KR20160129573A - 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 원소탄소 측정을 위해 사용되는 레이저에 대한 필터의 반사도 및 투과도를 온도에 따라 보정함으로써, 원소탄소 측정의 정확도를 향상시킨 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 내부에 위치하는 초미세먼지가 포집된 필터를 가열하여 메탄을 생성하는 오븐; 상기 오븐에서 생성된 메탄의 양을 측정하고, 측정된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하는 탄소 산출부; 상기 필터에 기 설정된 파장의 레이저를 조사하는 레이저광원;상기 필터에 반사된 반사광 및 상기 필터를 투과한 투과광을 수광하고, 상기 반사광 및 투과광의 광량을 출력하는 수광부; 상기 수광부가 제공한 상기 반사광 및 투과광의 광량을 상기 레이저광원이 조사하는 광량과 대비하여 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 출력하는 투과도 산출부; 상기 탄소 산출부가 제공하는 상기 메탄에 포함된 탄소의 양과 상기 투과도 산출부가 제공하는 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 이용하여 상기 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 산출하는 유기탄소 산출부;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치는 상기 오븐 내부의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하고, 상기 투과도 산출부는 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 출력하기 위해 상기 온도센서가 제공하는 오븐의 온도정보를 더 이용할 수 있다.
Description
본 발명은 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 유기탄소와 원소탄소 구별을 위해 사용되는 레이저에 대한 초미세먼지 필터의 반사도 및 투과도를 온도에 따라 보정함으로써, 유기탄소와 원소탄소 측정의 정확도를 향상시킨 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 열광학적 방법으로 초미세먼지에 포함되어 있는 총탄소, 유기탄소 및 원소탄소를 측정하기 위한 기술과 관련 있다.
초미세먼지는 직경이 2.5㎛이하인 먼지로, 일부 광물성분이 있으나 주로 탄소 또는 이온성분으로 구성된다. 초미세먼지는 코점막을 통해 걸러지지 않고 흡입시 폐포까지 직접 침투하여 천식, 폐질환, 두통 및 아토피 등을 증가 시키므로 헤파필터 등을 이용해서 제거하는 방법을 시행하고 있다.
뿐만 아니라, 초미세먼지 예보 등급을 시행하기 위해서는 공기 중의 초미세먼지의 농도와 성분을 분석하는 연구가 필요한데, 특히 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치에 대한 선행문헌으로는 Judith C. Chow, et al, "The dri thermal/optical reflectance carbon analysis system : description, evaluation and applications in U.S. air quality studies”, Atmospheric environment vol. 27A. no. 8, pp. 1185-1201, 1993 가 있다.
종래 기술에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법은 석영필터에 포집된 초미세먼지를 메탄화시키고, 이 때 생성된 메탄의 양을 측정하여 초미세먼지에 포함된 유기탄소와 원소탄소의 양을 구한다. 이 때 레이저의 투과도와 반사도를 이용하여 유기탄소와 원소탄소의 양을 구별할 수 있는데, 그 방법은 다음과 같다. 유기탄소와 원소탄소유기탄소의 양을 측정하기 위해서는 먼저 메탄화 과정이 진행되는 동안 레이저를 석영필터에 조사(照射)하면서 반사도 및 투과도의 시간적 변화 및 생성되는 메탄의 시간적 변화를 각각 기록한다. 그 다음 기록된 결과로부터 초기 투과도와 반사도를 초과하지 않는 시점까지 생성된 메탄의 양을 계산하면 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양이 측정되고 상기 시점 이후에 생성된 메탄의 양을 계산하면 초미세먼지에 포함된 원소탄소의 양이 측정된다.
상기와 같은 유기원소탄소 측정방법은 석영필터에 존재하는 원소탄소보다는 유기탄소가 먼저 메탄화 되어 감소되며, 석영필터에서 원소탄소가 감소할 때만 레이저에 대한 필터의 반사도 및 투과도가 증가하는 현상을 이용한 것이다.
다만, 종래 기술에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법은 메탄화 과정에서 발생하는 온도의 변화가 레이저의 반사도 및 투과도에 미치는 영향을 고려하지 않고 있어서, 유기탄소와 원소탄소의 생성이 구분되는 시점에 대한 오차가 발생하게 되며, 이로 인해 측정된 유기탄소와 원소탄소의 양에 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
Judith C. Chow, et al, "The dri thermal/optical reflectance carbon analysis system : description, evaluation and applications in U.S. air quality studies", Atmospheric environment vol. 27A. no. 8, pp. 1185-1201, 1993
이에 본 발명은 원소탄소 측정을 위해 사용되는 레이저에 대한 필터의 반사도 및 투과도를 온도에 따라 보정함으로써, 원소탄소 측정의 정확도를 향상시킨 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치는 내부에 위치하는 초미세먼지가 포집된 필터를 가열하여 메탄을 생성하는 오븐; 상기 오븐에서 생성된 메탄의 양을 측정하고, 측정된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하는 탄소 산출부; 상기 필터에 기 설정된 파장의 레이저를 조사하는 레이저광원;상기 필터에 반사된 반사광 및 상기 필터를 투과한 투과광을 수광하고, 상기 반사광 및 투과광의 광량을 출력하는 수광부; 상기 수광부가 제공한 상기 반사광과 투과광의 광량들에 근거하여, 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 출력하는 투과도 산출부; 상기 탄소 산출부가 제공하는 상기 메탄에 포함된 탄소의 양과 상기 투과도 산출부가 제공하는 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 이용하여 상기 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 산출하는 유기탄소 산출부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치는 상기 오븐 내부의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하고, 상기 투과도 산출부는 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 출력하기 위해 상기 온도센서가 제공하는 오븐의 온도정보를 더 이용할 수 있다.
또한, 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도에 관한 식은 
일 수 있다. 여기서
{
: 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
또한, 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도에 관한 식은 
일 수 있다. 여기서,
{
: 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
또한, 상기 레이저광원은 항온시스템을 구비할 수 있다.
또한, 상기 오븐은 상기 레이저광원이 위치하고 있는 방향으로 단열시스템을 구비할 수 있다.
또한, 상기 필터는 석영 필터일 수 있다.
또한, 상기 레이저광원은 630 내지 640nm 파장의 레이저를 조사할 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치를 이용한 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법은 a) 초미세먼지가 포집된 필터를 오븐 내부에 위치시키는 단계; b) 상기 필터에 기 설정된 파장의 레이저를 조사하는 단계; c) 상기 필터에 반사된 반사광과 상기 필터를 투과한 투과광 의 광량들에 근거하여 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 산출하는 단계; d) 상기 필터를 오븐을 이용하여 가열하고, 필터에 포집된 초미세먼지로부터 메탄을 생성하는 단계; e) 상기 오븐에서 생성된 메탄을 측정하고, 측정된 상기 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하는 단계;를 포함하고, 상기 메탄의 생성이 종료될 때까지 상기 b) 내지 e) 단계를 반복할 수 있다.
여기서, 상기 메탄의 생성이 종료된 다음에 f) 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도의 시간적 변화를 분석하여, 유기탄소의 산출이 완료되는 시점을 판단하는 단계; g) 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이전에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양과 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이후에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하여, 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 제공하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치를 이용한 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법은 a) 초미세먼지가 포집된 필터를 오븐 내부에 위치시키는 단계; b) 상기 필터에 기 설정된 파장의 레이저를 조사하는 단계; c) 상기 필터에 반사된 반사광과 상기 필터를 투과한 투과광의 광량들에 근거하여 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 산출하는 단계; d) 오븐 내부의 온도정보를 생성하는 단계; e) 상기 필터를 오븐을 이용하여 가열하고, 필터에 포집된 초미세먼지로부터 메탄을 생성하는 단계; f) 상기 오븐에서 생성된 메탄을 측정하고, 측정된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하는 단계;를 포함하고, 상기 메탄의 생성이 종료될 때까지 상기 b) 내지 f) 단계를 반복할 수 있다.
여기서, 상기 메탄의 생성이 종료된 g) 오븐의 온도를 고온에서 상온으로 감소시키는 과정에서 레이저에 대한 필터의 투과도의 변화를 측정하고, 온도변화에 따른 반사도 및 투과도의 예상치에 대한 회귀함수를 생성하는 단계; h) 오븐 내부의 온도정보를 이용하여 상기 반사도 및 투과도의 시간적 변화를 보정하고,상기 보정된 반사도 및 투과도를 분석하여, 유기탄소의 산출이 완료되는 시점을 판단하는 단계; i) 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이전에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양과 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이후에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하여, 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 제공하는 단계;
를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 h) 단계에서 상기 반사도 및 투과도를 보정하는 식은 
일 수 있다. 여기서,
{
: 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
또한, 상기 h) 단계에서 상기 반사도 및 투과도를 보정하는 식은 
일 수 있다. 여기서,
{
: 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
이상에서 살펴본 바와 같이, 원소탄소 측정을 위해 사용되는 레이저에 대한 필터의 반사도 및 투과도를 온도에 따라 보정함으로써, 유기탄소와 원소탄소 측정의 정확도를 향상시킨 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치가 동작할 때, 메탄에 포함된 탄소의 양과 반사도 및 투과도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치의 블록도이다.
도 4는 온도에 따른 레이저에 대한 필터의 투과도의 변화를 나타낸 실험결과의 그래프와회귀분석을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치가 동작할 때, 메탄에 포함된 탄소의 양과 반사도 및 투과도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치가 동작할 때, 메탄에 포함된 탄소의 양과 반사도 및 투과도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치의 블록도이다.
도 4는 온도에 따른 레이저에 대한 필터의 투과도의 변화를 나타낸 실험결과의 그래프와회귀분석을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치가 동작할 때, 메탄에 포함된 탄소의 양과 반사도 및 투과도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
먼저, 이하에서 사용되는 용어에 대하여 정의한다.
유기탄소는 광물질, 일산화탄소, 이산화탄소, 탄산염, 시안화수소와 그 염 및 이황화탄소 등의 무기탄소화합물을 제외한 모든 천연 동식물계에서 생성성분·배출물·발효생성물 등으로 얻어지는 유기화합물을 구성하는 탄소를 의미한다.
원소탄소는 탄소 원자들의 방향족 고리가 확장된 것으로, 검고 모든 가시 광선을 흡수하는 물질을 의미한다. 원소탄소의 특성을 살펴보면, 섭씨 2000도가 넘는 고온에서도 녹지 않으며, 보통온도에서는 화학적으로 비활성인 것을 알 수 있다.
유기원소탄소는 유기탄소와 원소탄소를 합한 것으로 총탄소를 의미한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치를 상세히 설명한다.
본 출원인은 열광학적 방법으로 초미세먼지에 포함된 유기탄소, 원소탄소 및 총탄소를 측정하기 위한 장치를 개발하는 연구를 수행한 결과, 원소탄소 측정을 위해 사용되는 레이저의 반사도 및 투과도가 온도 변화에 민감한 것을 발견하고, 레이저의 반사도 및 투과도를 온도 변화에 따라 보정함으로써, 원소탄소 측정의 정확도를 향상시킬 수 있음을 발견하고 이를 심화하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치의 블록도이다. 도 1을 참조하면 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치는 오븐(100), 필터(110), 탄소산출부(120), 레이저광원(200), 수광부(210), 투과도산출부(220) 및 유기탄소산출부(220)를 포함할 수 있다.
오븐(100)은 내부에 초미세먼지가 포집된 필터(110)가 위치되고, 필터(110)를 가열하여 메탄을 생성할수 있다. 오븐(100)은 산화 오븐과 메탄화 오븐으로 구성될 수 있다. 또한, 산화오븐 (온도제어 범위: 25-900 ℃)은 헬륨모드 (오븐내 기체는 헬륨100%)와 산소모드 (2% 산소, 98% 헬륨)로 가열할 수 있는 전오븐(front oven)과 이산화망간으로 충진된 후오븐(back oven)으로 구성될 될 수 있다.
산화오븐의 전오븐에서 산소모드와 헬륨모드에서 온도가 고온으로 상승함에 따라 오븐(100) 내부의 초미세먼지는 휘발되거나 산화될 수 있다. 다음, 휘발되거나 산화된 초미세먼지는 이산화망간으로 충진된 후오븐에서 이산화탄소로 산화되어 메탄화 오븐으로 유입될 수 있다. 유입된 이산화탄소는 메탄으로 환원될 수 있다.
필터(110)는 초미세먼지를 포집하여 오븐(100)에서 시료로서 사용되며, 바람직하게는 석영필터일 수 있다.
탄소산출부(120)는 오븐(100)에서 생성된 메탄의 양을 측정하고, 측정된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출할 수 있다. 메탄을 FID(flame ionization detector)로 검출하여 탄소를 측정할 수 있다. FID 관련된 기술에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되어 그 상세한 설명을 생략한다. 탄소산출부(120)가 측정한 총탄소의 양은 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양의 합이며, 앞서 정의한 유기원소탄소의 양일 수 있다.
레이저광원은 필터(110)에 기 설정된 파장의 레이저를 조사(照射)할 수 있다. 초미세먼지에 포함된 원소탄소는 유기탄소와 달리 가시광선 영역의 레이저 빛(635nm)을 흡수할 수 있으므로, 바람직하게는 630 내지 640nm 파장의 레이저를 레이저광원(200)이 조사할 수 있다. 한다. 원소탄소는 유기탄소와 달리 가시광선 영역의 레이저 빛(635nm)을 흡수하는 성질을 이용하여, 초미세먼지가 포집된 필터(110)에 레이저를 조사하고, 레이저에 대한 필터의 투과도 및 반사도를 측정하여 분석하면 원소탄소량을 측정할 수 있다. 레이저광원(200)은 항온시스템을 구비하여, 오븐(100)이 가열되어 발생하는 온도변화로 인한 조사되는 레이저의 특성변화를 방지할 수 있다. 항온시스템으로 냉각팬, 방열판 및 히트파이프 등이 사용될 수 있다.
수광부는 필터(110)에 반사된 반사광 및 상기 필터(110)를 투과한 투과광을 수광하고, 상기 반사광 및 투과광의 광량을 출력할 수 있다. 수광부(210)에는 반상광 및 투과광을 수광하여 전기적인 신호로 변환하는 광검출기가 구비될 수 있다.
투과도 산출부는 수광부(210)가 제공한 반사광 및 투과광의 광량으로부터 레이저에 대한 필터의 반사도 및 투과도를 산출할 수 있다. 투과도 및 반사도의 절대값이 필요한 것이 아니라, 투과도 및 반사도의 시간에 따른 변화를 알 수 있으면 충분하므로, 레이저광원(200)이 조사하여 상기 필터(110)에 입사하는 광량과 대비하지 않고, 측정된 반사광 및 투과광의 광량을 그대로 투과도 및 반사도로 이용할 수 있다. 여기서, 투과도 산출부는 수광부(210)에서 산출한 데이터를 입력받을 수 있는 모듈을 구비한 컴퓨터로 구현될 수 있다.
유기탄소 산출부는 탄소 산출부가 제공하는 메탄에 포함된 탄소의 양과 투과도 산출부가 제공하는 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 이용하여 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 산출할 수 있다. 탄소 산출부가 제공하는 메탄에 포함된 탄소의 양과 투과도 산출부가 제공하는 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도가 유기탄소부에 제공될 때, (시점, 상기 시점의 탄소의 양, 상기 시점의 필터의 반사도 및 투과도)의 형태로 정보들이 통합될 수 있도록, 탄소 산출부와 투과도 산출부의 측정시점도 함께 제공하는 것이 바람직하다.
유기탄소 산출부는 탄소산출부(120)에서 산출한 데이터와 투과도 산출부에서 산출한 데이터를 입력받을 수 있는 모듈을 구비한 컴퓨터로 구현될 수 있다.
또한, 수광부(210)에서 산출한 데이터와 탄소산출부(120)에서 산출한 데이터를 입력받을 수 있는 모듈을 모두 구비한 컴퓨터를 이용하여, 상기 투과도 산출부와 상기 유기탄소 산출부는 하나의 컴퓨터로 통합하여 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치가 동작할 때, 메탄에 포함된 탄소의 양과 반사도 및 투과도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 이하에서 도 2를 참조하여 유기탄소 산출부가 동작하는 원리를 설명한다.
먼저 투과도 및 반사도 그래프에 대해서 설명한다.
처음에 측정되는 
는 처음부터 초미세먼지에 포함된 원소탄소에 의한 초기의 투과도 및 반사도를 의미한다. 유기원소탄소 측정을 시작하여 전오븐의 온도가 상승되어 필터(110)가 가열되면, 열분해로 인해 초미세먼지에 포함된 유기탄소가 원소탄소로 변하게 된다. 이에 따라 레이저를 흡수하는 원소탄소가 필터(110)에 증가하므로, 투과도 및 반사도는 감소하여 초기값보다 작아질 수 있다. 그 다음 전오븐의 산소모드에서 산소가 공급되면 원소탄소가 산화되어 필터(110)에서 원소탄소의 양이 줄어들게 되는 데, 이때부터 투과도 및 반사도는 증가할 수 있다.
오븐 작동 이후의 투과도 및 반사도가 감소되었다가 증가되는 과정에서, 오븐 작동 이후의 투과도 및 반사도가 초기의 투과도 및 반사도와 같아지는 시점(= 
)까지는 초미세먼지에 포함된 유기탄소가 오븐(100)에서 메탄으로 변환되는 시기일 수 있다. 즉 오븐 작동 이후의 투과도 및 반사도가 초기의 투과도 및 반사도와 같아졌다는 것은, 필터(110)에 잔존하는 원소탄소의 양에 있어서 초미세먼지에 포함된 유기탄소가 열분해로 인해 원소탄소로 변환된 부분이 제거되고, 원래 초미세먼지에 포함된 원소탄소의 양이 있는 상태로 필터(110)가 돌아온 것일 수 있다. 오븐(100)은 레이저광원(200)이 위치하고 있는 방향으로 단열시스템을 구비하여, 오븐(100)이 가열될 때 열이 레이저 광원에 전달되지 않도록 할 수 있다. 상기 단열시스템은 진공챔버나 단열재로 구성될 수 있다.
오븐 작동 이후 
시점까지 변환된 모든 메탄은 유기탄소로부터 바로 변환된 메탄이거나 유기탄소가 원소탄소로 변하고 나서 다시 메탄으로 변한 것일 수 있으며, 이 시점까지 메탄에 포함된 탄소의 양은 처음에 필터(110)에 유기탄소의 형태로 존재하던 것일 수 있다.
또한 오븐(100)을 계속 작동하면 더 이상 투과도 및 반사도가 변화되지 않는 시점(= 
)이 존재하는데, 그 시점 이후에는 오븐(100)에서 메탄이 더 이상 생성되지 않을 수 있다.
다음으로 메탄에 포함된 탄소의 양 그래프에 대해서 투과도 및 반사도 그래프와 함께 설명한다.
투과도 및 반사도가 변화되지 않는 시점(= 
)까지 탄소산출부(120)가 오븐(100)에서 생성된 메탄으로부터 측정한 탄소의 양은 유기원소탄소의 양이 되고, 오븐 작동 이후 
까지 탄소산출부(120)가 오븐(100)에서 생성된 메탄으로부터 측정한 탄소의 양은 유기탄소의 양이 될 수 있다. 앞서 정의한 바에 따르면 원소탄소의 양은 유기원소탄소의 양에서 유기탄소의 양을 뺀 것으로 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치의 블록도이다. 도 3을 참조하면 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치는 오븐(100), 필터(110), 탄소산출부(120), 레이저광원(200), 수광부(210), 투과도산출부(220), 유기탄소산출부(220) 및 온도센서(130)를 포함할 수 있다.
도 3의 오븐(100), 필터(110), 탄소산출부(120), 레이저광원(200), 수광부(210) 및 투과도산출부(220)는 각각 도 1의 오븐(100), 필터(110), 탄소산출부(120), 레이저광원(200), 수광부(210) 및 투과도산출부(220)에 대응된다. 즉 본 실시예의 오븐(100), 필터(110), 탄소산출부(120), 레이저광원(200), 수광부(210) 및 투과도산출부(220)는 상기 도 1을 참조한 설명과 동일 하며, 상기 도 1을 참조한 설명과의 차이점은 본 실시예에서는 온도센서(130)가 구성요소로 추가되고, 유기탄소산출부(220)는 온도센서(130)가 출력하는 정보를 제공받고 이를 이용하는 것일 수 있다.
온도센서는 오븐(100) 내부의 온도를 측정할 수 있으며, 일반 다이오드를 이용하는 방법, 열전대쌍을 이용하는 방법, 더어미스터등과 같은 온도반응소자를 이용하는 방법 및 온도감지 TR또는 IC를 이용하는 방법 가운데 선택된 것으로 구현될 수 있다.
유기탄소 산출부는 탄소 산출부가 제공하는 메탄에 포함된 탄소의 양과 투과도 산출부가 제공하는 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 이용하여 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 산출할 때, 상기 온도센서(130)가 제공하는 오븐(100)의 온도정보를 더 이용할 수 있다. 탄소 산출부가 제공하는 메탄에 포함된 탄소의 양, 투과도 산출부가 제공하는 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도, 그리고 온도센서(130)가 제공하는 오븐(100) 내부의 온도가 유기탄소부에 제공될 때, (시점, 상기 시점의 탄소의 양, 상기 시점의 필터의 반사도 및 투과도, 상기 시점의 오븐 내부의 온도)의 형태로 통합될 수 있도록, 탄소 산출부, 투과도 산출부 및 온도센서(130)의 측정시점도 함께 제공되는 것이 바람직하다.
도 4는 온도에 따른 레이저에 대한 필터의 투과도의 변화를 나타낸 실험결과의 그래프와회귀분석을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 유기원소탄소 측정이 끝난 후, 오븐(100)의 온도가 고온 (예 900 ℃)에서 상온으로 감소시키는 과정에서 레이저에 대한 필터의 투과도가 그래프와 같이 변할 수 있다. 필터(110)에 포집된 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소는 유기원소탄소 측정과정에서 모두 휘발되었으므로, 이 측정과정에서 필터(110)의 원소탄소의 양은 변하지 않을 수 있다. 따라서 도 4의 실험결과는 필터(110)에 존재하는 원소탄소의 변화가 없는 상황에서, 온도의 변화에 의해서만 발생하는 투과도의 변화를 나타낸 것일 수 있다.
도 4의 실험결과를 적용하여, 수광부(210)가 측정한 반사광 및 투과광의 광량으로부터 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 보정하기 위해서는, 온도변화에 따른 반사도 및 투과도의 예상치에 대한 회귀함수가 필요할 수 있다.
온도변화에 따른 반사도 및 투과도의 예상치에 대한 회귀함수 
은 다음과 같이 1차식 또는 2차식으로 주어질 수 있다.
여기서, 
는 오븐(100)의 온도이며, 
또는 
는 레이저에 대한 필터의 투과도의 변화를 나타낸 실험결과를 바탕으로 2차 또는 1차의 회귀분석을 했을 때, 구해지는 회귀상수값들이다.
다시 도 4를 참조하면, 실제 실험결과로 부터, 2차의 회귀분석을 했을 때는 a=-0.0003, b=0.1072, c=2689.3일 수 있으며, 1차의 회귀분석을 했을 때는 a=-0.10063, b=2.705.32989 일 수 있다.
반사도 및 투과도의 온도에 대한 변화율은 
으로 정의될 수 있으므로, 온도에 관계없이 수광부(210)가 측정한 반사광 및 투과광의 광량을 이용하여 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도가 
라면, 오븐 내부의 온도를 이용하여 보정한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도 
는 다음과 같이 주어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치가 동작할 때, 메탄에 포함된 탄소의 양과 반사도 및 투과도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3과 도 5를 비교하면, 도 5에서는 보정된 반사도 및 투과도 그래프가 추가된 것을 알 수 있다.
도 5를 참조하면, 보정된 반사도 및 투과도 그래프는 전술한 
의 값을 시간에 따라 도시한 것이고, 반사도 및 투과도 그래프는 전술한 
의 값을 시간에 따라 도시한 것일 수 있다.
보정된 반사도 및 투과도 그래프에서는 오븐 작동 이후의 보정된 투과도 및 반사도가 초기의 투과도 및 반사도와 같아지는 시점(= 
)이 
과 달라질 수 있다. 따라서, 초미세먼지에 포함된 유기탄소가 오븐(100)에서 메탄으로 변환되는 구간이, 처음부터 오븐 작동 이후의 보정된 투과도 및 반사도가 초기의 투과도 및 반사도와 같아지는 시점(= 
)까지의 구간으로 보정되고, 이에 따라 최종적으로 제공하는 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양도 보정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법을 나타낸 순서도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치를 이용한 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법은 a) 초미세먼지가 포집된 필터를 오븐 내부에 위치시키는 단계; b) 상기 필터에 기 설정된 파장의 레이저를 조사하는 단계; c) 상기 필터에 반사된 반사광, 상기 필터를 투과한 투과광 및 상기 레이저의 광량들에 근거하여 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 산출하는 단계; d) 상기 필터를 오븐을 이용하여 가열하고, 필터에 포집된 초미세먼지로부터 메탄을 생성하는 단계; e) 상기 오븐에서 생성된 메탄을 측정하고, 측정된 상기 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하는 단계;를 포함하고, 상기 메탄의 생성이 종료될 때까지 상기 b) 내지 e) 단계를 반복할 수 있다.
다음으로, 상기 메탄의 생성이 종료되었다고 판단되면 f) 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도의 시간적 변화를 분석하여, 유기탄소의 산출이 완료되는 시점을 판단하는 단계; g) 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이전에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양과 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이후에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하여, 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 제공하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법을 나타낸 순서도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치를 이용한 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법은 a) 초미세먼지가 포집된 필터를 오븐 내부에 위치시키는 단계; b) 상기 필터에 기 설정된 파장의 레이저를 조사하는 단계; c) 상기 필터에 반사된 반사광, 상기 필터를 투과한 투과광 및 상기 레이저의 광량들에 근거하여 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 산출하는 단계; d) 오븐 내부의 온도정보를 생성하는 단계; e) 상기 필터를 오븐을 이용하여 가열하고, 필터에 포집된 초미세먼지로부터 메탄을 생성하는 단계; f) 상기 오븐에서 생성된 메탄을 측정하고, 측정된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하는 단계;를 포함하고, 상기 메탄의 생성이 종료될 때까지 상기 b) 내지 f) 단계를 반복할 수 있다.
다음으로, 상기 메탄의 생성이 종료되었다고 판단되면 g) 오븐의 온도를 고온에서 상온으로 감소시키는 과정에서 레이저에 대한 필터의 투과도의 변화를 측정하고, 온도변화에 따른 반사도 및 투과도의 예상치에 대한 회귀함수를 생성하는 단계; h) 오븐 내부의 온도정보를 이용하여 상기 반사도 및 투과도의 시간적 변화를 보정하고,상기 보정된 반사도 및 투과도를 분석하여, 유기탄소의 산출이 완료되는 시점을 판단하는 단계; i) 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이전에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양과 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이후에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하여, 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 오븐
110 : 필터
120 : 탄소산출부
130 : 온도센서
200 : 레이저광원 210 : 수광부 220 : 투과도산출부
300 : 유기탄소산출부
130 : 온도센서
200 : 레이저광원 210 : 수광부 220 : 투과도산출부
300 : 유기탄소산출부
Claims (14)
- 내부에 위치하는 초미세먼지가 포집된 필터를 가열하여 메탄을 생성하는 오븐;
상기 오븐에서 생성된 메탄의 양을 측정하고, 측정된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하는 탄소 산출부;
상기 필터에 기 설정된 파장의 레이저를 조사하는 레이저광원;
상기 필터에 반사된 반사광 및 상기 필터를 투과한 투과광을 수광하고, 상기 반사광 및 투과광의 광량을 출력하는 수광부;
상기 수광부가 제공한 상기 반사광 및 투과광의 광량들에 근거하여, 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 출력하는 투과도 산출부; 및
상기 탄소 산출부가 제공하는 상기 메탄에 포함된 탄소의 양과 상기 투과도 산출부가 제공하는 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 이용하여 상기 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 산출하는 유기탄소 산출부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치. - 제 1항에 있어서
상기 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치는
상기 오븐 내부의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하고,
상기 투과도 산출부는 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 출력하기 위해 상기 온도센서가 제공하는 오븐의 온도정보를 더 이용하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치. - 제 2 항에 있어서
상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도에 관한 식은
인 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치.
{: 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 수광부가 측정한 반사광 및 투과광의 광량을 이용하여 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 오븐을 이용한 가열이 시작되기 전에 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 온도변화에 따른 반사도 및 투과도의 예상치에 대한 회귀함수,
: 회귀 상수값,
}
- 제 2 항에 있어서
상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도에 관한 식은
인 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치.
{: 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 수광부가 측정한 반사광 및 투과광의 광량을 이용하여 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 오븐을 이용한 가열이 시작되기 전에 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 온도변화에 따른 반사도 및 투과도의 예상치에 대한 회귀함수,
: 회귀 상수값,
}
- 제 1항에 있어서
상기 레이저광원은
항온시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치. - 제 1항에 있어서
상기 오븐은
상기 레이저광원이 위치하고 있는 방향으로 단열시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치. - 제 1항에 있어서
상기 필터는
석영필터인 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치. - 제 1항에 있어서
상기 레이저광원은
630 내지 640nm 파장의 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 장치. - 제 1 항에 따른 측정 장치를 이용한 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법으로,
a) 초미세먼지가 포집된 필터를 오븐 내부에 위치시키는 단계;
b) 상기 필터에 기 설정된 파장의 레이저를 조사하는 단계;
c) 상기 필터에 반사된 반사광과 상기 필터를 투과한 투과광의 광량들에 근거하여 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 산출하는 단계;
d) 상기 필터를 오븐을 이용하여 가열하고, 필터에 포집된 초미세먼지로부터 메탄을 생성하는 단계; 및
e) 상기 오븐에서 생성된 메탄을 측정하고, 측정된 상기 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하는 단계;
를 포함하고, 상기 메탄의 생성이 종료될 때까지 상기 b) 내지 e) 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 메탄의 생성이 종료된 다음에
f) 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도의 시간적 변화를 분석하여, 유기탄소의 산출이 완료되는 시점을 판단하는 단계; 및
g) 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이전에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양과 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이후에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하여, 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 제공하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법. - 제 2 항에 따른 측정 장치를 이용한 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법으로,
a) 초미세먼지가 포집된 필터를 오븐 내부에 위치시키는 단계;
b) 상기 필터에 기 설정된 파장의 레이저를 조사하는 단계;
c) 상기 필터에 반사된 반사광과 상기 필터를 투과한 투과광의 광량들에 근거하여 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도를 산출하는 단계;
d) 오븐 내부의 온도정보 생성하는 단계;
e) 상기 필터를 오븐을 이용하여 가열하고, 필터에 포집된 초미세먼지로부터 메탄을 생성하는 단계; 및
f) 상기 오븐에서 생성된 메탄을 측정하고, 측정된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하는 단계;
를 포함하고, 상기 메탄의 생성이 종료될 때까지 상기 b) 내지 f) 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 메탄의 생성이 종료된 다음에
g) 오븐의 온도를 고온에서 상온으로 감소시키는 과정에서 레이저에 대한 필터의 투과도의 변화를 측정하고, 온도변화에 따른 반사도 및 투과도의 예상치에 대한 회귀함수를 생성하는 단계;
h) 오븐 내부의 온도정보를 이용하여 상기 반사도 및 투과도의 시간적 변화를 보정하고,상기 보정된 반사도 및 투과도를 분석하여, 유기탄소의 산출이 완료되는 시점을 판단하는 단계; 및
i) 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이전에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양과 상기 유기탄소의 산출이 완료되는 시점 이후에 상기 오븐에서 생성된 메탄에 포함된 탄소의 양을 산출하여, 초미세먼지에 포함된 유기탄소의 양과 원소탄소의 양을 제공하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법. - 제 12 항에 있어서
상기 h) 단계에서
상기 반사도 및 투과도를 보정하는 식은
인 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법.
{: 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 수광부가 측정한 반사광 및 투과광의 광량을 이용하여 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 오븐을 이용한 가열이 시작되기 전에 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 온도변화에 따른 반사도 및 투과도의 예상치에 대한 회귀함수,
: 회귀 상수값,
}
- 제 12 항에 있어서
상기 h) 단계에서
상기 반사도 및 투과도를 보정하는 식은
인 것을 특징으로 하는 초미세먼지에 포함된 유기원소탄소 측정 방법.
{: 상기 오븐 내부의 온도를 이용한 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 수광부가 측정한 반사광 및 투과광의 광량을 이용하여 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 오븐을 이용한 가열이 시작되기 전에 산출된 상기 레이저에 대한 상기 필터의 반사도 및 투과도,
: 온도변화에 따른 반사도 및 투과도의 예상치에 대한 회귀함수,
: 회귀 상수값,
}
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