KR20090090672A

KR20090090672A - Ｄｍａ를 이용한 입자측정기 및 ｄｍａ의 내부 압력을측정하기 위한 프로그램이 내장된 기록매체

Info

Publication number: KR20090090672A
Application number: KR1020080016029A
Authority: KR
Inventors: 강상우; 윤주영; 성대진; 신용현; 김태성; 최재붕; 조대근
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-08-26
Also published as: KR100991023B1

Abstract

본 발명은 DMA를 이용한 입자측정기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DMA를 구성하는 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이의 방전전압

를 측정하여 DMA의 내부 압력을 측정하는 중앙처리부를 포함하는 DMA를 이용한 입자측정기에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 입자측정기를 이용하여 DMA의 내부 압력을 측정하기 위한 프로그램이 내장된 기록매체에 관한 것이기도 하다.

DMA, 방전전압, 저압, 전기이동도

Description

ＤＭＡ를 이용한 입자측정기 및 ＤＭＡ의 내부 압력을 측정하기 위한 프로그램이 내장된 기록매체{apparatus for measuring particles by using DMA and recording media in which the programme for measuring the inner pressure of DMA}

DMA를 구비한 입자측정기로는 대한민국에 특허출원하여 등록공고(등록번호:10-0567788)된 "입자측정기 및 입자측정방법", 출원공개(출원번호:10-2006-0019403)된 "입자측정장치 및 방법" 등 다수가 있다.

한편, DMA를 구비한 입자측정기를 이용하여 저압하의 에어로졸에 포함된 입 자의 개수 크기 내지 크기 분포를 정확히 측정하기 위해서는 DMA의 내부 압력을 정확히 측정할 필요가 있는데, 진공펌프의 앞쪽에 구비되는 압력계를 이용하여 측정되는 DMA의 내부 압력은 실제의 DMA의 내부 압력과는 오차가 발생함이 알려져 있다.

본 발명은 통상의 압력계를 이용하지 않고 DMA의 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이의 방전전압

를 측정함으로써 DMA의 내부 압력을 정확하게 측정할 수 있는 DMA를 이용한 입자측정기를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 상기한 입자측정기를 이용하여 DMA의 내부 압력을 측정하기 위한 프로그램이 내장된 기록매체를 제공하고자 한다.

본 발명은 청정기체 및 하전과정을 거친 에어로졸이 유입되는 외부 실린더; 상기 외부 실린더 내벽과의 사이에 상기 청정기체와 에어로졸 혼합물의 유동로를 형성하며, 상기 외부 실린더 내부에 길이 방향을 따라 설치되는 내부 일렉트로드; 상기 에어로졸에 포함된 입자 중 어느 일정 구간의 전기이동도를 갖는 입자를 특정 군으로 분리하기 위한 입자 분리수단;을 구비하는 DMA와, 상기 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이의 방전전압

를 측정하여 상기 DMA의 내부 압력을 측정하는 중앙처리부를 포함하되, 상기 중앙처리부는 상기 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이에 전압을 인가하기 위한 전원공급부; 상기 외부 실린더 또는 내부 일렉트로드의 어느 하나에 연결되는 일렉트로미터(Electrometer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DMA를 이용한 입자측정기에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기

는 상기 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이에 특정 전압을 가한 경우 상기 일렉트로미터(Electrometer)를 통하여 측정된 전류가 일정 범위에 해당할 때 상기 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이에 가해진 특정 전압일 수 있으며, 상기 중앙처리부는 상기

를 Pashen 효과에 적용하여 상기 DMA의 내부 압력을 측정하는 것일 수 있는데, 상기

를 Pashen 효과에 적용하기 위한 식은 Townsend criterion을 이용하여 구한 Pashen curve 식

일 수 있다. 여기서,

및

는 상기 DMA에 유입되는 청정기체 및 에어로졸에 의존하는 제1 이온화 상수와 관련된 상수이고,

는 상기 DMA에 유입되는 청정기체 및 에어로졸과 상기 DMA의 재질, 형상에 의존하는 제2 이온화 상수이고,

는 상기 DMA의 내부압력이고,

,

은 상기 DMA의 일렉트로드의 외경,

는 상기 DMA의 외부 실린더의 내경이다.

본 발명은 상기 청정기체와 에어로졸의 혼합물 중 상기 입자 분리수단에 의 해 분리된 혼합물과 상기 분리수단에 의해 분리되지 않은 혼합물을 별개의 통로를 통해 배출시키기 위한 진공펌프를 포함할 수 있는데, 상기 분리수단은 상기 내부 일렉트로드의 외주면으로부터 내측으로 형성되어 상기 내부 일렉트로드의 하단부로 연장 형성되는 분리슬릿을 포함하고, 상기 분리수단에는 상기 분리수단에 의해 특정 군으로 분리된 입자들에 의한 하전량을 측정하기 위한 FCE가 구비되는 FCE부가 연결되며, 상기 FCE부는 상기 진공펌프에 연결될 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 어느 하나의 입자측정기를 이용하여 DMA의 내부 압력 을 측정하기 위한 프로그램이 내장된 것을 특징으로 하는 DMA의 내부 압력을 측정하기 위한 프로그램이 내장된 기록매체에 관한 것이다.

본 발명은 특히, 저압하에 있는 DMA(300) 내의 압력을 정확하게 측정함으로써 DMA에 의해 특정 군으로 분리된 입자의 개수 내지 크기 분포를 정확히 측정할 수 있는 장점이 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.

실시예1

실시예1은 본 발명에 따른 DMA를 이용한 입자측정기에 관한 것이다.

도1은 실시예1의 개략도를, 도2는 실시예1의 DMA 내부압력 측정을 위한 중앙처리부의 작동 흐름도를 나타낸다.

도1을 참조하면 실시예1은 유입부(100), 배출부(200), DMA(Differential Mobility Analyzer)(300), FCE(Faraday Cup Electrometer)부(400) 및 중앙처리부(500)를 포함한다.

유입부(100)는 실시예1에 따른 입자측정기에 청정기체와 에어로졸을 유입시키기 위한 부분이다.

유입부(100)는 측정대상이 되는 에어로졸의 유량을 조절하는 에어로졸 유량계(11)와, 에어로졸 중의 입자를 하전/중화시키는 Radioactive Neutralizer(12)와, 청정기체의 유량을 조절하는 청정기체 유량계(13)로 구성된다. 이 중 에어로졸 유량계(11)와 청정기체 유량계(13)는 유량조절 범위가 각각 0~1,000 sccm, 0~10,000 sccm 이며 ±0.2%이내의 유량 조절 오차를 가질 수 있다. Radioactive Neutralizer(12)는 Am-241 방사능 원소가 사용되어지는데, 다른 방사능 원소인 Kr-85나 Soft X-ray 등을 사용하는 장치들로 대체될 수 있다.

배출부(200)는 DMA(Differential Mobility Analyzer)(300)로부터 샘플 기체 및 초과 기체가 배출되는 부분이다. 샘플 기체란 DMA(300)에 유입된 청정기체와 에어로졸의 혼합물 중 에어로졸에 포함된 어느 일정 구간의 전기이동도를 갖는 입자를 특정 군으로 분리하기 위하여 DMA(300)에 형성되는 입자분리 수단인 분리 슬릿(32-1)을 통하여 FCE부(400)로 유출되는 혼합물을 말하고, 초과기체는 DMA(300)에 형성된 분리 슬릿(32-1)을 통하여 유출되지 못하고 분리 슬릿(32-1) 하부에 위치한 유출구를 통하여 DMA(300) 외부로 유출되는 혼합물을 가르킨다.

배출부(200)는 초과 기체가 흐르는 DMA(300) 하단 부와 진공펌프(26) 사이의 압력을 측정하는 압력 측정기(21), 초과 기체의 온도를 측정하는 온도계(22)와, 초 과 기체 유량과 DMA(300) 내의 압력을 조절하는 초과 기체 조절밸브(23), 샘플 기체 유량과 DMA(300) 내의 압력을 조절하는 샘플 기체 조절밸브(24), 샘플 기체의 유량을 측정하는 유량 측정기(25)와, 장치 전체를 저압으로 만드는 진공펌프(26)로 구성된다. 진공펌프(26)는 Oil rotary vacuum pump(26)일 수 있다.

이 가운데 압력 측정기(21)는 0.5~1000 Torr 범위의 압력을 0.25%의 오차를 가지고 측정할 수 있으며, 온도계(22)는 Thermocouple을 이용하여 비교적 넓은 범위의 온도를 측정할 수 있다. 초과 기체 및 샘플 기체 조절밸브(23,24)는 Needle valve가 사용되며 비교적 정밀한 유량까지 제어 가능하다. 유량 측정기(25)는 최대 2000 sccm 까지의 유량을 0.2% 오차를 가지고 측정할 수 있다. 진공펌프(26)는 최대 600 liter/min의 펌프 속도를 가지며, DMA(300) 내부로 유입되는 기체가 없을 시, DMA(300) 내부 압력을 최소 1~3 Torr까지 낮출 수 있다. 진공펌프(26)는 사용하고자 하는 저압 환경에 따라 펌프 용량이 변경될 수 있다. 또한, 초과 기체 배관라인과 샘플 기체 배관라인 별로 각각의 별개의 펌프를 설치할 수도 있다.

DMA(300)는 에어로졸에 포함된 입자 중 어느 일정구간의 전기이동도를 갖는 입자를 특정 군으로 분리시키는 부분이다.

DMA(300)는 청정기체 및 하전과정을 거친 에어로졸이 유입되는 외부 실린더(Outer cylinder)(31), 외부 실린더(Outer cylinder)(31) 내벽과의 사이에 상기 청정기체와 에어로졸 혼합물의 유동로가 형성되도록 외부 실린더(Outer cylinder)(31) 내부에 길이 방향을 따라 설치되는 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32), 상기 에어로졸에 포함된 입자 중 어느 일정 구간의 전기이동도를 갖는 입자를 특정 군으로 분리하기 위한 입자 분리수단(도면부호 미부여)을 포함한다.

외부 실린더(Outer cylinder)(31)의 바닥면에는 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32)를 안치시키기 위한 안치대(33)가 구비될 수 있는데, 안치대(33)는 외부 실린더(Outer cylinder)(31)와 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32)의 단전을 위해 부도체인 고무 등으로 이루어질 수 있다.

입자 분리수단(32-1)은 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32)의 외주면으로부터 내측으로 형성되어 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32)의 하단부로 연장 형성되는 분리 슬릿(slit)(32-1), 분리 슬릿(slit)(32-1)에 연통되도록 안치대(33)에 형성되는 안치대 유출로(33-1), 안치대 유출로(33-1)에 연통되는 실린더 유출공(31-1)일 수 있다.

두 부위(31,32)의 형상과 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32)에 인가되는 최대 전압은 측정가능한 입자 사이즈 범위에 영향을 준다. 한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 외부 실린더(Outer cylinder)(31)는 접지되어 있다.

FCE(Faraday Cup Electrometer)부(400)는 입자 분리수단(도면부호 미부여)을 통하여 분리된 입자군에 속하는 입자들의 하전량에 의한 전류를 측정하는 부분이다.

FCE부(400)는 DMA(300)에서 특정 군으로 분리된 입자의 하전량을 실시간으로 측정하여 제어 및 복원부(Controller/Data acquisition & reduction)(52)에 전류 값을 내보내는 FCE(41)를 포함한다. FCE(41)의 평균 노이즈 레벨은 0.35 fA 이하로, 응답 시간은 200 ms이하일 수 있다. FCE부(400)는 유량 측정기(25) 및 샘플 기체 조절밸브(24)를 통하여 진공펌프(26)에 연결된다.

중앙처리부(500)는 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32)에 전압을 인가하고 데이터를 수집/복원하고 전류를 측정하는 등 상기 실시예1을 전반적으로 제어하는 부분이다.

중앙처리부(500)는 저압에서 외부 실린더(Outer cylinder)(31)와 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32) 사이에서 Breakdown(방전)이 발생했을 경우 외부 실린더(Outer cylinder)(31)에서 전류를 측정하는 일렉트로미터(Electrometer)(51), 실시예1의 전체 제어와 측정 데이터를 수집/분석하여 에어로졸 유량계(11)를 통하여 실시예1에 유입되는 에어로졸에 포함된 입자 크기 내지 입자 크기 분포를 복원하는 제어 및 복원부(Controller/Data acquisition & reduction)(52)을 포함한다. 한편, 제어 및 복원부(Controller/Data acquisition & reduction)(52)는 외부 실린더(Outer cylinder)(31)와 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32) 사이에 특정 전압을 인가하기 위한 전원공급부를 포함한다. 일렉트로미터(Electrometer)(51)는 최소 측정 가능한 전류가 10^-9 A 이하일 수 있다. 제어 및 복원부(Controller/Data acquisition & reduction)(52)는 컴퓨터 기반이 될 수도 있고 PLC 기반이 될 수도 있다.

제어 및 복원부(Controller/Data acquisition & reduction)(52)는 일렉트로미터(Electrometer)(51)를 통하여 측정된 전류값을 이용하여 외부 실린더(Outer cylinder)(31)와 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32) 사이의 방전전압

를 측정하고, 다시 상기

를 이용하여 DMA(300)의 내부 압력을 측정하게 된다.

도2를 참조하면 외부 실린더(Outer cylinder)(31)와 내부 일렉트로드(Inner electrode)(32) 사이의 방전전압

의 측정은 DMA(300)의 이너 일렉트로드(32)에 전압

을 인가한 뒤(S41) 일렉트로미터(51)를 이용하여 DMA(300)의 외부 실린더(31)에 흐르는 전류

를 측정하고(S42),

인지를 판단하여(S43)

인 경우 이너 일렉트로드(32)에 가해진 전압

을

로 결정함으로써 이루어진다.(S45). 한편,

가 아닌 경우에는 새로운 전압

을

에 대입하여(S44) 상기한 S41, S42 및 S43의 과정을 반복하여 수행한다. 새로운 전압

을

에 대입하는 과정(S44), S41 및 S42 및 S43의 단계는

를 만족할 때까지 수행된다. 즉, 방전전압

의 측정은 0부터 시작해서 방전이 될 때까지 천천히 전 단계보다 큰 값으로 올려줌으로써 수행될 수 있다.

도2를 참조하면 DMA(300)의 내부압력

의 측정은 S45에서 결정된

를 Pashen 효과에 적용함으로써 획득된다(S46).

를 Pashen 효과에 적용하는 과정(S46)은 Townsend criterion을 이용하여 구한 Pashen curve 식

을 이용함으로써 수행된다. 여기서,

및

는 DMA(300)에 유입되는 청정기체 및 에어로졸에 의존하는 제1 이온화 상수와 관련된 상수이고,

는 DMA(300)에 유입되는 청정기체 및 에어로졸과 DMA(300)의 재질, 형상에 의존하는 제2 이온화 상수이고,

이고,

은 DMA(300)의 이너 일렉트로드(32)의 외경이고,

는 DMA(300)의 아우터 실린더(31)의 내경이다.

따라서, 방전전압

는

의 함수로 표현될 수 있으므로, 이로부터 DMA 내부압력

가 계산된다.

한편, 특정 기체의 DMA(300) 내의 온도 및 압력하에서의 유량을

, DMA(300) 내의 온도 및 압력을

및

, 특정 기체의 표준상태에서의 유량을

, 표준상태의 온도 및 압력을

,

라 하면,

의 관계가 성립한다. 표준상태의 온도는 실내온도이고, 표준상태의 압력은 대기압일 수 있다.

즉, DMA(300) 내의 온도 및 압력하에서의 유량을

는 DMA(300)의 내부 압력

에 의존하므로, 상기

를 정확히 측정하여 입자측정기에 유입되는 에어로졸에 포함된 입자의 개수 내지 크기 분포를 정확히 측정기 위하여는 DMA 내부압력

의 정확한 측정이 선행되어야 한다.

따라서, 통상의 압력계가 아닌 실시예1에 따라 DMA 내부압력

를 정확히 측정함으로써, 상기 특정 군으로 분리된 입자의 개수 내지 크기 분포를 정확히 측정할 수 있다.

실시예2

실시예2는 실시예1의 입자측정기를 이용하여 DMA의 내부 압력을 측정하기 위한 프로그램이 내장된 기록매체에 관한 것이다.

실시예2는 일정 유량의 청정기체 및 에어로졸이 DMA(300) 내에 유입되고 배 출되는 정상상태의 경우 DMA(300)의 내부 압력

를 측정하기 위한 프로그램이 저장된 기록매체에 관한 것이다. 실시예2의 프로그램에 의해 DMA(300)의 내부 압력

가 측정되는 과정은 실시예1에서 설명한 바에 준한다.

도1은 실시예1의 개략도.

도2는 실시예1의 DMA 내부압력 측정을 위한 중앙처리부의 작동 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:유입부 11:에어로졸 유량계

12:Radioactive Neutralizer 13: 청정기체 유량계

200:배출부 21:압력 측정기

22:온도계 23:초과 기체 조절밸브

24:샘플 기체 조절밸브 25:유량 측정기

26:진공펌프

300:DMA 31:외부 실린더(Outer cylinder)

31-1:실린더 유출공 33:안치대

33-1:안치대 유출로

32:내부 일렉트로드(Inner electrode) 32-1:분리 슬릿

400:FCE부 41:FCE

500:중앙처리부 51:일렉트로미터(Electrometer)

52:제어 및 복원부(Controller/Data acquisition & reduction)

Claims

청정기체 및 하전과정을 거친 에어로졸이 유입되는 외부 실린더; 상기 외부 실린더 내벽과의 사이에 상기 청정기체와 에어로졸 혼합물의 유동로를 형성하며, 상기 외부 실린더 내부에 길이 방향을 따라 설치되는 내부 일렉트로드; 상기 에어로졸에 포함된 입자 중 어느 일정 구간의 전기이동도를 갖는 입자를 특정 군으로 분리하기 위한 입자 분리수단;을 구비하는 DMA와,

상기 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이의 방전전압
를 측정하여 상기 DMA의 내부 압력을 측정하는 중앙처리부를 포함하되,

상기 중앙처리부는 상기 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이에 전압을 인가하기 위한 전원공급부; 상기 외부 실린더 또는 내부 일렉트로드의 어느 하나에 연결되는 일렉트로미터(Electrometer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DMA를 이용한 입자측정기.
제1항에 있어서,

상기
는 상기 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이에 특정 전압을 가한 경우 상기 일렉트로미터(Electrometer)를 통하여 측정된 전류가 일정 범위에 해당할 때 상기 외부 실린더와 내부 일렉트로드 사이에 가해진 특정 전압인 것을 특징으로 하는 DMA를 이용한 입자측정기.
제2항에 있어서,

상기 중앙처리부는 상기
를 Pashen 효과에 적용하여 상기 DMA의 내부 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 DMA를 이용한 입자측정기.
제3항에 있어서,

상기
를 Pashen 효과에 적용하기 위한 식은 Townsend criterion을 이용하여 구한 Pashen curve 식
인 것을 특징으로 하는 DMA를 이용한 입자측정기.

여기서,
및
는 상기 DMA에 유입되는 청정기체 및 에어로졸에 의존하는 제1 이온화 상수와 관련된 상수이고,
는 상기 DMA에 유입되는 청정기체 및 에어로졸과 상기 DMA의 재질, 형상에 의존하는 제2 이온화 상수이고,
는 상기 DMA의 내부압력이고,
,
은 상기 DMA의 일렉트로드의 외경,
는 상기 DMA의 외부 실린더의 내경이다.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 청정기체와 에어로졸의 혼합물 중 상기 입자 분리수단에 의해 분리된 혼합물과 상기 분리수단에 의해 분리되지 않은 혼합물을 별개의 통로를 통해 배출시키기 위한 진공펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 DMA를 이용한 입자측정기.
제5항에 있어서,

상기 분리수단은 상기 내부 일렉트로드의 외주면으로부터 내측으로 형성되어 상기 내부 일렉트로드의 하단부로 연장 형성되는 분리슬릿을 포함하고,

상기 분리수단에는 상기 분리수단에 의해 특정 군으로 분리된 입자들에 의한 하전량을 측정하기 위한 FCE가 구비되는 FCE부가 연결되며,

상기 FCE부는 상기 진공펌프에 연결되는 것을 특징으로 하는 DMA를 이용한 입자측정기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 입자측정기를 이용하여 DMA의 내부 압력 을 측정하기 위한 프로그램이 내장된 것을 특징으로 하는 DMA의 내부 압력을 측정하기 위한 프로그램이 내장된 기록매체.