KR101878094B1 - 이종의 반사경이 결합된 미세 먼지 및 미생물 검출 장치 - Google Patents

이종의 반사경이 결합된 미세 먼지 및 미생물 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측정 샘플이 유입되며 내부가 반사경으로 구현된 샘플실, 입사광이 입사되는 광입사구, 상기 측정 샘플에 조사된 입사광을 사출하기 위한 제1광출사구 및 제2광출사구를 포함하는 샘플실 몸체, 상기 광입사부로 상기 입사광을 조사하고, 상기 입사광에 유입되는 주변광을 차단하는 송광부 및 상기 제1광출사구로부터 사출되는 출사광을 제1경로 및 제2경로로 분리하여 전달하고, 상기 제1경로로 전달된 출사광으로부터 산란광을 검출하며 상기 제2경로로 전달된 출사광에 유입되는 주변광을 차단하여 형광을 검출하는 수광부를 포함한다.

Description

이종의 반사경이 결합된 미세 먼지 및 미생물 검출 장치{HETEROGENEOUS MIRROR COUPLED DETECTION APPARATUS FOR MICRO DUST AND ORGANISM}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 미세 먼지 및 미생물 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종의 반사경이 결합되어 미세 먼지 및 미생물을 동시에 검출할 수 있고 신호 감쇄를 최소화함으로써 검출 능력을 크게 향상 시킬 수 있는 미세 먼지 및 미생물 검출 장치에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 오염 물질 발생 역시 크게 증가하고 있으며, 이러한 오염 물질에는 미세 먼지나 미생물 등 다양한 유해 물질이 포함되어 있다. 최근에는 이러한 오염 물질 중 미세 먼지나 미생물과 같이 주변에서 흔하게 접할 수 있는 물질이 인체에 치명적인 영향을 미칠 수 있다는 사실이 밝혀지고 있으며, 국가적 차원에서도 일기 예보 등을 통해 황사, 미세 먼지 농도 등을 예보하고 있다. 미세 먼지와 미생물에 대한 실질적인 피해를 예방하고 최소화하기 위해서는 국가적 또는 지역적인 규모의 예보 외에도, 사람이 많이 모이는 공공장소나 시설 내에서 지속적인 모니터링과 그에 대응한 조치가 필수적이다. 이러한 요구에 따라 미세 먼지와 미생물을 매우 정밀하게 검출할 수 있는 장치에 대한 연구 개발이 지속적으로 수행되고 있다. 종래의 미생물 검출 기술은 대기 중에서 측정을 위한 샘플을 포집하고, 포집된 샘플을 배지에서 배양하며, 배양된 미생물 군의 개수 및 동종을 통해 미생물을 검출하는 과정을 거쳤다. 그러나 이러한 방법은 포집된 미생물을 배양하는데 수시간 내지 수일 이상의 시간이 필요한 단점이 있어, 최근에는 실시간으로 대기 상태를 모니터링할 수 있는 광학 검출기에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
도 1은 미세 먼지 및 미생물을 검출하기 위한 종래의 광학 검출기를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 광학 검출기는 내벽면이 타원경(32)으로 이루어진 샘플실(31) 내에 측정 샘플 에어로졸을 유입시킨 상태에서 광원부(33)가 샘플실(31) 내 측정 샘플에 광을 조사하고, 측정 샘플에 충돌하여 발생하는 산란광과 형광을 각각 집광하여 미세 먼지와 미생물을 검출한다. 그러나 종래의 광학 검출기는 광원부(33)가 인코히어런트 옵티컬 소스(incoherent optical source)이기 때문에 광 노이즈가 발생할 우려가 크다. 또한, 경통의 구조, 렌즈 설계 또는 렌즈에 의한 난반사 때문에 검출 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적인 과제는 미세먼지 및 미생물 검출 과정에서 주변광에 의한 광 노이즈를 최소화함으로써 검출 능력을 극대화시킬 수 있는 미세 먼지 및 미생물 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적인 과제는 경통의 구조, 렌즈 설계 또는 렌즈에 의한 난반사 등을 줄여 검출 효율을 높일 수 있는 미세 먼지 및 미생물 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치는 측정 샘플이 유입되며 내부가 반사경으로 구현된 샘플실, 입사광이 입사되는 광입사구, 상기 측정 샘플에 조사된 입사광을 사출하기 위한 제1광출사구 및 제2광출사구를 포함하는 샘플실 몸체, 상기 광입사부로 상기 입사광을 조사하고, 상기 입사광에 유입되는 주변광을 차단하는 송광부 및 상기 제1광출사구로부터 사출되는 출사광을 제1경로 및 제2경로로 분리하여 전달하고, 상기 제1경로로 전달된 출사광으로부터 산란광을 검출하며 상기 제2경로로 전달된 출사광에 유입되는 주변광을 차단하여 형광을 검출하는 수광부를 포함한다.
상기 반사경은 상부인 정원경의 일부와 하부인 타원경의 일부가 결합된 형태이며, 상기 정원경은 상기 제1광출사구에 대응되도록 개구가 형성될 수 있다.
상기 정원경의 중심은 상기 타원경의 제1초점일 수 있다.
또한, 상기 제1광출사구로부터 기설정된 위치에 결합되며, 중심부에 개구가 형성되어 상기 제1광출사구로부터 사출되는 난반사 광을 감소시키는 난반사감소부를 더 포함할 수 있다.
상기 기설정된 위치는 상기 타원경의 제2초점일 수 있다.
상기 난반사감소부는 원판 형태일 수 있다.
상기 난반사감소부는 경통 일체형 구조일 수 있다.
상기 난반사감소부의 개구의 하부측 내경과 상부측 내경의 직경이 서로 다르게 형성될 수 있다.
상기 하부측 내경이 상기 상부측 내경보다 클 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치는 주변광에 의한 광 노이즈를 최소화함으로써 미세 먼지 및 미생물 검출 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치는 정원경과 타원경을 결합하여 샘플실의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치는 입사광의 반사 횟수를 줄여 신호감쇄를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치는 난반사광의 입사를 최소화하여 노이즈 비율을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치는 난반사광의 입사를 최소화하여 수광부의 광 센서의 포화를 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 미세 먼지 및 미생물을 검출하기 위한 종래의 광학 검출기를 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치를 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 샘플실에서 빛의 경로를 나타내는 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 정원경과 타원경의 관계를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 원판형 구조의 난반사감소부를 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 경통 일체형 구조의 난반사감소부를 나타내는 도이다.
도 7은 난반사감소부가 장착되지 않은 수광부의 광 센서가 수신한 DC파형을 나타내는 도이다.
도 8은 본 발명에 따른 수광부의 광 센서가 수신한 DC파형을 나타내는 도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
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 실시 예를 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 설명된 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치를 나타내는 도이고, 도 3은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 정원경과 타원경의 관계를 나타내는 도이고, 도 4는 본 발명에 따른 샘플실에서 빛의 경로를 나타내는 도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치(이하, '검출 장치'라 함, 10)는 내부에 샘플실(110)을 제공하는 샘플실 몸체(100), 샘플실(110)에 광을 조사하는 송광부(200), 샘플실(110)로부터 사출되는 산란광(Scattering Light) 및 형광(Fluorescence Light)을 검출하는 수광부(300)을 포함한다.
샘플실 몸체(100)가 제공하는 샘플실(110)은 상부인 정원경(120)의 일부와 하부인 타원경(130)의 일부가 결합된 형태로 구성될 수 있고, 샘플실(110)의 내벽의 일부 또는 전부에는 거울면, 즉 정원경(Circular mirror,120) 또는 타원경(Elliptical mirror, 130)이 배치되며, 샘플실(110) 내부에는 샘플 유입구(151)를 통해 측정 샘플, 예컨대 샘플 에어로졸이 유입된다.
또한, 샘플실 몸체(100)의 샘플 유입구(151)에는 노즐부(미도시)의 유입 노즐이 연결되고, 상기 유입 노즐을 통해 측정하고자 하는 샘플 에어로졸이 샘플실(110)로 유입되며, 상기 샘플 에어로졸의 유입 위치는 송광부(200)의 입사광이 포커싱되는 제1초점(131)부분이다.
도면에 도시되지는 않았지만, 샘플 유입구(151)의 반대측 샘플실 몸체(100)에는 샘플 배출구가 구비되어 유입된 샘플 에어로졸을 샘플실(110) 외부로 배출할 수 있다.
샘플실(110) 내의 정원경(120)의 중심은 타원경(130)의 제1초점(131)이며, 정원경(120)에는 제1광출사구(170)에 대응되도록 개구(121)가 형성되어 있다.
실시 예에 따라, 정원경(120)의 반경은 13mm에서 14mm 사이의 값에서 선택되는 것이 바람직하며, 정원경(120)에 형성된 개구(121)의 크기는 14.5mm에서 15.5mm 사이의 값에서 선택되는 것이 바람직하다.
샘플실(110) 내의 타원경(130)은 2개의 초점(131 및 132)을 가질 수 있으며, 송광부(200)로부터 입사된 광이 실질적으로 타원경(130)의 제1초점(131)으로 수렴되어 에어로졸로 유입되는 측정 샘플에 조사되고, 측정 샘플 내 입자와 충돌한 광은 산란하여 굴절되면서 타원경(130)에 의해 상기 타원경(130)과 결합된 정원경(120)의 개구를 통해 상기 타원경(130)의 제2초점(132)을 향하여 샘플실(110)의 외부로 사출된다.
실시 예에 따라, 타원경(130) 단축의 길이는 25.5mm에서 26.5mm 사이의 값에서 선택되는 것이 바람직하며, 타원경(130) 장축의 길이는 32mm에서 33mm 사이의 값에서 선택되는 것이 바람직하다. 또한 타원경(130)의 제1초점(131)과 제2초점(132)의 초점간 거리는 19mm에서 20mm 사이의 값에서 선택되는 걱이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 광입사구(160)로 입사된 광은 실질적으로 타원경(130)의 제1초점(131)으로 수렴되어 에어로졸로 유입되는 측정 샘플에 조사되고, 측정 샘플 내 입자와 충돌한 광은 산란하여 굴절된다.
산란하여 굴절된 광 중 타원경(130)으로 굴절된 광은 타원경(130)에 의해 제2초점(132)으로 향하여 제1광출사구(170)를 통하여 외부로 사출된다.
산란하여 굴절된 광 중 정원경(120)으로 굴절된 광은 정원경(120)에 의해 타원경(130)의 제1초점(131)으로 향하게 되고, 타원경(130)의 제1초점(131)을 지난 광은 타원경(130)에 의해 제2초점(132)으로 향하여 제1광출사구(170)를 통하여 외부로 사출된다.
샘플실(110)이 상부인 정원경(120)의 일부와 하부인 타원경(130)의 일부가 결합되어 구성된 경우 최대 2번의 반사에 의해 입사된 광이 타원경(130)에 의해 제2초점(132)으로 향하여 제1광출사구(170)를 통하여 외부로 사출되고, 신호 감쇄는 반사경에 반사되는 횟수에 비례하므로 본 발명의 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치는 반사에 의한 신호 감쇄를 최소화 할 수 있다.
상기 최대 2번의 반사라는 것에 관하여 좀 더 상세히 설명하면, 샘플실(110) 내의 반사경이 타원경만으로 이루어진 경우 산란하여 굴절된 광 중 상기 타원경의 제2초점 방향으로 굴절된 광은 상기 타원경에 의해 반사되어 상기 제2초점을 통과하고 상기 제2초점을 통과한 광은 상기 타원경에 의해 다시 제1초점으로 반사된다.
이때, 상기 타원경에 의해 상기 제1초점으로 반사된 광은 상기 제1초점을 통과하고 상기 제1초점을 통과한 광은 상기 타원경에 의해 상기 제2초점으로 다시 반사되며 상기 제2초점을 통과한 광은 비로소 상기 타원경 상부에 형성된 광출사구를 통하여 외부로 사출된다.
즉, 상기 타원경의 제2초점 방향으로 굴절된 광은 적어도 3번의 반사에 의해 상기 타원경 상부에 형성된 광출사구를 통하여 외부로 사출되므로 본 발명의 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치와 비교해 볼 때, 반사경이 타원경만으로 이루어진 경우 반사경의 반사에 의하여 감쇄되는 신호가 훨씬 더 크다고 볼 수 있다.
반면, 본 발명의 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치의 경우 산란하여 굴절된 광 중 상기 타원경(130)의 제2초점(132) 방향으로 굴절된 광은 정원경(120)에 의해 반사되어 정원경(120)의 중심인 타원경(130)의 제1초점(131)으로 반사되고 제1초점(131)을 통과한 광은 타원경(130)에 의해 제2초점(132)으로 향하여 제1광출사구(170)를 통하여 외부로 사출된다.
즉, 타원경(130)의 제2초점 방향으로 굴절된 광은 최대 2번의 반사에 의해 정원경(120) 상부에 형성된 제1광출사구(170)를 통하여 외부로 사출되므로 본 발명의 실시 예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치는 반사경의 반사에 의한 신호 감쇄를 최소화 할 수 있다.
또한, 샘플실(110)이 상부인 정원경(120)의 일부와 하부인 타원경(130)의 일부가 결합되어 구성된 경우와 샘플실(110)이 타원경만으로 구성된 경우를 비교해 보면, 상부인 정원경(120)의 일부와 하부인 타원경(130)의 일부가 결합되어 샘플실(110)이 구성된 경우가 샘플실(110)의 크기가 상대적으로 더 작다.
그러므로 본 발명의 일실시예에 따른 미세 먼지 및 미생물 검출 장치는 샘플실(110)이 타원경만으로 구성된 미세 먼지 및 미생물 검출 장치와 비교할 때 소형화 가능성이 훨씬 높다고 볼 수 있다.
샘플실(110)에 광을 조사하는 송광부(200)는 LED(Light Emitting Diode)를 이용한 UV광을 광입사구(160)를 통하여 샘플실(110) 내의 측정 샘플에 조사하며, 상기 조사된 UV광은 샘플실(110)로 유입되는 에어로졸 입자와 충돌하여 산란광(scattering light)과 형광(fluorescence light)을 발생시킨다.
이때, 송광부(200)의 발광 요소인 LED는 샘플실(110)로 입사되는 방향, 즉 광입사구(160) 방향으로 광을 방출하도록 배치될 수 있으며, 미세 먼지와 미생물의 동시 검출에 적합한 266㎚ 내지 405㎚의 UV 영역의 광을 방출할 수 있다. 바람직하게는 340㎚ 내지 380㎚의 UV 영역의 광을 방출하여 비생물(inanimate object)의 형광을 최소화시킬 수 있다.
송광부(200)는 샘플실(110) 내로 조사되는 광을 샘플실(110) 내의 정해진 지점에 집광시킨다.
상기의 정해진 지점이란 타원경(130)의 제1초점(131)을 의미하며, 제1초점(131) 부위로는 측정 샘플 에어로졸이 유입되기 때문에, 송광부(200)의 광 초점과 측정 샘플의 유입 위치가 일치됨으로써 검출 장치(10)의 미세 먼지 및 미생물 검출 능력을 향상시킬 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 샘플실(110)의 제1광출사구(170)로부터 사출되는 산란광 및 형광을 검출하는 수광부(300)는 광학계(310), 형광수광부(320) 및 산란광수광부(330)를 포함한다.
광학계(310)는 샘플실 몸체(100)의 제1광출사구(170) 외측에 배치되며, 난반사감소부(311), 제1집광렌즈부(312), 분광요소(313), 제2집광렌즈부(314) 및 제3집광렌즈부(315)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 원판형 구조의 난반사감소부를 나타내는 도이고, 도 6은 본 발명에 따른 경통 일체형 구조의 난반사감소부를 나타내는 도이다.
도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 난반사감소부(311)는 중심부에 개구(311a)가 형성되어 상기 제1광출사구(170)로부터 사출되는 광을 통과시킬 수 있다.
난반사감소부(311)는 도 5에 도시된 중심에 개구가 형성된 원판형 구조이거나 도 6에 도시된 경통(311d) 일체형 구조일 수 있다.
난반사감소부(311)는 상기 제1광출사구(170)로부터 기설정된 위치에 결합되며, 상기 기설정된 위치는 난반사감소부(311) 중앙에 형성된 개구(311a)의 중심과 수직으로 형성된 가상의 선(L1)과 난반사감소부(311)의 두께의 절반을 지나도록 난반사감소부(311)와 평행하게 형성된 가상의 평면(P1)이 교차하며 생성하는 가상의 점이 타원경(130)의 제2초점(132)과 일치되도록 하는 위치이다.
난반사감소부(311) 중심부에 형성된 개구(311a) 중 상부측 내경(311c)의 크기는 타원경(130)에 의해 형성되는 광 초점 크기의 50%에서 200%사이가 되는 것이 바람직하다.
난반사감소부(311) 중심부에 형성된 개구(311a)는 하부측 내경(311b)과 상부측 내경(311c)의 직경이 서로 상이할 수 있으며, 제1광출사구(170)로부터 사출되는 광 중 타원경(130)의 제1초점(131)에서 정확히 산란하여 굴절된 광 만을 통과시키기 위하여 상기 하부측 내경(311b)의 직경이 상기 상부측 내경(311c)의 직경보다 클 수 있다.
즉, 상기 하부측 내경(311b)의 직경이 상기 상부측 내경(311c)의 직경보다 크면 제1광출사구(170)로부터 사출되는 광에 포함된 광 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
하부측 내경(311b)의 직경은 일정한 비율로 감소하여 상부측 내경(311c)의 직경과 같아질 수 있으며, 난반사감소부(311) 두께의 절반까지 상부측 내경(311c)의 직경과 같은 크기의 홀이 형성되고 하부측 내경(311b)의 직경이 난반사감소부(311) 두께의 절반까지 일정한 비율로 감소하여 상부측 내경(311c)의 직경과 같아질 수 있다.
난반사감소부(311)의 동작은 다음과 같다.
제1광출사구(170)로부터 사출된 광은 타원경(130)의 제1초점(131)에서 출발한 광이므로 타원경(130)의 제2초점(132)을 지나게 된다.
난반사감소부(311) 중앙에 형성된 개구(311a)의 중심과 수직으로 형성된 가상의 선과 난반사감소부(311)의 두께의 절반을 지나도록 난반사감소부(311)와 평행하게 형성된 가상의 평면이 교차하며 생성하는 가상의 점이 타원경(130)의 제2초점(132)과 일치하므로 제1광출사구(170)로부터 사출된 광은 난반사감소부(311) 중심에 형성된 개구(311a)를 통과하게 된다.
따라서 제1광출사구(170)로부터 사출된 광 중 타원경(130)의 제1초점(131)에서 정확히 산란하여 굴절된 광 만이 난반사감소부(311) 중심에 형성된 개구(311a)를 통과하게 되고, 샘플실(110)에서 발생하여 제1광출사구(170)로 출력된 광 노이즈는 난반사감소부(311)에 의해 차단되게 된다.
도 7은 난반사감소부가 장착되지 않은 수광부의 광 센서가 수신한 DC파형을 나타내는 도이고, 도 8은 본 발명에 따른 수광부의 광 센서가 수신한 DC파형을 나타내는 도이다.
이때, 도 7(a)는 송광부(200)의 LED를 on/off 하는 타이밍을 나타내며, 도 7(b)는 난반사감소부(311)가 장착되지 않은 형광수광부(320)의 출력 전압 DC파형의 예시이며, 도 8(a)는 난반사감소부(311)가 장착된 경우의 형광수광부(320)의 출력 전압 DC파형의 예시이며, 도 8(b)는 난반사감소부(311)가 장착되고, 샘플 유입구(151)로 미생물이 유입된 경우의 형광수광부(320)의 출력 전압 DC파형의 예시를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 도 7(b)에 표시된 (1)은 형광수광부(320) 검출 센서의 한계 치(Saturation voltage)를 나타내며, (2)는 LED on 구간에서 발생하는 출력 전압을 나타낸다.
도 7(b)에 표시된 (2)에 관하여 살펴보면, 송광부(200)의 LED가 on되면 인코히어런트 옵티컬 소스(incoherent optical source)인 LED의 특성, 송광부(200)의 경통구조, 송광부(200)의 렌즈 설계 또는 렌즈에 의한 난반사 등으로 광 노이즈가 발생하게 되므로 난반사감소부(311)가 장착되지 않은 형광수광부(320)의 출력 전압 DC파형은 형광수광부(320) 검출 센서의 한계 치(Saturation voltage)에 근접되어 있는 것을 알 수 있다.
이렇게 검출 센서의 한계치에 근접한 DC 파형이 출력되면, 형광수광부(320)에서 출력하는 신호에 미생물 검출 신호가 나타나지 않거나 미생물 검출 신호가 왜곡될 수 있기 때문에 미생물 검출률을 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 8(a)에 표시된 (1)은 형광수광부(320) 검출 센서의 한계 치(Saturation voltage)를 나타내며, (2)는 LED on 구간에서 발생하는 출력 전압을 나타낸다.
도 7 및 도 8을 참조하여 도 8(a)에 표시된 (2)에 관하여 살펴보면, 송광부(200)의 LED가 on되어도 인코히어런트 옵티컬 소스(incoherent optical source)인 LED의 특성, 송광부(200)의 경통구조, 송광부(200)의 렌즈 설계 또는 렌즈에 의한 난반사 등으로 발생한 광 노이즈가 본 발명에 따른 난반사감소부(311)에 의해 차단되어 난반사감소부(311)가 장착되지 않은 도 7(b)에 표시된 (2)와 비교할 때 형광수광부(320)의 출력 전압 DC파형은 형광수광부(320) 검출 센서의 한계 치(Saturation voltage)와 상당한 차이가 있는 것을 알 수 있다.
도 8(b)에 표시된 (1)은 형광수광부(320) 검출 센서의 한계 치(Saturation voltage)를 나타내고, (2)는 LED on 구간에서 샘플 유입구(151)로 미생물이 유입된 경우의 형광수광부(320)의 출력 전압 DC파형의 예시를 나타내며, (3)은 미생물의 형광 반응으로 인한 검출 신호의 예시를 나타낸다.
도 8(b)에 표시된 (2) 및 (3)에 관하여 살펴보면, 형광수광부(320)의 출력 전압 DC파형이 형광수광부(320) 검출 센서의 한계 치(Saturation voltage)와 상당한 차이가 있으며, 미생물의 형광 반응으로 인하여 2 개의 피크가 형성된 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 난반사감소부(311)가 광 노이즈를 차단하면 송광부(200)의 LED가 on되어도 형광수광부(320)의 출력 전압 DC파형은 형광수광부(320) 검출 센서의 한계 치와 상당한 차이가 있는 낮은 DC 접압이 출력되며, 미생물의 형광 반응으로 인하여 생성된 피크인 미생물 검출 신호가 명확하게 검출되는 것을 알 수 있다.
제1집광렌즈부(312)는 샘플실(110)의 제1광출사구(170)로부터 사출되는 광(예컨대, 산란광 및 형광)을 평행 빔으로 만드는 역할을 수행한다.
분광요소(313)는 제1집광렌즈부(312)를 통과하는 광 중에서 파장이 변화된 형광은 제1경로로 통과시키고, 파장이 변화되지 않은 산란광은 제2경로로 경로를 변경시킨다.
분광요소(313)를 그대로 통과하는 형광의 상기 제1경로에는 제2집광렌즈부(314)가 배치되고, 분광요소(313)에서 경로가 변경된 산란광의 상기 제2경로에는 제3집광렌즈부(315)가 배치될 수 있다.
분광요소(313) 및 형광수광부(320) 사이에 배치되는 제2집광렌즈부(314)는 분광요소(313)를 통과한 평행 산란광을 형광수광부(320)로 수렴시키는 역할을 수행하며, 분광요소(313) 및 산란수광부(330) 사이에 배치되는 제3집광렌즈부(315)는 분광요소(313)에서 경로가 변경된 평행 산란광을 산란수광부(330)로 수렴시키는 역할을 수행한다.
형광수광부(320) 및 산란수광부(330) 각각은 제2집광렌즈부(314) 및 제3집광렌즈부(315) 각각을 통해 전달된 광으로부터 먼지 및 미생물의 존재 여부와 그 양을 검출한다.
즉, 형광수광부(320) 및 산란수광부(330)는 샘플실(110) 외부로 사출된 산란광과 형광을 각각 수신하고 수신한 광에 대한 검출 신호를 발생하여 신호처리부(미도시)로 전송한다.
미생물에 의한 자기 형광의 경우에는 산란광에 비해 매우 미세한 신호이기 때문에, 형광수광부(320)는 광전자 증폭관(Photo Multiplier Tube, PMT)으로 구현될 수 있으며, 검출되는 형광은 미생물의 존재 유무와 그 양에 대한 정보를 포함할 수 있다.
산란수광부(330)는 포토다이오드(photodiode)로 구현될 수 있고, 산란수광부(330)에 의해 검출되는 산란광은 미세 먼지 존재 유무와 그 양에 대한 정보를 포함할 수 있다.
형광수광부(320) 및 산란수광부(330)에서 검출된 신호는 상기 신호처리부로 전송되어 소정의 알고리즘에 따라 미세 먼지 및 미생물의 존재 유무와 양을 산출하게 된다.
실시 예에 따라, 검출 장치(10)는 샘플실 몸체(100)의 제2광출사구(180) 측에 광스토퍼부(400)를 더 포함할 수 있다.
광스토퍼부(400)는 샘플실(110)내로 입사된 주광선 중에 제1촛점을 지나지 않고 난반사되는 광을 제2광출사구(180)로 출사 시켜 정지시킨다.
즉, 광스토퍼부(400)는 샘플실(110)내로 입사된 주광선 중에 측정 샘플의 입자와 충돌하지 않은 광을 정지시키는 역할을 수행함으로써, 샘플실(110) 내에서 산란광 이외의 주변광이 제1광출사구(170)로 유입되는 것을 최소화할 수 있다.
광스토퍼부(400)는 원뿔형 부재(410)를 포함할 수 있으며, 원뿔형 부재(410)는 꼭지점이 출사되는 광의 경로를 향하도록 배치되고 그 둘레를 케이스(420)가 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 원뿔형 부재(410)에 충돌한 광이 직반사되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 원뿔형 부재(410)의 표면 및 그와 대응하는 부분의 케이스(420) 표면에는 스펀지 등과 같이 광을 흡수하는 부재가 배치될 수 있으며, 요철 구조로 구현될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 검출 장치(10)는 측정 샘플의 유입 위치와 송광부(200)의 입사광이 수렴되는 위치를 제1초점(131)으로 일치시키고, 샘플실(110) 내의 입사광이 과도하게 누광(light leakage)되는 것을 방지하여 검출 성능을 향상 시킨다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 검출 장치 100: 샘플실 몸체 110: 샘플실
120: 정원경 130: 타원경 131: 제1초점
132: 제2초점 140: 상부 몸체 150: 하부 몸체
151: 샘플 유입구 160: 광입사구 170: 제1광출사구
180: 제2광출사구 200: 송광부 300: 수광부
311: 난반사감소부 312: 제1집광렌즈부 313: 분광요소
314: 제2집광렌즈부 315: 제3집광렌즈부 320: 형광수광부
330: 산란광수광부 400: 광스토퍼부 410: 원뿔형부제

Claims (9)

  1. 측정 샘플이 유입되며 내부가 반사경으로 구현된 샘플실, 입사광이 입사되는 광입사구, 상기 측정 샘플에 조사된 입사광을 사출하기 위한 제1광출사구 및 제2광출사구를 포함하는 샘플실 몸체;
    상기 광입사구로 상기 입사광을 조사하고, 상기 입사광에 유입되는 주변광을 차단하는 송광부;
    상기 제1광출사구로부터 사출되는 출사광을 제1경로 및 제2경로로 분리하여 전달하고, 상기 제1경로로 전달된 출사광으로부터 산란광을 검출하며 상기 제2경로로 전달된 출사광에 유입되는 주변광을 차단하여 형광을 검출하는 수광부; 및
    상기 제1광출사구로부터 기설정된 위치에 결합되며, 중심부에 개구가 형성되어 상기 제1광출사구로부터 사출되는 난반사 광을 감소시키는 난반사감소부를 포함하는 미세 먼지 및 미생물 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사경은 상부인 정원경의 일부와 하부인 타원경의 일부가 결합된 형태이며, 상기 정원경은 상기 제1광출사구에 대응되도록 개구가 형성된 미세 먼지 및 미생물 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 정원경의 중심은 상기 타원경의 제1초점이며, 상기 기설정된 위치는 상기 타원경의 제2초점인 미세 먼지 및 미생물 검출 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 난반사감소부는 원판 형태인 미세 먼지 및 미생물 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 난반사감소부는 경통 일체형 구조인 미세 먼지 및 미생물 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 난반사감소부의 개구의 하부측 내경과 상부측 내경의 직경이 서로 다르게 형성되는 미세 먼지 및 미생물 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하부측 내경이 상기 상부측 내경보다 큰 미세 먼지 및 미생물 검출 장치.
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