KR101842639B1 - 다중광원 구조를 이용한 광분석장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해양 유출유 등의 측정 대상물의 농도에 따라 광원의 개수를 조절하여 최적화된 측정 결과를 얻을 수 있도록 하는 다중광원 구조를 이용한 광분석장치 및 그 방법에 관한 것이다.
상기 다중광원 구조를 이용한 광분석장치는, 측정대상물의 농도에 따라 광량의 조절을 위해 선택적으로 조명되는 광원을 각각 구비한 다수의 광원부를 구비한 다중광원부; 상기 광원부의 개수 + 1 개의 면을 가지며, 각각의 면에는 상기 광원부 각각이 대면하고 나머지 하나의 면으로는 측정대상물에서 발생한 반응광이 방출되도록 각 기둥으로 형성되어 상기 측정대상물이 위치되는 큐벳을 포함하는 큐벳부; 상기 큐벳을 통해 방출되는 반응광을 검출하는 광센서부; 및 상기 다중광원부를 구성하는 광원부들의 조명을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

다중광원 구조를 이용한 광분석장치 및 그 방법{OPTICAL SIGNAL ANALYZER USING MULTIPLE LIGHT SOURCES}
본 발명은 빛을 조사한 후 발생되는 측정대상물에서 발생하는 반응광을 검출하여 대상물을 조사하는 광분석장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 해양 유출유 등의 측정 대상물의 농도에 따라 광원의 개수를 조절하여 최적화된 측정 결과를 얻을 수 있도록 하는 다중광원 구조를 이용한 광분석장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 측정대상물과 반응한 빛의 세기, 위상 등의 빛의 성질을 분석하여 측정하는 광분석장치는 반응된 빛에 따라서 측정대상물의 양이나 종류 등의 상태를 알 수 있다. 이러한 광분석장치로는 측정대상물의 양태에 따라서 흡수되고 일부 통과한 빛의 양을 정량화하여 결과를 나타내는 흡광도 분석장비, 파장대역에 따라 빛이 투과 또는 흡수되는 양을 결과로 나타내는 분광분석장비, 자외선파장에 의해 여기되어 빛을 방출하는 현상을 이용하는 형광분석장비 등이 있다.
이러한 광분석장의 예로는, 대한민국 공개특허 제 10-2014-0029410 호 '오일-물 혼합물에서 물 질량 분율의 측정 방법 및 장치', 대한민국 등록특허 제 10-0789724 호의 '형광빛 측정에 의한 오일 산화도 실시간 모니터링 방법 및 장치', 대한민국 등록특허 제 10-1229372 호 '기름탐지시스템 및 이를 이용한 기름 탐지방법' 등이 있다.
상술한 바와 같이 종래기술의 측정대상물의 양(농도)을 분석하는 광분석장치의 경우, 대상물의 양의 크기에 따라서 반응되는 빛의 상태가 달라지므로, 측정범위에 따라 결과 값을 최적화하기 위해서는, 즉, 작은 양의 시료를 측정하더라도 측정결과를 최대로 얻거나 측정범위를 넓히기 위해서는, 측정하고자 하는 물질의 특성(종류, 양 등)에 따라서 광과 반응하는 시간 및 공간적 범위를 조절하는 방법, 반응한 빛을 측정하는 광센서의 감도를 조절하는 방법, 그리고 광원의 세기를 조절하는 방법 등을 측정하는 절차나 측정시스템에 반영한다.
이를 구체적으로 설명하면, 첫 번째로, 광과 반응하는 시간 및 공간적 범위를 조절하는 방법은 적은 양의 시료를 측정할 경우 주로 적용되는 방법으로, 측정 대상물을 투과하는 또는 반응하는 공간과 시간을 늘리기 위해, 광로의 길이(optical path length)를 늘리는 방법이 사용된다. 광로의 길이가 늘어날 경우, 적은 양의 시료를 측정할 수 있는 최소 측정한계를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 시료 상태 또는 양의 작은 변화에 따라서도 반응 되는 빛의 세기 등의 상태가 달라지므로, 측정 분해능 또한 높일 수 있다는 장점이 있다. 다만 측정시료의 양이 늘어날 경우 반응되는 빛이 포화상태(saturation)에 도달하기 때문에, 고농도의 측정을 위해서는 광로의 길이를 물리적으로 줄여야 하는 추가적인 작업이 필요하다. 따라서 단일의 광로의 길이를 갖는 측정기구의 경우 측정할 수 있는 범위가 제한적인(좁은) 단점을 갖고 있다.
두 번째로 반응한 빛을 측정하는 광센서의 감도를 조절하는 방법은 시료의 양이나 시료의 종류에 따라 반응한 빛의 결과 상태를 알고 있을 경우 사용되는 방법으로, 광센서의 감도를 반응한 빛을 수용할 수 있는 범위로 설정하여 측정하는 것이다. 이 방법은 일반적인 측정범위가 광센서의 측정감도(조절가능한 감도)에 따라서 결정이 되므로 광센서의 측정감도를 벗어난 범위의 대상물을 측정하기 위해서는 부가적인 광학부품이나 전자부품이 필요하게 된다. 예를 들어, 측정감도보다 낮은 빛의 세기를 측정하기 위해서는 측정신호를 증폭하는 방법이 사용되는데, 일반적으로 광센서의 경우 측정결과가 전기적 신호(전류 또는 전압)로 변화되기 때문에, 전류나 전압을 증폭할 수 있는 회로가 추가적으로 필요하다. 다만 미세한 전류의 경우, 측정신호의 신호 대 잡음비가 상당히 낮기 때문에, 이를 증폭하더라도 측정할 수 있는 측정한계 값이 낮아지는 단점을 갖고 있다.
세 번째로 광학측정장치에 측정대상물의 광학 현상을 유발시키는 부분인 광원의 세기를 조절하는 방법은, 적은 양의 측정대상물일 경우 높은 신호를 얻기 위해 더 센 광량을 조사하여 측정되는 광신호의 크기를 상대적으로 높이는 것이다. 이러한 방법은 부가적인 광학적, 전기적 증폭기나, 광로의 길이를 변화시키는 구조물 없이 측정영역(범위)을 조절할 수 있는 장점을 갖고 있다. 다만 단일 광원의 경우 측정범위의 조절이 가능하지만 광량을 조절할 수 있는 범위가 한정되어 있어, 근본적으로 측정할 수 있는 범위가 제한되어 있다는 한계점을 갖고 있다. 또한 측정량에 따라 변화되는 광신호를 구분하여 정량적인 결과로 나타내기 위해서는 기본적으로 조사되는 광원의 광량이 고정되어야 정확한 측정이 가능하기 때문에, 측정범위를 넓히기 위해 광량을 조절할 경우, 조절되는 광량에 따라 반응하는 측정대상물의 반응값(형광 빛의 특성)을 사전에 미리 알고 있어야하는 단점도 존재한다.
대한민국 공개특허 제 10-2014-0029410호 대한민국 등록특허 제 10-0789724호 대한민국 등록특허 제 10-1229372호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광분석을 이용한 대상물의 측정에 있어서 광원의 개수를 선택적으로 적용하는 것에 의해, 측정 대상물의 농도에 따라 측정범위를 용이하게 확대하고, 최적의 측정광을 조사할 수 있도록 하여 측정영역에 따라 최적화된 측정결과를 얻을 수 있도록 하는 다중광원 구조를 이용한 광분석장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중광원 구조를 이용한 광분석장치는,
측정대상물의 농도에 따라 광량의 조절을 위해 선택적으로 조명되는 광원을 각각 구비한 다수의 광원부를 구비한 다중광원부;
상기 광원부의 개수 + 1 개의 면을 가지며, 각각의 면에는 상기 광원부 각각이 대면하고 나머지 하나의 면으로는 측정대상물에서 발생한 반응광이 방출되도록 각 기둥으로 형성되어 상기 측정대상물이 위치되는 큐벳을 포함하는 큐벳부;
상기 큐벳부를 통해 방출되는 반응광을 검출하는 광센서부; 및
상기 다중광원부를 구성하는 광원부들의 조명을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 다중광원부는 2개의 광원부를 포함하고,
상기 큐벳은 삼각 기둥으로 형성되며,
상기 제어부는.
측정대상물이 저농도인 경우에는 2 개의 광원을 조사하여 측정대상물에 의한 반응광을 생성하고, 측정대상물이 고농도인 경우에는 하나의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하는 것에 의해, 측정대상물의 저농도 영역과 고농도 영역에서 반응광이 선형성을 가지는 2단계 측정이 수행되도록 상기 다중광원부를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 다중광원부는 3개의 광원부를 포함하고,
상기 큐벳은 사각 기둥으로 형성되며,
상기 제어부는.
측정대상물을 저농도, 중간농도, 고농도로 분류하여, 측정대상물이 저농도인 경우 3개의 광원을 조사하여 측정대상물에 의한 반응광을 생성하고, 측정대상물이 중간 농도인 경우에는 2 개의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하며, 측정대상물이 고농도인 경우에는 하나의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하는 것에 의해, 3개의 농도 구간에 대한 반응광을 측정하도록 하고, 측정된 반응광이 3개의 농도 구간에서 선형성을 가지는 3단계 측정이 수행되도록 상기 다중광원부를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 다중광원부는 4개의 광원부를 포함하고,
상기 큐벳은 오각 기둥으로 형성되며,
상기 제어부는.
측정대상물을 초저농도, 저농도, 중간농도, 고농도로 분류하여, 측정대상물이 초저농도인 경우 4개의 광원을 조사하여 측정대상물에 의한 반응광을 생성하며, 측정대상물이 저농도인 경우 3개의 광원을 조사하여 측정대상물에 의한 반응광을 생성하고, 측정대상물이 중간 농도인 경우에는 2 개의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하며, 측정대상물이 고농도인 경우에는 하나의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하는 것에 의해, 4개의 농도 구간에 대한 반응광을 측정하도록 하고, 측정된 반응광이 4개의 농도 구간에서 선형성을 가지는 4단계 측정이 수행되도록 상기 다중광원부를 제어하도록 구성될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중광원 구조를 이용한 광분석 방법은, 다중광원부, 큐벳부, 광센서부 및 제어부를 포함하는 광분석장치에 의한 광분석 방법에 있어서,
상기 제어부가 측정대상물에 대한 측정 농도 영역을 분할한 후, 농도별 발광되는 광원부를 선택하는 농도별 발광 설정 단계; 및
상기 제어부가 상기 농도별 발광 설정 단계에 따라 순차적으로 발광을 수행하여 광분석을 수행하는 광분석단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 농도별 발광 설정 단계는,
반응광이 포화인 경우를 고농도로 설정한 후, 광원부의 개수에 따라 농도 영역을 균등 분할하는 것을 특징으로 한다.
상기 광분석단계는,
상기 균등 분할된 농도 영역을 n이라 하면, 최하의 저농도의 경우 n개의 광원부를 발광하고, 영역별 발광되는 광원부를 하나씩 감소시켜 반응광이 포화가 되는 포화상태를 포함하는 고농도에서 하나의 광원부를 발광시키는 것에 의해, 측정대상물의 농도 영역별로 서로 다른 개수의 광원부를 발광시켜 광분석을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성의 본 발명의 다중광원 구조를 이용한 광분석장치는, 종래기술의 광분석장치가 가지고 있는 단점인 측정영역의 한계를 극복하여 보다 넓은 측정영역을 측정할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 2단 발광 광분석장치(100)의 블록 구성도.
도 2는 측정대상물의 농도를 2단계 영역으로 분할하여 설정된 영역별 발광 설정을 나타내는 도면.
도 3은 2단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 종래기술의 단일광 조사에 의한 광센서신호 측정 그래프.
도 4는 2단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 도 1의 2단 발광 광분석장치(100)에 의한 2단계 발광 조사에 의한 제어부(40)에서의 광센서신호 측정 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 3단 발광 광분석장치(200)의 블록 구성도.
도 6은 측정대상물의 농도를 3단계 영역으로 분할하여 설정된 영역별 발광 설정을 나타내는 도면.
도 7은 3단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 종래기술의 단일광 조사에 의한 광센서신호 측정 그래프.
도 8은 3단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 도 5의 3단 발광 광분석장치(200)에 의한 3단계 발광 조사에 의한 제어부(40)에서의 광센서신호 측정 그래프.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 4단 발광 광분석장치(300)의 블록 구성도.
도 10은 측정대상물의 농도를 4단계 영역으로 분할하여 설정된 영역별 발광 설정을 나타내는 도면.
도 11은 4단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 종래기술의 단일광 조사에 의한 광센서신호 측정 그래프.
도 12는 4단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 도 9의 3단 발광 광분석장치(300)에 의한 4단계 발광 조사에 의한 제어부(40)에서의 광센서신호 측정 그래프.
도 13은 본 발명의 다중광원 구조를 가지는 광분석장치에 의한 광분석방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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.
이하, 본원 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 2단 발광 광분석장치(100)의 블록 구성도이다..
도 1과 같이, 상기 2단 발광 광분석장치(100)는 한 쌍의 광원부(10)를 가지는 다중광원부와, 측정대상물(2)이 수납되는 삼각기둥 큐벳(21), 광센서부(30) 및 제어부(40)를 포함하여 구성된다.
상기 광원부(10)는 필요에 따라 발광다이오드(LED 등) 등의 광원, 광학렌즈, 개구부, 여기필터 등을 포함하여 구성되어, 측정대상물의 측정에 적정한 광특성을 가지는 광원을 생성하여 방출하도록 구성된다.
상기 삼각기둥 큐벳(21)은 광을 투과하는 재질로 삼각기둥으로 제작된다.
상기 광센서부(30) 또한, 필요에 따라 외부의 빛을 차단하고 측정대상물에서 발생된 반응광만이 입사되도록 하는 개구부, 입사되는 광을 집속하는 광학렌즈, 형광 측정을 수행하는 경우에 필요한 광방출필터 및 광을 검출하기 위한 광다이오드(photo diode)를 포함하여 입사되는 광을 검출하도록 구성된다.
상기 제어부(40)는 측정대상물에 의한 반응광 생성을 위해 측정대상물(2)이 저농도인 경우에는 2 개의 광원을 조사하고, 측정대상물이 고농도인 경우에는 하나의 광원을 조사하는 것에 의해, 측정대상물의 저농도 영역과 고농도 영역에서 반응광이 선형성을 가지는 3단계 측정이 수행되도록 상기 다중광원부를 구성하는 한 쌍의 광원부(10)를 제어하도록 구성된다.
상술한 구성을 가지는 상기 광원부(10)는 삼각기둥 큐벳(21)의 두 개의 측면에 대향하여 설치되고, 광센서부(30)는 큐벳의 나머지 하나의 측면에 대향하여 설치된다. 그리고 상기 제어부(40)는 광원부(10)들과 접속되어 광원부(10)들의 발광을 제어하며, 광센서부(30)의 광 감지 신호를 수신하여 측정대상물에 대한 2단계 농도영역에 따른 광분석을 수행하도록 접속 구성된다.
도 2는 측정대상물의 농도를 2단계 영역으로 분할하여 설정된 영역별 발광 설정을 나타내는 도면이다.
도 2와 같이, 2단 발광 광분석장치(100)에 의한 측정대상물(2)의 광 분석을 수행하기 위해서는 측정대상물(2)의 발광이 포화가 되는 상태의 농도를 고농도로 설정하여, 측정대상물의 0에서 포화상태를 포함하는 농도 영역을 광원부(10)의 개수인 2로 나누어서 낮은 농도 영역을 2개의 광원부(10)를 발광시키는 저농도 영역으로, 높은 농도 영역을 1개의 광원부(10)를 발광시키는 고농도 영역으로 분할 설정한다.
상술한 바와 같이, 측정대상물에 대한 농도 영역이 분할된 후 광분석의 수행을 종래기술과 도 1의 2단 발광 광분석장치(100)에 따라 비교해 보면 다음과 같다.
도 3은 2단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 종래기술의 단일광 조사에 의한 광센서신호 측정 그래프이다.
도 3과 같이, 종래기술의 단일광을 이용하여 광분석을 수행하는 경우에는 고농도 영역에서는 어느 정도 선형적인 반응 신호를 얻을 수 있지만, 저농도 영역에서는 반응된 광신호의 크기가 작아, 농도의 차이에 따른 반응신호의 크기 차이가 작은 단점을 가진다. 즉, 저농도 영역에서는 반응 시료(측정대상물(2))의 농도에 따른 해상도 또는 분해능이 작아져 분별성이 떨어진다.
도 4는 2단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 도 1의 2단 발광 광분석장치(100)에 의한 2단계 발광 조사에 의한 제어부(40)에서의 광센서신호 측정 그래프이다.
도 3의 종래기술과 달리, 측정대상물의 2단계 농도별 광원의 개수를 선택적으로 적용하는 본원의 실시예에 따르는 2단계 발광 광분석장치(100)의 경우에는, 도 4와 같이, 고농도 영역에서는 광원부(10)를 1개만 작동시켜 선형적이고 분해능이 큰 반응신호를 얻을 수 있다. 그리고 저농도 영역에서는 2개의 광원부(10)를 동시에 동작시켜 발광을 수행하는 것에 의해 비록 반응되는 시료(측정대상물(2))의 양은 적지만, 반응을 유발시키는 광원의 광량의 크기를 높일 수 있어 반응성을 높게 함으로써, 저농도 영역에서도 농도별 반응한 광신호의 크기를 전체적으로 높일 수 있을 뿐만 아니라, 농도에 따라 변화되는 광신호의 크기를 높일 수 있어 분해능이 크고 해상도가 높은 측정결과를 얻을 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 3단 발광 광분석장치(200)의 블록 구성도이다.
도 5와 같이, 상기 3단 발광 광분석장치(200)는 3 개의 광원부(10)를 가지는 다중광원부와, 측정대상물(2)이 수납되는 사각기둥 큐벳(23), 광센서부(30) 및 제어부(40)를 포함하여 구성된다.
상기 3단 발광 광분석장치(200)에서 상기 광원부(10)와 상기 광센서부(30)의 구성은 도 1 내지 도 4에서 설명된 2단 발광 광분석장치(100)의 광원부(10)와 광센서부(30)의 구성과 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하고, 상기 큐벳(23)과 제어부(40)의 구성에 대하여 설명한다.
상기 큐벳(23)은 광을 투과하는 재질로 4각 기둥으로 제작된다.
상기 제어부(40)는 측정대상물에 의한 반응광 생성을 위해 측정대상물(2)이 저농도인 경우에는 3 개의 광원을 조사하고, 측정대상물이 중간 농도인 경우에는 2개의 광원을 조사하며, 측정대상물이 고농도인 경우에는 하나의 광원을 조사하는 것에 의해, 측정대상물의 저농도 영역과 중간 농도 영역과 고농도 영역에서 반응광이 선형성을 가지는 3단계 측정이 수행되도록 상기 다중광원부를 구성하는 세 개의 광원부(10)를 제어하도록 구성된다.
상술한 구성을 가지는 상기 광원부(10)는 사각기둥 큐벳(23)의 3 개의 측면에 대향하여 설치되고, 광센서부(30)는 큐벳(23)의 나머지 하나의 측면에 대향하여 설치된다. 그리고 상기 제어부(40)는 광원부(10)들과 접속되어 광원부(10)들의 발광을 제어하며, 광센서부(30)의 광 감지 신호를 수신하여 측정대상물에 대한 3단계 농도영역에 따른 광분석을 수행하도록 접속 구성된다.
도 6은 측정대상물의 농도를 3단계 영역으로 분할하여 설정된 영역별 발광 설정을 나타내는 도면이다.
도 6과 같이, 3단 발광 광분석장치(200)에 의한 측정대상물(2)의 광 분석을 수행하기 위해서는 측정대상물(2)의 발광이 포화가 되는 상태의 농도를 고농도로 설정하여, 측정대상물의 0에서 포화상태를 포함하는 농도 영역을 광원부(10)의 개수인 3으로 나누어서 가장 낮은 농도 영역을 3 개의 광원부(10)를 발광시키는 저농도 영역, 다음을 2개의 광원부(10)를 발광시키는 중간 농도 영역, 그리고 고농도를 포함하는 영역을 1개의 광원부(10)를 발광시키는 고농도 영역으로 분할한다.
상술한 바와 같이, 측정대상물에 대한 농도 영역이 분할된 후 광분석의 수행을 종래기술과 도 5의 3단 발광 광분석장치(200)에 따라 비교해 보면 다음과 같다.
도 7은 3단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 종래기술의 단일광 조사에 의한 광센서신호 측정 그래프이다.
도 7과 같이, 종래기술의 단일광을 이용하여 광분석을 수행하는 경우에는 중간농도 영역에서만 선형적인 결과를 얻을 수 있는 반면, 고농도 영역에서는 반응된 광신호가 광센서의 측정범위를 초과하여 포화상태(saturation)에 이르므로 측정이 불가능한 영역이 된다. 또한, 저농도 영역의 경우, 농도에 따라 반응한 광신호의 차이가 크지 않으므로 측정결과의 분해능이 떨어지는 단점을 가진다.
도 8은 3단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 도 5의 3단 발광 광분석장치(200)에 의한 3단계 발광 조사에 의한 제어부(40)에서의 광센서신호 측정 그래프이다.
도 7의 종래기술과는 달리, 측정대상물의 3단계 농도별 광원의 개수를 선택적으로 적용하는 본원 실시예에 따르는 3단계 발광 광분석장치(200)의 경우에는, 도 8과 같이, 고농도 영역에서는 광원부(10)를 1개만 발광시키고, 중간농도 영역에서는 광원부(10)를 2개를 발광시키며, 저농도 영역에서는 광원부(10)를 3개를 발광시키는 것에 의해, 반응되는 측정대상물(2)의 농도에 따라서 반응성을 최대로 할 수 있도록 광세기를 최적화함으로써, 모든 농도 구간에서 선형적이고 분별도가 큰 측정결과를 얻을 수 있는 장점을 가진다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 4단 발광 광분석장치(300)의 블록 구성도이다.
도 9와 같이, 상기 4단 발광 광분석장치(300)는 4 개의 광원부(10)를 가지는 다중광원부와, 측정대상물(2)이 수납되는 오각기둥 큐벳(25), 광센서부(30) 및 제어부(40)를 포함하여 구성된다.
상기 4단 발광 광분석장치(300)에서 상기 광원부(10)와 상기 광센서부(30)의 구성은 도 1 내지 도 4에서 설명된 2단 발광 광분석장치(100)의 광원부(10)와 광센서부(30)의 구성과 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하고, 상기 큐벳(25)과 제어부(40)의 구성에 대하여 설명한다.
상기 큐벳(25)은 광을 투과하는 재질로 5각 기둥으로 제작된다.
상기 제어부(40)는 측정대상물에 의한 반응광 생성을 위해 측정대상물(2)이 초저농도인 경우에는 4 개의 광원을 조사하며, 저농도인 경우에는 3 개의 광원을 조사하고, 측정대상물이 중간 농도인 경우에는 2개의 광원을 조사하며, 측정대상물이 고농도인 경우에는 하나의 광원을 조사하는 것에 의해, 측정대상물의 초저농도 영역과 저농도 영역과 중간 농도 영역 및 고농도 영역에서 반응광이 선형성을 가지는 4단계 측정이 수행되도록 상기 다중광원부를 구성하는 네 개의 광원부(10)를 제어하도록 구성된다.
상술한 구성을 가지는 상기 광원부(10)는 오각기둥 큐벳(25)의 4 개의 측면에 대향하여 설치되고, 광센서부(30)는 큐벳(25)의 나머지 하나의 측면에 대향하여 설치된다. 그리고 상기 제어부(40)는 광원부(10)들과 접속되어 광원부(10)들의 발광을 제어하며, 광센서부(30)의 광 감지 신호를 수신하여 측정대상물에 대한 4단계 농도영역에 따른 광분석을 수행하도록 접속 구성된다.
도 10은 측정대상물의 농도를 4단계 영역으로 분할하여 설정된 영역별 발광 설정을 나타내는 도면이다
도 10과 같이, 4단 발광 광분석장치(300)에 의한 측정대상물(2)의 광 분석을 수행하기 위해서는 측정대상물(2)의 발광이 포화가 되는 상태의 농도를 고농도로 설정하여, 측정대상물의 0에서 포화상태를 포함하는 농도 영역을 광원부(10)의 개수인 4로 나누어서 가장 낮은 농도 영역을 4 개의 광원부(10)를 발광시키는 초저농도 영역, 3 개의 광원부(10)를 발광시키는 저농도 영역, 다음을 2개의 광원부(10)를 발광시키는 중간 농도 영역, 그리고 고농도를 포함하는 영역을 1개의 광원부(10)를 발광시키는 고농도 영역으로 분할한다.
상술한 바와 같이, 측정대상물에 대한 농도 영역이 분할된 후 광분석의 수행을 종래기술과 도 9의 4단 발광 광분석장치(300)에 따라 비교해 보면 다음과 같다. .
도 11은 4단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 종래기술의 단일광 조사에 의한 광센서신호 측정 그래프이다.
도 11과 같이, 종래기술의 단일광을 이용하여 광분석을 수행하는 경우에는 중간농도 영역에서만 선형적인 결과를 얻을 수 있는 반면, 고농도 영역에서는 반응된 광신호가 광센서의 측정범위를 초과하여 포화상태(saturation)에 이르므로 측정이 불가능한 영역이 된다. 또한, 초저농도 영역과 저농도 영역의 경우 농도에 따라 반응한 광신호의 차이가 크지 않으므로 측정결과의 분해능이 떨어지는 단점을 가진다.
도 12는 4단계 농도 영역을 가지는 측정 대상물에 대한 도 9의 3단 발광 광분석장치(300)에 의한 4단계 발광 조사에 의한 제어부(40)에서의 광센서신호 측정 그래프이다.
도 11의 종래기술과는 달리, 측정대상물의 4단계 농도별 광원의 개수를 선택적으로 적용하는 본원 실시예에 따르는 4단계 발광 광분석장치(300)의 경우에는, 도 12와 같이, 고농도 영역에서는 광원부(10)를 1개만 발광시키고, 중간농도 영역에서는 광원부(10)를 2개를 발광시키며, 저농도 영역에서는 광원부(10)를 3개를 발광시키고, 초저농도 영역에서는 광원부(10)를 4개를 발광시키는 것에 의해, 반응되는 측정대상물(2)의 농도에 따라서 반응성을 최대로 할 수 있도록 광세기를 최적화함으로써, 모든 농도 구간에서 선형적이고 분별도가 큰 측정결과를 얻을 수 있는 장점을 가진다.
도 1 내지도 도 12의 본원 발명의 실시예의 설명에서 큐벳이 삼각기둥, 사각기둥, 오각기둥이고 광원부(10)가 2개, 3개, 4개를 구비하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 본원 발명은 6각 기둥 등의 다각 기둥 큐벳과 다각 기둥의 측면의 개수 ?? 1 개의 광원부(10)를 구비하는 것으로 확장 적용될 수 있다. 또한, 상기 큐벳이 다각 기둥으로 형성되는 것은 측정대상물에 입사되는 광이 다각형 기둥의 측면에서 수직으로 입사되도록 하여 반사되거나 굴절되는 등의 간섭을 최소화하는 것에 의해 반응성을 높이기 위한 것이다.
도 13은 본 발명의 다중광원 구조를 가지는 광분석장치에 의한 광분석방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 13과 같이, 본 발명의 다중광원 구조를 이용한 광분석 방법은, 다중광원부, 큐벳부, 광센서부 및 제어부를 포함하는 광분석장치에 의한 광분석 방법에 있어서, 농도별 발광 설정 단계(S100) 및 광분석단계(S200)을 포함하여 이루어진다.
상기 농도별 발광 설정 단계(S100)는 제어부(40)가 반응광이 포화인 경우를 고농도로 설정한 후, 광원부의 개수에 따라 농도 영역을 균등 분할하여, 균등 분할된 영역에 따라 농도에 반비례하여 발광되는 광원부(10)의 개수를 설정한다. 이때, 포화농도 값은 사용자에 의해 입력될 수 있다.
상기 광분석단계(S200)는 제어부(40)가 상기 농도별 발광 설정 단계(S100)에 따라 순차적으로 발광을 수행하여 광분석을 수행하는 처리과정을 수행한다.
구체적으로 상기 광분석단계(S200)는 균등 분할된 측정대상물(2)의 농도 영역을 n이라 하면, 최하의 저농도의 경우 n개의 광원부를 발광하고, 영역별 발광되는 광원부를 하나씩 감소시켜 반응광이 포화가 되는 포화상태를 포함하는 고농도 영역에서 하나의 광원부(10)를 발광시키는 것에 의해, 측정대상물의 농도 영역별로 서로 다른 개수의 광원부를 발광시켜 광분석을 수행하도록 구성된다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 2단계 발광 광분석장치
200: 3단계 발광 광분석장치
300: 4단계 발광 광분석장치
2: 측정대상물

Claims (7)

  1. 측정대상물의 농도에 따라 광량의 조절을 위해 선택적으로 조명되는 광원을 각각 구비한 다수의 광원부를 구비한 다중광원부;
    상기 광원부의 개수 + 1 개의 면을 가지며, 각각의 면에는 상기 광원부 각각이 대면하고 나머지 하나의 면으로는 측정대상물에서 발생한 반응광이 방출되도록 각 기둥으로 형성되어 상기 측정대상물이 위치되는 큐벳을 포함하는 큐벳부;
    상기 큐벳을 통해 방출되는 반응광을 검출하는 광센서부; 및
    상기 다중광원부를 구성하는 광원부들의 조명을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 다중광원 구조를 이용한 광분석장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중광원부는 2개의 광원부를 포함하고,
    상기 큐벳은 삼각 기둥으로 형성되며,
    상기 제어부는.
    측정대상물이 저농도 영역에 속하는 경우에는 2개의 광원을 조사하여 측정대상물에 의한 반응광을 생성하고, 측정대상물이 고농도 영역에 속하는 경우에는 하나의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하는 것에 의해, 측정대상물의 저농도 영역과 고농도 영역에서 반응광이 선형성을 가지는 2단계 측정이 수행되도록 상기 다중광원부를 제어하도록 구성되고,
    상기 측정대상물의 농도 영역은 상기 광원부의 개수로 나누어져 2개의 영역으로 균등 분할되어 2개의 영역 중 낮은 농도 영역이 저농도 영역으로 설정되고 높은 농도 영역이 고농도 영역으로 설정되며,
    상기 측정대상물이 저농도 영역에 속하는 경우 저농도로 분류되고, 고농도 영역에 속하는 경우 고농도로 분류되는 것을 특징으로 하는 다중광원 구조를 이용한 광분석장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중광원부는 3개의 광원부를 포함하고,
    상기 큐벳은 사각 기둥으로 형성되며,
    상기 제어부는.
    측정대상물이 저농도 영역에 속하는 경우에는 3개의 광원을 조사하여 측정대상물에 의한 반응광을 생성하고, 측정대상물이 중간농도 영역에 속하는 경우에는 2 개의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하며, 측정대상물이 고농도 영역에 속하는 경우에는 하나의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하는 것에 의해, 3개의 농도 구간에 대한 반응광을 측정하도록 하고, 측정된 반응광이 3개의 농도 구간에서 선형성을 가지는 3단계 측정이 수행되도록 상기 다중광원부를 제어하도록 구성되며,
    상기 측정대상물의 농도 영역은 상기 광원부의 개수로 나누어져 3개의 영역으로 균등 분할되어 3개의 영역 중 가장 낮은 농도 영역이 저농도 영역으로 설정되고, 저농도 영역보다 높은 농도 영역이 중간농도 영역으로 설정되며, 중간농도 영역보다 높은 농도 영역이 고농도 영역으로 설정되고,
    상기 측정대상물이 저농도 영역에 속하는 경우 저농도로 분류되고, 중간농도 영역에 속하는 경우 중간농도로 분류되며, 고농도 영역에 속하는 경우 고농도로 분류되는 것을 특징으로 하는 다중광원 구조를 이용한 광분석장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다중광원부는 4개의 광원부를 포함하고,
    상기 큐벳은 오각 기둥으로 형성되며,
    상기 제어부는.
    측정대상물이 초저농도 영역에 속하는 경우에는 4개의 광원을 조사하여 측정대상물에 의한 반응광을 생성하고, 측정대상물이 저농도 영역에 속하는 경우에는 3개의 광원을 조사하여 측정대상물에 의한 반응광을 생성하며, 측정대상물이 중간농도 영역에 속하는 경우에는 2개의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하고, 측정대상물이 고농도 영역에 속하는 경우에는 하나의 광을 조사하여 측정대상물에 대한 반응광을 생성하는 것에 의해, 4개의 농도 구간에 대한 반응광을 측정하도록 하고, 측정된 반응광이 4개의 농도 구간에서 선형성을 가지는 4단계 측정이 수행되도록 상기 다중광원부를 제어하도록 구성되며,
    상기 측정대상물의 농도 영역은 상기 광원부의 개수로 나누어져 4개의 영역으로 균등 분할되어 4개의 영역 중 가장 낮은 농도 영역이 초저농도 영역으로 설정되고, 초저농도 영역보다 높은 농도 영역이 저농도 영역으로 설정되며, 저농도 영역보다 높은 농도 영역이 중간농도 영역으로 설정되고, 중간농도 영역보다 높은 농도 영역이 고농도 영역으로 설정되며,
    상기 측정대상물이 초저농도 영역에 속하는 경우 초저농도로 분류되고, 저농도 영역에 속하는 경우 저농도로 분류되며, 중간농도 영역에 속하는 경우 중간농도로 분류되고, 고농도 영역에 속하는 경우 고농도로 분류되는 것을 특징으로 하는 다중광원 구조를 이용한 광분석장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 따른 광분석장치에 의한 광분석 방법에 있어서,
    제어부가 측정대상물에 대한 측정 농도 영역을 분할한 후, 농도별 발광되는 광원부를 선택하는 농도별 발광 설정 단계; 및
    상기 제어부가 상기 농도별 발광 설정 단계에 따라 순차적으로 발광을 수행하여 광분석을 수행하는 광분석단계;를 포함하여 이루어지는 다중광원 구조를 이용한 광분석방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 농도별 발광 설정 단계는,
    반응광이 포화인 경우를 고농도로 설정한 후, 광원부의 개수에 따라 농도 영역을 균등 분할하는 다중광원 구조를 이용한 광분석방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 광분석단계는,
    균등 분할된 농도 영역을 n이라 하면, 최하의 저농도의 경우 n개의 광원부를 발광하고, 영역별 발광되는 광원부를 하나씩 감소시켜 반응광이 포화가 되는 포화상태를 포함하는 고농도에서 하나의 광원부를 발광시키는 것에 의해, 측정대상물의 농도 영역별로 서로 다른 개수의 광원부를 발광시켜 광분석을 수행하도록 구성되는 다중광원 구조를 이용한 광분석방법.
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