KR102263744B1 - 레이저 회절방식을 이용한 입자분석기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입자분석기에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기는, 입자가 포함된 시료(1)가 유동하면서 분산되는 중공형 분산관(10), 내부가 분산관(10)의 내부와 소통되도록, 분산관(10)에 결합되는 하우징(20), 하우징(20)의 내부에 배치되고, 분산된 시료(1)에 입사광(IL)을 조사하는 광원(30), 하우징(20)의 내부에 배치되고, 입사광(IL)이 시료(1)에 의해 산란된 산란광(SL)을 수신하며, 산란광(SL)에 기초하여 회절 패턴 이미지를 생성하는 카메라(40), 하우징(20) 내 입사광(IL) 및 산란광(SL)의 진행 경로 상에 배치되는 렌즈(50), 렌즈(50)의 가장자리를 둘러싸고, 조명광을 조사하는 조명유닛(60), 회절 패턴 이미지를 수신하고, 수신된 회절 패턴 이미지를 기초로 입자의 크기 정보를 생성하는 입조 분석부(70), 회절 패턴 이미지를 입력으로, 입자의 형태 정보를 출력하도록 기계 학습된 학습모델을 포함하여, 입자의 형태 정보를 생성하는 입자 형태 분석부(80), 입조 분석부(70)에서 생성된 입자의 크기 정보로부터 입자의 크기 정보와 기설정된 입도 임계범위를 비교하여, 입자의 크기 정보가 입도 임계범위에 속하는지를 판단하는 입도 관리부(90), 입도 관리부(90)에서 입자의 크기 정보가 입도 임계범위를 벗어나는 것으로 판단한 경우에, 관리입도 기준 이탈 상황 정보를 생성하는 상황 관리부(100), 및 생성된 입자의 크기 정보, 입자의 형태 정보, 및 관리입도 기준 이탈 상황 정보를, 관리자의 관제시스템에 전송하는 통신모듈(110)을 포함한다.
Description
본 발명은 레이저 회절방식을 이용한 입자분석기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 회절방식을 이용하면서 인공지능이 적용된 생산 현장형 연속적 실시간 입자 분석이 가능한 입자분석기에 관한 것이다.
입도 분포, 형상의 측정은 제조 공정 취급 조작의 모든 분야(예를 들면, 분급, 분쇄, 성형, 혼합 등)에 1차적으로 영향을 주는 특성으로, 그 물성치를 가늠하는 잣대의 역할을 한다. 분립체의 특성으로는, 불연속적인 물체의 집단으로서 균일체 유체의 물성(예: 밀도)과는 다르고, 세분화, 즉 분쇄하면 비표면적이 증가하며, 미세 분말입자는 응집성이 있다. 그리고 물성치의 측정이 어렵고, 분체의 거동을 설명하는 현상들이 통계학으로 표현되어야 한다는 특성도 있다.
이와 관련하여, 광회절 입도분석기는 입자상태(aerosols, suspensions, emulsions, spray 등)의 입도 분포를 분석하는 기기로 각광받고 있다. 광회절 이론은 개별입자를 낱낱이 측정하여 통계하는 방식이 아닌, 입자 집단을 유동화시켜 유동상태의 입자집단에 직접 광학적인 방법을 적용하여, 대량의 시료의 입자 정보를 매우 신속히 얻을 수 있는 기술로 대부분의 산업에서 입도 측정법의 표준방법으로 사용되고 있다.
구체적으로, 입자와 광원의 상호반응 중의 한 결과인 레이저광의 회절 패턴의 광량신호를 각도별 여러 개의 채널로 나뉘어진 광전자증배관(Photo Multiplier Tube: PMT)을 이용하여 얻고, 그 얻어진 신호를 Fraunhofer 또는 Mie 이론에 의하여 수학적으로 표현하여 입자분포를 구하게 된다.
다만, 사용되는 다채널 광전자반도체센서, Multi Element Semiconductor Photo Detector 등은 그 장치의 가격뿐만 아니라, 신호를 수치화함에 있어서 다양한 추가 장치와 별도의 기술을 요하므로, 많은 비용이 소요되는 문제가 있다. 또한, 대부분의 광회절 입도분석기는 실험실에서 주로 취급되도록 설계되어 생산현장에 적용하기 어렵고, 기능적으로 입자의 크기 측정에 집중되어 있기 때문에 입자의 형태 정보를 취득하는데도 한계가 있다.
이에 종래 광회절 입도분석기의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 시료가 지나가는 유로와 시료에 함유된 입자의 크기를 측정하는 광회절 분석 기반 측정부가 결합되고, 초고속 디지털 액티브 픽셀(high speed digital active pixel) 카메라에 의해 광회절 분석이 수행되며, 입자의 형태에 따른 회절 패턴이 인공지능 프로그램에 의해 학습되어 입자의 계측 및 제어가 이루어지고, 외부 관제시스템에 취득된 입자 분석 정보를 전송할 수 있는 입자분석기를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 입자분석기는 입자가 포함된 시료가 유동하면서 분산되는 중공형 분산관; 내부가 상기 분산관의 내부와 소통되도록, 상기 분산관에 결합되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 배치되고, 분산된 상기 시료에 입사광을 조사하는 광원; 상기 하우징의 내부에 배치되고, 상기 입사광이 상기 시료에 의해 산란된 산란광을 수신하며, 상기 산란광에 기초하여 회절 패턴 이미지를 생성하는 카메라; 상기 하우징 내 상기 입사광 및 상기 산란광의 진행 경로 상에 배치되는 렌즈; 상기 렌즈의 가장자리를 둘러싸고, 조명광을 조사하는 조명유닛; 상기 회절 패턴 이미지를 수신하고, 수신된 상기 회절 패턴 이미지를 기초로 상기 입자의 크기 정보를 생성하는 입도 분석부; 상기 회절 패턴 이미지를 입력으로, 상기 입자의 형태 정보를 출력하도록 기계 학습된 학습모델을 포함하여, 상기 입자의 형태 정보를 생성하는 입자 형태 분석부; 상기 입도 분석부에서 생성된 상기 입자의 크기 정보와 기설정된 입도 임계범위를 비교하여, 상기 입자의 크기 정보가 상기 입도 임계범위에 속하는지를 판단하는 입도 관리부; 상기 입도 관리부에서 상기 입자의 크기 정보가 상기 입도 임계범위를 벗어나는 것으로 판단한 경우에, 관리입도 기준 이탈 상황 정보를 생성하는 상황 관리부; 및 생성된 상기 입자의 크기 정보, 상기 입자의 형태 정보, 및 상기 관리입도 기준 이탈 상황 정보를 관리자의 관제시스템에 전송하는 통신모듈;을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 분산관과 소통되는 상기 하우징의 개구부를 폐쇄하되, 상기 입사광, 및 상기 산란광을 투과시키는 광투과 부재;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 카메라는 CCD 카메라일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 분산관은, 상기 시료가 유입되어 유동하는 유동 영역, 및 상기 시료가 분산되는 분산 영역을 구비하며, 상기 유동 영역에 배치되고, 유동하는 상기 시료에 와류를 발생시키는 와류 발생부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 와류 발생부는, 상기 시료의 유동 흐름을 변경하는 적어도 하나 이상의 와류 부재;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 와류 부재는, 구 형상의 중심 볼; 및 상기 중심 볼의 원호 방향을 따라 배열되는 복수의 보조 볼;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 와류 부재는, 상기 분산관의 내주면으로부터 각각 돌출되고, 소정의 간격으로 이격되며 나선방향을 따라 배열되는 다수의 돌기;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 시료를 수송하는 공정라인과 상기 유동 영역을 연결하여, 상기 공정라인을 따라 수송되는 상기 시료 중 일부를 상기 유동 영역으로 공급하는 제1 연결관; 및 상기 공정라인과 상기 분산 영역을 연결하여, 상기 유동 영역으로 유입된 상기 시료를 상기 공정라인으로 복귀시키는 제2 연결관;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 제1 연결관을 따라 수송되는 상기 시료를 상기 유동 영역으로 압송하는 압송장치;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 제1 연결관을 개폐하는 제1 밸브; 상기 제2 연결관을 개폐하는 제2 밸브; 및 상기 분산 영역 내에서 상기 시료가 분산될 때에는 상기 제2 연결관이 폐쇄되고, 상기 시료가 상기 공정라인으로 복귀될 때에는 상기 제1 연결관이 폐쇄되고 상기 제2 연결관이 개방되도록, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 제어하는 밸브 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기에 있어서, 상기 분산 영역은, 상기 유동 영역에서부터 상기 제2 연결관을 향하는 방향을 갈수록 직경이 점점 커질 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 시료가 지나가는 유로와, 시료에 함유된 입자의 크기를 측정하는 광회절 분석 기반 측정부가 결합됨으로써, 실험실 분석결과와 같은 수준으로 생산현장의 환경에서 연속적 실시간 입자 분석을 수행할 수 있고, 제어 및 통신 시스템을 통해 자동으로 입자 분석 정보를 외부 관제시스템에 전송할 수 있다.
또한, 초고속 디지털 액티브 픽셀(high speed digital active pixel) 카메라에 의해 광회절 분석이 수행되므로, 회절각도에 따른 픽셀번호의 부여를 통하여 초당 많은 횟수의 영상신호를 개별 픽셀별로 제공할 수 있는바, 종래 광전자 반도체 센서를 사용하는 방식에 비해 속도 및 분해능을 향상시킬 수 있다.
나아가, 입자의 형태에 따른 회절 패턴이 인공지능 프로그램에 의해 학습되어 입자의 계측 및 제어가 이루어지므로, 입도 뿐만 아니라 입자 형태에 관한 정보를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기의 단면도이다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 입자분석기의 일부를 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자분석기의 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 분산관의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 입자분석기의 일부를 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자분석기의 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 분산관의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 입자분석기는, 입자가 포함된 시료(1)가 유동하면서 분산되는 중공형 분산관(10), 내부가 분산관(10)의 내부와 소통되도록, 분산관(10)에 결합되는 하우징(20), 하우징(20)의 내부에 배치되고, 분산된 시료(1)에 입사광(IL)을 조사하는 광원(30), 하우징(20)의 내부에 배치되고, 입사광(IL)이 시료(1)에 의해 산란된 산란광(SL)을 수신하며, 산란광(SL)에 기초하여 회절 패턴 이미지를 생성하는 카메라(40), 하우징(20) 내 입사광(IL) 및 산란광(SL)의 진행 경로 상에 배치되는 렌즈(50), 렌즈(50)의 가장자리를 둘러싸고, 조명광을 조사하는 조명유닛(60), 회절 패턴 이미지를 수신하고, 수신된 회절 패턴 이미지를 기초로 입자의 크기 정보를 생성하는 입도 분석부(70), 회절 패턴 이미지를 입력으로, 입자의 형태 정보를 출력하도록 기계 학습된 학습모델을 포함하여, 입자의 형태 정보를 생성하는 입자 형태 분석부(80), 입도 분석부(70)에서 생성된 입자의 크기 정보로부터 입자의 크기 정보와 기설정된 입도 임계범위를 비교하여, 입자의 크기 정보가 입도 임계범위에 속하는지를 판단하는 입도 관리부(90), 입도 관리부(90)에서 입자의 크기 정보가 입도 임계범위를 벗어나는 것으로 판단한 경우에, 관리입도 기준 이탈 상황 정보를 생성하는 상황 관리부(100), 및 생성된 입자의 크기 정보, 입자의 형태 정보, 및 관리입도 기준 이탈 상황 정보를 관리자의 관제시스템에 전송하는 통신모듈(110)을 포함한다.
본 발명은 입자를 분석하는 입자분석기에 관한 것으로서, 생산현장에서 적용이 어렵고 입자 분석 속도 및 분해능이 떨어지며 입자 형태에 관한 정보를 취득할 수 없는 종래 광학적 입도분석기의 문제점을 해결하고자 안출되었다.
구체적으로, 본 발명에 따른 입자분석기는 분산관(10), 하우징(20), 광원(30), 카메라(40), 렌즈(50), 조명유닛(60), 입도 분석부(70), 입자 형태 분석부(80), 입도 관리부(90), 상황 관리부(100), 및 통신모듈(110)을 포함한다.
분산관(10)은 내부에 중공을 구비한 중공형 관로 형태로 형성되고, 그 중공 내부를 따라 시료(1)가 유동한다. 시료(1)에는 분석 대상인 입자가 포함되고, 파우더 또는 용액 상태로 분산관(10)을 따라 유동할 수 있다. 유동되는 시료(1)는 분산관(10)의 내부 영역에서 흩어지고, 이에 따라 입자도 분산된다.
하우징(20)은 내부에 광원(30), 카메라(40), 렌즈(50), 조명유닛(60) 등을 수용한다. 이러한 하우징(20)은 분산관(10)에 결합되는데, 그 내부가 분산관(10)의 일영역 내부와 소통된다. 즉, 서로 결합된 하우징(20)과 분산관(10)은 서로를 연통시키는 통로에 의해 소통된다. 그 통로를 통해, 분산된 입자를 향해 광원(30)에서 조사된 광인 입사광(IL), 및 그 입사광(IL)이 시료(1)에 의해 산란된 산란광(SL)이 진행된다. 따라서, 상기 통로는 시료(1)가 분산되는 분산관(10)의 내부 영역에 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 분산관(10)과 소통되는 하우징(20)의 개구부는 광투과 부재(120)에 의해 폐쇄될 수 있다. 입사광(IL) 및 산란광(SL)은 광투과 부재(120)를 투과할 수 있지만, 시료(1)는 광투과 부재(120)에 의해 차단되므로 하우징(20) 내부로 유입되지 않는다.
광원(30)은 광을 생성하고, 분산된 시료(1)에 입사광(IL)을 조사한다. 광원(30)의 일례로, 레이저 광원(30)을 들 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 조사된 입사광(IL)은 시료(1)에 의해 산란되어, 산란광(SL)으로서 카메라(40)에 의해 수신된다.
카메라(40)는 상기 산란광(SL)을 수신하고, 그 산란광(SL)에 기초하여 회절 패턴 이미지를 생성한다. 회절 패턴 이미지는 입자의 크기 정보를 생성하는 기반이 된다. 카메라(40)는 개별픽셀의 영상정보를 제공하는 액티브 픽셀(active pixel) 카메라(40)로서, 회절각도에 따른 픽셀번호의 부여를 통하여 초당 많은 횟수의 영상신호를 개별 픽셀별로 제공할 수 있다. 일 실시예에 따른 카메라(40)는 CCD 카메라일 수 있다. 카메라(40) 및 광원(30)은 하우징(20)의 내부에 배치되므로, 광원(30), 입자, 카메라(40)가 직선 상에 배치되는 정면회절 측정이 아니라, 반사회절 측정 기법이 적용된다.
렌즈(50)는 광원(30)에서 조사된 광이 입자에 집중되도록 유도한다. 이러한 렌즈(50)는 상기 입사광(IL)과 산란광(SL)의 진행 경로 상에 배치된다. 결국, 광원(30)에서 조사된 입사광(IL)은 렌즈(50)를 통해 분산된 시료(1)의 입자로 입사되고, 입자에 의해 산란된 산란광(SL)은 다시 렌즈(50)를 거쳐 카메라(40)에 수신된다.
조명유닛(60)은 조명광을 조사하는 광조사 장치로서, 렌즈(50)의 가장자리를 둘러싸도록 배치된다. 따라서, 입사광(IL)과 산란광(SL)의 진행에 있어, 조명유닛(60)이 방해가 되지는 않는다.
입도 분석부(70)는 카메라(40)로부터 회절 패턴 이미지를 수신하여, 그 회절 패턴 이미지를 기초로 시료(1)에 포함된 입자 각각의 크기 정보를 생성한다. 여기서, 입자의 분포 정보를 추가적으로 생성할 수도 있다. 입자의 크기 정보는 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절 이론에 기초한 제1 분석 방식을 적용하여 생성할 수 있다. 또한, 시료(1)에 포함된 입자의 유형과 연계된 광학 정보를 수신하면, Mie 이론에 기초한 제2 분석 방식을 적용하여, 입자 각각의 크기 정보 및 입자의 분포 정보를 생성할 수도 있다. 여기서, 입자의 유형과 연계된 광학 정보는, 시료(1)에 포함된 입자의 굴절율 및 흡수 계수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여러 크기의 입자가 섞여 있는 입자 집단에 광이 조사될 때에 넓은 분포에서 회절 패턴이 생성되고, 그 회절 패턴에 회절 각도와 입자 크기와의 상관관계를 적용하면 광량을 통해 입자의 크기 및 입자의 분포에 대한 정보를 얻을 수 있다.
프라운호퍼 회절은 광원 및 관측면이 회절 물체에 대하여 다같이 무한원에 있을 발생하는 회절 현상으로, 파원 또는 관측점이 파동을 회절하게 하는 것에서 무한히 멀리 떨어져 있을 때에 일어나는 회절을 의미한다. 이러한 프라운호퍼 회절을 적용하여 입도 분석부(70)가 카메라(40)에서 생성된 회절 패턴 이미지로부터 획득된 광 세기 분포(Light Intensity Distribution)를 입도 분포 정보로 변환함으로써, 입자 크기 정보를 생성할 수 있다.
Mie 이론은 입자 크기에 상관없이 일반적으로 적용될 수 있는 구형입자와 전자기파와의 산란을 설명하는 이론으로, 무지개, 코로나, 그림자광륜(glory) 등의 대기에서 발생하는 광학적 현상들을 자세히 설명할 수 있다. Mie 이론에는 전자기파의 입사, 산란 및 내부장 묘사를 위해 맥스웰(Maxwell) 방정식이 활용되며 산란 단면, 유효인자, 산란 강도 및 위상 등을 유도한다. 특히, Mie 이론은 먼지, 스모그 등의 에어로졸 입자와 같이 입자의 크기가 태양 복사의 파장과 비슷한 규모이거나, 구름입자, 빗방울 등과 같이 입자의 크기가 태양복사의 파장보다 큰 경우에는 레일리 산란보다 더욱 복잡한 미 산란(Mie scattering)을 따르게 된다. 입도 분석부(70)는 제2 분석 방식에 따라, 광학 정보 및 회절 패턴 이미지에 기초하여 산란 행렬을 계산하고, 산란 행렬에 기초하여 입자 각각의 크기 정보 및 상기 입자의 분포 정보를 생성할 수 있다.
일 실시예로, 입도 분석부(70)는 제1 분석 방식을 적용하여 획득된 입자 각각의 크기 정보의 평균이 기설정된 임계 크기 미만인지 여부를 판단할 수 있고, 입자의 크기 평균이 기설정된 임계 크기 미만이면, 제2 분석 방식을 적용하여 입자 각각의 크기 정보를 갱신하도록 동작할 수 있다.
입자 형태 분석부(80)는 기계 학습(machine learning)을 기반으로 입자의 형태 정보를 생성한다. 입자의 형태는 입자의 회절 패턴별로 다르게 나타난다. 따라서, 입자의 회절 패턴 이미지를 입력으로, 그 회절 패턴 이미지에 대응되는 입자의 형태 정보를 출력하도록 기계 학습된 학습모델을 이용해, 카메라(40)에서 생성된 회절 패턴 이미지를 적용하여 입자 각각의 형태 정보를 생성한다.
입도 관리부(90)는 입자의 제조 또는 응용 공정에서 분석 대상인 입자가 관리입도 기준에 부합하는지를 판단한다. 관리입도 기준은 입도 임계범위로서 기설정되고, 입도 분석부(70)에서 생성된 입자의 크기 정보와 입도 임계범위를 비교하여, 입자의 크기 정보가 그 입도 임계범위 내에 속하는지를 판단한다.
상황 관리부(100)는, 입자의 크기 정보가 관리입도 기준에 부합하지 않는 것, 즉 입자의 크기 정보가 상기 입도 임계범위를 벗어나는 것으로 입도 관리부(90)가 판단한 경우에, 관리입도 기준 이탈 상황 정보를 생성한다. 관리입도 기준 이탈 상황 정보는 입자의 크기 정보가 관리입도 기준에 부합하지 않음을 나타내는 정보로서, 상기 입자의 제조 또는 응용 공정이 비정상적 상황에 있음을 관리자에게 보고하는 정보이다.
통신모듈(110)은 입자의 분석 정보, 즉 입자의 크기 정보, 입자의 형태 정보, 및 관리입도 기준 이탈 상황 정보를 관리자의 관제시스템에 전송할 수 있는 유선 또는 무선 통신장치이다. 일 실시예로, RF 무선 송수신 모드를 적용하고, 아날로그 RF 처리단, 및 디지털/아날로그 신호처리단으로 구현될 수 있다.
전술한 입도 분석부(70), 입도 관리부(90), 및 상황 관리부(100)는 컴퓨팅 장치, 즉 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 일례로, 하우징(20) 내부에 위치한 디지털 또는 아날로그 회로 형태로 구현되거나, 별도의 칩 또는 모듈로 구현되어 하우징(20)에 연결될 수 있으며, SRAM과 같은 내장 메모리나 플로피 디스크, 컴팩트 디스크, USB 등과 같은 외장 메모리에 소프트웨어를 저장하고 실행하는 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 사용자에 의해 프로그램될 수 있는 형태로 구현될 수도 있다.
종합적으로, 본 발명에 따른 입자분석기에 의하면, 시료(1)가 지나가고 분산되는 분산관(10)과, 시료(1)에 함유된 입자의 크기를 측정하는 광회절 분석 기반 측정부가 결합됨으로써, 실험실 분석결과와 같은 수준으로 생산현장의 환경에서 연속적 실시간 입자 분석을 수행할 수 있고, 제어 및 통신 시스템을 통해 자동으로 입자 분석 정보를 외부 관제시스템에 전송할 수 있다. 또한, 초고속 디지털 액티브 픽셀(high speed digital active pixel) 카메라(40)에 의해 광회절 분석이 수행되므로, 회절각도에 따른 픽셀번호의 부여를 통하여 초당 많은 횟수의 영상신호를 개별 픽셀별로 제공할 수 있는바, 종래 광전자 반도체 센서를 사용하는 방식에 비해 속도 및 분해능을 향상시킬 수 있다. 나아가, 입자의 형태에 따른 회절 패턴이 인공지능 프로그램에 의해 학습되어 입자의 계측 및 제어가 이루어지므로, 입도 뿐만 아니라 입자 형태에 관한 정보를 얻을 수 있다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 입자분석기의 일부를 절단한 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 입자분석기는, 시료(1) 내 입자를 효과적으로 분산시키기 위하여, 와류 발생부(130)를 더 포함할 수 있다. 시료(1) 내에는 서로 다른 크기 및 형태의 입자들이 혼재되어 있으므로, 신뢰도 있는 입자 분석을 위해서는 입사광이 조사되는 영역에서 시료(1)의 분산이 중요하다. 이에, 본 발명에서는 와류 발생부(130)를 통해 분산관(10)을 따라 유동하는 시료(1)에 와류를 발생시킬 수 있다.
여기서, 분산관(10)은 시료(1)가 유입되어 유동하는 유동 영역(11), 및 시료(1)가 분산되는 분산 영역(13)을 구비할 수 있다. 유동 영역(11) 및 분산 영역(13)은 분산관(10)의 내부 영역을 구분한 것으로서, 시료(1)의 진행 방향에 따라 순차적으로 유동 영역(11)과 분산 영역(13)으로 나뉜다. 따라서, 시료(1)는 유동 영역(11)을 거쳐 분산 영역(13)으로 이동하게 된다.
와류 발생부(130)는 분산관(10)의 유동 영역(11)에 배치되고, 시료(1)의 유동 흐름을 변경하는 적어도 하나 이상의 와류 부재(131)를 포함한다.
도 3을 참고로, 일 실시예에 따른 와류 부재(131)는 구 형상의 중심 볼(132), 및 다수의 보조 볼(133)을 포함할 수 있다. 여기서, 보조 볼(133)은 구 형상으로 제공될 수 있다. 다수의 보조 볼(133)은 중심 볼(132)과 분산관(10)의 내주면 사이에 위치될 수 있다. 이때, 다수의 보조 볼(133)은 중심 볼(132)의 원호 방향을 따라 배열될 수 있다. 일례로, 보조 볼(133)은 시료(1)의 유동(진행) 방향과 수직한 방향으로 중심 볼(132)의 둘레를 따라 소정의 간격을 두고 배열될 수 있다. 이러한 와류 부재(131)는 고정 부재(134)에 의해 유동 영역(11)에 고정될 수 있다. 고정 부재(134)는 중심 볼(132)과 분산관(10)을 연결하는 복수의 연결끈이나 연결대 등일 수 있다. 이러한 고정 부재(134)는 중심 볼(132)의 둘레를 따라 일정 간격을 두고 배열되고, 보조 볼(133)은 각각의 고정 부재(134)에 설치될 수 있다. 이때, 보조 볼(133)은 고정 부재(134) 상에 고정 설치되거나, 회동 가능하게 설치될 수 있다.
도 4를 참고로, 다른 실시예에 따른 와류 부재(131)는 다수의 돌기(135)를 포함할 수 있다. 각각의 돌기(135)는 분산관(10)의 내주면으로부터 돌출되되, 나선방향을 따라 소정의 간격으로 이격되도록 배열될 수 있다. 여기서, 시료(1)는 돌기(135)의 나선형 배열을 따라 회전하게 된다. 또한, 시료(1)의 일부는 인접한 어느 하나의 돌기(135)와 다른 하나의 돌기(135) 사이의 틈새를 통과하게 된다. 이때, 틈새를 통과하는 시료(1)가 지그재그 형태로 흐르도록, 돌기(135)가 엇갈리게 배치될 수 있다. 즉, 종단면도를 기준으로, 사선 방향을 따라 형성된 다수의 열(L1, L2)이 나란하게 배치될 때에, 서로 근접하는 2개의 열(L1, L2) 사이에서, 그 중 어느 하나의 열(L1)에 인접 배열된 돌기(135a)와 돌기(135a) 사이의 틈새를 바라보도록, 다음 열(L2)의 돌기(135b)가 배치되는 것이다. 이 경우, 분산관(10)의 유동 영역(11)에서, 지그재그 형태로 흐르면서 나선 방향으로 회전하며 와류를 형성하게 된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자분석기의 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자분석기는 제1 연결관(140), 및 제2 연결관(150)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 입자분석기는 입자의 제조 또는 응용 공정 상의 공정라인(3) 뿐만 아니라, 샘플링 루프에 설치되어 사용될 수 있다. 여기서, 제1 연결관(140), 및 제2 연결관(150)이 샘플링 루프를 구성하게 된다. 샘플링 루프는 공정라인(3)을 따라 수송되는 시료(1) 중 일부를 우회시킨 후 다시 복귀시키는 바이패스 관로로서, 제1 연결관(140)은 공정라인(3)과 유동 영역(11)을 연결함으로써 시료(1)를 확보하여 유동 영역(11)으로 공급하고, 제2 연결관(150)은 공정라인(3)과 분산 영역(13)을 연결하여 유동 영역(11)으로 유입된 시료(1), 즉 분석이 완료된 시료(1)를 다시 공정라인(3)으로 복귀시킨다.
여기서, 제1 연결관(140)을 따라 수송되는 시료(1)는, 압송장치(160)에 의해 유동 영역(11)으로 압송될 수 있다. 압송장치(160)는 강제로 시료(1)를 유동시키는 장치로서, 일례로 펌프, 송풍기 등일 수 있다.
또한, 제1 연결관(140)을 개폐하는 제1 밸브(170), 제2 연결관(150)을 개폐하는 제2 밸브(180), 및 제1 밸브(170)와 제2 밸브(180)의 작동을 제어하는 밸브 제어부(190)가 더 포함될 수 있다. 밸브 제어부(190)는, 분산 영역(13) 내에서 시료(1)가 분산될 때에는 제2 연결관(150)이 폐쇄되도록 제2 밸브(180)를 작동시킬 수 있다. 한편, 시료(1)가 공정라인(3)으로 복귀될 때에는 제1 연결관(140)이 폐쇄되고 제2 연결관(150)이 개방되도록, 제1 밸브(170) 및 제2 밸브(180)를 제어할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 분산관(10)의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
분산관(10)의 내외부 형태에 특별한 제한이 있는 것은 아니나, 일 실시예로 유동 영역(11)에서부터 제2 연결관(150)을 향하는 방향으로 갈수록, 분산 영역(13)의 직경이 점점 커지도록 형성될 수 있다. 이러한 나팔형 분산 영역(13)의 형태는 시료(1)가 분산되는 형태에 대응되므로 효과적인 시료(1) 분산을 달성할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 시료 3: 공정라인
10: 분산관 11: 유동 영역
13: 분산 영역 20: 하우징
30: 광원 40: 카메라
50: 렌즈 60: 조명유닛
70: 입도 분석부 80: 입자 형태 분석부
90: 입도 관리부 100: 상황 관리부
110: 통신모듈 120: 광투과 부재
130: 와류 발생부 131: 와류 부재
132: 중심 볼 133: 보조 볼
134: 고정 부재 135: 돌기
140: 제1 연결관 150: 제2 연결관
160: 압송장치 170: 제1 밸브
180: 제2 밸브 190: 밸브 제어부
10: 분산관 11: 유동 영역
13: 분산 영역 20: 하우징
30: 광원 40: 카메라
50: 렌즈 60: 조명유닛
70: 입도 분석부 80: 입자 형태 분석부
90: 입도 관리부 100: 상황 관리부
110: 통신모듈 120: 광투과 부재
130: 와류 발생부 131: 와류 부재
132: 중심 볼 133: 보조 볼
134: 고정 부재 135: 돌기
140: 제1 연결관 150: 제2 연결관
160: 압송장치 170: 제1 밸브
180: 제2 밸브 190: 밸브 제어부
Claims (11)
- 입자가 포함된 시료가 유동하면서 분산되는 중공형 분산관;
내부가 상기 분산관의 내부와 소통되도록, 상기 분산관에 결합되는 하우징;
상기 하우징의 내부에 배치되고, 분산된 상기 시료에 입사광을 조사하는 광원;
상기 하우징의 내부에 배치되고, 상기 입사광이 상기 시료에 의해 산란된 산란광을 수신하며, 상기 산란광에 기초하여 회절 패턴 이미지를 생성하는 카메라;
상기 하우징 내 상기 입사광 및 상기 산란광의 진행 경로 상에 배치되는 렌즈;
상기 렌즈의 가장자리를 둘러싸고, 조명광을 조사하는 조명유닛;
상기 회절 패턴 이미지를 수신하고, 수신된 상기 회절 패턴 이미지를 기초로 상기 입자의 크기 정보를 생성하는 입도 분석부;
상기 회절 패턴 이미지를 입력으로, 상기 입자의 형태 정보를 출력하도록 기계 학습된 학습모델을 포함하여, 상기 입자의 형태 정보를 생성하는 입자 형태 분석부;
상기 입도 분석부에서 생성된 상기 입자의 크기 정보와 기설정된 입도 임계범위를 비교하여, 상기 입자의 크기 정보가 상기 입도 임계범위에 속하는지를 판단하는 입도 관리부;
상기 입도 관리부에서 상기 입자의 크기 정보가 상기 입도 임계범위를 벗어나는 것으로 판단한 경우에, 관리입도 기준 이탈 상황 정보를 생성하는 상황 관리부; 및
생성된 상기 입자의 크기 정보, 상기 입자의 형태 정보, 및 상기 관리입도 기준 이탈 상황 정보를 관리자의 관제시스템에 전송하는 통신모듈;을 포함하고,
상기 분산관은, 상기 시료가 유입되어 유동하는 유동 영역, 및 상기 시료가 분산되는 분산 영역을 구비하며,
상기 유동 영역에 배치되고, 유동하는 상기 시료에 와류를 발생시키는 와류 발생부;를 더 포함하는 입자분석기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 분산관과 소통되는 상기 하우징의 개구부를 폐쇄하되, 상기 입사광, 및 상기 산란광을 투과시키는 광투과 부재;를 더 포함하는 입자분석기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 카메라는 CCD 카메라인 입자분석기.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 와류 발생부는,
상기 시료의 유동 흐름을 변경하는 적어도 하나 이상의 와류 부재;를 포함하는 입자분석기.
- 청구항 5에 있어서,
상기 와류 부재는,
구 형상의 중심 볼; 및
상기 중심 볼의 원호 방향을 따라 배열되는 복수의 보조 볼;을 포함하는 입자분석기.
- 청구항 5에 있어서,
상기 와류 부재는,
상기 분산관의 내주면으로부터 각각 돌출되고, 소정의 간격으로 이격되며 나선방향을 따라 배열되는 다수의 돌기;를 포함하는 입자분석기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 시료를 수송하는 공정라인과 상기 유동 영역을 연결하여, 상기 공정라인을 따라 수송되는 상기 시료 중 일부를 상기 유동 영역으로 공급하는 제1 연결관; 및
상기 공정라인과 상기 분산 영역을 연결하여, 상기 유동 영역으로 유입된 상기 시료를 상기 공정라인으로 복귀시키는 제2 연결관;을 더 포함하는 입자분석기.
- 청구항 8에 있어서,
상기 제1 연결관을 따라 수송되는 상기 시료를 상기 유동 영역으로 압송하는 압송장치;를 더 포함하는 입자분석기.
- 청구항 8에 있어서,
상기 제1 연결관을 개폐하는 제1 밸브;
상기 제2 연결관을 개폐하는 제2 밸브; 및
상기 분산 영역 내에서 상기 시료가 분산될 때에는 상기 제2 연결관이 폐쇄되고, 상기 시료가 상기 공정라인으로 복귀될 때에는 상기 제1 연결관이 폐쇄되고 상기 제2 연결관이 개방되도록, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 제어하는 밸브 제어부;를 더 포함하는 입자분석기.
- 청구항 8에 있어서,
상기 분산 영역은, 상기 유동 영역에서부터 상기 제2 연결관을 향하는 방향을 갈수록 직경이 점점 커지는 입자분석기.
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| KR1020210028770A KR102263744B1 (ko) | 2021-03-04 | 2021-03-04 | 레이저 회절방식을 이용한 입자분석기 |
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