KR102538102B1 - 광학 기반의 비 접촉식 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 본 발명은 광학 기반의 비 접촉식 센서에 관한 것으로 더욱 상세하게는 광을 조사하는 광원부와, 상기 광원부로부터 조사되는 광이 도파되는 광섬유부와, 상기 광섬유부에 설치되어 상기 광섬유부에서 도파되는 광을 반사하는 반사코팅부와, 상기 광섬유부에 코팅되는 것으로서, 사용자의 신체가 인접되게 위치되어 상기 광섬유부의 전하의 변화를 유도하는 나노코팅부와, 상기 나노코팅부에서 유도된 전하변화에 의해 상기 광섬유부의 소정영역의 굴절률이 변화한 상태에서 상기 반사코팅부에 의해 반사되는 광을 수광하는 수광부를 포함하며, 나노코팅부에 사용자의 신체가 인접되게 위치되어 상기 광섬유부의 전하의 변화를 유도하고, 상기 나노코팅부에서 유도된 전하변화에 의해 상기 광섬유부의 소정영역의 굴절률이 변화한 상태에서 수광부가 상기 반사코팅부에 의해 반사되는 광을 수광하여 이를 측정하고, 전기적 신호를 처리하므로 사용자가 신체일부가 버튼을 가압하지 않는 비접촉식 터치센서를 구현할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 광학 기반의 비 접촉식 센서에 관한 것으로 더욱 상세하게는 광섬유부의 전하의 변화를 유도한 후, 상기 광섬유부를 도파하는 광을 수광하는 광학 기반의 비 접촉식 센서에 관한 것이다.
종래의 기계적 방식의 터치센서는 사용자가 버튼을 직접터치하는 방식으로 이를 터치센서가 터치된 버튼을 감지하고, 감지된 정보를 토대로 신호를 처리하여 사용하는 기술로서 여러분야에 이용되어 왔다.
이러한 기계적 방식의 터치센서는 푸쉬버튼 방식으로 이루어져 있으며 버튼을 직접 눌러 가압하게 되면, 내부에 구비된 접촉센서가 스위치되고, 스위칭된 접속센서의 정보가 제어부에 전달되어 제어되게 된다.
그러나, 기계적 방식의 터치센서는 버튼에 여러 사람들의 물리적인 접촉에 의해 비위생적인 방식으로 불결하며, 세균이나 바이러스 전파등의 문제로 인해 많은 문제점이 있었으며, 현재는 전세계적인 바이러스 유행병으로 인해 사람들이 손가락을 통해 버튼을 터치하는 방식을 기피하고 있다.
따라서 이를 해결하기 위한 것으로서, 광학적 기반의 비접촉식 센서가 주목받고 있다.
광학적 기반의 센서는 일반적으로 광섬유를 이용한 센서의 구조로서, 빠른 응답 특성, 높은 신뢰성, 소형화, 그리고 주변의 자기장 및 전기장 등의 영향을 받지 않아 정확한 진단 및 측정이 가능한 장점으로 온도, 압력, 화학, 변위, 전류 등을 감지하는 기술에 활용되고 있다.
광섬유 센서는 다른 센서들에 비해 전자소자 대신에 빛을 이용해 측정한다는 사실과, 이 측정신호의 전달 역시 빛으로 하고 있는데서 기인하여 많은 장점을 가진다. 우선 전기가 통하는 전도체가 포함되어 있지 않으므로 주변의 여러 장치에서 발생할 수 있는 전자파장애에 의한 잡음이 없고, 전기적인 접지, 누전, 감전 등의 염려가 없다. 또한 크기가 작고 가벼우며, 거의 모든 종류의 물리량 측정에 이용할 수 있다. 특히 파장이 매우 짧은 빛을 기준으로 측정하게 되어 매우 높은 감도를 보장하고 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 바이러스 유행병 시대에 종래기술의 버튼터치방식이 아닌 광섬유 기술과 결합하여 광학적 기반의 비접촉식 센서의 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광섬유부의 전하의 변화를 유도한 후, 상기 광섬유부를 도파하는 광을 수광하는 광학 기반의 비 접촉식 센서를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하고 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서는 광을 조사하는 광원부와, 상기 광원부로부터 조사되는 광이 도파되는 광섬유부와, 상기 광섬유부에 설치되어 상기 광섬유부에서 도파되는 광을 반사하는 반사코팅부와, 상기 광섬유부에 코팅되는 것으로서, 사용자의 신체가 인접되게 위치되어 상기 광섬유부의 전하의 변화를 유도하는 나노코팅부와, 상기 나노코팅부에서 유도된 전하변화에 의해 상기 광섬유부의 소정영역의 굴절률이 변화한 상태에서 상기 반사코팅부에 의해 반사되는 광을 수광하는 수광부를 포함한다.
상기 나노코팅부는 사용자의 신체가 인접되게 위치할 때, 사용자의 신체의 인접된 영역의 습도에 의해 상기 광섬유부의 전하의 변화를 유도한다.
상기 나노코팅부는 상기 광섬유부에 다수개 코팅될 수 있으며, 상기 나노코팅부에 인접되게 다수개 설치되며, 상기 광섬유부에서 도파되는 광의 파장을 반사시키는 섬유브래그격자부를 더 포함한다.
상기 광섬유부는 상기 광원부에서 조사되는 광이 도파되는 것으로서, 좌우방향으로 소정길이 연장된 코어부와, 상기 코어부에서 도파되는 광이 외부로 유출되는 것을 방지하는 것으로서, 상기 코어부를 감싸도록 형성된 글래드부를 포함한다.
상기 나노코팅부는 재질이 MoS2, WS2, MoSe2, MoxW1-xS2, graphene, GaN, ZnO, SiC 및 GaAs중 선택된 어느하나이다.
상기 나노코팅부가 외부에 노출되게 상기 광섬유부 감싸도록 형성된 재킷부를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서는 나노코팅부에 사용자의 신체가 인접되게 위치되어 상기 광섬유부의 전하의 변화를 유도하고, 상기 나노코팅부에서 유도된 전하변화에 의해 상기 광섬유부의 소정영역의 굴절률이 변화한 상태에서 수광부가 상기 반사코팅부에 의해 반사되는 광을 수광하여 이를 측정하고, 전기적 신호를 처리하므로 사용자가 버튼을 누르지 않는 비접촉식 터치센서를 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서를 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서의 재킷부를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서에서 습도변화에 따른 광 손실률을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 섬유브래그격자부를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서의 재킷부를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서에서 습도변화에 따른 광 손실률을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 섬유브래그격자부를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 "광학 기반의 비 접촉식 센서"에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서는 광원부(100), 광섬유부(200), 반사코팅부(300), 나노코팅부(400), 수광부(500)를 포함한다.
상기 광원부(100)는 상기 광섬유부(200)에 인접되게 설치되어 광을 광섬유부(200)로 조사한다. 상기 광원부(100)에서 조사되는 광은 자외선이나 적외선이 적용되는 것이 바람직하다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니면 감마선, 엑스선, 마이크로파등 여러 파장의 광이 적용될 수 있다.
상기 광섬유부(200)는 상기 광원부(100)로부터 조사되는 광이 도파되며, 광이 외부로 유출되는 것을 방지하는 것으로서, 코어부(210)와 글래드부(220)를 포함한다.
상기 코어부(210)는 상기 광원부(100)에서 조사되는 광이 도파되는 것으로서 좌우방향으로 소정길이 연장된다. 상기 코어부(210)는 유리 또는 고분자의 합성수지로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 코어부(210)는 직경이 50 ~ 65㎛가 적용되는 것이 바람직하다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며 경우에 따라 사용자가 원하는 직경으로 제조될 수 있다.
상기 글래드부(220)는 상기 코어부(210)의 도파되는 광이 외부로 유출되는 것을 방지하고, 상기 광을 상기 코어부(210)에 가두는 도파관(WAVE GUIDE)을 형성한다. 상기 글래드부는 상기 코어부(210)를 통과하는 동안 내부의 표면을 부딪히는 광을 전반사시켜 광이 코어부(210)에서 도파되게 상기 코어부(210)를 감싸도록 형성된다.
상기 글래드부(220)는 유리 또는 고분자로 합성수지로 이루어지고 상기 코어부(210)를 도파하는 광의 전반사를 유도하도록 굴절률이 상기 코어부(210)보다 작은 것은 바람직하다. 상기 굴절률은 광이 입사될 때 빛의 속도가 줄어든 비율을 말하는 것으로서, 일반적으로 굴절률에 의해 광의 속도나 성질을 파악할 수 있다.
상기 글래드부(220)는 상기 코어부(210)를 도파하는 광의 일부가 글래드층으로 노출되며, 상기 나노코팅부(400)에 설치될 수 있도록 소정깊이 식각된 식각공간이 마련된다.
상기 클래드부는 직경이 125 ㎛가 되는 것이 바람직하다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며 경우에 따라 사용자가 원하는 직경으로 제조될 수 있다.
상기 반사코팅부(300)는 상기 광원부(100)에서 조사되는 광이 상기 광섬유부(200)를 통과하는 방향에 대해 반대방향의 상기 광섬유부(200)의 단부에 설치되어 상기 광섬유부(200)에서 도파되는 광을 반사한다. 상기 반사코팅부(300)는 상기 광원부(100)에서 조사되는 광이 상기 광섬유부(200)를 통과하는 방향에 대해 반대방향으로 상기 코어부(210)를 도파하는 광을 전반사시킨다.
상기 나노코팅부(400)는 상기 광섬유부(200)에 코팅되는 것으로서, 사용자의 신체가 인접되게 위치되어 상기 광섬유부(200)의 전하의 변화를 유도한다. 상기 나노코팅부(400)는 상기 광섬유부(200)에 다수개가 코팅될 수도 있다.
상기 나노코팅부(400)는 사용자의 신체가 인접되게 위치할 때, 사용자의 신체의 인접된 영역의 온도 및 습도에 의해 상기 클래드부의 소정영역의 표면상태에 영향을 미치게 되어 상기 클래드부가 소정영역이 음전화된다.
이때, 상기 클래드부의 전하변화에 의해 상기 코어부(210)의 소정영역 굴절률 허수부가 변하게 되므로 상기 코어부(210)로 흡수되는 광의 흡수율이 변화게 된다. 최종적으로는 상기 수광부(500)로 수광되는 수광율이 변화하게 된다.
상기 나노코팅부(400)는 재질이 MoS2, WS2, MoSe2, MoxW1-xS2, graphene, GaN, ZnO, SiC 및 GaAs중 선택된 어느 하나이다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며 다른 종류의 재질이 사용될 수 있다. 또한 상기 나노코팅부(400)는 상술한 바와 같이 서로 다른 종류의 재질이 적층되어 형성될 수도 있다.
상기 나노코팅부(400)는 나노구조의 형상이 필름형태, 로드형태로 형성될 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며, 여러 형태의 나노구조로 형성될 수 있다.
상기 수광부(500)는 상기 나노코팅부(400)에서 유도된 전하변화에 의해 상기 광섬유부(200)의 소정영역의 굴절률이 변화한 상태에서 상기 반사코팅부(300)에 의해 반사되는 광을 수광하여 전기적 신호를 처리하는 것으로서, 수광부(500)재와 신호처리부재를 포함한다.
상기 수광부(500)재는 상기 나노코팅부(400)에서 유도된 전하변화에 의해 상기 광섬유부(200)의 소정영역의 굴절률이 변화한 상태에서 상기 반사코팅부(300)에 의해 반사되는 광을 수광한다.
상기 신호처리부재는 상기 수광부(500)재에서 수광된 광을 토대로 광학적 전기신호를 처리한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서는 상기 나노코팅부(400)가 외부에 노출되게 상기 광섬유부(200)를 감싸도록 형성된 재킷부(600)를 더 포함한다.
상기 재킷부(600)는 클래드부의 물지적 손상을 방지하는 것으로서, 고분자 플라스틱재질로 이루어진다. 상기 고분자는 아크릴 수지(Acrylate) 또는 폴리아미드(Polyamide)가 적용된다.
상기 재킷부(600)는 직경이 250 ㎛이하로 제조되는 것이 바람직하다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며 경우에 따라 사용자가 원하는 직경으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 기반의 비 접촉식 센서의 작동은 다음과 같다.
먼저, 상기 광섬유부(200)에 인접되게 설치된 광원부(100)가 광 섬유부로 광을 조사한다. 조사된 광은 상기 광섬유부(200)의 코어부(210)를 도파하게 된다. 이때, 사용자의 신체가 상기 나노코팅부(400)에 인접되게 위치하면, 상기 나노코팅부(400)의 표면이 음전화되어 클래드부의 소정영역의 표면이 음전화되도록 영향을 미치게 된다.
이어서, 상기 클래드부의 표면이 음전화 되면 상기 코어부(210)의 소정영역 굴절률 허수부가 변하여 광 흡수율이 변화게 된다.
한편, 반사코팅부(300)는 상기 코어부(210)를 도파하는 광을 상기 반사코팅부(300)에 의해 반사되게 되며, 반사된 광은 수광부(500)의 수광부(500)재에 의해 수광된다. 최종적으로 상기 신호처리부가 상기 수광부(500)재에서 수광된 광을 토대로 광학적 전기적 신호를 처리하게 된다.
따라서, 종래의 기계적 방식의 터치센서를 통해 사용자가 신체 일부로 버튼을 가압하거나 터치하는 물리적인 방식과 달리 사용자이 신체 일부가 상기 나노코팅부(400)(버튼)와 소정간격 이격된 상태로 작동하는 비 접촉식으로 세균이나 바이러스 감염으로 인한 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 본 발명은 광학 기반의 비 접촉식 센서의 또 다른 일 실시예가 도시되어 있다.
앞서 도시된 도면에서와 동일한 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
상기 광학 기반의 비 접촉식 센서는 섬유브래그격자부(700)를 더 포함한다.
상기 섬유브래그격자부(700)는 상기 나노코팅부(400)에 인접되게 다수개 설치되며, 상기 광섬유부(200)에서 도파되는 각각의 특정한 파장의 광을 반사시킨다.
따라서, 상기 섬유브래그격자부(700)는 각각의 특정한 파장의 광을 반사시키기 때문에 상기 나노코팅부(400)에 사용자의 신체가 인접되게 위치되어 상기 광섬유부(200)를 통과하는 광이 특정한 파장으로 변화할 때, 상기 특정한 파장의 광을 반사시킬 수 있다.
또한, 상기 섬유브래그격자부(700)가 다수개 설치되므로 다수개의 특정한 파장의 광을 선택적으로 반사시키게 되며, 반사된 광은 수광부(500)의 수광부(500)재가 수광하고, 이어서 신호처리부재가 다수개의 파장의 광에 대한 광학적 전기적 신호를 처리하게 된다. 때문에, 광학 기반의 다중 비접촉식 터치센서로서 상기 나노코팅부(400)(버튼)가 설치된 다수의 위치에서 사용자의 인체 일부가 인접되게 위치하면 상기 섬유브래그격자부(700)에 의해 다수의 광학적 전기적 신호를 전달받은 후, 상기 전기적 신호를 처리할 수 있는 장점이 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
100: 광원부
200: 광섬유부
210: 코어부
220: 글래드부
300: 반사코팅부
400: 나노코팅부
500: 수광부
600: 재킷부
700: 섬유브래그격자부
200: 광섬유부
210: 코어부
220: 글래드부
300: 반사코팅부
400: 나노코팅부
500: 수광부
600: 재킷부
700: 섬유브래그격자부
Claims (6)
- 광을 조사하는 광원부와;
상기 광원부로부터 조사되는 광이 도파되는 광섬유부와;
상기 광섬유부에 설치되어 상기 광섬유부에서 도파되는 광을 반사하는 반사코팅부와;
상기 광섬유부에 코팅되는 것으로서, 사용자의 신체가 인접되게 위치되어 상기 광섬유부의 전하의 변화를 유도하는 나노코팅부와;
상기 나노코팅부에서 유도된 전하변화에 의해 상기 광섬유부의 소정영역의 굴절률이 변화한 상태에서 상기 반사코팅부에 의해 반사되는 광을 수광하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는
광학 기반의 비접촉식 터치센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 나노코팅부는 사용자의 신체가 인접되게 위치할 때, 사용자의 신체의 인접된 영역의 온도 및 습도에 의해 상기 광섬유부의 전하의 변화를 유도하는 것을 특징으로 하는
광학 기반의 비접촉식 터치센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 나노코팅부는 상기 광섬유부에 다수개 코팅될 수 있으며,
상기 나노코팅부에 인접되게 다수개 설치되며, 상기 광섬유부에서 도파되는 광의 파장을 반사시키는 섬유브래그격자부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
광학 기반의 비접촉식 터치센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 광섬유부는
상기 광원부에서 조사되는 광이 도파되는 것으로서, 좌우방향으로 소정길이 연장된 코어부와;
상기 코어부에서 도파되는 광이 외부로 유출되는 것을 방지하는 것으로서, 상기 코어부를 감싸도록 형성된 글래드부를 포함하는 것을 특징으로 하는
광학 기반의 비접촉식 터치센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 나노코팅부는 재질이 MoS2, WS2, MoSe2, MoxW1-xS2, graphene, GaN, ZnO, SiC 및 GaAs중 선택된 어느하나인 것을 특징으로 하는
광학 기반의 비접촉식 터치센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 나노코팅부가 외부에 노출되게 상기 광섬유부를 감싸도록 형성된 재킷부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
광학 기반의 비접촉식 터치센서.
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|---|---|---|---|
| KR1020210013015A KR102538102B1 (ko) | 2021-01-29 | 2021-01-29 | 광학 기반의 비 접촉식 센서 |
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| KR102538102B1 true KR102538102B1 (ko) | 2023-05-26 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020210013015A KR102538102B1 (ko) | 2021-01-29 | 2021-01-29 | 광학 기반의 비 접촉식 센서 |
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2021
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