KR100926332B1

KR100926332B1 - 공기 역학 렌즈

Info

Publication number: KR100926332B1
Application number: KR1020080007629A
Authority: KR
Inventors: 이동근; 이광승
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-11-12
Also published as: US20090190122A1; US7652247B2; KR20090081647A

Abstract

본 발명은 입구과 출구를 가지며 중공이 형성된 원통형의 몸체; 및 상기 몸체 내에 형성된 수축-발산 렌즈부를 포함하고, 상기 수축-발산 렌즈부는, 운반 가스와 입자가 통과하도록 중심부에 형성된 렌즈공과, 상기 렌즈공이 형성된 지점을 정점으로 중심축에 대해 각각 수축각(α) 및 발산각(β)을 이루도록 전방 및 후방에 형성되어 있는 수축 경사면 및 발산 경사면을 가지는 공기 역학 렌즈에 관한 것이다.

공기 역학 렌즈

Description

공기 역학 렌즈 {Aerodynamic lens}

본 발명은 공기 역학 렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 5~50nm 범위의 초미세 나노입자들을 효과적으로 집속할 수 있도록 구성된 공기 역학 렌즈에 관한 것이다.

공기 역학 렌즈는 대기 중에 부유하는 입자를 집속시켜 입자빔을 생성하는 장치로서, 일반적으로 단일 입자 질량 분석기(Single particle mass spectrometer; SPMS)와 같은 장치의 입구에 채용되어 사용되는 것이 보통이다. 알려진 바와 같이 단일 입자 질량 분석기는 에어로졸 상태의 단일 입자에 대한 화학적 조성과 크기를 분석하는 장치이다.

이 밖에도 공기 역학 렌즈는 반도체 칩의 생산 수율을 향상시키기 위해 생산 환경의 오염을 제어할 목적으로 입자의 광 산란 현상을 이용하여 실시간으로 진공 중 입자를 측정할 수 있는 계측기(in-situ particle monitor; ISPM)에 사용되거나, 또는 집속된 입자빔을 평판에 쏘아 마이크로-나노 스케일의 구조물을 증착시키는 용도 등에도 널리 사용되고 있다.

종래의 공기 역학 렌즈는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수개의 오리피스(1)를 연속적으로 배치하고 에어로졸의 입자들을 빔 형태로 집속시키도록 구성되어 있다.

그러나, 종래의 공기 역학 렌즈는 최소 50nm 이상의 입자들과 최소 수백나노미터의 크기를 가진 입자들에 대해서만 집속이 가능하다.

이러한 문제점을 해결하고자 왕(Wang)은 헬륨(He)과 같은 밀도가 낮은 가스를 사용하여 3~30nm의 입자를 집속할 수 있는 기술을 제안하였다.[Wang, X., Kruis, F.E. and McMury, P.H., 2005a,"Aerodynamic Focusing of Nanoparticles: I. Guidelines for designing Aerodynamic Lenses for Nanoparticles," Aerosol Sci. Techno., Vol. 39, pp.611-623]

그러나, 공기 역학 렌즈가 대기 중에 존재하는 에어로졸 입자의 분석을 주 목적으로 한다는 점에서, 공기 대신 헬륨을 사용한다는 것은 비현실적이고, 집속된 빔직경의 크기도 2mm 이상이어서 실효성이 없을 뿐만 아니라 단일 입자 질량 분석기의 구성이 복잡해진다는 등의 문제점을 안고 있다.

종래의 공기 역학 렌즈가 지니고 있는 또 하나의 한계는 와류(vortex) 발생이 심각하다는 점이다. 도 2의 (a)는 헬륨(He) 가스 100sccm의 유량에 대해 오리피스 내부의 직경(d_f)이 1.3mm인 경우의 유동 시뮬레이션을 보여준다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 오리피스 후면에서는 와류가 심하게 발생하는데, 이러한 와류는 입자의 균일한 집속을 저해하는 요인으로 작용한다. 도 2의 (b)는 운반 가스로서 헬륨(He) 대신 공기를 사용할 경우의 유동을 나타낸 것인데, 이 경우에는 오리피스 뒤쪽의 와류 발생이 더욱 심각해지는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공기 중에 부유하는 50nm 이하의 나노입자, 더욱 바람직하게는 5~50nm 범위의 초미세 나노입자를 효과적으로 집속시킬 수 있는 공기 역학 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기 역학 렌즈는, 입구과 출구를 가지며 중공이 형성된 원통형의 몸체; 및 상기 몸체 내에 형성된 수축-발산 렌즈부를 포함하고, 상기 수축-발산 렌즈부는, 운반 가스와 입자가 통과하도록 중심부에 형성된 렌즈공과, 상기 렌즈공이 형성된 지점을 정점으로 중심축에 대해 각각 수축각(α) 및 발산각(β)을 이루도록 전방 및 후방에 형성되어 있는 수축 경사면 및 발산 경사면을 가진다.

바람직하게, 상기 수축각(α)은 40°≤α≤75°범위이며, 더욱 바람직하게,상기 수축각(α)은 45°이다.

또한, 상기 발산각(β)은 10°≤β≤15°범위이며, 더욱 바람직하게 상기 발산각(β)은 15°이다.

본 발명에 따르면, 상기 몸체의 출구에는 노즐이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 공기 역학 렌즈는 50nm 이하의 나노입자, 더욱 바람직하게는 5~10nm 이하의 초미세 나노입자들도 효과적으로 집속시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 공기 역학 렌즈는 헬륨과 같은 특수한 가스를 사용하지 않고 대기 중의 공기를 그대로 사용하여 입자빔을 생성하므로 실용성이 뛰어나다.

특히, 본 발명에 따른 공기 역학 렌즈는 종래에 비해 뛰어난 빔 집속 능력과 투과 효율을 가진다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기 역학 렌즈의 구성에 대한 단면이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 공기 역학 렌즈는 입구(11)과 출구(12)를 가지도록 중공이 형성된 원통형의 몸체(10), 및 상기 몸체(10) 내에 형성된 복수개의 수축-발산 렌즈부(20)를 포함한다.

상기 입구(11)는 측정하고자 하는 지역의 대기 중에 노출되어 있고, 상기 출구(12)는 단일 입자 질량 분석기(미도시)의 진공 쳄버와 같이 상대적으로 압력이 낮은 쳄버와 연결될 수 있다. 바람직하게, 상기 출구(12)에는 노즐(13)이 형성될 수 있다.

상기 수축-발산 렌즈부(20)의 중심부에는 운반 가스와 입자가 통과하는 렌즈공(22)이 형성되어 있으며, 상기 렌즈공(22)이 형성된 지점을 정점으로 전방에는 수축 경사면(24)이 형성되고, 후방에는 발산 경사면(26)이 각각 형성된다. 이때, 상기 수축 경사면(24)과 발산 경사면(26)은 공기 역학 렌즈의 중심축(30)에 대하여 각각 경사각(α) 및 (β)를 이루고 있다. 이하에서는 상기 각도를 각각 수축각(α)과 발산각(β)으로 정의한다.

상기 수축-발산 렌즈부(20)의 개수는 본 발명에 의해 한정되지 않으며, 분석하고자 하는 입자의 상태와 측정 장비 등의 조건에 따라 적절하게 구비될 수 있다.

그러면, 상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 공기 역학 렌즈의 특징과 효과들을 구체적인 실험예를 통해서 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

시뮬레이션 조건

본 발명에 따른 수축-발산형 공기 역학 렌즈에서 입자의 궤적을 모사하기 위해 FLUENT(version 6.2.16) 수치해석 프로그램을 사용하였다. 입자의 수농도가 낮기 때문에 입자 상호간의 작용은 무시하였으며, 입자의 크기가 수십나노 이하로 매우 작기 때문에 유동에 영향을 미치지 않는 것으로 가정하였다.

경계(Boundary) 조건은 Massflow Inlet, Pressure Outlet, Axisymemetric 으로 주었고, 유동 조건은 정상 상태, 압축성, 층류, 점성 유동으로 가정하였으며, Navier-Stokes 식으로 풀었다. 또한 입자는 NaCl 입자로 가정하여 밀도는 약 2g/cc로 주어졌다.

공기 역학 렌즈의 노즐 끝단은 진공 쳄버와 연결된 것으로 가정하고, 출구의 압력은 10^-3torr(~0.13pa)로 주어지며, 입구의 공기 유량은 100sccm(공기의 질량 유량은 2.042×10^-6 kg/s)의 조건이다. 10nm 내외의 직경이 작은 입자에 대해서는 브라운 확산 효과를 적용하였고, 30nm 이상의 입자에 대해서는 이를 무시하였다. 또한 전체 유동은 연속체 조건으로 가정하였다. 또한, 본 명세서에서 사용된 모든 결과들은 특별한 언급이 없는 이상 Near-axis 가정 조건을 사용하였다.

발산각 (β)

도 4는 수축각(α)이 45°로 고정된 상태에서 발산각(β)의 변화에 따른 유선과 와류의 크기를 나타낸 그림이다. 이때, 렌즈공(22)의 직경(dt)은 1.3mm이다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 발산각(β)이 15°인 경우에는 수축-발산 렌즈부(20)의 뒤쪽에 와류가 전혀 발생하지 않고 안정적인 유동을 보였다.

반면에, 발산각(β)이 15°보다 커질수록 와류가 점차로 증가하여 종래 오리피스의 유동에서와 유사한 결과를 나타냈다.

따라서, 발산각(β)이 작을수록 안정적인 유동이 가능하다는 것을 알 수 있 으나, 발산각(β)을 지나치게 작게 설정할 경우에는 발산 경사면(26)의 길이가 길어져 결국 공기 역학 렌즈의 전체 길이가 과도하게 커지는 문제점이 있다.

이러한 점을 감안하면, 상기 발산각(β)은 10°≤β≤15°범위에서 설정되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15°로 설정된다.

수축각 (α)

도 5에는 수축-발산 렌즈부(20)의 수축각(α)에 대한 집속 특성이 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 입자의 크기(D_P)가 5~10nm인 경우에는 수축각(α)이 45°~ 75°범위에서 수축률(Contraction ratio)이 0 ~ 0.2를 나타냈고, 특히, 수축각(α)이 45°일 때에 그래프의 기울기가 가장 완만하여 최대의 수축률(Contraction ration)을 보여주고 있다.

여기서, 수축률(Contraction ratio)이란 집속된 후의 빔직경을 초기 입자가 입사되는 빔직경으로 나눈 값으로서 0(제로)에 가까울수록 집속률이 높은 것을 의미한다. 수축률이 음의 값을 가지는 경우는 과도 집속된 경우이다.

이상의 결과로 볼 때, 본 발명의 공기 역학 렌즈에 있어서 수축각(α)은 40°≤α≤75°범위에서 설정되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게 α = 45°이다.

입자 투과 효율

입자의 집속 능력과 관련된 수축률과 더불어 투과 효율(Transmission efficiency)은 공기 역학 렌즈의 성능 평가에서 가장 중요한 요소이다. 도 6은 단일(single) 렌즈부에서의 입자 크기에 따른 투과 효율을 시뮬레이션한 결과이다. 도 6의 (a)는 발산각(β)을 일정하게 유지시킨 상태에서 수축각(α)을 변화시킬 때의 입자 크기별 투과 효율을 나타낸 것으로서, α= 30°와 α=90°인 경우에만 다소 낮은 값을 가지지만, 나머지 각도에서는 95% 이상의 매우 우수한 투과 효율을 나타낸다.

마찬가지로, 도 6의 (b)는 수축각(α)을 고정시키고 발산각(β)을 변화시키면서 투과 효율을 측정한 것인데, 발산각(β)이 낮은 경우 투과 효율이 95% 이상으로 우수하지만, β=60°일 경우 입자크기가 작아지면서 80% 이하까지 투과 효율이 저하됨을 알 수 있다. 이것은 전술한 바와 같이, 발산각(β)이 증가하면 렌즈부(20) 뒤쪽에서 극심한 유동 불안정성이 발생하는 것에 기인한다.

스페이서의 길이

복수의 렌즈부를 조합하여 다단 렌즈(Multi lens)를 형성하기 위해서는 유동의 완전한 발달(fully developed)을 위해 스페이서(L_S)가 필요하다.

본 발명에 따르면, 도 7에서 보는 바와 같이 렌즈 내부의 유동이 매우 안정적이어서 상대적으로 스페이서(L_S)의 길이를 종래의 공기 역학 렌즈에 비해 짧게 설정할 수 있다.

종래기술과의 비교

도 8은 공기를 운반 가스로 사용한 본 발명의 공기 역학 렌즈의 성능을 왕(Wang)의 공기 역학 렌즈와 대비하여 나타낸 그래프이다.

도 8의 (a)는 집속된 입자빔 직경을 비교한 결과로서, 본 발명의 경우에 20nm 입자 크기에서는 왕의 공기 역학 렌즈와 비슷한 결과를 나타내지만, 그 외 5~50nm 범위의 전반적인 입자 크기 영역에서는 왕에 비해 보다 우수한 집속 능력을 보였다.

도 8의 (b)는 투과 효율의 성능을 상호 비교한 것으로서, 본 발명에 따른 공기 역학 렌즈는 종래의 오리피스 방식에 비해 유동이 안정적이기 때문에 투과 효율이 더욱 우수한 것으로 나타났다. 특히, 5nm 직경을 가진 초미세 나노입자에 대해서도 90% 이상의 투과 효율을 보여주고 있다.

본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명되지만, 이러한 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래 기술에 따른 공기 역학 렌즈의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.

도 2는 종래의 공기 역학 렌즈에 있어서 유동을 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수축-발산형 공기 역학 렌즈의 구성을 보여주는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수축-발산형 공기 역학 렌즈의 유동에 있어서 발산각(β)의 변화에 따른 유동 변화를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수축-발산형 공기 역학 렌즈에 있어서 수축각(α)의 변화에 따른 수축률을 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수축-발산형 공기 역학 렌즈의 투과 효율을 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수축-발산형 공기 역학 렌즈의 유동을 보여주는 도면으로서, 중심축을 기준으로 대칭되는 일측만을 도식적으로 나타낸 것이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수축-발산형 공기 역학 렌즈의 집속 성능과 투과 효율을 종래 기술과 대비하여 나타낸 그래프이다.

Claims

입구과 출구를 가지며 중공이 형성된 원통형의 몸체; 및

상기 몸체 내에 형성된 수축-발산 렌즈부를 포함하고,

상기 수축-발산 렌즈부는,

운반 가스와 입자가 통과하도록 중심부에 형성된 렌즈공과,

상기 렌즈공이 형성된 지점을 정점으로 중심축에 대해 각각 수축각(α) 및 발산각(β)을 이루도록 전방 및 후방에 형성되어 있는 수축 경사면 및 발산 경사면을 가지는 것을 특징으로 하는 공기 역학 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 수축각(α)은 40°≤α≤75°범위인 것을 특징으로 하는 공기 역학 렌즈.
제2항에 있어서,

상기 수축각(α)은 45°인 것을 특징으로 하는 공기 역학 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 발산각(β)은 10°≤β≤15°범위인 것을 특징으로 하는 공기 역학 렌즈.
제4항에 있어서,

상기 발산각(β)은 15°인 것을 특징으로 하는 공기 역학 렌즈.
제1항에 있어서,

상기 몸체의 출구에는 노즐이 형성된 것을 특징으로 하는 공기 역학 렌즈