KR101699454B1 - 공기 중의 유해물질을 분리하기 위한 분리 장치 및 분리된 유해물질을 감지하기 위한 센서 시스템 - Google Patents

공기 중의 유해물질을 분리하기 위한 분리 장치 및 분리된 유해물질을 감지하기 위한 센서 시스템 Download PDF

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Abstract

공기 중의 유해물질을 분리하기 위한 분리 장치는, 베이스와, 상기 베이스 내부에 형성되고, 공기 중의 유해물질을 걸러 농축 저장하는 챔버와, 상기 챔버와 유체 연통하도록 상기 베이스 내부에 형성되고, 상기 챔버에 농축되어 있는 유해물질이 주입되는 분리 경로를 포함하고, 상기 유해물질은 종류에 따라 상기 분리 경로 내부에서 상이한 이동 속도를 가지고 이동하고, 종류별로 분리되어 시간차를 가지고 상기 분리 경로로부터 유출된다. 공기 중에 포함된 유해물질을 검측하기 위한 센서 시스템은 상기 분리 장치와, 상기 분리 경로로부터 유출되는 유해물질의 종류별 농도를 검출하는 검출 센서를 포함한다.

Description

공기 중의 유해물질을 분리하기 위한 분리 장치 및 분리된 유해물질을 감지하기 위한 센서 시스템{Device for separating harmful objects in air and Sensor system for sensing the separated harmful objects}
본 발명은 공기 중의 유해물질을 분리하기 위한 분리 장치 및 이를 구비한 센서 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기 중의 유해물질을 단시간에 종류별로 분리하는 초소형 분리 장치 및 분리된 유해물질을 감지하는 초소형 센서 시스템에 관한 것이다.
산업 환경에서 예기치 않게 유해물질이 대기 중에 유출되는 경우, 인명 사고 등 다양한 안전 사고를 유발할 수 있다.
유해물질은 종류에 따라 인체에 미치는 영향이 상이할 수 있고, 경우에 따라 매우 단시간 안에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 공기 중에 함유된 유해물질의 종류 및 농도를 신속하게 검출하고 적절한 대응조치를 취할 필요가 있다.
가스 중의 유해물질을 감지하기 위한 다양한 센서 시스템이 연구되고 있다.
하지만, 종래 기술에 따른 센서 시스템은 복잡한 전기 회로로 구성되는 경우가 일반적으로, 가격이 비싸고 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다.
정확한 유해물질의 종류 및 농도를 검출하기 위해서는 유해물질을 종류별로 분리하는 작업이 필요할 수 있다.
원심분리 등을 이용해 유해물질을 종류별로 분리할 수 있으나, 이러한 장비들은 크기가 크고 고가여서, 넓은 산업 현장 전체에 적용되기가 어렵다는 문제점이 있다.
한국 특허공개 제10-2010-0063608호
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 휴대가 가능할 정도고 크기가 작으면서도 신뢰성이 우수한 유해물질 분리 장치 및 이를 구비한 마이크로/나노 가스 크로마토그래피 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 공기 중의 유해물질을 분리하기 위한 분리 장치로서, 베이스와, 상기 베이스 내부에 형성되고, 공기 중의 유해물질을 걸러 농축 저장하는 챔버와, 상기 챔버와 유체 연통하도록 상기 베이스 내부에 형성되고, 상기 챔버에 농축되어 있는 유해물질이 주입되는 분리 경로를 포함하고, 상기 유해물질은 종류에 따라 상기 분리 경로 내부에서 상이한 이동 속도를 가지고 이동하고, 종류별로 분리되어 시간차를 가지고 상기 분리 경로로부터 유출되는 분리 장치가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 분리 장치는, 상기 챔버와 유체 연통되어 외부에서 상기 챔버로 공기가 유입되도록 하는 공기 유입관과, 상기 챔버 및 상기 분리 경로와 유체 연통되어 상기 챔버에 농축된 유해물질을 상기 분리 경로로 유도하는 물질 이송관을 포함하고, 상기 공기 유입관과 상기 물질 이송관은 상기 챔버의 동일한 일 측면에 대해 유체 연통된다.
일 실시예에 따르면, 분리 장치는 상기 챔버로부터 연장되는 제1 도입관을 포함하고, 상기 공기 유입관과 상기 물질 이송관은 상기 제1 도입관에 연결되어 상기 챔버와 유체 연통된다.
일 실시예에 따르면, 분리 장치는 상기 공기 유입관과 상기 물질 이송관이 형성된 상기 챔버의 일 측면과 마주하는 타 측면에서 상기 챔버와 유체 연통되는 제2 도입관을 포함하고, 상기 제2 도입관을 통해 상기 챔버를 경유하는 공기가 유출되거나, 상기 유해물질을 상기 챔버로부터 상기 분리 경로로 이송하기 위한 운반 기체가 유입된다.
일 실시예에 따르면, 상기 챔버는 상기 챔버의 단척 방향으로 배향되는 마주하는 두 개의 단방향 측면을 포함하고, 상기 제1 도입관과 상기 제2 도입관은 상기 두 개의 단방향 측면에 각각 연결된다.
일 실시예에 따르면, 상기 운반 기체는 외부의 보관 용기에서 상기 제2 도입관을 통해 상기 챔버 내로 유입되었다가 유해물질과 함께 상기 분리 경로로 주입된다.
일 실시예에 따르면, 상기 챔버에는 상기 유해물질을 포집할 수 있는 흡착재가 충진된다.
일 실시예에 따르면, 상기 챔버에는 제3 도입관이 연결되고, 상기 흡착재는 기체에 실려 상기 제3 도입관을 통해 상기 챔버 내부로 유입된다.
일 실시예에 따르면, 상기 챔버에는 상기 흡착재가 상기 챔버 내부에 머물도록 상기 흡착재의 유동을 방해하는 복수의 기둥체가 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리 경로는 정해진 공간 안에서 미로 형태로 구부러져 배치되는 단일층의 컬럼부를 형성한다.
일 실시예에 따르면, 상기 컬럼부에서 상기 분리 경로는 상기 정해진 공간의 중심까지 코일 형태로 연장되었다가 다시 코일 형태로 연장되어 상기 분리 경로의 출구로 이어진다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리 경로의 내면에는 다공성 물질이 코팅되어 있고, 상기 유해물질은 상기 다공성 물질과 부착 및 분리를 반복하며 상기 분리 경로를 따라 유동한다.
일 실시예에 따르면, 상기 베이스는, 제1기판과, 상기 제1기판과 접합되는 제2기판을 포함하고, 상기 베이스에는 상기 챔버와 외부, 상기 분리 경로와 외부, 상기 챔버와 상기 분리 경로를 연통시키는 복수의 관로가 형성되며, 상기 챔버, 상기 분리 경로 및 상기 복수의 관로는 상기 제1기판의 일 측면을 깊이 식각하여 형성된다.
일 실시예에 따르면, 분리 장치는 상기 챔버를 선택적으로 가열할 수 있는 챔버 가열장치를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 베이스는, 제1기판과, 상기 제1기판과 접합되는 제2기판을 포함하고, 상기 챔버 가열장치는, 챔버가 형성된 위치에 대응하는 위치에서 상기 제1 기판에 부착되는 열선이다.
일 실시예에 따르면, 상기 열선 주위를 따라 상기 제1기판을 관통하는 복수의 슬릿이 형성되어, 상기 열선으로부터 발생하는 열이 상기 제1기판을 따라 전도되는 것을 차단한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1기판에는 상기 분리 경로를 선택적으로 가열할 수 있는 분리 경로 가열장치가 형성된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 공기 중에 포함된 유해물질을 검측하기 위한 센서 시스템으로서, 상기 분리 장치와, 상기 분리 경로로부터 유출되는 유해물질의 종류별 농도를 검출하는 검출 센서를 포함하는 센서 시스템이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 검출 센서는 상기 분리 경로로부터 유출되는 유해물질에 자외선을 인가하여 상기 유해물질로부터 해리되는 전자로 인한 전압 변화를 측정하여 해당 유해물질의 농도를 검출한다.
일 실시예에 따르면, 상기 검출 센서는 공중부유형 전기화학식 나노센서이다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리 장치는 상기 챔버와 외부를 유체 연통시키는 포집 경로를 포함하고, 상기 센서 시스템은 상기 포집 경로의 입구에서 출구로 유체 흐름을 형성하는 펌프를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 센서 시스템은 상기 분리 경로의 입구에서 출구로의 유체 흐름을 형성하는 펌프를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 장치의 분리 사시도이다.
도 3은 도 2의 분리 장치의 챔버를 확대 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 분리 장치의 제1 기판의 배면을 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 A 영역을 확대도시한 도면이다.
도 6은 도 2의 분리 장치의 분리 경로의 내부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 1의 센서 시스템에서 챔버 내에 유해물질을 농축 저장하는 모습을 도시한 것이다.
도 8은 도 7의 농축 과정이 완료된 후 챔버 내부에 충진된 유해물질의 분포를 나타낸 것이다.
도 9는 도 1의 센서 시스템의 챔버로부터 유해물질이 분리 경로로 주입되어 분리되는 과정을 도시한 것이다.
도 10은 도 1의 센서 시스템을 이용해 유해물질을 분리 검출하는 과정을 간략히 정리하여 도시한 것이다.
도 11은 도 1의 센서 시스템의 검출 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 시스템(1)의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 센서 시스템(1)은 공기 중의 포함된 유해물질을 검측하기 위한 센서 시스템으로서, 공기 중에 포함된 유해물질을 종류별로 분리하여 출력하는 분리 장치(10)와, 상기 분리 장치(10)로부터 순차적으로 유출되는 유해물질의 종류별 농도를 검출하는 검출 센서(20)를 포함한다.
본 실시예에 따른 유해물질은 예를 들어, 이소프로필안티피린(IPA), 톨루엔(TOL), 테트라클로로에틸렌(PCE), 에탐부톨(ETB) 등 유기화합물(VOC)일 수 있다.
본 실시예에 따른 분리 장치(10)는 얇은 판상의 베이스(300)와, 상기 베이스 내부에 형성되는 챔버(100) 및 분리 경로(200)를 포함한다. 또한, 분리 장치(100)는 챔버(100)와 베이스(300)의 외부, 분리 경로(200)와 베이스(300)의 외부 및 챔버(100)와 분리 경로(200)를 유체 연통시키는 복수의 관로(110, 120, 130, 140, 150)를 포함한다.
도 2는 본 실시예에 따른 분리 장치(10)의 분리 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 베이스(300)는 실리콘 재질의 제1기판(302)과 상기 제1기판(302)의 일 측면에 접합되는 유리 재질의 제2기판(301)을 포함한다.
본 실시예에 따르면, 챔버(100), 분리 경로(200) 및 복수의 관로(110, 120, 130, 140, 150)는 모두 제1 기판(302)의 일 측면에 깊이 반응성 이온 식각(DRIE; deep reactive-ion etching) 공정을 이용해 깊이 식각되어 형성된다. 따라서, 나노 사이즈의 구조를 베이스(300) 상에 정교하게 형성할 수 있어, 분리 장치(10)의 전체 크기를 소형화할 수 있다.
제1 기판(302) 상에 챔버(100), 분리 경로(200) 및 복수의 관로(110, 120, 130, 140, 150)를 오목홈 형태로 동시에 식각 형성하고, 제2 기판(301)을 얹어 접합하여, 오목홈을 막아 상부가 폐쇄된 구조를 완성한다.
본 실시예에 따르면, 제1 기판(302)과 제2 기판(301)은 대기압 조건에서 전압에 의한 결합 방식인 양극 접합(anodic bonding)에 의해 서로 강하게 접합될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 챔버(100)는 그와 연결되는 관로에 비해 용적이 큰 공간으로 형성된다.
챔버(100)는, 챔버(100)의 단척(短尺) 방향으로 연장되는 마주하는 두 개의 단방향 측면(103, 104)과, 챔버(100)의 장척(張尺) 방향으로 연장되는 마주하는 두 개의 장방향 측면(108)을 포함하여, 대략 긴 다각형 형태를 가진다.
단방향 측면(103, 104)은 중심이 장방향 측면(108)에서 멀어지도록 대략 "v"자로 구부려져 형성되며, 이에 따라 챔버(100) 안에서의 유체의 유동이 균일하게 확산될 수 있다.
챔버(100)의 하나의 단방향 측면(103)의 중앙부에는 챔버(100)의 입구(105)가 형성된다. 챔버(100)의 입구(105)에는 제1 도입관(110)이 형성되어 챔버(100)의 내부(101)와 유체 연통된다.
챔버(100)의 다른 단방향 측면(103)의 중앙부에는 챔버(100)의 출구(106)가 형성되며, 챔버(100)의 출구(106)에는 제2 도입관(120)이 형성되어 챔버(100)의 내부(101)와 유체 연통된다.
본 명세서에서 용어 "입구"와 "출구"는 해당 관로로 유체가 유출입할 수 있는 서로 다른 개구부를 의미하는 것을 의도한 것이며, 반드시 해당 관로에서 유체가 입구로 유입되어 출구로 유출되는 것만을 한정하지 않는다. 즉, 경우에 따라 해당 관로에서 유체는 출구로 유입되어 입구로 유출되는 경우가 있을 수 있다.
한편, 챔버(100)의 일 측의 장방향 측면(108))에는 제3 도입관(130)이 형성되어 있다. 제3 도입관(130)은 챔버(100)의 내부(101)와 분리 장치(1)의 외부를 유체 연통시킨다.
제1 도입관(110)은 챔버(100)의 입구(105)와 연통되는 출구(112)와, 출구(112)의 반대편에 형성되는 입구(111)를 포함한다.
입구(141)가 외부를 향하도록 형성된 공기 유입관(140)이 제1 도입관(110)까지 연결되며, 공기 유입관(140)의 출구(142)는 제1 도입관(110)의 입구(111)와 연통된다.
공기 유입관(140), 제1 도입관(110) 및 제2 도입관(120)은 챔버(100)와 분리 장치(100)의 외부를 유체 연통시키는 포집 경로(107)를 형성한다.
제1 도입관(110)을 기준으로 공기 유입관(140)과 반대 방향으로는 물질 이송관(150)이 형성된다.
물질 이송관(150)의 입구(151)는 제1 도입관(110)의 입구(111)와 연통된다.
물질 이송관(150)의 출구(151)에는 분리 경로(200)가 연결된다. 본 실시예에 따른 분리 경로(200)는 단일의 유체 유동 경로를 형성하며, 분리 경로(200)로 유입된 유해물질은 매우 긴 경로를 가지는 분리 경로(200)를 따라 이동하는 동안 종류별로 분리되어 시간차를 가지고 분리 경로(200)로부터 유출된다.
본 실시예에 따르면, 분리 경로(200)가 유해물질을 분리하는데 충분한 긴 경로를 가지도록 하기 위해, 분리 경로(200)는 정해진 사각 공간 안에서 미로 형태로 구부러져 배치되는 단일 층의 컬럼부(200)를 형성하도록 배치된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 물질 이송관(150)과 유체 연통된 분리 경로(200)의 입구(201)에서 출발한 분리 경로(200)는 사각의 공간의 중심까지 구부러지며 일종의 코일 형태로 연장되었다가, 중심에서 다시 코일 형태로 연장되어 분리 경로(200)의 출구(202)까지 연장된다. 즉, 컬럼부(200)의 중심으로 구불구불하게 연장되는 경로(211)와 중심에서 다시 멀어지도록 연장되는 경로(212)가 서로 인접하게 교차하면서, 분리 경로(200)의 경로 길이를 작은 공간 안에서 극대화시킬 수 있다.
도 1에는 도시의 편의를 위해, 인접한 경로(211)와 경로(212)가 충분히 이격되어 있지만, 두 인접 경로(211, 212)의 간격을 매우 조밀하게 형성한다.
두 인접 경로(211, 212)의 간격을 매우 조밀하게 형성함으로써, 예를 들어, 단면적이 수 나노미터 수준의 분리 경로(200)가 약 3m에 걸쳐 연장되도록 할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 분리 경로(200)가 컬럼부를 형성하여, 하나의 경로가 서로 다른 높이를 이루어 적층되지 않고 단일 층을 이루면서도 경로의 길이를 극대화할 수 있다. 따라서, 깊이 식각 공정에 의해 분리 경로(200)를 한번에 형성할 수 있으며, 분리 장치(10)를 얇은 판 형태로 만들 수 있어 장치의 소형화가 가능하다.
도 3은 본 실시예에 따른 챔버(100)를 확대 도시한 것이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 챔버(100)의 내부(110)에는 복수의 기둥체(120)가 일정 간격으로 배치된다. 깊이 반응성 이온 식각 공정을 이용하면, 챔버(100)를 형성할 때 일부가 식각되지 않도록 함으로써 복수의 기둥체(120)를 챔버(100) 내부에 형성할 수 있다.
챔버(100)는 공기 중의 유해물질을 걸러 농축 저장한다. 이를 위해, 챔버(100)의 내부에는 유해물질을 포집할 수 있는 흡착재(411)가 충진되어 있다. 흡착재(411)로는 예를 들어, 유기화합물인 유해물질이 반데르발스 힘(van der Waals Force)에 의해 부착되어 포집될 수 있는 다공성 나노 탄소 소재(activated porous carbon nano material), 복합 탄소 화합물 등과 같은 물질이 이용될 수 있다.
흡착재(411)는 제1 기판(302)과 제2 기판(301)을 접합하기 전에 미리 챔버(110) 내부에 충진될 수도 있다. 하지만, 본 실시예에 따른 챔버(110)는 매우 작은 공간을 가지므로, 흡착재(411)는 가스 이송 방식에 의해 챔버(110) 내부에 충진된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3 도입관(130)을 통해 흡착재(411)가 함유된 가스(410)가 유입될 수 있도록 하고 제2 도입관(120)에 흡입력을 가하면, 가스(410)가 챔버(100)의 내부(110)로 유입되어 유동한다.
이때, 흡착재(411)는 복수의 기둥체(411)에 의해 진로가 방해되면서 유동이 저해되어 챔버(100)의 내부(110)에 머무르게 된다. 흡착재(411)가 일부 또는 모두 제거된 가스(410)는 제2 도입관(120)을 통해 챔버(100) 외부로 빠져나간다.
소정 시간 동안 상기 과정을 수행하면 챔버(100)의 내부 공간(기둥체(120)가 형성된 영역)에는 골고루 흡착재(411)가 분포하게 된다.
챔버(100) 내부로 유입된 유해물질은 흡착재(411)에 포집되어 챔버(100) 내부에 농축 저장된다. 챔버(100) 내부에 흡착재(411)가 충진된 후에는 제3 도입관(130)은 실리콘 등으로 폐쇄한다.
챔버(100)에 농축 저장된 유해물질을 다시 챔버(100) 밖으로 유출시키기 위해서는, 흡착재(411)와 유해물질의 결합을 끊어내야 하며, 이를 본 실시예에 따른 분리 장치(10)는 챔버(100)에 열을 가하는 가열 장치를 구비한다.
도 4는 본 실시예에 따른 분리 장치(10)의 제1 기판(302)의 배면을 도시한 것이다.
제1 기판(302)의 배면에는 챔버 가열 장치로서, 전원을 인가하면 열을 발생시키는 열선(500)이 부착된다. 열선(500)은 챔버(100)가 형성된 위치에 대응하여 제1 기판(302)에 형성된다. 열선(500)은 전원을 연결할 수 있는 단자(503)를 구비한다. 열선(500)의 중앙에는 열선(500)에 의해 상승하는 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(502)가 구비될 수 있다.
열선(500)에 전원을 인가하여 열을 발생시킴으로써, 흡착재(411)와 유해물질을 해리시킬 수 있는 열 에너지를 챔버(100)에 선택적으로 가할 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 분리 경로(200) 내부에서의 반응성을 향상시키기 위해 분리 경로(200)에 선택적으로 열을 가하는 열선(600)이 분리 경로(200)의 위치에 대응하여 제1 기판(302)의 배면에 형성될 수도 있다. 열선(600)의 양 단부에는 전원을 인가할 수 있는 단자(601)가 형성되어 있다.
열선(501)에 의해 가해지는 열이 실리콘의 제1 기판(302)에 의해 전도되어 분리 경로(200) 등 인접 구성에 예기치 못하게 열을 가할 수 있다.
이러한 열 전도를 최대한 방지하기 위해, 본 실시예에 따르면, 열선(501) 주위를 따라 형성되며 제1기판(302)을 완전히 관통하는 복수의 슬릿(310, 311, 312)이 형성된다.
도 5는 도 2의 A 영역을 확대도시하여 슬릿의 구조를 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 슬릿(310)은 하나의 개구로 이루어지는 것이 아니라, 복수의 미세 슬릿(310A 내지 310D)으로 이루어진다. 즉, 미세한 두께의 슬릿(310A 내지 310D)을 촘촘한 간격으로 식각하여 하나의 큰 형태의 슬릿(310)을 형성한다. 미세 슬릿 간에는 실리콘 기판(302)이 잔여한다. 이와 같은 구조에 의해, 열이 슬릿 너머로 전도되는 것을 최소화할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 복수의 슬릿은 열선(600)의 열이 전도되는 것까지 막을 수 있는 세로 방향의 긴 슬릿(300)과, 그와 평행한 세로 방향의 짧은 슬릿(312)과 그와 직교하는 가로 방향의 슬릿(311)을 포함하여, 열선(600)을 세 방향에서 가로막아 열전도를 방해한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 경로(200)의 내부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 분리 경로(200)의 내면에는 유해물질이 부착될 수 있는 다공성 물질(220)이 코팅되어 있다. 예를 들어, 다공성 물질(220)은 PDMS와 같은 다공성의 폴리머일 수 있다.
유기화합물인 유해물질(M)은 반데르발스 힘에 의해 다공성의 폴리머에 부착된다. 이때, 분리 경로(200) 내부로 운반 기체(430)를 흘려주면, 운반 기체(430)의 힘에 의해 다공성 물질(220)에 부착되었던 유해물질(M)이 다공성 물질(220)로부터 분리되어 일정 거리를 유동하다가 이동성을 잃고 다시 다공성 물질(220)에 부착되는 일을 반복하게 된다.
유해물질(M)은 종류에 따라 그 질량과 다공성 물질(220)과 작용하는 반데르발스 힘이 상이하므로, 도 5에 도시된 바와 같이 상이한 종류의 유해물질은 다공성 물질(220)에 부착되었다가 분리되어 유동하는 빈도와 거리가 서로 상이하다. 즉, 유해물질은 종류에 따라 분리 경로(200) 내부에서 상이한 이동 속도를 가지고 이동하게 된다. 예를 들어, 세모로 표시된 제1유해물질과 동그라미로 표시된 제2유해물질 중 제2유해물질의 이동 속도가 더 빠르다.
본 실시예에 따르면, 분리 경로(200)는 약 3m에 달하는 긴 경로를 가지므로, 분리 경로(200)의 입구(201)로 주입된 유해물질은 긴 경로를 이동하는 동안 종류별로 이동 거리가 평준화되어, 종류별로 뭉쳐 분리 경로(200)의 출구(202)로 유출된다. 유해물질은 종류에 따라 상이한 이동 속도를 가지므로, 유해물질은 종류별로 분리되어 시간차를 가지고 분리 경로(200)의 출구로 유출된다. 즉, 전기를 인가하는 등의 작업 없이, 분리 경로(200)를 통해 유해물질을 여행시키는 것만으로, 유해물질이 종류별로 분리되어 시간차를 가지고 유출되는 것이다.
다공성 물질(220)은 제1 기판(302)과 제2 기판(301)이 접합되기 전에 분리 경로(200)에 코팅될 수도 있으나, 매우 길고 고불고불 얽혀있는 컬럼부(220)에 다공성 물질(220)을 코팅하는 것은 쉽지 않을 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따르면, 물질 이송관(150)과 분리 경로(200)의 연결부에 제4 도입관(160)이 형성된다.
분리 경로(200)의 출구(202)로부터 가스를 흡입하는 힘을 가하고, 제4 도입관(160)을 통해 가스와 함께 다공성 물질(220)을 유입시킨다. 가스와 다공성 물질(220)은 분리 경로(200)를 따라 유동하고, 가스의 유속에 의해 다공성 물질(220)은 분리 경로(200)의 내면을 향해 흩어지며 분리 경로(200) 내면을 코팅하게 된다. 코팅이 완료된 후에는 제4 도입관(160)은 실리콘 등을 이용해 폐쇄한다.
위와 같은 구성의 분리 장치(10)는 센서 시스템(1)의 몸체(미도시)에 부착된다.
분리 경로(202)의 출구(202)에는 센서 시스템(1)의 몸체에 형성되는 제1연결관(50)의 입구(51)가 연결되고, 제1연결관(50)의 출구에는 소형의 펌프(30)가 연결된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 분리 장치(10)에 외부로 연통되는 관로(예를 들어, 분리 경로(200)의 출구(202))는 제1연결관(50)과 같은 외부의 관로가 용이하게 연결될 수 있도록, 단부 부근이 대경으로 형성될 수도 있다.
제2도입관(120)의 출구(121)에는 센서 시스템(1)의 몸체에 형성되는 제2연결관(60)의 입구(61)가 연결되고, 제2연결관(60)의 출구에는 상기 펌프(30)가 연결된다. 제2연결관(60)의 중간에는 제3연결관(70)의 출구(71)가 연결되며, 제3연결관(70)의 입구(72)에는 운반 기체 보관 용기(40)가 연결된다. 제3연결관(70)에는 제3연결관(70)을 선택적으로 개방 또는 폐쇄할 수 있는 밸브(73)가 형성된다.
본 실시예에 따르면, 센서 시스템(1)의 도시되지 않은 몸체는 작업자가 휴대할 수 있는 크기로 형성되며, 몸체에는 분리 장치(10), 펌프(30), 검출 센서(20) 및 보관 용기(40) 외에도, 펌프(30)/센서(20)/열선(500, 600)에 전원을 인가하는 전원, 펌프(30)/센서(20)/열선(500, 600)을 제어하는 제어기, 센서(20)에서 검출된 결과를 시각적 또는 청각적으로 안내할 수 있는 디스플레이 또는 스피커가 형성될 수 있다. 아울러, 제어 명령을 입력할 수 있는 버튼 등 입력 장치도 몸체에 구비될 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 실시예에 따른 센서 시스템(1)의 작동 과정을 설명한다.
도 7은 챔버(100) 내에 유해물질을 농축 저장하는 모습을 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 펌프(30)를 작동시켜 제2 도입관(120)으로부터 기체를 흡입하는 힘을 가한다. 펌프(30)가 형성하는 압력에 의해, 포집 경로(107)의 입구(공기 유입관의 입구)(141)에서 챔버(110)를 거쳐 포집 경로(107)의 출구(제2도입관의 출구)(121)로의 유체 흐름이 형성된다. 즉, 공기(421)가 공기 유입관(140)의 입구(141)를 통해 유입되어, 제2도입관(120)의 출구(121)로 빠져나간다. 유입되는 공기(421)에는 여러 종류의 유해물질이 포함되어 있다고 가정한다.
공기(421)가 공기 유입관(140)의 입구(141)를 통해 유입된 공기는 공기 유입관(140)과 제1 도입관(110)을 거쳐 챔버(100)로 유입된다. 펌프(30)에 의해 제2도입관(120) 방향으로 흡입력이 가해지는 상태이므로, 공기 유입관(140)에서 물질 이송관(150)으로 이동하는 공기를 거의 없다고 보아도 좋다.
챔버(100) 내로 유입된 공기는 챔버(100)의 장척 방향으로 이동한다. 이 과정에서 챔버(100) 내부에 충진된 흡착재(411)에 유해물질이 흡착된다. 유해물질이 제거된 공기(422)는 제2 도입관(120)을 통해 분리 장치(10) 외부로 빠져나가고, 제2연결관(60)을 거쳐 출구(62)로 빠져나간다.
도 8은 챔버(100) 내부에 충진된 유해물질(M)의 분포를 나타낸 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 공기가 챔버(100)의 입구(112)에서 출구(111) 방향으로 유동하는 과정에서 유해물질(M)이 포집되므로, 상대적으로 입구(112)에 가까운 쪽에 포집되는 유해물질(M)의 농도가 높고 출구(111) 쪽으로 갈수록 농도가 낮다.
분리 경로(200)를 통해 효과적으로 유해물질의 분리가 이루어지기 위해서는 순간적으로 높은 농도의 유해물질이 분리 경로(200)로 주입될 필요가 있다.
이를 위해, 본 실시예에 따르면, 챔버(100) 내부로 유해물질이 유입되는 경로인 제1 도입관(110)을 유출 경로로 이용하도록 구성되었다.
도 9는 챔버(100)로부터 유해물질이 분리 경로(200)로 주입되어 분리가 수행되는 과정을 도시한 것이다.
소정 시간 동안 챔버(100)에 유해물질을 농축한 후, 펌프(30)를 제어하여, 제1연결관(50)을 통해 기체가 흡입될 수 있는 흡입력을 형성한다.
아울러, 밸브(73)를 개방하여 운반 기체(430)가 보관 용기(40)로부터 유출될 수 있도록 한다. 운반 기체(430)는 예를 들어, 다공성 폴리머나 유기 화합물과의 반응성이 매우 낮은 헬륨 기체이다.
펌프(30)가 가하는 압력에 의해, 운반 기체(430)는 제2연결과(60)과 제2도입관(120)을 거쳐 챔버(100)로 유입된다. 운반 기체(430)는 제1 도입관(110)을 통해 챔버(100)로부터 빠져나가 물질 이송관(150)을 거쳐 분리 경로(200)로 유동한다.
분리 경로(200)를 통해 유동한 운반 기체(430)는 제1연결관(50)을 통해 출구(52)로 빠져나간다. 농도 짙은 유해물질에 센서 시스템(1)의 운용자가 노출되지 않도록 출구(52)로 빠져나간 유해물질은 별도의 용기(미도시)로 수집되도록 할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 기체가 분리 경로(200)를 가로질러 이동하는 것처럼 표시되었으나, 이는 도시의 편의를 위한 것이다. 기체(430)는 분리 경로(200)의 컬럼부(220)가 형성하는 구불구불한 경로를 따라 이동한다.
한편, 열선(500)에 전원을 인가하여 챔버(100)에 열을 가한다. 가해지는 열 에너지에 의해 챔버(100) 내부에 농축 저장되어 있던 유해물질은 흡착재(411)로부터 분리되고, 챔버(100) 내부를 거쳐 유동하는 운반 기체(430)에 실려 챔버(100)로부터 빠져나간다. 유해물질을 수반한 운반 기체(431)는 상술한 챔버(100) 이후의 경로를 통해 분리 경로(200)를 거치도록 유동한다.
본 실시예에 따르면, 유해물질이 유입된 방향 그대로 제1 도입관(110)을 통해 유해물질이 다시 빠져나가게 되므로, 상술한 바와 같이 챔버(100)의 입구 쪽에 많이 농축되어 있던 유해물질이 짧은 시간 안에 챔버(100)로부터 빠져나갈 수 있다. 다만, (제1 도입관(110), 공기 유입관(140) 및 물질 이송관(150)이 형성하는) "T"자 형태의 관로를 형성하지 않고, 공기 유입관(140) 및 물질 이송관(150)이 각각 챔버(100)의 동일한 단방향 측면(103)에 바로 연결되도록 하면, 챔버(100)의 유출입 경로가 바로 인접하게 형성되도록 하면 좋다.
챔버(100)로부터 빠져나간 고농도의 유해물질은 분리 경로(200)로 순식간에 유입된다.
즉, 본 실시예에 따른 챔버(100)는 유해물질을 농축 저장하는 리저버(reservoir) 뿐 아니라, 고농축 유해물질을 분리 경로(200)로 주입할 수 있는 인젝터(injector)의 역할도 수행한다.
본 실시예에 따르면, 주입 경로(107)를 통한 유동을 형성하기 위한 펌프와, 분리 경로(200)를 통하는 유동을 형성하기 위한 펌프가 하나의 펌프(30)로 통일되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 주입 경로(107)를 통한 유동을 형성하기 위한 펌프와, 분리 경로(200)를 통하는 유동을 형성하기 위한 펌프는 별도로 구비될 수 있다.
또한, 산업 환경에 따라 반드시 헬륨 등의 운반 기체를 별도로 공급하지 않아도 될 수 있다. 이 경우, 별도의 운반 기체 보관 용기(40)는 필요치 않으며, 제2연결관(60)을 형성하지 않고 제2도입관(120)의 출구(121)를 공기 중에 노출시켜도 좋다. 이 경우, 운반 기체는 제2도입관(120)을 통해 챔버(100)로 유입되는 공기가 된다.
분리 경로(200)의 출구(202)를 빠져나간 유해물질(M)은 검출 센서(20)에 의해 검출된다.
본 실시예에 따른 검출 센서(20)는 분리 경로(200)로부터 유출되는 유해물질에 자외선(UV)을 인가하여 유해물질로부터 해리되는 전자로 인한 전압 변화를 측정하는 광이온화 방식(PID) 센서이다. 구체적으로, 유기화합물과 같은 물질에 UV를 조사하면 전자가 빠져나오면서 전위가 발생하게 된다.
해당 유해물질의 농도가 클수록 검출되는 전위값은 높게 되므로, 이를 통해 해당 유해물질이 농도를 계산할 수 있다.
PID 방식의 센서 외에도 수소용 이온화 검출기법(FID)을 이용한 센서와 채널 내에 형성된 공중부유형 전기화학식 나노센서가 이용될 수도 있다.
본 실시예에 따르면 검출 센서(20)가 분리 경로(200)와 분리되어 형성되었으나, 검출 센서(20)는 분리 장치(1) 상에서 분리 경로(200)의 하류측 말단에 형성될 수도 있을 것이다.
예를 들어, 공중부유형 전기화학식 나노센서는, 분리 경로(200)의 하류측 말단 경로 내부에서 경로를 가로지르도록 와이어를 브리지 형태로 걸어주는 형태로 형성된다. 와이어에는 골드 나노 파티클과 같은 금속 산화물 등이 증착되어 있다.
와이어는 분리 경로(200)를 가로질러 공중에 떠있는 상태로 배치될 수도 있고, 분리 경로(200)를 형성하는 에칭 공정시 분리 경로(200)의 일부가 에칭되지 않고 잔여하는 (분리 경로를 가로지르는) 부분을 형성하고 해당 부분에 와이어를 접합할 수도 있다.
제1기판(302)의 배면에는 상기 와이어와 전기적으로 연결되어 전위 변화를 측정할 수 있는 회로가 접합되어 있을 수 있다.
분리 경로(200)로부터 유출되는 유해물질은 분리 경로 내부의 와이어와 만나 와이어에 부착되고, 이에 따른 전위 변화를 측정하면 유해물질의 농도를 측정할 수 있는 원리이다.
본 실시예에 따르면 검출 센서(20)가 분리 경로(200)와 분리되어 형성되었으나, 공종부유형 전기화학식 나노센서는 검출 센서(20)는 분리 장치(1) 상에서 분리 경로(200)의 하류측 말단에 형성될 수도 있을 것이다.
도 10은 본 실시예에 따른 센서 시스템(1)을 이용해 유해물질을 분리 검출하는 과정을 간략히 정리하여 도시한 것이다.
챔버(100)에 유해물질을 농축 저장하였다가, 운반 기체(430)에 실어 분리 경로(200)로 주입한다. 상술한 바와 같이, 분리 경로(200) 내에서 유해물질은 그 종류에 따라 상이한 이동 속도를 가진다.
실험을 통해, 유해물질 종류에 따라 분리 경로(200)를 빠져나오는 시간을 미리 획득할 수 있다.
예를 들어, 이소프로필안티피린(IPA)만을 함유한 공기를 공기 유입관(140)을 통해 유입시킨 뒤, 센서 시스템(1)을 가동하면 약 20초 후에 검출 센서(20)에서 해당 물질을 검출할 수 있었다. 이와 같은 방식으로, 예상할 수 있는 유해물질 각각에 대해 실험을 진행할 수 있으며, 각 유해물질이 분리 경로(200)로 빠져나오는 시간에 대한 라이브러리를 생성할 수 있다.
상이한 종류의 유해물질(M1, M2, M3, M4)은 순차적으로 분리 경로(200)를 통해 유출되므로, 검출 센서(20)를 통해 전위 값이 현저히 증가하는 시간을 확인함으로써 해당 유해물질의 종류를 알 수 있고, 전위 값을 통해 해당 유해물질의 농도도 구할 수 있다.
도 11은 본 실시예에 따른 센서 시스템(1)을 통해 검출한 검출 결과를 도시한 그래프이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 약 20초, 30초, 45초, 60초 및 85초에 전위값이 급격히 증가하는 날카로운 피크가 발생한 것을 확인할 수 있다.
해당 시간에 검출되는 유해물질의 종류는 이미 특정되어 있으므로, 해당 유해물질의 전위값을 통해 어떤 종류의 유해물질이 얼마나 대기 중에 노출되어 있는가를 분석할 수 있게 된다.
본 실시예에 따르면, 분리 장치(1)의 모든 구성이 하나의 기판 상에 집적되어 었어, 장치의 소형화가 가능하며 제조가 용이하다.
또한, 기체를 유동시키는 과정에서 자연스럽게 발생하는 물질별 속도차에 의해 유해물질을 분리할 수 있어, 공간과 전력이 크게 필요치 않으므로 센서 시스템(1)의 휴대화를 가능하게 한다.

Claims (22)

  1. 공기 중의 유해물질을 분리하기 위한 분리 장치로서,
    베이스;
    상기 베이스 내부에 형성되고, 공기 중의 유해물질을 걸러 농축 저장하는 챔버;
    상기 챔버와 유체 연통하도록 상기 베이스 내부에 형성되고, 상기 챔버에 농축되어 있는 유해물질이 주입되는 분리 경로;
    상기 챔버와 유체 연통되어 외부에서 상기 챔버로 공기가 유입되도록 하는 공기 유입관;
    상기 챔버 및 상기 분리 경로와 유체 연통되어 상기 챔버에 농축된 유해물질을 상기 분리 경로로 유도하는 물질 이송관을 포함하고,
    상기 공기 유입관과 상기 물질 이송관은 상기 챔버의 동일한 일 측면에 대해 유체 연통되고,
    상기 유해물질은 종류에 따라 상기 분리 경로 내부에서 상이한 이동 속도를 가지고 이동하고, 종류별로 분리되어 시간차를 가지고 상기 분리 경로로부터 유출되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버로부터 연장되는 제1 도입관을 포함하고,
    상기 공기 유입관과 상기 물질 이송관은 상기 제1 도입관에 연결되어 상기 챔버와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공기 유입관과 상기 물질 이송관이 형성된 상기 챔버의 일 측면과 마주하는 타 측면에서 상기 챔버와 유체 연통되는 제2 도입관을 포함하고,
    상기 제2 도입관을 통해 상기 챔버를 경유하는 공기가 유출되거나, 상기 유해물질을 상기 챔버로부터 상기 분리 경로로 이송하기 위한 운반 기체가 유입되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 챔버의 단척 방향으로 배향되는 마주하는 두 개의 단방향 측면을 포함하고,
    상기 제1 도입관과 상기 제2 도입관은 상기 두 개의 단방향 측면에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 운반 기체는 외부의 보관 용기에서 상기 제2 도입관을 통해 상기 챔버 내로 유입되었다가 유해물질과 함께 상기 분리 경로로 주입되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 챔버에는 상기 유해물질을 포집할 수 있는 흡착재가 충진되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 챔버에는 제3 도입관이 연결되고,
    상기 흡착재는 기체에 실려 상기 제3 도입관을 통해 상기 챔버 내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 챔버에는 상기 흡착재가 상기 챔버 내부에 머물도록 상기 흡착재의 유동을 방해하는 복수의 기둥체가 형성된 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분리 경로는 정해진 공간 안에서 미로 형태로 구부러져 배치되는 단일층의 컬럼부를 형성하는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 컬럼부에서 상기 분리 경로는 상기 정해진 공간의 중심까지 코일 형태로 연장되었다가 다시 코일 형태로 연장되어 상기 분리 경로의 출구로 이어지는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 분리 경로의 내면에는 다공성 물질이 코팅되어 있고,
    상기 유해물질은 상기 다공성 물질과 부착 및 분리를 반복하며 상기 분리 경로를 따라 유동하는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 베이스는, 제1기판과, 상기 제1기판과 접합되는 제2기판을 포함하고,
    상기 베이스에는 상기 챔버와 외부, 상기 분리 경로와 외부, 상기 챔버와 상기 분리 경로를 연통시키는 복수의 관로가 형성되며,
    상기 챔버, 상기 분리 경로 및 상기 복수의 관로는 상기 제1기판의 일 측면을 깊이 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 챔버를 선택적으로 가열할 수 있는 챔버 가열장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 베이스는, 제1기판과, 상기 제1기판과 접합되는 제2기판을 포함하고,
    상기 챔버 가열장치는, 챔버가 형성된 위치에 대응하는 위치에서 상기 제1 기판에 부착되는 열선인 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열선 주위를 따라 상기 제1기판을 관통하는 복수의 슬릿이 형성되어, 상기 열선으로부터 발생하는 열이 상기 제1기판을 따라 전도되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1기판에는 상기 분리 경로를 선택적으로 가열할 수 있는 분리 경로 가열장치가 형성된 것을 특징으로 하는 분리 장치.
  18. 공기 중에 포함된 유해물질을 검측하기 위한 센서 시스템으로서,
    청구항 제1항에 따른 분리 장치;
    상기 분리 경로로부터 유출되는 유해물질의 종류별 농도를 검출하는 검출 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 검출 센서는 상기 분리 경로로부터 유출되는 유해물질에 자외선을 인가하여 상기 유해물질로부터 해리되는 전자로 인한 전압 변화를 측정하여 해당 유해물질의 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 검출 센서는
    공중부유형 전기화학식 나노센서인 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 분리 장치는 상기 챔버와 외부를 유체 연통시키는 포집 경로를 포함하고,
    상기 센서 시스템은 상기 포집 경로의 입구에서 출구로 유체 흐름을 형성하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 센서 시스템은 상기 분리 경로의 입구에서 출구로의 유체 흐름을 형성하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
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