비침습적 음주 측정기 디자인

  • 2017년 04월호
  • 살릴 자인(테크니컬 리더, AMG Central LAB), 알록 미탈(그룹 매니저, AMG Central LAB), 사우라브 소나(테크니컬 리더, AMG Central LAB)



▲ (좌부터) 살릴 자인(테크니컬 리더, AMG Central LAB), 알록 미탈(그룹 매니저, AMG Central LAB), 사우라브 소나(ㅒ테크니컬 리더, AMG Central LAB)


음주 측정기를 사용하면 비침습적으로 대상자의 호흡에 함유된 알코올 농도를 수치화할 수 있다. 

음주 측정기(Breath Analyzer)는 로버트 프랭크 보르켄슈타인(Robert Frank Borkenstein)이 발명한 것으로, 혈중 알코올 농도(BAC)를 지정된 단위로 계산할 수 있다. 검사된 공기/호흡에 알코올 농도가 소량이라 하더라도 실제 값에 비교적 충실한 결과값을 얻을 수 있다.

혈류에서 폐의 공기로 알코올이 기화하는 작용을 활용하는 것이 음주 측정기의 기본적인 작동 원리다.

알코올은 소화 기관에서 흡수된 후에 혈류로 들어가서 전신으로 전달된다. 호흡 과정을 통해서 폐의 공기로부터 산소가 혈류로 들어가고 혈류로부터의 이산화탄소가 호흡으로 기화된다. 술을 마시게 되면 이산화탄소와 함께 기체 교환 작용에 의해 많지 않은 양의 알코올 또한 호흡으로 방출된다.

‘헨리의 법칙(The Henry’s Law)’에 의하면 사람 호흡에 포함된 알코올 수치는 혈류의 알코올 농도에 따라 달라진다. 평형 상태일 때 혈중 알코올 농도(Blood Alcohol Concentration: BAC) 대 호흡중 알코올 농도(Breath Alcohol Concentration: BrAC)의 비율은 2,300:1이며 이는 거의 일정하다. BAC의 법적 한계는 국가에 따라 농도 단위를 mg/100ml, mg/g, g/l, mg/ml로, BrAC 한계는 mg/l, g/l, g/100ml로 지정하고 있다.

 

신뢰할 수 있는 BAC 측정을 얻기 위해서는 호흡 샘플링이 혈관에 되도록 가깝게 이뤄져야 한다. 〈그림 1〉은 일반인과 음주자의 기체 교환 프로파일을 보여준다. 폐에는 폐포라 불리는 작고 깊은 모세관이 있으며, 이 폐포가 얇은 막을 사이에 두고 혈관과 가장 가깝다. 이 혈관으로부터 이산화탄소와 함께 알코올 성분이 폐포로 방출된다.

호흡 중 알코올 농도는 어떤 사람이 특정 시점에 얼마나 취해 있는가를 나타낸다. 이 결과값은 시시때때로 달라진다. 더 많은 알코올을 섭취할수록 BAC가 높아질 것이다. 하지만 알코올 섭취를 멈추더라도 BAC가 계속해서 높아질 수 있다. 앞서 섭취한 알코올이 미처 혈류로 흡수되지 않았을 수 있기 때문이다. 결과적으로 알코올 섭취를 중단하면 혈중 알코올 수치는 떨어지기 시작하며 BAC가 낮아질 것이다.

휴대가 간편하면서 정확도가 뛰어나고, 작동 및 캘리브레이션이 손쉽고 데이터 안전성을 제공하면서 첨단 스마트폰과 통합할 수 있는 음주 측정기에 대한 요구가 끊이지 않자 ST마이크로일렉트로닉스는 임베디드 기술을 활용한 ‘음주 측정기’를 개발하게 됐다. 이 음주 측정기 디자인은 크기가 콤팩트하며 사용자 차원에서 NFC 링크를 사용해서 편리하게 캘리브레이션을 할 수 있다. 또한 고품질 솔레노이드(Solenoid) 에어 펌프와 연료 전지(Fuel-Cell) 센서를 사용함으로써 정확한 결과값을 제공한다.

솔레노이드 에어 펌프 

솔레노이드 에어 펌프를 사용하면 샘플을 수집하고 이를 센서 웨이퍼(연료 전지)로 보낸다. 센서는 200 ms처럼 정해진 간격으로 활성화된다. 수집된 샘플을 솔레노이드 에어 펌프를 통해 뿜어내고, 센서 웨이퍼를 리셋해서 새로운 샘플을 수집할 수 있게 한다. 이처럼 샘플링, 홀딩, 리셋 세 부분으로 절차가 이루어진다. 솔레노이드 에어 펌프의 면적은 샘플 체적과 비례한다. 〈표 1〉은 대표적인 솔레노이드 직경과 샘플 체적을 보여준다.

 

샘플 영역은 센서 판독의 정확도를 떨어뜨리지 않으면서 샘플 체적에 따라 크게 줄어들 수 있다. 정확한 측정을 위해서는 0.25~0.50cm3의 샘플 체적이면 충분하다. 솔레노이드 에어 펌프의 직경이 작으면 좋지만, 이 경우에는 신호 진폭을 낮추고 이는 다시 SNR(신호대 잡음)을 낮추므로 관련된 전자장치들의 부담을 가중시킬 수 있다.

음주 측정기 센서 

호흡 샘플링은 음주 측정기 센서에 의해 이뤄진다. 연료 전지 센서, 반도체 센서, 분광광도계 센서 같은 다양한 유형의 센서들을 사용할 수 있으며, 다른 센서들과 비교할 때 각각 장점과 한계점을 가지고 있다.

전기화학적 연료 전지 센서 

이 센서를 사용한 음주 측정기는 전극 시스템 표면에서 발생되는 화학 작용의 결과로서 전기 전류를 발생시킨다. 연료 전지 센서에서는 알코올(에탄올)이 촉매 전극 표면(백금/금)에서 화학적 산화 작용을 거치면서 수치화가 가능한 전기 반응을 발생시킨다. 이 센서는 알코올에 대해 특이성과 민감성이 뛰어나며, (당뇨병 환자에게서 발생하는) 아세톤과 일산화탄소, 톨루엔 같은 내인성 물질에 의해 측정이 영향을 받지 않는다.

또한 캘리브레이션 안정성이 우수하며 평균 수명은 5년에 이른다. 이 센서는 호흡 샘플이 폐포(깊은 폐 공기)에서 나온 것인지 감지하지 못한다. 그 결과, 대상자가 방금 음주를 했고 아직 입 안에 알코올이 남아 있으면 높은 리딩을 잘못 발생시킬 수 있다(입 안의 알코올이 아주 빠르게 기화되기 때문에 그럴 가능성은 높지 않다).

반도체 센서 

호흡 중 알코올을 측정할 수 있는 경제적인 솔루션이지만 신뢰성과 정확도가 떨어질 수 있다. 반도체 기술은 산화 센서를 사용해 센서의 이산화주석(SnO2)과 호흡 샘플의 에탄올 분자 사이의 반응을 측정한다. 에탄올 분자가 이산화주석을 만나면 그 반응으로 인해 센서의 전기 저항이 변화된다. 반도체가 이 차이를 측정하고 샘플의 BAC 추정치를 계산한다. 이 센서는 제조 원가가 저렴하기 때문에 가격대가 합리적이며 저전력 휴대용 시스템을 가능하게 한다. 반면에 안정성이 떨어지며 대기, 고도, 고지대에 극히 민감하다.

분광광도계(Spectrophotometer) 

이 기술은 대형 테이블탑 음주 측정기에 주로 사용된다. 분광광도계는 적외선 광을 흡수할 수 있는 성질에 기반하여 분자를 식별하는 방식으로 작동한다. 샘플 내의 에탄올을 가려내고 측정함으로써 대상자의 알코올 수치를 계산할 수 있다. 이 장비는 고가이며 대체로 주문형으로 제공된다.

ST마이크로일렉트로닉스의 음주 측정기 디자인에 사용된 전기화학적 연료 전지 센서는 높은 캘리브레이션 안정성, 긴 수명, 높은 정확도를 보인다.

ST마이크로일렉트로닉스의 음주 측정기 아키텍처 

〈그림 2〉의 음주 측정기 하드웨어 아키텍처는 16MHz STM8L 코어를 기반으로 한 배터리 사용 휴대형 디자인이다. STM8L은 디버그 모듈과 하드웨어 인터페이스(SWIM: Single Wire Interface Module)를 포함시켜 비침습적 인-애플리케이션(In-Application) 디버깅과 극히 빠른 플래시 프로그래밍을 할 수 있다. 극저전력 STM8L152R8T6은 1.8~3.6V 전원으로 동작한다. 또한 포괄적인 절전 모드들을 제공하므로 저전력 애플리케이션을 설계할 수 있다.

 
  

〈그림 3〉은 이 음주 측정기 시스템 레퍼런스 디자인을 보여준다. 〈그림 3 (a)〉와 〈그림 3 (b)〉는 이 레퍼런스 디자인 PCB의 전면 및 후면 패널이고, 〈그림 3 (c)〉는 패키지를 적용한 제품을 보여준다. 3.7V 리튬이온배터리로 작동하며, 배터리 충전 IC로는 STC4054GR을 사용하고 월 어댑터를 사용해서 충전할 수 있으며, 전압 검출 IC STM1061N31WX6F를 사용해 배터리 잔량 부족을 지시한다. ALS(주변 빛 센서)로 주변 빛의 세기를 감지해 LCD 디스플레이 용 LED 백라이트를 자동으로 켠다.

콘덴서 마이크로폰을 사용해 검사 대상자가 마우스피스로 숨을 잘 불어 펌프를 작동시키고 정해진 정확한 양(0.25 ml)의 공기 샘플을 수집했는지를 감지한다. 알코올을 함유한 공기 샘플이 연료 전지 센서와 상호작용하면 알코올 농도에 비례하는 전류를 발생시킨다.

센서가 발생시킨 전류는 트랜스 임피던스 증폭기로 구성된 연산 증폭기 TS507ILT를 사용해 전압으로 변환한다. 센서 전류에 비례하는 이 전압을 STM8L로 통합된 12비트 ADC로 샘플링하고 시간에 걸쳐 적분한다. 결과 출력을 계산에서 도출된 일차 선형 방정식 계수를 사용하여 BAC로 변환한다. 이 정보는 LCD로 표시되며, 이 리딩을 사용자가 선택적으로 듀얼 인터페이스 EEPROM에 저장할 수 있다.

주요 특징 

· STM8L 저전력 MCU를 기반으로 한 레퍼런스 디자인으로서 비침습적으로 혈중 알코올 농도(BAC)를 측정한다.
· 반도체 센서에 비해서 민감성이 뛰어나기 때문에 연료 전지 센서를 사용한다. 이 점은 특히 아세톤으로 인해 높게 나타나는 잘못된 리딩을 줄이는 데 중요하다. 당뇨병 환자의 호흡에서는 상당한 양의 아세톤이 발생할 수 있다.
· 연료 전지 출력의 전류 적분 기법을 사용해서 BAC를 계산한다. 이 기법은 단기적 및 장기적 캘리브레이션 안정성이 매우 뛰어나다.
· 재충전 가능한 3.7V 리튬이온 배터리를 사용해서 시스템을 구동한다.
· 단일 셀 리튬이온 기반 솔루션용으로 설계된 STM1061N31 전압 검출기를 사용해 배터리 잔량 부족 검출을 구현한다.
· 6자리 영숫자 유리 LCD를 사용해서 정보를 표시한다.
· ALS를 사용해 자동 LCD 백라이트를 구현함으로써 어두운 곳에서도 LCD 스크린을 볼 수 있다.
· 온보드 듀얼 인터페이스 EEPROM으로 날짜 및 시간 스탬프와 함께 최대 396개 BAC 리딩을 저장할 수 있다.
· 안드로이드 애플리케이션을 사용해 NFC 인터페이스를 통해 RF EEPROM으로 데이터 로깅을 할 수 있다.
· STC4054GR을 기반으로 한 온보드 배터리 충전 회로를 포함하므로 외부적 5V 월 어댑터를 사용해 충전할 수 있다.
· 효율적인 하드웨어 및 펌웨어 설계로 타임키핑 동작을 하면서 8 μA 대의 극히 낮은 대기 전력 소모를 달성한다.

적용할 수 있는 대표적인 애플리케이션으로는 ▲규제 기관에서의 음주 측정기 사용 ▲자동차의 시동 연동 장치에 사용 ▲개인이 휴대해 합법적이고 안전하게 운전하는지 확인 등이 있다.

응답 곡선 

통상적으로 피크 전압 기법과 전류 적분 기법, 이 두 가지 기법을 사용해서 최종적인 BAC 값을 계산할 수 있다. 

전류 적분 기법의 경우, 음주 측정기 센서로부터 리딩을 포착하고 이것을 관련 회로를 사용하여 등가 전압으로 변환한다. 이렇게 획득한 전압은 센서의 전기 전류 입력과 비례한다. 〈그림 4〉에서는 일반인과 음주자에게서 포착한 신호 그래프를 보여준다.

 

전류 임계값을 정의해 최소 분해능을 정하며, 이 임계값을 넘는 값은 음주자의 알코올 함유량을 나타낸다. 또한 음주 측정기 센서를 통해 호흡을 포착하기 위한 시간 범위를 정의한다. 이 시간 간격 안에서 전류 임계값을 넘는 모든 값을 적분하고 평균을 내서 최종적인 BAC 값을 얻는다.

 

피크 전압 기법의 경우, 〈그림 5〉와 같이 음주 측정기 센서에서의 전류 출력을 관련 회로로 보내 등가 전압으로 변환한다. 그 다음 마이크로컨트롤러 유닛이 출력 전압 피크를 프로세싱하고 마이크로컨트롤러 내의 내부적 ADC를 작동시키며, 최종적으로 ADC 출력을 포스트 프로세싱해서 BAC를 수치화한다.

화학 방정식 

연료 전지 센서(ST마이크로일렉트로닉스 솔루션에 사용)의 경우, 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)처럼 2개 단자를 사용한다. 음주를 한 사람의 호흡을 샘플링하면 애노드 단자에서는 이 호흡에 들어 있는 알코올 성분을 검출하고 이것을 에탄산(아세트산이라고도 함)으로 변환한다.

CH3CH2OH(Alcohol) + H2O(Water) → CH3COOH(Ethanoic Acid) + 4H+ + 4e-

동시에 캐소드 단자에서는 공기 중의 산소가 환원된다.

O2(Atmospheric Oxygen) + 4H+ + 4e- → 2H2O(Water)

전체적인 화학 물질로서 그 성분은 아래 방정식에서 보듯 에탄산과 물이다.

CH3CH2OH(Alcohol) + O2(Atmospheric Oxygen) → CH3COOH(Ethanoic Acid) + H2O(Water)

 

〈그림 6〉은 연료 전지 기반 음주 측정기 센서의 화학 반응과 전류 흐름 메커니즘을 보여준다. 위 방정식에서처럼 애노드와 캐소드 사이에 전자의 흐름으로 인해 전기 전류가 발생된다. 이 전류는 애노드 단자에서 알코올 성분 농도와 비례한다. 이것을 마이크로컨트롤러가 포착하고 포스트 프로세싱을 해 LCD 디스플레이로 BAC 값을 표시한다.

디바이스 캘리브레이션 

연료 전지 기반 음주 측정기 센서는 에탄올뿐만 아니라 먼지 및 여타 화학 반응 때문에 애노드/캐소드 부식/오염이 발생해 오차를 일으키기 쉽다. 따라서 일년에 한 번 정도는 오염물 제거와 캘리브레이션이 필요하다.

 

이들 센서를 캘리브레이션하려면 건식과 습식 등 다양한 기법을 사용할 수 있다. 건식 기법은 연료 전지 필라멘트를 통해 질소와 에탄올로 이루어진 기체 혼합물을 통과시키고, 핸드헬드 장비를 사용해서 센서를 캘리브레이션하는 것이다. 이 기법은 비용이 덜 들지만 그만큼 정확도가 떨어진다. 습식 기법은 연료 전지 필라멘트를 에탄올 수용액에 담그고 시스템을 시뮬레이트해 캘리브레이션한다.

이 캘리브레이션 기법은 비용이 더 많이 들고 부피가 큰 계측 장비가 필요하지만, 더 높은 캘리브레이션 정확도를 달성할 수 있다.
음주 측정기가 측정하는 BAC 값은 다음과 같이 얻을 수 있다.

BAC% = ADC value ÷ Threshold

여기에서 ‘ADC Value’는 전류 적분 후에 얻은 값이고, ‘Threshold’는 정확한 BAC%를 달성하기 위한 기준 임계값이다. 캘리브레이션을 할 때는 통상적으로 이 Threshold를 조정해서 정확한 결과값을 달성하도록 한다. ST마이크로일렉트로닉스의 STM8L 디바이스를 사용하여 개발된 이 데모 보드의 디폴트 Threshold는 0x5000이다. 음주 측정기 센서를 BAC%가 알려진 샘플 용액/혼합물에 노출시키면, 음주 측정기로부터의 출력 BAC%가 알려진 BAC% 값과 정확하게 일치하도록 Threshold를 조정할 수 있다.

 

ST마이크로일렉트로닉스는 안드로이드 기반 앱인 ‘NfcV 리더(NfcV-reader)’를 개발했다. 이 앱을 사용하면 NFC 가능 스마트폰과 통신하고 음주 측정기의 Threshold 값을 조정할 수 있다. 이 앱은 구글 플레이 스토어에서 다운로드할 수 있다.

Threshold 값을 조정하려면 〈그림 8〉에서처럼 NFC 가능 스마트폰을 정해진 위치에 놓고 0x0000 위치에 원하는 Threshold 값(16진수)을 입력한다. 이 값을 업데이트하면 음주 측정기가 새로운 Threshold 값을 사용하여 BAC%를 계산한다.

맺음말 

규제 기관의 음주 단속, 시동 연동 장치, 안전한 운전을 위한 자가 측정 같은 실시간 애플리케이션을 위해서는 호흡 중 알코올 농도와 혈중 알코올 농도를 편리하게 검사할 수 있어야 한다. 그러한 검사를 위해 전문적으로 설계된 휴대용 장비로 이를 실현할 수 있다. ST마이크로일렉트로닉스가 개발한 음주 측정기 레퍼런스 디자인은 저전력이며(재충전 가능한 3.7V 리튬이온 배터리 사용) 극히 낮은 대기 전력을 소모한다. 이 디자인에 사용된 센서는 연료 전지 센서이며, 데이터 프로세싱 용으로 STM8L 마이크로컨트롤러를 사용한다. 또한 ST마이크로일렉트로닉스의 무료 안드로이드 앱 ‘NfcV 리더’는 음주 측정기를 빠르게 캘리브레이션해준다. 이 솔루션을 기반으로 경찰서나 규제 기관용으로 보다 발전된 음주 측정기를 개발할 수 있을 것이다.

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