KR101711425B1 - 미세입자 포집장치 및 이를 이용하여 미세입자를 분석하는 방법 - Google Patents

미세입자 포집장치 및 이를 이용하여 미세입자를 분석하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 미세입자 포집장치는 정전기 효과에 의해 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집할 수 있도록 대전된 적어도 하나의 패드, 상기 패드를 수용하기 위한 공간을 제공하고 상기 패드가 이격되어 설치될 수 있도록 일정 간격을 두고 배치되어 있는 적어도 하나의 받침부재 및 상기 받침부재를 지지하기 위하여 상기 받침부재에 결합되어 있는 적어도 하나의 지지부재를 포함한다.
상기 미세입자 포집장치를 이용하면 상기 대전된 패드에 의해 미세입자를 간이하고 손쉽게 포집할 수 있게 되고, 상기 미세입자가 포집된 패드를 증류수에 넣어 미세입자를 탈착시키면 상기 증류수를 통해 공기 중에 존재하는 미세입자를 다각적으로 분석할 수 있게 된다.

Description

미세입자 포집장치 및 이를 이용하여 미세입자를 분석하는 방법{FINE PARTICLES SAMPLING APPARATUS AND ANALYSIS METHOD OF FINE PARTICLES USING THE SAME}
본 발명은 미세입자 포집장치 및 이를 이용하여 미세입자를 분석하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정전기 효과에 의해 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집할 수 있도록 대전된 패드를 이용한 미세입자 포집장치 및 분석방법에 관한 것이다.
현대 사회에서는 자동차 배기가스, 각종 산업 폐기물의 방류, 다량의 생활 쓰레기 배출 및 소각 시 발생하는 오염물질 등으로 인해 인간에게 유해한 미세입자들이 공기 중에 다량 분포하고 있다.
또한, 최근 들어 중국과 몽골의 사막지대에서는 크기 20μm 이하의 미세한 모래나 먼지가 우리나라로 들어와 이를 흡입하는 경우 호흡기 질환, 알레르기, 눈병, 면역 기능 약화 등의 문제를 야기시키고 있고, 그 미세입자 속에는 마그네슘이나 규소와 같은 중금속 물질들도 포함되어 있어 인간 및 자연에게 큰 피해를 유발하고 있다.
따라서, 이러한 미세입자로부터의 피해를 최소화하기 위해서는 공기 중에 존재하는 미세입자를 수시로 포집하여 미세입자의 양이나 구성 성분 등에 대해 분석하는 것이 필요하다.
한국 공개특허 제2011-0124427호에 개시된 미세입자 포집장치는 미세입자가 포함된 공기를 포집장치 내부로 흡입하기 위하여 진공펌프를 이용하고 있고, 또한 상기 진공펌프에 의해 흡입된 공기를 포집장치 내부로 유도하는 유입관을 구비하고 있다. 또한 한국 공개특허 제2013-0001446호에 개시된 미세입자 포집장치도 공기가 유입되는 입경분립장치와 상기 입경분립장치를 통해 공기를 흡입시키기 위한 펌프를 구비하고 있다.
또한, 시중에 판매되고 있는 먼지 또는 미세분진 측정기의 경우에도 장치 내에 흡입식 펌프가 내장되어 있어 이를 통해 주변의 공기를 흡입하고, 흡입된 공기를 여지에 필터링하여 여지에 존재하는 물질의 무게를 측정하거나 각종 센서와 반응시킴으로써 미세입자를 포집 및 분석하고 있다.
하지만 미세입자를 분석하기 위해 이와 같이 하나의 장치 내에 펌프 및 유입구와 같은 구성을 포함시키는 것은 장치의 크기를 크게 하고, 많은 비용을 발생시키며, 펌프의 구동을 위해 별도의 전압원을 필요로 한다는 문제점이 있다.
한국 공개특허 제2011-0124427호 한국 공개특허 제2013-0001446호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 별도의 동력원을 사용함이 없이, 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집하기 위하여 대전된 패드를 이용한 미세입자 포집장치를 제공하고, 상기 미세입자 포집장치를 이용하여 미세입자를 분석하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집하기 위한 미세입자 포집장치는, 정전기 효과에 의해 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집할 수 있도록 대전된 적어도 하나의 패드; 상기 패드를 수용하기 위한 공간을 제공하고, 상기 패드가 이격되어 설치될 수 있도록 일정 간격을 두고 배치되어 있는 적어도 하나의 받침부재; 및 상기 받침부재를 지지하기 위하여 상기 받침부재에 결합되어 있는 적어도 하나의 지지부재;를 포함한다.
여기서, 상기 패드는 코로나 방전 처리가 된 것이거나, 실리콘 패드인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미세입자 포집장치에서 상기 받침부재는 공기 유통로가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 공기 중에 부유하는 미세입자만을 포집하기 위하여 덮개를 더 포함하는 것이거나, 상기 패드에 미세입자가 포집된 후 상기 패드로부터 미세입자가 탈착되는 것을 방지하기 위하여 보관용기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 대전된 패드, 받침부재, 지지부재를 포함하는 상기 미세입자 포집장치를 이용하여 공기 중에 존재하는 미세입자를 분석하는 방법은, 상기 미세입자 포집장치를 미세입자를 분석하려는 장소에 비치하는 단계; 소정의 시간이 지난 뒤 상기 미세입자 포집장치에서 미세입자가 포집된 상기 패드를 수집하는 단계; 상기 수집된 패드를 증류수가 담긴 용기에 넣어 상기 패드에 포집된 미세입자를 증류수에 탈착시키는 단계; 및 상기 미세입자가 탈착된 증류수를 통해 공기 중에 존재하는 미세입자를 분석하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 미세입자를 분석하는 단계는, 상기 미세입자가 탈착된 증류수를 탁도계에 넣어 공기 중에 존재하는 미세입자의 양을 측정하는 단계이거나, 상기 미세입자가 탈착된 증류수에 X선을 조사하여 공기 중에 존재하는 미세입자의 구성 성분을 분석하는 단계, 상기 미세입자가 탈착된 증류수를 입도분석기에 넣어 공기 중에 존재하는 미세입자의 크기를 분석하는 단계, 상기 미세입자가 탈착된 증류수에 왕수를 넣은 후 유도결합 플라즈마 질량분석기로 분석하여 공기 중에 중금속의 존재 유무 및 성분을 분석하는 단계, 또는 상기 미세입자가 탈착된 증류수를 배지에 접종하고 상기 배지에서 미생물을 배양시켜 공기 중에 미생물의 존재 유무 및 종류를 분석하는 단계인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 미세입자 포집장치는 정전기 효과 내지는 패드 자체의 점착성만을 이용하여 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집하기 때문에 간이하고 경제적으로 미세입자를 포집할 수 있으며, 소형으로 구성이 가능하여 공간적 제약 없이 미세입자의 포집이 가능하다.
또한, 패드에 포집된 미세입자를 증류수가 담긴 용기에 넣어 탈착시키면, 상기 미세입자가 탈착된 증류수를 통해 공기 중에 존재하는 미세입자의 양, 구성 성분, 크기 분포를 분석해내거나, 공기 중에 중금속 존재 유무 및 성분, 미생물의 존재 유무 및 종류를 분석해낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 포집장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 미세입자 포집장치를 A-A' 선을 따라 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 미세입자 포집장치의 구성요소 중 하나인 패드를 대전시키는 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 미세입자 포집장치의 구성 중 패드 및 받침부재를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 포집장치를 이용하여 미세입자를 분석하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 실시예에 불과하므로, 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 미세입자 포집장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 미세입자 포집장치를 A-A' 선을 따라 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 미세입자 포집장치는 적어도 하나 이상의 패드(10), 패드(10)를 수용하기 위한 받침부재(20), 받침부재(20)를 지지하기 위한 지지부재(30), 지지부재(30)의 하측 단부에 결합되어 있는 받침면(40), 지지부재(30)의 상측 단부에 결합되어 있는 덮개(50),및 보관용기(60)를 포함한다.
본 발명에 따른 미세입자 포집장치에 사용되는 패드(10)는 공기 중에 존재하는 미세입자를 패드(10)에 포집하기 위해 대전시킬 필요가 있다.
도 3은 본 발명에 따른 미세입자 포집장치의 구성요소 중 하나인 패드를 대전시키는 모습을 나타낸 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 패드(또는 패드가 될 재료)(10)를 롤러(roller)(70) 상에 위치시킨 후, (+)전극은 패드(10)와 소정의 거리만큼 이격되게 설치하고 롤러(70)는 접지면과 연결시킨다. 그런 다음 (+)전극과 롤러(70) 사이에 전압(직류 또는 교류 전압)을 인가하고, 패드(10)를 롤러(70)의 둘레면을 따라 이동시켜 가면서 대전시킨다.
그리고 상기 대전된 패드(10)는 도 1 또는 도 2에 나타낸 바와 같이 적절한 크기로 성형한다.
상기와 같이 패드(10)를 대전 및 성형함으로써 공기 중에 존재하는 미세입자를 정전기 효과에 의해 패드(10)의 표면 상에 포집할 수 있게 되고, 또한 본 발명에 따른 미세입자 포집장치의 일 구성요소로 사용될 수 있게 된다.
여기서, 본 발명에 따른 미세입자 포집장치에 사용되는 패드(10)는 코로나 방전 처리를 하는 것이 바람직하다.
코로나 방전은 두 전극 사이에 높은 전압을 가할 때 전계가 집중된 부위의 주변 기체가 국부적으로 이온화되어 플라즈마를 형성하며 발광하는 방전 형태로서, 패드(10)에 코리나 방전 처리를 가하면 패드(10)의 특성은 변화되지 않은 채 표면만이 개질되어 표면유분이 제거되고 점착성은 높아지게 된다. 따라서, 코로나 방전 처리가 된 패드(10)는 공기 중에 존재하는 미세입자를 정전기 효과에 의해 포집할 수 있는 능력이 더욱 커지게 된다.
또한, 본 발명에 따른 미세입자 포집장치에 사용되는 패드(10)는 실리콘 패드(10)로 하는 것이 바람직하다.
실리콘 패드(10)는 실리콘으로 제작한 반투명성 패드로서, 패드(10)를 실리콘으로 제작하게 되면 실리콘 재료 자체의 점착성 때문에 공기 중에 존재하는 미세입자를 패드(10)에 포집하기 쉬워지고, 또한 실리콘 재질이 말랑말랑하여 추후 분석을 위해 미세입자가 포집된 패드(10)를 수집할 경우 보다 용이하게 수집할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 미세입자 포집장치는 적어도 하나의 패드(10)를 수용하는 공간을 제공하기 위하여 적어도 하나의 받침부재(20)를 포함한다.
이 때 받침부재(20)에는, 받침부재(20)에 수용된 패드(10)가 받침부재(20)의 상면 뿐 아니라 하면으로도 미세입자를 포집할 수 있도록 공기 유통로가 형성되어 있고, 이를 위해 받침부재(20)는 도 4에 나타낸 바와 같이 패드(10)가 위치하는 중심 부분이 십자 모양으로 형성될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 받침부재(20)는 적어도 하나의 패드(10)가 이격하여 위치될 수 있도록 배치되며, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 일정 간격을 두고 층층히 배치될 수 있지만 반드시 이와 같은 배치만으로 한정되는 것은 아니다.
지지부재(30)는 도 4에 나타낸 받침부재(20)의 둘레를 따라 형성된 복수개의 관통공(25)을 관통하는 형태로 받침부재(20)와 결합하거나, 받침부재(20)의 외주연를 따라 일정 간격으로 형성된 복수개의 결합편(미도시)과 끼움결합하는 형태로 받침부재(20)와 결합할 수 있다.
또한 지지부재(30)는 적어도 하나의 받침부재(20) 각각에 형성된 관통공(25)이나 결합편 등을 통해, 층층히 배치되어 있는 받침부재(20) 상호간을 결합시킴으로써 상기 적어도 하나의 받침부재(20)를 지지하며, 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 포집장치는 기둥 모양의 형태를 가지게 된다.
지지부재(30)의 하측 단부는 받침면(40)과 결합될 수 있으며, 받침면(40)은 미세입자 포집장치를 직립으로 세울 수 있도록 도와준다.
그리고 지지부재(30)의 상측 단부는 덮개(50)와 결합될 수 있다. 공기 중에 존재하는 미세입자에는 강하하는 입자와 부유하는 입자가 있는데, 지지부재(30)의 상측 단부에 덮개(50)가 결합된 미세입자 포집장치는 공기 중에 부유하는 미세입자만을 포집할 수 있도록 하며(즉, 강하하는 입자는 포집하지 않기 위한 용도임), 또한 미세입장 포집장치를 실외에 설치할 때 빗물 등에 의해 영향을 받지 않도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 포집장치는 대전된 패드(10)에 의해 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집한 후, 상기 패드(10)로부터 미세입자가 탈착되는 것을 방지하기 위하여 보관용기(60)에 담아 이동 및 회수시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 대전된 패드(10), 받침부재(20), 지지부재(30)를 포함하는 미세입자 포집장치를 이용하여 공기 중에 존재하는 미세입자를 분석하는 방법에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 포집장치를 이용하여 미세입자를 분석하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명에 따라 미세입자를 분석하기 위해서는 우선, 본 발명에 따른 미세입자 포집장치를 미세입자를 분석하려는 장소에 비치한다(S110).
다음으로, 소정의 시간이 지난 뒤 상기 미세입자 포집장치에서 미세입자가 포집된 패드(10)를 수집한다(S120). 이 때, 패드(10)에 포집된 미세입자가 패드(10)로부터 되도록 적게 탈착되도록 핀셋 등을 이용하여 받침부재(20) 상에 위치해 있는 패드(10)를 수집한다.
다음으로, 상기 수집된 패드(10)를 증류수가 담긴 용기(미도시)에 넣어 상기 패드에 포집된 미세입자를 증류수에 탈착시킨다(S130). 이와 같이 함으로써, 미세입자가 탈착된 증류수는 미세입자를 다각적으로 분석할 수 있는 시료가 된다.
다음으로, 상기 미세입자가 탈착된 증류수를 통해 공기 중에 존재하는 미세입자를 분석한다(S140).
미세입자를 분석하는 한 가지 방법으로, 상기 미세입자가 탈착된 증류수(또는, 상기 증류수가 담긴 용기)를 탁도계에 넣어 공기 중에 존재하는 미세입자의 양을 측정하는 방법이 있다. 탁도계는 수중에 분산되어 있는 미세입자의 상태를 정량적으로 계측하는 측정기로써, 상기 미세입자가 탈착된 증류수(또는, 상기 증류수가 담긴 용기)를 탁도계에 넣으면 상기 증류수를 투과하는 빛이 미세입자에 의하여 반사 또는 산란되고, 그 반사 또는 산란되는 정도를 표준액과 비교하면 상기 증류수 내에 탈착된 미세입자의 양을 측정할 수 있게 된다.
미세입자를 분석하는 다른 방법으로, 상기 미세입자가 탈착된 증류수(또는, 상기 증류수가 담긴 용기)에 X선을 조사하여 공기 중에 존재하는 미세입자의 구성 성분을 분석하는 방법이 있다. 여기에는, 탈착된 미세입자가 포함된 용기에 X선을 조사하여 미세입자의 원자들과 충돌로 인한 보강간섭을 측정함으로써 원자 사이의 간격을 측정하는 방법(XRD)과, 탈착된 미세입자가 포함된 용기에 X선을 조사하여 미세입자의 전자를 여기시켰다가 바닥상태로 떨어지면서 방출되는 광을 측정하는 방법(XRF)이 있으며, 이를 통해 미세입자의 구성 성분을 분석해 낼 수 있다.
미세입자를 분석하는 또 다른 방법으로, 상기 미세입자가 탈착된 증류수(또는, 상기 증류수가 담긴 용기)를 입도분석기에 넣어 공기 중에 존재하는 미세입자의 크기를 분석하는 방법이 있다. 입도분석기에는 체를 이용하는 방법, 전압 변화를 이용하는 방법, 레이저를 방사하여 입자들에서 일어나는 회절현상을 이용하는 방법 등이 있으며, 이러한 방법들에 의하면 확인하려고 하는 미세입자 각각의 크기 분포를 분석해낼 수 있다.
미세입자를 분석하는 또 다른 방법으로, 상기 미세입자가 탈착된 증류수에 왕수를 넣은 후 유도결합 플라즈마 질량분석기로 분석하여 공기 중에 존재하는 중금속 성분을 분석하는 방법이 있다. 왕수는 진한 질산 1부피와 진한 염산 3부피가 혼합된 자극성 냄새가 나는 노란색의 액체로써 대부분의 금속을 용해시킬 수 있는 강한 산화제이고, 유도결합 플라즈마 질량분석기는 시료를 구성하고 있는 물질에 관한 정성적, 정량적인 정보 및 동위원소의 구성비 등 다양한 화학적 분석 값을 산출해낼 수 있는 기기이다. 따라서, 왕수 및 유도결합 플라즈마 질량분석기를 이용하면 공기 중에 중금속의 존재 유무 및 그 성분을 분석해낼 수 있다.
미세입자를 분석하는 또 다른 방법으로, 상기 미세입자가 탈착된 증류수를 배지에 접종하고 상기 배지에서 미생물을 배양시켜, 공기 중에 존재하는 미세입자 안에 미생물의 존재 유무 및 그 종류를 분석하는 방법이 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 미세입자 포집장치는 대전된 패드의 정전기 효과 내지는 패드 자체의 점착성을 이용하여 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집하기 때문에, 펌프나 유입구 등을 별도로 구비할 필요없이 간이하고 경제적으로 미세입자를 포집할 수 있으며, 소형으로 구성이 가능하여 공간적 제약 없이 미세입자의 포집이 가능하다.
또한, 패드에 포집된 미세입자를 증류수가 담긴 용기에 넣어 탈착시키면, 그 미세입자가 탈착된 증류수(또는, 상기 증류수가 담긴 용기)를 통해 공기 중에 존재하는 미세입자의 양, 구성 성분, 크기 분포를 분석해내거나, 공기 중에 중금속 존재 유무 및 성분, 미생물의 존재 유무 및 종류 등을 분석해낼 수 있다.
10: 패드
20: 받침부재
25: 관통공
30: 지지부재
40: 받침면
50: 덮개
60: 보관용기
70: 롤러

Claims (12)

  1. 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집하기 위한 미세입자 포집장치에 있어서,
    정전기 효과 및 점착성에 의해 공기 중에 존재하는 미세입자를 포집할 수 있도록 대전된 복수개의 실리콘 패드;
    상기 복수개의 실리콘 패드 각각을 수용하기 위한 공간을 제공하고, 상기 복수개의 실리콘 패드가 이격되어 설치될 수 있도록 일정 간격을 두고 배치되어 있는 복수개의 받침부재; 및
    상기 복수개의 받침부재를 지지하기 위하여, 상기 복수개의 받침부재의 둘레를 따라 형성된 복수개의 관통공을 관통함으로써 상기 복수개의 받침부재와 결합하거나, 상기 복수개의 받침부재의 외주연을 따라 형성된 복수개의 결합편과 끼움결합함으로써 상기 복수개의 받침부재와 결합하는 복수개의 지지부재;를 포함하되,
    상기 실리콘 패드는 중력에 의하여 상기 받침부재의 상면에 안치되고,
    상기 복수개의 받침부재 중 상호 이웃한 받침부재와 받침부재 사이에는 공기 중에 부유하는 미세입자가 상기 상호 이웃한 받침부재와 받침부재 사이를 통하여 유입될 수 있는 공간이 형성되고,
    상기 받침부재에는, 공기 중에 부유하는 미세입자가 상기 받침부재의 상면에 안치된 상기 실리콘 패드의 하면에도 포집될 수 있도록, 상기 실리콘 패드의 하면을 공기 중에 노출시키기 위한 공기 유통로가 형성되어 있고,
    상기 지지부재의 상측 단부에는, 상기 실리콘 패드에 공기 중에 강하하는 미세입자는 포집되지 않고 공기 중에 부유하는 미세입자만이 포집되도록, 덮개가 결합되고,
    상기 패드에 미세입자가 포집된 후 상기 패드로부터 미세입자가 탈착되는 것을 방지하기 위하여, 상기 덮개에 체결되는 보관용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자 포집장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패드는 코로나 방전 처리가 된 것을 특징으로 하는 미세입자 포집장치.
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