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KR102480306B1 - 성분 분석 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR102480306B1
KR102480306B1 KR1020190017717A KR20190017717A KR102480306B1 KR 102480306 B1 KR102480306 B1 KR 102480306B1 KR 1020190017717 A KR1020190017717 A KR 1020190017717A KR 20190017717 A KR20190017717 A KR 20190017717A KR 102480306 B1 KR102480306 B1 KR 102480306B1
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Abstract

성분 분석 장치는 하우징과, 하우징에 연결된 입력광 투과 플레이트에 의해 시료와 분리된 공간에 배치되도록 하우징에 연결되며 입력광 투과 플레이트를 통해 시료에 빛을 조사하는 광원과, 하우징에 연결된 출력광 투과 플레이트에 의해 시료와 분리된 공간에 배치되도록 하우징에 연결되며, 광원으로부터 조사되어 시료와 출력광 투과 플레이트를 투과한 빛을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 검출기를 포함한다.

Description

성분 분석 장치, 시스템 및 방법{APPARATUS, SYSTEM AND METHOD FOR ANALYZING COMPONENT}
본 발명은 성분 분석 장치, 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물질의 광학적 특성을 이용하여 물질의 유무, 농도 등을 분석하는 성분 분석 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
분광분석법은 시료 상태에 따른 파장 대역별 광학적 특성을 파악하여 시료의 성분을 비파괴적으로 분석하는 방법이다. 분광분석법은 시료의 상태를 표현할 수 있는 특정 파장이 결정되면 다른 비파괴검사법에 비하여 성분 분석 시스템을 구성하기 쉽고, 분석 결과의 해석이 간편하다.
분광분석법에서 주로 이용하는 근적외선 영역은 가시광선 영역과 인접한 적외선의 일부로서 통상적으로 780nm 내지 2,500㎚ 범위의 전자파에 해당한다. 근적외선 분광은 분자에 의해 흡수되는 근적외선에 대해 분석하는 것으로서 전자파와 물질 사이의 상호작용에 관한 분자 분광의 한 분야이다.
적외선과 근적외선은 분자의 진동을 여기시키며, 근적외선이나 적외선을 흡수한 분자는 진동 쌍극자처럼 특정한 주파수와 진폭으로 진동한다. 이때 분자의 진동을 일으키는 에너지와 빛의 에너지가 일치하게 되면 분자는 빛을 흡수하고 에너지 준위가 높은 상태로 천이하면서 진동 주파수는 변화하지 않으나 진폭이 커진다. 그러나, 분자의 진동을 일으키는 에너지와 빛의 에너지가 일치하지 않으면 빛은 반사되어 버린다.
유기물을 구성하고 있는 분자의 작용기는 적외선 영역에서 고유의 흡광 밴드(기준 진동 밴드)를 가지고 있다. 예를 들면, 적외선을 흡수하는 물질은 O-H, C-H, N-H, S-H기로 구성된 성분을 함유하고 있다. 이러한 특성을 이용하여 어떤 유기물에 적외선을 조사하고 적외선이 흡수 또는 반사되는 정도를 측정함으로써 그 유기물에 함유된 성분을 측정할 수 있다.
그러나, 적외선을 유기물에 조사하면 흡광성이 너무 강하여 정량이 곤란하므로 근적외선 영역의 파장을 주로 이용하게 된다. 근적외선 영역에서는 수분에 의한 광흡수가 미약하고, 유기물을 구성하는 작용기의 광학적 특성이 압축되어 나타나므로 유기물의 물리화학적인 특성을 확인할 수 있다.
근적외선 파장 영역에서는 적외선 파장 영역에서 유도되는 기준 흡수 파장에 대해 배음 흡수 또는 결합 흡수 파장이 나타난다. 배음 흡수는 대략적으로 기준 흡수 파장의 1/2배 또는 1/3배가 되는 파장에서 일어난다. 예를 들면, C-H 스트레치의 기준 흡수가 3,380nm의 적외선 영역에서 발생하면, 제1 배음은 1,690nm, 제2 배음은 1,126nm의 근적외선 영역에서 나타난다.
유기물을 구성하는 다원자 작용기의 경우에는 흡수가 더욱 복잡해지는데 기준 흡수 밴드의 수는 구성 원자의 수를 n개라고 하면 3n-6개로 올라가고, 배음 흡수 또한 더욱 복잡하다.
2개 이상의 흡수가 동시에 발생하면, 결합 흡수가 근적외선 영역에서 발생한다. 이와 같이 기준 흡수 밴드에 대한 배음 흡수 및 결합 흡수에 의해 근적외선 영역에서 물질 특유의 흡수스펙트럼이 나타난다. 예를 들어, C-H 스트레치의 기준 흡수 파장이 2,960nm, C-H 밴드의 기준 흡수 파장이 6,849nm의 적외선 영역에서 발생한다면 결합 흡수 파장은 2,262nm의 근적외선 영역에서 나타난다.
따라서, 유기물에 근적외선을 조사하고 각 주파수에서 흡수되는 에너지의 양을 정량화하면, 그 성분 함량을 계량 화학적인 방법으로 측정하는 것이 가능하다.
근적외역의 스펙트럼은 여러 개의 성분의 흡수 스펙트럼이 겹쳐져서 복잡한 형상을 나타낸다. 서로 겹쳐진 스펙트럼에서 흡수 밴드를 분리하여 성분별 스펙트럼을 찾아내기 위하여 일반적으로 사용되고 있는 방법이 미분이다. 통상적으로 1차 미분 또는 2차 미분을 가장 많이 사용한다. 미분 처리에 의해 원래 스펙트럼의 피크가 나누어지면서 서로 겹쳐진 흡수 피크를 분리할 수 있다.
근적외선 스펙트럼은 적외선 영역의 기준 흡수의 배음 흡수 및 결합 흡수가 합성되어 나타나므로 단순 물질에서는 스펙트럼 형상이 복잡하지 않지만, 복합물에서는 성분마다 흡수 스펙트럼이 결합되어 상당히 복잡한 형상을 나타낸다.
근적외선 분광법에서는 복잡한 스펙트럼을 다변량 분석하여 성분 특성을 예측하기 위해서 교정 과정을 수행한다. 다변량 분석에는 중회귀분석, 판별분석, 정준상관분석, 주성분분석, 원자분석, 클러스터분석 등 많은 방법이 있지만, 주로 사용되는 것은 중회귀분석, 주성분회귀분석, PLS회귀분석이 있다.
먼저, 중회귀분석(MLR ; Multiple Linear Regression)은 현재 가장 넓게 이용되고 있는 다변량 분석법으로서 스펙트럼 중에서 여러 개의 파장을 선택하여 예측모델을 작성한다.
적은 수의 파장을 선택하여 정확도가 높은 예측 모델을 작성하기 위해서는 시료수를 충분히 크게 해야 한다. 또, 서로 높은 상관을 가지는 설명변수가 회귀식 중에 포함되면 예측 정도가 현저하게 저하되는 다중공선성의 문제가 발생한다. 따라서, 보다 적은 설명변수에 의해 정도가 높은 예측 모델을 작성하기 위하여 총변수법, 변수증가법, 변수감소법, 변수지정법 등의 변수 선택법을 이용한다.
다음으로, 주성분회귀분석(PCR ; Principal Component Regression)은 중회귀분석이 가지는 시료수가 많아야 하는 것과 다중공선성의 문제를 해결하기 위해 개발된 방법이다. 주성분회귀분석은 본래의 변수에서 추출한 주성분을 설명변수로 사용하여 중회귀식을 구한다.
주성분은 원래의 설명변수보다 훨씬 적은 주성분에 정보를 집약할 수 있으므로 회귀분석에 필요한 시료수를 줄일 수 있다. 또한, 주성분은 서로 직교하여 상호 상관성이 없으므로 다중공선성의 우려가 없다.
한편, PLS(Partial Least Square)회귀분석은 통상의 회귀분석에서 오차를 설명변수마다 가정하는 것과 달리 설명변수와 목적변수의 양 변수에 모두 오차를 가정한다. PLS회귀분석은 잠재적인 인자를 추출해서 설명변수로 하는데, 추출할 때에 설명변수와 목적변수를 함께 이용하는 것이 주성분분석과의 차이점이다. PLS회귀분석은 변수가 가지고 있는 전체 정보를 이용해서 회귀식를 산출하기 때문에 주성분회귀분석 보다 높은 예측 정확도를 얻을 수 있다. 또 주성분 분석과 마찬가지로 다중공선성, 시료수 등의 문제를 해결할 수 있다.
가시광선 또는 근적외선을 이용하는 종래의 분광 성분 분석 장치는 텅스텐-할로겐 램프 등을 광원으로 사용하고, 단색화장치로 약 400nm 내지 2500nm 대역의 빛을 감지하기 위해 빛을 분산시키는 회절발(grating)과, 거울 구동을 이용한 푸리에 변환 단색화장치가 적용된다.
이러한 종래의 분광 성분 분석 장치는 광원으로서 고전류를 소모하는 램프를 사용하고, 그 램프가 가시광선 내지는 근적외선만 주사하는 것이 아니라 전체 파장 대역을 모두 주사하므로, 측정에 사용되지 않는 파장 대역의 주사로 인하여 측정에 필요한 전류와 전압 이상의 전력을 소모하게 되는 문제점이 있다. 이로 인해, 전체 파장 대역의 주사를 위해 고용량의 배터리가 사용되어 장치의 전체 무게를 증가시켜 장치의 휴대 및 이동에 많은 제약을 발생시키는 문제가 있다.
또한, 종래의 성분 분석 장치는 회절발이 평형을 유지해야 하고, 외부의 충격을 최소화해야 하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 장치 구동의 안정을 위해 고정된 상태를 유지해야 하므로 이동 중의 측정이 곤란하며, 이동 후 일정 시간이 경과한 후에 교정 과정을 거쳐 정상적인 분석이 가능하다. 특히, 회절발은 단색광을 얻기 위해 스텝 모터에 의해 구동하는데, 반복적인 구동에 의해 평형 상태 및 대역별 위치 설정에 오차가 누적되어 오작동을 유발할 수 있다.
종래의 성분 분석 장치는 전술한 문제점들로 인해 대부분 실험실에서 사용하고 있으며, 이동이 용이하고 조작이 간단한 휴대용 제품으로 제작하는 것이 상당히 어렵다. 기기가 매우 민감하여 현장용 성분 분석 장치로 보급하는 것 또한 곤란하다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 간섭 필터를 이용하여 단색화를 수행하는 성분 분석 장치가 개발되었다. 간섭 필터를 이용한 성분 분석 장치는 시료를 투과한 빛 중에서 서로 다른 파장 대역을 갖는 다수 개의 간섭 필터들을 통해 협대역 빛으로 단색화하여 추출한 다음, 그 추출한 파장 대역의 스펙트럼 분석을 통해 특정 성분을 분석한다. 간섭 필터를 이용한 성분 분석 장치는 시료를 투과한 빛을 파장 대역별로 단색화하기 위해 간섭 필터를 정밀하게 회전시키는 스텝 모터를 구비한다.
그러나, 간섭 필터를 이용한 종래의 성분 분석 장치는 다수의 간섭 필터와 이를 회전시키기 위한 스텝 모터 등이 기계적, 전기적, 광학적으로 연결되어야 하므로 장치 구조가 복잡하고, 제조 단가를 상승시킨다.
한국 등록 특허 공보 제10-1690073호(선행특허문헌 1)에 개시된 바와 같이 모듈화된 소형 분광기를 이용하는 휴대용 성분 분석 장치도 개발되었다. 통상적으로 사용되는 모듈형 소형 분광기는 내부에 미세 크기의 회절발과, 파장별로 서로 다른 각도로 회절된 빛을 검출하는 수광소자로 이루어진다. 이러한 소형 분광기는 측정 환경 변화와 이로 인해 직간접적으로 발생하는 잡음에 영향을 많이 받는다. 따라서, 측정 조건이 일정하도록 구조 설계가 수행되어야 하나 측정 대상이 외부에 배치될 경우 차광 부재로써 외부 잡음을 완벽히 차단하더라도 대상물 표면 상태, 측정 각도, 제조 공차 등에 의해 측정값의 신뢰도가 크게 낮아질 수 있다.
한국 등록 특허 공보 제10-1690073호
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 시료 용기 없이 시료 내에 투입되어 측정하거나 일정하게 출입하도록 탈부착 가능하게 구성된 시료 수용부를 구비하여 사용의 편의성 및 일정한 측정 조건을 확보한 성분 분석 장치와, 측정 대상 시료의 기준 성분 스펙트럼 및 추정 모델을 기초로 하여 합성 스펙트럼으로부터 성분 스펙트럼 구분 및 성분 특성 분석의 신뢰도를 높일 수 있는 성분 분석 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 성분 분석 장치는 하우징; 하우징에 연결된 입력광 투과 플레이트에 의해 시료와 분리된 공간에 배치되도록 하우징에 연결되며, 입력광 투과 플레이트를 통해 시료에 빛을 조사하는 광원; 및 하우징에 연결된 출력광 투과 플레이트에 의해 시료와 분리된 공간에 배치되도록 하우징에 연결되며, 광원으로부터 조사되어 시료와 출력광 투과 플레이트를 투과한 빛을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 검출기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원으로부터 검출기에 이르는 광축이 통과하는 위치에 시료 수용 공간을 형성하도록 하우징에 연결되는 시료 수용부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시료 수용부는 하우징에 탈착 가능하게 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력광 투과 플레이트 및 출력광 투과 플레이트는 시료 수용부와 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시료 수용부는 외부로부터 시료 수용 공간으로 들어오는 빛을 차단하는 차광 부재를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시료의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시료의 습도를 측정하는 습도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 성분 분석 시스템은 전술한 성분 분석 장치, 광원에 광도, 파장, 발광 타이밍, 발광 주기를 포함하는 광원 설정값 중 하나 이상을 제어하기 위한 신호를 송신하는 광원 제어 모듈과, 검출기의 검출 타이밍, 검출 주기, 검출 범위를 포함하는 검출기 설정값 중 하나 이상을 제어하기 위한 신호를 송신하는 검출기 제어 모듈과, 온도, 습도, 시료 종류, 추정 성분을 포함하는 측정 조건값 중 하나 이상을 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값을 결정하고 측정 조건값을 기초로 추정 스펙트럼을 생성하는 측정 조건 설정 모듈과, 검출기로부터 전달받은 전기적 신호를 이용하여 시료에 대한 합성 스펙트럼을 생성하는 스펙트럼 생성 모듈과, 합성 스펙트럼과 추정 스펙트럼을 비교하여 시료의 성분 특성을 결정하는 스펙트럼 비교 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원은 서로 다른 파장 대역의 빛을 조사하는 둘 이상의 발광 소자를 포함하며, 광원 제어 모듈은 둘 이상의 발광 소자가 서로 교번하여 발광하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원은 광도가 조절 가능한 발광 소자를 포함하며, 광원 제어 모듈은 미리 설정된 광도 패턴에 따라 발광 소자가 발광하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 검출기 제어 모듈은 검출하는 빛의 광도, 파장 중 하나 이상의 범위를 설정하여 검출기를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스펙트럼 생성 모듈은 측정 조건 설정 모듈에 의해 미리 결정된 초기 조건값에 따라 측정된 신호를 이용해 예비 합성 스펙트럼을 생성하고, 측정 조건 설정 모듈은 예비 합성 스펙트럼을 통해 시료 종류 및 추정 성분을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정 조건 설정 모듈은 시료 종류 및 추정 성분을 기초로 하여 둘 이상의 추정 성분을 추정 정확도가 가장 높은 기준 물질과, 추정 정확도가 상대적으로 낮은 비교 물질로 구분하며, 미리 설정된 기준 물질의 성분 스펙트럼에서 피크값이 나타나는 기준 파장 대역과 미리 설정된 비교 물질의 성분 스펙트럼에서 피크값이 나타나는 비교 파장 대역을 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값 중 하나 이상을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스펙트럼 비교 모듈은 미리 결정된 추정 조건값에 따라 기준 물질의 성분 스펙트럼과 비교 물질의 성분 스펙트럼을 이용하여 기준 파장 대역 및 비교 파장 대역에서의 추정 스펙트럼을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미리 결정된 범위 내로 기준 파장 대역 및 비교 파장 대역에서의 합성 스펙트럼과 추정 스펙트럼 간의 오차가 감소하도록 추정 조건값을 교정하는 추정 조건 교정 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정 조건 설정 모듈은 시료 종류 및 추정 성분을 기초로 하여 둘 이상의 추정 성분을 추정 정확도가 가장 높은 기준 물질과, 추정 정확도가 상대적으로 낮은 비교 물질로 구분하며, 미리 설정된 기준 물질의 성분 스펙트럼과 비교 물질의 성분 스펙트럼에서 흡광도 차가 가장 큰 최대 파장 대역과 흡광도 차가 가장 작은 최소 파장 대역을 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값 중 하나 이상을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스펙트럼 비교 모듈은 미리 결정된 추정 조건값에 따라 기준 물질의 성분 스펙트럼과 비교 물질의 성분 스펙트럼을 이용하여 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역에서의 추정 스펙트럼을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미리 결정된 범위 내로 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역에서의 합성 스펙트럼과 추정 스펙트럼 간의 오차가 감소하도록 추정 조건값을 교정하는 추정 조건 교정 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 성분 분석 방법은 측정 조건값을 설정하는 단계; 측정 조건값을 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값을 결정하는 단계; 광원 및 검출기를 동작시켜 합성 스펙트럼을 생성하는 단계; 측정 조건값을 기초로 하여 추정 스펙트럼을 생성하는 단계; 및 합성 스펙트럼과 상기 추정 스펙트럼을 비교하여 시료의 성분 특성을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 성분 분석 장치에 의하면, 일정한 조건에서 시료를 분광 분석함으로써 측정 중 발생하는 내외부 잡음을 최소화하고 일정한 조건에서 반복적으로 측정을 수행함으로써 측정값을 교정함으로써 높은 신뢰도의 분석을 수행할 수 있다.
또한, 측정 대상 시료의 기준 성분 스펙트럼으로부터 특성 분석에 유리한 파장 대역을 선정하고, 간소화된 추정 모델을 기초로 하여 반복된 측정을 통해 상관도 분석에서 변수 해석에 소요되는 시간을 단축하고 충분한 신뢰도를 확보할 수 있으며, 단색화 장치, 간섭 필터 등을 사용하지 않고 해당 파장 대역의 광원과 검출기만을 이용하여 간단한 구조로 소형화할 수 있다. 휴대성이 우수하여 광범위한 지역에서 지속적인 모니터링이 가능하며, 반복된 측정을 통해 추정 모델을 지속적으로 개선하여 신뢰도를 높일 수 있어 현장 분석에 적합하다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성분 분석 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성분 분석 장치의 개략적인 측단면도이다.
도 3은 도 2의 성분 분석 장치의 개략적인 평단면도이다.
도 4는 분해 상태인 도 2의 성분 분석 장치의 개략적인 측단면도이다.
도 5는 변형 실시예에 따른 도 2의 성분 분석 장치의 개략적인 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 성분 분석 장치의 개략적인 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 성분 분석 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 성분 분석 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 성분 분석 방법의 각 단계를 도시한 흐름도이다.
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.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
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 발명에 따른 성분 분석 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 성분 분석 시스템(1000)은 성분 분석 장치(1100)와, 사용자 단말(1200)과, 서버(1300)를 포함한다.
성분 분석 장치(1100)는 시료 수용부(1110)와, 광원(1120)과, 검출기(1130)와, 환경 센서(1150)와, 전원공급부(1160)와, 디스플레이부(1170)와, 통신부(1180)를 포함한다.
사용자 단말(1200)은 모바일 기기, 예를 들면 스마트폰으로 구성될 수 있다. 사용자 단말이 스마트폰으로 구성되는 경우 서비스를 제공받기 위하여 관리 프로그램이 탑재된 어플리케이션을 설치하여 이를 통해 서버(1300)와 연결되어 서비스를 제공받을 수 있다.
서버(1300)는 사용자 단말(1200)과 유무선 통신망을 통해 데이터를 송수신한다. 서버(1300)는 성분 분석 장치(1100)의 구성 정보, 광원 설정값, 검출기 설정값, 초기 조건값, 측정 조건값, 추정 조건값, 대상 시료에 대한 성분 스펙트럼, 각각의 성분 스펙트럼에서의 피크 파장 대역, 각각의 성분 스펙트럼 간 상세히 후술되는 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역에 대한 정보를 저장하는 데이터 베이스(1310)를 포함할 수 있다. 데이터 베이스(1310)에 저장된 정보는 성분 분석 장치(1100) 및 사용자 단말(1200)을 통해 제공되는 정보를 시간에 따라 누적적으로 기록하고, 반복되는 분석에 의한 데이터 간 관계를 반영하여 지속적으로 갱신될 수 있다. 이로써, 데이터 베이스 내 저장 정보는 사용자가 본 발명을 계속하여 실시함에 따라 정확성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
시료 수용부(1110)는 성분 분석의 대상이 되는 시료가 수용되어 광원(1120) 및 검출기(1130)에 의해 측정이 이루어지는 시료 수용 공간(Q)을 형성한다. 시료 수용부(1110)는 입력광 투과 플레이트(1111)와, 출력광 투과 플레이트(1112)와, 차광 부재(1114)를 포함한다.
시료 수용부(1110)는 광원(1120)으로부터 검출기(1130)에 이르는 광축이 통과하는 위치에 시료 수용 공간을 형성한다. 검출기(1130)의 수광부로 직접 닿도록 놓이는 광원(1120)의 광축이 시료 수용 공간을 통과하도록 시료 수용부(1110)를 배치함으로써 시료에 흡수되지 않은 빛이 검출기(1130)에 검출될 수 있다. 광원(1120)은 입력광 투과 플레이트(1111)와, 다른 구성요소들이 실장되는 공간을 형성하는 하우징(1113)의 일부분에 둘러싸인 공간에 배치되며, 검출기(1130)는 출력광 투과 플레이트(1112)와 하우징(1113)의 다른 부분에 둘러싸인 공간에 배치될 수 있다. 투과 플레이트(1111, 1112)는 광원(1120)의 광축에 대해 수직하게 배치될 수 있다. 즉, 입력광 투과 플레이트(1111)와 출력광 투과 플레이트(1112)는 서로 평행하게 배치되어 대면할 수 있다. 한편, 측정 시 투과 플레이트(1111, 1112)의 굴절률에 따라 측정 결과가 상이하므로 투과 플레이트(1111, 1112)의 소재 선정 시 굴절률, 두께 등을 고려하는 것이 바람직하다.
시료 수용부(1110)는 도 3에 도시된 바와 같이 입력광 투과 플레이트(1111)와 출력광 투과 플레이트(1112)를 일체로 포함할 수 있다. 서로 평행하게 배치된 투과 플레이트(1111, 1112)의 양측면에는 외부로부터 시료 수용부(1110) 내의 시료 수용 공간으로 들어오는 빛을 차단하는 차광 부재(1114)가 구비될 수 있다. 차광 부재(1114)는 투과 플레이트(1111, 1112)와 일체로 형성될 수 있으나, 투과 플레이트(1111, 1112)와는 분리된 채 하우징(1113)에 고정되도록 구성될 수도 있다. 본 실시예에서 투과 플레이트(1111, 1112)와 차광 부재(1114)에 의해 둘러싸인 시료 수용 공간의 평단면이 사각형 형상을 가지는 것으로 도시되었으나, 원형, 삼각형, 반원형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
시료 수용부(1110)는 하우징(1113)에 탈착 가능하게 연결될 수 있다. 시료 수용부(1110)가 하우징(1113)에 분리된 상태에서 시료를 시료 수용부(1110) 내 시료 수용 공간에 넣고 나서 시료 수용부(1110)를 하우징(1113)에 결합시킬 수 있다. 도시하지는 않았지만, 시료 수용부(1110)는 하우징(1113)의 측벽에 형성된 슬라이딩 가이드 부재에 의해 안내 되어 광원(1120)과 검출기(1130) 사이를 슬라이드 이동하며 하우징(1113)에 결합되거나 하우징(1113)으로부터 분리되도록 구성될 수 있다. 또한, 시료 수용부(1110)는 공지의 다양한 탈착 가능한 결합 방식에 의해 하우징(1113)에 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 변형 실시예에서는 도 5에 도시된 바와 같이 입력광 투과 플레이트(1111')는 광원(1120) 측 하우징(1113')에 결합되고, 출력광 투과 플레이트(1112')는 검출기(1130) 측 하우징(1113')에 결합될 수 있다. 이때, 시료는 본 발명에 따른 장치 내부가 아닌 외부 공간에 배치되는 것이며, 즉, 시료는 입력광 투과 플레이트(1111')와 출력광 투과 플레이트(1112') 사이 공간을 자유롭게 드나들 수 있는 상태로 위치하게 된다. 이때, 투과 플레이트(1111', 1112')의 사이 공간을 둘러싸도록 투과 플레이트(1111', 1112')의 양측면에 배치되도록 하우징(1113')에 차광 부재(1114')가 각각 연결될 수 있다. 이러한 변형 실시예를 통해 다른 용기에 담겨 있는 시료로서, 예를 들면 분말, 결정, 알갱이, 액체 등의 시료에 광원(1120) 부분과 검출기(1130) 부분이 잠기도록 삽입하여 측정을 수행할 수 있다. 이러한 방식을 통해 시료를 별도의 시료 수용부에 담을 필요 없이 장치를 시료에 삽입함으로써 입력광 투과 플레이트(1111')와 출력광 투과 플레이트(1112') 사이에 시료가 자연스럽게 흘러 들어와 광원(1120)과 검출기(1130) 간 광축 사이에 시료가 배치될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 시료 수용 공간의 개구부, 즉, 투과 플레이트(1111', 1112')와 차광 부재(1114')의 측부로 형성되어 시료 수용 공간과 외부 공간이 연결되는 개구부는 별도의 차광 리드 등의 동작에 의해 개폐될 수 있다.
광원(1120)은 입력광 투과 플레이트(1111)에 의해 시료와 분리된 공간에 배치되도록 하우징(1113)에 연결된다. 전술한 바와 같이 광원(1120)은 하우징(1113)과 입력광 투과 플레이트(1111)에 의해 형성된 공간에 배치되어 입력광 투과 플레이트(1111)를 통해 시료에 빛을 조사한다.
광원(1120)은 광도가 가장 높게 나타나는 광축을 중심으로 소정 각도 범위로 빛을 조사한다. 광원(1120)은 광축이 투과 플레이트(1111, 1112)를 관통하도록 배치된다. 광원(1120)의 광축은 투과 플레이트(1111, 1112)의 투과면에 수직하게 배치될 수 있다.
광원(1120)은 서로 다른 파장 대역의 빛을 조사하는 둘 이상의 발광 소자를 포함할 수 있다. 성분 조성 범위가 미리 결정된 시료를 분석하는 경우 후술할 기준 파장 대역, 비교 파장 대역, 최대 파장 대역, 최소 파장 대역 등 분석에 필요한 파장 대역을 미리 알 수 있으므로, 해당 파장 대역의 빛을 조사할 수 있는 발광 소자가 사용될 수 있다. 이를 통해 특정 시료 분석을 위한 기기로서 제조 단가를 현저하게 낮출 수 있다. 한편, 광원(1120)은 가시광선 및 근적외선 영역 중 일부 또는 전체 범위의 빛을 조사할 수 있는 하나 또는 둘 이상의 발광 소자를 포함할 수 있다. 측정 대상 성분, 측정 파장 대역 등을 고려하여 공지의 다양한 발광소자를 광원(1120)으로 사용할 수 있다.
광원(1120)은 광도가 조절 가능한 발광 소자를 포함할 수 있다. 전압 조절기 등 광원(1120)의 전압, 전류를 조절하여 광원(1120)의 광도를 조절할 수 있는 별도의 소자를 더 포함할 수 있다. 분석 시 광도를 조절함으로써 장치 내외부에서 일정하게 발생하는 잡음, 또는 주기적으로 발생하는 잡음 등을 효과적으로 분리할 수 있다.
검출기(1130)는 출력광 투과 플레이트(1112)에 의해 시료와 분리된 공간에 배치되도록 하우징(1113)에 연결된다. 전술한 바와 같이 검출기(1130)는 하우징(1113)과 출력광 투과 플레이트(1112)에 의해 형성된 공간에 배치되어 광원(1120)으로부터 조사되어 시료와 출력광 투과 플레이트(1112)를 투과한 빛을 검출하여 전기적 신호로 변환한다.
검출기(1130)는 포토다이오드, 모듈형 분광기 등이 사용될 수 있다. 검출기(1130)는 검출하는 빛의 파장 대역, 파장 대역의 광협, 분해능, 동작 주기 등을 고려하여 공지의 다양한 검출 소자를 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 검출기(1130)는 광원(1120)의 맞은편에 위치하여 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 광원(1120)으로부터 조사되어 투과 플레이트(1111, 1112) 및 시료를 투과한 빛이 검출기(1130)로 입사한다.
시료 수용부(1110) 또는 하우징(1113)에는 온도 센서(1151), 습도 센서(1152) 등 분석 조건을 측정할 수 있는 하나 이상의 환경 센서(1150)가 구비될 수 있다. 환경 센서(1150)를 통해 분석 결과에 영향을 미치는 환경 요인을 파악함으로써 동일한 시료에 대해 분석 조건의 영향 정도를 고려하여 추후 추정 과정에 이를 반영할 수 있다. 환경 센서(1150)는 시료의 온도, 습도 등을 직접 측정하거나, 시료 수용부(1110) 내부의 온도, 습도 등을 측정할 수도 있다.
전원공급부(1160)는 성분 분석 장치(1100)의 각 구성요소들로 전원을 공급한다. 전원공급부(1160)는 기계적 및 전기적으로 분리 가능하게 구성될 수 있다. 또한, 분리된 전원공급부(1160)는 여분의 다른 전원공급부로 교체될 수 있다. 또한, 전원공급부(1160)는 성분 분석 장치(1100)와 일체로 구성될 수도 있다. 이때, 전원공급부(1160)는 별도의 충전 장치(미도시)에 의해 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 예를 들면, 전원공급부(1160)는 유선 전력 전송 방식 또는 무선 전력 전송 방식으로 충전 장치로부터 전력을 공급받을 수 있다. 전원공급부(1160)는 자기유도 방식, 자기공명 방식, 마이크로파 라디에이션 방식 중 하나 이상의 방식을 통해 무선으로 전력을 공급받을 수 있다.
디스플레이부(1170)는 성분 분석 결과, 동작 상태, 전원 공급 상태 등의 정보를 사용자에게 표시한다. 디스플레이부(1170)는 빛, 문자, 이미지, 영상을 포함하여, 소리, 진동 등의 추가적인 출력 수단을 통해 정보를 표시할 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 디스플레이부는 사용자 단말의 디스플레이 패널을 포함하는 출력 수단을 통해 구성될 수도 있다.
통신부(1180)는 유선 또는 무선 통신을 통해 사용자 단말, 서버 등 외부로 정보를 전송하고 외부로부터 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 통신부91180)는 블루투스, 와이파이(Wi-Fi), 와이브로(Wibro)와 같은 무선 통신 프로토콜, 또는 TCP/IP와 같은 유선 인터넷 프로토콜일 수 있다. 통신부(1180)의 통신 방식은 이에 한정하지 않으며, 표준으로서 공개되는 통신 규약, 또는 독자 개발된 다양한 통신 규약을 사용할 수 있다.
전술한 성분 분석 장치(1100)는 단독으로 사용되는 개별 장치로 도시하였으나, 냉장고, 정수기, 세탁기 등의 생활가전 제품에 결합되거나, 분리 가능하게 연결되는 부속품으로 사용되거나, 그 밖에 스마트폰을 포함한 사용자 단말 등 다양한 전자 제품에 모듈 형태로 포함되거나 결합되어 사용될 수 있다. 도 1의 실시예에서 성분 분석 장치(1100)가 시료 수용부(1110), 광원(1120), 검출기(1130) 등을 모두 포함하는 것으로 도시하였으나, 도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 성분 분석 시스템(4000)에서의 성분 분석 장치(4100)와 같이 전원공급부(4160), 디스플레이부(4170), 통신부(4180) 중 하나 이상이 가전 제품(4400)에 포함된 형태로 구성될 수도 있다. 이때, 가전 제품(4400)은 서버와 유선 또는 무선 통신을 통해 정보를 송수신할 수 있다. 참고로, 설명의 편의를 위해 사용자 단말, 서버는 생략하였으며 동일한 구성요소에 대한 설명 또한 생략하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성분 분석 시스템(1000)은 광원 제어 모듈(1210)과, 검출기 제어 모듈(1220)과, 측정 조건 설정 모듈(1230)과, 스펙트럼 생성 모듈(1240)과, 스펙트럼 비교 모듈(1250)과, 추정 조건 교정 모듈(1260)을 포함한다.
광원 제어 모듈(1210)은 광도, 파장, 발광 타이밍, 발광 주기를 포함하는 광원 설정값 중 하나 이상을 제어하기 위한 신호를 광원(1120)으로 송신한다.
광원 제어 모듈(1210)은 서로 다른 파장 대역의 빛을 조사하는 둘 이상의 발광 소자가 서로 교번하여 발광하도록 제어할 수 있다. 또한, 광원 제어 모듈(1210)은 발광 소자가 일시점에 하나의 파장 대역에 대한 빛을 조사하거나, 둘 이상의 파장 대역에 대한 빛을 동시에 조사하도록 제어할 수 있다.
또한, 광원 제어 모듈(1210)은 광도 조절 가능한 발광 소자를 미리 설정된 광도 패턴에 따라 발광하도록 제어할 수 있다. 광원 제어 모듈(1210)은 발광 소자가 일정한 광도로 지속적으로 발광하거나, 둘 이상의 광도를 시간에 따라 조합하여 발광하도록 발광 소자를 제어할 수 있다. 또한, 광원 제어 모듈(1210)은 미리 설정된 패턴에 따라 발광 기간 및 휴지 기간을 조합하여 발광 소자를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 광원(1120)의 제어 방식은 시료의 종류, 성분의 광학적 특성, 잡음 특성 등을 고려하여 분석 결과의 신뢰도를 극대화할 수 있는 방식으로 다양하게 선정될 수 있다. 이러한 광도 제어, 파장 제어, 타이밍 제어는 일정한 주기를 가지고 반복적으로 수행될 수 있다. 1회의 분석 과정을 수행하면서 복수 주기의 측정을 수행하여 주기별 측정값의 평균을 이용함으로써 일시적 잡음 영향을 최소화할 수 있다.
검출기 제어 모듈(1220)은 검출기(1130)의 검출 타이밍, 검출 주기, 검출 범위를 포함하는 검출기 설정값 중 하나 이상을 제어하기 위한 신호를 송신한다. 검출기 제어 모듈(1220)은 일정한 시간 간격을 두고 지속적으로 검출 동작을 수행하도록 검출기(1130)를 제어할 수 있다. 검출기 제어 모듈(1220)은 검출하는 빛의 광도, 파장 중 하나 이상의 범위를 설정하여 검출기(1130)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 검출 파장 대역의 상하한을 설정하거나 검출 광도의 상하한을 설정할 수 있다.
측정 조건 설정 모듈(1230)은 온도, 습도, 시료 종류, 추정 성분을 포함하는 측정 조건값 중 하나 이상을 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값을 결정한다. 측정 조건 설정 모듈(1230)은 온도 센서(1151) 및 습도 센서(1152)에 의해 측정된 시료 온도 및 습도 데이터와, 후술하는 바와 같이 예비 합성 스펙트럼 및 데이터 베이스 내 성분 스펙트럼을 비교하여 추정된 시료 종류 및 추정 성분을 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값을 결정할 수 있다.
측정 조건 설정 모듈(1230)은 측정 조건값을 확정하기 전, 즉 시료 종류 및 추정 성분을 추정하기 전에 예비 합성 스펙트럼을 구하기 위한 초기 조건값을 사전에 설정할 수 있다. 초기 조건값을 통해 투과 플레이트(1111, 1112)의 굴절률, 시료 수용부(1110)를 포함하는 장치 구성요소로부터 직간접적으로 발생하는 잡음, 제품마다 사용되는 각각의 구성요소 차이로 인한 측정값의 미세 오차 등을 최종 분석결과에 반영할 수 있다. 초기 조건값은 시료가 수용되지 않은 상태에서의 측정값과 온습도 데이터를 이용하여 설정할 수 있다.
미리 결정된 초기 조건값에 따라 광원 설정값 및 검출기 설정값을 결정하여 측정된 신호를 이용해 예비 합성 스펙트럼을 생성하며, 측정 조건 설정 모듈(1230)은 예비 합성 스펙트럼과 사전에 데이터 베이스에 구축해 놓은 성분 스펙트럼을 비교하여 시료 종류 및 추정 성분을 1차적으로 추정할 수 있다. 성분 스펙트럼은 공지의 성분 분석 장치를 이용하여 얻거나, 이미 성분 조성을 알고 있는 시료를 본 실시예의 성분 분석 장치를 이용하여 측정하여 생성할 수 있다.
측정 조건 설정 모듈(1230)은 예비 합성 스펙트럼과 예상 성분 스펙트럼의 분석을 통해 추정된 시료 종류 및 추정 성분을 기초로 하여 둘 이상의 추정 성분을 추정 정확도가 가장 높은 기준 물질과, 추정 정확도가 상대적으로 낮은 비교 물질로 구분할 수 있다. 예를 들면, 제1 성분에 대한 특정 파장 대역에서의 피크값 또는 변화율이 제2 성분에 대한 특정 파장 대역에서의 피크값 또는 변화율보다 미리 설정된 성분 스펙트럼에 더욱 근접하게 나타날 경우, 제1 성분을 기준 물질, 제2 성분을 비교 물질로 구분할 수 있다.
기준 물질과 비교 물질을 구분한 후, 기준 물질의 성분 스펙트럼에서 피크값이 나타나는 기준 파장 대역과 비교 물질의 성분 스펙트럼에서 피크값이 나타나는 비교 파장 대역을 결정할 수 있으며, 이를 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값 중 하나 이상을 조정할 수 있다. 기준 파장 대역 및 비교 파장 대역 내에서 빛을 조사하도록 광원(1120)을 제어하거나, 각각의 성분 스펙트럼에서 기준 파장 대역 및 비교 파장 대역에서의 흡광도를 기초로 광원(1120)의 광도 또는 검출기(1130)의 검출 광도를 조정할 수 있다.
측정 조건 설정 모듈(1230)은 기준 물질의 성분 스펙트럼과 비교 물질의 성분 스펙트럼에서 각각의 흡광도 차가 가장 큰 최대 파장 대역과 흡광도 차가 가장 작은 최소 파장 대역을 결정할 수 있으며, 이를 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값 중 하나 이상을 조정할 수 있다. 예를 들어, 기준 물질의 성분 스펙트럼과 비교 물질의 성분 스펙트럼이 동일한 그래프 상에서 교차하는 경우, 기준 물질의 흡광도가 비교 물질의 흡광도보다 가장 많은 차이로 큰 파장 대역이 최대 파장 대역, 기준 물질의 흡광도보다 비교 물질의 흡광도가 가장 많은 차이로 큰 파장 대역이 최소 파장 대역이 된다. 기준 물질 및 비교 물질의 성분 스펙트럼에서 피크값이 명확하게 나타나지 않는 경우 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역을 기초로 광원(1120)과 검출기(1130)를 제어할 수 있다.
한편, 예비 합성 스펙트럼에서 기준 물질의 성분 스펙트럼에서의 피크값은 확인되나 비교 물질의 성분 스펙트럼에서의 피크값이 명확히 나타나지 않는 경우, 기준 파장 대역과 함께 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역을 동시에 고려하여 광원(1120)과 검출기(1130)를 제어할 수도 있다.
스펙트럼 생성 모듈(1240)은 검출기(1130)로부터 전달받은 전기적 신호를 이용하여 시료에 대한 합성 스펙트럼을 생성한다. 스펙트럼 생성 모듈(1240)은 검출기(1130)의 분해능을 고려하여 단위 파장 대역에 대한 흡광도를 모아 합성 스펙트럼을 생성할 수 있다. 광원(1120)으로부터 조사되는 빛의 파장별 광도가 상이하거나, 파장별로 동일한 광도의 빛을 검출기(1130)가 검출하는 값이 상이할 경우, 이러한 파장별 차이를 합성 스펙트럼 생성 시 조정하여 생성할 수 있다.
스펙트럼 생성 모듈(1240)은 미리 설정된 초기 조건값에 따라 측정된 신호를 이용해 예비 합성 스펙트럼을 생성할 수 있다. 예비 합성 스펙트럼을 통해 시료의 상태, 성분 조성을 정확하게 파악하는 것이 곤란할 수 있으나, 데이터 베이스에 준비된 성분 스펙트럼과의 비교를 통해 시료 종류, 추정 성분 등을 파악할 수 있다.
또한, 스펙트럼 생성 모듈(1240)은 추정된 시료 종류 및 추정 성분과 온습도 데이터를 포함하는 측정 조건값을 기초로 추정 스펙트럼을 생성한다. 추정 스펙트럼은 시료 종류 및 추정 성분에 대응하는 성분 스펙트럼을 합성하여 생성할 수 있다. 각각의 성분 스펙트럼을 합성하여 추정 스펙트럼을 생성할 때 온도, 습도, 파장 대역, 추정 성분, 측정 광도 범위 등에 따라 서로 다른 추정 조건값을 이용할 수 있다. 예를 들면, 각각의 추정 성분의 파장별 흡광도를 합하여 추정 스펙트럼을 생성할 수 있으며, 온습도에 따라 파장별 흡광도를 소정 비율로 합하여 추정 스펙트럼을 생성할 수도 있다. 또한, 파장 대역에 따라 서로 상이한 비율로 흡광도를 합하여 추정 스펙트럼을 생성할 수도 있다.
전술한 합성 스펙트럼은 둘 이상의 성분을 포함하는 시료를 검출기(1130)에 의해 전달된 전기적 신호를 기초로 검출기(1130)에 의해 측정된 빛의 파장별 흡광도를 이용하여 생성하며, 성분 스펙트럼은 단일 성분에 대해 측정된 빛의 파장별 흡광도를 이용하여 생성할 수 있다.
스펙트럼 생성 모듈(1240)은 미리 결정된 추정 조건값에 따라 기준 물질의 성분 스펙트럼과 비교 물질의 성분 스펙트럼을 이용하여 기준 파장 대역 및 비교 파장 대역에서의 추정 스펙트럼을 생성할 수 있다.
또한, 스펙트럼 생성 모듈(1240)은 미리 결정된 추정 조건값에 따라 기준 물질의 성분 스펙트럼과 비교 물질의 성분 스펙트럼을 이용하여 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역에서의 추정 스펙트럼을 생성할 수 있다.
기준 파장 대역, 비교 파장 대역, 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역과 같이 전체 파장 대역 중에서 일부 파장 대역을 분석 대상 영역으로 설정하여 광원(1120) 및 검출기(1130) 설정값을 조정하고 해당 대역의 추정 스펙트럼을 선택적으로 생성함으로써, 성분별로 광학적 특성이 강하게 나타나는 파장 대역에서 집중적으로 분석을 수행함으로써 측정 결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
스펙트럼 비교 모듈(1250)은 합성 스펙트럼과 추정 스펙트럼을 비교하여 시료의 성분 특성을 결정한다. 또한, 스펙트럼 비교 모듈(1250)은 예비 합성 스펙트럼과 데이터 베이스 내 성분 스펙트럼을 비교하여 시료 종류 및 추정 성분을 추정할 수 있다. 이하에서는 성분 스펙트럼과 합성 스펙트럼의 비교에 대한 설명을 추정 스펙트럼과 합성 스펙트럼의 비교에 포함하여 설명하겠다.
기준 파장 대역 및 비교 파장 대역을 결정하여 추정 스펙트럼을 생성하는 경우, 스펙트럼 비교 모듈(1250)은 합성 스펙트럼 및 추정 스펙트럼의 기준 파장 대역 및 비교 파장 대역에서 각각 기준 파장 피크값 및 비교 파장 피크값을 이용하여 성분 유무 및 성분 비율을 산출할 수 있다. 스펙트럼 비교 모듈(1250)은 예비 합성 스펙트럼과 성분 스펙트럼의 비교를 통해 추정한 시료 종류 및 추정 성분을 재차 확인하고, 성분 간 조성 비율, 농도 등을 상세하게 분석할 수 있다. 예를 들면, 동일한 조건에서 생성된 기준 물질과 성분 물질의 성분 스펙트럼에서의 피크값과, 추정 스펙트럼에서의 기준 파장 피크값 및 비교 파장 피크값을 합성 스펙트럼에 나타난 피크값과 비교하여 피크값의 크기 비율, 온습도 영향 등을 통해 성분 간 조성 비율을 판단할 수 있다. 한편, 예비 합성 스펙트럼에서 파악하지 못한 미량 함유 성분도 추가적으로 확인할 수 있다.
또한, 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역을 결정하여 추정 스펙트럼을 생성하는 경우, 스펙트럼 비교 모듈(1250)은 합성 스펙트럼 및 추정 스펙트럼의 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역에서 흡광도를 이용하여 성분 유무 및 성분 비율을 산출할 수 있다. 각각 동일한 조건에서 측정된 기준 물질 성분 스펙트럼에서 최소 파장 대역에서의 흡광도를 X00, 최대 파장 대역에서의 흡광도를 X01, 비교 물질 성분 스펙트럼에서 최소 파장 대역에서의 흡광도를 X10, 최대 파장 대역에서의 흡광도를 X11, 합성 스펙트럼에서 최소 파장 대역에서의 흡광도를 Y0, 최대 파장 대역에서의 흡광도를 Y1, 전체 시료 중 기준 물질의 비율을 K0, 전체 시료 중 비교 물질의 비율을 K1이라 하면, 물질의 조성 비율과 해당 물질에 대한 흡광도가 서로 비례한다고 가정할 때 아래의 수학식 1의 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112019016050321-pat00001
상기 수학식 1을 통해 K0와 K1의 비율을 구할 수 있으며, 즉 기준 물질과 비교 물질 간 조성 비율을 구할 수 있다. 수학식 1을 기준 물질과 n개의 비교 물질에 대해 n+1개의 파장 대역에서의 비례식으로 변경하면 아래의 수학식 2를 얻을 수 있다.
Figure 112019016050321-pat00002
수학식 1과 마찬가지로 상기 수학식 2를 통해 총 n+1개의 물질 간 조성 비율을 구할 수 있다. 물질의 흡광도가 조성 비율에 비례하지 않고 조성 비율 K에 대한 함수 f(K)를 따라 변화할 때, 상기 수학식 2를 아래의 수학식 3과 같이 개선할 수 있다.
Figure 112019016050321-pat00003
성분별 분석 결과를 다양한 조성 비율 하에 반복적으로 수행함으로써 조성 비율에 대한 흡광도 함수 f(K)를 개선할 수 있다. 상기 흡광도 함수를 계산의 편의를 위해 파장 대역에 따라 구간별로 1차 함수 형태로 정리할 수 있다. 또한, 온도, 습도, 파장에 따른 흡광도 변화율을 고려하여 함수의 변수로 추가할 수 있다. 이때, 추가되는 변수들 또한 각각의 구간에 따라 단순화하여 계산의 용이성을 도모할 수 있다. 한편, 조성 비율, 온도, 습도, 파장 등에 따른 흡광도 변화율은 추정 조건값으로서 성분 스펙트럼을 합성하여 추정 스펙트럼 생성 시 고려할 수 있다. 이러한 추정 조건값은 흡광도에 영향을 미치는 다양한 요인들을 고려하여 설정될 수 있다.
추정 조건 교정 모듈(1260)은 미리 결정된 범위 내로 기준 파장 대역 및 비교 파장 대역에서의 합성 스펙트럼과 추정 스펙트럼 간의 오차가 감소하도록 추정 조건값을 교정할 수 있다. 또한, 추정 조건 교정 모듈(1260)은 미리 결정된 범위 내로 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역에서의 합성 스펙트럼과 추정 스펙트럼 간의 오차가 감소하도록 추정 조건값을 교정할 수 있다. 예를 들면, 추정 조건 교정 시에는 전체 파장 대역에 대한 합성 스펙트럼과 추정 스펙트럼을 구한 후 각 파장 대역별 흡광도 간 비율을 고려하여 파장 대역에 따른 흡광도 변화율에 대한 추정 조건값을 교정할 수 있다. 마찬가지로 다양한 온도 조건, 습도 조건, 조성 비율에 대한 측정 및 비율 분석을 통해 각각의 요소에 대한 추정 조건값을 교정할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 성분 분석 시스템(2000)은 광원 제어 모듈(2210) 및 검출기 제어 모듈(2220)은 성분 분석 장치(2100) 및 사용자 단말(2200) 중 하나 이상에 포함될 수 있다. 광원 제어 모듈(2210) 및 검출기 제어 모듈(2220)이 성분 분석 장치(2100) 및 사용자 단말(2200)에 걸쳐 있는 것으로 도시되었으나, 도 1에서와 같이 사용자 단말(2200)에만 포함되는 것뿐 아니라, 성분 분석 장치(2100)에만 포함될 수 있으며, 모듈 내 일부 기능들이 분할되어 성분 분석 장치(2100)와 사용자 단말(2200)에 모두 포함될 수도 있다. 도 1의 실시예와 동일한 설명에 대해서는 생략하도록 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 성분 분석 시스템(3000)은 측정 조건 설정 모듈(3230), 스펙트럼 생성 모듈(3240), 스펙트럼 비교 모듈(3250) 및 추정 조건 교정 모듈(3260)이 사용자 단말(3200) 및 서버(3300) 중 하나 이상에 포함될 수 있다. 측정 조건 설정 모듈(3230), 스펙트럼 생성 모듈(3240), 스펙트럼 비교 모듈(3250) 및 추정 조건 교정 모듈(3260)이 사용자 단말(3200) 및 서버(3300)에 걸쳐 있는 것으로 도시되었으나, 도 1에서와 같이 사용자 단말(3200)에만 포함되는 것뿐 아니라, 서버(3300)에만 포함될 수 있으며, 모듈 내 일부 기능들이 분할되어 사용자 단말(3200)과 서버(3300)에 모두 포함될 수도 있다. 또한, 측정 조건 설정 모듈(3230), 스펙트럼 생성 모듈(3240), 스펙트럼 비교 모듈(3250) 및 추정 조건 교정 모듈(3260)이 각각 사용자 단말(3200) 및 서버(3300) 중 임의의 구성요소에 포함될 수도 있다.
데이터 베이스(3310) 또한 사용자 단말(3200) 및 서버(3300) 중 하나 이상에 포함될 수 있다. 데이터 베이스(3310)가 사용자 단말(3200) 및 서버(3300)에 걸쳐 있는 것으로 도시되었으나, 도 1에서와 같이 서버(3300)에만 포함되는 것뿐 아니라, 사용자 단말(3200)에만 포함되는 것도 가능하며, 데이터 별로 분할되어 사용자 단말(3200)과 서버(3300)에 모두 포함될 수도 있다. 도 1의 실시예와 동일한 설명에 대해서는 생략하도록 한다.
참고로, 전술한 실시예에서 성분 분석 장치, 사용자 단말, 가전 제품, 서버 중 둘 이상은 서로 통신 매체를 통해 정보를 송수신할 수 있다. 이러한 통신 매체는 유선 포인트 투 포인트 형태 또는 다분기 형태로 구성될 수 있다. 유선 통신 매체로는 이더넷(ethernet), USB, 및 RS-232를 포함하는 공지의 유선 통신 수단이 사용될 수 있다. 또한, 통신 매체는 광학 통신 수단 또는 무선 통신 수단일 수 있다.
컴퓨팅 시스템은 매체 또는 네트워크 포트로부터의 지시를 판독하도록 구성된 논리 장치로서, 서버에 접속 가능하며 고정된 매체를 구비한다. 컴퓨팅 시스템은 인터넷 또는 인트라넷에 접속할 수 있다. 시스템은 중앙 처리 장치(CPU), 디스크 드라이브, 입력 장치 및 출력 장치를 포함한다. 데이터 통신은 통신 매체를 통해 근거리 또는 원거리 위치에 있는 서버와 연결될 수 있다. 통신 매체는 데이터를 송수신하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 통신 매체는 네트워크 접속, 무선 접속 또는 인터넷 접속일 수 있다. 컴퓨팅 시스템은 사용자 또는 사용자에 의해 사용되는 장치와 통신하도록 연결될 수 있다. 컴퓨팅 시스템은 인터넷을 통해 다른 컴퓨터와 또는 서버를 통해 컴퓨터와 통신하도록 연결될 수 있다. 또한, 시스템은 네트워크와 연결된 하나 이상의 장치를 활성화시키고 장치 또는 시스템에 의해 수행된 측정의 상태 또는 결과를 전달할 수 있다.
무선 네트워크는 휴대폰, 스마트폰, PC, 노트북, 웨어러블 기기, 무선 호출기, 헤드셋, 프린터, PDA를 포함하는 시스템 또는 통신 네트워크에서 사용할 수 있는 공지의 다양한 모바일 기기와 통합될 수 있다. 예를 들면, 모바일 기기는 트랜스시버, 안테나, 프로세서, 디스플레이, 오디오 트랜스듀서, 전자기 데이터 저장장치, 메모리, 플래시 메모리, 집적 회로, 인터페이스, 코더-디코더, 범용 비동기화 송수신기(UART) 등을 포함할 수 있다.
모바일 사용자가 무선 접속을 통해 근거리 네트워크에 접속할 수 있는 무선 LAN이 하나 이상의 성분 분석 장치 또는 성분 분석 시스템 사이의 무선 통신을 위해 사용될 수 있다. 무선 통신은 예를 들면 와이브로(WiBro), 와이파이(WiFi), 지그비(ZIGBEE), 블루투스(Bluetooth), 울트라 와이드 밴드(Ultra Wide Band), 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC) 등 빛, 적외선, 라디오, 및 마이크로파 등과 같은 전자기파를 통해 전파하는 통신을 포함할 수 있다. 블루투스 제품은 모바일 기기간의 링크 및 인터넷 연결을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 일부 무선 네트워크에서 다중 인터페이스 장치(MID)가 사용될 수 있다. 다중 인터페이스 장치는 블루투스 인터페이스 및 IEEE 802.11 인터페이스와 같이 두 개의 독립적 네트워크 인터페이스를 포함할 수 있다. 다중 인터페이스 장치는 이로써 블루투스 장치를 포함하여 둘 이상의 개별적인 네트워크에 참여하게 할 수 있다.
컴퓨팅 시스템은 성분 분석 장치와 같은 하나 이상의 장치를 포함하는 컴퓨터 네트워크의 일부분으로 배치될 수 있다. 서버는 태블릿 PC, 스마트폰, PC 등과 같은 여러 클라이언트 컴퓨팅 환경을 갖는 통신 네트워크를 통해 상호 접속될 수 있다. 또한, 네트워크 컴퓨팅 환경은 공지의 다양한 데이터 보안 프로토콜을 사용할 수 있다. 각각의 클라이언트 컴퓨팅 환경은 서버 컴퓨팅 환경의 액세스를 얻기 위해 웹 브라우저, 그래픽 사용자 인터페이스, 모바일 데스크탑 환경과 같은 하나 이상의 컴퓨팅 어플리케이션을 지원하도록 작동 가능한 작동 시스템을 구비할 수 있다.
사용자는 소정의 데이터 또는 컴퓨팅 어플리케이션을 얻기 위해 클라이언트 컴퓨팅 환경에서 운영되는 컴퓨팅 어플리케이션과 교류할 수 있다. 데이터 및/또는 컴퓨팅 어플리케이션은 서버 컴퓨팅 환경에 저장되어 통신 네트워크에 대해 클라이언트 컴퓨팅 환경을 통해 사용자들과 통신할 수 있다. 사용자는 서버 컴퓨팅 환경에 일부 또는 전체에 수용된 특정 데이터 및 어플리케이션에 접근 권한을 요구할 수 있다. 데이터는 클라이언트 컴퓨팅 환경과 서버 컴퓨팅 환경 사이에서의 통신을 통해 처리 및 저장될 수 있다. 서버 컴퓨팅 환경은 컴퓨팅 어플리케이션, 프로세스 및 애플릿, 인증, 암호화, 커뮤니케이션 데이터 및 어플리케이션을 호스트할 수 있고, 트랜잭션을 실현하기 위해 다른 서버 컴퓨팅 환경, 제3 서비스 공급자, 네트워크 결합 스토리지(NAS) 및 스토리지 영역 네트워크(SAN)와 연결될 수 있다.
이하에서는 전술한 성분 분석 시스템을 이용하여 시료의 성분을 분석하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 성분 분석 방법은 초기 조건값 설정 단계(S101)와, 광원 설정값 및 검출기 설정값 결정 단계(S102)와, 예비 합성 스펙트럼 생성 단계(S103)와, 성분 스펙트럼과 예비 합성 스펙트럼을 비교하여 시료 종류 및 추정 성분을 추정하는 단계(S104)와, 측정 조건값을 설정하는 단계(S105)와, 광원 설정값 및 검출기 설정값 결정 단계(S106)와, 광원 및 검출기를 동작시켜 합성 스펙트럼을 생성하는 단계(S107)와, 측정 조건값 및 추정 조건값을 기초로 추정 스펙트럼을 생성하는 단계(S108)와, 합성 스펙트럼 및 추정 스펙트럼을 비교하여 시료 종류 및 성분 조성을 결정하는 단계(S109)와, 추정 조건을 교정하는 단계(S110)를 포함한다.
초기 조건값은 시료가 수용되지 않은 상태에서의 측정값과 온습도 데이터를 이용하여 설정할 수 있다.
먼저, 시료가 수용되지 않은 상태에서 생성한 스펙트럼과 온습도 데이터를 이용하여 초기 조건값을 설정한다(S101). 설정된 초기 조건값에 따라 광원을 구동하기 위한 광원 설정값과 검출기를 구동하기 위한 검출기 설정값을 결정한다(S102). 시료의 종류 및 성분 조성을 모르는 경우 전체 파장 대역을 단시간 내에 측정하여 이후 단계에서의 추정 과정을 거쳐 시료 종류 및 추정 성분을 파악할 수 있다.
결정된 광원 설정값 및 검출기 설정값에 따라 광원 및 검출기를 구동하여 전달된 전기적 신호를 통해 스펙트럼 생성 모듈로써 예비 합성 스펙트럼을 생성한다(S103). 데이터 베이스 내 성분 스펙트럼과 예비 합성 스펙트럼을 비교하여 시료의 종류와 추정 성분을 추정할 수 있다(S104). 추정 성분에 따라 전술한 바와 같이 기준 파장 대역 및 비교 파장 대역을 결정하거나, 최대 파장 대역 및 최소 파장 대역을 결정할 수 있다. 추정된 시료 종류 및 성분 조성에 기초하여 측정 조건값을 설정할 수 있다(S105). 이때, 측정 조건값으로 반영되는 온습도는 일정 주기로 지속적으로 측정되는 것이 바람직하다. 새롭게 설정된 측정 조건값을 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값을 조정할 수 있다(S106). 조정된 광원 설정값 및 검출기 설정값에 따라 광원 및 검출기를 동작시켜 전달된 전기적 신호를 통해 스펙트럼 생성 모듈로써 합성 스펙트럼을 생성한다(S107). 또한, 측정 조건값 및 추정 조건값을 기초로 스펙트럼 생성 모듈로써 추정 스펙트럼을 생성한다(S108). 생성된 합성 스펙트럼 및 추정 스펙트럼을 비교함으로써 시료 종류 및 성분 조성을 결정할 수 있다(S109). 추정 성분에 따라 전술한 바와 같이 기준 파장 피크값 및 비교 파장 피크값을 비교하거나, 최대 파장 대역에서의 흡광도 및 최소 파장 대역에서의 흡광도를 이용하여 성분별 조성 비율을 결정할 수 있다. 분석 결과를 반영하여 추정 조건값을 교정하고(S110), 교정된 추정 조건값을 이용하여 새롭게 추정 스펙트럼을 생성하여 다시 합성 스펙트럼과 비교함으로써 성분 특성에 대한 결과값의 신뢰도를 높일 수 있다. S110 단계는 반복적으로 수행하여 지속적으로 결과의 정확성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 반복 과정을 통해 얻는 추정 조건값은 데이터 베이스에 갱신되어 이후 성분 분석 또는 다른 사용자의 성분 분석에 사용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 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. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1100: 성분 분석 장치
1110: 시료 수용부
1111: 입력광 투과 플레이트
1112: 출력광 투과 플레이트
1113: 하우징
1114: 차광 부재
1120: 광원
1130: 검출기
1150: 환경 센서
1151: 온도 센서
1152: 습도 센서
1160: 전원공급부
1170: 디스플레이부
1180: 통신부
1200: 사용자 단말
1210: 광원 제어 모듈
1220: 검출기 제어 모듈
1230: 측정 조건 설정 모듈
1240: 스펙트럼 생성 모듈
1250: 스펙트럼 비교 모듈
1260: 추정 조건 교정 모듈
1300: 서버
1310: 데이터 베이스
1000: 성분 분석 시스템

Claims (19)

  1. 삭제
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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 하우징;
    상기 하우징에 연결된 입력광 투과 플레이트에 의해 시료와 분리된 공간에 배치되도록 상기 하우징에 연결되며, 상기 입력광 투과 플레이트를 통해 시료에 빛을 조사하는 광원; 및
    상기 하우징에 연결된 출력광 투과 플레이트에 의해 시료와 분리된 공간에 배치되도록 상기 하우징에 연결되며, 상기 광원으로부터 조사되어 시료와 상기 출력광 투과 플레이트를 투과한 빛을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 검출기를 포함하는 성분 분석 장치를 포함하고,
    상기 광원에 광도, 파장, 발광 타이밍, 발광 주기를 포함하는 광원 설정값 중 하나 이상을 제어하기 위한 신호를 송신하는 광원 제어 모듈;
    상기 검출기의 검출 타이밍, 검출 주기, 검출 범위를 포함하는 검출기 설정값 중 하나 이상을 제어하기 위한 신호를 송신하는 검출기 제어 모듈;
    온도, 습도, 시료 종류, 추정 성분을 포함하는 측정 조건값 중 하나 이상을 기초로 하여 상기 광원 설정값 및 상기 검출기 설정값을 결정하는 측정 조건 설정 모듈;
    상기 검출기로부터 전달받은 전기적 신호를 이용하여 시료에 대한 합성 스펙트럼을 생성하고 상기 측정 조건값을 기초로 추정 스펙트럼을 생성하는 스펙트럼 생성 모듈; 및
    상기 합성 스펙트럼과 상기 추정 스펙트럼을 비교하여 시료의 성분 특성을 결정하는 스펙트럼 비교 모듈을 포함하는 성분 분석 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 광원은 서로 다른 파장 대역의 빛을 조사하는 둘 이상의 발광 소자를 포함하며,
    상기 광원 제어 모듈은 둘 이상의 상기 발광 소자가 서로 교번하여 발광하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 광원은 광도가 조절 가능한 발광 소자를 포함하며,
    상기 광원 제어 모듈은 미리 설정된 광도 패턴에 따라 상기 발광 소자가 발광하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 검출기 제어 모듈은 검출하는 빛의 광도, 파장 중 하나 이상의 범위를 설정하여 상기 검출기를 제어하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 생성 모듈은 상기 측정 조건 설정 모듈에 의해 미리 결정된 초기 조건값에 따라 측정된 신호를 이용해 예비 합성 스펙트럼을 생성하고,
    상기 측정 조건 설정 모듈은 상기 예비 합성 스펙트럼을 통해 시료 종류 및 추정 성분을 결정하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 측정 조건 설정 모듈은 시료 종류 및 추정 성분을 기초로 하여 둘 이상의 추정 성분을 추정 정확도가 가장 높은 기준 물질과, 추정 정확도가 상대적으로 낮은 비교 물질로 구분하며, 미리 설정된 상기 기준 물질의 성분 스펙트럼에서 피크값이 나타나는 기준 파장 대역과 미리 설정된 상기 비교 물질의 성분 스펙트럼에서 피크값이 나타나는 비교 파장 대역을 기초로 하여 상기 광원 설정값 및 상기 검출기 설정값 중 하나 이상을 결정하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 생성 모듈은 미리 결정된 추정 조건값에 따라 상기 기준 물질의 성분 스펙트럼과 상기 비교 물질의 성분 스펙트럼을 이용하여 상기 기준 파장 대역 및 상기 비교 파장 대역에서의 추정 스펙트럼을 생성하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    미리 결정된 범위 내로 상기 기준 파장 대역 및 상기 비교 파장 대역에서의 상기 합성 스펙트럼과 상기 추정 스펙트럼 간의 오차가 감소하도록 상기 추정 조건값을 교정하는 추정 조건 교정 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 측정 조건 설정 모듈은 시료 종류 및 추정 성분을 기초로 하여 둘 이상의 추정 성분을 추정 정확도가 가장 높은 기준 물질과, 추정 정확도가 상대적으로 낮은 비교 물질로 구분하며, 미리 설정된 상기 기준 물질의 성분 스펙트럼과 상기 비교 물질의 성분 스펙트럼에서 흡광도 차가 가장 큰 최대 파장 대역과 흡광도 차가 가장 작은 최소 파장 대역을 기초로 하여 상기 광원 설정값 및 상기 검출기 설정값 중 하나 이상을 결정하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 생성 모듈은 미리 결정된 추정 조건값에 따라 상기 기준 물질의 성분 스펙트럼과 상기 비교 물질의 성분 스펙트럼을 이용하여 상기 최대 파장 대역 및 상기 최소 파장 대역에서의 추정 스펙트럼을 생성하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  18. 제17 항에 있어서,
    미리 결정된 범위 내로 상기 최대 파장 대역 및 상기 최소 파장 대역에서의 상기 합성 스펙트럼과 상기 추정 스펙트럼 간의 오차가 감소하도록 상기 추정 조건값을 교정하는 추정 조건 교정 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성분 분석 시스템.
  19. 제8 항에 따른 성분 분석 시스템을 이용한 성분 분석 방법으로서,
    측정 조건값을 설정하는 단계;
    상기 측정 조건값을 기초로 하여 광원 설정값 및 검출기 설정값을 결정하는 단계;
    광원 및 검출기를 동작시켜 합성 스펙트럼을 생성하는 단계;
    상기 측정 조건값을 기초로 하여 추정 스펙트럼을 생성하는 단계; 및
    상기 합성 스펙트럼과 상기 추정 스펙트럼을 비교하여 시료의 성분 특성을 결정하는 단계를 포함하는 성분 분석 방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113702375A (zh) * 2021-07-30 2021-11-26 杭州盗火者科技有限公司 一种白酒酒类鉴别装置
KR102682049B1 (ko) * 2023-11-13 2024-07-05 주식회사 솔루더스 프탈레이트 고감도 검출을 위한 라만 신호 처리 시스템
KR102703470B1 (ko) * 2023-11-15 2024-09-06 주식회사 솔루더스 라만 분광 검출 데이터를 활용한 물질 특성 추출 시스템

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013501937A (ja) * 2009-08-13 2013-01-17 シーメンス・ヘルスケア・ダイアグノスティックス・インコーポレイテッド 臨床分析機によって分析される液体サンプルおよび容器の中の干渉物質および物理的寸法を確定するための方法ならびに装置
JP6150171B2 (ja) * 2010-10-07 2017-06-21 シリコン バイオディバイスイズ，インク． 標的検体を検出するための装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5765437A (en) * 1980-10-02 1982-04-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd Spiral spring device
EP1291659A3 (en) * 2001-09-06 2008-05-21 Sysmex Corporation Automatic sample analyzer and its components
KR101690073B1 (ko) 2015-12-28 2016-12-27 (주)해아림 컴팩트한 구조를 갖는 분광분석장치
KR101984016B1 (ko) * 2016-05-30 2019-05-30 주식회사 파이퀀트 대상체의 성분 분석이 가능한 분광 장치 및 이를 포함하는 전자 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013501937A (ja) * 2009-08-13 2013-01-17 シーメンス・ヘルスケア・ダイアグノスティックス・インコーポレイテッド 臨床分析機によって分析される液体サンプルおよび容器の中の干渉物質および物理的寸法を確定するための方法ならびに装置
JP6150171B2 (ja) * 2010-10-07 2017-06-21 シリコン バイオディバイスイズ，インク． 標的検体を検出するための装置

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