KR101105287B1 - 수질 모니터링 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수질 모니터링 센서에 관한 것이다. 상기 수질 모니터링 센서는 반도체 물질로 이루어지는 제1 기판; 상기 제1 기판위에 형성되는 투명성의 절연 물질로 이루어지는 제2 기판; 상기 제1 기판에 형성되는 하나 또는 둘 이상의 센서;를 구비한다. 각 센서는, 상기 제2 기판에 형성되며 시료 투입구와 연결되는 시료용 유체 채널; 상기 제2 기판에 형성되며, 지시약 투입구와 연결되는 지시약용 유체 채널; 상기 제2 기판에 형성되며, 상기 시료용 유체 채널 및 상기 지시약용 유체 채널과 연결되는 혼합 유체 채널; 사전에 설정된 파장 대역의 광을 제공하는 광원; 상기 제1 기판에 형성되며, 상기 혼합 유체 채널을 투과한 광의 투과 스펙트럼 또는 투과도를 검출하는 광 감지부; 를 구비한다. 각 센서는 광 감지부에 의해 검출된 지시약과 혼합된 시료에 대한 투과 스펙트럼 또는 투과도에 따라 해당 검사 항목의 농도를 검출한다.

상기 수질 모니터링 센서는 지시약과 혼합된 시료의 광 투과도 또는 투과 스펙트럼을 검출함으로써, 염소 농도, pH, 탁도 등과 같은 다수개의 특성들을 동시에 또는 순차적으로 측정할 수 있게 된다.

수질, MEMS, 모니터링

Description

수질 모니터링 센서{Water monitoring sensor}

본 발명은 수질 모니터링 센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 MEMS 기술을 이용하여 반도체 기판상에 유체 채널을 형성하고 유체채널을 투과한 광의 스펙트럼 변화 또는 투과도를 검출하는 광감지부를 상기 반도체 기판 상에 형성하여, 시료에 대한 탁도, 염소 농도, pH값 등과 같은 다수 개의 항목을 실시간으로 측정할 수 있는 수질 모니터링 센서에 관한 것이다.

최근, 여러 가지 형태의 수질 분석 시스템이 개발되고 있다. 이러한 수질 분석 시스템은 식수원 수질기준, 수질오염물질 배출사업장들의 폐수 배출허용기준, 방류수 수질기준 등을 효과적으로 관리하기 위한 것으로서, 여러 종류의 계측기기와 센서들을 구비하게 된다. 이와 같이 수질을 분석하기 위하여 사용되는 센서들로는 전기분해식 센서, 광학식 센서 등이 있다. 기존의 전기 분해식 센서나 광학식 센서들은 주로 시료를 채취한 후, 채취된 시료들만을 분석하여야 되므로, 실시간 측정이 어렵다.

한편, 전기 분해식 센서는 측정 전극을 구비하여야 되는데, 장시간 사용함에 따라 측정 전극이 부식되므로, 측정 전극을 교체하여야 되는 번거러움이 있을 뿐만 아니라 비용도 증가되는 문제점이 있다. 또한, 전기 분해식 센서는 전력소모가 크고 부피가 큰 단점이 있다. 또한, 종래의 광학식 센서는 측정을 위한 시약의 소모가 많기 때문에 유지 비용이 증가하게 되며, 부피가 크고 고가인 단점이 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 MEMS 기술을 이용하여 제조 공정이 간단하면서도 실시간으로 수질을 모니터링할 수 있는 수질 모니터링 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 지시약을 혼합한 시료의 광 투과도 또는 투과 스펙트럼을 측정하여 검사 항목의 농도를 계산할 수 있는 수질 모니터링 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 시료에 대한 다수 개의 검사 항목을 순차적으로 또는 동시적으로 측정할 수 있는 수질 모니터링 센서를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1특징에 따른 수질 모니터링 센서는, 시료에 포함된 검사 항목의 농도를 측정하는 것으로서, 시료가 지시약과 혼합되면 농도에 따라 특정 파장 대역에서 투과도가 변화되는 특성을 갖는 검사 항목에 대한 농도를 측정하는 수질 모니터링 센서에 관한 것으로서,

제1 기판; 상기 제1 기판위에 형성되는 제2 기판; 상기 제2 기판에 형성되 며, 시료 투입구와 연결되는 시료용 유체 채널; 상기 제2 기판에 형성되며, 지시약 투입구와 연결되는 지시약용 유체 채널; 상기 제2 기판에 형성되며, 상기 시료용 유체 채널 및 상기 지시약용 유체 채널과 연결되는 혼합 유체 채널; 사전에 설정된 파장 대역의 광을 제공하는 광원; 상기 제1 기판에 형성되며, 상기 혼합 유체 채널에서의 상기 특정 파장 대역에 대한 상기 광원의 투과도를 검출하여 출력하는 광 감지부;를 구비하고, 상기 혼합 유체 채널로 지시약이 혼합된 시료를 통과시키고, 상기 광 감지부가 상기 혼합 유체 채널을 통과하는 상기 시료의 상기 특정 파장 대역의 투과도를 검출하고, 검출된 상기 투과도에 따라 상기 검사 항목의 농도를 계산한다.

전술한 제1 특징에 따른 수질 모니터링 센서에 있어서, 제1 기판은 반도체 기판으로 이루어지며, 제2 기판은 투명성의 절연 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 수질 모니터링 센서에 있어서, 상기 광 감지부는, 상기 혼합 유체 채널을 투과하는 광의 세기(intensity)를 측정하는 포토 디텍터; 및 상기 특정 파장 대역의 광만을 투과시키고, 상기 포토 디텍터와 상기 광원의 사이에 배치되는 필터; 로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 특징에 따른 수질 모니터링 센서는, 시료에 포함된 검사 항목의 농도를 측정하는 것으로서, 시료가 지시약과 혼합되면 농도에 따라 투과 스펙트럼이 변화되는 특성을 갖는 검사 항목에 대한 농도를 측정하는 수질 모니터링 센서에 관한 것으로서,

제1 기판; 상기 제1 기판위에 형성되는 제2 기판; 상기 제2 기판에 형성되며, 시료 투입구와 연결되는 시료용 유체 채널; 상기 제2 기판에 형성되며, 지시약 투입구와 연결되는 지시약용 유체 채널; 상기 제2 기판에 형성되며, 상기 시료용 유체 채널 및 상기 지시약용 유체 채널과 연결되는 혼합 유체 채널; 사전에 설정된 파장 대역의 광을 제공하는 광원; 상기 제1 기판에 형성되며, 상기 혼합 유체 채널을 투과한 상기 광원의 투과 스펙트럼을 검출하고, 검출된 투과 스펙트럼을 출력하는 광 감지부;를 구비하고, 상기 광 감지부에 의해 검출된 상기 지시약과 혼합된 시료에 대한 투과 스펙트럼에 따라 검사 항목의 농도를 검출한다.

전술한 제2 특징에 따른 수질 모니터링 센서에 있어서, 제1 기판은 반도체 기판으로 이루어지며, 제2 기판은 투명성의 절연 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

전술한 제2 특징에 따른 수질 모니터링 센서에 있어서, 상기 광 감지부는, 상기 혼합 유체 채널을 투과하는 광의 세기(intensity)를 측정하는 포토 디텍터; 및 통과 파장 대역을 조정할 수 있으며, 상기 포토 디텍터와 상기 광원의 사이에 배치되는 튜너블 필터;를 구비하고, 상기 튜너블 필터의 통과 파장 대역을 순차적으로 변경시키면서 상기 포토 디텍터를 통해 광의 세기를 측정하고, 각 통과 파장 대역에서 측정된 광의 세기를 이용하여 해당 검사 항목의 투과 스펙트럼을 검출하는 것이 바람직하다.

전술한 제2 특징에 따른 수질 모니터링 센서에 있어서, 상기 광 감지부는, 서로 다른 통과 파장 대역을 갖는 필터들을 가로 및 세로로 다수개의 배열 형태로 배치한 필터 어레이; 및 상기 혼합 유체 채널을 투과하는 광의 세기(intensity)를 측정하는 다수 개의 포토 디텍터들; 을 구비하고, 상기 포토 디텍터들은 각각 필터 어레이의 각 필터들과 대응되도록 배치되며, 각 포토 디텍터를 통해 각 통과 파장 대역의 투과된 광의 세기를 측정하고, 각 통과 파장 대역에서 측정된 광의 세기를 이용하여 해당 검사 항목의 투과 스펙트럼을 검출하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3 특징에 따른 수질 모니터링 센서는, 반도체 물질로 이루어지는 제1 기판; 상기 제1 기판위에 형성되는 투명성의 절연 물질로 이루어지는 제2 기판; 상기 제1 기판에 형성되는 다수 개의 센서;를 구비하고,

상기 센서는, 상기 제2 기판에 형성되며, 시료 투입구와 연결되는 시료용 유체 채널; 상기 제2 기판에 형성되며, 지시약 투입구와 연결되는 지시약용 유체 채널; 상기 제2 기판에 형성되며, 상기 시료용 유체 채널 및 상기 지시약용 유체 채널과 연결되는 혼합 유체 채널; 사전에 설정된 파장 대역의 광을 제공하는 광원; 상기 제1 기판에 형성되며, 상기 혼합 유체 채널을 투과한 상기 광원의 투과 스펙트럼 또는 투과도를 검출하는 광 감지부; 를 구비하고,

상기 센서의 광 감지부는, 상기 혼합 유체 채널을 통과하는 광의 세기를 검출하는 포토 디텍터; 및 상기 포토 디텍터와 상기 광원의 사이에 배치되는 필터;를 구비하여,

각 센서는 각 광 감지부에 의해 검출된 상기 지시약과 혼합된 시료에 대한 투과 스펙트럼 또는 투과도에 따라 해당 검사 항목의 농도를 검출한다.

전술한 특징들에 따른 수질 모니터링 센서는 제2 기판의 표면에 형성된 온도 센서를 더 구비하고, 상기 온도 센서는 특정 온도 구간에서 전기적 저항값이 선형적으로 변화되는 특성을 갖는 금속으로 이루어진다.

본 발명에 따른 수질 모니터링 센서는 반도체 기판에 MEMS 기술을 이용하여 제작함으로써, 그 구조가 간단하여 소형화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라 휴대용으로 제작가능하다. 또한, 제작 공정이 용이하여 저가의 비용으로 대량 생산이 용이하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 수질 모니터링 센서는 신호처리회로 및 통신시스템을 반도체 기판으로 이루어진 상기 제1 기판 상에 집적하거나 또는 외부에서 부가적으로 결합함으로써, 수질의 특성들을 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 무선 통신 모듈을 구비함으로써, 원격 실시간 측정도 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 수질 모니터링 센서는 단일칩 상에서 온도, 탁도, 염소농도, pH값 등을 동시에 또는 순차적으로 측정할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들에 따른 수질 모니터링 센서의 구조 및 동작에 대하여 설명한다.

제1 실시예

이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수질 모니터링 센서의 구조 및 동작에 대하여 설명한다. 본 실시 예에 따른 수질 모니터링 센서는 유체 채널을 이용하여 시료의 특성을 측정하는 것으로서, 지시약과 혼합된 시료가 검사 항목의 농도에 따라 특정 파장 대역에서의 광 투과도가 변화되는 것을 감지하여 검사 항목의 농도를 측정하는 것을 특징으로 한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수질 모니터링 센서의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 2의 (a) 및 (b)는 도 1의 A-A' 방향 및 B-B' 방향을 따라 절개하여 도시한 단면도들이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 수질 모니터링 센서(10)는 외부로부터 투입되는 시료의 특성을 측정하기 위하여, 제1 기판(100), 상기 제1 기판위에 형성된 제2 기판(101), 시료 투입구(102), 지시약 투입구(110), 지시약 저장조(112), 시료용 유체 채널(120), 지시약용 유체 채널(130), 혼합 유체 채널(140), 광원(150), 광 감지부(160)를 구비한다. 상기 시료용 유체 채널, 지시약용 유체 채널, 혼합 유체 채널은 상기 제2 기판의 내부에 형성된다. 전술한 구성을 갖는 수질 모니터링 센서(10)는 검사 항목에 대한 지시약을 상기 지시약 저장조(112)에 공급하고, 상기 광 감지부(160)로부터 출력되는 전기적 신호를 이용하여 시료의 검사 항목의 농도를 측정하게 된다. 이하, 전술한 구성 요소들의 구조에 대하여 구체적으로 설명한다. 제1 실시예는 설명의 편의상 염소 농도를 측정하는 수질 모니터링 센서를 예시적으로 설명하나, 본 발명에 따른 수질 모니터링 센서의 검사 항목을 염소에 한정하는 것은 아니며, 지시약과 필터의 통과 파장 대역을 조정함으로써 다른 검사 항목도 측정할 수 있을 것이다.

상기 제1 기판(100)은 필요에 따라 추후 신호처리회로 또는 신호증폭회로 등 의 집적을 필요로 할 수도 있으므로 실리콘과 같은 반도체 기판으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 제2 기판(101)은 시료용 유체 채널, 지시약 유체 채널, 혼합 유체 채널이 형성되는 기판으로서, 사용하고자 하는 광원의 파장대역에 대해 투명성을 갖는 절연 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 시료용 유체 채널, 지시약 유체 채널, 혼합 유체 채널이 형성되는 제2 기판은 PDMS와 같은 투명 고분자 물질을 사용하여 채널을 형성하는 것이 바람직하여, 유리 및 아크릴과 같은 투명한 물질들을 가공하여 상기 제1 기판(100)과 결합하여 채널을 형성할 수도 있다.

시료 투입구(102)는 측정하고자 하는 시료가 외부로부터 유입되는 입구로서, 시료용 유체 채널(120)과 연결되어 시료 투입구로 유입된 시료는 시료용 유체 채널(120)로 제공된다.

지시약 저장조(112)는 시료의 측정하고자 하는 특성에 반응하는 지시약을 저장하며, 상기 지시약 저장조(112)의 출구는 상기 지시약 투입구(110)와 연결된다. 특히, 시료인 물의 염소 농도를 측정하고자 하는 경우, 시료내의 염소 농도에 따라 분홍색으로 변화되는 정도가 달라지는 특성을 갖는 DPD(다이에틸-p-페닐렌다이아민)를 지시약으로 이용할 수 있다. 전술한 지시약과 물을 혼합하면, 시료인 물 속에 포함된 염소의 농도에 따라 분홍색의 농도가 달라지고, 이에 따라 빛 투과도가 달라지게 된다.

상기 지시약 저장조는 수질 모니터링 센서와 일체형으로 제작되거나 수질 모니터링 센서와는 별도로 제작되어 상기 지시약 투입구에 연결시킬 수도 있다. 상기 지시약 저장조의 출구에 밸브를 더 구비하여 지시약의 유출량 및 유출 시간을 수질 모니터링 센서와 연결되는 외부의 수질 측정 시스템에서 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 지시약 투입구(110)는 상기 지시약 저장조(112)의 출구와 연결되어 상기 지시약이 제공받는 입구로서, 지시약 유체 채널과 연결되어 상기 지시약 저장조로부터 제공된 지시약을 상기 지시약 유체 채널로 제공한다.

상기 시료용 유체 채널(120)은 상기 시료 투입구(112)와 상기 혼합 유체 채널(140)의 사이에 형성되는 마이크로 채널로서, 상기 시료 투입구로부터 유입되는 시료를 혼합 유체 채널로 제공한다.

상기 지시약용 유체 채널(130)은 상기 지시약 투입구(110)와 상기 혼합 유체 채널(140)의 사이에 형성되는 마이크로 채널로서, 상기 지시약 투입구로부터 유입되는 지시약을 혼합 유체 채널로 제공한다.

상기 혼합 유체 채널(140)은 상기 시료용 유체 채널(120) 및 상기 지시약용 유체 채널(130)과 연결되어, 시료용 유체 채널의 시료와 지시약용 유체 채널의 지시약이 내부로 함께 유입되어 혼합된 후 서로 반응하게 된다. 상기 혼합 유체 채널(140)의 출구는 시료 혼합액을 수질 모니터링 센서의 외부로 배출하는 배출구 기능을 한다.

상기 광원(150)은 가시광과 같이 사전에 설정된 특정 파장대의 빛을 제공하는 것으로서, 상기 광원은 상기 혼합 유체 채널로 빛을 제공할 수 있는 위치임과 동시에 상기 광 감지부와 서로 마주보는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 광 감지부(160)는 포토 디텍터와 필터로 이루어져, 혼합 유체 채널을 통과하는 상기 시료의 특정 파장 대역에 대한 투과도를 검출하고, 검출된 상기 투과도에 따라 상기 검사 항목의 농도를 계산하게 된다. 이때, 상기 혼합 유체 채널을 통과하는 시료는 지시약과 혼합된 시료로서, 검사 항목의 농도에 따라 시료의 투과도가 변화하게 된다.

상기 필터는 특정 파장 대역의 광만을 투과하는 필터로서, 상기 필터가 투과시키는 파장 대역은 검사 항목의 농도를 측정하기 위하여 투입된 지시약과 혼합된 시료의 투과 파장 대역에 따라 결정된다. 상기 필터는 광원의 전면에 배치되거나 광 감지부의 포토 디텍터의 전면에 배치되어, 특정 파장 대역의 광만을 투과하여 포토 디텍터로 제공하게 된다.

상기 포토 디텍터(Photo detector)는 상기 광원과 대향되는 위치의 제1 기판에 형성되고, 상기 혼합 유체 채널을 통과한 상기 광원의 광을 수신할 수 있는 위치에 배치된다. 상기 포토 디텍터는 상기 혼합 유체 채널을 통과한 특정 파장 대역의 광을 수신하고, 수신된 광의 세기(intensity)를 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 본 발명에 따른 포토 디텍터는 반도체 제조 공정을 이용하여 제1 기판상에 제작되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는 기판상에 온도 센서를 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 수질 모니터링 센서는 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도를 이용하여 다른 검사 항목의 측정 데이터를 교정(calibration)하여 보다 정확한 측정 데이터를 얻을 수 있도록 한다. 상기 온도 센서는 금속을 상기 수질 모니터링 센서의 표면에 박막형태로 증착한 후 패터닝하 여 형성할 수 있다. 상기 온도 센서로 사용되는 금속은 온도 대 저항 특성이 선형적으로 비례하며 감도가 우수한 측온저항체(Resistance Thermometer Device), Ni, Pt 등이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 수질 모니터링 센서는 제어부 ,데이터저장부 및 통신 인터페이스부를 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제어부는 상기 광 감지부의 출력 단자와 전기적 연결되어 상기 광 감지부로부터 출력되는 전기적 신호를 제공받으며, 상기 신호를 처리하여 상기 통신 인터페이스부를 통해 외부의 수질 측정 시스템으로 전송하거나, 상기 데이터저장부에 저장한 후 외부의 수질 측정 시스템으로 요청에 따라 전송할 수 있다. 상기 통신 인터페이스부는 유선 통신 모듈 및 무선 통신 모듈을 모두 구비하거나 이들 중 하나를 선택적으로 구비할 수 있다.

이하, 전술한 구성을 갖는 수질 모니터링 센서의 동작 및 구동 원리를 설명한다. 시료가 물인 경우, 순수한 물이 빛을 통과시키는 정도와 순수하지 않은 물이 빛을 통과시키는 정도는 서로 다르다. 빛의 투과도(I)는 수학식 1과 같이 특정 흡수계수를 가지는 매체의 성질 및 빛이 통과하는 매체의 두께에 따라 지수함수적으로 감소하게 된다.

도 3은 광 투과도를 설명하기 위하여 예시적으로 도시한 개념도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, (a)와 같이 순수한 물에 대한 광 투과도(I)는 적게 감소하게 되 나, (b)와 같이 순수하지 않은 물에 대한 투과도(I)는 상당히 감소하게 된다. 이러한 성질을 이용하여 광 감지부가 광 투과도를 측정하여 물에 대한 상태 변화의 정도를 측정하게 된다. 이와 같이, 시료인 물의 탁도를 측정하고자 하는 경우, 물의 탁도에 따라 빛의 투과도가 달라지는 성질을 이용하여 물의 탁도를 측정하게 된다.

한편, 시료인 물의 염소 농도를 측정하고자 하는 경우, 시료내의 염소 농도에 따라 분홍색으로 변화되는 정도가 달라지는 특성을 갖는 DPD(다이에틸-p-페닐렌다이아민)를 지시약으로 이용할 수 있다. 지시약과 물을 혼합하면, 시료인 물 속에 포함된 염소의 농도에 따라 분홍색의 농도가 달라지고, 이에 따라 빛 투과도가 달라지게 된다. 수질 모니터링 센서의 광 감지부는 시료를 투과한 광의 세기를 측정하고, 이를 이용하여 시료에 대한 빛 투과도를 검출하고, 검출된 빛 투과도를 이용하여 시료내에 포함된 염소 농도를 계산한다.

그 외에도 지시약의 종류를 변화시킴에 따라 시료의 다양한 특성을 측정할 수 있다. 예컨대, 색도, 유기물, 암모니아, 아질산, 철, 칼슘, 탄산염, 질산염, 황산염, 황화수소, 암모니아성 질소 등과 같은 수질 검사 항목들도 해당 항목을 검사할 수 있는 지시약을 사용하여 측정할 수 있게 된다.

제2 실시예

이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수질 모니터링 센서의 구조 및 동작에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는 지시약과 혼합된 시료가 검사 항목의 농도에 따라 변색되어 투과 스펙트럼이 달라지는 성질을 이용하여 농도를 측정하는 것으로서, 지시약과 혼합된 시료에 대한 투과 스펙트럼에서 빛을 투과하는 파장 대역을 감지하고, 감지된 파장 대역에 따라 검사 항목의 농도를 측정하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는 제1 기판, 제2 기판, 시료 투입구, 지시약 투입구, 지시약 저장조, 시료용 유체 채널, 지시약용 유체 채널, 혼합 유체 채널, 광원, 광 감지부를 구비한다. 제2 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는 광 감지부 및 필터를 제외한 다른 구성 요소들은 전술한 제1 실시예에 따른 수질 모니터링 센서의 그것들과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하고 차이점만을 설명한다.

상기 광 감지부는 필터와 포토 디텍터로 이루어져, 혼합 유체 채널을 통과하는 상기 시료의 투과 스펙트럼을 검출하고, 검출된 투과 스펙트럼에 따라 상기 검사 항목의 농도를 계산하게 된다. 이때, 상기 혼합 유체 채널을 통과하는 시료는 지시약과 혼합된 시료로서, 검사 항목의 농도에 따라 투과 스펙트럼이 변화하게 된다.

상기 필터는 통과 파장 대역이 다른 필터들이 순차적으로 배치된 필터 어레이(filter array)로 구성되거나 통과 파장 대역을 조정할 수 있는 튜너블 필터(tunable filter)로 구성될 수 있으며, 상기 광원과 광 감지부의 사이에 배치될 수 있다.

상기 포토 디텍터는 상기 광원과 대향되는 위치의 제1 기판에 형성되고, 상기 혼합 유체 채널을 통과한 상기 광원의 광을 수신할 수 있는 위치에 형성된다. 만약 상기 필터가 필터 어레이로 구현되는 경우, 상기 포토 디텍터는 필터 어레이를 구성하는 각 필터들에 대응되도록 다수개로 구비하여야 되며, 각 포토 디텍터는 대응되는 필터를 통과한 빛의 세기를 감지하여 출력하게 된다. 만약 상기 필터가 튜너블 필터로 구현되는 경우, 상기 광 감지부는 단일의 포토 디텍터로 이루어지며, 상기 포토 디텍터는 순차적으로 조정되는 튜너블 필터의 각 동작 파장대역에서 투과되는 빛의 세기를 순차적으로 감지하여 출력하게 된다. 이때, 상기 광 감지부는 튜너블 필터와 연동되어 동작되어야 할 것이다.

도 4는 pH를 측정하기 위한 지시약과 시료의 pH에 따라 지시약과 혼합된 시료의 변색 범위를 표시한 도표이다. 도 4를 통해, 지시약과 혼합된 시료는 pH에 따라 투과 스펙트럼이 변화하게 되므로, pH에 따라 시료의 색깔을 변하게 하는 지시약을 이용함으로써, pH에 따라 투과되는 빛의 파장 대역을 측정하여 시료의 pH를 검출할 수 있게 된다. 이러한 성질을 이용한 본 발명의 제2 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는, 시료의 pH를 측정하고자 하는 경우, pH에 따라 색깔이 변화하는 pH 시약인 지시약을 시료와 혼합한 후 변화되는 색상에 따라 pH를 측정하게 된다. 즉, 시료인 물과 지시약을 혼합하면, 시료의 pH에 따라 색상이 변화하게 된다. 그 결과, 상기 수질 모니터링 센서는 튜너블 필터를 통과한 각 파장 대역의 빛들이 지시약과 혼합된 시료를 통과한 투과 스펙트럼을 측정하고, 투과 스펙트럼에서 빛이 투과된 각 파장 대역에 따라 pH의 값을 검출하게 된다.

제3 실시예

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 수질 모니터링 센서의 구조 및 동작을 설명한다. 제3 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는 시료에 대하여 다수 개의 특성을 순차적으로 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수질 모니터링 센서를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 수질 모니터링 센서(40)는 제1 기판(400), 제2 기판(401), 및 상기 제1 기판과 제2 기판에 형성된 다수 개의 센서들을 구비하고, 상기 센서들은 시료 투입구(402), 지시약 투입구(410), 지시약 저장조(412), 시료용 유체 채널(420), 지시약용 유체 채널(430), 혼합 유체 채널(440), 광원(도시되지 않음), 광 감지부(460)를 구비한다. 상기 수질 모니터링 센서는 전체적으로 단일의 혼합 유체 채널(440)을 구비하며, 상기 단일의 혼합 유체 채널을 다수 개의 센서들이 사용한다. 다만, 도 5는 설명을 용이하게 하기 위하여 탁도, 염소, pH의 3개 항목과 온도를 측정할 수 있는 수질 모니터링 센서를 예시적으로 도시하였다. 전술한 구성을 갖는 수질 모니터링 센서(40)는 측정하고자 하는 시료의 특성에 따른 지시약들을 각 센서의 지시약 저장조(412)에 공급하고, 각 센서의 광 감지부(460)로부터 출력되는 전기적 신호를 이용하여 시료에 대한 다수 개의 특성들을 순차적으로 측정하게 된다. 본 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는 각 센서를 순차적으로 구동함으로써, 다수 개의 측정항목을 순차적으로 측정할 수 있게 된다. 상기 수질 모니터링 센서는 센서들의 지시약 투입구를 순차적으로 온(ON)시키고, 지시약 투입구의 순차적인 개폐와 연동하여 센서들의 광 감지부(460)의 수신 신호를 순차적으로 측정하여 출력시킨다. 따라서, 상기 수질 모니 터링 센서는 시료에 대한 다수 개의 특성을 순차적으로 측정하게 된다. 이하 전술한 제3 실시예에 따른 수질 모니터링 센서의 구성 요소들에 대하여 설명한다. 다만, 제1 실시예 및 제2 실시예의 구성요소들과 중복되는 설명은 생략한다. 시료 투입구 및 시료용 유체 채널의 구조는 제1 실시예 및 제2 실시예의 그것들과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

각 센서의 광 감지부는 포토 디텍터와 필터로 이루어진다. 상기 필터는 검사 항목의 특성에 따라, 특정 파장대역의 빛을 투과하는 필터, 서로 다른 파장 대역의 빛을 투과하는 필터들을 배열형태로 배치된 필터 어레이, 투과 파장 대역을 조정하는 튜너블 필터 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 예컨대, 검사 항목이 염소와 같이 농도에 따라 특정 파장 대역에서의 투과도가 달라지는 경우에는 해당 파장 대역의 빛을 투과하는 필터를 배치하고, 검사 항목이 pH와 같이 pH 값에 따라 투과 스펙트럼이 달라지는 경우에는 필터 어레이나 튜너블 필터를 배치할 수 있다.

각 센서의 시료용 유체 채널과 지시약용 유체 채널은 혼합 유체 채널과 연결된다.

각 센서의 광 감지부(460)는 탁도를 감지하는 탁도 광 감지부(461), 염소 농도를 감지하는 염소 광 감지부(462), pH를 감지하는 pH 광 감지부(463) 중 하나를 선택적으로 구비한다. 탁도 광 감지부(461) 및 염소 광 감지부(462)는 특정 파장 대역의 빛을 투과하는 필터들을 각각 배치하고, pH 광 감지부(463)는 튜너블 필터 또는 필터 어레이를 배치하는 것이 바람직하다. 광 감지부는 각 검사 항목에 따라 특정 파장 대역에서의 투과도의 정도를 측정하거나 검사 항목의 투과 스펙트럼을 측정하여 해당 검사 항목의 농도를 검출하게 된다.

한편, 제3 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는 별도의 온도 센서를 더 구비하고, 온도 센서에 의해 측정된 온도 데이터를 이용하여 광 감지부를 통해 측정된 검사 항목의 측정 데이터를 캘리브레이션함으로써, 보다 정확한 측정 데이터를 얻을 수 있도록 한다.

전술한 구성을 갖는 제3 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는 물탱크나 저수지 등의 수질을 모니터링하기 위하여 사용될 수 있다. 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수질 모니터링 센서를 적용한 상태를 예시적으로 도시한 구성도이다. 도 6을 참조하면, 3개의 수질 항목인 탁도, 염소, pH과 온도를 순차적으로 측정할 수 있는 수질 모니터링 센서(40)를 물탱크(42)의 배수관에 설치한 후, 수질 모니터링 센서로부터 출력되는 전기적 신호를 수질 측정 시스템(46)으로 전송하여, 최종적으로 시료인 물에 대한 여러 가지 항목에 대하여 측정한다.

제4 실시예

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 수질 모니터링 센서의 구조 및 동작을 설명한다. 제4 실시예에 따른 수질 모니터링 센서는 시료에 대하여 다수 개의 특성을 동시에 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 수질 모니터링 센서를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 수질 모니터링 센서(50)는 제1 기판(500), 제2 기판(501), 및 상기 제1 기판과 제2 기판에 형성되는 다수 개의 센 서들을 구비하고, 각 센서들은 시료 투입구(502), 지시약 투입구(510), 지시약 저장조(512), 시료용 유체 채널(520), 지시약용 유체 채널(530), 혼합 유체 채널(540), 광원(도시되지 않음), 광 감지부(560)를 구비한다. 전술한 구성을 갖는 수질 모니터링 센서(50)는 측정하고자 하는 시료의 특성에 따른 지시약들을 각 센서의 지시약 저장조(512)에 공급하고, 각 센서의 광 감지부(560)들로부터 출력되는 전기적 신호들을 이용하여 시료의 다수 개의 특성들을 동시에 측정하게 된다. 또한, 본 실시예에 다른 수질 모니터링 센서는 모든 센서의 지시약 투입구들을 동시에 온(ON)시키고, 각 센서의 광 감지부(460)의 수신 신호들을 동시에 측정하여 출력시킴으로써, 상기 수질 모니터링 센서는 다수 개의 센서를 이용하여 시료에 대한 다수 개의 특성을 동시에 측정할 수 있다. 이하 전술한 제4 실시예에 따른 수질 모니터링 센서의 구성 요소들에 대하여 설명한다. 다만, 제1 실시예 및 제2 실시예의 구성요소들과 중복되는 설명은 생략한다. 시료 투입구 및 시료용 유체 채널의 구조는 제1 실시예의 그것들과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

각 센서의 혼합 유체 채널은 지시약용 유체 채널 및 시료용 유체 채널과 연결되어, 지시약과 혼합된 시료가 혼합 유체 채널로 흐르게 된다. 각 센서의 광 감지부는 혼합 유체 채널에 대응되도록 배치되어, 해당 혼합 유체 채널에 대한 투과도를 측정하거나 투과 스펙트럼을 측정한다. 각 센서의 혼합 유체 채널에 대응되도록 배치되는 광 감지부 및 필터는 검사 항목에 따라 달리 구성된다. 탁도 또는 염소 농도와 같이 특정 파장 대역에서의 투과도를 측정하는 경우 필터는 검사 항목에 따른 특정 파장 대역의 빛을 투과하는 필터를 구비하며, pH와 같이 투과 스펙트럼 을 측정하는 경우 필터는 튜너블 필터 또는 필터 어레이를 구비하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 실시예에 다른 수질 모니터링 센서의 각 센서는 광 감지부와 연결된 출력 단자를 구비함으로써, 상기 수질 모니터링 센서는 다수 개의 출력 단자를 통해 다수 개의 측정 신호들을 동시에 외부로 출력할 수 있게 된다.

도 8은 제4 실시예의 다른 실시 형태를 도시한 것으로서, 수질 모니터링 센서의 각 센서는 서로 분리된 시료용 유체 채널을 구비한다. 이와 같이, 수질 모니터링 센서를 구성하는 각 센서들이 완전히 분리되어 배치됨으로써, 다수 개의 검사 항목을 동시에 정확하게 측정할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 수질 모니터링 센서는 저수지, 물탱크 등의 수질 검사를 위하여 필요한 염소 농도, 탁도, pH, 온도 등과 같은 다수 개의 검사 항목들을 실시간으로 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수질 모니터링 센서의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 2의 (a) 및 (b)는 도 1의 A-A' 방향 및 B-B' 방향을 따라 절개하여 도시한 단면도들이다.

도 3은 빛의 투과도를 설명하기 위하여 예시적으로 도시한 개념도이다.

도 4는 pH를 측정하기 위한 지시약과 시료의 pH에 따라 지시약과 혼합된 시료의 변색 범위를 표시한 도표이다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수질 모니터링 센서를 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수질 모니터링 센서를 적용한 상태를 예시적으로 도시한 구성도이다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 수질 모니터링 센서를 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 수질 모니터링 센서의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 40, 50, 60 : 수질 모니터링 센서

100, 400, 500, 600 : 기판

102, 402, 502, 602 : 시료 투입구

110, 410, 510, 610 : 지시약 투입구

112, 412, 512, 612 : 지시약 저장조

120, 420, 520, 620 : 시료용 유체 채널

130, 430, 530, 630 : 지시약용 유체 채널

140, 440, 540, 640 : 혼합 유체 채널

150 : 광원

160, 460, 560, 660 : 광 감지부

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 시료에 포함된 검사 항목의 농도를 측정하는 것으로서, 지시약과 혼합된 시료의 농도에 따라 투과 스펙트럼이 변화되는 특성을 갖는 검사 항목에 대한 농도를 측정하는 수질 모니터링 센서에 있어서,

   반도체 기판으로 이루어지는 제1 기판;

   상기 제1 기판위에 형성되는 제2 기판;

   상기 제2 기판에 형성되며, 시료 투입구와 연결되는 시료용 유체 채널;

   상기 제2 기판에 형성되며, 지시약 투입구와 연결되는 지시약용 유체 채널;

   상기 제2 기판에 형성되며, 상기 시료용 유체 채널 및 상기 지시약용 유체 채널과 연결되는 혼합 유체 채널;

   사전에 설정된 파장 대역의 광을 제공하는 광원;

   상기 제1 기판에 형성되며, 상기 혼합 유체 채널을 투과한 상기 광원의 투과 스펙트럼을 검출하고, 검출된 투과 스펙트럼을 출력하는 광 감지부;

   를 구비하고, 상기 광 감지부는 검사 항목의 농도를 검출하기 위하여 상기 검출된 투과 스펙트럼을 출력하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 센서.
7. 제6항에 있어서, 제2 기판은 투명성의 절연 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 센서.
8. 제6항에 있어서, 상기 광 감지부는,

   상기 혼합 유체 채널을 투과하는 광의 세기(intensity)를 측정하는 포토 디텍터; 및

   통과 파장 대역을 조정할 수 있으며, 상기 포토 디텍터와 상기 광원의 사이에 배치되는 튜너블 필터; 를 구비하고,

   상기 튜너블 필터의 통과 파장 대역을 순차적으로 변경시키면서 상기 포토 디텍터를 통해 광의 세기를 측정하고, 각 통과 파장 대역에서 측정된 광의 세기들을 이용하여 해당 검사 항목의 투과 스펙트럼을 검출하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 센서.
9. 제6항에 있어서, 상기 광 감지부는,

   서로 다른 통과 파장 대역을 갖는 필터들을 배열 형태로 배치한 필터 어레이; 및

   상기 혼합 유체 채널을 투과하는 광의 세기(intensity)를 측정하는 다수 개의 포토 디텍터들; 을 구비하고,

   상기 포토 디텍터들은 각각 필터 어레이의 각 필터들과 대응되도록 배치되며, 각 포토 디텍터를 통해 각 통과 파장 대역의 투과된 광의 세기를 측정하고, 각 통과 파장 대역에서 측정된 광의 세기를 이용하여 해당 검사 항목의 투과 스펙트럼을 검출하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 센서.
10. 반도체 물질로 이루어지는 제1 기판;

    상기 제1 기판위에 형성되는 투명성의 절연 물질로 이루어지는 제2 기판;

    상기 제1 기판과 제2 기판에 형성되는 다수 개의 센서;를 구비하고,

    상기 센서는

    상기 제2 기판에 형성되며, 시료 투입구와 연결되는 시료용 유체 채널;

    상기 제2 기판에 형성되며, 지시약 투입구와 연결되는 지시약용 유체 채널;

    상기 제2 기판에 형성되며, 상기 시료용 유체 채널 및 상기 지시약용 유체 채널과 연결되는 혼합 유체 채널;

    사전에 설정된 파장 대역의 광을 제공하는 광원;

    상기 제1 기판에 형성되며, 상기 혼합 유체 채널을 투과한 상기 광원의 투과 스펙트럼 또는 투과도를 검출하여 출력하는 광 감지부;

    를 구비하고,

    상기 센서의 광 감지부는,

    상기 혼합 유체 채널을 통과하는 광의 세기를 검출하는 포토 디텍터; 및

    상기 포토 디텍터와 상기 광원의 사이에 배치되는 필터;를 구비하여,

    각 센서의 각 광 감지부는 해당 검사 항목의 농도를 검출하기 위하여 상기 검출된 투과 스펙트럼 또는 투과도를 출력하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 센서.
11. 제10항에 있어서, 수질 모니터링 센서는 단일의 혼합 유체 채널을 구비하고, 수질 모니터링 센서의 각 센서는 상기 혼합 유체 채널을 공동으로 사용하는 것을 특징으로 하며,

    상기 수질 모니터링 센서는 상기 센서들을 순차적으로 구동하는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 센서.
12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 수질 모니터링 센서는 제2 기판의 표면에 형성된 온도 센서를 더 구비하고, 상기 온도 센서는 특정 온도 구간에서 전기적 저항값이 선형적으로 변화되는 특성을 갖는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 센서.

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