WO2016159488A1 - 비색법을 이용한 종이 ph 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

비색법을 이용한 종이 ph 센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중공-종이 통로로 이루어진 유체통로를 포함하며, 복수개의 검출영역이 상기 유체통로의 길이방향에 따라 배치되는 검출부가 형성된 종이층; 상기 종이층의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및/또는 배출구가 형성된 상부친수성 필름; 및 상기 종이층의 하면에 배치되는 하부친수성 필름; 을 포함하며, 상기 종이층은 유체통로의 내측면과 검출부를 제외하고 소수성 부재로 이루어지며, 상기 복수개의 검출영역은 pH 0 내지 pH 14에서 색변화를 유도하는 각각의 지시약이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서에 관한 것이다.

Description

비색법을 이용한 종이 PH 센서 및 이의 제조방법
본 발명은 비색법을 이용한 종이 pH 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
pH(수소이온농도)는 물질의 산성 또는 알칼리성의 정도를 나타내는 수치로 화학, 생물학, 의학 등 여러 분야에서 이용되고 있다.
종래에는 pH 를 측정하기 위하여 주로 리트머스 종이나 지시약을 사용하였으며, 이는 pH 에 따른 리트머스 종이나 지시약의 색상변화를 통해 대략적인 pH를 측정하였다. 그러나 이와 같은 리트머스 종이나 지시약을 이용하는 방법은 정확도에 한계가 있다. 일 예로, 롤 타입의 종이 pH 센서(Advantec, pH Test Paper, 07011030)는 육안으로 색을 구별하여 pH 값을 측정하는 것으로 유사한 색을 나타내는 경우 육안으로 구별하기 어려운 점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 pH 값에 따른 정확한 발현 색상을 복수개의 영역에서 스트립형 pH 센서(SIGMA, pH Test Strips, P-4786)가 사용되고 있다. 하지만, 상기의 스트립형 pH 센서는 여러 개의 검출부 색상 변화를 제조사에서 제공한 표준색 변화 차트와 비교하여 pH 값을 결정하여야 하기 때문에 사용자가 제품 사용법을 잘 이해하여야 하며, 사용법을 익히는데 시간이 소요되며, 숙련되지 않은 일반인의 경우에 pH 0~3, pH 7~9, pH 11~14 에서의 색상 구별이 어려워 정확한 pH 측정이 어렵다.
한편, 상기와 같은 리트머스 종이와 지시약을 이용하는 방법은 정확도에 한계가 있기 때문에 최근에는 보다 정확한 측정을 위하여 유리전극을 사용한 측정전극과 기준전극의 두 전극 사이의 직접 전위차법을 이용하여 용액 중의 pH 를 분석하는 방식이 많이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 유리전극을 이용한 측정센서는 안정적이고 수명이 길어 많이 사용되고 있지만, 응답속도가 느리다는 단점이 있다.
본 발명은 pH 값을 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 비색법을 이용한 종이 pH 센서 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 중공-종이 통로로 이루어진 유체통로를 포함하며, 복수개의 검출영역이 상기 유체통로의 길이방향에 따라 배치되는 검출부가 형성된 종이층; 상기 종이층의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및/또는 배출구가 형성된 상부친수성 필름; 및 상기 종이층의 하면에 배치되는 하부친수성 필름; 을 포함하며, 상기 종이층은 유체통로의 내측면과 검출부를 제외하고 소수성 부재로 이루어지며, 상기 복수개의 검출영역은 pH 0 내지 pH 14에서 색변화를 유도하는 각각의 시약이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 제공한다.
본 발명은 중공-종이 통로로 이루어진 유체통로를 포함하며, 복수개의 검출영역이 상기 유체통로의 길이방향을 따라 배치되는 검출부가 형성된 종이층; 상기 종이층의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및/또는 배출구가 형성된 상부 접착층; 상기 종이층 하면에 배치되는 하부친수성 필름; 및 상기 하부친수성 필름의 하면에 배치되는 하부 접착층; 을 포함하며, 상기 종이층은 유체통로의 내측면과 검출부를 제외하고 소수성 부재로 이루어지며, 상기 복수개의 검출영역은 pH 0 내지 pH 14에서 색변화를 유도하는 각각의 시약이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 제공한다.
본 발명은 (a) 중공-종이 통로를 포함하는 종이층을 제조하는 단계; (b) 상부친수성 필름 및 하부친수성 필름을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 종이층의 상하면에 상기 상부친수성필름 및 하부친수성 필름을 배치하고, 부착 또는 밀착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계; 를 포함하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 (a) 중공-종이 통로를 포함하는 종이층을 제조하는 단계; (b) 상부 접착층 및 하부 접착층을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 종이층의 상하면에 상기 상부 접착층 및 하부 접착층을 배치하고, 부착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계는 내부에 공간이 형성된 중간층(190) 내에 종이층과 하부친수성 필름을 삽입하는 단계 및 상기 하부친수성 필름 하부에 상기 하부 접착층을 압착공정을 이용하여 밀착 고정시키는 단계; 를 포함하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 따른 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 검출하고자 하는 시료의 pH 값을 신속하고 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 PET 표면을 플라즈마 처리한 이후에 경과 시간에 따른 물에 대한 접촉각 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 4에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예 5에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험예 1에서 플라즈마 처리된 PET 필름으로 제작된 유체흐름 소자들에 대한 유체 이동속도를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실험예 1에서 플라즈마 처리하지 않은 PET 필름으로 제작된 유체흐름 소자들에 대한 유체 이동속도를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다((A) pH 5, (B) pH 7, (C) pH 8).
도 15는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 비교예로서 종이 통로를 포함한 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예 2에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예 3에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예 4에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예 5에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 23은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명은 pH 값을 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 비색법을 이용한 종이 pH 센서에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서는 중공-종이 통로로 이루어진 유체통로를 포함하며, 복수개의 검출영역이 상기 유체통로의 길이방향에 따라 배치되는 검출부가 형성된 종이층, 상기 종이층의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및/또는 배출구가 형성된 상부친수성 필름 및 상기 종이층의 하면에 배치되는 하부친수성 필름을 포함하며, 상기 종이층은 유체통로의 내측면과 검출부를 제외하고 소수성 부재로 이루어지며, 상기 복수개의 검출영역은 pH 0 내지 pH 14에서 색변화를 유도하는 각각의 시약이 함침되어 있는 것을 특징으로 한다.
하나의 양태로서, 상기 상부친수성 필름 및/또는 하부친수성 필름은 접착층에 의해서, 상기 종이층의 상면 및/또는 하면에 부착될 수 있다.
한편, 상기 상부친수성 필름은 중간 접착층에 의해서 서로 밀착되며, 상기 중간 접착층은 상기 종이층과 하부친수성 필름을 수용할 수 있도록 공간이 형성될 수 있으며, 이러한 경우, 상기 하부친수성 필름은 하면에 하부 접착층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부친수성 필름 및 하부친수성 필름 중 적어도 하나의 필름이 투명기재일 수 있으며, 상기 종이층 또는 상부 접착층은 상기 검출영역과 대응되는 영역에 표식수단을 포함할 수 있다.
특정 양태로서, 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서는 중공-종이 통로로 이루어진 유체통로를 포함하며, 복수개의 검출영역이 상기 유체통로의 길이방향을 따라 배치되는 검출부가 형성된 종이층; 상기 종이층의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및/또는 배출구가 형성된 상부 접착층; 상기 종이층 하면에 배치되는 하부친수성 필름; 및 상기 하부친수성 필름의 하면에 배치되는 하부 접착층; 을 포함하며, 상기 종이층은 유체통로의 내측면과 검출부를 제외하고 소수성 부재로 이루어지며, 상기 복수개의 검출영역은 pH 0 내지 pH 14에서 색변화를 유도하는 각각의 시약이 함침되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 종이층과 하부친수성 필름은 상기 상부 접착층과 하부 접착층에 의해서 서로 밀착되며, 상기 상부 접착층과 하부 접착층의 사이에 상기 종이층과 하부친수성 필름을 수용할 수 있도록 내부에 공간이 형성된 중간층(190)을 포함하여, 상기 종이층과 상부 접착층 및 상기 하부친수성 필름과 하부 접착층을 균일하게 부착시킬 수 있다.
특히, 상기 상부 접착층 및 하부 접착층은 일면에 접착물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 한다.
특정 양태로서, 본 발명의 종이층 또는 상부 접착층은 상기 검출영역과 대응되는 영역에 표식수단이 형성될 수 있다.
이에 더하여, 상기 시약은 pH 지시약으로 이루어지며, 이는 말라카이트(malachite), 브릴리언트 그린(brilliant green), 메틸 그린(methyl green), 메틸 바이올렛(methyl violet), 크리스탈 바이올렛(crystal violet), 에오신 B(eosin bluish), 에틸 바이올렛(ethyl violet), m-크레졸 퍼플(m-cresol purple), 티몰 블루(thymol blue), p-크실레놀 블루(p-xylenol blue), 2,2′,2˝,4,4′-펜타메톡시트리페닐카비놀(2,2′,2˝,4,4′-pentamethoxy-triphenylcarbinol), 퀴날딘 레드(quinaldine red), 2,4-디니트로페놀(2,4-dinitrophenol), 메틸 옐로(methyl yellow), 브로모클로로페놀(bromochlorophenol), 브로모페놀 블루(bromophenol blue), 테트라브로모페놀 블루(tetrabromophenol blue), 콩고레드(congo red), 메틸 오렌지(methyl orange), 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 2,5-디니트로페놀(2,5-dinitrophenol), 메틸 레드(methyl red), 클로로페놀 레드(chlorophenol red), 브로모크레졸 퍼플(bromocresol purple), 브로모페놀 레드(bromophenol red), 니트라진 옐로(nitrazine yellow), 브로모크실레놀 블루(bromoxylenol blue), BTB(bromothymol blue), 뉴트럴 레드(neutral red), 페놀 레드(phenol red), 3-니트로페놀(3-nitrophenol), 1-나프톨프탈레인(1-naphtholphthalein), 페놀프탈레인(phenolphthalein), 티몰프탈레인(thymolphthalein), 알리자린 옐로 GG(alizarin yellow GG), 트리페올린 O(tropaeolin O), 인디고 카르민(indigo carmine), 엡실론 블루(epsilon blue), 알칼리 블루(alkali blue) 및 티탄 예로(titan yellow) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
한편, 상기 시약는 적어도 하나의 pH 지시약과 수용액에서 지시약을 안정화 시키는 보조화합물을 포함하여 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 시약은 적어도 하나의 상기 pH 지시약 및 상기 pH 지식약과 상호작용이 큰 보조화합물을 포함하는 지시약 수용액으로 이루어지며, 이때, 상기 지시약 수용액은 상술한 pH 지시약의 산해리 산수(pKa)를 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 보조화합물은 pH 지시약과 이온-이온 또는 이온-쌍극자 상호작용을 일으키는 유기화합물로 이루어질 수 있으며, 상기 보조화합물은 세틸트리메틸 암모늄 설페이트(cetyltrimetyl ammonium sulfate), 도데실 피리디늄 브로마이드(dodecyl pyridinium bromide), 소듐 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), 소듐 도데실 설포네이트(sodium dodecyl sulfonate), 소듐 헥사데카노에이트(sodium hexadecanoate), 4-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페닐 - 폴리에틸렌 글리콜(4 - (1,1,3,3 - Tetramethylbutyl) phenyl- polyethylene glycol, 도데실 펜타(에틸렌 옥사이드)((dodecyl penta(ethylene oxide)), 트리헥실-(테트라데실) 포스포늄 클로라이드(trihexyl-(tetradecyl) phosphonium chloride), 트리메틸피라졸륨 메틸설페이트(trimethylpyrazolium methylsulfate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 하이드로겐 설페이트(1-butyl-3- methylimidazolium hydrogen sulfate) 및 1-에틸-3-메킬이미다졸리움 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
이에 더하여, 본 발명은 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법에 관한 것으로, (a) 중공-종이 통로를 포함하는 종이층을 제조하는 단계; (b) 상부친수성 필름 및 하부친수성 필름을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 종이층의 상하면에 상기 상부친수성필름 및 하부친수성 필름을 배치하고, 부착 또는 밀착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계; 를 포함할 수 있다.
이때, 상기 (a) 단계는 종이층 내에 유체통로 및 검출영역의 외벽을 소수성으로 형성시키는 단계; 상기 유체통로의 내측으로 상기 외벽과 소정간격으로 이격된 부분에 CO2 절단기를 이용하여 중공-종이 통로를 형성하는 단계; 및 상기 검출영역에 시약을 함침시키는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상술한 종이층 내에 유체통로 및 검출영역의 외벽을 소수성으로 형성시키는 단계는 광리소그래피(photolithography), 잉크젯(ink-jet), 왁스인쇄법(wax printing), 침투-경화법(impregnation & hardening), 인장법(imprinting) 및 스크린 프린팅(screen printing)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
이에 더하여, 상기 (b) 단계는 상부친수성 필름에 절단 가공하여 유체 주입구 및 검출영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 (c) 단계는 접착층을 이용하여, 상기 종이층을 상부친수성 필름과 하부친수성 필름 사이에 부착하는 단계; 및 상기 접착층에 의해서 부착된 상기 상부친수성 필름, 하부친수성 필름 및 종이층을 압착하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 상부친수성 필름, 하부친수성 필름 및 종이층을 압착하는 단계는 45 내지 95℃의 온도에서 열압착을 시행할 수 있다.
한편, 특정 양태로서, 상기 (c) 단계는 내부에 공간이 형성된 중간 접착층 내에 종이층과 하부친수성 필름을 삽입하는 단계 및 상기 하부친수성 필름 하부에 하부 접착층을 밀착 고정시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 하부 접착층은 라미네이션 필름을 이용하고, 상기 하부친수성 필름 하부에 위치시켜, 70 내지 130℃ 조건에서 열압착할 수 있다.
다른 양태로서, 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법은 (a) 중공-종이 통로를 포함하는 종이층을 제조하는 단계; (b) 상부 접착층 및 하부 접착층을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 종이층의 상하면에 상기 상부 접착층 및 하부 접착층을 배치하고, 부착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계는 내부에 공간이 형성된 중간층(190) 내에 종이층과 하부친수성 필름을 삽입하는 단계 및 상기 하부친수성 필름 하부에 상기 하부 접착층을 압착공정을 이용하여 밀착 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, (a) 단계는 상술한 바와 같이, 종이층 내에 유체통로 및 검출영역의 외벽을 소수성으로 형성시키는 단계; 상기 유체통로의 내측으로 상기 외벽과 소정간격으로 이격된 부분에 CO2 절단기를 이용하여 중공-종이 통로를 형성하는 단계; 및 상기 검출영역에 시약을 함침시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
특히, 상기 종이층 내에 유체통로 및 검출영역의 외벽을 소수성으로 형성시키는 단계는 광리소그래피(photolithography), 잉크젯(ink-jet), 왁스인쇄법(wax printing), 침투-경화법(impregnation & hardening), 인장법(imprinting) 및 스크린 프린팅(screen printing)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
이에 더하여, 상기 (b) 단계는 상부 접착층에 절단 가공하여 유체 주입구 및 검출영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 접착층 및 하부 접착층은 라미네이션(Lamination) 필름으로 이루어지며, 70 내지 130℃ 조건에서 열압착할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 단면도, 도 2는 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 단면도, 도 3은 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도, 도 4는 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 단면도, 도 5는 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도, 도 6은 본 발명의 실시예 1의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조과정을 나타낸 도면, 도 7은 본 발명의 실시예 1에서 PET 표면을 플라즈마 처리한 이후에 경과 시간에 따른 물에 대한 접촉각 변화를 나타낸 그래프, 도 8은 본 발명의 실시예 2에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 나타낸 도면, 도 9는 본 발명의 실시예 3에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도를 나타낸 도면, 도 10은 본 발명의 실시예 4에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도를 나타낸 도면, 도 11은 본 발명의 실시예 5에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 분해사시도를 나타낸 도면, 도 12는 본 발명의 실험예 1에서 플라즈마 처리된 PET 필름으로 제작된 유체흐름 소자들에 대한 유체 이동속도를 나타낸 그래프, 도 13은 본 발명의 실험예 1에서 플라즈마 처리하지 않은 PET 필름으로 제작된 유체흐름 소자들에 대한 유체 이동속도를 나타낸 그래프, 도 14는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면((A) pH 5, (B) pH 7, (C) pH 8), 도 15는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면, 도 16은 비교예로서 종이 통로를 포함한 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면, 도 17은 본 발명의 실시예 2에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면, 도 18은 본 발명의 실시예 3에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면, 도 19는 본 발명의 실시예 4에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면, 도 20은 본 발명의 실시예 5에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH를 측정한 결과를 나타내는 도면, 도 21은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면, 도 22는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면, 도 23은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 23과 실시예를 통해 본 발명인 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 상세히 설명한다.
본 발명은 종이 기반의 랩온어칩(Lab-on-a-chip)을 이용한 것으로, pH 값을 확인하고자 하는 수용액 시료를 자발적이고 빠르게 이동시킬 수 있어, 측정하고자 하는 pH 값을 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 비색법을 이용한 종이 pH 센서(100)에 관한 것이다.
본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서(100)는 도 1을 참조하면, 종이층(110), 상기 종이층(110)의 상면 및 하면에 배치되는 상부친수성 필름(130)과 하부친수성 필름(140)을 포함하여 구성된다.
보다 구체적으로, 하부친수성 필름(140), 종이층(110) 및 상부친수성 필름(130)이 순서대로 적층되어 종이 pH 센서(100)를 이룰 수 있으며, 상기 종이층은 소수성 부재(111)로 이루어지며, 내측면이 다공성 부재(113)로 이루어진 유체통로(112)를 포함함으로써, 수용액 시료를 자발적이고 빠르게 이동시킬 수 있다.
여기서, 상부친수성 필름(130)은 상기 종이층(110)의 상면에 배치되며, 유체 주입구(131) 및/또는 유체 배출구(132)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 하부친수성 필름(140)은 친수성으로 상기 종이층(110)과는 다른 소재를 이용할 수 있다.
특히, 본 발명의 종이 pH 센서(100)는 유체통로(112)의 내측면이 다공성 부재(113)로 이루어져, 중공-종이 통로(115)를 이루어질 수 있다. 이때, 중공-종이 통로(115)는 종이층(110)에 형성된 다공성 부재(113)에 의해서 모세관 힘이 발생하여 자발 유체흐름이 발생할 수 있으며, 중공(114) 통로 구조로 인하여 흐름에 대한 저항력을 최소화시킬 수 있다. 보다 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 5층 구조의 종이 pH 센서(100)의 단면도를 나타낸 도면으로, 도 2에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서(100)는 상부친수성 필름(130)과 하부친수성 필름(140)은 접착층(150)에 의해서 상기 종이층(110)의 상면과 하면에 부착된다. 이때, 상부친수성 필름(130)과 종이층(110) 사이 또는 하부친수성 필름(140)과 종이층(110) 사이에서 적어도 한군데만 부착될 수 있다.
도 3은 도 2의 종이 pH 센서(100)의 분해사시도를 나타낸 도면으로, 도 3에 도시된 바에 따르면, 상기 접착층(150)도 종이층(110)에 대응되도록 유체통로(112)가 형성된다.
이때, 접착층(150)은 파라필름(parafilm) 또는 접착성 페이스트일 수 있다.
특히, 파라필름은 화학약품 내구성이 뛰어나 유로 내부로의 불순물 유입을 방지할 수 있으며, 접착성 페이스트는 아크릴 수지 또는 에폭시(epoxy)로 형성될 수 있다.
참고로, 도 3에 도시된 종이층(110)을 구체적으로 살펴보면, 상기 종이층(110)은 유체통로(112)를 포함하며, 복수개의 검출영역(121)이 상기 유체통로(112)에 따라 배치되는 검출부(120)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 유체통로(112)의 내측면과 검출부(120)를 제외하고 소수성 부재(111)로 이루어질 수 있으며, 상술한 바와 같이, 다공성 부재(113)로 이루어진 유체통로(112) 내에 중공(114)을 형성함으로써, 수용액 시료를 자발적이고 빠르게 이동시킬 수 있다.
본 발명에서, 검출부(120)는 복수개의 검출영역(121)을 포함하며, 상기 검출영역(121)은 pH 0 내지 pH 14에서 색변화를 유도하는 각각의 시약이 함침될 수 있다.
참고로, 본 발명의 종이 pH 센서(100)는 종이층(110) 또는 상부친수성 필름(130)에 표식수단(122)을 포함할 수 있다. 여기서, 표식수단(122)은 분석 물질의 pH 값을 알코올 온도계와 유사하게 눈금 형태로 표시할 수 있는 눈금 또는 상기 검출영역(121)의 변색유무를 나타낼 수 있는 대조영역(124)일 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 종이 pH 센서(100)는 표식수단(122)으로 종이층(110)에 눈금을 포함할 수 있다.
다른 양태로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 종이 pH 센서(100)는 상부친수성 필름(130)과 종이층(110)은 중간 접착층(160)에 의해서 서로 밀착되며, 상기 중간접착층(160)은 상기 종이층(110)과 하부친수성 필름(140)을 수용할 수 있도록 공간(161)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 하부친수성 필름(140)은 하면에 하부 접착층(170)을 추가로 포함할 수 있으며, 이때의 중간 접착층(160)은 PDMS(Polydimethylsiloxane), 파라필름(parafilm) 및 왁스 분자체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 이러한 경우, 3층 구조의 종이 pH 센서(100)를 형성할 수 있다.
도 5는 도 4의 종이 pH 센서(100)의 분해사시도를 나타낸 도면으로, 3층 구조의 종이 pH 센서(100)의 적층 구조를 보여주는 도면이다. 상기 3층 구조의 종이 pH 센서(100)는 중공-종이 통로(115)와 소수성 부재(111), 상기 중공-종이 통로(115)에 연결된 복수개의 검출영역(121)을 포함하는 종이층(110)을 중심으로 하여, 상부친수성 필름(130)과 하부친수성 필름(140)이 샌드위치 형태로 종이층(110)의 상부와 하부에 밀착 고정될 수 있다. 또한, 상부친수성 필름(130)과 종이층(110) 표면을 치밀하게 밀착시키기 위하여 종이층(110)과 하부친수성 필름(140)을 바깥쪽에서 지지하는 중간 접착층(160) 및 하부친수성 필름(140)/중간 접착층(160)과 부착되면서, 종이층(110)과 하부친수성 필름(140)을 밀착시키는 하부 접착층(170)을 포함한다.
특히, 상기 종이층(110)과 하부친수성 필름(140)을 합한 두께는 중간 접착층(160)의 두께보다 두꺼워서 하부 접착층(170)과 하부친수성 필름(140)에 의해서 치밀하게 밀착 고정될 수 있다.
다른 양태로서, 본 발명의 종이 pH 센서(100)는 중공-종이 통로(115)로 이루어진 유체통로(112)를 포함하며, 복수개의 검출영역(121)이 상기 유체통로(112)의 길이방향을 따라 배치되는 검출부(120)가 형성된 종이, 상기 종이층(110)의 상면에 배치되며, 유체 주입구(131) 및/또는 배출구(132)가 형성된 상부 접착층(180), 상기 종이층(110) 하면에 배치되는 하부친수성 필름(140) 및 상기 하부친수성 필름(140)의 하면에 배치되는 하부 접착층(170)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 상부 접착층(180), 종이층(110) 및 하부친수성 필름(140)과 하부 접착층(170)이 부착되면서 종이층(110)과 하부친수성 필름(140)을 밀착시키며, 상기 종이층(110)과 하부친수성 필름(140)을 수용할 수 있도록 내부 공간(161)이 형성된 중간층(190)을 삽입하고, 일면에 접착물질이 도포되어 있는 상기 상부 접착층(180) 및 하부 접착층(170)을 압착하여 상기 종이층(110)과 하부친수성 필름(140)이 균일하게 밀착되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 접착층(180)과 하부 접착층(170)은 라미네이트 필름일 수 있으며, 일 예로 폴리에스터 필름의 일면에 접착물이 도포되어 70 내지 130℃의 온도 조건에서 열알착할 수 있으며, 일 예로, 100℃ 내외의 온도에서 롤 압착에 의해서 내부의 종이층이 단단하고 용이하게 부착될 수 있다.
한편, 본 발명의 검출영역(121)에 함침되는 시약은 pH 지시약으로 말라카이트(malachite), 브릴리언트 그린(brilliant green), 메틸 그린(methyl green), 메틸 바이올렛(methyl violet), 크리스탈 바이올렛(crystal violet), 에오신 B(eosin bluish), 에틸 바이올렛(ethyl violet), m-크레졸 퍼플(m-cresol purple), 티몰 블루(thymol blue), p-크실레놀 블루(p-xylenol blue), 2,2′,2˝,4,4′-펜타메톡시트리페닐카비놀(2,2′,2˝,4,4′-pentamethoxy-triphenylcarbinol), 퀴날딘 레드(quinaldine red), 2,4-디니트로페놀(2,4-dinitrophenol), 메틸 옐로(methyl yellow), 브로모클로로페놀(bromochlorophenol), 브로모페놀 블루(bromophenol blue), 테트라브로모페놀 블루(tetrabromophenol blue), 콩고레드(congo red), 메틸 오렌지(methyl orange), 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 2,5-디니트로페놀(2,5-dinitrophenol), 메틸 레드(methyl red), 클로로페놀 레드(chlorophenol red), 브로모크레졸 퍼플(bromocresol purple), 브로모페놀 레드(bromophenol red), 니트라진 옐로(nitrazine yellow), 브로모크실레놀 블루(bromoxylenol blue), BTB(bromothymol blue), 뉴트럴 레드(neutral red), 페놀 레드(phenol red), 3-니트로페놀(3-nitrophenol), 1-나프톨프탈레인(1- naphtholphthalein), 페놀프탈레인(phenolphthalein), 티몰프탈레인 (thymolphthalein), 알리자린 옐로 GG (alizarin yellow GG), 트리페올린 O(tropaeolin O), 인디고 카르민(indigo carmine), 엡실론 블루(epsilon blue), 알칼리 블루(alkali blue) 및 티탄 예로(titan yellow) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
특정 양태로서, 도 3과 도 5에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 종이 pH 센서(100)는 중공-종이 통로(115)의 길이방향에 따라 복수개의 검출영역(121)을 포함할 수 있고, 일측부터 타측으로 갈수록 낮은 pH 값부터 높은 pH 값으로 색변화를 유도하는 각각의 지시약이 순서대로 함침될 수 있다.
일 예로, 상기 검출영역(121)에는 pH 4 ~ 13 까지의 pH 값을 갖는 시료를 검출할 수 있는 pH 지시약 10가지를 pH 값이 낮은 순서대로 아래에서 위쪽으로 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue), 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 클로로페놀 레드 (chlorophenol red), 브로모티몰 블루 (bromothymol blue), 페놀 레드 (phenol red), 페놀프탈레인 (phenolphthalein), 티몰프탈레인 (thymolphthalein), 페놀프탈레인(Phenolphthalein)과 티탄 옐로 (Titan yellow)의 혼합 용액, 트로페올린 O (tropaeolin O), 티탄 옐로 (Titan yellow) 용액을 함침시킬 수 있으며, 이때, pH 8 을 갖는 시료를 주입구에 주입하는 경우, 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue), 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 클로로페놀 레드 (chlorophenol red), 브로모티몰 블루 (bromothymol blue), 페놀 레드 (phenol red)의 지시약이 함침되어 있는 검출영역(121)의 색상이 변하여, 시료의 pH 를 측정할 수 있다.
다른 양태로서, 상기 시약은 상술한 적어도 하나의 pH 지시약과 상기 지시약과 상호작용을 일으켜서 수용액에서 상기 지시약의 산해리 상수(pKa) 값을 변화시킬 수 있는 보조화합물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 산해리 상수(pKa)라 함은 산의 이온화평형의 평형상수를 의미하며, 산의 세기를 나타내는 척도로 값이 클수록 이온화 경향이 클 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에서 상술한 보조화합물의 도입은 검출영역(121)에 서로 다른 pH 지시약을 사용함으로써 발생하는 변색 색상의 다양성으로 인한 인지 저하를 최소하기 위하여, 한 종류 지시약을 이용하여 특정 pH 구간에서 동일한 색상 변화를 유도하고자 함이다.
한편, pH 지시약의 변색 pH 값에 변화를 유도하기 위하여 보조화합물을 지시약에 추가하여 변색 지점의 이동을 초래할 수 있으며, 동일한 지시약이므로 색상은 모두 동일하지만, 변색 pH 는 추가 화합물에 따라서 좁은 영역(pH 1 ~ 2)에서 증가 또는 감소가 가능하다.
일반적으로, pH 지시약은 특정 pH 값에서 양성자 해리 반응을 통하여 이온을 형성시키고 이들이 다른 색상을 나타내는 것을 이용한다. 따라서 이러한 양성자 해리 반응의 pKa 값을 효율적으로 변화시킬 수 있는 상기 보조화합물로는 이온-이온 또는 이온-쌍극자 상호작용이 가능한 분자체들이다.
대표적으로 물질로는 이온성 계면활성제인 세틸트리메틸 암모늄 설페이트(cetyltrimetyl ammonium sulfate , CTAB), 도데실 피리디늄 브로마이드(dodecyl pyridinium bromide), 소듐 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate, SDS), 소듐 도데실 설포네이트(sodium dodecylsulfonate), 소듐 헥사데카노에이트(sodium hexadecanoate) 등이 있고, 비이온성 계면활성제인 4-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페닐 - 폴리에틸렌 글리콜(4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol (TrionX-100)), 도데실 펜타(에틸렌 옥사이드)(dodecyl penta(ethylene oxide)) 등이 있다.
이에 더하여, 이온성 액체(ionic liquid) 화합물들도 보조물질로 작용이 가능하고, 이러한 화합물로는 트리헥실-(테트라데실) 포스포늄 클로라이드(trihexyl-(tetradecyl) phosphonium chloride), 트리메틸피라졸륨 메틸설페이트(trimethylpyrazolium methylsulfate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 하이드로겐 설페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hydrogensulfate), 1-에틸-3-메킬이미다졸리움 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride) 등이 있다.
한편, 상기 상부친수성 필름(130) 및/또는 하부친수성 필름(140)은 투명기재로 형성되어, 검출영역(121)의 변화되는 색을 사용자가 용이하게 관찰할 수 있다.
이에 더하여, 상부친수성 필름(130) 및 하부친수성 필름(140)은 고분자 필름으로, 테레프탈레이트(PET, Polyethylen Terephthalate), 폴리스티렌(PS, Polystyrene), 폴리메틸메타크릴산(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리에스테르(PES, Polyester), 폴리에틸렌(PE, Polyethylen) 및 환형 올레핀 공중합체(COC, Cyclic Olefine Copolymer)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
하나의 양태로서, 상기 고분자 필름은 플라즈마를 이용하여 표면 처리한 고분자 필름일 수 있다. 즉, 소수성의 고분자 필름을 플라즈마 처리하여 친수성을 이루도록 할 수 있다.
참고로, 상기 고분자 필름들도 플라즈마 처리로 산화 작용기를 도입하여 친수성 표면으로 개질하면 자발 유체흐름을 효과적으로 유도할 수 있으며, 다른 화학적인, 물리적인 방법을 통해서 고분자 필름의 친수성도 향상시킬 수 있다.
이에 더하여, 본 발명은 비색법을 이용한 종이 pH 센서(100)의 제조방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, (a) 중공-종이 통로(115)를 포함하는 종이층(110)을 제조하는 단계, (b) 상부친수성 필름(130) 및 하부친수성 필름(140)을 제조하는 단계 및 (c) 상기 종이층의 상하면에 상기 상부친수성필름 및 하부친수성 필름(140)을 배치하고, 부착 또는 밀착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 (a) 단계는 종이층(110) 내에 유체통로(112) 및 검출영역(121)의 외벽을 소수성으로 형성시키는 단계, 상기 유체통로(112)의 내측으로 상기 외벽과 소정간격으로 이격된 부분에 CO2 절단기를 이용하여 중공-종이 통로(115)를 형성하는 단계 및 상기 검출영역(121)에 지시약을 함침시키는 단계를 포함할 수 있다.
특히, 상기 종이층(110) 내에 유체통로(112) 및 검출영역(121)의 외벽을 소수성으로 형성시키는 단계는 SU-8 광감광성 고분자 소재와 반도체 공정을 이용한 광리소그래피(photolithography), 소수성 액체를 분사시키는 잉크젯(ink-jet), 소수성 고체 왁스를 분출하는 왁스 인쇄법(wax printing), 소수성 물질을 종이에 침투시키고 선택적인 영역에서 경화시키는 침투-경화시키는 침투-경화법(impregnation & hardening), 소수성 물질을 패턴 인장으로 전사하는 인장법(imprinting), 플라즈마 처리법(plasma processing), 스크린 프린팅(screen printing)법 등과 같은 다양한 방법이 적용 가능하다.
후술하게 되는 하기 실시예에서는 왁스 프린터를 사용하여 패턴을 형성 하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며 종래기술에 의한 왁스 프린팅 기법을 이용할 수 있음은 당연하다. 즉, 왁스 프린터를 사용하지 않고 종이 위에 패턴에 해당하는 모양이 뚫린 마스크를 덮고 왁스를 처리하여 패턴을 왁스 프린팅할 수 있다. 이때 왁스는 고체 상태 그대로 마스크 상에 칠하여 프린팅할 수 있으며, 녹는점 이상의 온도로 가열하여 붓 등으로 도포하여도 무방하다.
하나의 양태로서, 유체 통로의 폭은 사용되는 유체량과 소자 크기 등에 의해서 변경될 수 있으며, 1 내지 10mm 정도의 폭을 가질 수 있다. 또한, 상기 유체통로(112)는 양측외벽에 소정부분 종이를 대칭적으로 남기는 것이 바람직하다. 상기 중공-통기 통로는 종이층(110)에 존재하는 복수개의 검출영역(121)과 수용액 시료의 도입부분을 연결해 주는 역할을 할 수 있다. 한편, 상기 검출영역(121)은 종이층(110)과 연결할 수 있도록 적어도 하나의 연결부(123)를 포함할 수 있다. 이는 종이층(110)과 동일한 소재로 형성되며, 보다 구체적으로, CO2 레이저 절단기를 이용하여 중공-종이 통로(115)를 절단할 때, 연결부(123)를 제외하고 절단하면, 검출부(120)를 종이층(110)과 연결할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는 상부친수성 필름(130)에 절단 가공하여 유체 주입구(131) 및 검출영역(121)을 형성하는 단계를 포함하며, 도 4와 도 5에 도시된 3층 구조의 종이 pH 필름을 제조하는 경우에는 상기 (c) 단계는 접착층(150)을 이용하여, 상기 종이층(110)을 상부친수성 필름(130)과 하부친수성 필름(140) 사이에 부착하는 단계 및 상기 접착층(150)에 의해서 부착된 상기 상부친수성 필름(130), 하부친수성 필름(140) 및 종이층(110)을 압착하는 단계를 포함할 수 있다.
특히, 파라필름은 상온 압착을 진행하는 경우에 열을 가해주지 않아도 일정한 압력이 있으면 변성이 일어나면서 접착이 가능할 수 있다. 이때의 압력은 2kgf/cm2 내지 100kgf/cm2 일 수 있다. 일 예로, 본 발명의 접착층(150)으로 파라필름을 사용할 수 있으며, 이러한 파라필름은 상온에서도 가압에 의해 변성이 일어날 수 있다. 반면, 열압착이 진행되는 경우에는 45 - 95℃ 영역에서 일어날 수 있다. 참고로, 파라필름은 45℃ 근처의 온도부터 열 변형이 일어나고, 고온에서는 열 변형이 너무 잘 일어나 패턴 형상이 붕괴되는 현상이 발생한다. 또한, 파라필름은 레이저 절단기를 이용하여 통로 패턴과 동일한 형태로 가공이 용이하고, 화학약품 내구성이 뛰어나 유체통로(112) 내부로의 불순물 유입을 방지할 수 있다.일 예로 부착공정은 통로 패턴들이 일치하도록 층을 정렬한 이후에 60℃ 온도에서 압착하여 수행할 수 있다.
한편, 중공-종이 통로(115)를 포함하는 종이 pH 센서(100)는 유체에 가해주는 압력이 아주 낮아서 상대적으로 높은 압력을 가해서 흐름을 일으키는 polydimethylsiloxane (PDMS) 소자에 비해서 누설 염려가 적어서 접착력이 아주 높지 않아도 된다. 다른 대안으로 접착성 페이스트를 스크린 프링팅하여 패턴된 접착층(150)을 친수성 필름 위에 직접 형성한 이후에 종이층(110)에 부착하는 방법이 있다.
한편, 다른 양태로서, 도 4와 도 5에 도시된 3층 구조의 종이 pH 센서(100)를 제조하는 경우, 상기 (c) 단계는 내부에 공간(161)이 형성된 중간 접착층(160) 내에 종이층(110)과 하부친수성 필름(140)을 삽입하는 단계와 상기 하부친수성 필름(140) 하부에 하부 접착층(170)을 압착공정 밀착 고정시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
이 때, 하부 접착층(170)은 라미네이션(lamination) 필름을 이용하고, 이를 70 내지 130℃ 조건, 구체적으로 90 내지 110℃ 에서 열압착할 수 있다.
한편, 또 다른 양태로서, 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법은 (a) 중공-종이 통로를 포함하는 종이층을 제조하는 단계, (b) 상부 접착층(180) 및 하부 접착층을 제조하는 단계 및 (c) 상기 종이층의 상하면에 상기 상부 접착층(180) 및 하부 접착층을 배치하고, 부착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계는 내부에 공간이 형성된 중간층(190) 내에 종이층과 하부친수성 필름을 삽입하는 단계 및 상기 하부친수성 필름 하부에 상기 하부 접착층(170)을 압착공정을 이용하여 밀착 고정시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 종이층을 제조하는 단계는 상술한 바와 같으므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상부 접착층(180)을 절단 가공하여 유체 주입구와 배출구를 형성할 수 있으며, 특히, 상기 배출구는 종이층의 검출영역의 위치와 대응되도록 형성할 수 있다.
이 때, 하부 접착층(170)은 라미네이션(lamination) 필름을 이용하고, 이를 70 내지 130℃ 조건, 구체적으로 90 내지 110℃ 에서 열압착할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1> 부착법을 이용한 종이 pH 센서의 제조
실시예 1-1. 검출영역에 사용되는 시약
검출부에 포함되는 복수개의 검출영역에 함침시켜 사용할 수 있는 pH 지시약들을 1단위의 pH 값에 따라 하기의 표 1에 나타내었다.
그리고 초기 지시약 색상과 주어진 pH 값에서 효과적인 변색을 유도하기 위하여 각각의 pH 값에 따른 지시약을 용해시킨 완충용액을 검출영역(121)에 함침시켜서 사용하였다. 구체적인 pH 완충용액 제조 방법을 하기의 표 2에 정리하였다. 참고로, 표 2에 나열되는 완충용액의 시료를 제조할 때 사용되는 시약은 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)에서 구입하였다.
pH 사용 가능한 pH 지시 시약
1 Malachite green oxalate, Brilliant green, Methyl green, Methyl violet, Crystal violet
2 Eosin bluish, Ethyl violet, m-Cresol purple, Thymol blue, p-Xylenol blue, 2,2′,2″,4,4′-pentamethoxytriphenylcarbinol
3 Quinaldine red, 2,4-Dinitrophenol, Methyl yellow
4 Bromochlorophenol, Bromophenol blue, Tetrabromophenol blue, Congo red, Methyl orange
5 Bromocresol green, 2,5-Dinitrophenol, Methyl red
6 Chlorophenol red, Bromocresol purple, Bromophenol red, Natrazine yellow
7 Bromoxylenol blue, Bromthymol blue, Neutral red
8 Phenol red, 3-Nitrophenol, 1-Naphtophthalein, m-Cresol purple
9 Thymol blue, p-Xylenol blue, Phenolphthalein
10 Thymolphthalein
11 Alizarin yellow GG
12 Tropaeolin O, Indigo carmine, Epsilon blue, Alkali blue
13 Titan yellow
pH 화학적 조성 제조방법
1.0 HCl/KCl 0.2 M KCl 25 mL + 0.2 M HCl 67 mL
2.0 HCl/KCl 0.2 M KCl 25 mL + 0.2 M HCl 6.5 mL
3.0 Acetate buffer 0.1 M acetic acid 19.65 mL + 0.1 M sodium acetate 0.35 mL
4.0 Acetate buffer 0.1 M acetic acid 16.94 mL + 0.1 M sodium acetate 3.06 mL
5.0 Acetate buffer 0.1 M acetic acid 7.14 mL + 0.1 M sodium acetate 12.86 mL
6.0 Phosphate buffer 1.0 M K2HPO4 2.64 mL + 1.0 M K2H2PO4 17.36 mL
7.0 Phosphate buffer 1.0 M K2HPO4 12.3 mL + 1.0 M KH2PO4 7.7 mL
8.0 Phosphate buffer 1.0 M K2HPO4 18.8 mL + 1.0 M KH2PO4 1.2 mL
9.0 Phosphate buffer 1.0M K2HPO4 5.0mL + 1.0M KH2PO4 0.2mL + 1.0M K3PO4 0.5mL
10.0 NaHCO3 + NaOH 0.05 M NaHCO3 50 mL + 0.1 M NaOH 10.7 mL
11.0 NaHCO3 + NaOH 0.05 M NaHCO3 50 mL + 0.1 M NaOH 22.7 mL
12.0 KCl + NaOH 0.2 M KCl 50 mL + 0.2 M NaOH 12.0 mL
13.0 KCl + NaOH 0.2 M KCl 25 mL + 0.2 M NaOH 66.0 mL
실시예 1-2. 중공-종이 통로가 형성된 종이층 제조
본 실시예에서 중공(114)과 다공성 부재(113)로 이루어진 유체통로(112)를 포함하는 종이층(110)을 제조하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 중심부의 유체 주입구(131)로부터 복수개의 유체통로(112)가 방사형으로 확장되며, 유체통로(112)의 끝단은 검출영역(121)이 형성된 종이층(110)을 제조하였다.
본 실시예에서는 종이층(110)으로 셀룰로스 (cellulose) 크로마토그래피 (chromatography)용으로 시판되는 대략 160㎛ 두께를 가지는 셀룰로스 종이(Whatman, Chromatography Paper grade ＃1)를 사용하였으며, 이는 50×50×0.5mm3 (가로×세로×두께)의 크기를 가지도록 디자인하였다. 여기서 사용되는 셀룰로스 종이는 셀룰로스 분자체로 구성되어 있으며, 기공도가 60 내지 75% 정도를 가지고 있다.
먼저, 도 6(A)를 참조하면, 유체흐름 거리가 10mm 가 되도록 유체통로(112)를 디자인 하였으며, 종이층(110) 위에 상기 유체통로(112)와 검출영역(121)으로 사용되는 소정부분을 제외한 부분에 고체왁스를 전사하였다. 이때의 각각의 유체통로(112)의 폭은 3mm 였으며, 유체주입구로부터 검출영역(121)까지의 유체이동거리는 10mm 였다. 또한, 검출영역(121)은 상기 유체통로(112)와 연결되며, 직경 8mm 의 원형으로 형성하였다. 참고로, 본 실시예에서는 6개의 유체통로(112)와 검출영역(121)을 갖도록 하였다.
다음으로, 종이를 관통하는 방향으로 소수성 유체흐름 외벽을 형성시키기 위하여 후속 열처리 공정을 이용하여 표면에 존재하는 왁스를 종이층(110) 내부로 침투시켰다. 전형적인 후속 열처리 공정 조건은 130℃ 열판(Hotplate) 위에서 1분을 사용하였다.
이렇게 왁스 프린팅/열처리 공정으로 제작된 종이층(110)에 추가의 절단 공정을 이용하여 중공-종이 통로(115)를 형성하였다. 보다 구체적으로, CO2 절단기를 이용하여 절단 공정을 실시하였으며, 도 6(B)에서 나타난 바와 같이, 유체통로(112)의 폭이 3mm 이며, 그 중심부에 1mm 로 제거함으로써 폭이 1mm 를 이루도록 종이층(110)을 절단하여 중공-종이 통로(115)를 형성하였다.
이에 더하여, 검출영역(121)의 외벽을 상기 중공-종이 통로(115)와 같이, CO2 절단기를 이용하여 절단 공정을 실시하였으며, 이때 1mm × 1mm의 연결부(123)를 제외하고 절단함으로써, 연결부(123)를 이용하여 상기 검출영역(121)과 종이층(110)을 연결시킬 수 있었다.
실시예 1-3. 검출영역 형성
본 실시예에서는 실시예 1-2에서 제조한 종이층(110)의 검출영역(121)에 지시약을 함침시켰다.
실시예 1-2에서 6개의 검출영역(121)을 형성하였으며, 본 실시예에서 상기 6개의 검출영역(121)을 도 6을 참조하여, 제1검출영역(1211), 제2검출영역(1212), 제3검출영역(1213), 제4검출영역(1214), 제5검출영역(1215) 및 제6검출영역(1216)으로 지칭하도록 한다.
먼저, 제2검출영역(1212)에는 브로모크레졸 그린(bromocresol green, 대정화금) 에탄올 용액(1g/100mL), 제3검출영역(1213)에는 메틸레드(methyl red, Sigma Aldrich) 에탄올 용액(1g/100mL), 제4검출영역(1214)에는 브로모티몰 블루(bromothymol blue, 삼전순약공업) 에탄올 용액(1g/100mL), 제5검출영역(1215)에는 페놀레드(phenol red, Sigma Aldrich) 에탄올 용액(0.1g/100mL), 제6검출영역(1216)에는 페놀프탈레인(phenolphthalein, 대정화금) 에탄올 용액(1g/100mL) 2㎕ 떨어뜨려 함침시킨 후에 실온에서 건조시켰다.
실시예 1-4. 상부친수성 필름 및 하부친수성 필름 제조
본 실시예에서 두께가 100㎛의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, polyethylen terephthalate)를 상부친수성 필름(130)과 하부친수성 필름(140)으로 이용하였다. 보다 구체적으로, 상부친수성 필름(130)으로 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 적정크기로 자른 다음 용액의 주입 및 배출이 이루어지는 원형의 유체 주입구(131)와 배출구(132)를 만들어 주었다. 이때, 주입구는 종이층(110)에 형성된 주입구와 대응되는 위치에 형성되도록 하였으며, 배출구(132)는 검출영역(121)과 대응되는 위치에 형성되도록 각각 제조하였다. 이때, 주입구 및 배출구(132)는 레이저 절단 공정을 통하여 수행하였다.
그 다음 상부친수성 필름(130)과 하부친수성 필름(140)으로 사용하게 되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 친수성을 가지도록 하기 위해서 산소 플라즈마를 이용하여 표면을 개질하였다.
도 7은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 표면을 플라즈마 처리한 이후에 경과 시간에 따른 물에 대한 접촉각 변화를 보여주는 그래프이다. 초기 접촉각이 70도 내외인 폴리에틸렌 테레프탈레이트은 플라즈마 처리 직후에 0에 근접하는 값을 가지고, 그 다음 12 시간 동안은 접촉각이 빠르게 증가하였다. 그 이후에는 50도 내외의 값으로 안정화되는 경향을 보여준다. 접촉각이 심하게 변화하면 유체 흐름의 재현성이 떨어지므로 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름은 플라즈마 처리 이후에 12시간 대기 조건에서 보관한 이후에 본 발명의 유체흐름 소자 제조에 사용하였다.
실시예 1-5. 열압착 공정
본 실시예에서는 종이층(110)의 상하부면에 상부친수성 필름(130)과 하부친수성 필름(140)을 용이하게 부착하기 위하여 접착층(150)으로 파라필름(Parafilm M)을 사용하였다. 이때, 상부친수성 필름(130)과 종이층(110)을 접착하기 위한 파라필름은 레이저 절단기를 이용하여, 유체통로(112)의 패턴과 동일한 형태로 가공하였다.
그리고, 하부친수성 필름(140), 접착층(150), 종이층(110), 접착층(150) 및 상부친수성 필름(130)을 순서대로 적층하여 열압착 공정을 실시하였다.
보다 구체적으로, 열압착 공정은 핫플레이트(Hot-plate) 위에서 실시하였으며, 75℃ 의 온도에서 1.0 kgf/cm2 이하의 압력으로 열압착하여 본 발명의 비색법을 이용한 종이 pH 센서(100)를 제조하였다.
<실시예 2> 부착법을 이용한 종이 pH 센서의 제조
본 실시예에서 도 8 에 도시된 종이 pH 센서(100)를 제조하였다.
보다 구체적으로, 종이층(110)은 크로마토그래피용으로 시판되는 160㎛ 두꼐를 가지는 셀룰로스 종이 (Whatman, Chromatography paper grade #1)를 사용하였으며, 이는 25×75×2 mm3 (가로×세로×두께)의 크기를 가지도록 절단하였고, 유체흐름 거리가 대략 50mm 가 되도록 디자인 하였다.
먼저, 유체흐름의 거리가 50mm 가 되도록 디자인 하였으며, 종이층(110) 위에 중공-종이 통로(115)는 상기 실시예 1-2에서 수행한 동일한 방법인 왁스 프린팅 및 레이저 절단을 이용하여 소수성 장벽을 형성시키고, 절단공정을 수행하였다.
보다 구체적으로, 도 8을 참조하면, 길이방향으로 확장된 유체통로(112), 복수개의 검출영역(121), 연결부(123) 및 대조영역(124)을 제외하고 왁스 프린팅 하였다. 보다 구체적으로, 유체통로(112)는 폭이 4mm, 거리가 50mm 였으며, 검출영역(121)과 대조영역(124)은 3mm 의 직경을 갖도록 왁스 프린팅 하였다. 그리고, 상기 유체통로(112)와 검출영역(121)을 연결하는 연결부(123)는 2mm × 1mm 의 크기를 갖도록 하였다. 그 후에 유체 주입구(131)와 유체통로(112)를 CO2 절단기를 이용하여 절단하여 중공-종이 통로(115)를 형성시켰다. 이때의 중공-종이 통로(115)는 2mm 의 폭과 50mm 의 길이를 갖도록 하였다.
그 다음, 검출영역(121)과 대조영역(124)에는 pH 4 ~ 13 까지의 pH 값을 갖는 시료를 검출할 수 있는 pH 지시약 10가지를 pH 값이 낮은 순서대로 아래에서 위쪽으로 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue, Sigma Aldrich), 브로모크레졸 그린(bromocresol green, 대정화금), 클로로페놀 레드(chlorophenol red, Sigma Aldrich), 브로모티몰 블루(bromothymol blue, 삼전순약공업), 페놀 레드 (phenol red, JUNSEI chemical), 페놀프탈레인(phenolphthalein, 대정화금), 티몰프탈레인(thymolphthalein, Sigma Aldrich), 페놀프탈레인과 티탄 옐로(titan yellow, TCI)의 혼합 용액, 트로페올린 O (tropaeolin O, TCI), 티탄 옐로 용액을 분주하여 건조시켰다.
참고로, 상기 pH 지시 시약은 [표 1]에 표시된 비슷한 색상 변화 영역을 갖는 다른 pH 지시 시약으로 대체될 수 있고, 완충용액으로 초기 상태 pH를 조절할 수 있다.
그리고, 상부친수성 필름(130), 하부친수성 필름(140) 및 접착층(150)은 상용되는 박스 테이프(㈜오공) 를 이용하였으며, 상부친수성 필름(130)은 레이저 절단기로 종이층(110)에서 형성한 유체 주입구(131)와 동일한 크기의 유체 주입구(131)를 형성하였다.
그 후에, 하부친수성 필름(140), 접착층(150), 종이층(110), 접착층(150) 및 상부친수성 필름(130)을 순서대로 적층하여 60℃의 온도에서 열압착 공정을 실시하여, 도 8에 나타낸 종이 pH 센서(100)를 제조하였다.
<실시예 3> 부착법을 이용한 종이 pH 센서의 제조
본 실시예에서 도 9 에 도시된 종이 pH 센서(100)를 제조하였다.
보다 구체적으로, 종이층(110)은 크로마토그래피용으로 시판되는 160㎛ 두께를 가지는 셀룰로스 종이 (Whatman, Chromatography paper grade #1)를 사용하였으며, 이는 25×75×2 mm3 (가로×세로×두께)의 크기를 가지도록 디자인 하였다.
먼저, 유체흐름의 거리가 50mm 가 되도록 디자인하였으며, 종이층(110) 위에 중공-종이 통로(115)는 상기 실시예 1-2 에서 수행한 동일한 방법인 왁스 프린팅을 이용하여 소수성 장벽을 형성시키고, CO2 레이저 절단을 이용하여 절단공정을 수행하였다.
보다 구체적으로, 도 9를 참조하면, 길이방향으로 확장된 유체통로(112), 복수개의 검출영역(121), 연결부(123)을 제외하고 왁스 프린팅 하였다. 보다 구체적으로, 유체통로(112)는 폭이 3mm, 거리가 50mm 였으며, 검출영역(121)은 3mm×2mm, 연결부(123)는 3mm×1mm 의 크기를 갖도록 유체통로(112), 검출영역(121), 연결부(123)를 제외하고 왁스 프린팅 하였다. 그 후에 유체 주입구(131)와 유체통로(112)를 CO2 절단기를 이용하여 절단하여 중공-종이 통로(115)를 형성시켰다. 이때의 중공-종이 통로(115)는 1mm 의 폭과 50mm 의 길이를 갖도록 하였다.
이때, 검출영역(121)은 14개를 가지도록 하였으며, pH 1 부터 pH 13 까지 해당하는 검출영역(121)에는 pH 값을 갖는 시료를 검출할 수 있는 pH 지시약 14가지를 pH 값이 낮은 순서대로 아래에서 위쪽으로 크리스탈 바이올렛(crystal violet, TCI), 에틸 바이올렛(ethyl violet, TCI), 퀴날딘 레드 (quinaldine Red, TCI), 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue, Sigma Aldrich), 브로모크레졸 그린 (bromocresol green, 대정화금), 클로로페놀 레드 (Chlorophenol Red, Sigma Aldrich), 브로모티몰 블루 (bromothymol blue, 삼전순약공업), 페놀 레드 (phenol red, JUNSEI chemical), 페놀프탈레인 (phenolphthalein, 대정화금), 티몰프탈레인 (Thymolphthalein, Sigma Aldrich), 페놀프탈레인 (Phenolphthalein)과 티탄 옐로 (Titan yellow, TCI)의 혼합 용액, 트로페올린 O (tropaeolin O, TCI), 티탄 옐로 (Titan yellow, TCI) 의 pH 지시 시약을 분주하여 건조시켰다.
그리고, 각각의 검출영역(121)과 인접한 부위에 왁스 프린팅 방법을 이용하여 눈금과 같은 표식수단(122)을 마련하였으며, 각각의 검출영역(121)에 pH 1 부터 pH 13까지 각각의 검출 pH 값을 표식수단(122)으로 표시하였다. 이러한 표식수단(122)은 상부친수성 필름(130)에 구비시키는 것도 가능하다.
참고로, 상기 pH 지시 시약은 [표 1]에 표시된 비슷한 색상 변화 영역을 갖는 다른 pH 지시 시약으로 대체될 수 있고, 완충용액으로 초기 상태 pH를 조절할 수 있다.
그리고, 상부친수성 필름(130), 하부친수성 필름(140)으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate) 필름 (100㎛ 두께, SKC)을 이용하였으며, 접착층(150)은 파라필름(Parafilm M)을 이용하였다.
이때, 상부친수성 필름(130)은 레이저 절단기로 종이층(110)에서 형성한 유체 주입구(131)와 동일한 크기의 유체 주입구(131)를 형성하였다.
그 후에, 하부친수성 필름(140), 접착층(150), 종이층(110), 접착층(150) 및 상부친수성 필름(130)을 순서대로 적층하여 60℃의 온도에서 열압착 공정을 실시하여, 도 9에 나타낸 종이 pH 센서(100)를 제조하였다.
<실시예 4> 밀착 고정법을 이용한 종이 pH 센서의 제조
본 실시예에서 도 10에 도시된 3층 구조의 종이 pH 센서(100)를 제조하였다.
여기서, 3층 구조의 종이 pH 센서(100)라 함은 상부친수성 필름과 종이층(110)이 중간접착층에 의해서 서로 밀착되며, 상기 중간접착층은 종이층(110)과 하부친수성 필름(140)을 수용할 수 있도록 공간(161)이 형성되어, 3층 구조를 이루는 pH 센서를 의미한다.
본 실시예에서, 종이층(110)은 160㎛ 두께를 가지는 셀룰로스 종이 (Whatman, Chromatography paper grade ＃1)를 사용하였으며, 전체적인 종이 pH 센서(100)는 대략 25×75×2 mm3 (가로×세로×두께)의 크기를 가지도록 제작하였으며, 중심부에 유로 주입구를 형성하여, 상기 유로 주입구의 일측과 타측에 두 갈래로 유체가 각각 25mm 거리를 이동하도록 유체통로(112)를 형성하였다.
그 다음 유체통로(112)를 상기 실시예 1-2에서 수행한 동일한 방법인 왁스 프린팅을 이용하여 소수성 장벽을 형성시켰고, 레이저 절단을 이용하여 중공-종이 통로(115)를 제작하였다.
도 10을 참조하면, 본 실시예의 pH 센서는 길이방향으로 확장된 유체통로(112), 복수개의 검출영역(121), 연결부(123)를 제외하고 왁스 프린팅 하였다. 보다 구체적으로, 유체통로(112)는 폭이 3mm, 거리가 50mm 였으며, 검출영역(121)은 3mm×2mm, 연결부(123)는 3mm×1mm 의 크기를 갖도록 유체통로(112), 검출영역(121), 연결부(123)를 제외하고 왁스 프린팅 하였다. 그 후에 유체 주입구(131)와 유체통로(112)를 CO2 절단기를 이용하여 절단하여 중공-종이 통로(115)를 형성시켰다. 이때의 중공-종이 통로(115)는 1mm 의 폭과 유체 주입구(131)를 중심으로 양측으로 각각 25mm 의 길이를 갖도록 하였다.
또한, 검출영역(121)은 14개를 가지도록 하였으며, pH 1 부터 pH 13 까지 해당하는 검출영역(121)에는 pH 값을 갖는 시료를 검출할 수 있는 pH 지시약 14가지를 pH 값이 낮은 순서대로 아래에서 위쪽으로 크리스탈 바이올렛(crystal violet, TCI), 에틸 바이올렛(ethyl violet, TCI), 퀴날딘 레드 (quinaldine Red, TCI), 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue, Sigma Aldrich), 브로모크레졸 그린 (bromocresol green, 대정화금), 클로로페놀 레드 (Chlorophenol Red, Sigma Aldrich), 브로모티몰 블루 (bromothymol blue, 삼전순약공업), 페놀 레드 (phenol red, JUNSEI chemical), 페놀프탈레인 (phenolphthalein, 대정화금), 티몰프탈레인 (Thymolphthalein, Sigma Aldrich), 페놀프탈레인 (Phenolphthalein, 대정화금)과 티탄 옐로 (Titan yellow, TCI) 의 혼합 용액, 트로페올린 O (tropaeolin O, TCI), 티탄 옐로 (Titan yellow, TCI) 의 pH 지시약을 사용하였다.
그리고, 각각의 검출영역(121)과 인접한 부위에 왁스 프린팅 방법을 이용하여 눈금과 같은 표식수단(122)을 마련하였으며, 각각의 검출영역(121)에 pH 1 부터 pH 13까지 각각의 검출 pH 값을 표식수단(122)으로 표시하였다. 이러한 표식수단(122)은 상부친수성 필름(130)에 구비시키는 것도 가능하다.
참고로, 상기 pH 지시약은 [표 1]에 표시된 비슷한 색상 변화 영역을 갖는 다른 pH 지시 시약으로 대체될 수 있고, 완충용액으로 초기 상태 pH를 조절할 수 있다.
그리고, 상부친수성 필름과 종이층(110)을 직접 밀착하여 접하도록 하기 위하여, 상부친수성 필름과 동일한 크기를 가지고, 종이층(110)이 수용할 수 있도록 종이층(110)의 크기와 동일한 공간(161)이 형성된 중간 접착층(160)을 준비하였다. 본 실시예에서, 상기 중간 접착층(160)은 종이와 같은 다공성 부재(113) 내부로 접착성 분자체가 침투되어 제조된 혼성 접착시트나 양면에 접착 성분이 있는 상용 양면 테이프를 이용 가능할 수 있다. 본 실시예에서는 상부친수성 필름(130)에 중간 접착층(160)을 75℃ 열압착으로 고정화한 이후에, 중간 접착층(160) 내부로 종이층(110), 하부친수성 필름(140)을 넣고, 그 위에 하부 접착층(170)을 정렬을 시킨 이후에 압착 공정을 통하여 밀착 고정시킬 수 있다. 구체적으로는 하부 접착층(170)으로 라미네이션 필름을 이용하였고, 이를 100℃ 조건에서 열압착(라미네이션) 공정으로 중간 접착층(160)과 상부친수성 필름(130)에 부착시켰다.
이렇게 밀착 고정법을 이용하여 본 발명의 종이 pH 센서(100)를 제조하였다.
특히, 이와 같이 친수성필름과 종이층(110)을 견고하게 밀착시키기 위해서는 중이층과 하부친수성 필름(140)의 두께의 합이 중간 접착층(160)보다 수십 ㎛ 정도 두꺼운 것이 바람직하다.
<실시예 5> 종이 pH 센서의 제조
본 실시예에서 도 11에 도시된 3층 구조의 종이 pH 센서를 제조하였다.
본 실시, 3층 구조의 종이 pH 센서라 함은 상부 접착층(180), 종이층과 하부친수성 필름을 수용하는 중간층(190), 하부 접착층(170)으로 구성되고 이들이 서로 밀착 접착된 3층 구조를 이루는 pH 센서를 의미한다.
본 실시예에서, 종이층은 160㎛ 두께를 가지는 셀룰로스 종이 (Whatman, Chromatography paper grade ＃1)를 사용하였으며, 전체적인 종이 pH 센서는 대략 25×75×2 mm3 (가로×세로×두께)의 크기를 가지도록 제작하였으며, 중심부에 유로 주입구를 형성하여, 상기 유로 주입구의 일측과 타측에 두 갈래로 유체가 각각 25mm 거리를 이동하도록 유체통로를 형성하였다.
그 다음 유체통로를 상기 실시예 1-2에서 수행한 동일한 방법인 왁스 프린팅을 이용하여 소수성 장벽을 형성시켰고, 레이저 절단을 이용하여 중공-종이 통로를 제작하였다.
도 11을 참조하면, 본 실시예의 pH 센서는 길이방향으로 확장된 유체통로, 복수개의 검출영역, 연결부(123)를 제외하고 왁스 프린팅 하였다. 보다 구체적으로, 유체통로는 폭이 3mm, 거리가 50mm 였으며, 검출영역은 3mm×2mm, 연결부는 3m×1m 의 크기를 갖도록 유체통로, 검출영역, 연결부를 제외하고 왁스 프린팅 하였다. 그 후에 유체 주입구와 유체통로를 CO2 절단기를 이용하여 절단하여 중공-종이 통로를 형성시켰다. 이때의 중공-종이 통로는 1mm 의 폭과 유체 주입구를 중심으로 양측으로 각각 25mm 의 길이를 갖도록 하였다.
또한, 검출영역은 14개를 가지도록 하였으며, pH 1 부터 pH 13 까지 해당하는 검출영역에는 pH 값을 갖는 시료를 검출할 수 있는 pH 지시약 14가지를 pH 값이 낮은 순서대로 아래에서 위쪽으로 크리스탈 바이올렛(crystal violet, TCI), 에틸 바이올렛(ethyl violet, TCI), 퀴날딘 레드 (quinaldine Red, TCI), 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue, Sigma Aldrich), 브로모크레졸 그린 (bromocresol green, 대정화금), 브로모크레졸 퍼플(bromocresol purple, Sigma Aldrich)과 세틸트리암모늄 브로마이드(cethyltriammonium bromide, Sigma Aldrich), 브로모티몰 블루(bromothymol blue, 삼전순약공업)와 세틸트리암모늄 브로마이드 혼합용액, 티몰 블루(thymol blue, 대정화금)와 세틸트리암모늄 브로마이드의 혼합용액, 티몰 블루, 티몰프탈레인 (thymolphthalein, Sigma Aldrich), 티몰 블루와 티탄 옐로(titan yellow, TCI)의 혼합 용액, 트로페올린 O (tropaeolin O, TCI), 티탄 옐로 pH 지시약을 사용하였다.
그리고, 각각의 검출영역과 인접한 부위에 왁스 프린팅 방법을 이용하여 눈금과 같은 표식수단을 마련하였으며, 각각의 검출영역에 pH 1 부터 pH 13까지 각각의 검출 pH 값을 표식수단으로 표시하였다. 이러한 표식수단은 상부 접착층(180)에 구비시키는 것도 가능하다.
참고로, 상기 pH 지시약은 [표 1]에 표시된 비슷한 색상 변화 영역을 갖는 다른 pH 지시 시약으로 대체될 수 있고, 완충용액으로 초기 상태 pH를 조절할 수 있으며, 필요에 따라 pKa 변화를 유도할 수 있는 보조화합물를 더 추가하여 보다 정밀하게 pH를 측정할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 브로모크레졸 퍼플(bromocresol purple)과 브로모티몰 블루(bromothymol blue), 티몰 블루(thymol blue)에 양이온성 계면활성제인 세틸트리암모늄 브로마이드를 더하여 기존의 pH 지시 시약이 색변화를 일으키는 pH 보다 낮은 pH 에서 색변화가 일어날 수 있도록 하였다.
그리고, 상부 접착층(180)과 종이층을 직접 밀착하여 접하도록 하기 위하여, 상부 접착층(180)과 동일한 크기를 가지고, 종이층이 수용할 수 있도록 종이층의 크기와 동일한 공간이 형성된 중간층(190)을 준비하였다.
본 실시예에서는 상부 접착층(180)과 하부 접착층(170)은 접착제가 도포된 라미네이션 필름을 사용하였다. 본 발명의 pH 센서를 완성시키기 위해서는 상부 접착필름에 중간층(190)을 정렬시키고 종이층-하부 친수성필름 순서로 중간층(190) 중공에 삽입한 이후에 하부 접착층(170, 라미네이션 필름)을 정렬시킨 이후에 100℃ 열압착(라미네이션) 공정으로 층들을 하나로 결합시켰다. 이 경우 친수성필름과 종이층을 견고하게 밀착시키기 위해서는 종이층-하부 친수성 필름의 두께 합이 중간층(190) 보다 수십 ㎛ 정도 두꺼운 것이 바람직하다.
<실험예 1>
실험예 1-1. 유체의 이동속도 측정 - 1
본 실험예에서 중공-종이 통로(115)를 포함하는 pH 종이 센서가 유체의 흐름에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 3종류의 유체흐름 소자를 준비하였다.
보다 구체적으로, 2mm의 중공이 형성된 소수성의 종이층, 2mm 의 중공과 2mm 의 다공성 부재가 형성된 종이층 또는 1mm 의 중공과 1mm 의 다공성 소재가 형성된 종이층을 포함하는 유체흐름 소자를 이용하여 유체의 이동 거리를 측정하였다.
참고로, 2mm의 중공이 형성된 소수성의 종이층이라 함은 다공성 소재를 포함하지 않은 종이층을 의미하고, 2mm의 중공과 2mm 의 다공성 소재가 형성된 종이층이라 함은 2mm 의 중공의 양측벽에 각각 1mm 폭의 다공성 소재를 포함한 종이층을 의미한다. 또한, 1mm 의 중공과 1mm 의 다공성 소재가 형성된 종이층이라 함은 1mm 의 중공의 양측벽에 각각 0.5mm 폭의 다공성 소재를 포함한 종이를 의미한다.
본 실험예에서 3종류의 유체흐름 소자의 유체 주입구에 300㎍의 잉크를 떨어뜨린 이후에 상기 잉크가 100mm 를 이동하는 동안에 얻어진 시간에 따른 이동 거리를 측정하였고, 그 결과를 도 14에 나타내었다.
도 12를 참조하면, 잉크가 100mm를 이동할 때, 2mm의 중공이 형성된 소수성의 종이층을 포함하는 유체흐름 소자는 40초, 2mm의 중공과 2mm 의 다공성 소재가 형성된 종이층을 포함하는 유체흐름 소자는 25초, 1mm 의 중공과 1mm 의 다공성 소재가 형성된 종이층을 포함하는 유체흐름 소자는 15초가 소요되었다.
본 실험예에서는 중공-종이 통로를 포함하는 유체흐름 소자가 중공만을 포함하는 유체흐름 소자보다 유체의 흐름이 빠름을 알 수 있었으며, 중공-종이 통로의 폭이 넓은 것보다 중공-종이 통로의 폭이 좁은 종이층을 포함하는 유체흐름 소자의 흐름 속도가 더 빠른 유속을 보여주는 것을 확인할 수 있었다.
이는 초기 유체 압력을 0으로 제어한 실험에 있어서, 중공만을 포함하는 유체흐름 소자는 자발적 흐름이 발생하지 않지만, 중공-종이 통로를 포함하는 유체흐름 소자는 유체가 스스로 통로를 따라서 이동할 수 있음을 나타낸다.
즉, 본 실험예에서 실시한 중공-종이 통로를 포함하는 유체흐름 소자를 본 발명의 pH 종이 센서에 적용함으로써, 유체의 흐름을 빠르게 하여, pH 종이 센서에 함침된 지시약의 색 변화를 빠르게 관찰할 수 있을 것으로 판단하였다.
실험예 1-2. 유체의 이동속도 측정 - 2
도 13은 플라즈마 처리하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름으로 제작된 3종류의 유체흐름 소자를 이용하여 시간에 따른 유체 이동거리 그래프를 나타낸 도면이다.
플라즈마를 이용하여 표면개질을 실시하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 이용하였을 때도, 실험예 1-1과 동일한 경향이 나타났다.
그러나, 플라즈마 처리하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름을 이용하여 제작한 유체흐름 소자는 필름 표면이 소수성을 더 많이 가지고 있어서, 플라즈마 처리하여 친수성으로 개질한 필름(실험예 1-1)에 비하여, 늦은 유체흐름 속도를 보여 주었다. 이는 자발 흐름을 유도하기 위해서는 상하부 필름 표면이 높은 친수성을 가져야 함을 나타내고 있다.
<실험예 2> 종이 pH 센서를 이용한 pH 측정
본 실험예에서는 상기 실시예 1에서 제조한 종이 pH 센서(100)를 이용하여, 시료의 pH 를 측정하였다
보다 구체적으로, 각각 pH 5, 7, 8을 갖는 완충용액 시료를 실시예 1에서 제조된 종이 pH 센서(100)의 중앙에 위치하는 유체 주입구(131)에 주입하고, 각각의 검출수단에서 일어나는 색상 변화의 차이를 관찰하였으며, 그 결과를 도 14에 나타내었다. 참고로, 상기 각각의 pH 5, 7, 8을 갖는 완충용액 시료는 실시예 1-1 의 표 2에 기재된 용액을 사용하였으며, 해당 pH 값과 대응되는 완충용액을 사용하였다.
도 14를 참조하면, pH 5를 갖는 완충용액 시료를 유체 주입구(131)에 주입하였을 경우, 브로모크레졸 그린(bromocresol green) 용액이 함침된 제2검출수단의 색상만이 변화 하였으며, pH 7을 갖는 완충용액 시료를 유체 주입구(131)에 주입하였을 경우, 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 메틸레드(methyl red) 및 브로모티몰 블루(bromothymol blue) 용액이 각각 함침된 제2검출수단, 제3검출수단 및 제4검출수단의 색상이 변화하였다. 그리고, pH 9을 갖는 완충용액 시료를 유체 주입구(131)에 주입하였을 경우, 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 메틸레드(methyl red), 브로모티몰 블루(bromothymol blue) 및 페놀레드(phenol red) 용액이 각각 함침된 제2검출수단, 제3검출수단, 제4검출수단 제5검출수단의 색상이 변화하였다(도 14(A), (B), (C) 참조).
< 비교예 1> 중공-종이 통로가 형성된 종이 pH 센서와 종이통로가 형성된 종이 pH 센서를 이용한 pH 측정
본 비교예에서는 중공-종이 통로(115)가 형성된 종이 pH 센서(100)와 종이통로가 형성된 종이 pH 센서(100)를 이용하여 pH 측정을 해보고 그 결과를 비교해 보았다.
여기서, 중공-종이 통로(115)가 형성된 종이 pH 센서(100)라 함은 실시예 1에서 제작한 종이 pH 센서(100)를 의미하고, 종이통로가 형성된 종이 pH 센서(100)라 함은 실시예 1에서 CO2 레이저 절단기를 이용하여, 중공-종이 통로(115)가 형성하기 이전의 형태를 의미한다. 즉, 유체통로(112)에 중공-종이 통로(115)가 형성되지 않은 pH 센서를 의미한다.
먼저, pH 9를 갖는 완충용액 시료를 두 개의 pH 센서의 유체 주입구(131)에 주입하였으며, 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 메틸레드(methyl red), 브로모티몰 블루(bromothymol blue), 페놀레드(phenol red) 및 페놀프탈레인(phenolphthalein)dl 함침되어 있는 제2 내지 6검출수단의 색상이 변하였다.
도 15와 도 16을 참조하면, 중공-종이 통로(115)가 형성된 종이 pH 센서(100)는 검출수단의 색이 균일하게 변했으나, 종이통로가 형성된 종이 pH 센서(100′)의 검출수단은 색이 균일하게 변하지 않았다.
또한, 중공-종이 통로(115)가 형성된 종이 pH 센서(100)는 시료를 주입하고 검출수단의 색이 변하는데 까지 1초 소요되었으나, 종이통로가 형성된 종이 pH 센서는 시료를 주입하고 검출수단의 색이 변하는데 까지 96초 소요되었다.
즉, 본 발명의 종이 pH 센서(100)는 중공-종이 통로(115)를 형성함으로써, 검출영역(121)의 색이 균일하게 변하므로 정확한 색상 분간으로 색상변화를 보다 용이하게 판단할 수 있었으며, 종이 통로를 형성한 pH 보다 유체의 흐름 속도가 빠르므로, 시료의 pH 를 빠르게 측정할 수 있었다.
<실험예 3> 종이 pH 센서를 이용한 pH 측정
본 실험예에서는 상기 실시예 2에서 제조한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정하였다
보다 구체적으로, pH 13을 갖는 완충용액 시료를 실시예 2에서 제조된 종이 pH 센서(100)의 유체 주입구(131)에 주입하고, 각각의 검출수단에서 일어나는 색상 변화의 차이를 관찰하였으며, 그 결과를 도 17에 나타내었다. 참고로, 상기 pH 13을 갖는 완충용액 시료는 실시예 1-1에서 표 2에 기재된 해당 pH 의 완충용액을 사용하였다. 즉, 본 발명의 실험예에서 사용한 완충용액은 pH 13 갖는 KCl + NaOH 의 완충용액을 사용하였다.
도 17을 참조하면, pH 지시약 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue), 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 클로로페놀 레드 (chlorophenol red), 브로모티몰 블루 (bromothymol blue), 페놀 레드 (phenol red), 페놀프탈레인 (phenolphthalein), 티몰프탈레인 (thymolphthalein), 페놀프탈레인(phenolphthalein)과 티탄 옐로 (titan yellow)의 혼합 용액, 트로페올린 O (tropaeolin O), 티탄 옐로 (titan yellow) 용액이 함침된 검출영역(121)의 색상이 변화하였다.
특히, 도 17의 pH 종이 센서는 검출영역(121)과 대응되도록 색상이 변화하지 않는 대조영역(124)이 있어, 색상의 변화 유무를 보다 용이하게 확인할 수 있었다.
<실험예 4> 종이 pH 센서를 이용한 pH 측정
본 실험예에서는 상기 실시예 3에서 제조한 종이 pH 센서(100)를 이용하여, 시료의 pH 를 측정하였다
보다 구체적으로, 각각 pH 13을 갖는 완충용액 시료를 실시예 3 에서 제조된 종이 pH 센서(100)의 유체 주입구(131)에 주입하고, 각각의 검출수단에서 일어나는 색상 변화의 차이를 관찰하였으며, 그 결과를 도 18에 나타내었다. 참고로, 상기 pH 13을 갖는 완충용액 시료는 실시예 1-1에서 표 2에 기재된 해당 pH 의 완충용액을 사용하였다. 즉, 본 발명의 실험예에서 사용한 완충용액은 pH 13 갖는 KCl + NaOH 의 완충용액을 사용하였다.
도 18을 참조하면, pH 지시약 크리스탈 바이올렛(crystal violet), 에틸 바이올렛(ethyl violet), 퀴날딘 레드 (quinaldine Red), 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue), 브로모크레졸 그린 (bromocresol green), 클로로페놀 레드 (Chlorophenol Red), 브로모티몰 블루 (bromothymol blue), 페놀 레드 (phenol red), 페놀프탈레인 (phenolphthalein), 티몰프탈레인 (thymolphthalein), 페놀프탈레인 (phenolphthalein)과 티탄 옐로 (titan yellow)의 혼합 용액, 트로페올린 O (tropaeolin O), 티탄 옐로 (titan yellow) 이 함침된 검출영역(121)의 색상이 변화하였다.
특히, 도 18의 pH 종이 센서는 검출영역(121)과 인접한 부분에 눈금과 검출영역(121)에 함침된 지시약의 pH 를 표시해 두어서, 주입되는 시료의 pH 를 보다 용이하게 확인할 수 있었다.
<실험예 5> 종이 pH 센서를 이용한 pH 측정
본 실험예에서는 상기 실시예 4에서 제조한 종이 pH 센서(100)를 이용하여, 시료의 pH 를 측정하였다
보다 구체적으로, 각각 pH 13을 갖는 완충용액 시료를 실시예 3 에서 제조된 종이 pH 센서(100)의 유체 주입구(131)에 주입하고, 각각의 검출수단에서 일어나는 색상 변화의 차이를 관찰하였으며, 그 결과를 도 19에 나타내었다. 참고로, 상기 pH 13을 갖는 완충용액 시료는 실시예 1-1에서 표 2에 기재된 해당 pH 의 완충용액을 사용하였다. 즉, 본 발명의 실험예에서 사용한 완충용액은 pH 13 갖는 KCl + NaOH 의 완충용액을 사용하였다.
도 19를 참조하면, pH 지시약 크리스탈 바이올렛(crystal violet), 에틸 바이올렛(ethyl violet), 퀴날딘 레드 (quinaldine Red), 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue), 브로모크레졸 그린 (bromocresol green), 클로로페놀 레드 (Chlorophenol Red), 브로모티몰 블루 (bromothymol blue), 페놀 레드 (phenol red), 페놀프탈레인 (phenolphthalein), 티몰프탈레인 (Thymolphthalein), 페놀프탈레인 (Phenolphthalein)과 티탄 옐로 (Titan yellow)의 혼합 용액, 트로페올린 O (tropaeolin O), 티탄 옐로 (Titan yellow) 이 함침된 검출영역(121)의 색상이 변화하였다.
특히, 도 19의 pH 종이 센서는 검출영역(121)과 인접한 부분에 눈금과 검출영역(121)에 함침된 지시약의 pH 를 표시해 두어서, 주입되는 시료의 pH 를 보다 용이하게 확인할 수 있었다.
<실험예 6> 종이 pH 센서를 이용한 pH 측정
본 실험예에서는 상기 실시예 5에서 제조한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정하였다
보다 구체적으로, 각각 pH 13을 갖는 완충용액 시료를 실시예 5 에서 제조된 종이 pH 센서의 유체 주입구에 주입하고, 각각의 검출수단에서 일어나는 색상 변화의 차이를 관찰하였으며, 그 결과를 도 20에 나타내었다. 참고로, 상기 pH 13을 갖는 완충용액 시료는 실시예 1-1에서 표 2에 기재된 해당 pH 의 완충용액을 사용하였다. 즉, 본 발명의 실험예에서 사용한 완충용액은 pH 13 갖는 KCl + NaOH 의 완충용액을 사용하였다.
도 20를 참조하면, 크리스탈 바이올렛(crystal violet, TCI), 에틸 바이올렛(ethyl violet, TCI), 퀴날딘 레드 (quinaldine Red, TCI), 테트라브로모페놀 블루 (tetrabromophenol blue, Sigma Aldrich), 브로모크레졸 그린 (bromocresol green, 대정화금), 브로모크레졸 퍼플(bromocresol purple, Sigma Aldrich)과 세틸트리암모늄 브로마이드(cethyltriammonium bromide, Sigma Aldrich), 브로모티몰 블루(bromothymol blue, 삼전순약공업)와 세틸트리암모늄 브로마이드 혼합용액, 티몰 블루(thymol blue, 대정화금)와 세틸트리암모늄 브로마이드의 혼합용액, 티몰 블루, 티몰프탈레인 (thymolphthalein, Sigma Aldrich), 티몰 블루와 티탄 옐로 (titan yellow, TCI) 의 혼합 용액, 트로페올린 O (tropaeolin O, TCI), 티탄 옐로 (Titan yellow, TCI) pH 지시약이 함침된 검출영역의 색상이 변화하였다.
특히, 도 20의 pH 종이 센서는 검출영역과 인접한 부분에 눈금과 검출영역에 함침된 지시약의 pH 를 표시해 두어서, 주입되는 시료의 pH 를 보다 용이하게 확인할 수 있었다.
<실험예 7>
실험예 7-1. 종이 pH 센서를 이용한 pH 측정
한편, 양이온성 물질, 비이온 계면활성제를 상기 pH 센서에 쓰이는 pH 지시시약 용액에 더하여 HIn -> H+ + In- 의 pH 검출 반응의 평형을 이동시킬 수 있다.
양이온성 물질을 pH 지시시약 용액에 더할 경우 상기 pH 검출 반응의 평형이 우측으로 이동하여 결과적으로 양이온 계면활성제를 더하기 이전의 pH 지시시약이 pH 센서에서 색변화를 나타내는 pH 값보다 낮은 pH에서 색변화가 일어난다.
반면, 비이온 계면활성제를 pH 지시시약 용액에 더하면 상기 pH 검출 반응의 평형이 좌측으로 이동하여 결과적으로 기존 pH 지시시약이 pH 센서에서 색변화를 나타내는 pH 값보다 높은 pH에서 색변화가 일어난다.
본 실험예에서는 종이 pH 센서에 사용된 pH 지시시약 중 하나인 브로모티몰 블루(bromothymol blue) 용액을 사용하였다.
한편, 상기 브로모티몰 블루는 산염기 지시약으로 변색역은 pH 6.0 ~ 7.6. 산성색은 황색, 염기성색은 청색, 알칼리성 용액은 광 2색성을 나타낸다.
도 21은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 비색법을 이용한 종이 pH 센서를 이용하여, 시료의 pH 를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 21은 상기 브로모티몰 블루(bromothymol blue) 용액의 pH 변화에 따른 색변화를 indicator 용액이 도포된 종이 표면의 pH 값에 따른 색변화와 상기 색변화시 바뀌는 색상의 RGB 값 변화 그래프를 통해 보여준다.
실험예 7-2. 종이 pH 센서를 이용한 pH 측정
상기 브로모티몰 블루(bromothymol blue) 용액에 양이온성 물질인 세틸트리암모늄 브로마이드을 더하였을 때 기존 브로모티몰 블루 용액이 색변화를 일으키는 pH보다 낮은 pH 값에서 색변화가 일어나는 것을 indicator 용액이 도포된 종이 표면의 pH 값에 따른 색변화와 상기 색변화시 바뀌는 색상의 RGB 값 변화 그래프를 통해 보여준다.
실험예 7-3. 종이 pH 센서를 이용한 pH 측정
상기 브로모티몰 블루(bromothymol blue) 용액에 비이온 계면활성제인 TritonX-100을 더했을 때 기존 브로모티몰 블루 용액이 색변화를 일으키는 pH보다 높은 pH 값에서 색변화가 일어나는 것을 indicator 용액이 도포된 종이 표면의 pH 값에 따른 색변화와 상기 색변화시 바뀌는 색상의 RGB 값 변화 그래프를 통해 보여준다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 분이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
<부호의 설명>
100: 종이 pH 센서
110: 종이층
111: 소수성 부재 112: 유체통로
113: 다공성 부재 114: 중공
115: 중공-종이 통로
120: 검출부
121: 검출영역
1211: 제1검출영역 1212: 제2검출영역
1213: 제3검출영역 1214: 제4검출영역
1215: 제5검출영역 1216: 제6검출영역
122: 표식수단 123: 연결부
124: 대조영역
130: 상부친수성 필름
131: 주입구 132: 배출구
140: 하부친수성 필름
150: 접착층
160: 중간 접착층 161: 공간
170: 하부 접착층
180: 상부 접착층 190: 중간층

Claims (23)

  1. 중공-종이 통로로 이루어진 유체통로를 포함하며, 복수개의 검출영역이 상기 유체통로의 길이방향에 따라 배치되는 검출부가 형성된 종이층;
    상기 종이층의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및/또는 배출구가 형성된 상부친수성 필름; 및
    상기 종이층의 하면에 배치되는 하부친수성 필름; 을 포함하며,
    상기 종이층은 유체통로의 내측면과 검출부를 제외하고 소수성 부재로 이루어지며, 상기 복수개의 검출영역은 pH 0 내지 pH 14에서 색변화를 유도하는 각각의 시약이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부친수성 필름 및/또는 하부친수성 필름은
    접착층에 의해서, 상기 종이층의 상면 및/또는 하면에 부착되는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부친수성 필름은 중간 접착층에 의해서 서로 밀착되며,
    상기 중간 접착층은 상기 종이층과 하부친수성 필름을 수용할 수 있도록 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하부친수성 필름은 하면에 하부 접착층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상부친수성 필름 및/또는 하부친수성 필름은 투명기재인 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부친수성 필름 또는 종이층은
    상기 검출영역과 대응되는 영역에 표식수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  7. 중공-종이 통로로 이루어진 유체통로를 포함하며, 복수개의 검출영역이 상기 유체통로의 길이방향을 따라 배치되는 검출부가 형성된 종이층;
    상기 종이층의 상면에 배치되며, 유체 주입구 및/또는 배출구가 형성된 상부 접착층;
    상기 종이층 하면에 배치되는 하부친수성 필름; 및
    상기 하부친수성 필름의 하면에 배치되는 하부 접착층; 을 포함하며,
    상기 종이층은 유체통로의 내측면과 검출부를 제외하고 소수성 부재로 이루어지며, 상기 복수개의 검출영역은 pH 0 내지 pH 14에서 색변화를 유도하는 각각의 시약이 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 종이층과 하부친수성 필름은 상기 상부 접착층과 하부 접착층에 의해서 서로 밀착되며,
    상기 상부 접착층과 하부 접착층의 사이에 상기 종이층과 하부친수성 필름을 수용할 수 있도록 내부에 공간이 형성된 중간층을 포함하여, 상기 종이층과 상부 접착층 및 상기 하부친수성 필름과 하부 접착층을 균일하게 부착시키는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 상부 접착층 및 하부 접착층은
    일면에 접착물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 종이층 또는 상부 접착층은
    상기 검출영역과 대응되는 영역에 표식수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  11. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 시약은 pH 지시약으로 이루어지며,
    상기 pH 지시약은 말라카이트(malachite), 브릴리언트 그린(brilliant green), 메틸 그린(methyl green), 메틸 바이올렛(methyl violet), 크리스탈 바이올렛(crystal violet), 에오신 B(eosin bluish), 에틸 바이올렛(ethyl violet), m-크레졸 퍼플(m-cresol purple), 티몰 블루(thymol blue), p-크실레놀 블루(p-xylenol blue), 2,2′,2˝,4,4′-펜타메톡시트리페닐카비놀(2,2′,2˝,4,4′-pentamethoxy-triphenylcarbinol), 퀴날딘 레드(quinaldine red), 2,4-디니트로페놀(2,4-dinitrophenol), 메틸 옐로(methyl yellow), 브로모클로로페놀(bromochlorophenol), 브로모페놀 블루(bromophenol blue), 테트라브로모페놀 블루(tetrabromophenol blue), 콩고레드(congo red), 메틸 오렌지(methyl orange), 브로모크레졸 그린(bromocresol green), 2,5-디니트로페놀(2,5-dinitrophenol), 메틸 레드(methyl red), 클로로페놀 레드(chlorophenol red), 브로모크레졸 퍼플(bromocresol purple), 브로모페놀 레드(bromophenol red), 니트라진 옐로(nitrazine yellow), 브로모크실레놀 블루(bromoxylenol blue), BTB(bromothymol blue), 뉴트럴 레드(neutral red), 페놀 레드(phenol red), 3-니트로페놀(3-nitrophenol), 1-나프톨프탈레인(1-naphtholphthalein), 페놀프탈레인(phenolphthalein), 티몰프탈레인(thymolphthalein), 알리자린 옐로 GG(alizarin yellow GG), 트리페올린 O(tropaeolin O), 인디고 카르민(indigo carmine), 엡실론 블루(epsilon blue), 알칼리 블루(alkali blue) 및 티탄 예로(titan yellow) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 인 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 시약은
    적어도 하나의 상기 pH 지시약; 및
    상기 pH 지시약과 상호작용이 큰 보조화합물;을 포함하는 지시약 수용액으로 이루어지며,
    상기 지시약 수용액은 상기 pH 지시약의 산해리 상수(pKa)를 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보조화합물은 pH 지시약과 이온-이온 또는 이온-쌍극자 상호작용을 일으키는 유기화합물로 이루어지며,
    상기 보조화합물은 세틸트리메틸 암모늄 설페이트(cetyltrimetyl ammonium sulfate), 도데실 피리디늄 브로마이드(dodecyl pyridinium bromide), 소듐 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), 소듐 도데실 설포네이트(sodium dodecyl sulfonate), 소듐 헥사데카노에이트(sodium hexadecanoate), 4-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페닐 - 폴리에틸렌 글리콜(4 - (1,1,3,3 - Tetramethylbutyl) phenyl- polyethylene glycol, 도데실 펜타(에틸렌 옥사이드)((dodecyl penta(ethylene oxide)), 트리헥실-(테트라데실) 포스포늄 클로라이드(trihexyl-(tetradecyl) phosphonium chloride), 트리메틸피라졸륨 메틸설페이트(trimethylpyrazolium methylsulfate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 하이드로겐 설페이트(1-butyl-3- methylimidazolium hydrogen sulfate) 및 1-에틸-3-메킬이미다졸리움 클로라이드(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서.
  14. (a) 중공-종이 통로를 포함하는 종이층을 제조하는 단계;
    (b) 상부친수성 필름 및 하부친수성 필름을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 종이층의 상하면에 상기 상부친수성필름 및 하부친수성 필름을 배치하고, 부착 또는 밀착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계; 를 포함하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법.
  15. (a) 중공-종이 통로를 포함하는 종이층을 제조하는 단계;
    (b) 상부 접착층 및 하부 접착층을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 종이층의 상하면에 상기 상부 접착층 및 하부 접착층을 배치하고, 부착의 압착공정을 이용하여 고정화하는 단계;를 포함하며,
    상기 (c) 단계는 내부에 공간이 형성된 중간층 내에 종이층과 하부친수성 필름을 삽입하는 단계 및 상기 하부친수성 필름 하부에 상기 하부 접착층을 압착공정을 이용하여 밀착 고정시키는 단계; 를 포함하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법.
  16. 제14 또는 제15항에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    종이층 내에 유체통로 및 검출영역의 외벽을 소수성으로 형성시키는 단계;
    상기 유체통로의 내측으로 상기 외벽과 소정간격으로 이격된 부분에 CO2 절단기를 이용하여 중공-종이 통로를 형성하는 단계; 및
    상기 검출영역에 시약을 함침시키는 단계; 를 포함하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 종이층 내에 유체통로 및 검출영역의 외벽을 소수성으로 형성시키는 단계는
    광리소그래피(photolithography), 잉크젯(ink-jet), 왁스인쇄법(wax printing), 침투-경화법(impregnation & hardening), 인장법(imprinting) 및 스크린 프린팅(screen printing)의 군에서 선택되는 적어도 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상부친수성 필름에 절단 가공하여 유체 주입구 및 검출영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상부 접착층에 절단 가공하여 유체 주입구 및 배출구을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 pH 센서의 제조방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    접착층을 이용하여, 상기 종이층을 상부친수성 필름과 하부친수성 필름 사이에 부착하는 단계; 및
    상기 접착층에 의해서 부착된 상기 상부친수성 필름, 하부친수성 필름 및 종이층을 압착하는 단계; 를 포함하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 상부친수성 필름, 하부친수성 필름 및 종이층을 압착하는 단계는
    45 내지 95℃의 온도에서 열압착하는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    내부에 공간이 형성된 중간 접착층 내에 종이층과 하부친수성 필름을 삽입하는 단계; 및
    상기 하부친수성 필름 하부에 하부 접착층을 밀착 고정시키는 단계; 를 포함하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 상부 접착층 및 하부 접착층은
    라미네이션(Lamination) 필름으로 이루어지며,
    70 내지 130℃ 조건에서 열압착하는 것을 특징으로 하는 비색법을 이용한 종이 pH 센서의 제조방법.
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