KR102232210B1 - 미세플라스틱 감지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세플라스틱 감지장치에 관한 것으로, 펌프에 의해 미세채널로 유입된 물에 자외선을 조사하고, 산란되는 자외선을 수광하여 산란된 자외선의 파장변화에 의해 미세플라스틱의 존재여부 및 종류와 크기를 구분할 수 있는 휴대형 미세플라스틱 감지장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

미세플라스틱 감지 장치{APPARATUS FOR DETECTING MICROPLASTICS}

본 발명은 액체 속에 포함된 미세플라스틱을 감지하는 기술에 관한 것이다.

플라스틱이 1950년대 대량생산되기 시작하면서 목재나 금속을 대체하는 재료로서 그 수요가 기하급수적으로 증가하기 시작했다. 2015년에는 전 세계 생산량이 83억톤에 이르렀는데, 이중 9%만이 재활용되고 12%는 소각되며 나머지 79%인 63억톤은 폐기되고 있는 실정이다.

이렇게 폐기된 플라스틱은 오랜 시간 물리적/화학적/생물학적 경로를 거쳐 분해되면서 미세플라스틱으로 변한다. 미세플라스틱(microplastics)이란 5mm 이하의 합성고분자 화합물을 의미하는데 썩거나 분해되지 않기 때문에 생태계를 위협하는 물질로 대두되고 있다. 최근에는 먹이사슬을 따라 해양생물의 체내에 축적된 미세플라스틱이 검출되고 있고, 정수 시설의 여과필터에서 걸러내지 못하는 1um보다 작은 미세플라스틱은 수돗물이나 생수 등 식수에 유입될 수 있으므로 사람의 체내에 유입되어 축적될 가능성도 무시할 수 없다.

따라서 미세플라스틱을 검출, 분석하기 위한 많은 방법들이 시도되어 왔다. 시료를 채취하여 전처리 과정을 거친 후 현미경을 이용하여 입자의 크기나 개수를 파악하는 정량적 분석방법이나, FT-IR(Fourier Transform Infrared spectroscopy)을 이용하여 입자의 분자구조 등을 파악하는 정성적 분석방법 등이 그것이다.

하지만 현미경을 이용하여 입자를 파악하는 종래의 광학식 입자계수기로는 시료 내에 존재하는 전체 입자의 개수만 파악할 수 있기 때문에, PP(Poly Propylene), PE(Poly Ethylene), PO(Poly Olefin) 등의 유기물로 구성된 미세플라스틱 입자만을 무기입자와 분리하여 파악하는 것이 불가능하다. 또한, 푸리에변환 적외선 분광법(FT-IR)은 고가의 장비와 이를 다룰 수 있는 숙련된 전문가가 필요하며 정제 등과 같은 전처리 과정을 거쳐야 하기 때문에 널리 이용되기 어렵다는 문제가 있으며, 그럼에도 불구하고 2μm 이하의 미세물질은 구분하지 못한다는 한계도 있다.

상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 물 속에 포함될 수 있는 유기입자인 미세플라스틱을 무기입자들과 구분하여 파악하는 것을 목적으로 한다.

또한, 종래기술과 같은 고가의 장비나 전문인력 없이도 간편하게 휴대형으로 미세플라스틱을 감지할 수 있는 장치를 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

본 발명에 따른 휴대형 미세플라스틱 감지장치는, 액체가 유입되는 유입구와 액체가 토출되는 토출구를 포함하며 액체가 흐르는 통로인 미세채널과, 상기 미세채널에 액체를 유입시키기 위한 펌프와, 상기 미세채널을 따라 흐르는 액체에 자외선을 조사하기 위한 광원과, 상기 액체를 통과한 자외선 및 산란된 빛을 수신하는 수광부 및 상기 수광부에 의해 수신된 산란광을 분석하여 액체에 포함된 미세플라스틱을 감지하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 광원에서 조사되는 자외선은 파장이 100나노미터 이상 280나노미터 이하인 UV-C(Ultraviolet C)인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 광원에서 조사되는 자외선은 파장이 200나노미터 이상 270나노미터 이하의 단일파장 자외선인 것이 좋다.

상기 광원에서 조사되는 자외선은 형광산란에 의해 발생되는 시간지연을 검출하기 위한 ns급 펄스 형태인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유입구 및 토출구와 연결되며 상기 유입구로 유입되는 액체를 보관하는 액체보관탱크를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 휴대형 미세플라스틱 감지장치에 의하면 고가의 장비나 전문인력 없이 간편한 휴대형 장비로 액체에 포함된 미세플라스틱을 감지할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 유기물로 구성된 미세플라스틱의 형광 현상을 이용하여 미세플라스틱을 감지하므로 미세플라스틱의 입자 수와 크기 및 종류까지 구분할 수 있는 장점이 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 휴대형 미세플라스틱 감지장치의 개략적인 구조도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 휴대형 미세플라스틱 감지장치에 포함된 감지부의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 휴대형 미세플라스틱 감지장치의 개략적인 구조도이다.
도 4는 본 발명의 휴대형 미세플라스틱 감지장치에 사용되는 형광현상을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 휴대형 미세플라스틱 감지장치에 의해 미세플라스틱 입자를 구분하는 한 예이다.
도 6은 본 발명의 휴대형 미세플라스틱 감지장치에 의해 구분되는 미세플라스틱 종류 별 형광파장의 예이다.
도 7은 본 발명의 휴대형 미세플라스틱 감지장치의 파장필터에 의해 형광산란 성분만 구분하는 한 예이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다

본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.

본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 감지 오차, 감지 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.

본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다.

도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 휴대형 미세플라스틱 감지장치의 개략적인 구조도이다.

본 발명에 따른 휴대형 미세플라스틱 감지장치(10)는 미세채널(110), 펌프(120) 및 감지부(130)를 포함하여 이루어진다.

미세채널(110)은 유입구(112)와 토출구(114)를 포함한다.

미세플라스틱을 포함하는 물 또는 다른 액체는 유입구(112)를 통해 들어와 미세채널(110)을 통과하여 토출구(114)로 빠져나간다.

펌프(120)는 유입구(112)를 통해 물을 유입시키고 유입된 물이 미세채널(110)을 순환할 수 있도록 한다.

감지부(130)는 미세채널(110)을 따라 흐르는 물에 자외선을 조사하면 발생하는 형광현상에 의해 물에 포함된 미세플라스틱을 감지한다.

도 2는 감지부(130)를 좀 더 자세히 나타낸 구조도이다.

감지부(130)는 자외선을 조사하기 위한 광원(132)과, 조사된 자외선 및 산란된 빛을 수신하는 수광부(134) 및 수신된 빛의 파장을 분석하여 미세플라스틱을 감지하는 제어부(136)를 포함한다. 수광부(134)는 산란된 빛을 보다 효과적으로 수신할 수 있도록 조사되는 자외선의 방향에 90도로 배치되는 것이 좋다.

광원(132)은 형광현상을 일으키기 위한 자외선을 미세채널(110)에 조사한다. 미세플라스틱이 파장이 짧은 자외선을 흡수한 다음 흡수된 자외선보다 긴 파장의 빛을 내는 현상을 형광현상이라 한다.

도 4는 본 발명에 이용되는 형광현상의 원리를 나타낸다.

파장이 짧은(높은 주파수, high frequency) 자외선이 미세플라스틱 입자에 흡수되면, 바닥상태(Ground state)에 있던 미세플라스틱 입자는 에너지가 높은 여기상태(Excited state)로 천이하게 된다. 미세플라스틱 입자는 흡수한 에너지를 열이나 진동 등 전자기파가 아닌 형태로 방출하고 여기상태에서 좀 더 낮은 상태로 천이한다. 미세플라스틱 입자는 다시 바닥상태로 천이하면서 빛을 내놓는데, 열이나 진동으로 일부 에너지를 방출한 상태이므로 흡수한 에너지보다 적은 에너지를 방출하게 되고 따라서 흡수한 자외선보다 긴 파장(낮은 주파수, low frequency)의 빛을 내놓는 것이다.

다시 도 2로 돌아가서, 형광현상을 일으키기 위해 광원(132)에서는 자외선을 발생시켜야 한다. 자외선은 파장이 10~400나노미터(nm)인 전자기파이다. 본 발명에서는 자외선 중에서도 파장이 100~280nm인 자외선 C(Ultraviolet C, UV-C)를 이용한다. 발명의 효과를 극대화하기 위해서는 파장이 200nm 이상 270nm 이하인 단일파장의 자외선 C를 사용하는 것이 좋다.

광원(132)에서 조사된 자외선 C는 미세채널(110)을 흐르는 물을 통과하여 수광부(134)에 의해 수집된다. 이때 광원(132)에서 출력되는 자외선 C는 사각파 형태의 ns급 펄스로 구성된다. 수광부(134)에는 파장필터가 더 포함되어 형광산란에 의해 발생하는 시간지연된 성분만 검출되도록 한다. 예를 들어 조사된 자외선의 파장이 266nm이고 형광산란 된 성분은 300nm이상의 파장이 발생한다면 280nm보다 짧은 파장의 빛이 통과할 수 없는 파장필터를 사용하는 것이다.

도 7은 파장필터를 통과한 형광성분의 예를 보여준다.

도 7의 (a)는 광원(132)에서 조사된 자외선 펄스를 나타내고, 도 7의 (b)는 형광산란된 성분이 포함된 자외선 펄스이며, 도 7의 (c)는 광원(132)에서 조사된 자외선 펄스를 파장필터를 이용하여 제거하고 남은 신호를 나타낸다. 이처럼 파장필터를 사용함으로써 형광산란된 성분만 남길 수 있다.

미세채널(110)을 흐르는 물에 미세플라스틱이 포함되어 있다면 자외선 C는 산란되어 형광현상을 일으키는 것이므로 수광부(134)에 의해 수집된 산란광을 분석하여 미세플라스틱의 유무와, 종류 및 크기를 감지할 수 있는 것이다. 미세채널(110)은 자외선을 흡수하지 않고 잘 투과시킬 수 있는 석영(Quartz)과 같은 재질을 사용하는 것이 좋다.

제어부(136)는 하나 이상의 프로세서 및 메모리를 포함하여 구성되고, 수광부(134)에 의해 수집된 산란광을 분석하여 미세플라스틱 입자의 종류 및 크기를 구분할 수 있다.

도 5 및 도 6은 미세플라스틱을 구분하는 원리를 나타낸다.

광원(132)에서 조사된 자외선 C가 미세플라스틱 입자에 의해 산란되면 형광현상이 발생하며 파장이 달라지므로 이에 의해 미세플라스틱 입자의 종류를 구분한다. 또한 미세플라스틱 입자의 크기가 커질수록 산란광의 에너지는 커지게 되므로 이에 의해 입자의 크기를 알아낸다.

도 5에서 미세플라스틱 입자에 의한 산란광(51, 52)은 그 에너지가 크기 때문에 지속시간(Life Time)이 w1로 길게 나타난다. 반면 형광현상이 발생하지 않는 무기물은 지속시간(w2)이 입력되는 광원의 지속시간(pulse 폭)과 거의 동일하게 나타나는 것이다.

도 6은 미세플라스틱 종류에 따라 달라지는 형광 파장의 예를 보여준다.

폴리에틸렌(Polyethylene)은 270nm의 파장을 가지는 자외선이 입사되어 296nm의 파장을 가지는 자외선이 방출되는 것을 도 6의 (a)에서 확인할 수 있다. 나머지 폴리스티렌(Polystyrene), PVC, 폴리프로필렌(Polypropylene)의 경우도 방출되는 자외선의 파장이 더 길어지는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 입자별로 달라지는 방출 파장에 의해 미세플라스틱 입자를 구분할 수 있는 것이다.

이와 같은 원리를 이용하여 제어부(136)는 산란광의 파장 변화에 의해 미세플라스틱 입자의 종류를 구분하고, 산란광의 에너지, 즉 지속시간을 분석하여 미세플라스틱 입자의 크기를 구분할 수 있다.

본 발명에 따른 휴대형 미세플라스틱 감지장치(10)의 유입구(112)와 토출구(114)를 정수장 등의 파이프에 연결하면 실시간으로 정수되는 물에 포함된 미세플라스틱을 감지할 수 있을 것이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 휴대형 미세플라스틱 감지장치의 구조도이다.

휴대형 미세플라스틱 감지장치(30)는 미세채널(210), 펌프(220), 감지부(230)를 포함하며, 물을 담아둘 수 있는 챔버(Chamber, 240)를 더 포함한다.

물 저장용 탱크인 챔버(240) 내의 물은 펌프(220)에 의해 유입구를 통해 미세채널(210)로 유입되고, 감지부(230)를 지나 토출구를 통해 다시 챔버(240)로 들어오게 된다.

감지부(230)는 자외선을 조사하여 형광현상에 의해 미세채널(210)을 흐르는 물에 포함된 미세플라스틱 입자를 감지하는 것은 앞서 설명한 구성과 같다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (4)

1. 액체가 유입되는 유입구와 액체가 토출되는 토출구를 포함하며 액체가 흐르는 통로인 미세채널과,
   상기 미세채널에 액체를 유입시키기 위한 펌프와,
   상기 미세채널을 따라 흐르는 액체에 자외선을 조사하기 위한 광원과,
   상기 액체를 통과한 자외선 및 산란된 빛을 수신하는 수광부 및
   상기 수광부에 의해 수신된 산란광을 분석하여 액체에 포함된 미세플라스틱을 감지하는 제어부를 포함하되,
   상기 광원에서 조사되는 자외선은 파장이 100나노미터 이상 280나노미터 이하인 UV-C(Ultraviolet C)이고,
   상기 미세채널은 석영 재질인 것을 특징으로 하는, 휴대형 미세플라스틱 감지장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 광원에서 조사되는 자외선은 형광산란에 의해 발생되는 시간지연을 검출하기 위한 ns급 펄스 형태인 것을 특징으로 하는, 휴대형 미세플라스틱 감지장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 유입구 및 토출구와 연결되며 상기 유입구로 유입되는 액체를 보관하는 액체보관탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 휴대형 미세플라스틱 감지장치.
   

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