KR20020024424A - 초미세입자 응축핵계수기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 0.1㎛이하의 초미세입자를 응축핵으로하여 입자를 성장시켜 초미세입자의 개수를 측정하는 초미세입자 응축핵계수기를 개시한다. 본 발명에 따른 초미세입자 응축핵계수기는 입자가 부유된 공기가 공급되며, 작동유체가 수용되어 있는 저장풀과; 저장풀과 일체로 형성되어 있고, 내부에 작동유체와 맞닿아 작동유체를 흡수하는 흡수재가 제공되어 있으며, 외벽에는 작동유체를 증기로 포화시키는 가열장치가 설치되어 있는 포화기와; 포화기의 하류에 위치하며, 포화된 증기가 응축되어 입자의 성장이 일어나는 모세관과; 모세관의 출구에 인접하여 설치되며 성장된 입자를 계수하는 광학장치와; 모세관의 하류에 위치하며 성장된 입자를 흡입하는 흡입수단으로 이루어져 있다. 따라서, 본 발명은 공기에 부유된 초미세입자를 신속하고 용이하게 계수할 수 있고, 알코올 뿐만 아니라 물등 작동유체를 다양하게 사용할 수 있는 효과가 있다. 또한, 반도체 클린룸에도 적용할 수 있으며, 고유량으로 입자의 개수를 측정할 수 있다.

Description

초미세입자 응축핵계수기{CONDENSATION PARTICLE COUNTER}

본 발명은 입자계수기에 관한 것으로, 보다 상세히는 0.1㎛이하의 초미세입자를 응축핵으로하여 입자를 성장시켜 초미세입자의 개수를 측정하는 초미세입자 응축핵계수기에 관한 것이다.

초미세입자의 개수측정은 대기환경오염측정 등을 위한 입자의 기초연구에 필수적이고, 또한 반도체 클린룸등이 청정상태를 유지할 수 있도록 클린룸에 존재하는 초미세입자를 제거하기 위한 그 원인 규명에 적용되고 있다. 주지하는 바와 같이, 초미세입자의 개수를 측정하기 위하여 레이저등과 같은 광학장치가 사용된다. 광학장치에 의한 입자의 측정한계는 일반적으로 입자의 직경이 대략 0.1㎛이다. 따라서, 이와 같은 측정한계를 넘어 0.1㎛ 이하의 미세한 입자를 측정하기 위하여 사용하는 측정장치가 응측핵 계수기이다. 응축핵 계수기의 원리는 대단히 미세한 입자를 응축핵으로 사용하여 입자의 주위에 액체를 응축시켜 광학장치로 측정할 수 있을 정도로 초미세입자를 성장시키는 것이다.

초미세입자의 주위에 액체를 응축시키기 위하여 사용되는 기술은 현재 크게 3가지가 있다. 첫 번째는 가장 오래된 기술로 측정하고자 하는 입자를 물이 들어있는 용기속에 넣고 밀폐시킨 후 용기의 내부압력을 급격히 낮추는 것이다. 이에 따라 용기의 내부온도가 급격히 하강하며 그 결과 용기의 내부에 존재하는 수증기는 온도가 떨어져 과포화상태가 된다. 이와 같은 과포화상태에서는 수증기가 응축을 하기 시작하며 , 이때 수증기는 입자를 핵으로하여 응축을 한다. 수증기의 응축이 완료되면 입자는 응축된 물에 둘러 쌍인 물방울이 된다. 이러한 물방울은 그 크기 매우 크기 때문에 간단한 광학장치에 의하여 쉽게 입자를 측정할 수 있다.

두 번째는 포화수증기가 들어 있는 고온의 공기와 입자가 들어있는 저온의 공기를 혼합하면 혼합영역에서 과포화 수증기가 형성된다. 이 경우에도 상기한 바와 같이 과포화상태의 수증기는 입자를 핵으로하여 입자에 응축하게 된다. 이와 같은 응축핵계수기를 혼합방식(Mixing Type) 응축핵계수기라 한다.

세 번째는 전도냉각방식(Conductive Cooling Type) 응축핵계수기로서 도 1에 그 구성이 도시되어 있다. 도 1을 참고로하여 전도냉각방식 응축핵계수기를 설명하면, 저장풀(10)에는 작동유체인 알코올(12)이 수용되어 있고, 저장풀(10)과 일체로 형성되어 연장된 포화기(20)의 내벽에는 원통형의 흡수재(22)가 부착되어 있다. 알코올(12)은 저장풀(10)에 일단부(22a)가 잠겨 있는 부직포 등의 다공성의 재료로 제작된 흡수재(22)에 흡수되어 모세관현상에 의하여 타단부(22b)까지 젖게 된다. 포화기(20)의 외벽에는 흡수재(22)에 젖어 있는 알코올을 대략 35도(섭씨온도)로 가열하는 가열장치(30)가 설치되어 있다. 포화기(20)의 하류에는 응축기(30)가 위치하며, 응축기(30)에는 알코올 증기를 응축시키기 위하여 응축기(30)의 온도를 대략 10도정도로 유지시키는 전자냉각장치(Thermo-Electric Cooler)(32)가 설치되어 있다. 성장된 입자를 감지하여 계수하기 위하여 응축기(30)의 선단 부근에는 광원으로 레이저나 반도체레이저를 사용하고 렌즈 또는 거울의 집합체로 구성되는 주지관용의 광학장치(50)가 위치하고 있다. 그리고, 응축기(30)의 하류에는 파이프(62)를 개재하여 밸브(도시 안함)의 개폐에 의하여 유량을 조절하는 유량계(60)와 성장된 입자를 흡입하기 위한 진공펌프(70)가 연속적으로 설치되어 있다.

이와 같은 구성을 같은 종래의 전도냉각방식의 응축핵계수기의 동작을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 초미세입자가 부유된 공기(이하, "에어로졸"이라 칭함)가 가열장치(30)에 의하여 35도로 유지되는 포화기(20)의 내부로 입구(24)를 통하여 공급되면, 이 공기는 알코올로 포화된다. 알코올로 포화된 공기는 계속하여 하류로 이동하고 알코올로 포화된 공기가 10도로 유지되는 차가운 영역의 응축기(30)를 통과하게 된다. 응축기(30)를 통과하는 알코올로 포화된 공기는 과포화되어 입자를 중심으로 알코올이 응축된다. 이와 같이 응축된 입자는 대략 12㎛ 정도로 커져 응축기(30)로부터 배출됨으로써 광학장치(50)에 의하여 쉽게 입자의 개수가 계수된다. 한편, 응축된 입자는 진공펌프(70)에 의하여 흡입되며, 유량계(60)는 진공펌프(70)로 흡입되는 유량은 유량계(60)에 의하여 조절된다.

그러나, 종래의 응축핵계수기들은 각각 문제점을 갖고 있다. 상기한 첫 번째의 팽창에 의하여 입자를 성장시키는 종래의 응축핵계수기는 입자의 계측을 간헐적으로 할 수밖에 없어 입자를 연속적으로 측정할 때에는 많은 제약이 따르는 문제가 있으며, 이에 따라 이 기술은 현재 거의 사용되지 않고 있다. 두 번째의 혼합방식 응축핵계수기에 있어서는 부분적으로 매우 높은 과포화도를 형성하여 입자가 없어도 스스로 응축이 일어나 물방울을 형성함으로써 입자의 개수측정이 부정확하다는 문제가 있다. 이에 따라, 이 기술은 몇몇 제한된 분야에서만 사용되고 있다.

세 번째의 전도냉각방식 응축핵계수기에 있어서는 응축기를 섭씨 10도의 차가운 온도로 유지하기 위하여 사용하는 전자냉각장치는 전기에 의하여 열을 흡수하는 성적계수(Coefficient of Performance)가 좋지 않아 적은 양의 열을 흡수하는 것은 용이하나 많은 양의 열을 제거하는 데는 적합하지 않다. 이에 따라, 많은 유량의 공기를 냉각하는 것은 어렵기 때문에 현재 상용되고 있는 응축핵계수기는 0.3 liter/min 내지 1.0 liter/min 정도이다. 특히, 고유량으로 입자를 샘플링할 필요가 있는 반도체 클린룸의 경우에는 많은 유량을 샘플링할 수 있는 응축핵계수기의필요성이 오래전부터 대두되어 왔으나 현재까지 적합한 장비가 개발되지 않고 있는 상황이다. 또한, 작동유체로 물을 사용하게 되면, 응축기를 통과하는 수증기는 저온의 응축기 내벽면에서 먼저 응축하고 입자를 핵으로하는 응축이 일어나지 않음으로써 순수한 초미세입자가 응축기의 외부로 그대로 배출되므로 초미세입자가 광학장치에 의하여 계수되지 못하는 문제점이 있다. 이에 따라, 전도냉각방식 응축핵계수기는 작동유체로 반드시 알코올을 사용할 수밖에 없는 단점이 있다. 특히, 알코올은 오염원인을 제공하므로 알코올을 작동유체로 사용하는 전도냉각방식 응축핵계수기는 반도체 제조공정에는 부적격하다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 초미세입자 응축핵계수기들의 문제점과 단점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공기에 부유된 초미세입자를 신속하고 용이하게 계수할 수 있는 초미세입자 응축핵계수기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다양한 작동유체를 사용할 수 있으며 오염없이 청정상태가 반드시 유지되어야 하는 반도체 클린룸등에 적용할 수 있는 초미세입자 응축핵계수기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고유량으로 입자개수를 측정할 수 있는 초미세입자 응축핵계수기를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 초미세입자 응축핵계수기의 구성을 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 초미세입자의 응축핵계수기의 구성을 나타내는 단면도이다.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

10: 저장풀 14: 작동유체

20: 포화기 22: 흡수재

30: 가열장치 40: 모세관

42: 단열재 50: 광학장치

70: 진공펌프

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징으로 본 발명에 따른 초미세입자 응축핵계수기는 작동유체가 수용되어 있는 저장풀과; 저장풀과 일체로 형성되어 있고, 내부에 작동유체와 맞닿아 작동유체를 흡수하는 흡수재가 부착되어 있으며, 외벽에는 작동유체를 증기로 포화시키는 가열장치가 설치되어 있는 포화기와; 포화기의 하류에 위치하며, 포화된 증기가 응축되어 입자의 성장이 일어나는 모세관과; 모세관의 출구에 인접하여 설치되어 성장된 입자를 계수하는 광학장치와; 모세관의 하류에 위치하며 성장된 입자를 흡입하는 흡입수단으로 이루어져 있다.

이하, 본 발명에 따른 초미세입자 응축핵계수기의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 초미세입자 응축핵계수기의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 2에서 도 1에 도시한 종래의 초미세입자 응축핵계수기와 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 부재번호를 부여한다.

저장풀(10)에는 작동유체(14)가 수용되어 있고, 저장풀(10)와 일체로 형성되어 연장된 포화기(20)의 내벽에는 원통형의 흡수재(22)가 부착되어 있다. 본 발명에 있어서는 작동유체로 알코올, 물을 포함한 다양한 액체가 사용될 수 있다. 작동유체는 저장풀(10)에 일단부(22a)가 잠겨 있는 부직포 등의 다공성의 재료로 제작된 흡수재(22)에 흡수되어 타단부(22b)까지 젖게 된다. 포화기(20)의 외벽에는 흡수재(22)에 젖어 있는 작동유체를 가열하는 가열장치(30)가 설치되어 있다. 가열장치(30)는 작동유체가 알코올인 경우에는 대략 섭씨 35도로 가열하며, 작동유체가 물인 경우에는 대략 섭씨 70도로 가열한다.

포화기(20)의 하류에는 모세관(40)이 위치하며, 모세관(40)의 외벽은 열의 흐름을 차단하기 위하여 단열재(42)가 설치되어 있다. 모세관(40)에서는 작동유체의 증기가 응축되어 입자의 성장이 일어나는 곳이며, 모세관(40)에서 흐름이 초음속상태가 되면 입자를 포함한 기체의 질량유량은 일정하게 된다. 따라서, 이때에는 도 1에 도시된 종래의 응축핵계수기에 구비되는 유량계(60)의 사용이 필요없게 된다. 성장된 입자를 감지하여 계수하기 위하여 모세관(40)의 선단 부근에는 상기한 주지관용의 광학장치(50)가 위치하고 있다.

모세관(40)의 하류에는 성장된 입자를 흡입하기 위하여 파이프(62)를 개재하여 진공펌프(70)가 배치되어 있다. 파이프(62)에는 압력이 충분히 강하되었는 가를 확인하기 위하여 관용의 압력계(64)가 설치되어 있다. 진공펌프(70)에 의하여 압력을 0.5 대기압이하로 충분히 강하시키면 모세관(40)에서의 흐름은 초음속상태가 된다. 진공펌프(70)에 의하여 0.5 대기압이하의 압력이 유지되면 모세관(40)의 내부에는 증기의 단열팽창에 의하여 증기의 온도가 매우 낮아져 증기는 과포화상태가 유지되며, 그에 따라 증기는 입자를 핵으로하여 응축하게 되고 입자는 성장하게 된다.

지금부터는 본 발명에 따른 초미세입자 응축핵계수기의 작용을 설명한다. 먼저, 에어로졸이 가열장치(30)에 의하여 소정의 온도로 유지되는 포화기(20)의 내부로 입구(24)를 통하여 공급되면, 공기는 알코올 또는 물 등의 작동유체로 포화된다. 작동유체로 포화된 공기는 계속하여 하류로 이동하고 포화된 공기가 모세관(40)을 통과하게 된다. 모세관(40)을 통과하는 작동유체로 포화된 공기는 진공펌프(70)의 작용에 의하여 과포화되어 입자를 중심으로 증기가 응축되어 입자는 성장하게 된다. 입자의 성장과정은 상술한 바와 같이, 진공펌프(70)에 의하여 매우낮은 압력을 유지시키면 모세관내부에서는 증기의 단열팽창에 의하여 증기의 온도가 매우 낮아져 증기가 과포화상태를 유지함으로써 이루어진다. 또한, 이때, 모세관(40)에서의 기체의 흐름이 초음속상태가 되면 입자를 포함한 증기의 질량유량은 일정하게 된다. 이와 같이 증기가 응축되어 성장된 입자는 그 크기가 커져 모세관(40)으로부터 배출됨으로써 광학장치(50)에 의하여 쉽게 입자의 개수가 계수된다. 그리고 계속하여 응축된 입자는 진공펌프(70)에 의하여 흡입된다.

이상은 본 발명의 일실시예를 설명한 것이나, 본 발명의 보호범위가 상기 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 상기한 실시예에서 나타낸 구체적인 형상이나 구조는 본 발명의 하나의 예시를 나타낸 것으로 상기한 실시예 이외에도 특허청구범위내에서 다양하게 변경가능한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본발명에 따른 초미세입자 응축핵계수기에 따르면, 공기에 부유된 초미세입자를 신속하고 용이하게 계수할 수 있고, 알코올 뿐만 아니라 물등 작동유체를 다양하게 사용할 수 있게 된다. 또한, 반도체 클린룸에도 적용할 수 있으며 고유량으로 입자개수를 측정할 수 있다.

Claims (3)

1. 작동유체가 수용되어 있는 저장풀과;

   이 저장풀과 일체로 형성되어 있고, 내부에 상기 작동유체와 맞닿아 작동유체를 흡수하는 흡수재가 제공되어 있으며, 외벽에는 작동유체를 증기로 포화시키는 가열장치가 설치되어 있는 포화기와;

   이 포화기의 하류에 위치하며, 포화된 증기가 응축되어 입자의 성장이 일어나는 모세관과;

   이 모세관의 출구에 인접하여 설치되며 상기 성장된 입자를 계수하는 광학장치와;

   상기 모세관의 하류에 위치하며 상기 성장된 입자를 흡입하는 흡입수단으로 이루어진 초미세입자 응축핵계수기.
2. 제1항에 있어서, 상기 모세관을 단열시키는 단열재를 더 포함하는 초미세입자 응축핵계수기.
3. 제1항에 있어서, 상기 흡입수단은 진공펌프인 초미세입자 응축핵계수기.