KR20210037183A - 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치에 관한 것으로서, 시료수가 통과되는 적어도 하나 이상의 시료관이 관통되게 내장되어 있으며, 검사광이 입사되는 광입사가이드부분과, 광입사가이드부분을 통해 입사된 검사광이 시료관에 조사되게 도파하는 도파부분과, 시료관에서 발생되는 형광신호가 외부로 출사될 수 있게 시료관에 대응되는 상면에 형성된 형광신호출사부분을 갖으며 일체로 형성된 광도파 모듈과, 광도파 모듈의 광입사 가이드부분에 검사광을 출사하는 광원부와, 형광신호 출사부분에서 시료관에 각각 대응되게 출사되는 형광신호를 검출하는 광검출부와, 광검출부에서 출력되는 신호로부터 시료관 각각을 통해 흐르는 시료수 내에 미세플라스틱이 있는지를 판단하고, 검출된 미세플라스틱을 계수하여 설정된 산출방식으로 미세 플라스틱 검출정보를 제공하는 산출부를 구비한다. 이러한 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치에 의하면, 시료관에 광을 조사하고 시료관으로부터 출사되는 형광신호를 수집하기 위한 광학적 얼라인을 일체화되게 형성된 광도파모듈에 의해 단순화 시킬 수 있어 측정 작업에 대한 편리성을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
Description
본 발명은 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치에 관한 것으로서, 상세하게는 수중에 잔류하는 미세플라스틱을 계수할 수 있도록 된 광도파 모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치에 관한 것이다.
일반적으로 플라스틱 성형 제품은 대부분 화학공장에서 만들어진 플라스틱 알갱이, 즉 펠릿(pellet)들을 전기열과 기계적 마찰을 이용하여 녹인 후 힘을 가하여 원하는 형상으로 만들어진 금형 내로 밀어냄으로써 제조하는 방식을 적용하고 있다.
또한, 플라스틱 제품의 제조 비용 중에서 재료가 차지하는 비율이 매우 높기 때문에 재료비의 절감과 더불어 플라스틱 제품의 무게를 더욱 줄일 수 있도록 하는 노력에 의해 발포기술이 개발되고 있다.
상기한 발포기술이란 플라스틱 제품 안에 미세한 크기를 갖는 많은 기포들이 생기도록 하는 기술로서, 화학적 또는 물리적 발포재를 펠릿과 함께 잘 섞은 후 외부에서 열을 가하여 발포 물질들이 기화되도록 함으로써 제품 내부에 기포가 형성 되도록 한다.
이러한 플라스틱 성형장치는 국내 공개특허 제10-2004-0072165호 등 다양하게 개시되어 있다.
한편, 플라스틱은 기능이 우수하고 가격이 저렴하여 현대인의 풍요로운 일상생활과 산업발달에 크게 이바지하여 왔지만, 해양에 버려지는 플라스틱의 경우 시간 경과에 따라 시각적으로 확인하기 어려운 미세한 크기로 분해되어 환경을 오염시키고 있어 이를 파악할 수 있는 검출장비가 요구되고 있다.
특히, 미세플라스틱을 광을 이용하여 계수하는 경우 광학적 얼라인 과정에 소요되는 시간을 최소화시키면서 측정 효율을 향상시킬 수 있는 구조가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 시료수 내의 미세 플라스틱을 계수하기 위한 광조사 및 반응광의 수집을 위한 광학적 얼라인 과정을 단순화 시킬 수 있는 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치는 시료수가 통과되는 적어도 하나 이상의 시료관이 관통되게 내장되어 있으며, 검사광이 입사되는 광입사가이드부분과, 상기 광입사가이드부분을 통해 입사된 검사광이 상기 시료관에 조사되게 도파하는 도파부분과, 상기 시료관에서 발생되는 형광신호가 외부로 출사될 수 있게 상기 시료관에 대응되는 상면에 형성된 형광신호출사부분을 갖으며 일체로 형성된 광도파 모듈과; 상기 광도파 모듈의 상기 광입사 가이드부분에 검사광을 출사하는 광원부와; 상기 형광신호 출사부분에서 상기 시료관에 각각 대응되게 출사되는 형광신호를 검출하는 광검출부와; 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 시료관 각각을 통해 흐르는 시료수 내에 미세플라스틱이 있는지를 판단하고, 검출된 미세플라스틱을 계수하여 설정된 산출방식으로 미세 플라스틱 검출정보를 제공하는 산출부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 광원부는 자외선 광을 출사하는 자외선 광원;을 구비하고, 상기 광검출부는 상기 자외선 광원에서 출사되는 광의 파장보다 길며 상기 미세플라스틱에서 발생되는 형광에 대응되게 설정된 검출파장 이상의 파장신호를 통과시키는 필터와; 상기 필터를 통해 수신되는 신호에 대응되는 전기적 신호를 상기 산출부에 출력하는 광검출기;를 구비하고, 상기 광도파 모듈의 상기 형광신호 출사부분에는 형광신호를 집속하여 외부로 출사하는 집속렌즈가 배치되어 있고, 상기 도파부분에는 상기 광입사가이드부분을 통해 진입된 광을 상기 시료관을 향하는 방향으로 반사시키는 반사부재가 마련되어 있고, 상기 집속렌즈, 광입사가이드부분을 제외한 상기 도파부분의 표면에는 입사된 광을 상기 도파부분 내로 전반사시키는 반사층이 형성된다.
또한, 상기 산출부는 상기 광검출부에서 상기 시료관에 대응되게 각각 출력되는 신호가 설정된 기준 라이프타임 이상으로 유지된 신호에 대해 미세 플라스틱 입자로 계수하되 형광신호 지속시간 동안 발생되는 피크 수가 복수 개인 경우 피크수에 대응되는 개수의 미세플라스틱이 있는 것으로 계수하면서 미세플라스틱 검출정보를 생성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치에 의하면, 시료관에 광을 조사하고 시료관으로부터 출사되는 형광신호를 수집하기 위한 광학적 얼라인을 일체화되게 형성된 광도파모듈에 의해 단순화 시킬 수 있어 측정 작업에 대한 편리성을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치를 개략적으로 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광도파모듈을 포함한 일부 요소를 단면처리하여 도시한 도면이고,
도 3은 도 1의 광검출기에 하나의 미세 플라스틱이 검출되었을 때의 검출 신호의 예를 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 도 1의 광검출기에 두 개의 미세 플라스틱이 검출되었을 때의 검출 신호의 예를 나타내 보인 그래프이다.
도 2는 도 1의 광도파모듈을 포함한 일부 요소를 단면처리하여 도시한 도면이고,
도 3은 도 1의 광검출기에 하나의 미세 플라스틱이 검출되었을 때의 검출 신호의 예를 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 도 1의 광검출기에 두 개의 미세 플라스틱이 검출되었을 때의 검출 신호의 예를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광도파모듈 적용형 미세 플라스틱 검출장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치를 개략적으로 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 광도파모듈을 포함한 일부 요소를 단면처리하여 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치(100)는 광원부(110), 광도파모듈(130), 광검출부(150) 및 산출부(170)를 구비한다.
광원부(110)는 측정대상 시료관(120)을 통해 흐르는 시료수에 검사광인 펄스광을 출력한다.
광원부(110)는 산출부(170)에 의해 구동이 제어되며 검사광으로 자외선 펄스광을 출사하는 자외선 광원(112)과, 자외선 광원(112)에 대해 산출부(170)의 제어신호에 따라 구동을 제어하는 구동부(114)를 구비한다.
광원부(110)에는 자외선 광원(112)에서 출사되는 광의 빔을 평행광으로 변환하는 콜리메이팅렌즈(113)가 자외선 광원(112)의 선단에 일체로 장착되어 있다.
광도파모듈(130)은 시료수가 통과되는 적어도 하나 이상의 시료관(120)이 관통되게 일체로 내장되어 있으며, 전체 외형이 사각체 형상으로 형성되어 있다. 도시된 예에서 광도파모듈(130)은 외부로 일정길이 노출된 세개의 시료관(120)이 상호 이격되어 나란하게 배치된 구조가 적용되어 있다.
광도파모듈(130)을 구분하면 도파부분(132), 광입사가이드 부분(134), 형광신호 출사부분(135)을 갖는 구조로 되어 있다.
도파부분(132)은 사각판체 형상으로 형성되어 내부 전반사를 통해 외부에서 입사된 검사광을 시료관(120)에 조사될 수 있게 형성되어 있다. 도파부분(132)은 광의 도파가 가능한 소재로 된 도광판(132a)과, 도광판(132a)의 표면 중 검사광의 입사영역이 되는 광입사가이드 부분(134)과 형광신호의 출사영역이 되는 형광신호 출사부분(135)을 제외한 표면 즉, 상면과 저면 및 측면에 입사된 광을 도광판(132a) 내로 전반사시키는 반사층(132a)이 형성되어 있다. 여기서, 도광판(132a)은 예를 들면, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA; polymethyl methacrylate) 소재로 형성된 것을 적용할 수 있다. 반사층(132a)은 고반사물질로 도포되거나, 입사광에 대한 전반사 조건을 만족하도록 도광판(134)보다 굴절율이 낮은 소재로 형성될 수 있다.
반사부재(133)는 후술되는 광입사가이드부분(134)을 통해 입사된 검사광이 시료관(120)을 향하는 방향으로 반사시키도록 광경로를 변환하게 도파부분(132)의 도광판(132a) 내에 마련되어 있다. 반사부재(133)는 광입사 가이드부분(134)에서 수직상으로 입사되는 광을 시료관(120) 측을 향하는 경사진 방향으로 광로를 전환하도록 반사면이 경사지게 배치되어 있다.
광입사가이드 부분(134)은 검사광이 입사되게 반사층(132b)이 형성되지 않은 도광판(132a)의 상면에서 상방으로 연장되게 형성된 부분이다. 광입사가이드 부분(134)은 도광판(132a)과 동일 소재로 형성될 수 있다. 또한, 광입사 가이득부분(134)은 광원(112)이 내부에 진입될 수 있게 진입홈을 갖게 형성될 수 있다.
형광신호출사부분(135)은 시료관(120) 각각 에서 발생되는 형광신호가 외부로 출사될 수 있게 시료관(120)에 각각 대응되는 상면에 형성되어 있다.
형광신호출사부분(135)는 시료관(120)의 상부에 마련되어 형광신호를 집속하는 집속렌즈(136)와, 집속렌즈(136)의 가장자리로부터 상방으로 연장되어 광검출부(150)의 일부가 진입될 수 있는 진입홈을 형성하도록 상방으로 연장된 삽입 가이드 링(137)을 갖는 구조로 되어 있다.
삽입가이드 링(137)은 외부광의 내부로의 진입이 차단되게 광투과를 차단하는 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 광도파 모듈(130)에 삽입된 시료관(120)은 시료수를 공급하는 시료수 공급관과 용이하게 접속할 수 있게 외부로 노출된 부분에 커플러가 형성될 수 있다.
시료관(120)은 측정대상 시료수를 흘려 보낼수 있으면서 광이 투과될 수 있는 투명관이 적용되며 도파부분(132)에서 입사되는 광에 의한 미세플라스틱 검출 효율성을 위해 내경이 2 내지 4mm인 것을 각각 적용하고 바람직하게는 내경이 3mm인 것을 적용한다.
시료관(120)의 내경이 2mm 이하이면 측정속도가 너무 느려지고, 4mm를 초과하면 광조사방향을 따라 나란하게 복수 개의 미세플라스틱이 중첩되게 위치되는 경우 계수가 포함되지 않을 수 있어 계수 정밀도가 떨어진다.
도시되지는 않았지만 해양에서 채취한 시료수가 담긴 채취용기로부터 각 시료관(120)으로 시료수를 일정 유속으로 공급하도록 배관된 후 측정을 진행하면 된다.
광검출부(150)는 각 시료관(120)에 대응되게 광도파모듈(130)의 상면에 형성된 집속렌즈(136)를 통해 진행되는 형광신호를 검출한다.
광검출부(150)는 집속렌즈(136) 각각에 대응되게 3개의 필터(157) 및 광검출기(152)를 구비한다. 필터(157)의 선단에는 형광신호를 광검출기(152)로 집속하기 위한 콜리메이팅 렌즈가 마련될 수 있다.
필터(157)는 자외선 광원(112)에서 출사되는 광의 파장보다 길며 미세플라스틱에서 발생되는 형광에 대응되게 설정된 검출파장 이상의 파장신호를 통과시킨다.
일 예로서, 자외선 광원(112)이 450nm인 레이저광을 출사하는 것이 적용되는 경우 필터(157)는 480nm이상의 파장의 광을 투과시키는 것이 적용될 수 있다.
광검출기(152)는 필터(157)를 통해 수신되는 신호에 대응되는 전기적 신호를 산출부(170)에 출력한다.
산출부(170)는 광원부(110)에서 펄스광이 출력되게 광원부(110)의 구동을 제어하고, 광원부(110)에서 펄스광이 출력된 후 광입사가이드부분(134), 반사부재(133), 도광판(132a)을 거쳐 시료관(120)에 입사된 검사광에 대응하여 시료관(120)으로부터 발생되어 형광신호출사부분(135) 및 광검출부(150)를 거쳐 출력되는 신호로부터 각 시료관(120)을 통해 흐르는 시료수 내에 미세플라스틱(30)이 있는지를 판단하고, 각 시료관(120) 별로 검출된 미세플라스틱(30)을 계수하여 설정된 산출방식으로 미세 플라스틱 검출정보를 제공한다.
일 예로서, 산출부(170)는 시료수가 시료관(120)을 통과하는 동안 계수된 미세플라스틱(30)의 누적 개수를 시료관(120) 별로 표시부(미도시)를 통해 표시하도록 구축될 수 있다.
한편, 시료수 내에 존재하는 무기물 입자도 형광을 발생하나 미세 플라스틱(30) 보다 형광지속시간인 라이프타임(Lf)이 짧은 점을 이용하여 무기물 입자를 미세 플라스틱(30) 카운팅에서 배제되게 처리하는 것이 요구된다.
이를 위해 무기물 입자의 형광지속시간이 1나토초 미만이고, 미세플라스틱(30)의 형광지속시간은 수나초 내지 수 마이크로초 인점을 고려하여 산출부(170)는 2나노초를 미세 플라스틱(30)으로 결정하기 위한 기준 라이프타임으로 설정하고, 광검출부(150)에서 형광신호 검출에 대응되어 출력되는 신호가 2나노초 이상으로 유지되는 형광신호만을 미세 플라스틱(30)으로 계수하도록 구축한다.
또한, 하나의 미세플라스틱(30)에서 발생되는 형광신호는 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 피크(P1)를 갖으며 라이프 타임(Lf) 시간 동안 피크(P1)로부터 점진적으로 신호세기가 줄어드는 패턴으로 신호가 발생 된다.
한편, 도파부분(132)내의 각 시료관(120)에서 복수 개의 미세플라스틱(30)이 상호 일부가 중첩되게 형광신호가 광검출기(152)에 수신될 수 있고 이를 구별하여 카운팅 할 수 있도록 산출부(170)는 광검출부(150)의 각 광검출기(152)에서 출력되는 신호가 설정된 기준 라이프타임(Lf) 이상으로 유지된 신호에 대해 미세 플라스틱 입자로 계수하되 형광신호 지속 시간 동안 발생되는 피크 수가 복수개인 경우 피크수에 대응되는 개수의 미세플라스틱이 있는 것으로 계수하면서 미세플라스틱 검출정보를 생성한다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같은 두 개의 피크신호(P1)P2)가 광검출기(152)로부터 수신되면 산출부(170)는 2개의 미세플라스틱(30)이 대응되는 시료관(120)에서 검출된 것으로 계수처리한다.
이상에서 설명된 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치(100)에 의하면, 시료관에 광을 조사하고 시료관으로부터 출사되는 형광신호를 수집하기 위한 광학적 얼라인을 일체화되게 형성된 광도파모듈에 의해 단순화 시킬 수 있어 측정 작업에 대한 편리성을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광원부 120: 광분배기
140, 150: 제1 및 제2 광검출부 170: 산출부
140, 150: 제1 및 제2 광검출부 170: 산출부
Claims (3)
- 시료수가 통과되는 적어도 하나 이상의 시료관이 관통되게 내장되어 있으며, 검사광이 입사되는 광입사가이드부분과, 상기 광입사가이드부분을 통해 입사된 검사광이 상기 시료관에 조사되게 도파하는 도파부분과, 상기 시료관에서 발생되는 형광신호가 외부로 출사될 수 있게 상기 시료관에 대응되는 상면에 형성된 형광신호출사부분을 갖으며 일체로 형성된 광도파 모듈과;
상기 광도파 모듈의 상기 광입사 가이드부분에 검사광을 출사하는 광원부와;
상기 형광신호 출사부분에서 상기 시료관에 각각 대응되게 출사되는 형광신호를 검출하는 광검출부와;
상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 시료관 각각을 통해 흐르는 시료수 내에 미세플라스틱이 있는지를 판단하고, 검출된 미세플라스틱을 계수하여 설정된 산출방식으로 미세 플라스틱 검출정보를 제공하는 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치. - 제1항에 있어서, 상기 광원부는
자외선 광을 출사하는 자외선 광원;을 구비하고,
상기 광검출부는
상기 자외선 광원에서 출사되는 광의 파장보다 길며 상기 미세플라스틱에서 발생되는 형광에 대응되게 설정된 검출파장 이상의 파장신호를 통과시키는 필터와;
상기 필터를 통해 수신되는 신호에 대응되는 전기적 신호를 상기 산출부에 출력하는 광검출기;를 구비하고,
상기 광도파 모듈의 상기 형광신호 출사부분에는 형광신호를 집속하여 외부로 출사하는 집속렌즈가 배치되어 있고, 상기 도파부분에는 상기 광입사가이드부분을 통해 진입된 광을 상기 시료관을 향하는 방향으로 반사시키는 반사부재가 마련되어 있고, 상기 집속렌즈, 광입사가이드부분을 제외한 상기 도파부분의 표면에는 입사된 광을 상기 도파부분 내로 전반사시키는 반사층이 형성된 것을 특징으로 하는 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치. - 제2항에 있어서, 상기 산출부는 상기 광검출부에서 상기 시료관에 대응되게 각각 출력되는 신호가 설정된 기준 라이프타임 이상으로 유지된 신호에 대해 미세 플라스틱 입자로 계수하되 형광신호 지속시간 동안 발생되는 피크 수가 복수 개인 경우 피크수에 대응되는 개수의 미세플라스틱이 있는 것으로 계수하면서 미세플라스틱 검출정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 광도파모듈 적용형 미세플라스틱 검출장치.
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| KR102369139B1 (ko) * | 2021-06-24 | 2022-03-02 | 주식회사 한국미세플라스틱연구원 | 태양광과 레이저광원을 이용한 해수 및 담수용 실시간 미세플라스틱 모니터링 시스템 장치 및 그 방법 |
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| JP2014215041A (ja) * | 2013-04-22 | 2014-11-17 | 株式会社堀場製作所 | 粒子計数装置およびその製造方法 |
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