KR102275361B1 - 혼돈파 센서를 이용한 유체 내 미생물 감지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 제1 단면을 통해 유입된 유체가 제2 단면을 통해 배출되며, 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이로 입사되는 제1 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함하는 파이프유닛 및 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이의 상기 파이프유닛 상에 배치되며, 상기 제1 파동을 이용하여 상기 유체 내의 미생물의 존재여부를 감지하는 제1 센서유닛을 포함하는, 유체 내 미생물 감지 시스템을 제공한다.

Description

혼돈파 센서를 이용한 유체 내 미생물 감지 시스템{System for detecting microorganism in fluid with chaotic sensor}

본 발명의 실시예들은 혼돈파 센서를 이용한 유체 내 미생물 감지 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 미생물이 증식할 수 있다.

유체 내 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 미생물을 감지할 수 있는 시스템을 제공하는 데에 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예는 제1 단면을 통해 유입된 유체가 제2 단면을 통해 배출되며, 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이로 입사되는 제1 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함하는 파이프유닛 및 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이의 상기 파이프유닛 상에 배치되며, 상기 제1 파동을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 감지하는 제1 센서유닛을 포함하며, 상기 불순물은 미생물을 포함하는, 유체 내 미생물 감지 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파이프유닛은 상기 제1 단면의 전체 면적을 통해 상기 유체가 유입되고, 상기 제2 단면의 전체 면적을 통해 상기 유체가 배출될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 센서유닛은, 상기 유체를 향하여 상기 제1 파동을 조사하는 제1 파동원, 상기 조사된 제1 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 제1 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 하나 이상의 제1 검출부 및 상기 검출된 제1 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계에 기초하여 상기 유체 내의 미생물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제1 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파이프유닛으로부터 배출된 상기 유체가 이동하는 제1 경로 상에 배치되고, 상기 제1 제어부로부터 상기 유체 내 상기 미생물이 존재한다는 신호가 입력되면 상기 유체를 사전에 설정된 시간 또는 유량만큼 상기 제1 경로와 다른 제2 경로로 배출하는 밸브유닛을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 수용부를 구비하고, 상기 복수의 수용부에 상기 제2 경로로 배출된 상기 유체를 일정량으로 분류하여 수용하는 저장유닛 및 상기 복수의 수용부 각각에 수용된 상기 유체 내의 불순물의 존재여부 또는 농도를 감지하며, 상기 불순물은 미생물을 포함하는 제2 센서유닛을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 센서유닛은, 상기 복수의 수용부 각각에 제2 파동을 조사하는 하나 이상의 제2 파동원, 상기 조사된 제2 파동이 상기 복수의 수용부에 수용된 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 제2 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 하나 이상의 제2 검출부 및 상기 검출된 제2 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제2 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계에 기초하여 상기 복수의 수용부 중 어느 수용부에 수용된 상기 유체 내에 불순물이 존재하는지 검출하는 제2 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 저장유닛은 상기 제2 경로로 배출된 상기 유체를 시간에 따라 순차적으로 분류하여 수용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파이프유닛의 상기 제1 단면에 배치되며 상기 제1 단면으로 유입되는 상기 유체 내에 포함된 일정 크기 이상의 산란물질을 여과하는 필터유닛을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중산란증폭영역은 상기 유체로부터 출사되는 상기 제1 파동의 적어도 일부를 상기 유체로 반사시켜 상기 유체 내에서의 다중 산란 횟수를 증폭시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중산란증폭영역 중 적어도 일부는 상기 유체로부터 출사되는 상기 제1 파동의 전부를 상기 유체로 반사시키는 반사영역으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파이프유닛의 상기 다중산란증폭영역은 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이에 상기 파이프유닛의 길이방향을 따라 순차적으로 배치되며 서로 다른 산란율을 갖는 복수의 분할영역을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유체 내 미생물 감지 시스템은 상기 제1 센서유닛을 복수 개 구비하고, 상기 복수의 분할영역 각각에 대응되도록 배치시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시간 상관관계는 제1 시점에서 검출된 상기 제1 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 제1 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영상정보와 상기 제2 영상정보는 상기 제1 레이저 스펙클의 패턴정보 및 상기 제1 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 제1 단면을 통해 유입된 유체가 제2 단면을 통해 배출되는 파이프유닛 및 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이의 상기 파이프유닛 상에 배치되며, 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 감지하는 제1 센서유닛을 포함하고, 상기 제1 센서유닛은, 상기 유체를 향하여 제1 파동을 조사하는 제1 파동원, 상기 조사된 제1 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 제1 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 하나 이상의 제1 검출부 및 상기 검출된 제1 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계에 기초하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제1 제어부를 포함하며, 상기 불순물은 미생물을 포함하는, 유체 내 미생물 감지 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파이프유닛은 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이로 입사되는 제1 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파이프유닛으로부터 배출된 상기 유체가 이동하는 제1 경로 상에 배치되고, 상기 제1 제어부로부터 상기 유체 내 상기 미생물이 존재한다는 신호가 입력되면 상기 유체를 사전에 설정된 시간 또는 유량만큼 상기 제1 경로와 다른 제2 경로로 배출하는 밸브유닛을 더 포함할 수 있다.

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

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 파이프유닛 및 제1 센서유닛을 이용하여 미생물을 감지하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 센서유닛을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장유닛 및 제2 센서유닛을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프유닛의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템을 실험 장치로서 구현한 예시도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템에 있어서 유체 내 박테리아 농도에 따른 시간 상관관계 계수를 도시한 그래프이다.

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 유체 내 미생물 감지 시스템(10)을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1의 파이프유닛(100) 및 제1 센서유닛(110)을 이용하여 미생물을 감지하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 파이프유닛(100), 제1 센서유닛(110), 밸브유닛(130), 저장유닛(140), 제2 센서유닛(150)을 포함할 수 있다. 또한, 도 1의 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 유체공급유닛(160) 및 경보유닛(170)을 더 포함할 수 있다.

파이프유닛(100)은 제1 단면(A1)을 통해 유입된 유체(L)가 제2 단면(A2)을 통해 배출될 수 있다. 또한, 파이프유닛(100)은 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2) 사이로 입사되는 제1 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역(101)을 포함할 수 있다.

여기서, 유체(L)는 액체 또는 기체일 수 있다. 또한, 유체(L)는 미생물이 증식될 수 있는 물질일 수 있으며, 예를 들면, 내부에 산란물질이 포함되지 않은 물일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시예로서, 유체(L)는 내부에 산란물질이 포함된 우유와 같은 물질일 수도 있다. 또한, 또 다른 실시예로서, 유체(L)는 공기일 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 유체(L) 내부에 산란물질이 포함되지 않는 경우를 먼저 설명하고, 산란물질이 포함된 유체(L)에 대하여는 후술하기로 한다.

유체(L)는 유체공급유닛(160)을 통해 상기한 파이프유닛(100)으로 유입될 수 있다. 유체공급유닛(160)은 도시하지 않았지만, 유체저장조(미도시)와 유체저장조에 수용된 유체(L)에 유동력을 제공하기 위한 유압펌프 또는 압축기(미도시)와 같은 공급수단을 포함할 수 있다. 유체(L)는 공급수단을 통해 일방향을 갖고 파이프유닛(100)을 통과할 수 있다.

일 실시예로서, 파이프유닛(100)은 제1 단면(A1)의 전체 면적을 통해 유체(L)가 유입되고, 제2 단면(A2)의 전체 면적을 통해 유체(L)가 배출될 수 있다. 다시 말해, 파이프유닛(100)은 내부를 꽉 채운 상태로 유체(L)가 이동될 수 있다. 유체(L)가 상기한 파이프유닛(100)의 단면적을 100% 채우지 못한 상태에서 이동하는 경우, 유체(L)의 흐름으로 인하여 유체에 파면이 발생될 수 있다. 이러한 파면은 산란체로 작용될 수 있어, 후술하는 제1 센서유닛(110)을 통해 미생물을 감지하는데 노이즈(noise)로 작용할 수 있다. 따라서, 파이프유닛(100)은 이러한 노이즈를 최소화하기 위하여 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2)의 전체 면적을 통해 유체(L)가 배출될 수 있다.

또한, 파이프유닛(100)의 다중산란증폭영역(101)은 유체(L)로부터 출사되는 제1파동의 적어도 일부를 다시 유체(L) 내로 반시시켜 유체(L)에서의 다중산란 횟수를 증폭시킬 수 있다. 다중산란증폭영역(101)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(101)은 파이프유닛(100) 본체의 외표면에 다중산란물질을 코팅하여 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시예로서, 다중산란증폭영역(101)은 파이프유닛(100) 본체 내에 다중산란물질을 포함시킴으로써 형성될 수도 있다.

또 다른 실시예로서, 다중산란증폭영역(101)은 파이프유닛(100)의 본체와 인접하게 배치되어, 유체(L)로부터 파이프유닛(100)의 외부로 출사되는 파동의 적어도 일부를 파이프유닛(100)의 내부로 반사시키는 다중산란증폭부(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 다중산란증폭부(미도시)는 파이프유닛(100)으로부터 출사되는 파동이 파이프유닛(100)과 다중산란증폭부(미도시) 사이의 공간을 적어도 1회 이상 왕복하도록 할 수 있다. 한편, 다중산란증폭영역(101)은 파이프유닛(100)의 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2) 사이 전(全) 영역에 배치될 수 있다.

한편, 다중산란증폭영역(101)의 적어도 일부는 유체(L)로부터 출사되는 제1 파동의 전부를 유체(L)로 반사시키는 반사영역(103)으로 이루어질 수 있다. 반사영역(103)은 유체(L)로부터 파이프유닛(100)의 외부로 제1 파동이 출사되는 것을 최소화하여 제1 센서유닛(110)의 미생물 감지율을 증폭시킬 수 있다. 반사영역(103)은 후술하는 제1 센서유닛(110)의 제1 파동원(111)으로부터 제1 파동이 입사되는 입사영역에 대하여 대향되도록 배치될 수 있다. 반사영역(103)은 제1 파동원(111)으로부터 조사된 제1 파동의 전부를 유체(L) 내로 반사시킴으로써, 유체(L)에서 다중산란가능한 파동량을 증가시킬 수 있고 이를 통해 제1 센서유닛(110)에서의 미생물 감지율을 증폭시킬 수 있다. 다른 실시예로서, 제1 센서유닛(110)의 제1 검출부(113)로 출사되는 제1 파동의 이동 경로를 제외한 다중산란증폭영역(101)의 전체 영역이 반사영역으로 이루어질 수도 있다.

한편, 제1 센서유닛(110)은 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2) 사이의 파이프유닛(100) 상에 배치될 수 있다. 제1 센서유닛(110)은 제1 파동을 이용하여 유체(L) 내의 불순물인 미생물(M)의 존재여부를 감지할 수 있다. 본 명세서에서 제1 센서유닛(110)은 혼돈파 센서일 수 있다. 여기서, 불순물은 비용해성 부유물질일 수도 있다. 제1 센서유닛(110)은 미생물(M) 뿐만 아니라 유체(L) 내 포함된 불순물을 검출하는 기능도 수행할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 유체(L) 내 미생물(M)을 검출하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

먼저, 도 3을 참조하여, 본 발명의 혼돈파 센서의 원리에 대하여 설명한다.

도 3은 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 3을 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 3의 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 3의 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 유체(L)는 전술한 바와 같이 내부에 산란을 발생시키는 균질한 물질을 포함하지 않기 때문에 미생물(M)이 존재하지 않는 경우 레이저 스펙클이 발생시킬 수 없다. 다만, 본 발명의 일 실시예예 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 전술한 파이프유닛(100)의 다중산란증폭영역(101)을 통해 제1 파동을 다중산란시켜 안정한 레이저 스펙클 무늬를 발생시킬 수 있다. 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 파이프유닛(100)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, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 센서유닛(110)은 제1 파동원(111), 제1 검출부(113) 및 제1 제어부(115)를 포함할 수 있다.

제1 파동원(111)은 상기한 파이프유닛(100) 내부를 따라 이동하는 유체(L)를 향하여 제1 파동을 조사할 수 있다. 제1 파동원(111)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 들어, 유체(L)에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 제1 파동원(111)으로 이용할 수 있다. 이때, 레이저 파동원의 간섭성을 결정하는 파동원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파동원의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 제1 파동원(111)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 제1 파동원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.

수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 기준 시간마다 유체 내에 광을 조사 시에, 제1 파동원(111)의 스펙트럴 대역폭은 1nm 미만을 유지될 수 있다.

제1 검출부(113)는 조사된 제1 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란되어 발생되는 제1 레이저 스펙클을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 여기서, 시점(time)이란, 연속적인 시간의 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. 제1 검출부(113)는 제1 파동원(111) 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 CCD 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 제1 검출부(113)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제1 제어부(115)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 제1 검출부(113)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.

구체적으로, 유체(L)에 제1 파동이 조사되면, 입사된 제1 파동은 다중 산란에 의해 제1 레이저 스펙클을 형성할 수 있다. 제1 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(L) 내에 미생물이 존재하는 경우, 제1 레이저 스펙클은 미생물(M)의 움직임에 의해 시간에 따라 변화할 수 있다. 제1 검출부(113)는 이러한 시간에 따라 변화하는 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하여 제1 제어부(115)로 제공할 수 있다. 제1 검출부(113)는 미생물(M)의 움직임을 감지할 수 있을 정도의 속도로 제1 레이저 스펙클을 검출할 수 있으며, 예를 들면, 초당 25 프레임 내지 30 프레임의 속도로 검출할 수 있다.

한편, 제1 검출부(113)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 2의 조건을 만족하도록, 제1 검출부(113)에 포함된 광학계에서 이미지 센서가 배치될 수 있다.

수학식 2와 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.

제1 제어부(115)는 검출된 제1 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득할 수 있다. 제1 제어부(115)는 획득된 시간 상관관계에 기초하여 유체(L) 내의 미생물의 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, 제1 제어부(115)는 제1 시점에서 검출된 제1 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 제2 레이저 스펙클의 제2 영상정보 차이를 이용하여 미생물(M)의 존재여부를 추정할 수 있다. 여기서, 제1 영상정보 및 제2 영상정보는 제1 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 제1 레이저 스펙클의 영상 정보를 이용할 수 있다. 제1 제어부(115)는 사전에 설정된 복수의 시점마다 생성된 제1 레이저 스펙클의 영상정보를 이용하여 영상들 간의 시간 상관 계수를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 유체(L) 내에 미생물(M)의 존재여부를 추정할 수 있다. 검출된 제1 레이저 스펙클 영상의 시간 상관 관계는 아래의 수학식 3을 이용하여 계산될 수 있다.

수학식 3에서

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 3에 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.

한편, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 센서유닛(110)을 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 센서유닛(110)은 유체(L)에서 산란된 제1 파동 신호를 제1 파동원(111)의 제1 파동이 유체(L)에 의해 산란되기 전의 제2 파동신호로 복원하는 변조하는 광학부(35)를 더 포함할 수 있다. 이때, 광학부(35)는 공간 광 변조부(Spatial Light Modulator; SLM, 351) 및 제1 검출부(113)를 포함할 수 있다. 광학부(35)는 측정 대상으로부터 산란된 파동이 입사되면, 산란된 파동의 파면을 제어하여, 다시 산란되기 전의 파동(광)으로 복원하여 제1 검출부(113)로 제공할 수 있다.

공간 광 변조부(351)는 시료에서 산란된 파동(광)이 입사될 수 있다. 공간 광 변조부(351)는 시료에서 산란된 파동의 파면을 제어하여 렌즈(352)에 제공할 수 있다. 렌즈(352)는 제어된 광을 집약하여 다시 검출부(240)로 제공할 수 있다. 검출부(240)는 렌즈에서 집약된 파동을 감지하여 산란되기 최초 파동원에서 출력된 파동으로 복원하여 출력할 수 있다.

여기서, 광학부(35)는 안정적인 매질, 즉, 유체 내에 미생물이 존재하지 않는 경우, 유체(L)로부터 산란된 제1 파동신호를 산란되기 이전의 파동으로 복원할 수 있다. 그러나, 유체(L) 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(35)를 포함하는 제1 센서유닛(110)은 이러한 제2 파동신호의 차이를 이용하여 좀 더 미세하게 미생물의 존재 여부를 추정할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 밸브유닛(130)은 파이프유닛(100)으로부터 배출된 유체(L)가 이동하는 제1 경로(P1) 상에 배치될 수 있다. 밸브유닛(130)은 제1 제어부(115)로부터 유체(L) 내 미생물(M)이 존재한다는 신호(t1)가 입력되면, 유체(L)를 사전에 설정된 시간 도는 유량만큼 제1 경로(P1)와 다른 제2 경로(P2)로 배출할 수 있다. 밸브유닛(130)은 예를 들면, 3방 밸브(3way valve)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 미생물이 존재한다고 판단되면 일정량의 유체를 배출할 수 있도록 함으로써, 미생물로 인하여 오염된 유체를 제거할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장유닛(140) 및 제2 센서유닛(150)을 설명하기 위한 개념도이다.

도 1 및 도 5를 참조하면, 저장유닛(140)은 복수의 수용부(141)를 구비하고, 복수의 수용부(141)에 제2 경로(P2)로 배출된 유체(L)를 일정량으로 분류하여 수용할 수 있다. 복수의 수용부(141)는 서로 소정의 이격 거리를 갖고 배열될 수 있다. 제1 센서유닛(110)에 의해 미생물(M)이 감지되는 경우, 오염된 유체(L)는 밸브유닛(130)을 통해 순식간에 배출되기 때문에 유체(L) 내 미생물(M) 농도는 검출하기 어려울 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 저장유닛(140)을 통해 배출된 유체(L)를 수용하고, 제2 센서유닛(150)을 통해 유체(L) 내 미생물의 농도를 검출할 수 있다. 특히, 저장유닛(140)은 제2 경로(P2)로 배출된 유체(L)를 시간에 따라 순차적으로 분류하여 수용할 수 있다.

한편, 저장유닛(140)은 복수의 수용부(141)로부터 다중산란되어 출사되는 제2 파동의 적어도 일부를 복수의 수용부(141)로 반사시켜 수용부(141) 내의 유체(L)에서의 다중산란횟수를 증폭시키는 다중산란증폭부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

제2 센서유닛(150)은 복수의 수용부(141) 각각에 수용된 유체(L) 내의 불순물의 존재여부를 감지할 수 있다. 제2 센서유닛(150)은 제2 파동원(151), 제2 검출부(153) 및 제2 제어부(155)를 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 제2 파동원(151)은 복수의 수용부(141) 각각에 제2 파동을 조사할 수 있다. 제2 검출부(153)는 조사된 제2 파동이 복수의 수용부(141)에 수용된 유체(L) 내에서 다중 산란되어 발생되는 제2 레이저스페클을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 제2 제어부(155)는 검출된 제2 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 제2 레이저 스펙클의 시간 상관관계를 획득할 수 있다. 제2 제어부(155)는 획득된 시간 상관관계에 기초하여 복수의 수용부(141) 중 어느 수용부에 수용된 유체(L) 내에 불순물인 미생물이 존재하는지 검출할 수 있다.

여기서, 제2 센서유닛(150)은 제1 센서유닛(110)과 동일한 구성을 갖는 혼돈파 센서일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 제1 센서유닛(110)과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

제2 센서유닛(150)은 도시된 바와 같이, 하나로 이루어져 복수의 수용부(141) 각각에 제2 파동을 조사하고, 제2 레이저 스펙클을 이용하여 어느 수용부(141)의 유체(L)에 미생물이 존재하는지 검출할 수 있다. 이때, 제2 센서유닛(150)은 제2 파동의 파동경로변경부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해, 복수의 수용부(141)로 제2 파동을 조사할 수 있다.

파동경로변경부(미도시)는 마이크로 미러로 이루어질 수 있다. 파동경로변경부(미도시)는 반사면을 구비하여, 입사된 파동을 복수의 수용부(141)들을 향해 반사시킬 수 있다. 파동경로변경부(미도시)는 구동제어부(미도시)에 의해 미세 구동될 수 있다. 다른 실시예로서, 파동경로변경부(미도시)는 제2 제어부(155)에 의해 미세 구동되며, 이에 따라 복수의 수용부(141)들 각각에 파동을 조사할 수 있다. 파동경로변경부(미도시)를 구성하는 마이크로 미러는 전기적 제어에 따라 반사면의 역학적 변위가 일어날 수 있는 다양한 구성이 채용될 수 있다. 예를 들면, 파동경로변경부(미도시)는 일반적으로 알려진 멤스(micro electromechanical system; MEMS) 미러, 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micromirror device, DMD) 소자 등이 채용될 수 있다.

다른 실시예로서, 제2 센서유닛(150)은 상기한 파동경로변경부(미도시)를 대신하여, 제2 파동원(151) 및 제2 검출부(153)와 연결되어 각각의 위치를 이동시키는 구동수단(미도시)을 포함할 수 있다. 제2 파동원(151) 및 제2 검출부(153)는 구동수단(미도시)을 통해 상기한 복수의 수용부(141) 각각에 대응되는 위치로 이동하면서 복수의 수용부(141) 내에 수용된 유체(L) 내의 미생물의 존재 여부를 감지할 수 있다.

한편, 또 다른 실시예로서, 제2 센서유닛(150)은 복수의 수용부(141) 각각에 대응되도록 복수의 제2 파동원(151) 및 제2 검출부(153)를 구비하고, 각각에서 검출된 제2 레이저 스펙클을 이용하여 미생물이 존재하는 수용부(141)의 위치를 검출할 수 있다. 제2 경로(P2)를 통해 배출된 유체(L)는 전술한 저장유닛(140)에 시간에 따라 순차적으로 일정량으로 분류될 수 있다. 따라서, 제2 센서유닛(150)은 미생물(M)이 존재하는 수용부(141)의 위치를 이용하여 어느 시점에서 미생물(M)이 유체(L)에 발생되었는지를 검출할 수 있다.

또한, 제2 센서유닛(150)은 수용부(141)에 수용된 유체(L) 내 불순물의 농도를 추정할 수 있다. 이때, 제2 센서유닛(150)은 유체(L) 내 불순물의 농도를 추정하여 유체(L)의 탁도를 측정하는 기능도 수행할 수 있다. 일반적인 탁도측정장치는 10⁵ cfu/m 이하의 불순물 농도를 측정하는 것이 어렵다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 센서유닛(150)은 하기와 같이 불순물의 농도를 판단하는 방법을 통해 10⁶ cfu/m 이하의 불순물 농도도 측정이 가능하다. 여기서 불순물은 미생물로 한정하지 않는다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 불순물이 미생물인 경우를 중심으로 제2 제어부(155)에서, 제2 레이저 스펙클을 이용하여 미생물의 농도를 판단하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

제2 제어부(155)는 기준 시간마다 측정된 제2 레이저 스펙클 영상을 대상으로, 제2 레이저 스펙클의 빛 세기(intensity)의 표준 편차를 계산할 수 있다. 유체(L) 내 포함된 미생물들이 지속적으로 움직임에 따라 보강 간섭과 상쇄 간섭이 상기 움직임에 대응하여 변화할 수 있다. 이때, 보강 간섭과 상쇄 간섭이 변화함에 따라, 빛 세기의 정도가 크게 변화할 수 있다. 그러면, 제2 제어부(155)는, 빛 세기의 변화 정도를 나타내는 표준 편차를 구하여 복수의 수용부(141)에서 미생물이 있는 수용부(141)를 검출할 수 있으며, 이들의 분포도를 측정할 수 있다.

예를 들어, 제2 제어부(155)는 미리 정해진 시간마다 측정된 제2 레이저 스펙클 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 제2 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차를 계산할 수 있다. 제2 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차는 아래의 수학식 4에 기초하여 계산될 수 있다.

수학식 4에서, 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 5에 기초하여 계산된 표준편차 값이 커지게 되기 때문에 이에 기초하여 미생물의 농도가 측정될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기한 수학식 4에 의해 미생물의 농도를 측정하는 방법이 제한되지 않으며, 검출된 제2 레이저 스펙클의 차이를 이용한 어떠한 방법으로든 미생물의 농도를 측정할 수 있다.

그리고, 제2 제어부(155)는 제2 레이저 스펙클의 빛 세기의 표준편차 값의 크기와 미생물 농도와 선형적인 관계에 기초하여 유체에 포함된 미생물의 분포도, 즉 농도를 추정할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 경보유닛(170), 단말기(20) 및 서버(미도시)를 더 포함할 수 있다.

경보유닛(170)은 제1 센서유닛(110)의 제1 제어부(115)로부터 미생물이 존재한다는 신호(t1)가 입력되면, 이를 사용자에게 알릴 수 있다. 경보유닛(170)은 소리, 빛 중 적어도 어느 하나를 이용하여 미생물이 유체 내 존재함을 외부로 알릴 수 있다. 경보유닛(170)은 빛을 통해 경고신호를 생성하는 LED와 같은 조명수단 및 소리를 통해 경고신호를 생성하는 스피커(미도시)를 포함할 수 있으며, 빛과 소리는 동시에 생성될 수 있다.

또한, 경보유닛(170)은 사용자의 단말기(20)와 통신할 수 있는 통신수단(미도시)을 더 포함할 수 있다. 경보유닛(170)은 제1 제어부(115)로부터 미생물이 존재한다는 신호(t1)가 입력되면, 무선 또는 유선의 통신수단(미도시)을 통해 단말기(20)로 미생물 감지 신호를 포함하는 정보를 제공할 수 있다. 또한, 경보유닛(170)은 도시하지 않았지만 서버(미도시)로도 상기한 정보를 제공할 수 있다. 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 경보유닛(170)을 통해 미생물 감지 여부, 미생물이 감지된 시간, 미생물의 농도에 대한 정보를 업로드하면, 이를 서버(미도시)에 등록하며, 다른 사용자들이 서버(미도시)에 등록된 데이터를 조회할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 상기한 과정을 통해 미생물 발생 상황 등을 데이터베이스로 구축할 수 있다. 단말기(20)는 유무선 통신 환경에서 웹 서비스를 이용할 수 있는 퍼스널 컴퓨터 또는 휴대용 단말일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10)의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 6을 참조하면, 다른 실시예에 있어서, 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 필터 유닛(180)을 더 포함할 수 있다. 필터 유닛(180)은 파이프유닛(100)의 제1 단면(A1)에 배치되며 제1 단면(A1)으로 유입되는 유체(L) 내에 포함된 일정 크기 이상의 산란물질(C)을 여과할 수 있다. 필터 유닛(180)은 미생물(M)을 통과시킬 수 있으며, 이를 통해 유체(L) 내 미생물(M)이 존재하는 경우, 파이프유닛(100)에서 제1 센서유닛(110)에 의해 감지될 수 있다.

우유와 같은 유체(L)는 내부에 다양한 산란물질(C)을 포함한다. 이러한 유체(L)의 유동 및 산란물질(C)로 인하여 안정적인 레이저 스펙클을 검출할 수가 없고, 미생물이 존재하더라도 레이저 스펙클의 차이를 구분할 수 없어 미생물이 검출되기가 어렵다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 필터 유닛(180)을 파이프유닛(100)의 제1 단면(A1)에 배치시키고, 일정 크기 이상의 산란물질(C)을 여과시킴으로써, 파이프유닛(100)을 통과하는 유체(L) 내의 미생물(M)을 감지할 수 있다.

이때, 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 상기한 필터유닛(180)이 배치되는 파이프유닛(100)을 기준경로(P0)로부터 우회하는 우회경로(P01) 상에 배치할 수 있다. 유체(L)가 필터 유닛(180)을 통과하는 경우, 유체(L) 내 포함된 산란물질(C)이 제거된 상태이기 때문에 실제로 공급하려는 유체(L)와 다를 수 있다. 따라서, 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 기준배관(200)의 경로(P02)와 다른 우회경로(P01)를 통해 미생물(M)을 감지할 수 있는 환경을 제공함으로써, 기존 유체(L) 공급 환경을 간섭하지 않으면서 미생물(M)을 감지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프유닛(100)의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 7을 참조하면, 파이프유닛(100)의 다중산란증폭영역(101)은 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2) 사이에 파이프유닛(100)의 길이방향을 따라 순차적으로 배치되며 서로 다른 산란율을 갖는 복수의 분할영역(D1, D2, D3)을 포함할 수 있다. 이때, 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 제1 센서유닛(110)을 복수 개 구비하고, 복수의 분할영역(D1, D2, D3) 각각에 대응되도록 배치시킬 수 있다.

도 7에서는 복수의 분할영역(D1, D2, D3)을 일정 간격으로 이격되게 도시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예로서, 복수의 분할영역(D1, D2, D3)은 서로 연결되게 배치될 수 있다. 또한, 복수의 분할영역(D1, D2, D3)은 파이프유닛(100)의 길이 방향을 따라 산란율이 일정하게 증가하거나 감소할 수 있다. 이때, 복수의 분할영역(D1, D2, D3)은 서로 다른 산란물질을 포함하거나, 산란물질을 포함하는 정도를 달리하여 서로 다른 산란율을 가질 수 있다.

일 실시예로서, 다중산란증폭영역(101)이 제1 분할영역(D1), 제2 분할영역(D2) 및 제3 분할영역(D3)을 포함하는 경우, 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 각각에 대응되는 제1-1 센서유닛(110-1), 제1-2 센서유닛(110-2) 및 제1-3 센서유닛(110-3)을 포함할 수 있다. 제1-1 센서유닛(110-1), 제1-2 센서유닛(110-2) 및 제1-3 센서유닛(110-3)은 제1 분할영역(D1), 제2 분할영역(D2) 및 제3 분할영역(D3)의 산란율에 대응하여 미생물(M)을 감지하는 민감도가 다를 수 있다. 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 유체(L)가 이동하는 경로 상에서 민감도를 달리하여 여러 번 검출하는 것에 의해 정밀하고 정확하게 미생물(M)을 감지할 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10-1)을 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10-1)은 밸브유닛(130)을 통해 배출된 유체(L)의 제2 경로(P2) 상에 배치되는 살균유닛(190)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10-1)은 일 실시예의 저장유닛(140) 및 제2 센서유닛(150)을 포함하지 않으며, 제1 경로(P1)와 다른 제2 경로(P2)를 지나가는 유체(L)를 살균시킨 후 다시 제1 경로(P1)의 유체(L)와 합류시킬 수 있다.

살균유닛(190)은 밸브유닛(130)을 통해 제2 경로(P2)로 유체(L)가 배출되면 동작하여 제2 경로(P2)로 흐르는 유체(L) 내 미생물을 제거할 수 있다. 살균유닛(190)은 미생물을 제거할 수 있는 어떠한 수단도 가능하다. 예를 들면, 살균유닛(190)은 자외선(UV) 램프 또는 일정 이상 출력을 갖는 레이저 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는, 살균유닛(190)은 전기분해를 이용하여 살균할 수도 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 또 다른 실시예로서, 살균유닛(190)을 유체(L)의 제1 경로(P1) 상에 배치할 수 있음은 물론이다. 이때, 제1 센서유닛(110)에 의해 불순물인 미생물이 감지되면 제1 경로(P1) 상에 배치된 살균유닛(190)이 동작하여 유체(L) 내 미생물을 제거할 수 있다.

한편, 유체 내 미생물 감지 시스템(10-1)은 제2 경로(P2) 상에 여과수단(F1)을 더 포함하여, 유체(L) 내 감지된 미생물을 걸러낼 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템(10)을 실험 장치로서 구현한 예시도이다.

도 9의 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 유체(L)를 순환식으로 공급하고, 미생물(M)을 인위적으로 주입한 후 흐르는 유체(L) 내에서 미생물(M)이 감지되는지 여부를 확인하기 위한 실험 장치로서, 본 발명의 기술적 사상은 도 9의 유체 내 미생물 감지 시스템(10)에 의해 제한되지 않는다.

도 9의 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 파이프유닛(100)으로 유입되기 전의 유체(L)에 미생물(M)을 주입하는 미생물주입부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 도 9의 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 미생물주입부(미도시)를 통해 미생물(M)이 주입한 후 경보유닛(170)에 의해 경고신호가 외부로 제공되는 것에 의해 미생물(M)이 정확히 감지되고 있음을 확인할 수 있다. 유체 내 미생물 감지 시스템(10)은 디스플레이유닛(미도시)을 더 포함하여, 제1 센서유닛(110)을 통해 검출된 제1 레이저스펙클의 시간상관관계 그래프 및 미생물 검출 정보를 외부로 표시할 수 있다.

도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템에 있어서 유체 내 박테리아 농도에 따른 시간 상관관계 계수를 도시한 그래프이다. 도 10a 내지 도 10c는 유체 내 미생물 감지 시스템에 인위적으로 미생물을 투입하였을 때 그 농도에 따른 시간 상관관계 게수의 변화를 나타낸다.

도 10a 내지 도 10c의 그래프에 있어서, x축은 시간(t)에 관한 축이며, y축은 시간 상관관계 계수(C(t))에 관한 축이다. 여기서, 점선(L2)은 제1 센서유닛(110)에 사전에 설정된 레이저 스펙클의 시간 상관관계 계수의 기준값을 나타낸다. 또한, 실선(L1)은 제1 센서유닛(110)을 통해 시간에 따라 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관관계 계수의 측정 데이터를 나타낸다.

도 10a의 실선(L1)은 유체 내 미생물을 투입하지 않은 경우에 있어서, 제1 센서유닛(110)을 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관관계 계수를 나타낸다. 도 10a를 참조하면, 유체 내 미생물이 존재하지 않는 경우, 유체 내 산란되어 발생되는 레이저 스펙클에 변화가 없기 때문에, 시간 상관관계 계수 또한 시간에 따라 거의 일정하며, 사전에 설정된 기준값(L1)을 초과하지 않음을 알 수 있다.

도 10b의 실선(L1)은 유체 내에 10^0 cfu/ml 농도의 미생물을 4ml 투입한 경우에 있어서, 제1 센서유닛(110)을 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관관계 계수를 나타낸다. 또한, 도 10c의 실선(L1)은 유체 내에 10^1 cfu/ml 농도의 미생물을 4ml 투입한 경우에 있어서, 제1 센서유닛(110)을 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관관계 계수를 나타낸다.

도 10b 및 도 10c를 참조하면, 유체 내 미생물이 존재하는 경우, 유체 내 산란되어 발생되는 레이저 스펙클이 시간에 따라 변하기 때문에, 시간 상관관계 계수는 미생물이 감지되는 시점에서 변하게 된다. 도 10b 및 도 10c의 음영처리된 영역(Bacteria Deteting Signal)은 이러한 미생물이 감지되는 시점에서의 시간 상관관계 계수의 변화를 나타내며, 미생물의 농도가 높을수록 시간 상관관계 계수의 피크치가 높아짐을 확인할 수 있다. 한편, 도 10b 및 도 10c의 음영처리된 영역에 있어서, 제1 센서유닛(110)은 레이저 스펙클의 시간 상관관계 계수(L1)가 사전에 설정된 기준값인 점선(L2)을 초과하는 경우 미생물이 존재한다고 판단할 수 있다. 이때, 미생물이 존재하는 경우, 제1 센서유닛(110)이 미생물을 감지하는데 걸리는 측정 시간은 시간 상관관계 계수가 급격히 변화하는 시점부터 기준값인 점선(L2)과 만나는 시점까지의 구간일 수 있으며, 10b 및 10c를 참조할 때, 약 0.2 초 이내임을 확인할 수 있다.

이를 통해, 본 발명의 실시예들에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템은 0.2초 이내인 매우 빠른 시간, 다시 말해 실시간(real-time)으로 유체 내 불순물인 미생물을 감지함을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템은 시간 상관관계 계수의 변화율 또는 피크치를 이용하여 미생물의 농도를 추정함을 확인할 수 있다. 또한, 유체 내 미생물 감지 시스템은 미생물의 농도가 낮은 경우(10^0 cfu/ml)라도 검출이 가능함을 확인할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 유체 내 미생물 감지 시스템은 레이저 스펙클의 시간 상관관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 미생물의 존재 여부 또는 농도를 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.

10 : 유체 내 미생물 감지 시스템
100 : 파이프유닛
110 : 제1 센서유닛
130 : 밸브유닛
140 : 저장유닛
150 : 제2 센서유닛

Claims (6)

1. 제1 단면을 통해 유입된 유체가 제2 단면을 통해 배출되며, 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이로 입사되는 제1 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함하는 파이프유닛; 및
   상기 파이프유닛 상에 배치되며, 상기 제1 파동을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 감지하는 제1 센서유닛;을 포함하며,
   상기 제1 센서유닛은,
   상기 유체를 향하여 상기 제1 파동을 조사하는 제1 파동원;
   상기 조사된 제1 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 제1 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 하나 이상의 제1 검출부; 및
   상기 검출된 제1 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계에 기초하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제1 제어부;를 포함하고,
   상기 다중산란증폭영역은 상기 유체로부터 출사되는 상기 제1 파동의 적어도 일부를 상기 유체로 반사시켜 상기 유체 내에서의 다중 산란 횟수를 증폭시키고,
   상기 파이프유닛의 상기 다중산란증폭영역은 상기 제1 단면과 상기 제2 단면 사이에 상기 파이프유닛의 길이방향을 따라 순차적으로 배치되며 서로 다른 산란율을 갖는 복수의 분할영역을 포함하며,
   유체 내 미생물 감지 시스템은 상기 제1 센서유닛을 복수 개 구비하고, 상기 복수의 분할영역 각각에 대응되도록 배치시키고,
   상기 파이프유닛은 상기 제1 단면의 전체 면적을 통해 상기 유체가 유입되고, 상기 제2 단면의 전체 면적을 통해 상기 유체가 배출되는, 유체 내 미생물 감지 시스템.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 파이프유닛의 상기 제1 단면에 배치되며 상기 제1 단면으로 유입되는 상기 유체 내에 포함된 일정 크기 이상의 산란물질을 여과하는 필터유닛;을 더 포함하는, 유체 내 미생물 감지 시스템.
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6. 삭제

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