KR20080077761A - 멤스기반 초소형 전기적 임팩터 - Google Patents

멤스기반 초소형 전기적 임팩터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터에 관한 것으로, 최상층에 위치하며 입자를 유입하는 도입부와; 상기 도입부를 통해 유입된 입자를 유입하여 방전하는 방전부와; 상기 방전부를 통해 방전된 입자를 유입하여 각각의 입자가 가지는 스톡스(Stokes) 수에 따라 입자의 크기별로 유동 방향이 휘어지도록 하는 노즐; 및 상기 노즐을 통해 방출되는 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하여 입자 크기에 따른 각각의 입자의 수를 측정하는 센싱부;를 포함하여 구성함으로써, 임팩터의 유동시 입자의 스톡스(Stokes) 수에 따른 크기별 입자의 정지거리가 달라지는 원리를 이용하여 입자를 크기별로 실시간 수 농도 측정하고, 여러 개의 코로나 방전 팁(tip)을 이용해 대면적, 높은 이온농도를 기반으로 입자당 하전량을 증대시켜 감도를 향상시킬 수 있다.
임팩터, 멤스(MEMS), 입자, 측정, 스톡스, 방전, 팁(tip), 노즐

Description

멤스기반 초소형 전기적 임팩터{MEMS based electrical impactor}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 멤스기반 초소형 전기적 임팩터의 동작을 설명하기 위한 단면 구성도
도 2는 도 1에 도시된 방전부(charging part)를 개략적으로 나타낸 개략도
[ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ]
10 : 방전부(charging part)
11 : 첨탑(tip)
12 : 전극판
13 : 전원공급부
14 : 보호 레지스터(protection resistor)
20 : 노즐(Nozzle)
30 : 센싱부(Sensing part)
본 발명은 멤스(MEMS: Micro-Electro Mechanical System)기반 초소형 전기적 임팩터(impactor)에 관한 것으로, 특히 임팩터의 유동시 입자의 스톡스 수(Stokes Number)에 따른 크기별 입자의 정지거리가 달라지는 원리를 이용하여 입자를 크기별로 실시간 수 농도 측정하고, 여러 개의 코로나 방전 팁(tip)을 이용해 대면적, 높은 이온농도를 기반으로 입자당 하전량을 증대시켜 감도를 향상시킬 수 있는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터에 관한 것이다.
근래에는 환경오염에 대한 관심이 높아지고, 환경오염입자 제거를 위한 공기청정장치 개발과 부유입자 샘플링, 분석, 측정 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서, 부유입자의 크기, 형태, 재질, 오염원 파악 등을 위한 입자의 샘플링 장치를 필요로 한다.
현재의 환경기준은 10㎛ 이상의 입자에 대해서만 규정하고 있으나 실제로는 그 이하의 미세입자들에 의한 피해가 더 크며, 미세입자에 대한 연구가 계속 진행되고 있다. 이와 같은 과정에서 부유입자를 조대(粗大) 입자와 미세(微細) 입자로 각각 샘플링할 필요가 있다.
종래에도 이와 같은 샘플링 작업이 가능하도록 필터 샘플러(Filler sampler), 셋팅 챔버(Settling chamber) 등이 있으나 이들은 모두 사용성이 복잡하고 포집 효율성이 낮은 단점이 있어 비교적 간단한 원리에 기초하여 간편한 사용성과 샘플링 효율성을 극대화할 수 있는 수단이 요구되었다.
또한, 대기 중의 부유 물질을 크기별로 실시간 수 농도 측정할 수 있고 장비 의 크기와 가격을 줄일 수 있는 감지 장비가 절실히 필요하였다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 제 1 목적은 임팩터의 유동시 입자의 스톡스 수(Stokes Number)에 따른 크기별 입자의 정지거리가 달라지는 원리를 이용하여 입자를 크기별로 실시간 수 농도 측정할 수 있는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제 2 목적은 여러 개의 코로나 방전 팁(tip)을 이용해 대면적, 높은 이온농도를 기반으로 입자당 하전량을 증대시켜 감도를 향상시킬 수 있는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제 3 목적은 대기 중 부유 물질의 크기에 따른 수 농도 실시간 감지 장비의 크기를 소형화하고 제품의 가격을 줄일 수 있는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제 4 목적은 하나의 노즐을 사용하여 보다 많은 종류의 입자 크기를 분류할 수 있는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제 5 목적은 단일 경계지름을 바탕으로 경계지름보다 크고 작은 입자 두 종류로 나뉘는 방식을 개선하여 센싱부에 따라 동시에 여러 크기의 입자를 측정할 수 있는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제 6 목적은 코로나 방전기에 보호 레지스터(protection resister)을 설치하여 감도를 향상시킬 수 있는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터는, 최상층에 위치하며 입자를 유입하는 도입부와; 상기 도입부를 통해 유입된 입자를 유입하여 방전하는 방전부와; 상기 방전부를 통해 방전된 입자를 유입하여 각각의 입자가 가지는 스톡스(Stokes) 수에 따라 입자의 크기별로 유동 방향이 휘어지도록 하는 노즐; 및 상기 노즐을 통해 방출되는 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하여 입자 크기에 따른 각각의 입자의 수를 측정하는 센싱부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 방전부는 제 1 바이어스 전압이 공급되는 복수 개의 첨탑; 및 상기 복수 개의 첨탑과 일정한 간격으로 각각 대응되고 제 2 바이어스 전압이 공급되는 복수 개의 전극판;을 포함하여 구성한다.
상기 복수 개의 첨탑과 전극판 사이에 전압이 가해지면 가속된 자유전자와 유입된 공기 분자가 충돌하여 공기 분자가 이온화되어 상기 첨탑 주변에 자유전자 구름이 형성되는 '코로나 방전'을 통해 입자가 하전되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수 개의 첨탑 및 상기 제 1 바이어스 전압을 공급하는 전원공급원 사이에 바이어스 전압을 일정하게 하는 보호 레지스터을 각각 구성하여, 상기 방전부에서의 감도가 저하되는 현상을 방지한 것을 특징으로 한다.
상기 복수 개의 전극판 및 상기 제 2 바이어스 전압을 공급하는 전원공급원 사이에 바이어스 전압을 일정하게 하는 보호 레지스터을 각각 구성하여, 상기 방전부에서의 감도가 저하되는 현상을 방지한 것을 특징으로 한다.
상기 노즐로 유입된 입자는 각각의 입자가 가지는 스톡스(Stokes) 수에 따라 질량이 큰 입자는 수직 방향의 운동량이 크기 때문에 수직 유동을 유지하게 되고 질량이 작은 입자는 유동 방향에 따라 질량이 큰 입자보다 유동 방향이 휘어지게 되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 임팩터의 유동시 입자의 스톡스 수에 따른 크기별 입자의 정지거리가 달라지는 원리를 이용하여 입자를 크기별로 실시간 수 농도 측정할 수 있다.
본 발명에 의한 초소형 임팩터는 대기 중에 부유하는 입자상 물질의 크기별 수 농도 측정 장비, 클린룸 및 실내 입자 수 농도 실시간 감지기기, 그리고 자동차 배기가스에 포함된 입자 측정기기 등에 사용할 수 있다. 더욱이, 각종 배기가스에 대한 규제가 강화면서 배기가스를 측정하는 분야에도 적용 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.
실시 예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 멤스기반 초소형 전기적 임팩터 의 동작을 설명하기 위한 단면 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 방전부(charging part)를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
본 발명에 의한 멤스기반 초소형 전기적 임팩터는 도 1에 도시된 바와 같이, 최상층에 위치하며 입자를 유입하는 도입부(1)와, 상기 도입부(1)를 통해 유입된 입자를 유입하여 방전하는 방전부(charging part)(10)와, 상기 방전부(10)를 통해 방전된 입자를 유입하여 각각의 입자가 가지는 스톡스(Stokes) 수에 따라 입자의 크기별로 유동 방향이 휘어지도록 하는 노즐(20)과, 상기 노즐(20)을 통해 방출되는 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하여 입자 크기에 따른 각각의 입자의 수를 측정하는 센싱부(Sensing part)(30)를 포함하여 구성한다.
상기 방전부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 바이어스 전압이 공급되는 복수 개의 첨탑(11)과, 상기 복수 개의 첨탑(11)과 일정한 간격으로 각각 대응되고 제 2 바이어스 전압이 공급되는 복수 개의 전극판(12)과, 상기 제 1 및 제 2 바이어스 전압을 공급하는 전원공급부(13)와, 상기 복수 개의 첨탑(11) 및 상기 제 1 바이어스 전압을 공급하는 전원공급원 사이에 각각 접속하여 바이어스 전압을 일정하게 공급하는 보호 레지스터(14)을 포함하여 구성한다. 이때, 상기 복수 개의 첨탑(11)은 그 일 측의 단부가 뿔 형상으로 뾰족하게 형성되어 있으며, 그 높이는 대략 0.1mm 정도이면 충분하며, 이에 특별히 한정되는 것은 아닌 것으로 필요에 따라 변경가능하다.
상기 센싱부내 센싱 파트의 갯수는 이에 한정하는 것은 아니나, 유량 및 노즐 사이즈 등에 따라 입자의 유동이 상이한 점을 감안하여 2개 이상 또는 복수개로 셋팅하는 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명은 상기 복수 개의 전극판(12) 및 상기 제 2 바이어스 전압을 공급하는 전원공급원(13) 사이에 바이어스 전압을 일정하게 공급하는 보호 레지스터(미도시)을 각각 구성할 수도 있다.
상기 구성을 갖는 본 발명에 의한 멤스기반 초소형 전기적 임팩터의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 도입부(1)를 통해 유입된 입자는 상기 방전부(10)로 유입된다. 이때 상기 방전부(10)에서 상기 첨탑(11)과 상기 전극판(12) 사이에 높은 전압이 가해지면 자유전자는 매우 빠른 속도로 가속되고, 가속된 자유전자와 유입된 공기 분자가 충돌하여 공기 분자가 이온화됨으로써, 상기 첨탑(11) 주변에 자유전자 구름이 형성되는 '코로나 방전'을 통해 입자가 하전 된다.
이때, 상기 첨탑(11)과 상기 전원공급부(13) 사이에 보호 레지스터(14)을 각각 설치하여, 상기 복수 개의 첨탑(11)을 통해 동시에 방전 가능하도록 함으로써, 감도(sensitivity)를 향상시켰다.
상기 전원공급부(13)는 외부 임피던스가 감소하게 되면 내부 저항과 비례하여 전압이 나뉘어지는 특성이 있기 때문에, 상기 보호 레지스터(14)을 도 2에 도시 된 바와 같이, 각각의 첨탑(11)에 구성하여 상기 전원공급부(13)로부터 공급되는 바이어스 전압이 감소하지 않고 일정하게 유지되도록 하였다.
한편, 상기 방전부(10)에서 방전된 입자는 다시 노즐(20)로 유입된다.
상기 노즐(20)로 유입된 입자는 곡선 운동을 하게 되는데, 이때 각각의 입자가 가지는 스톡스(Stokes) 수에 따라 질량이 큰 입자는 수직 방향의 운동량이 크기 때문에 기존의 수직 유동에 대한 관성이 커서 최대한 수직 유동을 유지하게 되고, 질량이 작은 입자는 유동 방향에 따라 질량이 큰 입자보다 유동 방향이 휘어지게 된다(도 1 참조).
따라서, 상기 노즐(20)을 통과한 입자들은 최하층에 위치한 센싱부(30)에 입자의 크기 순으로 충돌하게 된다. 이때, 상기 센싱부(30)에서 전류를 측정하여 입자 크기에 따른 각각의 입자의 수를 측정할 수 있다.
본 발명은 대기 중에 부유하는 입자상 물질의 크기별 수 농도 측정 장비, 클린룸 및 실내 입자 수 농도 실시간 감지기기, 그리고 자동차 배기가스에 포함된 입자 측정기기 등에 사용할 수 있다. 더욱이, 각종 배기가스에 대한 규제가 강화하면서 배기가스를 측정하는 분야에 적용할 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시 예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터에 의하면, 임팩터의 유동시 입자의 스톡스(Stokes) 수에 따른 크기별 입자의 정지거리가 달라지는 원리를 이용하여 입자를 크기별로 실시간 수 농도 측정할 수 있다.
또한, 여러 개의 코로나 방전 팁(tip)을 이용해 대면적, 높은 이온농도를 기반으로 입자당 하전량을 증대시켜 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 대기 중 부유 물질의 크기에 따른 수 농도 실시간 감지 장비의 크기를 소형화하고 제품의 가격을 줄여 폭넓게 보급을 할 수 있다.
또한, 하나의 노즐을 사용하여 보다 많은 종류의 입자 크기를 분류할 수 있고, 단일 경계지름을 바탕으로 경계지름보다 크고 작은 입자 두 종류로 나뉘는 방식을 개선하여 센싱부에 따라 동시에 여러 크기의 입자를 측정할 수 있다.
또한, 코로나 방전기에 보호 레지스터(protection resister)을 설치하여 감도를 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 최상층에 위치하며 입자를 유입하는 도입부와;
    상기 도입부를 통해 유입된 입자를 유입하여 방전하는 방전부와;
    상기 방전부를 통해 방전된 입자를 유입하여 각각의 입자가 가지는 스톡스(Stokes) 수에 따라 입자의 크기별로 유동 방향이 휘어지도록 하는 노즐; 및
    상기 노즐을 통해 방출되는 입자의 충돌에 의한 전류를 측정하는 센싱부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방전부는
    제 1 바이어스 전압이 공급되는 복수 개의 첨탑; 및
    상기 복수 개의 첨탑과 일정한 간격으로 각각 대응되고 제 2 바이어스 전압이 공급되는 복수 개의 전극판;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 첨탑 및 상기 제 1 바이어스 전압을 공급하는 전원공급원 사이에 바이어스 전압을 일정하게 하는 보호 레지스터를 각각 구성하는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱부는 노즐로 유입된 입자의 유동 방향을 따라 질량이 큰 입자부터 질량이 작은 입자까지 크기별로 충돌하는 입자의 수를 측정하는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS)기반 초소형 전기적 임팩터.
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