KR102641561B1 - 미세먼지 질량 농도 측정 시스템 - Google Patents

미세먼지 질량 농도 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

고가의 장비 없이도 미세먼지의 질량 농도 측정이 가능한 미세먼지 질량 농도 측정 시스템에 관한 것이다. 미세먼지 질량 농도 측정 시스템은 PM 단말과, 캘리브레이터, 및 서버를 포함한다. PM 단말은 복수의 관심 지역에 각각 설치되며, 내부로 유입되는 미세먼지 입자를 전기적으로 하전시켜 포집하며, 포집된 미세먼지 입자의 유도전류 값을 측정한다. 캘리브레이터는 복수의 관심 지역에 선택적으로 설치되며, 내부로 유입되는 미세먼지의 밀도를 측정한다. 서버는 PM 단말 및 캘리브레이터로부터 미세먼지의 유도전류 값 및 밀도 값을 각각 실시간으로 수신하고, 미세먼지의 유도전류 값 및 밀도 값을 이용하여 각각의 관심 지역에 대한 미세먼지의 질량 농도를 산출한다.
본 발명은 2019~2020년도 중소벤처기업부의 창업성장기술개발사업(S2810910) 지원 "공기 중 나노입자모니터링을 위한 전기하전식 미세먼지 측정기 개발"을 통해 개발된 기술이다.

Description

미세먼지 질량 농도 측정 시스템{Mass concentration measuring system for fine partcles}
본 발명은 미세먼지 질량 농도 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관심 지역에 대한 미세먼지의 수농도 및 밀도를 측정하고 이를 이용하여 대기 중 미세먼지의 질량 농도를 산출함으로써 미세먼지 측정 값의 신뢰도가 향상된 미세먼지 질량 농도 측정 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 먼지는 총 부유 입자상 물질(TSP: Total Suspended Particles) 중 입자의 지름이 10㎛ 이하(PM10)인 미세먼지와, 입자의 지름이 2.5㎛ 이하(PM2.5)인 초미세먼지로 구분될 수 있다.
이러한 미세먼지는 발생원에서 직접 대기중에 배출되기도 하지만 가스상으로 배출된 기체의 상변화에 따라 2차 오염물질로 대기 중에서 생성되기도 한다. 따라서 대기 중 미세먼지의 조성은 발생원에 따라 다르다.
모래먼지, 나대지 등 흙에서 발생한 먼지는 무기물질, 미네랄 성분을 많이 함유하고 있으며, 연소에 의해 발생된 먼지는 검댕, 황화합물, 유기탄소, 미네랄성분, 미량의 중금속 등을 함유하고 있다. 그리고, 대기 중에서 2차로 생성된 미세먼지는 휘발성 유기화합물질이 준휘발성 유기화합물로 변화되어 황산화물(SOX)이나, 질소산화물(NOX), 수증기 등과 결합하여 생성된 것으로 유기탄소, 황화합물, 질소산화물 등이 함유되어 있다.
한국의 경우 먼지에 대한 대기환경기준은 시행 초기에 TSP를 환경기준물질로 운영하였으나, 1995년부터 PM10이 추가되어 TSP와 같이 운영되었으며, 2001년부터 PM10만 적용되고 있다. 그러나 2000년대 이후 대기오염물질 중 SO2, CO 등은 수년간 감소 추세를 보이고 있으나, NO2 등과 같이 자동차와 관련된 대기오염물질은 증가하거나 여전히 높은 농도를 보이고 있다.
미세먼지는 대도시지역의 체감 오염도와 밀접한 관련이 있으며, 특히 미세먼지에 함유된 중금속 및 유해성 물질은 직접적인 인체건강에 영향을 미칠 것으로 보고되고 있어 미국, WHO 등에서는 PM2.5가 인체에 미치는 유해성을 고려하여 PM2.5에 대한 대기환경기준을 설정하고 있다. 다른 나라에 비해 미세먼지의 농도 수준이 높은 우리나라의 경우, 인체 위해성을 고려한 대기질 관리의 필요성이 요구됨에 따라 2015년부터 PM2.5에 대한 대기환경기준을 설정하여 시행하고 있다.
한편, 종래에는 미세먼지에 의한 오염 정도를 측정하기 위하여 주로 광 산란 방식의 미세먼지 측정 장치를 주로 이용한다.
상기 광 산란 방식은 레이저광선을 이용하는 기술로, 레이저광선은 깨끗한 공기 중에서 일직선으로 직진하다 먼지 등과 만나게 되면 산란을 일으키게 되며, 산란된 입자(산란 광량)를 측정하여 입자의 분리 및 크기를 알 수 있는 구성이다. 즉, 레이저광선의 산란 횟수로 입자의 개수를 알 수 있고 산란 광량으로 먼지의 크기를 확인할 수 있는 것이다.
이처럼 광 산란 방식은 레이저광선의 산란 횟수로 입자의 개수를 알 수 있고 산란광량으로 먼지의 크기를 확인할 수 있어 센서의 펄스 신호를 가지고 프로그램 처리 하여 측정값을 보여주게 되는데, 레이저광선과 입자의 교차 구간 측정이 곤란하고 오차 범위가 너무 커 국내환경법규상으로는 사용하지 못하는 단점을 갖는다.
즉, 광 산란 방식은 입자 분리를 산란 광량으로 분리하긴 하나 미세먼지 입자의 밀도는 고려치 않고 입자의 크기만으로 분리하는 구성이어서 측정이 정밀하지 못하며, 서로 다른 종류로 이루어져 2가지 이상의 크기를 갖는 미세먼지를 한번에 측정하기 쉽지않은 문제가 있다.
또한, 광 산란 방식은 온도나 습도와 같은 외부 환경 변화에 취약하여 측정 결과의 오차 범위가 크기 때문에, 미세먼지 측정 장치의 신뢰도가 낮은 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 미세먼지의 수농도(number concentration) 측정이 가능한 미세먼지 측정 장치들이 개발되었으나, 현재 법적 규제 기준은 질량농도(mass concentration)이기 때문에, 미세먼지의 수농도를 측정한 후 측정된 수농도를 질량 농도로 환산하는 작업이 필수적으로 필요하다.
본 발명은 2019~2020년도 중소벤처기업부의 창업성장기술개발사업(S2810910) 지원 "공기 중 나노입자모니터링을 위한 전기하전식 미세먼지 측정기 개발"을 통해 개발된 기술이다.
본 발명의 과제는 관심 지역에 대한 미세먼지의 수농도 및 밀도를 측정하고 이를 이용하여 대기 중 미세먼지의 질량 농도를 산출함으로써, 고가의 장비 없이도 관심 지역에 대한 미세먼지의 질량 농도를 실시간으로 측정 가능한 미세먼지 질량 농도 측정 시스템을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 질량 농도 측정 시스템은 PM 단말과, 캘리브레이터, 및 서버를 포함한다. PM 단말은 복수의 관심 지역에 각각 설치되며, 내부로 유입되는 미세먼지 입자를 전기적으로 하전시켜 포집하며, 포집된 미세먼지 입자의 유도전류 값을 측정한다. 캘리브레이터는 복수의 관심 지역에 선택적으로 설치되며, 내부로 유입되는 미세먼지의 밀도를 측정한다. 서버는 PM 단말 및 캘리브레이터로부터 미세먼지의 유도전류 값 및 밀도 값을 각각 실시간으로 수신하고, 미세먼지의 유도전류 값 및 밀도 값을 이용하여 각각의 관심 지역에 대한 미세먼지의 질량 농도를 산출한다.
또한, 상기 PM 단말은 관성력을 이용하여 내부로 유입되는 미세먼지를 크기별로 분류하는 입자 분류부와, 분류된 미세먼지 입자를 전기적으로 하전하는 입자 하전부와, 하전된 미세먼지 입자를 포집하며, 포집된 미세먼지 입자의 전류 값을 측정하는 입자 측정부를 포함한다.
또한, 상기 입자 분류부는 임펙터(impactor)로 형성된다.
또한, 상기 입자 하전부는 상호 마주하는 제1 전극 및 제2 전극 사이에 코로나 방전(Corona discharge)을 형성시켜 미세먼지 입자를 하전시킨다.
또한, 상기 하전되는 미세먼지 입자의 입경은 2.5㎛ 보다 작을 수 있다.
또한, 상기 캘리브레이터는 유입되는 미세먼지를 하전시키는 제2 입자 하전부와, 하전된 미세먼지의 평균 전기이동도 입경을 측정하는 제1 입경 측정부와, 하전된 미세먼지의 평균 공기역학적 입경을 측정하는 제2 입경 측정부와, 평균 전기이동도 입경 및 평균 공기역학적 입경을 통해 평균 미세먼지 밀도를 산출하는 밀도 산출부를 포함한다.
또한, 상기 제2 입자 하전부는 상호 마주하는 제3 전극 및 제4 전극 사이에 코로나 방전(Corona discharge)을 형성시켜 미세먼지 입자를 하전시킨다.
또한, 제1 입경 측정부는 상호 마주하도록 배치되어 제1 수직전극 및 제2 수직전극을 포함하며, 제1 수직전극 및 제2 수직전극에 전류를 인가하여 일정 전기이동도 값 미만의 미세먼지를 포집한다.
또한, 상기 제2 입경 측정부는 제1 입경 측정부로부터 배출된 미세먼지가 유입되는 미세채널(Micro channel)이 마련되어, 관성력으로 공급된 미세먼지를 크기별로 분류시키는 임팩터(impactor)와, 분류된 미세먼지 중 일정 크기 이상의 입경을 갖는 미세먼지를 포집하는 수평전극과, 일정 크기 미만의 입경을 갖는 미세먼지를 포집하는 필터전극을 포함한다.
또한, 상기 평균 전기이동도 입경은 하기 수학식에 의해 측정될 수 있다.
또한, 상기 평균 공기역학적 입경은 하기 수학식에 의해 측정될 수 있다.
또한, 상기 캘리브레이터에 의해 측정되는 미세먼지의 밀도는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.
또한, 상기 제1 입경 측정부로부터 분류된 미세먼지의 입경은 2.5㎛ 보다 작게 형성될 수 있다.
또한, 상기 PM 단말 및 캘리브레이터는 선택된 복수의 관심 지역에 설치되며, 상기 PM 단말은 선택된 복수의 관심 지역에 각각 설치되고, 상기 캘리브레이터는 선택된 복수의 관심 지역 중 하나에 설치된다.
또한, 서버에 의해 측정되는 미세먼지의 질량 농도는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.
본 발명에 따르면, 미세먼지 질량 농도 측정 시스템은 관심 지역에 대한 미세먼지의 농도 및 밀도를 측정하고 이를 이용하여 질량 농도를 산출하므로, 고가의 장비를 필요로 하지 않는다. 즉, 종래에는 질량 농도의 산출을 위한 미세먼지의 밀도를 측정하기 위하여 미세먼지를 분류하는 DMA(differential mobility analyzer)와, 공기역학적 입경을 측정하기 위한 ELPI(electrical low pressure impactor) 등의 고가의 장비가 필요하였으나, 본 발명은 공기역학적으로 미세먼지를 분류하고, 일정 수학식을 통해 공기역학적 입경 및 질량 농도를 산출하므로 설치 비용을 줄일 수 있게 된다.
또한, 미세먼지의 측정을 위한 센서가 주변 환경에 민감한 광 산란 방식이 아니라, 전기적 하전을 통해 미세먼지의 질량 농도를 측정하므로 측정 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 서버는 PM 단말을 통해 미세먼지의 수농도에 따라 변하는 유도전류 값을 실시간으로 수신하고, 캘리브레이터를 통해 미세먼지의 밀도를 실시간으로 수신하므로, 보다 정확한 질량 농도의 산출이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 질량 농도 측정 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 PM 단말의 내부를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 1에 도시된 캘리브레이터의 내부를 개략적으로 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 미세먼지 질량 농도 측정 시스템에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 질량 농도 측정 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 PM 단말의 내부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 캘리브레이터의 내부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 미세먼지 질량 농도 측정 시스템(100)은 PM 단말(110)과, 캘리브레이터(120), 및 서버(130)를 포함한다.
PM 단말(110)은 내부로 유입되는 미세먼지 입자를 전기적으로 하전시켜 포집하고, 포집된 미세먼지 입자의 유도전류 값을 측정한다.
참고로, 본 실시예에서 설명하는 PM 단말(110)은 미세먼지(F)의 질량 농도를 측정하는 것으로서 보다 구체적으로는, 2.5㎛ 이하의 초미세먼지의 질량 농도를 측정하기 위한 것으로 예시하여 설명한다. 그러나, 반드시 이에 한정되지는 않으며, PM 단말(110)이 초미세먼지를 포함한 10㎛ 이하의 미세먼지(F)의 농도를 측정하는 것과 같은 다양한 변형 실시예가 가능함은 당연하다.
PM 단말(110)은 입자 분류부(111)와, 입자 하전부(112)와, 입자 측정부(113)를 포함할 수 있다.
입자 분류부(111)는 관성력을 이용하여 내부로 유입되는 미세먼지(F)를 크기별로 분류한다. 이를 위해, 입자 분류부(111)는 미세먼지(F)가 유입되는 미세채널(Micro channel)이 형성된 노즐(10)을 구비한 임펙터(impactor)로 형성될 수 있으며, 관성력으로 미세먼지(F) 입자를 크기별로 분류시킬 수 있다.
노즐(10)은 미세먼지(F)가 유입되는 유입구(11)와, 유입구(11)와 마주하도록 유입구(11)에 대해 직선으로 연장되도록 마련된 저속유로(12, minor flow) 및, 유입구(11)와 저속유로(12)에 대해 수직하게 연장되도록 마련된 고속유로(13, major flow)을 포함한다. 이러한 노즐(10)의 유입구(11)로 유입된 미세먼지(F) 중 크기가 큰 입자는 큰 관성으로 인해 직선운동을 유지하여 저속유로(12)로 이동되고, 크기가 작은 입자는 작은 관성으로 인해 미세먼지(F)의 분사방향으로부터 수직하게 한 쌍으로 마련된 고속유로(13)로 이동된다.
여기서, 상기 저속유로(12)로 유입되는 미세먼지(F)는 2.5㎛ 보다 큰 입경을 가지며 제1 미세먼지(F1)로 지칭한다. 또한, 상기 고속유로(13)로 유입되는 미세먼지(F)는 2.5㎛ 보다 작은 입경을 가지는 제2 미세먼지(F2)로 지칭한다. 참고로, 도 2의 도시와 같이, 유입된 미세먼지(F)의 총 유량(Q) 중 약 10%는 저속유로(12)로 직진하는 반면에, 약 90%는 직각방향의 고속유로(13)로 이동된다.
입자 하전부(112)는 분류된 제2 미세먼지(F2)의 입자를 전기적으로 하전시킨다. 입자 하전부(112)는 고전압 변환회로(23)로부터 인가된 고전압을 제2 미세먼지(F2)에 인가하여 코로나 방전(Corona discharge)에 의해 하전시킨다. 이를 위해, 입자 하전부(112)는 팁(Tip) 형상을 갖는 제1 전극(21)과, 제1 전극(21)으로부터 이격되어 마주하는 판 형상의 제2 전극(22)을 가지고, 고전압 변환회로(23)에 의해 전압을 인가받는다.
여기서, 제1 전극(21)은 단부에 전도성 금속으로 이루어진 방전부(24)가 형성되는 방전 전극이다. 이러한 제1 전극(21)은 고전압 변환회로(23)를 통해 직류(DC) 전압이 인가될 경우 팁 형상의 방전부(24)에서 코로나 방전(Corona discharge)이 발생되어, 유입된 제2 미세먼지(F2)의 입자를 양전하로 하전시킨다.
제2 전극(22)은 전도성 금속으로 이루어진 판 형상의 접지 전극으로써, 제1 전극(21)으로부터 일정거리 이격된 위치에 배치된다. 또한, 제2 전극(22)의 제1 전극(21)과 마주하는 면에는 일정 두께를 가지고 적층된 그라운드전극(25)이 마련된다. 참고로, 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)을 구성하는 전도성 금속물질은 구리(Cu)를 포함할 수 있다.
이러한 입자 하전부(112)는 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 직류 고전압(DC High Voltage)이 고전압 변환회로(23)를 통해 인가되면, 제1 전극(21)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)의 사이를 통과하는 제2 미세먼지(F2)의 입자에 부착되어 하전 입자를 형성한다. 제1 전극(21)에서 생성된 양이온은 팁 형상의 방전부(24)를 중심으로 제2 전극(22)의 그라운드전극(25)의 표면을 향해 반구 형태의 궤적을 그리면서 형성됨으로써, 코로나 방전을 형성시킨다.
입자 측정부(113)는 하전된 제2 미세먼지(F2) 입자를 포집하며, 포집된 제2 미세먼지(F2) 입자의 전류 값을 측정한다. 구체적으로, 입자 측정부(113)는 입자 하전부(112)의 제1 전극(21) 및 제2 전극(22) 사이를 통과한 제2 미세먼지(F2) 입자를 포집하는 포집부(31)와, 포집된 제2 미세먼지(F2) 입자의 전류값을 측정하는 측정부(32)를 포함할 수 있다.
포집부(31)는 전도성 필터로 형성될 수 있으며, 제2 미세먼지(F2)의 유동방향을 기준으로 입자 하전부(112)의 하류에 배치될 수 있다. 그리고, 측정부(32)는 포집부(31)로부터 포집된 제2 미세먼지(F2)로 유도전류를 발생시켜 유도전류 값을 측정할 수 있다.
한편, PM 단말(110)은 복수의 관심 지역에 각각 설치될 수 있다. 예를 들어, 10개의 동으로 이루어진 하나의 구에 PM 단말(110)을 설치하는 경우에는, PM 단말(110)을 10개 구비하여 각각의 동마다 PM 단말(110)을 하나씩 설치하는 것이다. 이에 따라, PM 단말(110)은 관심 지역인 10개의 동에 대한 제2 미세먼지(F2)의 유도전류 값을 측정하므로, 후술되는 서버(130)는 각 PM 단말(110)로부터 측정된 10개의 유도전류 값을 각각 수신할 수 있다.
캘리브레이터(120)는 복수의 관심 지역에 선택적으로 설치되며, 내부로 유입되는 미세먼지(F)의 평균 밀도를 측정한다. 여기서, 미세먼지(F) 평균 밀도(ρp)는 한 공간에 혼재하는 다양한 성분과 입경을 가지는 미세먼지(F)들의 평균 값으로써, 전기이동도 입경(de) 및 공기역학적 입경(da)을 이용하여 구할 수 있으며, 자세한 설명은 후술하기로 한다.
캘리브레이터(120)는 제2 입자 하전부(121)와, 제1 입경 측정부(122)와, 제2 입경 측정부(123), 및 밀도 산출부(124)를 포함할 수 있다.
제2 입자 하전부(121)는 유입되는 미세먼지(F) 입자를 전기적으로 하전시킨다. 이러한 제2 입자 하전부(121)는 상호 마주하는 제3 전극(121a) 및 제4 전극(121b) 사이에 코로나 방전(Corona discharge)을 형성시켜 미세먼지(F) 입자를 하전시키는 것으로, 구조 및 동작은 앞서 한 입자 하전부(112)와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제1 입경 측정부(122)는 하전된 미세먼지(F)의 평균 전기이동도 입경(de)을 측정하고, 제2 입경 측정부(123)는 하전된 미세먼지(F)의 평균 공기역학적 입경(da)을 측정할 수 있다. 이를 위해, 캘리브레이터(120)는 전기이동도 분석기(122)와, 제2 임팩터(123, impactor)를 포함할 수 있다.
전기이동도 분석기(122)는 제2 입자 하전부(121)로부터 하전된 미세먼지(F)를 공급받는 미세채널이 형성되며, 내벽에는 상호 마주하도록 배치된 제1 수직전극(122a) 및 제2 수직전극(122b)이 구비될 수 있다. 이에 따라, 제1 수직전극(122a) 및 제2 수직전극(122b)에 전류를 인가하면 공기의 흐름과 수직인 방향으로 전기장이 형성되어 전기이동도 입경이 작은 미세먼지(F)는 제1 수직전극(122a) 및 제2 수직전극(122b)에 포집되고, 전기이동도 입경이 큰 미세먼지(F)는 미세채널을 통과하게 된다. 여기서, 제1 수직전극(122a) 및 제2 수직전극(122b)에 포집되는 미세먼지는 2.5㎛ 보다 작은 입경은 가지며 제3 미세먼지(F3)로 지칭한다.
제2 임팩터(123)는 전기이동도 분석기(122)를 통과한 제3 미세먼지(F)를 공급받는 미세채널이 형성되며, 관성력으로 공급된 제3 미세먼지(F3)를 크기별로 분류 및 포집한다. 이를 위해, 제3 미세먼지(F3)가 유입되는 유입구(21)와 마주보는 위치에 수평전극(123a)이 배치되고, 수평전극(123a)의 하부에는 필터전극(123b)이 배치된다. 이에 따라, 공기역학적 입경이 큰 미세먼지(F4)는 관성력이 커서 유선을 이탈하여 수평전극(123a)에 포집되고, 관성력이 작은 미세먼지(F5)는 유선을 따라 필터전극(123b)에 포집된다. 여기서, 수평전극(123a)에 포집되는 미세먼지는 제4 미세먼지(F4)로 지칭하고, 필터전극(123b)에 포집되는 미세먼지는 제5 미세먼지(F5)로 지칭한다.
밀도 산출부(124)는 평균 전기이동도 입경(de) 및 평균 공기역학적 입경(da)을 통해 미세먼지(F)의 평균 밀도를 산출한다. 구체적으로, 밀도 산출부(124)는 아래의 수학식1을 통해 미세먼지(F)의 평균 밀도를 산출할 수 있다. 여기서, ρp는 미세먼지(F) 밀도를 의미하고, de는 전기이동도 입경을 의미하고, da는 공기역학적 입경을 의미하고, C는 커닝햄 미끌림 보정 상수를 의미하고, ρ0는 단위밀도(1g/㎤)를 의미한다.
[수학식1]
이때, 전기이동도 입경(de) 및 공기역학적 입경(da)은 제1 수직전극(122a) 및 제2 수직전극(122b), 수평전극(123a), 필터전극(123b)에 각각 포집된 미세먼지(F3, F4, F5)의 유도전류 값을 통해 산출될 수 있다. 구체적으로, 전기이동도 입경(de)은 하기 수학식2를 통해 산출될 수 있으며, 공기역학적 입경(da)은 하기 수학식3을 통해 산출될 수 있다.
[수학식2]
[수학식3]
서버(130)는 PM 단말(110) 및 캘리브레이터(120)로부터 미세먼지(F)의 유도전류 값 및 밀도 값을 각각 실시간으로 수신하고, 미세먼지(F)의 유도전류 값 및 밀도 값을 이용하여 각각의 관심 지역에 대한 미세먼지(F)의 질량 농도를 산출한다. 서버(130)는 PM 단말(110) 및 캘리브레이터(120)로부터 원거리에 배치되어 무선으로 미세먼지(F)의 유도전류 값 및 밀도 값을 실시간으로 수신할 수 있다. 이를 위해, 도시하지는 않았지만 PM 단말(110)과, 캘리브레이터(120), 및 서버(130)는 무선 통신모듈을 포함할 수 있다.
구체적으로, 서버(130)는 아래의 수학식4를 통해 미세먼지(F)의 질량 농도를 산출할 수 있다. 여기서, Mmass는 미세먼지(F) 질량 농도를 의미하고, Mnumber는 미세먼지(F) 수농도를 의미하고, dv는 체적등가 입경을 의미하고, ρp는 미세먼지(F)의 밀도를 의미한다.
[ 수학식4 ]
한편, PM 단말(110) 및 캘리브레이터(120)는 선택된 복수의 관심 지역에 설치될 수 있다. 이때, PM 단말(110)은 선택된 복수의 관심 지역에 각각 설치되고, 캘리브레이터(120)는 선택된 복수의 관심 지역 중 하나에 설치될 수 있다. 예를 들어, 2개의 동으로 이루어진 하나의 구에 PM 단말(110)을 설치할 경우에는 2개의 동에 각각 PM 단말(110)을 설치한다. 그리고, 2개의 동 사이에 하나의 캘리브레이터(120)를 설치하는 것이다. 만약, 3개의 동으로 이루어진 하나의 구에 PM 단말(110)을 설치할 경우에는 3개의 동에 각각 PM 단말(110)을 설치하고, 3개의 동 사이에 하나의 캘리브레이터(120)를 설치한다.
즉, 각각의 동이 관심 지역이 되는 것이고, 관심 지역을 포함하는 하나의 구가 미세먼지 측정 분류 구간이 되는 것이다. 다시 말하면, 일정 지역을 나누어 복수의 관심 지역으로 설정하고, 다시 분류된 관심 지역을 일정 패턴으로 묶어 줌으로써 미세먼지 측정 분류 구간을 설정하는 것이다. 그리고, 미세먼지 측정 분류 구간에는 하나의 캘리브레이터(120)가 설치되는 반면, PM 단말(110)은 미세먼지 측정 분류 구간 내에 해당하는 관심 지역의 개수만큼 설치될 수 있다.
이처럼 미세먼지 측정 분류 구간 내에 하나의 캘리브레이터(120)만 설치됨에 따라 서버(130)는 복수의 선택된 관심 지역에 대한 유도전류 값을 수신하는 반면, 하나의 선택된 관심 지역에 대한 밀도 값만을 수신하게 된다. 이에 따라, 각 관심 지역에 대한 미세먼지(F)의 질량 농도의 산출시 밀도 값은 그대로이고, 수농도만 달라질 수 있다.
본 실시예에서는 초기 설치비용 및 유지관리 비용의 감소를 위하여 미세먼지 측정 분류 구간 내에 하나의 캘리브레이터(120)만 설치한 것을 예로 들었으나, 각각의 관심 지역마다 캘리브레이터(120)가 설치될 수도 있다. 이때에는 미세먼지(F)의 질량 농도 산출시 밀도 값 및 수농도 값 모두 달라질 수 있다.
한편, 서버(130)는 산출된 질량 농도 값을 외부로 표시하기 위하여 디스플레이부(131)를 포함할 수 있다. 그리고, 내부에 무선 송수신 모듈(132)을 구비하여 측정된 질량 농도 값을 외부로 무선 송수신 할 수 있다. 이러한 무선 송수신 모듈(132)은 프로세서 모듈에서 처리된 미세먼지(F)의 데이터를 와이파이(wi-fi) 또는 기타 네트워크 통신 기술을 이용해 외부로 송신할 수 있다. 외부로 송신된 미세먼지(F)의 데이터는 온라인 상으로 업로드하여 개인용 컴퓨터나 스마트 기기를 통해 사용자에게 전달될 수 있다.
전술한 바와 같이, 미세먼지 질량 농도 측정 시스템은 관심 지역에 대한 미세먼지의 농도 및 밀도를 측정하고 이를 이용하여 질량 농도를 산출하므로, 고가의 장비를 필요로 하지 않는다. 즉, 종래에는 질량 농도의 산출을 위한 미세먼지의 밀도를 측정하기 위하여 미세먼지를 분류하는 DMA(differential mobility analyzer)와, 공기역학적 입경을 측정하기 위한 ELPI(electrical low pressure impactor) 등의 고가의 장비가 필요하였으나, 본 발명은 공기역학적으로 미세먼지를 분류하고, 일정 수학식을 통해 공기역학적 입경 및 질량 농도를 산출하므로 설치 비용을 줄일 수 있게 된다.
또한, 미세먼지의 측정을 위한 센서가 주변 환경에 민감한 광 산란 방식이 아니라, 전기적 하전을 통해 미세먼지의 질량 농도를 측정하므로 측정 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 서버는 PM 단말을 통해 미세먼지의 수농도에 따라 변하는 유도전류 값을 실시간으로 수신하고, 캘리브레이터를 통해 미세먼지의 밀도를 실시간으로 수신하므로, 보다 정확한 질량 농도의 산출이 가능해진다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110.. PM 단말
120.. 캘리브레이터
121.. 제2 입자 하전부
122.. 제1 입경 측정부
123.. 제2 입경 측정부
124.. 밀도 산출부
130.. 서버

Claims (16)

  1. 복수의 관심 지역에 각각 설치되며, 내부로 유입되는 미세먼지 입자를 전기적으로 하전시켜 포집하며, 포집된 미세먼지 입자의 유도전류 값을 측정하는 PM 단말;
    상기 복수의 관심 지역 중 어느 하나에 선택적으로 설치되며, 내부로 유입되는 미세먼지의 밀도를 측정하는 캘리브레이터; 및
    상기 PM 단말 및 캘리브레이터로부터 미세먼지의 유도전류 값 및 밀도 값을 각각 실시간으로 수신하고, 상기 미세먼지의 유도전류 값 및 밀도 값을 이용하여 상기 각각의 관심 지역에 대한 미세먼지의 질량 농도를 산출하는 서버;를 포함하며,
    상기 PM 단말은, 관성력을 이용하여 내부로 유입되는 상기 미세먼지를 제1 미세먼지 및 상기 제1 미세먼지의 입경보다 작은 제2 미세먼지로 분류하는 입자 분류부와, 상기 제2 미세먼지의 입자를 전기적으로 하전하는 입자 하전부와, 상기 하전된 제2 미세먼지 입자를 포집하며 상기 포집된 미세먼지 입자의 전류 값을 측정하는 입자 측정부를 포함하고,
    상기 캘리브레이터는, 유입되는 미세먼지의 입자를 하전시키는 제2 입자 하전부와, 상기 하전된 미세먼지의 평균 전기이동도 입경을 측정하는 제1 입경 측정부와, 상기 하전된 미세먼지의 평균 공기역학적 입경을 측정하는 제2 입경 측정부와, 상기 평균 전기이동도 입경 및 평균 공기역학적 입경을 통해 평균 미세먼지 밀도를 산출하는 밀도 산출부를 포함하며,
    상기 제1 입경 측정부는, 상기 하전된 미세먼지 중 일정 전기이동도 값 미만의 제3 미세먼지를 포집한 후 상기 제3 미세먼지의 유도전류 값을 측정하고,
    상기 제2 입경 측정부는, 상기 제3 미세먼지를 포집 제거한 상기 하전된 미세먼지 중 일정 크기 이상의 입경을 갖는 제4 미세먼지 및 일정 크기 미만의 입경을 갖는 제5 미세먼지를 분류하여 포집한 후 상기 제4 미세먼지와 상기 제5 미세먼지의 유도전류 값을 각각 측정하며,
    상기 복수의 관심 지역은 하나의 미세먼지 측정 분류 구간으로 설정되고, 상기 미세먼지 측정 분류 구간은 복수의 위치에 각각 마련되며,
    상기 PM 단말은 상기 미세먼지 측정 분류 구간들의 모든 관심 지역에 각각 설치되고, 상기 캘리브레이터는 상기 미세먼지 측정 분류 구간들에 하나씩 설치되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입자 분류부는 임펙터(impactor)로 형성된 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입자 하전부는 상호 마주하는 제1 전극 및 제2 전극 사이에 코로나 방전(Corona discharge)을 형성시켜 상기 미세먼지 입자를 하전시키는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하전되는 미세먼지 입자의 입경은 2.5㎛ 보다 작은 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 입자 하전부는 상호 마주하는 제3 전극 및 제4 전극 사이에 코로나 방전(Corona discharge)을 형성시켜 상기 미세먼지 입자를 하전시키는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 입경 측정부는,
    상호 마주하도록 배치되어 제1 수직전극 및 제2 수직전극을 포함하며,
    상기 제1 수직전극 및 제2 수직전극에 전류를 인가하여 일정 전기이동도 값 미만의 상기 제3 미세먼지를 포집하는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 입경 측정부는,
    상기 제3 미세먼지가 제거된 상기 제1 입경 측정부로부터 배출되는 미세먼지가 유입되는 미세채널(Micro channel)이 마련되고, 관성력을 이용하여 상기 유입된 미세먼지를 입경의 크기에 따라 상기 제4 미세먼지와 상기 제5 미세먼지로 분류시키는 임팩터(impactor)와,
    상기 제4 미세먼지와 상기 제5 미세먼지 중 상대적으로 큰 입경을 갖는 상기 제4 미세먼지를 포집하는 수평전극과,
    상기 제4 미세먼지와 상기 제5 미세먼지 중 상대적으로 작은 입경을 갖는 제5 미세먼지를 포집하는 필터전극을 포함하는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 평균 전기이동도 입경은 하기 수학식에 의해 측정되는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.

    de: 전기이동도 입경
    I1: 제1 수직전극 및 제2 수직전극에 포집된 미세먼지의 전류 값
    I2: 수평전극에 포집된 미세먼지의 전류 값
    I3: 필터전극에 포집된 미세먼지의 전류 값
  11. 제10항에 있어서,
    상기 평균 공기역학적 입경은 하기 수학식에 의해 측정되는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.

    da: 공기역학적 입경
    I2: 수평전극에 포집된 미세먼지의 전류 값
    I3: 필터전극에 포집된 미세먼지의 전류 값
  12. 제11항에 있어서,
    상기 캘리브레이터에 의해 측정되는 상기 미세먼지의 밀도는 하기 수학식에 의해 산출되는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.

    ρp: 미세먼지 밀도 de: 전기이동도 입경
    da: 공기역학적 입경 C: 커닝햄 미끌림 보정 상수
    ρ0: 단위밀도
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입경 측정부로부터 분류된 미세먼지의 입경은 2.5㎛ 보다 작은 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서,
    상기 서버에 의해 측정되는 상기 미세먼지의 질량 농도는 하기 수학식에 의해 산출되는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.

    Mmass: 미세먼지 질량 농도 Mnumber: 미세먼지 수농도
    dv: 체적등가 입경 ρp: 미세먼지의 밀도
  16. 제1항에 있어서,
    상기 서버는 상기 산출된 질량 농도 값을 외부로 표시하기 위한 디스플레이부를 포함하는 미세먼지 질량 농도 측정 시스템.
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