KR20120037096A - 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치 - Google Patents

케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치에 관한 것으로, 실험 동물 순화용 케이지와 에어로졸 입자 공급 장치를 이용하여 단순한 구조를 갖는 소형의 장치를 구성함으로써, 설치 및 운영 비용을 절감하고 흡입 독성 평가 시험을 간편하고 용이하게 수행할 수 있고, 케이지에 공급되는 에어로졸 입자의 분포 상태를 더욱 균일하고 넓게 확산되도록 함으로써, 흡입 독성 평가 시험에 대한 정확성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 케이지를 다수개 구비하고 각 케이지에 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 입자 공급 장치를 구비하며 에어로졸 입자 공급 장치가 각 케이지에 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 변경 조절할 수 있도록 구성함으로써, 각 케이지에서 에어로졸 입자의 농도 변화에 따른 다양한 형태의 흡입 독성 평가 시험을 수행할 수 있고, 그 시험 공정 또한 매우 편리하고 용이하게 수행할 수 있는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치를 제공한다.

Description

케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치{Cage Type Apparatus for Testing Inhalation Toxicity of Aerosol Paticles}
본 발명은 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 실험 동물 순화용 케이지와 에어로졸 입자 공급 장치를 이용하여 단순한 구조를 갖는 소형의 장치를 구성함으로써, 설치 및 운영 비용을 절감하고 흡입 독성 평가 시험을 간편하고 용이하게 수행할 수 있고, 케이지에 공급되는 에어로졸 입자의 분포 상태를 더욱 균일하고 넓게 확산되도록 함으로써, 흡입 독성 평가 시험에 대한 정확성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 케이지를 다수개 구비하고 각 케이지에 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 입자 공급 장치를 구비하며 에어로졸 입자 공급 장치가 각 케이지에 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 변경 조절할 수 있도록 구성함으로써, 각 케이지에서 에어로졸 입자의 농도 변화에 따른 다양한 형태의 흡입 독성 평가 시험을 수행할 수 있고, 그 시험 공정 또한 매우 편리하고 용이하게 수행할 수 있는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치에 관한 것이다.
20세기가 마이크로로 대별되는 시대였다면 21세기는 나노 시대라 할 수 있는데, 나노기술은 그 응용분야에 따라 나노소재와 나노소자, 그리고 환경 및 생명공학 기반기술 등으로 크게 분류할 수 있다.
이러한 나노기술은 원자나 분자단위의 극미세 물질을 인위적으로 조작하여 새로운 성질과 기능을 갖는 물질이나 장치를 만드는 것으로, 이는 오늘날 정보기술(Information Technology : IT) 및 기타 생명공학기술(bio technology : BT)을 실현시키기 위한 하나의 최첨단 기술로 추앙받고 있는 실정이다.
하지만, 나노기술은 산업분야 전반에 걸쳐 새로운 기술혁명이라 인식될 정도로 많은 이로움과 유익함을 제공하는 것이기는 하나, 그 반면에 잠재적 위험성을 지니고 있는 것 또한 주지의 사실인 바, 이러한 잠재적 위험성은 바로 나노기술의 특성에 기인한다고 볼 수 있다.
즉, 작은 입자일수록 비표면적비는 넓어지고, 이와 같이 비표면적비가 넓어진 작은 입자는 생체조직과 반응시 독성이 증가하게 되는데, 그 일 예로서 이산화티타늄, 탄소분말, 디젤입자 등과 같은 몇 가지 나노입자는 크기가 줄어들수록 염증을 유발하는 등 독성이 강해진다는 것이 그동안의 학문적 실험을 통해 이미 밝혀진 사실이다. 또한, 초미세 나노입자는 기도나 점막에 걸러지지 않고 폐포 깊숙이 박히거나 뇌로 이동할 수도 있고, 더욱이 최근 여러 연구에 의하면 나노입자가 체내에 축적될 경우 질병이나 중추신경 장애를 일으킨다는 이론들이 보고되고 있다.
따라서, 최근에는 나노 기술의 발전과 함께 나노 기술에 대한 안정성 평가 또한 활발히 진행되고 있는데, 대표적으로 나노 입자가 인체에 흡입 축적되는 경우에 발생하는 독성에 대해 평가하는 나노 입자 흡입 독성 평가 시험이 다양한 실험 동물들을 상대로 연구되고 있다. 이러한 나노 입자 흡입 독성 평가 시험을 통해 얻어진 인체 유해성 자료들은 나노 섬유, 화장품, 반도체, 약물 전달체 등 산업 전반에 걸쳐 나노 입자에 대한 다양한 기초 자료로 활용되고 있다.
최근에는 이러한 나노 기술에 대한 중요성이 부각됨에 따라 나노 입자의 흡입 독성에 대한 시험 뿐만 아니라 나노 입자의 인체에 대한 효능, 안전성, 환경 영향 평가 등 다양한 형태의 시험이 수행되고 있는데, 이러한 다양한 형태의 시험들은 모두 나노 입자의 인체에 대한 영향을 평가한다는 점에서 흡입 독성 평가 시험과 대부분 동일한 방식으로 진행되므로, 이하에서는 이와 같은 나노 입자에 대한 다양한 시험을 흡입 독성 평가 시험이라고 통칭하여 기술한다.
이러한 나노 입자에 대한 흡입 독성 평가 시험은 일반적으로 나노 입자를 에어로졸 상태로 발생시켜 일정 크기의 저장 챔버에 공급하고, 이러한 저장 챔버에 실험 동물을 투입시켜 나노 입자에 노출시킨 후 실험 동물의 다양한 변화 상태를 측정하는 방식으로 진행되고 있다. 이때, 실험 동물은 별도의 사육 케이지에서 일정 기간 사육되며 충분히 순화되는 과정을 거친 후 최적의 건강 상태로 흡입 독성 평가 시험에 투입되는 방식으로 진행되고 있다.
한편, 나노 입자의 영향에 대한 좀 더 다양한 시험 결과를 얻기 위해서는 서로 다른 농도의 나노 입자가 공급되는 다수개의 저장 챔버가 요구되는데, 이는 각각 서로 다른 종류의 입자 발생기 및 희석 장치를 구비하여 각각의 저장 챔버에 서로 다른 나노 입자 농도를 형성하는 방식으로 달성되고 있다. 즉, 다수개의 저장 챔버와, 각 저장 챔버에 에어로졸 상태의 나노 입자를 공급할 수 있도록 나노 입자를 발생시키는 입자 발생기와, 입자 발생기로부터 발생된 에어로졸 상태의 나노 입자를 특정 농도로 희석시키는 희석 장치 등이 구비되고, 이때 입자 발생기와 희석 장치는 각 저장 챔버 마다 각각 별개로 구비되어 각 저장 챔버에서 나노 입자에 대한 서로 다른 농도가 형성되도록 하는 방식으로 나노 입자에 대한 시험이 진행된다.
여기서, 나노 입자는 에어로졸 상태로 존재하며, 나노 입자에 대한 시험은 에어로졸 상태로 존재하는 서브마이크론 대의 입경을 갖는 입자에 대해서도 동일하게 적용될 수 있으므로, 이하에서는 특별한 설명이 없는 한 에어로졸 상태로 존재하는 나노 입자와 서브마이크론 입자를 포함하여 에어로졸 입자라 한다.
이와 같은 에어로졸 입자에 대한 농도 형성 방식은 서로 다른 농도의 종류만큼 입자 발생기와 희석 장치가 다수개 구비되어야 하며, 통합적인 농도 관리가 불가능하여 에어로졸 입자에 대한 흡입 독성 평가 시험 작업이 매우 번거롭고 많은 인원 및 비용이 소요되는 등의 문제가 있었다. 또한, 종래 기술에 의한 일반적인 흡입 독성 평가 시험 장치는 상당한 규모의 저장 챔버와 공기 순환 시설 등을 갖추는 등 그 규모가 크고 설치 및 운영 비용이 매우 고가이므로, 전문적인 연구 기관에서만 그 시험이 수행되고 있을 뿐 대학의 실험실 등 소규모 연구실에서는 이러한 시험이 널리 수행되지 못한다는 문제가 있었다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 실험 동물 순화용 케이지와 에어로졸 입자 공급 장치를 이용하여 단순한 구조를 갖는 소형의 장치를 구성함으로써, 설치 및 운영 비용을 절감하고 흡입 독성 평가 시험을 간편하고 용이하게 수행할 수 있는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 에어로졸 입자 공급 장치를 통해 케이지에 공급되는 에어로졸 입자의 분포 상태를 더욱 균일하고 넓게 확산되도록 함으로써, 흡입 독성 평가 시험에 대한 정확성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 케이지를 다수개 구비하고 각 케이지에 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 입자 공급 장치를 구비하며, 에어로졸 입자 공급 장치가 각 케이지에 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 변경 조절할 수 있도록 구성함으로써, 각 케이지에서 에어로졸 입자의 농도 변화에 따른 다양한 형태의 흡입 독성 평가 시험을 수행할 수 있고, 그 시험 공정 또한 매우 편리하고 용이하게 수행할 수 있는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 내부 공간에 실험 동물을 투입하여 사육할 수 있도록 노출 챔버가 형성된 다수개의 케이지; 및 다수개의 상기 케이지의 노출 챔버에 각각 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 입자 공급 장치를 포함하고, 상기 에어로졸 입자 공급 장치는 상기 노출 챔버에 각각 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치를 제공한다.
이때, 상기 에어로졸 입자 공급 장치는 일정 농도를 갖도록 에어로졸 상태로 입자를 발생시키는 입자 발생 유닛; 상기 입자 발생 유닛에 의해 발생된 에어로졸 입자를 일정한 압력 상태로 저장하여 에어로졸 입자가 상기 케이지의 노출 챔버에 각각 공급되도록 다수개의 상기 케이지와 배관을 통해 연결되는 하나의 공급 챔버; 상기 공급 챔버의 내부 압력을 일정하게 유지시키는 압력 유지 수단; 및 상기 공급 챔버와 다수개의 상기 케이지를 연결하는 배관에 각각 연결 장착되어 상기 케이지로 유입되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 조절하는 입자 농도 조절 유닛을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 공급 챔버에는 에어로졸 입자를 외부로 배출할 수 있도록 배출 포트가 형성되며, 상기 압력 유지 수단은 상기 배출 포트를 통해 배출되는 에어로졸 입자의 배출량을 조절하여 상기 공급 챔버의 내부 압력을 일정하게 유지시키도록 작동할 수 있다.
또한, 상기 압력 유지 수단은 상기 공급 챔버의 배출 포트에 연결된 제 1 배출 파이프 상에 장착되는 백프레셔 밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 입자 농도 조절 유닛은 상기 공급 챔버로부터 상기 케이지로 공급되는 에어로졸 입자의 유량을 조절하는 입자 유량 조절기; 및 상기 입자 유량 조절기를 통과하여 상기 케이지로 공급되는 에어로졸 입자에 클린 에어를 공급하며 클린 에어의 공급 유량을 조절할 수 있도록 형성되는 공기 유량 조절기를 포함하고, 상기 입자 유량 조절기 및 공기 유량 조절기를 통해 에어로졸 입자의 유량과 클린 에어의 유량에 대한 혼합 비율을 조절하여 에어로졸 입자의 농도를 조절하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 입자 발생 유닛은 에어로졸 상태로 입자를 발생시키는 입자 발생기; 상기 입자 발생기를 통해 발생된 에어로졸 입자에 클린 에어를 공급하는 메인 공기 유량 조절기; 및 상기 입자 발생기를 통해 발생된 에어로졸 입자와 상기 메인 공기 유량 조절기에 의해 공급된 클린 에어가 혼합될 수 있는 메인 믹싱 챔버를 포함하고, 상기 공급 챔버는 상기 메인 믹싱 챔버와 연결 장착될 수 있다.
또한, 상기 케이지에는 상기 에어로졸 입자 공급 장치와 연결되어 상기 노출 챔버에 에어로졸 입자를 공급하는 분사 유닛이 일측에 관통 결합되고, 타측에는 상기 노출 챔버로 공급된 에어로졸 입자가 외부로 배출될 수 있도록 배출구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 분사 유닛은 상기 노출 챔버의 하부 공간에 배치되며, 상기 배출구는 상기 노출 챔버의 상부 공간에 위치하도록 상기 케이지에 다수개 형성될 수 있다.
또한, 상기 분사 유닛은 상기 노출 챔버의 하부 공간에 위치하도록 상기 케이지에 관통 결합되며 일단이 상기 에어로졸 입자 공급 장치에 연결되는 연결관; 및 상기 연결관에 연결되어 일측 방향으로 길게 형성되며 길이 방향을 따라 다수개의 분사홀이 형성되는 분사 파이프를 포함하고, 상기 다수개의 분사홀을 통해 에어로졸 입자가 상기 노출 챔버로 공급 배출되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 배출구에는 별도의 흡입 파이프가 연결되며, 상기 흡입 파이프에는 상기 노출 챔버의 내부 공간을 흡입할 수 있도록 흡입 펌프가 장착될 수 있다.
본 발명에 의하면, 실험 동물 순화용 케이지와 에어로졸 입자 공급 장치를 이용하여 단순한 구조를 갖는 소형의 장치를 구성함으로써, 설치 및 운영 비용을 절감하고 흡입 독성 평가 시험을 간편하고 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 에어로졸 입자 공급 장치를 통해 케이지에 공급되는 에어로졸 입자의 분포 상태를 더욱 균일하고 넓게 확산되도록 함으로써, 흡입 독성 평가 시험에 대한 정확성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 케이지를 다수개 구비하고 각 케이지에 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 입자 공급 장치를 구비하며, 에어로졸 입자 공급 장치가 각 케이지에 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 변경 조절할 수 있도록 구성함으로써, 각 케이지에서 에어로졸 입자의 농도 변화에 따른 다양한 형태의 흡입 독성 평가 시험을 수행할 수 있고, 그 시험 공정 또한 매우 편리하고 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 기본 구조를 개념적으로 도시한 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 전체 구성을 개념적으로 도시한 개념도,
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 동작 상태를 예시적으로 도시한 개념도,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 케이지에 대한 구성을 개략적으로 도시한 사시도,
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 케이지 내부 공간에 대한 입자 흐름 상태를 개념적으로 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 기본 구조를 개념적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 전체 구성을 개념적으로 도시한 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치는 실험 동물을 투입하여 사육할 수 있는 다수개의 케이지(400)와, 다수개의 케이지(400)에 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 입자 공급 장치(90)를 포함하여 구성된다.
케이지(400)는 내부 공간에 밀폐형 노출 챔버(C, 도 6 참조)가 형성되고, 노출 챔버(C)에 실험 동물을 투입하여 사육함과 동시에 에어로졸 입자 공급 장치(90)를 통해 노출 챔버(C)에 에어로졸 입자가 공급되도록 구성된다. 이러한 케이지(400)는 종래 기술에서 설명한 바와 같이 실험 동물 순화용 케이지를 이용한 형태로 제작할 수 있으며, 이러한 케이지(400)를 통해 대규모 설비 없이 단순한 형태로 흡입 독성 평가 시험을 수행할 수 있다. 즉, 종래 기술에 따른 일반적인 흡입 독성 평가 시험 장치는 상당한 규모의 저장 챔버와 입자 공급 장치 및 공기 순환 시설 등이 요구되었지만, 본 발명에 따른 흡입 독성 평가 시험 장치는 단순히 실험 동물을 사육할 수 있는 순화용 케이지(400)와, 이에 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 입자 공급 장치(90)를 이용하여 단순한 구조로 구성됨으로써, 흡입 독성 평가 시험을 용이하게 수행할 수 있다.
에어로졸 입자 공급 장치(90)는 다수개의 케이지(400)의 노출 챔버(C)에 에어로졸 입자를 공급하는데, 각각의 노출 챔버(C)에 각각 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 조절할 수 있도록 구성된다. 즉, 다른 노출 챔버(C)에 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 변화시키지 않고, 특정 노출 챔버(C)에 공급되는 에어로졸 입자의 농도만 독립적으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 에어로졸 입자의 농도를 더욱 다양하게 변화시켜가며 실험 동물에 대한 흡입 독성 평가 시험을 수행할 수 있다.
먼저, 이와 같은 에어로졸 입자 공급 장치(90)의 구성 및 동작 원리에 대해 살펴본 후 케이지(400)의 구조에 대해 상세히 살펴본다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 입자 공급 장치는 하나의 입자 발생기를 통해 다수개의 케이지에 서로 다른 농도의 에어로졸 입자를 동시에 공급할 뿐만 아니라 각 케이지에 대한 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 변경 조절할 수 있는 구조로서, 입자 발생 유닛(100)과, 공급 챔버(200)와, 압력 유지 수단(300)과, 입자 농도 조절 유닛(500)을 포함하여 구성된다.
입자 발생 유닛(100)은 일정 농도를 갖도록 에어로졸 상태로 입자를 발생시키도록 구성되며, 입자 발생 유닛(100)에 의해 발생된 에어로졸 입자가 공급 챔버(200)로 공급되도록 공급 챔버(200)와 배관을 통해 연결된다. 이러한 입자 발생 유닛(100)은 에어로졸 상태로 입자를 발생시키는 입자 발생기(110)와, 입자 발생기(110)를 통해 발생된 에어로졸 입자에 클린 에어를 공급하는 메인 공기 유량 조절기(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 입자 발생기(110)는 에어로졸 상태로 입자를 발생시키는 것으로 Atomizing 방식, EHDS(Electro-Hydro-Dynamic Spray) 방식, 스파크 방전 방식 등 다양한 종류가 사용될 수 있고, 메인 공기 유량 조절기(120)는 공기를 공급할 수 있는 별도의 에어 컴프레셔(600)로부터 헤파 필터(HEPA Filter, 미도시)를 통과한 클린 에어의 유량을 조절하는 질량 유량계(MFC:Mass Flow Controller)의 형태로 구성될 수 있다. 이러한 입자 발생기 및 질량 유량계는 일반적으로 널리 사용되는 공지된 기술에 해당하므로 그 상세한 설명은 생략한다.
한편, 입자 발생 유닛(100)은 위와 같은 입자 발생기(110) 및 메인 공기 유량 조절기(120)에 더하여 메인 믹싱 챔버(130)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 메인 믹싱 챔버(130)는 입자 발생기(110)를 통해 발생된 에어로졸 입자와 메인 공기 유량 조절기(120)에 의해 공급된 클린 에어가 원활하게 혼합될 수 있도록 형성된다. 이때, 메인 믹싱 챔버(130)가 배관을 통해 공급 챔버(200)와 연통되게 결합됨으로써, 일정 농도의 에어로졸 입자가 공급 챔버(200)로 공급된다.
즉, 입자 발생기(110)에 의해 발생된 에어로졸 입자와 메인 공기 유량 조절기(120)에 의해 공급된 클린 에어가 메인 믹싱 챔버(130)에서 상호 혼합되어 특정 농도를 형성하고, 이와 같이 형성된 특정 농도의 에어로졸 입자가 메인 믹싱 챔버(130)로부터 공급 챔버(200)로 공급된다. 이때, 공급 챔버(200)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도는 메인 공기 유량 조절기(120)를 통해 공급되는 클린 에어의 유량을 조절하거나 입자 발생기(110)에 의해 발생되는 에어로졸 입자의 발생량을 조절하는 방식으로 변경 조절할 수 있을 것이다.
또한, 입자 발생 유닛(100)은 공급 챔버(200)에 직접 클린 에어를 공급할 수 있도록 공급 챔버(200)와 연결 장착되는 서브 공기 유량 조절기(140)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 서브 공기 유량 조절기(140)는 전술한 메인 공기 유량 조절기(120)와 마찬가지로 에어 컴프레셔(600) 및 헤파 필터를 통과한 클린 에어의 유량을 조절하는 질량 유량계의 형태로 구성될 수 있다. 이러한 구조에 따라 공급 챔버(200)에는 메인 믹싱 챔버(130)로부터 일정 농도의 에어로졸 입자가 공급됨과 동시에 서브 공기 유량 조절기(140)를 통해 클린 에어가 동시에 공급됨으로써, 공급 챔버(200) 내부에 터뷸런스(turbulence)가 형성되어 에어로졸 입자의 분포 상태가 공급 챔버(200)의 전체 내부 공간에서 상대적으로 더 균일하게 확산 분포될 수 있다. 따라서, 공급 챔버(200) 내부의 농도 제어를 더욱 정확하게 수행할 수 있고, 이에 따라 후술하는 바와 같이 공급 챔버(200)로부터 다수개의 케이지(400)로 에어로졸 입자가 분배 공급되는 과정에서 에어로졸 입자에 대한 농도 분배 과정이 더욱 정확하게 수행될 수 있다.
공급 챔버(200)는 입자 발생 유닛(100)에 의해 발생된 에어로졸 입자를 공급받아 일정한 압력 상태로 저장하도록 형성된다. 공급 챔버(200)의 일측에는 입자 발생 유닛(100)으로부터 에어로졸 입자를 공급받을 수 있도록 메인 유입 포트(210)가 형성되어 배관을 통해 입자 발생 유닛(100)의 메인 믹싱 챔버(130)와 연결되고, 공급 챔버(200)의 타측에는 서브 유입 포트(211)가 형성되어 입자 발생 유닛(100)의 서브 공기 유량 조절기(140)와 연결된다. 이때, 메인 유입 포트(210)와 서브 유입 포트(211)는 공급 챔버(200) 내부에서 터뷸런스가 효과적으로 발생하도록 서로 대향하는 방향으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 공급 챔버(200)에는 다수개의 케이지(400)로 에어로졸 입자가 공급될 수 있도록 다수개의 공급 포트(230)가 형성되고, 다수개의 공급 포트(230)로부터 각각 다수개의 케이지(400)가 배관을 통해 연결된다. 또한, 공급 챔버(200)에는 공급 챔버(200)로부터 에어로졸 입자가 외부로 배출될 수 있도록 별도의 배출 포트(220)가 형성될 수 있으며, 배출 포트(220)에는 공급 챔버(200)의 내부 압력을 일정하게 유지시키는 압력 유지 수단(300)이 배관을 통해 연결된다.
이때, 케이지(400)는 각각 서로 다른 에어로졸 입자 농도를 갖도록 다수개 구비될 수 있는데, 각 케이지(400a,400b,400c)는 각각 공급 챔버(200)의 공급 포트(230)에 배관을 통해 연결된다. 예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 케이지(400)가 3개 구비되고, 각 케이지(400a,400b,400c)는 각각 고농도 케이지(400a), 중농도 케이지(400b) 및 저농도 케이지(400c)로 형성되어 각각 고농도, 중농도 및 저농도의 에어로졸 입자가 공급되도록 형성될 수 있다. 이는 예시적인 것으로 이와 달리 케이지(400)의 개수는 5개, 10개 등 다양하게 변경 가능하며 각각의 케이지(400)에 공급되는 에어로졸 입자의 농도가 모두 다르게 형성될 수도 있고, 일부는 동일하게 형성될 수도 있는 등 다양하게 변경 가능할 것이다. 물론, 이 경우 각 케이지(400a,400b,400c)의 형상 및 구조는 모두 동일하게 구성될 수 있으며, 각 케이지(400a,400b,400c)에 공급되는 에어로졸 입자의 농도 차이는 후술하는 입자 농도 조절 유닛(500)을 통해 수행된다. 한편, 이러한 케이지(400)에는 공급 챔버(200)로부터 연속적으로 일정한 농도의 에어로졸 입자가 유입되어 배출되도록 별도의 분사 유닛(900, 도 6 참조)과, 흡입 파이프(R, 도 6 참조) 및 흡입 펌프(800, 도 6 참조)가 장착될 수 있으며, 이러한 케이지(400)에 실험 동물 등을 투입시켜 에어로졸 입자에 노출시킴으로써 나노 입자 또는 서브 마이크론 입자에 대한 흡입 독성 등의 시험을 수행할 수 있는데, 케이지(400)의 구성에 대한 상세한 설명은 후술한다.
압력 유지 수단(300)은 공급 챔버(200)의 내부 압력을 일정하게 유지시키는 수단으로 공급 챔버(200)의 배출 포트(220)에 배관을 통해 연결되며, 배출 포트(220)를 통해 외부로 배출되는 에어로졸 입자의 배출량을 조절하여 공급 챔버(200)의 내부 압력을 일정하게 유지시키도록 작동하는 방식으로 구성된다. 이때, 압력 유지 수단(300)은 공급 챔버(200)의 내부 압력이 설정 압력으로 유지된 상태에서 일정량의 에어로졸 입자를 외부로 연속적으로 배출하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이에 따라 공급 챔버(200)의 내부 압력이 설정 압력보다 증가하게 되면, 압력 유지 수단(300)은 배출 포트(220)를 통해 외부로 배출되는 에어로졸 입자의 배출량을 증가시킴으로써 공급 챔버(200)의 내부 압력을 감소시켜 설정 압력 상태를 유지시키고, 공급 챔버(200)의 내부 압력이 설정 압력보다 감소하게 되면, 압력 유지 수단(300)은 배출 포트(220)를 통해 외부로 배출되는 에어로졸 입자의 배출량을 감소시킴으로써 공급 챔버(200)의 내부 압력을 증가시켜 설정 압력 상태를 유지시킨다.
입자 농도 조절 유닛(500)은 공급 챔버(200)의 공급 포트(230)로부터 각 케이지(400a,400b,400c)를 연결하는 배관에 각각 연결 장착되어 공급 챔버(200)로부터 각 케이지(400a,400b,400c)로 유동하는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 조절하도록 구성된다. 이러한 입자 농도 조절 유닛(500)은 공급 챔버(200)로부터 케이지(400)로 공급되는 에어로졸 입자의 유량을 조절하는 입자 유량 조절기(510)와, 입자 유량 조절기(510)를 통과하여 케이지(400)로 공급되는 에어로졸 입자에 클린 에어를 공급하는 공기 유량 조절기(520)를 포함하여 구성될 수 있으며, 에어로졸 입자의 유량과 클린 에어의 유량의 혼합 비율 조절을 통해 각 케이지(400a,400b,400c)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 조절할 수 있는데, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
이와 같은 구성에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 입자 공급 장치는 하나의 입자 발생기(110)를 통해 다수개의 케이지(400)에 동시에 서로 다른 농도의 에어로졸 입자를 분배할 수 있으며, 각 케이지(400)에 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 조절할 수 있다. 즉, 하나의 입자 발생기(110)를 통해 발생된 에어로졸 입자는 공급 챔버(200)로 유입된 후, 공급 챔버(200)로부터 다수개의 케이지(400)로 분배 공급되며, 각 케이지(400)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도는 각각의 입자 농도 조절 유닛(500a,500b,500c)에 의해 각각 독립적으로 조절되며 각각 고농도, 중농도, 저농도과 같이 서로 다른 농도를 가질 수 있다. 이때, 어느 하나의 케이지, 예를 들어 고농도 케이지(400a)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 해당 입자 농도 조절 유닛(500a)을 통해 변경하는 경우, 해당 케이지(400a)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도만 변화할 뿐 나머지 다른 케이지, 즉 중농도 케이지(400b) 및 저농도 케이지(400c)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도는 변화하지 않는다. 이는 각 케이지(400a,400b,400c)로 에어로졸 입자를 공급하는 공급 챔버(200)의 내부 압력이 압력 유지 수단(300)에 의해 항상 일정하게 유지되기 때문이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 입자 공급 장치는 서로 다른 특정 농도의 에어로졸 입자를 다수개의 케이지(400)에 각각 분배 공급할 수 있고, 각각의 케이지(400)에 공급되는 에어로졸 입자 농도를 다른 케이지(400)의 에어로졸 입자 농도에 영향을 미치지 않고 변경 조절할 수 있으며, 이에 따라 각 케이지(400)에서 에어로졸 입자의 농도 변화에 따른 흡입 독성 평가 시험을 수행할 수 있고, 그 시험 공정 또한 매우 편리하고 용이하게 수행할 수 있다.
다음으로, 에어로졸 입자 공급 장치(90)의 압력 유지 수단(300) 및 입자 농도 조절 유닛(500)의 구성에 대해 좀 더 자세히 살펴본다.
압력 유지 수단(300)은 공급 챔버(200)의 내부 압력을 일정하게 유지시키기 위해 전술한 바와 같이 공급 챔버(200)의 배출 포트(220)에 배관을 통해 연결되어 배출 포트(220)를 통해 배출되는 에어로졸 입자의 배출량을 조절하도록 구성되는데, 이러한 압력 유지 수단(300)은 전후단의 압력 차이에 연동하여 개폐량을 조절하는 백프레셔 밸브(310)를 포함하여 구성될 수 있다.
좀 더 자세히 살펴보면, 공급 챔버(200)의 배출 포트(220)에는 제 1 배출 파이프(P1)가 연결 장착되는데, 백프레셔 밸브(310)는 이러한 제 1 배출 파이프(P1) 상에 장착된다. 백프레셔 밸브(310)는 백프레셔 밸브(310)의 전후단의 압력 차이에 따라 개폐량을 조절하도록 구성되며, 이러한 개폐량 조절에 의해 에어로졸 입자의 배출량을 조절하도록 구성된다. 따라서, 공급 챔버(200)의 내부 압력이 증가하게 되면, 백프레셔 밸브(310)의 전단부의 압력이 증가하게 되므로, 백프레셔 밸브의 개도량이 증가하여 에어로졸 입자의 배출량이 증가하게 되고, 반대로 공급 챔버(200)의 내부 압력이 감소하게 되면, 백프레셔 밸브(310)의 전단부의 압력이 감소하게 되므로, 백프레셔 밸브의 개도량이 감소하여 에어로졸 입자의 배출량이 감소하게 된다. 이때, 백프레셔 밸브(310)는 공급 챔버(200)의 내부 압력이 설정 압력을 유지하는 상태에서 일정량의 에어로졸 입자가 배출될 수 있도록 일부 개방된 상태로 유지되는 것이 바람직하다. 이는 공급 챔버(200)의 내부 압력이 증가하거나 또는 감소하는 경우 에어로졸 입자의 배출량 조절을 통해 공급 챔버(200)의 내부 압력을 설정 압력 상태로 유지하기 위함이다.
한편, 제 1 배출 파이프(P1)의 끝단에는 제 1 배출 파이프(P1)를 통해 공급 챔버(200)로부터 에어로졸 입자가 흡입 배출되도록 별도의 배출 흡입 펌프(320)가 장착되는 것이 바람직하며, 이러한 배출 흡입 펌프(320)를 통해 백프레셔 밸브(310)의 후단부에 음압을 형성함으로써 일정량의 에어로졸 입자가 연속적으로 배출되도록 할 수 있다. 즉, 공급 챔버(200)에는 입자 발생 유닛(100)으로부터 에어로졸 입자가 계속 공급되어 양압이 형성되고, 이에 대응하여 백프레셔 밸브(310)의 후단에는 배출 흡입 펌프(320)를 통해 음압이 형성되며, 이에 따라 배출 포트(220) 및 백프레셔 밸브(310)를 통해 공급 챔버(200)로부터 제 1 배출 파이프(P1)를 통해 에어로졸 입자가 배출된다. 물론, 이 경우 배출 흡입 펌프(320)가 없더라도 공급 챔버(200)의 내부 압력이 대기압보다 높게 형성된다면 당연히 배출 포트(220) 및 백프레셔 밸브(310)를 통해 에어로졸 입자가 배출될 수 있을 것이다.
또 한편, 백프레셔 밸브(310)의 전방 구간에는 제 1 배출 파이프(P1)로부터 분기되어 끝단이 배출 흡입 펌프(320)에 연결되도록 제 2 배출 파이프(P2)가 장착될 수 있다. 따라서, 배출 흡입 펌프(320)가 작동하면, 에어로졸 입자는 공급 챔버(200)의 배출 포트(220)로부터 제 1 배출 파이프(P1) 및 제 2 배출 파이프(P2)에 의한 2개의 파이프 라인을 통해 외부로 배출된다. 이때, 제 2 배출 파이프(P2) 상에는 공급 챔버(200)로부터 배출되는 에어로졸 입자를 저장할 수 있도록 별도의 샘플링 챔버(710)가 장착될 수 있다. 이에 따라 제 2 배출 파이프(P2)를 통해 배출되는 에어로졸 입자는 샘플링 챔버(710)에 일정량 공급 저장되며, 이와 같이 저장된 에어로졸 입자는 공급 챔버(200)에 저장된 에어로졸 입자와 농도 및 특성이 동일하기 때문에, 이러한 샘플링 챔버(710)에 공급 저장된 에어로졸 입자에 대한 분석을 통해 공급 챔버(200)에 저장된 에어로졸 입자의 농도 및 특성에 대한 실제 검증이 가능하다. 따라서, 공급 챔버(200)로부터 각 케이지(400) 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 더욱 정확하게 조절할 수 있다.
이때, 제 2 배출 파이프(P2)의 샘플링 챔버(710)와 배출 흡입 펌프(320) 사이 구간에는 제 2 배출 파이프(P2)를 통해 에어로졸 입자의 배출량이 일정하게 형성되도록 배출 유량 조절기(730)가 장착될 수 있다. 이러한 배출 유량 조절기(730)는 전술한 질량 유량계의 형태로 제작될 수 있으며, 제 2 배출 파이프(P2)를 통한 에어로졸 입자의 배출량은 제 2 배출 파이프(P2)에 장착된 배출 유량 조절기(730)의 배출량 설정값에 따라 결정된다. 또한, 샘플링 챔버(710)의 후단부에는 제 2 배출 파이프(P2)를 통한 샘플링 챔버(710)로의 에어로졸 입자 공급을 차단 및 개방할 수 있는 별도의 개폐 밸브(720)가 장착될 수 있다.
입자 농도 조절 유닛(500)은 전술한 바와 같이 공급 챔버(200)로부터 케이지(400)로 공급되는 에어로졸 입자의 유량을 조절하는 입자 유량 조절기(510)와, 입자 유량 조절기(510)를 통과하여 케이지(400)로 공급되는 에어로졸 입자에 클린 에어를 공급하는 공기 유량 조절기(520)를 포함하여 구성될 수 있으며, 에어로졸 입자의 유량과 클린 에어의 유량의 혼합 비율 조절을 통해 공급 챔버(200)로부터 각 케이지(400a,400b,400c)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 조절할 수 있도록 구성된다.
입자 유량 조절기(510)는 에어로졸 상태의 입자에 대한 유량을 조절하기 위한 장치로서, 에어로졸 입자의 유동 방향을 따라 전후단에서 차압이 발생하도록 구비되는 오리피스(미도시)와, 오리피스의 전후단의 차압을 측정하는 차압 센서(미도시)와, 차압 센서에 의한 측정값에 따라 개폐량을 조절하며 에어로졸 입자의 유량을 조절하는 비례 제어 밸브(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 비례 제어 밸브의 개폐량을 조절하여 에어로졸 입자의 유량을 조절하는데, 이때 차압 센서에 의한 측정값이 입자의 유량에 대한 인디게이터 역할을 수행하며, 사용자는 차압 센서에 의한 측정값에 따라 유량을 파악하여 유량을 조절한다. 이때, 오리피스의 최소 직경은 사용중 에어로졸 입자에 의해 폐색되지 않도록 상대적으로 더 크게 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 입자 유량 조절기(510)는 에어로졸 입자가 함유된 공기에 대한 유량 조절을 위해 널리 사용되는 것으로 공지된 기술에 해당하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
공기 유량 조절기(520)는 전술한 메인 공기 유량 조절기(120)와 마찬가지로 질량 유량계의 형태로 형성될 수 있으며, 에어 컴프레셔(600)로부터 헤파 필터를 통과한 클린 에어를 입자 유량 조절기(510)를 통과한 에어로졸 입자에 공급하고, 그 공급 유량을 조절할 수 있도록 구성된다.
이러한 구조에 따라 입자 유량 조절기(510)에 의해 조절된 에어로졸 입자의 유량과 공기 유량 조절기(520)에 의해 조절된 클린 에어의 유량의 혼합 비율을 조절함으로써, 케이지(400)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 조절할 수 있다.
예를 들면, 공기 유량 조절기(520)는 항상 동일한 유량의 클린 에어를 공급하도록 설정하고, 입자 유량 조절기(510)에 의한 에어로졸 입자의 유량을 증가시켜 케이지(400)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 증가시키거나 또는 입자 유량 조절기(510)에 의한 에어로졸 입자의 유량을 감소시켜 케이지(400)로 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 희석시키는 방식으로 농도 조절을 수행할 수 있다. 이 경우, 클린 에어의 유량이 동일하게 유지된 상태에서 에어로졸 입자의 유량이 변화되므로 전체적으로 케이지(400)에 공급되는 공급 유량이 변화하게 되므로, 이와 달리 공기 유량 조절기(520)와 입자 유량 조절기(510)의 유량을 동시에 조절하여 케이지(400)에 공급되는 공급 유량을 일정하게 유지한 상태로 에어로졸 입자의 농도만 변화하도록 조절할 수도 있다.
한편, 입자 농도 조절 유닛(500)은 입자 유량 조절기(510)를 통과한 에어로졸 입자와 공기 유량 조절기(520)를 통과한 클린 에어가 혼합될 수 있는 믹싱 챔버(530)를 더 포함하고, 믹싱 챔버(530)는 에어로졸 입자와 클린 에어가 원활하게 혼합될 수 있도록 형성된다. 또한, 이러한 믹싱 챔버(530)가 배관을 통해 케이지(400)와 연결됨으로써, 입자 유량 조절기(510) 및 공기 유량 조절기(520)를 통해 적정 비율로 혼합되어 특정 농도를 갖는 에어로졸 입자가 케이지(400)로 공급된다.
다음으로, 도 3 내지 도 5를 중심으로 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 입자 공급 장치의 동작 상태를 좀 더 자세히 살펴본다. 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 입자 공급 장치의 동작 상태를 예시적으로 도시한 개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 입자 발생 유닛(100)으로부터 100 PPM 농도, 50 LPM(Liter Per Minute)의 유량으로 에어로졸 입자를 공급 챔버(200)로 공급하는 경우, 공급 챔버(200)에서는 각 케이지(400a,400b,400c)에 서로 다른 농도의 에어로졸 입자가 공급될 수 있도록 각 입자 유량 조절기(510)에 의해 각각 예를 들면, 20 LPM, 10 LPM, 5 LPM 씩 공급 포트(230)를 통해 에어로졸 입자를 배출시킬 수 있다. 따라서, 공급 포트(230)를 통해 배출되는 에어로졸 입자의 유량이 35 LPM(20 LPM + 10 LPM + 5 LPM) 이므로, 이때, 공급 챔버(200)의 내부 압력이 일정하게 유지되기 위해서는 총 공급 유량과 총 배출 유량이 동일해야 하므로, 공급 챔버(200)에서는 압력 유지 수단(300)에 의해 15 LPM(50 LPM - 35 LPM)의 유량이 배출 포트(220)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 공급 챔버(200)에는 100 PPM 농도의 에어로졸 입자가 일정 압력 상태로 유지된다.
이때, 고농도 케이지(400a), 중농도 케이지(400b) 및 저농도 케이지(400c)에 각각 50 PPM, 33.3 PPM 및 20 PPM의 농도를 유지하고자 한다면, 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 입자 유량 조절기(510)에 의해 설정된 20 LPM, 10 LPM 및 5 LPM 의 에어로졸 입자 유량에 각각 공기 유량 조절기(520)를 통해 클린 에어를 20 LPM 씩 동일하게 혼합시킴으로써, 위와 같은 에어로졸 입자 농도를 얻을 수 있다. 즉, 각각의 공기 유량 조절기(520)를 통해 유입된 클린 에어의 유량은 각 입자 유량 조절기(510)를 통해 공급되는 100 PPM 에어로졸 입자의 유량에 대해 각각 2배, 3배, 5배 희석한 효과를 나타내므로, 위와 같은 에어로졸 입자 농도를 얻는다. 이때, 각 케이지(400a,400b,400c)에 유입되는 에어로졸 입자의 유량은 입자 유량 조절기(510) 및 공기 유량 조절기(520)에 의한 에어로졸 입자 유량과 클린 에어 유량을 합한 것으로, 각각 40 LPM, 30 LPM 및 25 LPM 으로 서로 다르게 형성된다.
이와 같은 상태에서 도 4에 도시된 바와 같이 각 케이지(400a,400b,400c)에 유입되는 에어로졸 입자의 유량을 중농도 케이지(400b)와 같이 모두 30 LPM으로 동일하게 형성하기 위해서는 각각의 입자 유량 조절기(510)와 공기 유량 조절기(520)에 의한 에어로졸 입자와 클린 에어 유량의 혼합 비율을 도 3과 같이 유지한 상태에서 그 유량의 합이 30 LPM이 되도록 조절하여야 한다. 즉, 고농도 케이지(400a)의 경우, 입자 유량 조절기(510)를 통한 에어로졸 입자의 유량과 공기 유량 조절기(520)를 통한 클린 에어의 유량의 비율이 도 3과 같이 1 : 1 상태로 유지되고 그 유량의 합이 30 LPM이 되도록 각각 에어로졸 입자 유량을 15 LPM, 클린 에어 유량을 15 LPM 으로 조절함으로써, 50 PPM 농도, 30 LPM 유량의 에어로졸 입자를 공급할 수 있다. 또한, 저농도 케이지(400c)의 경우에도 마찬가지 방식으로, 에어로졸 입자의 유량과 클린 에어의 유량의 비율이 도 3과 같이 1 : 4 상태로 유지되고 그 유량의 합이 30 LPM이 되도록 각각 에어로졸 입자 유량을 24 LPM, 클린 에어 유량을 6 LPM 으로 조절함으로써, 20 PPM 농도, 30 LPM 유량의 에어로졸 입자를 공급할 수 있다.
이때, 공급 챔버(200)로부터 각각의 입자 유량 조절기(510)를 통과하여 각 케이지(400)로 공급되는 총 유량은 31 LPM(15 LPM + 10 LPM + 6 LPM)이므로, 공급 챔버(200)의 내부 압력이 일정하게 유지되기 위해서는 압력 유지 수단(300)을 통해 19 LPM(50 LPM - 31 LPM)의 에어로졸 입자가 외부 배출될 것이다.
이와 같은 상태에서 도 5에 도시된 바와 같이 고농도 케이지(400a)에 대해 그 농도를 50 PPM 상태에서 66.7 PPM 상태로 변경하고자 하는 경우, 에어로졸 입자의 유량과 클린 에어의 유량에 대한 혼합 비율을 2 : 1 상태로 변경함으로써 고농도 케이지(400a)에 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 더욱 높은 고농도로 변경할 수 있다. 이 경우에도 에어로졸 입자의 유량과 클린 에어의 유량의 합이 30 LPM이 되도록 유지할 수 있으며, 필요에 따라서는 그 유량의 합이 40 LPM이 되거나 20 LPM이 되도록 하는 방식으로 변경할 수도 있을 것이다.
이러한 혼합 비율 변경에 따라 공급 챔버(200)로부터 입자 유량 조절기(510)를 통해 배출되는 에어로졸 입자의 유량이 변화하게 되면, 공급 챔버(200)의 내부 압력이 변화할 수 있는데, 본 발명에 따른 에어로졸 입자 공급 장치는 압력 유지 수단(300)에 의해 공급 챔버(200)의 내부 압력이 일정하게 유지된다. 즉, 고농도 케이지(400a)로 유입될 수 있도록 해당 입자 유량 조절기(510)를 통과하는 에어로졸 입자의 유량이 도 4와 비교하여 15 LPM 에서 20 LPM 으로 변경되었으며, 이에 따라 공급 챔버(200)로부터 입자 유량 조절기(510)를 통해 각 케이지(400a,400b,400c)로 배출되는 에어로졸 입자의 총 유량이 도 4와 비교하여 31 LPM 에서 36 LPM으로 변경된다. 이와 같이 케이지(400)로 공급되는 에어로졸 입자의 유량이 증가하게 되면, 상대적으로 공급 챔버(200)의 내부 압력이 감소할 수 있는데, 이때, 압력 유지 수단(300)은 공급 챔버(200)로부터 배출되는 에어로졸 입자의 배출 유량을 도 4와 비교하여 19 LPM 에서 14 LPM 으로 감소하도록 자동 조절함으로써, 공급 챔버(200)의 내부 압력을 일정하게 유지시킨다.
이러한 구조에 따라 고농도 케이지(400a)에 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 최초 설정 상태로부터 변경하더라도 공급 챔버(200)의 내부 압력은 일정하게 유지되므로 중농도 케이지(400b) 및 저농도 케이지(400c)에 공급되는 에어로졸 입자의 농도는 변화하지 않고 최초 설정 상태 그대로 유지된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치는 이상에서 설명한 에어로졸 입자 공급 장치(90)를 통해 다수개의 케이지(400a,400b,400c)에 에어로졸 입자가 서로 다른 농도로 공급될 수 있도록 구성되며, 각 케이지(400a,400b,400c)에 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 변경 조절할 수 있도록 구성된다.
이하에서는 이러한 에어로졸 입자 공급 장치(90)를 통해 에어로졸 입자를 공급받는 케이지(400)의 구성에 대해 도 6 내지 도 9를 중심으로 좀 더 자세히 살펴본다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 케이지에 대한 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 케이지 내부 공간에 대한 입자 흐름 상태를 개념적으로 도시한 수직 단면도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치의 케이지 내부 공간에 대한 입자 흐름 상태를 개념적으로 도시한 수평 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 케이지(400)는 전술한 바와 같이 서로 다른 에어로졸 입자의 농도를 가질 수 있도록 다수개 구비되는데, 각각의 케이지(400)는 내부에 노출 챔버(C)가 형성되도록 일면이 개방된 케이지 본체(410)와, 케이지 본체(410)의 개방된 일면에 결합되는 케이지 커버(420)로 분리 형성될 수 있고, 이때, 케이지 본체(410)와 케이지 커버(420)의 결합 부위에는 노출 챔버(C)가 밀폐되도록 별도의 실링재(430)가 삽입 개재되는 것이 바람직하다.
이러한 구조에 따라 케이지 커버(420)를 케이지 본체(410)로부터 분리하여 실험 동물을 노출 챔버(C)에 투입시킨 후 다시 케이지 커버(420)를 닫아 노출 챔버(C)를 외부와 차단되도록 밀봉하고, 노출 챔버(C)에는 에어로졸 입자 공급 장치(90)를 통한 에어로졸 입자만 유입되도록 구성된다. 이때, 케이지 커버(420)는 케이지 본체(410)로부터 분리되는 형태로 형성되지 않고, 힌지 결합되거나 또는 슬라이드 결합되어 케이지 본체(410)의 노출 챔버(C)를 개폐할 수 있는 도어 형태로 구성될 수도 있을 것이다.
이러한 케이지(400)에는 노출 챔버(C)에 에어로졸 입자가 공급될 수 있도록 별도의 분사 유닛(900)이 일측에 관통 결합되는데, 분사 유닛(900)은 에어로졸 입자 공급 장치(90)와 배관(Q)을 통해 연결되어 에어로졸 입자를 공급받아 노출 챔버(C)에 분사하도록 형성된다. 이때, 분사 유닛(900)에 연결되는 배관(Q)은 에어로졸 입자 공급 장치(90)의 입자 농도 조절 유닛(500)과 연결되어 각각 유입되는 에어로졸 입자의 농도가 조절될 수 있도록 구성된다. 또한, 케이지(400)의 타측에는 노출 챔버(C)로 공급된 에어로졸 입자가 외부로 배출될 수 있도록 배출구(411)가 형성된다. 이러한 구조에 따라 에어로졸 입자 공급 장치(90)로부터 일정 농도의 에어로졸 입자가 연속적으로 노출 챔버(C)로 공급되며, 노출 챔버(C)의 에어로졸 입자 농도가 일정한 상태로 유지될 수 있다.
이때, 분사 유닛(900)은 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 노출 챔버(C)의 하부 공간에 위치하도록 케이지(400) 내부에 배치되며, 배출구(411)는 노출 챔버(C)의 상부 공간에 위치하도록 케이지(400)에 다수개 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라 도 8에 도시된 바와 같이 분사 유닛(900)을 통해 노출 챔버(C)의 하부 공간으로 유입된 에어로졸 입자는 노출 챔버(C)의 상부 공간으로 이동하며 배출구(411)를 통해 노출 챔버(C)로부터 외부로 배출되는 흐름을 갖게 된다. 이러한 에어로졸 입자의 흐름에 따라 에어로졸 입자는 자중에 의한 하향 흐름과는 반대로 상향 흐름을 갖게 되므로, 노출 챔버(C) 내부에서 더욱 확산되어 더욱 균일한 분포를 이룰 수 있다. 이와 같은 에어로졸 입자의 균일한 분포는 실험 동물의 흡입 독성 평가 시험에 대한 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있도록 할 것이다.
한편, 분사 유닛(900)은 노출 챔버(C)의 하부 공간에 위치하도록 케이지(400)에 관통 결합되며 일단이 에어로졸 입자 공급 장치(90)에 연결되는 연결관(910)과, 연결관(910)에 연결 결합되어 일측 방향을 길게 형성되는 분사 파이프(920)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 연결관(910)은 도 6에 도시된 바와 같이 케이지(400)의 내부 공간에서 분기되는 "T"자형 파이프 형태로 형성될 수 있고, 분사 파이프(920)는 이러한 연결관(910)의 양단에 각각 결합되는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 분사 파이프(920)에는 연결관(910)을 통해 분사 파이프(920)로 유입된 에어로졸 입자가 노출 챔버(C)로 공급 배출될 수 있도록 분사 파이프(920)의 길이 방향을 따라 다수개의 분사홀(921)이 형성된다.
따라서, 에어로졸 입자 공급 장치(90)로부터 배관(Q)을 통해 연결관(910)으로 유입된 에어로졸 입자는 분사 파이프(920)로 유입된 후 분사홀(921)을 통해 노출 챔버(C)에 공급된다. 이때, 분사 파이프(920)는 일측 방향으로 길게 형성되기 때문에, 도 9에 도시된 바와 같이 노출 챔버(C)의 수평 단면을 기준으로 전체 면적에 고르게 에어로졸 입자를 공급 배출할 수 있고, 이에 따라 노출 챔버(C) 내부에서 더욱 균일한 에어로졸 입자의 분포 상태를 형성할 수 있다.
한편, 케이지(400)의 일측에 형성된 배출구(411)에는 도 6에 도시된 바와 같이 별도의 흡입 파이프(R)가 연결되며, 흡입 파이프(R)에는 노출 챔버(C)의 내부 공간을 흡입할 수 있도록 흡입 펌프(800)가 장착될 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 분사 유닛(900)을 통해 에어로졸 입자 공급 장치(90)로부터 연속적으로 노출 챔버(C)에 에어로졸 입자가 공급될 수 있도록 배출구(411)가 형성되는데, 이때, 배출구(411)에 흡입 파이프(R)와 흡입 펌프(800)를 연결하여 노출 챔버(C)의 내부 공간을 흡입하도록 구성함으로써, 노출 챔버(C)에 대한 에어로졸 입자의 공급이 더욱 원활해질 수 있다. 특히, 분사 유닛(900)이 노출 챔버(C)의 하부 공간에 위치하고 배출구(411)가 노출 챔버(C)의 상부 공간에 위치한 상태에서 배출구(411)를 통해 흡입력이 작용하게 되면, 에어로졸 입자에 대한 상향 흐름 및 확산을 더욱 원활하게 유도할 수 있다.
이상에서 설명한 케이지(400)는 도 6에 도시된 바와 같이 다수개의 케이지(400a,400b,400c)가 각각 독립된 구조로 형성될 수도 있으나, 도 7에 도시된 바와 같이 일체형 케이지 본체(410)와 일체형 케이지 커버(420) 형태로 구성되며, 케이지 본체(410)의 내부에 별도의 분리벽(440)이 형성되어 다수개의 노출 챔버(C1,C2,C3)를 이루는 방식으로 구성될 수도 있다. 이러한 케이지(400)는 서로 독립적인 노출 챔버(C)를 갖는 구조를 유지하는 한 다양한 형태로 제작 가능할 것이다. 한편, 일체형 케이지(400)의 형태로 제작된 경우에는 배출구(411)에 연결된 흡입 파이프(R) 및 흡입 펌프(800) 또한 하나의 일체형으로 제작 가능하다. 물론, 독립된 구조의 케이지의 경우에도 흡입 파이프(R) 및 흡입 펌프(800)는 하나의 일체형으로 제작 가능할 것이다.
이러한 케이지(400)는 전술한 바와 같이 실험 동물 순화용 케이지를 이용한 형태로 단순한 구조로 제작 가능하며, 이를 에어로졸 입자 공급 장치(90)에 각각 연결함으로써, 간편하고 편리한 흡입 독성 평가 시험 장치를 구성할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 입자 발생 유닛 110: 입자 발생기
120: 메인 공기 유량 조절기 140: 서브 공기 유량 조절기
200: 공급 챔버 300: 압력 유지 수단
310: 백프레셔 밸브 320: 배출 흡입 펌프
400: 케이지 400a: 고농도 케이지
400b: 중농도 케이지 400c: 저농도 케이지
411: 배출구 500: 입자 농도 조절 유닛
510: 입자 유량 조절기 520: 공기 유량 조절기
800: 흡입 펌프 900: 분사 유닛
910: 연결관 920: 분사 파이프
921: 분사홀

Claims (10)

  1. 내부 공간에 실험 동물을 투입하여 사육할 수 있도록 노출 챔버가 형성된 다수개의 케이지; 및
    다수개의 상기 케이지의 노출 챔버에 각각 에어로졸 입자를 공급하는 에어로졸 입자 공급 장치
    를 포함하고, 상기 에어로졸 입자 공급 장치는 상기 노출 챔버에 각각 공급되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어로졸 입자 공급 장치는
    일정 농도를 갖도록 에어로졸 상태로 입자를 발생시키는 입자 발생 유닛;
    상기 입자 발생 유닛에 의해 발생된 에어로졸 입자를 일정한 압력 상태로 저장하여 에어로졸 입자가 상기 케이지의 노출 챔버에 각각 공급되도록 다수개의 상기 케이지와 배관을 통해 연결되는 하나의 공급 챔버;
    상기 공급 챔버의 내부 압력을 일정하게 유지시키는 압력 유지 수단; 및
    상기 공급 챔버와 다수개의 상기 케이지를 연결하는 배관에 각각 연결 장착되어 상기 케이지로 유입되는 에어로졸 입자의 농도를 각각 독립적으로 조절하는 입자 농도 조절 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공급 챔버에는 에어로졸 입자를 외부로 배출할 수 있도록 배출 포트가 형성되며, 상기 압력 유지 수단은 상기 배출 포트를 통해 배출되는 에어로졸 입자의 배출량을 조절하여 상기 공급 챔버의 내부 압력을 일정하게 유지시키도록 작동하는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압력 유지 수단은
    상기 공급 챔버의 배출 포트에 연결된 제 1 배출 파이프 상에 장착되는 백프레셔 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 입자 농도 조절 유닛은
    상기 공급 챔버로부터 상기 케이지로 공급되는 에어로졸 입자의 유량을 조절하는 입자 유량 조절기; 및
    상기 입자 유량 조절기를 통과하여 상기 케이지로 공급되는 에어로졸 입자에 클린 에어를 공급하며 클린 에어의 공급 유량을 조절할 수 있도록 형성되는 공기 유량 조절기
    를 포함하고, 상기 입자 유량 조절기 및 공기 유량 조절기를 통해 에어로졸 입자의 유량과 클린 에어의 유량에 대한 혼합 비율을 조절하여 에어로졸 입자의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 입자 발생 유닛은
    에어로졸 상태로 입자를 발생시키는 입자 발생기;
    상기 입자 발생기를 통해 발생된 에어로졸 입자에 클린 에어를 공급하는 메인 공기 유량 조절기; 및
    상기 입자 발생기를 통해 발생된 에어로졸 입자와 상기 메인 공기 유량 조절기에 의해 공급된 클린 에어가 혼합될 수 있는 메인 믹싱 챔버
    를 포함하고, 상기 공급 챔버는 상기 메인 믹싱 챔버와 연결 장착되는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이지에는 상기 에어로졸 입자 공급 장치와 연결되어 상기 노출 챔버에 에어로졸 입자를 공급하는 분사 유닛이 일측에 관통 결합되고, 타측에는 상기 노출 챔버로 공급된 에어로졸 입자가 외부로 배출될 수 있도록 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 분사 유닛은 상기 노출 챔버의 하부 공간에 배치되며, 상기 배출구는 상기 노출 챔버의 상부 공간에 위치하도록 상기 케이지에 다수개 형성되는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분사 유닛은
    상기 노출 챔버의 하부 공간에 위치하도록 상기 케이지에 관통 결합되며 일단이 상기 에어로졸 입자 공급 장치에 연결되는 연결관; 및
    상기 연결관에 연결되어 일측 방향으로 길게 형성되며 길이 방향을 따라 다수개의 분사홀이 형성되는 분사 파이프
    를 포함하고, 상기 다수개의 분사홀을 통해 에어로졸 입자가 상기 노출 챔버로 공급 배출되는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 배출구에는 별도의 흡입 파이프가 연결되며, 상기 흡입 파이프에는 상기 노출 챔버의 내부 공간을 흡입할 수 있도록 흡입 펌프가 장착되는 것을 특징으로 하는 케이지형 흡입 독성 평가 시험 장치.

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