KR100622076B1

KR100622076B1 - 극미량 하전 입자의 전류측정 장치

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Publication number: KR100622076B1
Application number: KR1020050051557A
Authority: KR
Inventors: 배귀남; 문길주; 이승복; 김수원; 이창진; 박상수
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2006-09-11

Abstract

본 발명은 극미량 하전 입자 전류측정 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전류측정 장치는, 그 내부를 전기적으로 차폐시키는 케이스와, 케이스 내부에 설치되어 그 내부 공간을 전기적으로 차폐하며, 일측에 케이스를 관통하여 공기가 유입되는 공기 유입구가 형성된 차폐유닛과, 차폐유닛의 내부에 설치되어 공기 유입구를 통해 유입되는 공기 중에서 하전 입자를 채취하는 입자 채취부와, 입자 채취부에 의해 채취된 하전 입자가 포함하는 전하의 전류량을 측정하여 디지털 표시장치 또는 컴퓨터로 표시하는 전류측정유닛과, 공기 유입구를 통해 유입되는 공기의 양을 조절하는 공기량 조절 유닛을 포함하며, 입자 채취부는 하전 입자를 채취하여 전하와 입자를 분리하는 전도성 필터와, 전도성 필터를 지탱하는 스크린과, 전도성 필터 및 스크린을 지지 고정하는 지지부재 및 고정부재를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이러한 극미량 하전 입자 전류측정 장치에 의하면, 전기적 노이즈를 최소화하여 10^-14A 정도의 미량 전류를 측정할 수 있으며, 전체 부피를 줄임으로써 전류측정 장치를 다른 여러 시스템에 널리 활용하는 것이 가능해진다.

하전, 에어로졸, 전류측정, 차폐, 필터

Description

극미량 하전 입자의 전류측정 장치{Low Current Ammeter for Measuring Charged Aerosols}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극미량 하전 입자의 전류측정 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 극미량 하전 입자의 전류측정 장치에서 신호처리부와 전원부의 회로도를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 케이스 16 : 전원부

20 : 차폐유닛 18 : 신호처리부

26 : 공기 유입구 28 : 공기 배출구

30 : 전도성 필터 32 : 스크린

35 : 입자 채취부 40 : BNC 케이블용 단자

50 : 공기량 조절 유닛 60 : 전류측정유닛

본 발명은 극미량 하전 입자의 전류측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 극미량의 음이온 또는 양이온에 의해 하전(荷電)된 미세한 입자의 전하량을 측정할 수 있는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 공기 중에는 눈에 보이지 않은 미세한 입자들이 다수 부유하고 있다. 이러한 입자들은 공기 중에 자연적으로 존재하는 이온들과의 충돌에 의해, 또는 입자들의 생성시에 재료들 간의 마찰에 의해 미량의 전하를 자연적으로 입자 표면에 포함하게 된다. 한편, 이와는 반대로 인위적으로 입자의 표면이 전하를 포함하도록 만들기도 한다. 이렇게 인위적으로 입자를 하전하는 이유로는, 전기적 이동도에 따라 입자의 크기를 분류하기 위해서, 전기적 인력을 이용해 입자를 제거하기 위해서, 입자의 수 농도를 측정하기 위해서, 또는 입자의 총면적을 측정하기 위해서 등의 여러 가지 목적이 있다.

이러한 미세한 입자가 포함할 수 있는 최대 전하량은 입자의 크기에 의해 결정된다. 보통 1 ㎛의 직경을 갖는 구형 입자의 경우에는 대략 156,000개의 전자를 포함할 수 있지만, 입자를 하전하는 방법에 따라 하전되는 양은 크게 달라진다. 일반적으로 약 1000개의 전하로 하전된 입자의 수 농도가 100 개/㎤이고, 1 ℓ/min의 유량으로 전류계를 통과하는 경우, 즉, 분당 1×10⁵ 개의 입자가 전류계를 통과하는 경우에 검출되는 전류는 약 2.7×10^-13A가 된다.

그런데, 이와 같은 극미량 전류를 측정하는 경우 전자 부품 자체에서 발생하 는 전기적 노이즈뿐만 아니라 공기 중에 자연적으로 존재하는 전자기파 또는 이온들의 영향에 의한 노이즈, 진동 및 온도 변화 등과 같은 주변 환경과 관련된 노이즈 등과 같이 여러 가지 요인의 노이즈 때문에 종래의 전류계로는 하전된 미세 입자의 극미량 전류를 제대로 측정하지 못하는 문제점이 있었다.

국내 실용신안등록 제37860호는, 디젤 매연 또는 대기 중 부유 입자상 물질을 실시간으로 측정하기 위하여 입자를 하전시킨 후 전도성 충돌판이 장착된 다단 임팩터로 하전된 입자를 채취하여 각 단의 전류를 측정하는 측정 장치를 개시하였다. 그런데, 상기 측정 장치에는 전류측정기에 대한 기술적인 내용이 거의 없으며, 하전된 입자를 채취하는 임팩터를 다단으로 설치해야 하고, 또한 임팩터의 마지막 단을 통과한 미세 입자를 채취하기 위하여 원통형 카트리지 필터를 구비함으로써 측정 장치 전체의 부피가 매우 커지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해서 개발된 것으로서, 전기적인 노이즈를 차단함으로써 하전된 입자의 극미량의 전류를 정확하게 측정할 수 있는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 구성을 단순화함으로써 전체 부피를 줄일 수 있는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 하전 입자의 전하량을 측정하는 전류측정 장치에 있어서, 그 내부를 전기적으로 차폐시키는 케이스와, 상기 케이스 내부에 설치되어 그 내부 공간을 전기적으로 차폐하며, 일측에 상기 케이스를 관통하여 공기가 유입되는 공기 유입구가 형성된 차폐유닛과, 상기 차폐유닛의 내부에 설치되어 공기 유입구를 통해 유입되는 공기 중에서 하전 입자를 채취하는 입자 채취부와, 상기 입자 채취부에 의해 채취된 하전 입자가 포함하는 전하의 전류량을 측정하여 디지털 표시장치 또는 컴퓨터로 표시하는 전류측정유닛과, 상기 공기 유입구를 통해 유입되는 공기의 양을 조절하는 공기량 조절 유닛을 포함하며, 상기 입자 채취부는 하전 입자를 채취하여 전하와 입자를 분리하는 전도성 필터와, 상기 전도성 필터를 지탱하는 스크린과, 상기 전도성 필터 및 스크린을 지지 고정하는 지지부재 및 고정부재를 구비하는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 전도성 필터는 HEPA(High Efficiecy Particulate Air)필터이면 바람직하며, 두께가 0.5 내지 1 ㎜이며, 직경이 30 내지 37 ㎜이면 더욱 바람직하다.

한편, 상기 전류측정유닛은 전원을 공급하는 전원부와, 상기 입자 채취부에서 채취한 입자의 전하를 측정하여 측정된 전류신호를 디지털 표시장치 또는 컴퓨터에 표시하는 신호처리부와, 상기 입자 채취부와 상기 신호처리부를 연결하는 BNC 케이블용 단자를 포함하게 된다.

여기서, 상기 신호처리부는 입력 바이어스 전류가 10^-14 A 이하이면서 널 (Null) 저항을 이용하여 오프-셋(offset) 전압을 5㎶이하로 조절하는 제1 증폭기와, 널(Null) 저항을 이용하여 오프-셋 전압을 5㎶이하로 조절하는 제2 증폭기를 포함하면 바람직하다.

또한, 상기 전류측정유닛은 하전 입자의 전하에 따라 측정하는 전류의 범위를 조정할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되는 것은 아니며, 본 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 적절하게 정의되었다. 따라서, 이들의 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 그러므로, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극미량 하전 입자의 전류측정 장치(100)의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전류측정 장치(100)는, 먼저 후술하는 각종 구성요소가 설치되는 케이스(10)를 포함한다. 케이스(10)는 그 내부가 전기적으로 차폐되도록 구성된다. 이러한 케이스(10)는 전기 전도성이 우수한 물질로 제 조되는데, 예를 들어 두랄루민(Duralumin)에 의해 제조될 수 있다.

케이스(10)의 내부에는 차폐유닛(20)이 설치된다. 차폐유닛(20)은 전술한 케이스(10)와는 별도로 그 내부 공간을 다시 전기적으로 차폐하게 된다. 이와 같이, 케이스(10)와 차폐유닛(20)에 의해 이중으로 차폐를 함으로써, 측정하고자 하는 전류 신호에 영향을 미치는 전기적인 노이즈를 줄일 수 있다.

차폐유닛(20)은 상부부재(22)와 하부부재(24)로 제작되어 서로 일체로 조립된다. 이러한 상부(22) 및 하부부재(24)의 외부를 금속판으로 둘러싸고, 접지하여 등전위로 만들게 되면 외부로부터의 전기적인 노이즈 유입을 차단할 수 있게 된다.

한편, 차폐유닛(20)의 상부부재(22)에는 외부의 공기가 유입되는 공기 유입구(26)가 형성된다. 공기 유입구(26)는 케이스(10)를 관통하여 설치되며, 공기 유입구(26)를 통해 외부의 공기 및 공기 중에 포함된 하전 입자들이 차폐유닛(20)의 내부로 유입된다. 또한, 차폐유닛(20)의 하부부재(24)에는 차폐유닛(20) 내부의 공기가 외부로 배출되는 공기 배출구(28)가 형성된다. 공기 배출구(28)는 후술하는 공기량 조절 유닛(50)과 연결되어 공기 유입구(26)를 통해 유입되는 공기의 양을 조절하게 된다. 공기량 조절 유닛(50)에 대해서는 이후에 상세하게 설명된다.

차폐유닛(20)에 의해 전기적으로 차폐된 내부 공간에는 입자 채취부(35)가 설치된다. 입자 채취부(35)는, 차폐유닛(20) 내부로 유입되는 공기 중에 포함된 하전 입자를 채취하는 전도성 필터(30)와, 전도성 필터(30)를 지지하는 스크린(32)과 전도성 필터(30) 및 스크린(32)을 지지 고정시켜주는 지지부재(36) 및 고정부재(34)를 구비한다.

전도성 필터(30)는 유입되는 공기 중에 포함된 하전 입자를 채취하여, 입자에서 전하를 분리하여 전류측정유닛(60)으로 전하를 전달하는 역할을 하게 된다. 따라서, 전도성 필터(30)의 구멍이 작을수록 더욱 미세한 입자들을 채취할 수 있게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 HEPA(High Efficiency Particulate Air)필터를 전도성 필터로 채용하였다. 상기 HEPA필터에 의하면 모든 크기의 입자를 99.97% 이상 채취할 수 있게 된다. 전도성 필터(30)는 바람직하게 0.5 내지 1㎜의 두께와 30 내지 37 ㎜의 직경을 갖는다. 이와 같이, 소형의 필터를 사용함으로써 전류측정 장치(100) 전체의 부피를 줄일 수 있게 된다.

전도성 필터(30)는 차폐유닛(20) 내부에서 금속으로 제조된 지지부재(36) 상에 놓이며, 금속으로 된 고정부재(34)가 그 상부에서 지지부재(36)와 결합되면서 전도성 필터(30)를 고정하게 된다. 바람직하게, 전도성 필터(30)를 더욱 견고하게 지지하기 위해 전도성 필터(30)의 하부면은 스크린(32)에 의해 지지된다. 스크린(32)은 전도성 필터(30)와 마찬가지로 지지부재(36) 및 고정부재(34)에 의해 지지된다.

이러한 입자 채취부(35)와 차폐유닛(20)과의 통전(通電)을 방지하기 위하여, 입자 채취부(35)는 전기적 절연재질로 제조된 받침부재(38)에 의해서 차폐유닛(20)과 전기적으로 분리된다. 바람직하게, 이러한 받침부재(38)는 테프론(Teflon)과 같은 절연재질로 제조될 수 있다.

한편, 전류측정유닛(60)은 입자 채취부(35)에서 채취한 입자의 전하를 이용하여 전류를 측정하게 된다. 전류측정유닛(60)은, 전원을 공급하는 전원부(16)와, 전원부(16)와 전선(17)으로 연결되어 입자 채취부(35)에서 채취한 입자의 전하를 측정하여 측정된 전류신호를 표시하는 신호처리부(18)와, 입자 채취부(35)와 신호처리부(18)의 전기적 회로(도 2 참조)의 입력 단자를 저노이즈용 BNC 케이블(42)에 의해 연결하는 BNC 케이블용 단자(40)를 포함한다.

신호처리부(18)는 전기회로(도 2 참조)를 포함하여 입자 채취부(35)에서 채취한 입자의 전하에 의해 전류를 측정하게 된다. 상기 전기회로와 입자 채취부(35)는 저노이즈용 BNC 케이블(42) 및 BNC 케이블용 단자(40)에 의해 서로 연결되어, 전기적 노이즈를 최소화한다.

또한, 신호처리부(18)는 측정된 전류를 디지털 표시장치(12) 또는 컴퓨터 통신용 회로(미도시)에 선택적으로 출력하도록 하는 출력 전환스위치(2)와 전류측정유닛(60)의 영점을 조절하는 영점 조절스위치(4)와 전류측정유닛(60)의 측정범위를 조정하는 측정범위 조정스위치(6)를 구비한다. 이하 도 2를 참조하여 신호처리부(18)와 전원부(16)를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 전류측정 장치(100)에서 신호처리부(18)와 전원부(16)의 회로도를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 신호처리부(18)는 두 개의 증폭기와, 측정범위 조정스위치(6)와, 출력 전환스위치(2)를 구비하며, 전원부(16)는 직류전압조정기(80)를 구비한다.

제1 증폭기 AD549L은 실질적으로 25fA의 매우 낮은 입력 바이어스 전류를 가 지므로 전류측정유닛(도 1참조)(60)이 10^-14A의 측정한계를 갖도록 할 수 있다. 제1 콘덴서 C1(76)과 제1 저항 R1(78)은 회로 내부로 유입되는 전류로부터 회로를 보호하는 역할을 한다. 제 1 증폭기는 널(Null) 저항(77)을 이용하여 오프-셋 전압을 5㎶이하로 조절함으로써 오프-셋에 의한 노이즈를 줄일 수 있다.

또한, 제2 증폭기인 OP07도 널(Null) 저항(79)을 이용하여 오프-셋 전압을 5㎶이하로 조절함으로써 오프-셋에 의한 노이즈를 줄일 수 있다.

작업자는 측정범위 조정스위치(6)에 의해 측정해야할 전류에 따라 피드백 저항(62)(64)(66)을 선택하여 증폭비를 적절하게 선택하게 된다. 예를 들어, 측정해야할 전류가 작은 경우에는 증폭비를 높이기 위하여 저항값이 큰 피드백 저항(66)을 선택하게 되며, 측정해야할 전류가 비교적 큰 경우에는 증폭비를 낮추기 위하여 저항값이 작은 피드백 저항(62)을 선택하게 된다.

한편, 작업자가 측정된 신호를 디지털 표시장치(도 1 참조)(12)에 표시하고자 하는 경우에는 출력 전환스위치(2)를 조작하여 피드백 저항 R6(74)를 선택하여 단순히 위상만 변환시킨다. 작업자가 측정된 신호를 컴퓨터로 전송하고자 하는 경우에는 컴퓨터와 시리얼(serial) 통신이 가능한 전압으로 변환시키기 위하여 출력 전환스위치(2)를 조작하여 피드백 저항 R5(72)를 선택하게 된다.

바람직하게, 전원부(16)는 직류전압조정기(80)에 의해, 공급되는 직류 전압의 변동 때문에 생기는 노이즈를 최소화하여 전기회로를 안정화시킨다.

도 1을 다시 참조하면, 전도성 필터(30)를 거친 공기는 공기 배출구(28)를 통해 외부로 배출된다. 이 경우, 공기 배출구(28)는 공기량 조절 유닛(50)과 연결되는데, 공기량 조절 유닛(50)에 의해 입자 채취부(35)를 지나게 되는 공기의 양을 조절하게 된다.

공기량 조절 유닛(50)은 진공펌프(52)와, 진공펌프(52)와 연결된 두 개의 임계 오리피스(orifice)(54)와, 임계 오리피스(54)와 공기 배출구(28) 사이에 개재하는 삼방향 밸브(56)를 구비한다. 진공펌프(52)의 구동에 의해 외부의 공기가 공기 유입구(26), 전도성 필터(30), 공기 배출구(28), 삼방향 밸브(56) 및 임계 오리피스(54)를 통하여 지나게 된다. 임계 오리피스(54)는 서로 다른 직경을 갖도록 제작되어, 통과시키는 공기의 유량이 서로 다르게 된다. 따라서, 작업자는 원하는 공기 유량에 해당하는 임계 오리피스(54)를 삼방향 밸브(56)에 의해 선택하고, 다른 쪽 임계 오리피스는 삼방향 밸브(56)에 의해 차단하게 된다. 비록, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 두 개의 오리피스를 구비한 것으로 도시하였지만 이에 한정되지는 않으며, 밸브의 종류 또는 수량에 따라 두 개 이상의 오리피스를 구비하는 것도 가능하다.

한편, 도 1에서 설명되지 않은 참조번호 14는 신호처리부를 전원부로부터 분리시키면서 전원부에서 발생할 수 있는 전기적 노이즈가 신호처리부에 영향을 주지 못하도록 전기적으로 차폐시키는 금속벽을 나타낸다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 극미량 하전 입자의 전류측정 장치를 사용하게 되면, 입자 채취부를 케이스와 차폐부재에 의해 이중으로 전기적으로 차폐하게 됨으로써, 전기적 노이즈를 최소화하여 미세한 입자에 하전된 극미량 전하의 전류를 10^-14A까지 측정할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 소형의 전도성 필터를 사용하고 간결한 구성을 채택하여 전류측정 장치 전체의 부피를 최소화함으로써, 단독으로 사용되는 경우뿐만 아니라 다른 시스템의 일부분에 포함시켜 사용하는 등, 활용분야의 폭이 훨씬 넓어지게 된다.

Claims

하전 입자의 전하량을 측정하는 전류측정 장치에 있어서,

그 내부를 전기적으로 차폐시키는 케이스와,

상기 케이스 내부에 설치되어 그 내부 공간을 전기적으로 차폐하며, 일측에 상기 케이스를 관통하여 공기가 유입되는 공기 유입구가 형성된 차폐유닛과,

상기 차폐유닛의 내부에 설치되어 상기 공기 유입구를 통해 유입되는 공기 중에서 하전 입자를 채취하는 입자 채취부와,

상기 입자 채취부에 의해 채취된 하전 입자가 포함하는 전하의 전류량을 측정하여 디지털 표시장치 또는 컴퓨터로 표시하는 전류측정유닛과,

상기 공기 유입구를 통해 유입되는 공기의 양을 조절하는 공기량 조절 유닛을 포함하며,

상기 입자 채취부는 하전 입자를 채취하여 전하와 입자를 분리하는 전도성 필터와, 상기 전도성 필터를 지탱하는 스크린과, 상기 전도성 필터 및 스크린을 지지 고정하는 지지부재 및 고정부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 전도성 필터는 HEPA(High Efficiecy Particulate Air)필터인 것을 특징 으로 하는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치.
제2항에 있어서,

상기 전도성 필터는 두께가 0.5 내지 1 ㎜이며, 직경이 30 내지 37 ㎜인 것을 특징으로 하는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 전류측정유닛은,

전원을 공급하며, 공급되는 직류 전압의 변동에 의한 노이즈를 줄이면서 안정된 전압을 유지시켜 주는 전원부와,

상기 입자 채취부에서 채취한 입자의 전하를 측정하여 측정된 전류신호를 디지털 표시장치 또는 컴퓨터에 표시하는 신호처리부와,

상기 입자 채취부와 상기 신호처리부를 연결하는 BNC 케이블용 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치.
제4항에 있어서,

상기 신호처리부는,

입력 바이어스 전류가 10^-14 A 이하이고, 널(Null) 저항을 이용하여 오프-셋 전압을 5㎶이하로 조절하는 제1 증폭기와,

널(Null) 저항을 이용하여 오프-셋 전압을 5㎶이하로 조절하는 제2 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치.
제5항에 있어서,

상기 전류측정유닛은 하전 입자의 전하에 따라 측정하는 전류의 범위를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 극미량 하전 입자의 전류측정 장치.