KR20200067611A - 실시간 유해균 검출 장치 및 유해균 검출 및 관리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유해균으로 조사된 광이 천이되어 방출된 방출광을 분석하여 유해균을 검출하는 유해균 검출 장치 및 검출된 유해균의 이력을 관리하는 유해균 검출 및 관리 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 유해균 검출 장치는, 조사되는 광에 의해 천이된 방출광을 분석하여 유해균을 검출하는 실시간 유해균 검출 장치에 있어서, 소정 파장의 자외선 광을 조사하고, 상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이된 방출광을 집광하는 검출부; 상기 검출부로부터 전달된 상기 방출광의 분광 조성을 측정하는 측정부; 및 상기 측정부로부터의 측정 신호를 분석하여 유해균을 식별하는 제어부; 를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 유해균 검출 장치는, 조사되는 광에 의해 천이된 방출광을 분석하여 유해균을 검출하는 실시간 유해균 검출 장치에 있어서, 소정 파장의 자외선 광을 조사하고, 상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이된 방출광을 집광하는 검출부; 상기 검출부로부터 전달된 상기 방출광의 분광 조성을 측정하는 측정부; 및 상기 측정부로부터의 측정 신호를 분석하여 유해균을 식별하는 제어부; 를 포함한다.
Description
본 발명은 실시간 유해균 검출 장치 및 유해균 검출 및 관리 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유해균으로 조사된 광이 천이되어 방출된 방출광을 분석하여 유해균을 검출하는 유해균 검출 장치 및 검출된 유해균의 이력을 관리하는 유해균 검출 및 관리 시스템에 관한 것이다.
축산산업은 보편적으로 가금과 가축들을 축사에서 대량으로 사육하는 방식으로 이루어지는데, 이와 같이 대량으로 가축들이 사육될 경우 전염병이 발생하면 심각한 문제가 발생한다. 특히 가축들에 발병하는 구제역, 조류독감, 광우병 등은 전염성과 치사율이 매우 높은 것으로 알려져 있다.
종래 유해균을 진단하는 방법으로는 전염병이 발병한 것으로 의심되는 가축의 혈액이나 배설물, 또는 가축의 일부를 채취하고, 이를 검역소에서 분석하여 발병 여부를 판단한다. 그리고 분석결과가 도출되면 해당 전염병에 대한 방역조치를 취하게 된다. 하지만 이와 같은 방법을 이용하게 되면, 전염병을 진단하는 과정에서 시간이 많이 소요되고, 전염병이 의심되었던 가축이 실제로 전염병에 걸린 경우라면 전염병 확산을 방지할 수 있는 골든 타임을 놓치게 되므로 전염병 확산에 따른 2차 피해가 발생하는 문제점이 있다.
최근에는 가축 전염병의 조기 검색 및 초동방역을 강화하기 위하여, 농림수산식품부가 전국 가축사육 농가를 대상으로 주기적으로 조사, 탐문, 임상검사, 검진, 혈청검사 및 병성감정 등의 방역활동을 하는 예찰제도를 실시하고 있다. 이와 같은 예찰제도는 농장의 기본정보 확인과정을 거쳐 가축의 체온, 사료섭취, 발육상태, 폐사 등 가축 상태를 파악하며, 이상징후 여부를 확인하는 과정으로 이루어진다.
그런데 질병에 따라 조금씩 차이는 있기는 하지만, 가축 질병의 진행 단계는 통상적으로 감염이 된 후 2주 내지 5주 이후에나 관리자의 육안으로 확인이 가능한 징후들이 나타난다. 따라서 육안으로 질병의 증세가 확인되었을 때에는 이미 시기가 늦어 별다른 치료를 할 수가 없는 경우가 발생할 수 있으며, 질병 증후가 나타난 가축을 격리조치 또는 폐사시켜 유해균의 전염 경로를 차단하더라도 피해가 상당할 수밖에 없다.
구제역, 조류독감, 광우병 등의 전염병은 직간접 접촉에 의해서 발생하며, 전파가 빨라 세계 동물 보건 기구에 의해 지정된 국제 교역 대상 질병으로 지정된 상태이다. 이에 이러한 전염병이 발생한 경우 축산 산업과 연관된 수출이 중단되는 등 경제적 피해가 매우 큰 질병으로서, 상시 방역 체계 마련이 시급한 상황이다. 최근 국가 재난 수준으로 확산된 구제역, 조류독감 등의 가축 전염병에 따른 막대한 사회적 비용이 발생됨에 따라 질병 발생 사전 예방 및 조기 발견을 통한 사전 대처 역량 제고에 대한 필요성이 증대되고 있다.
또한, 박테리아 등의 유해균은 가축뿐만 아니라 인체의 질환을 유발시키거나, 식품에 독소를 분비하여 식중독을 야기하는 등 다양한 문제의 원인이 된다. 따라서 이러한 유해균의 검출은 축산 산업뿐만 아니라, 의학 진단과 식품 안정성 평가 등에서 매우 중요한 문제로 인식되고 있다.
이러한 요구에 대응하여 다양한 유해균 검출 장치 및 시스템이 도입되고 있는 실정이다.
대표적으로 유해균을 검출하기 위한 기술로는 배양법과 PCR(Polymerase Chain Reaction) 등의 유전자 증폭 기술, 현미경을 이용한 미생물 동정법 등이 있으나, 전문 인력을 요구하며 분석 시간이 길다는 점에서 실효성 문제가 지적되고 있다. 그 밖에 다양한 유해균 검출 바이오센서가 연구되고 있으나, 이 또한 실용적인 측면에서 검출 한계가 높은 문제점을 가지고 있다.
MALDI-TOF MS 과 같은 단백질 질량 분석 방법은 분자유전학적 방법에 비해 시간 단축되었다는 이점이 있지만, 분석 가능한 유해균이 한정적이며 결국 시료를 채취하여 실험실에서 전처리 과정을 거쳐 측정하는 방법이므로 실시간 측정이 불가하다는 한계점을 그대로 가지고 있다.
그 밖에도 ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) 와 같은 면역 반응을 증폭시켜 유해균을 검출하는 다양한 프로토콜이 개발되어 왔으나, 결합 항체와 검출 항체 등의 2종 이상의 항체가 요구되고, 일회성의 검출로 그친다는 점에서 비용 문제가 지적되고 있다.
미국의 군사 장비로서, 대기 중에 부유하고 있는 입자를 흡입하여 레이저 광속을 통과할 때 발생하는 산란광과 형광을 분석하고, 그 분석 결과를 바탕으로 대기 중의 생물 입자를 검출하는 생물 입자 검출장치가 있다. 이러한 생물 입자 검출장치는 유해균을 실시간으로 직접 검출할 수 있다는 이점을 가지지만, 대기중의 입자를 흡입하여 검출을 수행한다는 점, 장치가 상당히 복잡하고 고도화된 군사 장비라는 점에서 상용화하기 힘든 측면이 있다.
이에, 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치 및 유해균 검출 및 관리 시스템은 종래의 유해균 검출 방법에 대한 문제점을 해결하고, 구제역, 조류독감, 광우병 등과 같은 전염병 발생 시 방역 대응의 신속성 및 정확성을 높일 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는 유해균의 광 흡수 및 방출 파장을 분석함으로써 유해균의 종류와 농도를 실시간으로 검출할 수 있는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는 단순하고도 효과적인 구조로 구성되어 오염된 현장에서 사용자가 쉽고 용이하게 본 발명의 유해균 검출 장치를 사용하도록 함에 그 목적이 있다.
본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템은 다양한 유해균 시료의 흡수 및 방출 파장의 분광 정보와 유해균 식별 정보의 데이터 베이스를 구축하고, 이러한 정보에 기초하여 유해균 검출 이력을 효율적으로 관리하도록 함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템은 의심 유해균이 검출되면 즉시 이러한 상황을 외부 관리 본부 및 기관에 알릴 수 있도록 구성되어, 해당 기관에서 전염병이 발생할 수 있는 상황을 조기에 인식하고 대응할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 유해균 검출 장치는, 유해균으로 조사된 광이 천이되어 방출된 방출광을 분석하여 유해균을 검출하는 실시간 유해균 검출 장치에 있어서, 소정 파장의 자외선 광을 조사하고, 상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이된 방출광을 집광하는 검출부; 상기 검출부로부터 전달된 상기 방출광의 분광 조성을 측정하는 측정부; 및 상기 측정부로부터의 측정 신호를 분석하여 유해균을 식별하는 제어부; 를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는, 상기 검출부는, 소정 파장의 자외선 광을 생성하는 광원부; 상기 광원부로부터 방출된 광을 집광하는 제1 렌즈부; 상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이되어 방출된 방출광을 집광하는 제2 렌즈부; 및 상기 제2 렌즈부를 통해 집광된 방출광이 소정의 간격을 갖는 슬릿을 통과하도록 구성된 수광부; 를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는, 상기 측정부는, 상기 검출부로부터 전달된 상기 방출광을 집광하는 렌즈부; 상기 집광된 방출광을 회절시키는 회절 격자; 상기 방출광의 파장별 세기, 분광 조성, 분광 분포, 분광 입체각, 반사율, 투과율 중 적어도 하나를 측정하는 광 측정기; 및 측정된 광을 전자 신호로 변환시키는 신호 처리 장치; 를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는, 상기 제어부는, 상기 검출부로부터 조사된 광의 파장 및 세기 신호와, 상기 측정부로부터 제1 시점 및 제2 시점에 의해 정의되는 시구간 내에서 측정된 방출광의 파장 및 세기 신호에 기초하여 유해균을 식별하고, 상기 제2 시점은 상기 제1 시점 이후의 임의의 시점일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는, 상기 제어부는, 상기 방출광에서 소정의 임계 강도 이상인 주요 피크 파장을 분석하고, 상기 주요 피크 파장의 시계열적 변화 패턴에 기초하여 유해균의 종류를 식별할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는, 상기 광원부로부터 조사되는 자외선 광은 10nm 내지 400nm 범위에서 설정된 파장값 및 세기를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는, 상기 광원부는 자외선 광을 대기중으로 조사하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유해균 검출 및 관리 시스템은, 조사되는 광에 의해 천이된 방출광을 분석하여 유해균을 검출하고, 검출된 유해균의 이력을 관리하는 유해균 검출 및 관리 시스템에 있어서, 자외선 광을 생성하고, 상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이되어 방출된 방출광의 분광 조성을 분석하여 유해균을 식별하는 유해균 검출 장치; 및 상기 유해균 검출 장치로부터 획득된 분광 정보 및 유해균 식별 정보를 수집하고, 수집된 정보에 기초하여 유해균 검출 이력을 생성하고 관리하는 관리 서버; 를 포함한다.
또한, 본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템은, 상기 관리 서버는, 수집된 분광 정보 및 유해균 식별 정보에 기초하여 복수의 분광 정보와 복수의 유해균 식별 정보의 상관관계를 생성하고, 생성된 데이터 세트에 기초하여 상기 유해균 검출 장치의 구동을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템은, 상기 관리 서버는, 생성된 유해균 검출 이력을 외부의 서버로 송신할 수 있다.
본 발명의 실시간 유해균 검출 장치 및 유해균 검출 및 관리 시스템은, 종래의 유해균 검출 방법에 대한 문제점을 해결하고, 구제역, 조류독감, 광우병 등과 같은 전염병 발생 시 방역 대응의 신속성 및 정확성을 높일 수 있도록 한다.
본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는 유해균의 광 흡수 및 방출 파장을 분석함으로써 유해균의 종류와 농도를 실시간으로 검출할 수 있고, 단순하고도 효과적인 구조로 구성되어 오염된 현장에서 사용자가 쉽고 용이하게 본 발명의 유해균 검출 장치를 사용할 수 있도록 한다.
본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템은 다양한 유해균 시료의 흡수 및 방출 파장의 분광 정보와 유해균 식별 정보의 데이터 베이스를 구축함으로써 유해균 검출 이력을 효율적으로 관리할 수 있다.
또한, 본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템은 의심 유해균이 검출되면 즉시 이러한 상황을 외부 관리 본부 및 기관에 알림으로써 해당 기관에서 전염병이 발생할 수 있는 상황을 조기에 인식하고 골든 타임에 정확한 초동 대응을 할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 유해균 검출 및 검출 이력 관리 시스템의 구성을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 실시간 유해균 검출 장치의 검출부의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 실시간 유해균 검출 장치의 측정부의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 실시간 유해균 검출 장치의 제어부의 동작 원리를 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 유해균의 유효 자외선 조사량과 이에 따른 유해균의 살균율 및 생존율을 도시한 것이다.
도 7은 유해균으로부터 천이되어 방출되는 방출광의 분광 정보를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 실시간 유해균 검출 장치의 검출부의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 실시간 유해균 검출 장치의 측정부의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 실시간 유해균 검출 장치의 제어부의 동작 원리를 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 유해균의 유효 자외선 조사량과 이에 따른 유해균의 살균율 및 생존율을 도시한 것이다.
도 7은 유해균으로부터 천이되어 방출되는 방출광의 분광 정보를 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이`들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 형태는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치 및 유해균 검출 및 관리 시스템에 대하여 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 유해균 검출 및 관리 시스템의 구성을 도시한 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템 (1000) 은 유해균으로 조사되는 광에 의해 천이된 방출광을 분석하여 유해균을 검출하고, 검출된 유해균의 이력을 관리하는 시스템이다.
유해균 검출 및 관리 시스템 (1000) 은 유해균 검출 장치 (100), 유해균 검출 장치 (100) 로부터 수집된 정보에 기초하여 유해균 검출 이력을 생성하고 관리하는 관리 서버 (200), 외부의 방역 관리 서버 (300) 및 기타 외부 단말 (400) 을 포함한다.
유해균 검출 장치 (100) 는 자외선 광을 생성하고, 상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이되어 방출된 방출광의 분광 조성을 분석하여 유해균을 식별하는 장치이다.
도 2를 참조하면, 유해균 검출 장치 (100) 는 검출부 (110), 측정부 (120) 및 제어부 (130) 를 포함한다.
검출부 (110) 는 소정 파장의 자외선 광을 조사하고, 상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이된 방출광을 집광하고, 측정부 (120) 는 검출부 (110) 로부터 전달된 상기 방출광의 분광 조성을 측정하고, 제어부 (130) 는 상기 측정부 (120)로부터의 측정 신호를 분석하여 유해균을 식별한다.
유해균 검출 장치 (100) 의 구체적인 구성 및 동작 원리에 대해서는 이하의 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
관리 서버 (200) 는 상기 유해균 검출 장치 (100) 로부터 획득된 분광 정보 및 유해균 식별 정보를 수집하고, 수집된 정보에 기초하여 유해균 검출 이력을 생성하고 관리하는 서버이다. 관리 서버 (200) 는 유해균 검출 장치 (100) 로부터 유해균 검출 신호를 수신하고, 수집된 정보에 기초하여 유해균 검출 이력을 생성하고 관리한다. 또한 관리 서버 (200) 는 수집된 분광 정보 및 유해균 식별 정보에 기초하여 복수의 분광 정보와 복수의 유해균 식별 정보의 상관관계를 생성하고, 생성된 데이터 세트에 기초하여 유해균 검출 장치 (100) 의 구동을 제어할 수 있다. 나아가 관리 서버 (200) 는 유해균 검출 이력을 외부의 방역 관리 서버 (300) 및 기타 외부 단말 (400) 로 송신할 수 있다.
본 발명의 균 검출 장치 (100) 와 관리 서버 (200) 는 연동되어 실시간으로 유해균을 검출하고, 검출된 유해균의 이력을 관리함으로써 외부의 방역 관리 서버 (300) 및 기타 외부 단말 (400) 로 유해균 검출에 따른 신속한 알림이 가능하도록 한다. 이러한 본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템 (1000) 에 의해 구제역, 조류독감, 광우병 등과 같은 전염병 발생 시 방역 대응의 신속성 및 정확성을 높일 수 있다.
외부의 방역 관리 서버 (300) 및 외부 단말 (400) 은 예컨대 농림축산식품부, 국가재난 질병관리 본부, 환경부 등 관련기관의 서버이거나 관련 담당자의 단말일 수 있다.
관리 서버 (200) 및 외부 서버 (300) 는 코로케이션 서버 (Co-location Server) 또는 클라우드 서버 (cloud server) 일 수 있고, 이러한 서버에 포함되는 장치일 수도 있고, 이에 제한되지는 않는 다양한 공지의 형태로 구현될 수도 있다. 외부 단말 (400) 공지된 모바일 단말일 수 있고, 이에 제한되지는 않는 다양한 공지의 형태로 구현될 수도 있다.
도 3은 실시간 유해균 검출 장치의 검출부의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 4는 실시간 유해균 검출 장치의 측정부의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 5는 실시간 유해균 검출 장치의 제어부의 동작 원리를 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 는 검출부 (110) 를 포함한다.
검출부 (110) 는 소정 파장의 자외선 광을 조사하고, 상기 자외선 광을 받은 유해균 (P) 으로부터 천이된 방출광을 집광한다.
도 3을 참조하면, 검출부 (110) 는 자외선 광을 생성하는 광원부 (111), 광원부 (111) 로부터 방출된 광을 집광하는 제1 렌즈부 (112), 유해균 (P) 으로부터 천이되어 방출된 방출광을 집광하는 제2 렌즈부 (113) 및 집광된 방출광이 소정의 간격을 갖는 슬릿을 통과하도록 구성된 수광부 (114) 를 포함한다.
광원부 (111) 로부터 조사되는 자외선 광은 10nm 내지 400nm 범위에서 설정된 파장값 및 세기를 가질 수 있으며, 광원부 (111) 의 자외선 광원은 UV(Ultra Violet) LED(Light Emitting Diode) 또는 UV 레이저(laser)의 UV 광원일 수 있다.
이때, 광원부 (111) 는 단일한 파장의 광을 조사하는 광원을 포함할 수 도 있고, 다양한 파장을 조사할 수 있도록 복수의 광원을 포함할 수 있다. 예컨대 광원부 (111) 는 275nm 또는 250~300nm의 파장을 갖는 제1 광원, 350nm 또는 320~380nm의 파장을 갖는 제2 광원, 및 420nm 또는 400~450nm의 파장을 갖는 제3 광원을 포함할 수 있다. 대표적인 UV 계통의 LED로서 275nm, 350nm, 420nm 의 3가지 파장을 가정한다. 275 nm의 LED를 이용하면 Tryptophan, Tyrosine, Phenylalanine 등의 아미노산의 형광을 발생시킬 수 있고, 이는 단백질에 의해 천이된 방출광을 측정할 수 있다. 또한, 350nm 의 파장은 생물체 내의 NADH의 형광 발생시킬 수 있고, 420nm는 Riboflavin의 형광을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 는 광원부 (111) 로부터의 자외선 광을 대기중으로 조사하도록 구성된다.
종래의 미국의 군사용으로 개발된 유해균 검출 장치는 장비 내로 유입된 공기 중의 입자에 UV광을 조사하여 유해균에 의해 흡수된 파장을 분석하는 장비로서, 입자로부터 유해균의 존재를 검출할 수 는 있으나 오염 현장에서의 살균 효과를 기대할 수는 없는 한계점이 있었다.
이에 본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 는 오염 현장에서 광원부 (111) 로부터의 자외선 광을 유해균 (P) 에 직접 조사함으로써, 유해균 (P) 검출에 앞서 유해균 (P) 의 살균 기능을 수행할 수 있도록 한다. 자외선의 살균효과는 자외선 파장과 조사량에 관계가 있다. 본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 의 살균 효과에 대해서는 이하의 도 6을 참조하여 후술하도록 한다.
제1 렌즈부 (112) 는 도 3에 도시된 바와 같이 광원부 (111) 의 전면에 설치되고, 광원부 (111) 로부터 방출되는 광에 직진성을 부여하기 위한 집광렌즈로 구성될 수 있다.
제1 렌즈부 (112) 를 통과하여 조사된 자외선 광은 유해균 (P) 으로부터 천이되고, 천이된 방출광은 유해균 (P) 으로부터 제2 렌즈부 (113) 로 지향된다.
제2 렌즈부 (113) 는 유해균 (P) 으로부터 천이되어 방출된 방출광을 집광하고, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 집광 렌즈의 조합에 의해 구성될 수 있다.
제1 렌즈부 (112) 및 제2 렌즈부 (113) 는 상기 렌즈부의 렌즈 두께 및 렌즈 사이의 거리 조절을 통해 방출광이 특정점에 모이도록 초점거리가 조정되는 것이 바람직하다. 이러한 제1 렌즈부 (112) 및 제2 렌즈부 (113) 는 볼렌즈 (Ball lens), 비구면 렌즈 (Asphere lens), 이원 대물 렌즈 (Bi-objective lens), 이원 비구면 렌즈 (Bi-asphere lens) 중 어느 하나 또는 그 조합에 의해 구성될 수 있다.
수광부 (114) 는 제2 렌즈부 (113) 를 통해 집광된 방출광이 소정의 간격을 갖는 슬릿을 통과하도록 구성된다. 수광부 (114) 는 유해균 (P) 으로부터 방출된 방출광이 후술할 검출부 (120) 로 지향되도록 하는 부재로 구성될 수 있다. 도시되지 않았지만 수광부 (114) 는 방출광이 검출부 (120) 로 전달되도록 하기 위하여 별도의 광 섬유 (optical fiber) 부재를 포함할 수 있고, 광 섬유 부재를 통하여 수광부 (114) 에 도달한 방출광이 후술할 검출부 (120) 로 전파될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 는 광원부 (111) 에 의해 조사된 자외선 광으로부터 유해균 (P) 의 살균을 수행할 수 있으며, 수광부 (114) 에 도달한 방출광을 후술할 검출부 (120) 로 전파할 수 있다.
본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 는 측정부 (120) 를 포함한다.
측정부 (120) 는 검출부 (110) 로부터 전달된 방출광의 분광 조성을 측정한다. 측정부 (120) 는 1차적으로 흡수된 파장을 분석하여 유해균종을 검출하며, 2차적으로 유해균이 방출하는 천이된 방출광을 분석함으로써 유해균종을 보다 정밀하게 검출하여 분류할 수 있다.
도 4를 참조하면, 측정부 (120) 는 검출부 (110) 로부터 전달된 방출광을 집광하는 렌즈부 (121), 집광된 방출광을 회절시키는 회절 격자 (122), 방출광의 파장별 세기, 분광 조성, 분광 분포, 분광 입체각, 반사율, 투과율 중 적어도 하나를 측정하는 광 측정기 (123) 및 측정된 광을 전자 신호로 변환시키는 신호 처리 장치 (124) 를 포함한다.
렌즈부 (121) 는 검출부 (110) 의 수광부 (114) 로부터 전파된 방출광을 집광하고, 도 4에 도시된 바와 같이 콜리메이션 렌즈로 구성될 수 있다. 렌즈부 (121) 는 상기 렌즈부의 렌즈 두께 및 렌즈 사이의 거리 조절을 통해 방출광에 직진성을 부여하도록 초점거리가 조정되는 것이 바람직하다.
이러한 렌즈부 (121) 는 볼렌즈 (Ball lens), 비구면 렌즈 (Asphere lens), 이원 대물 렌즈 (Bi-objective lens), 이원 비구면 렌즈 (Bi-asphere lens) 중 어느 하나 또는 그 조합에 의해 구성될 수 있다.
회절 격자 (122) 는 도달한 빛의 회절을 이용한 분광 소자로, 간단히 격자라고도 한다. 회절 격자 (122) 는 다수의 홈이 파여져 있어 홈 사이의 매끄러운 면에서 반사되는 광선 사이의 간섭으로 생기는 회절상을 이용하여 렌즈부 (121) 를 통과하여 전달된 방출을 분산시킨다.
도 4를 참조하면, 회절 격자 (122) 를 거친 방출광이 다양한 파장의 빛으로 분산된 것을 확인할 수 있다. 전체적으로 흑백으로 도시하였지만, 유해균 (P) 으로부터 방출된 방출광은 500nm 내지 700nm의 가시광 대역의 파장을 갖게 되므로 복수의 가닥의 광을 표시한 각각의 빛의 경로는 서로 다른 파장의 빛을 나타낼 수 있다.
광 측정기 (123) 는 입사된 광의 파장별 세기, 분광 조성, 분광 분포, 분광 입체각, 반사율, 투과율 중 적어도 하나를 측정한다.
광 측정기 (123) 는 MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) 미러 (mirror) 와 디텍터의 조합으로 구성될 수도 있고, 디텍터 센서 어레이 (Detector Sensor Array) 로 구성될 수도 있다. 이에 한정되지 않고 광 측정기 (123) 는 빛의 전송 상황, 스펙트럼 등의 측정에 사용되는 공지의 측정 기구일 수 있으며, 포토 다이오드 (photo diode) 또는 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 일 수도 있다.
그 밖에도 측정부 (120) 는 장파장의 빛을 필터링하는 필터 (Filter) 를 더 포함할 수 있고, 회절 격자 (122) 로부터 분산된 빛을 광 측정기 (123) 로 도달시키기 위한 포커싱 렌즈 (focusing lens) 를 더 포함할 수도 있다.
또한 측정부 (120) 는 측정된 광을 전자 신호로 변환시키는 신호 처리 장치 (124) 를 포함하고, 이러한 신호 처리 장치 (124) 를 통하여 측정된 신호가 제어부 (130) 로 전달된다.
본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 는 제어부 (130) 를 포함한다.
제어부 (130) 는 측정부 (120) 로부터의 측정 신호를 분석하여 유해균을 식별한다.
유해균 (P) 이 광원부 (111) 로부터 조사된 자외선 광에 의해 살균되면서, 방출광의 파장 및 세기가 시간에 따라 점차 변화하게 되는데, 측정부 (120) 는 이러한 방출광의 파장 및 세기 신호를 실시간으로 측정할 수 있다.
제어부 (130) 는 검출부 (110) 로부터 조사된 광의 파장 및 세기 신호와, 측정부 (120) 로부터 측정된 방출광의 파장 및 세기 신호에 기초하여 유해균을 식별한다.
제어부 (130) 는 측정부 (120) 로부터 측정된 제1 시점 및 제2 시점에 의해 정의되는 시구간 내에서의 방출광의 파장 및 세기 신호에 기초하여 유해균을 식별한다. 여기서 제2 시점은 상기 제1 시점 이후의 임의의 시점이고, 제어부 (130) 는 시구간 내에서의 방출광의 파장 및 세기 신호의 시계열적 변화 패턴에 기초하여 유해균을 식별할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어부 (130) 는 검출부 (110) 로부터 조사된 광의 파장 및 세기 정보 수신하고 (S10), 측정부 (120) 로부터 제1 시점에 및 제2 시점에 의해 정의되는 시구간 내에서 측정된 방출광의 파장 및 세기 정보 수신한다 (S20). 그리고 제어부 (130) 는 소정의 임계 강도 이상인 주요 피크 파장 및 주요 피크 파장의 시계열적 변화 패턴을 분석하고 (S30), 이에 기초하여 제어부 (130) 는 상기 분석 결과에 기초하여 유해균의 종류를 식별한다 (S40).
다시 말해, 유해균이 살균되면서 유해균으로부터 방출된 방출광의 파장이 시간에 따라 변화하게 되는데, 제어부 (130) 는 제1 시점에 및 제2 시점에 의해 정의되는 시구간 내에서 측정된 이러한 파장의 시간에 따른 변화에 기초하여 유해균을 식별할 수 있다.
구체적으로 제어부 (130) 는 방출광의 파장 모양 또는 형상, 예컨대 방출광의 Peak 파장과 주요 Peak 파장 (λ1~ λn) 의 세기 비를 분석하여 유해균을 식별할 수 있다. 유해균이 살균 처리되면서 방출광이 점차 도 7에 도시된 바와 같이 일정한 지수 함수적으로 감소하게 되는데 이러한 측정 신호에 기초하여 제어부 (130) 는 유해균을 종류를 식별할 수 있다. 이에 대해서는 도 7을 참조하여 구체적으로 후술하도록 한다.
여기서 제어부 (130) 는 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 제어부 (130) 는 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는 프로세서, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 유해균 검출 장치 (100) 는 검출부 (110), 측정부 (120) 및 제어부 (130) 이 외에도 저장부, 표시부, 입력부 등의 구성을 더 포함할 수도 있다.
저장부는 실시간 유해균 검출 장치 (100) 가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하는 자기 저장 매체 (Magnetic Storage Media) 또는 플래시 저장 매체 (Flash Storage Media) 일 수 있다. 표시부는 사용자에게 정보를 표시하기 위한 디스플레이 수단을 의미할 수 있으며, 입력부는 실시간 유해균 검출 장치 (100) 가 사용자의 입력을 획득하기 위한 버튼부, 조작부, 스위치부 등으로 구성될 수도 있다.
한편, 검출부 (110), 측정부 (120) 및 제어부 (130) 는 유해균 검출 장치 (100) 에 모두 포함된 것으로 도시하여 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 유해균 검출 장치 (100) 가 본 발명의 유해균 검출 방법을 수행할 수 있도록 구성된다면, 검출부 (110), 측정부 (120) 및 제어부 (130) 는 유해균 검출 장치 (100) 의 외부에 별도로 배치된 구성일 수도 있고, 일부만이 유해균 검출 장치 (100) 에 포함되고 일부 구성이 외부에서 연결된 형태로 구성될 수도 있다.
도 6은 유해균의 유효 자외선 조사량과 이에 따른 유해균의 살균율 및 생존율을 도시한 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 는 오염 현장에서 광원부 (111) 로부터의 자외선 광을 유해균에 직접 조사함으로써, 유해균 검출에 앞서 유해균의 살균 기능을 수행할 수 있도록 한다.
자외선의 살균 효과는 자외선 파장과 조사량에 관계가 있는데, 살균 효과의 파장 특성은 균종에 따라 거의 동일하고 파장 250-260nm 부근에서 극대의 효과를 가진다.
도 6의 (a)는 대장균, 구체적으로 적리균, 티브스균, 콜레라균등의 그램음성균의 환경별 유효 자외선 조사량 및 그에 따른 유해균의 살균율 및 생존률을 나타내고, 도 6의 (b)는 화농균, 결핵균, 녹농균, 고초균의 환경별 유효 자외선 조사량 및 그에 따른 유해균의 살균율 및 생존률을 나타내고, 도 6의 (c)는 효모균의 환경별 유효 자외선 조사량 및 그에 따른 유해균의 살균율 및 생존률을 나타낸다. 유해균의 생존율은 다음의 [수식 1] 과 같은 지수 함수식으로 표현된다.
[수식 1]
(이때, S : 균의 생존율
P : 조사후의 균 수
Po: 조사전의 균 수
E : 살균 전의 조사강도 (W/cm2)
t : 조사시간 (min)
Q : 생존율 S를 1/e (36.8%) 로 하기 위해 필요한 자외선 조사량 (W.min/cm2))
도 6의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 균종별 유해균의 유효 자외선 조사량 Q 값의 다르므로, 본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 의 제어부 (130) 는 시간에 따른 생존율을 분석함으로서 유해균을 식별할 수 있다.
도 7은 유해균으로부터 천이되어 방출되는 방출광의 분광 정보를 도시한 것이다.
생물 입자는 일반적으로 수백 나노미터에서 수십 마이크로미터에 이르는 다양한 크기를 가진다. 또한 그 종류에 따라 각기 다른 조성을 가지는데 분광학적으로는 단백질의 방향족을 포함하는 아미노산류 (즉, 페닐알라닌, 티로신, 트립토판등) 와 NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide), 그리고 플라빈 (Flavin) 류가 대표적인 형광 발색단이다.
도 7의 (a)는 아미노산류 (티로신, 트립토판) 와 NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide), 플라빈 (Flavin) 류의 흡수 파장 및 방출 파장을 나타내고, 도 7의 (b)는 이러한 아미노산류 (티로신, 트립토판) 와 NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide), 플라빈 (Flavin) 류의 방출 파장의 스펙트럼을 도시한다.
본 발명의 유해균 검출 장치 (100) 의 제어부 (130) 는 조사된 자외선에 의해 천이되어 방출되는 방출광의 스펙트럼을 분석함으로써 아미노산류 (즉, 페닐알라닌, 티로신, 트립토판등) 와 NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide), 플라빈 (Flavin) 류의 화학적 조성을 얻을 수 있으며, 이러한 화학 조성에 기초하여 유해균의 종류를 식별할 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7에 도시된 균종별 유해균의 유효 자외선 조사량과 시간에 따른 유해균의 생존율, 방출광의 스펙트럼 정보는 각각의 식별된 유해균의 정보와 함께 관리 서버 (200) 의 유해균 검출 이력 데이터 세트로 생성되어 저장될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 유해균 검칠 및 관리 시스템은 관리 서버 (200) 가 유해균 검출 장치 (100) 로부터 획득된 분광 정보 및 유해균 식별 정보에 기초하여 유해균 검출 이력을 생성함으로써 실시간으로 유해균을 검출하고 관리할 수 있다.
관리 서버 (200) 는 도 6 및 도 7에 도시된 균종별 유해균의 유효 자외선 조사량과 시간에 따른 유해균의 생존율, 방출광의 스펙트럼 정보는 각각의 식별된 유해균의 정보와 함께 유해균 데이터 세트를 생성할 수 있고, 검출된 환경의 지리적 정보 등을 매칭하여 유해균 검출 이력을 생성하여 관리할 수 있다. 또한 관리 서버 (200) 는 머신 러닝(Machine Learning) 기법으로 복수의 시간에 따른 유해균의 생존율, 방출광의 스펙트럼 정보 및 유해균의 식별 정보 간의 상관관계, 즉 양자의 매핑 정보를 생성할 수 있으며, 이러한 복수의 분광 정보와 복수의 유해균 식별 정보의 데이터 세트에 기초하여 본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템이 동작될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시간 유해균 검출 장치는 유해균의 광 흡수 및 방출 파장을 분석함으로써 유해균의 종류와 농도를 실시간으로 검출할 수 있고, 단순하고도 효과적인 구조로 구성되어 오염된 현장에서 사용자가 쉽고 용이하게 본 발명의 유해균 검출 장치를 사용할 수 있도록 한다. 또한 본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템은 다양한 유해균 시료의 흡수 및 방출 파장의 분광 정보와 유해균 식별 정보의 데이터 베이스를 구축함으로써 유해균 검출 이력을 효율적으로 관리할 수 있다. 나아가 본 발명의 유해균 검출 및 관리 시스템은 의심 유해균이 검출되면 즉시 이러한 상황을 외부 관리 본부 및 기관에 알림으로써 해당 기관에서 전염병이 발생할 수 있는 상황을 조기에 인식하고 골든 타임에 정확한 초동 대응을 할 수 있도록 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1000 … 유해균 검출 및 관리 시스템
100 … 유해균 검출 장치
110 … 검출부
111 … 광원부
112 … 제1 렌즈부
113 … 제2 렌즈부
114 … 수광부
120 … 측정부
121 .. 렌즈부
122 … 회절 격자
123 … 광 측정기
124 … 신호 처리 장치
130 … 제어부
200 … 관리 서버
300 … 외부 서버
400 … 외부 단말
P … 유해균
100 … 유해균 검출 장치
110 … 검출부
111 … 광원부
112 … 제1 렌즈부
113 … 제2 렌즈부
114 … 수광부
120 … 측정부
121 .. 렌즈부
122 … 회절 격자
123 … 광 측정기
124 … 신호 처리 장치
130 … 제어부
200 … 관리 서버
300 … 외부 서버
400 … 외부 단말
P … 유해균
Claims (10)
- 유해균으로 조사된 광이 천이되어 방출된 방출광을 분석하여 유해균을 검출하는 실시간 유해균 검출 장치에 있어서,
소정 파장의 자외선 광을 조사하고, 상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이된 방출광을 집광하는 검출부;
상기 검출부로부터 전달된 상기 방출광의 분광 조성을 측정하는 측정부; 및
상기 측정부로부터의 측정 신호를 분석하여 유해균을 식별하는 제어부; 를 포함하는, 실시간 유해균 검출 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 검출부는,
소정 파장의 자외선 광을 생성하는 광원부;
상기 광원부로부터 방출된 광을 집광하는 제1 렌즈부;
상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이되어 방출된 방출광을 집광하는 제2 렌즈부; 및
상기 제2 렌즈부를 통해 집광된 방출광이 소정의 간격을 갖는 슬릿을 통과하도록 구성된 수광부; 를 포함하는, 실시간 유해균 검출 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 검출부로부터 전달된 상기 방출광을 집광하는 렌즈부;
상기 집광된 방출광을 회절시키는 회절 격자;
상기 방출광의 파장별 세기, 분광 조성, 분광 분포, 분광 입체각, 반사율, 투과율 중 적어도 하나를 측정하는 광 측정기; 및
측정된 광을 전자 신호로 변환시키는 신호 처리 장치; 를 포함하는, 실시간 유해균 검출 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 검출부로부터 조사된 광의 파장 및 세기 신호와, 상기 측정부로부터 제1 시점 및 제2 시점에 의해 정의되는 시구간 내에서 측정된 방출광의 파장 및 세기 신호에 기초하여 유해균을 식별하고,
상기 제2 시점은 상기 제1 시점 이후의 임의의 시점인, 실시간 유해균 검출 장치. - 제4 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 방출광에서 소정의 임계 강도 이상인 주요 피크 파장을 분석하고, 상기 주요 피크 파장의 시계열적 변화 패턴에 기초하여 유해균의 종류를 식별하는, 실시간 유해균 검출 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 광원부로부터 조사되는 자외선 광은 10nm 내지 400nm 범위에서 설정된 파장값 및 세기를 갖는, 실시간 유해균 검출 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 광원부는 자외선 광을 대기중으로 조사하도록 구성되는, 실시간 유해균 검출 장치. - 조사되는 광에 의해 천이된 방출광을 분석하여 유해균을 검출하고, 검출된 유해균의 이력을 관리하는 유해균 검출 및 관리 시스템에 있어서,
자외선 광을 조사하고, 상기 자외선 광을 받은 유해균으로부터 천이되어 방출된 방출광의 분광 조성을 분석하여 유해균을 식별하는 유해균 검출 장치; 및
상기 유해균 검출 장치로부터 획득된 분광 정보 및 유해균 식별 정보를 수집하고, 수집된 정보에 기초하여 유해균 검출 이력을 생성하고 관리하는 관리 서버; 를 포함하는, 유해균 검출 및 관리 시스템. - 제8 항에 있어서,
상기 관리 서버는,
수집된 분광 정보 및 유해균 식별 정보에 기초하여 복수의 분광 정보와 복수의 유해균 식별 정보의 상관관계를 생성하고, 생성된 데이터 세트에 기초하여 상기 유해균 검출 장치의 구동을 제어하는, 유해균 검출 및 관리 시스템. - 제8 항에 있어서,
상기 관리 서버는,
생성된 유해균 검출 이력을 외부의 서버로 송신하는, 유해균 검출 및 관리 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180154653A KR20200067611A (ko) | 2018-12-04 | 2018-12-04 | 실시간 유해균 검출 장치 및 유해균 검출 및 관리 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180154653A KR20200067611A (ko) | 2018-12-04 | 2018-12-04 | 실시간 유해균 검출 장치 및 유해균 검출 및 관리 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200067611A true KR20200067611A (ko) | 2020-06-12 |
Family
ID=71088129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180154653A KR20200067611A (ko) | 2018-12-04 | 2018-12-04 | 실시간 유해균 검출 장치 및 유해균 검출 및 관리 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200067611A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110068054A (ko) | 2009-12-15 | 2011-06-22 | 한국전기연구원 | 형광을 이용한 생화학 물질 검출 장치 |
| KR20120050293A (ko) | 2010-11-10 | 2012-05-18 | 한국전기연구원 | 병원균을 검출하기 위한 장치 및 그 방법 |
-
2018
- 2018-12-04 KR KR1020180154653A patent/KR20200067611A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
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