색도계는 학생들이 STEM 과정에서 가장 먼저 접하게 되는 분석 기기 중 하나입니다. 화학, 생물학, 물리학, 환경 과학 실험실에서 사용되는 많은 기기와 마찬가지로, 시판되는 색도계와 분광광도계는 대개 “블랙박스”로 취급되는데, 이는 작동 원리에 숨겨진 광학적·전자적 원리를 드러내지 않은 채 수치 결과만 산출하는 기기를 의미합니다. 이 프로젝트는 이러한 학습 장벽을 제거하기 위해 고안되었습니다. 학생들은 단순히 기기를 사용하는 대신, 스스로 완벽하게 작동하는 색도계를 조립하면서 광학, 전자, 분석 구성 요소들이 어떻게 상호 작용하여 빛의 흡광도를 측정하는지 탐구하게 됩니다. 이 키트는 의도적으로 단순하게 설계되어 납땜이나 무납땜 브레드보드가 필요하지 않습니다. 대신, 모든 전기 연결은 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 악어 클립이 달린 리드선을 사용하여 이루어지므로, 전자공학 경험이 전혀 없는 사람이라도 빠르고 직관적이며 쉽게 조립할 수 있습니다. 조립의 어려움을 최소화하면서도 기기의 내부 작동 원리를 명확히 보여줌으로써, 학생들은 회로 문제 해결에 소요되는 시간을 줄이고, 정량적 화학 분석 및 분광 측정 원리에 대한 더 깊은 이해를 쌓는 데 더 많은 시간을 할애할 수 있습니다. 조립이 완료되면 이 색도계는 식품 착색제 분석, 수질 검사, 반응 속도론 및 기타 흡광도 기반 실험을 포함한 다양한 실습 중심의 STEM 탐구 활동에 활용될 수 있습니다.
이 프로젝트는 저자가 2016년 『Journal of Chemical Education』에 게재한 것입니다.
아래에는 3D 프린팅 기기를 활용한 폭넓게 활용 가능한 일반 화학 실험 활동 링크와 3D 프린팅용 파일이 있습니다. 더 많은 파일이 곧 추가될 예정입니다.
질문, 요청 사항, 또는 협업에 대한 관심이 있으시면 이 사이트나 제 와바시 대학(Wabash College) 이메일 주소를 통해 언제든지 연락 주시기 바랍니다.
3D 프린팅 부품
전자 부품
배선
측정 장비
시료 취급
LED 광원 조립: 제공된 배선도 및 위의 사진을 참고하십시오. 아직 조립되지 않았다면 청록색 LED를 고무 마개에 끼워 넣으십시오. 이를 위해서는 핀 바이스 드릴이나 유사한 도구를 사용하여 마개에 작은 구멍 두 개를 뚫어야 합니다. 이 작업은 반드시 성인이 수행해야 하며, 손을 다치지 않도록 각별히 주의해야 합니다! (또는, LED와 검출기를 도크에 핫멜트 접착제로 간단히 고정할 수 있도록 도크가 포함된 수정된 3D 프린팅용 색도계 설계도가 곧 추가될 예정입니다.)
도면에 표시된 대로, 리드선의 알리게이터 클립 하나를 300 Ω 저항기에 연결하고, 같은 리드선의 다른 알리게이터 클립을 LED의 더 긴 금속 리드에 연결하십시오. 헷갈린다면 디지털 멀티미터를 사용하여 어떤 저항이 300 Ω인지 확인할 수 있습니다. 새 전선을 사용하여 저항의 다른 끝을 9V 배터리나 전원 어댑터의 (+ 또는 “빨간색”) 단자에 연결하세요. 마지막으로, 별도의 연결선을 사용하여 배터리나 전원 어댑터의 (– 또는 “검정”) 단자를 LED의 짧은 전극에 연결하십시오. 배선을 올바르게 했다면 LED가 밝게 빛나야 합니다! 이제 LED 고무 마개를 WallySpec 기기의 한쪽 면에 삽입하십시오.
중요 참고 사항: LED 회로에서 저항의 용량은 조절할 수 있지만, 사용하는 특정 LED에 맞게 선택해야 합니다. 일반적으로 300 Ω에서 470 Ω 범위의 저항을 사용하면 LED가 손상되지 않고 잘 작동합니다. 그러나 LED 데이터 시트의 매개변수와 옴의 법칙을 활용하여 보다 정확한 계산을 수행해야 합니다. 유용한 LED 저항 계산기 링크는 여기에서 확인하실 수 있습니다.
포토트랜지스터 검출기 조립: 위의 배선도 및 사진을 참조하십시오. 아직 조립되지 않았다면 실리콘 포토트랜지스터를 고무 마개에 끼워 넣으십시오. 도면에 표시된 대로, 리드선의 악어 클립 하나를 포토트랜지스터의 더 긴(콜렉터) 리드선에 연결한 다음, 9V 배터리 또는 전원 어댑터의 (+ 또는 “빨간색”) 단자에 연결하십시오. 새로운 연결선을 사용하여 47 kΩ 저항과 포토트랜지스터의 더 짧은(이미터) 금속 단자를 연결하십시오. 마지막으로, 별도의 연결선을 사용하여 배터리나 전원 어댑터의 (– 또는 “검정”) 단자를 저항의 다른 쪽 끝단에 연결하십시오. 이제 포토트랜지스터 고무 마개를 WallySpec 기기의 LED와 반대쪽 측면에 삽입하십시오.
중요 참고 사항: 검출기 회로에서 저항의 용량을 조절하여 광 측정 시 더 큰 신호 응답을 생성할 수 있습니다. 일반적으로 10 kΩ에서 47 kΩ 범위의 저항을 사용하면 신호에 과도한 노이즈를 유발하지 않으면서 매우 잘 작동합니다.
제공된 배선도 및 사진을 계속 참고하십시오. 악어 클립을 사용하여 디지털 멀티미터를 기기의 포토트랜지스터 쪽 끝에 가까운 47 kΩ 저항의 양쪽 단자에 연결하십시오. LED가 포토트랜지스터를 비추고 있다면, 약 5 V 이상의 직류 전압 값이 표시되어야 합니다. LED 회로의 악어 클립 하나를 분리하거나 해당 회로의 전원을 뽑아 LED를 끄면 전압 수치가 어떻게 변하는지 확인해 보십시오. 검출기 전압 수치에 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있을 것입니다. 축하합니다! 직접 색도계를 제작하셨으며, 이제 분석을 시작할 준비가 되었습니다!
암전압(Vdark)을 기록하십시오: DI수로 3분의 2 정도 채운 플라스틱 큐벳을 WallySpec에 넣고 뚜껑을 닫으십시오. LED를 끄고 전압을 Vdark로 기록하십시오. 오늘 측정할 각 시료에 대해 이 과정을 반드시 수행해야 합니다! 매번 이 값을 기록하는 것을 잊지 마십시오. (또는 LED를 끄는 대신, 검은 점토, 왁스 또는 페인트로 채운 큐벳과 같은 광차단재를 삽입하는 것이 더 좋습니다.)
기준 전압(Vref) 기록: DI수로 3분의 2 정도 채운 플라스틱 큐벳(기준 용액 또는 “블랭크”)을 WallySpec에 넣고 뚜껑을 닫습니다. LED를 켠 후 전압 값이 안정되면 이를 Vref로 기록합니다. 이 작업은 오늘 측정할 각 시료마다 반드시 수행해야 합니다! 매번 이 값을 기록하는 것을 잊지 마십시오.
시료 전압(Vsample) 기록: 측정할 용액을 소량씩 사용하여 플라스틱 큐벳을 최소 두 번 헹굽니다. 그런 다음 헹군 큐벳에 시료 용액을 약 3분의 2 정도 채웁니다. KimWipe로 큐벳 외부를 닦아주세요. 측정을 위해 WallySpec에 큐벳을 넣을 때 큐벳 외부에 액체 방울(또는 지문)이 남아 있어서는 안 됩니다. 캡을 닫으세요. LED를 켜고 전압 값이 안정되면 이를 Vsample로 기록하세요.
참고: 모든 시료 측정 전에 반드시 Vdark와 Vref 값을 모두 측정하고 기록해야 합니다. 위 이미지에 포함된 주요 방정식을 참고하십시오.
레드 40 교정 곡선 데이터
1. 깨끗하고 건조한 에를렌마이어 플라스크에 레드 40 염료 원액 약 50 mL를 넣으십시오. 참고: 이 시점부터 귀하의 실험 결과의 품질은 아래에 설명된 표준 용액을 준비하는 과정에서 기울이는 세심함과 정확성에 달려 있습니다! 이송 과정에서 용액을 흘리거나 피펫 사용에 실수가 있었다면, 처음부터 다시 시작하십시오.
2. 25 mL 부피 피펫을 신중하고 올바르게 사용하여 (지도 교수님이 올바른 기법을 시연해 주실 것입니다. 엄지손가락을 사용하지 말고, 눈금까지 배수하기 전에 피펫 외부를 닦아내고, 마지막에 매달린 물방울이 떨어질 때까지 약 20~30초 정도 기다리는 것 등을 기억하세요!!!)를 사용하여 레드 40 원액(약 4 × 10⁻⁵ M, 정확한 농도는 병 라벨을 확인하십시오)을 깨끗한 50.00 mL 부피 플라스크로 옮겨 담으십시오. 주의하여 탈이온수(DI water)로 눈금까지 희석하십시오. 남은 원액은 실험 후반부에 필요하므로 절대 버리지 마십시오. 뚜껑을 단단히 닫고 몇 분 동안 반복적으로 뒤집어 용액이 잘 섞이도록 하십시오. 뒤집어 섞는 동안 용액이 쏟아지지 않도록 뚜껑을 손으로 잡아주세요. 이 용액을 별도의 깨끗하고 건조한 에를렌마이어 플라스크로 옮겨 담으세요. 이 희석된 레드 40 용액의 부피를 계산하여 기록하세요. 아래 단계에서는 이 새로운 용액을 “희석 용액 #1”이라고 칭합니다.
3. 레드 40 원액 대신 “희석 용액 #1”을 사용하여 2단계의 희석 절차를 반복하십시오. 아래 단계에서는 이 새로운 용액을 “희석 용액 #2”라고 칭하십시오.
4. 레드 40 원액 대신 희석 용액 #2를 사용하여 2단계의 희석 절차를 반복하십시오. 아래 단계에서 이 새로운 용액을 “희석 용액 #3”이라고 칭하십시오.
5. 희석 용액 #3을 사용하여 희석 절차를 마지막으로 한 번 더 반복하십시오. 이 단계를 진행하려면 측정 플라스크 중 하나를 헹궈야 할 수도 있습니다. 여기서는 플라스크에 남아 있는 레드 40의 흔적을 완전히 제거하기 위해 탈이온수(DI water)로 여러 번 헹궈야 합니다. 부피 플라스크는 건조할 필요가 없습니다. 이 최종 용액을 “희석 용액 #4”라고 부를 것입니다.
6. 실험 노트나 데이터 기록지에 표를 작성하여 위 단계들을 상세히 기록하는 것이 중요합니다.
7. WallySpec 색도계를 사용하여 레드 40 원액과 희석 용액 1~4에 대한 Vsample 측정을 수행하십시오. 아래와 같은 표를 사용하여 이 데이터를 실험 노트에 기록하십시오.
8. WallySpec 색도계를 사용하여 레드 40 원액과 희석 용액 1~4에 대한 Vsample 측정을 수행하십시오. 아래와 같은 표를 사용하여 이 데이터를 실험 노트에 기록하십시오.
9. 데이터를 엑셀이나 다른 스프레드시트 프로그램에 입력하십시오. 포터 박사의 유튜브 동영상과 동일한 방식으로 %T 대 농도의 산점도를 작성하십시오. 그래프가 읽기 쉽고 복잡해 보이지 않도록 축 값을 조정하십시오. 각 축에 적절한 레이블을 반드시 지정하십시오. (a) 선형 추세선을 그려 본 다음, (b) 지수 추세선을 그려 보십시오. R² 값을 비교하여 판단하십시오. 어떤 추세선이 데이터에 더 잘 부합하는지 설명하십시오. 그래프를 완성한 후, 아래에 올바르게 레이블이 지정된 예시와 비교하십시오.
10. 데이터를 엑셀이나 다른 스프레드시트 프로그램에 입력하세요. 포터 박사의 유튜브 동영상과 동일한 방법으로 흡광도와 농도의 산점도를 작성하세요. 그래프가 읽기 쉽고 복잡해 보이지 않도록 축 값을 조정하세요. 각 축에 올바른 레이블을 반드시 지정하십시오. (a) 선형 추세선을 그어본 다음, (b) 지수 추세선을 그려보십시오. R² 값을 비교하여 판단하십시오. 어떤 추세선이 데이터에 더 잘 부합하는지 설명하십시오. 그래프를 완성한 후, 아래에 올바르게 레이블이 지정된 예시와 비교하십시오. 선형 그래프는 일반적으로 y = mx + b의 형태를 띠며, 여기서 m은 기울기이고 b는 y-절편입니다.
간단한 반성 질문:
Q1 - 흡광도 대 농도 산점도와 추세선에 대해: y절편 값이 얼마여야 하는지 논의하고 결정한 후, 이를 여러분의 그래프 값과 비교하십시오. 이는 기기의 성능에 대해 무엇을 시사합니까?
Q2 - 기울기의 올바른 단위를 구하십시오. 힌트: 이 값은 시료 농도의 변화에 대한 반응의 민감도를 나타냅니다. Red 40에 대한 문헌상 값은 2.13 × 10⁴입니다(기울기와 동일한 단위). 이 값을 기기의 그래프에 표시된 민감도와 비교하십시오. 기울기에 대한 상대 오차를 계산하십시오.
다이어트 체리 7UP이나 파워에이드 제로 스트로베리 등 레드 40이 함유된 일반 음료의 소량 시료를 준비하십시오. 색도계를 사용하여 두 음료 제품 모두에 대해 Vsample 측정을 수행하십시오. 이 데이터를 데이터 표에 기록하거나 추가하십시오. 보정 곡선의 추세선을 사용하여 각 시료의 레드 40 농도를 구하십시오. 계산을 통해 1회 제공량당 함유량(mg 단위)을 산출하십시오. 계산 예시는 위에 나와 있습니다.
원문: https://www.instructables.com/Simple-3D-Printed-Student-Assembled-Colorimeter-Ki/
https://www.instructables.com/Simple-3D-Printed-Student-Assembled-Colo…