기 교차형 전극 상에 상기 교차형 전극을 덮고, 젖산 농도에 따라 정전용량이 변화되는 물질을 포함하는 정전용량 변화층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 기판을 제공하는 단계는, 상기 기판을 세정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 기판을 제공하는 단계는, 상기 기판을 에탄올, 메탄올, 및 탈이온수로 각각 세정하는 단계 및 상기 기판에 질소 가스를 분사하여 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 기판은 폴리이미드 기판일 수 있다. 구체적인 실험예에서는 4 cm x 2 cm 의 크기 및 5mm의 두께를 가지는 폴리이미드(Kapton® HN-type) 기판을 사용하였다. 상기 폴리이미드는 넓은 온도 범위에서 매우 균형있는 화학적, 물리적, 전기적 특성들을 가지는 장점이 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 다양한 종류 및 다양한 크기의 기판을 사용하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 기판 상에 금속층을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 크롬층을 형성하는 단계; 및 상기 크롬층 상에 구리층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 크롬층을 형성하는 단계에서는 상기 기판 상에 진공기화장치를 이용하여 크롬층을 약 10 nm 두께로 형성한다. 상기 구리층을 형성하는 단계에서는, 상기 크롬층 상에 진공기화장치를 이용하여 구리층을 약 10 nm 두께로 형성한다. 그러나, 상기 크롬층과 구리층의 두께는 예시적이며, 다양한 두께로 형성할 수 있고, 금속층을 구성하는 크롬과 구리는 예시적이며, 다양한 물질을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 금속층 상에 포토마스크 패턴을 형성하는 단계는, 상기 구리층 상에 스핀 코팅기를 사용하여 SU-8 25 또는 AZ-4620 을 포함하는 포토레지스트층을 형성하는 단계; 및 상기 포토레지스트층을 마스크 정렬기(Karl Suss MJB3 UV300)를 사용하여 노광하고 포토마스크 패턴을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 포토레지스트층은 SU-8 25 또는 AZ-4620 을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 포토마스크 패턴으로부터 노출된 상기 금속층을 제거하여 교차형 전극을 형성하는 단계에서, 상기 금속층은 화학 식각액을 이용하여 제거할 수 있다. 상기 교차형 전극은 서로 교번하여 배치된 전극 핑거들을 포함할 수 있고, 예를 들어 40쌍의 전극 핑거들을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제조 방법은, 상기 교차형 전극을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 교차형 전극 상에 전기 도금을 이용하여 추가 구리층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 추가 구리층의 형성에 의하여 교차형 전극의 두께는 증가될 수 있다.
또한, 상기 제조 방법은, 상기 추가 구리층을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 추가 구리층 상에 전기 도금을 이용하여 주석층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 교차형 전극은 크롬층, 구리층, 및 크롬층으로 구성된 적층 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 제조 방법은, 상기 교차형 전극을 형성하는 단계를 수행한 후에, 교차형 전극의 원하는 형상을 얻기 위하여, 상기 기판의 사용되지 않는 외측 영역을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
주사전자현미경을 이용하여 실험예를 측정한 결과, 상기 교차형 전극의 폭(W)은 100 μm 이고, 인접한 전극 핑거들 사이의 공간(S)은 100 μm 이고, 및 상기 교차형 전극의 두께(t)는 25 μm 이었다. 그러나, 이러한 치수들을 예시적이며 상기 교차형 전극이 다양한 치수를 가지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 정전용량 변화층을 형성하는 단계는, 상기 교차형 전극 상에 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논, 폴리염화비닐, 및 N,N-디메틸아세트아미드를 포함하는 혼합 용액을 도포한 후 건조하여 이루어질 수 있다.
실험예에서는, 하기와 같이 상기 정전용량 변화층을 형성하였다. 먼저, 2 ml의 DMAC 용매에 0.08 g 의 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논 분말을 혼합하고, 10분 동안 초음파 교반하여, 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논 용액을 형성하였다. 이어서, 상기 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논 용액과 0.5 g 의 PVC 분말을 혼합하여 10분 동안 초음파 교반하였다. 상기 혼합 용액을 회전 진탕기(orbital shaker)(SHO-1D)에서 4일 동안 처리하여 균질화시켰다. 상기 정전용량 변화층을 형성하기 위하여 상기 혼합 용액을 사용하기 전에 다시 한번 초음파 교반하였다. 상기 혼합 용액을 제조하기 위하여 사용된 모든 화합물은 시그마-알드리히사로부터 상업적으로 취득하였다.
이어서, 상술한 방법에 의하여 제조된 상기 교차형 전극을 에탄올, 메탄올, 및 탈이온수로 각각 세정하고, 질소 가스를 분사하여 건조시켰다. 이어서, 상기 교차형 전극 상에 스핀 코팅기를 이용하여 0.25 ml 의 상기 혼합 용액을 도포하고, 상온에서 건조시켜, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체를 형성하였다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템(1)을 도시하는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 젖산 센서 시스템(1)은, 젖산 농도에 따라 정전용량이 변화되는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100); 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)와 전기적으로 연결되고, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)에 제1 전기적 신호를 제공하는 신호발생부(200); 및 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)와 전기적으로 연결되고, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)의 정전용량 변화에 의하여 상기 제1 전기적 신호가 변화된 제2 전기적 신호를 처리하는 신호처리부(300);를 포함한다.
교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)는, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 기판(110), 교차형 전극(120), 및 정전용량 변화층(130)을 포함하여 구성될 수 있다. 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)는 실험 챔버(test chamber)에 수용되도록 배치될 수 있다. 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)는 젖산 농도에 의하여 정전용량이 변화됨으로써, 신호발생부(200)에서 제공된 제1 전기적 신호를 제2 전기적 신호로 변환시켜 신호처리부(300)에 제공할 수 있다.
신호발생부(200)(signal generator unit)는 사인파형의 제1 전기적 신호를 발생시킬 수 있고, 예를 들어 동일한 주파수를 가지지만 다양한 진폭과 다양한 위상을 가지는 다양한 사인파형 신호들을 발생시킬 수 있다. 상기 주파수는 예를 들어 1 Hz 내지 1 MHz 의 범위일 수 있고, 예를 들어 10 kHz 일 수 있다.
신호처리부(300)는, 정전용량-투-위상 변환 회로부(310) (capacitance to phase conversion circuit); 사인-투-디지털 변환 회로부(320) (sine to digital conversion circuit), 위상 검출부(330) (phase detector), 피크 검출부(340) (peak detector), 및 데이터 수집 모듈(350) (microcontroller based data acquisition module)을 포함할 수 있다.
정전용량-투-위상 변환 회로부(310)는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)에 전기적으로 연결되고, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)의 정전용량의 변화를 위상 각도의 변화로 변환한 사인파형 감지 신호를 형성할 수 있다. 정전용량-투-위상 변환 회로부(310)는 합산 증폭기로서 기능할 수 있다.
사인-투-디지털 변환 회로부(320)는, 정전용량-투-위상 변환 회로부(310)에 전기적으로 연결되고, 정전용량-투-위상 변환 회로부(310)에서 전달된 상기 사인파형 감지 신호를 디지털 감지 신호로 변환할 수 있다.
위상 검출부(330)는, 사인-투-디지털 변환 회로부(320)에 전기적으로 연결되고, 사인-투-디지털 변환 회로부(320)에서 전달된 상기 디지털 감지 신호와 기준 정전용량에 대한 디지털 기준 신호 사이의 위상 차이 신호를 검출할 수 있다.
피크 검출부(340)는 위상 검출부(330)와 전기적으로 연결되고, 위상 검출부(330)에서 전달된 위상 차이 신호를 직류 전압으로 변환할 수 있다.
데이터 수집 모듈(350)은 피크 검출부(340)와 전기적으로 연결되고, 피크 검출부(340)에서 전달된 상기 직류 전압에 관한 데이터를 수집할 수 있다. 데이터 수집 모듈(350)은 아날로그 디지털 변환 회로(ADC), PIC16F877A 마이크로컨트롤러 및 RS232 통신 회로를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 아날로그 디지털 변환회로(ADC)는 피크 검출부(340)의 아날로그 출력 전압을 디지털 코드로 변환하고, i2C 버스를 통하여 디지털 코드 또는 디지털 데이터를 상기 마이크로컨트롤러로 전송할 수 있다.
본 발명의 실험예에서는, 사용된 PIC16F877A 마이크로컨트롤러는 10-비트내부 변환기를 가졌으며, 따라서 외부 18 비트 ADC (MCP3421)를 추가로 사용하여 더 높은 비트의 해상도를 얻었다. 상기 마이크로컨트롤러는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체에 관한 정보를 수집하고, 상기 정보를 RS232 통신 회로를 통하여 컴퓨터로 전송하도록 구성하였다. 상기 마이크로컨트롤러의 TX 포트는 상기 RS232 모듈에 연결하였다. 또한, 젖산 검출 과정에서 실시간 반응을 측정하고, 취득된 정보를 컴퓨터에 저장하도록 랩뷰(LabVIEW) 프로그램을 사용하였다. 상기 감지 시스템의 다른 파형과 위상 차이는 오실로스코프(TDS2012B, Tektronix, lsonville, OR, USA)를 이용하여 측정하였다.
이하에서는 도 3에 도시된 젖산 센서 시스템(1)을 이용하여 용액 내의 젖산 농도를 측정하는 방법을 예시적으로 설명하기로 한다.
교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)를 클램프를 이용하여 실험 챔버 내에 수직으로 배치한다. 주사기를 이용하여 상기 실험 챔버 내에 탈이온수 용액 또는 젖산함유용액을 주입한다. 젖산 농도를 감지하는 동안에는 상기 실험 챔버의 배출구를 차단하여 상기 용액을 저장하고, 감지가 종료된 후에는 상기 용액의 제거 또는 실험 챔버의 세정을 위하여 배출구를 개방한다. 기준 용액으로 탈이온수 용액을 상기 주사기를 이용하여 상기 챔버 내에 주입하고, 젖산 센서 시스템(1)을 조정한다. 이어서, 상기 주사기를 이용하여 실험 챔버에 젖산함유용액을 천천히 주입하고, 상기 젖산함유용액에 대한 감지 성능을 측정한다. 상기 젖산함유용액이 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)의 정전용량 변화층(130)과 접촉하면, 정전용량 변화층(130)의 유전상수를 변화시키게 되고, 이에 따라 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)의 정전용량이 변화된다. 이러한 정전용량의 변화는 신호처리부(300)에 의하여 기준 용액에서 감지된 기준 신호와 젖산함유용액에서 감지된 감지 신호 사이의 위상 변화가 발생하고, 또한 출력전압이 변화되어, 결과적으로 젖산 농도를 감지할 수 있다. 이러한 젖산 센서 시스템(1)은 매우 적은 비용으로 제조할 수 있고, 연속적인 검사가 가능한 장점을 가지며, 감지 반응은 넓은 측정 범위에서 선형 거동을 가질 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 젖산 센서 시스템의 작동원리를 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템에 적용된 젖산 감지법으로서 용매변색성 물질이 갖는 특성을 설명하는 도면들이다.
도 4에서, (a)는 양의 용매 변색성 물질이 갖는 에너지 밴드 그래프이고, (b)는 양의 용매변색성 물질이 갖는는 스펙트럼 그래프이고, (c)는 용매변색성 물질로서 사용된 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논의 분자 구조체를 나타낸다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 용매변색성(solvatochromism)은, 화합물이 다른 용매들에 용해되는 경우에 기저 상태 및 여기 상태의 쌍극자 모멘트의 차이에 의하여 발생하는 분자의 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼의 변화에 의하여 색상이 변화하는 것이며, 양의 용매변색성과 음의 용매변색성이 있다. 상기 양의 용매변색성에서는, 기저 상태의 쌍극자 모멘트에 비하여 여기 상태의 쌍극자 모멘트가 크고, 따라서 용매 극성이 증가됨에 따라 두 개의 에너지 상태들 사이의 천이 에너지가 감소되어 안정하게 된다. 이러한 결과는 스펙트럼에서 적색 편이로 나타나게 된다. 반면, 음의 용매변색성에서는 반대의 효과가 발생한다. 이러한 용매변색성은 전기적 특성과 함께 광학 특성을 제공할 수 있다.
도 4의 (c)를 참조하면, 본 발명에 사용된 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논은 양의 용제 변색 특성들을 가진다. 따라서, 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논의 용매 민감도는 기저 상태로부터 여기 상태로 쌍극자 모멘트가 증가에 기인한다. 상기 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논에서, 디에틸 아미노(diethyl amino)로 구성된 도우너(donor)와 카보닐 산소(carbonyl oxygen)으로 구성된 억셉터(acceptor) 사이의 큰 전하 전이의 결과이다. 결과적으로, 용매 극성이 증가하면, 기저 상태와 제1 여기 상태의 에너지 밴드갭이 감소하고, 이에 따라 전하의 이동도가 증가되고, 적색 편이가 발생하고, 또한 염료 분자의 상대 유전율과 굴절률이 변화한다. 이에 따라, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체에서 9-디에틸아미노-5-벤조[a]페녹사지논을 포함하는 정전용량 변화층의 유전상수가 변화하게 된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 젖산 센서 시스템은 젖산의 농도를 측정하기 위하여 정전용량을 위상으로 변환하는 기술을 적용한 바와 같다. 매우 작은 정전용량의 변화를 측정하기 위하여는 신뢰성 있고 높은 정밀도의 검출 또는 판독 회로가 필수적이다. 작은 정전용량을 측정하기 위한 인터페이스 회로의 많은 기술들이 있으며, 예를 들어 정전용량 대 주파수 변환, 교류 브릿지 방법, 스위치 축전기 회로, 충전 및 방전 방법 등이 있다. 그러나, 이러한 방법들은, 출력 시스템의 불안성을 나타내는 주 발진기(oscillator)를 포함하므로 위상 지터(phase jitter) 및 진폭 변화와 같은 단점이 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 젖산 센서 시스템은 다양한 농도의 젖산 용액들에 대한 교차형 전극의 파라미터들의 변화를 검출하기 위하여, 위상 변환에 대한 정전용량을 취득하는 새로운 검출 방법을 채택하였다.
다시 도 1을 참조하면, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)는 축전지의 구조를 가지며, 하기의 식 1의 단위 셀 정전용량(Cuc)을 가진다.
<식 1>
Figure pat00003
여기에서, W는 상기 교차형 전극의 폭, S는 인접한 상기 전극 핑거들 사이의 공간 크기, t는 상기 교차형 전극의 두께, ε0 는 상기 정전용량 변화층의 절대 유전상수, 및 εr 은 상기 정전용량 변화층의 상대 유전상수이다.
교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)의 총 정전용량(Cs)은 하기의 식 2와 같다.
<식 2>
Figure pat00004
여기에서, L는 상기 교차형 전극의 길이, S는 인접한 상기 전극 핑거들 사이의 공간 크기, t는 상기 교차형 전극의 두께, N 은 상기 교차형 전극의 전극 핑거 개수, ε0 는 상기 정전용량 변화층의 절대 유전상수, 및 εr 은 상기 정전용량 변화층의 상대 유전상수, K(k)는 모듈러스(k)의 제1 종류의 타원 적분이다.
상기 모듈러스(k)는 하기의 식 3과 같다.
<식 3>
Figure pat00005
상기 K(k)는 하기의 식 4와 같다.
<식 4>
Figure pat00006
따라서, 젖산함유용액은 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)의 정전용량 변화층(130)과 접촉하고, 정전용량 변화층(130)의 유전상수를 변화시켜 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체(100)의 정전용량을 변화시키게 된다. 상기 정전용량의 변화(ΔCs)는 하기의 식 5와 같다.
<식 5>
Figure pat00007
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템에서, 젖산 감지에 따른 신호 변화를 설명하는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 신호발생부(200)는 동일한 주파수를 가지지만 위상 차이를 가지는 두 개의 보상구동신호들(V1, V2)을 발생시킨다. 예를 들어, "op-amp-1"는 약 180도의 위상 변화를 발생시키고, "op-amp-2"의 출력은 RC 저역 필터(low pass filter)에 의하여 변화된다. 상기 보상구동신호들은 하기의 식 6과 식 7과 같다.
<식 6>
Figure pat00008
<식 7>
Figure pat00009
여기에서, A 는 신호의 진폭이고, B 는 보상 신호의 진폭이다.
이 경우에, 위상 변화(Ψ)는 하기의 식 8과 같다.
<식 8>
Figure pat00010
정전용량-투-위상 변환 회로부(310)는 합산 증폭기로서 기능한다. 따라서, 정전용량-투-위상 변환 회로부(310)에서 출력되는 출력 전압(V0)은 하기의 식 9 또는 식 10과 같다.
<식 9>
Figure pat00011
여기에서, CS 는 감지 정전용량이고, CC 는 보상 정전용량이고, CF 는 피드백 정전용량이다. ΔCS 는 젖산함유용액의 농도 변화에 의한 정전용량의 변화이다.
<식 10>
Figure pat00012
상기 식 10의 출력 전압(V0)은 하기의 식 11 또는 식 12와 같이 변환될 수 있다.
<식 11>
Figure pat00013
<식 12>
Figure pat00014
여기에서, "X"는 하기의 식 13과 같고, CC는 하기의 식 14와 같다.
<식 13>
Figure pat00015
<식 14>
Figure pat00016
식 12 및 식 14를 이용하여, 출력 전압(V0)은 하기의 식 15와 같이 변환된다.
<식 15>
Figure pat00017
상기 식 15에서, 기하학적 특성들 및 멱급수의 첫 번째 두 개의 항들에서 사인 함수와 코사인 함수를 전개하여 단순화하면, 하기의 식 16과 같다.
<식 16>
Figure pat00018
여기에서, θ는 하기의 식 17과 같다.
<식 17>
Figure pat00019
상기 식 16은 출력에서의 신호의 진폭을 나타내고, 상기 식 17은 출력에서의 위상 변화를 나타낸다. 상기 식 17에서, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량이 변화하면, 위상 변화가 발생함을 알 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 젖산 센서 시스템을 이용한 젖산 감지 결과들을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템의 젖산함유 여부에 따른 파형 변화를 도시하는 그래프들이다.
도 6에서, (a)는 탈이온수로 구성된 기준 용액에 대한 기준 신호의 아날로그형 신호를 나타내고, (b)는 상기 기준 신호의 디지털 신호를 나타내고, (c)는 상기 기준 신호에 대하여 위상 변화가 없는 경우의 감지 신호를 나타내고, (d)는 10 mM 의 젖산 용액의 경우에, 상기 기준 신호에 대한 위상 변화가 있는 감지 신호를 나타내고, (e)는 위상 변화가 없는 경우와 없는 경우의 직류 출력 전압을 나타낸다.
도 6의 (c)를 참조하면, 탈이온수 용액의 기준 용액에 대한 기준 신호와 감지 신호의 디지털 파형이 나타나 나타나있다. 이러한 신호들에서 위상 변화가 없음을 확인할 수 있다. 위상 변화가 없으므로, 젖산 센서 시스템에서의 출력 전압은 0V가 된다.
상기 실험 챔버에 약 10 mM의 젖산함유용액이 주입되면, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량 변화층이 상기 젖산함유용액과 접촉하게 된다. 이러한 접촉에 의하여, 상기 정전용량 변화층의 유전상수는 변화하고, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량이 변화하게 되며, 따라서 기준 신호와 감지 신호 사이의 위상 차이가 발생하게 된다.
도 6의 (d)를 참조하면, 10 mM의 젖산 용액의 경우에, 기준 신호와 감지 신호 사이의 위상 차이는 약 60 ns 로 나타나게 된다.
도 6의 (e)를 참조하면, 상기 신호들 사이의 약 0 ns의 위상 차이는 0V에 상응하고, 60 ns의 위상 차이는 3.703 mV에 상응한다.
참고로, 위상 변화를 측정하기 위하여, 오실로스코프(Tektronix, TDS2012B)를 사용하였고, 출력 전압 변화를 측정하기 위하여, 멀티미터(HP 34401A)를 사용하였다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템의 젖산함유용액의 젖산 농도에 따른 감지 성능을 도시하는 그래프들이다.
도 7에서, (a)는 젖산함유용액의 농도에 따른 위상 변화를 나타내고, (b)는 상기 젖산함유용액의 농도에 따른 대한 정전용량 변화를 나타내고, (c)는 상기 젖산함유용액의 농도에 따른 대한 정전용량 변화와 위상 변화에 대한 관계를 나타내고, (d)는 상기 젖산함유용액의 농도에 따른 전압 차이를 나타낸다. 여기에서, 상기 젖산함유용액은 100 nM 내지 1 M 범위로 변화시켰다.
도 7의 (a)를 참조하면, 상기 젖산함유용액의 젖산 농도가 증가되면, 기준 신호와 감지 신호 사이의 위상 변화가 선형적으로 증가됨을 알 수 있다. 상기 젖산 센서 시스템의 민감도는 약 11.28 ns/decade 이고, 선형성은 0.994 으로 나타났다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 젖산 센서 시스템의 감지 성능은 매우 우수하며, 넓은 젖산 농도 범위에서 선형적인 감지 성능을 제공한다.
도 7의 (b)를 참조하면, 상기 젖산함유용액의 젖산 농도가 증가되면, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량의 변화는 선형적으로 변화함을 알 수 있다.
도 7의 (c)를 참조하면, 상기 젖산함유용액의 젖산 농도가 증가됨에 따른, 정전용량 변화와 위상 변화의 관계는 매우 선형적인 관계임을 알 수 있다.
도 7의 (d)를 참조하면, 100 nM 내지 1M 범위의 젖산 농도에서 감지 신호와 기준 신호 사이의 출력 전압의 변화가 선형적임을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템의 젖산 감지에 대한 특성들을 도시하는 그래프들이다.
도 8에서, (a)는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체를 변경하여 측정한 재현성을 나타내고, (b)는 하나의 젖산 센서 시스템을 이용하여 동일한 샘플을 반복하여 측정한 반복성을 나타내고, (c)는 장기간에 걸쳐서 반복수행한 결과로서 안정성을 나타낸다.
도 8의 (a)를 참조하면, 상기 재현성 시험을 위하여, 네 개의 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체들을 형성하였고, 100 mM 젖산 농도의 젖산함유용액을 이용하여 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체들의 감지 능력을 검토하였다. 이러한 네 개의 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체들은 거의 동일한 젖산 감지 성능을 나타내었다. 네 개의 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체들을 이용한 측정들의 상대적인 표준 편차는 약 0.020 이었다. 따라서, 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체는 매우 우수한 정확성 및 재현성 성능을 가짐을 알 수 있다.
도 8의 (b)를 참조하면, 하나의 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체를 선택하여, 1 mM 젖산 농도의 젖산함유용액에서 출력 전압을 측정하였고, 상기 실험을 동일하게 세 번 반복하였다. 결과적으로, 상기 출력 전압은 3.016mV, 3.062 mV, 및 3.047 mV 로서 거의 변화하지 않고 동일하게 나타났다. 상기 출력 전압의 표준 편차는 0.0203 으로 나타났다. 따라서 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체는 매우 우수한 반복성 성능을 가짐을 알 수 있다.
도 8의 (c)를 참조하면, 안정성을 검토하기 위하여, 동일한 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체를 이용하여 3 개월 동안 10 mM 젖산 농도를 가지는 젖산함유용액을 측정하였다. 결과적으로, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체는 3 개월 동안 거의 동일한 감지 성능을 나타내었고, 표준 편차는 약 0.024 이었다. 따라서, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체는 장기 안정성을 가지며, 특히, 정전용량 변화층이 시간에 따라 열화되지 않음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템의 젖산 감지에 대한 반응 시간 및 회복 시간 특성을 도시하는 그래프들이다.
도 9에서, (a)는 반응 시간 및 회복 시간을 나타내며, (b)는 100 nM 내지 1 M 범위의 젖산함유용액의 젖산 농도에 대한 반응 시간 및 회복 시간을 나타내고, (c)는 반응 시간에 대한 회복 시간의 관계를 나타낸다.
도 9의 (a)를 참조하면, 1 mM 젖산 농도를 가지는 젖산함유용액에서, 상기 젖산 센서 시스템의 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 반응 시간은 1 초이고, 회복 시간은 1.3 초임을 알 수 있다.
도 9의 (b)를 참조하면, 상기 젖산함유용액의 젖산 농도가 증가됨에 따라 반응 시간과 회복 시간이 비례하여 증가됨을 알 수 있다. 젖산 농도가 높은 경우에는, 표면 반응이 점진적으로 제어되고, 반응 및 회복 과정을 늦추게 되며, 그 이유는 센서 표면 상의 활성 위치들이 고농도에서 포화되기 때문이다.
도 9의 (c)를 참조하면, 동일한 젖산 농도에서 반응 시간과 회복 시간은 거의 동일함을 알 수 있다.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 젖산 센서 시스템의 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체에 관련된 사양을 나타내는 표이다.
측정 번호 파라미터/특징 사양
1 작동 원리 정전용량 변화
2 감지 물질 9-디에틸아미노-5-벤조
[a]페녹사지논
3 응용 젖산 검출
4 작동 범위 100 nM 내지 1 M
5 민감도 11.28 ns/decade
6 선형성 0.998
7 재현성 0.020
8 반복성 0.023
9 안정성 0.024
10 반응 시간 1.02 초
11 회복 시간 1.3 초
표 2는 본 발명의 기술적 사상에 따른 젖산 센서 시스템의 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체와 다른 시스템인 비교예들을 젖산 측정 범위, 선형성, 및 반응/회복 시간의 파라미터로 비교한 표이다. 표 2를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 성능은 비교예로 선택된 다른 젖산 센서들에 비하여 우수함을 알 수 있다.
감지 시스템 파라미터
젖산 측정 범위 선형성 반응/회복시간
실시예 젖산 감지 구조체 100 nM~1 M 0.998 1.02초/ 1.3초
비교예1 전위차 적정법 0 ~ 250 mM 0.948 60초 미만/ -
비교예2 임피던스법 0.01 ~ 0.25 mM 0.996 15분/ -
비교예3 전기화학 5 ~ 60 μM 0.95 8초/ -
비교예4 플렉서블 OFET 0 ~ 10 mM 0.9865 -
비교예5 광섬유 IM 0 ~ 5 mM 0.9387 3분/1분
비교예6 광섬유 SPR 0 ~ 10 mM 낮음 2분 미만/ -
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (7)

  1. 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 도전체로 구성되고, 제1 방향으로 연장된 제1 전극 핑거들 및 상기 제1 방향과는 반대 방향인 제2 방향으로 연장되고 상기 제1 전극 핑거들과 접촉하지 않고 교번하여 배치된 제2 전극 핑거들을 포함하는, 교차형 전극; 및 상기 교차형 전극을 덮고, 용매변색성 물질이 포함된 정전용량 변화층;을 포함하고, 젖산 농도에 따라 정전용량이 변화되는 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체;
    상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체와 전기적으로 연결되고, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체에 제1 전기적 신호를 제공하는 신호발생부; 및
    상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체와 전기적으로 연결되고, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량 변화에 의하여 상기 제1 전기적 신호가 변화된 제2 전기적 신호를 처리하는 신호처리부;
    를 포함하는, 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량 변화를 위상 변화로 변환함으로써, 상기 젖산 농도를 측정하는, 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호발생부는 사인파형 신호를 발생하는, 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체에 전기적으로 연결되고, 상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 정전용량의 변화를 위상 각도의 변화로 변환한 사인파형 감지 신호를 형성하는 정전용량-투-위상 변환 회로부;
    상기 정전용량-투-위상 변환 회로부에 전기적으로 연결되고, 상기 정전용량-투-위상 변환 회로부에서 전달된 상기 사인파형 감지 신호를 디지털 감지 신호로 변환하는 사인-투-디지털 변환 회로부;
    상기 사인-투-디지털 변환 회로부에 전기적으로 연결되고, 상기 사인-투-디지털 변환 회로부에서 전달된 디지털 감지 신호와 기준 정전용량에 대한 디지털 기준 신호 사이의 위상 차이 신호를 검출하는 위상 검출부;
    상기 위상 검출부와 전기적으로 연결되고, 상기 위상 검출부에서 전달된 상기 위상 차이 신호를 직류 전압으로 변환하는 피크 검출부; 및
    상기 피크 검출부와 전기적으로 연결되고, 상기 피크 검출부에서 전달된 상기 직류 전압에 관한 데이터를 수집하는 데이터 수집 모듈;
    을 포함하는, 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 수집 모듈은, 아날로그 디지털 변환 회로(ADC), 마이크로컨트롤러 및 통신 회로를 포함하여 구성되는, 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 젖산 농도 감지에 의하여 상기 정전용량-투-위상 변환 회로부에서 출력되는 신호의 출력 전압은 하기의 식으로 표현되는, 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템.
    Figure pat00020

    여기에서, Ψ는 위상 변화, CF 는 피드백 정전용량, CS 는 감지 정전용량이다.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체의 젖산 농도 감지에 의하여 상기 정전용량-투-위상 변환 회로부에서 출력되는 신호의 위상 변화는 하기의 식으로 표현되는, 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템.
    Figure pat00021

    여기에서, Ψ는 위상 변화, CS 는 감지 정전용량이다.
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