KR102263863B1 - 광도파로 기반 유연 압력 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광도파로 상에 그레이팅(grating, 격자)층을 형성한 구조의 전기배선이 필요없는 광도파로 기반의 압력 센서로서 전기배선으로 유입될 수 있는 신호에 영향을 미치는 전자기적 간섭과 같은 요인(art-factor)을 제거하여 압력 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 광도파로 기반 유연 압력 센서에 관한 것이다.

Description

광도파로 기반 유연 압력 센서 {Optical-Waveguide Based Flexible Pressure Sensor}

본 발명은 압력 센서에 관한 것으로서, 특히, 전자기적 간섭 없이 압력을 측정할 수 있는 광도파로 기반 유연 압력 센서에 관한 것이다.

종래의 압력센서로서 피에조 저항(Piezoresistive) 효과를 이용하는 방식의 피에조 압력센서가 있으며, 이를 이용해 압력에 따른 전기적 신호를 획득하여 해당 압력을 측정할 수 있다.

그러나, 이와 같은 피에조 압력센서는, 피에조 저항 방식으로 전기적 신호를 얻어 측정하기 때문에, 전기배선이 필요하고 이에 따라 압력을 측정하는 환경이 고자기장 환경이라든지 혹은 X-ray 영상을 얻어야 하는 환경에서는, 전기배선으로 유입될 수 있는 신호에 영향을 미치는 요인(art-factor)에 의해 측정하고자 하는 압력을 제대로 측정할 수 없게 만든다.

도 1 은 압력에 따른 헤모글로빈의 농도의 변화에 대한 그래프의 예이다. 즉, 해모글로빈의 농도는 조직에 부과되는 압력에 따라 달라질 수 있는데, DBT(digital breast tomography)의 X-ray 3차원 영상장치와 DOT(diffuse optical tomography)의 광확산 영상 장치의 융합시스템일 경우, 유방 조직을 검사하기 위해서 일정한 압력 하에서 동시에 진행이 되기 때문에 헤모글로빈의 농도 측정의 정확도를 높이기 위해서는 정확한 유방조직에 부과되는 압력을 알 필요가 있다. 그런데 기존의 피에조 압력센서를 이용하여 압력을 측정하게 되면, 압력에 따른 정확한 헤모글로빈 농도 측정 시 전기배선으로 인한 X-ray 영상 신호에 art factor와 X-ray에 의한 노이즈가 유입될 수 있어 실제 신호에 영향을 미치는 등다양한 노이즈 요인들을 고려하여야 하는 문제점이 있다.
[선행문헌]
(특허문헌 1) KR10-1296031 B
(특허문헌 2) KR10-1301277 B

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 광도파로 상에 그레이팅(grating, 격자)층을 형성한 구조의 전기배선이 필요없는 광도파로 기반의 압력 센서로서 전기배선으로 유입될 수 있는 신호에 영향을 미치는 전자기적 간섭과 같은 요인(art-factor)을 제거하여 압력 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 광도파로 기반 유연 압력 센서를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본발명의 일면에 따른 유연 압력 센서는, 일측에 광입사구와 타측에 광출사구를 갖는 광도파로; 상기 광입사구와 상기 광출사구를 제외하고, 상기 광도파로를 둘러싸는 유연한 재질의 반사층; 및 상기 반사층의 일면 상에 형성된 유연한 재질의 그레이팅층을 포함하고, 상기 그레이팅층에 변화된 압력에 따라, 상기 광입사구에서 입사되고 상기 광출사구로 나오는 광의 변화를 발생시키기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 유연 압력 센서는 상기 그레이팅층에 압력을 가할 때 광의 표면장(evanescent field)이 상기 광도파로부터 상기 그레이팅층으로 산란되는 원리를 이용하여, 광검출기로 상기 광의 변화를 검출하여 획득한 해당 전기적 신호에 따라 압력을 측정하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 유연 압력 센서 어레이는, 유연 압력 센서를 일차원 또는 2차원으로 배열한 구조로서, 각각의 상기 유연 압력 센서는, 일측에 광입사구와 타측에 광출사구를 갖는 광도파로; 상기 광입사구와 상기 광출사구를 제외하고, 상기 광도파로를 둘러싸는 유연한 재질의 반사층; 및 상기 반사층의 일면 상에 형성된 유연한 재질의 그레이팅층을 포함하고, 상기 그레이팅층에 변화된 압력에 따라, 상기 광입사구에서 입사되고 상기 광출사구로 나오는 광의 변화를 발생시키기 위한 것을 특징으로 한다.

각각의 상기 유연 압력 센서에 입사된 후 나오는 광을 각각의 광검출기로 검출하여 획득한 해당 전기적 신호에 따라 압력을 측정하기 위한 것으로서, 배열된 각각의 상기 유연 압력 센서 중 어느 하나 이상의 상기 그레이팅층에 가해지는 압력을 측정하기 위한 것이다.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 압력 측정 방법은, 광입사구와 광출사구를 제외하고 유연한 재질의 반사층으로 둘러싸인 광도파로의 상기 광입사구에서 광을 입사하는 단계; 및 상기 반사층의 일면 상에 형성된 유연한 재질의 그레이팅층에 압력을 가하여 상기 광출사구로 나오는 광의 변화를 발생시키는 단계를 포함한다.

상기 압력 측정 방법은, 상기 그레이팅층에 압력을 가할 때 광의 표면장(evanescent field)이 상기 광도파로부터 상기 그레이팅층으로 산란되는 원리를 이용하여, 광검출기로 상기 광의 변화를 검출하여 획득한 해당 전기적 신호에 따라 압력을 측정하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 광도파로 기반 유연 압력 센서에 따르면, 전기배선으로 유입될 수 있는 신호에 영향을 미치는 전자기적 간섭과 같은 요인(art-factor)을 제거하여 압력 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 전기배선이 없기 때문에 X-ray와 융합한 영상진단기기를 제작 시 art-factor 발생없이 융합 영상 진단기기를 용이하게 만들 수 있다.

도 1은 종래의 피에조 압력센서를 이용하여 측정한 압력에 따른 헤모글로빈의 농도의 변화에 대한 그래프의 예이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 기반 유연 압력 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 그레이팅층에 압력을 가할 때 광검출기의 신호변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 DBT/DOT에 본 발명의 유연 압력 센서를 적용한 예를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 기반 유연 압력 센서(10)를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 기반 유연 압력 센서(10)는, 광도파로(11), 반사층(12), 및 그레이팅층(13)을 포함한다.

광도파로(11)는 일측에 광입사구와 타측에 광출사구를 가지며, 굴절율이 높은 광섬유 등으로 제작될 수 있다.

반사층(12)은 광도파로(11)의 광입사구와 광출사구를 제외하고, 광도파로(11)를 둘러싸는 층으로서, 굴절율이 광도파로(11)의 굴절율보다 낮은 유연한 재질로 이루어질 수 있다.

그레이팅층(13)은 일정한 주기의 요철 구조의 그레이팅(grating, 격자)을 갖는 층으로서, 반사층의 일면 상에 형성되고 유연한 재질(예, 고무계, 실리콘계 등)로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 압력 센서(10)의 제작 방법으로서, 광도파로(11)가 삽입될 공간을 마련되도록 반사층(12)과 그레이팅층(13)을 미리 사출 성형 등으로 제작한 후 광도파로(11)를 삽입하여 제작될 수 있다.

또는, 광도파로(11) 하부의 반사층 재질을 먼저 도포한 후, 광도파로(11)의 광입사구와 광출사구를 제외한 부분을 둘러싸도록 광도파로(11) 상부에 반사층 재질을 다시 도포한 후, 그 위 반사층 재질면 상에 그레이팅층(13)을 형성하는 방법으로 제작될 수도 있다.

이와 같은 구조의 광도파로 기반 유연 압력 센서(10)에서, 그레이팅층(13) 위에서 손이나 기타 압력 수단을 이용하여 압력을 가하면, 그레이팅층(13)에 변화된 압력에 따라, 광도파로(11)의 광입사구에서 광원(source)에 의해 입사되고 광도파로(11)의 광출사구로 나오는 광의 변화를 발생시킬 수 있다.

즉, 그레이팅층(13)에 압력을 가할 때 광의 표면장(evanescent field)이 광도파로(11)로부터 그레이팅층(13)으로 산란될 수 있다. 반사층(12)에 의해 광도파로(11)에서 광의 전반사가 이루어져 광이 진행하는 매질 관계에 있어서도, 그레이팅층(13)에 압력을 가할 때 그레이팅층(13)과 반사층(12)의 유연한 재질에 의해 변형이 생기고 이로 인한 미세한 틈이 광의 표면장(evanescent field)의 산란을 유도하고, 이에 따라 광도파로(11)의 광출사구 측에서 광검출기(detector)로 광의 변화를 검출할 수 있다. 그레이팅층(13)은 요철 구조에 의해 그렇지 않은 경우보다 광을 효율적으로 산란시키기 때문에 작은 변화에도 민감하게 변하게 되어 좁은 영역에서도 압력 측정이 가능하도록 할 수 있다.

이러한 원리에 따라 광검출기로 광의 변화를 검출하면, 도 3과 같이, 그레이팅층(13)에 압력을 가하지 않을 때의 광검출기의 전기적 신호(도 3의 (a))와 그레이팅층(13)에 압력을 가할 때의 광검출기의 전기적 신호(도 3의 (b))를, 소정의 프로세서 등에 의하여 비교함으로써, 그 차이에 따라 압력의 세기를 측정할 수 있게 된다.

도 4는 DBT/DOT에 본 발명의 유연 압력 센서(10)를 적용한 예를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 유연 압력 센서(10)는 도 2와 같은 구조의 단위 셀 형태로 소형으로 제작될 수도 있지만, 도 4와 같이, 유연 압력 센서(10)를 2차원으로 배열한 압력 센서 어레이(20) 구조로 제작될 수도 있다. 여기서, 유연 압력 센서(10)를 2차원으로 주기적으로 배열한 형태를 예시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라 일차원 배열 구조로 제작되어 목적에 맞게 사용될 수 있다.

예를 들어, DBT(digital breast tomography)의 X-ray 3차원 영상장치와 DOT(diffuse optical tomography)의 광확산 영상 장치의 융합시스템을 이용하여, 유방 조직 등 진단 대상체를 검사하기 위해서, 압력 센서 어레이(20)가 유방 조직 등 진단 대상체에 의하여 압력이 가해질 수 있다. 이때, 압력 센서 어레이(20)의 각각의 유연 압력 센서(10)에 입사된 후 나오는 광을 각각의 광검출기로 검출하여 해당 전기적 신호를 획득함으로써 압력을 측정할 수 있다. 즉, 소정의 프로세서 등에 의해 배열된 각각의 유연 압력 센서(10) 중 어느 하나 이상의 그레이팅층(13)에 가해지는 압력을 측정할 수 있으며, 프로세서는 위치별 압력 또는 평균적 압력을 산출하여 압력에 따른 헤모글로빈의 농도의 판단 등 진단에 필요한 데이터로서 활용되도록 할 수 있다.

이외에도 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 기반 유연 압력 센서(10)는, MRI(Magnetic Resonance Imaging) 진단 환경에서 맥파를 측정하거나 기타 전기배선 없이 간단하게 전자기적 영향을 받지 않고 압력 측정의 정확도를 향상시키기 위한 분야(예, X-ray와 융합한 영상진단기기의 제작 분야 등)에 널리 사용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 특정사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

광도파로(11)
반사층(12)
그레이팅층(13)
압력 센서 어레이(20)

Claims (6)

1. 일 측에 광입사구와 타 측에 광출사구를 갖는 광도파로;
   상기 광도파로의 하부에 배치되는 유연한 재질의 제1 반사층;
   상기 광도파로의 상부에 배치되는 유연한 재질의 제2 반사층; 및
   상기 제2 반사층의 상면 상에 형성된 유연한 재질의 그레이팅층을 포함하고,
   상기 그레이팅층은 미리 결정된 패턴의 제1 요철 구조를 갖도록 형성되고, 상기 제2 반사층은 상기 제1 요철 구조에 대응하는 제2 요철 구조를 갖도록 형성되며,
   상기 제1 요철 구조는 상기 그레이팅층의 양면 중 상기 제2 반사층과 접촉하는 면에 형성되고,
   상기 제1 요철 구조의 요철 형상들은 서로 동일한 모양을 가지며, 상기 제2 반사층과의 접촉면 상에서 서로 일정 거리만큼 이격되어 주기적으로 반복되도록 형성되고,
   상기 그레이팅층에 변화된 압력에 따라, 상기 광입사구에서 입사되고 상기 광출사구로 나오는 광의 변화를 발생시키기 위한 것을 특징으로 하는 유연 압력 센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 그레이팅층에 압력을 가할 때 광의 표면장(evanescent field)이 상기 광도파로부터 상기 그레이팅층으로 산란되는 원리를 이용하여, 광검출기로 상기 광의 변화를 검출하여 획득한 해당 전기적 신호에 따라 압력을 측정하기 위한 것을 특징으로 하는 유연 압력 센서.
3. 유연 압력 센서를 일차원 또는 2차원으로 배열한 구조로서,
   각각의 상기 유연 압력 센서는,
   일측에 광입사구와 타측에 광출사구를 갖는 광도파로;
   상기 광도파로의 하부에 배치되는 유연한 재질의 제1 반사층;
   상기 광도파로의 상부에 배치되는 유연한 재질의 제2 반사층; 및
   상기 제2 반사층의 상면 상에 형성된 유연한 재질의 그레이팅층을 포함하고,
   상기 그레이팅층은 미리 결정된 패턴의 제1 요철 구조를 갖도록 형성되고, 상기 제2 반사층은 상기 제1 요철 구조에 대응하는 제2 요철 구조를 갖도록 형성되며,
   상기 제1 요철 구조는 상기 그레이팅층의 양면 중 상기 제2 반사층과 접촉하는 면에 형성되고,
   상기 제1 요철 구조의 요철 형상들은 서로 동일한 모양을 가지며, 상기 제2 반사층과의 접촉면 상에서 서로 일정 거리만큼 이격되어 주기적으로 반복되도록 형성되고,
   상기 그레이팅층에 변화된 압력에 따라, 상기 광입사구에서 입사되고 상기 광출사구로 나오는 광의 변화를 발생시키기 위한 것을 특징으로 하는 유연 압력 센서 어레이.
4. 제 3 항에 있어서,
   각각의 상기 유연 압력 센서에 입사된 후 나오는 광을 각각의 광검출기로 검출하여 획득한 해당 전기적 신호에 따라 압력을 측정하기 위한 것으로서,
   배열된 각각의 상기 유연 압력 센서 중 어느 하나 이상의 상기 그레이팅층에 가해지는 압력을 측정하기 위한 것을 특징으로 하는 유연 압력 센서 어레이.
5. 광입사구와 광출사구를 제외하고 유연한 재질의 제1 및 제2 반사층으로 둘러싸인 광도파로의 상기 광입사구에서 광을 입사하는 단계; 및
   상기 제2 반사층의 상면 상에 형성된 유연한 재질의 그레이팅층에 압력을 가하여 상기 광출사구로 나오는 광의 변화를 발생시키는 단계를 포함하되,
   상기 그레이팅층은 미리 결정된 패턴의 제1 요철 구조를 갖도록 형성되고, 상기 제2 반사층은 상기 제1 요철 구조에 대응하는 제2 요철 구조를 갖도록 형성되며,
   상기 제1 요철 구조는 상기 그레이팅층의 양면 중 상기 제2 반사층과 접촉하는 면에 형성되고,
   상기 제1 요철 구조의 요철 형상들은 서로 동일한 모양을 가지며, 상기 제2 반사층과의 접촉면 상에서 서로 일정 거리만큼 이격되어 주기적으로 반복되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 그레이팅층에 압력을 가할 때 광의 표면장(evanescent field)이 상기 광도파로부터 상기 그레이팅층으로 산란되는 원리를 이용하여, 광검출기로 상기 광의 변화를 검출하여 획득한 해당 전기적 신호에 따라 압력을 측정하기 위한 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.

Images