KR102630809B1 - 복수 개의 광센서를 사용하는 특수물질 검출 방법 및 검출기 - Google Patents

복수 개의 광센서를 사용하는 특수물질 검출 방법 및 검출기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특수물질 검출방법 및 검출기로서, 상기 특수물질이 발광 파장이 상이한 복수 개의 광원에 의해 여기되어 방출광을 발생하는 단계; 흡수 파장 대역이 상이한 복수 개의 광센서가 상기 방출광을 검출하는 단계; 및 상기 각 광센서에서 상기 방출광이 검출되거나 검출되지 않은 결과를 조합하여 상기 수신된 방출광의 파장을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 광학필터를 사용하지 않고도 방출광 세기 저하 없이 포토다이오드의 소재 특성만을 활용하여 방출광의 파장을 확인하여 특수물질의 확인(진위 식별)이 가능한 효과가 있다.

Description

복수 개의 광센서를 사용하는 특수물질 검출 방법 및 검출기{DETECTION METHOD AND DETECTOR FOR SECURITY MATERIALS USING MULTIPLE PHOTO-SENSORS}
본 발명은 복수 개의 광센서를 사용하는 특수물질 검출 방법 및 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 흡수 파장 대역이 상이한 복수 개의 광센서를 사용하고 각 광센서의 광 검출 결과를 조합하여 특수물질로부터의 방출광 파장을 결정함으로써 특수물질을 검출하는 방법 및 검출기에 관한 것이다.
은행권, 유가증권, 상품권, 납세필증(증지), 여권, 신분증, 보안라벨 등의 보안문서 또는 일반적인 상품들의 위변조 방지 및 정품인증을 위해 다양한 특수물질이 사용되고 있는데, 특히 특정 파장의 여기광에 감응하여 특정 파장의 방출광을 방출하는 특성을 갖는 특수물질이 많이 사용되고 있다. 여기에서 특정 파장은 자외선, 가시광선, 적외선(근적외선, 중적외선 포함) 대역의 전자기파를 의미한다. 특수물질이 특정 파장의 전자기파에 여기(감응)되어 특정 파장의 전자기파를 방출하면 이를 감지하고 인식함으로써 특수물질의 포함여부를 판단하는 것이다.
특수물질 검출기(감응기기) 및 인식방법에 대한 기술은 주로 물질의 광학 특성을 활용한다. 대한민국 등록특허 제1104841호에서는 특수물질을 여기시키기 위한 광원부, 광에 반응하여 특수물질로부터 방출되는 특정 파장의 방출광만을 투과시키는 광학필터 및 상기 광학필터를 통과한 특정 파장의 광을 감지하기 위한 광센서를 필수 구성요소로 하고 있다. 특정 파장의 광만을 투과시키는 광학필터를 광센서 앞단에 배치시키고 광센서에서는 일정 세기 이상의 광이 감지될 경우에 한해서만 해당 특수 물질이 포함되어 있다고 인식하게 된다. 그런데, 이러한 특정 파장의 광만을 투과시키는 광학필터를 설계 및 제작하는데 추가 비용이 발생하며, 광학필터를 통과하면서 광의 세기가 감소하여 결과적으로 검출기의 감도가 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 대한민국 등록특허 제1573657호에서는 적외선 여기-가시광 발광 특성을 갖는 특수 형광체(안티-스토크, Anti-stokes 물질)의 발광수명을 감지하여 진위식별을 하는 특수 형광체 감지방법이 제안되었다. 이 기술은 센서에서 감지되는 광의 발광수명을 측정하여 해당물질의 존재 유무를 식별하는 방법으로서, 펄스파 형태의 여기광을 특수물질에 조사하고 여기광이 오프(OFF)된 이후에 방출광을 측정함으로써 해당 특수 형광체의 발광수명을 검출하는 기술이다. 그런데, 이러한 기술은 광원과 센서를 해당 특수 형광체에 최적화하여 효율적인 휴대형 인식기기를 제조할 수 있다는 장점은 있으나, 센서 역할로서 일반적인 포토다이오드를 사용할 시에 특정 파장을 가지는 방출광만에 대한 신호선별이 힘들기 때문에 검출기에서 물질 구분이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 상이한 파장이지만 발광수명이 유사한 특성을 갖는 다른 물질에 대해서는 분별성이 크게 떨어질 수 있으므로, 안티-스토크 물질과 같은 매우 특이한 물질에 대해서만 제한적으로 적용이 가능하다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 광학 필터를 사용하지 않고, 흡수 파장 대역이 상이한 복수 개의 일반적인 광센서를 사용하고, 특수물질로부터 방출된 방출광의 각 광센서별 검출 결과를 조합하여 파장을 결정함으로써 특수물질을 검출하는 방법 및 검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 특수물질 검출방법으로서, 상기 특수물질이 광원에 의해 여기되어 방출광을 발생하는 단계; 흡수 파장 대역이 상이한 복수 개의 광센서가 상기 방출광을 검출하는 단계; 및 상기 각 광센서에서 상기 방출광이 검출되거나 검출되지 않은 결과를 조합하여 상기 수신된 방출광의 파장을 결정하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 여기서 상기 광원은 발광 파장이 다른 복수 개의 광원을 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 결정된 파장으로부터 상기 특수물질의 검출 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 각 광센서의 흡수 파장 대역은 상호 독립 또는 중복된 파장 범위를 가질 수 있다.
상기 조합은 상기 방출광이 검출된 모든 광센서의 각 흡수 파장 대역을 합친 대역에서 상기 방출광이 검출되지 않은 모든 광센서의 각 흡수 파장 대역을 배제하는 것일 수 있다.
상기 조합은 상기 방출광이 검출된 모든 광센서의 상대적인 전기 신호 세기 차이에 기초하여 상기 방출광의 파장을 확인하는 것일 수 있다.
상기 광원의 발광 파장은 상기 특수물질의 흡수 대역에 기초하여 선택될 수 있다.
상기 복수 개의 광센서는 각각 반도체 소재가 상이한 포토다이오드일 수 있다.
상기 복수 개의 광센서는 각각 수광 파장 대역이 상이한 포토다이오드일 수 있다.
상기 복수 개의 광센서는 각각 수광 파장별 감도가 상이한 포토다이오드일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 광원; 및 흡수 파장 대역이 상이한 복수 개의 광센서를 포함하고, 상기 광원에 의해 상기 특수물질이 여기되어 방출광이 발생되면, 상기 각 광센서에서 상기 방출광이 검출되거나 검출되지 않은 결과를 조합하여 상기 수신된 방출광의 파장을 결정하는, 특수물질 검출기가 제공된다. 여기서 상기 광원은 발광 파장이 다른 복수 개의 광원을 포함할 수 있다.
상기 각 광센서의 흡수 파장 대역은 상호 독립 또는 중복된 파장 범위를 가질 수 있다.
상기 조합은 상기 방출광이 검출된 모든 광센서의 각 흡수 파장 대역을 합친 대역에서 상기 방출광이 검출되지 않은 모든 광센서의 각 흡수 파장 대역을 배제하는 것일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 흡수 파장 대역이 상이한 복수 개의 광센서를 사용하여, 특수물질로부터 방출된 방출광의 각 광센서별 검출 결과를 조합하여 파장을 결정함으로써, 광학필터를 사용하지 않고도 방출광 세기 저하 없이 포토다이오드의 소재 특성만을 활용하여 방출광의 파장을 확인하여 특수물질의 확인(진위 식별)이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 소재에 따른 흡수특성 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드 설계 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 특수물질 검출방법에 대한 구체적인 일례를 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 포토다이오드 설계 개념도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 도시되고 설명되며 그 이외 부분의 도시와 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략하였다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
설명의 간략함을 위해, 본 명세서에서는 예시를 들어 순서도 또는 플로우 차트의 형태로 하나 이상의 방법이 일련의 단계로서 도시되고 기술되어 있지만, 본 발명이 단계들의 순서에 의해 제한되지 않는데 그 이유는 본 발명에 따라 본 명세서에 도시되고 기술되어 있는 것과 다른 순서로 또는 다른 단계들과 동시에 행해질 수 있기 때문이라는 것을 잘 알 것이다. 또한, 예시된 모든 단계들이 본 발명에 따라 방법을 구현해야만 하는 것은 아닐 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 실시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기(감응기기)는 광원 3종(LED #1, #2, #3)과 포토다이오드(photo-diode) 3종(PD #1, #2, #3)을 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 광원과 포토다이오드를 각각 3종으로 예를 들었지만 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 가령 특정한 특수물질만을 검출하기 위한 전용 검출기인 경우에는 광원은 1개만 포함될 수 있다.
광원 3종은 발광 파장이 서로 상이한 것을 사용할 수 있다. 가령 광원 #1은 300nm 대역 빛을 방출하며, 광원 #2는 600nm 대역 빛을 방출하며, 광원 #3은 900nm 대역 빛을 방출하는 LED를 광원으로 사용할 수 있다.
이처럼 복수의 광원을 구비할 경우, 여러 특수물질을 검출하는 용도로 검출기를 사용할 수 있다. 예를 들어, 자외선에 의해 여기되는 특수물질을 검출할 경우 광원 #1로 광을 조사한 후 특수물질에서 방출되는 광을 검출할 수 있고, 가시광에 의해 여기되는 특수물질을 검출할 경우 광원 #2로 광을 조사한 후 특수물질에서 방출되는 광을 검출할 수 있다. 또한, 적외선에 의해 여기되는 특수물질을 검출할 경우 광원 #3으로 광을 조사한 후 특수물질에서 방출되는 광을 검출할 수 있다. 특수물질이 여러 파장 대역의 광에 의해 여기되는 특성을 갖는 경우, 2개 이상의 광원으로부터 광을 조사한 후 특수물질에서 방출되는 광을 검출할 수도 있다. 이처럼 광원은 특수물질의 흡수 대역에 맞춰 발광 파장을 선택할 수 있다.
광원은 전력소모가 낮고 휴대형 장치에 적합한 LED 등의 소형 광원을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 특수물질의 일정 면적을 적당하게 조명해주기 위하여 렌즈를 추가할 수 있으며, LED 패키지에 렌즈 기능이 포함된 제품을 사용할 수도 있다.
광센서로서 포토다이오드를 사용할 수 있으며, 본 실시예에서의 포토다이오드는 도 2를 참고하여 설계할 수 있다.
특수물질 검출기의 효율적인 감지 성능 구현을 위해 집적화된 전자회로가 구성에 포함되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드의 소재에 따른 흡수특성 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드 설계 개념도이다.
도 2에는 검출기의 광센서 역할을 하는 포토다이오드의 반도체 소재에 따른 흡수 파장대역에 대한 특성이 표시되어 있고, 도 3에는 도 2를 참고하여 포토다이오드를 설계한 개념이 도시되어 있다.
도 2와 도 3을 참조하면, 실리콘(Silicon), 인듐갈륨비소(InGaAs), 게르마늄(Ge) 소재의 포토다이오드를 각각 PD #1, PD #2, PD #3에 배치할 수 있다.
실리콘(Si) 소재로 구성된 포토다이오드 #1은 400nm에서 1,100nm 대역의 광을 흡수하여 전기신호를 발생하는 특성을 가진다.
인듐갈륨비소(InGaAs) 소재의 포토다이오드 #2는 900nm에서 1,700nm 대역의 광을 흡수하여 전기신호를 발생하는 특성을 가진다.
게르마늄(Ge) 소재의 포토다이오드 #3은 400nm에서 1,700nm 대역의 광을 흡수하여 전기신호를 발생하는 특성을 가진다.
이와 같이 각 광센서(포토다이오드)는 각 흡수 파장 대역이 상호 독립 또는 중복된 파장 범위를 가지는 소재로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 특수물질 검출방법에 대한 구체적인 일례를 나타내는 순서도(S10)이다.
상술한 도 1 내지 도 3의 실시예에 따라 설계된 검출기를 사용한 특수물질 검출방법을 단계별로 설명하기로 한다.
S11 단계에서, 광원으로부터 조사된 광에 의해 특수물질이 여기되어 방출광을 방출할 수 있다. 여기서 광원은 특수물질의 여기 파장에 의해 결정된 하나의 광원이 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 발광 파장이 상이한 복수 개의 광원이 사용될 수 있다.
S13 단계에서, 흡수 파장 대역이 상이한 복수 개의 광센서(PD #1, #2, #3)가 S11 단계에서 방출된 방출광을 검출할 수 있다.
S15 단계에서, 각 광센서에서 방출광이 검출되거나 검출되지 않은 결과를 조합하여 수신된 방출광의 파장을 결정할 수 있다.
예를 들어, 표 1을 참조하면, Case #1과 같이 포토다이오드 #1, #3에서 방출광이 검출되고 포토다이오드 #2에서 방출광이 검출되지 않은 경우에는 해당 방출광의 파장은 400nm에서 900nm 범위에 해당하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 상기 조합은 상기 방출광이 검출된 모든 광센서(PD #1, #3)의 각 흡수 파장 대역을 합친 대역(400nm ~ 1,700nm)에서 상기 방출광이 검출되지 않은 모든 광센서(PD #2)의 각 흡수 파장 대역(900nm ~ 1,700nm)을 배제하는 것이므로, 해당 방출광의 파장은 400nm에서 900nm 범위에 해당하는 것일 수 있다.
Case #2와 같이 포토다이오드 #2, #3에서 방출광이 검출되고 포토다이오드 #1에서는 방출광이 검출되지 않는 경우에는 해당 방출광의 파장이 1,100nm에서 1,700nm 범위에 해당하는 것을 확인할 수 있다.
마찬가지로, 상기 조합은 상기 방출광이 검출된 모든 광센서(PD #2, #3)의 각 흡수 파장 대역을 합친 대역(400nm ~ 1,700nm)에서 상기 방출광이 검출되지 않은 모든 광센서(PD #1)의 각 흡수 파장 대역(400nm ~ 1,100nm)을 배제하는 것이므로, 해당 방출광의 파장은 1,100nm에서 1,700nm 범위에 해당하는 것일 수 있다.
구분 Case #1 Case #2
PD #1 O X
PD #2 X O
PD #3 O O
S17 단계에서는, S15 단계에서 결정된 파장으로부터 특수물질의 검출 여부를 판단할 수 있다.
S17 단계의 특수물질 검출 여부에 따른 진위 판별 결과는 표식용 광원부(Indicator LED)로 알려줄 수 있으며, 스피커(Speaker) 등을 통해 특정한 음(Beep음)을 발생시킬 수 있으며, 또는 소형 진동자(Vibrator) 등을 통해 특정한 진동을 발생시킬 수 있다. 이와 함께 특수물질이 확인되었을 경우 특정한 색을 가지는 광을 방출하도록 별도의 표시용 광원을 사용하여 사용자에게 인식결과를 알려줄 수도 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예로서, 반도체 소재가 동일하면서도 포토다이오드의 사이즈, 제조사 등 세부규격이 다른 포토다이오드의 구성으로도 구현이 가능하다. 예를 들면, 실리콘(Silicon) 소재로 구성된 도 5와 같은 특성(수광 파장 대역, 감도 등이 서로 상이한 특성을 가짐)을 가진 포토다이오드 3종으로 감지기를 구성할 수 있다.
도 5와 표 2를 참조하면, Case #3인 경우와 같이, 발광 파장이 890nm 대역인 물질인 경우에는 PD #1에서는 신호가 감지되고 있지 않으며, PD #2, #3에서는 신호가 감지되며, 해당 포토다이오드의 감도에 따라 상대적인 신호 차이에 따라 전기신호가 발생하게 된다.
또한 Case #4인 경우와 같이 발광파장이 650nm인 경우, PD #2에서는 신호가 감지되지 않으며, PD #1, #3에서만 신호가 감지되며 PD #1, #3의 감도 차이에 의해서 상대적인 전기신호 세기 차이가 발생하게 된다.
또한, Case #5의 경우와 같이 발광파장이 700nm인 경우 PD #1, #2, #3 모두에서 신호가 발생하며 포토다이오드 3종의 상대적인 감도에 따라 전기신호가 발생하게 된다.
따라서, 포토다이오드 수광 파장 대역 및 상대적인 감도 차이 특성에 따라 전기신호 세기 등을 통해 광학필터 없이도 해당 신호의 발광파장을 확인할 수 있다. 또한 광학필터 적용 시에 비해 신호감도 저하 현상이 발생하지 않는다는 장점이 있다.
한편, 상용 광센서 제조업체별로 센서 특성은 차이가 있으며, 센서의 물리적인 크기, 표면 코팅 두께, 코팅 소재, 수광 파장별 감도 등에 따라서도 특성 차이가 발생하는 데, 이러한 센서들의 특성 차이를 이용하여 광학필터 없이 감지기를 구성할 수 있다.
구분 PD #1 PD #2 PD #3
Case #3 X O O
Case #4 O X O
Case #5 O O O
이상과 같이, 본 실시예들에 의하면, 광학필터를 사용하지 않고 방출광 세기 저하 없이 포토다이오드의 소재 특성만을 활용하여 방출광의 파장을 확인하여 특수물질의 확인(진위 식별)이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 특수물질 검출기는 휴대 가능한 정도의 크기, 무게를 가지도록 설계할 수 있으며, 상기에서 언급한 바와 같이 장치 자체적으로 진위식별 판단 결과를 나타내도록 구성하거나 유선 또는 무선으로 연결된 컴퓨터, 휴대폰 또는 전용 단말기 등의 다른 기기와 연동하여 결과 값을 활용할 수 있도록 구성할 수도 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 특수물질 검출방법으로서,
    상기 특수물질이 광원에 의해 여기되어 방출광을 발생하는 단계;
    흡수 파장 대역이 상이한 복수 개의 광센서가 상기 방출광을 검출하는 단계; 및
    상기 각 광센서에서 상기 방출광이 검출되거나 검출되지 않은 결과를 조합하여 상기 방출광의 파장을 결정하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결정된 파장으로부터 상기 특수물질의 검출 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각 광센서의 흡수 파장 대역은 상호 독립 또는 중복된 파장 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조합은 상기 방출광이 검출된 모든 광센서의 각 흡수 파장 대역을 합친 대역에서 상기 방출광이 검출되지 않은 모든 광센서의 각 흡수 파장 대역을 배제하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조합은 상기 방출광이 검출된 모든 광센서의 상대적인 전기 신호 세기 차이에 기초하여 상기 방출광의 파장을 확인하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원의 발광 파장은 상기 특수물질의 흡수 대역에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 광센서는 각각 반도체 소재가 상이한 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 광센서는 각각 수광 파장 대역이 상이한 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 광센서는 각각 수광 파장별 감도가 상이한 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 광원; 및
    흡수 파장 대역이 상이한 복수 개의 광센서;
    를 포함하고,
    상기 광원에 의해 특수물질이 여기되어 방출광이 발생되면, 상기 각 광센서에서 상기 방출광이 검출되거나 검출되지 않은 결과를 조합하여 상기 방출광의 파장을 결정하는, 특수물질 검출기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 각 광센서의 흡수 파장 대역은 상호 독립 또는 중복된 파장 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 특수물질 검출기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 조합은 상기 방출광이 검출된 모든 광센서의 각 흡수 파장 대역을 합친 대역에서 상기 방출광이 검출되지 않은 모든 광센서의 각 흡수 파장 대역을 배제하는 것을 특징으로 하는 특수물질 검출기.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 광원은 발광 파장이 다른 복수 개의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 특수물질 검출기.
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