KR101629095B1

KR101629095B1 - 포지티브 피드백을 이용한 센싱 시스템

Info

Publication number: KR101629095B1
Application number: KR1020140147151A
Authority: KR
Inventors: 박영준; 최성욱; 이상우
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-06-09
Also published as: KR20150050331A; KR101592759B1; WO2015065021A1; KR20150050415A; KR101581588B1; WO2015065024A1; KR20150050413A

Abstract

본 실시예에 따른 센싱 시스템은, 검출 물질에 비광학적 자극을 인가하는 비광학적 액츄에이터(non-optical actuator); 상기 비광학적 자극이 인가된 매질의 성질에 따라 형성되는 비광학적 반응에 상응하여 스냅백(snapback) 형태를 가지는 전기적 신호를 출력하는 비광학적 검출기(non-photo detector); 상기 비광학적 검출기가 출력하는 상기 전기적 신호를 증폭하고, 증폭된 상기 전기적 신호를 상기 비광학적 액츄에이터에 포지티브 피드백(positive feedback)하여 인가하는 증폭기(amplifier); 및 상기 전기적 신호를 인가받아 상기 매질의 상기 성질을 검출하는 출력부를 포함한다.

Description

포지티브 피드백을 이용한 센싱 시스템{Sensing System Using Positive Feedback}

본 발명은 포지티브 피드백을 이용한 센싱 시스템에 관한 것이다.

종래 액츄에이터(actuator)와 센서(sensor)를 사용하는 센싱 시스템은 액츄에이터에서 발생하는 입력 신호의 크기를 일정하게 유지하여, 센서는 액추에이터에 의하여 형성되는 매질의 변화를 검출하였다. 종래 기술에 의한 센싱 시스템은 액츄에이터, 매질 및 센서를 단일단으로 형성하거나, 또는 보다 안정적인 구성을 위하여 네거티브 피드백(negative feedback) 형태로 센싱 시스템을 형성하였다.

일 예로, 탁도 센서의 경우 농도를 측정하고자 하는 물질을 포함하는 매질에 액츄에이터가 일정한 광을 조사하면, 센서는 매질을 투과한 광을 센싱하고, 광을 전기적 신호로 변환하여 매질에 포함된 물질의 농도를 측정하였다.

종래의 센싱 시스템은 제한된 검출한계(LOD, Limit Of Detection)를 가진다. 일 예로, 수질 센서로 사용되는 경우에 센싱 시스템의 검출한계 특성이 높아 물에 검출하고자 하는 물질이 검출한계 이하로 미량 포함된 경우에도 해당 물질이 포함되지 않은 것으로 파악할 수 밖에 없었다.

본 발명은 상술한 종래 기술에 의한 센싱 시스템의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 보다 향상된 검출 한계 특성을 가져서 보다 미량의 물질이 포함되어도 보다 높은 민감도로 검출할 수 있는 센싱 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다.

본 실시예에 따른 센싱 시스템은 검출 물질에 비광학적 자극을 인가하는 비광학적 액츄에이터(non-optical actuator); 상기 비광학적 자극이 인가된 매질의 성질에 따라 형성되는 비광학적 반응에 상응하여 스냅백(snapback) 형태를 가지는 전기적 신호를 출력하는 비광학적 검출기(non-photo detector); 상기 비광학적 검출기가 출력하는 상기 전기적 신호를 증폭하고, 증폭된 상기 전기적 신호를 상기 비광학적 액츄에이터에 포지티브 피드백(positive feedback)하여 인가하는 증폭기(amplifier); 및 상기 전기적 신호를 인가받아 상기 매질의 상기 성질을 검출하는 출력부를 포함한다.

또한, 본 실시예에 따른 센싱 시스템은 매질에 비광학적 자극을 인가하는 비광학적 액츄에이터; 바이어스 전류가 인가되며, 상기 매질의 비광학적 반응이 입력되는 비광학적 검출기; 및 상기 바이어스 전류가 증가함에 따라 상기 비광학적 액츄에이터의 상기 비광학적 자극을 증가시키는 포지티브 피드백 유닛을 포함한다.

본 실시예에 의한 센싱 시스템에 의하면 종래의 센서로 검출할 수 없었던 정도로 낮은 농도의 검출 대상 물질을 검출할 수 있다는 장점이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 센싱 시스템의 개요를 도시한 블록도(block diagram)이다.
도 2는 도 1의 센싱 시스템에 있어서, 광학적 액추에이터 및 검출기가 사용된 일례를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 센싱 시스템에 있어서, 비광학적 액추에이터 및 검출기가 사용된 일례를 나타내는 회로도이다.
도 4는 일 실시예에 의한 센싱 시스템으로 매질에 포함된 물질인 BSA(Bovine Serum Albumin)을 검출할 때 광학적 검출기가 출력하는 전기적 신호의 전류-전압 특성 곡선이다.
도 5는 스냅백 구간에서 매질에 포함된 물질의 농도별 전류-전압 특성의 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 6a는 종래 기술에 따른 센서로 측정한 BSA 측정의 결과값을 도시한 도면이고, 도 6b는 일 실시예로 측정한 BSA 측정의 결과값을 도시한 도면이다. 도 6c는 일 실시예에 의한 센싱 시스템의 BSA 검출 능력을 정리한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 270, 280, 340nm LED를 사용하여 NADH를 측정한 전류-전압 특성곡선이며, 도 7d는 일 실시예에 의한 센싱 시스템의 NADH측정 능력을 도시한 도면이다.
도 8은 그라핀 산화물(Graphene Oxide)의 농도를 측정한 결과에 대한 전류-전압 특성 곡선이다.
도 9a 내지 도 9c는 880nm, 405nm, 280nm 적외선 LED를 각각 사용하여 탁도(turbidity)를 측정하여 얻은 전류-전압 곡선이며, 도 9d는 일 실시예에 따른 센싱 시스템을 이용한 측정 한계를 도시한 도면이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 의한 센싱 시스템의 개요를 도시한 블록도(block diagram)이다. 도 2는 도 1의 센싱 시스템에 있어서, 광학적 액추에이터 및 검출기가 사용된 일례를 나타내는 회로도이다. 도 3은 도 1의 센싱 시스템에 있어서, 비광학적 액추에이터 및 검출기가 사용된 일례를 나타내는 회로도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 센싱 시스템은 액추에이터(100)를 포함한다. 일 예로, 액추에이터(100)는 광학적 액추에이터(100A)일 수 있으며, 광학적 액추에이터(100A)는 매질(200A)에 광학적 자극을 인가한다. 이하에서는 자외광, 가시광, 적외광 및 레이저 광을 제공하는 액추에이터를 광학적 액추에이터라고 정의한다. 일 예로, 광학적 액추에이터(100A)는 광을 제공하는 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD, Laser Diode) 등으로 구현될 수 있다. 발광 다이오드는 가시광, 자외광 또는 적외광 파장 대역의 광을 조사할 수 있으며, 레이저 다이오드는 270nm 내지 3330nm 대역 중 특정 대역을 가지는 레이저 광을 조사할 수 있다. 센싱 시스템으로 검출하고자 하는 매질(200A)의 성질(property)에 따라 적합한 대역을 가지는 광을 조사하도록 광학적 액추에이터(100A)를 구비하는 것이 바람직하다.

다른 예로, 액추에이터(100)는 비광학적 액추에이터(100B)일 수 있으며, 비광학적 액추에이터(100B)는 매질(200B)에 비광학적 자극을 인가한다. 이하에서는 광학적 자극 이외의 자극 예로서 음파(sonic wave), 초음파(ultrasonic wave), 자기장(magnetic field), 전기장(electric field), 전파(radio wave), 마이크로파(microwave), 엑스선(X-ray) 및 감마선(gamma ray) 등을 제공하는 액추에이터를 비광학적 액추에이터라고 정의한다. 비광학적 액추에이터(100B)는 음파, 초음파, 자기장, 전기장, 전파, 마이크로파, 엑스선 또는 감마선 등의 비광학적 자극을 인가할 수 있는 장치로 구현될 수 있으며, 도면에는 초음파를 인가하는 장치가 예시되어 있다. 초음파 액추에이터(100B)는 일례로 드라이버(110B) 및 피에조-일렉트릭 변환기(piezo-electric transducer, 120B)를 포함한다. 드라이버(110B)는 양단(N1, N2)의 전압 차에 대응하는 진폭을 가지는 교류 신호를 피에조-일렉트릭 변환기(120B)에 입력한다. 피에조-일렉트릭 변환기(120B)는 입력되는 교류 신호의 진폭에 대응하는 세기를 가지는 초음파를 매질(200B)에 인가한다.

센싱 시스템은 매질(200)을 포함한다. 일 예로, 매질(200A)은 광학적 액추에이터(100A)로부터 광학적 자극을 인가받아 광학적 반응을 형성한다. 예로서 매질(200A)의 광학적 반응의 정도는 매질의 성질(property)에 따라 변경될 수 있다. 매질의 성질은 예로서 매질에 포함된 소정 물질의 농도, 매질의 온도, 매질의 굴절율, 매질의 탁도 및 매질의 밀도 등을 포함한다. 예로서, 매질(200A)에 포함된 물질은 광학적 액추에이터(100A)로부터 광학적 자극을 인가받아 광학적 반응을 형성한다. 일 예로, BSA(Bovine Serum Albumin)는 270~280nm의 광을 흡수하는 특징을 가진다. 따라서 BSA를 포함하는 매질에 275nm 파장을 가지는 레이저를 조사하면 BSA는 인가된 광학적 자극에 대하여 인가된 광을 흡수하는 광학적 반응을 한다.

다른 예로, 매질(200B)은 비광학적 액추에이터(100B)로부터 비광학적 자극을 인가받아 비광학적 반응을 형성한다. 예로서 매질(200B)의 비광학적 반응의 정도는 매질의 성질(property)에 따라 변경될 수 있다. 매질의 성질은 예로서 매질에 포함된 소정 물질의 농도, 매질의 온도, 매질의 굴절율, 매질의 탁도 및 매질의 밀도 등을 포함한다. 예로서, 매질(200B)은 일례로 인체 조직일 수 있으며, 비광학적 액추에이터(100B)로부터 비광학적 자극인 초음파를 인가받아 비광학적 반응인 초음파를 형성한다. 예로서, 초음파의 투과 정도 또는 반사 정도는 인체 조직의 종류에 따라 다르다. 따라서 인체 조직에 초음파를 조사하면 인체 조직은 초음파의 일부를 반사하거나 투과하는 비광학적 반응을 한다.

센싱 시스템은 검출기(300)를 포함한다. 일례로 검출기(300)는 광학적 검출기(photo detector, 300A)일 수 있으며, 광학적 검출기(300A)는 매질(200A)에 광학적 자극이 인가되어 발생하는 광학적 반응을 검출하여 전기적 신호로 출력한다. 매질(200A)의 성질에 따라 광학적 반응이 달라질 수 있으며, 그에 따라 광학적 검출기(300A)가 제공하는 전기적 신호도 달라질 수 있다.

일 예로, 포토 다이오드(photo diode)로 광학적 검출기(300A)를 구현할 수 있으며, 포토 다이오드는 매질(200A)이 발생하는 광학적 반응으로 인한 광의 변화를 검출하고, 그에 상응하는 전류를 제공한다. 일 예로, 광학적 검출기(300A)는 바이어스 전류를 제공하는 전원(PD bias)로부터 구동 전류(i_pd)를 제공받을 수 있으며, 센싱 시스템은 전원(PD bias)이 제공하는 구동 전류를 변화(sweep)시키면서 매질(200A)이 제공하는 광학적 반응을 검출한다. 후술할 바와 같이, 구동 전류가 변화함에 따라 광학적 검출기(300A)는 스냅백 형태를 가지는 전기적 신호를 출력한다.

다른 예로 검출기(300)는 비광학적 검출기(non-photo detector, 300B)일 수 있으며, 비광학적 검출기(300B)는 매질(200B)에 비광학적 자극이 인가되어 발생하는 비광학적 반응을 검출하여 전기적 신호로 출력한다. 매질(200B)의 성질에 따라 비광학적 반응이 달라질 수 있으며, 그에 따라 비광학적 검출기(300B)가 제공하는 전기적 신호도 달라질 수 있다.

일 예로, 피에조-일렉트릭 변환기(310B), 제1 및 제2 다이오드들(320B, 330B) 및 저대역 통과 필터(low pass filter, 340B)로 비광학적 검출기(300B)를 구현할 수 있다. 피에조-일렉트릭 변환기(310B)는 매질(200B)이 발생하는 비광학적 반응으로 인한 초음파의 변화에 대응하는 교류 전류를 제공한다. 제1 다이오드(320B)는 피에조-일렉트릭 변환기(310B)에서 생성된 교류 전류를 직류 전류로 반파 정류한다. 제2 다이오드(330B)로는 전원(PD bias)로부터 제공되는 구동 전류(i_pd)가 지나간다. 피에조-일렉트릭 변환기(310B)가 전류를 생성하면, 구동 전류(i_pd)에서 생성된 전류만큼 줄어든 전류가 제2 다이오드(330B)로 지나간다. 저대역 통과 필터(340B)는 제2 다이오드(330B)의 양단(N3, N4) 사이의 전압에서 고대역 성분을 제거한다. 일 예로, 비광학적 검출기(300B)는 바이어스 전류를 제공하는 전원(PD bias)로부터 구동 전류(i_pd)를 제공받을 수 있으며, 센싱 시스템은 전원(PD bias)이 제공하는 구동 전류를 변화(sweep)시키면서 매질(200B)이 제공하는 비광학적 반응을 검출한다. 후술할 바와 같이, 구동 전류가 변화함에 따라 비광학적 검출기(300B)는 스냅백 형태를 가지는 전기적 신호를 출력한다.

증폭기(400)는 검출기(300)가 제공한 전기적 신호를 증폭하여 출력하며, 증폭된 전기적 신호는 액추에이터(100)로 피드백된다. 따라서, 액추에이터(100), 매질(200), 검출기(300) 및 증폭기(400)는 포지티브 피드백 경로(positive feedback path)를 형성한다. 일례로 검출기(300)가 제공하는 전류가 증가할수록 액추에이터(100)에서 제공하는 광학적 또는 비광학적 자극의 세기가 증가하도록 증폭기(400)가 포지티브 피드백을 제공할 수 있다. 예로서, 증폭기(400)는 전원이 제공하는 바이어스 전류(PD bias)가 증가함에 따라 광학적 액츄에이터(100A)에 포함된 LED의 순방향 전압을 증가시킨다. 예로서, 증폭기(400)는 전원이 제공하는 바이어스 전류(PD bias)가 증가함에 따라 비광학적 액츄에이터(100B)가 인가하는 음파, 초음파, 전기장, 자기장, 전파, 마이크로파, 엑스선 또는 감마선의 세기를 증가시킨다.

일 예로, 증폭기(400)는 검출기(300)가 제공한 전류를 전압 신호 형태로 변환하는 전류-전압 컨버터(i-v converter)로 구현할 수 있으며, 전류-전압 컨버터 회로의 출력 전압은 포지티브 피드백된다. 검출기(300)가 제공하는 전류(i_pd)는 증폭기(400)에 의하여 전압 신호(v_fb)로 변환된다. 전압 신호(v_fb)는 음전위를 가지므로, 기준 전위가 연결된 액추에이터(100)의 일단의 전위에 비하여 증폭기(400)와 연결된 타단의 전위가 더 낮아진다. 따라서, 증폭기의 전압(v_fb)이 증가함에 따라 액추에이터(100)에 인가되는 바이어스는 커지므로 더 큰 자극을 인가하고, 그에 따라 매질(200)은 인가된 자극에 대하여 광학적 또는 비광학적으로 반응하며, 광학적 또는 비광학적 반응을 검출한 검출기(300)는 더 큰 전류(i_pd)를 제공한다. 즉, 본 실시예에 의한 센싱 시스템은 포지티브 피드백 경로로 구성되어 있음을 알 수 있다.

출력부(500)는 검출기(300)가 출력한 전기적 신호를 제공받아 전기적 신호를 분석하여 매질(200)의 성질을 검출한다. 일 실시예로, 출력부(500)는 리드-아웃 회로를 구비하여 검출기(300)가 제공하는 전기적 신호(OUTPUT)를 분석하여 매질(200)의 성질을 검출한다.

도 4는 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 매질(200A)에 포함된 물질인 BSA(Bovine Serum Albumin)을 검출할 때 광학적 검출기(300A)가 출력하는 전기적 신호의 전류-전압 특성 곡선이다. 수직축은 도 1 및 도 2의 광학적 검출기(300A)에 인가되는 바이어스 전류(PD bias, i_pd)의 값이며, 수평축은 광학적 검출기(300A) 양단에 형성되는 전압값(v_pd)이다.

도 1, 2 및 4를 참조하여 광학적 검출기(300A)에 제공되는 바이어스 전류를 0에서 증가시키면서 광학적 검출기(300A) 양단의 전압의 변화를 설명하도록 한다. 광학적 검출기(300A)에 제공되는 바이어스 전류(i_pd)를 증가시키면 광학적 검출기(300A) 양단에 형성되는 전압(v_pd)도 그에 상응하여 증가하며, 아직 광학적 액추에이터(100A)는 턴 온(turn on)되지 않는다.

광학적 검출기(300A)에 인가되는 전류가 증가함에 따라 증폭기(400)가 광학적 액추에이터(100A)에 턴 온 전압 이상의 전압을 인가하여 광학적 액추에이터(100A)를 턴 온 시킨다. 턴 온된 광학적 액추에이터(100A)는 매질(200A)에 광학적 자극을 인가하며, 매질(200A)이 광학적 반응으로 광을 제공하는 경우에, 광학적 검출기(300A)는 이러한 광을 검출하여 전류로 변화하여 출력한다. 광학적 액추에이터(100A)가 턴 온되는 시점에서, 광학적 검출기(300)가 일정한 전류를 흘리기 위해서는 광학적 반응에 의하여 매질(200A)이 발광하는 광에 의한 전류를 보상하기 위해 광학적 검출기(300A) 양단의 전압이 줄어들어야 한다. 따라서 전압은 감소하는 방향으로 이동한다. 즉, 전원이 광학적 검출기에 인가하는 전류값을 증가시켜도 광학적 검출기(300A) 양단에 인가되는 전압은 오히려 감소하는 음 저항(negative resistance)의 특징을 가진다.

이와 같이 광학적 검출기(300A)로 인가되는 전류가 증가함에 따라 광학적 검출기(300A) 양단 전압이 감소하는 현상을 스냅백 현상이라 하고, 스냅백 현상이 일어나는 시작점을 스냅백 포인트(SB point), 스냅백 현상에 의하여 전류가 증가하여도 전압이 감소하는 구간을 스냅백 구간이라고 한다.

광학적 검출기(300A)의 바이어스 전류를 더욱 증가시키면 광학적 검출기 양단의 전압이 0에 근접하는 정도로 감소한다. 이때를 포화 포인트(SAT point, saturation point)이라 하고, 포화 포인트 이후를 포화 구간이라 한다.

포화는 광학적 검출기(300A)의 바이어스 전류가 증가함에 따라 포지티브 피드백에 의하여 결과적으로 더 큰 광학적 자극을 받은 매질이 더 많은 광학적 반응에 의한 광을 광학적 검출기(300A)에 제공하는데, 광학적 검출기(300A)는 증가한 광에 의하여 형성되는 전류를 보상하기 위하여 그 양단 전압을 감소시켜야 하기 때문에 발생하는 것으로 파악되며, 계속적으로 바이어스 전류를 증가시킴에 따라 광학적 검출기(300A) 양단의 전압은 이 지점 부근에서 유지 되고, 전류를 올려도 전압의 변화가 거의 없다. 다만, 도 4에서 도시된 바와 같이 전압이 수 V 정도로 상승할 수 있으나, 광 검출(300A)기 양단 전압을 대략 100V 정도로 확장하여 도시한 도 5를 참조하면, 포화 구간에서 전류 변화량에 대한 전압 변화는 미미한 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 4에서 점선으로 도시된 곡선은 포지티브 피드백 경로없이 개방 루프로 신호 경로가 이루어진 상태에서 얻어진 전류-전압 특성 곡선이다. 점선으로 도시된 곡선과 대비하여 보면, 광학적 액추에이터(100A), 매질(200A), 광학적 검출기(300A) 및 증폭기(400)가 포지티브 피드백 하도록 연결되어 있어 스냅백 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 스냅백 구간에서 매질(200A)에 포함된 물질의 농도별 전류-전압 특성의 측정 결과를 도시한 도면으로, 탈이온수(DeIonized water, DI)에 BSA를 각각 1ng, 10ng, ..., 1mg을 첨가한 매질에 대하여 본 실시예에 의한 센싱 시스템으로 검출하여 얻은 전류-전압 곡선이다. 도시된 바와 같이, 광학적 검출기(300)에 대략 2.1μA 내지 2.15μA의 전류를 인가하면 스냅백 현상이 발생하고, 2.17μA 내지 2.21μA의 전류에서 대략 0V의 전압으로 포화되는 것을 확인할 수 있다.

매질(200A)에 포함된 물질의 농도에 따라 스냅백 구간에서의 전류 전압 특성이 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서, 출력부(500)는 광학적 검출기(300A) 바이어스 전류를 고정하고 광학적 검출기(300A) 양단 전압을 읽거나, 광학적 검출기(300A) 양단 전압을 고정한 후, 광학적 검출기(300A) 바이어스 전류의 값을 읽어서 물질의 농도를 파악할 수 있다. 일 예로, 출력부(500)는 광학적 검출기(300A) 바이어스 전류를 2.15μA로 고정한 후, 광학적 검출기(300A) 양단의 전압이 66V로 읽히면 물질의 농도를 1ng으로 파악할 수 있다. 다른 예로, 출력부(500)는 광학적 검출기(300A) 양단 전압을 40V로 고정한 후, 광학적 검출기(300A) 바이어스 전류가 2.18μA로 읽히면 물질의 농도를 100ng으로 파악할 수 있다. 또한, 스냅백 구간을 지나 포화 포인트에서의 전류, 전압값을 측정하여 물질의 농도를 측정할 수도 있다.

도 4 및 5와 이에 대한 발명의 상세한 설명은 광학적 액추에이터(100A) 및 검출기(300A)를 포함한 도 2에 도시된 센싱 시스템의 전류-전압 특성을 설명하고 있다. 도 2에 도시된 센싱 시스템은 광학적 자극을 인가하여 광학적 반응을 검출하고, 도 3에 도시된 센싱 시스템은 비광학적 자극을 인가하여 비광학적 반응을 검출할 따름으로, 도 2 및 3의 센싱 시스템은 검출기(300)가 제공하는 신호를 액추에이터(100)로 포지티브 피드백한다는 공통점을 가진다. 따라서, 비광학적 액추에이터(100B) 및 검출기(300B)를 포함한 센싱 시스템도 포지티브 피드백 구조를 가지므로, 도 4 및 5에 표현된 그래프와 유사한 전류-전압 특성을 가지며, 스냅백 특성도 가진다. 비광학적 액추에이터(100B) 및 검출기(300B)를 포함한 센싱 시스템의 전류-전압 특성은 설명의 편의를 위하여 생략한다.

구현예 및 실험결과

이하에서는, 일 실시예에 의한 센싱 시스템의 구현예와 구현예를 이용하여 매질에 포함된 물질을 검출한 결과를 설명하도록 한다. 도 2는 본 실시예에 의한 센싱 시스템 구현예의 회로도로, 광학적 검출기에 바이어스 전류를 인가하는 전원은 애질런트사(Agilent)의 모델 4156이며, 광학적 검출기로는 어드밴스드 포토닉스(Advanced Photonix) 사의 자외선 증강 포토 다이오드(UV Enhanced Silicon Photodiode) 모델 100-13-23-222를 사용하였고, 연산 증폭기는 버브라운(Burr Brown)사의 고전압 고전류용 연산 증폭기 OPA544를 사용하였다. 증폭기에 포함된 피드백 저항은 6.1Mohm 이다. 광학적 액추에이터는 측정하고자 하는 검출 대상 물질별로 상이한 파장의 광을 방출하는 LED를 사용하였다.

물 속의 단백질 검출 가능성을 테스트하기 위하여 10pM에서 100uM까지의 서로 다른 농도를 가지는 BSA를 측정하였다. 종래 기술에 따른 센서로 측정한 결과값은 도 6a와 같으며, 본 실시예로 측정한 결과 값은 도 6b와 같다. 위에서 설명한 바와 같이 포지티브 피드백에 의하여 스냅백 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 위 측정 결과를 토대로 BSA 검출 능력을 정리하면 도 6c과 같다. 도 6c에서 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 센싱 시스템에 의하면 종래 기술에 의한 센서로 측정할 수 없었던 10~10³pM 농도를 가지는 BSA 단백질을 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.

수중 미생물의 존재를 검출하기 위하여 NADH의 농도를 측정하였다. Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD)는 세포에서 발견되는 중요한 조효소로, NADH는 NAD의 환원 형태이고, 세포 대사 과정에서 아래와 같은 반응 식을 따라 발생하는 물질이다.

NAD+ + 환원 물질 (2e- + 2H+ ) ⇔ NADH + H+ + 산화물질

따라서 NADH의 존재 여부를 측정하면 물 속의 미생물이 존재하는지 확인할 수 있다. NADH는 뉴클레오타이드가 기본 골격이기 때문에 흡수 극대파장이 260nm로 DNA와 같다. 340nm의 파장은 NADH만이 잘 흡수하기 때문에, 탈수조효소의 활성도를 340nm LED를 사용하여 측정할 수 있다. 본 실험예에서는 NADH를 270, 280, 340nm LED를 사용하여 측정하였고, 각각 파장에 대한 전류-전압 특성은 각각 도 7a, 7b 및 7c와 같다. 또한, 위 측정 결과를 토대로 NADH측정 능력을 정리하면 도 7d와 같다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 센싱 시스템을 이용하면 10nM까지의 NADH를 측정할 수 있음을 확인하였다.

수중 독성 물질 중 하나인 그라핀 산화물(Graphene Oxide)의 농도를 측정하였으며, 그 측정 결과에 대한 전류-전압 특성 곡선은 도 8과 같다. 도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이 4ng/ml 농도까지 검출이 가능함을 알 수 있으며, 종래의 기술에 의한 스펙트로미터(spectrometer)를 사용하면 수 ug/ml대의 농도를 측정할 수 있는 바, 본 실시예에 의한 센싱 시스템의 성능이 우월함을 확인할 수 있다.

물 속 부유물을 검출할 수 있는지 확인하기 위하여 880nm, 405nm, 280nm 적외선 LED를 각각 사용하여 탁도(turbidity)를 측정하였다. 도 9a, 도 9b 및 도 9c는 각 파장별 스냅백 구간을 확대하여 도시한 도면이며, 도 9d는 일 실시예에 따른 센싱 시스템을 이용한 측정 한계를 도시한 도면이다. 도 9a에 도시된 바와 같이 880nm 파장대에서 가장 정밀하고 낮은 농도까지 측정을 할 수 있음을 확인할 수 있다. 위의 측정 결과를 토대로 검출 한계를 검토하면 도 9d에 도시된 바와 같이 0.01NTU까지 검출할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 액츄에이터 200: 매질
300: 검출기 400: 증폭기
500: 출력부

Claims

센싱 시스템에 있어서,
검출 물질에 비광학적 자극을 인가하는 비광학적 액츄에이터(non-optical actuator);
상기 비광학적 자극이 인가된 매질의 성질에 따라 형성되는 비광학적 반응에 상응하는 전기적 신호를 출력하는 비광학적 검출기(non-photo detector);
상기 비광학적 검출기가 출력하는 상기 전기적 신호를 증폭하고, 증폭된 상기 전기적 신호를 상기 비광학적 액츄에이터에 포지티브 피드백(positive feedback)하여 인가하는 증폭기(amplifier); 및
상기 전기적 신호를 인가받아 상기 매질의 상기 성질을 검출하는 출력부를 포함하며,
상기 전기적 신호는 상기 포지티브 피드백에 의하여 스냅백(snapback) 형태를 가지는 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 센싱 시스템은 상기 비광학적 검출기에 바이어스 전류를 인가하는 전원을 더 포함하는 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 비광학적 액추에이터는 음파, 초음파, 전기장, 자기장, 전파, 마이크로파, 엑스선 및 감마선 중 어느 하나를 인가하는 자극원을 포함하는 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 비광학적 검출기는 음파, 초음파, 전기장, 자기장, 전파, 마이크로파, 엑스선 및 감마선 중 어느 하나를 검출하는 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 비광학적 검출기는 상기 비광학적 액츄에이터가 인가한 상기 자극이 상기 매질에 인가되어 형성된 상기 비광학적 반응을 검출하여 그에 상응하는 상기 전기적 신호를 출력하는 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 증폭기는 전류 신호를 인가받아 그에 상응하는 전압 신호로 변환하여 출력하는 전류-전압 변환 증폭기인 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스냅백 형태를 가지는 전기적 신호는,
스냅백 포인트(smapback point)으로부터 상기 비광학적 검출기 양단 전압이 증가함에 따라 상기 전기적 신호가 감소하는 스냅백 구간과, 상기 비광학적 검출기 양단 전압이 증가함에 따라 상기 전기적 신호가 증가하는 포화 구간을 포함하며, 상기 스냅백 구간과 상기 포화 구간은 포화 포인트(saturation point)를 거쳐 연결되는 센싱 시스템.
제7항에 있어서,
상기 출력부는,
상기 스냅백 구간에서 상기 비광학적 검출기에 일정한 전류가 제공될 때 상기 비광학적 검출기의 양단 전압을 검출하여 상기 매질의 상기 성질을 검출하는 센싱 시스템.
제7항에 있어서,
상기 출력부는,
상기 스냅백 구간에서 상기 비광학적 검출기에 일정한 전압이 제공될 때 상기 비광학적 검출기로 흐르는 전류를 검출하여 상기 매질의 상기 성질을 검출하는 센싱 시스템.
제7항에 있어서,
상기 출력부는,
상기 포화 포인트에서의 전류, 전압값을 검출하여 상기 매질의 상기 성질을 검출하는 센싱 시스템.
제7항에 있어서,
상기 출력부는,
상기 포화 구간의 전류, 전압의 비를 검출하여 상기 매질의 상기 성질을 검출하는 센싱 시스템.
제1항에 있어서,
상기 매질의 상기 성질은 상기 매질에 포함된 소정 물질의 농도, 상기 매질의 온도, 상기 매질의 굴절율, 상기 매질의 탁도 및 상기 매질의 밀도 중 적어도 어느 하나를 포함하는 센싱 시스템.
매질에 비광학적 자극을 인가하는 비광학적 액츄에이터;
바이어스 전류가 인가되며, 상기 매질의 비광학적 반응이 입력되는 비광학적 검출기; 및
상기 바이어스 전류가 증가함에 따라 상기 비광학적 액츄에이터의 상기 비광학적 자극을 증가시키는 포지티브 피드백 유닛을 포함하며,
상기 비광학적 검출기는 상기 비광학적 반응에 상응하는 전기적 신호를 출력하며, 상기 전기적 신호는 상기 포지티브 피드백 유닛에 의하여 스냅백 형태를 가지는 센싱 시스템.
제13항에 있어서,
상기 비광학적 액츄에이터는 음파, 초음파, 전기장, 자기장, 전파, 마이크로파, 엑스선 및 감마선 중 적어도 어느 하나를 인가하며, 상기 비광학적 검출기는 음파, 초음파, 전기장, 자기장, 전파, 마이크로파, 엑스선 및 감마선 중 적어도 어느 하나를 검출하는 센싱 시스템.
제13항에 있어서,
상기 포지티브 피드백 유닛은 상기 바이어스 전류가 증가함에 따라 상기 비광학적 액츄에이터가 인가하는 음파, 초음파, 전기장, 자기장, 전파, 마이크로파, 엑스선 및 감마선 중 적어도 어느 하나의 세기를 증가시키는 센싱 시스템.
제13항에 있어서,
상기 포지티브 피드백 유닛은 차동 증폭기를 포함하며,
상기 차동 증폭기의 제1 입력단에는 기준 전압이 인가되고, 상기 차동 증폭기의 제2 입력단에는 상기 바이어스 전류가 입력되고, 상기 제2 입력단과 상기 차동 증폭기의 출력단 사이에는 저항이 연결되고, 상기 출력단은 상기 비광학적 액츄에이터에 연결되는 센싱 시스템.
제13항에 있어서,
상기 비광학적 검출기는 상기 바이어스 전류 및 상기 비광학적 반응에 대응하는 센싱 전압을 출력하는 센싱 시스템.
제17항에 있어서,
상기 비광학적 검출기는 상기 바이어스 전류가 증가함에 따라 상기 센싱 전압이 감소하는 스냅백 구간을 가지는 센싱 시스템.
제18항에 있어서,
상기 스냅백 구간에서 소정의 상기 바이어스 전류를 제공하면서 상기 센싱 전압을 측정함으로써 상기 매질의 성질을 측정하는 출력부를 더 포함하는 센싱 시스템.
제19항에 있어서,
상기 매질의 상기 성질은 상기 매질에 포함된 소정 물질의 농도, 상기 매질의 온도, 상기 매질의 굴절율, 상기 매질의 탁도 및 상기 매질의 밀도 중 적어도 어느 하나를 포함하는 센싱 시스템.