KR102590856B1 - 유해인자 감지용 센서 디바이스 및 그 제작 방법, 이를 이용한 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유해인자 감지용 센서 디바이스 및 그 제작 방법, 이를 이용한 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 주변 환경으로부터 하나 이상의 에너지원에 기초하여 전원을 생산하는 전원 발생부; 상기 전원 발생부에서 생산된 전원을 충전하고, 상기 충전된 전원을 방전을 통해 독립 전원으로 제공하는 전력 변환부; 상기 전력 변환부로부터 독립 전원을 제공받아 감지 물질과 기 설정된 표적 물질의 반응을 전기적 신호로 변환하여 센서 정보를 제공하는 센서부; 및 상기 센서부의 센서 정보를 외부로 전송하고, 외부로부터 상기 센서부에 대한 제어 정보를 수신하는 송수신부를 포함하는 센서 디바이스일 수 있다.
Description
본 발명은 상시 운영이 가능한 센서 디바이스를 통해 유해인자를 감지하고, 인공 지능을 활용하여 환경 변화를 자가진단할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근 생활 환경개선과 의학 기술의 눈부신 발달로 인하여 인간의 평균 수명이 지속적으로 연장되고, 이에 따라 나타나게 되는 고령화 사회의 진입으로 인간의 삶의 질 향상을 위한 문제가 사회적으로 크게 대두되게 되었다. 또한 건강에 대한 관심과 요구가 증가하면서 주기적으로 건강관리 및 검진을 받는 수요자 또한 빠르게 증가하고 있으며, 산업화에 따라 발생된 여러 질병들을 조기 진단을 통하여 미리 예방할 수 있고, 빠르고 신속하게 검진 받을 수 있는 바이오센서의 개발에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
바이오센서는 특정한 생물학적 물질의 존재 유무 및 그 양을 측정할 수 있도록 제조한 도구 및 장치로서, 생물학적 요소를 이용하여 분석 대상 물질과의 반응에서 나타나는 전기화학, 열에너지, 형광 및 색의 변화 등을 인식 가능한 신호로 변환시켜주는 장치와 결합하여 구성된다.
바이오센서를 통해 바이오 분자를 특이적으로 인식할 수 있는 효소, 항체, 단백질, DNA 및 박테리아를 이용하여 복잡한 물질의 분석을 신속하고 용이하게 할 수 있고, 또한 최근에는 분석하고자 하는 물질만을 선택적으로 검출함으로 인하여, 특히 의료분야에서 바이오센서를 통한 조기 검진에 따라 질병의 예방이 가능하게 되었다.
이러한 바이오센서에서 전기적 방식의 감지 기술은 바이오 물질과 반응하는 접촉 표면에서의 물리적 또는 화학적인 변화가 전도성 물질의 전기적 특성 변화를 유도하는 원리로 동작한다.
기존의 바이러스 진단 방법은 검체를 채취, RNA 추출 및 시료 증폭 과정을 거친 후에, 특수 진단 장비를 이용하여 검체에 대한 성분을 분석하여 바이러스의 감염 여부를 결정하였다. 이러한 바이러스 진단 방법은 4~6시간의 진단 시간이 필요하고, 특수한 진단 장비가 필요하다는 단점이 있다.
반면에, 바이오센서는 검출하고자 하는 바이러스를 표적하는 작용기 및 원소가 기능화되어 있는 감지 물질을 센서에 장착하여 표적 물질에 대한 감도 특성을 증가시켜 신속하게 바이러스를 검출할 수 있다.
바이오센서는 특정한 표적 물질에만 적용할 수 있어, 여러 개의 표적 물질을 검출하기 위해서는 다수의 바이오센서가 필요하고, 센서 동작시에만 유해인자를 검출할 수 있으며, 진단을 위한 장비가 대형화되거나, 고가의 발색시약이나 레이저 등을 사용하여야 하므로 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 바이오센서를 동작시키기 위한 구동 전원을 지속적으로 제공해야 하므로, 휴대용 바이오센서의 경우에 배터리를 주기적으로 교체해야하는 번거로움이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 유해가스, 바이러스 등의 유해인자를 표적 물질로 검출하는 센서 디바이스를 독립전원으로 상시 운영하도록 하고, 인공 지능을 활용하여 유해인자 변화를 자가 진단하여 빠르고 정확하게 유해인자를 검출할 수 있도록 하는 것에 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스는, 주변 환경으로부터 하나 이상의 에너지원에 기초하여 전원을 생산하는 전원 발생부; 상기 전원 발생부에서 생산된 전원을 충전하고, 상기 충전된 전원을 방전을 통해 독립 전원으로 제공하는 전력 변환부; 상기 전력 변환부로부터 독립 전원을 제공받아 감지 물질과 기 설정된 표적 물질의 반응을 전기적 신호로 변환하여 센서 정보를 제공하는 센서부; 및 상기 센서부의 센서 정보를 외부로 전송하고, 외부로부터 상기 센서부에 대한 제어 정보를 수신하는 송수신부를 포함하는 것이다.
상기 전원 발생부는 태양광, 조명광, 진동, 음파, 전자기파, 표유 자기장을 포함한 에너지원들 중 어느 하나의 에너지원을 이용하는 것이다.
상기 전원 발생부는, 태양광 또는 실내 조명으로부터 전기에너지를 생산하는 태양전지 또는 광발전 소자를 이용한 발전 모듈을 포함할 수 있다.
상기 전력 변환부는, 상기 전원 발생부로부터 입력되는 전원을 승압 또는 감압시켜 기 설정된 직류 전압으로 변환하는 벅-부스트 컨버터부; 상기 벅-부스트 컨버터부를 통해 제공되는 직류 전압을 충전하고, 상기 충전된 직류 전압을 방전을 통해 독립 전원으로 제공하는 에너지 저장부; 및 상기 에너지 저장부에서 충전된 직류 전압의 전압 레벨을 조절하여 상기 센서부 및 송수신부에 구동 전원을 제공하는 DC/DC 컨버터부를 포함하는 것이다.
상기 센서부의 나노 구조물은 증착 공정을 통해 탄소나노소재 기반으로 제작되는 것이다.
상기 전력 변환부의 독립 전원에서 구동 전원을 제외한 잉여 에너지를 이용하여 히팅열을 상기 센서부에 제공하는 히터를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 제작 방법은, a) 기판의 상면에 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격되게 제2 전극을 배치하여 전극을 형성하는 과정; b) 상기 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 기판의 상면에 표적 물질에 따라 전기적 특성이 변화하는 나노 구조물을 형성하는 과정; 및 c) 상기 나노 구조물의 표면을 표적 물질로 기능화(functionalization)하여 상기 전극의 상부에 감지 물질을 형성하는 과정을 포함하는 것이다.
상기 전극은 상기 기판 상에 진공 증착 방법 및 용액 공정을 이용하여 증착되는 금속 소재, 전도성 고분자 소재, 전도성 탄소나노 소재 중 어느 하나를 이용한 전도성 소재인 것이다. 상기 기판은 유리 기판, 실리콘 기판, 알루미나 기판 및 고분자 기판 중 어느 하나인 것이다.
상기 a) 단계는, 상기 기판의 상면에 전도성 소재를 이용한 전도층을 적층하고 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 전도층을 패터닝하고, 상기 패터닝된 전도층을 에칭 처리하여 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 제작 방법은, a) 기설된 크기를 갖는 기판의 상면에 기 설정된 이격 거리를 두고 적어도 하나 이상의 전극을 형성하는 과정; b) 상기 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 기판의 상면에 표적 물질에 따라 전기적 특성이 변화하는 나노 구조물을 형성하는 과정; c) 상기 나노 구조물의 표면을 상기 표적 물질로 기능화(functionalization)하여 상기 전극의 상부에 감지 물질을 형성하는 과정; 및 d) 하나의 전극을 기준으로 다이싱 공정을 통해 하나의 바이오센서로 이루어진 단위 셀(Unit cell)로 나누고, 서로 다른 표적 물질을 검출하는 단위 셀들을 모듈화하여 멀티 센싱 모듈을 제작하는 과정을 포함하는 것이다.
상기 멀티 센싱 모듈은 워드 라인과 비트 라인이 교차하는 지점에 단위 셀이 각각 배치되고, 상기 워드 라인과 비트 라인을 통해 구동 전원이 입력되어, 상기 표적 물질과의 전기화학반응을 통해 전기적 신호가 변화된 단위 셀의 신호 변화 상태를 센서 정보로 출력하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템은, 적어도 하나 이상의 감지 물질을 포함하고, 상기 감지 물질과 적어도 하나 이상의 유해인자 간의 전기화학반응을 통해 유해인자를 감지하여 센서 정보를 제공하는 센서 디바이스; 및 상기 센서 디바이스와 통신망을 통해 연결되어, 상기 센서 정보를 수신하여 유해인자 정보를 검출하고, 상기 센서 디바이스가 위치한 영역 내의 환경 정보를 수집하며, 상기 환경 정보에 기초하여 상기 유해인자 정보에 대한 위해성 감소에 필요한 대처 정보를 제공하는 진단 장치를 포함하는 것이다.
상기 센서 디바이스는 적어도 하나 이상의 바이오센서를 포함하고, 독립 전원을 이용하여 상시 운영이 가능한 것이다.
상기 진단 장치는 상기 센서 디바이스를 기준으로 기 설정된 영역 내에 IoT 기반의 환경 센서에 대한 환경 정보를 수집하고, 상기 IoT 기반의 환경 센서는 공기제균기, 공기청정기, 살균기, 소독기, 강제환기장치를 포함한 IoT 기기인 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 방법은, 진단 장치에 의해 수행되는 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 방법에 있어서, a) 감지 물질과 적어도 하나 이상의 유해인자 간의 전기화학반응을 통해 유해인자를 감지하는 센서 디바이스를 통해 센서 정보를 수신하는 단계; b) 상기 수신된 센서 정보를 분석하여 유해인자 정보를 검출하는 단계; c) 상기 센서 디바이스가 위치한 영역 내의 환경 정보를 수집하는 단계; 및 d) 상기 환경 정보에 기초하여 상기 유해인자 정보에 대한 위해성 감소에 필요한 대처 정보를 제공하는 단계를 포함하는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 독립 전원으로 센서 디바이스를 상시 작동시킬 수 있고, 저전력 데이터 통신을 통해 진단 장치와 무선 통신으로 센서 디바이스가 연결되어 인공 지능으로 유해인자의 변화를 자가진단하여 빠르고 정확하게 유해인자를 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 유해인자가 바이러스일 경우에 기존에 바이러스 측정을 위한 세포 배양, PCR 등의 실험 과정을 거치지 않고, 탄소나노물질에 바이러스 표적하는 작용기 및 원소물질로 기능화하여 해당 바이러스를 검출할 수 있는 바이오센서를 제공하고, 그로 인해 바이러스 진단에 필요한 분석 시간과 비용을 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명은 비대면 진단 방식으로 사람 접촉에 의한 바이러스가 전파되는 현상을 예방할 수 있고, 실시간 상시 동작으로 바이러스 및 유해가스 등의 유해인자의 존재 여부를 지속적으로 판단할 수 있다.
또한, 본 발명은 실시간 자가 진단에 의한 공기 정화 및 소독 장치 시스템 등의 IoT 기반의 환경 센서와 연계하여 방역 기능을 수행할 수 있고, 독립전원 사용에 의한 에너지 저감 효과로 진단 센서의 활용 분야를 넓힐 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 발생부가 태양전지 모듈로 구성되는 경우에 전기적 특성을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터부의 승압 또는 감압 작용을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터부의 최대전력점을 차는 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 제작 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 전극과 히터의 구성을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 제작 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7에 의해 제작된 멀티 센싱 모듈의 유해인자 검출 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트와치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스를 설명하는 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스를 설명하는 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 장치가 이동 로봇으로 구현된 예시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 발생부가 태양전지 모듈로 구성되는 경우에 전기적 특성을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터부의 승압 또는 감압 작용을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터부의 최대전력점을 차는 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 제작 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 전극과 히터의 구성을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 제작 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7에 의해 제작된 멀티 센싱 모듈의 유해인자 검출 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트와치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스를 설명하는 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스를 설명하는 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 장치가 이동 로봇으로 구현된 예시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 방법을 설명하는 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 ‘단말’은 휴대성 및 이동성이 보장된 무선 통신 장치일 수 있으며, 예를 들어 스마트폰, 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치일 수 있다. 또한, ‘단말’은 네트워크를 통해 다른 단말 또는 서버 등에 접속할 수 있는 PC 등의 유선 통신 장치인 것도 가능하다. 또한, 네트워크는 단말들 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 광역 통신망(WAN: Wide Area Network), 인터넷 (WWW: World Wide Web), 유무선 데이터 통신망, 전화망, 유무선 텔레비전 통신망 등을 포함한다.
무선 데이터 통신망의 일례에는 3G, 4G, 5G, 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evolution), WIMAX(World Interoperability for Microwave Access), 와이파이(Wi-Fi), 블루투스 통신, 적외선 통신, 초음파 통신, 가시광 통신(VLC: Visible Light Communication), 라이파이(LiFi) 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 구성을 설명하는 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 발생부가 태양전지 모듈로 구성되는 경우에 전기적 특성을 설명하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터부의 승압 또는 감압 작용을 설명하는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터부의 최대전력점을 차는 과정을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 유해인자 감지용 센서 디바이스(100)은 전원 발생부(110), 전력 변환부(120), 센서부(130) 및 송수신부(140)를 포함한다.
전원 발생부(110)는 주변 환경으로부터 하나 이상의 에너지원에 기초하여 전원을 생산하는 것으로서, 태양광, 조명광, 진동, 음파, 전자기파, 표유 자기장을 포함한 에너지원들 중 어느 하나의 에너지원을 이용할 수 있다. 본 발명에서는 전원 발생부(110)가 태양광 또는 실내 조명광으로부터 전기에너지를 생산하는 태양전지 또는 광발전소자를 이용한 발전모듈로 구현될 수 있다. 이때, 전원 발생부(110)는 저조도 환경, 예를 들어 1000 lux 이하의 환경에서도 발전이 가능한 고효율 발전 소자를 사용한다.
전력 변환부(120)는 전원 발생부(110)에서 생산된 전원을 충전하고, 충전된 전원을 방전을 통해 독립 전원으로 제공하는 것으로서, 벅-부스트 컨버터부(121), 에너지 저장부(122) 및 DC/DC 컨버터부(123)를 포함한다.
벅-부스트 컨버터부(121)는 전원 발생부(110)로부터 입력되는 전원을 승압 또는 감압시켜 기 설정된 직류 전압으로 변환하고, 에너지 저장부(122)는 벅-부스트 컨버터부(121)를 통해 제공되는 직류 전압을 충전하고, 충전된 직류 전압을 방전을 통해 독립 전원으로 제공하며, DC/DC 컨버터부(123)는 에너지 저장부(122)에서 충전된 직류 전압의 전압 레벨을 조절하여 센서부(130) 및 송수신부(140)를 포함한 센서 디바이스(100)의 구동에 필요한 구동 전원을 제공한다.
이와 같이, 센서 디바이스(100)는 전원 발생부(110)와 전력 변환부(120)를 이용하여 상시 운영이 가능한 독립 전원을 제공하고, 초저전력 구동 제어가 가능해질 수 있다.
전원 발생부(110)의 발전 소자가 태양전지 모듈인 경우에, 전력 변환부(120)는 MPPT(maximum power point tracking) 기법을 활용하여 최대전력점에서의 광발전에너지를 저장한다. 즉, 태양전지 모듈의 최대 전력발생지점(MPPT)을 추적하는 알고리즘을 통해 계통으로 최대 발전 전력을 에너지 저장부(122), 즉 배터리에 저장한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 태양전지의 전기적 특성을 나타내는 그래프에서, 가는 선이 전력, 굵은 선이 전압-전류 특성 곡선을 나타내는 것이다.
태양 전지는 태양광 인버터가 최대전력추정의 제어를 하지 않으면 최대 전압(Voc: Voltage Open Circuit) 지점에 있고, 이 지점에서는 전류가 매우 적게 흐른다. 태양광 인버터의 제어를 통해 최대 전압을 시작점으로 전압을 줄여가며 발전량을 증가시킨다. 전압을 줄이는 방법으로 PWM 스위칭의 튜티비, 즉 스위치 OFF와 ON 상태의 비율을 (ON 상태) 증가시켜 전류를 증가시키고, 전압을 감소시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 벅-부스트 컨버터부(121)는 IGBT로 구현되는 반도체 스위치(S)를 온/오프하면서 MPPT를 추종하면서 승압 작용을 한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 파란색 라인이 반도체 스위치(S)를 온 동작 시켰을 경우이고, 적색 라인이 반도체 스위치(S)를 오프 동작 시켰을 때의 전류 흐름을 나타내는 것이다.
전력 변환부(120)는 듀티비를 계속 증가시켜 전압을 감소시키면서 전력량을 확인하고, 전력이 감소될 경우에 다시 듀티비를 감소시켜 전압을 증가시키면서 전력량이 증가되는 것을 확인하는 동작을 통해 최대전력지점을 찾게 된다.
다시 도 1을 참조하면 센서부(130)는 전력 변환부(120)로부터 독립 전원을 제공받아 감지 물질과 기 설정된 표적 물질의 반응을 전기적 신호로 변환하여 센서 정보를 제공한다. 이때, 감지 물질은 탄소나노소재 기반의 나노 구조물로 제작되고, 표면에 표적 물질에 반응하도록 표면이 기능화되어 있다.
송수신부(140)는 센서부(130)의 센서 정보를 외부의 진단 장치(200) 또는 사용자 단말(300)로 전송하고, 진단 장치(200)로부터 센서부(130)에 대한 제어 정보를 수신한다.
이러한 센서 디바이스(100)는 스마트와치형, 패치형 등 다양한 형태로 구현될 수 있고, 케이스(미도시)를 통해 외부와 차폐되어 방수, 방진, 내충격성, 내열성을 갖는 것이 바람직하다.
센서 디바이스(100)는 광전환변환에 따른 에너지의 충전 및 방전의 전기적 안정성 확보 및 효율성 향상을 위해 소형 집적화 전원으로 전원 발생부(110) 및 전력 변환부(120)를 모듈화하여 구성한다. 또한, 전력 변환부(120)를 자유 형상 표면에 적용 가능한 소자로 박막화 및 소형화하여 스마트 기기(스마트와치 등)에 적용 가능한 맞춤형 소자로 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 제작 방법을 설명하는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 전극과 히터의 구성을 설명하는 도면이다.
유해인자 감지용 센서 디바이스의 제작 방법은 기판(310)의 상면에 제1 전극, 제1 전극과 이격되게 제2 전극을 배치하여 전극(320)을 형성한다. 이때, 전극(320)은 기판(310) 상에 진공 증착 방법 및 용액 공정을 이용하여 증착되는 금속 전극이 될 수 있고, 또는 전도성 고분자 소재, 전도성 탄소나노소재 등의 전도성 소재를 이용한 전극이 될 수도 있다. 기판(310)은 유리 기판, 실리콘 기판 , 알루미나 기판 및 고분자 기판 중 어느 하나일 수 있다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(310)의 상면에 전도성 소재를 이용한 전도층을 적층하고 포토리소그래피 공정을 이용하여 전도층을 패터닝하고, 패터닝된 전도층을 에칭 처리하여 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 전극 패터닝 공정을 수행할 수 있다. 이와 같이, 전극(320)의 패턴화 공정을 통해 전도성 소재 기반의 전극을 손쉽게 나노 구조로 표면 개질할 수 있어 센서의 표면적이 획기적으로 증가하여 높은 민감도를 가지게 되어 진단 정확도를 향상시킬 수 있다.
기판(310)의 상면에 표적 물질에 따라 전기적 특성이 변화하는 나노 구조물(330)은 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 증착 공정으로 전극(320)의 상부에 형성된다.
나노 구조물(330)의 표면을 화학공정을 통해 작용기를 기능화(functionalization)하여 표적 물질에 대한 표면 기능화된 나노 구조물(330)의 상부에 고분자, 금속나노입자, 금속산화물 나노입자 등의 물질로 감지 물질(340)을 형성하여 바이오센서를 제작할 수 있다. 고분자, 금속나노입자, 금속산화물 나노입자 등의 감지 물질(340)과 탄소나노물질인 나노 구조물(330)의 상호 작용으로 전류 이동, 즉 반응 속도가 빨라질 수 있다. 예를 들어, 코로나 바이러스 항체를 나노 구조물(330)에기능화하면 센서 디바이스(100)는 코로나 바이러스 검출용 바이오센서로 동작할 수 있다.
센서 디바이스(100)는 기능화에 의해 표적 물질과 나누 구조물(330)의 결합능을 효과적으로 증가시키고, 증가된 결합력에 의해 전극(320)과 표적 물질의 친화성이 증가되어 전극의 감도를 높일 수 있으며, 나노 구조물(330)에 이종의 원소를 기능화할 경우 전기도 특성이 변하는 다양한 기능을 부여할 수 있다.
이때, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판(310)의 하면에 독립 전원에서 센서 디바이스(100)의 구동에 필요한 구동 전원을 제외한 잉여 에너지를 히팅열로 제공하는 히터(350)가 설치될 수 있다. 히터(350)는 센서의 감지 특성 및 반응 속도를 개선시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유해인자 감지용 센서 디바이스의 제작 방법을 설명하는 도면이고, 도 8은 도 7에 의해 제작된 멀티 센싱 모듈의 유해인자 검출 방법을 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 유해인자 감지용 센서 디바이스(100)는 대량 생산 및 다기능 센서를 제작하기 위한 것으로서, 대형 기판(510)의 상면에 기 설정된 이격 거리를 두고 복수 개의 전극(520)을 형성한다.
복수 개의 전극(520)의 상부에 전극(520)과 전기적으로 연결되며, 표적 물질에 따라 전기적 특성이 변화하는 나노 구조물(530)을 도포한 후, 표적 물질로 표면 기능화된 나노 구조물(530)의 상부에 감지 물질을 형성한다.
이 후, 하나의 전극(520)을 기준으로 다이싱 공정을 통해 하나의 바이오센서(130)로 이루어진 단위 셀(Unit cell)로 나누고, 서로 다른 표적 물질을 검출하는 단위 셀들을 모듈화하여 멀티 센싱 모듈(500)을 제작한다. 멀티 센싱 모듈(500)은 복수 개의 표적 물질을 검출하기 위해 표적 물질의 개수에 대응되는 단위 셀을 포함하고, 각 단위 셀은 표적 물질에 따른 감지 물질이 적용된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 멀티 센싱 모듈(500)은 워드 라인과 비트 라인이 교차하는 지점에 단위 셀(1번~9번)이 각각 배치되고, 워드 라인과 비트 라인을 통해 구동 전원이 입력된다. 예를 들어, 워드 라인에는 5V의 전압이 인가되고, 비트 라인에는 0V의 전압이 인가되며, 미검출 단위 셀들은 전기적 신호 변화가 없지만, 검출 단위 셀(5)번은 전기적 변화가 발생된다.
즉, 5번의 단위 셀이 표적 물질에 해당하는 유해인자에 노출되어, 표적 물질과의 전기화학반응을 통해 전기적 신호가 변화하게 되고, 이러한 신호 변화를 센서 정보로 하여 송수신부(140)를 통해 진단 장치(200)로 전송한다. 따라서, 진단 장치(200)는 전기적 신호가 변화된 단위 셀(5번)에 해당하는 유해인자를 검출하여 진단 정보를 제공할 수 있다.
한편 도 5 및 도 7의 공정들은 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 공정들로 분할되거나, 더 적은 공정들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 공정은 필요에 따라 생략될 수도 있고, 공정간의 순서가 변경될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 와치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스를 설명하는 예시도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스를 설명하는 예시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 스마트 와치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스(700)는 전원 발생부(110), 벅-부스트 컨버터부(121), 에너지 저장부(122), DC/DC 컨버터부(123), 센서부(130) 및 송수신부(140)를 포함한다. 이때, 센서부(130)는 하나의 바이오센서로 구성되거나, 하나의 바이오센서를 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀이 모듈화된 멀티 센싱 모듈(500)로 구성될 수 있다.
이러한 스마트와치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스(700)는 투명 디스플레이를 포함하는 케이스(710)를 포함하는데, 케이스(710)는 투명 디스플레이를 통해 센서부(130)를 통해 감지된 유해인자의 진단 정보를 제공하거나, 스마트폰 등의 사용자 단말(300)과 연동하여 통신 기능, 시계 기능 등 다양한 기능의 실행 화면을 보여줄 수 있다.
특히, 스마트 와치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스(700)는 건강 진단용 소프트웨어와의 연계를 통해 실시간 사용자의 신체 상태를 측정하고, 빅데이터 수집을 통해 개인 신체 변화를 체크할 수 있다. 따라서, 센서 디바이스(700)는 센서 정보뿐만 아니라 사용자의 신체 상태 정보를 진단 장치(200) 또는 기타 건강관리서버(미도시)에 전송함으로써, 진단 장치(200) 또는 건강 관리 서버는 실시간 환자 분포 및 변화를 확인할 수 있도록 하며, 빅데이터 수집을 통해 질병에 관한 비상대책 관리 시스템과 연동할 수도 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 패치 형태의 유해인자 감지용 센서 디바이스(800)는 사용자의 피부에 부착되는 제1 필름(801)과, 제1 필름(801)의 상면에 위치하는 제2 필름(802)을 포함하고, 제1 필름(801)과 제2 필름(802) 사이에 전원 발생부(110), 벅-부스트 컨버터부(121), 에너지 저장부(122), DC/DC 컨버터부(123), 센서부(130) 및 송수신부(140)들 포함하는 본체가 위치한다.
이때, 제1 필름(901)은 기설정된 유연성과 접착성을 갖으며, 기설정된 두께의 폼(Form) 타입으로 형성될 수 있고, 제2 필름(802)은 다공성 재질로 형성되어 센서부(130)가 유해인자를 검출하기 위해 외부 환경에 자연스럽게 노출될 수 있도록 한다.
이와 같이, 센서 디바이스(700, 800)는 생활환경 모니터링 센서, 생화학 전투용 스마트센서, 전투장비 일체형 센서, 드론을 이용한 전투지 환경 정찰용 센서, 실시간 바이러스 진단 키트, 자가진단용 휴대용 키트 등으로 다양하게 적용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템은, 센서 디바이스(100), 진단 장치(200) 및 사용자 단말(300)을 포함한다.
센서 디바이스(100)는 상기에서 설명한 바와 같이 감지 물질과 표적 물질 간의 전기화학반응을 통해 유해인자를 감지하여 센서 정보를 제공한다. 이때, 센서 디바이스(100)는 진단 장치(200)와 블루투스, WiFi 등의 근거리 통신망을 통해 연결되어, 저전력 통신을 수행할 수 있다.
이러한 센서 디바이스(100)는 탄소나노복합소재를 사용하고 있어 부품의 내구성 및 강도의 부족에 따른 구성품의 결여 및 주변의 다른 생물 분자(표적 물질 이외의 물질)와의 반응에 따른 전기적 잡음을 해결할 수 있다. 또한 탄소나노복합소재 중에서 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(Graphene)은 전기 전도성이 높은 탄소물질로서 전기적으로 높은 감도를 통해 신뢰성을 높이고, 소형화를 통한 휴대의 용이성을 확보할 수 있다. 또한, 센서 디바이스(100)는 표적 물질과 반응할 때 기존의 바이오센서에서 찾아볼 수 없는 고감도 신호 변환이 가능할 뿐만 아니라, 나노 구조물(330, 530)의 구조체 크기가 표적 물질의 크기와 거의 흡사하므로 나노 구조물(330, 430)의 표면적과 크기 조절에 따라 표적 물질을 선택적으로 검출할 수 있다.
진단 장치(200)는 센서 디바이스(100)와 통신망을 통해 연결되어, 센서 정보를 수신하여 유해인자 정보를 검출하고, 센서 디바이스(100)가 위치한 영역 내의 환경 정보를 수집하며, 환경 정보에 기초하여 유해인자 정보에 대한 위해성 감소에 필요한 대처 정보를 제공한다.
이때, 환경 정보는 센서 디바이스(100)를 기준으로 일정 영역 내에 공기 청정기, 자동소독장치 등의 IoT 기반의 환경 센서의 존재 유무에 대한 정보일 수 있고, 대처 정보는 유해인자에 따라 공기 정화 기능, 자동소독 기능, 긴급대피정보, 응급처지정보 등이 될 수 있다.
이러한 진단 장치(200)는 일반적인 의미의 서버용 컴퓨터 본체일 수 있고, 그 외에 서버 역할을 수행할 수 있는 다양한 형태의 장치로 구현될 수 있다. 구체적으로, 진단 장치(200)는 휴대폰이나 TV, PDA, 태블릿 PC, PC, 노트북 PC 및 기타 사용자 단말 장치 등으로 구현될 수 있다.
사용자 단말(300)은 진단 장치(200) 또는 센서 디바이스(100)와 통신망을 통해 연결되어, 센서 정보 또는 대처 정보를 수신할 수 있고, 대처 정보에 기초하여 IoT 기반의 환경 센서 등의 동작에 필요한 제어 명령을 전송할 수 있다. 이러한 사용자 단말(300)은 스마트폰, 태블릿 PC, PC, 노트북 PC 등으로 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
진단 장치(200)는 통신부(201), 데이터 분석부(202), 환경정보 수집부(203), 진단부(204) 및 데이터베이스(205)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
통신부(201)는 통신망과 연동하여 진단 장치(200)와 센서 디바이스(100), 사용자 단말(300) 간의 송수신 신호를 패킷 데이터 형태로 제공하는 데 필요한 통신 인터페이스를 제공한다. 여기서, 통신부(201)는 다른 네트워크 장치와 유무선 연결을 통해 제어 신호 또는 데이터 신호와 같은 신호를 송수신하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 장치일 수 있다.
이때, 통신부(201)는 순회중복검사(CRC)에 의한 데이터 에러 검출 기능을 수행하고, 피코넷 네트워크 구성(1대 7)이 가능하며, 블루투스 4.0 사용으로 다른 주파수들과의 간섭을 줄이기 위한 AFH(Adaptive Frequency Hopping) 기능, CCM을 이용하는 AES-128 암호화 기능 등을 수행하여 보안성을 확보할 수 있다.
또한, 진단 장치(200)는 PIN 입력 또는 저장된 링크키를 이용한 센서 디바이스(100)의 식별로 보안기능을 강화할 수 있고, 정보 유출을 방지하기 위해 인증된 장치만 데이터에 대한 접근을 허용할 수 있으며, 센서 디바이스(100) 별로 인가된 서비스만 제공하고 다른 서비스를 이용을 차단하는 기능으로 보안성을 강화할 수 있다.
데이터 분석부(202)는 수집된 센서 정보를 분석하여 실시간 유해인자 정보를 검출한다. 이때, 데이터 분석부(202)는 인공 지능을 활용하여 센서 정보에 해당하는 유해인자 그룹을 분류하고, 분류된 유해인자 그룹 내에서 센서 정보와 일치하는 유해인자 정보를 예측하여 제공할 수 있다. 데이터 분석부(202)는 CNN 등의 인공지능 기반의 신경망을 이용하는데, 학습을 통해 카테고리(유해인자 그룹)에 따라 객체(유해인자)를 분류한 후 이를 학습하여, 새로운 정보가 어떤 카테고리의 인스턴스인지 자동으로 분류한다.
환경정보 수집부(203)는 센서 디바이스(100)를 중심으로 일정 영역 내에 환경 센서들이 있는지 환경 정보를 수집한다. 여기서, 환경 센서는 공기제균기, 공기청정기, 살균기, 소독기, 강제환기장치를 포함한 IoT 기기일 수 있다.
진단부(204)는 인공지능을 활용하여 유해인자 정보와 환경 정보의 상관 관계를 도출하여 유해인자에 대한 진단 정보와 대처 정보를 사용자 단말(300)에 제공할 수 있다.
데이터베이스(205)에는 센서 디바이스 정보, 센서 디바이스별 사용자 단말 정보, 센서 정보, 환경 정보, 유해인자별 대처 정보 등을 저장할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 장치가 이동 로봇으로 구현된 예시도이다.
도 13을 참조하면, 진단 장치(200)는 통신부(201), 데이터 분석부(202), 환경정보 수집부(203), 진단부(204)를 포함하면서, 위치추적부(210), 네비게이션부(220), 센서 디바이스(100), 영역 표시 레이저(230)를 더 포함할 수 있다.
위치 추적부(210)는 센서 디바이스(100)를 통해 유해인자가 검출된 경우에, 검출 위치(예를 들어, 의심 환자, 오염 발생원)등을 추적하여 접근하도록 한다.
또한, 이동 로봇으로 구현되는 진단 장치(200)는 바퀴 등을 이용하여 정해진 공간을 이동하면서 유해인자를 확인할 수 있도록 한다. 이를 위해 진단 장치(200)는 통로를 포함한 공간 배치에 대한 설계도면 정보를 데이터베이스(205)에 저장한다.
따라서, 진단 장치(200)는 설계도면에 기초하여 공간을 이동하면서 유해인자를 확인할 수 있고, 영역 표시 레이저(230)를 통해 접근 금지 영역을 표시함으로써 유해인자 외에 다른 물질들에 의한 물리적 및 화학적으로 발생되는 전기적 잡음 간섭이 최소화되도록 한다.
네비게이션부(220)는 설계도면 정보에 기초하여 이동 로봇이 이동하거나, 의심 환자나 오염 발생원 등을 격리 시설로 이동할 수 있도록 안내하는 역할을 수행한다. 이때, 진단 장치(200)는 마이크(미도시)를 통해 진단 정보를 알리고, 위험 상황에 대한 알람 기능을 수행할 수 있으며, 의심 환자의 경우에 격리 시설로 이동을 음성으로 안내해줄 수 있다.
이동 로봇으로 구현되는 진단 장치(200)는 집, 회사, 학교, 병원, 요양원, 공공기관 등에 배치될 수 있고, 이동 로봇이 위치한 환경에서 비대면으로 바이러스나 유해가스 등의 유해인자를 스스로 진단하여 경고할 수 있다. 또한, 이동 로봇으로 구현되는 진단 장치(200)는 인공지능을 활용하여 유해인자 정보와 환경 정보에 대한 대처 정보를 제공하고, IoT 기반의 환경센서와 연동하여 공기 정화 또는 소독 등의 방역 기능을 수행할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 방법을 설명하는 순서도이다.
도 14를 참조하면, 진단 장치(200)는 통신망을 통해 센서 디바이스(100)로부터 센서 정보를 수신한다(S1).
진단 장치(200)는 수신된 센서 정보를 분석하여 유해인자 정보를 검출하고(S2, S3), 센서 디바이스(100)가 위치한 영역 내의 환경 정보를 수집한다(S4). 진단 장치(200)는 인공 지능 기반의 데이터 분석 알고리즘을 통해 센서 정보에서 검출된 표적 물질이 어떤 유해인자를 확인할 수 있고, 해당 유해인자로 인한 방역 기능, 생활 환경 개선, IoT 기기 연계, 긴급 대피 및 응급 처치 등의 대처 정보를 진단 정보로 제공할 수 있다.
진단 장치(200)는 환경 정보에 기초하여 유해인자 정보에 대한 위해성 감소에 필요한 대처 정보를 제공한다(S5). 진단 장치(200)는 통신망을 통해 사용자 단말(300)에 유해인자 정보와 대처 정보를 포함한 진단 정보를 제공할 수 있다.
진단 장치(200)는 인공지능 기반의 빅데이터 분석을 통해 공기정화 또는 소독, 환기 기능을 수행하기 위해 생활 환경 개선 시스템이나 IoT 기반의 지능형 방역 시스템 등과 연계할 수 있다.
한편, 도 14의 단계 S1 내지 S5는 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
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 : 유해인자 감지용 센서 디바이스
110 : 전원 발생부
120 : 전력 변환부
130 : 센서부
140 : 송수신부
200 : 진단 장치
201 : 통신부
202 : 데이터 분석부
203 : 환경정보 수집부
204 : 진단부
300 : 사용자 단말
110 : 전원 발생부
120 : 전력 변환부
130 : 센서부
140 : 송수신부
200 : 진단 장치
201 : 통신부
202 : 데이터 분석부
203 : 환경정보 수집부
204 : 진단부
300 : 사용자 단말
Claims (17)
- 주변 환경으로부터 하나 이상의 에너지원에 기초하여 전원을 생산하는 전원 발생부;
상기 전원 발생부에서 생산된 전원을 충전하고, 상기 충전된 전원을 방전을 통해 독립 전원으로 제공하는 전력 변환부;
상기 전력 변환부로부터 독립 전원을 제공받아 감지 물질과 기 설정된 표적 물질의 반응을 전기적 신호로 변환하여 센서 정보를 제공하는 센서부; 및
상기 센서부의 센서 정보를 외부로 전송하고, 외부로부터 상기 센서부에 대한 제어 정보를 수신하는 송수신부를 포함하며,
상기 센서부는,
기판의 상면에 제1 전극 및 상기 제1 전극과 이격되게 배치되는 제2 전극을 포함하는 전극을 형성하고,
상기 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 기판의 상면에 표적 물질에 따라 전기적 특성이 변화하는 나노 구조물을 형성하며,
상기 나노 구조물의 표면을 표적 물질에 대해 기능화(functionalization)하여 상기 전극의 상부에 감지 물질을 형성하는 과정을 거치며 제조되며,
상기 센서부는 상기 기판의 하면에 전력 변환부의 독립 전원에서 구동 전원을 제외한 잉여 에너지를 이용하여 히팅열을 제공하여, 센서의 감지 특성 및 반응 속도를 개선하는 히터를 포함하는 것인, 유해인자 감지용 센서 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 전원 발생부는 태양광, 조명광, 진동, 음파, 전자기파, 표유 자기장을 포함한 에너지원들 중 어느 하나의 에너지원을 이용하는 것인, 유해인자 감지용 센서 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 전원 발생부는, 태양광 또는 실내 조명으로부터 전기에너지를 생산하는 태양전지 또는 광발전 소자를 이용한 발전 모듈을 포함하는 것인, 유해인자 감지용 센서 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 전력 변환부는,
상기 전원 발생부로부터 입력되는 전원을 승압 또는 감압시켜 기 설정된 직류 전압으로 변환하는 벅-부스트 컨버터부;
상기 벅-부스트 컨버터부를 통해 제공되는 직류 전압을 충전하고, 상기 충전된 직류 전압을 방전을 통해 독립 전원으로 제공하는 에너지 저장부; 및
상기 에너지 저장부에서 충전된 직류 전압의 전압 레벨을 조절하여 상기 센서부 및 송수신부에 구동 전원을 제공하는 DC/DC 컨버터부를 포함하는 것인, 유해인자 감지용 센서 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 센서부의 나노 구조물은 증착 공정을 통해 탄소나노소재 기반으로 제작되는 것인, 유해인자 감지용 센서 디바이스. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 적어도 하나 이상의 감지 물질을 포함하고, 상기 감지 물질과 적어도 하나 이상의 유해인자 간의 전기화학반응을 통해 유해인자를 감지하여 센서 정보를 제공하며, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 센서 디바이스; 및
상기 센서 디바이스와 통신망을 통해 연결되어, 상기 센서 정보를 수신하여 유해인자 정보를 검출하고, 상기 센서 디바이스가 위치한 영역 내의 환경 정보를 수집하며, 상기 환경 정보에 기초하여 상기 유해인자 정보에 대한 위해성 감소에 필요한 대처 정보를 제공하는 진단 장치를 포함하는 것인, 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 센서 디바이스는 적어도 하나 이상의 바이오센서를 포함하고, 독립 전원을 이용하여 상시 운영이 가능한 것인, 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 진단 장치는 상기 센서 디바이스를 기준으로 기 설정된 영역 내에 IoT 기반의 환경 센서에 대한 환경 정보를 수집하고,
상기 IoT 기반의 환경 센서는 공기제균기, 공기청정기, 살균기, 소독기, 강제환기장치를 포함한 IoT 기기인 것인, 상시 운영이 가능한 유해인자 감지 시스템. - 삭제
- 삭제
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2620787B2 (ja) * | 1987-07-31 | 1997-06-18 | 株式会社ジャルコ | 臭気測定器 |
| KR100805265B1 (ko) * | 2006-12-28 | 2008-02-20 | 고려대학교 산학협력단 | 홈 네트워크 시스템 및 홈 네트워크 시스템의 제어 방법 |
| KR101203181B1 (ko) * | 2010-03-05 | 2012-11-20 | 전자부품연구원 | 플렉서블 가스 센서 어레이 및 그 제조 방법 |
| KR101497958B1 (ko) * | 2013-10-29 | 2015-03-12 | 한국해양과학기술원 | 유해물질 검출장치 |
| JP2018128354A (ja) * | 2017-02-08 | 2018-08-16 | 日本特殊陶業株式会社 | センサ制御装置 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2620787B2 (ja) * | 1987-07-31 | 1997-06-18 | 株式会社ジャルコ | 臭気測定器 |
| KR100805265B1 (ko) * | 2006-12-28 | 2008-02-20 | 고려대학교 산학협력단 | 홈 네트워크 시스템 및 홈 네트워크 시스템의 제어 방법 |
| KR101203181B1 (ko) * | 2010-03-05 | 2012-11-20 | 전자부품연구원 | 플렉서블 가스 센서 어레이 및 그 제조 방법 |
| KR101497958B1 (ko) * | 2013-10-29 | 2015-03-12 | 한국해양과학기술원 | 유해물질 검출장치 |
| JP2018128354A (ja) * | 2017-02-08 | 2018-08-16 | 日本特殊陶業株式会社 | センサ制御装置 |
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