KR101579668B1 - 입자 분급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 입자 분급 시스템은, 공기를 공급하는 공기 공급부와, 에어로졸 입자를 크기별로 분급하여 배출시키는 적어도 하나의 분급입자 배출홀이 마련되는 입자 분급장치; 상기 공기 공급부에 연결되어 상기 공기를 포화증기가 되도록 포화시키는 공기 포화기; 및 상기 공기 포화기와는 별도로 마련되되 상기 분극입자 배출홀과 연결되며, 상기 포화증기 내에 포함된 상기 에어로졸 입자를 응축하는 적어도 하나의 응축기;를 포함하며, 상기 에어로졸 입자가 상기 입자 분급장치 내로 인입되어 유동하는 이격공간은, 상기 에어로졸 입자가 인입되는 에어로졸 유동 상부측에서 상기 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 줄어들 수 있다. 본 발명에 의한 입자 분급 시스템은, 공기 포화기(saturator)와 응축기(condenser)를 분리 구성하되, 입자 분급장치로 인입되는 공기 공급부에 공기 포화기를 배치하고 입자 분급장치로부터 분류되어 배출되는 에어로졸 입자를 응축하는 복수개의 응축기를 마련함으로써, 입자 분급장치에서 분급된 입자의 개수를 정확하게 측정할 수 있고 시스템의 장치 구성을 단순화할 수 있으며 분류된 입자가 포화부를 거치는 과정이 생략되어 종래보다 빠른 시간에 입자의 개수(발생량)과 크기 및 분포를 파악할 수 있다.

Description

입자 분급 시스템 {Classifying system for nano particle}

본 발명은 입자 분급 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기장이 인가되었을 때 입자의 크기에 따라 이동도가 상이해지는 현상을 이용하여 입자의 분포를 측정할 수 있는 입자 분급 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 생산 공정의 클린룸과 같은 청정 공간 내에 존재하는 입자들의 측정은 반도체 생산 공정에서 매우 중요한 요소이며, 반도체 기술의 발달로 반도체의 선폭이 감소함에 따라서 나노 단위의 입자까지 측정할 수 있는 기술이 요청되고 있다. 또한, 최근에는 나노미터 내지 마이크로미터 크기의 구조를 가지는 입자를 사용하는 기술이 발전하면서, 초미세 입자를 측정하는 것에서 나아가 크기 별로 분류하는 기술이 연구의 기본조건이 되고 있다.

이렇듯 입자를 측정, 평가 및 분류하는 기술에 대한 요구가 여러 방면에서 증가하고 있으며, 최근 들어서는 정전기력에 의한 입자의 이동도 차이를 이용하여 입자를 분류하는 전기적 입자 분급장치(DMA, different mobility analyzer)에 대해 활발한 개발이 이루어지고 있다.

이때, 통상의 DMA는 에어로졸의 입자 크기 분포를 측정하기 위하여 전압을 스캐닝(scanning)하는 방법을 이용하도록 구성되어 있는데, 일반적으로 스캐닝 시간은 약 2분 정도 소요되므로 입자 분급에 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라, 대기오염물질 배출에 관한 연구를 할 경우, 특히, 디젤에서 발생되는 매연의 경우 매우 빠른 시간으로 매연의 크기 및 농도가 수시로 변하므로 기존의 DMA를 이용한 매연의 배출 특성을 측정하기에는 거의 불가능하다. 이에 대한 대안으로 제시된 것이 다중 입자 분급 시스템(MDMA : Multi-stage Differential Mobility Analyzer) 이다. 이러한 MDMA는 에어로졸 유동방향을 따라 원통형의 고전압 전극과, 이에 인접한 여러 개의 포트(ring electrode)를 설치하여 에어로졸 유동경로 초입에서는 비교적 크기가 작은 입자가 포집되고, 에어로졸 유동경로 후단에서는 비교적 크기가 큰 입자가 포집되도록 구성된다.

그러나, 상기와 같은 MDMA는, 입자의 크기나 분포를 파악하기 위하여 포트에 부착되는 입자의 하전량을 측정하게 되는데, 입자의 하전량이 작은 경우에는 측정되는 하전량이 정확하지 않아 입자의 분포를 측정할 수 없으며, 무엇보다도 분류되는 입자의 개수를 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있다.

입자의 개수를 측정하는 방법으로, 입자를 응축핵으로 하여 입자 주위에 액체를 응축시키고 큰 입자로 성장시킨 후 광학적으로 하나씩 입자를 계수하는 방법이 있다. 하지만, 종래의 MDMA 또는 입자분급기에서 나온 입자의 개수를 측정하기 위해서 응축핵계수기(condensation particle counter; CPC)를 연결하여 사용하는데, 입자분급기에서 나온 입자가 응축핵 계수기를 구성하는 포화기와 응축기를 모두 통과한 후 디텍터(detector 또는 광학장치)에 이르게 되어 측정된다. 이러한 구성을 사용할 경우에 입자는 매우 긴 시간을 응축핵 계수기 내에 머무르게 되어 시스템의 반응시간이 상당히 오래 걸리는 문제가 있다.

또한, 각각의 에어로졸 입자 크기별로 개별적인 포화부와 응축부의 구성을 필요로 하기 때문에 시스템의 구성이 복잡해지는 문제도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 입자 분급장치에서 분급된 입자의 개수를 정확하게 측정할 수 있고 시스템의 장치 구성을 단순화할 수 있으며 분류된 입자가 포화부를 거치는 과정이 생략되어 종래보다 빠른 시간에 입자의 개수(발생량)과 크기 및 분포를 파악할 수 있는 입자 분급 시스템을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 입자 분급 시스템은, 공기를 공급하는 공기 공급부와, 에어로졸 입자를 크기별로 분급하여 배출시키는 적어도 하나의 분급입자 배출홀이 형성되는 입자 분급장치; 상기 공기 공급부에 연결되어 상기 공기를 포화증기가 되도록 포화시키는 공기 포화기; 및 상기 공기 포화기와는 별도로 마련되되 상기 분급입자 배출홀과 연결되며, 상기 포화증기 내에 포함된 상기 에어로졸 입자를 응축하는 적어도 하나의 응축기;를 포함할 수 있다.

상기 공기 포화기는 1개이고, 상기 응축기는 상기 분급입자 배출홀의 개수에 대응되게 복수개일 수 있다.

상기 각각의 응축기에 연결되어 상기 에어로졸 입자를 검출하는 검출기와, 상기 에어로졸 입자의 유량을 조절하는 유량조절기를 더 포함할 수 있다.

상기 입자 분급장치를 감싸도록 마련되어 상기 입자 분급장치의 온도를 상기 공기 포화기의 온도보다 높거나 또는 동일하게 유지시키는 히터를 더 포함할 수 있다.

상기 입자 분급장치는, 기둥형상의 내부전극; 상기 내부전극과 이격되어 상기 내부전극을 둘러싸도록 배치되며, 상기 내부전극과 상호작용에 의해 전기장을 발생시키는 외부전극; 및 상기 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 공급부;를 포함하며, 상기 에어로졸 입자가 상기 입자 분급장치 내로 인입되어 유동하는 이격공간은, 상기 에어로졸 입자가 인입되는 에어로졸 유동 상부측에서 상기 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 줄어들 수 있다.

상기 내부전극은 상기 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 외경이 단계적으로 증가될 수 있다.

상기 내부전극은 상기 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 외경이 점진적으로 증가될 수 있다.

상기 외부전극은 링 형상으로 마련되되, 상하 방향으로 적층되어 연결되는 복수 개의 전극링일 수 있다.

이웃하는 한 쌍의 상기 전극링은 상호 밀착되도록 결합되며, 상기 분급입자 배출홀은 상기 전극링에 형성될 수 있다.

상기 전극링에는 상기 분급입자 배출홀과 원주 둘레의 일부 구간에서 연통되는 챔버가 형성될 수 있다.

상기 전극링은, 전극링몸체; 및 상기 전극링몸체의 하단에 연결되며, 반경 외측으로 돌출 형성되는 돌출부를 포함할 수 있다.

상기 입자 분급장치는, 상기 외부전극의 외주부에 마련되며, 상기 전극링을 수용하는 수용홈부를 구비한 외부 하우징을 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 입자 분급 시스템은, 공기 포화기(saturator)와 응축기(condenser)를 분리 구성하되, 입자 분급장치로 인입되는 공기 공급부에 공기 포화기를 배치하고 입자 분급장치로부터 분류되어 배출되는 에어로졸 입자를 응축하는 복수개의 응축기를 마련함으로써, 입자 분급장치에서 분급된 입자의 개수를 정확하게 측정할 수 있고 시스템의 장치 구성을 단순화할 수 있으며 분류된 입자가 포화부를 거치는 과정이 생략되어 종래보다 빠른 시간에 입자의 개수(발생량)과 크기 및 분포를 파악할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급 시스템의 입자 분급장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급장치의 조립단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급장치의 내부전극의 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급장치의 확대단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급 시스템에 적용되는 입자 분급장치의 변형예의 조립단면도이다.
도 8 및 도 9는 도 7에 따른 입자 분급장치의 확대단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 입자 분급 시스템의 제1 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급 시스템의 입자 분급장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급장치의 조립단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급장치의 내부전극의 사시도이다.

본 발명의 실시예에 따른 입자 분급 시스템(1)은, 에어로졸 입자가 유동되는 공간에 전기장이 인가되었을 때 입자들이 전기장의 힘에 의해 일측으로 이동되는 현상을 이용하여, 상기 입자들을 크기별로 분류하고 입자의 개수를 정확하게 측정하며 종래보다 빠른 응답 특성을 가지도록 구성된 입자 분급 시스템(1)이다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급 시스템(1)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전기장에 의해 에어로졸 입자를 크기별로 분급하는 입자 분급장치(10)와, 입자 분급장치(10)의 공기 공급부(400)에 연결되어 상기 공기를 포화증기가 되도록 포화시키는 공기 포화기(20)와, 상기 공기 포화기(20)와는 별도로 마련되어 상기 포화증기 내에 포함된 상기 에어로졸 입자를 응축하는 적어도 하나의 응축기(30)를 포함할 수 있다.

입자 분급장치(10)는, 실질적으로 에어로졸 입자 또는 나노 입자를 크기별로 분류하는 부분이다. 이에, 입자 분급장치(10)는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 기둥형상의 내부전극(100)과, 상기 내부전극(100)과 이격된 상태를 유지하면서 내부전극(100)을 둘러싸는 외부전극(200)과, 상기 내부전극(100)과 외부전극(200) 사이의 이격공간(이하 ‘이격공간’이라 약칭함)으로 에어로졸과 공기를 각각 공급하는 에어로졸 공급부(500)와 공기 공급부(400)를 포함할 수 있다.

내부전극(100)은 외부전극(200)과 상호작용에 의하여 전기장을 형성하는 부분으로서, 기둥 형상으로 마련될 수 있다. 도 4의 (a)에 도시된 내부전극(100)은, 에어로졸 유동 상부측에서 상기 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 외경이 점진적으로 증가되도록 테이퍼지게 형성될 수 있다. 이와 달리, 도 4의 (b)의 내부전극(100)은 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 외경이 단계적으로 증가되도록 단차지게 형성되어 다단의 형상을 가질 수도 있으며, 이러한 내부전극(100)의 형상은 에어로졸 입자에 효율적으로 전기장이 가해지는 구조 또는 이격공간의 배치 관계 등을 고려하여 달리 형성될 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서의 내부전극(100)은 단차지게 형성된 다단으로 구성된 내부전극(100)을 사용하였다.

외부전극(200)은 주로 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 내부전극(100)의 외주부를 감싸면서 마련될 수 있다. 또한, 외부전극(200)은 내부에 내부전극(100)을 수용하는 한편 에어로졸 입자가 유동되며 분급되는 이격공간을 형성하도록 내부전극(100)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 이러한 외부전극(200)은 링 형상의 전극링(210)으로 마련될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 에어로졸 입자의 유동 방향을 따라 상하 방향으로 적층되어 결합되는 복수개의 전극링(210)으로 구성됨이 바람직하다.

그리고 상하방향의 이웃하는 전극링(210)은 도 3을 주로 참조하면, 상호 밀착되게 배치되어 입자 분급장치(10) 내의 이격공간과 외부를 격리시킬 수 있다. 각각의 전극링(210)에는 분급입자 배출홀(240)이 마련되는데, 분급입자 배출홀(240)은 포집된 입자를 외부전극(200) 외측으로 배출시키는 역할을 한다. 이러한 분급입자 배출홀(240)은 전극링(210)의 둘레를 따라 다수개가 마련되며, 에어로졸 입자들이 사방으로 퍼져 배출될 수 있으므로 하나의 전극링(210)에 하나의 분급입자 배출홀(240)이 마련되는 것이 바람직하다.

이러한 내부전극(100)과 외부전극(200)은, 에어로졸 유동 상부측에서부터 하부측으로 갈수록 이격공간의 크기나 이격거리(내부전극(100)의 외경과 외부전극(200)의 내경 사이의 거리)가 달라지게 구성하는 경우, 각기 크기가 다른 에어로졸 입자를 분급시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 내부전극(100)과 외부전극(200) 사이의 이격공간은, 상기 에어로졸 입자가 인입되는 에어로졸 유동 상부측에서 상기 에어로졸 입자가 배출되는 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 줄어들도록 형성하고, 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 큰 사이즈의 에어로졸 입자가 분급되는 구성을 가진다.

즉, 외부전극(200)의 내경은 동일하게 구성되나, 내부전극(100)이 에어로졸 유동 상부측에서 하부측으로 갈수록 점진적으로 또는 단계적으로 외경이 증가하도록 형성됨으로써 이들 사이의 이격공간은 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 좁아지게 된다. 내부전극(100)과 외부전극(200)이 가까워지면, 이격공간에 보다 강력한 전기장이 발생되므로 직경이 큰 입자도 빠르게 외부전극(200) 측으로 이동되어 포집될 수 있게 된다.

내부전극(100)과 외부전극(200)에 의한 전기장을 이용하여 에어로졸 입자의 이동 과정을 설명하면, 두 개의 전극(외부전극(200)과 내부전극(100)) 사이에 노출된 에어로졸 입자(하전 입자)의 운동은 하기 [수학식 1]로 표시될 수 있다.

(x : 입자 이동거리, Q : 총유량, r1 : 내부전극 외경, r2 : 외부전극 내경, μ : 기체의 점성계수, Dp : 입자 직경, V : 인가전압, q : 입자 하전량, Cc : 커닝햄 보정계수(Cunningham slip correction factor))

상기 [수학식 1]에 나타난 바와 같이 입자의 이동거리는 입자의 직경과 비례하므로, 상대적으로 직경이 작은 입자는 유동경로 입구측 즉, 에어로졸 유동 상부측(본 실시예에서는 상측)에서 먼저 포집되고, 상대적으로 직경이 큰 입자는 유동경로 후단측 즉, 에어로졸 유동 하부측(본 실시예에서는 하측)으로 이동되어 포집되는바, 입자 분급장치(10)의 상부측에서 하부측으로 갈수록 입자가 순차적으로 크기별로 구분되어 포집될 수 있게 된다. 이와 같이 내부전극(100)과 외부전극(200) 사이를 지나는 입자가 전기장에 의해 외부전극(200) 측으로 이동되는 기술적 사상은 종래의 입자 분급장치(10)에서도 동일하게 적용되고 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

내부전극(100)과 외부전극(200)이 가까워지면, 이격공간에 보다 강력한 전기장이 발생되므로 직경이 큰 입자도 빠르게 외부전극(200) 측으로 이동되어 포집될 수 있게 된다. 이와 같이 내부전극(100)과 외부전극(200) 사이의 이격거리에 따라 입자의 이동거리가 증가되는 것은 상기 [수학식 1]을 통해서도 알 수 있다.

따라서 입자가 에어로졸 유동 상부측에서 하부측으로 갈수록 입자의 크기가 선별되어 분급되고 복수의 전극링(210)으로 분급되며 포집될 수 있고, 포집된 입자는 분급입자 배출홀(240)로 배출될 수 있다.

한편, 전극링(210)의 내부에는 원주를 따라 챔버(230)가 마련될 수 있다. 도 3을 주로 참조하면, 챔버(230)는 사각 형상의 단면을 가지고, 전극링(210)의 원주 둘레를 따라 외부와 차폐되어 입자를 수용하는 공간으로 형성될 수 있다. 그리고, 챔버(230)는 완전히 외부와 격리되는 공간이 아니라, 분급입자 배출홀(240)을 통해 외부와 연결될 수 있다. 즉, 상기 분급입자 배출홀(240)은 상기 챔버(230)의 일부 구간에서 연통되어 입자 분급장치(10)의 이격공간과 외부전극(200)의 외부를 상호 연결시킬 수 있다. 이러한 챔버(230)의 역할은, 분급입자 배출홀(240)로부터 빠져나온 입자가 챔버(230)에 잠시 체류하면서 챔버(230)의 공간 내에서 널리 퍼져 전체적으로 압력 저하가 전반적으로 균일하게 하여, 유동의 압력이 분급입자 배출홀(240)에만 국부적으로 불균일해지는 현상을 방지하는 것으로 일종의 완충 공간인 셈이다. 여기서, 챔버(230)의 형상은 단면이 사각형인 경우 뿐만 아니라 다양하게 형성될 수 있다.

입자 분급장치(10)의 상부에는 도 2 및 도 3을 주로 참조하면, 공기 공급부(400)가 마련될 수 있다. 공기 공급부(400)는 내부전극(100)과 외부전극(200) 사이의 이격공간 상측을 덮는 캡 구조로 결합되고, 측벽에는 공기 공급홀(410)이 형성될 수 있다. 그리고 외기와 공기 공급부(400) 사이에는 공기 포화기(20)가 마련될 수 있다. 공기 포화기(20)에 대한 설명은 후술하기로 한다.

공기 공급부(400)의 중앙부에는 에어로졸 공급부(500)가 마련될 수 있다. 에어로졸 공급부(500)는 상기 공기 공급부(400)를 관통하도록 결합되어 입자 분급장치(10)의 상부 내측으로 연통되게 구성될 수 있다. 공기 공급부(400)와 에어로졸 공급부(500)를 통해, 공기와 분급될 대상의 에어로졸 입자가 함께 입자 분급장치(10)의 상부 내측으로 공급될 수 있다.

이때, 에어로졸 입자와 공기는 이격공간 전체에 걸쳐 고르게 공급되어야 하는데, 먼저 에어로졸 입자를 이격공간 사방으로 고르게 공급시킬 수 있도록, 상기 에어로졸 공급부(500)의 출구측, 본 실시예에서는 에어로졸 공급홀(510)의 하측단에 직육면체 형상의 에어로졸 분산블록(700)이 추가로 구비될 수 있다. 에어로졸 공급부(500)의 출구를 지난 에어로졸은 에어로졸 분산블록(700)의 상면에 거의 수직으로 충돌하여 사방으로 분산되므로, 이격공간 전체에 균일하게 전달될 수 있게 된다.

또한, 공기 공급부(400)의 내측 일부 영역에는 에어필터(600)가 마련될 수 있다. 에어필터(600)는 공기 공급홀(410)보다 상대적으로 에어로졸 유동 하부측에 마련되고 에어로졸 공급부(500)보다는 상부측에 마련될 수 있어 공기 공급홀(410)로 인입된 공기가 에어필터(600)에 걸러지면서 에어로졸 유동 하부측으로 유동될 수 있다. 공기가 에어필터(600)에 의해 여과된 후 이격공간으로 공급되므로, 입자의 유동 및 포집이 먼지나 이물질 등에 의해 방해를 받는 현상을 방지할 수 있게 된다. 또한, 에어필터(600)가 격자 구조 또는 일방향으로 형성된 망 구조로 형성되어 있기 때문에, 공기가 통과하면서 안정적인 층류(laminar flow)를 형성하며 에어필터(600) 전체에 걸쳐 고르게 퍼져 통과되므로 이격공간으로의 공기 공급이 보다 균일하게 이루어지게 된다. 에어필터(600)를 통과한 공기는 에어로졸 분산블록(700)에 의해 사방으로 퍼진 에어로졸 입자와 혼합되어 에어로졸 유동 하부측으로 유동하게 된다.

에어로졸 공급부(500)는 외부전극(200a)과 전기적으로 통전되어 있는 상태이며, 이 상태에서 하전된 입자가 에어로졸 공급홀(510)을 통해 유입되는데, 만약 에어로졸 분산블록(700)이 도체이면 하전된 입자가 에어로졸 분산블록(700)에 부착될 수 있다. 따라서, 내부전극(100)과 에어로졸 분산블록(700)의 전기적 절연을 위해 에어로졸 분산블록(700)과 내부전극(100) 사이에 절연체(미도시)를 넣어야 입자손실을 줄여 보다 정확한 측정을 할 수 있다.

이를 위해, 본 발명에 따른 입자분급장치의 에어로졸 분산블록(700)과 내부전극(100) 사이에는 절연체(미도시)가 마련될 수 있다.

입자 분급장치(10)의 에어로졸 유동 하부측에는, 베이스(300)가 마련될 수 있다. 베이스(300)는 외부와 입자 분급장치(10)의 이격공간을 격리하며, 베이스(300)의 일부 구역에는 포집되지 아니한 에어로졸 입자가 배출될 수 있는 잔여입자 배출홀(250)이 형성될 수 있다.

한편, 종래의 MDMA는, 입자를 크기별로 분류해 낼 수는 있지만 입자의 개수를 정확하게 측정할 수 없으며, 또한 에어로졸 입자의 개수를 측정하기 위한 광학적 계수방법을 사용하는 경우에는, 분류되는 각각의 에어로졸 입자 크기별로 포화부와 응축부의 구성을 필요로 하는데, 입자분급장치를 통과하여 크기별로 분류된 에어로졸 입자가 포화부와 응축부를 각각 개별적으로 거치는 시간이 상대적으로 길어져서 입자의 크기 및 분포를 파악하는 시간이 오래 걸리는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록, 공기 포화기(20, saturator)와 응축기(30, condenser)를 분리 구성하되 공기 포화기(20)는 입자 분급장치(10)로 인입되는 공기 공급부(400)에 배치하고, 입자 분급장치(10)로부터 분류되어 배출되는 에어로졸 입자를 응축하는 응축기(30)를 분급되는 에어로졸 입자 개수에 대응되게 복수개로 마련할 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급 시스템(1)은, 공기 공급부(400)와 연결되는 적어도 하나의 공기 포화기(20)와, 분급된 에어로졸 입자가 배출되는 분급입자 배출홀(240)과 연결되는 다수개의 응축기(30)를 포함될 수 있다.

공기 포화기(20)는 공기 공급부(400)와 연결되어 마련될 수 있다. 공기 포화기(20)는 외부의 공기(clean sheath air)를 유입 받아 공기를 증기가 되도록 포화시키는 부분으로서, 물, 알코올, 에틸렌글리콜 등의 작동유체가 들어 있다. 공기포화기(20)에 들어있는 작동유체가 가열되어 증기로 변화되고, 공기포화기(20)로 유입되는 외부 공기는 증기화된 작동유체의 의해서 포화증기로 변하게 된다.

입자 분급장치(10)의 내부로 유입된 포화증기는 에어로졸 입자와 뒤섞여 에어필터(600)를 거치면서 층류 유동을 형성하며 입자 분급장치(10)의 하부로 즉, 에어로졸 유동 하부측으로 유동하게 된다.

입자 분급장치(10) 내에서 유동하는 입자를 포함하는 포화증기는, 온도가낮아지면 언제라도 응축될 수 있으므로 입자 분급장치(10) 내에서 분급 과정을 수행하는 동안에는 포화증기의 응축이 방지되도록 할 필요가 있다. 이를 위해, 히터(800)가 입자 분급장치(10)를 감싸도록 마련될 수 있다. 이를 통해, 상기 입자 분급장치(10)의 온도를 상기 공기 포화기(20)의 온도보다 높거나 또는 동일하게 유지시킬 수 있어 입자 분급장치(10)의 이격공간에서 포화증기가 응결되어 입자를 분급하지 못하는 현상을 저지할 수 있다. 한편, 히터(800)에는 분급입자 배출홀(240)과 연통되는 복수의 연결홀(810)이 마련될 수 있다.

입자를 포함하는 포화증기는 전술한 바와 같이, 입자 분급장치(10)의 전기장에 의해 분급되어 각각의 전극링(210)에 포집되고, 이후 분급입자 배출홀(240)을 거쳐 외부로 배출될 수 있다. 각각의 분급입자 배출홀(240)에는 주로 도 1을 참조하면, 각각의 응축기(30)가 연결되어 있다. 그리고, 상기 각각의 응축기(30)에 연결되어 상기 에어로졸 입자를 검출하는 검출기(40, detector)와, 상기 에어로졸 입자의 유량을 조절하는 유량조절기(50)를 더 포함할 수 있다. 이러한 구성으로, 응축기(30)는, 입자 분급장치(10)에서 배출된 에어로졸 입자를 포함한 포화증기를 응축시키게 된다. 포화증기의 응축에 의해 성장된 입자는 응축기(30)에 연결된 검출기(40)에 의해 광학적 또는 다른 방식으로 검출되어 입자의 개수를 정확하게 계수할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에서의 공기 포화기(20)는 공기 공급부(400)에 연결되는 1개로 마련될 수 있고, 상기 응축기(30), 검출기(40) 및 유량조절기(50)는 상기 분급입자 배출홀(240)의 개수에 대응되게 복수개로 마련될 수 있다.

이러한 구성의 공기 포화기(20), 입자 분급장치(10) 및 응축기(30)의 구성을 통해, 입자 분급장치(10)에서 분급된 입자의 개수를 종래보다 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 입자 분급장치(10)의 반응 특성이 기존의 장비들에 비해 시간을 단축시킬 수 있다. 즉, 기존 장치에서, 분류된 에어로졸 입자가 여러 대의 포화기를 사용하는 과정이 생략되고 1개의 공기 포화기(20)를 이용함으로써, 매우 빠른 속도로 정확하게 입자의 개수, 크기 및 분포를 측정할 수 있으며, 여러 대의 포화기를 사용하는 경우에 비해 상대적으로 장치 구성을 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 입자 분급장치의 확대단면도이다.

크기가 상이한 입자들이 외부전극(200) 측으로 이동되어 크기별로 분류되어 포집되는 과정 및 분석하는 과정에 대해서는, 이하 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 외부의 공기가 공기 포화기(20)를 거치면서 포화증기가 되어 입자 분급장치(10)로 유입된다. 또한, 에어로졸 공급부(500)에서 에어로졸 입자가 입자 분급장치(10)의 상부로 인입되며, 이때 에어로졸 분산블록(700)에 의해 사방으로 골고루 퍼지면서 인입된다. 인입된 에어로졸 입자는 퍼지면서 포화증기와 뒤섞여서 에어로졸 유동 하부측으로 유동되게 되며, 에어필터(600)를 거치면서 층류로 변환되며 유동되게 된다.

이격공간을 따라 흐르던 입자는 크기별로 분급되며 외부전극(200)인 각각의 전극링(210)에 형성된 분급입자 배출홀(240)을 통과하여 외부로 배출되게 되며, 이 과정에서 챔버(230)를 거치면서 균일하게 압력 저하가 발생되면서 응축기(30)로 향하게 된다.

이후, 각 분급입자 배출홀(240)에 연결된 각각의 응축기(30)는 포화증기를 응축하여 광학적인 계수가 가능하도록 마련될 수 있으며, 이를 통해, 종래보다 빠른 시간에 분급된 입자의 개수를 정확하게 측정할 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에서는 외부전극(200)의 내경은 상하 방향으로 동일하게 유지되고 내부전극(100)이 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 외경이 증가됨으로써 내부전극(100)과 외부전극(200) 간격이 좁아지는 경우만을 도시하고 있으나, 내부전극(100)의 외경이 상하 방향으로 동일하게 유지되고 상기 외부전극(200)의 내경이 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 감소됨으로써 내부전극(100)과 외부전극(200) 간격이 좁아지도록 구성될 수도 있다. 이와 같이 외부전극(200)의 내경이 하측으로 갈수록 감소되어 내부전극(100)과 외부전극(200) 간격이 좁아지는 경우에 있어서도, 직경이 큰 입자가 보다 쉽게 포집될 수 있다는 효과는 동일하게 구현될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 실시예에서는 내부전극(100)과 외부전극(200)이 수직으로 세워지는 구조만을 도시하고 있으나, 본 발명에 의한 입자 분급 시스템(1)은 수평으로 눕혀지거나 대각선 방향으로 기울어지도록 구성될 수도 있다.

도 7은 본 발명에 실시예에 따른 입자 분급 시스템에 적용되는 입자 분급장치의 변형예의 조립단면도이고, 도 8 및 도 9는 도 7에 따른 입자 분급장치의 확대단면도이다.

도 7에 도시된 입자 분급장치(10a)는 도 1 내지 도 6에서 언급된 입자 분급장치(10)와 비교할 때, 외부전극(200a)의 형상과 구성이 다르며, 외부전극(200a)을 수용하는 외부 하우징(260)이 추가로 마련될 수 있다. 또한, 분급입자 배출홀(240a)의 위치와 챔버(230a)의 배치 관계도 상이한 바 이하에서는 차별되는 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 7에 도시하고 있는 바와 같이, 본 실시예에서는 입자 분급장치(10a)의 외부전극(200a)은 상하 방향으로 적층되어 연결되는 복수 개의 전극링(210a)으로 구성되되, 돌출부(212)가 형성되고, 외부 하우징(260)이 추가될 수 있다.

즉, 외부전극(200a)의 전극링(210a)은, 원주 둘레를 따라 형성되는 전극링몸체(211)와, 상기 전극링몸체(211)의 하단에서 반경방향으로 절곡되어 돌출 형성되는 돌출부(212)를 포함할 수 있다. 그리고, 전극링(210a)의 저면, 엄밀히 말하면 돌출부(212)의 저면에는 이격용 돌기(213)가 형성되어 있어 상하 방향으로 이웃하는 전극링(210a)이 상호 밀착되지 아니하고 미세한 틈인 슬릿(220)을 형성할 수 있게 한다. 이 슬릿(220)을 통해, 분급된 에어로졸 입자가 배출될 수 있다. 여기서, 이격용 돌기(213)는 돌출부(212)의 저면에 형성되거나 전극링몸체(211)의 상단면에 형성될 수 있다.

외부전극(210a)의 외주부에는 외부전극(210a)을 감싸면서 배치되는 외부 하우징(260)이 마련될 수 있다. 외부 하우징(260)은 내벽을 따라 수용홈부(261)를 구비하여, 수용홈부(261)에 다수개가 적층된 전극링(210a)을이 수용홈부(261)에 수용될 수 있다. 외부 하우징(260)에는 분급입자 배출홀(240a)이 형성될 수 있다.

챔버(230a)는, 상기 전극링(210a)의 돌출부(212)와 상기 외부 하우징(260)에 의해 형성되는 소정의 공간이 될 수 있으며, 이러한 챔버(230a)는 상기 슬릿(220)을 통과하여 배출되는 상기 에어로졸 입자가 일정시간 동안 체류하여 압력이 균일하게 저하되도록 하는 역할을 수행할 수 있다.

슬릿(220)을 통해 상기 이격공간과 상기 챔버(230a)를 상호 연통시키고, 상기 분급입자 배출홀(240a)을 통해 상기 챔버(230a)와 상기 응축기(미도시)의 라인으로 상호 연통시키는 구성을 가질 수 있다. 즉, 이격공간을 타고 유동된 에어로졸 입자는 분급되어 각각의 외부전극(210a)에 포집되고 슬릿(220)을 통해 상기 챔버(230a)로 진입한 후, 외부 하우징(260)에 형성된 분급입자 배출홀(240)을 통해 응축기로 빠져나가도록 구성될 수 있다.

본 실시예에서 히터(800a)는 외부 하우징(260)의 외부를 감싸도록 마련될 수 있으며, 히터(800a)에는 외부 하우징(260)의 분급입자 배출홀(230a)과 연통되는 복수의 연결홀(810a)이 마련될 수 있다.

이러한 구성의 입자 분급 시스템은, 공기 포화기(20)를 거쳐 포화증기를 입자 분급장치(10)로 유입시키고 에어로졸 입자를 유입시키는 과정은 도 1의 실시예와 동일하며, 이격공간을 따라 흐르던 입자는 크기별로 분급되며 외부전극(200a)인 각각의 전극링(210a)에 포집된 후, 전극링 사이에 형성된 슬릿(220)을 통해 챔버(230a) 및 분급입자 배출홀(240a)을 통과하여 외부로 배출되게 되며, 이후 각 분급입자 배출홀(240a)에서 배출되는 분급된 에어로졸 입자를 계수하여 정확한 입자의 개수, 크기 및 분포를 알 수 있는바, 이러한 구성은 전술한 바와 같다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

1 : 입자 분급 시스템 10 : 입자 분급장치
20 : 공기 포화기 30 : 응축기
40 : 검출기 50 : 유량조절기
100 : 내부전극 200, 200a : 외부전극
210, 210a : 전극링 220 : 슬릿
230, 230a : 챔버 240, 240a : 분급입자 배출홀
250 : 잔여입자 배출홀 300 : 베이스
400 : 공기 공급부 410 : 공기 공급홀
500 : 에어로졸 공급부 510 : 에어로졸 공급홀
600 : 에어필터 700 : 에어로졸 분산블록
800, 800a : 히터 810, 810a : 연결홀

Claims (12)

1. 공기를 공급하는 공기 공급부와, 에어로졸 입자를 크기별로 분급하여 배출시키는 적어도 하나의 분급입자 배출홀이 형성되는 입자 분급장치;
   상기 공기 공급부에 연결되어 상기 공기를 포화증기가 되도록 포화시키는 공기 포화기; 및
   상기 공기 포화기와는 별도로 마련되되 상기 분급입자 배출홀과 연결되며, 상기 포화증기 내에 포함된 상기 에어로졸 입자를 응축하는 적어도 하나의 응축기;
   를 포함하되,
   상기 입자 분급장치는,
   기둥형상의 내부전극;
   상기 내부전극과 이격되어 상기 내부전극을 둘러싸도록 배치되며, 상기 내부전극과 상호작용에 의해 전기장을 발생시키는 외부전극; 및
   상기 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 공급부;를 포함하며,
   상기 에어로졸 입자가 상기 입자 분급장치 내로 인입되어 유동하는 이격공간은, 상기 에어로졸 입자가 인입되는 에어로졸 유동 상부측에서 상기 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 줄어드는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 공기 포화기는 1개이고,
   상기 응축기는 상기 분급입자 배출홀의 개수와 동일한 개수로 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 각각의 응축기에 연결되어 상기 에어로졸 입자를 검출하는 검출기와, 상기 에어로졸 입자의 유량을 조절하는 유량조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 입자 분급장치를 감싸도록 마련되어 상기 입자 분급장치의 온도를 상기 공기 포화기의 온도보다 높거나 또는 동일하게 유지시키는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 내부전극은 상기 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 외경이 단계적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 내부전극은 상기 에어로졸 유동 하부측으로 갈수록 외경이 점진적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 외부전극은 링 형상으로 마련되되, 상하 방향으로 적층되어 연결되는 복수 개의 전극링으로 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
   
9. 제8항에 있어서,
   이웃하는 한 쌍의 상기 전극링은 상호 밀착되도록 결합되며,
   상기 분급입자 배출홀은 상기 전극링에 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 전극링에는 상기 분급입자 배출홀과 원주 둘레의 일부 구간에서 연통되는 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 전극링은,
    전극링몸체; 및
    상기 전극링몸체의 하단에 연결되며, 반경 외측으로 돌출 형성되는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 입자 분급장치는,
    상기 외부전극의 외주부에 마련되며, 상기 전극링을 수용하는 수용홈부를 구비한 외부 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 분급 시스템.

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