KR101920994B1

KR101920994B1 - 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치 및 이를 이용한 식물의 수액 유속 측정 방법

Info

Publication number: KR101920994B1
Application number: KR1020170043259A
Authority: KR
Inventors: 이정훈; 백상웅; 전은용; 최승열; 박경섭; 권준국; 여경환; 유인호; 이재한
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 대한민국(농촌진흥청장)
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2018-11-21
Also published as: US20190257681A1; JP2019525141A; KR20170141111A; US11143534B2; CN109791078B; CN109791078A; JP6639708B2

Abstract

일실시예에 따른 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치는, 적어도 일부가 식물 내로 삽입되고, 두께 및 폭이 마이크로 스케일인 기판; 상기 기판 상에 제공되는 단일의 금속선; 상기 금속선에 소정의 시간 동안 전류를 인가하여 상기 금속선을 가열하는 전원; 및 상기 금속선에서 발생된 열의 상기 식물 내의 수액의 흐름에 따른 이동을 통해 상기 수액의 유속을 산출하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치 및 이를 이용한 식물의 수액 유속 측정 방법{MICRO NEEDLE PROBE DEVICE FOR MEASURING SAP FLOW RATE AND SAP FLOW RATE MEASURING METHOD USING THE SAME}

이하의 설명은 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치 및 이를 이용한 식물의 수액 유속 측정 방법에 관한 것이다.

식물 생육 모델은 식물의 생산량과 품질에 직접적인 영향을 미치고 있다. 식물 생육에 주요한 영향을 미치는 식물 생체 정보로는 온도, 수액 흐름(SF: Sap Flow), 전기전도도(EC: Electrial Conductivity)를 들 수 있으며, 이들 식물 생체 정보를 기초로 하여 물주기 스케쥴링, 온도 및 광량 제어, 비료 공급 시기와 양 등을 결정하여 식물 생육 모델을 결정하게 된다.

식물 생육 모델을 위한 측정은 온도, 습도 등 외부 환경변수와 파괴적 측정 또는 간접적 측정 등에 국한되어 왔으며, 전통적으로 토양 수분, 물소비량 계량, 식물 샘플을 액즙으로 만들어 전기전도도를 측정하는 방법이 사용되어 왔다. 하지만, 이러한 방식은 비간접적이거나 상세한 정보획득, 식물의 반응 예측에 있어 부족한 단서를 제공하였다.

식물의 수액의 흐름을 측정하는 것으로 예를 들면, 식물의 줄기 내에 직접 프로브(probe)를 삽입하는 기술이 개발되어 상기 프로브를 식물의 줄기 내에 삽입하여 수액 흐름을 측정하였으나, 침습적인 바늘 (invasive needle) 형태의 장치를 사용하였다.

수액 흐름을 측정하는 방법으로는, (i) 침습적인 프로브를 사용하여 주기적인 히트 펄스를 식물에 부여하고 식물의 수액 흐름에 따른 히트 펄스의 이동을 별도의 온도 프로브로 감지하여 흐름 속도를 계산하는 히트 펄스(Heat Pulse; HP) 기술, (ii) 침습적인 프로브를 사용하여 연속적으로 열을 식물에 부여하고 야간에 수액 흐름이 없는 경우와 수액 흐름이 존재하는 경우의 열이 소실되는 정도를 온도차로 측정하여 산출하는 열 소실(Heat Dissipation; HD) 기술, (iii) 침습적인 프로브를 온도 측정용 프로브와 히터 프로브로 구성하여 중앙의 히터가 열을 발생하여 생긴 열 발생장(heat field)이 수액 흐름으로 인하여 변형되는 정도를 온도 측정용 프로브로 측정하여 수액 흐름 속도를 산출하는 열 발생장 변형(Heat Field Deformation; HFD) 기술, 및 (iv) 식물 줄기 외부에 설치된 히터에 의해 발생하는 열이 수액 흐름으로 인하여 줄기 상하부의 온도차가 발생하는 것을 이용하는 줄기 히트 밸런스(Stem Heat Balance; SHB) 기술 등이 있다.

하지만, 이들 기술은 직경이 1 내지 5 mm에 이르는 침습적인 바늘을 사용하기 때문에, 나무 종류에만 국한되어 사용되었으며, 토마토, 파프리카 등의 과채류나 화훼류 등의 식물에는 삽입하기가 어려웠다. 또한, 측정 장치의 크기가 크고 고가이면서도 복잡하게 구성되어 있어, 한 작물의 여러 부분에 적용하거나, 한 번에 여러 작물에 적용하기 어려운 문제가 있었기 때문에, 표본의 수가 적어 측정 결과의 신뢰성, 통계적 의미 확보 등의 측면에서도 불리하였다.

하지만, 산업혁명 이후 생물학을 필두로 하여 각종 과학기술의 발전으로 농업에서도 혁신이 빠르게 이루어지고 있다. 특히, 농업과 ICT 기반 MEMS 및 나노 기술의 발전에 따라 식물 생육과 관련한 기술도 새로운 전기를 맞이하고 있다.

최소 침습 기술(minimally invasive technology)을 이용하여 나무를 포함한 다양한 식물의 생체 정보를 측정할 수 있는 기술의 개발이 필요하며, 이를 위해서는 MEMS(micro electro mechanical systems)기술을 기반으로 한 정밀 측정 기술의 구현이 필요하다.

보다 구체적으로, 최소 침습의 요건을 갖추기 위하여 식물에 삽입되는 센서의 크기가 마이크로 스케일로 작아야 하며, 이러한 마이크로 니들 프로브의 제작은 실리콘 공정 기술인 MEMS 기술을 이용하여 구현하되 마이크로 니들 프로브의 모양과 크기 등이 식물의 조직과의 관계에서 적합해야 한다.

여기에서 설명되는 실시예는 식물의 생육 모델 결정에 필수적으로 요구되는 식물 내부의 온도 및 수액 유속을 식물로부터 직접, 최소 침습적으로 측정하여 나무뿐만 아니라 토마토, 파프리카 등 과채류와 화훼류 등의 식물에도 적용할 수 있는 기술을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 측정 장치를 마이크로 스케일화 및 컴팩트화함으로써, 한 작물의 여러 부분이나 여러 작물에 동시에 적용하기 용이하도록 하여 측정 신뢰성을 확보할 수 있는 기술을 제공하고자 하는 것이다.

일실시예에 따른 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치는, 적어도 일부가 식물 내로 삽입되고, 두께 및 폭이 마이크로 스케일인 기판; 상기 기판 상에 제공되는 단일의 금속선; 상기 금속선에 소정의 시간 동안 전류를 인가하여 상기 금속선을 가열하는 전원; 및 상기 금속선에서 발생된 열의 상기 식물 내의 수액의 흐름에 따른 이동을 통해 상기 수액의 유속을 산출하는 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는 상기 금속선의 저항 및 상기 저항의 변화를 측정하는 저항측정모듈; 상기 금속선의 상기 저항의 변화로부터 상기 금속선의 온도의 변화를 산출하는 온도산출모듈; 및 상기 금속선의 상기 온도의 변화로부터 상기 수액의 유속을 산출하는 유속산출모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 금속선은 복수로 제공되고, 상기 복수의 금속선은 상기 기판 상에서 상기 기판의 길이 방향 서로 이격 배치되어 상기 수액의 유속이 복수의 개소에서 측정될 수 있다.

또한, 상기 금속선은 상기 수액의 흐름 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 부분을 포함할 수 있다.

또한, 상기 전원은 상기 금속선에 주기적으로 전류를 인가하여 상기 금속선에 히트 펄스가 발생되도록 할 수 있다.

삭제

또한, 상기 기판은, 일단부가 날카롭게 형성되어 상기 식물 내로 삽입되는 박육부; 및 상기 박육부의 반대 측에 위치하고, 상기 박육부보다 두꺼운 두께를 가지며, 상기 박육부 측 일단부의 폭이 상기 박육부로부터 멀어질수록 증가하는 후육부를 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 식물의 수액 유속 측정 방법은, 두께 및 폭이 마이크로 스케일인 기판과, 상기 기판 상에 제공되는 단일의 금속선을 포함하는 마이크로 니들 프로브 장치를 식물 내로 삽입하는 단계; 상기 금속선에 소정의 시간 동안 전류를 인가하여 상기 금속선을 가열하는 단계; 및 상기 금속선에서 발생된 열의 상기 식물 내에서의 수액의 흐름에 따른 이동을 통해 상기 수액의 유속을 산출하는 단계를 포함하며, 상기 수액의 유속을 산출하는 단계는, 상기 금속선의 저항의 변화를 측정하는 단계; 상기 금속선의 상기 저항의 변화로부터 상기 금속선의 온도의 변화를 산출하는 단계; 및 상기 금속선의 상기 온도의 변화로부터 상기 수액의 유속을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 소정의 시간의 종료 후, 상기 금속선에 주기적으로 전류를 인가함으로써 상기 금속선에 히트 펄스가 발생되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

삭제

여기에서 설명되는 실시예에 따르면, 식물에 최소 침습적으로 적용될 수 있는 마이크로 니들 프로브를 통하여 식물의 수액 유속 및 식물체 내부의 온도를 신뢰성 있게 측정할 수 있다.

또한, 수액 유속의 측정이 가능한 식물의 종류를 나무로부터 토마토, 파프리카 등의 과채류나 화훼류와 같은 줄기의 직경이 작고 단단하지 않은 작물로 확장할 수 있다.

또한, 한 작물의 여러 개소에서 수액 유속을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 여러 작물에서 동시에 수액 유속을 측정할 수 있기 때문에 측정값의 신뢰도를 보다 높일 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치의 개략적인 측단면도이다.
도 2는 도 1의 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치의 개략적인 평면도이다.
도 3은 일실시예에 따른 식물의 수액 유속 측정 방법의 순서도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 구체적인 실시예들을 상세히 설명하도록 한다. 아울러, 관련된 공지 구성 또는 공지 기능에 대한 구체적인 설명이 상기 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명을 생략한다.

한편, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수만을 가리키는 것이 아닌 한 복수의 표현을 포함한다. 그리고 특정 부분이 특정 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 상기 특정 부분은 상기 특정 구성 외의 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 상기 다른 구성을 더 포함할 수 있음을 의미한다.

도 1 및 도 2는 각각 일실시예에 따른 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치(1)(이하, "마이크로 니들 프로브"라고 함)의 개략적인 측단면도 및 평면도이다. 본 실시예에 따른 마이크로 니들 프로브(1)는 실리콘을 기반으로 하는 MEMS 공정을 통해 제작될 수 있고, 식물의 목부(물관부) 내로 삽입되어 목부 내에서 유동하는 수액의 유속을 최소 침습적으로 측정할 수 있다.

마이크로 니들 프로브(1)는 기판(10)을 구비할 수 있다. 기판(10)은 상술한 바와 같이 MEMS 공정을 통해 실리콘으로 제조될 수 있다. 기판(10)은 식물 내로 삽입되는 박육부(薄肉部; 11)와 상기 박육부의 반대 측의 후육부(厚肉部; 12)를 포함할 수 있는데, 박육부(11)는 상대적으로 얇은 두께를 가지고 후육부(12)는 상대적으로 두꺼운 두께를 가질 수 있다(도 1 참조). 이렇게, 박육부(11)가 후육부(12)보다 얇게 형성되기 때문에 마이크로 니들 프로브(1)가 식물 내부 조직으로 용이하게 삽입될 수 있고, 후육부(12)가 박육부(11)보다 두껍게 형성되기 때문에 기판(10)의 강성이 확보될 수 있다.

또한, 박육부(11)에서 식물 내로 삽입되는 측의 일단부는 원자 수준으로 날카롭게 형성되어 있어 마이크로 니들 프로브(1)가 식물 내로 용이하게 삽입될 수 있다. 상기 일단부의 날카로운 정도는 반도체 건식 식각 공정 또는 실리콘 불순물 도핑(doping)과 선택적인 에칭(etching)에 의하여 조절될 수 있다.

한편, 후육부(12)의 폭은 박육부(11)의 폭보다 클 수 있다(도 2 참조). 예를 들어, 후육부(12)의 박육부(11) 측 일단부는 그 폭이 박육부(11)의 폭과 동일하다가 후육부(12) 측으로 갈수록 증가될 수 있다. 이로써, 상기 후육부(12)의 일단부에는 테이퍼진 경사면이 형성될 수 있다. 이러한 구조에 의하여, 마이크로 니들 프로브(1)를 식물에 삽입하여 수액 유속을 측정할 때에 마이크로 니들 프로브(1)가 부러지지 않도록 하는 강성을 확보할 수 있다.

본 실시예에 따른 마이크로 니들 프로브(1)의 기판(10)은 마이크로 스케일의 작은 크기로 이루어져, 최소 침습 조건 하에서 수액 유속의 측정이 가능하다. 기판(10)의 치수는, 길이(l)가 1 내지 6 mm, 두께(t)가 100 내지 200 ㎛, 폭(d)이 200 내지 400㎛ 일 수 있다.

직경이 1 내지 5 mm에 달하여 크고 단단한 나무에만 적용 가능했던 종래의 프로브와는 달리, 본 실시예에 따른 마이크로 니들 프로브(1)는 식물의 미세 조직 내에 삽입되어 유지될 수 있는바, 토마토, 파프리카 등의 과채류나 화훼류 등과 같이 줄기가 나무에 비해 얇은 식물에도 적용이 가능하다.

기판(10) 상에는 수액 유속의 측정을 위한 금속선(20)이 제공될 수 있다. 상기 금속선(20)은 예를 들어 백금 재질일 수 있고, 금속 마이크로 패턴으로 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이 금속선(20)에 전류가 인가되면 금속선(20)은 가열될 수 있고, 금속선(20)에서 발생되는 열은 수액의 흐름에 의해 수액과 같은 방향으로 이동할 수 있다. 이로 인해 금속선(20)은 수액에 열을 빼앗길 수 있다. 이러한 금속선(20)의 온도 변화는 금속선(20)의 저항의 변화로 나타나고, 상기 저항의 변화를 읽어 상기 온도 변화를 산출해낼 수 있으며, 더 나아가 상기 온도 변화를 통해 수액의 유속을 산출해낼 수 있다.

아울러, 금속선(20)은 수액의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다(도 2 참조). 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속선(20)은 단일의 선(single wire)으로 이루어지되 수액의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 연장된 복수의 부분을 포함할 수 있다. 이와 같이 구성할 경우, 금속선(20)에서 발생된 열이 수액 흐름에 의해 보다 더 잘 발산될 수 있는바, 금속선(20)의 저항 변화의 측정, 궁극적으로는 수액 유속 측정의 정확도가 향상될 수 있다.

한편, 도시된 바와 같이, 금속선(20)은 복수로 제공될 수 있고, 상기 복수의 금속선(20)은 기판(10)의 길이 방향을 따라 서로 이격 배치될 수 있다. 이 경우 식물의 여러 개소에서 수액 유속을 측정할 수 있으므로, 측정값의 신뢰도를 높일 수 있다.

전원(미도시)은 기판(10) 상에 배치되거나 기판(10)으로부터 이격 배치될 수 있고, 기판(10) 상에 실장된 BUS 선(30)을 통해 금속선(20)에 전류를 인가할 수 있다. 상기 BUS 선(30)은 저(低)저항 BUS 선일 수 있으며, 컨택트 패드(contact pads; 40)를 통해 전원과 연결될 수 있다.

한편, 전원은 소정의 시간 동안만 금속선(20)에 전류를 인가할 수 있고, 더 나아가 금속선(20)에 주기적으로 전류를 인가함으로써 금속선(20)에 히트 펄스가 발생되도록 할 수 있다.

프로세서(미도시)는 저항측정모듈, 온도산출모듈 및 유속산출모듈을 포함할 수 있다. 상기 모듈들은 일 예로, 회로의 형태를 가질 수 있다. 저항측정모듈은 금속선(20)의 가열 내지는 냉각에 의한 금속선(20)의 저항의 변화를 측정할 수 있다. 온도산출모듈은 상기 저항의 변화를 이용하여 금속선(20)의 온도의 변화를 산출할 수 있다. 이때, 저항 온도 계수(temperature coefficient of resistance)를 이용하여 저항 변화에 따른 온도 변화를 산출할 수 있다. 유속산출모듈은 상기 온도의 변화를 이용하여 수액의 유속을 산출할 수 있다.

한편, 프로세서는 저항측정모듈, 온도산출모듈 및 유속산출모듈을 포함하는 개념으로 이해될 수 있는 것이고, 반드시 물리적인 단일의 칩(chip)의 형태로만 한정되는 것은 아니다. 프로세서가 기판(10)에 실장되는 경우, 저항측정모듈, 온도산출모듈 및 유속산출모듈은 하나의 칩에 집적되거나 둘 이상의 칩에 나뉘어 제공될 수 있다. 또는, 저항측정모듈이 기판(10)에 실장된 상태에서 온도산출모듈과 유속산출모듈 중 적어도 하나는 기판(10)으로부터 이격 배치될 수도 있다. 이 경우, 저항측정모듈에서 측정된 금속선(20)의 저항 및 저항 변화값은 통신모듈(미도시)에 의해 유선 또는 무선 방식으로 기판(10) 외부로 전송될 수 있다.

커버(미도시)는 기판(10) 상에 마련되되 상술한 금속선(20)의 전부 또는 일부를 덮을 수 있다. 커버는 예를 들어 박막 형태로 제공될 수 있으며, 금속선(20)을 덮어 금속선(20)을 기계적, 전기적, 화학적으로 보호할 수 있다. 그리고 커버는 절연성을 가질 수 있다.

커버가 박막 형태로 제공되는 경우, 그 재질은 실리콘 옥사이드(silicon oxide), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride), 알루미늄 옥사이드(aluminium oxide), 하프늄 옥사이드(hafnium oxide) 등의 무기재료일 수 있고, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), cyclic transparent optical polymer(CYTOP) 등의 발수성 유기재료일 수도 있다. 커버는, 절연 성능을 높이기 위해, 복수의 무기재료층을 포함하거나, 복수의 유기재료층을 포함하거나, 무기재료층과 유기재료층이 혼합된 형태를 가질 수도 있다.

예를 들면, 금속선(20) 상에 실리콘 나이트라이드를 화학기상증착(Chemical Vaopr Deopsitoin ,CVD) 방식으로 증착할 수 있다. 그리고, 공정 상의 결함에 의한 영향을 최소화하기 위해, 실리콘 나이트라이드 층과 실리콘 옥사이드 층을 번갈아가면서 증착할 수 있다. 이러할 경우, 어느 하나의 층에 결함이 있더라도 다른 층이 절연막의 기능을 할 수 있다. 또는, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)을 이용하여 무기재료층의 결함을 보완할 수 있다. 원자층 증착은 증착되는 박막의 균일도가 매우 높기 때문에 실리콘 나이트라이드 박막의 균열이나 핀홀(pin hole)과 같은 결함을 채울 수 있고 절연 박막의 품질을 높일 수 있다. 또 다른 예로, 절연 성능을 높이기 위해 유기박막과 무기박막의 복합층을 사용할 수 있다. 무기재료박막층 위에 딥코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating), 기상 증착(vapor deposition) 등의 방법으로 PTFE, CYTOP 등의 유기재료박막층이 형성될 수 있다. 소수성 유기박막은 금속선(20)으로 액체가 침투하는 것을 막아 절연 박막의 성능을 높일 수 있다.이하, 본 실시예에 따른 마이크로 니들 프로브(1)의 작동을 설명하기로 한다.

전원은 소정의 시간 동안 금속선(20)에 전류를 인가할 수 있고, 이에 따라 금속선(20)은 가열될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 전원은 금속선(20)에 주기적으로 전류를 인가할 수 있고, 이 경우 금속선(20)에는 히트 펄스가 발생될 수 있다. 예를 들어, 전원이 금속선(20)에 30초 동안 100 mW의 전력을 공급하면 금속선(20)의 온도는 주변 대비 증가할 수 있다. 그리고 일정 시간이 지나면 금속선(20)에서 발생되는 열과 주변으로 발산되는 열의 양이 평형을 이루어 금속선(20)은 일정 온도로 유지될 수 있다(온도의 정체점 도달). 이후 전원이 차단되면 금속선(20)의 온도는 다시 감소하여 일정 시간 경과 후 주변의 온도와 같아질 수 있다. 수액 흐름이 빠른 경우, 대류에 의해 일어나는 열 발산이 크기 때문에 금속선(20)에서 발생하는 열량과 발산되는 열량이 낮은 온도에서 평형을 이룰 수 있다. 이때, 평형을 이루기까지의 시간은 상대적으로 짧을 수 있다. 수액 흐름이 느리거나 없는 경우, 대류에 의한 열 발산이 적어 열 평형이 높은 온도에서 이루어질 수 있다. 그리고 이때에는 평형을 이루기까지의 시간이 상대적으로 길 수 있다.

한편, 금속선(20)에 0 V 보다 낮은 전압이 인가되는 것은 금속선(20)의 전기화학적 산화를 방지하는데 보다 유리할 수 있다. 예를 들어, 금속선(20)에 0 V보다 높은 전압(예를 들어, 5 V)이 인가된다면, 상술한 커버의 부재 또는 결함 하에 금속선(20)이 노출되는 경우 금속선(20) 중 식물 조직과 접하는 부분은 식물체에 비해 상대적으로 높은 전위를 가지는바, 전기화학적 산화가 가속화되어 수명이 단축될 가능성이 있다. 반면, 금속선(20)에 0 V 미만의 전압이 인가된다면, 커버의 부재 또는 결함 조건 하에서도 노출되는 금속선(20)의 전위는 식물체보다 낮으므로, 금속선(20)에서 발생되는 산화작용이 억제될 수 있고, 이는 수명 증가로 이어질 수 있다.

본 실시예의 경우, 위와 같은 금속선(20)의 온도 변화는 금속선(20)의 저항 변화로부터 산출해낼 수 있다. 상술한 바와 같이, 프로세서의 저항측정모듈은 온도의 변화에 따라 변하는 금속선(20)의 저항을 측정할 수 있고, 온도산출모듈은 저항 변화값을 토대로 저항 온도 계수 등을 이용하여 금속선(20)의 온도 변화를 산출할 수 있다.

예를 들어, 금속선(20)의 저항을 측정하는 것에는 휘트스톤 브리지 회로가 사용될 수 있다. 일정 저항값을 가지는 금속선(20)과, 이와 비슷한 저항값을 가지는 또 다른 저항선 3개가 사각형을 이룰 수 있다. 4개의 저항값이 동일할 때 휘트스톤 브리지 회로의 두 개의 중간점 사이의 전위차는 0이 된다. 금속선(20)의 가열 등에 의해 금속선(20)의 저항값이 달라지게 되면 상기 두 개의 중간점 사이에 전위차가 발생된다. 그리고, 이처럼 발생된 전위차를 측정하면 저항 변화를 역산할 수 있다. 참고로, 전위차를 차등 증폭기를 이용해 증폭하면 더 정밀한 저항 변화를 측정할 수 있다.

금속선(20)의 저항 변화를 측정하는 다른 예로 정전류 회로를 들 수 있다. 정전류 레귤레이터 등을 이용해 일정한 전류가 흐르는 회로를 제작하고, 여기에 금속선(20)을 연결할 수 있다. 금속선(20)의 저항과 무관하게 일정 전류가 흐르므로, 금속선(20)에 가해지는 전압을 측정하면 금속선(20)의 저항값을 역산할 수 있다. 이 역시, 증폭기를 이용해 전압 신호를 증폭하면 더 정밀한 측정이 가능하다.

한편, 금속선(20)의 저항 변화와 저항 온도 계수(TCR)를 알면 금속선(20)의 온도 변화량을 알 수 있다. 예를 들어, 금(Au)으로 제작된 금속선(20)의 최초 저항 100 Ω이 금속선(20)의 온도 변화에 의해 101 Ω으로 증가한다면, 그 때의 금속선(20)의 온도 변화량은 다음의 수학식 1과 같이 구할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, T1및 T2는 각각 금속선(20)의 최초 온도 및 변화 후 온도를 의미하고, R1및 R2는 각각 금속선(20)의 최초 저항 및 변화 후 저항을 의미하며, α는 금속선(20)의 저항 온도 계수를 의미할 수 있다. 금속선(20)의 저항이 100 Ω에서 101 Ω으로 증가했을 때, 금의 저항 온도 계수(α)는 0.0034로 알려져 있으므로, 금속선(20)의 온도 변화는 약 2.94도일 수 있다.

이어서, 유속산출모듈은 상기와 같은 금속선(20)의 온도 변화값을 토대로 수액의 유속을 산출할 수 있다. 수액 유속과 금속선(20)의 온도 변화 사이의 상관관계는 다음의 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

여기서, u는 수액의 유속(

),

는 열평형 상태에서 금속선(20)에 전원이 인가되었을 때와 인가되지 않았을 때의 온도 차이이다.

은 수액 흐름이 없을 때의 금속선(20)의 온도 차이값(즉,

의 최대값)이다. a 와 b 는 상수이며 실험적으로 얻어진다. 금속선(20)에 인가되는 전원을 켜고 끔으로써

및

을 얻을 수 있다.

본 실시예에 따른 마이크로 니들 프로브(1)의 경우, 단일 기판(10) 상에 실장되는 단일 금속선(20)을 사용하는 싱글와이어(single wire) 시스템이기 때문에 그 구조가 단순할 수 있다. 이러한 구조의 단순화는 마이크로 스케일의 구조물에 있어서 매우 중요한 요소로서 구현의 용이성 측면에서 유리할 수 있다.

또한, 히터 프로브와 온도측정 프로브가 별개로 제공되었던 종래기술과는 달리, 단일 기판(10) 상에서의 단일 금속선(20)만을 이용해 발열 및 온도측정이 가능하므로, 이 역시 구조의 단순화에 기여할 수 있다.

마찬가지로, 전원 인가용 프로브와 온도측정 프로브가 별개로 제공되는 것이 아니라, 단일 기판(10)만을 이용하여 전원을 조정하는 방식으로 금속선(20)의 온도 변화를 측정할 수 있으므로, 구조의 단순화 측면에서 유리할 수 있다.

도 3은 일실시예에 따른 식물의 수액 유속 측정 방법의 순서도이다. 이하, 도 3을 도 1 및 도 2와 병행 참조하여 수액 유속 측정 방법을 설명하기로 한다.

식물의 수액 유속을 측정하기 위해, 우선 마이크로 니들 프로브(1)를 식물 내로 삽입할 수 있다(S10). 상술한 바와 같이, 마이크로 니들 프로브(1)는 기판(10)과, 상기 기판(10) 상에 제공되는 금속선(20)을 포함할 수 있다. 그리고 기판(10)은 박육부(11)와 후육부(12)를 포함할 수 있고, 박육부(11)의 적어도 일부가 식물 줄기의 목부 내로 삽입될 수 있다. 박육부(11)의 일단부는 날카롭게 형성되어 삽입이 용이할 수 있다. 한편, 금속선(20)의 적어도 일부분이 수액의 흐름에 직교하는 방향으로 연장되도록 마이크로 니들 프로브(1)를 식물 내로 삽입할 수 있다.

이후, 전원을 제어하여 금속선(20)에 소정의 시간 동안 전류를 인가함으로써 금속선(20)을 가열할 수 있다(S20). 상술하였듯이, 전원은 상기 소정의 시간이 종료된 후 일정 시간이 흐른 후 다시 금속선(20)에 전류를 인가할 수 있다. 이처럼 전원이 금속선(20)에 주기적으로 전류를 인가하는 것에 의하여 금속선(20)에는 히트 펄스가 발생될 수 있다.

다음으로, 금속선(20)에서 발생된 열의 이동을 탐지함으로써 궁극적으로 수액의 속도를 산출할 수 있다(S30). 구체적으로, 수액의 흐름에 의해 열은 수액의 흐름 방향으로 이동하는데, 이러한 열의 이동에 의해 금속선(20)의 온도는 변하게 된다. 온도의 변화를 파악하여 유속을 산출할 수 있으나, 본 실시예에서는 금속선(20)의 저항 변화를 파악함으로써 온도 변화를 파악하는 것으로 설명한다. 즉, 별도의 온도측정 프로브가 필요하지 않다. 예를 들어, 온도와 저항 간의 관계(저항 온도 계수 등)를 이용하여 금속선(20)의 저항 변화를 측정할 수 있고, 이어서 상기 저항 변화를 토대로 금속선(20)의 온도 변화를 산출할 수 있다. 금속선(20)의 온도 변화가 산출되면, 이를 근거로 수액의 유속을 산출해낼 수 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 본 기술 사상의 일부 예를 설명한 것에 불과하고, 본 기술 사상의 범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 기술 사상의 범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 있을 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서 함께 설명된 구성들 내지는 특징들은 서로 분산되어 실시될 수 있고, 서로 다른 실시예 각각에서 설명된 구성들 내지는 특징들은 서로 결합된 형태로 실시될 수 있다. 마찬가지로, 각 청구항에 기재된 구성들 내지는 특징들도 서로 분산되어 실시되거나 결합되어 실시될 수 있다. 그리고 위와 같은 실시는 모두 본 기술 사상의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

10 : 기판 11 : 박육부
12 : 후육부 20 : 금속선
30 : BUS 선 40 : 컨택트 패드(contact pad)

Claims

적어도 일부가 식물 내로 삽입되고, 두께 및 폭이 마이크로 스케일인 기판;
상기 기판 상에 제공되는 단일의 금속선;
상기 금속선에 소정의 시간 동안 전류를 인가하여 상기 금속선을 가열하는 전원; 및
상기 금속선에서 발생된 열의 상기 식물 내의 수액의 흐름에 따른 이동을 통해 상기 수액의 유속을 산출하는 프로세서를 포함하며,
상기 프로세서는,
상기 금속선의 저항 및 상기 저항의 변화를 측정하는 저항측정모듈;
상기 금속선의 상기 저항의 변화로부터 상기 금속선의 온도의 변화를 산출하는 온도산출모듈; 및
상기 금속선의 상기 온도의 변화로부터 상기 수액의 유속을 산출하는 유속산출모듈을 포함하는 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 금속선은 복수로 제공되고, 상기 복수의 금속선은 상기 기판 상에서 상기 기판의 길이 방향으로 서로 이격 배치되어 상기 수액의 유속이 복수의 개소에서 측정되는 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 금속선은 상기 수액의 흐름 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 부분을 포함하는 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전원은 상기 금속선에 주기적으로 전류를 인가하여 상기 금속선에 히트 펄스가 발생되도록 하는 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 기판은,
일단부가 날카롭게 형성되어 상기 식물 내로 삽입되는 박육부; 및
상기 박육부의 반대 측에 위치하고, 상기 박육부보다 두꺼운 두께를 가지며, 상기 박육부 측 일단부의 폭이 상기 박육부로부터 멀어질수록 증가하는 후육부를 포함하는 식물의 수액 유속 측정용 마이크로 니들 프로브 장치.
두께 및 폭이 마이크로 스케일인 기판과, 상기 기판 상에 제공되는 단일의 금속선을 포함하는 마이크로 니들 프로브 장치를 식물 내로 삽입하는 단계;
상기 금속선에 소정의 시간 동안 전류를 인가하여 상기 금속선을 가열하는 단계; 및
상기 금속선에서 발생된 열의 상기 식물 내에서의 수액의 흐름에 따른 이동을 통해 상기 수액의 유속을 산출하는 단계를 포함하며,
상기 수액의 유속을 산출하는 단계는,
상기 금속선의 저항의 변화를 측정하는 단계;
상기 금속선의 상기 저항의 변화로부터 상기 금속선의 온도의 변화를 산출하는 단계; 및
상기 금속선의 상기 온도의 변화로부터 상기 수액의 유속을 산출하는 단계를 포함하는 식물의 수액 유속 측정 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 소정의 시간의 종료 후, 상기 금속선에 주기적으로 전류를 인가함으로써 상기 금속선에 히트 펄스가 발생되도록 하는 단계를 더 포함하는 식물의 수액 유속 측정 방법.
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