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문제 정의
- 본 논문에서는 ATmega128과 블루투스를 기반으로 안드로이드 앱을 이용해 포텐쇼스탯을 제어할 수 있는 시스템을 구성하기 위한 요소와 작동 원리을 설명하고 개발된 시스템을 이용하여 상용 제품과의 측정 결과를 비교 분석하였다. 스마트폰 앱을 통해 포텐쇼스탯 시스템을 구동하여 네모파 전압전류법으로 센서의 출력신호를 얻고, 얻어진 데이터를 스마트폰으로 무선 전송받아 스마트폰의 화면에서 측정결과를 그래프로 표시할 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 5 V를 뺀 값에 저항 값을 나누어주면 구할 수 있다. nA 수준의 좁은 범위의 전류측정부터 uA 수준의 넓은 범위의 선택적 전류 측정을 위해 측정 저항을 자동으로 변경하는 자동 범위 변경 회로를 구현하였다. 그림 4에서 보이듯이 여러 개의 저항을 MUX(multiplexer)를 이용하여 연결한 후, 측정을 시작할 때 가장 작은 범위의 저항으로 시작하여 범위를 초과하면 그 보다 한 단계 큰 범위의 저항으로 변경하여 측정한다.
- 측정 전압과 출력 전류의 첫 번째 숫자는 음과 양을 각각 0과 1로 표현하고 나머지 네 자리로 값을 표현하였다. 그리고 측정 저항 값은 한 자리수로 사용하기 위해 가장 작은 저항을 1, 그 다음으로 작은 저항을 2와 같은 방식으로 저항 값의 크기에 따라 정수 값이 커지도록 순서대로 값을 부여하였다.
- 소프트웨어적 방법은 디지털 필터 방식을 이용한 메디안 필터와 이동평균 필터 방식을 사용하였다[11-13]. 그림 6에 보이듯이 측정 시 ATmega128에서 여러 번 표본화 후 측정된 데이터를 크기 순서대로 정렬하여 중간 값을 사용하도록 메디안 필터를 프로그램으로 구현하였다.
- 두 장치 모두 전극으로 작업 전극은 Au, 보조 전극은 Pt, 기준 전극은 Ag/AgCl을 사용하고 파라미터를 측정범위 0～0.6 V, 전위 증가폭 0.01 V, 주파수 10 Hz로 설정하고 potassium ferricyanide(K3[Fe(CN)6])용액을 전해질로 사용하여 산화/환원 반응을 측정하였다. 그림 10(a)는 진폭을 0.
- 본 논문에서는 전기화학적 산화/환원 반응의 측정을 위한 전압 발생원과 전류 측정 기능, 그리고 측정 데이터를 저장하는 기능을 구현하고, 추가적으로 블루투스를 이용하여 스마트폰으로의 무선 데이터 전송 기능과 그 데이터를 안드로이드 앱을 이용하여 스마트폰의 화면에 표시하는 기능을 포함한 측정 시스템을 제안하고, 지금까지 개발된 상용 포텐쇼스탯과는 달리 PC가 필요하지 않고, 스마트폰을 이용하여 장소에 제한받지 않는 측정이 가능한 블루투스 기반 휴대형 포텐쇼스탯을 제시한다.
- 그중 네모파 전압전류법은 오래전부터 정량분석에 유용한 방법으로 주목되어왔으며 높은 주사속도(scanning speed)로 측정시간이 다른 펄스방법과는 비교할 수 없을 정도로 짧고 주사속도가 빠른 경우에도 감도가 떨어지지 않는다는 장점을 갖는다[6]. 본 측정 시스템에서는 이와 같은 장점을 이용하여 3-전극 기반 네모파 전압전류법 측정 기능을 구현하도록 시스템을 설계하였다.
- 블루투스 기반 휴대형 포텐쇼스탯을 이용해 측정된 출력 전류는 상용 포텐쇼스탯의 출력 전류와 비교하였을 때 많은 잡음(noise)이 발견되어서 이를 하드웨어적인 방법과 소프트웨어적인 방법을 이용하여 잡음을 줄였다. 하드웨어적 방법은 작업 전극의 트랜스임피던스 증폭기의 측정 저항 Rf 와 10 nF의 커패시터(capacitor)를 병렬로 연결하여 저역 통과 필터(low pass filter)를 구현하여 고주파 잡음을 제거하였다.
- 블루투스 통신은 개발된 휴대형 포텐쇼스탯의 블루투스 모듈과 안드로이드에 내장되어 있는 블루투스 모듈간의 페어링 후, 데이터 통신이 이루어지도록 하였다. 포텐쇼스탯의 블루투스는 항상 검색이 가능하게 되어있으며, 안드로이드 앱에서 블루투스를 활성화하여 페어링을 시도한다.
- 데이터는 입력 전압 다섯 개, 측정 저항 하나, 출력 전류를 다섯 개의 수로 구성해 총 열한 자리 수를 포텐쇼스탯에서 전송받아 안드로이드 앱에서 재구성한다. 블루투스의 데이터 전송은 Byte형으로 전송되기 때문에 한 자리씩 나누어 전송하였다. 측정 전압과 출력 전류의 첫 번째 숫자는 음과 양을 각각 0과 1로 표현하고 나머지 네 자리로 값을 표현하였다.
- 음의 전압을 만들기 위해 dual DAC중 한쪽을 2 V로 고정하고 다른 하나를 신호의 파형을 만드는데 사용하였다. 사각 파형을 만들기 위해 전압을 변경 후 MCU의 delay()함수를 사용해 일정 전압을 유지하였다. 이렇게 만들어진 두 개의 신호를 op-amp를 이용해 구성한 뺄셈기로 파형에서 2 V를 빼주어 음의 신호도 표현이 가능해진다.
- 본 논문에서는 ATmega128과 블루투스를 기반으로 안드로이드 앱을 이용해 포텐쇼스탯을 제어할 수 있는 시스템을 구성하기 위한 요소와 작동 원리을 설명하고 개발된 시스템을 이용하여 상용 제품과의 측정 결과를 비교 분석하였다. 스마트폰 앱을 통해 포텐쇼스탯 시스템을 구동하여 네모파 전압전류법으로 센서의 출력신호를 얻고, 얻어진 데이터를 스마트폰으로 무선 전송받아 스마트폰의 화면에서 측정결과를 그래프로 표시할 수 있도록 하였다.
- 5 V를 더해서 모든 출력전압 값이 양의 값으로 변환되도록 하였다. 이와 같이 모든 출력전압 값을 양으로 변환한 후에는 이 데이터를 블루투스 통신을 이용해 스마트폰으로 전송하여 안드로이드 앱으로 전달해 그래프를 스마트폰의 화면에 출력하였다.
- 측정 시 발견된 노이즈는 하드웨어적 방법인 저역 통과 필터와 소프트웨어적 방법인 메디안 필터 및 이동 평균 필터를 사용하여 제거하였다. 개발된 블루투스 기반 휴대형 포텐쇼스탯은 potassium ferricyanide 용액을 전해질로 사용하여 네모파 전압 전류법을 측정하였을 때 상용 포텐쇼스탯(μstat200, dropsens社)과 매우 유사한 결과를 보이는 것을 확인하였다.
- 그림 9에서 보듯이 화면의 가장 위의 왼쪽인 (0,0) 픽셀을 기준으로 그래프를 그린다. 측정된 값은 그래프의 픽셀에 맞게 변환되어 전위를 표현하는 x축은 파라미터로 설정한 값으로 정해지고 전류를 표현하는 y축은 측정 저항과 최댓값, 최솟값에 맞게 그려지면서 바뀔 수 있도록 제작하였다.
- 블루투스 기반 휴대형 포텐쇼스탯을 이용해 측정된 출력 전류는 상용 포텐쇼스탯의 출력 전류와 비교하였을 때 많은 잡음(noise)이 발견되어서 이를 하드웨어적인 방법과 소프트웨어적인 방법을 이용하여 잡음을 줄였다. 하드웨어적 방법은 작업 전극의 트랜스임피던스 증폭기의 측정 저항 Rf 와 10 nF의 커패시터(capacitor)를 병렬로 연결하여 저역 통과 필터(low pass filter)를 구현하여 고주파 잡음을 제거하였다. 그리고 매우 작은 전류를 측정할 때에는 op-amp의 입력 바이어스 전류(input vias current)로 인한 잡음이 나타났기 때문에 입력 바이어스 전류가 작은 정밀 op-amp를 사용하였다.
대상 데이터
- 데이터는 입력 전압 다섯 개, 측정 저항 하나, 출력 전류를 다섯 개의 수로 구성해 총 열한 자리 수를 포텐쇼스탯에서 전송받아 안드로이드 앱에서 재구성한다. 블루투스의 데이터 전송은 Byte형으로 전송되기 때문에 한 자리씩 나누어 전송하였다.
이론/모형
- 네모파 전압전류법의 입력신호를 만들기 위해 Micro chip 社의 MCP4822 dual 12-bit DAC를 사용하였다[8]. 사용된 12-bit DAC는 MCU와의 SPI(serial peripheral interface) 통신[9]으로 동작하며, 하나의 핀에 한 bit를 연결하는 방법과 달리 SPI 통신을 이용하면 하나의 입력포트로 12-bit의 정보를 입력하여 출력 전압을 제어할 수 있다.
- 소프트웨어적 방법은 디지털 필터 방식을 이용한 메디안 필터와 이동평균 필터 방식을 사용하였다[11-13]. 그림 6에 보이듯이 측정 시 ATmega128에서 여러 번 표본화 후 측정된 데이터를 크기 순서대로 정렬하여 중간 값을 사용하도록 메디안 필터를 프로그램으로 구현하였다.
성능/효과
- 개발된 블루투스 기반 휴대형 포텐쇼스탯은 potassium ferricyanide 용액을 전해질로 사용하여 네모파 전압 전류법을 측정하였을 때 상용 포텐쇼스탯(μstat200, dropsens社)과 매우 유사한 결과를 보이는 것을 확인하였다.
- 측정값을 분석하였을 때, 개발된 무선통신 기반 포텐쇼스탯은 μstat200의 결과와 거의 일치한 결과를 보였으며 산화 피크 전류(oxidation peak current)는 인가전압의 진폭이 0.01 V일 때 μstat200은 0.26 V에서 6.01 μA 제작된 포텐쇼스탯은 0.25 V에서 6.46 μA로 측정되었고, 진폭을 0.02 V인 경우에는 μstat200의 경우 0.26 V에서 11.35 μA, 제작된 포텐쇼스탯은 0.25 V에서 12.38 μA로 측정되 었다.
후속연구
- 개발된 블루투스 기반 휴대형 포텐쇼스탯은 ATmega128 프로그램을 변경하면 다른 전압전류법 측정 방법으로도 사용가능하기 때문에 여러 가지 의료기기 및 바이오, 화학 센서와 측정 장치에 응용이 가능할 것으로 판단된다.
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