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KR20180032101A - 분광기 및 분광기 모듈 - Google Patents

분광기 및 분광기 모듈 Download PDF

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KR20180032101A
KR20180032101A KR1020160120861A KR20160120861A KR20180032101A KR 20180032101 A KR20180032101 A KR 20180032101A KR 1020160120861 A KR1020160120861 A KR 1020160120861A KR 20160120861 A KR20160120861 A KR 20160120861A KR 20180032101 A KR20180032101 A KR 20180032101A
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Abstract

분광기 및 분광기 모듈이 개시된다. 일 양상에 따른 분광기는, 전기적 자극에 따라 반사 파장 또는 통과 파장이 가변되는 광 결정층(photonic crystal layer)을 포함하는 대역 통과 필터와, 대역 통과 필터를 통해 필터링된 광을 검출하는 광 검출부를 포함할 수 있다.

Description

분광기 및 분광기 모듈{Spectrometer and spectrometer module}
분광기 및 분광기 모듈과 관련된다.
비칩습 혈당 측정을 위한 방법으로 현재 가장 논의되는 방법은 광학을 이용한 방법이다. 광학 이용 비침습 혈당 측정 방법에서 가장 가능성 있는 방법은 두 가지가 있는데, 하나는 근적외선(NIR) 흡수 스펙트럼 분석법이고, 다른 하나는 라만(Raman) 분석법이다.
근적외선 흡수 스펙트럼 분석법은 피부에 광대역(broadband) 근적외선 조사 후, 피부 밖으로 확산 반사(diffused reflection)를 통해 다시 방출되는 빛을 분석하여 피부내 혈당 분자가 흡수한 광량을 계산하여 혈당을 예측하는 방법이다. 라만 분석법은 피부에 레이저 조사 후 피부로부터 방출된 광의 파장 분석을 통해 라만 쉬프트(Raman shift)를 얻어내어 혈당을 분석하는 방법이다. 이 두 가지 방법은 모두 광의 스펙트럼을 분석하기 위해 부피를 가지는 그레이팅(bulky grating)이 필수적이다.
이와 같이 분광기는 그레이팅이 필요하고, 해상도 확보를 위해 그레이팅에서 분광된 광이 광 검출기에 도달하기 까지 상당한 공간이 필요하다. 이러한 분광기의 부피 특성으로 인해 초소형 비침습 혈당 센서를 제작하는 데는 많은 제약이 따르게 된다.
가변 밴드 패스 필터(Tunable bandpass filter)를 이용한 분광기 및 분광기 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 분광기는, 전기적 자극에 따라 반사 파장 또는 통과 파장이 가변되는 광 결정층(photonic crystal layer)을 포함하는 대역 통과 필터와, 상기 대역 통과 필터를 통해 필터링된 광을 검출하는 광 검출부를 포함할 수 있다.
상기 광 결정층은, 다수의 콜로이드 입자들을 포함하고, 전기적 자극에 따라 상기 다수의 콜로이드 입자들 사이의 간격이 가변될 수 있다.
상기 다수의 콜로이드 입자들은, 코어-쉘 구조일 수 있다.
상기 다수의 콜로이드 입자들은, 금속 입자, 폴리머 입자, 무기 입자 및 반도체 입자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 다수의 콜로이드 입자들은, 실리카(silica), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 티타늄옥사이드(titanium oxide), 그라파이트(graphite), 다이아몬드(diamond), C60, 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 실리콘(silicon), 탄화규소(silicon carbide), 게르마늄(germanium), 금속 칼로겐화합물(metal chalcogenide), 금속 보라이드(metal boride), 금속 인화물(metal phosphide), 금속 규화물(metal silicide), 금속 질화물(metal nitride), 산화철(iron oxide), 산화주석(tin oxide), 안티몬주석산화물(antimony doped tin oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 코폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다수의 콜로이드 입자들은, 전기적으로 대전되어 있을 수 있다.
상기 광 결정층은, 상기 전기적 자극에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료(responsive material)를 더 포함할 수 있다.
상기 반응성 재료는 전도성 폴리머일 수 있다.
상기 전도성 폴리머는, 폴리페로세닐실란(polyferrocenylsilane), 폴리시오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyphenylenevinyilene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 및 이들의 코폴로머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 대역 통과 필터는, 상부 기판 및 하부 기판을 포함하고, 상기 광 결정층은 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판 사이에 위치할 수 있다.
상기 대역 통과 필터는 상부 전극 및 하부 전극을 포함하고, 상기 상부 전극은 상기 상부 기판에 위치하고, 상기 하부 전극은 상기 하부 기판에 위치할 수 있다.
상기 광 검출부는, 하나의 포토 다이오드로 구현될 수 있다.
분광기는, 다양한 파장의 광 강도를 측정할 수 있도록 상기 광 결정층(Photonic Crystal layer)에 전기적 자극을 가하는 스펙트럼 스케너를 더 포함할 수 있다.
분광기는, 상기 측정된 다양한 파장의 광 강도를 기반으로 스펙트럼을 생성하는 스펙트럼 생성부를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른 분광기 모듈은, 대상체에 광을 조사하는 광원과, 상기 대상체로부터 상기 조사된 광에 의한 산란광을 수신하여 스펙트럼을 측정하는 분광기와, 상기 측정된 스펙트럼으로부터 상기 대상체의 물성을 분석하는 프로세서를 포함하고, 상기 분광기는, 전기적 자극에 따라 반사 파장 또는 투과 파장이 가변되는 광 결정층(photonic crystal layer)을 포함하는 대역 통과 필터와, 상기 대역 통과 필터를 통해 필터링된 광을 검출하는 광 검출부를 포함할 수 있다.
상기 광 결정층은, 다수의 콜로이드 입자들을 포함하고, 전기적 자극에 따라 상기 다수의 콜로이드 입자들 사이의 간격이 가변될 수 있다.
상기 다수의 콜로이드 입자들은, 코어-쉘 구조일 수 있다.
상기 다수의 콜로이드 입자들은, 금속 입자, 폴리머 입자, 무기 입자 및 반도체 입자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 다수의 콜로이드 입자들은, 실리카(silica), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 티타늄옥사이드(titanium oxide), 그라파이트(graphite), 다이아몬드(diamond), C60, 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 실리콘(silicon), 탄화규소(silicon carbide), 게르마늄(germanium), 금속 칼로겐화합물(metal chalcogenide), 금속 보라이드(metal boride), 금속 인화물(metal phosphide), 금속 규화물(metal silicide), 금속 질화물(metal nitride), 산화철(iron oxide), 산화주석(tin oxide), 안티몬주석산화물(antimony doped tin oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 코폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광 결정층은, 상기 전기적 자극에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료(responsive material)를 더 포함할 수 있다.
상기 반응성 재료는 전도성 폴리머일 수 있다.
상기 전도성 폴리머는, 폴리페로세닐실란(polyferrocenylsilane), 폴리시오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyphenylenevinyilene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 및 이들의 코폴로머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 분광기는, 상기 대상체로부터 반사된 산란광을 수신하도록 배치되거나 상기 대상체로부터 투과한 산란광을 수신하도록 배치될 수 있다.
상기 프로세서는, 근적외선 흡수 스펙트럼 분석법 또는 라만 분석법에 의해 상기 대상체의 물성을 분석할 수 있다.
가변 밴드 패스 필터(Tunable bandpass filter)를 이용함으로써 초소형 분광기를 구현할 수 있다. 또한, 각 파장에 대해 광 검출기의 전 면적을 사용할 수 있으므로 입사광의 사용 효율과 SNR(signal to noise ratio)을 증가시킬 수 있다.
도 1은 분광기의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 2는 광 결정층에 인가된 전압의 변화에 따라 콜로이드 입자들 사이의 간격 변화를 설명하기 위한 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 광 결정층에 인가된 전압의 변화에 따라 콜로이드 입자들 사이의 간격 변화를 설명하기 위한 다른 예를 도시한 도면이다.
도 4는 분광기의 광학적 배치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 분광기의 광학적 배치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 대역 통과 필터의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 분광기의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 8은 분광 모듈의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 9는 도 8의 분광기 모듈(800)의 광학적 배치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 도 8의 분광기 모듈(800)의 광학적 배치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 11은 도 8의 분광기 모듈(800)의 광학적 배치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 분광기의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 분광기(100)는 대역 통과 필터(110) 및 광 검출부(120)를 포함할 수 있다.
대역 통과 필터(110)는 전기적 자극에 따라 통과 파장이 가변될 수 있다. 예컨대, 대역 통과 필터(110)는 인가되는 전압이 증가하면 통과 파장이 커지거나, 인가되는 전압이 증가하면 통과 파장이 작아질 수 있다. 이를 위해, 대역 통과 필터(110)는 전기적 자극에 따라 반사 파장 또는 투과 파장이 가변되는 광 결정층(photonic crystal layer)(111)을 포함할 수 있다.
여기서, 광 결정층(111)은 다수의 콜로이드 입자들을 포함할 수 있다. 광 결정층(111)에 인가되는 전압의 변화에 따라 콜로이드 입자들의 간격은 변화될 수 있으며, 이에 따라 광 결정층(111)의 반사 파장 대역 또는 통과 파장 대역은 변화될 수 있다. 이를 위해, 광 결정층(111)은 전기적으로 대전되어 있는 콜로이드 입자들을 포함하거나 전압의 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료(responsive material)를 포함할 수 있다. 즉, 광 결정층(111)의 콜로이드 입자들의 간격은 전기적으로 대전되어 있는 콜로이드 입자들을 이용하거나 또는 전압의 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료를 이용하여 변화될 수 있다.
여기서, 반응성 재료는 전도성 폴리머일 수 있다. 예컨대, 반응성 재료는 폴리시오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyphenylenevinyilene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 폴리페로세닐실란(polyferrocenylsilane), 및 이들의 코폴로머 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 콜로이드 입자는, 금속 입자, 폴리머 입자, 무기 입자 및 반도체 입자 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 콜로이드 입자는 실리카(silica), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 티타늄옥사이드(titanium oxide), 그라파이트(graphite), 다이아몬드(diamond), C60, 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 실리콘(silicon), 탄화규소(silicon carbide), 게르마늄(germanium), 금속 칼로겐화합물(metal chalcogenide), 금속 보라이드(metal boride), 금속 인화물(metal phosphide), 금속 규화물(metal silicide), 금속 질화물(metal nitride), 산화철(iron oxide), 산화주석(tin oxide), 안티몬주석산화물(antimony doped tin oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 코폴리머 등을 포함할 수 있다.
또한, 콜로이드 입자는 구, 타원, 막대, 튜브, 와이어, 시트 등의 형태일 수 있다. 콜로이드 입자는 코어-쉘(core-shell) 구조일 수 있다.
광 검출부(120)는 대역 통과 필터(110)를 통해 필터링된 광을 검출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광 검출부(120)는 하나의 포토 다이오드로 구현될 수 있다.
도 2는 광 결정층에 인가된 전압의 변화에 따라 콜로이드 입자들 사이의 간격 변화를 설명하기 위한 일 예를 도시한 도면이다. 도 2는 전기적으로 대전된 콜로이드 입자들을 이용하는 일 예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 광결정 층(111)은 콜로이드 입자(210) 및 용매(220)를 포함하며, 콜로이드 입자(210)는 전기적으로 대전되어 용매(220) 내에 분산되어 있을 수 있다. 이때, 용매(220)는 물과 같은 무기 용매를 사용할 수 있다. 콜로이드 입자(210)는 금속 입자에 전기적 자극을 가하여 제작될 수도 있지만, 자체적으로 표면에서 극성을 띠게 되는 극성 재료를 이용하여 제작될 수도 있다. 예컨대, 직경이 약 135nm인 폴리스티렌(polystyrene) 나노 입자의 표면에는 약 -70mV 정도의 제타 전위(zeta potential)가 자연적으로 발생할 수 있다. 전기적으로 대전된 표면을 갖는 콜로이드 입자(210)들은 서로 간의 척력으로 인하여 자체적으로 정렬하게 된다. 그 결과, 용매(220) 내의 콜로이드 입자(210)들은 도 2의 좌측에 도시된 바와 같이 일정한 간격을 갖는 주기적인 구조로 배열될 수 있다. 이러한 주기적인 배열로 인해, 용매(220) 내에 분산된 콜로이드 입자(210)들은 광 결정(photonic crystal)의 특성을 갖게 된다.
광 결정층(111)에 두 개의 전극(230, 240)을 통해 전압을 인가하면 음전하로 대전된 콜로이드 입자(210)들은 양극으로 이동하게 된다. 도시된 예에서는 상부 전극(230)에 (+)의 전압을 인가하고 하부 전극(240)에 (-)의 전압을 인가하는 것으로 도시되어 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 양전하로 대전된 콜로이드 입자(13)들을 용매(220) 내에 분산시키고 상부 전극(230)에 (-)의 전압을 인가하는 것도 가능하다. 콜로이드 입자(210)들이 상부 전극(11)에 모이게 되면 콜로이드 입자(210)들 사이의 간격이 좁아지게 되어, 그 결과 광 결정층(111)의 반사 파장 대역 또는 통과 파장 대역도 변화하게 된다. 도시된 예의 경우, 전압 인가 전에는 적색 파장의 광을 반사하고, 전압 인가 후에는 청색 파장의 광을 반사하는 것으로 도시되어 있다.
도 3은 광 결정층에 인가된 전압의 변화에 따라 콜로이드 입자들 사이의 간격 변화를 설명하기 위한 다른 예를 도시한 도면이다. 도 3은 반응성 재료를 이용하는 일 예를 도시한다.
도 3을 참조하면, 광결정 층(111)은 콜로이드 입자(310), 용매(320) 및 반응성 재료(330)를 포함하며, 콜로이드 입자(310)는 용매(220) 내에서 일정한 간격을 갖는 주기적인 구조로 배열될 수 있다. 여기서, 용매(320)는 이온의 이동에 의해 전기를 전달할 수 있는 전해질 용액을 사용할 수 있다.
이때, 반응성 재료(330)는 전압의 변화에 따라 팽창 또는 수축할 수 있는 전도성 폴리머일 수 있다. 예컨대, 반응성 재료는 폴리시오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyphenylenevinyilene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 폴리페로세닐실란(polyferrocenylsilane), 및 이들의 코폴로머 등을 포함할 수 있다.
광 결정층(111)에 두 개의 전극(230, 240)을 통해 전압을 인가하면 광 결정 층(111)의 반응성 재료(330)들은 팽창하여 콜로이드 입자(310)들 사이의 간격은 커진다. 그 결과 광 결정층(111)의 반사 파장 대역 또는 통과 파장 대역도 변화하게 된다. 도시된 예의 경우, 전압 인가 전에는 청색 파장의 광을 반사하고, 전압 인가 후에는 적색 파장의 광을 반사하는 것으로 도시되어 있다.
도 4는 분광기의 광학적 배치의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 4는 분광기(100)의 광 결정층(111)이 투과형으로 구현된 경우를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 광 검출부(120)가 광 결정층(111)을 투과한 광을 검출하도록 광학계가 구성될 수 있다.
광 결정층(111)은 전기적 자극에 따라 투과 파장이 가변될 수 있다. 광 결정층(111)으로 입사된 입사광은 광 결정층(111)의 투과 파장 대역에 따라 필터링되어 투과 파장 대역의 광만이 광 결정층(111)을 투과한다. 광 결정층(111)을 투과한 광은 광 검출부(120)에 의해 검출된다. 즉, 분광기(100)는 광 결정층(111)을 투과한 광이 광 검출부(120)로 입사되는 광학계 구조를 채용할 수 있다.
도 5는 분광기의 광학적 배치의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 5는 분광기(100)의 광 결정층(111)이 반사 타입으로 구현된 경우를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 광 검출부(120)가 광 결정층(111)에 반사된 광을 검출하도록 광학계가 구성될 수 있다.
광 결정층(111)은 전기적 자극에 따라 반사 파장이 가변될 수 있다. 광 결정층(111)으로 입사된 입사광은 광 결정층(111)의 반사 파장 대역에 따라 필터링되어 반사 파장 대역의 광만이 광 결정층(111)에 반사된다. 광 결정층(111)에 반사된 광은 광 검출부(120)에 의해 검출된다. 즉, 분광기(100)는 광 결정층(111)에 반사된 광이 광 검출부(120)에 입사되는 광학계 구조를 채용할 수 있다.
도 6은 대역 통과 필터의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 대역 통과 필터(600)는 상부 기판(610), 하부 기판(620), 상부 기판(610) 및 하부 기판(620) 사이에 위치한 광 결정층(630), 상부 기판(610)에 위치하는 상부 전극(640), 및 하부 기판(620)에 위치하는 하부 전극(650)을 포함할 수 있다.
상부 기판(610) 및 하부 기판(620)은 광의 진행에 영향을 미치지 않도록 투명한 유리 또는 플라스틱 등으로 구현될 수 있고, 상부 전극(640) 및 하부 전극(650)은 광의 진행에 영향을 미치지 않도록 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc oxide) 등의 투명한 도전 물질로 구현될 수 있다.
광 결정층(630)은 전기적 자극 즉, 상부 전극(640) 및 하부 전극(650)을 통해 인가된 전압에 따라 반사 파장 또는 투과 파장이 가변될 수 있다. 광 결정층(630)은 다수의 콜로이드 입자들을 포함할 수 있다. 광 결정층(610)에 인가되는 전압의 변화에 따라 콜로이드 입자들의 간격은 변화될 수 있으며, 이에 따라 광 결정층(610)의 반사 파장 대역 또는 통과 파장 대역은 변화될 수 있다. 이를 위해, 광 결정층(610)은 전기적으로 대전되어 있는 콜로이드 입자들을 포함하거나 전압의 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료(responsive material)를 포함할 수 있다. 즉, 광 결정층(610)의 콜로이드 입자들의 간격은 전기적으로 대전되어 있는 콜로이드 입자들 또는 전압의 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료를 이용하여 변화될 수 있다.
여기서, 반응성 재료는 전도성 폴리머일 수 있다. 예컨대, 반응성 재료는 폴리시오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyphenylenevinyilene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 폴리페로세닐실란(polyferrocenylsilane), 및 이들의 코폴로머 등을 포함할 수 있다.
한편, 콜로이드 입자는, 금속 입자, 폴리머 입자, 무기 입자 및 반도체 입자 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 콜로이드 입자는 실리카(silica), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 티타늄옥사이드(titanium oxide), 그라파이트(graphite), 다이아몬드(diamond), C60, 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 실리콘(silicon), 탄화규소(silicon carbide), 게르마늄(germanium), 금속 칼로겐화합물(metal chalcogenide), 금속 보라이드(metal boride), 금속 인화물(metal phosphide), 금속 규화물(metal silicide), 금속 질화물(metal nitride), 산화철(iron oxide), 산화주석(tin oxide), 안티몬주석산화물(antimony doped tin oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 코폴리머 등을 포함할 수 있다.
또한, 콜로이드 입자는 구, 타원, 막대, 튜브, 와이어, 시트 등의 형태일 수 있다. 콜로이드 입자는 코어-쉘(core-shell) 구조일 수 있다.
도 7은 분광기의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 분광기(700)는 대역 통과 필터(710), 광 검출부(720), 스펙트럼 생성부(730) 및 스펙트럼 스케너(740)를 포함할 수 있다.
대역 통과 필터(710)는 전기적 자극에 따라 통과 파장이 가변될 수 있다. 예컨대, 대역 통과 필터(710)는 인가되는 전압이 증가하면 통과 파장이 커지거나, 인가되는 전압이 증가하면 통과 파장이 작아질 수 있다. 이를 위해, 대역 통과 필터(710)는 전기적 자극에 따라 반사 파장 또는 투과 파장이 가변되는 광 결정층(photonic crystal layer)(711)을 포함할 수 있다.
여기서, 광 결정층(711)은 다수의 콜로이드 입자들을 포함할 수 있다. 광 결정층(711)에 인가되는 전압의 변화에 따라 콜로이드 입자들의 간격은 변화될 수 있으며, 이에 따라 광 결정층(711)의 반사 파장 대역 또는 통과 파장 대역은 변화될 수 있다. 이를 위해, 광 결정층(711)은 전기적으로 대전되어 있는 콜로이드 입자들을 포함하거나 전압의 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료(responsive material)를 포함할 수 있다. 즉, 광 결정층(711)의 콜로이드 입자들의 간격은 전기적으로 대전되어 있는 콜로이드 입자들 또는 전압의 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료를 이용하여 변화될 수 있다.
여기서, 반응성 재료는 전도성 폴리머일 수 있다. 예컨대, 반응성 재료는 폴리시오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyphenylenevinyilene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 폴리페로세닐실란(polyferrocenylsilane), 및 이들의 코폴로머 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 콜로이드 입자는, 금속 입자, 폴리머 입자, 무기 입자 및 반도체 입자 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 콜로이드 입자는 실리카(silica), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 티타늄옥사이드(titanium oxide), 그라파이트(graphite), 다이아몬드(diamond), C60, 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 실리콘(silicon), 탄화규소(silicon carbide), 게르마늄(germanium), 금속 칼로겐화합물(metal chalcogenide), 금속 보라이드(metal boride), 금속 인화물(metal phosphide), 금속 규화물(metal silicide), 금속 질화물(metal nitride), 산화철(iron oxide), 산화주석(tin oxide), 안티몬주석산화물(antimony doped tin oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 코폴리머 등을 포함할 수 있다.
또한, 콜로이드 입자는 구, 타원, 막대, 튜브, 와이어, 시트 등의 형태일 수 있다. 콜로이드 입자는 코어-쉘(core-shell) 구조일 수 있다.
광 검출부(720)는 대역 통과 필터(710)를 통해 필터링된 광을 검출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광 검출부(720)는 하나의 포토 다이오드로 구현될 수 있다.
스펙트럼 스케너(730)는 다양한 파장의 광을 검출하여 다양한 파장의 광 강도를 측정할 수 있도록 광 결정층(711)에 전기적 자극을 가할 수 있다. 대역 통과 필터(710)의 통과 파장 즉, 광 결정층(711)의 반사 파장 또는 투과 파장은 전기적 자극에 따라 변하므로, 스펙트럼 스케너(730)는 광 결정층(711)에 걸리는 전압을 조절함으로써 대역 통과 필터(710)의 통과 파장을 조절할 수 있다.
스펙트럼 생성부(740)는 광 검출부(720)에서 검출된 광을 기반으로 각 파장 별 광 강도를 측정하고, 측정된 광 강도를 스펙트럼 데이터로 변환하여 스펙트럼을 생성할 수 있다. 이때, 스펙트럼 생성부(740)는 대역 통과 필터(710)의 각 파장 별 대역 통과 톡성 정보를 스펙트럼 생성시 고려할 수 있다.
도 8은 분광 모듈의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 8을 참조하면, 분광 모듈(800)은 광원(810), 분광기(82) 및 프로세서(830)를 포함할 수 있다.
광원부(810)은 대상체(OBJ)에 여기광(LE)을 조사할 수 있다. 이를 위해, 광원부(810)는 광원 및 광원으로부터 조사된 광이 대상체(OBJ)의 필요한 위치를 향하도록 하는 적어도 하나의 광학요소를 포함할 수 있다. 광원은 대상체(OBJ)로부터 분석하고자 하는 성질에 따라 이에 적합한 파장 대역의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원은 근적외선 대역의 광 예를 들어, 약 800 nm ~ 2500 nm 파장 대역의 근적외선 광을 조사할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광원은 발광 소자나 레이저 광원으로 구현될 수 있다.
분광기(820)는 대상체(OBJ)로부터 조사된 광에 의한 산란광을 수신하여 스펙트럼을 측정할 수 있다. 예컨대, 분광기(820)는 도1 내지 도 7을 참조하여 전술한 분광기(700)일 수 있다.
프로세서(730)는 분광기(720)에서 측정된 스펙트럼을 기반으로 대상체(OBJ)의 물성을 분석할 수 있다. 예컨대, 프로세서(730)는 근적외선 흡수 스펙트럼 분석법이나 라만 분석법을 이용하여 대상체(OBJ)의 물성을 분석할 수 있다.
근적외선 흡수 스펙트럼 분석법은 대상체(OBJ)에 광대역(broadband) 근적외선을 조사한 후, 피부 밖으로 확산 반사(diffused reflection)을 통해 다시 방출되는 광을 분석하여 피부내 혈당 분자가 흡수한 광량을 계산하여 혈당을 예측하는 방법이다. 라만 분석법은 대상체(OBJ)에 레이저를 조사한 후, 대상체(OBJ)로부터 방출된 광의 파장 분석을 통한 라만 쉬프트(Raman shift)를 얻어내어 혈당을 분석하는 방법이다. 라만 분석법은 대상체(OBJ)내에 입사된 광이 대상체(OBJ) 내의 원자 또는 분자와 충돌하여 여러 방향으로 흩어지는 산란(scattering), 특히 비탄성 산란(inelastic scattering)을 이용한다. 이러한 산란은 원자 또는 분자의 표면에서 단순히 반사되는 것이 아닌, 원자 또는 분자에 흡수되었다가 방출되는 산란으로, 산란광은 입사광의 파장 보다 긴 파장을 갖게 된다. 이러한 파장 차이는 대략 200nm 이하일 수 있다. 이러한 산란광의 스펙트럼을 분석함으로써 대상체(OBJ) 내의 분자의 진동, 분자의 구조 등 다양한 물성을 알아낼 수 있다.
분광기(820)와 프로세서(830)는 유선 또는 무선으로 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 분광기 모듈(800)은 분광기(820)와 프로세서(830)가 유선 연결된 소형 휴대용 기기로 구현될 수 있다. 또는, 프로세서(830)가 모바일 단말에 탑재되어 분광기(820)와 무선 통신하도록 구성될 수도 있다.
도 9는 도 8의 분광기 모듈(800)의 광학적 배치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 분광기 모듈(800)은 반사형으로, 분광기(820)가 대상체(OBJ)로부터 반사된 산란광(LS)를 검출하도록 광학계가 구성될 수 있다. 도시된 예에서, 분광기 모듈(800)은 대상체(OBJ)로부터 산란광(LS)을 분광기(820)로 모으는 광학 렌즈(815)를 더 포함하고 있으나, 광학 렌즈(815)는 실시예에 따라 생략될 수 있다.
광원부(810)는 광원(811), 광경로 변환기(812) 및 조리개(813) 등을 포함할 수 있다. 광경로 변환기(812)는 프리즘 형태로 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 빔분할기나 평판 미러의 형태를 가질 수도 있다. 광경로 변환기(812)는 광원(811)의 배치 위치에 따라 생략될 수도 있다.
광원(811)에서 조사된 여기광(LE)은 대상체(OBJ) 내의 분자 구조와 충돌하며 분자 구조에 흡수되었다가 재방출되어, 파장 변환된 산란광(LS)의 형태로 대상체(OBJ)로부터 나오게 된다. 산란광(LS) 즉, 생체 광신호는 대상체(OBJ) 내의 분자 상태에 따라 파장 변환된 정도가 다른 다양한 스펙트럼을 포함하게 된다. 분광기 모듈(800)은 대상체(OBJ)로 여기광(LE)이 입사된 경로와 같은 경로를 따라 나오는 산란광(LS)이 분광기(820)로 입사되는 광학계 구조를 채용하고 있으며, 필요시 산란광(LS)을 분광기(820) 쪽으로 분기하는 추가적인 광학 소자를 더 포함할 수도 있다.
도 10은 도 8의 분광기 모듈(800)의 광학적 배치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 분광기 모듈(800)은 투과형으로, 분광기(820)가 대상체(OBJ)를 투과한 산란광(LS)를 검출하도록 광학계가 구성될 수 있다. 도시된 예에서, 분광기 모듈(800)은 대상체(OBJ)로부터 산란광(LS)을 분광기(820)로 모으는 광학 렌즈(815)를 더 포함하고 있으나, 광학 렌즈(815)는 실시예에 따라 생략될 수 있다.
광원부(810)는 광원(811), 광경로 변환기(812) 및 조리개(813) 등을 포함할 수 있다. 광경로 변환기(812)는 프리즘 형태로 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 빔분할기나 평판 미러의 형태를 가질 수도 있다. 광경로 변환기(812)는 광원(811)의 배치 위치에 따라 생략될 수도 있다.
광원(811)에서 조사된 여기광(LE)은 대상체(OBJ) 내의 분자 구조와 충돌하며 분자 구조에 흡수되었다가 재방출되어, 파장 변환된 산란광(LS)의 형태로 대상체(OBJ)로부터 나오게 된다. 산란광(LS) 즉, 생체 광신호는 대상체(OBJ) 내의 분자 상태에 따라 파장 변환된 정도가 다른 다양한 스펙트럼을 포함하게 된다. 분광기 모듈(800)은 대상체(OBJ)를 투과하여 나온 산란광(LS)이 분광기(820)로 입사되는 광학계 구조를 채용하고 있다.
도 11은 도 8의 분광기 모듈(800)의 광학적 배치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 분광기 모듈(800)은 베이스(280)를 더 포함하며, 광원(810)과 분광기(820)는 베이스(860)의 동일면이나 서로 다른 면에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 베이스(860)는 투광성 재질로 이루어지고, 베이스(860)의 일면에 서로 이격되게 광원(810) 및 분광기(820)가 배치될 수 있다. 즉, 광원(810)은 베이스(860)을 통과하여 대상체(OBJ)에 여기광(LE)을 조사하도록 배치되고, 분광기(820)는 베이스(860)을 통과하여 입사되는 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 검출하도록 배치될 수 있다.
이때, 베이스(860)의 타면에는 광원(810)으로부터의 여기광(LE)을 대상체(OBJ)에 집속하고, 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 분광기(820)로 집속하는 광학 렌즈(870)를 더 포함할 수 있다.
베이스(860)는 플렉서블 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우 분광기 모듈(800)은 대상체(OBJ)에 착용될 수 있는(wearable) 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 분광기 모듈(800)은 손목 시계형 또는 손목 밴드형 비침습 혈당 센서로 구현될 수 있다.
프로세서(830)는 분광기(820)와 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 프로세서(830)는 분광기(820)와 함께 베이스(860)에 탑재되어 손목 시계형 또는 손목 밴드형 웨어러블 디바이스를 구성할 수 있다.
또는, 광원(810) 및 분광기(820) 등만이 손목 시계형 또는 손목 밴드형 웨어러블 기기로 형성되고, 프로세서(830)는 타 기기에 탑재되는 형태로 분광기 모듈(800)이 구현될 수도 있다.
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100, 700, 820: 분광기
110, 710: 대역 통과 필터
111, 711: 광 결정층
120, 720: 광 검출부
730: 스펙트럼 스케너
740: 스펙트럼 생성부
800: 분광기 모듈
810: 광원부
830: 프로세서

Claims (24)

  1. 전기적 자극에 따라 반사 파장 또는 통과 파장이 가변되는 광 결정층(photonic crystal layer)을 포함하는 대역 통과 필터; 및
    상기 대역 통과 필터를 통해 필터링된 광을 검출하는 광 검출부; 를 포함하는,
    분광기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 결정층은,
    다수의 콜로이드 입자들을 포함하고, 전기적 자극에 따라 상기 다수의 콜로이드 입자들 사이의 간격이 가변되는,
    분광기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 콜로이드 입자들은,
    코어-쉘 구조인,
    분광기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 콜로이드 입자들은,
    금속 입자, 폴리머 입자, 무기 입자 및 반도체 입자 중 적어도 하나를 포함하는,
    분광기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다수의 콜로이드 입자들은,
    실리카(silica), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 티타늄옥사이드(titanium oxide), 그라파이트(graphite), 다이아몬드(diamond), C60, 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 실리콘(silicon), 탄화규소(silicon carbide), 게르마늄(germanium), 금속 칼로겐화합물(metal chalcogenide), 금속 보라이드(metal boride), 금속 인화물(metal phosphide), 금속 규화물(metal silicide), 금속 질화물(metal nitride), 산화철(iron oxide), 산화주석(tin oxide), 안티몬주석산화물(antimony doped tin oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 코폴리머 중 적어도 하나를 포함하는,
    분광기.
  6. 제2항에 있어서,
    다수의 콜로이드 입자들은,
    전기적으로 대전되어 있는,
    분광기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 광 결정층은,
    상기 전기적 자극에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료(responsive material)를 더 포함하는,
    분광기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반응성 재료는 전도성 폴리머인,
    분광기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전도성 폴리머는,
    폴리페로세닐실란(polyferrocenylsilane), 폴리시오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyphenylenevinyilene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 및 이들의 코폴로머 중 적어도 하나를 포함하는,
    분광기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 대역 통과 필터는,
    상부 기판 및 하부 기판을 포함하고, 상기 광 결정층은 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판 사이에 위치하는,
    분광기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 대역 통과 필터는 상부 전극 및 하부 전극을 포함하고,
    상기 상부 전극은 상기 상부 기판에 위치하고,
    상기 하부 전극은 상기 하부 기판에 위치하는,
    분광기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출부는,
    하나의 포토 다이오드로 구현되는,
    분광기.
  13. 제1항에 있어서,
    다양한 파장의 광 강도를 측정할 수 있도록 상기 광 결정층(Photonic Crystal layer)에 전기적 자극을 가하는 스펙트럼 스케너; 를 더 포함하는.
    분광기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 측정된 다양한 파장의 광 강도를 기반으로 스펙트럼을 생성하는 스펙트럼 생성부; 를 더 포함하는,
    분광기.
  15. 대상체에 광을 조사하는 광원; 및
    상기 대상체로부터 상기 조사된 광에 의한 산란광을 수신하여 스펙트럼을 측정하는 분광기; 및
    상기 측정된 스펙트럼으로부터 상기 대상체의 물성을 분석하는 프로세서; 를 포함하고,
    상기 분광기는,
    전기적 자극에 따라 반사 파장 또는 투과 파장이 가변되는 광 결정층(photonic crystal layer)을 포함하는 대역 통과 필터; 및
    상기 대역 통과 필터를 통해 필터링된 광을 검출하는 광 검출부; 를 포함하는,
    분광기 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광 결정층은,
    다수의 콜로이드 입자들을 포함하고, 전기적 자극에 따라 상기 다수의 콜로이드 입자들 사이의 간격이 가변되는,
    분광기 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 다수의 콜로이드 입자들은,
    코어-쉘 구조인,
    분광기 모듈.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 다수의 콜로이드 입자들은,
    금속 입자, 폴리머 입자, 무기 입자 및 반도체 입자 중 적어도 하나를 포함하는,
    분광기 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다수의 콜로이드 입자들은,
    실리카(silica), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리스티렌(polystyrene), 티타늄옥사이드(titanium oxide), 그라파이트(graphite), 다이아몬드(diamond), C60, 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 실리콘(silicon), 탄화규소(silicon carbide), 게르마늄(germanium), 금속 칼로겐화합물(metal chalcogenide), 금속 보라이드(metal boride), 금속 인화물(metal phosphide), 금속 규화물(metal silicide), 금속 질화물(metal nitride), 산화철(iron oxide), 산화주석(tin oxide), 안티몬주석산화물(antimony doped tin oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 코폴리머 중 적어도 하나를 포함하는,
    분광기 모듈.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 광 결정층은,
    상기 전기적 자극에 따라 팽창 또는 수축하는 반응성 재료(responsive material)를 더 포함하는,
    분광기 모듈.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 반응성 재료는 전도성 폴리머인,
    분광기 모듈.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전도성 폴리머는,
    폴리페로세닐실란(polyferrocenylsilane), 폴리시오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyphenylenevinyilene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 및 이들의 코폴로머 중 적어도 하나를 포함하는,
    분광기 모듈.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 분광기는,
    상기 대상체로부터 반사된 산란광을 수신하도록 배치되거나 상기 대상체로부터 투과한 산란광을 수신하도록 배치되는,
    분광기 모듈.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    근적외선 흡수 스펙트럼 분석법 또는 라만 분석법에 의해 상기 대상체의 물성을 분석하는,
    분광기 모듈.
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