KR20170011356A - 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 미소 입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소 입자 검출 방법은, 측정 채널을 가지는 바디; 인가 전극; 측정 전극; 및 상기 바디의 채널을 흐르는 유체의 전기전도도를 파악하여, 그 전기전도도에 대응하는 전압을 상기 인가 전극에 인가하는 신호처리 유닛;를 포함함으로써, 용매의 전기전도도에 상관없이 액체 내의 입자를 용이하게 계수할 수 있어 각종 가전제품에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 휴대용으로 제작하여 상시적으로 식수의 청결도를 확인할 수 있다.

Description

미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법{DETECTOR FOR PARTICLE SIZE AND METHOD FOR DETCTING USING THE SAME}

본 발명은 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법에 관한 것으로, 특히 유체의 종류에 따라 인가되는 전압을 가변하여 유체 내의 미소입자를 계수할 수 있는 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법에 관한 것이다.

액체 내 미소입자(이하, 입자로 약칭함)의 농도를 측정할 때 사용하는 방법으로는 전기식 측정법이나 광학적 측정법이 주로 알려져 있다.

전기적 측정법은 측정하고자 하는 영역 안에 전압을 인가하기 위한 전극과 측정 신호를 얻기 위한 전극으로 구성되어 있다. 이 두 전극 영역 안에서 입자의 농도에 따라 측정 전압이 변하는 유체의 전기적 특성을 이용하여 입자를 계수하는 것으로, 제작이 간편하고 값이 싸며 구현이 쉬운 장점이 있다. 하지만, 유체의 전기전도도를 측정하는 방식이기 때문에 용액의 전기전도도 자체에 크게 영향을 받게 되므로 실제 입자를 계수할 수 있는 용액가 제한되는 단점이 있다.

반면, 광학식 측정법은 별도로 제작된 광원과 정밀도가 높은 수광부 사이에 측정하고자 하는 액체가 흘러가도록 구성되어 있다. 이 방식은 외부에서 인가된 특정 파장의 빛으로 얻은 이미지 신호만을 검출하기 때문에 유체의 종류에 관계없이 빛의 투과 경로만 확보되면 측정할 수 있다. 따라서, 전기적 측정법에 비해 유체의 제한을 받지 않는 장점이 있다. 하지만, 짧은 시간 내에 마이크로 단위 크기를 갖는 작은 입자의 통과 유무를 검출해 내야 하기 때문에, 분해능과 샘플링 속도가 좋은 높은 사양의 수광부가 필요하게 된다. 따라서 이를 장착하기 위한 추가적인 공간이 필요하고 고비용이 필요하다는 단점이 있다. 이를 감안하여 특정 파장 대의 필터와 광원을 이용한 방식으로 검출 신호의 크기를 높이는 방법이 있지만, 이 방법 역시 사용자가 측정하기 전에 형광 염색 등 별도의 처리 과정을 진행해야 한다는 점에서 번거롭고 사용자의 전문성이 요구되는 한계가 있다. 따라서, 상대적으로 저렴하며 검출 작업이 용이한 전기적 측정법이 널리 사용되고 있다.

그러나, 종래의 전기적 측정법이 적용된 미소입자 검출 장치는, 앞서 설명한 바와 같이 그 특성상 입자의 농도를 측정할 수 있는 용액이 상당히 제한적이라는 한계를 가지고 있다. 최근에는 입자의 진입 조건에 따라 신호가 들어오는 트리거를 설정하여 측정하는 '미소입자 검출 장치'(한국특허 등록 번호 : 제1136821호)와 같은 기술이 제안되고 있다. 하지만, 이러한 방식 역시 측정하기에 유리한 특정 전기전도도를 갖는 용액에 대해서만 입자의 측정이 가능하다는 전기적 측정법의 한계를 그대로 가지고 있다. 이러한 한계로 인해 제약회사의 실험실과 같은 전문적인 기관에서만 사용할 뿐 정수기, 에어컨과 같이 가전제품에 범용적으로 적용하기에는 기술적으로 어려움이 있었다.

또, 종래의 전기적 측정법이 적용된 미소입자 검출 장치는, 입자 계수 방법에 대해 전문적인 교육을 받고 통제된 환경에서 실험하는 사람들에게만 사용이 가능하지만, 일반인이 사용하기에는 어려움이 있어 개별 제품으로 상용화하거나 휴대가 가능하도록 소형화하지 못하는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은, 최적의 전압을 인가하여 용액의 종류에 관계없이 용액 내 입자를 계수할 수 있는 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법을 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 측정 대상을 확대하여 가전제품에 용이하게 결합할 수 있는 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 액체 내 입자의 유무 측정 결과를 외부로 표시할 수 있는 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 측정 결과에 따라 그 미소입자 검출 장치가 장착된 가전제품의 살균이나 교체, 보수가 필요한 시점을 알려주거나, 또는 해당 가전제품의 제어 시스템과 연동될 수 있는 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기후 변화 및 주변 환경의 오염으로 인한 안전한 물에 대한 요구에 부응할 수 있도록 소형화하여 휴대용으로 사용할 수 있는 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 미소입자를 포함하는 유체의 유동공간을 이루며, 입구와 출구가 일정 간격을 두고 형성되고, 상기 입구와 출구 사이의 유동공간 중간에 측정 채널을 가지는 바디; 상기 바디의 일측 채널에 배치되며, 유체에 전압을 인가하는 인가 전극; 상기 측정 채널을 사이에 두고 상기 인가 전극의 반대쪽 채널에 배치되며, 상기 측정 채널을 통과한 유체의 전압을 측정하는 측정 전극; 및 상기 채널에서 흐르는 유체의 전기전도도를 파악하여 그 전기전도도에 대응하는 전압을 상기 인가 전극에 인가하는 신호처리 유닛;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 신호처리 유닛은, 상기 측정 전극으로부터 측정된 전압을 받아들이는 입력부; 상기 입력부를 통해 측정 전극으로부터 받아들인 측정 전압을 저장된 기준 전압과 비교하여 최적의 인가 전압을 산출하는 처리부; 및 상기 처리부에서 산출된 최적의 인가 전압을 상기 인가 전극에 전달하는 출력부;로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 입력부는 측정 전극에 전기적으로 연결되어 그 측정 전극을 흐르는 전류값을 전압으로 변환하는 제1 검출부(Amp & Filter 1)를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제1 검출부에는 그 제1 검출부를 거친 전압을 증폭시키는 제2 검출부(Amp & Filter 2)가 직렬로 연결되어 더 구비될 수 있다.

그리고, 상기 출력부는 인가 전극에 전기적으로 연결되어 적정 전압을 인가 전극에 제공하는 인가단(DAC & Amp)을 포함하고, 상기 인가단의 일측에는 인가 전극에 교류 전압을 인가할 때 사용되는 발진기(Oscillator)가 더 구비될 수 있다.

그리고, 상기 출력부는 검출 과정 또는 검출 결과를 외부로 표시하는 표시부가 더 구비될 수 있다.

그리고, 상기 출력부는 검출된 결과에 따라 해당 제품의 메인 제어부를 통해 살균 시스템과 연계되도록 상기 제품의 메인 제어부에 전기적으로 연결될 수 있다.

그리고, 상기 신호처리 유닛은, 상기 측정 전극으로부터 측정된 전압을 받아들여 그 측정 전압을 저장된 기준 전압과 비교하여 최적의 인가 전압을 산출하는 검출부(Amp & Filter); 및 상기 검출부에서 산출된 최적의 인가 전압을 인가 전극에 전달하는 출력부;로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 신호처리 유닛은 한 개 또는 복수 개의 연산 증폭기(OP AMP)를 적용하여 전류의 변화를 증폭시킬 수 있다.

그리고, 상기 신호처리 유닛은 저항과 커패시터로 된 소자를 이용하여 전류의 변화를 증폭시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 측정될 샘플이 주입되면 인가 전극에 기준 전압이 인가되는 단계; 측정 전극에서 전압을 측정하는 단계; 측정된 전류값을 분석하여, 용액의 전기전도도에 해당하는 적정 인가 전압을 산출하는 단계; 적정 인가 전압을 인가 전극에 인가되는 단계; 및 인가 전극과 측정 전극 사이에 형성되는 전계의 변화를 통해 액체 내 입자를 계수하는 단계;로 진행하는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 방법이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 적정 인가 전압을 산출하는 단계에서는, 측정값이 기준값보다 크면 인가 전압을 낮추는 반면, 측정값이 기준값보다 작으면 인가 전압을 높이는 과정을 반복하여, 측정값과 기준값이 동일하게 되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 측정 전극에 의해 측정되는 전류값은 필터링과 증폭을 거쳐 주변의 잡음을 배제하고 입자의 움직임에 의한 신호의 특성만을 추출할 수 있다.

본 발명에 의한 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법은, 해당 용매의 전기전도도에 따라 인가 전압을 변경함으로써, 높은 전해질 용액 뿐만 아니라 일반 생수나 정수기처럼 전기전도도가 낮거나, 소금물처럼 전기전도도가 높은 액체 내의 미생물이나 입자를 용이하게 측정할 수 있다.

또, 이를 통해 정수기, 냉장고, 에어컨, 싱크대, 화장실, 세면대와 같은 주변 환경이나 미생물 농도 등의 위생 상태에 대한 정보를 용이하게 취득할 수 있어 환경 오염에 대한 우려를 불식시킬 수 있을 뿐만 아니라, 휴대용 제품으로도 제작이 가능하여 사용자의 활용폭을 더욱 넓힐 수 있다.

도 1A 내지 도 1C는 용액의 전기전도도에 따른 검출 신호 경향을 보인 그래프,
도 2는 동일 용액에서 인가 전압의 차이에 따른 검출 신호의 변화를 보인 그래프,
도 3은 본 발명에 의한 입자 검출 장치를 보인 사시도,
도 4는 도 3에 따른 바디를 보인 평면도,
도 5는 도 4에 따른 바디의 규격을 설명하기 위해 보인 개략도,
도 6은 도 3에 따른 검출신호 유닛을 보인 개략도,
도 7은 본 실시예에 따른 입자 검출 방법을 보인 순서도,
도 8A 및 도 8B는 본 실시예에 따른 미소입자 검출 방법에서, 인가 전압을 조절하기 전과 조절한 후의 검출결과를 각각 보인 그래프,
도 9는 본 실시예에 따른 미소입자 검출 방법에서, 낮은 전기전도도를 가지는 측정 용액에 대한 측정 가능 여부를 종래(쿨터 카운터 방식)와 비교하여 보인 실험표,
도 10은 본 실시예에 따른 미소입자 검출 방법에서, 각종 물의 임피던스가 변할 때 나타나는 전기적 성질을 비교하여 보인 그래프.

본 실시예에 의한 미소입자 검출 장치는 흐르는 유체 내에 포함된 입자의 이동에 따른 전기적 신호의 변화를 측정하여 입자를 계수하는 쿨터 계수 방식이다. 즉, 본 실시예와 같은 쿨터 계수 방식은 박테리아와 같은 아주 작은 입자가 채널 안의 전극 사이를 지나가게 되면 장치에 이미 형성되어 있던 전계 사이에 입자의 부피만큼의 임피던스 변화가 일어나게 되는데, 이러한 임피던스의 변화를 통해 입자가 측정 영역 안에 위치하였음을 인식하는 원리이다.

다만, 이 방식은 전계의 흐름을 비전도성인 입자가 방해하여 생기는 임피던스의 변화를 측정하는 것이기 때문에, 높은 전기전도도의 액체에서 입자 측정이 가능하다. 따라서, 이 방식은 낮은 전기전도도 특성을 지니는 액체 즉, 정수된 물이나 수도물 정도인 수 mS/m의 전기전도도를 갖는 액체에서 측정을 하면 도 1A와 같이 용액 자체의 임피던스가 매우 커서 입자에 의한 임피던스 차이가 적어지게 되므로 인산완충식염수(PBS)에서 검출한 도 1B에 비해 신호 검출이 어려워진다. 반면, 높은 전기전도도 특성을 지니는 액체에서 측정을 하면 도 1C와 같이 회로적 한계로 인해 포화된 상태에서의 측정이 진행된다. 이에 따라 입자에 의한 임피던스가 작아지는 것과 같은 현상을 보일 수 있기 때문에 역시 도 1B에 비해 신호 검출이 어려울 수 있다.

이와 같이 검출 신호의 품질이 나빠지는 것을 보완하기 위한 방법으로는 정밀한 회로 설계, 측정 구조의 변경 등 여러 가지 접근 방법이 있을 수 있지만 도 2와 같이 단순히 측정 영역 안에 흐르는 전압의 세기를 증가시킴으로써 검출 신호의 크기를 높일 수 있다. 이 방법은 측정하고자 하는 채널 안에 전압을 높게 인가해 줌으로써 측정 영역 안에서의 작은 변화가 더 큰 전기적인 특성의 변화로 이어질 수 있다.

하지만, 인가 전압을 높일수록 높은 검출 신호를 얻을 수 있는 것은 아니다. 즉, 측정 영역에 지나치게 높은 전압이 걸리게 되면 균일하지 않은 전기장의 밀도에 의해 발생하는 음의 유전영동력(negative dielectrophoretic force: nDEP force)이 유체가 흐르는 힘보다 더 커질 수 있다. 이 음의 유전영동력이 유체가 흐르는 힘보다 더 커지게 되면 유체의 흐름에 따라 입자가 진행하게 되지 못하므로 설계했던 영역으로 입자를 이동시킬 수 없고 이에 따라 제대로 된 측정을 할 수 없게 된다.

마찬가지로, 낮은 전기전도도에서 측정이 가능한 인가 전압인 높은 전압을 고정하여 사용한다고 하면 측정하고자 하는 시료 자체가 높은 전기전도도의 용매로 바꿀 경우 지나치게 높은 전류가 흐르게 된다. 이와 같은 상황이 발생되면 결과값이 회로적 측정한계에 포화되어 정상적인 신호 검출을 할 수 없고, 측정 전극 주변에 기포가 발생하여 측정 전극이 손상되거나 채널 자체가 막힐 수 있다.

상기와 같은 입자 검출 방법의 특징을 감안하면, 용매가 채널 안으로 들어올 때마다 해당 용매의 전기전도도에 최적화된 전압을 인가 전극에 공급해야 안정된 상태에서 최고의 검출 성능을 확보할 수 있슴을 알 수 있다. 이하, 본 발명에 의한 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법은 해당 용매의 전기전도도에 최적화된 전압을 인가 전극에 공급하는 방식으로, 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 입자 검출 장치를 보인 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 바디를 보인 평면도이며, 도 5는 도 4에 따른 바디의 규격을 설명하기 위해 보인 개략도이고, 도 6은 도 3에 따른 검출신호 유닛을 보인 개략도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 의한 미소입자 검출 장치(이하, 미소입자는 입자로 약칭함)(10)는, 입자를 포함하는 유체의 유동공간을 이루는 채널(103)이 형성되는 바디(100)와, 바디(100)의 채널(103)을 통과하는 유체와 접촉되도록 그 유체의 유동방향을 가로질러 바디(100)의 양측에 배치되는 복수 개의 전극(201)(202)과, 복수 개의 전극(201)(202)을 이용하여 액체 내 입자를 계수하는 신호처리 유닛(300)를 포함할 수 있다.

여기서, 바디(100)와 복수 개의 전극(201)(202), 그리고 신호처리 유닛(300)은 모듈화하여 단일 제품으로 제작될 수도 있지만, 바디(100)와 신호처리 유닛(300)이 분리되어 복수 개의 부분으로 제작될 수도 있다. 예를 들어, 소형화하여 휴대용으로 제작되는 경우에는 바디(100)와 복수 개의 전극(201)(202), 그리고 신호처리 유닛(300)이 단일 제품으로 제작되는 것이 바람직하지만, 가전제품의 부품으로 제작되는 경우에는 바디(100)와 신호처리 유닛(300)이 분리되어 바디(100)는 가전제품의 물 취출구 주변에 부착되는 반면 신호처리 유닛(300)은 가전제품의 메인 제어부에 장착되는 것이 바람직할 수도 있다. 물론, 가전제품의 부품으로 제작되는 경우에도 단일 제품으로 제작될 수도 있다. 이하에서는, 바디와 복수 개의 전극, 신호처리 유닛이 한 개의 모듈로 제작된 예를 중심으로 살펴본다.

본 실시예에 따른 바디는, 제1 기판(101)과 제2 기판(102)이 적층되고, 제1 기판(101)과 제2 기판(102)의 상호 접촉면 사이에 채널(103)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(101)의 상면에 소정의 깊이만큼 음형지게 채널(103)이 형성되고, 제1 기판(101)의 상면에 편평한 제2 기판(102)이 접하도록 적층되어 채널(103)을 복개할 수 있다. 하지만, 바디(101)는 제1 기판(101)의 상면과 제2 기판(102)의 저면에 각각 채널(미도시)이 반씩 형성되어, 소정의 체적을 가지는 채널이 형성될 수도 있다.

채널(103)은 입구측을 이루도록 샘플 주입 유닛(20)이 연결되는 제1 채널(110)과, 출구측을 이루도록 샘플 폐수 유닛(30)이 연결되는 제2 채널(120)과, 측정 채널을 이루도록 제1 채널(110)과 제2 채널(120) 사이를 연결하는 제3 채널(130)로 이루어질 수 있다.

제1 채널(110)과 제2 채널(120)은 서로 대칭되게 형성될 수 있고, 제3 채널(130)은 제1 채널(110)과 제2 채널(120)에 비해 좁은 단면적을 가지도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 유체는 제1 채널(110)의 입구(111)로 유입되어 제3 채널(130)을 통과하여 제2 채널(120)의 출구(121)로 이동할 수 있다.

제1 채널(110)은 제2 채널(120)을 향해, 제2 채널(120)은 제1 채널(110)을 향해 장방형으로 형성되고, 제1 채널(110)과 제2 채널(120)이 서로 마주보는 면에 제3 채널(130)이 형성될 수 있다. 제3 채널(130)은 내경보다 길이가 길게 형성될 수 있다.

여기서, 제3 채널(130)의 길이가 길어지게 될 경우 두 전극(201)(202) 사이에서의 측정 임피던스가 높아질 수 있다. 이 경우, 저전도성의 높은 임피던스를 갖는 용액에서는 측정이 어렵게 되므로, 제1 채널(110)과 제2 채널(120)은 상대적으로 넓게 하여 측정 임피던스 기준을 낮춰놓는 것이 바람직할 수 있다.

제1 채널(110)은 샘플 주입 유닛을 통해 주입되는 유체가 제3 채널(130)에서 막히지 않고 원활하게 유동할 수 있는 정도의 넓이를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이를 위해, 도 5에서와 같이 제1 채널(110)의 폭(d)은 대략 100㎛ ~ 200㎛ 정도, 길이(L1)는 400㎛ 내외가 될 수 있도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이는, 제2 채널(120)도 동일하게 형성될 수 있다.

다만, 제3 채널(130)에 연결되는 제1 채널(110)의 일단에는 유체가 제3 채널(130)로 원활하게 안내될 수 있도록, 제3 채널 방향으로 갈수록 단면적이 좁아지는 제1 안내면(112)이 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 안내면(112)의 길이(f)는 대략 100㎛ 내외가 되도록 형성될 수 있다. 이는 제2 채널(120)에 구비되는 제2 안내면(122)의 경우도 동일하게 형성될 수 있다.

한편, 제1 채널(110)과 제2 채널(120)에는 후술할 인가 전극(201)과 측정 전극(202)이 각각 위치할 수 있다. 인가 전극(201)과 측정 전극(202)은 제1 채널(110)과 제2 채널(120)의 길이방향 중심에 위치하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 채널(110)의 입구단에서 인가 전극(201)의 중심까지의 길이(e)는 대략 200㎛ 내외, 인가 전극(201)의 중심에서 제1 안내면(112)의 시작점까지의 길이(a)는 100㎛ 내외가 되도록 형성될 수 있다. 하지만, 경우에 따라서는 인가 전극(201)과 측정 전극(202)은 제3 채널(130)과 가깝게 위치하도록 제1 안내면(112) 또는 제2 안내면(122) 범위에 배치될 수도 있다.

제3 채널(130)은 제1 채널(110)의 일단과 그 제1 채널(110)의 일단이 대향하는 제2 채널(120)의 일단 사이를 연결할 수 있도록 형성될 수 있다. 제3 채널(130)의 단면적은 검출하려는 입자의 크기에 따라 달라질 수 있으나, 그 폭(c)이 대략 1㎛ ~ 20㎛, 길이(g)가 대략 20㎛ 정도가 될 수 있도록 형성되는 것이 일반적인 박테리아를 포함한 미생물 등의 검출용으로 바람직할 수 있다.

또, 제3 채널(130)은 측정하려는 입자 크기의 2배~50배 크기의 단면적을 갖도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

한편, 바디(100)는 포토리소그래피, 결정 구조의 성장 및 에칭을 포함하는 반도체 제조 공정들에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 바디(100)는 폴리머 물질, 무기 물질 등을 이용하여 형성할 수 있다. 폴리머 물질의 예로서는, PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA(polymethylmethacrlyate) 등을 들 수 있다. 무기 재료의 예로서는, 유리, 석영, 실리콘 등을 들 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 샘플 주입 유닛(20)은 기계적 원리(외부 주사기 펌프, 공압 멤브레인 펌프, 진동 멤브레인 펌프, 진공 장치, 원심력 및 모세관 작용), 전기 또는 자기적 원리(전기 유체 역학 펌프 및 자기 유체 역학 펌프), 열역학적 원리 등을 이용하여 작동할 수 있도록 이루어질 수 있다.

또, 샘플 주입 유닛(20)은 상기 유체 샘플의 양측에 층을 이루는 버퍼 유체(sheath flows)를 유체 샘플과 함께 공급함으로써 유체 샘플이 균일하게 흐를 수 있도록 할 수도 있다.

한편, 본 실시예에 따른 복수 개의 전극은 제1 채널(110)에 구비되어 해당 유체의 종류에 따라 최적의 전압이 인가되는 인가 전극(201)과, 제2 채널(120)에 구비되어 입자에 의해 변화된 전압을 측정하는 측정 전극(202)으로 이루어질 수 있다. 인가 전극(201)과 측정 전극(202)은 제3 채널(130)을 중심으로 동일한 간격을 두고 배치될 수도 있다.

또, 인가 전극(201)과 측정 전극(202)은 반도체 공정을 포함한 쉽게 제작할 수 있는 Pt, Cr, Ti, Cu, Ag, Au, Al 등의 금속 재료 혹은 gel 형태의 전극으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

또, 인가 전극(201)과 측정 전극(202)의 폭(b)은 대략 5um ~ 100um 범위의 크기를 가지도록 형성될 수 있다. 하지만, 인가 전극(201)과 측정 전극(202)의 폭은 제1 채널(110)의 길이 또는 제2 채널(120)의 길이 대비 20% 이내로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

또, 인가 전극(201)과 측정 전극(202)에 인가되는 전압의 범위는 각각 0.1V ~ 50V 범위로 인가되는 것이 바람직할 수 있다.

또, 인가되는 전압을 AC전압을 사용할 경우 주파수 범위는 대략 100Hz~10MHz 까지의 주파수 대역을 갖도록 인가되는 것이 바람직할 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 신호처리 유닛(300)은, 측정 전극(202)으로부터 측정된 전압을 받아들이는 입력부(310), 입력부(310)를 통해 측정 전극(202)으로부터 받아들인 측정 전압을 이미 저장된 기준 전압과 비교하여 최적의 인가 전압을 산출하는 처리부(320), 처리부(320)에서 산출된 최적의 인가 전압을 인가 전극(201)에 전달하는 출력부(330)로 이루어질 수 있다.

입력부(310)는 측정 전극(202)에 전기적으로 연결되어 그 측정 전극(202)을 흐르는 전류값을 전압으로 변환하는 제1 검출부(Amp & Filter 1)(311)를 포함할 수 있다.

그리고, 제1 검출부(311)에는 그 제1 검출부(311)를 거친 전압을 증폭시키는 제2 검출부(Amp & Filter 2)(312)가 직렬로 연결되어 더 구비될 수도 있지만, 경우에 따라서는 제2 검출부(312)는 생략되거나 또는 복수 개의 검출부가 추가로 더 구비될 수도 있다.

제2 검출부(312)는 제1 검출부(311)와 같이 후술할 처리부(320)에 전기적으로 연결될 수도 있지만, 처리부(320)를 거치지 않고 자체적으로 적정 전압 여부를 비교할 수도 있다. 제1 검출부(311) 역시 처리부(320)를 거치지 않고 적정 전압 여부를 비교할 수 있다.

제2 검출부(312)는 한 개 또는 복수 개의 연산 증폭기(OP AMP)를 적용하여 전류의 변화를 증폭할 수도 있지만, 저항과 커패시터로만 만들어진 소자로도 그 성능을 대체할 수 있다.

처리부(320)는 제1 검출부(311)에 직접 전기적으로 연결될 수도 있고, 제1 검출부(311)가 연결된 제2 검출부(312)에 전기적으로 연결될 수도 있다. 그리고 처리부(320)는 기준 전압과 검출된 측정 전압을 비교하여 현재의 인가 전압이 적정한지를 판단하며, 판단에 따라 적정한 인가 전압을 산출할 수 있다.

또, 처리부(320)는 기준 전압이 저장될 수 있다. 기준 전압은 미리 실험하여 데이터로 저장해 둔 각 전기전도도별 전압출력값이다. 이 전압출력값은 입자가 측정 전극(202)을 지나갈 때 변하는 검출 신호의 크기가 회로의 포화전압을 넘어가지 않는 정도의 전압을 의미한다. 따라서, 측정 전압과 기준 전압을 비교하여 현재 측정하고 있는 용매의 전기전도도에 대해서 유추하고, 해당 전기전도도에 맞는 전압을 출력부(330)를 통해 인가 전극(201)에 공급하여 측정환경을 최적화할 수 있다.

그리고 처리부(320)는 입자의 신호 검출을 위한 아날로그 회로부와 디지털단이 포함될 수 있다. 즉, 디지털 단은 아날로그 검출 신호를 디지털화하는 단계에서 그 신호를 100 sample/s ~ 1M sample/s 의 샘플링 속도로 변환하여 신호를 처리할 수 있다.

출력부(330)는 인가 전극에 전기적으로 연결되어 적정 전압을 인가 전극(201)에 제공하는 인가단(DAC & Amp)(331)을 포함할 수 있다. 인가단(331)의 일측에는 인가 전극(201)에 교류 전압을 인가할 때 사용되는 발진기(Oscillator)(332)가 더 구비될 수 있다. 발진기(332)를 구성하는 회로는 R,C를 포함한 발진 회로나, OPAMP, crystal 등의 소자로 이루어질 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 출력부(330)는 일련의 과정 및 결과를 그래프나 수치 등을 이용하여 외부로 표시하는 표시부(335)가 더 구비될 수 있다.

그리고 출력부(335)는 본 실시예에 따른 미소입자 검출 장치가 장착된 해당 제품의 메인 제어부(1)에 전기적으로 연결되어, 미소입자 검출 장치(10)에서 검출된 결과에 따라 해당 제품의 메인 제어부(1)를 통해 살균 시스템과 연계될 수도 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 미소입자 검출 장치에서 입자를 계수하는 과정은 다음과 같다.

도 7은 본 실시예에 따른 입자 검출 방법을 보인 순서도이다. 이에 도시된 바와 같이, 일단 측정을 시작하면 펌프 등의 샘플 주입 장치(20)를 이용하여 측정 샘플이 제1 채널(110)로 유입된다.(S11) 이때, 샘플의 주입은 기존 측정법과는 달리 별도의 처리 과정이나 준비 없이 바로 샘플 주입 장치(20)를 통해 제1 채널(110)로 주입할 수 있다. 이러한 샘플의 주입 방법으로는 전술한 바와 같이 정량의 주사기 펌프를 사용하는 방법이 있고, 이 밖에도 원하는 소량의 샘플만 피펫이나 스포이드, 주사기 등을 사용하여 주입부 쪽에 위치시키는 방법 등이 있다.

이후, 제1 채널(110)의 내부가 샘플로 채워지게 되면, 신호처리 유닛(300)의 처리부(320)에 저장된 기준 전압이 인가단을 통해 인가 전극(201)에 인가된다.(S12)

이후, 인가 전극(201)으로부터 흐르는 전류는 측정 전극(202)을 통해 측정되어, 신호처리 유닛(300)의 입력부(310)를 통해 처리부(320)로 입력된다.(S13)

이후, 처리부(320)에서는 측정된 전류 값을 분석한다. 즉, 측정된 전류값이 설정해 놓은 기준값보다 클 경우는 초기의 인가 전압보다 감소시키는 반면, 기준값보다 작을 경우는 초기의 인가 전압보다 증가시키는 과정을 반복하여, 측정값이 기준값과 일치되도록 한다.(S14)

여기서, 기준값이란 각 용액의 전기전도도 별로 입자가 검출영역을 지나갈 때에 측정 회로의 포화전압 내에서 신호가 발생하는 1차 증폭단 값을 의미한다. 이 값은 증폭단의 출력 범위와 측정하고자 하는 입자의 크기에 따라 달라질 수 있으며, 만약 0~5V까지의 출력 범위를 갖는다면 2.5~4V 사이로 설정할 수 있다. 이렇게 설정해 놓은 기준값과 일치하는 상황에서 측정을 하면 측정 용액의 전기전도도를 추정할 수 있다.

이후, 측정 용액의 전기전도도에 맞는 적정 인가 전압을 인가 전극(201)에 인가한다.(S15) 이때, 직류 전압을 이용한 측정의 경우에는 해당 조건 만큼의 DC bias를 걸어주어 측정하고, 교류 전압을 이용한 측정의 경우에는 해당 조건 만큼의 주파수를 변경해 준 뒤 인가하여 측정한다.

이후, 신호처리 유닛(300)의 처리부(320)에서는 입자 검출 분석을 실시한다.(S16) 즉, 신호처리 유닛(300)에서는 제1 채널(110)에서 제3 채널(130)을 통해 제2 채널(120)로 이동하는 입자들을 측정하여 주입한 용액 내의 입자 농도를 계산하고, 사용자에게 입자 농도를 직접 알려 주거나 다른 제품의 제어부 쪽으로 연결되어 살균을 하는 등의 동작을 수행한다.

이때, 측정 전극(202)에 의해 측정되는 전기적 신호는 신호처리 유닛(300)에서 필터링과 증폭 과정을 거쳐 주변의 잡음을 배제하고 입자의 움직임에 의한 신호의 특성만을 추출하게 된다. 즉, 인가 전압을 조절하기 전에는 도 8A와 같이 입자가 측정 영역을 지나가도 입자에 의한 전기적 신호 변화가 적은 신호로 검출되어 검출 여부를 파악하기가 어려웠으나, 상기의 과정을 거쳐 인가 전극에 용액의 조건에 맞게 최적화된 전압을 인가하게 될 경우에는 도 8B와 같이 입자에 의한 전기적인 변화가 확연히 드러나는 검출 신호의 크기 개선 효과를 확인할 수 있다.

한편, 도 9는 본 실시예에 따른 미소입자 검출 방법에서, 낮은 전기전도도를 가지는 측정 용액에 대한 측정 가능 여부를 종래(쿨터 카운터 방식)와 비교하여 보인 실험표이다. 이에 도시된 바와 같이, 현재 통상적으로 사용되는 쿨터 카운터 방식의 계측 장비들은 원래 사용하던 전해질 용액(1/2 희석 이상, 8.1 mS/cm)의 경우가 아닐 경우 낮게 들어오는 전기적 신호 변화를 감지하지 못하여 5 mS/cm 이하의 전기전도도에 대해서는 측정이 불가능 하였다. 하지만, 본 실시예에서는 그 이하의 낮은 전기전도도(5 mS/cm) 이하에서도 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다.

도 10은 본 실시예에 따른 미소입자 검출 방법에서, 각종 물의 임피던스가 변할 때 나타나는 전기적 성질을 비교하여 보인 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 동일한 임피던스의 변화가 일어나는 상황에서 같은 인가 전압의 조건일 때 189uS/cm의 전기전도도에 해당하는 생수(원천수)의 경우에는 눈에 띌 정도로 큰 신호변화를 감지할 수 있다. 하지만, 증류수나 정수수와 같이 생수보다 전기전도도가 낮은 물은 신호 변화의 감지가 어렵다는 것을 알 수 있다. 이는, 결국 본 실시예와 같이 물의 종류에 따라 최적화된 전압을 인가하여 서로 다른 전기전도도를 가지는 용액의 종류에 제한 없이 입자를 측정할 수 있도록 함으로써 정수기는 물론 냉장고의 디스펜서와 같은 각종 가전제품에 적용하여 물의 위생 시스템에 연계되도록 할 수도 있고 휴대용으로 제작하여 사용자가 상시적으로 물의 위생 상태를 파악할 수 있어 개인 위생을 높일 수 있다.

1 : 메인 제어부 10 : 미소입자 검출 장치
20 : 샘플 주입 유닛 30 : 샘플 폐수 유닛
100 : 바디 101 : 제1 기판
102 : 제2 기판 103 : 채널
110 : 제1 채널 111 : 입구
112 : 제1 안내면 120 : 제2 채녈
121 : 출구 122 : 제2 안내면
130 : 제3 채널 201 : 인가 전극
202 : 측정 전극 300 : 신호처리 유닛
310 : 입력부 311,312 : 제1,제2 검출부
320 : 처리부 330 : 출력부
331 : 인가단 332 : 발진기

Claims (13)

1. 미소입자를 포함하는 유체의 유동공간을 이루며, 입구와 출구가 일정 간격을 두고 형성되고, 상기 입구와 출구 사이의 유동공간 중간에 측정 채널을 가지는 바디;
   상기 바디의 일측 채널에 배치되며, 유체에 전압을 인가하는 인가 전극;
   상기 측정 채널을 사이에 두고 상기 인가 전극의 반대쪽 채널에 배치되며, 상기 측정 채널을 통과한 유체의 전압을 측정하는 측정 전극; 및
   상기 바디의 채널에서 흐르는 유체의 전기전도도를 파악하여 그 전기전도도에 대응하는 전압을 상기 인가 전극에 인가하는 신호처리 유닛;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 신호처리 유닛은,
   상기 측정 전극으로부터 측정된 전압을 받아들이는 입력부;
   상기 입력부를 통해 측정 전극으로부터 받아들인 측정 전압을 저장된 기준 전압과 비교하여 최적의 인가 전압을 산출하는 처리부; 및
   상기 처리부에서 산출된 최적의 인가 전압을 상기 인가 전극에 전달하는 출력부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 입력부는 측정 전극에 전기적으로 연결되어 그 측정 전극을 흐르는 전류값을 전압으로 변환하는 제1 검출부(Amp & Filter 1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 검출부에는 그 제1 검출부를 거친 전압을 증폭시키는 제2 검출부(Amp & Filter 2)가 직렬로 연결되어 더 구비되는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 출력부는 인가 전극에 전기적으로 연결되어 적정 전압을 인가 전극에 제공하는 인가단(DAC & Amp)을 포함하고,
   상기 인가단의 일측에는 인가 전극에 교류 전압을 인가할 때 사용되는 발진기(Oscillator)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
6. 제2항에 있어서,
   상기 출력부는 검출 과정 또는 검출 결과를 외부로 표시하는 표시부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
7. 제2항에 있어서,
   상기 출력부는 검출된 결과에 따라 해당 제품의 메인 제어부를 통해 살균 시스템과 연계되도록 상기 제품의 메인 제어부에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 신호처리 유닛은,
   상기 측정 전극으로부터 측정된 전압을 받아들여 그 측정 전압을 저장된 기준 전압과 비교하여 최적의 인가 전압을 산출하는 검출부(Amp & Filter); 및
   상기 검출부에서 산출된 최적의 인가 전압을 인가 전극에 전달하는 출력부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 신호처리 유닛은 한 개 또는 복수 개의 연산 증폭기(OP AMP)를 적용하여 전류의 변화를 증폭시키는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리 유닛은 저항과 커패시터로 된 소자를 이용하여 전류의 변화를 증폭시키는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 장치.
11. 측정될 샘플이 주입되면 인가 전극에 기준 전압이 인가되는 단계;
    측정 전극에서 전압을 측정하는 단계;
    측정된 전류값을 분석하여, 용액의 전기전도도에 해당하는 적정 인가 전압을 산출하는 단계;
    적정 인가 전압을 인가 전극에 인가되는 단계; 및
    인가 전극과 측정 전극 사이에 형성되는 전계의 변화를 통해 액체 내 입자를 계수하는 단계;로 진행하는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 적정 인가 전압을 산출하는 단계에서는, 측정값이 기준값보다 크면 인가 전압을 낮추는 반면, 측정값이 기준값보다 작으면 인가 전압을 높이는 과정을 반복하여,
    측정값과 기준값이 동일하게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 측정 전극에 의해 측정되는 전류값은 필터링과 증폭을 거쳐 주변의 잡음을 배제하고 입자의 움직임에 의한 신호의 특성만을 추출하는 것을 특징으로 하는 미소입자 검출 방법.

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