KR102274575B1 - 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치는, 대상 식물의 수분에 따라 커패시턴스가 변화하는 커패시터와 소정 온도 이상으로 가열되는 히터를 포함하는 센서, 센서를 내부에 포함하고, 대상 식물의 일부에 삽입되는 센서 패키지, 및 센서를 소정 온도 이상 가열하기 위해 히터의 동작을 제어하고, 커패시턴스로부터 상대습도를 측정하고, 상대습도를 사용하여 수분 포텐셜을 계산하는 측정기를 포함한다.

Description

수분 포텐셜 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING WATER PORTENTIAL}
본 발명은 식물의 생육 상태를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 대상 식물로부터 직접 수분 포텐셜을 측정할 수 있는 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 과수나 화훼 작물과 같은 식물의 관리를 위해서는 경작자의 경험을 토대로 단지 육안에 의존하였다. 하지만, 식물의 생육 상태는 다양한 환경적 요인에 의해 실시간으로 변화하고 있다. 이러한 식물의 생육 상태에 가장 큰 영향을 주는 환경적 요인 중 하나가 물, 즉 수분이다.
관련하여, 선행기술문헌인 한국공개특허 제10-2009-0008888호에서는 식물의 관수적정 시기를 알림하기 위한 장치를 기재한다. 이러한 선행기술문헌은 토양의 수분을 측정하여 토양의 수분 범위와 수분 측정값을 비교하여 식물의 관수적정 시기의 도달 여부를 사용자에게 알려주는 내용을 기재한다.
이와 같이, 기존에 식물의 핵심 생장 정보인 수분 함량, 즉 수분 포텐셜을 측정하기 위해서 식물 내의 수분 함량을 직접 측정하는 대신에 토양에 함유된 수분의 양을 간접적으로 측정하는 방식을 사용한다. 식물이 심어져 있는 토양에 대한 수분 함량을 측정하면, 식물 자체에 대한 직접적인 수분 포텐셜을 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
이로 인해, 식물의 수분함량을 측정하기 위해서는 식물의 줄기나 잎과 같은 조직의 절편을 채취하여 측정할 수도 있다. 하지만, 식물로부터 줄기나 잎과 같은 조직의 절편 채취는 식물을 파괴하여야 하는 문제점이 있었다.
따라서 상술된 문제점을 해결하기 위한 기술이 필요하게 되었다.
한편, 전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 식물로부터 직접 수분 포텐셜을 측정할 수 있는 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법을 제시하는데 목적이 있다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 식물을 파괴하지 않고 수분 포텐셜을 측정할 수 있는 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법을 제시하는데 목적이 있다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 식물의 수분 포텐셜을 실시간으로 측정할 수 있는 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법을 제시하는데 목적이 있다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 실시간으로 변화하는 외부 환경 변수에 따른 수분 포텐셜을 측정할 수 있는 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법을 제시하는데 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 일 실시예에 따르면, 수분 포텐셜 측정 장치는, 대상 식물의 수분에 따라 커패시턴스가 변화하는 커패시터와 소정 온도 이상으로 가열되는 히터를 포함하는 센서, 상기 센서를 내부에 포함하고, 상기 대상 식물의 일부에 삽입되는 센서 패키지, 및 상기 센서를 소정 온도 이상 가열하기 위해 상기 히터의 동작을 제어하고, 상기 커패시턴스로부터 상대습도를 측정하고, 상기 상대습도를 사용하여 수분 포텐셜을 계산하는 측정기를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 대상식물에 삽입되는 센서를 포함한 수분 포텐셜 측정 장치에 의해 수행되는 수분 포텐셜 측정 방법은, 상기 센서는 커패시터와 히터를 포함하고, 상기 히터를 소정 온도 이상으로 가열하는 단계, 상기 대상 식물의 수분에 따라 변화하는 상기 커패시터의 커패시턴스로부터 상대습도를 측정하는 단계, 및 상기 커패시턴스로부터 수분 포텐셜을 계산하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 대상식물에 삽입되는 센서를 포함한 수분 포텐셜 측정 장치에 의해 수행되는 수분 포텐셜 측정 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서, 상기 센서는 커패시터와 히터를 포함하고, 상기 히터를 소정 온도 이상으로 가열하는 단계, 상기 대상 식물의 수분에 따라 변화하는 상기 커패시터의 커패시턴스로부터 상대습도를 측정하는 단계, 및 상기 커패시턴스로부터 수분 포텐셜을 계산하는 단계를 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 식물로부터 직접 수분 포텐셜을 측정할 수 있는 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법을 제시할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 식물을 파괴하지 않고 수분 포텐셜을 측정할 수 있는 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법을 제시할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 식물의 수분 포텐셜을 실시간으로 측정할 수 있는 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법을 제시할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 실시간으로 변화하는 외부 환경 변수에 따른 수분 포텐셜을 측정할 수 있는 수분 포텐셜 측정 장치 및 방법을 제시할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서의 상세 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 센서의 제작 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 센서 제작 시 포토리소그래피를 위해 패터닝된 포토마스크를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치의 동작을 도시한 순서도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치의 구현을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치의 히터 동작에 따른 커패시턴스의 변화 특성을 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 다양한 실시예들을 상세히 설명한다. 아래에서 설명되는 실시예들은 여러 가지 상이한 형태로 변형되어 실시될 수도 있다. 실시예들의 특징을 보다 명확히 설명하기 위하여, 이하의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서 자세한 설명은 생략하였다. 그리고, 도면에서 실시예들의 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성이 어떤 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
다만 이를 설명하기에 앞서, 아래에서 사용되는 용어들의 의미를 먼저 정의한다.
이하에서, '대상 식물'은 수분 포텐셜을 계산하기 위한 식물을 지시하는 용어를 의미한다. 대상 식물은 본 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치와 방법을 이용하는 사용자에 의해 관리되는 식물을 의미하며, 수분 포텐셜 측정을 위한 센서 패키지가 직접 삽입되는 식물을 의미할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 센서(110), 센서 패키지(120)와 측정기(130)를 포함할 수 있다.
센서(110)는 수분 포텐셜을 측정하기 위해 나노다공성 물질(Nanoporous materials)을 이용하여 반응 표면적을 증가시키는 형태를 가지며, 수분에 따른 커패시턴스 변화 특성을 이용하여 외부 습도 변화를 감지할 수 있다.
예를 들어, 센서(110)는 커패시터와 히터를 포함할 수 있으며, 히터는 커패시터의 두 극판 사이에 위치할 수 있다. 커패시터는 식물의 수분 함량에 따른 커패시턴스가 변화하게 되며, 히터는 센서(110) 또는 커패시터를 가열할 수 있다.
센서 패키지(120)는 대상 식물의 줄기, 잎, 또는 뿌리에 직접 일부가 삽입될 수 있는 형상을 가질 수 있다. 센서 패키지(120)는 내부에 형성된 공간의 일부에 센서(110)를 포함할 수 있다.
측정기(130)는 센서(110)로부터 출력되는 커패시턴스의 변화를 전기적 신호로 전환한 데이터를 수집 또는 처리할 수 있다.
측정기(130)는 히터 제어기(131), 커패시턴스 측정기(132), 및 수분 포텐셜 계산기(133)를 포함할 수 있다.
히터 제어기(131)는 센서(110)의 히터의 동작을 제어할 수 있다. 히터 제어기(131)는 수분 포텐셜 계산기(133)의 제어에 따라 동작할 수 있으며, 예를 들어, 전원 공급 장치(Power Supply)를 포함할 수 있다. 히터 제어기(131)는 센서(110)에서 커패시터 변화에 따른 히스테리시스(hysteresis)를 방지하기 위해 센서(110)의 표면을 가열할 수 있다.
커패시턴스 측정기(132)는 커패시턴스를 측정할 수 있으며, 예를 들어, 센서로 교류(AC) 신호 등을 인가하고, 인가된 교류 신호에 따른 전류를 센싱하여 커패시턴스를 측정할 수 있다. 커패시턴스 측정기(132)는 엘씨알(이하, 'LCR'이라 칭하기로 함) 미터를 포함할 수 있다. 여기서, LCR 미터는 인덕턴스(Inductance, L), 커패시턴스(Capacitance, C) 및 저항(Resistance, R)을 측정하는 장비이다.
수분 포텐셜 계산기(133)는 커패시턴스 측정기(132)에서 측정된 커패시턴스 값을 수신할 수 있다. 커패시턴스 측정기(132)에서 전기적 신호로 전환된 데이터, 즉 커패시턴스값은 센서(110) 주위의 상대습도를 나타낸다. 따라서, 수분 포텐셜 계산기(133)는 획득된 상대습도로부터 수분 포텐셜을 계산할 수 있다.
이러한 수분 포텐셜 계산기(133)는 데이터 처리 또는 저장을 위한 프로세서 또는 저장부의 기능이 구비된 전자 단말기로 구현될 수 있으며, 컴퓨터나 휴대용 단말기 등으로 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 예를 들어, 웹 브라우저(WEB Browser)가 탑재된 노트북, 데스크톱(desktop), 랩톱(laptop)등을 포함하고, 휴대용 단말기는 예를 들어, 휴대성과 이동성이 보장되는 무선 통신 장치로서 스마트폰(Smart Phone) 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치를 포함할 수 있다.
한편, 수분 포텐셜 계산기(133)는 하기의 수학식을 이용하여 수분 포텐셜(Water portential)을 계산할 수 있다.
Figure 112018129145364-pat00001
여기서, R은 기체상수(gas constant)이고, T 는 온도이고, Vw는 물의 몰당 부피(water of molar volume)이다. 수분 포텐셜 계산기(133)는 기체상수와 온도를 곱한 값을 물의 몰당 부피로 나눈 후에 상대습도(Relative humidity)에 자연로그함수(ln())를 적용한 값을 곱하여 수분 포텐셜을 계산할 수 있다.
본 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 센서(110)가 포함된 센서 패키지(120)를 식물에 직접 삽입하여 수분 포텐셜을 측정하기 때문에 식물로부터 직접 수분 포텐셜을 측정할 수 있다. 이를 통해, 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 식물을 파괴하지 않고 수분 포텐셜을 측정할 수 있고, 식물의 수분 포텐셜을 실시간으로 측정할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 센서 패키지(120)는 대상 식물(10)에 직접 삽입이 가능하게 일부가 표족한 형상(121)을 가질 수 있다.
센서 패키지(120) 내부에는 센서(110)가 위치할 수 있다. 센서(110)는 커패시터와 히터를 연결하기 위한 네 개의 전극이 형성될 수 있으며, 네 개의 전극 각각을 네 개의 도선(210)을 이용하여 측정기(130) 내의 히터 제어기(131)와 커패시터 측정기(132) 각각에 연결할 수 있다.
한편, 도 2에서는 센서(110)를 포함한 센서 패키지(120)의 평면도가 위쪽에 도시되고, 측면도가 아래쪽에 도시되어 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서의 상세 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, (a)에서, 센서(110)는 네 개의 전극(113, 114)이 콤브(comb) 형상을 가질 수 있다. 전극(113, 114)은 도선과의 연결을 위해 점차 면적이 증가하도록 형성될 수 있다. 센서(110)는 커패시터(111)에 연결되는 두 개의 전극(113)과 히터(112)에 연결되는 두 개의 전극(114)을 포함할 수 있다.
(b)에서, 센서(110)의 커패시터(111)와 히터(112) 부분을 상세히 도시한다.
히터(112)는 커패시터(111)의 각 극판 사이에 위치하며, 히터(112)에 연결되는 하나의 전극은 커패시터의 극판에 연결된 전극들 사이에 위치하고, 다른 하나의 전극은 커패시터의 극판에 연결된 전극들 중 하나의 측면에 위치할 수 있다.
(c)에서, 센서(110)의 히터(112) 부분을 상세히 도시한다. 센서(110)의 히터(112)는 지그재그 패턴이 상호 간에 맞물린 구조를 갖는다. 히터(112)는 센서의 표면을 가열한다.
한편, 센서(110)는 소형 크기로 제작될 수 있으며, 예를 들어, x의 길이는 약 6100마이크로미터(um)이고, y의 길이는 약 8100um일 수 있다. 또한, x'의 길이는 약 940um일 수 있으며, y'의 길이는 약 1560um일 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 센서의 제작 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, (a)에서, 센서의 제작을 위해 실리콘 기판(Si substrate)(310), 즉 실리콘 웨이퍼 상단에 절연층(insulation layer)으로 산화 규소(Silicon oxide)를 증착시켜 산화규소 레이어(320)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 산화 규소는 약 1um의 두께일 수 있다.
(b)에서, 산화 규소 레이어의 상단에 알루미늄(Aluminum)을 스퍼터링(sputtering) 또는 증발(evaporating)하여 증착시켜 알루미늄 레이어(330)를 형성할 수 있다. 여기서, 알루미늄은 약 500나노미터(nm)의 두께로 증착할 수 있다.
(c)에서, 알루미늄을 약 0.2 내지 약 0.5몰(M)의 수산(Oxalic acid)으로 양극 산화처리(anodizing)하여 다공성의 산화 알루미늄 레이어(340)를 형성한다.
(d)에서, 산화 알루미늄 레이어(340)에 포토리소그래피(Photolithography)를 이용하여 패터닝된 포토레지스트(photoresist)를 올린 뒤(스핀코팅(Spincoating), 자외선 노광(UV exposure)), 금(Au) 레이어(350)를 스퍼터(sputter) 장비 또는 증발기(evaporator)를 이용하여 증착할 수 있다. 여기서, 금 레이어(350)는 약 300nm의 두께일 수 있다.
(e)에서, 리프트-오프(lift off) 또는 선택적 애칭(selective etching) 프로세스를 이용하여 금(Au) 커패시터의 패터닝을 한다. 산화 알루미늄 레이어(340)는 양극 산화 알루미늄(Anodic Aluminum Oxide)으로 다공성 물질이다. 좌측에 도시된 바와 같이, 산화 알루미늄 레이어(340)의 표면은 홈(361)이 형성되어 수분의 반응 면적을 넓힐 수 있어 수분 포텐셜 측정의 정확도를 높일 수 있다.
이와 같이, 센서 제작을 위한 장치는 상술한 동작 순서에 따라 센서를 제작할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 센서 제작 시 포토리소그래피를 위해 패터닝된 포토마스크를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 (d)에서 포토리소그래피를 위한 포토마스크(photomask)(400)는 복수의 센서(410)를 제작할 수 있다. 이때, 콤브(comb) 형상을 갖는 센서(410)를 반도체 공정을 이용하여 대량으로 제작할 수 있어, 대상 식물의 여러 위치 또는 다수의 대상 식물로부터 생체 정보(예를 들어, 상대습도)를 측정할 수 있다. 특히, 생체 정보의 측정에 사용되는 센서(410)의 개수가 증가하는 경우, 통계적으로 유의미하고 대표성이 있는 데이터를 획득할 수 있으며, 개체 별 상세 정보를 획득할 수 있게 한다.
수분 포텐셜 측정 장치(100)는 대량으로 제작된 센서의 활용을 통해 복잡한 장비를 구비하지 않고도, 수분 포텐셜의 실시간 측정이 가능하며, 신뢰성 있는 데이터를 획득할 수 있다. 또한, 수분 포텐셜 측정 장치(00)는 센서의 크기가 작아 반응속도가 빠르며, 실시간으로 데이터의 측정 또는 수집을 가능하게 한다.
이를 통해, 대상 식물에 대한 표본이 증가하면, 빅데이터를 활용한 딥러닝을 이용하여 농작물(과수작물) 또는 화훼작물 등의 관리에 사용될 수 있으며, 인공지능의 알고리즘에 적용될 수도 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치의 동작을 도시한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 센서 내의 히터를 동작시킬 수 있다(S510). 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 다공성 물질인 양극 산화 알루미늄(Anodic Aluminum Oxide) 상에 패터닝된 금으로 커패시터를 형성한다. 히터는 센서 표면, 즉 양극 산화 알루미늄 표면을 가열하여 히스테리시스를 방지할 수 있다. 이를 통해, 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 동일한 환경에서 일정한 커패시턴스 값이 획득될 수 있게 한다.
수분 포텐셜 측정 장치(100)는 센서 내 커패시터로부터 커패시턴스를 이용하여 상대습도를 측정할 수 있다(S520). 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 대상 식물의 조직에 형성된 미소 공간을 사이에 두고 나노 다공성 물질인 양극 산화 알루미늄과 대상 식물의 조직 간의 함수율 평형을 유도할 수 있다.
수분 포텐셜 측정 장치(100)는 상대습도로부터 수분 포텐셜을 계산할 수 있으며, 수분 포텐셜의 계산은 상술한 수학식 1을 이용할 수 있다(S530). 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 흡습성을 보장하는 약 80nm의 직경을 갖는 양극 산화 알루미늄을 이용하여 커패시턴스의 변화를 측정하기 때문에 반응 표면적을 증가시킨 상태에서 커패시턴스를 측정할 수 있어 대상 식물로부터 정확한 데이터를 획득할 수 있다.
수분 포텐셜 측정 장치(100)는 동작을 종료할지를 판단할 수 있다(S540).
S540단계의 판단결과, 동작 종료로 판단하지 않는 경우, 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 S510단계로 진행하여 실시간으로 수분 포텐셜을 측정할 수 있다. 또한, 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 수분 포텐셜의 변화를 저장부 등에 기록하여 그래프 등의 형태로 사용자에게 표시할 수도 있다.
S540단계의 판단결과, 동작 종료로 판단하는 경우, 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 동작을 종료한다.
도 7은 일 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치의 구현을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 수분 포텐셜 측정 장치(600)는 챔버(601), 센서(610), 온습도계(620), 전원 공급 장치(630), LCR 미터(640), 온습도 계측기(650), 수분 포텐셜 계산기(660)를 포함할 수 있다.
챔버(601)는 인위적인 환경의 변화를 가능하게 하며, 환경 변화에 따른 대상 식물(30)의 상태를 확인할 수 있다. 챔버(601)는 습윤 챔버로 구현될 수 있으며, 내부에는 대상 식물(30)이 위치할 수 있다. 챔버(601)는 내부의 습도를 조절하여 습도환경을 변경할 수 있다.
센서(610)는 히터를 동작시킬 수 있는 전원 공급 장치(630)와 커패시턴스를 측정할 수 있는 LCR 미터(640)에 연결될 수 있다. 센서(610)는 전원 공급 장치(630)전원을 공급받아 히터를 동작시킬 수 있고, 센서(610)는 LCR 미터(640)로부터 교류 전류 등을 인가받아 전류의 흐름을 변화시킬 수 있다.
온습도계(620)는 챔버(601) 내의 온도와 습도 등을 측정할 수 있다.
전원 공급 장치(630)는 센서(610) 내 히터를 동작시킬 수 있다. 또한, LCR 미터(640)는 센서(610)에 교류 전류 등을 인가하고, 센서(610)를 통한 전류 흐름의 변화로부터 커패시턴스를 측정할 수 있다.
온습도 계측기(650)는 온습도계(620)로부터 측정된 온도와 습도를 디지털 데이터로 변환할 수 있다.
수분 포텐셜 계산기(660)는 센서의 히터를 동작시키기 위해 전원 공급 장치(630)의 동작을 제어할 수 있으며, LCR 미터(640)로부터 수신되는 커패시턴스에 따른 상대습도를 이용하여 수분 포텐셜을 측정할 수 있다.
수분 포텐셜 계산기(660)는 온습도 계측기로부터 수신된 정보를 이용하여 챔버(601) 내부의 온도나 습도의 변화를 확인할 수 있다.
이와 같이, 수분 포텐셜 측정 장치(600)는 챔버(601)를 이용하면, 실시간으로 변화하는 외부 환경 변수에 따른 수분 포텐셜을 측정할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치의 히터 동작에 따른 커패시턴스의 변화 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, (a)와 (b)에서, 수분 포텐셜 측정 장치(100)에서 획득한 상대습도에 대응되는 커패시턴스를 도시한 도면이다.
이때, 그래프의 가로축은 상대습도(Relative Humidity)(백분율(%))를 나타내며, 세로축은 커패시턴스(나노패럿(nF))를 나타낸다.
(a)에서는 챔버 내에서 습도를 증가시키는 경우에 수분 포텐셜 측정 장치(100)에서 측정한 커패시턴스와 상대습도의 변화(화살표 방향)를 나타내며, (b)에서는 챔버 내에서 습도를 감소시키는 경우에 수분 포텐셜 측정 장치(100)에서 측정한 커패시턴스의 변화(화살표 방향)를 나타낸다.
이때, 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 히터를 동작 시킨 상태이므로 실선으로 연결한 바와 같이 선형적인 변화를 확인할 수 있다.
(c)와 (d)에서는 수분 포텐셜 측정 장치(100)에서 획득한 상대습도(수분 포텐셜)에 대응되는 커패시턴스를 도시한 도면이다.
이때, 그래프의 가로축은 상대습도(Relative Humidity)(백분율(%))와 수분 포텐셜(water portential)(메가파스칼(Mpa))를 나타내며, 세로축은 커패시턴스(나노패럿(nF))를 나타낸다.
(a)에서는 챔버 내에서 습도를 증가 및 감소시키는 경우에 수분 포텐셜 측정 장치(100)에서 측정한 커패시턴스와 상대습도의 변화(화살표 방향, 증가(파란색 화살표), 감소(붉은색 화살표))를 나타내며, (b)에서는 챔버 내에서 습도를 증가 및 감소시키는 경우에 수분 포텐셜 측정 장치(100)에서 측정한 커패시턴스의 변화(화살표 방향, 증가(파란색 화살표), 감소(붉은색 화살표))를 나타낸다.
이때, 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 (c)에서 히터를 오프한 상태이고, (d)에서는 히터를 동작 시킨 상태이다. 히터를 오프한 상태인 (c)에서 히터를 동작시킨 (d)에서보다 비선형적인 변화((c)에서 히스테리시스 발생)를 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 수분 포텐셜 측정 장치(100)는 히터를 포함한 센서 구조를 이용하여 히스테리시스의 발생을 방지할 수 있다.
구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로부터 분리될 수 있다.
뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU 들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르는 수분 포텐셜 측정 방법은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램(또는 컴퓨터 프로그램 제품)으로 구현될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램은 프로세서에 의해 처리되는 프로그래밍 가능한 기계 명령어를 포함하고, 고레벨 프로그래밍 언어(High-level Programming Language), 객체 지향 프로그래밍 언어(Object-oriented Programming Language), 어셈블리 언어 또는 기계 언어 등으로 구현될 수 있다. 또한 컴퓨터 프로그램은 유형의 컴퓨터 판독가능 기록매체(예를 들어, 메모리, 하드디스크, 자기/광학 매체 또는 SSD(Solid-State Drive) 등)에 기록될 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따르는 수분 포텐셜 측정 방법은 상술한 바와 같은 컴퓨터 프로그램이 컴퓨팅 장치에 의해 실행됨으로써 구현될 수 있다. 컴퓨팅 장치는 프로세서와, 메모리와, 저장 장치와, 메모리 및 고속 확장포트에 접속하고 있는 고속 인터페이스와, 저속 버스와 저장 장치에 접속하고 있는 저속 인터페이스 중 적어도 일부를 포함할 수 있다. 이러한 성분들 각각은 다양한 버스를 이용하여 서로 접속되어 있으며, 공통 머더보드에 탑재되거나 다른 적절한 방식으로 장착될 수 있다.
여기서 프로세서는 컴퓨팅 장치 내에서 명령어를 처리할 수 있는데, 이런 명령어로는, 예컨대 고속 인터페이스에 접속된 디스플레이처럼 외부 입력, 출력 장치상에 GUI(Graphic User Interface)를 제공하기 위한 그래픽 정보를 표시하기 위해 메모리나 저장 장치에 저장된 명령어를 들 수 있다. 다른 실시예로서, 다수의 프로세서 및(또는) 다수의 버스가 적절히 다수의 메모리 및 메모리 형태와 함께 이용될 수 있다. 또한 프로세서는 독립적인 다수의 아날로그 및(또는) 디지털 프로세서를 포함하는 칩들이 이루는 칩셋으로 구현될 수 있다.
또한 메모리는 컴퓨팅 장치 내에서 정보를 저장한다. 일례로, 메모리는 휘발성 메모리 유닛 또는 그들의 집합으로 구성될 수 있다. 다른 예로, 메모리는 비휘발성 메모리 유닛 또는 그들의 집합으로 구성될 수 있다. 또한 메모리는 예컨대, 자기 혹은 광 디스크와 같이 다른 형태의 컴퓨터 판독 가능한 매체일 수도 있다.
그리고 저장장치는 컴퓨팅 장치에게 대용량의 저장공간을 제공할 수 있다. 저장 장치는 컴퓨터 판독 가능한 매체이거나 이런 매체를 포함하는 구성일 수 있으며, 예를 들어 SAN(Storage Area Network) 내의 장치들이나 다른 구성도 포함할 수 있고, 플로피 디스크 장치, 하드 디스크 장치, 광 디스크 장치, 혹은 테이프 장치, 플래시 메모리, 그와 유사한 다른 반도체 메모리 장치 혹은 장치 어레이일 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 수분 포텐셜 측정 장치 110: 센서
120: 센서 패키지 130: 측정기
131: 히터 제어기 132: 커패시턴스 측정기
133: 수분 포텐셜 계산기 111: 커패시터
112: 히터 113: 커패시터 전극
114: 히터 전극 210: 도선
300: 포토마스크 600: 수분 포텐셜 측정 장치
601: 챔버 610: 센서
620: 온습도계 630: 전원 공급 장치
640: LCR 미터 650: 온습도 계측기
660: 수분 포텐셜 계산기

Claims (11)

  1. 대상 식물의 수분에 따라 커패시턴스가 변화하는 커패시터 및 소정 온도 이상으로 가열되는 히터를 포함하는 센서;
    상기 센서를 내부에 포함하고, 상기 대상 식물의 일부에 삽입되는 센서 패키지; 및
    상기 센서를 소정 온도 이상 가열하기 위해 상기 히터의 동작을 제어하고, 상기 커패시턴스로부터 상대습도를 측정하고, 상기 상대습도를 사용하여 수분 포텐셜을 계산하는 측정기를 포함하며,
    상기 센서는,
    상기 대상 식물의 수분과의 반응 표면적을 증가시키는 나노다공성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 수분 포텐셜 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터의 각 극판 사이에 상기 히터가 위치하는 수분 포텐셜 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 커패시터의 각 극판에 연결된 두 개의 전극; 및
    상기 히터에 연결된 두 개의 전극을 포함하고,
    상기 전극 모두가 콤브 형태로 배치되는 수분 포텐셜 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정기는,
    상기 히터에 연결되고, 상기 센서를 가열하기 위해 상기 히터를 동작시키는 히터 제어기;
    상기 커패시터에 연결되고, 상기 커패시턴스로부터 상대습도를 측정하는 커패시턴스 측정기; 및
    상기 히터 제어기의 동작을 제어하며, 상기 상대습도로부터 수분 포텐셜을 계산하는 수분 포텐셜 계산기를 포함하는 수분 포텐셜 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수분 포텐셜 계산기는,
    상기 수분 포텐셜을 하기의 수학식을 사용하여 계산하고,
    [수학식]
    Figure 112018129145364-pat00002

    상기 R은 기체상수(gas constant)이고, 상기 T 는 온도이고, 상기 Vw는 물의 몰당 부피(water of molar volume)이고, ln()은 자연로그함수이고, Relative humidity는 상대습도인 수분 포텐셜 측정 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는,
    기판 위에 산화 규소(Silicon Oxide)와 알루미늄(Aluminum)을 증착시키고, 상기 알루미늄을 애노다이징 하여 생성된 양극 산화 알루미늄(Anodic Aluminum Oxide) 위에 증착된 금(Au)을 패터닝하여 생성되고,
    상기 양극 산화 알루미늄은 상기 나노다공성 물질 중 하나인 수분 포텐셜 측정 장치.
  8. 대상식물에 삽입되는 센서를 포함한 수분 포텐셜 측정 장치에 의해 수행되는 수분 포텐셜 측정 방법에 있어서,
    상기 센서는 커패시터 및 히터를 포함하고,
    상기 히터를 소정 온도 이상으로 가열하는 단계;
    상기 대상 식물의 수분에 따라 변화하는 상기 커패시터의 커패시턴스로부터 상대습도를 측정하는 단계; 및
    상기 커패시턴스로부터 수분 포텐셜을 계산하는 단계를 포함하며,
    상기 센서는,
    상기 대상 식물의 수분과의 반응 표면적을 증가시키는 나노다공성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 수분 포텐셜 측정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 커패시터의 각 극판 사이에 위치하는 수분 포텐셜 측정 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 수분 포텐셜을 계산하는 단계는,
    상기 수분 포텐셜을 하기의 수학식을 사용하여 계산하는 단계를 포함하고,
    [수학식]
    Figure 112018129145364-pat00003

    상기 R은 기체상수(gas constant)이고, 상기 T 는 온도이고, 상기 Vw는 물의 몰당 부피(water of molar volume)이고, ln()은 자연로그함수이고, Relative humidity는 상대습도인 수분 포텐셜 측정 방법.
  11. 제 8 항에 기재된 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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