KR20220042512A - 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각각 측정광원과 수광센서가 구비된 측정모듈을 다양한 각도로 복수개 배치함으로써 미세입자들 간의 음영 지역을 최소화하고, 미세입자의 위치에 따른 검출 오류를 줄일 수 있는 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는, 각각 측정광원에서 미세먼지로 출력된 측정용 광이 그 미세먼지에 의해 산란된 광을 수광센서로 수광하도록 구성된 복수의 측정모듈과, 상기 측정모듈 각각의 측정광원과 수광센서의 작동을 제어하고 상기 수광센서에 의해 수광된 광신호로부터 미세먼지의 양 또는 크기를 산출하는 제어 및 연산모듈이 포함되어 구성되되, 상기 복수의 측정모듈은 각 측정모듈의 측정광원에서 출력되는 측정용 광이 미세먼지의 위치에서 서로 교차되도록 배치된 것을 특징으로 한다.

Description

멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치{APARATUS FOR MEASURING MICROPARTICLE}
본 발명은 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각각 측정광원과 수광센서가 구비된 측정모듈을 다양한 각도로 복수개 배치함으로써 미세입자들 간의 음영 지역을 최소화하고, 미세입자의 위치에 따른 검출 오류를 줄일 수 있는 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치에 관한 것이다.
대기중 미세먼지는 국민건강과 기후변화에 미치는 영향이 매우 크고 반도체 산업 등 많은 분야의 산업에서도 생산성과 제품의 품질에 좋지 않은 영향을 끼치는 문제로 최근 국내외적으로 많은 관심을 받고 있다. 특히, PM 2.5는 장기간 흡입 시, 코 점막에 의해 걸러지지 않고 폐포까지 깊숙히 침투하여 천식, 알레르기성 비염, 기관지염, 폐기종, 폐포 손상 등과 함께 조기 사망률을 높이는 것으로 알려져 환경부나 각 지자체에서는 국민과 주민의 건강 보호하기 위해 다양한 대책을 마련하고 있다.
이러한 미세먼지는 지역/시간별 밀도의 편차가 클 뿐 아니라 필요로 하는 모든 지역마다 측정장비를 구축하는데 어려움이 있어 장치가 설치된 지점을 제외한 장소에서 정확한 측정정보를 얻는 것은 매우 어렵다.
미세먼지를 측정하는 대표적인 방식으로는 광학적 방식과 포집 방식을 들 수 있는데, 일반적으로 광학적 미세먼지 측정 방식은 정밀도는 떨어지나 포집 방식에 비하여 소형으로 구축이 가능하고 실시간으로 데이터를 얻을 수 있기 때문에 최근 그 연구가 활발하게 이루어지고 있는 기술이다.
광학적 미세먼지 측정 방식은 빛을 이용한 미세먼지 측정 방식으로 측정용 빛이 깨끗한 공기 중에서 일직선으로 직진하다 먼지 등과 만나게 되면 산란을 일으키게 되며, 산란광이나 투과광의 광량을 측정하여 입자의 밀도 및 크기를 산출하는 방식이다. 도 1은 광학식 미세먼지 측정 방식을 개략적으로 나타낸 도면으로, 광학식 미세먼지 측정 방식은 측정광원(1)에서 출력된 측정을 미세먼지(D)로 조사한 다음, 그 먼지(D)에서 산란된 산란광이나 산란되지 않고 투과된 투과광을 수광센서(2)로 검출하여 검출된 신호로부터 미세먼지의 크기나 양(개수)를 산출한다.
그러나 종래의 광학식 측정 방식은 기본적으로 수광 광량을 먼지의 양으로 환산하는 방식으로서, 먼지 간의 겹침 현상에 따른 음영 지역 발생으로 인해 정밀도가 떨어지며, 먼지를 크기별로 분별하여 측정할 수 없다는 문제점을 갖는다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 등록특허 제10-2017257호(2019.08.27, 입자 크기별 계수가 가능한 소형 광학식 미세 먼지 센서) 및 대한민국 등록특허 제10-2073483호(2020.01.29, 미세입자 측정장치 및 측정방법)에는 복수의 광원부와 수광부를 구비하여 미세입자들 간의 음영지역을 최소화하고 크기별 입자를 분리할 수 있도록 구성된 기술이 개시되어 있다.
그러나 상기 미세먼지에 의해 발생되는 음영은 3차원적인 공간에서 다양한 형태로 발생되며, 그에 따라 한 쌍의 측정모듈만으로는 3차원적인 형태로 발생되는 다양한 음영 지역에 위치된 미세먼지를 검출할 수 없는 문제를 여전히 갖는다. 예를 들어 도 2는 작은 크기의 미세입자 D3가 2개의 큰 크기의 미세입자 D1과 D2에 의해 광원1 및 광원2 모두에 가려진 음영 지역에 위치됨으로써 작은 크기의 미세입자 D3의 검출이 불가능한 상태를 개념적으로 도시한 것이다.
대한민국 등록특허 제10-2017257호(2019.08.27) : 입자 크기별 계수가 가능한 소형 광학식 미세 먼지 센서 대한민국 등록특허 제10-2073483호(2020.01.29) : 미세입자 측정장치 및 측정방법
본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 각각 측정광원과 수광센서가 구비된 측정모듈을 다양한 각도로 복수개 배치함으로써 미세입자들 간의 음영 지역을 최소화하고, 미세입자의 위치에 따른 검출 오류를 줄일 수 있는 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는, 각각 측정광원에서 미세먼지로 출력된 측정용 광이 그 미세먼지에 의해 산란된 광을 수광센서로 수광하도록 구성된 복수의 측정모듈과, 상기 측정모듈 각각의 측정광원과 수광센서의 작동을 제어하고 상기 수광센서에 의해 수광된 광신호로부터 미세먼지의 양 또는 크기를 산출하는 제어 및 연산모듈이 포함되어 구성되되, 상기 복수의 측정모듈은 각 측정모듈의 측정광원에서 출력되는 측정용 광이 미세먼지의 위치에서 서로 교차되도록 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는, 상기 측정모듈은 적어도 3개 이상이 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는, 상기 측정모듈은 4개가 구비되고, 상기 4개의 측정모듈은 이웃하는 측정모듈의 측정광원에서 출력되는 측정용 광은 서로 109.5도의 각도가 되도록 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는, 상기 측정모듈은 6개가 구비되고, 상기 6개의 측정모듈은 이웃하는 측정모듈의 측정광원에서 출력되는 측정용 광은 서로 90도의 각도가 되도록 배치된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는 각각 측정광원과 수광센서가 구비된 측정모듈을 다양한 각도로 복수개 배치함으로써 미세입자들 간의 음영 지역을 최소화하고, 미세입자의 위치에 따른 검출 오류를 줄일 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 일반적인 광학식 미세 먼지 측정 장치를 개념적으로 도시한 블럭도
도 2는 복수의 미세입자에 의해 발생되는 음영 지역을 개념적으로 도시한 도면
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치를 도시한 구성도
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치의 다양한 예를 개념적으로 도시한 도면
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치를 도시한 구성도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치의 다양한 예를 개념적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는 복수의 측정모듈의 측정광원(E1,E2,E3)에서 출력되는 측정용 광(L1,L2,L3)이 미세먼지의 위치에서 서로 교차되도록 배치되어 미세입자(D1,D2,D3)들 간의 음영 지역을 최소화하고, 미세입자의 위치에 따른 검출 오류를 줄일 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
우선, 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는 복수의 측정모듈과 제어 및 연산모듈이 포함되어 구성된다.
상기 측정모듈 각각은 측정광원(E1,E2,E3)에서 미세먼지(D1,D2,D3)로 출력된 측정용 광(L1,L2,L3)이 그 미세먼지에 의해 산란된 광(S1,S2,S3)을 수광센서(R1,R2,R3)로 수광하도록 구성된다. 각 측정모듈에는 측정광원과 수광센서가 쌍으로 구비될 뿐만 아니라 각 측정모듈에는 산란된 광(S1,S2,S3)으로부터 특정 파장의 광을 선택적으로 수광하도록 뱉드패스 필터가 포함되어 구성될 수 있다.
상기 측정모듈 각각의 측정광원(E1,E2,E3)은 LED나 레이저 다이오드로 이루어질 수 있다. 측정용 광은 측정하고자 하는 미세먼지의 크기를 고려하여 선택되는데, 예를 들어 작은 크기의 미세입자에 대하여 산란성이 큰 단파장 광(405㎚)을 이용하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 상기 수광센서(R1,R2,R3)는 미세입자(D1,D2,D3)에 의해 산란된 광을 수광하는 구성으로서, 산란광 신호를 수신하는 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드로 수신된 신호를 입력하는 증폭기와, 상기 증폭기에서 증폭된 출력을 전압값으로 변환하여 제공하는 증폭회로를 포함하여 구성된다.
상기 제어 및 연산모듈은 상기 측정모듈 각각의 측정광원(E1,E2,E3)과 수광센서(R1,R2,R3)의 작동을 제어한다. 또한, 상기 제어 및 연산모듈은 상기 수광센서(R1,R2,R3)에 의해 수광된 광신호로부터 미세먼지의 양 또는 크기를 산출한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는 복수의 측정모듈을 배치하여 구성되는데, 도 3에는 3개의 측정모듈이 배치된 구조의 실시예를 도시한 것이다.
3개의 측정모듈은 각 측정모듈의 측정광원(E1,E2,E3)에서 출력되는 측정용 광(L1,L2,L3)이 미세먼지(D1,D2,D3)의 위치에서 서로 교차되도록 배치된다. 도면에는 상기 3개의 측정모듈 각각의 측정광원(E1,E2,E3)에서 출력되는 측정용 광(L1,L2,L3)이 이웃하는 것끼리 120도의 각도가 되도록 배치된 구조를 갖는다. 이에 따라 측정광원 E2에 대하여는 입자의 크기가 큰 미세먼지 D1,D2에 의해 발생되는 음영지역에 위치된 미세먼지 D3로 측정용 광 L2가 조사되지 않아 측정이 이루어지지 않지만 측정광원 E2와 120도(θ)의 각도로 배치된 측정광원 E1과 E3에 의해 미세먼지 D3에 측정용 광 L1과 L3가 조사되어 검출이 이루어짐으로써 음영에 의한 오차를 해소할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 미세먼지간 겹침에 의해 발생되는 음영지역을 최소화하기 위한 것으로, 이는 측정모듈을 여러 개 이용하여 해소될 수 있다. 그러나, 측정모듈의 수를 늘리는 것은 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 여러개의 측정모듈의 배치에 곤란을 겪고 측정 장치의 부피가 커지는 불리한 점을 갖는다.
본 발명은 적정한 갯수의 측정모듈을 이용하여 음영지역을 최소화시킬 수 있도록 각 측정모듈을 배치할 수 있을 뿐만 아니라 부피를 최소하시킬 수 있는 배치 구조를 갖도록 구성된 것을 특징으로 한다. 도 4a 및 도 4b에는 최적의 배치 조건을 갖도록 측정모듈을 갯수와 배치가 이루어지는 예를 개념적으로 도시한 것이다.
우선, 도 4a는 측정모듈은 4개가 구비되어 4개의 측정용 광(L1',L2',L3',L4')이 가장 멀리 떨어진 각도로 교차되도록 측정광원(E1',E2',E3',E4')이 배치된 예이다. 도 4a를 참조하면, 상기 4개의 측정모듈에 구비된 측정광원(E1',E2',E3',E4')은 정사면체의 꼭지점의 위치에 위치되도록 배치되어 이웃하는 측정모듈의 측정광원에서 출력되는 측정용 광(L1'와 L2' 사이, L1'와 L3' 사이, L1'와 L4'사이, L2'와 L3' 사이, L2'와 L4' 사이, L3'와 L4' 사이)은 서로 109.5도(θ')의 각도를 이루게 된다.
다음으로, 도 4b는 측정모듈은 6개가 구비되어 6개의 측정용 광(L1",L2",L3",L4",L5",L6")이 가장 멀리 떨어진 각도로 교차되도록 측정광원(E1",E2",E3",E4",E5",E6")이 배치된 예이다. 도 4b를 참조하면, 상기 6개의 측정모듈에 구비된 측정광원(E1",E2",E3",E4",E5",E6")은 정8면체의 꼭지점의 위치에 위치되도록 배치되어 이웃하는 측정모듈의 측정광원에서 출력되는 측정용 광(L1"와 L2" 사이, L1"와 L3" 사이,,,,, L5"와 L6" 사이)은 서로 90도(θ")의 각도를 이루게 된다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.
E1,E2,E3 측정광원
R1,R2,R3 수광센서
L1,L2,L3 측정용 광
D1,D2,D3 미세먼지

Claims (4)

  1. 각각 측정광원에서 미세먼지로 출력된 측정용 광이 그 미세먼지에 의해 산란된 광을 수광센서로 수광하도록 구성된 복수의 측정모듈과, 상기 측정모듈 각각의 측정광원과 수광센서의 작동을 제어하고 상기 수광센서에 의해 수광된 광신호로부터 미세먼지의 양 또는 크기를 산출하는 제어 및 연산모듈이 포함되어 구성되되,
    상기 복수의 측정모듈은 각 측정모듈의 측정광원에서 출력되는 측정용 광이 미세먼지의 위치에서 서로 교차되도록 배치된 것을 특징으로 하는 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정모듈은 적어도 3개 이상이 구비된 것을 특징으로 하는 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정모듈은 4개가 구비되고,
    상기 4개의 측정모듈은 이웃하는 측정모듈의 측정광원에서 출력되는 측정용 광은 서로 109.5도의 각도가 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 측정모듈은 6개가 구비되고,
    상기 6개의 측정모듈은 이웃하는 측정모듈의 측정광원에서 출력되는 측정용 광은 서로 90도의 각도가 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 멀티 측정모듈을 이용한 미세먼지 측정 장치.
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