초록 ▼

- 본 연구개발과제는 전자혀를 이용한 Web GIS 기반 지하수 오염물질 모니터링 시스템의 개발을 개발하는 과제이다. 이에 4종 이상의 이온선택성 전극을 개발하고, 센서 어레이의 설계를 통해, Web GIS 기반 지하수 모니터링 시스템을 개발하여 체계적인 수질 오염 관리가 가능하도록 하는 것이 최종 연구개발과제의 목표이다.
- 본 연구개발과제의 핵심요소기술은 수질 측정이 가능한 이온선택성 전극의 개발이며 본 과제를 통해 인산 센서를 국내 최초로 개발했으며, 수은, 질산성 질소 센서등을 개발하였다. 센서의 재현성이 우수하며 기존

- 본 연구개발과제는 전자혀를 이용한 Web GIS 기반 지하수 오염물질 모니터링 시스템의 개발을 개발하는 과제이다. 이에 4종 이상의 이온선택성 전극을 개발하고, 센서 어레이의 설계를 통해, Web GIS 기반 지하수 모니터링 시스템을 개발하여 체계적인 수질 오염 관리가 가능하도록 하는 것이 최종 연구개발과제의 목표이다.
- 본 연구개발과제의 핵심요소기술은 수질 측정이 가능한 이온선택성 전극의 개발이며 본 과제를 통해 인산 센서를 국내 최초로 개발했으며, 수은, 질산성 질소 센서등을 개발하였다. 센서의 재현성이 우수하며 기존 방해 물질의 효과를 크게 개선 시켰다.
- 수질 오염 물질인 질산성 질소, 수은, 인산, 다양한 수질센서의 어레이와 설계를 위한 최적화 구동 모듈을 개발함으로써, 지하수 뿐만 아니라 다양한 물질의 수질 오염 패턴 구축이 가능해짐으로써 활용도를 크게 향상시켰다.
- 핵심요소기술을 응용한 Web GIS 기반 지하수 모니터 링을 시스템을 개발 상용화에 성공하였으며, 기상 장치의 확장기능 및 오염 물질의 실시간 확인과 이동 경로를 사용자 환경에서 손쉽게 확인이 가능하여 체계적인 수질 오염 관리가 가능하도록 개발하였다.

Abstract ▼

This study is comprised of 3 step. 1 step contents are selecting of sensor is applicable to analyze of underground water quality and developing applied sensor more than 4 sorts. II step contents are developing electric tongue is applicable to analyze of specific pollutant in the underground water an

This study is comprised of 3 step. 1 step contents are selecting of sensor is applicable to analyze of underground water quality and developing applied sensor more than 4 sorts. II step contents are developing electric tongue is applicable to analyze of specific pollutant in the underground water and surface water after applying array technology to the sensor to be completed at 1 step. And III step contents are developing the web GIS underground water pollutants monitoring system based on the CDMA communication technology that is combination of developed technology at I &II step and common technology.
1 step: Development of production technology of sensor by using ground water
quality
2 step: Development technology of water-quality sensor and sensor array
3 step: Development technology of water-quality sensor+ sensor array technology
and the web GIS ground water monitoring system based on the CDMA

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ...21
• 제 1-1 절 연구개발의 목적 및 필요성 ...21
• 제 1-2 절 연구개발의 범위 ...25
• 1-2-1 연구 단계별 개발 내용 ...25
• 1-2-2 세부 연구범위 ...26
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ...31
• 제 2-1절 지하수 오염물질 모니터링 시스템의 기술 개발 동향 ...31
• 2-1-1 해외 지하수 오염물질 모니터링 기술 ...31
• 2-1-2 이온 선택성 전극 시스템의 개발 현황 ...36
• 2-1-3 국내 지하수 오염물질 모니터링 기술 동향 ...40
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ...45
• 제 3-1 절 이온선택성 전극 제조 기술 개발 ...45
• 3-1-1 실험의 개요 및 평가 방법 ...45
• 3-1-2 다양한 이온 선택성 전극의 제조 및 개발 ...53
• 3-1-3 이온 선택성 전극의 시작품 제작 및 실험 ...105
• 제 3-2 절 수직 측정용 전자혀의 개발 ...111
• 3-2-1 센서의 어레이 원리 및 설계기법 ...111
• 3-2-2 다양한 센서의 어레이 설계 및 제작 ...118
• 3-2-3 시작품 디자인 및 제작 ...127
• 제 3-3 절 CDMA 기반의 Web GIS 수질 모니터링 기술 ...132
• 3-3-1 운영 시스템의 점검 및 기술 Spec. 설계 ...132
• 3-3-2 현장 평가 ...135
• 제 3-4 절 연구개발과제의 결론 ...140
• 제 4 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 ...142
• 제 4-1 절 연구개발목표 달성도 ...142
• 4-1-1 연구개발목표 달성도 ...142
• 4-1-2 연도별 연구개발목표 달성도 ...143
• 제 4-2 절 대외기여도 ...145
• 4-2-1 논문, 학술발표 및 산업재산권 실적 요약 ...145
• 4-2-2 논문, 학술발표 실적 ...147
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ...152
• 제 5-1 절 연구 개발 결과 활용 ...152
• 제 5-2 절 타연구에의 응용 ...157
• 제 5-3 절 사업화 추진방향 ...159
• 5-3-1 사업화 범위 및 재원확보 ...159
• 5-3-2 판로개척 방안 ...163
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...165
• 제 7 장 참고문헌 ...170
• [표 1.1] 당사 보유 관련 기술 현황 ...30
• [표 3.1] 이온 선택성 전극 막의 구성 ...54
• [표 3.2] 질산성 질소 이온 선택성 전극의 선택성 계수 ...56
• [표 3.3] 질산성 질소 이온 선택성 전극의 재현성 실험 ...60
• [표 3.4] 질산성 질소 이온 선택성 센서의 정확도 측정 ...62
• [표 3.5] 수은 선택성 전극의 막 구성 ...68
• [표 3.6] 수은 선택성 전극의 방해물질에 의한 선택성 계수 ...69
• [표 3.7] 수은 선택성 전극의 농도별재현성 실험 결과 ...72
• [표 3.8] 수은 선택성 전극의 농도별 정확도 측정 ...75
• [표 3.9] pH 4.5 $H_2{SO_4}^-$ 용액에서의 인산센서 농도에 따른 출력값 ...79
• [표 3.10] pH 4.5 KHP 용액 조건에서 인산 농도에 따른 전압값 ...82
• [표 3.11] 2분 간격에 따른 인산센서의 출력값 Test ...84
• [표 3.12] 10분 간격에 따른 인산센서의 출력값 Test ...85
• [표 3.13] 일정량 주입에 따른 연속 실험 결과 ...88
• [표 3.14] 이온선택성 물질의 혼합 비율 ...91
• [표 3.15] $N_2$를 포화용액에 주입할 때의 시간별 DO 측정값 측정 ...94
• [표 3.16] Conductivity electrode (9382-10D) 사양 ...100
• [표 3.17] HORIBA 제공 KCl 농도별 전기전도도 값 ...101
• [표 3.18] KCl 용액 농도별 제공 전도도와 실제측정 농도 비교 ...101
• [표 3.19] 변형센서와 상용센서에 출력되는 전도도값의 비교 ...102
• [표 3.20] pH electrode (9611-10D) 사양 ...103
• [표 3.21] 대표적인 5가지 맛 구성 성분 ...114
• [표 3.22] 대전 대덕구 3,4공단 지하수 실험 결과 ...136
• [표 3.23] 먹는물 기준 검사에 의한 실험 결과 ...137
• [표 4.1] 연구실적 요약 ...146
• [표 5.1] 무역수지 개선 효과 ...160
• [표 5.2] 사업화가능성 SWOT 분석표 ...161
• [표 5.3] 수질 모니터링 관련 시장 진출시장규모 ...162
• [표 5.4] 연도별 토양.지하수 오염도 현황 ...163
• [표 6.1] 미국 Hydrolab사의 수질 측정 장비 센서 사양 ...167
• [표 6.2] 미국 In-situ사의 수질 측정 장비 센서 사양 ...168
• [표 6.3] 네덜란드 "Eijkelkamp"사 수질 측정 장비의 센서 사양 ...169
• [그림 1.1] 지하수 측정망별 수질 기준 초과율 ...22
• [그림 1.2] 대표적인 수질 측정 방식 ...23
• [그림 1.3] 단계별 연구개발 기술(범위) 요약 ...25
• [그림 1.4] 위탁연구기관의 용존산소 개발 제품과 기술성 ...26
• [그림 1.5] 수질 측정용 전자혀 시스템 모식도 ...28
• [그림 1.6] 실시간 악취 web GIS 모니터링 사례 ...29
• [그림 2.1] 유럽의 지하수 및 수질측정망 운영 시스템 기술 현황 ...32
• [그림 2.2] 일본의 지하수 관측방법 모식도 ...34
• [그림 2.3] 미국의 Oklahoma주의 지하수위 및 관정변화 모니터링 ...35
• [그림 2.4] 이온 선택성 전극 센서의 원리와 상품 구조 ...37
• [그림 2.5] Hydrolab, HACH 사의 제품군 ...38
• [그림 2.6] 네덜란드 Eijkelkamp사 PDA 동신 시스템 ...39
• [그림 2.7] 부처별 지하수 관리 업무 시스템 ...41
• [그림 3.1] Web GIS 기반 지하수 모니터링 시스템 개발 ...46
• [그림 3.2] 전자혀를 이용한 지하수 모니터링 시스템 개발 ...47
• [그림 3.3] 개발 예정인 신호 처리 장치의 예비 구성 사진 ...49
• [그림 3.4] 실용성 이온 선택성 전극의 개발 ...51
• [그림 3.5] 지하수 및 수질 오염물질 모니터링의 시범 운영 체계도 ...52
• [그림 3.6] 이온 선택성 전극의 구조도 ...54
• [그림 3.7] 질산성 질소 전극의 Test용 제작 1 ...55
• [그림 3.8] 질산성 질소 전극의 Test용 제작 2 ...55
• [그림 3.9] NO3-N 농도 적가에 따른 출력값 변화 ...57
• [그림 3.10] 질산성 질소 센서의 농도별 감응 안정화 Test 1 ...58
• [그림 3.11] 질산성 질소 센서의 농도별 감응 안정화 Test 2 ...59
• [그림 3.12] 질산성 질소 센서의 재현성 실험 ...60
• [그림 3.13] 질산성 질소 센서의 분해능 실험 ...61
• [그림 3.14] 질산성 질소 센서의 검량선 작성 ...62
• [그림 3.15] 다양한 NO3-N 용액에서 농도별 pH 영향 ...63
• [그림 3.16] Nitrate 센서의 전극전위에 미치는 온도 영향 ...64
• [그림 3.17] Nitrate 센서의 Life-time 측정 ...65
• [그림 3.18] Nitrate 센서의 막의 두께에 따른 농도와 전압간 영향 ...66
• [그림 3.19] 수입 센서와 당사 개발 센서 비교 ...67
• [그림 3.20] 수은 선택성 전극의 구조도 ...68
• [그림 3.21] 수은 이온의 농도 증가에 따른 전압값의 변화 ...70
• [그림 3.22] pH 2 buffer에서 수은 이온 선택성 전극의 안정화 시간 ...71
• [그림 3.23] pH 2 buffer에서 수은 농도 변화에 따른 감응 시간 측정 ...72
• [그림 3.24] pH 2 buffer에서 수은 농도 변화에 재현성 평가 ...73
• [그림 3.25] pH 2 buffer에서 수은 농도의 검출 한계 실험 ...74
• [그림 3.26] 수은 농도에 따른 검량선 작성 ...74
• [그림 3.27] 수은 농도에 따른 pH 영향 ...75
• [그림 3.28] 수은 농도와 온도변화에 따른 전압값 영향 ...76
• [그림 3.29] 수은 전극의 피복막 두께 변화에 따른 전압값 변화 ...77
• [그림 3.30] 상용 수은 센서와 당사 제작 센서의 농도에 따른 전압값 비교 ...78
• [그림 3.31] pH 4.5 $H_2{SO_4}^-$ 용액에서의 인산 농도에 따른 출력값 Test 1 ...80
• [그림 3.32] pH 4.5 $H_2{SO_4}^-$ 용액에서의 인산 농도에 따른 출력값 Test 2 ...80
• [그림 3.33] 인산 전극 센서의 안정화 ...81
• [그림 3.34] 0.025 mg/L KHP solution에서 인산 센서의 안정화 ...82
• [그림 3.35] pH 4.5 KHP 용액 조건에서 인산 농도에 따른 전압값 변화 ...83
• [그림 3.36] 1차 실험 후 0.025 mg/L KHP 용액에서의 인산센서 안정화 ...83
• [그림 3.37] 0.025 mg/L KHP 용액 조건에서 출력값 Test 1 ...84
• [그림 3.38] 0.025 mg/L KHP 용액 조건에서 출력값 Test 2 ...86
• [그림 3.39] pH 4.5 KHP 조건에서 몰농도에 따른 전압변화 ...87
• [그림 3.40] pH 4.5 KHP 조건에서 시간에 따른 연속 실험 ...89
• [그림 3.41] [$HPO_4^{2-}$] 인산 농도와 전압값 비교 ...89
• [그림 3.42] 막제조용 무기 바인더 제조 ...91
• [그림 3.43] CV(Cyclic Voltammetry)를 이용한 전압 결과 ...92
• [그림 3.44] 용존산소 센서의 선택성 실험 ...93
• [그림 3.45] 제작된 용존산소 센서의 재현성 실험 ...95
• [그림 3.46] 제작된 용존산소 센서의 검량선 실험 ...96
• [그림 3.47] 제작된 용존산소 센서의 재현성 실험 ...96
• [그림 3.48] 상용센서와 제자 DO센서의 전압값 비교 ...97
• [그림 3.49] pH 변화에 의한 DO센서의 영향 비교 ...98
• [그림 3.50] pH 7.3 인산용액에서의 감응시간 측정 결과 ...99
• [그림 3.51] 전류변화에 따른 전기 전도도의 상관관계 ...102
• [그림 3.52] pH meter의 표준 용약 변화에 전류값 변화 ...104
• [그림 3.53] pH meter의 표준 검량선 작성 ...104
• [그림 3.54] 수질 측정용 이온 선택성 전극의 proto-type 제조 ...105
• [그림 3.55] 이온 선택성 전극의 최종 전극막 도면 제작1 ...106
• [그림 3.56] 이온 선택성 전극의 최종 전측막 형태 도면 제작2 ...106
• [그림 3.57] 이온 선택성 전극의 최종 Probe 도면 1 ...107
• [그림 3.58] 이온 선택성 전극의 최종 Probe 도면 2 ...107
• [그림 3.59] 다양한 수질 측정용 이온 선택성 전극의 시제품 제작 ...108
• [그림 3.60] 다양한 수질 측정용 이온 선택성 전극의 Probe 제품 제작 ...109
• [그림 3.61] 다양한 조건에서 제조 센서의 실험 과정 ...109
• [그림 3.62] Data logger를 사용한 이온 선택성 전극의 실험 평가 과정 ...110
• [그림 3.63] 수질 센서 출력신호 회로 및 PCB 제작사진 ...118
• [그림 3.64] 수질 센서 array용 PCB 설계 및 제작사진 ...119
• [그림 3.65] 수질 센서 array용 PCB의 성능 평가 ...120
• [그림 3.66] 수질 패턴 DB를 바탕으로 시료의 패턴을 비교하는 개략도 ...122
• [그림 3.67] 수질 패턴분석을 위한 프로그램 ...123
• [그림 3.68] 수질 패턴의 분석을 위한 순서도 ...125
• [그림 3.69] 지하수 복합성분에 대한 페턴 구축 결과 ...126
• [그림 3.70] 개별 센서의 모니터링부 설계 및 제작 ...127
• [그림 3.71] 수질 오염 모티터링부 설계 및 제작 ...128
• [그림 3.72] 통합형 수질센서 Probe 제작 ...128
• [그림 3.73] 전자혀 관련 메인보드 회로 설계 도면 ...129
• [그림 3.74] 전자혀 관련 아날로그 회로 설계 도면 ...130
• [그림 3.75] 전자혀 관련 전원부 회로 설계 도면 ...130
• [그림 3.76] 전자혀 관련 충전부 회로 설계 도면 ...131
• [그림 3.77] 전자혀 시스템의 간섭 및 노이즈 차단 신호 처리 장치 ...131
• [그림 3.78] GIS 기반 Web Server 구축도 ...132
• [그림 3.79] 수질 오염원에 따른 Data base 구축 ...135
• [그림 3.80] 수질 모니터링 시스템의 설치 및 모니터링 시스템 구축 ...135
• [그림 3.81] 대전 대덕구 3,4공단 지역의 samlpling 지점 위치 ...136
• [그림 3.82] 실시간 수질 모니터링 구축 사진 1 ...137
• [그림 3.83] 실시간 수질 모니터링 구축 사진 2 ...139
• [그림 5.1] 국내 수질 모니터링 시장 규모 ...155
• [그림 5.2] 센서 어레이 기술을 적용한 휴대형 전자혀 시스템 개발 ...158
• [그림 6.1] 미국 Hydrolab사의 수질 측정 장비 사진 ...166
• [그림 6.2] 미국 In-Situ사의 수질 측정 장비 사진 ...167
• [그림 6.3] 네덜란드 수직 모니터링 장비 사진 ...169