KR101234309B1 - 구름형성 응축핵 카운터 및 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법 - Google Patents

Abstract

구름형성 응축핵 카운터 및 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법이 개시된다. 보다 상세하게는 본 발명은, 유입되는 샘플에어(sample air)를 과포화 상태로 배출하는 과포화기와, 샘플에어가 과포화기의 중심부로 포커싱되어 과포화기의 상단부에서 하단부로 이동하도록 샘플에어를 감싸며 이동하는 보조에어를 공급하는 보조에어 생성기와, 과포화기에서 배출된 샘플에어의 입자들에 레이저를 방사하는 레이저 발생기 및 레이저 발생기에서 의한 입자들의 산란광을 촬영하여 입자들의 영상을 실시간으로 분석하는 디텍터를 포함하는 구름형성 응축핵 카운터 및 이를 이용하는 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법에 관한 것이다.

Description

구름형성 응축핵 카운터 및 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법{Counter of Cloud Condensation Nuclei and Method for Real-time Counting The same}

본 발명은 대기중에 구름으로 작용되는 입자(구름형성 응축핵)들이 지구의 기후변화에 미치는 영향을 예측하기 위한 구름형성 응축핵의 수농도를 실시간 측정하는 카운터 및 이를 이용한 카운팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 대기 중에 구름으로 작용하는 입자들은 수증기를 응축하여 그 크기가 성장되면 구름을 형성한다. 이러한 대기 중 에어로졸은 태양 복사열을 흡수하거나 산란시켜 지구의 온도변화에 큰 영향을 미친다. 즉 이는 구름형성을 통한 대기 중 에어로졸의 간접적인 효과라 할 수 있는 것인데, 대기 중 에어로졸은 다양한 크기와 화학적 조성을 가지며 이러한 특성에 의해 생성된 구름은 지구의 기후변화에 대한 여러 가지 영향을 미친다.

따라서, 지구의 기후에 큰 영향을 주는 구름형성 응축핵의 특성을 알아보기 위해 구름형성 응축핵의 실시간 카운터에 대한 연구개발이 진행되는 추세이다.

현재 구름형성 응축핵(CCN,Cloud Condensation Nuclei) 카운터(counter)중에서 가장 많이 사용되는 DH associates CCN counter는 특정한 하나의 온도와 그에 따른 수증기압(water vapor pressure)으로 입자를 성장시키는 카운터이다.

그러나, DH associates CCN counter는 흐르는 입자를 측정하는 것이 아니라 입자를 포집하여 구름형성 응축핵의 수농도를 측정하여야 하는 단점이 있다.

다음으로 DMT CCN counter는 현재 가장 널리 사용되는 CCN counter는 입자가 성장되어 흐르는 샘플을 OPC (Optical Particle Counter)로 측정하는 카운터이다. 그러나, OPC는 서리에 취약하여 서리를 방지하기 위한 heating시스템과 물통이 추가적으로 필요하다는 문제점이 있다. 즉, 더 많은 온도 제어 장치가 필요고 이로인해 복잡한 온도 조절이 요구되어 측정의 효율성이 감소한다. 또한 측정부 OPC 아래에 서리를 제거하기 위한 물통을 부착하여야 하므로 현장 측정 장비의 구성이 커지고 복잡하게 되는 문제점이 있었다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 관점으로부터 본 발명은 기존의 CCN counter 장비의 단점을 보완하여 흐르는 입자를 실시간으로 지속적으로 측정할 수 있게 하는 구름형성 응축핵 카운터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 과포화기의 내부에서 샘플에어가 과포화기의 중심부로 포커싱되어 유동하도록 샘플에어를 감싸며 이동하는 고습도의 보조에어를 공급하여 샘플에어의 과포화를 보다 쉽게 유도하는 구름형성 응축핵 카운터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 단지 두 개의 온도 조절장치만을 사용하여 효율적이고 빠른 측정이 가능한 응축핵 카운터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 흐르는 입자에 레이저를 방사하여 산란되는 광을 카메라를 이용하여 측정하여 카메라로부터 얻어진 이미지를 실시간 분석하는 것이 가능한 구름형성 응축핵 카운터 및 이를 이용한 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

그러나, 본 발명의 기술적 과제는 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 구름형성 응축핵 카운터는, 유입되는 샘플에어(sample air)를 수치적으로 계산된 특정 과포화 상태로 배출하는 과포화기와, 상기 과포화기에 장착되어 상기 과포화기 내부에 온도구배를 형성하기 위한 열을 제공하는 열전소자 및 상기 샘플에어가 상기 과포화기의 중심부로 포커싱되어 상기 과포화기의 상단부에서 하단부로 이동하도록 상기 샘플에어를 감싸며 이동하는 보조에어를 공급하는 보조에어 생성기를 포함한다.

여기서, 상기 열전소자는 상기 과포화기의 상단부에 장착되는 제1 열전소자 및 상기 과포화기의 하단부에 장착되는 제2 열전소자를 포함하며 상기 제1 및 제 2열전소자는 상기 과포화기로 서로 다른 레벨(level)의 열을 제공하는 것이 좋다.

또한, 상기 보조에어 생성기에서 공급되는 보조에어는 상기 과포화기 내부로 습기를 제공하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 구름형성 응축핵 카운터는 유입되는 샘플에어를 과포화 상태로 배출하는 과포화기와, 상기 샘플에어가 상기 과포화기의 중심부로 포커싱되어 상기 과포화기의 상단부에서 하단부로 이동하도록 상기 샘플에어를 감싸며 이동하는 보조에어를 공급하는 보조에어 생성기와, 상기 과포화기에서 배출된 상기 샘플에어의 입자들에 레이저를 방사하는 레이저 발생기 및 상기 레이저 발생기에서 의한 상기 입자들의 산란광을 촬영하여 상기 입자들의 영상을 실시간으로 분석하는 디텍터를 포함한다.

여기서, 상기 과포화기는 상기 보조에어 생성기에서 공급되는 보조에어가 상기 과포화기의 내부 주변부를 타고 이동하도록 형성된 보조에어 포커싱 노즐과, 상기 과포화기 내부로 습도를 제공하기 위해 상기 과포화기의 하단부에 구비된 워터-배쓰(water-bath) 및 상기 과포화기 내부에 부착되며 상기 물 저장소의 물을 흡수하여 상기 과포화기 내부의 습도를 유지하는 필터 페이퍼를 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 과포화기는 상기 과포화기 내부의 온도구배를 형성하기 위한 열전소자를 장착하는 것이 좋다. 여기서, 상기 열전소자는 상기 과포화기의 상단부에 장착되는 제1 열전소자 및 상기 과포화기의 하단부에 장착되는 제2 열전소자를 포함하며 상기 제1 및 제 2열전소자는 상기 과포화기로 서로 다른 레벨(level)의 열을 제공하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 보조에어 생성기에서 공급되는 보조에어는 상기 과포화기 내부로 습기를 제공하는 것이 좋다.

그리고, 상기 보조에어 생성기는 물 저장소와, 상기 물 저장소에 저장된 물을 펌핑하는 펌프와, 상기 펌프서 펌핑된 물과 혼합되어 생성되는 상기 보조에어를 필터링하는 필터 및 상기 필터링된 보조에어가 상기 과포화기 내부로 유입되는 경로를 형성하는 가이드관를 포함하는 것이 좋다.

또한 바람직하게는, 상기 보조에어 포커싱 노즐은 상기 보조에어가 상기 샘플 에어를 감싸고 안정되게 상기 과포화기의 상단부에서 하단부로 이동되도록 다수의 작은 홀(hole)이 구비된 매쉬(mesh)를 포함하는 것도 좋다.

그리고, 상기 디텍터는 상기 레이저에 의한 상기 입자들의 산란광을 촬영하여 상기 입자들의 영상을 실시간으로 측정하는 카메라 및 상기 카메라에서 측정된 입자들의 영상을 분석하기 위해 상기 영상의 보정 및 상기 영상에 나타난 상기 입자들의 개수를 카운팅하는 영상 분석기를 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 레이저 발생기는 상기 카메라와 초점을 맞추기 위해 X-Y 방향으로 이동하는 X-Y 스테이지를 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법은, (a) 샘플에어가 흩어지는 것을 방지하기 위해 상기 샘플에어를 감싸며 이동하는 보조에어를 공급하는 단계와, (b) 샘플에어를 유입하여 과포화 상태로 배출하는 단계와, (c) 배출된 상기 과포화 상태의 샘플에어의 입자들에 레이저를 방사하는 단계 및 (d) 상기 레이저에 의한 상기 입자들의 산란광을 촬영하여 상기 입자들의 영상을 실시간으로 분석하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 (b)단계는 (b1) 상기 샘플에어가 이동하는 경로에 온도구배를 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 (b)단계의 레이저는 상기 샘플에어의 입자들에 방사되어 산란광이 발생되도록 방사 방향이 변경되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (d)단계는 (d1) 상기 입자들의 산란광을 촬영하여 상기 입자들의 영상을 획득하는 단계와, (d2) 상기 획득된 입자들의 영상을 보정하는 단계 및 (d3) 상기 보정된 입자들의 영상을 이용하여 상기 입자들의 개수를 카운팅하는 단계를 포함하는 것도 좋다.

또한, 상기 (d2)단계는 (d21) 상기 영상으로 획득된 입자들의 모양을 수정하는 단계와, (d22) 상기 영상으로 획득된 입자들의 밝기를 조절하는 단계 및 (d23) 상기 영상으로 획득된 입자들과 배경에 구분을 주어 입자들을 분별하는 단계를 포함하는 것이 더욱 좋을 것이다.

본 명세서에 기재되는 내용에 의해 파악되는 본 발명에 따르면, 과포화기를 통과하여 흐르는 입자를 실시간으로 지속적으로 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 과포화기의 내부에서 샘플에어가 과포화기의 중심부로 포커싱되어 유동하도록 샘플에어를 감싸며 이동하는 고습도의 보조에어를 공급하여 샘플에어의 과포화를 보다 쉽게 유도하고 동시에 샘플에어가 중심부 주변으로 흩어지는 것을 방지하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 구름형성 응축핵 카운터는 단지 두 개의 온도 조절장치만을 사용하여 효율적이고 빠른 측정이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 구름형성 응축핵 카운터 및 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법은 흐르는 입자에 레이저를 방사하여 산란되는 광을 카메라를 이용하여 측정하여 카메라로부터 얻어진 이미지를 실시간 분석하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구름형성 응축핵 카운터를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구름형성 응축핵 카운터의 보조에어 포커싱 노즐의 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 과포화기 내부에서 성장된 NaCl의 성장곡선을 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅하는 방법에 관한 플로우 차트,
도 5는 본 발명의 디텍터로 촬영한 응축핵의 영상을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 응축핵의 영상을 보정하기 전과 후의 차이점을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 응축핵을 카운팅하는 과정을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 촬영된 응축핵의 영상을 보정하는 과정을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 구름형성 응축핵 카운터와 종래의 카운터(CPC, Condensation Particle Counter)로 측정한 응축핵의 수농도와의 상관관계를 도시한 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 여기의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소에 바로 연결될 수도 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있음을 의미한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구름형성 응축핵 카운터를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 구름형성 응축핵 카운터는 과포화기(20), 보조에어 생성기(10), 레이저 발생기(30) 및 디텍터(40)를 포함한다.

과포화기(20)는 측정의 대상이 되는 대기중의 에어 즉 샘플에어를 유입하여 과포화 상태로 배출하는 장치이다. 여기서 과포화기는 상기 유입된 샘플에어가 미리 결정된 과포화상태를 만족하도록 컨트롤하여 배출한다. 과포화기(20)는 도 1에 도시된 바와 같이, 보조에어 포커싱 노즐(21), 튜브(22), 매쉬(27), 제1 열전소자(23), 제2 열전소자(24), 필터 페이퍼(25) 및 워터-배쓰(25, water-bath)를 포함한다.

보조에어 포커싱 노즐(21)은 후술할 보조에어 생성기(10)에서 생성된 보조에어(Sheath Air)를 과포화기(20)내부로 유입하는 장치로 상세한 설명은 후술하기로 한다.

튜브(22)는 샘플에어를 유입하여 유입된 샘플에어가 과포화기(20)의 내부를 통과하여 배출되도록 유인하는 장치이다.

매쉬(27)는 과포화기(20)로 유입되는 보조에어(Sheath Air)가 안정적으로 샘플에어를 감싸고 이동하도록 하기 위해 구비되는 것으로 다수의 작은 홀을 형성하여 보조에어가 안정적인 흐름을 가지고 과포화기(20)의 내부벽을 타고 흐르도록 한다.

제1 열전소자(23)는 과포화기(20)의 상단부에 형성되며, 제2 열전소자(24)는 과포화기(20)의 하단부에 형성된다. 이들 제1 및 제2 열전소자는 정육면체 형상의 블록 안쪽에 끼워지도록 하여 이 정육면체 형상의 블록을 관통하여 형성되는 상기 과포화기(20)로 열을 전달할 수 있게 된다. 따라서, 제1 및 제2 열전소자(23,24)는 외부에 구비된 온도 제어기(29)에 연결되어 사용자가 원하는 온도로 과포화기(20)내부에 온도 구배가 형성되도록 제어된다.

필터 페이퍼(25)는 과포화기(20)의 하단부에 연결된 워터-배쓰(25)에 접촉하며 과포화기(20)의 내부벽면에 형성된다. 즉, 필터 페이퍼(25)는 워터-배쓰(250에 담긴 물을 흡수하여 과포화기(20)의 내부가 항상 높은 습도를 유지하도록 하기 위해 구비된다.

도 1에 도시된 보조에어 생성기(10)는 물 저장소(11), 펌프(12), 필터(13) 및 가이드관(14)를 포함한다.

펌프(12)는 물 저장소(11)에 저장된 물을 펌핑하여 고습도의 보조에어를 생성하기 위해 구비된다. 이렇게 펌핑된 보조에어는 불순물을 제거하여 깨끗한 상태의 고습도 에어가 생성되도록 필터(13)를 통과하면서 필터링된다.

가이드관(40)은 필터링된 보조에어가 과포화기(20)로 이동하는 연결 경로를 제공하는 것으로 그 내부는 보조에어가 오염되지 않도록 하여 상기 필터(13)과 보조에어 포커싱 노즐(21)사이에 형성된다.

도 1에 도시된 레이저 발생기(30)는 과포화기(20)의 하단부를 통해 배출되는 응축핵(샘플에어의 입자)들을 향해 레이저를 방사하기 위해 구비되는 것으로 과포화기(20)의 하단부로 배출된 응축핵들이 통과하는 챔버(50) 외부 또는 내부에 구비된다.

레이저 발생기(30)는 또한 X-Y스테이지(32)를 구비하는데, X-Y스테이지(32)는 레이저 발생기(30)에서 방사되는 레이저의 각도를 조정하기 위해 X방향 및 Y방향으로 상기 레이저 발생기(40)를 이동하도록 구비된다.

디텍터(40)는 챔버(50)와 나란한 평면상에 구비되어 레이저 발생기(30)가 방사한 레이저에 의한 응축핵의 산란광을 촬영하여 응축핵의 영상을 분석하기 위해 구비된다.

따라서, 디텍터(40)는 레이저에 의한 응축핵의 산란광을 촬영하기 위한 카메라를 포함하며, 또한 카메라에 의해 측정된 응축핵의 영상을 분석하기 위한 영상 분석기를 포함한다.

이하에서는 본 발명에서 보조에어를 이용하여 샘플에어를 과포화기의 내부로 포커싱하는 과정에 대한 설명을 개시한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구름형성 응축핵 카운터의 보조에어 포커싱 노즐의 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 보조에어는 과포화기(20)의 내부면을 타고 아래로 이동되어야 한다. 상술한 바와 같이 보조에어(sheath air)는 샘플에어가 과포화기(20)의 중심부에 포커싱되어 이동되도록 하는 것으로 샘플에어는 보조에어에 의해 과포화기의 주변부로 흩어지는 것이 방지된다. 샘플에어가 과포화기(20)의 주변부로 흩어저 아래로 이동되면 샘플에어에 포함되어 응축핵을 생성시키게 되는 화학조성의 입자들이 과포화기(20) 내부벽 또는 과포화기(20) 내부를 높은 습도로 유지하기 위해 마련된 상술한 필터 페이터(도 1의 25 참조)에 달라붙어 과포화 상태의 샘플에어의 응축핵을 정확히 카운트할 수 없다.

따라서, 샘플에어는 과포화기 내부 중앙에 형성된 튜브(22)를 통해 유입되어 과포화기(20)를 통과하며 보조에어에 의해 중앙으로 포커싱되어 과포화기(20)를 관통한다. 과포화기(20)에서 배출된 과포화 상태의 샘플에어는 챔버(50)로 배출되고 디텍터(40)에 구비된 카메라는 응축핵이 레이저 발생기(도 1의 30 참조)에서 방사된 레이저에 의한 산란광을 촬영한다.

본 발명에 의한 구름형성 응축핵 카운터의 과포화기(20)는 과포화기(20)의 상단부 및 하단부에 각각 제1 및 제2 열전소자(23,24)를 구비하는 것을 설명한 바 있다.

제1 및 제2 열전소자(23,24)는 과포화기(20)내부의 온도 제어를 통해 샘플에어의 과포화상태를 쉽게 유도하기 위한 것으로 과포화기(20) 내부에 형성되어 습도를 제공하는 필터 페이퍼(25)와 상호작용한다. 이러한 과포화기(20)의 성능에 대하여 실험한 결과를 도 3에 도시하였다.

도 3은 본 발명의 과포화기 내부에서 성장된 NaCl의 성장곡선을 도시한 그래프이다.

도 3에서 알 수 있듯이, 과포화기(20) 내부에서 응축핵의 성장은 온도 구배에 따라 일정하게 나타나며, 이는 단 2개의 열전소자만을 이용하는 본 발명의 과포화기(20)의 성능이 다수의 온도 제어장치가 구비되어야 했던 종래의 카운터(CPC, Condensation Particle Counter)의 성능과 유사한 성능을 보임을 증명한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅하는 방법에 관한 설명을 개시한다. 여기서는 도 4외에 구름형성 응축핵 카운터를 도시한 도 1이 참조될 것이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅하는 방법에 관한 플로우 차트이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 응축핵의 실시간 카운팅 방법은 보조에어를 과포화기로 공급하는 단계(S10), 과포화기 내부로 샘플에어를 유입하는 단계(S20), 과포화기 내부의 온도구배를 형성하는 단계(S30), 과포화기에서 배출된 샘플에어의 입자(응축핵)들에 레이저를 방사하는 단계(S40), 레이저에 의한 응축핵들의 산란광을 촬영하여 응축핵의 영상을 획득하는 단계(S50), 획득된 영상을 보정하는 단계(S60) 및 응축핵의 개수를 카운팅하는 단계(S70)를 포함한다.

S10단계는 과포화기(20)내부로 보조에어를 공급하는 단계로 보조에어는 보조에어 생성기(10)에서 생성되는 것임은 설명한 바 있다. 보조에어(sheath-air)는 과포화기(20)내부에 공급되어 과포화기(20)의 내부면을 타고 흐른다. 이렇게 하여 후술할 샘플에어가 과포화기(20)내부에서 흩어져 과포화기(20)내부면 및 필터 페이퍼(25)에 점촉되는 것이 방지된다.

S20단계는 과포화기(20)내부로 샘플에어가 유입되는 단계로, 분석 대상이 되는 샘플에어는 과포화기(20)내부의 중심부에 형성된 튜브(22)로 유입되어 과포화기(20)의 중심부로 포커싱되어 흐른다. 즉, 샘플에어는 이미 보조에어가 흐르는 과포화기(20)에 유입됨에 따라 과포화기(20)의 중앙으로 포커싱되어 이동된다.

S30단계는 과포화기(20)내부에 온도구배를 형성시키는 단계로 이는 과포화기(20)의 상단부와 하단부에 장착된 제1 및 제2 열전소자(23,24)에 의해 온도구배가 형성된 과포화기(20)를 샘플에어가 통과하면서 과포화상태로 배출되는 과정이다.

제1 및 제2 열전소자(23,24)는 외부에 구비된 온도 제어기(29)를 이용하여 제어되는 것으로 사용자의 제어에 의해 과포화기로 열을 공급한다. 제1 및 제2 열전소자(23,24)를 이용하여 형성된 온도와 과포화기(20)내부에 장착된 필터 페이퍼(25)에서 제공되는 습도에 의해 샘플에어는 과포화 조건에 도달하여 챔버(50)로 배출된다.

S40단계는 배출된 샘플에어의 입자(응축핵)들에 레이저를 방사하는 단계이다. 레이저는 레이저 발생기(30)로부터 생성되는데 일례로 헬륨-네온 레이저(파장 633nm)를 사용하는 것이 가능하다. 또한 레이저 발생기(30)는 레이저 발생기(30)에 연결 장착된 X-Y스테이지(32)에 의해 방사되는 레이저의 각도가 조정된다. 이에 대한 설명은 상술한 바 있으므로 여기서는 중복 설명을 생략한다.

S50단계는 S40단계에서 레이저에 의한 응축핵들의 산란광을 촬영하여 응축핵들의 영상을 획득하는 단계이다. 이 단계에서는 디텍터(40)에 구비된 카메라가 사용된다. 카메라는 챔버(50)에 유입되는 유동하는 응축핵을 최적의 조건을 촬영할 수 있도록 카메라의 파라미터들이 조정되는 것이 바람직하다. 이러한 카메라 파라미터로는 brightness, gain, gamma, exposure time등이 있으며 각 파라미터들의 조절을 통해 보다 선명한 응축핵 영상을 획득하도록 제어한다. 도 5는 본 발명의 디텍터로 촬영한 응축핵의 영상을 도시한 도면으로 각 영상은 Flow rate를 달리하였을 때 획득되는 영상을 나타낸다.

S60단계는 S50단계에서 촬영된 응축핵의 영상을 보정하는 단계이다. S50단계에서 카메라 파라미터의 조정에도 불구하고 획득된 응축핵의 영상이 분명하지 않을 수 있어 별도로 획득된 영상에 대한 보정작업이 이루어지는 것이 바람직하다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 응축핵의 영상을 보정하기 전과 후의 차이점을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 보정 전 영상(A)은 보정작업을 통해 보정 후 영상(B)과 같이 보정된다. 이러한 보정방법에 대한 상세한 설명은 후술한다.

S70단계는 보정된 영상을 이용하여 응축핵의 개수를 카운팅하는 단계이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 응축핵을 카운팅하는 과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 응축핵의 카운팅은 예를 들면, LABVIEW IMAGE ANALISYS와 같은 프로그램을 사용하여 할 수 있다.

이하에서는 디텍터에서 획득한 영상의 보정방법에 관한 상세한 설명을 개시한다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 촬영된 응축핵의 영상을 보정하는 과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 응축핵 영상의 보정과정은 응축핵의 모양을 수정하는 단계(S62), 영상에 나타난 응축핵의 밝기를 조절하는 단계(S63), 응축핵과 배경에 차이를 두어 응축핵을 분별시키는 단계(S64)를 포함한다.

S62단계는 카메라로 촬영된 영상에서 응축핵의 형상을 수정하는 단계로 영상의 응축핵의 모양이 갈라져 있는 경우에 그 경계를 제거한다.

S63단계는 영상에 나타난 응축핵의 밝기를 조절하는 단계로 픽셀에 따라 응축핵의 밝기가 달리 촬영된 것을 보정하여 응축핵들의 밝기를 비슷하게 보정한다.

S64단계는 응축핵과 영상의 배경을 분별하는 단계로 Threshold 값을 주어 응축핵과 배경을 선명하게 대비되도록 한다.

이상 설명한 내용으로 본 발명에 따른 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법을 적용하여 실험한 결과를 도 9에 나타내었다.

도 9는 본 발명에 따른 구름형성 응축핵 카운터와 종래의 CPC로 측정한 응축핵의 수농도와의 상관관계를 도시한 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 구름형성 응축핵 카운터를 이용하여 측정된 응축핵의 수농도와 종래의 카운터(CPC, Condensation Particle Counter)측정한 응축핵의 수농도가 높은 상관관계(R=O96)를 보인다.

즉, 본 발명에 따른 구름형성 응축핵 카운터로 측정된 영상속의 응축핵은 수농도(#/)로 환산되는데 도 9를 참조하면 본 발명에 따른 구름형성 응축핵 카운터는 0.5~10μm의 크기를 8000 #/까지 정밀하게 특정할 수 있음을 나타낸다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 사상적 범주에 속한다.

10:보조에어 생성기 11:물 저장소
12:펌프 13:필터
14:가이드관 20:과포화기
21:보조에어 포커싱 노즐 27:매쉬
29:온도 제어기 25:필터 페이퍼
24:열전소자 30:레이저
32:X-Y스테이지 40:디텍터

Claims (17)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 유입되는 샘플에어(sample air)를 미리 결정된 과포화 상태로 배출하는 과포화기;
   상기 샘플에어가 상기 과포화기의 중심부로 포커싱되어 상기 과포화기의 상단부에서 하단부로 이동하도록 상기 샘플에어를 감싸며 이동하는 보조에어를 공급하는 보조에어 생성기;
   상기 과포화기에서 배출된 상기 샘플에어의 입자들에 레이저를 방사하는 레이저 발생기; 및
   상기 레이저 발생기에서 의한 상기 입자들의 산란광을 촬영하여 상기 입자들의 영상을 실시간으로 분석하는 디텍터를 포함하는 구름형성 응축핵 카운터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 과포화기는 상기 보조에어 생성기에서 공급되는 보조에어가 상기 과포화기의 내부 주변부를 타고 이동하도록 형성된 보조에어 포커싱 노즐;
   상기 과포화기 내부로 습도를 제공하기 위해 상기 과포화기의 하단부에 구비된 워터-배쓰(water-bath); 및
   상기 과포화기 내부에 부착되며 상기 보조에어 생성기의 물 저장소의 물을 흡수하여 상기 과포화기 내부의 습도를 유지하는 필터 페이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵 카운터.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 과포화기는 상기 과포화기 내부의 온도구배를 형성하기 위한 열전소자를 장착한 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵 카운터.
7. 제6항에 있어서,
   상기 열전소자는 상기 과포화기의 상단부에 장착되는 제1 열전소자; 및
   상기 과포화기의 하단부에 장착되는 제2 열전소자를 포함하며 상기 제1 및 제 2열전소자는 상기 과포화기로 서로 다른 레벨(level)의 열을 제공하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵 카운터.
8. 제4항에 있어서,
   상기 보조에어 생성기에서 공급되는 보조에어는 상기 과포화기 내부로 습기를 제공하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵 카운터.
9. 제4항에 있어서, 상기 보조에어 생성기는
   물 저장소;
   상기 물 저장소에 저장된 물을 펌핑하는 펌프;
   상기 펌프서 펌핑된 물과 혼합되어 생성되는 상기 보조에어를 필터링하는 필터; 및
   상기 필터링된 보조에어가 상기 과포화기 내부로 유입되는 경로를 형성하는 가이드관를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵 카운터.
10. 제5항에 있어서,
    상기 보조에어 포커싱 노즐은 상기 보조에어가 상기 샘플 에어를 감싸고 안정되게 상기 과포화기의 상단부에서 하단부로 이동되도록 다수의 작은 홀(hole)이 구비된 매쉬(mesh)를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵 카운터.
11. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 디텍터는 상기 레이저에 의한 상기 입자들의 산란광을 촬영하여 상기 입자들의 영상을 실시간으로 측정하는 카메라; 및
    상기 카메라에서 측정된 입자들의 영상을 분석하기 위해 상기 영상의 보정 및 상기 영상에 나타난 상기 입자들의 개수를 카운팅하는 영상 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵 카운터.
12. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 발생기는 상기 디텍터의 카메라와 초점을 맞추기 위해 X-Y 방향으로 이동하는 X-Y 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵 카운터.
13. (a) 샘플에어가 흩어지는 것을 방지하기 위해 상기 샘플에어를 감싸며 이동하는 보조에어를 공급하는 단계;
    (b) 샘플에어를 유입하여 미리 결정된 과포화 상태로 배출하는 단계;
    (c) 배출된 상기 과포화 상태의 샘플에어의 입자들에 레이저를 방사하는 단계; 및
    (d) 상기 레이저에 의한 상기 입자들의 산란광을 촬영하여 상기 입자들의 영상을 실시간으로 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 (b)단계는
    (b1) 상기 샘플에어가 이동하는 경로에 온도구배를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법.
15. 제13항에 있어서,
    상기 (b)단계의 레이저는 상기 샘플에어의 입자들에 방사되어 산란광이 발생되도록 방사 방향이 변경되는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법.
16. 제13항에 있어서, 상기 (d)단계는
    (d1) 상기 입자들의 산란광을 촬영하여 상기 입자들의 영상을 획득하는 단계;
    (d2) 상기 획득된 입자들의 영상을 보정하는 단계; 및
    (d3) 상기 보정된 입자들의 영상을 이용하여 상기 입자들의 개수를 카운팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 (d2)단계는
    (d21) 상기 영상으로 획득된 입자들의 모양을 수정하는 단계;
    (d22) 상기 영상으로 획득된 입자들의 밝기를 조절하는 단계; 및
    (d23) 상기 영상으로 획득된 입자들과 배경에 구분을 주어 입자들을 분별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름형성 응축핵의 실시간 카운팅 방법.
    

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