KR101577435B1 - 잉크조성물을 이용한 온도변화 분석장치 및 분석방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬라이드 글라스 표면에 위치한 잉크 조성물, 상기 슬라이드 글라스 상면에 배치되어 빛을 발산하는 백색발광다이오드, 컬러 필터, 광 다이오드, 및 아날로그/디지털 변환기로 이루어지고 상기 슬라이드 글라스 하면에 배치되는 검출부를 포함하며, 상기 잉크조성물, 상기 백색발광다이오드, 상기 검출부는 암실 내에 위치한 것을 특징으로 하는 잉크조성물을 이용한 온도 변화 분석 장치에 관한 것이다.
본 발명을 통하여 광원의 선택적인 투과에 따른 온도 변화에 대해 객관적이고 정량적인 R, G, B 값으로 수치화할 수 있다.
본 발명은 의학 및 산업 분야에서 온도 계측, 온도 감시, 열 발생 여부 판단용으로 적용될 수 있다.

Description

잉크조성물을 이용한 온도변화 분석장치 및 분석방법{QUANTITATIVE ANALYSIS DEVICE AND METHOD OF TEMPERATURE CHANGE USING INK COMPOSITION}

본 발명은 온도에 따라 색상이 변하는 잉크조성물을 이용하여 온도 변화를 정량적으로 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

색들은 우리 시야에서 보이는 모든 것은 크고 작은 부분으로 이루어져 있고, 눈을 뜨고 있는 한 색채를 지각한다. 다양한 색들을 구별하는 색체계법으로는 먼셀의 표색체계와 CIE 색채체계법이 있다. 먼셀의 표색체계는 색의 삼속성인 색상, 명도, 채도로 색을 기술하는 방식의 대표적인 표색체계이다. CIE 표색계는 색을 객관적으로 표기할 수 있도록 실제적인 표준을 정의한 것이며 색을 빛의 물리량과 인간의 시 감각 신경을 자극하는 심리량으로 나타낸 것이다. CIE의 XYZ표색계에는 주어진 색과 동일한 색감을 일으키기 위한 혼합할 3원색의 자극의 양을 X,Y,Z로 나타낸다.

이러한 색체계법에 따라서 광이나 시약의 색변화를 구별하는데 이용될 수 있다. 그 중 하나인 시온잉크는 매우 간단하고 정량적이고 정확한 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이 염료는 전문용어로 ‘시온안료’, ‘측온안료’, '서모컬러(thermocolor)‘로 불린다. 온도를 올리면 색이 변했다가 내려가면 다시 원래 색으로 돌아오는 가역적인 것과 그렇지 않은 비가역적인 제품 두 종류가 있다. 시온 잉크는 기준 온도 이하에서는 고유 색상을 갖고 기준온도 이상에서는 투명하다. 큰 온도 차이가 아닌데도 색상이 나타났다가 다시 되돌아갈 수 있는 능력을 갖추고 있다는 점에서 유기화합물인 스틸벤 유도체를 원료로 제작된 것이다. 기본적으로 마이크로캡슐(Microcapsule) 물질로 이루어져 있으며 그 크기는 약 1-10μm이며, 이 캡슐이 파괴되면 그 성질을 잃게 되어 사용 시 고압, 고진공, 전자레인지 등의 고주파 가열 등에는 사용하지 말아야 한다.

온도변화에 대해 알아보면 온도는 물리적 상태량의 하나이지만 이것을 직접 계측할 수는 없고 변위, 압력, 저항, 전압, 주파수 등의 다른 물리량으로 변환하여 계측한다.

관련 선행특허로 대한민국 특허공개번호 10-2012-0070413호는 시온안료를 이용한 온도계 및 체온계에 관한 것으로서, 활성화 온도의 범위가 다른 시온안료를 이용하여 온도에 따라 색상 등이 시각적으로 변화할 수 있도록 표현한 시온안료를 이용한 온도계 및 체온계를 나타낸다고 기재하고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 잉크 조성물을 이용한 신규한 온도 변화 분석 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 온도 변화 분석 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 슬라이드 글라스 표면에 위치한 잉크 조성물, 상기 슬라이드 글라스 상면에 배치되어 빛을 발산하는 백색발광다이오드, 컬러 필터, 광 다이오드 및 아날로그/디지털 변환기로 이루어지고 상기 슬라이드 글라스 하면에 배치되는 검출부를 포함하며, 상기 잉크조성물, 상기 백색발광다이오드, 상기 검출부는 암실 내에 위치한 것을 특징으로 하는 잉크조성물을 이용한 온도 변화 분석 장치를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 잉크 조성물은 활성화 온도 범위 내에서는 특정 색상을 표시하고, 활성화 온도 범위 외에서는 투명한 성질을 가지는 시온물감과 일반물감을 혼합한 잉크 조성물인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 잉크 조성물은 5~15℃에서는 녹색, 25~35℃에서는 주황색, 40℃ 이상에서는 노란색으로 온도에 따라 세 가지 색상으로 변하는 시온물감을 포함하는 잉크조성물인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 있어서, 상기 잉크 조성물은 서로 다른 2 이상의 시온용액을 혼합한 잉크 조성물인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.

또 본 발명은 a) 암막 상태에서 암실 내부의 온도를 변화시키는 단계; b) 상기 온도변화에 따른 잉크 조성물의 색상 변화를 센서로 측정하는 단계; c) 상기 측정값을 아날로그/디지털 변환하여 적녹청(RGB) 데이터를 얻는 단계; 및 d) 적녹청(RGB) 데이터를 저장 후 분석하여 온도로 변환하는 단계를 포함하는 온도 변화 분석 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 색상 변화를 센서로 측정하는 단계는 백색발광다이오드에서 방출된 빛이 차례로 잉크조성물, 컬러필터를 통과하여 광다이오드에 도달하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다..

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 적녹청(RGB) 데이터를 저장 후 분석하여 온도로 변환하는 단계는 보간법을 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 변화 분석 방법인 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 있어서, 상기 온도 변화 분석 방법은 역변환 방법을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 변화 분석 방법인 것이 바람직하고, 상기 온도 변화 분석 방법은 함수 y=a₀xⁿ+a₁x^{n -1}+a₂x^{n -2}+…+a_nxⁿ의 관계식을 회귀분석을 이용하여 x=b₀yⁿ+b₁y^{n -1}+b₂y^{n -2}+…+b_nyⁿ의 형태로 변환하는 과정을 더 포함하고, 상기 식에서 x변수는 온도정보, y변수는 광신호, a₀-a_n은 모델링결과 얻어진 원 데이터의 계수값, b₀-b_n는 모델링결과 얻어진 수식의 역 변환된 계수값인 것을 특징으로 하는 단계를 더 포함하는 온도 변화 분석 방법인 것이 더 바람직하나 이에 한정되지 않는다.

본 발명에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명은 온도 변화에 따른 잉크 조성물의 색 변화를 통해 온도 변화를 검출 및 정량분석하는 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명을 통하여 광원의 선택적인 투과에 따른 온도 변화에 대해 객관적이고 정량적인 R, G, B 값으로 수치화할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 의학 및 산업 분야에서 온도 계측, 온도 감시, 열 발생 여부 판단용으로 적용될 수 있을 것이다.

도 1은 실제 발명에 사용된 방법의 개략도를 나타낸 그림임.
도 2는 실제 발명에 사용된 방법의 모식도를 나타낸 그림임. 물감 위에 백색 LED를 쏴 그 빛이 물감을 투과시켜 반사되는 원리를 이용하여 투과된 빛은 컬러 필터를 거쳐 포토다이오드에서 받음. 빛이 포토다이오드에 도달하기 전에 컬러 필터를 거치기 때문에 결과 값으로는 R, G, B 각각의 값을 데이터로 얻을 수 있음.
도 3은 실제 발명에 사용된 셋업그림임. 다른 빛들을 차단하기 위해 모두 암막 시킨 상태로 하였으며, 적외선 온도계를 고정시킨 후 최대한 같은 조건에서 온도를 측정하였음.
도 4는 시온용액과 일반물감을 혼합한 잉크 조성물을 이용한 경우 온도 변화에 대한 RGB 수치 변화를 나타낸 그림임. 도 4a는 파랑(일반물감) + 빨강(시온용액) = 보라인 경우 온도 변화에 대한 RGB 수치 변화를 나타낸 그림임. 도 4b는 파랑(시온용액) + 노랑(시온용액) = 초록인 경우 온도 변화에 대한 RGB수치 변화를 나타낸 그림임.
도 5는 시온물감 자체를 이용한 잉크 조성물을 이용한 경우 온도 변화에 대한 RGB 수치 변화를 나타낸 그림임.

실시예 1. 온도 변화에 따라 잉크조성물 색을 변화시키는 단계

본 발명에서는 물감을 사용한다. 물감은 안료의 성질을 최대한 살릴 수 있는 전색제를 조제하여 안료와 전색제를 혼합하여 만들어진다. 즉 시온용액과 일반물감을 혼합한 잉크 조성물을 이용하였다. 물감은 안료에 비해 가격이 저렴하고 쉽게 접할 수 있으며 시간이 지난 후에도 색이나 윤택을 유지하며, 변질 및 균열이 일어나지 않는 것이 특징이다.

시온물감과 일반물감은 http://swsciencemall.com/에서 시판 중인 것을 사용한다.

본 발명에서는 먼저 일반물감(파랑)과 시온용액(빨강)을 혼합한 시온물감으로 30도 이상이 되면 시온용액이 무색이 되고 일반물감색만 보이게 되는 물감을 선택하여 사용하였는데, 그 결과는 도 4a에 나타내었다.

본 발명에서 또 시온용액(파랑)과 시온용액(노랑)을 혼합한 잉크 조성물을 선택하여 사용하였는데, 그 결과는 도 4b에 나타내었다.

본 발명에서 또한 10℃ 부근에서는 녹색, 28℃ 부근에서는 주황색, 40℃ 이상에서는 노란색으로 세 가지 온도에 따라 세 가지 색상으로 변하는 시온물감을 사용하여 온도 변화에 따른 적녹청(RGB)값의 변화를 측정하였는데 이는 도 5에 나타내었다.

상기의 물감을 이용하여 온도를 저온에서 고온으로 단계별로 나누어 온도변화를 주는 방법을 사용하는데, 저온(10℃), 체온(28℃), 고온(40℃)으로 온도 변화를 준다. 또 다른 한 가지는 열을 가하여 30℃ 이상으로 한다.

실시예 2. RGB 결과값을 얻는 단계

실시예 1의 단계를 수행한 결과를 측정하기 위해 PICkitTM Serial Analyzer를 사용하는데, 상기의 장치는 물감의 색상을 RGB(Red-Green-Blue)로 나타내어 준다.

적녹청(RGB)이란 R(적색), G(녹색), B(청색)에 의해 색을 정의하는 색 모델, 또는 색 표시 방식을 말하는데, 빛의 3원색인 적·녹·청을 혼합하여 색을 나타내는 RGB 방식은 컬러 텔레비전이나 컴퓨터의 컬러 모니터, 또는 인쇄 매체가 아닌 기타 빛을 이용하는 표시 장치에서 채용되고 있다. RGB 방식은 적·녹·청을 혼합하여 원하는 색을 만드는 가색 방식을 사용한다. 즉, 화면상의 한 점의 색은 3색의 조합으로 만들어지는데, 조합해서 만들어지는 색은 다음과 같이 된다. R는 적색, G는 녹색, B는 청색, R＋G＝황색, R＋B＝붉은 보라색(마젠타), B＋G＝청록색(시안), R＋G＋B＝백색, R·G·B의 어느 것도 가해지지 않으면, 즉 어느 것도 비춰지지 않으면 흑색이 된다.

본 발명에서 사용한 PICkitTM Serial Analyzer 디지털 컬러 광센서는 정확하게 주변의 컬러 색도와 조명을 획득하고, 16비트들과 디지털 출력을 제공하도록 설계된 것으로 주위 빛의 조도, 해상도의 16비트 디지털 출력을 제공한다. 장치들은 광전 다이오드들, 아날로그 디지털 변환기, 그리고 제어 함수들을 포함한다. 16광전 다이오드의 네 개는 붉은 필터들을 가지고 있으며, 네 개는 녹색 필터들, 넷은 푸른 필터들을 가지고 있다. 그리고 넷은 필터를 가지고 있지 않다. 장치 대 장치, 시스템에서 시스템 간 허용 오차는 매우 정밀한 재연성이 있도록 하며 최소로 될 수 있도록 되어 있다.

실시예 3. A/D Converter 로 결과값을 디지털 출력하는 단계

4개의 통합 아날로그-디지털 변환기(A/D Converter)는 포토다이오드에 전류를 변환하여 디지털 출력을 한 다음 마이크로프로세서에 입력이 되어 RGB 값을 읽어내는 것이 가능하다. 4개의 포토다이오드, 4개의 모든 채널의 통합은 동시에 발생하고 변환 주기가 완료되면 변환결과는 채널 데이터 레지스터로 전송된다. 또한 색도좌표(X, Y)는 디스플레이의 백색 밸런싱을 할 목적으로 색 온도를 얻는데 사용할 수 있다.

실시예 4. 보간법 및 역변환방법을 사용하여 광신호를 온도로 환산하는 단계

보간법이란 어떤 간격을 가지는 2개 이상인 변수의 값 xi에 대해 함수값 f(xi)가 알려져 있을 경우, 그 사이의 임의의 x에 대한 함수값을 추정하는 것을 말하며, 이는 실험이나 관측에 의해 얻은 관측값으로부터 관측하지 않은 점에서의 값을 추정하는 방법이다.

실험을 통해 얻은 데이터들을 Matlab을 통해 각각의 R,G,B값들과 온도 범위를 정해주고 피팅(fitting)시켰다. Matlab이란 수치 해석, 행렬 연산, 신호 처리, 간편한 그래픽 기능 등을 통합하여 고성능의 수치 계산 및 결과의 가시화 기능을 제공하는 프로그래밍 언어이다. Matlab 코딩 체계는 수학적인 기호와 간단한 C 문법으로 되어 있는데, 수학과 관련된 계산, 알고리즘 개발, 상황 모델링과 분석, 여러 가지 과학과 공학적인 그래픽 표현 등에서 이용된다.

본 발명에서 R,G,B 값들을 입력하게 되면 해당되는 온도의 값을 찾을 수 있다. 함수를 이용하여 다항식 계수의 차수를 찾아 피팅(fitting)시킨다.

본 발명에서는 미세한 광량의 변화로 인한 위치 변화를 관찰하기 위해서 매트랩을 사용하여 모델링하였다. 미세한 위치 변화를 알아내기 위해 1차 다항식부터 7차 다항식까지 모델링을 하고 결정계수 값을 비교하여 가장 적합한 수식을 찾아내었다. 이를 통해 근사함수를 만들어 측정하지 않은 중간값도 추정할 수 있는 n차의 함수를 만들었다.

특히 온도 검출 방법으로는 역변환 방법을 사용하였는데 데이터가 점진적으로 증가(monotonically increase) 혹은 감소할 경우 역 모델링 방법을 사용 할 수 있다. 역변환의 경우 관계식을 회귀분석을 이용하여 x=f(y)의 형태로 변환되는 과정을 의미한다.

변수 사이의 관계를 분석하는 수단의 하나인 회귀분석은 회귀모형을 설정한 후 실제로 관측된 표본을 대상으로 회귀모형의 계수를 추정하여 변수 사이의 관계를 나타내 주는 선형회귀식을 도출하는 과정을 거친다.

결정계수는 이와 같이 표본관측으로 추정한 회귀선이 제 관측치를 어느 정도 대표하여 그 적합성을 보여주고 있는가를 측정하는 계수로 나타낸 것인데, 이 값은 0과 1사이의 값을 가진다. 이러한 결정계수는 두 변수 사이의 상관관계의 정도를 나타내는 상관계수(correlation coefficient, 일반적으로 r로 나타냄)를 제곱한 것과 같으며, 따라서 Ｒ²(R-Squared)로 표시한다. Ｒ²=1 일 경우 모든 표본 관측치가 추정된 회귀선 상에만 있다는 것을 의미하며 따라서 추정된 회귀선이 변수 사이의 관계를 완전히 설명해 주고 있음을 의미한다. 반면, Ｒ²=0 일 경우에는 추정된 회귀선이 변수 사이의 관계를 전혀 설명해 주지 못함을 의미한다.

하기에 관계식을 나타낸다. 여기서 y는 광신호를 의미하고 x는 R,G,B, 각각의 온도를 나타낸다. a₀-a_n은 모델링결과 얻어진 원 데이터의 계수값을 의미하고 b₀-b_n는 모델링결과 얻어진 수식의 역 변환된 계수값을 의미한다. 각각의 데이터에 대하여 1차~7차까지 모델링하였고, 가장 적합한 n차 다항식을 이용하여 x 변수인 온도정보와 y 변수인 출력 신호를 역변환 모델링하여 수식을 얻었다. 데이터가 계속적 증가할 경우는 역변환이 가능하여 비선형적 특성의 데이터도 모델링될 수 있다. 즉, 역변환을 하여 주어진 광신호가 온도로 환산될 수 있도록 하였고, 이로 인하여 광량의 변화만으로도 온도변화를 검출 할 수 있다.

y=a₀xⁿ+a₁x^{n -1}+a₂x^{n -2}+…+a_nxⁿ

x=b₀yⁿ+b₁y^{n -1}+b₂y^{n -2}+…+b_nyⁿ

데이터들을 피팅(fitting)시키고 난 후 원 데이터들의 그래프와 피팅(fitting)시킨 그래프를 비교해보고 R, G, B, 각각의 결정계수를 구하여 원 데이터와 얼마나 차이가 나는지, 유사한지를 확인해 볼 수 있다.

하기에 결정계수를 구하는 공식을 나타내고, 표 1에서 본 발명의 데이터 값에 따른 결정계수를 제시한다.

[결정계수를 구하는 공식]

혹은

결정계수	Red	Blue	Green
도 4a	0.9960	0.9966	0.9940
도 4b	1.0000	0.9876	0.9996
도 5	0.9323	0.9496	0.9401

표 1은 결정계수.

표 2에서는 세 단계로 변화하는 물감의 R, G, B 에 대한 사용 센서에서 측정된 최대값과 최소값을 나타낸다.

	max	min
Red	27450	0
Green	48100	0
Blue	50370	0

표 2는 R,G,B 에 대한 최대값과 최소값.

Claims (9)

1. 슬라이드 글라스 표면에 위치한 잉크 조성물,
   상기 슬라이드 글라스 상면에 배치되어 빛을 발산하는 백색발광다이오드,
   상기 슬라이드 글라스 하면에 배치되며 상기 백색발광다이오드로부터 발산된 빛이 통과하는 컬러 필터,
   상기 컬러 필터 하면에 배치되며 상기 컬러 필터를 통과한 빛을 광전류 신호로 변환하는 광 다이오드 및
   상기 광전류 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그디지털 변환기로 이루어지고 상기 슬라이드 글라스 하면에 배치되는 검출부를 포함하며,
   상기 잉크 조성물, 상기 백색발광다이오드, 상기 검출부는 암실 내에 위치한 것을 특징으로 하는 잉크조성물을 이용한 온도 변화 분석 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 잉크 조성물은 활성화 온도 범위 내에서는 특정 색상을 표시하고, 활성화 온도 범위 외에서는 투명한 성질을 가지는 시온물감과 일반물감을 혼합한 잉크 조성물인 것을 특징으로 하는 온도 변화 분석 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 잉크 조성물은 5~15℃에서는 녹색, 25~35℃에서는 주황색, 40℃ 이상에서는 노란색으로 온도에 따라 세 가지 색상으로 변하는 시온물감을 포함하는 잉크조성물인 것을 특징으로 하는 온도 변화 분석 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 잉크 조성물은 서로 다른 2 이상의 시온용액을 혼합한 잉크 조성물인 것을 특징으로 하는 온도 변화 분석 장치.
5. a) 암막 상태에서 암실 내부의 온도를 변화시키는 단계;
   b) 상기 온도변화에 따른 잉크 조성물의 색상 변화를 센서로 측정하는 단계;
   c) 상기 측정값을 아날로그디지털 변환하여 적녹청(RGB) 데이터를 얻는 단계; 및
   d) 적녹청(RGB) 데이터를 저장 후 분석하여 온도로 변환하는 단계;
   를 포함하는 온도 변화 분석 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 온도변화에 따른 잉크 조성물의 색상 변화를 센서로 측정하는 단계는 백색발광다이오드에서 발산된 빛이 차례로 잉크조성물, 컬러필터를 통과하여 광다이오드에 도달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 변화 분석 방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 적녹청(RGB)데이터를 저장 후 분석하여 온도로 변환하는 단계는 보간법을 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 변화 분석 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 온도 변화 분석 방법은 역변환 방법을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 변화 분석 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 온도 변화 분석 방법은 함수 y=a₀xⁿ+a₁x^{n -1}+a₂x^{n -2}+…+a_nxⁿ의 관계식을 회귀분석을 이용하여 x=b₀yⁿ+b₁y^{n -1}+b₂y^{n -2}+…+b_nyⁿ의 형태로 변환하는 과정을 더 포함하며, 상기 식에서 x변수는 온도정보, y변수는 광신호, a₀-a_n은 모델링결과 얻어진 원 데이터의 계수값, b₀-b_n는 모델링결과 얻어진 수식의 역 변환된 계수값인 것을 특징으로 하는 단계를 더 포함하는 온도 변화 분석 방법.
   
   
   
   
   
   

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