글루코스를 감지하기 위한 유사 BJT 특성에 기반한 광학 측정 시스템의 분석

Abstract

레이저다이오드와 포토다이오드 또는 발광다이오드와 포토다이오드로 구성된 일반적인 광전도성 방식(photoconductive mode) 광학 측정 시스템에서 레이저다이오드(발광다이오드)와 포토다이오드의 양극(anode) 단자가 서로 맞닿도록 하여 직렬로 연결하면, 광원으로부터의 빛이 측정하고자 하는 대상을 투과한 후 포토다이오드로 입사되는 일련의 과정이 베이스 오픈 조건에서 동작하는 바이폴라 정션 트랜지스터에서 에미터-베이스 정션의 전류가 베이스-콜렉터 정션에 전류이득을 만드는 현상과 동일하다는 점을 이해하고, 이 사실로부터 측정 시스템의 동작을 모델링하였다. 바이폴라 정션 트랜지스터의 동작과 유사하다는 점에 착안하여 이를 유사 바이폴라 정션 트랜지스터 광학 측정 시스템(PBOS: pseudo BJT optical measurement system)이라고 하였다. 바이폴라 정션 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선이 BVCEO 이후에 음의 미분 저항 특성(NDR: negative differential resistance)을 보이며 베이스 공통 전류 이득 α0의 변화에 민감하게 반응하는 것과 마찬가지로, 유사 바이폴라 정션 트랜지스터 광학 측정 시스템의 전류-전압 특성 곡선의 경우도 포토다이오드의 파괴전압 이후 음의 미분 저항 특성을 보이며 광학적 전류 이득의 변화에 따라 민감하게 반응함을 모델로 예측하였다. 이 모델에 근거하여, 유사 바이폴라 정션 트랜지스터 광학 측정 시스템(PBOS)을 음의 미분 저항 특성이 나타나는 영역에서 동작시키는 경우, 단순히 측정 대상 물질의 투과율에 선형적으로 비례하여 포토다이오드에 생성되는 광전류의 차이를 이용하는 기존의 측정 시스템보다 더 나은 감도(sensitivity)와 더 낮은 검출 한계(LOD: limit of detection)를 보이는 것을 예측하였다. 또한, PBOS의 장점을 이용하여 낮은 농도의 물질을 측정하는 응용으로서, 여러 가지 농도의 글루코스 수용액의 글루코스 농도를 측정하고 기존의 측정 방식과 비교함으로써 앞서 제시한 이론적 근거를 뒷받침하였다.