KR20120111309A - 대기 나노 입자 측정 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대기 나노 입자 측정 센서에 관한 것으로, 대기 중에 부유하는 나노 입자를 임팩터 모듈을 통해 크기별로 선별 흡입하여 사용자의 필요에 따라 일정 직경 이하의 나노 입자에 대한 수 농도를 측정할 수 있고, 대기 중에 부유하는 나노 입자를 흡입하여 단극으로 하전시키고 단극으로 하전된 나노 입자의 유동에 의해 발생되는 전압 변화를 검출하는 방식으로 나노 입자의 농도를 측정함으로써, 나노 입자의 수 농도 측정에 대한 정확성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 고가의 대형 장비 구조가 아니라 소형으로 컴팩트하게 제작할 수 있어서, 휴대성이 우수하여 소규모 연구실 등에서 널리 사용될 수 있는 대기 나노 입자 측정 센서를 제공한다.
Description
본 발명은 대기 나노 입자 측정 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는 대기 중에 부유하는 나노 입자를 임팩터 모듈을 통해 크기별로 선별 흡입하여 사용자의 필요에 따라 일정 직경 이하의 나노 입자에 대한 수 농도를 측정할 수 있고, 대기 중에 부유하는 나노 입자를 흡입하여 단극으로 하전시키고 단극으로 하전된 나노 입자의 유동에 의해 발생되는 전압 변화를 검출하는 방식으로 나노 입자의 농도를 측정함으로써, 나노 입자의 수 농도 측정에 대한 정확성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 고가의 대형 장비 구조가 아니라 소형으로 컴팩트하게 제작할 수 있어서, 휴대성이 우수하여 소규모 연구실 등에서 널리 사용될 수 있는 대기 나노 입자 측정 센서에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 공정이나 LCD 공정과 같은 나노 수준의 고도 정밀 공정은 작업 설비 내에 오염 입자가 발생하게 되면, 치명적인 제품 불량으로 이어질 수 있으므로, 고도의 청결 상태가 유지될 수 있도록 클린룸과 같은 청정 설비 내에서 공정이 진행되고 있으며 이러한 설비에서는 오염 입자에 대한 실시간 감시 또한 매우 엄격하게 이루어지고 있다.
따라서, 이러한 설비에서는 설비 내의 오염 입자 측정을 위한 별도의 입자 측정 센서가 사용되고 있으며, 이러한 입자 측정 센서를 통해 실시간으로 설비 내의 특정 챔버에 대한 입자 분포 상태가 측정되고 있다.
이러한 입자 측정 센서는 임의의 측정 챔버 내의 입자의 분포 상태, 즉 입자의 크기 및 개수 등을 측정하는 것으로, 클린룸 설비 이외에도 대기 오염 입자의 분포 상태를 측정하거나 실험실 등에서 특정 입자의 분포 상태를 측정하기 위해 사용되는 등 매우 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.
특히, 최근에는 대기 오염 입자로서 나노 입자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 나노 입자는 대기 중에서 대기 화학 반응을 통해 초미세 입자를 생성시키고, 2차 오염 물질의 원인인 오존을 발생시킨다. 또한, 자동차에서 배출되는 나노 미세 입자는 다량의 발암 성분을 포함하고 있으며, 호흡시 기도나 점막에 걸러지지 않고 폐포 깊숙이 박히거나 뇌로 이동할 수도 있는 등 체내 축적이 잘되어 다양한 형태로 사람의 건강을 위협하고 있다.
따라서, 특정 공간이나 대기 중에 부유하는 나노 입자의 농도를 측정하여 환경 연구 등에 널리 사용되고 있는데, 아직까지 미세 입자인 나노 입자에 대한 수 농도를 정확하게 측정하는 센서들에 대한 연구가 미미한 상태이며, 현재 개발되어진 나노 입자 측정 센서들은 그 정확도가 현저히 떨어지거나 고가의 대형 설비의 형태로 개발되어 있어서, 휴대성이 없어 일반적으로 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 대기 중에 부유하는 나노 입자를 임팩터 모듈을 통해 크기별로 선별 흡입하여 사용자의 필요에 따라 일정 직경 이하의 나노 입자에 대한 수 농도를 측정할 수 있는 대기 나노 입자 측정 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대기 중에 부유하는 나노 입자를 흡입하여 단극으로 하전시키고 단극으로 하전된 나노 입자의 유동에 의해 발생되는 전압 변화를 검출하는 방식으로 나노 입자의 농도를 측정함으로써, 나노 입자의 수 농도 측정에 대한 정확성을 더욱 향상시킬 수 있는 대기 나노 입자 측정 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고가의 대형 장비 구조가 아니라 소형으로 컴팩트하게 제작할 수 있어서, 휴대성이 우수하여 소규모 연구실 등에서 널리 사용될 수 있는 대기 나노 입자 측정 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은, 대기 중에 부유하는 나노 입자가 흡입 선별되어 통과하도록 형성되는 임팩터 모듈; 상기 임팩터 모듈로부터 나노 입자가 유입되도록 상기 임팩터 모듈에 연통되게 결합되는 유입부; 상기 유입부를 통해 유입된 나노 입자를 단극으로 하전시켜 통과시키는 하전부; 상기 하전부에 의해 단극으로 하전된 나노 입자가 통과할 수 있도록 형성되며, 상기 나노 입자가 통과하며 발생되는 전압 변화를 감지하여 나노 입자의 수 농도를 검출하는 검출부; 및 대기 중에 부유하는 나노 입자가 상기 임팩터 모듈로 흡입되어 상기 유입부, 하전부 및 검출부를 통과하며 유동하도록 상기 검출부의 후단에 연통 장착되는 흡입 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 나노 입자 측정 센서를 제공한다.
이때, 상기 임팩터 모듈은 대기 중에 부유하는 나노 입자가 흡입되며 크기에 따라 선별되어 일정 직경 이하의 나노 입자만 통과하도록 형성되는 적어도 하나 이상의 포집 모듈; 및 상기 포집 모듈과 연통되도록 상기 포집 모듈의 하단에 밀봉 결합되며 일측에는 상기 유입부와 연결되도록 흡입 포트가 형성되는 연결 블록을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 포집 모듈은 나노 입자가 흡입되어 중심부로 가이드되며 통과하도록 노즐홀이 형성되는 노즐 블록; 및 상기 노즐 블록의 하단에 결합되며 중심부에 나노 입자를 포집할 수 있는 포집판이 형성되고 상기 포집판의 주변 둘레에는 나노 입자가 통과할 수 있는 입자 유동홀이 형성되는 임팩트 플레이트를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 하전부는 상기 유입부를 통해 유입된 나노 입자가 통과하도록 상기 유입부 및 상기 검출부와 연통되게 형성되는 믹싱 챔버; 및 이온 발생 전극을 통해 이온을 발생시켜 나노 입자와 부착되도록 상기 믹싱 챔버에 확산시키는 이온 발생기를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 검출부는 상기 하전부를 통과하며 단극으로 하전된 나노 입자가 사이 공간으로 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 계측 전극판; 및 상기 2개의 계측 전극판 사이의 전압을 측정하는 전압계를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 하전부에서 발생된 이온이 상기 검출부로 유입되지 않도록 상기 하전부와 상기 검출부 사이에 별도의 이온 제거부가 형성될 수 있다.
이때, 상기 이온 제거부는 상기 하전부에서 발생된 이온이 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 트랩 전극판을 포함하고, 상기 2개의 트랩 전극판에는 이온이 전기력에 의해 부착될 수 있도록 미세 전압이 생성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 대기 중에 부유하는 나노 입자를 임팩터 모듈을 통해 크기별로 선별 흡입하여 사용자의 필요에 따라 일정 직경 이하의 나노 입자에 대한 수 농도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 대기 중에 부유하는 나노 입자를 흡입하여 단극으로 하전시키고 단극으로 하전된 나노 입자의 유동에 의해 발생되는 전압 변화를 검출하는 방식으로 나노 입자의 농도를 측정함으로써, 나노 입자의 수 농도 측정에 대한 정확성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 고가의 대형 장비 구조가 아니라 소형으로 컴팩트하게 제작할 수 있어서, 휴대성이 우수하여 소규모 연구실 등에서 널리 사용될 수 있어 그 활용성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 구성을 개념적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 하전부 및 이온 제거부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 검출부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 임팩터 모듈에 대한 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 임팩터 모듈에 대한 내부 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 하전부 및 이온 제거부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 검출부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 임팩터 모듈에 대한 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 임팩터 모듈에 대한 내부 구조를 개략적으로 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 대기 나노 입자 측정 센서의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 하전부 및 이온 제거부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 검출부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서는 대기 중에 부유하는 나노 입자를 흡입하여 단극으로 하전시키고, 단극으로 하전된 나노 입자의 유동에 의해 발생되는 전압 변화를 통해 나노 입자의 수 농도를 측정하는 방식으로 구성되어 더욱 정확하게 나노 입자의 농도를 측정할 수 있는 장치로서, 임팩터 모듈(100), 유입부(200), 하전부(300), 검출부(500) 및 흡입 펌프(600)를 포함하여 구성된다.
임팩터 모듈(100)은 대기 중에 부유하는 나노 입자가 흡입 선별되어 통과하도록 형성되는데, 후술하는 흡입 펌프(600)의 흡입 압력을 통해 나노 입자를 흡입하며, 내부에 형성된 노즐 구조를 통해 나노 입자가 유동 관성력 차이에 따라 선별되어 통과하도록 구성된다. 예를 들면, 임팩터 모듈(100)로 흡입되는 나노 입자 중 일정 크기, 예를 들어 500nm 이상의 나노 입자는 임팩터 모듈(100)의 내부에 포집되고 그 이하의 나노 입자만 통과하도록 구성된다. 이러한 임팩터 모듈(100)에 대한 상세한 설명은 후술한다.
흡입 펌프(600)는 대기 중에 부유하는 나노 입자가 임팩터 모듈(100)로 흡입되어 유입부(200), 하전부(300) 및 검출부(500)를 계속 통과하며 유동할 수 있도록 흡입 압력을 제공하는데, 나노 입자의 흐름을 따라 가장 후방에 위치하는 검출부(500)의 후단에 연통되게 장착될 수 있다. 이러한 흡입 펌프(600)는 나노 입자의 흡입 및 내부 흐름을 유도하기 위한 것으로, 다양한 형태가 사용될 수 있으며, 흡입 압력 또한 임팩터 모듈(100)의 형상과 대응하여 특정 크기의 나노 입자를 선별할 수 있도록 다양하게 변경할 수 있다.
유입부(200)는 임팩터 모듈(100)을 통과한 나노 입자가 유입되도록 임팩터 모듈(100)에 연통되게 결합된다. 즉, 임팩터 모듈(100)을 통해 특정 크기 이하의 나노 입자가 선별되어 통과한 후, 유입부(200)로 유입되어 흡입 펌프(600)의 흡입 압력에 의해 하전부(300) 및 검출부(500)로 계속하여 유동하도록 구성된다. 이러한 유입부(200)는 단순한 중공 파이프 형태로 형성될 수 있다.
하전부(300)는 유입부(200)를 통해 유입된 나노 입자를 단극으로 하전시켜 통과시킬 수 있도록 형성되는데, 나노 입자를 단극으로 하전시키는 방식은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 입자의 단극 하전에 유리한 확산 하전(Diffusion Charge) 방식이 적용되도록 구성되는 것이 바람직하다.
좀 더 자세히 살펴보면, 나노 입자는 대기 중에서 매우 불균등하게 하전된 상태로 존재하며, 이러한 상태로 유입부(200)로 유입된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 유입부(200)로 유입된 나노 입자(P)는 각각 중성으로 하전된 입자(P3), +극으로 하전된 입자(P1), -극으로 하전된 입자(P2)가 서로 공존하는 형태로 유동하며, 이 상태로 하전부(300)로 유입된다.
하전부(300)는 이와 같이 불균등하게 하전된 나노 입자(P)들을 모두 하나의 단극으로 하전시키며, 이와 같이 단극으로 하전된 나노 입자들이 검출부(500)에서 검출될 수 있도록 구성된다.
하전부(300)에 의해 나노 입자들이 모두 단극으로 하전되도록 하는 방식은 본 발명의 일 실시예에 따라 확산 하전 방식이 적용되는데, 확산 하전 방식은 내부 공간에 이온(Q)을 발생 확산시킴으로써, 이온(Q)이 나노 입자들에 부착되도록 하는 방식이며, 이는 나노 입자에 대한 단극 하전에 매우 유리한 방식이다.
이러한 확산 하전 방식을 위해 하전부(300)는 믹싱 챔버(310)와 이온 발생기(320)를 포함하여 구성된다. 믹싱 챔버(310)는 유입부(200)를 통과한 나노 입자(P)가 유입되도록 유입부(200)와 연통되게 형성되고, 또한, 나노 입자가 믹싱 챔버(310)에서 이온(Q)과 부착되어 단극 하전된 상태로 검출부(500)로 유동하도록 검출부(500)와 연통되게 형성된다. 이온 발생기(320)는 이온 발생 전극(321)을 통해 이온(Q)을 발생시켜 믹싱 챔버(310)에 확산시키도록 믹싱 챔버(310)와 연통되게 형성되며, 이온 발생기(320)는 믹싱 챔버(310)에 더 많은 이온을 제공할 수 있도록 믹싱 챔버(310)의 양측에 각각 연통되게 장착될 수 있다. 이러한 이온 발생기(320)는 탄소 섬유(Carbon Fiber)로 이루어진 카본 브러쉬와 같은 이온 발생 전극(321)에 고전압을 인가하면 이온 발생 전극(321)에서 다량의 이온(Q)이 생성되는 방식으로 구성된다.
도 2에는 이러한 확산 하전 방식의 동작 원리가 개념적으로 도시되는데, 도 2에 도시된 바와 같이 믹싱 챔버(310)에 중성으로 하전된 입자(P3)가 유입되고, 이러한 믹싱 챔버(310)에 이온 발생기(320)의 이온 발생 전극(312)에 의해 생성된 다량의 이온(Q)이 공급 확산된다. 믹싱 챔버(310)에서는 중성으로 하전된 입자(P3)와 이온(Q)이 인력에 의해 상호 결합되며, 이에 따라 중성으로 하전된 입자(P3)는 이온(Q)의 극성과 동일한 극성을 갖는 단극 하전 입자(P1)로 변경된다. 이때, 믹싱 챔버(310)에는 충분한 이온이 공급 확산되므로 중성으로 하전된 입자(P3)는 모두 이온(Q)과 결합하며 단극 하전 입자(P1)로 변경된다.
이때, 이온(Q)은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 +극 이온, 즉 양이온으로 생성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 입자는 +극으로 하전되고, 이와 같이 +극성의 단극 하전 입자(P1)가 믹싱 챔버(310)로부터 배출되어 검출부(500)로 유입된다.
도 2에는 개념적인 설명의 편의를 위해 믹싱 챔버(310)에 중성으로 하전된 입자(P3)만 유입되는 것으로 도시되었으나, 실제 믹싱 챔버(310)에는 전술한 바와 같이 중성으로 하전된 입자(P3) 이외에도 +극으로 하전된 입자(P1) 및 -극으로 하전된 입자(P2) 또한 유입될 수 있다. 이 경우, +극으로 하전된 입자(P1)에는 이온 전하의 특성상 양이온이 부착되지 않지만 그 자체로 +극성을 나타내고, -극으로 하전된 입자(P2)에는 이온 전하의 특성상 양이온이 더욱 쉽게 부착되어 중성으로 하전된 입자(P3)로 변화되고, 이후 중성으로 하전된 입자(P3)에 양이온이 부착된 원리와 마찬가지로 양이온이 부착되어 +극성의 단극 하전 입자(P1)으로 변화된다. 즉, +극으로 하전된 입자(P1)는 이온이 부착되지 않더라도 그 자체로 +극성의 단극 하전 입자이며, -극으로 하전된 입자(P2)는 양이온이 적어도 2개 이상 부착되어 +극성의 단극 하전 입자(P1)로 변화된다.
한편, 하전부(300)와 검출부(500) 사이에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 별도의 이온 제거부(400)가 구비되어 단극 하전 입자(P1)와 함께 믹싱 챔버(310)로부터 검출부(500)로 유입되는 이온(Q)을 포집하도록 구성되는 것이 바람직한데, 이에 대한 설명은 후술한다.
검출부(500)는 하전부(300)에 의해 단극으로 하전된 나노 입자(P1)가 통과할 수 있도록 형성되며, 나노 입자(P1)가 통과하며 발생되는 전압 변화를 감지하여 나노 입자의 수 농도를 검출하도록 구성된다.
이러한 검출부(500)는 도 3에 도시된 바와 같이 하전부(300)를 통해 단극으로 하전된 나노 입자(P1)가 사이 공간으로 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 계측 전극판(510)과, 2개의 계측 전극판(510) 사이의 전압을 측정하는 전압계(520)를 포함하여 구성된다. 즉, 2개의 계측 전극판(510)은 별도의 전원에 연결되어 상호 간에 미세 전류가 흐르도록 구성되며, 이러한 2개의 계측 전극판(510) 사이 공간으로 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 단극으로 하전된 나노 입자(P1)가 통과하게 되면, 단극으로 하전된 나노 입자(P1)에 의해 2개의 계측 전극판(510) 사이에 흐르는 미세 전류가 변화하게 된다. 이와 같이 미세 전류가 변화하게 되면, 2개의 계측 전극판(510) 사이의 전압 또한 변화하게 되므로, 이러한 전압 변화를 전압계(520)를 통해 측정함으로써, 나노 입자의 배출량을 검출하게 된다. 이때, 단극으로 하전된 나노 입자(P1)가 2개의 계측 전극판(510) 사이를 더 많이 통과하면 할수록 2개의 계측 전극판(510) 사이의 전압 변화량이 더욱 증가하게 된다. 즉, 통과하는 나노 입자의 농도와 전압 변화량이 서로 비례하는 관계에 있기 때문에, 전압 변화량을 측정함으로써, 나노 입자의 농도를 검출할 수 있게 된다.
이때, 전압계(520)를 통해 측정된 전압 변화는 매우 미세하기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이 별도의 증폭기(530)를 통해 전압 변화량 데이터를 증폭시키고, 증폭된 데이터를 별도의 연산부(550)를 통해 나노 입자에 대한 농도를 산출하여 이를 다시 나노 입자에 대한 수 농도로 환산하며, 환산한 나노 입자의 수 농도를 별도의 디스플레이부(540)를 통해 출력하도록 구성될 수 있다. 이때, 연산부(550)는 전압 변화량에 따른 나노 입자의 농도와 나노 입자에 대한 수 농도의 상호 관계를 데이터 베이스화한 데이터를 통해 환산하거나 이론적인 수식에 의해 환산하는 방식으로 연산 작업을 수행할 수 있을 것이다.
이와 같이 검출부(500)는 2개의 계측 전극판(510) 사이를 통과하는 단극으로 하전된 나노 입자(P1)에 의한 전압 변화를 측정하는 방식으로 나노 입자의 수 농도를 검출하는데, 이 경우 2개의 계측 전극판(510) 사이를 단극으로 하전된 나노 입자(P1) 이외에 전기적 극성을 갖는 다른 이온들이 통과하게 되면, 이러한 이온들에 의해 2개의 계측 전극판(510) 사이에서 발생하는 전압 변화에 영향을 미치게 되므로, 정확한 나노 입자의 수 농도를 검출할 수 없다.
따라서, 검출부(500)의 검출 정확성을 더욱 향상하기 위해 전술한 바와 같이 하전부(300)와 검출부(500) 사이에는 하전부(300)에서 발생된 이온(Q)이 검출부(500)로 유입되지 않도록 별도의 이온 제거부(400)가 구비되는 것이 바람직하다.
이온 제거부(400)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 하전부(300)에서 발생된 이온(Q) 및 단극으로 하전된 나노 입자(P1)가 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 트랩 전극판(410)을 포함하여 구성되고, 2개의 트랩 전극판(410)에는 각각 미세 전압이 생성되어 2개의 트랩 전극판(410)을 사이 공간을 통과하는 이온(Q)이 전기력에 의해 부착될 수 있도록 구성된다.
즉, 하전부(300)의 믹싱 챔버(310)에는 나노 입자가 모두 단극으로 하전될 수 있도록 이온 발생기(320)로부터 충분한 양의 이온(Q)이 공급 확산되고, 이중 일부만 나노 입자에 결합되어 나노 입자를 단극으로 하전시키고 나머지는 믹싱 챔버(310)의 출구를 통해 단극으로 하전된 나노 입자(P1)와 함께 검출부(500)를 향해 유동하게 된다. 이와 같이 검출부(500)를 향해 유동하는 이온(Q)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 이온 제거부(400)의 2개의 트랩 전극판(410) 사이 공간을 통과하게 되는데, 이때 2개의 트랩 전극판(410)에는 미세 전압이 생성되어 전기 극성을 가지므로, 이온(Q)이 통과하며 2개의 트랩 전극판(410)에 전기력에 의해 부착되게 된다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 이온 발생기(320)로부터 +극성을 갖는 양이온이 믹싱 챔버(310)로 공급 확산되는 경우, 양이온 중 일부는 나노 입자와 결합되어 나노 입자가 양극으로 하전되고, 나머지는 믹싱 챔버(310)의 출구를 통해 검출부(500)를 향해 유동한다. 이때, 이온 제거부(400)의 2개의 트랩 전극판(410)은 각각 양이온을 전기력에 의해 끌어당길 수 있도록 -극성을 갖는 형태로 미세 전압이 생성된다. 즉, 각각 별도의 전원에 연결되어 -극성을 갖도록 형성된다.
이때, 2개의 트랩 전극판(410)에 생성되는 미세 전압은 단지 이온(Q)에만 영향을 미칠 수 있는 정도의 크기로 생성된다. 즉, 2개의 트랩 전극판(410) 사이 공간으로는 단극으로 하전된 나노 입자(P1)와 이온(Q)이 함께 흘러가므로, 2개의 트랩 전극판(410)에 의해 작용하는 전기력에 의한 인력은 단극으로 하전된 나노 입자(P1) 및 이온(Q)에 모두 동시에 작용하게 된다. 이때, 이온(Q)을 끌어당겨 부착시키는데 필요한 전기력의 크기가 단극으로 하전된 나노 입자(P1)를 끌어당겨 부착시키는 데 필요한 전기력의 크기보다 상대적으로 작으므로, 따라서, 2개의 트랩 전극판(410)에 의해 작용하는 전기력은 단극으로 하전된 나노 입자(P1)는 통과시키고 이온(Q)만을 끌어당겨 부착시킬 수 있는 정도의 크기로 생성되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 임팩터 모듈에 대한 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서의 임팩터 모듈에 대한 내부 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 임팩터 모듈(100)은 적어도 하나 이상의 포집 모듈(130)과, 포집 모듈(130)과 연통 결합되는 연결 블록(140)을 포함하여 구성될 수 있는데, 여기에서 설명하는 임팩터 모듈(100)은 예시적인 것으로 이와 달리 다양한 형태로 변경 가능하다.
포집 모듈(130)은 대기 중에 부유하는 나노 입자가 흡입되며 크기에 따라 선별되어 일정 직경 이하의 나노 입자만 통과하도록 형성되는데, 적어도 하나 이상 구비되며, 상하 방향으로 순차적으로 밀봉 결합되어 각각의 포집 모듈(130)이 나노 입자를 크기에 따라 포집하며 일정 직경 이하의 나노 입자만 통과할 수 있도록 형성된다.
각각의 포집 모듈(130)은 노즐 블록(110)과 노즐 블록(110)의 하단에 결합되는 임팩트 플레이트(120)로 구성될 수 있다. 노즐 블록(110)에는 내부 공간으로 유입된 입자가 중심부로 가이드되며 통과하도록 중심부를 향해 경사진 면을 이루는 형태의 노즐홀(111)이 형성된다. 임팩트 플레이트(120)에는 노즐 블록(110)의 노즐홀(111)과 동일 직선상에 위치하도록 입자를 포집할 수 있는 포집판(121)이 중심부에 형성되고, 포집판(121)의 주변 둘레에는 나노 입자 및 공기가 통과할 수 있는 입자 유동홀(122)이 형성된다.
연결 블록(140)은 포집 모듈(130)과 연통되도록 포집 모듈(130)의 하단에 밀봉 결합되고, 일측에는 유입부(200)와 연결되도록 흡입 포트(141)가 형성된다.
이러한 구조에 따라 포집 모듈(130) 및 연결 블록(140)의 내부 공간은 노즐홀(111) 및 입자 유동홀(122)을 통해 모두 상호 연통되므로, 흡입 펌프(600)에 의한 흡입 압력이 발생하면, 이러한 흡입 압력은 연결 블록(140) 및 포집 모듈(130)까지 전달되어 대기 중의 나노 입자가 노즐 블록(110)의 노즐홀(111) 및 임팩트 플레이트(120)의 입자 유동홀(122)를 통해 흡입 선별되어 유동하며, 흡입 포트(141)를 통해 유입부(200)로 유입된다.
이때, 도 5에 도시된 바와 같이 노즐홀(111)을 통해 유입된 나노 입자 중 상대적으로 직경이 큰 입자는 유동 관성력이 커서 하단에 위치한 임팩트 플레이트(120)의 포집판(121)에 포집되고, 상대적으로 직격이 작은 입자는 유동 관성력이 작아서 임팩트 플레이트(120)의 입자 유동홀(122)을 통과하여 하부로 유동하게 된다. 이후, 마찬가지 형태로 직경이 작은 입자만 입자 유동홀(122)을 통과하는 방식으로 순차적으로 선별되며 일정 직경 이하의 입자만 연결 블록(140)의 흡입 포트(141)를 통해 유입부(200)로 유입되게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 나노 입자 측정 센서는 이러한 임팩터 모듈(100)을 통해 측정하고자 하는 특정 크기의 나노 입자에 대해서만 선별하여 나노 입자의 수 농도를 검출할 수 있다.
이상에서 설명한 구조에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 입자 측정 센서는 대기 중에 부유하는 나노 입자가 임팩터 모듈(100)을 통해 특정 크기만 선별되어 유입부(200)로 유입되고, 이후 하전부(300)를 통해 단극으로 하전되며, 단극으로 하전된 나노 입자의 유동에 따른 전압 변화를 검출부(500)에 의해 검출하는 방식으로 나노 입자의 수 농도를 검출할 수 있다.
이때, 하전부(300)는 나노 입자의 단극 하전에 유리한 방식인 확산 하전 방식을 통해 나노 입자를 하전하도록 구성되며, 검출부(500)에는 확산 하전 방식의 하전부(300)에서 발생한 이온(Q)들이 유입되지 못하도록 하전부(300)와 검출부(500) 사이에는 별도의 이온 제거부(400)가 구비된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 입자 측정 센서는 대기 중에 부유하는 나노 입자에 대한 수 농도를 그 크기별로 선별하여 더욱 정확하게 검출할 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: 임팩터 모듈 110: 노즐 블록
120: 임팩트 플레이트 130: 포집 모듈
140: 연결 블록 200: 유입부
300: 하전부 310: 믹싱 챔버
320: 이온 발생기 400: 이온 제거부
410: 트랩 전극판 500: 검출부
510: 계측 전극판 520: 전압계
120: 임팩트 플레이트 130: 포집 모듈
140: 연결 블록 200: 유입부
300: 하전부 310: 믹싱 챔버
320: 이온 발생기 400: 이온 제거부
410: 트랩 전극판 500: 검출부
510: 계측 전극판 520: 전압계
Claims (7)
- 대기 중에 부유하는 나노 입자가 흡입 선별되어 통과하도록 형성되는 임팩터 모듈;
상기 임팩터 모듈로부터 나노 입자가 유입되도록 상기 임팩터 모듈에 연통되게 결합되는 유입부;
상기 유입부를 통해 유입된 나노 입자를 단극으로 하전시켜 통과시키는 하전부;
상기 하전부에 의해 단극으로 하전된 나노 입자가 통과할 수 있도록 형성되며, 상기 나노 입자가 통과하며 발생되는 전압 변화를 감지하여 나노 입자의 수 농도를 검출하는 검출부; 및
대기 중에 부유하는 나노 입자가 상기 임팩터 모듈로 흡입되어 상기 유입부, 하전부 및 검출부를 통과하며 유동하도록 상기 검출부의 후단에 연통 장착되는 흡입 펌프
를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 나노 입자 측정 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 임팩터 모듈은
대기 중에 부유하는 나노 입자가 흡입되며 크기에 따라 선별되어 일정 직경 이하의 나노 입자만 통과하도록 형성되는 적어도 하나 이상의 포집 모듈; 및
상기 포집 모듈과 연통되도록 상기 포집 모듈의 하단에 밀봉 결합되며 일측에는 상기 유입부와 연결되도록 흡입 포트가 형성되는 연결 블록
을 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 나노 입자 측정 센서.
- 제 2 항에 있어서,
상기 포집 모듈은
나노 입자가 흡입되어 중심부로 가이드되며 통과하도록 노즐홀이 형성되는 노즐 블록; 및
상기 노즐 블록의 하단에 결합되며 중심부에 나노 입자를 포집할 수 있는 포집판이 형성되고 상기 포집판의 주변 둘레에는 나노 입자가 통과할 수 있는 입자 유동홀이 형성되는 임팩트 플레이트
를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 나노 입자 측정 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전부는
상기 유입부를 통해 유입된 나노 입자가 통과하도록 상기 유입부 및 상기 검출부와 연통되게 형성되는 믹싱 챔버; 및
이온 발생 전극을 통해 이온을 발생시켜 나노 입자와 부착되도록 상기 믹싱 챔버에 확산시키는 이온 발생기
를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 나노 입자 측정 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출부는
상기 하전부를 통과하며 단극으로 하전된 나노 입자가 사이 공간으로 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 계측 전극판; 및
상기 2개의 계측 전극판 사이의 전압을 측정하는 전압계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 나노 입자 측정 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전부에서 발생된 이온이 상기 검출부로 유입되지 않도록 상기 하전부와 상기 검출부 사이에 별도의 이온 제거부가 형성되는 것을 특징으로 하는 대기 나노 입자 측정 센서.
- 제 6 항에 있어서,
상기 이온 제거부는 상기 하전부에서 발생된 이온이 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 트랩 전극판을 포함하고, 상기 2개의 트랩 전극판에는 이온이 전기력에 의해 부착될 수 있도록 미세 전압이 생성되는 것을 특징으로 하는 대기 나노 입자 측정 센서.
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