KR20220045519A - 유체렌즈를 이용한 미세먼지센서 - Google Patents

Abstract

본 기술은 연속 광각조절 다중산란도 측정방식 기술로서 유체렌즈를 이용하여 하나의 레이저로 여러 개의 레이저를 사용하는 효과를 내어 하나의 레이저 광원으로 3점 이상 다중 각도에서 레이저 광을 투사하여 회절광 및 반사광을 입체적으로 측정하여 미세먼지 입자의 크기 및 입자량을 정밀측정하기 위해 개발한 것으로, 개별 입자의 시계열 평균값이 아닌 동일입자의 다각도 측정 평균값을 적용하여 측정 정밀도를 개선한 알고리즘을 개발하고 입자의 중첩 측정오차와 공기 중 수분입자 간섭 측정오차를 최소화하여 기존의 광산란 방식의 미세먼지센서의 가장 큰 취약점인 초음파가습기의 영향을 최소화하는 것을 목표로 한 미세먼지 센서이다.

Description

유체렌즈를 이용한 미세먼지센서 {Particle sensor using liquid lens}

본 발명은 연속 광각조절 다중산란도 측정방식 기술로서 유체렌즈를 이용하여 정밀한 레이저광을 연속적으로 다중 조사하고 포토디텍터에서 최소 3개소 이상의 각도에 따른 광량을 검출하여 입자의 중첩에 따른 크기 오차와 입자의 카운터 오차를 최소화한 기술이다. 또한, 광산란 방식의 가장 큰 취약점인 초음파 가습기에 의한 미세먼지 측정 센서기능 마비를 최소화 하기 위하여 마이크로 히터를 사용하여 유로상에 포함된 공기 중 수분을 증발시켜서 물 입자의 영향을 받지 않고 측정이 가능하도록 한 미세먼지 및 초미세먼지 측정기술 및 방법에 관한 것이다.

광을 이용한 입자측정기술은 광의 회절, 반사, 굴절, 산란 등의 성질을 활용하여 입자의 크기와 입자의 수를 분석하여 측정하고 있는데, 기존의 미세먼지 측정기술은 크게 두 가지로서 적외선 LED 광산란 방식과 레이저 광산란 방식의 기술이 적용되어왔다. 적외선 LED 방식은 광의 집중도가 분산되어서 측정오차가 심하여서 기구적 특성과 광학렌즈 및 분석 알고리즘이 아무리 성능이 좋아도 정밀도 향상에 한계가 있었다. 이러한 사유로 최근에는 광원의 선형도가 좋은 레이저광원을 사용하여 입자측정을 하고 있다. 그러나 레이저 광원도 입자의 중첩 등으로 인한 정밀 측정에는 한계가 있을 수밖에 없다. 레이저광을 이용한 광산란 방식의 미세먼지 및 초미세먼지 농도를 정밀하게 측정하는 기술은 기존 일본 수입산 먼지 센서보다 측정오차를 향상시키고 특히, 광산란 방식의 미세먼지센서의 가장 큰 취약점인 초음파 가습기의 영향을 최소화하고자 한다.

최근 미세먼지의 사회적 위험성은 매우 심각하여 공기청정기 시장은 폭발적으로 증가하고 있다. 대부분의 공기청정기는 공기청정기가 가동되어서 공기질이 좋아지는 단계를 LED 색상 등으로 표시하고 있다. 그러나, 공기청정기 사용자의 욕구는 정말 공기가 깨끗해졌는지 궁금해하는 니즈가 폭발적으로 요구되어서 일부 고가의 공기청정기 위주로 미세먼지 농도를 직접적으로 디지털 값으로 표시하는 제품들이 주류를 이루게 있게 되었다. 그러나 이러한 제품은 성능에 따른 미세먼지 센서의 측정정밀도 저하로 인한 신뢰도 하락과 겨울철 가습기와 공기청정기를 같이 가동시켰을 때, 공기청정기의 오작동으로 인한 불편함을 호소하고 있다.

미세먼지가 특히 심한 겨울철에 공기 중의 습도가 매우 낮아져서 대부분의 가정 및 사무실에서 가습기를 많이 사용하고 있다. 시중의 가습기는 대부분이 초음파 가습기로서 이 기기를 작동시킴으로써 만들어진 공기 중의 수분의 크기는 1~5

의 크기로 미세먼지 크기와 비슷하여서 미세먼지 센서의 측정에 오차를 대폭적으로 키우는 상태가 발생하게 되어서 공기청정기는 공기질이 깨끗함에도 불구하고 계속 “강”모드로 동작시키는 오동작 아닌 오동작을 하는 상태가 되었다. 이러한 이유로 미세먼지 측정의 상대공차를 최소화 시키고 초음파 가습기의 영향을 받지 않는 미세먼지 센서의 개발을 통하여 기존 일본 수입산 미세먼지센서보다도 한층 더 측정오차를 향상시키고 특히, 광산란 방식의 미세먼지센서의 가장 큰 취약점인 초음파 가습기의 영향을 최소화하여 중첩입자를 식별하고 다중각 산란 디텍터 및 디지털 처리 기술로 인한 입자 카운팅 정밀도 향상을 목적으로 한다.

미세먼지 입자를 측정하는 레이저 광 산란방식의 최대취약점인 안개, 분무 및 초음파 가습기 등의 물입자의 측정간섭으로 인한 오류와 레이저 광 투시시 입자의 중첩 식별력 저하로 인한 입자의 크기 밑 입자 카운팅 오류를 최소화 하여 레이저 광산란 방식 미세먼지 센서의 측정 성능을 기상청향 수준으로 고도화하는 것을 목표로 하며, 이를 위해 레이저 광원을 이용한 광산란 방식의 미세먼지 측정 기술, 원포인트 레이저로 다중각 연속조절을 위한 유체렌즈 제어기술, 다중각 산란 디텍터 기술, pA단위의 미소전류 증폭 및 측정 기술, 입자크기 및 입자 카운터를 위한 빅데이터 분석기술, 중첩 입자 식별 알고리즘 개발 적용, 입자 카운팅 정밀도 향상을 위한 유로 설계 기술, 초음파 가습기의 영향을 최소화하기 위한 마이크로 히팅 증발 기술을 적용한다.

종래의 미세먼지센서가 입자별 크기를 정확하게 식별하지 못하였고, 또한 초음파가습기의 물입자를 미세먼지입자로 오인하여 센서가 반응하여서 미세먼지의 측정값의 공차가 매우 클수밖에 없는 구조였었다.

본발명은 유체렌즈를 사용하여서 단일 레이저광원을 다중각으로 조사하여서 미세먼지 입자별 크기의 식별력을 대폭 향상하였으며, 공기 인입구에 초음파 가습기로 인한 물입자를 증발시키는 마이크로 히터를 구성하여서 물입자를 증발시킴으로 인하여 물입자 측정오차를 최소화하여서 미세먼지센서의 측정성능을 크게 향상시키는 효과를 기대 할수 있다.

도 1은, 다중산란 검출을 이용한 물방울 입자확인 개념도
도 2는, 유체렌즈를 사용한 다중각 입자측정개념도
도 3은, 하나의 레이저광원으로 3점 이상 다중 각도에서 레이저 광 투사 단면도
도 4는, 유체렌즈를 이용한 미세먼지센서 구성도

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도 1을 참조하여, 안개, 분무 및 초음파 가습기 등의 물입자의 측정간섭을 나타내는 1~5

크기의 먼지입자(101), 그리고 여러 각도에서의 1~5

크기의 먼지입자(101a, 101b, 101c)를 나타내며, 레이저 광산란 방식의 최대 최약점인 레이저 광 투시시 입자의 중첩 식별력 저하를 나타낸다. 초음파가습기가 대기로 뿜어대는 비말의 입자의 크기는 1~5

으로, 물속에 발생하는 세균의 입자 0.01~1.5

보다 크기 때문에 대기중으로 세균이 물방울과 함께 나오는 것이다. 때문에 초음파식 가습기는 비교적 큰 입자의 액체상태의 물방울을 분사하므로 시중의 공기청정기, 미세먼지센서는 이를 미세먼지로 반응하게 된다. 이는 도1에서와 같이 101a, 101b, 101c처럼 보는 각도에 따라 두 개, 또는 세 개의 입자로 중첩되어 인식될 수 있다. 이러한 중첩입자 식별을 위한 3점 이상 연속 광각조절 다중산란도 측정방식을 도입한다.

도 2에서, 유체렌즈를 사용한 다중각 입자측정개념도를 나타내는데, 입자 카운팅 정밀도 향상을 위해 유체렌즈의 다중각 연속조절을 위한 유체렌즈 제어기술과 회절, 반사, 굴절, 산란 등 빛의 광학적 특성을 이용하여 중첩입자 식별 및 입자 식별 알고리즘을 적용한다. 유체렌즈에서 렌즈의 곡률변화를 이용하여 자동초점 및 줌의 기능을 수행하는 등 전기습윤(electrowetting) 현상을 이용하여 다중각 연속조절을 위해 제어한다. (전기습윤현상:절연체로 코팅된 전극위에 전도성 유체와 비전도성 유체가 맞닿아 있을 때 외부에서 전극과 전도성 유체에 전압을 인가하여 전도성 유체의 표면장력을 제어함으로써 전도성 유체의 접촉각와 두 유체의 계면의 형상을 변화시키는 것을 의미함)

도 3을 참조하여, 유체렌즈를 사용하여 하나의 레이저로 여러 개의 레이저를 사용하는 효과가 있으며 하나의 레이저 광원으로 3점 이상 다중 각도에서 레이저 광을 투사한다. 회절광 및 반사광을 입체적으로 측정하여 입자의 크기 및 입자량을 정밀 분석 가능하다.

도시된 바와 같이 도 4를 참조하면, 유체렌즈를 이용한 미세먼지 측정을 위한 센서의 전체 구성도를 보여준다. 레이저광(501)을 연속적으로 다중조사하면 유체렌즈(502)를 통과하여 반사된 광을 통해 프로디텍터(503)에서 최소 3개소 이상의 각도에 따른 광량을 검출한다. 겨울철, 공기중의 습도를 높이기 위해 가습기를 많이 사용하는데, 그 중 가장 보편화된 초음파가습기에서 만들어진 공기 중의 수분의 크기는 1~5

로 미세먼지 크기와 비슷하여 미세먼지센서의 측정에 오차를 발생시키는데 초음파가습기와 실제미세먼지를 구별해내기 위해 프로디텍터(503)옆에 아주 작은 크기의 마이크로히터(heater)(504)를 작동시켜 물 입자를 증발시켜 수분을 날려 먼지 입자의 중첩측정오류를 개선하여 미세먼지만 남아 측정이 가능하도록 설계하였다. 이를 위해 마이크로 히팅 증발기술 및 pA단위의 미소전류 증폭 및 측정 기술, 입자 크기 및 입자 카운터를 위한 빅데이터 분석 기술을 적용하여 초음파가습기 등의 물입자의 측정간섭으로 인한 오류와 레이저 광 투시시 입자의 중첩 식별력 저하로 인한 입자의 크기 및 입자 카운팅 오류를 최소화하여 레이저 광산란 방식 미세먼지 센서의 측정 성능을 향상 시키는 것을 목표로 한다.

101: 1~5

먼지입자
101a,101b,101c: 다양한 각도에서의 1~5

먼지입자
102: 1~5

물 입자
102f: 다른 각도에서의 1~5

물 입자
501:레이저 광
502:유체렌즈(Liquid Lens)
503:프로디텍터;detector(검출기)
504:마이크로히터(heater)

Claims (3)

1. 미세먼지 입자에 광원을 조사하기 위한 레이저 구동부(501),
   미세먼지 입자로의 레이저 조사각을 다중으로 처리하기 위한 유체렌즈부(502),
   미세먼지 입자에서 산란되는 산란광을 감지하기 위한 센서부(503),
   초음파가습기의 가습입자를 완전 증발시키기 위한 히터부(504),
   상기 각부를 제어하기 위한 마이크로프로세서로 구성이 되어서
   미세먼지의 중첩입자를 식별하여 측정성능을 고도화시키기 위한 것으로, 다중각 연속조절을 위한 유체렌즈의 제어기술을 이용하여 중첩입자 분석 성능을 고도화한 고성능 광산란 방식 미세먼지 측정 기술을 가지는 유체렌즈를 이용한 미세먼지센서.
   
2. 제 1항에 있어서, 미세먼지의 중첩입자를 유발하는 초음파가습기에서 방출된 비말 입자를 미세먼지로 인식하는 오류를 범하는 것을 최소화하기 위하여 초음파가습기의 물 입자를 초소형의 마이크로 히팅 증발기술을 이용한 세라믹히터로 증발시켜 순수한 미세먼지 입자만 남게 하여 미세먼지의 측정에 있어 정밀성을 높 유체렌즈를 이용한 미세먼지센서.
   
3. 제 1항에 있어서, 다중각의 레이저는 일정한 온도로 유지되어야 정확한 측정값을 얻을 수 있으므로 주위온도 변화나 전압변동에 의해서도 레이저광 출력을 일정하게 하기 위하여 광출력 피드백제어를 통해서 PD(photo diode)의 광이 기준치 이하이면, LD(laser diode)의 출력점에는 레벨을 높여 기준치로 끌어올리고, PD(photo diode)의 광이 기준치 이상이면, LD(laser diode)의 출력점에는 레벨을 낮춰 광을 기준치로 맞춰 미세먼지 측정에 있어 일정한 광을 조사하게 하는 유체렌즈를 이용한 미세먼지센서.

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