KR102658670B1 - 냄새 시각화 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치는 수용체를 통해 냄새 분자를 검출하는 센서부, 상기 센서부에서 검출된 냄새 분자의 농도 분포를 산출하는 연산부, 상기 냄새 분자의 농도 분포를 영상용 포맷으로 변환하는 변환부 및 상기 냄새 분자의 농도 분포를 가상 공간에 시각적으로 표시하는 디스플레이부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 냄새 분자를 검출하는 센서를 영상 디지털 기기와 연결함으로써 냄새의 시각화를 구현할 수 있는 냄새 시각화 장치 및 방법에 관한 것이다.
4차 산업 혁명이 도래하면서 인간과 흡사한 휴머노이드를 만들고자 다양한 노력이 진행되어 왔다. 이는 인간의 오감을 모방하여 로봇을 인간과 흡사하게 만드는 것이며, 지금까지 미각, 청각, 시각, 촉각 등에 대해서는 어느 정도 성과를 이루었으나, 후각에 대한 기술은 개발된 사례가 없다.
또한, 시각, 청각, 촉각은 물리적 감각으로 파장, 주파수, 압력 등을 포함하는 표준 단위가 알려져 있어 이를 활용한 다양한 기기들이 개발되었으며, 미각 또한 화학적 감각으로 염도 및 당도에 의해서 표준화되어 이를 모사한 기기는 이미 개발되어 있는 상태이다.
그러나, 후각은 화학적 감각에 의존하고 있으며 표준 단위가 없어 이를 활용한 기기가 개발된 사례가 없다. 이러한, 후각의 표준화를 이루기 위해서는 먼저 냄새를 검출할 수 있는 센서가 있어야 한다. 한편, 일반 시중에 판매되는 악취 검출 가스 센서는 대부분 암모니아와 황화수소와 같은 저분자(small molecules)의 유해가스를 검출하지만, 이는 산업용 유해가스로 인간이 맡는 냄새와는 근본적으로 차이가 있어 후각 표준화에 사용될 수 없다. 이처럼, 기존의 센서로는 지금까지 사람의 후각을 재현하는 것이 불가능하였다.
본 발명은 냄새 분자를 검출할 수 있는 센서를 영상 디지털 기기와 결합함으로써, 냄새의 시각화를 구현할 수 있고 사용자가 냄새 분자의 농도 분포를 정확하고 용이하게 파악할 수 있는 냄새 시각화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치는 수용체를 통해 냄새 분자를 검출하는 센서부, 상기 센서부에서 검출된 냄새 분자의 농도 분포를 산출하는 연산부, 상기 냄새 분자의 농도 분포를 영상용 포맷으로 변환하는 변환부 및 상기 냄새 분자의 농도 분포를 가상 공간에 시각적으로 표시하는 디스플레이부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 방법은 수용체를 포함하는 센서를 통해 냄새 분자를 검출하는 단계, 검출된 냄새 분자의 농도 분포를 산출하는 단계, 상기 냄새 분자의 농도 분포를 영상용 포맷으로 변환하는 단계 및 상기 냄새 분자의 농도 분포를 가상 공간에 시각적으로 표시하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 냄새 시각화 장치 및 방법에 따르면, 냄새 분자를 검출할 수 있는 센서를 영상 디지털 기기와 결합함으로써, 냄새의 시각화를 구현할 수 있고 사용자가 냄새 분자의 농도 분포를 정확하고 용이하게 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 센서 플랫폼을 나타내는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의해 카다베린을 검출한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의해 푸트레신을 검출한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 수용체가 부착된 센서를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 센서를 이용하여 일정 주기로 카다베린과 푸트레신을 검출한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에서 냄새 분자의 농도 분포를 검출하기 위한 확산 모델을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 각 센서에서 검출한 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 나타내는 도면이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 각 센서에서 검출한 냄새 분자의 3차원 농도 그라데이션을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의해 냄새의 시각화를 구현하는 모습을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화의 측정 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 센서 플랫폼을 나타내는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의해 카다베린을 검출한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의해 푸트레신을 검출한 결과를 나타내는 그래프이다.
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도 5는 도 4의 센서를 이용하여 일정 주기로 카다베린과 푸트레신을 검출한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에서 냄새 분자의 농도 분포를 검출하기 위한 확산 모델을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 각 센서에서 검출한 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 나타내는 도면이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 각 센서에서 검출한 냄새 분자의 3차원 농도 그라데이션을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의해 냄새의 시각화를 구현하는 모습을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화의 측정 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치(100)는 센서부(110), 연산부(120), 변환부(130), 디스플레이부(140) 및 데이터베이스(150)를 포함할 수 있다.
센서부(110)는 수용체를 통해 냄새 분자를 검출할 수 있다. 센서부(110)에 포함되는 수용체는 대기 중의 화학종과 반응하여 냄새 분자를 검출하는 후각 수용체일 수 있다. 이 때, 수용체는 하나 또는 복수의 특정 화학종과 반응하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 센서부(110)의 수용체는 카다베린 수용체와 푸트레신 수용체를 포함할 수 있다.
구체적으로, 센서부(110)는 패턴화된 그래핀 표면에 각종 후각 수용체가 결합된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들면, 센서부(110)는 후각 수용체가 물리적 흡착에 의하여 그래핀 표면에 결합되도록 구성될 수 있으며, 또는 특정 화합물을 링커로 이용하여 그래핀 표면에 결합하도록 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 센서부(110)가 이에 제한되는 것은 아니며, 후각 수용체는 그래핀 표면에 결합되는 것 이외에도 다양한 형태로 결합될 수 있다.
또한, 센서부(110)에는 각종 화학종과 반응하는 수용체가 복수 개 마련될 수 있고, 이러한 복수의 수용체를 포함하는 센서부(110)는 서로 다른 위치에 복수 개 구비되어 어레이 형태로 나열될 수 있다.
연산부(120)는 센서부(110)에서 검출된 냄새 분자의 농도 분포를 산출할 수 있다. 이 경우, 연산부(120)는 센서부(110)에서 검출된 냄새 분자 각각에 대한 농도 경사 벡터를 산출할 수 있다. 이 때, 연산부(120)는 도 6a 및 6b에서 후술하는 것과 같이, 각각의 화학종에 대한 확산 방정식을 이용하여 냄새 분자의 농도 분포와 농도 경사 벡터를 산출할 수 있다. 또한, 연산부(120)는 확산 방정식을 이용하여 냄새 분자의 확산 속도와 경로를 산출할 수 있다.
구체적으로, 연산부(120)는 복수의 센서부(110) 각각에서 검출된 냄새 분자의 농도 분포를 매칭할 수 있다. 이 경우, 연산부(120)는 동일한 시간에 센서부(110) 각각에서 검출된 냄새 분자의 농도에 기초하여 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 산출할 수 있다. 또한, 연산부(120)는 센서부(110) 각각에서 동일한 농도의 냄새 분자를 검출하는데 걸리는 시간에 기초하여 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 산출할 수 있다.
변환부(130)는 냄새 분자의 농도 분포를 영상용 포맷으로 변환할 수 있다. 즉, 변환부(130)는 연산부(120)에서 산출된 냄새 분자의 농도 분포를 VR 또는 AR 등의 영상 기기에 구현하기 위해 데이터의 포맷을 변환할 수 있다. 이 경우, 변환부(130)는 냄새 분자의 농도 분포를 좌표 형태로 가상 공간 상에 입력할 수 있다. 또한, 변환부(130)는 사용자의 시점과 가상 공간의 시점을 동기화시킬 수 있다.
디스플레이부(140)는 산출된 냄새 분자의 농도 분포를 가상 공간에 시각적으로 표시할 수 있다. 이 경우, 디스플레이부(140)는 냄새 분자의 농도 분포를 좌표 형태로 표시할 수 있다. 예를 들면, 디스플레이부(140)는 냄새 분자의 농도 분포를 3차원 농도 그라데이션으로 표시할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며 디스플레이부(140)는 냄새 분자의 농도 분포를 점이나 색상 등 다양한 형태로 표시할 수 있다.
데이터베이스(150)는 연산부(120)에서 산출된 냄새 분자의 농도 분포, 확산 경로, 확산 속도 등 각종 데이터를 저장할 수 있다. 이 때, 데이터베이스(150)는 본 발명의 냄새 시각화 장치(100)에 포함되거나, 외부 서버에 포함되어 냄새 시각화 장치(100)와 통신하도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의하면, 냄새 분자를 검출할 수 있는 센서를 영상 디지털 기기와 결합함으로써, 냄새의 시각화를 구현할 수 있고 사용자가 냄새 분자의 농도 분포를 정확하고 용이하게 파악할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 센서 플랫폼을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 센서 플랫폼은 그래핀 필름 상에 전원 공급 및 데이터 송수신기, 카다베린 검출기, VBN(Volatile Basic Nitrogen) 검출기, NO2 검출기 및 VOC(Volatile Organic Compounds) 검출기를 포함할 수 있다.
전원 공급 및 데이터 송수신기는 냄새 시각화 장치의 센서 플랫폼에 전력을 공급하고, 각종 데이터를 송수신할 수 있다. 예를 들면, 전원 공급 및 데이터 송수신기는 전원 공급용 배터리와 무선 통신 기기(예를 들면, 블루투스, NFC 태그 등)를 포함할 수 있다.
카다베린 검출기는 공간 상에 포함되어 있는 카다베린을 검출할 수 있다. 이 때, 카다베린 검출기는 후술하는 바와 같이 카다베린과 반응하는 후각 수용체를 포함할 수 있다.
VBN 검출기, NO2 검출기 및 VOC 검출기는 각각 공간 상의 휘발성 염기 질소, 이산화 질소 및 휘발성 유기 화합물을 검출할 수 있다. 그러나, 도 2에 나타낸 검출기들은 예시적인 것으로서 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 다양한 화학종을 검출하는 검출기들이 포함될 수 있다.
한편, 도 2에 나타낸 그래핀 필름은 카다베린 후각 수용체를 높은 전하 이동도를 가진 그래핀에 결합시켜서, 카본나노튜브 기반의 센서에 비하여 약 100 배 향상된 검출 효율을 보여주며, 검출 한계가 0.1 fM로서 액상의 카다베린 뿐만 아니라 기상의 카다베린까지도 동시에 검출해 낼 수 있다.
또한, 도 2의 그래핀 필름은 유심칩 형태로 제작이 되어서 센서를 소형화 시킬 수 있고, 이에 따라 휴대용 전자식 가스 센서의 PCB 기판에 장착됨으로써, 육류의 신선도를 매우 간편하고 정확하게 실시간으로 판별할 수 있는 효과도 가질 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의해 카다베린을 검출한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의해 푸트레신을 검출한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3a 및 3b는 소고기 내에서 발생되는 카다베린과 푸트레신을 실시간으로 검출한 것이다. 이 때, 도 3a 및 3b의 가로축은 시간(분)을 나타내고, 세로축은 저항 변화율(%)을 나타낸다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 냄새 시각화 장치의 센서부에서 일정 수준의 저항 변화율이 유지되다가 약 16시간(1000분)이 지난 후부터 저항의 변화가 급격히 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 소고기로부터 발생되는 카다베린이 초기에는 조금씩 발생되다가, 소고기가 부패되기 시작하는 약 16시간이 지난 후부터 급격하게 발생하는 것을 알 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 냄새 시각화 장치의 센서부에서 일정 수준의 저항 변화율이 유지되다가 약 16시간(1000분)이 지난 후부터 저항의 변화가 급격히 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 소고기로부터 발생되는 푸트레신 또한 초기에는 서서히 발생되다가, 소고기가 부패되기 시작하는 약 16시간(1000분)이 지난 후부터 급격하게 발생하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의하면, 센서부에서의 저항 변화를 감지함으로써, 냄새 분자를 검출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 수용체가 부착된 센서를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 센서에는 카벤 화합물을 포함하는 그래핀 필름, 카다베린 나노 디스크, 푸트레신 리셉터, 황화수소 센서, 암모니아 센서를 포함할 수 있다.
카다베린 나노 디스크는 카다베린과 화학 반응을 하는 수용체를 포함하여 카다베린을 검출할 수 있으며, 푸트레신 리셉터는 푸트레신과 화학 반응을 하는 수용체를 포함하여 푸트레신을 검출할 수 있다.
예를 들면, 카다베린 나노 디스크는 하기의 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
한편, 푸트레신 리셉터는 하기의 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
즉, 화학식 1로 표시되는 화합물은 카다베린과 선택적으로 반응하며, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 푸트레신과 선택적으로 반응할 수 있다.
그러나, 본 발명의 수용체가 이들 화합물에 제한되는 것은 아니며 카다베린, 푸트레신 또는 그 외의 화학종에 대해 반응할 수 있는 각종 화합물들과 반응할 수 있는 다양한 수용체들이 사용될 수 있을 것이다.
또한, 그래핀/마이크로 패턴 카벤 화합물은 미세 패턴화된 그래핀을 포함할 수 있다. 이 때, 패턴화된 그래핀 표면의 일부에는 하기의 화학식 1로 표시되는 카벤 화합물이 결합될 수 있으며, 상기 패턴화된 그래핀 표면 중 하기의 화학식 1이 결합되지 않은 부위에는 하기의 화학식 2로 표시되는 카벤 화합물이 결합될 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에 있어서,
R1, R2, R5 및 R6은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기이거나,
R3, R4, R7, R8, R9 및 R10은 서로 같거나 상이하고 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하고,
R3 및 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이고,
R7 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조이거나, R7 내지 R10 중 서로 인접한 두 개 이상의 치환기가 결합하여 탄화수소 고리를 형성하는 경우 상기 탄화수소 고리를 형성하는 탄소에 결합된 수소 중 적어도 하나는 하기 화학식 3으로 표시되는 구조로 치환되고,
[화학식 3]
상기 화학식 3에 있어서,
n은 괄호 내 단위의 반복 수로 3 내지 30의 정수이고,
A는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기 또는 질소(N) 원자를 포함하는 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기일 수 있다.
즉, 상기 카다베린 후각 수용체는 상기 그래핀 표면에 상기 화학식 1 또는 2로 표시되는 카벤 화합물을 링커로 하여 결합(고정화)될 수 있다. 또한, 상기 카다베린 후각 수용체는 trace amine-associated receptor 13c(Taar13c)를 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명의 그래핀 필름에 포함되는 카벤 화합물은 상기 화학식 1 내지 3에 제한되는 것은 아니며, 그 외에도 다양한 종류의 카벤 화합물이 그래핀 필름에 포함될 수 있다.
또한, 황화수소 센서와 암모니아 센서는 각각 황화수소와 암모니아와 반응하는 수용체를 통해 이들 냄새 분자를 검출하는 센서로서, 전술한 바와 같이 종래에 사용되는 센서일 수 있다.
한편, 도 4의 센서 형태는 예시적인 것으로서, 본 발명의 냄새 시각화 장치에 포함되는 센서가 이에 제한되는 것은 아니며, 도 4에 나타낸 화학종 이외에도 다양한 종류의 화학종을 검출하기 위한 수용체를 포함할 수 있고, 이들 수용체와 결합할 수 있는 각종 형태의 필름이 사용될 수 있다.
도 5는 도 4의 센서를 이용하여 일정 주기로 카다베린과 푸트레신을 검출한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 5의 그래프에서 가로축은 시간(초)을 나타내고, 세로축은 저항 변화율(%)을 나타낸다. 도 5의 경우, 도 4에 나타낸 센서에 200 내지 500초의 구간, 700 내지 1000초의 구간, 1200 내지 1500초의 구간 동안 카다베린과 푸트레신을 공급하여 주었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 일정한 주기로 카다베린과 푸트레신을 공급한 결과, 해당 주기에서 카다베린과 푸트레신 검출에 의해 저항 변화율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치는 각종 냄새 분자와 선택적으로 반응하는 수용체를 포함하는 센서 플랫폼을 통해 공간 상에 있는 복수의 냄새 분자를 실시간으로 검출할 수 있다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에서 냄새 분자의 농도 분포를 검출하기 위한 확산 모델을 나타내는 도면이다. 도 6a 및 6b 의 가로축은 거리를 나타내고, 세로축은 농도를 나타낸다. 또한, 도 6a 및 6b는 시간이 각각 1초, 101초, 501초일 때의 농도 변화를 나타내고, 0.6, 0.7, 0.8(상대값)의 서로 다른 위치에 배치된 3개의 센서에서 농도를 측정하는 것을 나타낸다.
도 6a는 특정 화학종 A가 측정 공간 상에 존재할 때, 화학종 A의 추가적인 유입이 없는 상태에서의 확산을 가정하여 나타낸 것이다. 이 때, 화학종 A는 초기에 x=0.5에 위치한 것으로 가정하며, 측정 공간 내의 농도차로 인하여 점차 확산된다.
이 경우, 시간의 변화에 따른 화학종 A의 농도 변화는 픽스 제2 법칙(Fick's second law)에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서,
c = 화학종 A의 농도
t = 시간
x = 화학종 A의 위치
또한, 0.6, 0.7, 0.8의 고정된 3개의 지점에서 동일한 시간(t)에 대해 화학종 A의 농도를 측정한 경우 도 6b에 나타낸 바와 같이 동일 시간의 확산 모델을 구축할 수 있다.
예를 들면, no flux 조건에서의 일반해는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서,
c = 화학종 A의 농도
c0 = 화학종 A의 초기 농도
D = 화학종 A의 확산 계수
t = 시간
h = 정의된 공간에서의 확산 범위
x = 화학종 A의 위치
그러나, 상기 식은 no flux 조건에서의 일반식을 예시적으로 나타낸 것이며, 측정 공간의 조건에 따라 식은 달라질 수 있다.
이 경우, 확산 화학종 A에 대한 3개의 지점에 위치한 센서에서의 측정 결과는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
, ,
이 때, 상술한 확산 방정식에서 c(x, t), x, D는 측정되거나 미리 입력이 가능한 값이다. 다만, 여기서 미리 주어지지 않은 값인 c0, t는 수치 해석을 이용하여 본 발명의 냄새 시각화 장치의 센서에서 측정된 결과를 통해 추출할 수 있다.
이와 같이, 완성된 확산 방정식을 이용하여 1차원 공간 내부에서의 확산 농도 분포를 실시간으로 표현할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 각 센서에서 검출한 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 서로 다른 위치에 배치된 센서 1 내지 3에서 검출된 농도 데이터를 통해 동일 시간에 대해 검출된 냄새 분자의 농도 경사 벡터(예를 들면, 도 7의 Case 1 내지 3 중 하나에 해당)를 나타낼 수 있다.
이 경우, 각 센서의 위치에 기초하여 나타낸 Case 1 내지 3 중 어느 하나에 해당하는 농도 경사 벡터를 이용하여 1차원의 x축과 y축 내부 농도 분포 곡선을 산출할 수 있다. 구체적으로, 먼저 x축에 대한 농도 분포 곡선을 산출하고, x축에 대한 시간대별로 산출된 농도 분포 곡선을 통해 y축에 대한 농도 분포 곡선을 역산할 수 있다.
또한, 도 7에서 산출된 x축과 y축의 1차원 농도 분포 곡선은 후술하는 바와 같이, 병합하여 3차원 공간에서의 농도 그라데이션을 산출할 수 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 각 센서에서 검출한 냄새 분자의 3차원 농도 그라데이션을 나타내는 도면이다. 이 때, 도 8a 및 8b의 3차원 농도 그라데이션은 도 7에서 전술한 방법에 따라 1차원 x축 및 y축 농도 분포 곡선을 통해 도출할 수 있다.
도 8a를 참조하면, Case 1의 3차원 농도 그라데이션을 나타내고 있다. 이 때, 3차원 농도 그라데이션에서 색상이 같은 부분은 동일한 농도를 나타낸다. 도 8a의 사각형으로 나타낸 바와 같이, 센서 1 내지 3에서 동일한 농도를 검출하는데 걸리는 시간이 모두 상이할 수 있다. 즉, 도 8a에서 사각형으로 나타낸 부분에 해당하는 농도를 검출하는데 걸리는 시간은 센서 1이 가장 빠르고 센서 3이 가장 느림을 알 수 있다. 이와 같이, 각각의 센서에서 특정 농도를 검출하는 시간을 측정함으로써 농도 분포 곡선을 산출할 수 있다.
한편, 도 8b를 참조하면, Case 3의 3차원 농도 그라데이션을 나타내고 있다. 도 8a와 마찬가지로, 도 8b의 경우에도 사각형으로 나타낸 바와 같이, 센서 1 내지 3에서 동일한 농도를 검출하는데 걸리는 시간이 상이할 수 있다. 즉, 도 8b의 사각형에 해당하는 농도를 검출하는데 걸리는 시간은 센서 2가 가장 빠르고 센서 1과 3가 상대적으로 느림을 알 수 있다. 이와 같이, 도 8b의 경우에도 각각의 센서에서 특정 농도를 검출하는 시간을 측정함으로써 농도 분포 곡선을 산출할 수 있다.
이처럼, 전술한 방법에 의해 동시간 대의 농도 분포 곡선을 산출하고, 이를 시간대 별로 누적하여 병합함으로써 전체 시간에 대한 3차원 공간의 농도 그라데이션을 산출할 수 있다. 또한, 도 8a 및 8b를 통해 설명한 바와 같이, 동시간 대에 각각의 센서에서 측정된 농도뿐 아니라, 각각의 센서에서 동일한 농도를 검출하는데 걸리는 시간을 통해서도 농도 분포 곡선을 산출할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치에 의해 냄새의 시각화를 구현하는 모습을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 냄새 시각화 장치의 센서에서 부패한 소고기로부터 발생하는 카다베린을 검출하여 AR 모니터 화면 상에 나타내고 있다. 또한, 사용자는 AR 모니터를 착용하여 모니터 화면 상에서 카다베린의 농도 분포를 가상 공간 내에서 확인할 수 있다.
이 경우, 사용자의 AR 모니터에는 도 8a 및 8b에서 나타낸 바와 같이 카다베린에 대한 3차원 농도 그라데이션이 나타날 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 카다베린의 농도 분포는 다양한 형태로 표시될 수 있다.
도 9에서는 AR 영상 기기를 통해 검출된 냄새 분자를 시각화 하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며 그 외에도 다양한 영상 기기를 이용하여 검출된 냄새 분자를 시각화할 수 있고, 화면 상에 시각화하는 방법 또한 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 먼저 수용체를 포함하는 센서를 통해 냄새 분자를 검출할 수 있다(S110). 이 경우, 서로 다른 위치에 복수 개 구비되어 각각 냄새 분자를 검출할 수 있다.
그리고, 센서에서 검출된 냄새 분자의 농도 분포를 산출할 수 있다(S120). 이 때, 단계 S120에서는 복수의 센서 각각에서 동일한 시간에 검출된 냄새 분자의 농도값을 매칭하여 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 산출하고, 이들 농도 경사 벡터 데이터를 병합하여 농도 분포 곡선을 도출할 수 있다. 또한, 단계 S120에서는 복수의 센서 각각에서 동일한 농도의 냄새 분자를 검출하는데 걸리는 시간에 기초하여 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 산출할 수 있다.
다음으로, 냄새 분자의 농도 분포를 영상용 포맷으로 변환할 수 있다(S130). 즉, 단계 S130에서는 단계 S120에서 산출된 냄새 분자의 농도 분포를 VR 또는 AR 등의 영상 기기에 구현하기 위해 데이터의 포맷을 변환하고, 사용자의 시점과 가상 공간의 시점을 동기화시킬 수 있다. 또한, 단계 S130에서는 냄새 분자의 농도 분포를 좌표 형태로 가상 공간 상에 입력할 수 있다.
단계 S140에서는 단계 S130에서 산출된 냄새 분자의 농도 분포를 가상 공간에 시각적으로 표시할 수 있다. 즉, 단계 S140에서는 VR 또는 AR 영상 기기의 모니터 등에 측정 공간의 측정 대상 냄새 분자의 농도 분포를 표시할 수 있다. 이 때, 냄새 분자의 농도 분포를 좌표 형태, 예를 들면, 3차원 농도 그라데이션 형태로 표시될 수 있다.
한편, 도 10에는 나타내지 않았으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 방법은 확산 방정식을 이용하여 냄새 분자의 확산 속도와 경로를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 냄새 시각화 방법에 따르면, 냄새 분자를 검출할 수 있는 센서를 영상 디지털 기기와 결합함으로써, 냄새의 시각화를 구현할 수 있고 사용자가 냄새 분자의 농도 분포를 정확하고 용이하게 파악할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화의 측정 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 먼저 측정을 하기 위한 공간과 검출 대상인 화학종을 정의하고(S205, S210), 측정 공간 내부의 온도를 측정한다(S215).
그리고, 냄새 시각화 장치에 서로 다른 위치에 구비된 복수의 센서로부터 센싱 데이터를 수신한다(S220). 만약, 센싱 데이터에 경사가 존재하지 않는 경우(NO), 다시 단계 S220으로 되돌아가 냄새 분자의 검출을 수행한다.
한편, 복수의 센서에서 측정된 센싱 데이터에 경사가 존재하는 경우(YES), 복수의 센서에서 측정된 센싱 데이터를 통해 농도 경사 벡터를 산출하여 표시한다(S230).
그리고, 정의된 공간과 환경 조건에 대응하는 확산 방정식을 정의한다(S235). 예를 들면, 정의된 확산 방정식은 전술한 바와 같이 no flux 조건에서의 일반해일 수 있으나, 이에 제한되지는 않으며 조건에 따라 상이할 수 있다. 다음으로, 정의된 확산 방정식에 c0, t의 사전 결정된 초기값을 입력한다(S240).
만약, 입력된 초기값에 따른 방정식의 값이 오차범위(예를 들면, 0.1%) 이상인 경우(N0), c0와 t에 대해 증분값을 입력하여 다시 확산 방정식에 대입한다(S250).
한편, 입력된 초기값에 따른 방정식의 값이 오차범위 미만인 경우(YES), 최종 결정된 c0와 t를 이용하여 정의된 공간 내부의 화학종에 대한 농도 분포 곡선을 산출한다(S255). 그리고, 센서의 위치를 고려하여 1차원 x축 공간에 대한 내부 농도 그라데이션을 출력한다(S260). 이 때, x축 공간에 대한 내부 농도 그라데이션은 도 6a 및 도 6b와 같이 나타낼 수 있다.
다음으로, 정의된 확산 방정식에 c0와 c의 사전 결정된 초기값을 입력한다(S265). 만약, 입력된 초기값에 따른 방정식의 값이 오차범위(예를 들면, 0.1%) 이상인 경우(N0), c0와 c에 대해 증분값을 입력하여 다시 확산 방정식에 대입한다(S275).
한편, 입력된 초기값에 따른 방정식의 값이 오차범위 미만인 경우(YES), 최종 결정된 c0와 c를 이용하여 센서의 위치를 고려한 1차원 y축 공간에 대한 내부 농도 그라데이션을 출력한다(S280). 이 때, 1차원 y축 공간에 대한 내부 농도 그라데이션은 단계 S260에서 산출된 x축에 대한 공간 내부 농도 그라데이션의 시간대별 데이터를 이용하여 산출될 수 있다.
그리고, x축과 y축의 1차원 농도 그라데이션을 병합하고(S285), 센서의 위치를 기준으로 한 3차원 공간의 농도 그라데이션을 출력할 수 있다(S290). 이 때, 출력되는 3차원 농도 그라데이션은 도 8a 및 8b의 형태로 나타낼 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치의 하드웨어 구성을 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냄새 시각화 장치(10)는 CPU(12), 메모리(14), 입출력 I/F(16) 및 통신 I/F(18)를 포함할 수 있다.
CPU(12)는 메모리(14)에 저장되어 있는 냄새 시각화 프로그램을 실행시키고, 냄새 시각화를 위한 각종 데이터를 처리하며, 냄새 시각화 장치의 각종 기능들을 수행하는 프로세서일 수 있다.
즉, CPU(12)는 메모리(14)에 저장된 있는 냄새 시각화 프로그램을 실행시킴으로써, 도 1의 연산부(120), 변환부(130) 등의 기능들을 수행하도록 할 수 있다.
메모리(14)는 냄새 시각화 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(14)는 전술한 데이터베이스(150)에 포함된 냄새 분자의 농도 분포, 확산 경로, 확산 속도 등에 관한 데이터를 저장할 수 있다.
이러한 메모리(14)는 필요에 따라서 복수 개 마련될 수도 있을 것이다. 메모리(14)는 휘발성 메모리일 수도 있으며 비휘발성 메모리일 수 있다. 휘발성 메모리로서의 메모리(14)는 RAM, DRAM, SRAM 등이 사용될 수 있다. 비휘발성 메모리로서의 메모리(14)는 ROM, PROM, EAROM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리 등이 사용될 수 있다. 상기 열거한 메모리(14)들의 예를 단지 예시일 뿐이며 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
입출력 I/F(16)는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)와 디스플레이(미도시) 등의 출력 장치와 CPU(12) 사이를 연결하여 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
통신 I/F(18)는 서버와 각종 데이터를 송수신할 수 있는 구성으로서, 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 각종 장치일 수 있다. 예를 들면, 통신 I/F(18)를 통해 별도로 마련된 외부 서버로부터 전술한 냄새 분자의 농도 분포, 확산 경로, 확산 속도 등에 관한 데이터를 수신할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(14)에 기록되고, CPU(12)에 의해 처리됨으로써, 예를 들면 도 1에서 도시한 각 기능 블록들을 수행하는 모듈로서 구현될 수도 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
12: CPU 14: 메모리
16: 입출력 I/F 18: 통신 I/F
10, 100: 냄새 시각화 장치 110: 센서부
120: 연산부 130: 변환부
140: 디스플레이부 150: 데이터베이스
16: 입출력 I/F 18: 통신 I/F
10, 100: 냄새 시각화 장치 110: 센서부
120: 연산부 130: 변환부
140: 디스플레이부 150: 데이터베이스
Claims (18)
- 수용체를 통해 냄새 분자를 검출하는 복수의 센서부;
상기 센서부에서 검출된 냄새 분자의 농도 분포를 산출하는 연산부;
상기 냄새 분자의 농도 분포를 영상용 포맷으로 변환하는 변환부; 및
상기 냄새 분자의 농도 분포를 가상 공간에 시각적으로 표시하는 디스플레이부를 포함하고,
상기 연산부는,
상기 복수의 센서부 각각에서 검출된 냄새 분자의 농도 분포를 매칭하고, 상기 센서부 각각에서 동일한 농도의 상기 냄새 분자를 검출하는데 걸리는 시간에 기초하여 상기 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 산출하는 냄새 시각화 장치. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 연산부는 동일한 시간에 상기 센서부 각각에서 검출된 냄새 분자의 농도에 기초하여 상기 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 산출하는 냄새 시각화 장치. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 연산부는 확산 방정식을 이용하여 상기 냄새 분자의 확산 속도와 경로를 산출하는 냄새 시각화 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 변환부는 사용자의 시점과 상기 가상 공간의 시점을 동기화시키는 냄새 시각화 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 디스플레이부는 상기 냄새 분자의 농도 분포를 좌표 형태로 표시하는 냄새 시각화 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 디스플레이부는 상기 냄새 분자의 농도 분포를 3차원 농도 그라데이션으로 표시하는 냄새 시각화 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 센서부의 수용체는 카다베린 수용체와 푸트레신 수용체를 포함하는 냄새 시각화 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 연산부에서 산출된 냄새 분자의 농도 분포를 저장하는 데이터베이스를 더 포함하는 냄새 시각화 장치. - 수용체를 포함하는 복수의 센서를 통해 냄새 분자를 검출하는 단계;
검출된 냄새 분자의 농도 분포를 산출하는 단계;
상기 냄새 분자의 농도 분포를 영상용 포맷으로 변환하는 단계;
상기 냄새 분자의 농도 분포를 가상 공간에 시각적으로 표시하는 단계;
상기 복수의 센서 각각에서 검출된 냄새 분자의 농도 분포를 매칭하는 단계; 및
상기 복수의 센서 각각에서 동일한 농도의 상기 냄새 분자를 검출하는데 걸리는 시간에 기초하여 상기 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 산출하는 단계를 포함하는 냄새 시각화 방법. - 삭제
- 청구항 11에 있어서,
동일한 시간에 상기 복수의 센서 각각에서 검출된 냄새 분자의 농도에 기초하여 상기 냄새 분자의 농도 경사 벡터를 산출하는 단계를 더 포함하는 냄새 시각화 방법. - 삭제
- 청구항 11에 있어서,
확산 방정식을 이용하여 상기 냄새 분자의 확산 속도와 경로를 산출하는 단계를 더 포함하는 냄새 시각화 방법. - 청구항 11에 있어서,
사용자의 시점과 상기 가상 공간의 시점을 동기화시키는 단계를 더 포함하는 냄새 시각화 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 상기 냄새 분자의 농도 분포를 가상 공간에 시각적으로 표시하는 단계는 상기 냄새 분자의 농도 분포를 좌표 형태로 표시하는 냄새 시각화 방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 상기 냄새 분자의 농도 분포를 가상 공간에 시각적으로 표시하는 단계는 상기 냄새 분자의 농도 분포를 3차원 농도 그라데이션으로 표시하는 냄새 시각화 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190147072A KR102658670B1 (ko) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | 냄새 시각화 장치 및 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190147072A KR102658670B1 (ko) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | 냄새 시각화 장치 및 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210059530A KR20210059530A (ko) | 2021-05-25 |
| KR102658670B1 true KR102658670B1 (ko) | 2024-04-19 |
Family
ID=76145742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190147072A KR102658670B1 (ko) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | 냄새 시각화 장치 및 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102658670B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005030909A (ja) * | 2003-07-11 | 2005-02-03 | Shimadzu Corp | におい分布測定方法並びに装置、及びにおい発生源特定装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102357741B1 (ko) * | 2015-05-06 | 2022-02-03 | 삼성전자주식회사 | 가스 처리 방법 빛 그 전자 장치 |
-
2019
- 2019-11-15 KR KR1020190147072A patent/KR102658670B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005030909A (ja) * | 2003-07-11 | 2005-02-03 | Shimadzu Corp | におい分布測定方法並びに装置、及びにおい発生源特定装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210059530A (ko) | 2021-05-25 |
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