KR102113312B1

KR102113312B1 - 혼돈파 센서를 이용한 유체 내 불순물 검출 시스템

Info

Publication number: KR102113312B1
Application number: KR1020180077193A
Authority: KR
Inventors: 김영덕; 김남균
Original assignee: 주식회사 더웨이브톡
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2020-05-20
Also published as: KR20200004128A

Abstract

본 발명의 일 실시예는 제1 단면, 상기 제1 단면과 대향되는 제2 단면 및 상기 제1 단면과 상기 제2 단면을 관통하여 내부 공간을 형성하는 내면을 포함하는 바디부;를 구비하고, 상기 바디부의 상기 내면은 상기 내부 공간에 위치하는 유체 내에서 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이로 입사되는 제1 파동의 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 패턴이 형성된 다중산란증폭영역을 구비하고, 상기 패턴은 상기 내면으로부터 사전에 설정된 깊이(d)를 갖는 복수의 홈들이 사전에 설정된 간격(Λ)으로 배열되어 이루어지는, 파이프 유닛을 제공한다.

Description

혼돈파 센서를 이용한 유체 내 불순물 검출 시스템{System for detecting impurities in fluid with chaotic sensor}

본 발명의 실시예들은 혼돈파 센서를 이용한 유체 내 불순물 검출 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 물 또는 음료와 같은 유체는 여과 등의 다양한 처리를 통해 사용자에게 공급된다. 음용을 목적으로 하는 유체의 경우, 필요에 의해 유체 내 첨가된 첨가물을 제외한 다른 물질, 예를 들면 미생물 등은 제거된 후 사용자에게 공급되어야 한다. 그러나, 유체를 처리하는 과정에서 외기의 접촉과 같은 상황에 의해 의도치 않게 유체 내 불순물이 유입되거나 미생물이 증식할 수 있다.

유체 내 불순물을 검출하거나 미생물을 감지하기 위해 종래 다양한 방법들이 제시되고 있지만, 일정 속도의 유속을 갖는 유체 내에서 극소량의 미생물을 감지하는 것은 매우 어려운 실정이다.

상기한 문제 및/또는 한계를 해결하기 위하여, 혼돈파 센서를 이용하여 실시간으로 유체 내 불순물을 감지할 수 있는 시스템을 제공하는 데에 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 패턴의 상기 깊이(d) 및 상기 간격(Λ)은 상기 제1 파동의 파장(λ)에 근거하여 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 패턴의 상기 깊이(d)는, 다음 수식을 만족하도록 결정될 수 있다. 여기서, n은 유체의 굴절률이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 패턴의 상기 간격(Λ)은, 다음 수식을 만족하도록 결정될 수 있다. 여기서,

는 상기 패턴에 의해 산란되는 상기 제1 파동의 산란각도이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바디부에는 상기 유체 내에서 다중 산란되어 출사된 제2 파동을 검출하는 검출부로 안내하는 하나 이상의 출사홀이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 출사홀이 둘 이상인 경우, 상기 출사홀들은 상기 바디부의 원주 방향을 따라 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예는, 제1 단면을 통해 유입된 유체가 제2 단면을 통해 배출되도록 상기 제1 단면과 상기 제2 단면을 관통하는 내부 공간이 형성된 바디부를 구비하고, 상기 내부 공간에 위치하는 유체 내에서 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이로 입사되는 제1 파동의 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함하는 파이프유닛, 상기 파이프유닛의 상기 유체를 향하여 상기 제1 파동을 조사하는 파동원, 상기 파이프유닛의 외부에 배치되며, 상기 조사된 제1 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 제1 시점마다 검출하는 검출부 및 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계에 기초하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부를 포함하고, 상기 파이프유닛의 상기 바디부에는 상기 유체 내에서 다중 산란되어 출사된 제2 파동을 상기 검출부로 안내하는 하나 이상의 출사홀이 형성되는, 불순물 검출 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바디부는 상기 내부 공간을 둘러싸는 내면을 구비하고, 상기 다중산란증폭영역은 상기 바디부의 상기 내면에 구비되며, 상기 제1 파동의 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 패턴이 형성되고, 상기 패턴은 상기 내면으로부터 사전에 설정된 깊이(d)를 갖는 복수의 홈들이 사전에 설정된 간격(Λ)으로 배열되어 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 패턴의 상기 깊이(d)는, 다음 수식을 만족하도록 결정될 수 있다.

여기서, n은 유체의 굴절률이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서 상기 패턴의 상기 간격(Λ)은, 다음 수식을 만족하도록 결정될 수 있다.

여기서,

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 출사홀로부터 출사되는 상기 제2 파동은 상기 검출부에서 사전에 설정된 측정속도 이상으로 상기 레이저 스펙클을 검출하기 위하여 1 mW/cm² 이상의 파워 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출부의 상기 측정속도는 상기 유체가 상기 출사홀을 통과하는 시간이 상기 제1 시점들 사이의 시간보다 크도록 설정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 출사홀이 둘 이상인 경우, 상기 출사홀들은 상기 바디부의 원주 방향을 따라 서로 다른 위치에 배치되며, 상기 검출부는 상기 출사홀 개수에 대응되도록 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 파동은 200 nm 내지 1.8 mm 파장범위를 가질 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 유체 내 불순물 검출 시스템은 레이저 스펙클의 시간 상관관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 불순물의 존재 여부 또는 농도를 추정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 불순물 검출 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 불순물 검출 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 유체가 물인 경우 파장대별 흡광도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 불순물 검출 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.

이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.

명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 불순물 검출 시스템(1)을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절취한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 불순물 검출 시스템(1')을 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 불순물 검출 시스템(1)은 파이프유닛(10), 파동원(20), 검출부(30) 및 제어부(40)를 구비할 수 있다.

파이프유닛(10)은 제1 단면(A1) 및 제2 단면(A2)을 구비하며, 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2)을 관통하여 내부 공간을 형성하는 내면(101)을 포함하는 바디부(100)를 구비할 수 있다. 이때, 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2)은 서로 대향되도록 배치될 수 있다. 바디부(100)는 예를 들면, 원통 형상으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

유체는 파이프유닛(10)의 제2 단면(A2)을 통해 유입되어, 내부공간을 거쳐 제1 단면(A1)을 통해 배출될 수 있다. 본 명세서에서, 유체는 액체 또는 기체일 수 있고, 사전에 설정된 유속을 가질 수 있다. 파이프유닛(10)은 생수 또는 음료수와 같은 액체의 제조 라인 중 어느 일 부분에 배치되며, 유체는 상기한 제2 단면(A2)을 통해 유입되어 파이프유닛(10)의 내부 공간을 관통한 후 제1 단면(A1)을 통해 배출될 수 있다. 예를 들면, 유체의 유속은 실 공장 환경의 유속인 4 m/s 내지 5 m/s의 범위를 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 수도관과 같이 1 m/s 이하의 유속을 가질 수도 있다.

다른 실시예로서, 유체의 유속은 검출부(30)에서의 측정 조건에 근거하여 설정될 수도 있다. 다시 말해, 실제 공장 환경의 유속이 4 m/s 내지 5 m/s라고 하더라도, 불순물 검출 시스템(1)은 파이프유닛(10) 직전에서의 유체의 유속이 검출부(30)에서 측정가능한 속도가 되도록 사전에 설정된 속도로 감소시킬 수도 있다.

본 명세서에서, 불순물은 미생물과 같이 육안의 가시한계를 넘는 작은 크기의 물질일 수 있다. 일 실시예로서, 불순물이 미생물인 경우, 유체는 미생물이 증식될 수 있는 물질일 수 있으며, 예를 들면, 내부에 산란물질이 포함되지 않은 물일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시예로서, 유체는 내부에 산란물질이 포함된 우유와 같은 물질일 수도 있다. 또한, 다른 실시예로서, 유체는 공기일 수도 있다.

유체는 도시하지 않았지만, 유체공급유닛을 통해 상기한 파이프유닛(10)으로 유입될 수 있다. 유체공급유닛은 유체저장조와 유체저장조에 수용된 유체에 유동력을 제공하기 위한 유압펌프 또는 압축기와 같은 공급수단을 포함할 수 있다. 유체는 공급수단을 통해 일방향을 갖고 파이프유닛(10)을 통과할 수 있다.

일 실시예로서, 파이프유닛(10)은 제2 단면(A2)의 전체 면적을 통해 유체가 유입되고, 제1 단면(A1)의 전체 면적을 통해 유체가 배출될 수 있다. 다시 말해, 파이프유닛(10)은 내부를 꽉 채운 상태로 유체가 이동될 수 있다. 유체가 상기한 파이프유닛(10)의 단면적을 100% 채우지 못한 상태에서 이동하는 경우, 유체의 흐름으로 인하여 유체에 파면이 발생될 수 있다. 이러한 파면은 산란체로 작용될 수 있어, 검출부(30)를 통해 불순물을 검출하는데 노이즈(noise)로 작용될 수 있다. 따라서, 파이프유닛(10)은 이러한 노이즈를 최소화하기 위하여 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2)의 전체면적을 통해 유체가 배출될 수 있다.

한편, 파이프유닛(10)의 바디부(100)는 내면(101)에 형성된 다중산란증폭영역(MSA)을 구비할 수 있다. 다중산란증폭영역(MSA)은 파이프유닛(10)의 내부공간에 위치하는 유체 내에서 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2) 사이로 입사되는 제1 파동(L1)의 다중 산란(multipile scattering) 횟수를 증폭시키기 위한 패턴이 형성될 수 있다.

다중산란증폭영역(MSA)은 파이프유닛(10)의 내부공간으로 입사되어 유체를 지나 내면(101)을 향해 출사된 제1 파동(L1)의 적어도 일부를 다시 유체 내로 산란시킬 수 있다. 이렇게 산란된 제1 파동(L1)은 다시 유체를 거쳐 내면(101)의 타측으로 출사되어 산란되며, 이러한 과정을 통해 유체 내에서 다중산란 횟수는 증가될 수 있다. 이때, 다중산란증폭영역(MSA)은 입사되는 제1 파동(L1)의 파장(λ)에 근거하여 형성된 패턴들로 인하여 다중산란횟수를 증폭시킬 수 있다.

패턴은 내면(101)으로부터 파이프유닛(10)의 외면을 향하여 오목한(concave) 형상으로 형성된 복수의 홈(groove, g)들로 이루어질 수 있다. 패턴은 내면(101)으로부터 사전에 설정된 깊이(d)를 갖는 복수의 홈(g)들이 사전에 설정된 간격(Λ)으로 배열되어 이루어질 수 있다. 이때, 패턴의 깊이(d) 및 간격(Λ)은 제1 파동의 파장(λ)에 근거하여 결정될 수 있다.

구체적으로, 패턴의 깊이(d)는 하기의 수학식 1을 만족하도록 결정될 수 있다.

여기서, n은 파이프유닛(10)의 내부공간을 지나가는 유체의 굴절률일 수 있다. 패턴의 깊이(d)가

보다 작은 경우에 내면(101)으로 입사되는 제1 파동(L1)은 반사율이 높아 의도하고자 하는 다중 산란 횟수를 증가시키기가 어렵다. 파이프유닛(10)은 패턴이 상기한 수학식 1을 만족하도록 형성되는 것에 의해, 내부 공간에서 산란율을 증가시킬 수 있다. 또한, 복수의 홈(g)들로 이루어지는 패턴의 깊이(d)는 모두 동일할 필요는 없으며, 불규칙적으로 형성되더라도 각각의 홈(g)들의 깊이(d)가 상기한 수학식 1을 만족한다면 충분한 산란율을 확보할 수 있다. 이때, 패턴의 깊이(d)는 파이프유닛(10)의 단면두께를 초과할 수는 없다.

또한, 패턴의 간격(Λ)은 하기의 수학식 2를 만족하도록 결정될 수 있다.

여기서, θ는 패턴에 의해 산란되는 제1 파동(L1)의 산란각도일 수 있다. 또한, 홈(g)들의 간격(Λ)은 홈(g)에 의해 형성되는 요철의 마루와 마루 사이의 간격일 수 있다. 산란각도(θ)는 다중산란증폭영역(MSA)의 면적 및/또는 제1 파동(L1)의 파워따라 결정될 수 있다. 산란각도(θ)가 큰 경우 산란각도(θ)가 작은 경우에 비해 넓은 면적에 제1 파동(L1)을 산란시킬 수 있으나, 산란된 후 제1 파동(L1)의 파워는 산란각도(θ)가 작은 경우보다 감소될 수 있다. 이러한 관계를 이용하여, 측정하는 조건, 예를 들면 파이프유닛(10)의 직경(R1) 또는 파동원(20)에서 출사하는 제1 파동(L1)의 파워에 따라 산란각도(θ)는 결정될 수 있다.

한편, 패턴은 일정한 방향으로 배열되는 복수의 홈(g)들로 이루어질 수 있다. 일 실시예로서, 도면에 도시된 바와 같이, 패턴은 파이프유닛(10)의 길이 방향에 수직한 방향으로 연장된 홈(g)들이 상기 간격(Λ)으로 배열되어 이루어질 수 있다. 다른 실시예로서, 도시하지 않았지만, 패턴은 파이프유닛(10)의 길이 방향을 따라 연장된 홈(g)들이 상기 간격(Λ)으로 배열되어 이루어질 수 있다. 또 다른 실시예로서, 패턴은 파이프유닛(10)의 길이 방향을 따라 연장되어 배열되는 제1 홈들 및 상기 제1 홈들과 중첩되게 형성되되 파이프유닛(10)의 길이 방향에 수직한 방향으로 연장되어 배열되는 제2 홈들로 이루어질 수도 있다.

이때, 다중산란증폭영역(MSA)은 격자 형태로 형성된 패턴으로 이루어질 수도 있다. 원주방향을 따라 연장된 복수의 홈(g)들이 파이프유닛(10)의 길이 방향을 따라 배열되는 경우, 입사되는 제1 파동(L1)은 입사하는 각도에 따라 차이는 있지만 대부분 파이프유닛(10)의 길이 방향으로 산란된다. 또한, 길이방향을 따라 연장된 복수의 홈(g)들이 파이프유닛(10)의 원주방향을 따라 배열되는 경우, 입사되는 제1 파동(L1)은 대부분 파이프유닛(10)의 원주방향으로 산란된다. 다시 말해, 제1 파동(L1)을 산란시켜 파이프유닛(10)의 단면적으로의 다중산란 횟수를 증폭시키고자 하는 경우에는 홈(g)들을 원주방향을 따라 배열되도록 형성하고, 파이프유닛(10)의 길이방향으로 다중산란횟수를 증폭시키고자 하는 경우에는 홈(g)들을 길이방향을 따라 배열되도록 형성할 수 있다. 또한, 패턴은 서로 다른 방향으로 교차하는 홈들로 형성되는 것에 의해 여러 방향으로 다중산란 횟수를 증폭시킬 수 있어, 파이프유닛(10)의 단면적 및 길이방향을 제1 파동(L1)으로 촘촘히 채울 수 있다. 이를 통해, 불순물 검출 시스템(1)은 유체 내 불순물 검출 확률을 증대시킬 수 있다.

한편, 다른 실시예로서, 다중산란증폭영역(MSA)은 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 다중산란물질은 굴절률이 큰 마이크로 미터 크기 이하의 지름을 가지는 입자, 예를 들면, 산화티타늄(TiO2) 나노입자를 포함할 수 있다. 이때, 다중산란증폭영역(MSA)은 파이프유닛(10) 본체의 외표면에 다중산란물질을 코팅하여 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시예로서, 다중산란증폭영역(MSA)은 파이프유닛(10) 본체 내에 다중산란물질을 포함시킴으로써 형성될 수도 있다. 또는, 금속파이프와 같이 불투명한 파이프의 경우, 다중산란증폭영역(MSA)은 파이프유닛(10) 본체의 내표면에 다중산란물질을 코팅하여 형성할 수 있다.

또 다른 실시예로서, 다중산란증폭영역(MSA)은 파이프유닛(10)의 본체와 인접하게 배치되어, 유체로부터 파이프유닛(10)의 외부로 출사되는 파동의 적어도 일부를 파이프유닛(10)의 내부로 반사시키는 다중산란증폭부(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 다중산란증폭부(미도시)는 파이프유닛(10)으로부터 출사되는 파동이 파이프유닛(10)과 다중산란증폭부(미도시) 사이의 공간을 적어도 1회 이상 왕복시킬 수 있다. 한편, 다중산란증폭영역(MSA)은 파이프유닛(10)의 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2) 사이의 적어도 일부 영역에 형성될 수 있으며, 예를 들면, 전(全) 영역에 배치될 수 있다.

한편, 다중산란증폭영역(MSA)의 적어도 일부는 유체로부터 출사되는 제1 파동(L1)의 전부를 유체로 반사시키는 반사영역(105)으로 이루어질 수 있다. 반사영역(105)은 유체로부터 파이프유닛(10)의 외부로 제1 파동(L1)이 출사되는 것을 최소화하여 검출부(30)의 불순물 검출률을 증가시킬 수 있다. 반사영역(105)은 파동원(20)으로부터 제1 파동(L1)이 입사되는 입사영역에 대하여 대향되도록 배치될 수 있다. 반사영역(105)은 파동원(20)으로부터 조사된 제1 파동(L1)의 전부를 유체 내로 반사시킴으로써, 유체에서 다중산란가능한 파동량을 증가시킬 수 있고 이를 통해 검출부(30)에서의 불순물 검출률을 증폭시킬 수 있다. 다른 실시예로서, 출사홀(103)을 제외한 다중산란증폭영역(MSA)의 전체 영역이 반사영역으로 이루어질 수도 있다.

한편, 파이프유닛(10)은 유체 내에서 다중 산란되어 출사된 제2 파동을 검출하는 검출부(30)로 안내하는 하나 이상의 출사홀(103)을 구비할 수 있다. 후술하는 검출부(30)는 출사홀(103)에 인접하게 배치되어 출사홀(103)로부터 출사되는 제2 파동(L2)을 검출할 수 있다. 출사홀(103)은 도시된 바와 같이 바디부(100)를 관통하는 홀로 이루어질 수 있다.

이때, 도시된 바와 같이, 파이프유닛(10)은 출사홀(103)의 일측에 배치되는 커버부(109)를 더 포함할 수 있다. 커버부(109)는 제2 파동(L2)이 투과될 수 있도록 투명 또는 반투명 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 커버부(109)는 유리 또는 플라스틱 재질로 이루어질 수 있으며, 유연성(flexible)을 갖는 플레이트 형태로 형성될 수 있으나, 필름(film)으로 제조될 수도 있다. 다른 실시예로서, 커버부(109)는 출사홀(103)의 일측이 아닌 출사홀(103) 내부를 채우는 형태로 형성될 수도 있다.

한편, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 과장되게 표현하였으나, 출사홀(103)은 파이프유닛(10)의 내부공간에서의 산란율을 최대한 확보하면서 제2 파동(L2)이 출사될 수 있는 최소의 직경(R2)을 가질 수 있다.

한편, 도 3을 참조하면, 파이프유닛(10)의 바디부(100)에는 둘 이상의 출사홀(103)이 형성될 수 있다. 출사홀(103)이 둘 이상 형성되는 경우, 출사홀(103)들은 바디부(100)의 원주방향을 따라 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 이러한 구조를 통해, 후술하는 복수의 검출부(31, 33, 35)들로 복수의 제2 파동(L2)을 안내할 수 있다.

이하, 전술한 파이프유닛(10)을 포함하는 불순물 검출 시스템(1)에 대해서 좀 더 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 4를 참조하여, 본 발명의 혼돈파 센서의 원리에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

유리와 같이 내부 굴절율이 균질한 물질의 경우에는 광을 조사했을 때에 일정한 방향으로 굴절이 일어난다. 하지만, 내부 굴절률이 불균질한 물체에 레이저와 같은 간섭광(Coherent Light)을 조사하면, 물질 내부에서 매우 복잡한 다중 산란(multiple scattering)이 발생하게 된다.

도 4를 참고하면, 파동원에서 조사한 빛 또는 파동(이하, 간략화를 위하여 파동이라 함) 중, 다중 산란을 통해 복잡한 경로로 산란된 파동의 일부는 검사 대상면을 통과하게 된다. 검사 대상면의 여러 지점을 통과하는 파동들이 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 이러한 파동들의 보강/상쇄 간섭은 낱알 모양의 무늬(스펙클; speckle)를 발생시키게 된다.

본 명세서에서는 이러한 복잡한 경로로 산란되는 파동들을 "혼돈파(Chaotic wave)"라고 명명하였으며, 혼돈파는 레이저 스펙클을 통해 검출할 수 있다.

다시, 도 4의 좌측 도면은 안정한 매질을 레이저로 조사하였을 때를 나타낸 도면이다. 내부 구성 물질의 움직임이 없는 안정한 매질을 간섭광(예를 들면 레이저)로 조사하였을 때에는 변화가 없는 안정한 스펙클 무늬를 관측할 수 있다.

그러나, 도 4의 우측 도면과 같이, 내부에 박테리아 등, 내부 구성 물질 중 움직임이 있는 불안정한 매질을 포함하고 있는 경우에는 스펙클 무늬가 변화하게 된다.

즉, 생물의 미세한 생명활동(예컨대, 세포 내 움직임, 미생물의 이동, 진드기의 움직임 등)으로 인해 광경로가 시간에 따라 미세하게 변화할 수 있다. 스펙클 패턴은 파동의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 생물의 움직임을 신속하게 측정할 수 있다. 이처럼, 스펙클 패턴의 시간에 따른 변화를 측정하는 경우, 생물의 존재여부 및 농도를 알 수 있으며, 더 나아가서는 생물의 종류 또한 알 수 있다.

본 명세서는 이러한 스펙클 패턴의 변화를 측정하는 구성을 혼돈파 센서(Chaotic Wave Sensor)라 정의한다.

한편, 물과 같은 유체는 전술한 바와 같이 내부에 산란을 발생시키는 균질한 물질을 포함하지 않기 때문에 불순물인 미생물(M)이 존재하지 않는 경우 레이저 스펙클이 발생시킬 수 없다. 다만, 본 발명의 일 실시예예 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(1)은 전술한 파이프유닛(10)의 다중산란증폭영역(MSA)을 통해 제1 파동을 다중산란시켜 안정한 레이저 스펙클 무늬를 발생시킬 수 있다. 유체 내 미생물 감지 시스템(1)은 파이프유닛(10)을 이동하는 유체(L) 내에 미생물(M)이 존재하는 경우 미생물의 움직임에 의해 제1 파동의 경로가 미세하게 변화할 수 있다. 미세한 제1 파동경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 유체(L) 내에 미생물(M)의 존재여부를 신속하게 검출할 수 있다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 파동원(20)은 파이프유닛(10)의 유체를 향하여 제1 파동(L1)을 조사할 수 있다. 파동원(20)은 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다. 본 발명은 파동원 종류에 제한이 없으나, 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 레이저인 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

예를 들여, 유체에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원(20)으로 이용할 수 있다. 이때, 레이저 파동원의 간섭성을 결정하는 파동원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭 길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파동원의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 파동원(20)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 파동원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.

수학식 3에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 기준 시간마다 유체 내에 광을 조사 시에 파동원(20)의 스펙트럴 대역폭은 5 nm 미만을 유지할 수 있다.

일 실시예로서, 파동원(20)은 도시된 바와 같이, 파이프유닛(10)의 외부에 배치되어 파이프유닛(10)을 향하여 제1 파동(L1)을 조사할 수 있다. 이때, 파이프유닛(10)에는 파동원(20)으로부터 조사되는 제1 파동(L1)이 유체로 전달시키기 위해 바디부(100)를 관통하는 입사홀(미도시)이 형성될 수 있다. 입사홀(미도시)은 전술한 출사홀(103)과 동일한 직경으로 형성될 수 있으며, 출사홀(103)과 마찬가지로 커버부(109)가 배치될 수 있다. 다른 실시예로서, 파동원(20)은 파이프유닛(10)의 내면에 배치되거나, 파이프유닛(10)의 바디부(100)에 매설되어 유체를 향하여 제1 파동(L1)을 조사할 수도 있다. 도면에서는 파동원(20)이 하나인 경우로 도시하였으나, 파동원(20)은 필요에 따라 복수 개 구비될 수도 있다.

한편, 파동원(20)은 소정의 제1 파워 및 파장(λ)을 갖는 제1 파동(L1)을 출력할 수 있다.

도 5는 유체가 물인 경우 파장대별 흡광도이다.

도 5를 참조하면, 제1 파동(L1)은 제1 파장(λ₁) 내지 제2 파장(λ₂) 범위의 파장(λ)을 가질 수 있다. 유체는 파동을 흡수할 수 있다. 흡광은 일반적으로 원자의 전자와 같이 광자의 에너지가 물질에 의해 흡수되는 것을 의미히며, 이러한 파동의 에너지는 열에너지와 같이 유체의 내부 에너지로 변환될 수 있다. 흡수가 많이 일어날수록 유체 내부 온도가 증가하게 되며, 제1 파동(L1)의 파워는 유체 내부 온도가 증가한 만큼 감소된다. 유체를 통과하는 동안 제1 파동(L1)의 파워가 감소되는 정도가 크다면, 검출부(30)에서의 검출이 어려울 수 있다.

이러한 유체 내의 흡수는 도 5에 도시된 바와 같이 파장대별로 다르기 때문에 제1 파동(L1)은 유체 내에서의 흡수를 최소화할 수 있는 파장 범위를 갖도록 설정할 수 있다. 예를 들면, 유체가 물인 경우, 도 5에 도시된 바와 같은 파장대별 흡수계수(absorption coefficient)를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 불순물 검출 시스템(1)은 유체 내 파동의 흡수를 최소화하기 위하여 유체의 흡수계수가 일정값 이하가 되는 파장 범위를 갖는 제1 파동(L1)을 이용할 수 있다. 예를 들면, 물의 흡수계수가 1×10³ 내지 1×10⁴ 보다 작은 값을 갖도록 제1 파동(L1)은 200 nm 내지 1.8 mm의 파장범위를 가질 수 있다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 검출부(30)는 조사된 제1 파동(L1)이 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 여기서, 시점(time)이란, 연속적인시간의 흐름 가운데 어느 한 순간을 의미하며, 시점(time)들은 동일한 시간 간격으로 사전에 설정될 수 있으나 반드시 이에 제한되지 않으며, 임의의 시간 간격으로 사전에 설정될 수도 있다.

검출부(30)는 파동원(20) 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 CCD 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 검출부(30)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(40)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(30)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.

구체적으로, 유체에 제1 파동(L1)이 조사되면, 입사된 제1 파동(L1)은 다중 산란에 의해 레이저 스펙클을 형성할 수 있다. 레이저 스펙클은 빛의 간섭 현상에 의해 발생하므로, 유체 내에 미생물이 없다면 다중산란증폭영역에 의해 시간에 따라 항상 일정한 간섭 무늬를 나타낼 수 있다. 이와 비교하여, 유체 내에 미생물(M)이 존재하는 경우, 레이저 스펙클은 미생물(M)의 움직임에 의해 시간에 따라 변화할 수 있다. 검출부(30)는 이러한 시간에 따라 변화하는 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하여 제어부(40)로 제공할 수 있다. 검출부(30)는 미생물(M)의 움직임을 감지할 수 있을 정도의 속도로 레이저 스펙클을 검출할 수 있으며, 예를 들면, 초당 25프레임 내지 30프레임의 속도로 검출할 수 있다.

검출부(30)는 파이프유닛(10)의 출사홀(103)에 인접하게 배치되어, 파동원(20)으로부터 조사된 제1 파동(L1)이 다중산란된 후 출사홀(103)을 통해 출사되는 제2 파동(L2)을 검출할 수 있다. 이때, 제2 파동(L2)은 검출부(30)에서 사전에 설정된 측정 속도 이상으로 레이저 스펙클을 검출하기 위하여 1 mW/cm² 이상의 파워범위를 가질 수 있다. 제2 파동(L2)의 제2 파워가 1 mW/cm²보다 작은 경우 빠르게 측정하는 검출부(30)에서 제2 파동(L2)을 충분히 검출할 수 없다. 또한, 검출부(30)는 흐르는 유체로부터 불순물인 미생물(M)을 검출하기 위해서는 고속 측정이 가능해야 한다. 여기서, 고속 측정이란, 유체의 유속보다 빠르게 레이저 스펙클을 검출하는 것을 의미한다. 예를 들면, 검출부(30)의 측정 속도는 유체가 출사홀(103)을 통과하는 시간(T1)이 레이저스펙클을 검출하는 제1 시점들 사이의 시간(T2)보다 크도록 설정되면 된다.

한편, 파동원(20)으로부터 조사되는 제1 파동(L1)은 제1 파워를 가지며, 파이프유닛(10)에서 다중산란되어 출사되는 제2 파동(L2)은 제2 파워를 갖게 된다. 이상적으로는 제1 파동(L1)의 제1 파워와 제2 파동(L2)의 제2 파워가 동일하게 되어, 파동원(20)에서 1 mW/cm² 이상의 파워로 파동을 조사하면 되지만, 제1 파동(L1)의 제1 파워는 다중산란되는 과정에서 현저히 감소하게 된다. 따라서, 제2 파동(L2)의 제2 파워는 제1 파동(L1)의 제1 파워보다 작을 수 밖에 없다. 제2 파동(L2)의 제2 파워는 파이프유닛(10)의 직경(R1), 제1 파동(L1)의 제1 파워크기, 제1 파동(L1)의 파장에 대한 유체의 흡수정도 및 출사홀(103)의 직경(R2)에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 제2 파동(L2)의 제2 파워는 제1 파동(L1)의 제1 파워에 비례하고, 파이프유닛(10)의 직경(R1)에 반비례하며, 출사홀(103)의 직경(R2)에 비례할 수 있다.

한편, 검출부(30)로 이미지 센서가 이용되는 경우, 이미지 센서 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size)보다 작거나 같아지도록 이미지 센서가 배치될 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 4의 조건을 만족하도록, 검출부(300에 포함된 광학계에서 이미지 센서가 배치될 수 있다.

수학식 4와 같이, 이미지 센서의 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size) 이하이어야 하나, 픽셀의 크기가 너무 작아지게 되면 언더샘플링(undersampling)이 발생해서 픽셀 해상도를 활용하는데 어려움이 존재할 수 있다. 이에 따라, 효과적인 SNR(Signal to Noise Ratio)를 달성하기 위해 스펙클 입자 크기(speckle grain size)에 최대 5개 이하의 픽셀이 위치하도록 이미지 센서가 배치될 수 있다.

제어부(40)는 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득할 수 있다. 제어부(40)는 획득된 시간 상관관계에 기초하여 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다. 본 명세서에서 실시간(real-time)이란 3초 이내 미생물(M)의 존재 여부를 추정하는 것을 의미하며, 바람직하게는 1초 내에 미생물(M)의 존재 여부를 추정할 수 있다.

일 실시예로서, 제어부(40)는 제1 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 제2 레이저 스펙클의 제2 영상정보 차이를 이용하여 미생물(M)의 존재 여부를 추정할 수 있다. 여기서, 제1 영상정보 및 제2 영상정보는 레이저 스펙클의 패턴 정보 및 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예는, 제1 시점에서의 제1 영상정보와 제2 시점에서의 제2 영상정보의 차이만을 이용하는 것은 아니며, 이를 확장하여 복수의 시점에서 복수의 레이저 스펙클의 영상정보를 이용할 수 있다. 제어부(40)는 사전에 설정된 복수의 시점마다 생성된 레이저 스펙클의 영상정보를 이용하여 영상들 간의 시간 상관 관계 계수를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 유체 내에 불순물(M)의 존재여부를 추정할 수 있다. 검출된 레이저 스펙클 영상의 시간 상관 관계는 아래의 수학식 5를 이용하여 계산할 수 있다.

수학식 5에서

은 시간 상관 관계 계수,

은 표준화된 빛 세기, (x,y)는 카메라의 픽셀 좌표, t는 측정된 시간, T는 총 측정 시간,

는 타임래그(time lag)를 나타낸다.

수학식 5에 따라 시간 상관 관계 계수가 계산될 수 있으며, 일 실시예로서, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 미생물의 존재여부를 추정할 수 있다. 구체적으로, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 오차 범위를 넘어 기준값 이하로 떨어지는 것으로 미생물이 존재한다고 추정할 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 다른 실시예로서, 불순물 검출 시스템(1')은 복수 개의 검출부(31,33,35)를 구비할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 파이프유닛(10)의 바디부(100)에는 복수 개의 출사홀(103)들이 형성될 수 있고, 각각의 출사홀(103)에 대응되는 위치에 각각 검출부(30)가 위치할 수 있다.

파이프유닛(10)으로 조사되는 제1 파동(L1)은 유체 내에서 다중산란된 후 출사홀(103)을 통해 출사되는데, 출사홀(103)의 위치에 따라 출사되는 제2 파동(L2)의 제2 파워가 달라질 수 있다. 파이프유닛(10)으로 조사되는 제1 파동(L1)은 다중산란증폭영역(MSA)에서의 패턴의 간격(Λ)과 깊이(d)에 따라 산란되는데, 상기한 패턴은 제조 과정에서의 공차 또는 의도적인 패터닝에 의해서 불규칙성을 갖게 된다. 따라서, 제1 파동(L1)은 다중산란증폭영역(MSA)의 유체 내에서 규칙적으로 산란되는 것이 아니라 불규칙적으로 산란되며, 출사되는 위치에 따라 제2 파동(L2)의 제2 파워는 달라질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 불순물 검출 시스템(1')은 서로 다른 위치에 배치되는 복수 개의 검출부(31, 33, 35)를 이용하여 출사되는 제2 파동(L2)의 레이저 스펙클을 검출하는 것에 의해, 안정적인 불순물 검출이 가능해진다.

구체적으로, 복수 개의 검출부(31, 33, 35)는 서로 다른 제2 파워를 갖는 제2 파동(L2)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 제1 검출부(31)가 제2-1 파워를 갖는 제2 파동(L2)을 검출하고, 제2 검출부(33)가 제2-2 파워를 갖는 제2 파동(L2)을 검출하며, 제3 검출부(35)가 제2-3 파워를 갖는 제2 파동(L2)을 검출할 수 있다. 제2-1 파워, 제2-2 파워, 제2-3 파워는 서로 다른 값일 수 있다. 이상적으로는 파이프 유닛(10)에는 조사된 제1 파동(L1)이 여러 방향으로 다중 산란하면서 파이프유닛(10)의 단면적을 꽉 채우기 때문에, 어느 방향에서 레이저 스펙클을 검출하든 미세한 크기의 불순물(M)을 효과적으로 검출할 수 있다.

다만, 실제 검출 환경에서는 파이프유닛(10)의 패턴 정도 또는 유체의 유속과 같은 요인들로 인하여 위치에 따라 출사되는 제2 파동(L2)의 파워는 다를 수 있다. 만약, 제1 검출부(31)만을 구비하는 경우, 제2-1 파워의 제2 파동(L2)을 검출하게 되는데, 이때, 제1 검출부(31)에 대응되는 위치는 제2 파동(L2)의 음영지역이 될 수 있어 검출력이 떨어질 수 있다. 불순물 검출 시스템(1')은 출사부(103)를 복수 개 구비하고, 다양한 방향에 복수 개의 검출부(31, 33, 35)를 배치시킴으로써, 보완적인 검출이 가능할 수 있다. 제어부(40)는 제1 검출부 내지 제3 검출부(31, 33, 35)로부터 검출된 값을 이용하여 불순물을 검출할 수 있다. 예를 들면, 제어부(40)는 제1 검출부 내지 제3 검출부(31, 33, 35)로부터 검출된 레이저 스펙클의 정보를 평균내어 불순물 검출에 활용할 수 있다.

이때, 출사홀(103)이 둘 이상인 경우, 출사홀(103)들은 바디부(100)의 서로 다른 위치에 배치되며, 검출부(31, 33, 35)는 출사홀(103) 개수에 대응되도록 구비될 수 있다. 불순물 검출 시스템(1')은 검출부(31, 33, 35)를 동일한 원주 상에서 서로 다른 위치에 배치되도록 함으로써, 파이프유닛(10)의 동일한 단면에 불순물(M)이 지나가는 경우, 동시에 이를 검출할 수 있다. 또한, 출사홀(103)이 복수개 구비되는 경우, 이 중 하나의 출사홀(103)은 파동원(20)으로부터 제1 파동(L1)이 입사되는 입사위치와 동일 원주 상에 배치될 수 있다. 상기한 하나의 출사홀(103)을 제외한 출사홀(103)들은 파동원(20)과 다른 원주 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 도시된 바와 같이, 복수의 출사홀(103)은 서로 다른 원주 상에 파이프유닛(10)의 길이방향에 대하여 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.

한편, 불순물 검출 시스템(1)은 유체 내 불순물이 일정 농도 범위로 존재하는 경우 검출이 가능하다. 불순물 검출 시스템(1)은 유체 내 불순물의 농도를 추정하여 유체의 탁도를 측정하는 기능도 수행할 수 있다. 일반적인 탁도측정장치는 10⁵ cfu/ml 이하의 불순물 농도를 측정하는 것이 어렵다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 불순물 검출 시스템(1)은 하기와 같이 불순물의 농도를 판단하는 방법을 통해 10⁵ cfu/ml 이하의 불순물 농도도 측정이 가능하다. 여기서 불순물은 미생물로 한정하지 않는다. 불순물 검출 시스템(1)은 증폭된 제1 파동(L1)의 다중산란횟수에 의해 1×10⁰ cfu/ml에서도 검출이 가능할 수 있다. 또한, 불순물 검출 시스템(1)은 9×10⁹ cfu/ml 범위의 불순물이 존재하는 경우까지도 검출이 가능하다. 이를 탁도 범위로 환산하면, 불순물 검출 시스템(1)은 0 내지 30 범위의 탁도(optical density, OD)를 유체 내 불순물 검출이 가능할 수 있다.

이하에서는, 설명의 편의를 위하여 불순물이 미생물인 경우를 중심으로 제어부(40)에서, 레이저 스펙클을 이용하여 미생물의 농도를 판단하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

제어부(40)는 기준 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 대상으로 레이저 스펙클의 빛 세기(intensity)의 표준 편차를 계산할 수 있다. 유체 내 포함된 미생물들이 지속적으로 움직임에 따라 보강 간섭과 상쇄 간섭이 상기 움직임에 대응하여 변화할 수 있다. 이때, 보강간섭과 상쇄간섭이 변화함에 따라, 빛 세기의 정도가 크게 변화할 수 있다. 그러면, 제어부(40)는, 빛 세기의 변화 정도를 나타내는 표준 편차를 구하여 미생물을 검출할 수 있으며, 이들의 분포도를 측정할 수 있다.

예를 드려, 제어부(40)는 미리 정해진 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차를 계산할 수 있다. 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차는 아래의 수학식 6에 기초하여 계산될 수 있다.

수학식 6에서, S: 표준편차, (x,y): 카메라 픽셀 좌표, T: 총 측정 시간, t: 측정 시간, It: t 시간에 측정된 빛 세기,

: 시간에 따른 평균 빛 세기를 나타낼 수 있다.

미생물의 움직임에 따라 보강 및 상쇄 간섭 패턴이 달라지게 되고, 수학식 6에 기초하여 계산된 표준편차 값이 커지게 되기 때문에 이에 기초하여 미생물의 농도가 측정될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기한 수학식 6에 의해 미생물의 농도를 측정하는 방법이 제한되지 않으며, 검출된 레이저 스펙클의 차이를 이용한 어떠한 방법으로든 미생물의 농도를 측정할 수 있다.

그리고, 제어부(40)는 제2 레이저 스펙클의 빛 세기의 표준편차 값의 크기와 미생물 농도와 선형적인 관계에 기초하여 유체에 포함된 미생물의 분포도, 즉 농도를 추정할 수 있다.

한편, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 불순물 검출 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 불순물 검출 시스템은 유체에서 산란된 제1 파동 신호를 파동원(20)의 제1 파동이 유체에 의해 산란되기 전의 제2 파동 신호로 복원 및 변조하는 광학부(550)를 더 포함할 수 있다. 이때, 광학부(550)는 공간 광 변조부(Spatial Light Modulator; SLM, 551) 및 검출부(30)를 포함할 수 있다. 광학부(550)는 측정 대상으로부터 산란된 파동이 입사되면, 산란된 파동의 파면을 제어하여, 다시 산란되기 전의 파동(광)으로 복원하여 검출부(30)로 제공할 수 있다.

공간 광 변조부(551)는 시료에서 파동(광)이 입사될 수 있다. 공간 광 변조부(551)는 시료에서 산란된 파동의 파면을 제어하여 렌즈(552)에 제공할 수 있다. 렌즈(552)는 제어된 광을 집약하여 다시 검출부(30)로 제공할 수 있다. 검출부(30)는 렌즈에서 집약된 파동을 감지하여 산란되기 최초 파동원에서 출력된 파동으로 복원하여 출력할 수 있다.

여기서, 광학부(550)는 안정적인 매질, 즉, 유체 내에서 미생물이 존재하지 않는 경우, 유체로부터 산란된 제1 파동신호를 산란되기 이전의 파동으로 복원할 수 있다. 그러나, 유체 내에 미생물(M)이 존재하는 경우, 미생물의 움직임으로 인하여 제1 파동신호가 달라지므로 위상 제어 파면을 감지할 수 없게 되고, 이로 인하여 위상 공액 파면을 갖는 제2 파동신호로 변조할 수 없다. 전술한 광학부(550)를 포함하는 불순물 검출 시스템은 이러한 제2 파동신호의 차이를 이용하여 좀 더 미세하게 불순물의 존재 여부를 추정할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

1,1' : 유체 내 불순물 검출 시스템
10 : 파이프유닛
100 : 바디부
101 : 내면
103 : 출사홀
20 : 파동원
30 : 검출부
40 : 제어부

Claims

제1 단면, 상기 제1 단면과 대향되는 제2 단면 및 상기 제1 단면과 상기 제2 단면을 관통하여 내부 공간을 형성하는 내면을 포함하는 바디부;를 구비하고,
상기 바디부의 상기 내면은 상기 내부 공간에 위치하는 유체 내에서 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이로 입사되는 제1 파동의 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 패턴이 형성된 다중산란증폭영역을 구비하고,
상기 패턴은 상기 내면으로부터 사전에 설정된 깊이(d)를 갖는 복수의 홈들이 사전에 설정된 간격(Λ)으로 배열되어 이루어지고,
상기 패턴의 상기 깊이(d) 및 상기 간격(Λ)은 상기 제1 파동의 파장(λ)에 근거하여 결정되되, 상기 제1 파동의 파장(λ)은 상기 유체의 흡수계수가 사전에 설정된 값 이하가 되는 파장 범위를 갖도록 설정되는, 파이프 유닛.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 패턴의 상기 깊이(d)는, 다음 수식을 만족하도록 결정되는, 파이프 유닛.

여기서, n은 유체의 굴절률임.
제1 항에 있어서,
상기 패턴의 상기 간격(Λ)은, 다음 수식을 만족하도록 결정되는, 파이프 유닛.

여기서,
는 상기 패턴에 의해 산란되는 상기 제1 파동의 산란각도임.
제1 항에 있어서,
상기 바디부에는 상기 유체 내에서 다중 산란되어 출사된 제2 파동을 검출하는 검출부로 안내하는 하나 이상의 출사홀이 형성되는, 파이프 유닛.
제5 항에 있어서,
상기 출사홀이 둘 이상인 경우, 상기 출사홀들은 상기 바디부의 서로 다른 위치에 배치되는, 파이프 유닛.
제1 단면을 통해 유입된 유체가 제2 단면을 통해 배출되도록 상기 제1 단면과 상기 제2 단면을 관통하는 내부 공간이 형성된 바디부를 구비하고, 상기 내부 공간에 위치하는 유체 내에서 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이로 입사되는 제1 파동의 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함하는 파이프유닛;
상기 파이프유닛의 상기 유체를 향하여 상기 제1 파동을 조사하는 파동원;
상기 파이프유닛의 외부에 배치되며, 상기 조사된 제1 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 제1 시점마다 검출하는 검출부; 및
상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계에 기초하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부;를 포함하고,
상기 파이프유닛의 상기 바디부에는 상기 유체 내에서 다중 산란되어 출사된 제2 파동을 상기 검출부로 안내하는 하나 이상의 출사홀이 형성되며,
상기 바디부는 상기 내부 공간을 둘러싸는 내면을 구비하고,
상기 다중산란증폭영역은 상기 바디부의 상기 내면에 구비되며, 상기 제1 파동의 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 패턴이 형성되고,
상기 패턴은 상기 내면으로부터 사전에 설정된 깊이(d)를 갖는 복수의 홈들이 사전에 설정된 간격(Λ)으로 배열되어 이루어지고,
상기 패턴의 상기 깊이(d) 및 상기 간격(Λ)은 상기 제1 파동의 파장(λ)에 근거하여 결정되되, 상기 제1 파동의 파장(λ)은 상기 유체의 흡수계수가 사전에 설정된 값 이하가 되는 파장 범위를 갖도록 설정되며,
상기 검출부는 상기 레이저 스펙클을 2차원 영상 이미지로서 검출하는, 불순물 검출 시스템.
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제7 항에 있어서,
상기 패턴의 상기 깊이(d)는, 다음 수식을 만족하도록 결정되는, 불순물 검출 시스템.

여기서, n은 유체의 굴절률임.
제7 항에 있어서,
상기 패턴의 상기 간격(Λ)은, 다음 수식을 만족하도록 결정되는, 불순물 검출 시스템.

여기서,
는 상기 패턴에 의해 산란되는 상기 제1 파동의 산란각도임.
제7 항에 있어서,
상기 출사홀로부터 출사되는 상기 제2 파동은 상기 검출부에서 사전에 설정된 측정속도 이상으로 상기 레이저 스펙클을 검출하기 위하여 1mW/cm² 이상의 파워 범위를 갖는, 불순물 검출 시스템.
제12 항에 있어서,
상기 검출부의 상기 측정속도는 상기 유체가 상기 출사홀을 통과하는 시간이 상기 제1 시점들 사이의 시간보다 크도록 설정되는, 불순물 검출 시스템.
제7 항에 있어서,
상기 출사홀이 둘 이상인 경우, 상기 출사홀들은 상기 바디부의 원주 방향을 따라 서로 다른 위치에 배치되며,
상기 검출부는 상기 출사홀 개수에 대응되도록 구비되는, 불순물 검출 시스템.
제7 항에 있어서,
상기 제1 파동은 200 nm 내지 1.8 ㎛ 파장범위를 갖는, 불순물 검출 시스템.