KR101804750B1 - 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서 및 이를 이용한 측정방법 - Google Patents

분리형 광검출부를 이용한 광화학센서 및 이를 이용한 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서 및 이를 이용한 측정방법이 개시된다. 본 발명의 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서는 피검사물질의 화학반응에 반응할 수 있는 파장의 빛을 발광하는 광원부, 피검사물질과 반응하여 선형적인 색변화를 일으키고, 색변화에 따라 광원부로부터 조사된 빛의 투과량을 변화시키는 화학센서부, 복수의 세그먼트(segment)를 포함하고, 화학센서부로부터 투과된 빛을 각각의 세그먼트로 검출하여 복수의 검출신호를 생성하는 분리형 광검출부 및 분리형 광검출부로부터 복수의 검출신호를 차동 입력받고, 차동 입력된 검출신호의 차이를 이용하여 화학반응 전의 반응전 측정치 및 화학반응 후의 반응후 측정치를 각각 산출하며, 산출된 반응전 측정치 및 반응후 측정치의 차이를 이용하여 최종 측정치를 산출하는 리드아웃 회로부를 포함한다.

Description

분리형 광검출부를 이용한 광화학센서 및 이를 이용한 측정방법{Optical chemical sensor using segmented photodetector and measure method using the same}
본 발명은 광화학센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분리형 광검출부 및 파장필터를 통해 화학반응에서 발생되는 오차를 보정하여 정확도를 향상시키는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 고령화가 본격화되면서 보건의료의 패러다임이 예방 중심으로 변화하고 있다. 이에 따라, 헬스케어 시장에서 IT 기술융합을 통한 현장 의료진단(Point-of-Care Testing, POCT)이 큰 주목을 받고 있다. 이러한 현장 의료진단 기기는 종래의 복잡, 대형, 고가의 의료기기 및 의료서비스를 간편, 소형, 저가의 시스템으로 대체하면서도 정확도를 동시에 제공한다.
한편, 광센서기술, 화학센서기술, 반도체기술을 융합한 광화학센서는 현장 의료진단 기기에 폭넓게 적용되고 있다. 광센서를 이용한 화학반응 검출방법 중 색체센싱(Colorimetric Sensing) 기술은 가장 널리 사용되고 있는 기법이다. 광원소자와 광검출기를 이용한 색체센싱 기술은 백색 LED를 이용한 분광기술(Spectroscopy)과 특정파장의 LED를 이용한 흡광기술(Photo Absorption)이 대표적이다. 분광기술은 정확도가 높은 반면 고가의 부품이 필요하고, 흡광기술은 저가 구현이 가능한 반면 정확도가 낮은 단점이 있다.
따라서, 종래의 흡광기술을 이용한 광화학센서는 단순한 한 파장의 광검출기를 사용하여 전기신호를 검출하고, 이를 기반으로 보정기술을 적용하는 방법으로 정확도를 향상시켜왔다. 하지만 이는 검출하고자 하는 화학반응의 불순물에 의한 오차를 원천적으로 보정할 수 없어 정확도 향상에 한계가 있다. 그러므로 이를 보완해줄 수 있는 광화학센서가 필요한 실정이다.
한국공개특허공보 제10-2014-0093389호(2014.07.28.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 세그먼트를 포함하는 분리형 광검출부를 이용하여 화학반응의 불순물에 의한 오차를 보정하는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 저가의 파장필터를 이용하여 오차를 보정하는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서는 피검사물질의 화학반응에 반응할 수 있는 파장의 빛을 발광하는 광원부, 상기 피검사물질과 반응하여 선형적인 색변화를 일으키고, 상기 색변화에 따라 상기 광원부로부터 조사된 빛의 투과량을 변화시키는 화학센서부, 복수의 세그먼트(segment)를 포함하고, 상기 화학센서부로부터 투과된 빛을 각각의 세그먼트로 검출하여 복수의 검출신호를 생성하는 분리형 광검출부 및 상기 분리형 광검출부로부터 상기 복수의 검출신호를 차동 입력받고, 상기 차동 입력된 검출신호의 차이를 이용하여 상기 화학반응 전의 반응전 측정치 및 상기 화학반응 후의 반응후 측정치를 각각 산출하며, 상기 산출된 반응전 측정치 및 반응후 측정치의 차이를 이용하여 최종 측정치를 산출하는 리드아웃 회로부를 포함한다.
또한 상기 광원부는, 상기 색변화에서 검출하고자 하는 색의 보색에 해당하는 파장을 선택하여 빛을 발광하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 화학센서부는, 상기 피검사물질 중 검출물질과 반응하여 상기 색변화를 일으키는 시약이 염착(dyeing)되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 분리형 광검출부는, 원형 형상으로 형성되어 상기 복수의 세그먼트로 분리되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 분리형 광검출부는, 상기 복수의 세그먼트 중 적어도 하나에 비반사(anti reflection)층을 가지는 파장필터가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 리드아웃 회로부는, 상기 검출신호의 차이를 이용하여 상기 피검사물질 중 검출물질과 불순물에 대한 색변화의 차이를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 리드아웃 회로부는, 상기 화학반응 전, 반복 측정으로 추출된 기준값에 대한 보정치를 상기 최종 측정치에 반영하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광화학센서를 이용한 측정방법은, 피검사물질을 투입하는 단계, 상기 피검사물질이 화학반응 전, 광원부로부터 조사된 빛이 화학센서부를 투과하고, 상기 투과된 빛을 복수의 세그먼트를 포함하는 분리형 광검출부로 검출하여 복수의 검출신호를 생성하며, 리드아웃 회로부에서 상기 복수의 검출신호에 대한 차이를 이용하여 반응전 측정치를 산출하는 단계, 상기 피검사물질이 화학반응 후, 상기 광원부로부터 조사된 빛이 상기 화학센서부를 투과하고, 상기 투과된 빛을 상기 분리형 광검출부로 검출하여 복수의 검출신호를 생성하며, 상기 리드아웃 회로부에서 상기 복수의 검출신호에 대한 차이를 이용하여 반응후 측정치를 산출하는 단계 및 상기 산출된 반응전 측정치 및 반응후 측정치의 차이를 이용하여 최종 측정치를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서 및 이를 이용한 측정방법은 복수의 세그먼트를 포함하는 분리형 광검출부를 이용하여 화학반응의 불순물에 의한 오차를 보정함으로써, 측정치의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한 저가의 파장필터를 이용하여 오차를 보정함으로써, 비용절감 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학센서를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학센서의 정확도 향상을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학센서를 이용한 측정방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학센서를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학센서를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광화학센서(100)는 복수의 세그먼트(segment)를 포함하는 분리형 광검출부(30)를 이용하여 화학반응의 불순물에 의한 오차를 보정한다. 광화학센서(100)는 파장필터를 이용하여 오차를 보정한다. 이를 통해, 광화학센서(100)는 종래의 광화학센서보다 정확도를 향상시킬 수 있다. 광화학센서(100)는 광원부(10), 화학센서부(20), 분리형 광검출부(30) 및 리드아웃 회로부(40)를 포함한다.
광원부(10)는 피검사물질의 화학반응에 반응할 수 있는 파장의 빛을 발광한다. 바람직하게는, 광원부(10)는 화학반응에 의한 색변화에 가장 민감하게 반응할 수 있는 파장의 빛을 발광한다. 즉, 광원부(10)는 색변화에서 검출하고자 하는 색의 보색에 해당하는 빛을 낼 수 있는 파장을 선택하여 빛을 발광한다.
광원부(10)는 LED 바이어스회로(11) 및 LED(13)를 포함한다. LED 바이어스회로(11)는 LED(13)에 전원을 공급하는 회로이다. LED(13)는 빛을 발광하는 발광다이오드로서, 적어도 하나를 포함한다. LED(13)는 분리된 광검출기술을 사용하기 위해 선폭이 넓을 수 있다. 여기서, LED(13)는 애노드(anode)가 LED 바이어스 회로(11)와 연결되고, 캐소드(cathode)가 그라운드와 연결된다.
화학센서부(20)는 피검사물질과 반응하여 선형적인 색변화를 일으킨다. 즉, 화학센서부(20)는 피검사물질 중 검출물질과 반응하여 색변화를 일으키는 시약이 균일하게 염착(dyeing)되어 있다. 따라서, 화학센서부(20)는 검출물질과 반응하게 되면 검출물질의 농도와 양에 따라 색변화의 정도가 선형적으로 변화한다. 이 때, 화학센서부(20)는 검출물질의 농도가 짙어져 색변화가 심해지면 광원부(10)로부터 조사된 빛의 투과량을 변화시킬 수 있다.
화학센서부(20)는 빛의 흡광도에 따라 통과시키는 빛의 세기가 선형적으로 변화하게 되는 원리인 흡광기술을 구현한다. 바람직하게는, 화학센서부(20)는 검출물질에 대해서만 반응을 할 수 있다.
분리형 광검출부(30)는 복수의 세그먼트를 포함한다. 이 때, 세그먼트는 포토다이오드(photodiode)일 수 있다. 분리형 광검출부(30)는 화학센서부(20)로부터 투과된 빛을 각각의 세그먼트에서 검출을 하여 검출신호를 각각 생성한다. 이 때, 분리형 광검출부(30)는 미세한 빛의 세기에 대한 변화도 감지할 수 있도록 설계될 수 있다. 분리형 광검출부(30)는 광원부(10)에서 발광되는 빛보다 넓은 파장 범위를 가진다. 또한 분리형 광검출부(30)는 복수의 세그먼트 중 적어도 하나에 파장필터를 형성하여 오차를 보정할 수 있다. 여기서, 파장필터는 반도체공정의 비반산층을 통해 저가로 형성할 수 있다.
분리형 광검출부(30)는 반도체공정으로 제작되며, 설계기술을 통해 복수의 세그먼트로 분리할 수 있다. 분리형 광검출부(30)는 세그먼트 바이어스회로(31), 제1 세그먼트(33) 및 제2 세그먼트(35)를 포함할 수 있다. 세그먼트 바이어스회로(31)는 제1 세그먼트(33) 및 제2 세그먼트(35)에 전원을 공급하는 회로이다. 여기서, 세그먼트 바이어스회로(31)는 LED 바이어스회로(11)와 서로 연결되어 동일한 전원부(미도시)로부터 전원을 공급받을 수 있다. 제1 세그먼트(33) 및 제2 세그먼트(35)는 각각 화학센서부(20)로부터 투과된 빛을 검출한다. 이 때, 제1 세그먼트(33) 및 제2 세그먼트(35)는 서로 다른 빛의 파장대를 검출할 수 있다. 여기서, 제1 세그먼트(33)는 캐소드가 세그먼트 바이어스회로(31)와 연결되고, 애노드가 제2 세그먼트(35)의 캐소드와 연결되며, 제2 세그먼트(35)는 애노드가 그라운드와 연결된다. 도 2에서는 분리형 광검출부(30)가 2개의 세그먼트를 포함하는 것으로 도시되었지만, 이에 한정하지 않고 설치되는 환경에 따라 세그먼트의 개수를 조절할 수 있다.
리드아웃 회로부(40)는 분리형 광검출부(30)로부터 검출된 빛에 대한 복수의 검출신호를 차동 입력받는다. 이 때, 리드아웃 회로부(40)는 화학반응 전에 검출된 빛에 대한 검출신호 및 화학반응 후에 검출된 빛에 대한 검출신호를 각각 차동 입력받을 수 있다. 따라서, 리드아웃 회로부(40)는 차동 입력된 검출신호의 차이를 이용하여 화학반응 전의 반응전 측정치 및 화학반응 후의 반응후 측정치를 각각 산출한다. 즉, 리드아웃 회로부(40)는 검출신호의 차이를 이용하여 피검사물질 중 검출물질과 불순물에 대한 색변화의 차이를 감지한다.
리드아웃 회로부(40)는 반응전 측정치 및 반응후 측정치의 차이를 이용하여 최종 측정치를 산출한다. 이 때, 리드아웃 회로부(40)는 최종 측정치에 보정치를 반영하여 측정치의 정확도를 향상시킬 수 있다. 여기서, 보정치는 화학반응 전, 반복 측정으로 추출된 기준값에 대한 보정인자(calibration factor)일 수 있다.
리드아웃 회로부(40)는 제1 리드아웃 회로(41), 제2 리드아웃 회로(42), 아날로그-디지털 변환기(analog-digital converter, ADC)(45) 및 출력단(47)을 포함한다. 제1 리드아웃 회로(41) 및 제2 리드아웃 회로(43)는 각각 제1 세그먼트(33)에서 생성된 검출신호 및 제2 세그먼트(35)에서 생성된 검출신호를 차동입력받는다. 제1 리드아웃 회로(41) 및 제2 리드아웃 회로(43)는 차동입력된 검출신호의 차이를 이용하여 최종 측정치를 산출한다. 이 때, 최종 측정치는 보정치가 반영되어 정확도가 향상된 최종 측정치로 보정된다. ADC(45)는 보정된 최종 측정치를 아날로그신호에서 디지털신호로 변환하고, 출력단(47)은 디지털신호로 변환된 최종 측정치를 출력한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학센서의 정확도 향상을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3을 참조하면, 광화학센서(100)는 복수의 세그먼트를 포함하는 분리형 광검출부(30)를 적용하여 각 세그먼트(33, 35)에서 출력된 신호들의 상대값에 따라 최종 측정치를 산출함으로써, 측정치의 정확도를 향상시킬 수 있다.
광화학센서(100)는 비슷한 파장대역에서 불순물에 의해 생기는 색변화를 분리형 광검출부(30)의 제1 세그먼트(33) 및 제2 세그먼트(35)에서 각각 검출하고, 검출된 검출신호를 리드아웃 회로부(40)의 제1 리드아웃 회로(41) 및 제2 리드아웃 회로(43)에 차동 입력함으로써, 측정치의 정확도를 향상시킬 수 있다. 여기서, 제1 세그먼트(33) 및 제2 세그먼트(95)는 파장 필터 역할을 하는 비반사층으로 코팅될 수 있다.
즉, 광화학센서(100)는 분리형 광검출부(30)의 각 세그먼트마다 파장이 560nm인 초록색 및 파장이 575nm인 연두색에 대한 빛의 검출을 할 수 있다. 광화학센서(100)는 검출된 검출신호를 각각 차동 입력한 후, 보정치를 반영하여 최종 측정치를 출력단(47)에 출력한다. 이 때, 광화학센서(100)는 보정치를 반영함으로서, 최대 오류율을 6.8%에서 3.5%로 낮출 수 있으며, 이는 오류를 48.5% 감소시키는 효과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광화학센서를 이용한 측정방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 광화학센서(100)를 이용한 측정방법은 복수의 세그먼트(33, 35)를 포함하는 분리형 광검출부(30)를 이용하여 화학반응의 불순물에 의한 오차를 보정함으로써, 측정치의 정확도를 향상시킨다. 광화학센서(100)는 저가의 파장필터를 이용하여 오차를 보정함으로써, 비용절감 효과를 얻을 수 있다.
S51단계에서, 피검사물질은 광화학센서(100)로 측정할 수 있는 위치에 투입된다. 여기서, 피검사물질은 검출물질 및 불순물을 포함한다.
S53단계에서, 광화학센서(100)는 피검사물질의 반응전 측정치를 산출한다. 광화학센서(100)는 피검사물질이 화학반응 전, 광원부(10)로부터 조사된 빛이 화학센서부(20)를 투과하고, 투과된 빛을 복수의 세그먼트(33, 35)를 포함하는 분리형 광검출부(30)로 검출한다. 이 때, 광화학센서(100)는 분리형 광검출부(30)를 통해 복수의 검출신호를 생성하고, 리드아웃 회로부(40)에서 복수의 검출신호에 대한 차이를 이용하여 반응전 측정치를 산출한다.
S55단계에서, 광화학센서(100)는 피검사물질의 반응후 측정치를 산출한다. 광화학센서(100)는 피검사물질이 화학반응 후, 광원부(10)로부터 조사된 빛이 화학센서부(20)를 투과하고, 투과된 빛을 복수의 세그먼트(33, 35)를 포함하는 분리형 광검출부(30)로 검출한다. 이 때, 광화학센서(100)는 분리형 광검출부(30)를 통해 복수의 검출신호를 생성하고, 리드아웃 회로부(40)에서 복수의 검출신호에 대한 차이를 이용하여 반응후 측정치를 산출한다. 여기서, 화학반응 전후의 차이는 화학센서부(20)의 색변화에 대한 차이이다.
S57단계에서, 광화학센서(100)는 피검사물질의 최종 측정치를 산출한다. 광화학센서(100)는 반응전 측정치 및 반응후 측정치의 차이를 이용하여 최종 측정치를 산출한다. 이 때, 광화학센서(100)는 최종 측정치에 보정치를 반영하여 정확도를 향상시킬 수 있다. 여기서, 보정치는 화학반응 전, 반복 측정으로 추출된 기준값에 대한 보정인자일 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 광원부 11: LED 바이어스회로
13: LED 20: 화학센서부
30: 분리형 광검출부 31: 세그먼트 바이어스회로
33: 제1 세그먼트 35: 제2 세그먼트
40: 리드아웃 회로부 41: 제1 리드아웃 회로
43: 제2 리드아웃 회로 45: ADC
47: 출력단 100: 광화학센서

Claims (8)

  1. 피검사물질의 화학반응에 반응할 수 있는 파장의 빛을 발광하는 광원부;
    상기 피검사물질과 반응하여 선형적인 색변화를 일으키고, 상기 색변화에 따라 상기 광원부로부터 조사된 빛의 투과량을 변화시키는 화학센서부;
    서로 다른 파장대의 빛을 검출하는 복수의 세그먼트(segment)를 포함하고, 상기 화학센서부로부터 투과된 빛을 각각의 세그먼트에 해당되는 파장대별로 검출하여 복수의 검출신호를 생성하는 분리형 광검출부; 및
    상기 분리형 광검출부로부터 상기 복수의 검출신호를 차동 입력받고, 상기 차동 입력된 검출신호의 차이를 이용하여 상기 화학반응 전의 반응전 측정치 및 상기 화학반응 후의 반응후 측정치를 각각 산출하며, 상기 산출된 반응전 측정치 및 반응후 측정치의 차이를 이용하여 최종 측정치를 산출하는 리드아웃 회로부;
    를 포함하는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    상기 색변화에서 검출하고자 하는 색의 보색에 해당하는 파장을 선택하여 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 화학센서부는,
    상기 피검사물질 중 검출물질과 반응하여 상기 색변화를 일으키는 시약이 염착(dyeing)되어 있는 것을 특징으로 하는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 분리형 광검출부는,
    원형 형상으로 형성되어 상기 복수의 세그먼트로 분리되는 것을 특징으로 하는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 분리형 광검출부는,
    상기 복수의 세그먼트 중 적어도 하나에 비반사(anti reflection)층을 가지는 파장필터가 형성되는 것을 특징으로 하는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 리드아웃 회로부는,
    상기 검출신호의 차이를 이용하여 상기 피검사물질 중 검출물질과 불순물에 대한 색변화의 차이를 감지하는 것을 특징으로 하는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 리드아웃 회로부는,
    상기 화학반응 전, 반복 측정으로 추출된 기준값에 대한 보정치를 상기 최종 측정치에 반영하는 것을 특징으로 하는 분리형 광검출부를 이용한 광화학센서.
  8. 피검사물질을 투입하는 단계;
    상기 피검사물질이 화학반응 전, 광원부로부터 조사된 빛이 화학센서부를 투과하고, 상기 투과된 빛을 서로 다른 파장대의 빛을 검출하는 복수의 세그먼트를 포함하는 분리형 광검출부로 검출하여 각각의 세그먼트에 해당되는 파장대별 복수의 검출신호를 생성하며, 리드아웃 회로부에서 상기 복수의 검출신호에 대한 차이를 이용하여 반응전 측정치를 산출하는 단계;
    상기 피검사물질이 화학반응 후, 상기 광원부로부터 조사된 빛이 상기 화학센서부를 투과하고, 상기 투과된 빛을 서로 다른 파장대의 빛을 검출하는 상기 분리형 광검출부로 검출하여 각각의 세그먼트에 해당되는 파장대별 복수의 검출신호를 생성하며, 상기 리드아웃 회로부에서 상기 복수의 검출신호에 대한 차이를 이용하여 반응후 측정치를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 반응전 측정치 및 반응후 측정치의 차이를 이용하여 최종 측정치를 산출하는 단계;
    를 포함하는 광화학센서를 이용한 측정방법.
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