KR101111669B1 - 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 검출 장치에 관한 것이다. 본 발명의 검출 장치는 검출 물질과 반응하여 저항 변화를 발생하는 저항성 반응부, 상기 저항 변화에 따라 비선형적 특성을 갖는 전류 신호를 생성하는 검출 신호 생성부, 및 상기 전류 신호를 검출하는 신호 검출부를 포함하고, 상기 저항성 반응부와 상기 검출 신호 생성부는 병렬 연결된다.

검출 장치, 저항, 기준 저항, 다이오드, 비선형, 고감도

Description

검출 장치{APPARATUS FOR DETECTION}

본 발명은 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 감지 능력이 개선된 검출 장치에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2008-S-014-01, 과제명 : 가정용 고감도 배뇨분석 센서 모듈].

오늘날 일상생활 또는 특정 환경에서 화학적 또는 생화학적인 특정 물질을 감지하는 센싱 기술의 중요도가 매우 높아지고 있다. 이러한 센싱 기술이 적용된 검출 장치에 대한 많은 연구가 진행되고 있으나, 검출 장치의 낮은 검출 감도로 인해 제품의 상용화가 용이하지 못하였다.

일반적으로 검출 장치는 검출 물질이 가지고 있는 정보를 검출하는 기능을 수행하는 장치로서 센서(sensor)를 일예로 들 수 있다. 이러한 검출 장치에 적용된 가장 대표적인 센싱 기술 중의 하나로 전도성 변화 검출 소자를 사용하여 검출 물질이 전도성 변화 검출 소자의 표면에 흡착될 때 저항 변화를 검출하는 방법이 있다. 전도성 변화 검출 소자를 사용한 센싱 기술은 일예로, 액체 크로마토그래 피(liquid chromatography), 모세관 전기영동(Capillary electrophoresis), 세포분석법(cytometery), 셀 임피던스 분석(Cell impedance analysis) 등에 사용되고 있다.

한편, 전도성 변화 검출 소자를 사용한 검출 장치들은 검출 장치의 감지 능력을 향상시키기 위해서 검출 물질과의 표면 반응을 위해서 이산화주석(SnO2), 티타늄디옥사이드(TiO2), 산화아연(ZnO), 이산화망간(Mn2O3), 산화텅스텐(WO3) 등의 금속 산화물을 사용한다. 하지만, 금속 산화물을 사용한 검출 장치는 선택성과 민감도가 낮다는 단점을 갖는다.

특히, 농도 등이 낮은 검출 물질을 검출하는 경우에는 민감도가 높은 검출 장치를 필요로 한다. 그러나 현재 대부분의 검출 장치는 검출 물질과 반응 표면적을 증가함으로서 높은 민감도를 확보하려고 한다.

하지만, 검출 물질과 반응 표면적을 증가하는 방식을 통한 민감도 개선의 성능은 크게 증가되지 못한다. 따라서 표면적을 증가하는 방식과 다른 방식을 사용하여 민감도 즉, 감지 능력을 개선한 검출 장치에 대한 필요성이 있었다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 감지 능력이 개선된 검출 장치를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 검출 장치는 검출 물질과 반응하여 저항 변화를 발생하는 저 항성 반응부, 상기 저항 변화에 따라 비선형적 특성을 갖는 전류 신호를 생성하는 검출 신호 생성부, 및 상기 전류 신호를 검출하는 신호 검출부를 포함하고, 상기 저항성 반응부와 상기 검출 신호 생성부는 병렬 연결됨을 특징으로 한다.

이 실시예에 있어서, 상기 저항성 반응부는 상기 검출 물질과 반응하여 상기 저항 변화를 발생하는 센서 저항을 포함함을 특징으로 한다.

이 실시예에 있어서, 상기 검출 신호 생성부는 비선형적 특성을 갖는 비선형 소자를 포함하고, 상기 비선형 소자는 다이오드와 트랜지스터 중 하나임을 특징으로 한다.

이 실시예에 있어서, 상기 저항성 반응부에 직렬 연결되어 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 저항성 반응부에 직렬 연결되어 상기 전류 신호의 검출 감도를 조절하는 기준 저항을 더 포함한다.

본 발명에 의하면, 검출 장치는 비선형적 전류 변화 특성을 갖는 검출 소자를 추가로 사용함으로서 검출 물질과 반응한 저항 변화를 비선형적 전류 변화 특성을 갖는 능동 소자를 사용하여 극대화함으로서 감지 능력이 개선된다는 이점을 갖는다. 또한, 본 발명의 검출 장치에서 비선형적 전류 변화 특성을 갖는 능동 소자들은 외부 회로에 구현이 가능하므로, 제조 및 구성이 단순화가 가능, 검출 장치의 내구성 향상 및 능동 소자의 적용 및 교체가 용이하다는 이점을 갖는다. 또한, 능동 소자들을 외부 회로에 구현함으로서 검출 장치의 민감도 조절이 용이하다는 이 점을 갖는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 검출 장치를 제안한다. 특히, 감지 능력이 개선된 검출 장치를 제공한다.

본 발명의 검출 장치는 검출 물질과 반응하여 저항 변화를 발생하는 저항 소자와 비선형적 전류 변화 특성을 갖는 비선형 소자를 포함하고, 비선형 소자는 저항 소자와 병렬 연결되어 검출 물질로부터의 정보 획득에 사용된다.

본 발명의 검출 장치는 검출 물질이 가지고 있는 정보를 검출하는 기능을 수행하며, 일예로, 센서(sensor) 등을 포함한다. 본 발명의 검출 장치는 기체 또는 유체 내에 존재하는 화학적인 특징 또는 생화학적인 특징을 검출하는 것을 일예로 설명하기로 하지만, 화학적인 특징 또는 생화학적인 특징 이외의 다른 특징들을 가지고 있는 물질을 검출하는데 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.

본 발명에서는 검출 물질과의 표면 반응을 통해 저항 변화를 발생하는 전도성 변화 검출 소자의 구조에 비선형적인 특성을 갖는 능동 소자, 일예로 다이오드(diode) 또는 트랜지스터(transistor)를 병렬 연결하여 검출 물질이 가지고 있는 정보를 검출한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 검출 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도 면이다.

도 1을 참조하면, 검출 장치는 전원부(10), 저항성 반응부(20), 기준 저항(30), 검출 신호 생성부(40), 신호 검출부(50)를 포함한다.

전원부(10)는 저항성 반응부(20)에 직렬 연결되어 전원(예를 들어, 전압(Vs))을 인가한다.

저항성 반응부(20)는 검출 물질과 반응하여 저항 변화가 발생한다. 저항성 반응부(20)는 전도성 변화 검출 소자, 일예로 센서 저항(sensor register)(Rs)을 포함한다. 따라서 센서 저항 등에 검출 물질이 접촉하면 센서 저항의 저항이 변화하게 된다.

저항성 반응부(20)는 저항 변화로 인해서 전원부(10)에서 인가되는 전압에 의해 흐르는 전류(Is)가 변화한다. 이러한 전류의 변화는 검출 물질과의 표면 반응에 따라 발생되는 것이다.

검출 신호 생성부(40)는 저항성 반응부(20)와 병렬 연결되어 저항 변화에 따라 비선형적 특성(예를 들어, 비선형적인 전류 변화 특성)을 갖는 전류 신호를 생성한다. 여기서 비선형적 특성은 지수함수와 같은 특성을 의미한다. 검출 신호 생성부(40)는 저항 변화로 형성되는 전류(Is)로 인해 병렬 연결된 검출 신호 생성부(40)에 형성되는 전류(Id)도 변화한다.

한편, 전류 신호 생성부(40)는 비선형적 특성을 갖는 비선형 소자로 구성될 수 있으며, 비선형 소자는 일예로 비선형적 특성을 가지고 있는 다이오드, 트랜지스터 등의 능동 소자를 포함한다.

전류 신호 생성부(40)는 저항성 반응부(20)의 전류(Is)로 인해 형성되는 전류(Id)를 이용하여 비선형적 특성을 갖는 전류 신호를 출력한다. 여기서 전류 신호는 전류(Id)가 비선형적으로 증폭된 신호이다. 또한, 전류 신호 생성부(40)에 형성되는 전류(Id)는 저항성 반응부에 흐르는 전류(Is)에 비하여 훨씬 더 민감성이 향상된 전류 신호를 생성할 수 있다.

저항성 반응부(20)가 검출 물질과 표면 반응을 통해 저항 변화를 유발하면, 저항성 반응부(20)에 인가되는 전압이 변화하게 된다. 이러한 전압 변화로 인해 저항성 반응부(20)와 병렬로 연결되어 있는 검출 신호 생성부(40)에 흐르는 전류(Id)는 변화하게 된다.

수동 소자인 센서 저항과 같은 전도성 변화 검출 소자의 전기적 특성은 선형적인 특성을 갖는다. 그러므로 저항성 반응부(20)의 전기적 성질은 선형적인 특성 변화를 가지며, 전도성 변화 검출 소자의 민감도는 저항의 변화량과 동일한 값을 갖는다. 이에 반해, 능동 소자인 다이오드와 같은 비선형 소자의 전기적 특성은 비선형적인 특성을 갖는다. 그러므로 검출 신호 생성부(40)의 전기적 특성은 비선형적인 특성 변화를 가지며, 비선형 소자의 민감도는 전도성 변화 검출 소자에 비해 크게 증가하게 된다.

본 발명은 저항성 반응부(20)로부터의 선형적 저항 변화로 인한 전류 신호를 검출하지 않고, 검출 신호 생성부(40)로부터의 비선형적 저항 변화로 인한 전류 신호를 검출하여 감지 능력이 향상된다.

또한, 검출 신호 생성부(40)의 비선형 소자는 큰 값을 갖는 신호의 증폭율이 높기 때문에 전류 신호의 신호 대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)를 동시에 향상시킬 수 있다.

신호 검출부(50)는 검출 신호 생성부(40)로부터 전류 신호를 검출한다. 여기서 전류 신호는 비선형 소자 등을 사용하여 비선형적으로 증폭된 신호이며, 검출 신호 생성부(40)에 인가되는 전류로부터 생성된 신호이다.

한편, 신호 검출부(50)는 검출 신호 생성부(40)에 포함될 수도 있다.

또한, 기준 저항(30)(Rr)은 저항성 반응부에 직렬 연결되며, 상기 전류 신호의 검출 감도를 조절한다. 기준 저항(30)은 전류 신호의 검출 감도에 따라서 다양한 값을 가질 수 있으며, 기준 저항에도 전류(Ir)가 흐른다.

기준 저항(50)이 작은 값을 갖는 경우 전원부(10)의 인가전압이 저항성 반응부(20)에 인가되므로 검출 신호 생성부(40)는 낮은 인가전압에서 피크값을 형성한다. 이와 반대로 기준 저항(50)이 큰 값을 갖는 경우 높은 인가전압에서 피크값을 형성한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 검출 장치의 동작을 도시한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 검출 장치는 검출 물질과 반응하여 저항 변화를 발생한다(S100). 검출 장치는 검출 물질과의 표면 반응을 통해 전류를 변화한다.

다음으로 검출 장치는 비선형적 특성을 갖는 전류 신호를 생성한다(S200). 검출 장치는 비선형적 특성을 갖는 전류 신호를 생성하기 위하여 비선형 소자를 사용할 수 있으며, 비선형 소자를 통해서 전류 신호를 생성한다.

이후에는 검출 장치는 전류 신호를 측정한다(S300). 이때 검출 장치는 측정 된 전류 신호를 사용하여 검출 물질로부터의 정보를 획득할 수 있다.

검출 장치의 저항성 반응부에 포함된 저항 또는 기준 저항의 변화에 따른 민감도를 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하기로 하며, 이때 검출 신호 생성부의 비선형 소자로는 상용 다이오드의 하나인 D914N 다이오드를 사용하였다고 가정한다.

한편, 민감도는 다이오드의 전류 변화량을 의미하며, 다이오드로 인한 전류 변화량(

Id) 대 전류(Id)의 비율로 나타낼 수 있다. 또한, 하기에서는 저항성 반응부가 센서 저항(Rs)으로 구성된 경우와, 검출 신호 생성부가 다이오드로 구성된 경우라 가정한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저항성 반응부의 저항의 크기에 따른 민감도를 도시한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 기준 저항(Rr)이 센서 저항의 10배의 크기로 고정된다고 가정한다. 이때 센서 저항이 10옴(Ohm)부터 10배의 크기 단위로 변화할 때의 민감도를 나타낸 것이다.

그래프의 가로축은 전원부에서 인가되는 인가전압(Vs)이고, 세로축은 비선형 소자인 다이오드의 전류 변화량 즉, 민감도를 나타낸 것이다. 인가전압이 증가할수록 다이오드에서의 민감도는 점점 증가하여 피크를 형성하고 다시 감소한다.

전원부의 인가전압이 작은 값을 가지면, 다이오드에 인가되는 전압이 낮은 값을 갖는다. 이때 다이오드의 저항 성분이 센서 저항에 비해서 훨씬 더 큰 값을 가지고 있기 때문에 다이오드를 통한 민감도는 작은 값을 갖는다.

다음으로, 전원부의 인가전압이 증가하면, 다이오드의 저항 성분은 점차 작 은 값을 가지고, 센서 저항에 근접하면서 다이오드의 민감도는 점차 증가한다.

이후, 전원부의 인가전압이 증가하여 다이오드의 저항 성분이 센서 저항보다 작은 값을 가지면, 다이오드의 민감도는 점차 작은 값을 갖는다.

결국, 저항성 반응부의 저항이 작은 값을 가질수록 민감도는 증가하며, 높은 인가전압에서 민감도의 피크가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 다이오드를 통해서 획득하는 민감도는 센서 저항의 민감도에 비해 높은 값을 갖는다.

예를 들어, 검출 장치가 센서 저항만을 포함한 경우를 살펴보기로 한다. 센서 저항이 10% 증가하면 민감도는 0.1이 변한다. 이에 반해 검출 장치가 센서 저항과 병렬 연결된 다이오드를 포함한 경우 다이오드에서 생성되는 전류 신호는 비선형적 특성에 따라서 민감도가 향상된다. 이것은 저항성 반응부가 1키로옴(kOhm)에서 10%의 저항 변화가 발생한다고 가정하면 민감도는 4의 피크값을 갖는다.

따라서, 센서 저항을 사용하여 검출 물질의 정보를 검출하는 경우보다 병렬 연결된 다이오드를 사용하여 검출 물질의 정보를 검출하면 민감도는 40배로 증가한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기준 저항의 크기에 따른 민감도를 도시한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 센서 저항(Rs)을 1메가옴(MOhm)으로 고정하고, 기준 저항(Rr)의 변화(1MOhm 내지 10MOhm)에 따른 다이오드의 전류 변화량 즉, 민감도를 나타낸 것이다.

기준 저항은 전압분배 법칙에 의해서 저항성 반응부와 검출 신호 생성부로 인가되는 전압을 제어한다.

기준 저항의 값이 작은 값을 가질수록, 전원부의 인가전압(Vs)은 검출 신호 생성부에 비해 저항성 반응부에 상대적으로 많은 전압이 인가되도록 한다. 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 센서 저항의 양단에 큰 인가 전압이 인가될수록 다이오드는 더 낮은 인가전압에서 피크 값을 형성한다.

한편, 기준 저항의 값이 큰 값을 가질수록, 다이오드는 더 높은 인가전압에서 피크 값을 형성한다.

일예로, 기준 저항이 1메가옴(MOhm)을 갖는 경우 다이오드는 약 0.8V의 인가전압에서 피크 값을 형성하고, 기준 저항이 10메가옴(MOhm)을 갖는 경우 다이오드는 약 4V의 인가전압에서 피크 값을 형성한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 저항성 반응부의 저항 변화에 따른 민감도를 도시한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 센서 저항(Rs)의 초기값은 1kOhm으로 설정하고, 기준 저항(Rr)은 10kOhm으로 고정하였다고 가정하기로 한다. 이때 저항성 반응부의 저항 변화량이 1%에서 100%까지 변화할 때, 검출 신호 생성부의 민감도 변화를 나타내었다.

검출 장치가 센서 저항만 포함한 경우, 센서 저항이 검출 물질과의 표면 반응을 통해 저항 값이 2배 증가하면 전류(Is)의 변화는 2배가 된다.

하지만, 검출 장치가 검출 신호 생성부를 포함한 경우 다이오드의 전류 변화는 약 2만 배 가까이 증가한 것을 확인할 수 있다. 즉, 병렬 연결된 검출 신호 생 성부를 포함한 검출 장치는 저항성 반응부만을 포함한 검출 장치에 비해서 약 만배의 민감도가 개선된 것을 확인할 수 있다.

도 6은 도 5의 결과를 피크 민감도로 도시한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 그래프의 가로축은 센서 저항(Rs)의 변화량이고, 세로축은 비선형 소자인 다이오드의 전류 변화량 즉, 민감도를 나타낸 것이다.

센서 저항의 저항 변화량에 따라서 다이오드 신호 검출부의 민감도 변화는 지수배로 증가된다. 즉, 센서 저항의 저항 변화가 클수록 다이오드의 민감도 개선이 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 이에 센서 저항의 노이즈 변화에 비해서 실제 표면 반응을 통한 저항 변화에 대한 민감도가 훨씬 더 높은 것을 의미한다. 신호 대 잡음비도 검출 신호 생성부를 이용하면 개선됨을 확인할 수 있다. 또한, 다이오드를 통한 민감도의 증가는 신호뿐만 아니라 잡음에 대해서도 개선된다.

본 발명은 고감도를 갖는 검출 장치를 제공하는 것이 가능하며, 본 발명의 검출 장치는 기체 또는 유체 내에 존재하는 특정 작용기를 검출할 수 있다. 따라서 본 발명의 검출 장치는 특정 작용기를 갖는 분자를 검출하기 위한 화학 및 바이오 센서로 활용될 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 검출 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 검출 장치의 동작을 도시한 순서도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저항성 반응부의 저항의 크기에 따른 민감도를 도시한 그래프,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기준 저항의 크기에 따른 민감도를 도시한 그래프,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 저항성 반응부의 저항 변화에 따른 민감도를 도시한 그래프,

도 6은 도 5의 결과를 피크 민감도로 도시한 그래프,

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 검출 장치는 전원부 20: 저항성 반응부

30: 기준 저항 40: 검출 신호 생성부

50: 신호 검출부

Claims (5)

1. 검출 물질과 반응하여 저항 변화를 발생하는 저항성 반응부;

   상기 저항 변화에 따라 비선형적 특성을 갖는 전류 신호를 생성하는 검출 신호 생성부; 및

   상기 전류 신호를 검출하는 신호 검출부를 포함하고,

   상기 저항성 반응부와 상기 검출 신호 생성부는 병렬 연결됨을 특징으로 하는 검출 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 저항성 반응부는 상기 검출 물질과 반응하여 상기 저항 변화를 발생하는 센서 저항을 포함함을 특징으로 하는 검출 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 검출 신호 생성부는 비선형적 특성을 갖는 비선형 소자를 포함하고,

   상기 비선형 소자는 다이오드와 트랜지스터 중 하나임을 특징으로 하는 검출 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 저항성 반응부에 직렬 연결되어 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포 함하는 검출 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 저항성 반응부에 직렬 연결되어 상기 전류 신호의 검출 감도를 조절하는 기준 저항을 더 포함하는 검출 장치.

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