KR100865712B1

KR100865712B1 - 입자 측정 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR100865712B1
Application number: KR1020060065286A
Authority: KR
Inventors: 안강호
Original assignee: 안강호
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-10-28
Also published as: JP4369965B2; EP1879016A2; US20080047373A1; JP2008020456A; US7605910B2; EP1879016A3; KR20080006292A

Abstract

본 발명은 입자들을 크기에 따라 분리하여 하나씩 실시간으로 측정할 수 있는 입자 측정 시스템 및 그 방법을 개시한다. 본 발명은 양전기 입자들, 음전기 입자들과 기체를 포함하는 에어로졸을 샘플링장치에 공급한다. 샘플링장치는 에어로졸 중 일부를 샘플링 에어로졸로 샘플링하고, 나머지 에어로졸을 샘플링 에어로졸의 흐름으로부터 분기한다. 분석장치는 샘플링장치에 연결되어 있고 샘플링 에어로졸의 흐름 방향을 따라 양전극과 음전극을 각각 형성하여 양전기 및 음전기 입자들을 분리한다. 필터는 나머지 에어로졸 속의 양전기 및 음전기 입자들을 필터링한다. 필터와 분석장치 사이에 필터링을 거친 기체의 흐름을 분석장치로 유도하도록 포화장치가 장착되어 있으며, 포화장치는 기체를 작동액체로 포화시켜 포화기체를 생성한다. 응축장치는 분석장치에 연결되어 양전기 및 음전기 입자 각각을 핵으로 액체방울들이 생성되도록 포화기체를 응축한다. 응축장치에 연결되어 있는 광학입자계수장치는 액체방울들을 검출하여 양전기 및 음전기 입자들의 개수와 크기를 산출한다. 본 발명에 의하면, 양전기 및 음전기 입자들의 전기적 이동성을 이용하여 입자들을 크기에 따라 분리한 후, 입자들 각각을 핵으로 하는 액체방울들을 형성하고, 이 액체방울들을 검출하여 입자들의 개수와 크기를 하나씩 실시간으로 정확하게 측정할 수 있다.

Description

입자 측정 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING PARTICLES}

도 1은 본 발명에 따른 입자 측정 시스템의 구성을 나타낸 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 입자 측정 시스템에서 분석장치의 구성을 나타낸 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 입자 측정 시스템에서 입자들을 핵으로 액체방울들이 생성되는 있는 상태를 확대하여 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 입자 측정 방법을 설명하기 위하여 나타낸 흐름도이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

4: 에어로졸 10: 샘프링장치

12: 제1 덕트 14: 샘플링튜브

16: 분기로관 20: 분석장치

22: 제2 덕트 24: 제1 전극

26: 제2 전극 28: 전원공급장치

30: 차압계 40: 필터

50: 포화장치 52: 작동액체

54: 탱크 56: 히터

60: 다공성 물질 62: 리저버

66: 수위센서 68: 전자밸브

70: 응축장치 72: 제3 덕트

74: 열전냉각소자 80: 광학입자계수기

82: 하우징 84: 광원

88: 광검출기 90: 컴퓨터

100: 에어로졸 유입장치

본 발명은 입자 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입자들을 크기에 따라 분리하여 하나씩 실시간으로 측정할 수 있는 입자 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

에어로졸(Aerosol)은 공기 중에 부유하고 있는 입자(Particle)로 액체 입자 또는 고체 입자로 정의할 수 있으며, 입자의 물리적 상태에 따라 매연(Smoke), 먼지(Dust), 미스트(Mist), 흄(Fume) 등으로 세분할 수 있다. 에어로졸은 인체에 유해하고, 각종 산업현장에서 오염을 발생시키는 원인이 되고 있다. 따라서 에어로졸의 정확한 평가를 위하여 입자의 포집과 분석은 상당히 중요한 분야로 연구되고 있다.

한편, 에어로졸의 입자는 광학입자계수기(Optical Particle Counter, OPC)를 이용하여 실시간으로 측정하고 있다. 그러나 OPC는 레이저빔의 산란에 의하여 60nm 미만의 입자를 정확하게 측정하지 못한다. 따라서 OPC는 60nm 미만의 입자에 대한 실시간 측정이 요구되고 있는 반도체 제조, 의화학, 생물, 유전 등의 분야에서 사용하기 부적합하였다.

이러한 에어로졸의 실시간 측정에는 주사이동입자측정기(Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS)가 사용되고 있다. 에어로졸의 입자는 SMPS의 중화기(Neutralizer)에 의하여 양극충전(Bipolar charging)된 후, 미분형 이동분석기(Differential Mobility Analyzer, DMA)에 공급된다. DMA의 전압은 입자가 통과하는 동안 변화되며, DMA를 통과하는 입자는 시간에 따라 변화되는 전기장의 영향을 받게 된다. 따라서 DMA에 의하여 동일한 전기적 이동성(Electrical mobility)을 갖는 입자가 추출된다.

SMPS의 응축핵계수기(Condensation Nucleus Counter, CNC)는 DMA의 전압을 시간에 대하여 지수적으로 변화시키면서 입자의 개수를 측정한다. 그리고 입자의 개수를 시간구간으로 나누어 각 시간구간의 평균 전기적 이동성에 대한 입자 농도를 구하고, 입자 농도의 데이터에 의하여 입자의 분포를 구한다.

그러나 상기한 바와 같은 종래기술의 SMPS는 입자의 전기적 이동성을 이용하여 크기 분포를 측정하므로, 1회의 측정에 약 2분이 소요되는 단점이 있다. 또한, 입자의 개수가 대기 상태의 개수농도(Number concentration) 정도로 큰 경우에만 사용할 수 있는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 입자들의 전기적 이동성을 이용하여 입자들을 크기에 따라 분리하여 하나씩 실시간으로 측정할 수 있는 입자 측정 시스템 및 그 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 크기에 따라 분리되는 입자들을 핵으로 액체방울들을 형성하여 개수와 크기를 정확하게 측정할 수 있는 입자 측정 시스템 및 그 방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 양전기를 띄는 양전기 입자들, 음전기를 띄는 음전기 입자들과 기체를 포함하는 에어로졸의 흐름을 유도하며, 에어로졸 중 일부를 샘플링 에어로졸로 샘플링하고, 나머지 에어로졸을 샘플링 에어로졸의 흐름으로부터 분기하는 샘플링수단과; 샘플링수단에 샘플링 에어로졸의 흐름을 유도하도록 연결되어 있고, 샘플링 에어로졸의 흐름 방향을 따라 양전극과 음전극을 각각 형성하여 샘플링 에어로졸 속의 양전기 입자들과 음전기 입자들을 분리하는 분석수단과; 샘플링수단으로부터 분기되는 나머지 에어로졸 속의 양전기 입자들과 음전기 입자들을 필터링할 수 있도록 장착되어 있는 필터와; 필터와 분석수단 사이에 필터의 필터링을 거친 기체의 흐름을 분석수단으로 유도하도록 장착되어 있고, 기체를 작동액체로 포화시켜 포화기체를 생성하는 포화수단과; 분석수단에 연결되어 있으며, 양전기 입자들과 음전기 입자 각각을 핵으로 액체방울들 이 생성되도록 포화기체를 응축하는 응축수단과; 응축수단에 연결되어 있고, 응축수단으로부터 공급되는 액체방울들을 검출하여 양전기 입자들과 음전기 입자들의 개수와 크기를 산출하는 광학입자계수수단으로 이루어지는 입자 측정 시스템에 있다.

본 발명의 다른 특징은, 양전기를 띄는 양전기 입자들과 음전기를 띄는 복수의 음전기 입자들이 기체에 포함되어 있는 에어로졸을 공급하는 단계와; 에어로졸 중 일부를 샘플링 에어로졸로 샘플링하고, 나머지 에어로졸을 샘플링 에어로졸의 흐름으로부터 분기하는 단계와; 나머지 에어로졸 속의 양전기 입자들과 음전기 입자들을 기체와 필터링하는 단계와; 필터링을 거친 기체를 작동액체로 포화시켜 포화기체를 생성하는 단계와; 포화기체를 샘플링 에어로졸의 흐름에 합류시키는 단계와; 포화기체가 합류되는 샘플링 에어로졸의 흐름 방향을 따라 양전극과 음전극을 형성하여 샘플링 에어로졸 속의 양전기 입자들과 음전기 입자들을 분리하는 단계와; 양전극과 음전극을 통과하는 양전기 입자들과 음전기 입자들 각각을 핵으로 액체방울들이 생성되도록 포화기체를 응축하는 단계와; 액체방울들을 광학입자계수수단에 의하여 검출하여 양전기 입자들과 음전기 입자들의 개수와 크기를 산출하는 단계로 이루어지는 입자 측정 방법에 있다.

이하, 본 발명에 따른 입자 측정 시스템 및 그 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 입자 측정 시스템은 에어로졸 소스(Aerosol source: 2)로부터 공급되는 에어로졸(4)의 샘플링(Sampling)을 위한 샘플링장치(10)를 구비한다. 에어로졸 소스(2)로부터 공급되는 에어로졸(4)의 기체에는 다량의 입자(P)들이 포함되어 있다. 입자(P)들은 양전기(Positive electricity)를 띄는 양전기 입자(P1)들, 음전기(Negative electricity)를 띄는 음전기 입자(P2)들로 나뉜다. 양전기 및 음전기를 띄는 하전입자(Charged particle)는 중화기의 양극충전에 의하여 생성될 수 있다.

샘플링장치(10)의 제1 덕트(Duct: 12)는 에어로졸 소스(2)로부터 공급되는 에어로졸(4)의 흐름을 유도하도록 장착되어 있다. 제1 덕트(12)의 하류에는 직경이 작은 샘플링튜브(Sample tube: 14)가 장착되어 있다. 샘플링튜브(14)의 입구(14a)는 제1 덕트(12) 안에 진입되어 있으며 출구(14b)는 제1 덕트(12) 밖에 노출되어 있다. 샘플링튜브(14)는 직경이 작고 길이가 비교적 긴 모세관(Capillary tube)으로 구성되거나 제1 덕트(12)의 하류에 형성되는 작은 구멍(Pinhole), 슬릿(Slit)으로 형성될 수 있다. 제1 덕트(12)의 외면에는 제1 덕트(12)로부터 에어로졸(4)을 분기하여 배출하기 위하여 분기로관(Bypath pipe: 16)이 연결되어 있다.

도 1과 도 2를 참조하면, 샘플링튜브(14)의 출구(14b)에는 에어로졸(4) 속의 입자(P)들을 전기량과 크기에 따라 분석하는 분석장치(20)가 연결되어 있다. 분석장치(20)는 샘플링튜브(14)와 그 상류가 연결되어 에어로졸(4)의 흐름을 유도하는 제2 덕트(22)와, 제2 덕트(22)의 내면 일측에 장착되어 있는 제1 전극(24)과, 제2 덕트(22)의 내면 타측에 장착되어 있는 제2 전극(26)과, 제1 전극(24)과 제2 전극(26) 중 어느 하나에 양전압을 인가하도록 접속되어 있는 전원공급장치(28)로 구성되어 있다. 도 1과 도 2에 제1 및 제2 전극(24, 26)은 제2 덕트(22)의 내면에 서로 대향되도록 장착되어 있는 것이 도시되어 있으나, 제1 및 제2 전극(24, 26) 각각은 필요에 따라 제2 덕트(22)의 외면에 장착될 수 있다. 전원공급장치(28)는 제1 전극(24)과 제2 전극(26) 중 제1 전극(24)에 양전압을 인가하도록 접속되어 있고, 제2 전극(26)은 접지되어 있다. 제2 전극(26)은 접지되지 않고 음전압을 인가하는 전원공급장치에 접속될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 샘플링장치(10)의 제1 덕트(12)와 분석장치(20)의 제2 덕트(22)에는 차압을 측정하는 차압계(30)가 연결되어 있다. 차압계(30)의 제1 파이프라인(Pipeline: 32)은 제1 덕트(12)에 연결되어 있고, 제2 파이프라인(34)은 샘플링튜브(14)의 출구(14a)를 지나서 제2 덕트(22)에 연결되어 있다. 차압계(30)의 작동에 의하여 제1 덕트(12)와 제2 덕트(22)의 차압을 측정하여 에어로졸(4)의 유량을 제어할 수 있다.

샘플링장치(10)의 분기로관(16)에는 분기로관(16)을 따라 흐르는 에어로졸(4) 속의 입자(P)들을 필터링하는 필터(40)가 장착되어 있다. 필터(40)의 하류에 필터링을 거친 기체, 예를 들어 공기를 작동액체(Working liquid: 52)로 포화시켜 포화기체(Saturated vapor)를 생성하는 포화장치(50)가 장착되어 있다. 포화장치(50)는 필터(40)의 하류와 분석장치(20)의 상류에 각각 연결되어 있는 챔버(54a)를 가지며 챔버(54a)에 필터(40)의 필터링을 거친 기체의 흐름이 가능하도록 작동액체(52)가 저장되어 있는 탱크(54)와, 탱크(54)의 일측에 장착되어 있으며 탱크(54)에 저장되어 있는 작동액체(52)가 증발되도록 열을 가하는 히터(56)로 구성되어 있다.

탱크(54)의 챔버(Chamber: 54a)는 입구(54b)와 출구(54c)에 각각 연결되어 있다. 탱크(54)의 입구(54b)는 분기로관(16)에 연결되어 있으며, 출구(54c)는 파이프라인(58)을 통하여 분석장치(20)의 제2 덕트(22) 상류에 연결되어 있다. 탱크(54)의 챔버(54a)에 저장되는 작동액체(52)의 수위는 기체의 흐름이 가능하도록 입구(54b)와 출구(54c)보다 낮게 유지되어 있고, 작동액체(52)는 물, 알코올 등이 사용된다. 기체의 흐름이 탱크(54)의 챔버(54a)에 저장되는 작동액체(52)에 의하여 차단되는 경우, 예를 들어 작동액체(52)의 수위가 탱크(54)의 입구(54b)와 출구(54c)보다 높아 입구(54b)를 통하여 유입되는 기체가 작동액체(52)에 주입되면, 기체의 흐름이 작동액체(52)에 의하여 차단되고, 기체가 작동액체(52)에 용해되어 기체의 포화량을 제어하기 어렵다. 탱크(54)의 챔버(54a)에 다공성 물질(Porous materials: 60)이 장착되어 있다. 다공성 물질(60)의 하부는 작동액체(52)에 침지되어 있으며 상부는 챔버(54a)를 따라 흐르는 기체와 접촉하도록 챔버(54a)에 노출되어 있다. 다공성 물질(60)에는 모세관 현상(Capillarity)에 의하여 작동액체(52)가 흡수된다.

한편, 탱크(54)의 챔버(54a)에 작동액체(52)를 공급할 수 있도록 리저버(Reservoir: 62)의 파이프라인(64)이 연결되어 있다. 탱크(54)의 챔버(54a)에 작동액체(52)의 수위를 감지하는 수위센서(66)가 장착되어 있고, 파이프라인(64)에는 수위센서(66)의 신호에 따라 작동액체(52)의 흐름을 제어하는 전자밸브(Solenoid controlled valve: 68)가 장착되어 있다.

분석장치(20)의 제2 덕트(22)에 응축장치(70)의 제3 덕트(72)가 연결되어 있다. 제3 덕트(72)의 외면에 제3 덕트(72)의 온도를 강하시키는 냉각수단으로 열전냉각소자(Thermo electric cooler: 74)가 장착되어 있다. 냉각수단은 제3 덕트(72)의 외면을 둘러싸는 쿨링챔버(Cooling chamber)와, 이 쿨링챔버에 냉매를 공급하여 제3 덕트(72)의 온도를 강하시키는 냉동사이클(Refrigerating cycle)을 갖는 냉각장치로 구성될 수 있다.

도 1과 도 3을 참조하면, 응축장치(70)의 제3 덕트(72) 안으로 유입되는 포화기체는 온도의 저하에 따라 과포화되고, 포화기체의 응축현상이 발생된다. 포화기체는 입자(P)들 각각을 핵으로 응축되면서 액체방울(Liquid drop: D)들을 생성하 게 되고, 액체방울(D)들은 기류를 타고 제3 덕트(72) 밖으로 배출된다. 제3 덕트(72)의 하방에 제3 덕트(72)로부터 배출되는 응축액을 집수할 수 있도록 드레인팬(Drain pan: 76)이 장착되어 있고, 드레인팬(76)에는 응축액의 배수를 위하여 드레인파이프(Drain pipe: 78)가 연결되어 있다.

본 발명의 입자 측정 시스템은 응축장치(70)의 제3 덕트(72)로부터 공급되는 액체방울(D)들을 광학적으로 계수하여 입자(P)들의 개수와 크기를 산출하는 광학입자계수기(Optical Particle Counter, OPC: 80)를 구비한다. OPC(80)는 하우징(82), 광원(Light source: 84), 렌즈(86)와 광검출기(Photo detector: 88)와 컴퓨터(90)로 구성되어 있다.

하우징(82)의 센싱체적(Sensing volume: 82a)은 입구(82b)와 출구(82c)에 연결되어 있으며, 하우징(82)의 입구(82b)에는 응축장치(70)의 제3 덕트(72)가 연결되어 있다. 광원(84)은 하우징(82)의 일측에 장착되어 하우징(82)의 센싱체적(82a)에 광을 투사하고, 렌즈(86)는 하우징(82)의 타측에 장착되어 광원(84)으로부터 투사되는 광을 집광한다. 광검출기(88)는 렌즈(86)에 의하여 집광되는 광을 검출하고 그 신호를 출력한다. 광검출기(88)의 신호는 컴퓨터(90)에 입력되며, 컴퓨터(90)는 광검출기(88)로부터 입력되는 신호를 프로그램에 의하여 프로세싱하여 입자(P)들의 개수와 크기를 산출한다. 광검출기(88)는 액체방울(D)들의 위치 데이터를 획득하기 위하여 이미지센서(88a), 예를 들어 전하결합소자 카메라(Charge Coupled Device, CCD camera)나 쿼드러춰 검출기(Quadrature detector)로 구성되어 있다. 컴퓨터(90)는 광검출기(88)의 신호를 처리하여 입자(P)들의 개수와 크기를 산출하여 출 력하는 신호처리기(Signal processor)로 구성될 수 있다.

한편, 하우징(82)의 출구(82c)에는 샘플링장치(10)의 제1 덕트(12)에 에어로졸(4)이 유입되도록 에어로졸(4)의 흡입력을 발생하는 에어로졸 유입장치(100)가 파이프라인(102)에 의하여 연결되어 있다. 에어로졸 유입장치(100)는 에어로졸(4)을 강제로 흡입하여 배출하는 송풍기 또는 진공펌프와, 에어로졸(4)의 유량을 제어하여 공급하는 질량유량계(Mass flow controller)로 구성될 수 있다. 에어로졸 유입장치(100)는 필요에 따라 제1 덕트(12)의 상류에 설치될 수 있다.

지금부터는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 입자 측정 시스템에 의하여 에어로졸을 측정하는 방법을 도 4에 의거하여 설명한다.

도 1을 함께 참조하면, 에어로졸 유입장치(100)의 작동에 의하여 샘플링장치(10)의 제1 덕트(12)에 에어로졸(4)을 공급한다(S100). 에어로졸 유입장치(100)의 작동에 의하여 에어로졸(4)의 흡입력이 발생되면, 에어로졸 소스(2)로부터 에어로졸(4)이 샘플링장치(10)의 제1 덕트(12)에 공급된다.

샘플링장치(10)는 공급되는 에어로졸(4) 중 일부는 샘플링 에어로졸로 샘플링하고, 나머지 에어로졸을 에어로졸(4)의 흐름으로부터 분기한다(S102). 샘플링장치(10)의 제1 덕트(12)에 공급되는 에어로졸(4) 중 일부는 샘플링튜브(14)를 통하여 샘플링 에어로졸(4a)로 분석장치(20)의 제2 덕트(22)에 공급된다. 나머지 에어로졸(4b)은 샘플링 에어로졸(4a)의 흐름으로부터 분기된 후, 분기로관(16)을 통하여 제1 덕트(12)로부터 배출된다.

다음으로, 분기로관(16)을 통하여 흐르는 나머지 에어로졸(4b)에 포함되어 있는 입자(P)들은 필터(40)에 의하여 필터링한다(S104). 필터(40)의 필터링을 거친 기체를 작동액체(52)로 포화하여 포화기체를 생성하고(S106), 포화기체는 분석장치(20)의 제2 덕트(22)에 공급하여 샘플링 에어로졸(4a)의 흐름에 합류시킨다(S108). 필터(40)의 필터링을 거친 기체는 탱크(54)의 입구(54b)를 통하여 챔버(54a)에 유입된다. 히터(56)의 작동에 의하여 탱크(54)가 가열되며, 탱크(54)의 가열에 의하여 탱크(54)에 저장되어 있는 작동액체(52)가 증발된다. 히터(56)는 작동액체(52)의 증발이 가속화하기 위하여 챔버(54a)의 온도가 탱크(54) 주위의 온도보다 약 30~35℃ 높게 유지되도록 탱크(54)에 열을 부여한다. 탱크(54)의 챔버(54a)를 따라 흐르는 기체는 증발되는 작동액체(52)에 의하여 포화되어 포화기체로 된다. 포화기체는 파이프라인(58)을 통하여 분석장치(20)의 제2 덕트(22)에 공급되면서 샘플링 에어로졸(4a)의 흐름에 합류된다.

한편, 탱크(54)의 챔버(54a)에 장착되어 있는 다공성 물질(60)에는 작동액체(52)가 흡수되고, 탱크(54)의 챔버(54a)를 따라 흐르는 기체는 다공성 물질(60)에 접촉된다. 작동액체(52)가 흡수되어 있는 다공성 물질(60)에 기체가 접촉되는 것에 의하여 기체와 작동액체(52)가 접촉하는 표면적이 증가되어 작동액체(52)에 의한 기체의 포화가 빠르게 진행된다.

도 2를 참조하면, 분석장치(20)의 제2 덕트(22)에 샘플링 에어로졸(4a)을 공급한 후, 전원공급장치(28)의 작동에 의하여 제1 전극(24)에 양전압을 인가하여 제2 덕트(22)를 따라 흐르는 샘플링 에어로졸(4a)의 양측에 양전극과 음전극을 형성함으로써 샘플링 에어로졸(4a) 속의 입자(P)들을 크기별로 분리한다(S110).

전원공급장치(28)의 작동에 의하여 제1 전극(24)에 양전압이 인가되면, 제1 전극(24)은 양전극으로 되고, 접지되어 있는 제2 전극(26)은 음전극으로 된다. 양전기 입자(P1)들은 제2 전극(26)을 향하여 이동되고, 음전기 입자(P2)들은 제1 전극(24)을 향하여 이동된다. 양전기 입자(P1)들과 음전기 입자(P2)들 각각은 그 크기에 따라 제1 전극(24)과 제2 전극(26)을 향하여 이동되는 속도에 차이를 갖게 된다. 즉, 크기가 작은 양전기 및 음전기 입자(P1-1, P2-1)는 크기가 큰 양전기 및 음전기 입자(P1-2, P2-2)에 비하여 빠른 속도로 이동되게 된다.

이와 같이 양전기 입자(P1)들과 음전기 입자(P2)들 각각은 제1 전극(24)과 제2 전극(26)을 향하여 이동됨과 동시에 제2 덕트(22)를 따라 흐르는 포화기체의 기류를 타고 제2 덕트(22) 밖으로 배출된다. 따라서 제2 덕트(22) 밖으로 배출되는 양전기 입자(P1)들과 음전기 입자(P2)들은 그 크기별로 일정한 위치에 정렬된다. 즉, 크기가 작은 음전기 입자(P2-1)는 제1 전극(24)에 가깝게 위치되며, 크기가 큰 음전기 입자(P2-2)는 크기가 작은 음전기 입자(P2-1)보다 제1 전극(24)으로부터 멀게 위치되어 제2 덕트(22) 밖으로 배출된다.

한편, 포화기체의 응축에 의하여 샘플링 에어로졸(4a)에 포함되어 있는 입자(P)들 각각을 핵으로 하는 액체방울(D)들을 생성한다(S112). 분석장치(20)의 제2 덕트(22)로부터 배출되는 샘플링 에어로졸(4a)과 포화기체는 응축장치(70)의 제3 덕트(72)에 공급된다. 열전냉각소자(74)의 작동에 의하여 제3 덕트(72)의 온도가 예를 들어 10℃로 강하되면, 포화기체는 과포화기체(Supersaturated vapor)로 된다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 과포화기체 안에 있는 입자(P)들 각각을 핵 으로 하여 증기의 응축이 발생되며, 증기의 응축에 의하여 액체방울(D)들이 성장된다. 액체방울(D)들의 크기는 입자(P)들의 크기에 비례하여 성장된다. 예를 들어 10nm의 입자(P)를 핵으로 하는 액체방울(D)의 직경은 약 1,000배로 성장하여 약 10㎛로 된다. 증기의 응축에 의하여 제3 덕트(72)의 내면에 응축액이 발생되며, 이 응축액은 제3 덕트(72)의 내면을 따라 하방으로 흘러 제3 덕트(72)로부터 배출되면서 드레인팬(76)에 집수된다. 드레인팬(76)에 집수되는 응축액은 드레인파이프(78)를 통하여 밖으로 배출된다.

도 1과 도 3을 참조하면, OPC(80)의 작동에 의하여 액체방울(D)들을 검출하여 입자(P)들의 개수와 크기를 산출한다(S114). 분석장치(20)의 제2 덕트(22)로부터 배출되는 액체방울(D)들은 하우징(82)의 입구(82b)를 통하여 센싱체적(82a)에 유입된 후, 센싱체적(82a)을 지나 출구(82c)를 통하여 하우징(82) 밖으로 배출된다. 광원(84)의 작동에 의하여 센싱체적(82a)에 광이 투사되고, 이 광은 센싱체적(82a)을 따라 흐르는 액체방울(D)들에 의하여 산란된다. 액체방울(D)들에 의하여 산란되는 산란광은 렌즈(86)에 집광되어 광검출기(88)에 보내지고, 광검출기(88)는 산란광을 검출하여 신호를 출력한다. 컴퓨터(90)는 광검출기(88)로부터 입력되는 신호를 프로그램에 의하여 프로세싱하여 입자(P)들의 개수와 크기를 산출한다. 마지막으로, 컴퓨터(90)는 산출되는 입자(P)들의 개수와 크기를 모니터 등의 디스플레이에 표시한다. 에어로졸 유입장치(100)의 작동에 의하여 배출되는 입자(P)들, 액체방울(D)들은 필터 등에 의하여 여과하여 제거한다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하 고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 입자 측정 시스템 및 그 방법에 의하면, 양전기 및 음전기 입자들의 전기적 이동성을 이용하여 입자들 크기에 따라 분리한 후, 양전기 및 음전기 입자들 각각을 핵으로 하는 액체방울들을 형성하고, 이 액체방울들을 검출하여 입자의 개수와 크기를 하나씩 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

Claims

양전기를 띄는 양전기 입자들, 음전기를 띄는 음전기 입자들과 기체를 포함하는 에어로졸의 흐름을 유도할 수 있도록 제공되어 있으며, 상기 에어로졸 중 일부를 샘플링 에어로졸로 샘플링하고, 나머지 에어로졸을 상기 샘플링 에어로졸의 흐름으로부터 분기하는 샘플링수단과;

상기 샘플링수단에 상기 샘플링 에어로졸의 흐름을 유도하도록 연결되어 있고, 상기 샘플링 에어로졸의 흐름 방향을 따라 양전극과 음전극을 각각 형성하여 상기 샘플링 에어로졸 속의 양전기 입자들과 음전기 입자들을 분리하는 분석수단과;

상기 샘플링수단으로부터 분기되는 상기 나머지 에어로졸 속의 상기 양전기 입자들과 음전기 입자들을 필터링할 수 있도록 장착되어 있는 필터와;

상기 필터와 상기 분석수단 사이에 상기 필터의 필터링을 거친 상기 기체의 흐름을 상기 분석수단으로 유도하도록 장착되어 있고, 상기 기체를 작동액체로 포화시켜 포화기체를 생성하는 포화수단과;

상기 분석수단에 연결되어 있으며, 상기 양전기 입자들과 음전기 입자 각각을 핵으로 액체방울들이 생성되도록 상기 포화기체를 응축하는 응축수단과;

상기 응축수단에 연결되어 있고, 상기 응축수단으로부터 공급되는 상기 액체방울들을 검출하여 상기 양전기 입자들과 음전기 입자들의 개수와 크기를 산출하는 광학입자계수수단으로 이루어지는 입자 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 샘플링수단은,

상기 에어로졸의 흐름을 유도하는 제1 덕트와;

상기 제1 덕트의 하류에 상기 샘플링 에어로졸의 흐름을 유도하도록 장착되어 있으며, 상기 분석수단에 하류가 연결되어 있는 샘플링튜브와;

상기 제1 덕트의 외면에 상기 나머지 에어로졸의 흐름을 유도하도록 연결되어 있고, 상기 필터에 하류가 연결되어 있는 분기로관으로 구성되어 있는 입자 측정 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분석수단은,

상기 샘플링수단과 상기 포화수단이 상류에 각각 연결되어 있으며, 상기 샘플링 에어로졸과 상기 포화기체의 흐름을 유도하는 제2 덕트와;

상기 제2 덕트의 일측에 장착되어 있는 제1 전극과;

상기 제2 덕트의 타측에 상기 제1 전극과 대향되도록 장착되어 있는 제2 전극과;

상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 어느 하나에 양전압을 인가하는 전원공급장치로 구성되어 있고,

상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 다른 하나는 접지되어 있는 입자 측정 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 샘플링수단과 상기 분석수단 사이의 차압을 측정할 수 있도록 상기 샘플링수단과 상기 분석수단에 차압계의 제1 파이프라인과 제2 파이프라인이 각각 연결되어 있는 입자 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 포화수단은,

상기 필터의 하류와 상기 분석수단의 상류에 각각 연결되어 있는 챔버를 가지며, 상기 챔버에 상기 기체의 흐름이 가능하도록 상기 작동액체가 저장되어 있는 탱크와;

상기 탱크의 일측에 장착되어 있고, 상기 탱크에 상기 작동액체의 증발을 위하여 열을 가하는 히터로 구성되어 있는 입자 측정 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 탱크의 챔버에 상기 작동액체의 흡수가 가능하도록 하부가 침지되어 있고 상부는 상기 기체와 접촉되도록 다공성 물질이 장착되어 있는 입자 측정 시스템.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 탱크의 챔버에 상기 작동액체를 공급할 수 있도록 리버저가 파이프라인에 의하여 연결되어 있으며, 상기 탱크의 챔버에 상기 작동액체의 수위를 감지하는 수위센서가 장착되어 있고, 상기 파이프라인에 상기 수위센서의 신호에 따라 상기 작동액체의 흐름을 제어하는 전자밸브가 장착되 어 있는 입자 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 응축수단은,

상기 분석수단의 하류에 상기 포화기체의 흐름을 유도하도록 연결되어 있는 제3 덕트와;

상기 제3 덕트의 외면에 상기 포화기체의 응축을 위하여 상기 덕트의 온도를 강하시킬 수 있도록 장착되어 있는 냉각수단으로 구성되어 있는 입자 측정 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 냉각수단은 열전냉각소자로 이루어지며, 상기 제3 덕트의 하방에 제3 덕트로부터 배출되는 응축액을 집수할 수 있도록 드레인팬이 장착되어 있고, 상기 드레인팬에 드레인파이프가 연결되어 있는 입자 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 광학입자계수수단은,

상기 응축수단의 하류에 상기 액체방울들의 흐름을 유도할 수 있도록 연결되어 있는 센싱체적을 갖는 하우징과;

상기 하우징의 일측에 상기 센싱체적을 따라 흐르는 상기 액체방울들에 광을 투사하도록 장착되어 있는 광원과;

상기 하우징의 타측에 상기 광원으로부터 투사되는 광을 검출하여 그 신호를 출력하도록 장착되어 있는 광검출기와;

상기 광검출기로부터의 신호를 프로세싱하여 상기 입자들의 개수와 크기를 산출하는 컴퓨터로 구성되어 있는 입자 측정 시스템.
제 10 항에 있어서, 상기 광검출기는 상기 액체방울들의 이미지 데이터를 획득하는 이미지센서로 이루어지는 입자 측정 시스템.
제 10 항에 있어서, 상기 광학입자계수수단의 하우징에 상기 에어로졸이 상기 샘플링수단에 유입되도록 흡입력을 발생하는 에어로졸 유입수단이 연결되어 있는 입자 측정 시스템.
양전기를 띄는 양전기 입자들과 음전기를 띄는 음전기 입자들이 기체에 포함되어 있는 에어로졸을 공급하는 단계와;

상기 에어로졸 중 일부를 샘플링 에어로졸로 샘플링하고, 나머지 에어로졸을 상기 샘플링 에어로졸의 흐름으로부터 분기하는 단계와;

상기 나머지 에어로졸 속의 상기 양전기 입자들과 음전기 입자들을 상기 기체와 필터링하는 단계와;

필터링을 거친 상기 기체를 작동액체로 포화시켜 포화기체를 생성하는 단계와;

상기 포화기체를 상기 샘플링 에어로졸의 흐름에 합류시키는 단계와;

상기 포화기체가 합류되는 상기 샘플링 에어로졸의 흐름 방향을 따라 양전극과 음전극을 형성하여 상기 샘플링 에어로졸 속의 양전기 입자들과 음전기 입자들 을 분리하는 단계와;

상기 양전극과 음전극을 통과하는 상기 양전기 입자들과 음전기 입자들 각각을 핵으로 액체방울들이 생성되도록 상기 포화기체를 응축하는 단계와;

상기 액체방울들을 광학입자계수수단에 의하여 검출하여 상기 양전기 입자들과 음전기 입자들의 개수와 크기를 산출하는 단계로 이루어지는 입자 측정 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 포화기체를 생성하는 단계는, 상기 작동액체를 탱크의 챔버에 저장하고, 상기 탱크의 챔버를 따라 상기 기체가 흐르게 하면서 상기 탱크에 열을 가하여 상기 작동액체가 증발되게 하는 입자 측정 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 포화기체를 생성하는 단계는, 상기 탱크의 챔버를 따라 흐르는 상기 기체가 상기 작동액체가 흡수되어 있는 다공성 물질에 접촉되게 하는 입자 측정 방법.