KR102279585B1 - 버블을 이용한 실시간 수중 파티클 감지시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버블을 이용한 실시간 수중 파티클 감지시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 버블을 이용한 실시간 수중 파티클 감지시스템은 버블을 생성시켜 시각화를 통해 세균의 실시간 정량분석이 가능하며, 세균의 표면 특성과 시뮬레이션을 통해 실시간 세균 종류를 분석할 수 있어, 검출비용이 낮고, 측정시간이 짧으며, 시스템의 소형화·모듈화가 가능한 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 버블을 이용한 실시간 수중 파티클 감지시스템을 통해 측정된 세균의 양은 물속의 세균의 농도와 버블이 터질 때 발생하는 에어로졸 속에 포함된 세균의 농도를 예측할 수 있는 정보로 사용될 수 있다. 더욱이, 세균의 표면 특성을 사용하여 이미지 분석, 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 특성 예측, 통계 분석을 통해 세균의 종류를 파악하는데 사용할 수 있다.

Description

버블을 이용한 실시간 수중 파티클 감지시스템 {System for detecting underwater bacteria in real time using bubble}

본 발명은 버블을 이용한 실시간 수중 파티클 감지시스템에 관한 것이다.

아프리카와 같이 경제적으로 어려운 국가에서는 더러운 물로 인한 수인성 질병으로 매일 수 천명의 아이가 목숨을 잃고 있으며, 세균이나 마이크로 플라스틱 등으로 오염된 물로부터 발생한 병원성 에어로졸에 의한 질병 확산이 크게 사회문제화 되고 있다.

오염된 물로 인한 수인성 질병과 병원성 에어로졸에 의한 질병 확산을 막기 위해서는, 물속에 존재하는 세균의 양과 종류를 정확히 파악하는 것이 중요하다.

종래 물속의 세균의 양과 종류를 파악하기 위한 방법으로, 도 1에 도시한 바와 같이 여러 단계의 과정이 필요하다.

그러나 이러한 과정은 일반적으로 측정 시간이 길고 비용이 많이 들며, 채취(sampling)와 측정이 이루어지는 시공간이 달라 결과의 신뢰도가 낮으며, 측정에 필요한 장비가 고가이고 소형화, 모듈화가 어렵기 때문에 일반인들이 사용할 수 있는 제품으로 개발하기 어렵다.

현재 수질측정방안으로 가장 널리 사용되는 지표 중 생물화학적 산소요구량(biochemical oxygen demand; BOD) 또는 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand; COD)은 오랜 분석 시간과 낮은 재현성 등의 단점이 있다. 또한, 수질 측정시 현장에서 채취한 물을 다른 장소로 이동하기 때문에, 현재 수질 수준을 실시간으로 반영할 수 없는 문제가 있다.

현재 개발된 실시간 미생물 탐지 기술은 ATP, PCR, 효소발색법 또는 유전영동과 같은 원리를 이용한 것들이 있으나, 앞서 설명한 바와 같이 전처리과정이 필요하고, 정량분석과 정성분석이 동시에 가능한 측정시스템이 존재하지 않으므로 정확한 측정값이라 볼 수 없다.

따라서 물속의 세균의 양과 종류를 실시간 측정할 수 있는 기술에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.

본 발명은 버블 내부의 파티클을 직접적으로 시각화할 수 있으므로 정성분석 및 정량분석이 가능한 버블을 이용한 실시간 수중 파티클 감지시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 시·공간적 제약을 받지 않아 실시간으로 수질 측정이 가능하여 정확한 재현성을 구현해낼 수 있는 실시간 수중 파티클 감지시스템을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 버블(bubble)을 생성시키는 버블발생장치, 상기 생성된 버블에 광을 조사하는 출광유닛, 및 상기 버블로부터 산란되는 광을 집광하여 상기 버블의 이미지를 획득하는 이미지센서유닛을 포함하는 실시간 수중 파티클 감지시스템을 제공한다.

일 실시예에 따라, 상기 버블발생장치는, 액체 표면 위에 물 막을 가진 버블을 생성시키거나, 프레임 내 물 막을 생성시킬 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 버블을 파열시키는 버블파열장치와, 상기 버블이 터질 때 발생하는 액적을 포집하는 액적수집장치와, 상기 액적수집장치에 의해 수집된 상기 액적의 이미지 또는 전자기신호를 획득하는 액적센서를 포함하는 센서유닛을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 버블발생장치는, 일단부에 상기 버블이 생성되는 튜브(tube)와, 상기 튜브에 공기를 공급하여 상기 튜브의 일단부에 상기 버블이 생성되도록 하는 공기주입유닛을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 튜브의 내부에는, 물 및 계면활성제를 함유하는 용액이 수용되어 있을 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 이미지센서유닛으로부터 획득된 상기 버블의 이미지를 이용하여 상기 액체 내 세균의 유무 및 농도 중 적어도 어느 하나를 검출하는 제어유닛을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 센서유닛은, 미리 설정된 시간이나 사용자의 입력에 따라 상기 버블파열장치를 작동시켜, 상기 생성된 버블을 파열시키도록 하는 버블파열제어장치를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 액적수집장치는, 상기 포집된 액적이 안착하는 샘플링 기구 또는 샘플링 플레이트를 포함하되, 상기 샘플링 기구 또는 샘플링 플레이트는 탈장착 가능할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 액적센서는, 상기 액적수집장치로부터 포집된 액적의 디지털 이미지 또는 형광 이미지를 획득하는 액적이미지센서, 및 상기 액적에 인가된 전자기신호를 획득하는 액적전자기신호센서를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, U자형의 상기 튜브는, 상기 버블이 형성되지 않는 제1 단부와, 상기 버블이 형성되는 제2 단부를 갖되, 상기 제1 및 제2 단부의 높이는 상이할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 출광유닛은, 광원, 상기 광원으로부터 이격 배치된 복수의 렌즈들, 및 상기 복수의 렌즈들 중 선택된 어느 두 렌즈들 사이에 배치되되, 상기 광원의 광경로 상에 위치한 핀홀(pin hole)을 가진 핀홀플레이트를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 광원은 가시광선일 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 복수의 렌즈들은, 상기 광원으로부터 순차대로 이격 배치된 제1 내지 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제1 및 제2 렌즈는, 평면볼록렌즈이되 볼록면이 서로 마주보도록 배치되며, 상기 핀홀플레이트는, 상기 제2 및 제3 렌즈 사이에 위치할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 제3 렌즈는, 상기 튜브에 생성된 버블의 높이와 나란하게 광을 조사하도록 배치될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 이미지센서유닛은, 상기 튜브에 생성된 버블의 이미지를 촬영하는 제1 카메라, 상기 생성된 버블로부터 산란되는 광을 집광하는 제4 렌즈, 및 상기 제4 렌즈를 투과한 이미지를 획득하는 제2 카메라를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 제어유닛은, 상기 이미지센서유닛에 의해 획득된 상기 버블의 이미지에서 추출된 검은점(black spot) 및/또는 흰점(white spot)의 개수를 측정하여 상기 버블에 존재하는 상기 파티클의 농도를 산출하되, 상기 버블이 생성된 시간 정보를 사용하여 파티클의 농도를 산출할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 제어유닛은, 상기 파티클의 종류별 고유 표면 에너지 값을 포함한 스팟(Spot) 데이터를 저장하되, 상기 이미지센서유닛에 의해 획득된 상기 버블의 이미지에서 추출된 검은점(black spot) 및/또는 흰점(white spot) 각각의 주변에 형성된 광 패턴의 크기, 두께, 및 주기를 상기 스팟 데이터에 적용하여 상기 파티클의 종류 데이터를 산출할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 제어유닛은, 상기 이미지센서유닛에 의해 획득된 상기 버블의 이미지를 이용하여 상기 버블의 생존 시간을 측정하고, 사용자가 설정한 시간을 메모리에 저장하여 상기 버블의 생존 시간과 일치될 때 상기 버블파열장치를 작동시켜 상기 버블을 터뜨리거나, 사용자의 입력에 따라 상기 버블파열장치를 작동시켜 상기 버블을 터뜨려, 상기 버블의 파열 속도를 근거로 상기 버블 막의 두께를 산출할 수 있다.

또한, 본 발명은, 버블(bubble)을 생성시키는 버블발생장치, 상기 생성된 버블에 전자기신호를 조사하는 송신기, 상기 버블을 투과한 상기 전자기신호를 획득하는 수신기, 및 상기 수신기를 투과한 전자기신호를 이용하여, 상기 액체 내 파티클의 유무 및 농도 중 적어도 어느 하나를 검출하는 제어유닛을 포함하는 실시간 수중 파티클 감지시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 버블을 이용한 실시간 수중 파티클 감지시스템은 버블을 생성하여 시각화를 통해 파티클의 실시간 정량분석이 가능하며, 파티클의 표면 특성과 시뮬레이션을 통해 실시간으로 파티클의 종류를 분석할 수 있어, 검출비용이 낮고, 측정시간이 짧으며, 시스템의 소형화·모듈화가 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 버블을 이용한 실시간 수중 파티클 감지시스템은, 물속 파티클의 농도와 버블이 터질 때 발생하는 에어로졸 속에 포함된 파티클의 농도를 예측할 수 있다.

또한, 파티클의 표면 특성을 근거로 이미지 분석이나 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 특성 예측 또는 통계 분석을 통해 파티클의 종류를 파악하는데 사용할 수 있다.

또한, 버블을 터뜨려 액적을 수집한 뒤 이미지 분석 결과 및 광패턴과 전자기적 신호를 통해 분석된 파티클의 양과 종류 등을 검증하는데 사용할 수 있다.

또는, 본 발명은 링과 같은 형태의 프레임을 이용하여 버블의 형태가 아닌 얇은 물 막을 생성하여 동일한 분석이 가능하고, 이 경우 튜브 및 공기주입유닛을 반드시 요구하지 않아 전체 시스템의 소형화할 수 있다.

도 1은 종래 물속의 세균의 양과 종류를 파악하는 방법을 단계별로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 따른 튜브를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 따른 공기주입유닛을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 출광유닛을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 따른 이미지센서유닛을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템이 수중에 존재하는 세균을 감지하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 따라 버블이 터질 때 발생하는 액적을 수집하는 센서유닛을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 따라 버블을 터뜨리는 방식을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 버블의 표면과 이에 포획된 파티클의 표면이 이루는 곡선을 나타낸 도면이다.
도 12는 버블 속 박테리아 이미지를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 버블생성장치가 링 구조의 프레임을 이용하여 미세 입자가 포함된 얇은 물 막을 형성시켜 물 막 속 박테리아 이미지를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템의 구성도이다.

도 2 및 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템(100)은, 버블(bubble)을 생성시키는 버블발생장치와, 상기 생성된 버블에 광을 조사하는 출광유닛(30)과, 상기 버블로부터 산란되는 광을 집광하여 상기 버블의 이미지를 획득하는 이미지센서유닛(40)을 포함하여, 수중 세균의 종류나 농도 등을 실시간으로 분석할 수 있다.

다만, 도 2 및 3에 도시한 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 실시간 수중 파티클 감지시스템이 구현될 수 있음은 물론이다.

한편, 본 명세서에서 사용하는 용어 중 파티클(particle)은 미세입자를 가리키는 것으로서, 생물과 무생물을 구분하는 용어가 아니며 크기가 수백 나노미터에서 수백 마이크로미터에 이르는 작은 입자를 의미하여, 본 명세서에서는 용이한 설명을 위해 대표적인 예로서 세균, 바이러스, 곰팡이, 효모, 적혈구, 백혈구, 세포, 조류, 포자, 미세플라스틱을 포함한 오염물질 등으로 표현할 수 있으나, 본 발명의 범위를 이에 한정하고자 하는 의도는 아니다.

버블발생장치는 얇은 물 막을 생성하기 위한 장치로서, 일 예로, 액체 표면 위에 얇은 물 막을 가진 버블(bubble)을 생성시키거나, 다각형 또는 링형의 프레임을 이용하여 그 프레임 내 얇은 물 막을 생성시키는 장치이다.

본 명세서에서는 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위해 얇은 물 막에 대한 대표적인 예인 버블(bubble)을 기준으로 설명하기로 하나, 본 발명의 범위를 버블에 한정하고자 하는 의도는 아니다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따라 얇은 물 막(liquid film)을 생성하였을 때 파티클이 감지될 당시의 물 막의 두께 정보를 알고 있는 것이 중요하며, 이는 물 막을 인위적으로 터뜨려 터지는 속도로 파악하거나, 또는 물 막을 통과하는 빛의 파장을 분석하여 파악할 수 있다.

버블발생장치는 버블을 생성하기 위해 액체를 수용하고 있는 용기 내에 기체를 주입하여, 액체의 표면 상에 기포를 발생시킬 수 있다. 이에 따라 상기 버블발생장치는 액체를 수용하는 용기(10)와 상기 액체 내 기체를 주입시키기 위한 공기주입유닛(20)을 포함할 수 있다.

물론, 다른 실시예에 따라 상기 버블발생장치는, 도 13에 도시한 바와 같이, 링 형의 프레임을 용기(10) 내에 담군 후 빼는 동작을 통해 프레임 내 얇은 물 막이 생성되도록 할 수도 있다. 다만, 전술한 바와 같이, 본 발명에 대한 용이한 설명을 위해 버블을 기준으로 설명하기로 하나, 본 발명의 범위를 이에 한정하지는 않는다.

한편, 버블발생장치가 기체를 주입하여 액체 표면 상에 기포를 발생시키기 위해 사용하는 용기(10)는 그 형상이나 크기를 특별히 한정하지 않으나, 바람직한 일 실시예에 따라, 도 3 내지 5에 도시한 바와 같이, 관형이되 관형의 양단부가 동일한 방향을 향하도록 절곡된 U자형 또는 J자형의 튜브일 수 있다.

즉, 내부에 액체를 수용한 용기(10)는 일단부측 수면상에 버블을 용이하게 발생시킬 수 있도록 버블이 형성되는 제2 단부(12)와 같은 방향으로 기체가 액체 내 주입될 수 있도록 상기 제2 단부(12)와 같은 방향으로 제1 단부(11)가 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 관 내부의 압력을 이용하여 버블이 발생하는 수면의 높이를 용이하게 조절할 수 있도록 상기 용기(10)는 J자형인 것이 바람직하다.

본 명세서에서 사용하는 용어 중 튜브는 상기 용기의 바람직한 일 실시예로서, 튜브와 용기 두 용어는 혼용하기로 한다.

또한, 상기 용기(10)의 일단부의 관경은 특별히 한정하지 않으나 바람직하게는 형성 가능한 버블의 직경과 상응하도록 가느다랗게 형성되는 것이 바람직하다.

바람직한 일 실시예에 따라 상기 관경은 생성되는 버블 직경의 1.2 ~ 2.5배, 바람직하게는 1.5 ~ 2.5배인 것이 좋다. 본 발명에 따른 실험예에서는 15mm의 관경을 사용하였을 때 수면 위에 생성된 버블 필름의 곡면부는 평균 6.38 mm 크기로 약 2.35배이었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예 따른 튜브를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 용기(10)의 바람직한 일 실시예에 따른 U자형 튜브(13)는 버블이 형성되지 않는 제1 단부(11)와, 버블이 형성되는 제2 단부(12)를 포함할 수 있고, 이때 U자형 튜브(13)는 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 단부(11, 12)가 절곡부를 기준으로 서로 다른 높이를 가지도록 J자형인 것이 바람직하다.

튜브(10)는 내부에 액체를 수용하되, 상기 액체는 버블을 용이하게 형성할 수 있도록 물과 계면활성제가 함유된 용액일 수 있다. 이때 용액에 함유된 계면활성제의 농도를 조절함으로써 버블의 형성 시간(life time)을 제어할 수 있다.

계면활성제의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 일 실시예에 따라 황산도 실나트륨(Sodium dodecyl sulfate, SDS), 도데칸올(Dodecanol) 및 세트리모늄브로마이드(Cetrimonium bromide, CTAB)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 계면활성제의 농도는 임계 미셀 농도(critical micelle concentration, CMC) 또는 그 이상일 수 있다.

또한, 상기 계면활성제와 함께 글리세린(Glycerin)과 같은 첨가제를 추가하여 버블의 형성 시간을 제어할 수 있다. 상기와 같이 튜브 내의 버블의 형성 시간을 제어함으로써 관측이 필요한 미생물 또는 미세 입자에 따른 버블 생존 시간을 확보함으로써 버블의 선명한 스팟 이미지를 획득할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예 따른 공기주입유닛을 나타낸 도면이다.

공기주입유닛(20)은 외기나 가스용기 내 기체를 호스(또는 노즐)을 통해 공급하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 5에 도시한 바와 같이, 가스를 공급하기 위해 공기가 배출되는 호스가 U자형 튜브(13)의 어느 일 단부에 연결된 에어펌프(air pump, 21)를 포함할 수 있다.

에어펌프(21)는 제어유닛(22)에 의해 생성된 제어명령에 의해 구동되어, 호스(25a)를 통해 물 및 계면활성제가 용해된 용액이 충진되어 있는 U자형 튜브(13)로 공기를 공급하여 튜브의 제2 단부(12)에 버블을 발생토록 할 수 있으며, 바람직하게 상기 제어유닛(22)은 버블이 액체의 표면에 형성되는 동안 연속적으로 버블이 발생토록 하되 버블 간 충돌을 방지하기 위해 버블의 형성 시간을 제어할 수 있다.

이때, 상기 호스(또는 노즐)의 직경 및/또는 위치에 따라 제2 단부(12)에 형성되는 버블의 크기를 제어할 수 있다.

시린지(24)는 내부에 수용된 액체를 호스(25b)를 통해 튜브(10)에 주입할 수 있으며, 일 실시예에 따라 상기 튜브(10)가 물을 함유한 액체를 수용하고 있는 경우 상기 시린지(24)는 내부에 증류수를 수용하여, 상기 U자형 튜브(13)에 증류수를 주입할 수 있다.

이때 바람직한 일 실시예에 따라 상기 시린지(24)와 상기 튜브(10) 간에 연결된 호스(25b) 상의 어느 일 지점으로부터 분지된 호스에는 시린지(24)를 통해 상기 U자형 튜브(13)에 공급되는 유체의 압력을 일정하게 유지하기 위해 상기 시린지(24) 내 수용된 동종의 유체를 수용하고 있는 버퍼 탱크(buffer tank, 23)를 포함할 수 있다.

버퍼 탱크(23) 및 시린지(24)와 연결된 호스(25b)는 U자형 튜브(13)에서 버블이 생성되지 않는 제1 단부(11)와 연결되어, 상기 U자형 튜브(13)의 타단부에 버블의 생성 높이가 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 즉 버블이 터지면서 생기는 증발로 인하여 버블 재생성시 재생성된 버블의 높이 변화 없이 일정하게 유지토록 할 수 있다.

또한, 상기 호스(25b) 상 일 지점의 분지점에는, 도 3 및 5에 도시한 바와 같이, 3방 밸브(3-way valves)가 마련되어 튜브(10) 내 유체가 시린지(24) 및/또는 버퍼탱크(23)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

출광유닛(30)은 튜브(10)의 일단부에 형성된 버블을 향하여 광을 조사하기 위한 것으로, 빛을 발하는 광원(31)을 포함할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 출광 유닛을 나타낸 도면이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 출광유닛(30)은 광원(31)과, 광원(31)으로부터 이격 배치된 복수의 렌즈들(32~34)과, 상기 복수의 렌즈들 중 선택된 어느 두 렌즈들(33, 34) 사이에 배치되되, 상기 광원(31)으로부터 발광된 광경로 상에 위치한 핀홀(pin hole)을 가진 핀홀플레이트(35)를 포함할 수 있다.

상기 복수의 렌즈들(32~34)은 3개일 수 있으나, 생성된 버블에 대한 이미지를 선명하게 획득하기 위한 것이면, 그 수를 특별히 한정하지 않으며, 각 렌즈들(32~34)의 종류 역시 특별히 한정하지 않는다.

광원(31)이 발광하는 빛의 파장 범위는 380nm 내지 780nm인 가시광선일 수 있으며, 바람직하게 이미지센서유닛(40)이 고해상도의 이미지를 획득하기 위해 상기 광원(31)이 발광하는 빛의 최적 파장 범위는 450nm 내지 640nm인 것이 좋다.

상기 광원(31)의 전방에는 이격되어 배치된 복수의 렌즈들(32~34)은 하기 기술한 광학계를 만들기 위한 것이면 그 종류를 특별히 한정하지 않는다.

즉, 광원(31)으로부터 출사된 빛이 상기 복수의 렌즈들을 통해 피사체인 버블에 투사되어 카메라에 상을 맺었을 때, 카메라가 버블에 대한 선명한 이미지를 획득하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 및 제2 렌즈(32, 33)는 색수차를 제거할 수 있도록 평면볼록렌즈이되 두 볼록렌즈는 볼록면이 서로 마주보도록 배치될 수 있고, 제3 렌즈(34)는 광원(31)을 향한 입사면이 납작하고 출사면이 오목한 평면오목렌즈일 수 있다.

또, 상기 출광유닛(30)은 선명한 상이 카메라에 맺히도록 초점을 조절하기 위해 제2 및 제3 렌즈(33, 34) 사이에 배치된 핀홀플레이트(35)를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 핀홀플레이트(35)에 관통형성된 핀홀(pin hole)은 적어도 하나의 렌즈를 투과하여 지나가는 광경로상에 위치하도록 배치될 수 있다.

제1 및 제2 렌즈(32, 33)를 투과한 빛은 상기 핀홀(35)을 통과한 후 한 초점으로 모임과 동시에 도립할 수 있으며, 상기 핀홀(35)을 투과한 광은 제3 렌즈(34)의 평면에 입사된 후 오목면으로 출사되어 피사체인 버블에 투사되고, 이미지센서유닛(40)의 앞에 위치한 제4 렌즈(42)를 통해 초점이 모여 이미지센서유닛(40)은 상기 피사체인 버블의 이미지를 획득할 수 있다.

따라서, 상기 제3 렌즈(34)는 튜브(10)의 일단부에 생성된 버블의 높이와 상응하도록 위치하여, 상기 제3 렌즈(34)를 투과한 빛이 버블을 나란한 높이에서 조사될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템(100)은 생성된 버블의 이미지를 획득하기 위한 이미지센서유닛(40)을 포함할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예 따른 이미지센서유닛을 나타낸 도면이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서유닛(40)은 U자형 튜브(13)로부터 이격 배치되어 튜브(10)에 생성된 버블에 대한 이미지를 획득하는 제1 카메라(41)와, 상기 생성된 버블로부터 산란되는 광을 집광하는 제4 렌즈(42)와, 상기 제4 렌즈(42)를 투과하여 피사체인 상기 버블에 대한 이미지를 획득하는 제2 카메라(43)를 포함할 수 있다.

제1 카메라(41)는 특별히 한정하는 것은 아니나, 현미경용 카메라(microscope camera)일 수 있으며, 제어유닛(22)은 상기 제1 카메라(41)를 통해 획득한 버블(14)의 이미지를 이용하여 버블(14)의 생성 및 소멸을 확인하여 인식할 수 있다. 일 실시예에 따라 제어유닛(22)은 버블(14)이 터져 소멸되었음을 인식하면, 또 다른 버블이 생성되도록 에어펌프(21)를 구동제어할 수 있다.

제2 카메라(43) 역시 특별히 한정하는 것은 아니나, 고속 카메라(high speed camera)일 수 있으며, 제2 카메라(43)은 버블의 생성부터 터져 소멸하는 과정까지 촬영이 가능한 카메라이며, 버블 또는 버블 속의 세균 움직임을 획득할 수 있다. 마찬가지로 제어유닛(22)은 상기 제2 카메라(43)를 통해 획득한 버블(14)의 이미지를 이용하여 버블(14)의 생성 및 소멸을 확인하여 인식할 수 있다.

도 3의 미설명 도면부호 36은 박테리아 이미지를 도식화한 것이다.

한편, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템이 수중에 존재하는 세균을 감지하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템(100)은, 광원(31)으로부터 나아가는 광이 버블(14) 속에 있는 세균에 굴절되어 광경로가 전환될 수 있다.

세균에 의해 굴절되지 않은 빛은 제1 내지 제4 렌즈(32~34, 42)를 통해 하나의 초점에 모여 제2 카메라(43)는 정상적인 버블의 이미지를 획득하게 되지만, 세균에 의해 굴절된 빛은 하나의 초점에 모이지 못하게 되어 제2 카메라(43)가 획득한 이미지 상에는 검은 무늬가 발생하게 되어, 실시간으로 버블에 대한 이미지를 이용하여 수중에 존재하는 세균을 감지할 수 있다.

즉, 제어유닛(60)은 상기 이미지센서유닛(40)에서 획득한 이미지를 이용하여 세균의 유무나 세균의 농도를 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제어유닛(60)은 수중 세균의 농도에 따른 버블 의 균수 데이터를 저장할 수 있고, 이미지센서유닛(40)에 의해 획득된 이미지에서 추출된 검은점(black spot) 및/또는 흰점(white spot)의 개수를 측정하여 버블에 존재하는 세균의 농도를 산출할 수 있다.

즉 스팟(spot)은 버블에 의해 포획된 수중 세균에 의해 빛이 굴절되어 나타나는 것으로, 스팟(spot)의 개수를 근거로 세균의 농도를 산출할 수 있으며, 이때 바람직하게 제어유닛(60)은 버블이 생성된 시간 정보를 이용하여 세균의 농도를 산출하는 것이 좋다.

여기서, 시간 정보는 버블의 막 두께를 예측할 수 있는 정보(왜냐하면, 버블의 막 두께는 버블의 생존시간에 따르기 때문이다)로서, 이를 이용하여 제어유닛(60)은 스팟의 실제 크기를 예측할 수 있다. 이렇게 측정된 스팟의 실제 크기 정보와 개수 정보를 이용하여 버블 위에 존재하는 파티클의 농도를 계산할 수 있다.

스팟(spot)의 크기는 포획된 세균(141)에 의해 버블의 표면(142)에 형성되는 곡선에 의해 좌우될 수 있다(도 11 참조). 버블 막에 포획될 수 있는 입자의 크기는 특정 범위 내의 막 두께(h) 및 접촉각(θ)에 따르기 때문에(도 11 참조), 제어유닛(60)은 이미지센서유닛(40)을 이용하여 상기 버블의 표면에 포획된 세균(141)에 의해 형성되는 곡선의 변화를 추적하고 버블의 막 두께(h)가 0.5㎛ ~ 100㎛이었을 때 스팟(spot)의 개수를 측정하여 세균의 농도를 산출하는 것이 좋다. 왜냐하면, 세균을 포획한 버블은 표면에 곡선이 형성되고 버블의 막 두께(h)는 버블이 생성된 이후 점차 얇아지기 때문에, 소정시간(또는 버블의 특정 수명시간 대) 경과 후 그 두께(h)가 파티클을 포획할 수 있는 최적의 두께가 되었을 때 스팟(spot)의 최대 개수를 관찰할 수 있기 때문이다. 버블의 막 두께(h)가 0.5㎛에서 100㎛의 두께를 가질 때, 이 특정 두께의 막에서 관찰되는 최적의 입자 평균 크기는 막 두께의 5배이다.

또한, 제어유닛(60)은 수중 파티클의 종류별 고유 표면 에너지 값을 포함한 스팟(spot) 데이터를 저장할 수 있다. 이미지센서유닛(40)에 의해 획득된 상기 버블의 이미지에서 추출된 검은점(black spot) 및/또는 흰점(white spot) 각각의 주변에는 광 패턴이 형성될 수 있으며, 상기 광 패턴의 크기, 두께 및 주기(일 예로 intensity의 주기)를 스팟 데이터에 적용함으로써 수중 파티클의 종류를 산출할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 버블의 표면(142)에는 포획된 파티클(또는 세균(141))에 의해 곡선이 형성될 수 있으며, 이때 형성되는 상기 곡선은 포획된 파티클의 크기, 접촉각, 버블 막의 두께로 결정될 수 있다. 이 중 접촉각(θ)은 고유 표면 에너지 값에 따른 것으로, 수중 파티클(또는 세균)의 종류에 따라 상이하기 때문에, 상기 제어유닛(60)은 상기 곡선에 대한 정보 또는 스팟 주변에 형성된 광 패턴에 대한 정보(상기 광 패턴은 상기 접촉각에 따라 달라짐)를 이용하여 파티클(또는 세균)의 종류를 산출할 수 있다.

일 예로, 제어유닛(60)은 버블 이미지를 이용하여, 도 12에 도시한 바와 같이, 도 12(a)는 Bacillus, 도 12(b) 및 (c)는 E.coli, 그리고 도 12(d)는 Pseudomonas의 박테리아를 구분 판단할 수 있다.

또한, 제어유닛(60)은 버블을 모니터링하는 센서유닛(50) 및/또는 이미지센서유닛(40)을 이용하여 버블(14)의 생존 시간을 측정하고, 사용자가 설정한 시간을 메모리에 저장하여 버블(14)의 생존 시간과 일치될 때 이들이 연결된 버블파열제어장치(52)를 작동시켜 버블(14)을 터뜨리거나, 사용자의 입력에 따라 상기 버블파열제어장치(52)를 작동시켜 신속하게 버블(14)을 터뜨려 액적을 발생시킬 수 있다.

상기와 같이 버블(14)을 터뜨려 액적을 발생시킨 후에 제어유닛(60)은, 액정수집장치(53)에서 수집된 액적의 디지털 이미지, 형광 이미지, 전자기적 신호 등을 획득하여 액적의 크기, 수, 내용물을 분석할 수 있고, 그 분석결과를 상기 버블에 대한 이미지 분석결과와 비교함으로써, 상기 버블에 대한 이미지 분석결과를 검증할 수 있다.

액적수집장치(53, 54)는 버블이 파열됨으로써 비산하는 액적을 포집하기 위한 것으로, 상기 포집된 액적을 분석하기 위해 액적을 안착시키기 위한 샘플링 기구 또는 샘플링 플레이트를 포함할 수 있다.

다만, 분석 이후 새로운 액적을 수집하기 위해 액적수집장치(53, 54)에 포함된 샘플링 기구나 샘플링 플레이트는 교체나 세척 등을 위해 수동 또는 자동으로 탈착 및 장착이 가능한 것이 바람직하다.

도 9는 본 발명의 일 실시예 따라 버블이 파열될 때 발생하는 액적을 포집하는 액적수집장치를 포함한 센서유닛을 구체적으로 나타낸 도면이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서유닛(50)은 버블을 파열시키는 버블파열장치(51)와, 버블이 터질 때 발생하는 액적을 수집하는 액적수집장치(53)와, 액적수집장치(53)로부터 액적의 이미지 또는 전자기신호를 획득하는 액적센서(54, 55)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 버블(14)을 터뜨리는 버블파열장치(51)에 의해 파열된 버블로부터 발생하는 액적은 액적수집장치(53)에 포집(또는 수집)될 수 있다. 액적수집장치(53)는 샘플링 기구 또는 샘플링 플레이트를 포함할 수 있고, 상기 샘플링 기구는, 일 예로, 유리를 포함한 전도성 또는 비전도성 기판이 될 수 있다.

제어유닛(60)은 액적수집장치(53)에 수집된 액적에 대한 이미지를 근거로 세균의 유무 또는 농도를 산출할 수 있다. 즉, 액적수집장치(53)에 포집된 액적에는 버블에 포획된 세균(또는 오염물질)을 포함하고 있기 때문에, 제어유닛(60)은 상기 액적수집장치(53)에 포집된 액적에 대한 이미지를 이용하여 세균(또는 오염물질)의 유무를 산출하거나, 그 개수를 이용하여 농도를 산출할 수 있다.

액적이미지센서(54)에 의해 획득된 이미지는 일반 디지털 카메라 이미지이거나 형광 이미지, 또는 현미경과 같은 고배율 이미지일 수 있다.

또한, 제어유닛(60)은 액적전자기장신호센서(55)를 이용하여 액적수집장치(53)에 의해 포집된 액적에 인가된 전자기신호를 획득할 수 있고, 상기 전자기신호를 이용하여 세균의 유무나 농도를 산출할 수 있다.

구체적으로 테라헤르츠파(terahertz wave)를 액적에 통과시켜 액적전자기장신호센서(55)에 의해 획득한 결과 신호를 이용하여, 제어유닛(60)은 세균의 종에 따른 전자파 물질상수를 기반으로 세균의 유무나 농도를 산출할 수 있다. 테라헤르츠파는 다양한 물질을 잘 투과하면서도 X-레이와 달리 인체 및 식품에 무해하기 때문에, 상기 전자기신호는 테라헤르츠파인 것이 좋다.

제어유닛(60)은 액적수집장치(53)에 포집된 액적에 대한 이미지나 전자기적신호를 이용하여 액적의 크기, 액적의 수, 액적 속에 포함된 미생물 또는 오염물질을 측정함으로써, 버블에 존재하는 세균의 농도와 종류를 분석할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 발광하는 상기 출광유닛(30)은 전자기신호(일 예로 테라헤르츠파 등)를 발생하여 상기 버블을 향해 조사하는 송신기(미도시)를 포함할 수 있고, 이에 상응하여 센서유닛(50), 구체적으로 액적전자기장신호센서(55)는 상기 버블을 투과한 상기 전자기신호를 획득함으로써, 상기 제어유닛(60)은 직접 버블에 포함된 파티클의 유무, 개수나 농도 또는 파티클의 종류 등을 판별할 수도 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 버블을 터뜨리는 방식을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 10에 도시한 바와 같이, 센서유닛(50)은 버블을 터뜨리는 버블파열장치(51)를 포함할 수 있고, 버블파열장치(51)는 버블파열제어장치(52)의 제어명령에 의해 구동제어가능하여, 제어유닛(60)의 제어명령에 의해 상기 버블파열제어장치(52)는 상기 버블파열장치(51)를 구동제어하여 버블을 파열시킬 수 있다.

이때, 제어유닛(60) 및/또는 센서유닛(50)은 버블의 생성시간과 파열에 의한 소멸시간 사이의 간격, 즉 생존 시간(life time)을 상기 제1 카메라(41)에 의해 획득한 이미지를 이용하여 산정할 수 있고, 생존 시간이 기 설정된 버블의 생존 시간에 도달하면 가는 니들(needle)을 움직이는 버블파열장치(51)에 제어명령을 전달하여 니들을 버블에 접촉시켜 버블을 터뜨려 소멸시킬 수 있다.

즉 제어유닛(60)은 버블의 생존시간에 따라 버블을 강제적으로 파열시켜 버블의 파열 속도, 즉 홀(hole)이 커지는 속도를 측정함으로써, 버블 막의 두께는 버블의 파열 속도 제곱에 반비례하기 때문에, 버블의 파열 속도를 이용하여 버블 막의 두께를 산출할 수 있다. 이때 제어유닛(60)은 산출된 버블 막의 두께를 이용하여, 전술한 바와 같이, 버블에 포획된 파티클의 크기를 산출할 수 있다.

한편, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 버블생성장치가 링 구조의 프레임을 이용하여 미세 입자가 포함된 얇은 물 막을 형성시켜 물 막 속 박테리아 이미지를 나타낸 도면이다.

도 13에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 수중 파티클 감지시스템은, 버블 대신 얇은 물 막을 형성시켜 동일하게 물 속에 포함된 미세 입자를 이미지화할 수 있음을 알 수 있다.

도 13(a)는 버블 대신 물 막을 링 형의 프레임을 이용하여 생성시키는 방법을 도식화한 것이고, 도 13(b)는 미세 입자가 포함된 액체 막을 촬영한 이미지이다. 도 13(b)에서 도시한 바와 같이, 입자크기 2.0 ㎛의 파티클을 사용하였을 때, 사각형으로 표시한 부분 안에 검은 스팟이 관찰됨을 알 수 있다. 입자크기와 농도를 달리하여 촬영한 스팟 이미지를 도 13(c)에 도시하였다. 그 결과 입자의 크기와 농도에 따라 상이한 스팟의 크기와 개수가 나타남을 알 수 있었다.

10: 튜브, 용기 20: 공기주입유닛
30: 출광유닛 40: 이미지센서유닛
50: 센서유닛 60: 제어유닛
11: 제1 단부 12: 제2 단부
13: U자형 튜브 14: 버블
21: 에어펌프 22: 제어유닛
23: 버퍼탱크 24: 시린지
25a, 25b: 호스 31: 광원
32~34: 제1 ~ 제3 렌즈 41: 제1 카메라
42: 제4 렌즈 43: 제2 카메라
51: 버블파열장치 52: 버블파열제어장치
53: 액적수집장치 54, 55: 액적센서
60: 제어유닛 100: 실시간 수중 파티클 감지시스템

Claims (19)

1. 액체 표면 위에 물 막을 가진 버블을 생성시키거나, 액체를 이용하여 프레임 내 물 막을 가진 버블(bubble)을 생성시키는 버블발생장치;
   상기 생성된 버블에 광을 조사하는 출광유닛; 및
   상기 버블로부터 산란되는 광을 집광하여 상기 버블의 이미지를 획득하는 이미지센서유닛;
   을 포함하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 버블을 파열시키는 버블파열장치와, 상기 버블이 터질 때 발생하는 액적을 포집하는 액적수집장치와, 상기 액적수집장치에 의해 수집된 상기 액적의 이미지 또는 전자기신호를 획득하는 액적센서를 포함하는 센서유닛;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 버블발생장치는,
   일단부에 상기 버블이 생성되는 튜브(tube)와, 상기 튜브에 공기를 공급하여 상기 튜브의 일단부에 상기 버블이 생성되도록 하는 공기주입유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 튜브의 내부에는, 물 및 계면활성제를 함유하는 용액이 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 이미지센서유닛으로부터 획득된 상기 버블의 이미지를 이용하여 상기 액체 내 파티클의 유무 및 농도 중 적어도 어느 하나를 검출하는 제어유닛;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 센서유닛은,
   미리 설정된 시간이나 사용자의 입력에 따라 상기 버블파열장치를 작동시켜, 상기 생성된 버블을 파열시키도록 하는 버블파열제어장치;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 액적수집장치는, 상기 포집된 액적이 안착하는 샘플링 기구 또는 샘플링 플레이트를 포함하되, 상기 샘플링 기구 또는 샘플링 플레이트는 탈장착 가능한 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
9. 제 3 항에 있어서,
   상기 액적센서는,
   상기 액적수집장치로부터 포집된 액적의 디지털 이미지 또는 형광 이미지를 획득하는 액적이미지센서; 및
   상기 액적에 인가된 전자기신호를 획득하는 액적전자기신호센서;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
10. 제 4 항에 있어서,
    U자형의 상기 튜브는, 상기 버블이 형성되지 않는 제1 단부와, 상기 버블이 형성되는 제2 단부를 갖되,
    상기 제1 및 제2 단부의 높이는 상이한 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 출광유닛은,
    광원;
    상기 광원으로부터 이격 배치된 복수의 렌즈들; 및
    상기 복수의 렌즈들 중 선택된 어느 두 렌즈들 사이에 배치되되, 상기 광원의 광경로 상에 위치한 핀홀(pin hole)을 가진 핀홀플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광원은 가시광선인 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈들은, 상기 광원으로부터 순차대로 이격 배치된 제1 내지 제4 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 렌즈는, 평면볼록렌즈이되 볼록면이 서로 마주보도록 배치되며,
    상기 핀홀플레이트는, 상기 제2 및 제3 렌즈 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈는,
    상기 버블이 상기 액체 표면 위에 형성된 경우, 상기 버블의 높이와 나란하게 광을 조사하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지센서유닛은,
    상기 버블의 이미지를 촬영하는 제1 카메라;
    상기 생성된 버블로부터 산란되는 광을 집광하는 제4 렌즈; 및
    상기 제4 렌즈를 투과한 이미지를 획득하는 제2 카메라;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
16. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 이미지센서유닛에 의해 획득된 상기 버블의 이미지에서 추출된 검은점(black spot) 및/또는 흰점(white spot)의 개수를 측정하여 상기 버블에 존재하는 상기 파티클의 농도를 산출하되, 상기 버블이 생성된 시간 정보를 사용하여 파티클의 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
17. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 파티클의 종류별 고유 표면 에너지 값을 포함한 스팟(Spot) 데이터를 저장하되,
    상기 이미지센서유닛에 의해 획득된 상기 버블의 이미지에서 추출된 검은점(black spot) 및/또는 흰점(white spot) 각각의 주변에 형성된 광 패턴의 크기, 두께, 및 주기를 상기 스팟 데이터에 적용하여 상기 파티클의 종류 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
18. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 이미지센서유닛에 의해 획득된 상기 버블의 이미지를 이용하여 상기 버블의 생존 시간을 측정하고,
    사용자가 설정한 시간을 메모리에 저장하여 상기 버블의 생존 시간과 일치될 때 상기 버블을 파열시키는 버블파열장치를 작동시켜 상기 버블을 터뜨리거나, 사용자의 입력에 따라 상기 버블파열장치를 작동시켜 상기 버블을 터뜨려, 상기 버블의 파열 속도를 근거로 상기 물 막의 두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.
19. 액체 표면 위에 물 막을 가진 버블을 생성시키거나, 액체를 이용하여 프레임 내 물 막을 가진 버블(bubble)을 생성시키는 버블발생장치;
    상기 생성된 버블에 전자기신호를 조사하는 송신기;
    상기 버블을 투과한 상기 전자기신호를 획득하는 수신기; 및
    상기 수신기를 투과한 전자기신호를 이용하여, 상기 액체 내 파티클의 유무 및 농도 중 적어도 어느 하나를 검출하는 제어유닛;
    을 포함하는 실시간 수중 파티클 감지시스템.

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