KR101574435B1 - 미세먼지 및 미생물 검출 장치 - Google Patents

미세먼지 및 미생물 검출 장치 Download PDF

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Abstract

미세먼지과 미생물을 동시에 검출할 수 있는 검출 장치가 개시된다. 이는 측정 샘플이 유입되는 샘플실을 제공하고, 광입사구, 산란광이 방출되는 제1광출사구, 및 제2광출사구를 구비하는 샘플실 몸체와, 샘플실 내에 배치되는 타원경과, 광입사구를 통해 샘플실 내의 측정 샘플에 광을 조사하도록 배치되는 광원부와, 제1광출사구로 출사되는 광을 분리하는 분광요소와, 분광요소에 의해 분리된 광의 어느 경로에 배치되어 산란광을 검출하는 제1검출부와, 분광요소에 의해 분리된 광의 다른 경로에 배치되어 자기 형광을 검출하는 제2검출부를 포함한다.

Description

미세먼지 및 미생물 검출 장치{DETECTION APPARATUS FOR MICRO DUST AND ORGANISM}
본 발명은 미세먼지 및 미생물 검출 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세 먼지와 미생물을 동시에 검출할 수 있는 검출 장치에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 그만큼 오염 물질이 많이 발생하고 있다. 오염 물질에는 다양한 유해 물질이 포함되어 있으며, 최근에는 미세먼지나 미생물과 같이 주변에서 흔하게 접할 수 있는 물질에 의해 치명적인 피해를 받을 수 있다고 밝혀지고 있고, 일기예보 등에서도 미세먼지 농도에 대한 예보를 포함하고 있다.
미세먼지와 미생물에 대한 실질적인 피해를 예방하고 줄이기 위해서는, 상술한 국가적/지역적인 규모의 예보 외에도, 사람이 많이 모이는 공공장소나 시설에서 지속적인 모니터링과 조치가 필수적이라고 할 수 있다. 따라서 미세먼지와 미생물을 매우 정밀하게 검출할 수 있는 장치에 대한 연구 개발이 이루어지고 있다.
도 1은 종래의 미세먼지 및 미생물 검출장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 종래의 검출장치는 미세먼지와 미생물을 동시에 검출할 수 있는 장치의 예이다. 종래의 검출장치는 내벽면이 타원경(32)으로 이루어진 샘플실(31) 내에 측정 샘플 에어로졸을 유입시킨 상태에서 광원부(33)가 샘플실(31) 내 측정 샘플에 광을 조사하고, 측정 샘플에 충돌하여 발생하는 산란광과 형광을 각각 집광하여 미세먼지와 미생물을 검출한다.
이와 같은 종래의 검출장치는 타원경(32)의 제1초점 부위로 측정 샘플 에어로졸을 유입시키고, 광원부(33)의 광을 측정 샘플이 유입되는 지점(321)을 지나도록 조사한다. 측정 샘플 내 먼지 입자와 충돌한 산란광은 굴절되어 하부 광출사구(36)로 출사된 후 산란광 검출 센서로 전달된다. 또한, 측정 샘플 내 미생물과 충돌하여 발생된 형광은 타원경(32)의 제2초점(322) 부위에 형성된 상부 광출사구(37)를 통해 출사되고 집광렌즈를 포함하는 제2광학계(35)를 통해 형광 검출 센서(38)로 전달된다. 한편, 샘플실(31) 내로 입사된 광 중에서 측정 샘플과 충돌하지 않은 광을 정지시키기 위해서, 광스토퍼(323)가 하부 광출사구(36)의 중심 부위에 마련되고, 포커싱 렌즈를 포함하는 제1광학계(34)는 입사 광을 제1초점(322)와 광스토퍼(323) 사이에 포커싱시킨다. 그럼으로써 산란광 이외의 잡광이 샘플실(31) 내에서 발생되는 것을 억제한다.
이러한 종래의 검출 장치는 다음과 같은 문제점이 있다. 하부 광출사구(36)가 광스토퍼(323)의 둘레에 형성되고 적절한 정도의 산란광이 그 구멍을 통해 출사하도록 하기 위해서는 구멍 사이즈가 커야 하기 때문에, 오히려 하부 광출사구(36)를 통해 잡광이 입사될 우려가 있다. 또한 광원부(33)로부터의 광을 측정 샘플이 유입되는 타원경(32)의 제1초점(321)이 아닌, 광스토퍼(323)에 포커싱하기 때문에 검출 효율이 떨어진다. 이는 산란하지 않은 광원부(33)의 광이 잡광으로 작용하는 것을 방지하기 위한 불가피한 조치로 판단되지만, 검출 효율 저하의 원인이 된다.
형광 산란 동시 검출을 통한 실시간 미생물, 미세먼지 농도 측정 시스템(카이스트 논문, 2011, 저자: 이협)
본 발명은 미세먼지와 미생물을 동시에 검출하면서 검출 성능이 뛰어난 검출 장치를 제공한다.
본 발명은 미세먼지와 미생물을 검출하기 위한 산란광과 형광의 광 경로가 동일한 검출 장치를 제공한다.
본 발명은 장치의 전체 외형 사이즈가 축소된, 미세먼지 및 미생물 검출 장치를 제공한다.
본 발명은 미세먼지 및 미생물 검출 장치를 제공하며, 이는: 측정 샘플이 유입되는 샘플실을 제공하고, 광입사구, 산란광이 방출되는 제1광출사구, 및 제2광출사구를 구비하는 샘플실 몸체; 상기 샘플실 내에 배치되는 타원경; 상기 광입사구를 통해 상기 샘플실 내의 측정 샘플에 광을 조사하도록 배치되는 광원부; 상기 제1광출사구로 출사되는 광을 분리하는 분광요소; 상기 분광요소에 의해 분리된 광의 어느 경로에 배치되어 산란광을 검출하는 제1검출부; 및 상기 분광요소에 의해 분리된 광의 다른 경로에 배치되어 자기 형광을 검출하는 제2검출부;를 포함한다.
상기 광원부의 광은 상기 타원경의 제1초점에 광을 포커싱된다.
상기 광원부로부터 광 중에 비산란광이 상기 제2광출사구로 출사된다.
상기 제2광출사구로 방출된 광의 경로에 배치되는 광스토퍼부를 더 포함한다.
상기 광스토퍼부는 꼭지점이 방출된 광을 향하도록 배치되는 원뿔형 부재를 포함한다.
상기 측정 샘플을 상기 샘플실로 유입시키도록 설치되는 유입 노즐과 상기 샘플실내 샘플을 배출하도록 설치되는 배출 노즐을 포함하는 노즐부를 더 포함한다.
상기 유입 노즐은 상기 측정 샘플을 상기 타원경의 상기 제1초점 부위로 유입시키도록 배치된다.
본 발명에 따르면, 미세먼지와 미생물의 동시 검출 성능이 뛰어난 검출 장치가 제공된다. 본 발명의 검출 장치에서는 미세먼지 검출을 위한 산란광과 미생물 검출을 위한 형광이 동일한 경로를 갖는다. 따라서, 샘플실의 개구 부위를 최소화할 수 있으며, 그에 따라 누광이나 잡광의 발생이 최소화될 수 있다. 또한, 측정 샘플 에어로졸의 유입 위치와 광원부의 광의 포커싱 위치가 실질적으로 일치한다. 결과적으로 미세먼지와 미생물의 동시 검출 능력이 향상된다. 나아가, 본 발명의 검출 장치는 장치 외형 사이즈가 최소화되어 휴대와 보관이 편리하다.
도 1은 종래의 검출 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 미세먼지 및 미생물 검출 장치에 대한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 검출 장치에 대한 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 본 발명의 검출 장치에 대한 개략적인 블록도이다.
도 5는 본 발명의 검출 장치에서 조사되는 광을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세먼지 및 미생물 검출 장치를 도시한 사시도이다. 도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 미세먼지 및 미생물 검출 장치에 대한 단면도이다. 도 4은 도 2에 도시된 본 발명의 미세먼지 및 미생물 검출 장치에 대한 개략적인 블록도이다. 참고로, 도 2에서는 이해의 편의를 위해 일부 부위에서는 내부가 보이도록 하였다.
도 2 내지 도 4을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세먼지 및 미생물 검출 장치는 내부에 샘플실(11)을 제공하는 샘플실 몸체(1)를 포함한다. 샘플실(11)은 계란형 공간으로서, 샘플실(11)의 내면벽의 일부 또는 전부에 거울면, 즉 타원경(12)이 배치된다. 샘플실(11) 내로는 노즐부의 유입 노즐에 의해 측정 샘플, 예컨대 에어로졸이 유입된다. 광원부(2)가 샘플실(11) 내의 측정 샘플에 광을 조사하고, 측정 샘플의 입자에 충돌하여 산란 및 굴절되어 샘플실(11) 외부로 출사되는 광을 집광하여 미세먼지 및 미생물의 존재 및 그 량을 검출한다. 특히, 본 발명의 미세먼지 및 미생물 검출 장치는 측정 샘플의 입자에 충돌한 산란광 및 자기 형광이 동일한 경로를 통해 샘플실(11) 외부로 출사되며, 이를 분광하여 제1검출부(6)와 제2검출부(7)로 전송한다. 제1검출부(6)와 제2검출부(7)는 산란광과 형광을 각각 수신하여 검출 신호를 발생하여 신호처리부(도 4 참조)로 전송하고, 신호처리부는 검출 신호를 이용하여 미세먼지와 미생물의 존재 유무 및 그 량을 산출한다. 본 발명의 미세먼지 및 미생물 검출 장치에서는 측정 샘플이 유입 위치와 광원부(2)의 입사 광이 수렴되는 위치를 일치시키고 또한 샘플실(11) 내의 입사광이 과도하게 누광되는 것을 방지하여 검출 성능을 향상시킨다.
샘플실 몸체(1)는, 도면에서 나타낸 바와 같이, 상부 몸체(13)와 하부 몸체(14)로 이루어질 수 있다. 샘플실 몸체(1)는 광입사구(15)와, 제1광출사구(16) 및 제2광출사구(17)을 구비한다.
광입사구(15)에는 광원부(2)가 연결되어 샘플실(11) 내로 광을 조사한다. 샘플실(11) 내로 조사된 광 중에서 샘플실(11) 내의 측정 샘플 내에 있는 먼지나 미생물에 의한 산란이나 자기 형광에 따른 파장 변화를 겪지 않는 광은 제2광출사구(17)로 출사되고, 측정 샘플 내 입자와 충돌한 산란광은 타원경(12)에 의해 제1광출사구(16)로 출사된다.
도시한 바와 같이 광원부(2)와 샘플실 몸체(1)의 광입사구(15) 사이에는 제1광학계(3)가 배치되어 광원부(2)의 광을 샘플실(11) 내 정해진 지점으로 수렴시킨다. 여기서 정해진 지점은 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이 타원경(12)의 제1초점(121) 부위이며, 그 부위로는 측정 샘플 에어로졸이 유입된다. 따라서 광원부(2)의 광 초점과 측정 샘플의 유입 위치가 일치하여 검출 능력이 향상된다.
샘플실 몸체(1)에는 샘플 유입구가 마련되고 샘플 유입구에는 노즐부의 유입 노즐(41)이 연결된다. 유입 노즐(41)을 통해 측정 샘플 에어로졸이 샘플실(11)로 유입되며, 그 위치는 상술한 바와 같이 바람직하게는 광원부(2)의 광이 포커싱되는 부위이다. 도면에서는 보이지 않지만, 샘플 유입구의 반대측 샘플실 몸체(1)에는 샘플 배출구가 구비되고, 그에는 배출 노즐이 연결되어 샘플실(11) 내의 측정 샘플 에어로졸을 샘플실(11) 외부로 배출한다.
주지된 바와 같이, 타원경(12)은 2개의 초점을 가진다. 광원부(2)로부터 입사된 광이 실질적으로 타원경(12)의 제1초점(121)으로 수렴되어 에어로졸로 유입되는 측정 샘플에 조사된다. 측정 샘플 내 입자와 충돌한 광은 산란하여 굴절되면서 타원경(12)에 의해 제2초점(122) 부위로 향하게 되고, 제2초점(122) 근방에 배치된 제1광출사구(16)를 통해 외부로 출사된다.
제1광출사구(16) 외측에는 분광요소(51)를 포함하는 제2광학계(5)가 배치된다. 제2광학계(5)는 제1 및 제2 집광렌즈부(53, 54), 대역통과필터(BPF; 551, 552), 제3집광렌즈부(56), 및 분광요소(51)를 포함할 수 있다.
제1집광렌즈부(53)은 예를 들어 출사되는 광을 평행빔으로 만들어 주는 역할을 하고, 제2집광렌즈부(54)는 산란 평행빔을 제1검출부(6)로 수렴시키는 역할을 할 수 있다.
대역통과필터(551, 552)는 제1검출부(6)와 제2검출부(7)로 입사되는 광 중에서 정해진 대역 이외 광을 필터링한다. 제3집광렌즈부(56)는 형광을 제2검출부(7)로 수렴시키는 역할을 수행한다.
특히, 분광요소(51)는 제1광출사구(16)로 출사되는 광을 분리하여, 제1광출사구(16)로 출사된 산란광 중에서 파장이 변화된 형광을 대략 45도 반사하고, 나머지는 그대로 통과시킨다.
분광요소(51)을 통과하는 광의 경로에는 제1검출부(6)가 배치되어 산란광을 검출한다. 제1검출부(6)는 예를 들어 포토다이오드일 수 있고, 제1검출부(6)에 의해 검출되는 산란광은 미세먼지 존재 유무와 그 량에 관한 정보를 포함한다.
분광요소(51)에 의해 45도 반사된 광의 경로에는 제2검출부(7)가 배치되어 형광을 검출한다. 미생물에 의한 자기 형광의 경우에는 매우 미세한 신호이기 때문에, 제2검출부(7)는 예컨대 PMT(Photo Multiplying Tube)를 검출센서로 적용할 수 있다.
제1검출부(6)와 제2검출부(7)에서 검출된 신호는 신호처리부로 전송되어 정해진 알고리즘에 의해 미세먼지 및 미생물의 존재 유무와 량을 산출하게 된다.
보다 더 구체적으로 설명하면, 본 발명의 미세먼지 및 미생물 검출 장치에 채용되는 광원부(2)는, 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 장치 전체의 외형 크기를 축소시키기 위해 샘플실 몸체(1)에 밀착된 형태를 갖는다. 이를 위해, 광원부(2)는 LED와 같은 발광요소(21)가 샘플실(11)로 입사되는 방향과 다른 방향으로 광을 방출하도록 배치되고, 발광요소(21)의 광을 입사 방향으로 반사하기 위한 미러(22)가 배치된다. 미설명 도면부호(23)은 방열을 위한 방열부재이다.
이러한 광원부(2)는 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 266nm 내지 405nm의 UV 영역의 광을 방출하는 광을 사용하면 미세먼지와 미생물의 동시 검출에 적합하다. 바람직하게는 340 내지 380nm의 UV 영역의 광을 사용할 수 있고, 이 경우에는 미생물의 형광을 최소화시킬 수 있다.
또한, 샘플실 몸체(1)의 제2광출사구(17) 측에는 광스토퍼부(9)가 배치된다. 광스토퍼부(9)는 광원부(2)로부터 방출되어 샘플실(11) 내로 입사된 주광선 중에 측정 샘플의 입자들과 충돌하지 않은 광을 정지시키는 역할을 수행한다. 그럼으로써 샘플실(11) 내에서 산란광 이외의 잡광이 제1광출사구(16)로 출사되는 것을 최소화할 수 있다. 특히, 본 발명의 미세먼지 및 미생물 검출 장치에서는 광스토퍼부(9)가 원뿔형 부재(91)를 포함한다. 이러한 원뿔형 부재(91)는 꼭지점이 출사되는 광의 경로를 향하도록 배치되고, 그 둘레를 케이스(92)가 감싸는 방식이다. 따라서, 원뿔형 부재(91)에 충돌한 광이 직반사하는 것을 최대한 방지한다. 원뿔형 부재(91)의 표면 및 그와 대응하는 부위의 케이스(92) 표면에는 스펀지 등과 같이 광을 흡수하는 부재가 배치될 수 있다. 또한, 광스토퍼부(9) 역시 장치 외형을 축소하기 위해 샘플실 몸체(1)에 밀착되는 방식으로 설치될 수 있다. 이를 위해, 샘플실(11)로부터 출사되는 광을 원뿔형 부재(91)를 향해 반사할 수 있는 미러(93)가 구비될 수 있다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 미세먼지 및 미생물 검출 장치는 샘플실(11) 내에 설치된 타원경(12)을 포함하는 광학계, 제1 및 제2검출부(6, 7), 측정 샘플 에어로졸 제어 메커니즘, 신호처리부 등의 주요요소를 포함하여 구성할 수 있다. 또한, 장치에는 파워부, PC 인터페이스부, 사용자 인터페이스부, 디스플레이, 및 온도/습도 센서등과 같은 각종 센서를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세먼지 및 미생물 검출 장치는 측정 샘플 에어로졸을 유입 노즐(41)을 통해 샘플실(11) 내부로 유입시키면 광원부(2)로부터 샘플실(11)로 입사되는 광이 측정 샘플의 에어로졸 입자와 충돌을 하면서 일부 산란광이 발생된다. 산란하지 않은 입사 주광선은 제2광출사구(17)로 출사되고, 미세먼지 또는 미생물과 충돌한 산란광은 타원경(12)에 의해 제1광출사구(16)로 출사된다. 제1광출사구(16)로 출사되는 산란광으로부터 제2광학계(5)의 분광요소(51)가 형광을 분리하여 제2검출부(7)로 반사하고, 형광 이외의 산란광은 제1검출부(6)로 보낸다. 제1검출부(6)와 제2검출부(7)는 수신되는 광으로부터 검출신호를 생성하여 신호처리부로 전송하고, 신호처리부는 정해진 알고리즘를 통해 미세먼지 및 미생물의 존재 및 량을 산출한다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
1: 샘플실 몸체 2: 광원부
3: 제1광학계 5: 제2광학계
6: 제1검출부 7: 제2검출부
9: 광스토퍼부 11: 샘플실
12: 타원경 13: 상부 몸체
14: 하부 몸체 15: 광입사구
16: 제1광출사구 17: 제2광출사구
41: 유입 노즐 51: 분광요소
53: 제1집광렌즈부 54: 제2집광렌즈부
91: 원뿔형 부재 92: 케이스
93: 미러

Claims (7)

  1. 미세먼지 및 미생물 검출 장치로서:
    측정 샘플이 유입되는 샘플실을 제공하고, 광입사구, 산란광이 방출되는 제1광출사구, 및 제2광출사구를 구비하는 샘플실 몸체;
    상기 샘플실 내에 배치되고 제1초점과 제2초점을 가지는 타원경;
    상기 측정 샘플을 상기 샘플실로 유입시키도록 설치되는 유입 노즐과 상기 샘플실내 샘플을 배출하도록 설치되는 배출 노즐을 포함하는 노즐부;
    상기 광입사구를 통해 상기 샘플실 내의 상기 제1초점으로 포커싱되는 광을 조사하도록 배치되는 광원부;
    상기 제2광출사구 측의 상기 샘플실 몸체의 외측에 배치되어 상기 광원부로부터 광 중에 상기 제2광출사구로 출사되는 광을 정지시키는 광스토퍼부;
    상기 제1광출사구로 출사되는 광을 분리하는 분광요소;
    상기 분광요소에 의해 분리된 광의 어느 경로에 배치되어 산란광을 검출하는 제1검출부; 및
    상기 분광요소에 의해 분리된 광의 다른 경로에 배치되어 자기 형광을 검출하는 제2검출부;를 포함하고,
    상기 제1광출사구는 상기 제2초점 측에 배치되고,
    상기 광원부는 상기 샘플실 몸체의 길이방향으로 조사한 광이 상기 광입사구로 입사되도록 반사하는 미러를 구비함으로써 상기 샘플실 몸체의 외측에 밀착되며,
    상기 광스토퍼부는 상기 제2광출사구로 출사되는 광이 상기 샘플실 몸체의 길이방향으로 향하도록 반사하는 미러를 각각 구비함으로써 상기 샘플실 몸체의 외측에 밀착되는 것인, 미세먼지 및 미생물 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광스토퍼부는 꼭지점이 방출된 광을 향하도록 배치되는 원뿔형 부재를 포함하는 것인, 미세먼지 및 미생물 검출 장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입 노즐은 상기 측정 샘플을 상기 타원경의 상기 제1초점 부위로 유입시키도록 배치되는 것인, 미세먼지 및 미생물 검출 장치.
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