KR20060113669A - 부유 입자를 분류하는 방법 및 장치 - Google Patents

부유 입자를 분류하는 방법 및 장치 Download PDF

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피터 제임스 코일레
조셉 토마스 맥긴
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Abstract

부유 입자를 분류하기 위한 장치는 유입 공기 흐름 내의 두 개 이상의 그룹 중 선택된 한 그룹의 입자에 정전 전하를 가하기 위한 하전 시스템을 포함하여 제공된다. 초점 시스템은 하전된 입자를 유입 기류보다 좁게 초점이 맞춰진 흐름으로 정전기적으로 초점을 맞춘다. 증착 시스템은 상부에 증착된 입자를 분석할 수 있는 분석 시스템으로 타겟 표면이 이송될 수 있는 경우에, 타겟 표면 위에 초점이 맞춰진 흐름으로부터 입자를 증착시킨다.

Description

부유 입자를 분류하는 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR AIRBORNE PARTICLE SORTING}
본 출원은 본원에 참조되며, ("정전 강화형 입자 분류 및 증착;Electrostatically Enhanced Particle Sorting and Deposition"의 명칭으로) 2003년 9월 19일자로 출원된 미국 특허 가출원 번호 60/504,682를 우선권으로 주장하고 있다.
본 발명은 일반적으로 공기의 샘플링에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 공기 샘플로부터 에어로솔 입자(aerosol particles)의 수집 및 증착에 관한 것이다.
유입 공기 샘플로부터 중요한 입자(예를 들어, 에어로솔 입자)를 분류할 수 있는 군사용, 사적이거나 개인적인 용도를 위한 공기 샘플링 시스템의 수요가 증가하고 있다. 입자의 분류는 (예를 들어, 분광 구별과 같은)분석 기술을 수행하기 이전에 샘플에서 무시해도 좋은 입자의 양을 감소시킴으로써 공기 샘플 내용물의 보다 빠르고 정확한 분석을 할 수 있다. 중요한 입자는 통상적으로, 공기 샘플 내의 다른 입자들로부터 분리되어 다른 분석을 위해 타겟 또는 입자 수집 표면 상에서 초점이 맞춰진다.
현재의 입자 분류 시스템은 샘플 공기 흐름의 입자를 조절하여 초점을 맞추기 위해서 공기역학 기술(예를 들어, 노즐)을 사용한다. 이러한 분류 시스템은 큰 (예를 들어, 대략 50㎛ 보다 큰) 입자를 분류하는 것은 합리적으로 잘 작동하지만, 이러한 분류 시스템은 종종, 보다 작은 (예를 들어, 대략 0.5㎛ 내지 10㎛ 범위의) 입자를 조절하도록 요구되는 경우에는 덜 신뢰성 있게 작동한다. 게다가, 이러한 시스템은 다중 유동 흐름의 균형을 잡는 어려움으로 인해 흐름 직경이 줄어들면서 결과적으로 입자 속도가 증가하므로, 지정된 타겟 또는 수집 표면 상의 분류된 입자를 최적의 정확성으로 초점을 맞추는데 실패를 초래한다.
따라서, 부유 입자를 분류하는 개선된 방법 및 장치가 이러한 분야에 필요하다.
일 실시예에서, 부유 입자를 분류하는 장치는 입자에 정전 전하를 가하여, 적어도 제 1 그룹의 입자가 제 2 그룹의 입자가 편향되는 것보다 넓은 범위로 편향되게 한다. 초점 시스템은 실질적으로, 적어도 제 1 그룹의 입자를 유입 공기 흐름보다 좁게 초점이 맞춰진 흐름으로 정전기적으로 초점을 맞춘다. 증착 시스템은 실질적으로, 타겟 표면이 상부에 증착되는 입자를 분석할 수 있는 분석 시스템에 이송될 수 있는 경우에, 초점이 맞춰진 흐름으로부터 제 1 그룹의 입자를 타겟 표면 상에 실질적으로 증착시킨다. 다른 실시예에서, 이온풍(ion wind)이 입자 분류 시스템 내에서 발생되는데, 이는 특히 작은 입자에 대해서 보다 정확하게 입자 초점을 맞추게 할 수 있게 한다.
본 발명의 전술된 실시예가 달성되며 상세히 이해될 수 있는 방식으로 본 발명의 보다 구체적이며 간단히 전술된 설명이 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 기재될 수 있다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 통상적인 실시예만을 나타내는 것이며 다른 동일한 효과의 실시예를 허용할 수 있는 범위를 제한하려는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 입자 분류 시스템의 제 1 실시예를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명에 따른 입자 분류 시스템의 제 2 실시예를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3은 입자 분류 시스템에 이용하기 위한 정전 렌즈 일 실시예의 평면도이며,
도 4는 도 2에 도시된 입자 분류 시스템에 이용하기 위한 타겟 표면 일 실시예의 평면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 입자 분류 시스템의 제 3 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서, 도면에 공통인 동일한 부품을 지칭하는 경우에 동일한 도면 부호가 이용되었다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 기류 입자를 분류하여 타겟 증착 표면에 분류된 입자를 정확히 증착하기 위한 장치를 제공한다. 일 실시예에서, 장치는 실질 적으로, 현존하는 분류 시스템보다 보다 정확한 입자 분류 및 증착을 달성하기 위해서 정전 전하 및 초점 메커니즘을 사용한다. 게다가, 본 발명의 장치는한층 더 작은 입자에 있어서 보다 효율적인 분류 및 증착을 달성한다. 당업자들은 기재된 시스템이 기류 입자 수집 및 최소-투여량 약제 증착 분야(예를 들어, 흡입기)를 포함하는, 다른 분야에서 적용될 수 있는 것을 인식할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 입자 분류 시스템(100)의 제 1 실시예의 개략적인 도면이다. 일 실시예에서, 시스템(100)은 네 개의 주요 부품: 분광 인식 하부시스템(102), 입자 하전부(104), 입자 초점부(106) 및 입자 증착 하부시스템(108)을 포함한다.
분광 인식 하부시스템(102)은 (하나 이상의 상이한 형태의 입자를 포함하는) 유입 공기 샘플을 수용하며 다른 분석을 위해서 공기 샘플 내의 중요한 입자를 식별한다. 일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(102)은 유동 축(110) 및 유동 축(110)의 주변에 근접하게 위치된 광학 검출 유닛(optical detection unit)(112)을 포함한다. 일 실시예에서, 광학 검출 유닛(112)은 제한하려는 것이 아닌, 형광성, 색체, 입자 크기, 입자 형상 등을 포함하는 하나 이상의 광학적으로 관찰 가능한 특성을 기초로 하여 입자를 식별한다. 일 실시예에서, 광학 검출 유닛(112)은 입자들이 광학 검출 유닛(112)에 의해 생성되는 빔을 가로지르기 때문에 각각의 입자에 의해 생성되는 스캐터링된 빛 패턴을 탐지함으로써 중요한 입자를 식별한다. 광학 검출 시스템(112)은 또한, 이후에 더 상세히 기재되는 바와 같이, 입자의 최종 도착지를 나타내는 각각의 입자에 대한 신호를 생성시킨다.
일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(102)은 중요한 입자들 중 관통하여 통과하는 소량의 입자만을 식별하다. 일 실시에에서, 무시해도 좋은 입자에 대한 식별된 입자의 비는 대략 1:1,000 대 1:100이다.
일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(102)은 통상적인 샘플링 장치 내의 가상 임팩터(virtual impactor) 또는 다른 시스템으로부터 공기 샘플을 수용한다. 게다가, 분광 인식 하부시스템(102)은 외부 유동을 수용한다. 일 실시예에서, 외부 유동은 유동 축(110)이 공기 샘플을 수용하는 위치에 근접한 유동 축(110)으로 주입되는 가스(예를 들어, 공기 또는 다른 가스 혼합물)이다. 외부 유동은 입자 궤적이 광학 검출 유닛(112)의 시야(예를 들어, 레이저의 빔)와 교차하도록, 유입 공기 샘플 내의 입자를 공기 역학적으로 초점을 맞추는데 사용된다.
일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(102)은 또한, 입자 분류 시스템(100)의 다른 부품에 공기 샘플 내에 포함된 입자를 더욱 양호하게 이송하며 초점을 맞추기 위해서 통합되는 흐름을 형성하도록, 유동 축(110) 내의 외부 유동과 유입 공기 샘플을 통합시킨다.
다른 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(102)은 또한, 통합되는 흐름의 중요한 입자의 인식(예를 들어, 바람직한 광학 특성을 나타내는 입자)을 기초로 하여, 입자 하전부(104)에 제어 신호를 제공한다. 제어 신호는 입자 하전부(104)가 증착을 위해 더 효율적으로 입자를 하전시키게 한다.
입자 하전부(104)는 분광 인식 하부시스템(102)의 하류 부분에 위치되며, 아래에 더 상세히 기재되는 바와 같이, 통합되는 흐름 내의 입자를 입자 초점부(106) 의 적합한 부분으로 하전시켜 탐지한다. 일 실시예에서, 입자 하전부(104)는 유동 축(110)의 주변에 근접하게 위치된 방사상 정전 전하 메커니즘(114)을 포함한다. 일 실시예에서, 정전 전하 메커니즘(114)은 복수의 날카로운 전극 선단(예를 들어, 유동 축(110)의 단부에 기계적으로 형성됨)을 포함하고 있다. 일 실시예에서, 정전 전하 메커니즘(114)은 어레이(116) 및 접지 전극(118)이 이들 사이에서 정전기 장을 발생시키는데 적합한 경우에, 유동 축(110)의 주변에 근접하게 위치된 제 1 전극(예를 들어, 코로나 전극)의 어레이(116) 및 어레이(116)로부터 유동 축(110)을 가로질러 위치된 제 2 전극(예를 들어, 접지 전극 또는 어레이(116)보다 낮은 전압에서의 다른 전극)을 포함한다.
구체적으로, 어레이(116) 및 제 2 전극(118)은 통합 흐름 내의 입자를 하전시키는 정전기 장(120)을 발생시킨다. 일 실시예에서, 정전 전하 메커니즘(114)은 정전 전하 메커니즘(114)이 중요한 입자를 효율적으로 하전시킬 수 있는 분광 인식 하부 시스템(102)으로부터 제어 신호를 수용한다. 일 실시예에서, 정전 전하 메커니즘(114)은 제어되어, 분광 인식 하부시스템(102)에 의해 중요한 입자들 중 식별된 입자만이 하전된다. 다른 실시예에서, 정전 전하 메커니즘(114)은 통합되는 흐름 내의 모든 입자에 전하를 가하여, 상이한 비율의 입자들은 편향 정도를 나타내는 상이한 전하-대-반경 비율을 달성할 것이다. 발생된 정전기 장은 중요한 입자들 중 식별된 입자(예를 들어, 입자 P)가 입자 초점부(106)의 제 1 부분으로 편향되게 하는 이러한 세기를 갖는다.
일 실시예에서, 입자들은 초당 대략 10미터와 20 미터 사이의 속도에서 제한 된 통합 흐름으로 입자 하전부(104)를 통해 유동함으로써, 입자들이 실질적으로, 제 2 전극(118) 상에 트래핑되는 것을 방지한다. 상이한 크기의 입자는 다른 각도로 편향되어, 입자 각각의 궤적은 (예를 들어, 가장 큰 직경의) 가장 큰 입자가 최고로 편향되는 것과 같이, 입자의 크기에 따라서 변할 것이다. 실질적으로, 동일한 전하-대-반경 비율을 갖는 모든 입자는 통상적인 궤적에 따라서 편향될 것이다. 일 실시예에서, 정전기 장(120)은 하전이 소정의 입자 직경에 있어서 균일하여, 편향된 입자들을 위해 반복할 수 있는 궤적을 보장하도록 중요한 입자들 중 식별된 입자들을 완전히 하전시킨다.
일 실시예에서, 입자 하전부(104)는 분광 인식 하부시스템(102)에 의해 중요한 입자들 중 식별된 입자들이 편향되는 경우에만 가동된다. 이는 광학 편향 유닛(112) 상에 가해질 수 있는 전위 정전기 방사선 간섭을 감소시킨다.
입자 초점부(106)는 입자 하전부(104)의 하류부분에 위치되며 발산 방향 으로 유동 축(110)으로부터 분기하는 제 1 부분(122) 및 제 2 부분(124)을 포함한다. 입자 초점부(106)의 제 1 부분(122)은 분광 인식 하부시스템(102)에 의해 중요한 입자들 중 식별되고, 입자 하전부(104)에 의해 하전되어 편향되는 입자를 수용한다. 입자 초점부(106)의 제 1 부분(122)은 증착을 위해 편향된 입자들의 흐름을 보다 좁은 흐름으로 초점을 맞추기에 적합한 내부에 위치된 정전 초점 메커니즘(128)을 갖는 제 1 분류 축(126)을 포함한다. 일 실시예에서, 정전 초점 메커니즘(128)은 정전 렌즈(130)를 포함한다.
도 3은 입자 분류 시스템(100)에 이용하기 위한 정전 렌즈(130) 일 실시예의 평면도이다. 일 실시예에서, 정전 렌즈(130)는 렌즈 하우징(300) 및 수렴-형 렌즈(302)를 포함한다. 일 실시예에서, 렌즈 하우징(300)은 내부에 수용되는 수렴-형 렌즈(302)를 보호하도록 구성된 원통형 하우징이다. 일 실시예에서, 렌즈 하우징(300)은 유전체 재료로 형성된다.
일 실시예에서, 수렴-형 렌즈(302)는 얇은-벽으로 둘러싸인 복수의 전도성 관(3041내지 304n)(이하에서는 집합적으로 "관(304)"으로 언급함)을 포함한다. 복수의 전도성 관(304)들 각각은 상이한 직경을 가지고 있으며, 전도성 관(304)은 다른 내부 관(304)이 방사상으로, 관(304)의 직경이 점점 작아지며 동축을 갖는 형태로 배열되어 있다. 일 실시예에서, 관(304)은 서로 렌즈 하우징(300) 내에 정확하게 정렬되어, 각각의 관(304)은 방사상 공기 갭(3061 내지 306n)(이하에서는, 집합적으로 "공기 갭(306)"으로 언급함)에 의해 다음 관으로부터 분리되며, 관(304)은 정전기 렌즈(130)의 중심 축인 공통 중심 축(C)을 공유한다.
수렴-형 렌즈(302)의 효율은 순차적인 관 직경, 연속적인 관(304)들 사이의 전압, 개개의 관 길이 및 인접한 관(304)들 사이의 방사상 공기 갭(306)의 크기를 포함하는 복수의 매개변수에 의해 좌우된다. 일 실시예에서, 이러한 변수는 정전형 분석 소프트웨어를 이용하여 최적화될 수 있다.
일 실시예에서, 정전 렌즈(130)의 개개의 초점부(예를 들어, 관(304))는 교류 극성 모드로 구성된다. 다른 실시예에서, 정전 렌즈(130)의 개개의 관(304)은 순차적인 단계 전압 구성으로 구성된다. 순차적인 단계 전압 구성은 통상적으로 보다 경제적이며 효율적인 설계를 야기할 수 있을 것이지만; 이용되는 관(304)의 수에 따라서, 가장 안쪽에 있는 관(304)의 최대 전압은 꽤 높을 수 있다. 이는 보다 큰 입자가 보다 작은 입자보다 빨리 정전 렌즈(130)의 중심 축(C)으로 이동되게 하며; 따라서, 일 실시예에서, 정전 렌즈(130)의 중심 축(C)은 보다 작은 입자의 편향 궤적과 일치하게 위치된다. 이러한 방식으로, 보다 작은 입자는 정전 렌즈(130)의 중심 축(C)에 도달하기 위해 가로지르는 가장 짧은 거리를 가질 것이다.
일 실시예에서, 동축을 갖는 복수의 관(304)은 가장 바깥쪽의 관(3041)으로부터 가장 안쪽에 있는 관(304n)으로 확장되어 있는 두 개 이상의 방사상 핀(3081 내지 308n)(이하에서는 "핀(308)"으로 언급)에 의해 지지된다. 일 실시예에서, 방사상 핀(308)은 이후에 더 상세히 기재되는 바와 같이, 관(304)을 통한 유동을 차단하지 않기 위해서 가능한 성기게 구성된다.
작동에서, 정전 렌즈(130)로 전환되는 통합되는 흐름의 일부분은, 통합되는 흐름이 렌즈의 입구로부터 출구(예를 들어, 중심 축(C))쪽으로)로 유동하기 때문에 정전 렌즈(130)의 각각의 연속적인 공기 갭(306)을 통해 유동한다. 통합되는 흐름은 연속적인 공기 갭(306)을 통해 유동하기 때문에, 통합되는 흐름은 정전 렌즈(130)로부터 종료될 때까지 더욱더 좁게 초점이 맞춰진다. 가장 바깥쪽(가장 큰 직경) 또는 입구 관(3041)을 통한 유동 속도는 가장 안쪽(가장 작은 직경) 또는 출구 관(304n)을 통한 유동 속도와 실질적으로 동일하다. 각각의 관(304) 내부의 용 적 측정의 유동률은 내측 반경방향에서 감소한다. 반대로, 각각의 관(304) 외부의 용적 측정의 유동률은 이후에 더 상세히 기재되는 바와 같이, 대개의 통합되는 유동이 입자 증착 하부시스템(108)으로부터 입자 초점부(106)의 제 2 부분(124)쪽으로 전해지는 점, 정전 렌즈(130)의 입구로부터 출구로 전해지는 입자와 같이 외측 반경방향에서 증가한다.
도 1에서, 입자 초점부(106)의 제 2 부분(124)은 제 1 분류 축(126)으로부터 분기하며 대개 무시해도 좋은 입자를 포함하는 통합되는 흐름의 일부분을 이송시키는 제 2 분류 축(132)을 포함한다. 일 실시예에서, 제 2 분류 축(132)은 처리를 위해 수집 시스템 또는 수집부로 무시해도 좋은 입자를 이송하다.
입자 증착 하부시스템(108)은 입자 초점부(106)의 하류부분에 위치되며, 보다 구체적으로, 정전 초점 메커니즘(128)(예를 들어, 정전 렌즈(130)의 가장 안쪽 관(304n))의 가장 좁은 부분(예를 들어, 가장 안쪽 관(304n))의 하류부분에 위치된다. 입자 증착 하부시스템(108)은 분류되어 초점이 맞춰진 중요한 입자들(예를 들어, 입자 P)이 (예를 들어, 라만 검출 시스템(136) 또는 다른 분광 호출 시스템(spectrographic interrogation system)에 의해)다른 분석을 위해서 증착되는 타겟 표면(134)을 포함한다. 일 실시예에서, 타겟 표면(134)은 증착된 입자를 입자 분석 시스템(도시되지 않음)으로 이송하는 조대(tape)와 같은 이송 표면이다. 일 실시예에서, 입자가 증착되는 타겟 표면(134)의 일 부분은 500 미크론 이하의 직경을 갖는다.
작동의 일 실시예에서, 공기 샘플(예를 들어, 에어로솔 유동)이 입자 분류 시스템(100)에 의해 수용되며, 보다 구체적으로, 분광 인식 하부시스템(102)에 의해 수용된다. 동시에, 외부 유동은 입자 분류 시스템(100)에 의해서도 수용되며, 이러한 외부 유동은 광학 검출 유닛(112)을 지나가는 통합되는 유동을 형성하는 공기 샘플과 통합된다. 광학 검출 유닛(112)은 전술된 바와 같이, 하나 이상의 광학적으로 관찰 가능한 특성을 기초로 하여, (예를 들어, 입자의 최종 도착지를 나타내는 각각의 입자를 위한 제어 신호를 생성시킴으로써) 통합되는 유동 내의 중요한 입자를 식별한다. 일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(102)은 중요한 입자의 광학 검출 유닛의 관찰을 기초로 하여 입자 하전부(104)에 제어 신호를 제공한다.
통합되는 유동이 입자 하전부(104)를 지나가기 때문에, 제 1 전극의 어레이(116)는 통합되는 유동 내에 포함되는 입자를 하전시키는 제 2 전극(118)과 함께 정전기 장(120)을 발생시킨다. 입자는 하전되어 중요한 입자들 중 식별된 입자들이 통합되는 유동의 중심으로부터 (예를 들어, 입자 초점부(106)의 제 1 분류 축(126) 쪽으로)편향된다. 일 실시예에서, 입자 편향을 용이하게 하기 위해서, 적합한 방식으로 정전기 장(120)을 조절하는, 광학 검출 유닛(112)에 의해 생성되는 신호가 입자 하전부(104)에 출력된다. 일 실시예에서, 정전기 장(120)은 고-속 스위칭 회로에 의해 조절된다.
무시해도 좋은 입자(예를 들어, 입자 p)는 중요한 입자들보다 보다 작은 각도로 편향되어, 대개 무시해도 좋은 입자를 포함하는 통합되는 흐름의 제 1 부분은 제 2 분류 축으로 지나가며, 통합되는 흐름의 제 1 부분은 수집 장치 또는 처리를 위한 다른 장치로 결국 전달된다.
편향되는 입자(즉, 중요한 입자)를 포함하는 통합되는 흐름의 제 2 부분은 제 1 분류 축(126)으로 지나간다. 통합되는 흐름의 제 2 부분은 편향된 입자가 점진적으로 보다 좁은 형으로 초점이 맞춰지는 경우에, 정전 렌즈(130)를 통과한다. 정전 렌즈(130)의 가장 좁은 부분(예를 들어, 관(304n))을 통해 초점이 맞춰진 후에, 편향된 입자가 타겟 표면(134) 상에 증착되는 경우에, 입자 증착 하부시스템(108)에 전달된다. 증착된 입자를 포함하는 타겟 표면(134)은 상부에 증착된 입자의 분석을 위한 입자 분석 시스템에 전달된다.
입자 분류 시스템(100)은 현존하는 분류 시스템보다 실질적으로 보다 정확한 입자 증착을 달성하며, 게다가 보다 작은 입자에 있어서 보다 효율적인 분류 및 증착을 달성한다. 이는 입자의 초점을 맞추기 위해서 정전 메커니즘(예를 들어, 정전 렌즈(130))을 이용하는데 일부분 기인할 수 있으며, 타겟 표면(134) 상의 증착을 용이하게 하는 낮은 속도로, 정밀하게 초점이 맞춰진 입자 흐름을 달성한다. 따라서, 초점이 맞춰진 입자의 증착 위치 위에서의 양호한 제어가 통상적인 공기역학 기술을 갖춘 것보다 더 잘 달성된다.
도 2는 본 발명에 따른 입자 분류 시스템(200) 제 2 실시예의 개략적인 도면이다. 일 실시예에서, 시스템(200)은 도 1에 도시된 입자 분류 시스템과 실질적으로 유사하며, 네 개의 주요 부품: 분광 인식 하부시스템(202), 입자 하전부(204), 입자 초점부(206) 및 입자 증착 하부시스템(208)을 포함한다. 그러나, 시스템 (200)의 네 개의 주요 부품은 입자 분류 시스템(100)의 구성과 관련하여 약간 다른 방식으로 구성된다.
일 실시예에서, 입자 하전부(204)는 (하나 이상의 다른 형태의 입자를 포함하는)유입 공기 샘플을 수용하는데 적합한 유동 축(210)을 포함한다. 게다가, 유동 축(210)은 공기 샘플 내에 포함되는 입자를 입자 분류 시스템(200)의 다른 부품으로 보다 양호하게 이송하기 위해서, 통합되는 흐름을 형성하도록 유입 공기 샘플과 통합되는 외부 유동을 수용한다. 입자 하전부(104)와 같이, 입자 하전부(204)는 내부에 포함된 입자를 하전시키도록, 통합되는 유동 내에 정전기 장(220)을 발생시키는 제 1 전극의 어레이(216) 및 제 2 전극(218)을 포함한다.
입자 초점부(206)는 입자 하전부(204)의 하류부분에 위치되며, 분기 방향으로 유동 축(210)으로부터 분기하는 처리 축(232) 및 유동 축(210)을 포함한다. 입자 초점부(206) 내에 위치되는 유동 축(210)의 일부는 내부에 위치된 정전 초점 메커니즘(228)을 더 포함하며 증착을 위해 하전된 입자의 흐름을 보다 좁은 흐름으로 초점을 맞춘다. 일 실시예에서, 정전 초점 메커니즘(228)은 도 3에 도시된 정전 렌즈(130)와 유사한 수렴-형 정전 렌즈(230)를 포함한다. 처리 축(232)은 유동 축(210)으로부터 분기하며 입자 분류 시스템(200)으로부터 초점이 맞지 않은 통합되는 흐름의 일부를 이송시킨다.
분광 인식 하부시스템(202)은 입자 초점부(206)의 하류부분에 위치되며 초점이 맞춰진 통합되는 흐름 내에서 중요한 입자를 식별한다. 일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(202)은 광학 검출 유닛(212) 및 초점이 맞춰진 유동 축(226)을 포 함한다. 광학 검출 유닛(212)은 초점이 맞춰진 유동 축(226)의 제 1 단부(227)에서, 정전 초점 메커니즘(228)의 가장 좁은 부분에 근접하여 위치된다. 일 실시예에서, 광학 검출 유닛(212)은 제한하려는 것이 아닌, 형광성, 색체, 입자 크기 등을 포함하는 하나 이상의 광학적으로 관찰 가능한 특성을 기초로 하여 입자를 식별한다. 일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(202)은 이후에 더 상세히 기재되는 바와 같이, 보다 효율적인 방식으로 중요한 입자를 증착하기 위해서, 극성 스위칭된 타겟 표면에 제어 신호를 제공한다.
입자 증착 하부시스템(208)은 초점이 맞춰진 유동 축(226), 극성 스위치(240) 및 선택된 입자가 다른 분석을 위해 수집되는 타겟 표면(예를 들어, 도 4의 400)을 포함한다. 극성 스위치(240)는 광학 검출 유닛(212)의 하류부분에, 초점이 맞춰진 유동 축(226)의 먼 단부(239)에 위치된다. 타겟 표면은 마찬가지로, 극성 스위치(240)에 근접하게, 초점이 맞춰진 유동 축(226)의 먼 단부(239)에 위치된다.
극성 스위치(240)는 극성 타겟 표면을 스위칭시켜 중요한 입자들 중 분광 인식 하부시스템(202)에 의해 식별된 입자들이 타겟 표면으로 초래되어 수집되며, 무시해도 좋은 입자는 교체 표면으로 편향되거나 수집된다. 타겟 표면은 도 1의 타겟 표면(134)과 실질적으로 유사한 방식으로 구성될 수 있거나, 이와 달리 다른 구성을 가질 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 입자 분류 시스템(200)에 이용하기 위한 타겟 표면(400) 일 실시예의 평면도이다. 일 실시예에서, 타겟 표면(400)은 제 1 전극(402) 및 하나 이상의 제 2 전극(4041 내지 404n)(이하에서는 "제 2 전극(404)"으로 언급함)을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 전극(402)은 실질적으로 원형 단면을 가지며, 제 2 전극(404)은 제 1 전극(402) 둘레에 같은 중심 축선으로 위치되는 대체로 링-형 단면을 갖는다. 일 실시예에서, 제 2 전극(404)은 단일 링형 전극이다. 다른 실시예에서, 링의 조각을 각각 형성하고 있는 제 2 전극(404)은 복수의 전극(404)을 포함하고 있다.
제 1 전극(402)과 제 2 전극(404) 사이의 극성 전기장을 변성함으로써, 하전 입자는 수집을 위해 제 1 전극(402) 또는 하나 이상의 제 2 전극(들)(404) 상에 선택적으로 당겨질 수 있다. 예를 들어, 극성의 타겟 표면(400)은 제 1 전극(402) 상에 중요한 입자들이 증착되고, 제 2 전극(404) 상에는 무시해도 좋은 입자들이 증착되도록, 또는 반대로 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 입자는 전극(402 또는 404)의 표면에 직접 증착된다. 다른 실시예에서, 전극(402, 404)의 표면은 분리형 반도체 재료로 덮이며, 이를 통해 전기장이 (예를 들어, 전극의 표면 위로) 확장되며, 입자는 이러한 분리형 재료 위에 증착된다. 당업자들은 타겟 표면(400)이 대체로 원형 또는 링형 단면을 갖는 전극(402, 404)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 임의의 구성, 형상 및 전극의 수가 이용될 수 있다는 점을 고려해야 할 것이다.
작동의 일 실시예에서, 공기 샘플(예를 들어, 에어로솔 유동)은 입자 분류 시스템(200)에 의해 수용되며, 보다 구체적으로 입자 하전 시스템(204)에 의해 수 용된다. 동시에, 외부 유동은 입자 분류 시스템(200)에 의해서도 수용되며, 이러한 외부 유동은 코로나 전극의 어레이(216)와 접지 전극(218) 사이에서 발생되는 정전기 장을 지나 이동되는 통합되는 유동을 형성하도록 공기 샘플과 통합한다. 입자는 코로나 전극의 어레이(216)에 형성되는 이온에 의해 하전되어 코로나 전극과 초점 전극 사이에 형성된 전기장에 의해 초점 메커니즘(228)으로 유도된다.
하전 입자를 포함하는 통합되는 흐름은, 입자를 좁고, 낮은 속도의 흐름으로 초점을 맞추는 정전 렌즈(230)를 통해 통과한다. 정전 렌즈(230)의 가장 좁은 부분(예를 들어, 관(304n))을 통해 초점이 맞춰진 후에, 입자들은 분광 인식 하부시스템(202)의 광학 검출 유닛(212)으로 전달된다. 광학 검출 유닛(212)은 전술된 바와 같은 하나 이상의 광학적으로 관찰 가능한 특성을 기초로 하여, 통합되는 흐름 내의 중요한 입자를 식별한다.
극성 스위치(240)는 극성의 타겟 표면을 스위칭하여 중요한 입자(예를 들어, 입자 P)들 중 광학 검출 유닛(212)에 의해 식별된 입자가, 제 1 전극(402)과 같은, 타겟 표면으로 당겨져 증착되고, 무시해도 좋은 입자(예를 들어, 입자 p)는 제 2 전극(404)들 중 하나 이상의 표면 상에 증착된다. 증착되는 입자를 포함하는 타겟 표면은 상부에 증착된 입자의 분석을 위해서 입자 분석 시스템으로 전달된다.
대안적인 실시예에서, 입자 하전부(204)는 입자가 초점이 맞춰지고 식별된 후에만 하전되도록 상류 부분보다는, 분광 인식 하부시스템(202)의 하류 부분에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 입자 하전부(204)를 형성하는 제 1 전극의 어레이 (216)는 이온풍이 이들 사이에서 생성되도록 타겟 표면의 전극(402, 404)으로 전기장을 발생시킬 것이다. 이온풍은 통합되는 흐름 내의 입자의 초점을 추가로 맞추기 위해 기계적 수단으로의 기능을 하며, 작은 입자의 궤적을 제어하며 초점을 맞추는데 특히 유용할 수 있다.
입자 분류 시스템(100)과 같은, 입자 분류 시스템(200)은 현존하는 분류 시스템보다 실질적으로 보다 정확한 입자 증착을 달성하며, 게다가 (예를 들어, 분광 조사 후에 하전이 수행되는 경우에)보다 작은 입자에 있어서 보다 효율적인 분류 및 증착을 달성하도록 구성될 수 있다. 이와 달리, 분광 조사 이전 입자의 하전은 광학 검출 유닛을 방해하는 입자 하전부로부터 아마도 전자파를 상당히 감소시킨다. 몇몇의 실시예에서, 입자 분류 시스템(200)은 입자 분류 시스템보다 더 경제적인 방식으로 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 입자 분류 시스템의 제 3 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 일 실시예에서, 입자 분류 시스템(500)은 네 개의 주요 부품: 분광 인식 하부시스템(502), 입자 하전부(504), 입자 초점부(506) 및 입자 증착 하부시스템(508)을 포함한다. 그러나, 이러한 네 개의 주요 부품은 전술된 입자 분류 시스템(100, 200)의 부품의 구성과 관련하여 상이한 방식으로 구성된다.
일 실시예에서, 입자 하전부(504)는 공기 샘플 축(540) 및 전극(516)의 어레이를 포함한다. 공기 샘플 축(540)은 공기 샘플을 입자 분류 시스템(500)에 (예를 들어, 가상 임팩터 또는 다른 샘플 수집 수단으로부터)전달하며, 공기 샘플이 통합되는 유동을 형성하도록 외부 유동과 결합하는 경우에, 보다 큰 유동 축(510) 또는 증착 챔버로 통하는 제 1 단부(542)를 포함한다. 전극(516)의 어레이는 개방 제 1 단부(542)에 근접하게, 공기 샘플 축(540)의 주변 둘레에 위치된다. 전극의 어레이(516)는 공기 샘플 축(540)의 개방 제 1 단부(542)의 영역 내에 전기장을 발생시킨다.
분광 인식 하부시스템(502)은 입자 하전부(504)의 하류 부분에 위치되며 통합되는 흐름 내의 중요한 입자를 식별한다. 일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(502)은 유동 축(510)의 주변에 인접하게 위치되는 광학 검출 유닛(512)을 포함한다. 일 실시예에서, 광학 검출 유닛(512)은 제한하려는 것이 아닌, 형광성, 색체, 입자 형상, 입자 크기 등을 포함하는 하나 이상의 광학적으로 관찰 가능한 특성을 기초로 하여 입자를 식별한다. 일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(502)은 입자 증착 하부시스템(508)에 제어 신호를 보낸다.
입자 증착 하부시스템(508)은 분광 인식 하부시스템(502)의 하류 부분에 위치되며 통합되는 흐름 내의 입자가 증착되는 타겟 표면(550)을 포함한다. 일 실시예에서, 타겟 표면(550)은 하나 이상의 제 1 전극(552), 하나 이상의 제 2 전극(554) 및 극성 스위치(556)를 포함한다. 극성 스위치(556)는 극성 타겟 표면(550)을 스위칭하여 중요한 입자가 제 1 전극(552) 또는 제 2 전극(554)들 중 하나에 (예를 들어, 분광 인식 하부시스템(502)으로부터 수용되는 제어 신호에 따라서)선택적으로 증착된다. 일 실시예에서, 타겟 표면(550)의 전극(552, 554)은 도 4에 도시된 타겟 표면(400)에 유사한 방식으로 형성된다. 게다가, 제 1 전극(552) 및 제 2 전극(554)은 입자 하전부(504) 내의 전극의 어레이(516)를 갖춰 제 2 전기장을 발생시켜, 입자 초점부(506)가 제 2 전기장의 영역 내에 확립된다.
작동의 일 실시예에서, 공기 샘플은 입자 분류 시스템(500)에 의해 수용되며, 보다 구체적으로 공기 샘플 축(540)에 의해 수용된다. 공기 샘플 내의 입자가 공기 샘플 축(540)의 개방 제 1 단부(542)를 통과하기 때문에, 입자는 입자 하전부(504)와 대면하여 전극의 어레이(516)에 형성되는 이온에 의해 하전된다.
하전 입자가 공기 샘플 축(540)을 나가기 때문에, 입자는 통합되는 흐름을 형성하기 위해서 외부 유동과 통합된다. 통합되는 흐름은 통합되는 흐름 내의 중요한 입자(예를 들어, 입자 P)를 식별하는, 분광 인식 하부시스템(502)을 통해 지나간다. 일 실시예에서, 분광 인식 하부시스템(502)은 입자 증착 하부시스템(508)이 보다 효율적으로 중요한 입자를 수집하게 하는 극성 스위치(556)에 제어 신호를 보낸다.
통합되는 흐름은 입자 초점부(506)를 통해 지나가며, 입자 하전부(504)를 형성하는 어레이(516) 전극 및 입자 증착 하부시스템(508)의 제 1 전극(552) 및 제 2 전극(554)은 이들 사이에 제 2 전기장을 발생시킨다. 제 2 전기장은 통합되는 흐름 내의 중요한 입자의 초점을 더 맞추는 이온풍을 발생시킨다. 일 실시예에서, 이온풍은 통합되는 흐름 내의 입자의 궤적을 제어하며 의도된 전극(552 또는 554) 상에 중요한 입자의 초점을 맞추는, 대체로 원뿔형 이온풍이다.
극성 스위치(556)는 상부에 중요한 입자를 수집시킬 제 1 전극(552) 및 제 2 전극(554)을 제어한다. 도시된 실시예에서, 극성 스위치(556)는 제 1 전극(552)이 상부에 중요한 입자를 수집시키도록 설정된다. 무시해도 좋은 입자(예를 들어, 입 자 p)는 제 2 전극(554)의 표면 상에 수집된다.
일 실시예에서, 입자 하전부(504)를 형성하는 어레이(516) 전극과 입자 증착 하부시스템(508)의 제 1 전극(552) 및 제 2 전극(554) 사이의 이온풍의 발생은 특히 작은 입자에 있어서 강화된 궤적 제어를 제공한다. 따라서, 입자 수집 시스템(500)은 (예를 들어, 대략 0.5㎛ 내지 10㎛ 범위의) 작은 입자도 정밀한 타겟 표면에 정확하게 증착시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 부유 입자 분류의 분야에서 상당한 진척을 나타내고 있다. 본 발명에 있어 제공되는 장치는 현존하는 분류 시스템보다 실질적으로 보다 정확한 입자 증착을 달성하기 위해서 정전 전하 및 초점 메커니즘을 사용한다. 게다가, 본 발명의 장치는 보다 작은 입자에 있어서 보다 효율적인 분류 및 증착을 달성한다. 당업자들은 기재된 시스템이 부유 입자 수집 및 최소-투여량 약제 증착 분야도 포함하는 다른 분야에도 적용될 수 있다는 점을 고려해야 한다. 본 발명의 신규한 방법은 본 발명의 실시예에 따른 장치를 도시한 도면을 이용하여 동시에 기재하고 있다는 점을 주목해야 한다.
전술된 내용이 본 발명의 실시예를 나타내고 있지만, 본 발명의 다른 실시예가 본 발명의 기본 사상을 벗어나지 않고 고안될 수 있다.

Claims (11)

  1. 유입 공기 흐름 내에 포함된 두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치로서,
    상기 입자에 정전 전하를 가하여 적어도 제 1 그룹의 입자를 제 2 그룹의 입자가 편향되는 것보다 넓은 범위로 편향시키는 입자 하전 시스템;
    적어도 상기 제 1 그룹의 입자를 실질적으로, 상기 유입 공기 흐름보다 좁게 초점이 맞춰진 흐름으로 정전기적으로 초점을 맞추는 입자 초점 시스템; 및
    상기 초점이 맞춰진 흐름으로부터 상기 제 1 그룹의 입자를 타겟 표면 상에 증착시키는 입자 증착 시스템을 포함하는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 상이한 그룹의 입자들 중에서 적어도 상기 제 1 그룹의 입자를 식별하는 입자 인식 시스템을 더 포함하는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 입자 인식 시스템은 상기 제 1 그룹의 입자가 상기 입자 하전부에 의해 하전되기 이전에 적어도 상기 제 1 그룹의 입자를 식별하는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 입자 인식 시스템은 하나 이상의 광학적으로 관찰 가능한 특성을 기초로하여 적어도 제 1 그룹의 입자를 식별하는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광학적으로 관찰 가능한 특성은 형광성, 색체, 입자 형상 및 입자 크기들 중 하나 이상을 포함하는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자 하전 시스템은 상기 유입 공기 시스템의 궤적에 근접하게 위치되는 제 1 전극의 어레이; 및
    상기 제 1 전극의 어레이에 근접하게 위치된 제 2 전극을 포함하며,
    상기 제 2 전극 및 상기 제 1 전극의 어레이가 이들 사이에 정전기 장을 발생시키며, 상기 정전기 장은 상기 유입 공기 흐름 내의 입자를 하전시키는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 정전기 장은 적어도 상기 제 1 그룹의 입자 내의 입자의 궤적이 상기 초점 시스템으로 편향되도록 적어도 상기 제 1 그룹의 입자를 하전시키는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟 표면은 500 미크론 이하의 직경을 갖는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟 표면은 적어도 상기 제 1 그룹의 입자가 증착되는 하나 이상의 제 1 전극; 및
    적어도 상기 제 1 그룹의 입자가 증착되지 않는 하나 이상의 제 2 전극을 포함하는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
  10. 유입 공기 흐름 내에 포함되는 두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 방법으로서,
    적어도 제 1 그룹의 입자가 제 2 그룹의 입자가 편향되는 것보다 넓은 범위로 편향되도록 상기 입자에 정전 전하를 가하는 단계;
    적어도 상기 제 1 그룹의 입자를 실질적으로, 상기 유입 공기 흐름보다 좁게 초점이 맞춰진 흐름으로 정전기적으로 초점을 맞추는 단계, 및
    입자 증착 시스템을 이용하여 상기 초점이 맞춰진 흐름으로부터 상기 제 1 그룹의 입자를 타겟 표면 상에 증착시키는 단계를 포함하는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 방법.
  11. 유입 공기 흐름 내에 포함되는 두 개 이상의 그룹의 입자를 분류하는 장치로서,
    적어도 제 1 그룹의 입자가 제 2 그룹의 입자가 편향되는 범위보다 넓게 편향되도록 상기 입자에 정전 전하를 가하는 입자 하전 시스템; 및
    상기 제 1 그룹의 입자를 타겟 표면에 증착시키는 입자 증착 시스템을 포함하는,
    두 개 이상의 상이한 그룹의 입자를 분류하는 장치.
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