KR101865516B1

KR101865516B1 - 미세먼지 농도 측정시스템

Info

Publication number: KR101865516B1
Application number: KR1020170127621A
Authority: KR
Inventors: 김용준; 김홍래; 이상면; 권홍범
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-06-07
Also published as: KR20170117960A

Abstract

본 발명에 의한 미세먼지 농도 측정시스템은, 유입되는 미세먼지를 공기 역학적으로 분류시키는 분류유닛, 분류된 미세먼지를 전기적으로 하전시키는 하전유닛 및, 하전된 미세먼지의 농도에 비례하는 유도전류 값으로 농도를 측정하는 측정유닛을 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 소형으로 제조되어 실시간으로 장소에 상관없이 미세먼지의 농도 측정이 가능해진다.

Description

미세먼지 농도 측정시스템{MICRODUST SYSTEM FOR MEASURING CONCENTRATION OF AIRBORNE PARTICLES}

본 발명은 미세먼지 농도 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기적 하전을 이용해 관심 지점(Point of interest)에서의 대기 중 미세먼지의 수 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 미세먼지 농도 측정시스템에 관한 것이다.

최근 지속적인 산업개발과 중국발 스모그 유입 등의 이유로 공기 중 부유하는 미세먼지의 농도가 크게 증가하고 있는 추세이다. 이러한 미세먼지는 인체로 흡입될 경우에 호흡 및 심혈관계 질환의 원인이 될 뿐만 아니라, 천식 및 아토피성 피부염 등의 알레르기성 질환을 악화시킨다. 이에 따라, 근래에는 미세먼지의 농도를 모니터링할 수 있는 시스템이 보급되고 있다.

한편, 일반적으로 고가, 대형의 장비 기반의 대기오염 측정소가 시 또는 구 단위로 설치되어, 미세먼지의 특정 시간당 평균 농도를 알려주는 광역 예보 시스템이 제공된다. 그런데, 고층 건물이 밀집되고 유동 인구 및 교통량의 변화가 큰 대도시에서는 공기 흐름 및 미세먼지의 확산 양상이 매우 복잡함에 따라 서로 인접한 지역간에도 미세먼지의 농도 편차가 크다. 그로 인해, 일반적인 광역 예보 시스템을 통한 미세먼지의 정확한 농도 분포 파악이 어렵다. 이에 따라, 근래에는 실시간으로 원하는 지역의 미세먼지를 파악할 수 있는 미세먼지 측정 시스템에 대한 다양한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 추세이다.

국내공개특허 제10-2006-0112725호(출원인: 주식회사 팬택)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 원하는 관심 지점의 실시간 현장 미세먼지 농도 모니터링이 가능하며 소형화 및 저가화가 가능한 미세먼지 농도 측정시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 미세먼지 농도 측정시스템은, 유입되는 미세먼지를 입경 2.5㎛ 보다 큰 제1미세먼지와 2.5㎛ 보다 작은 제2미세먼지로 공기 역학적으로 분류시키는 분류유닛, 상기 분류된 미세먼지의 입자를 전기적으로 하전시키는 하전유닛 및 상기 하전된 미세먼지의 농도에 비례하는 유도전류 값으로 농도를 측정하는 측정유닛을 포함하며, 상기 분류유닛, 하전유닛 및 측정유닛은 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 공정으로 일괄 제조되는 미세먼지 분석 칩(chip)에 마련되고, 상기 분류유닛은 상기 미세먼지가 유입되는 노즐을 구비하는 미세채널(Micro channel)이 마련된 가상 임팩터(virtual impactor)를 이용하여, 관성력으로 상기 미세먼지를 크기별로 분류시키며, 상기 미세채널의 노즐은, 상기 미세먼지가 유입되는 유입구, 상기 유입구와 마주하도록 상기 유입구에 대해 직선으로 연장되어 상기 제1미세먼지가 유입되는 저속유로(minor flow) 및, 상기 유입구와 저속유로에 대해 수직하게 연장되어 상기 제2미세먼지가 유입되는 고속유로(major flow)를 포함하며, 상기 측정유닛에 의해 측정되는 상기 미세먼지의 실시간 수농도는 수학식

에 의해 계산되되, 여기서, 상기 C는 입자 수농도(#/cm3), I는 전류(A), P·n은 입자 통과율·하전 수, Q는 유량(cm3/sec) 그리고, e는 단위 하전량(1.6 x 10-19C)일 수 있다.

일측에 의하면, 상기 하전유닛은, 상호 마주하는 제1 및 제2전극 사이에 코로나 방전(Corona discharge)을 형성시켜 상기 미세먼지의 입자를 하전시킬 수 있다.

일측에 의하면, 상기 측정유닛은, 상기 분류되어 하전된 상기 제2미세먼지를 전도성 필터로 포집하는 포집부 및 상기 포집부로 포집된 상기 제2미세먼지로 유도전류를 발생시켜, 측정된 유도전류 값으로 상기 제2미세먼지의 농도를 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.

일측에 의하면, 상기 측정부는, 상기 포집된 상기 제2미세먼지 내의 하전된 입자에 의해 유도되는 미세 전류를 전압 형태로 변환시키는 전류증폭회로 및 상기 변환된 전압 형태의 신호를 디지털 신호로 변환시키는 프로세서 모듈을 포함할 수 있다.

일측에 의하면, 상기 프로세서 모듈과 무선으로 연결되는 무선 송수신 모듈을 포함하고, 상기 무선 송수신 모듈은 상기 측정부에 의해 측정된 상기 미세먼지의 데이터를 외부로 무선 송신하고 외부로부터 입력된 제어신호를 무선 수신하며, 상기 무선 송수신 모듈을 통해 수신된 상기 제어신호에 따라 상기 프로세서 모듈은 상기 하전유닛의 하전을 제어할 수 있다.

일측에 의하면, 상기 측정유닛은 상기 측정된 미세먼지의 농도값을 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.

일측에 의하면, 실내 화재경보시스템, 분산형 실내 공간 환경 모니터링 시스템 및 산업시설에 설치되어, 주변 환경의 상기 미세먼지 발생을 감지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 미세먼지 농도 측정시스템은, 미세먼지의 경로상에 코로나 방전(Corona discharge)을 형성시켜, 상기 미세먼지의 입자 중 입경이 2.5㎛ 보다 작은 미세먼지를 전기적으로 하전시키는 하전유닛 및 상기 하전된 미세먼지의 농도에 비례하는 유도전류 값으로 농도를 측정하는 측정유닛을 포함하며, 상기 하전유닛 및 측정유닛은 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 공정으로 일괄 제조된 미세먼지 분석 칩(Chip)에 함께 마련되고, 상기 미세먼지는 공기 역학적으로 분류시키는 미세채널(Micro channel)을 구비하는 분류유닛을 통해 분류된 후, 상기 하전유닛으로 유입되되, 상기 미세채널은, 상기 미세먼지가 유입되는 유입구, 상기 유입구와 마주하도록 상기 유입구에 대해 직선으로 연장되어 제1미세먼지가 유입되는 저속유로(minor flow) 및, 상기 유입구와 저속유로에 대해 수직하게 연장되어 상기 제1미세먼지보다 상대적으로 입경이 작은 제2미세먼지가 유입되는 고속유로(major flow)를 포함하며, 상기 제1미세먼지의 입경은 2.5㎛ 보다 크며, 상기 제2미세먼지의 입경은 2.5㎛ 보다 작으며, 상기 코로나 방전에 의한 상기 제2미세먼지의 농도는 수학식

에 의해 계산되고, 여기서, Ni는 생성 이온의 농도, Ic는 코로나 전류, e는 전자의 전하량(1.6*10-19C), Z(+)는 양이온의 이동도(1.4*10-14m2V-1s-1), E는 전기장 크기, 그리고, A는 접지 전극의 넓이이다.

일측에 의하면, 상기 측정유닛에 의해 측정되는 상기 미세먼지의 실시간 수농도는 수학식

일측에 의하면, 상기 하전유닛은, 단부에 전도성 금속으로 이루어진 방전부가 마련된 팁(Tip) 형상의 제1전극 및 상기 제1전극과 마주하도록 이격된 위치에 배치되는 판(Plate) 형상으로 형성되며, 상기 제1전극과 마주하는 면에 적층된 그라운드전극이 마련된 제2전극을 포함하여, 상기 제1 및 제2전극의 사이에 코로나 방전을 형성시켜 상기 미세먼지의 입자를 하전시킬 수 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 공기역학적으로 미세먼지를 분류하여 전기적 하전을 통해 미세먼지의 농도를 측정함에 따라, 소형의 사이즈로도 미세먼지 농도 측정 품질 확보가 가능하다.

둘째, MEMS 공정기법을 통해 일괄공정으로 제조됨에 따라, 소형 및 저가형 미세먼지 측정 시스템의 대량 보급이 가능해진다.

셋째, 소형으로 제조됨으로써, 휴대성이 향상되어 장소에 구애되지 않고 실시간 다양한 장소에 대한 미세먼지 농도 측정이 가능해진다.

넷째, MEMS 공정에 의해 한 개로 소자화되어 바이오/화학 센서와의 높은 집적성을 가짐으로써, 향후 초미세먼지, 유해가스, 부유 미생물 등 다양한 오염물질 감지에도 적용될 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 미세먼지 농도 측정시스템을 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 미세먼지 농도 측정시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 도 2에 도시된 분류유닛을 개략적으로 도시한 도면,
도 4은 도 2에 도시된 하전유닛을 개략적으로 도시한 도면,
도 5는 도 3에 도시된 분류유닛을 통해 미세먼지를 분류한 분류 효율을 개략적으로 도시한 그래프, 그리고,
도 6은 본 발명에 의한 미세먼지 농도 측정시스템에 의해 측정 결과를 상용 에어로졸 전위계와 비교한 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 미세먼지 농도 측정시스템(1)은 분류유닛(10), 하전유닛(20) 및 측정유닛(30)을 포함한다.

참고로, 본 발명에서 설명하는 미세먼지 농도 측정시스템(1)은 미세먼지의 농도를 측정하는 것으로서 보다 구체적으로는, 2.5㎛ 이하의 초미세먼지의 농도를 측정하기 위한 것으로 예시하여 설명한다. 그러나, 꼭 이에 한정되지 않으며, 상기 미세먼지 농도 측정시스템(1)이 초미세먼지를 포함한 10㎛ 이하의 미세먼지의 농도를 측정하는 것과 같은 다양한 변형 실시예가 가능함은 당연하다.

또한, 상기 미세먼지 농도 측정시스템(1)은 도 2의 도시와 같이, 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 공정에 의해 일괄 제조되는 미세먼지 분석 칩(chip)(100)에 마련된다.

상기 분류유닛(10)은 유입되는 미세먼지(F)를 입자 크기별로 분류시킨다. 이러한 분류유닛(10)은 도 3과 같은 관성력을 이용하여 미세먼지(F)를 제1미세먼지(F1)와 제2미세먼지(F2)로 분류시킨다. 이를 위해, 상기 분류유닛(10)은 도 3의 도시와 같이, 미세먼지(F)가 유입되는 노즐(13)을 구비하는 미세채널(Micro channel)(12)이 마련된 가상 임팩터(virtual impactor)(11)를 이용하여, 관성력으로 미세먼지(F)를 입자 크기별로 분류시킨다.

상기 노즐(13)은 미세먼지(F)가 유입되는 유입구(14), 유입구(14)와 마주하도록 유입구(14)에 대해 직선으로 연장되도록 마련된 저속유로(minor flow)(15) 및, 유입구(14)와 저속유로(15)에 대해 수직하게 연장되도록 마련된 고속유로(major flow)(16)을 포함한다. 이러한 노즐(13)의 유입구(14)로 유입된 미세먼지(F) 중 크기가 큰 입자는 큰 관성으로 인해 직선운동을 유지하여 저속유로(15)로 이동되고, 크기가 작은 입자는 작은 관성으로 인해 미세먼지(F)의 분사방향으로부터 수직하게 한 쌍으로 마련된 저속유로(15)로 이동된다.

여기서, 상기 저속유로(15)로 유입되는 미세먼지(F)는 2.5㎛ 보다 큰 입경을 가지며 제1미세먼지(F1)로 지칭한다. 또한, 상기 고속유로(16)로 유입되는 미세먼지(F)는 2.5㎛ 보다 작은 입경을 가지는 제2미세먼지(F2)로 지칭한다. 참고로, 도 2의 도시와 같이, 상기 유입된 미세먼지(F)의 총 유량(Q) 중 대략 10% 이상은 저속유로(15)로 직진하는 반면에, 대략 90% 이하는 직각방향의 고속유로(16)로 이동된다.

상기 하전유닛(20)은 분류된 미세먼지(F) 중 측정하고자 하는 제2미세먼지(F2)를 전기적으로 하전시킨다. 상기 하전유닛(20)은 고전압 변환회로(21)로부터 인가된 고전압을 제2미세먼지(F2)에 인가하여 코로나 방전(Corona discharge)에 의해 하전시킨다. 이를 위해, 상기 하전유닛(20)은 도 4의 도시와 같이, 팁(Tip) 형상을 갖는 제1전극(22)과, 제1전극(22)으로부터 이격되어 마주하는 판(Plate) 형상의 제2전극(23)을 가지고, 고전압 변환회로(21)에 의해 전압을 인가받는다.

여기서, 상기 제1전극(22)은 단부에 전도성 금속으로 이루어진 방전부(24)가 형성되는 방전 전극이다. 이러한 제1전극(22)은 고전압 변환회로(21)를 통해 직류(DC) 전압이 인가될 경우 팁 형상의 방전부(24)에서 코로나 방전(Corona discharge)이 발생되어, 유입된 제2미세먼지(F2)의 입자를 양전하로 하전시킨다.

상기 제2전극(23)은 전도성 금속으로 이루어진 판 형상의 접지 전극으로써, 제1전극(22)으로부터 일정거리 이격된 위치에 배치된다. 또한, 상기 제2전극(23)의 제1전극(22)과 마주하는 면에는 일정 두께를 가지고 적층된 그라운드전극(25)이 마련된다. 참고로, 상기 제1 및 제2전극(22)(23)을 구성하는 전도성 금속물질은 구리(Cu)를 포함할 수 있다.

이러한 하전유닛(20)은 제1전극(22)과 제2전극(23) 사이에 직류 고전압(DC High Voltage)이 고전압 변환회로(21)를 통해 인가되면, 제1전극(22)에 형성된 팁 형상의 방전부(24) 근처의 코로나 범위에서 전자가 가속되어 공기의 분자와 충돌한다. 그로 인해, 공기 분자가 이온과 전자로 분리됨으로써 생성된 이온이 제1 및 제2전극(22)(23의 사이를 통과하는 제2미세먼지(F2)의 입자에 부착되어 하전 입자를 형성한다. 상기 제1전극(22)에서 생성된 양이온은 팁 형상의 방전부(24)를 중심으로 제2전극(23)의 그라운드전극(25)의 표면을 향해 반구 형태의 궤적을 그리면서 형성됨으로써, 코로나 방전을 형성시킨다.

이러한 본 발명에 의해 코로나 방전에 의해 방전된 제2미세먼지(F2)의 농도는 하기 수학식 1에 의해 계산된다.

여기서, Ni는 생성 이온의 농도, Ic는 코로나 전류, e는 전자의 전하량(1.6*10-19C), Z(+)는 양이온의 이동도(1.4*10-14m2V-1s-1), E는 전기장 크기, 그리고, A는 접지 전극의 넓이이다.

상기 측정유닛(30)은 하전된 제2미세먼지(F2)의 농도에 비례하는 유도전류 값으로 농도를 측정한다. 상기 측정유닛(30)은 포집부(31) 및 측정부(32)를 포함한다.

상기 포집부(31)는 분류되어 하전된 제2미세먼지(F2)를 전도성 필터로 포집한다. 이러한 포집부(31)는 도 4의 도시와 같이, 하전유닛(20)의 제1 및 제2전극(22)(23)의 사이를 통과한 제2미세먼지(F2)를 포집하기 위해, 제2미세먼지(F2)의 유동방향을 기준으로 하전유닛(20)의 하류에 배치된다.

상기 측정부(32)는 포집부(31)로 포집된 제2미세먼지(F2)로 유도전류를 발생시켜, 측정된 유도전류 값으로 제2미세먼지(F2)의 농도를 측정한다. 상기 측정부(32)는 포집된 제2미세먼지(F2)의 하전된 입자에 유도되는 미세 전류를 전압 형태로 변환시키는 전류증폭회로(33)와, 증폭된 전압 형태의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 프로세서 모듈(34)을 포함한다. 여기서, 상기 프로세서 모듈(34)은 고전압 변환회로(21)의 전류 인가를 제어한다.

한편, 상기 측정유닛(30)은 측정된 제2미세먼지(F2) 농도값을 표시하여 사용자에게 제공하기 위한 표시부(35)를 포함함이 바람직하다. 아울러, 상기 측정유닛(30)은 무선 송수신 모듈(40)과 연결되어, 측정된 데이터를 외부로 무선 송수신한다.

상기 무선 송수신 모듈(40)은 프로세서 모듈(34)에서 처리된 미세먼지(F)의 데이터를 와이파이(wi-fi) 또는 기타 네트워크 통신 기술을 이용해 외부로 송신한다. 상기 외부로 송신된 미세먼지(F)의 데이터는 온라인 상으로 업로드하여 개인용 컴퓨터나 스마트 기기를 통해 사용자에게 전달될 수 있다. 뿐만 아니라, 외부의 사용자가 무선 송수신 모듈(40)을 이용해 데이터 측정 신호를 프로세서 모듈(34)로 전송함으로써, 고전압 변환회로(21)가 고전압을 인가하여 미세먼지(F) 데이터를 측정할 수도 있다. 즉, 본 발명에 의한 측정유닛(30)이 외부의 사용자와 무선 송수신 모듈(40)을 통해 데이터를 송수신 가능한 것이다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 미세먼지 농도 측정시스템(1)의 성능을 검사한 그래프가 도 5 및 도 6에 도시된다.

도 5를 참고하면, 본 발명에 의한 미세먼지 농도 측정시스템(1)의 분류유닛(10)을 통해 미세먼지(F)가 분류되어 포집되는 포집효율이 도시된다. 도 5를 참고하면, 상기 미세먼지(F)의 입경이 커질수록 저속유로(15)를 통해 포집되는 미세먼지(F)의 농도가 증가하였으며, 약 2.3㎛ 입경에서 50%의 포집 효율을 보인다. 즉, 2.3㎛ 이하의 제2미세먼지(F2)는 대부분 고속유로(16)로 이동하고, 2.3㎛ 이상인 제1미세먼지(F1)는 저속유로(15)로 이동함으로써, 미세먼지(F)의 분류가 이루어짐을 확인할 수 있다.

한편, 상기 분류된 미세먼지(F)의 제2미세먼지(F2)는 하전유닛(20)을 통해 전기적으로 하전된 후, 측정유닛(30)의 포집부(31)에 포집되어 측정한 개수농도(Particle number concentration) 결과가 도 6에 도시된다.

참고로, 상기 측정유닛(30)통해 측정되는 미세먼지(F)의 실시간 수농도는 하기 수학식 2에 의해 계산된다.

여기서, 상기 C는 입자 수농도(#/cm3), I는 전류(A), P·n은 입자 통과율·하전 수, Q는 유량(cm3/sec) 그리고, e는 단위 하전량(1.6 x 10-19C)이다.

도 6과 같이, 종래의 대형 광역 예보 시스템에서 측정한 미세먼지의 농도 측정 결과와, 본 발명에서 설명한 미세먼지 농도 측정시스템(1)를 통한 농도 측정 결과는 상호 유사하다. 이에 따라, 본 발명의 미세먼지 농도 측정시스템(1)이 일체형 멤스(MEMS) 제조공정을 통해 소형으로 제조되더라도, 기존의 대형 광역 예보 시스템과 유사한 측정 성능을 구현할 수 있다.

한편, 본 발명에서 설명하는 미세먼지 농도 측정시스템(1)은 자세히 도시되지 않았으나, 실내 화재 경보 시스템, 분산형 실내 공간 환경 모니터링 시스템 및 산업설비 등에 내장되어 주변환경의 초미세먼지를 포함한 미세먼지(F)의 발생을 제어하는 미세먼지 감지하는 시스템에 적용 가능하다. 즉, 본 발명에 의한 미세먼지 농도 측정시스템(1)은 실외뿐만 아니라, 미세먼지가 유입 및 발생 가능한 다양한 시설물 내에도 설치되어, 미세먼지(F)를 감시하는데 적용된다.

참고로, 본 발명에서 설명하는 미세먼지 농도 측정시스템(1)이 분류유닛(10), 하전유닛(20) 및 측정유닛(30)을 포함하는 것으로 꼭 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 미세먼지 농도 측정시스템(1)으로 미세먼지(F)가 유입되면 바로 하전되어 미세먼지(F)의 농도가 측정되는 변형예도 가능하다. 즉, 자세히 도시되지 않았으나, 미세먼지 농도 측정시스템(1)이 미세먼지(F)를 크기별로 분류하지 않고 하전 및 측정하는 것이다. 이 경우에도 하전유닛(20)과 측정유닛(30)은 상술한 구성과 동일한 구성을 가지고 멤스(MEMS) 공정을 통해 일괄 제조된다.

또한, 본 발명에서 설명하는 미세먼지 농도 측정시스템(1)이 분류유닛(10) 및 하전유닛(20)을 포함하여 미세먼지(F)를 분류한 후 미세먼지(F)의 농도를 측정하기 위해 하전시키는 또 다른 변형예도 가능하다. 이 경우에도, 상기 분류유닛(10) 및 하전유닛(20)은 멤스(MEMS) 공정을 통해 일괄 제조되는 미세먼지 분석 칩에 함께 마련된다.

이렇게 분류유닛(10) 및 하전유닛(20)이 멤스 공정에 의해 미세먼지 분석 칩에 마련됨으로써, 초소형의 미세먼지 분석칩을 대량 생산할 수 있게 된다. 이로 인해, 저가의 초소형 미세먼지 농도 측정장비를 제공할 수 있게 되어, 휴대성 향상에 따른 다양한 환경의 현장 분석에 적용 가능해진다. 또한, 상기 미세먼지(F)의 입자 농도에 따라 변화하는 전기적 신호의 감지를 실시간으로 계측할 수 있어서, 미세먼지(F)의 실시간 계측이 가능해진다. 아울러, 상기 분류유닛(10) 및 하전유닛(20)이 한 개로 소자화되고 바이오/화학 센서와의 높은 집적성을 가짐으로써, 향후 초미세먼지, 유해가스, 부유 미생물 등 다양한 오염물질 감지에도 적용될 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 미세먼지 농도 측정시스템 10: 분류유닛
11: 가상 임팩터 12: 미세채널
13: 노즐 14: 유입구
15: 저속유로 16: 고속유로
20: 하전유닛 21: 고전압 변환회로
22: 제1전극 23: 제2전극
30: 측정유닛 31: 포집부
32: 측정부 33: 전류증폭회로
34: 프로세서 모듈 F: 미세먼지

Claims

유입되는 미세먼지를 입경 2.5㎛ 보다 큰 제1미세먼지와 2.5㎛ 보다 작은 제2미세먼지로 공기 역학적으로 분류시키는 분류유닛;
상기 분류된 미세먼지의 입자를 전기적으로 하전시키는 하전유닛; 및
상기 하전된 미세먼지의 농도에 비례하는 유도전류 값으로 농도를 측정하는 측정유닛;
을 포함하며,
상기 분류유닛, 하전유닛 및 측정유닛은 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 공정으로 일괄 제조되는 미세먼지 분석 칩(chip)에 마련되고,
상기 분류유닛은 상기 미세먼지가 유입되는 노즐을 구비하는 미세채널(Micro channel)이 마련된 가상 임팩터(virtual impactor)를 이용하여, 관성력으로 상기 미세먼지를 크기별로 분류시키며,
상기 미세채널의 노즐은, 상기 미세먼지가 유입되는 유입구, 상기 유입구와 마주하도록 상기 유입구에 대해 직선으로 연장되어 상기 제1미세먼지가 유입되는 저속유로(minor flow) 및, 상기 유입구와 저속유로에 대해 수직하게 연장되어 상기 제2미세먼지가 유입되는 고속유로(major flow)를 포함하며,
상기 측정유닛은 상기 분류되어 하전된 상기 제2미세먼지를 전도성 필터로 포집하는 포집부와, 상기 포집부로 포집된 상기 제2미세먼지로 유도전류를 발생시켜, 측정된 유도전류 값으로 상기 제2미세먼지의 농도를 측정하는 측정부를 포함하여, 상기 측정유닛에 의해 측정되는 상기 미세먼지의 실시간 수농도는 하기 수학식에 의해 계산되되,

여기서, 상기 C는 입자 수농도(#/cm3), I는 전류(A), P·n은 입자 통과율·하전 수, Q는 유량(cm3/sec) 그리고, e는 단위 하전량(1.6 x 10-19C)이며,
상기 하전유닛은, 상호 마주하는 제1 및 제2전극 사이에 코로나 방전(Corona discharge)을 형성시켜 상기 미세먼지의 입자를 하전시키고,
상기 코로나 방전에 의한 상기 제2미세먼지의 농도는 하기 수학식에 의해 계산되되,

여기서, Ni는 생성 이온의 농도, Ic는 코로나 전류, e는 전자의 전하량(1.6*10-19C), Z(+)는 양이온의 이동도(1.4*10-14m2V-1s-1), E는 전기장 크기, 그리고, A는 접지 전극의 넓이인 미세먼지 농도 측정시스템.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 포집된 상기 제2미세먼지 내의 하전된 입자에 의해 유도되는 미세 전류를 전압 형태로 변환시키는 전류증폭회로; 및
상기 변환된 전압 형태의 신호를 디지털 신호로 변환시키는 프로세서 모듈;
을 포함하는 미세먼지 농도 측정시스템.
제4항에 있어서,
상기 프로세서 모듈과 무선으로 연결되는 무선 송수신 모듈을 포함하고,
상기 무선 송수신 모듈은 상기 측정부에 의해 측정된 상기 미세먼지의 데이터를 외부로 무선 송신하고 외부로부터 입력된 제어신호를 무선 수신하며,
상기 무선 송수신 모듈을 통해 수신된 상기 제어신호에 따라 상기 프로세서 모듈은 상기 하전유닛의 하전을 제어하는 미세먼지 농도 측정시스템.
제1항에 있어서,
상기 측정유닛은 상기 측정된 미세먼지의 농도값을 표시하는 표시부를 더 포함하는 미세먼지 농도 측정시스템.
제1항에 있어서,
실내 화재경보시스템, 분산형 실내 공간 환경 모니터링 시스템 및 산업시설에 설치되어, 주변 환경의 상기 미세먼지 발생을 감지하는 미세먼지 농도 측정시스템.
삭제
삭제