KR20200043846A - Mems 기반의 응축 입자 계수기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MEMS 기반의 응축 입자 계수기에 관한 것으로, 본 발명은 일 실시예로 하나의 칩에 집적화된 MEMS 기반의 응축 입자 계수기에 있어서, 외부에서 미세 입자가 포함된 외부 공기가 유입되는 공기 유입부; 작동 유체가 저장된 유체 저장부; 미세 히터가 패턴화되어, 상기 유체 저장부에서 공급된 작동 유체를 증발시켜 포화 증기를 생성하는 포화부; 상기 포화부에서 생성된 포화 증기를 냉각시켜, 외부 공기에 포함된 미세 입자를 성장시키는 응축부; 및 공기 유출부를 통해 상기 응축부로부터 유입된 미세 입자를 계수하는 측정부;를 포함하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기를 제공함으로써, 종래의 응축 입자 계수기와 달리 장치를 소형화할 수 있다.

Description

MEMS 기반의 응축 입자 계수기{A MEMS-based condensation particle counter}
본 발명은 응축 입자 계수기(Condensation Paticle Counter)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 나노 크기의 입자를 계수하는 응축 입자 계수기에 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 기술을 적용하여 소형화 및 제조 비용 절감이 가능한 MEMS 기반의 응축 입자 계수기에 관한 것이다.
입자 계수기는 측정 대상 유체에 함유된 미세입자를 단위 부피당 질량 또는 단위 부피당 개수로 산출하기 위해 측정 대상 유체에 함유되어 있는 미세입자의 개수를 계수하는 장치를 말한다.
특히, 입자 계수기는 대기 중의 미세입자를 계수하여 대기 오염도를 측정하는 장치 또는 발전소 등의 오염원에서 배출되는 가스를 직접 측정하여 규제에 대응하는 장치로 사용되고, 반도체 생산 공정에서 클린룸(Clean room) 내에 존재하는 미세 입자를 측정하기 위해서도 사용되는 등 최근 들어 그 사용 빈도가 증가하고 있는 추세이다.
이와 같은 입자 계수기는 미세입자를 측정하는 방식에 따라 광의 산란과 흡수를 이용하는 입자 계수기, 전기 이동도를 이용하는 입자 계수기, 입자의 질량에 따른 관성을 이용하는 입자 계수기 등으로 다양하게 분류될 수 있으며, 이중에서도 레이저가 미세입자와 만날 때, 산란하게 되는 성질을 이용하는 입자 계수기가 가장 일반적으로 사용된다.
아울러, 레이저의 산란하는 성질을 이용하는 상기와 같은 입자 계수기는 측정할 수 있는 미세입자의 크기에 따라 약 300nm 크기의 입자까지 측정할 수 있는 광학 입자 계수기(Optical Particle Counter)와 약 2.5nm 크기의 미세 입자까지 측정할 수 있는 응축 입자 계수기(Condensation Particle Counter)로 나뉘는데, 응축 입자 계수기의 경우 입자를 응축시켜 크기를 키움으로써, 광학 입자 계수기보다 미세 크기의 입자까지 측정할 수 있다는 장점이 있으나, 선행문헌인 미국공개특허공보(2017-0276589 A1)에 기재된 응축 입자 계수기와 같이 장치의 크기가 커서 응축 입자 계수기가 차지하는 부피가 크고, 고가여서 적용 분야가 상당히 제한된다는 문제가 있었다.
대기 오염에 대한 대중들의 관심이 급증한 현 상황에서 종래의 응축 입자 계수기는 크기와 비용으로 인해 반도체 생산 공정 중 클린룸에서 사용되는 것 외에 다른 분야에는 적용하기 어렵다는 한계가 있으므로, 종래의 응축 입자 계수기와는 달리 미세 크기를 정밀하게 측정할 수 있으면서도, 소형화 및 저가화를 도모하여 다양한 분야에서 활용될 수 있는 개선된 응축 입자 계수기가 요구되고 있는 실정이다.
미국공개특허공보(공개번호 : 2017-0276589 A1) “COMPACT CONDENSATION PARTICLE COUNTER TECHONOLOGY”
본 발명은 응축 입자 계수기에 MEMS 기술과 3D 프린팅 기술을 적용하여, 하나의 칩에 응축 입자 계수기의 핵심적인 구성 요소인 포화부, 응축부, 구동 회로 등을 집적화하여 소형화 및 저가화를 도모한 MEMS 기반의 응축 입자 계수기를 제공함으로써, 종래의 응축 입자 계수기가 갖는 상기와 같은 한계점을 극복하고자 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일 실시예로 하나의 칩에 집적화된 MEMS 기반의 응축 입자 계수기에 있어서, 외부에서 미세 입자가 포함된 외부 공기가 유입되는 공기 유입부; 작동 유체가 저장된 유체 저장부; 미세 히터가 패턴화되어, 상기 유체 저장부에서 공급된 작동 유체를 증발시켜 포화 증기를 생성하는 포화부; 상기 포화부에서 생성된 포화 증기를 냉각시켜, 외부 공기에 포함된 미세 입자를 성장시키는 응축부; 및 공기 유출부를 통해 상기 응축부로부터 유입된 미세 입자를 계수하는 측정부;를 포함하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기는 상기 공기 유입부를 통해 유입되는 외부 공기의 온도 또는 습도를 유지시키는 컨디셔너;를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 측정부는 광을 조사하는 레이저; 상기 레이저에서 조사된 광을 집광시키는 집광 렌즈; 및 상기 집광 렌즈를 투과한 광을 인식하는 포토 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 저장부와 상기 포화부는 복수 개의 마이크로 크기의 필러부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기는 상기 복수 개의 필러부를 통해 유체 저장부 내에 저장된 작동 유체가 상기 포화부로 유입되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 응축부는 적어도 하나 이상의 펠티에 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 저장부에 저장된 작동 유체는 부탄올인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기는 상기 유체 저장부의 하단부에 위치하며, 작동 유체가 저장되어 있는 작동 유체 탱크; 및 상기 유체 저장부와 상게 작동 유체 탱크 사이에 위치하며, 솜 또는 스펀지로 이루어져 상기 작동 유체 탱크 내의 작동 유체를 유체 저장부로 공급하는 작동 유체 공급부;를 더 포함할 수 있으며,
상기 유체 저장부 내에 저장된 작동 유체의 높이를 감지하는 레벨링 센서를 더 포함할 수도 있고,
외부 공기의 온도를 측정하는 복수 개의 온도 센서; 및 상기 온도 센서에서 측정된 온도를 토대로 상기 미세 히터 또는 응축부의 온도를 조절하는 제어부;를 더 포함할 수도 있다.
이 때, 상기 복수 개의 온도 센서는 컨디셔너를 통과한 외부 공기의 온도를 측정하는 제1 온도 센서; 포화부를 통과한 외부 공기의 온도를 측정하는 제2 온도 센서; 및 응축부 내로 유입된 외부 공기의 온도를 측정하는 제3 온도 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제어부는 상기 미세 히터 또는 응축부의 온도를 조절하여, 포화부 내의 외부 공기와 응축부 내의 외부 공기 사이의 포화비(Saturation Ratio)를 1.93 내지 3.59 이내로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 응축 입자 계수기에 MEMS 기술을 적용함으로써, 하나의 칩(Chip)에 응축 입자 계수기의 핵심적인 구성 요소인 포화부, 응축부, 구동 회로 등을 집적화할 수 있으므로, 응축 입자 계수기의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 MEMS 기반의 응축 입자 계수기를 통해 제조 비용을 대폭 줄일 수 있으므로, 결과적으로 응축 입자 계수기가 적용될 수 있는 분야 넓힐 수 있다.
도 1은 종래의 응축 입자 계수기의 미세 입자 계수 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기에 대한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기의 정면도 및 확대도이다.
도 4는 미세 입자가 포함된 외부 공기가 본 발명의 MEMS 기반의 응축 입자 계수기 내부를 유동하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 제2 온도 센서와 제3 온도 센서에 의해 측정되는 포화부와 응축부 내의 외부 공기의 온도를 나타낸 도면이다.
도 6은 응축부 내부의 온도가 고정된 상태에서 포화부 내부를 통과하는 외부 공기의 온도가 변화에 따른, 측정할 수 있는 입자의 크기의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기로 측정된 미세 입자의 크기 분포를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기의 미세 입자 크기에 따른 측정의 정밀성의 변화를 도시한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치한다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 출원에서, “포함하다.” 또는 “가지다.” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 설명에 앞서 도 1을 참조하여 종래의 응축 입자 계수기에 대하여 개략적으로 살펴 본다.
도 1은 종래의 응축 입자 계수기의 미세 입자 계수 과정을 도시한 도면이다.
응축 입자 계수기(Condensation Particle Counter)는 300nm 이상의 미세입자 밖에 측정할 수 없는 광학 입자 계수기(Optical Particle Counter)을 보완하기 위해 제안된 장치로, 보다 구체적으로는 도 1 (a) 도시된 바와 같이 포화기(Saturator)에서 부탄올과 같은 작동 유체를 가열시켜 포화 증기를 형성하고, 응축기(Condenser)에서는 공기 중에 포함되어 있는 미세 입자를 응축핵으로 하여, 포화기에서 형성된 포화 증기와 공기를 냉각시킴으로써, 나노(Nano) 크기의 미세 입자를 마이크로(Micro) 크기까지 성장시키며, 상기 응축기에서 마이크로 크기까지 성장된 미세 입자를 도 1(b)와 같이 광학 입자 계수기(OPC)로 유입시켜 레이저를 통해 미세 입자를 계수할 수 있는 장치이다.
이와 같이 응축 입자 계수기는 나노 크기의 미세 입자를 마이크로 크기까지 성장시킴으로써, 광학 입자 계수기와 달리 2.5nm 크기의 미세 입자까지 측정할 수 있다는 장점이 있으나, 종래의 응축 입자 계수기는 응축기와 포화기의 크기가 커서 응축 입자 계수기를 설치하기 위해서는 많은 공간을 확보해야 하며, 이로 인한 제조 비용의 증가로 제품의 단가가 비싸고, 유지 보수가 어렵다는 문제점이 있어 응축 입자 계수기가 적용될 수 있는 분야가 제한적이라는 한계가 있었다.
이에 따라, 본 발명은 일 실시예로 하나의 칩에 응축 입자 계수기의 필수적인 구성 요소가 집적화되어 소형화 및 제조 비용 절감이 가능한 MEMS 기반의 응축 입자 계수기를 제공함으로써, 종래의 응축 입자 계수기가 갖는 한계점을 극복하고자 한다.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기에 대하여 구체적으로 살펴 보도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기에 대한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기의 정면도 및 확대도이며, 도 4는 미세 입자가 포함된 외부 공기가 본 발명의 MEMS 기반의 응축 입자 계수기 내부를 유동하는 과정을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예로 하나의 칩(Chip, 10)에 구성 요소가 집적화된 MEMS 기반의 응축 입자 계수기에 있어서, 외부에서 미세 입자가 포함된 외부 공기가 유입되는 공기 유입부(11), 작동 유체가 저장된 유체 저장부(400), 칩(10) 상에 미세 히터(20)가 패턴화되어, 상기 유체 저장부(400)로부터 공급된 작동 유체를 증발시켜 포화 증기(Saturated vapor)를 생성하는 포화부(200), 상기 포화부(200)에서 생성된 포화 증기를 냉각시켜, 외부 공기에 포함된 미세 입자를 성장시키는 응축부(300) 및 공기 유출부(12)를 통해 상기 응축부(300)로부터 유입된 성장된 미세 입자를 계수하는 측정부(600)를 포함하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기를 제공한다.
즉, 본 발명의 MEMS 기반의 응축 입자 계수기는 응축 입자 계수기의 필수적인 구성 요소에 해당하는 포화부(200), 응축부(300), 유체 저장부(400)를 칩(10) 상에 집적화시킴으로써, 응축 입자 계수기를 소형화할 수 있다는 점에서 종래의 응축 입자 계수기와 차별성을 가지며, 이하에서는 본 발명의 응축 입자 계수기의 구성 요소에 대하여 구체적으로 살펴 보겠다.
먼저, 응축 입자 계수기의 필수적인 구성 요소가 집적화되는 상기 칩(10)은 유리로 형성되어 일종의 기판(Substarte)의 역할을 하는 구성 요소이며, 상기 칩(10) 상에는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 공기 유입부(11)와 공기 유출부(12)가 형성되어 외부 공기가 칩(10) 내부로 유입될 수도 있고, 칩(10) 내부의 공기가 칩(10) 외부로 유출될 수 있다(보다 구체적으로는, 측정부(600) 방향으로 유출된다.).
또한, 본 발명의 MEMS 기반의 응축 입자 계수기는 상기 칩(10)의 공기 유입부(11) 부근에 미세 히터(20)가 패턴화되어 형성되는 컨디셔너(100)를 더 포함할 수 있다.
상기 컨디셔너(100)는 미세 히터(20)의 온도를 조절하여 상기 공기 유입부(11)를 통해 칩(10) 내부로 유입되는 외부 공기의 온도 또는 습도를 일정하게 유지시킬 수 있으며, 상기 컨디셔너(100)에 의해 온도 또는 습도가 유지된 외부 공기는 도 4에 도시된 바와 같이 포화부(200)로 유동하게 된다.
다음으로, 상기 포화부(200)는 컨디셔너(100)와 마찬가지로 칩(10) 상에 미세 히터(20)가 패턴화된 영역을 말하며, 상기 포화부(200)는 미세 히터(20)를 구동시켜 작동 유체를 증발시켜 포화 증기(Saturated vapor)를 생성하는 역할을 한다.
이와 같이 포화부(200)에서 포화 증기를 생성하기 위해서는 포화부(200) 내부로 작동 유체가 유입되어야만 하는데, 본 발명의 MEMS 기반의 응축 입자 계수기는 상기 유체 저장부(400)와 상기 포화부(200)에 형성된 필러부(30)를 통해 추가적인 작업 없이 유체 저장부(400)에 저장된 작동 유체를 포화부(200)로 투입시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 유체 저장부(400)와 포화부(200)에는 도 3과 같이 복수 개의 마이크로(Micro) 크기의 필러부(30)가 형성되고, 상기 복수 개의 필러부(30)는 조밀하게 형성됨에 따라, 필러부(30) 사이에는 폭이 좁은 공간이 형성되어, 유체 저장부(400) 내부의 작동 유체가 모세관(Capillary tube) 현상에 의해 포화부(200)로 유입되고, 포화부(200)에서는 앞서 언급한 바와 같이 모세관 현상에 의해 유입된 작동 유체를 미세 히터(20)로 가열하여 포화 증기를 생성할 수 있다.
이 때, 공기 유입부(11)와 유체 저장부(400) 사이에 위치한 컨디셔너(100) 상에 필러부(30)가 형성되는 경우에는 공기 유입부(11)로부터 유입된 차가운 외부 공기와 포화부(200)에서 가열된 포화 증기가 만나 후술할 응축부(300)가 아닌 컨디셔너(100)에서 나노 크기의 미세 입자가 마이크로 크기로 성장하게 되어, 측정부(600)에서의 입자 계수 정밀성이 떨어지게 되므로, 상기 컨디셔너(100) 상에는 필러부(30)가 형성되지 않는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유체 저장부(400)에 저장된 작동 유체는 부탄올인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 작동 유체로 다른 유체를 사용하더라도 무관하다.
아울러, 상기 유체 저장부(400)의 작동 유체가 포화부(200)로 유입되면, 유체 저장부(400) 내부의 작동 유체가 줄어들게 되는데, 본 발명의 MEMS 기반의 응축 입자 계수기는 도 3과 같이 레벨링 센서(510)를 포함하여 유체 저장부(400) 내에 저장된 작동 유체의 높이를 감지할 수 있고, 상기 레벨링 센서(510)에서 작동 유체의 높이가 기 설정된 높이 이하인 것으로 측정되는 경우에는 유체 저장부(400) 내부에 작동 유체를 채워야만 한다.
이 때, 유체 저장부(400) 내에 작동 유체를 채워 넣는 방법으로는 ⅰ) 스포이트나 관을 연결하여 수동으로 채워 넣을 수도 있으나, ⅱ) 본 발명의 응축 입자 계수기는 도면 상에 도시되지는 않았으나, 유체 저장부(400) 후면에 홀을 형성하고, 상기 유체 저장부(400)의 후면에 위치하며, 대용량의 작동 유체가 저장되어 있는 작동 유체 탱크 및 상기 유체 저장부(400)와 상게 작동 유체 탱크 사이에 위치하며, 솜 또는 스펀지로 이루어져, 유체 저장부(400)의 후면에 형성된 홀을 통해 유체 저장부(400) 내로 작동 유체 탱크 내의 작동 유체를 공급할 수 있는 작동 유체 공급부를 더 포함하여, 유체 저장부(400) 내에 작동 유체를 자동으로 채워 넣을 수도 있다. 다만, 상기 예는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 유체 저장부(400) 내에 작동 유체를 채워 넣을 수만 있다면 다른 방식을 사용하더라도 무관하다.
다음으로, 상기 포화부(200)에서 가열된 포화 증기와 외부 공기는 도 4와 같이 응축부(300)로 유입되는데, 상기 응축부(300)는 적어도 하나 이상의 펠티에 소자(Peltier effect device)로 구성되어 유입된 포화 증기와 미세 입자가 포함된 외부 공기를 냉각시킬 수 있으며, 그 결과 나노(Nano) 크기의 미세 입자가 마이크로(Micro) 크기로 성장하게 된다.
보다 구체적으로, 응축부(300)에서는 펠티에 소자의 구동을 통해 포화부(200)에서 가열된 외부 공기와 포화 증기를 냉각시킬 수 있는데, 상기와 같은 냉각에 의해 포화부(200)에서 유입된 포화 증기는 과포화 증기(Supersaturated Vapor) 상태가 되게 된다.
과포화 증기 상태의 작동 유체 증기는 미세 입자를 입자핵으로 하여 미세 입자 주위에 부착되고, 이로써 나노 크기의 미세 입자는 도 4와 같이 마이크로 크기의 미세 입자로 성장하게 된다.
상기와 같은 과정을 통해 응축부(300)에서 마이크로 크기로 성장한 미세 입자들은 공기 유출부(12)를 통해 상기 칩(10)과 연결된 측정부(600)로 유입되게 되며, 상기 측정부(600)는 광학 입자 계수기와 같이 광을 조사하는 레이저(610), 상기 레이저(610)에서 조사된 광을 집광시키는 집광 렌즈(620) 및 상기 집광 렌즈(620)를 투과한 광을 인식하는 포토 센서(630)를 포함하여, 레이저(610)에서 조사된 광이 미세 입자와 만났을 때 산란하는 성질을 이용하여 포토 센서(630)에서 인식되는 광을 분석함으로써, 외부 공기에 포함된 미세 입자를 계수할 수 있다.
이 때, 상기 응축부(300) 상에도 포화부(200)와 유체 저장부(400)와 마찬가지로 복수 개의 필러부(30)가 형성되어, 모세관 현상을 통해 공기 유출부(12)가 냉각된 외부 공기 또는 작동 유체 증기에 의해 막히는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기는 외부 공기의 온도를 측정하는 복수 개의 온도 센서(500)와 상기 온도 센서(500)에서 측정된 온도를 토대로 상기 포화부(200)의 미세 히터(20) 또는 응축부(300)의 온도를 조절하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있는데, 이에 대해서는 도 3 및 도 5 내지 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
이 때, 도 5는 제2 온도 센서와 제3 온도 센서에 의해 측정되는 포화부와 응축부 내의 외부 공기의 온도를 나타낸 도면이고, 도 6은 응축부 내부의 온도가 고정된 상태에서 포화부 내부를 통과하는 외부 공기의 온도가 변화에 따른, 측정할 수 있는 입자의 크기의 변화를 도시한 그래프이다.
포화부(200) 내부의 외부 공기의 온도(Ts)와 응축부(300) 내부의 외부 공기의 온도(Tc)의 비율을 포화비(Saturation ratio)라고 하며, 포화비는 하기 식 (1)과 같은 값을 의미한다.
Figure pat00001
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥식(1)
실험 결과, ⅰ) 포화부(200) 내부의 온도가 높아 포화비가 클 때에는, 포화 증기 상태의 작동 유체가 지나치게 많이 생성되어, 응축부(300)에서 작동 유체끼리 결합하여 마이크로 입자 크기로 성장하는 경우가 종종 발생하게 되어 측정부(600)에서의 측정이 정밀성이 떨어진다는 문제가 있을 수 있고, ⅱ) 반대로 포화부(200) 내부의 온도가 낮아 포화비가 작을 때에는 충분한 포화 증기가 형성되지 않아, 응축부(300)에서 나노 크기의 미세 입자가 충분히 성장하지 못하게 되어, 측정부(600)에서의 측정의 정밀성이 떨어질 수 밖에 없는 문제가 있을 수 있다는 점이 확인되었다.
이에 따라, 외부 공기의 유입 속도를 0.1 L/min로 설정하고, 본 발명의 응축 입자 계수기를 통해 입자 계수 시험을 진행한 결과, 도 6의 그래프와 같이 ⅰ) 포화비가 1.93 이하인 경우에는 응축부(300)에서 미세 입자의 성장이 원활하게 이루어지지 않아 작은 크기의 미세 입자는 측정할 수 없다는 것이 확인되었고, ⅱ) 포화비가 3.59 이상인 경우에는 작동 유체끼리 결합하여, 측정부(600)에서 미세 입자 외에 작동 유체까지 측정되게 되어, 입자 계수의 정밀성이 떨어진다는 문제점이 확인되었고, 그 결과 입자 계수의 정밀성을 높이기 위해서는 포화비를 1.93 이상 3.59 이하로 유지하는 것이 바람직하다라는 결과를 도출해낼 수 있었다.
이에 따라, 본 발명의 응축 입자 계수기는 컨디셔너(100)를 통과한 외부 공기의 온도를 측정하는 제1 온도 센서(501)와 포화부(200)를 통과한 외부 공기의 온도를 측정하는 제2 온도 센서(502) 및 응축부(300) 내로 유입된 외부 공기의 온도를 측정하는 제3 온도 센서(503)를 포함하고,
상기 제어부에서는 제2 온도 센서(502)와 제3 온도 센서(503)에서 측정된 포화부(200) 내의 외부 공기와 응축부(300) 내의 외부 공기의 온도를 토대로, 상기 포화부(200)의 미세 히터(20) 또는 응축부(300)의 펠티에 소자의 냉각 온도를 조절하여, 포화부(200) 내의 외부 공기와 응축부(300) 내의 외부 공기 사이의 포화비(Saturation Ratio)가 1.93 이상 3.59 이하로 유지되도록 제어함으로써, 입자 계수의 정밀성을 높일 수 있다.
마지막으로, 도 7 내지 도 8를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 응축 입자 계수기의 성능에 대하여 살펴보도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기로 측정된 미세 입자의 크기 분포를 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 기반의 응축 입자 계수기의 미세 입자 크기에 따른 측정의 정밀성의 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 응축 입자 계수기로 미세 입자를 계수한 결과, 도 7과 같이 20nm 사이즈의 미세 입자까지도 작동 유체를 통해 성장시킴으로써, 계수할 수 있다는 것이 확인되었으며, 도 8과 같이 나노 사이즈의 미세 입자를 측정할 때도 높은 정밀성을 보인다는 것을 확인되었는 바, 상기 결과를 통해 본 발명의 응축 입자 계수기는 하나의 칩 상에 집적화되어 소형화되었음에도 종래의 응축 입자 계수기와 거의 유사한 계수 성능을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
정리하면, 본 발명은 상기와 같이 응축 입자 계수기에 MEMS 기술과 3D 프린팅 기술을 적용하여, 하나의 칩 상에 응축 입자 계수기의 필수적인 구성 요소를 집적화함으로써, 응축 입자 계수기를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 비용을 절감할 수 있으므로, 응축 입자 계수기가 적용될 수 있는 영역을 크게 확장시킬 수 있을 것이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
또한, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 칩
11 : 공기 유입부
12 : 공기 유출부
20 : 미세 히터
30 : 필러부
100 : 컨디셔너
200 : 포화부
300 : 응축부
400 : 유체 저장부
500 : 온도 센서
501 : 제1 온도 센서
502 : 제2 온도 센서
503 : 제3 온도 센서
510 : 레벨링 센서
600 : 측정부
610 : 레이저
620 : 집광 렌즈
630 : 포토 센서

Claims (12)

  1. 하나의 칩에 집적화된 MEMS 기반의 응축 입자 계수기에 있어서,
    외부에서 미세 입자가 포함된 외부 공기가 유입되는 공기 유입부;
    작동 유체가 저장된 유체 저장부;
    미세 히터가 패턴화되어, 상기 유체 저장부에서 공급된 작동 유체를 증발시켜 포화 증기를 생성하는 포화부;
    상기 포화부에서 생성된 포화 증기를 냉각시켜, 외부 공기에 포함된 미세 입자를 성장시키는 응축부; 및
    공기 유출부를 통해 상기 응축부로부터 유입된 미세 입자를 계수하는 측정부;
    를 포함하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 유입부를 통해 유입되는 외부 공기의 온도 또는 습도를 유지시키는 컨디셔너;를 더 포함하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    광을 조사하는 레이저;
    상기 레이저에서 조사된 광을 집광시키는 집광 렌즈; 및
    상기 집광 렌즈를 투과한 광을 인식하는 포토 센서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유체 저장부와 상기 포화부는 복수 개의 마이크로 크기의 필러부;를 더 포함하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 필러부를 통해 유체 저장부 내에 저장된 작동 유체가 상기 포화부로 유입되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 응축부는,
    적어도 하나 이상의 펠티에 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유체 저장부에 저장된 작동 유체는 부탄올인 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유체 저장부의 후면에 위치하며, 작동 유체가 저장되어 있는 작동 유체 탱크; 및
    상기 유체 저장부와 상게 작동 유체 탱크 사이에 위치하며, 솜 또는 스펀지로 이루어져 상기 작동 유체 탱크 내의 작동 유체를 유체 저장부로 공급하는 작동 유체 공급부;
    를 더 포함하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유체 저장부 내에 저장된 작동 유체의 높이를 감지하는 레벨링 센서를 더 포함하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  10. 제2항에 있어서,
    외부 공기의 온도를 측정하는 복수 개의 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에서 측정된 온도를 토대로 상기 미세 히터 또는 응축부의 온도를 조절하는 제어부;
    를 더 포함하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수 개의 온도 센서는,
    컨디셔너를 통과한 외부 공기의 온도를 측정하는 제1 온도 센서;
    포화부를 통과한 외부 공기의 온도를 측정하는 제2 온도 센서; 및
    응축부 내로 유입된 외부 공기의 온도를 측정하는 제3 온도 센서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미세 히터 또는 응축부의 온도를 조절하여, 포화부 내의 외부 공기와 응축부 내의 외부 공기 사이의 포화비(Saturation Ratio)를 1.93 내지 3.59 이내로 유지하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 응축 입자 계수기.
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