KR20230013872A - 나노파티클 검출장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 나노파티클 검출장치은, 정원경의 일부와 타원경의 일부가 상호 결합되는 이종챔버를 지지하는 챔버 케이싱; 상기 챔버 케이싱에 결합되며, 공기 중 에어를 상기 타원경의 제1 초점으로 투입하는 에어입출부; 상기 챔버 케이싱의 일측에 연결되어 상기 이종챔버에 입력광원을 송출하는 광원부; 및 상기 챔버 케이싱의 상부에 결합되며, 상기 이종챔버로부터 스캐터링되는 산란광을 검출하도록 상기 이종챔버의 제2 초점에 배치되는 수광소자를 포함하는 수광부; 및 상기 이종챔버를 사이에 두고 상기 광원부의 반대편에 마련되되 상기 챔버 케이싱 내부에 배치되며, 복수개의 덤프소자를 포함하는 회수 덤프부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 나노파티클 검출장치은, 나노파티클을 정밀하게 측정하여 실시간으로 오염 수치를 모니터링할 수 있으며 특히 회수 덤프부를 복수의 덤프소자로 개별화하고 챔버케이싱 내부에 수용시킬 수 있는 등 소형화가 가능하여 공기청정기 등에 모듈 타입으로 매설이 가능하고 자동차 등의 협소 공간에 사용하기 용이하며 검출 수율이 향상될 수 있다.

Description

나노파티클 검출장치{APPARATUS FOR DETECTING NANO PARTICLE}
본 발명은 나노파티클 검출장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 회수 덤프부를 챔버 내부로 내재시켜 장치 컴팩트가 가능할 수 있는 나노파티클 검출장치에 관한 것이다.
산업이 발달함에 따라 환경이 오염되며, 차량, 산업시설 등 여러가지 오염 유발인자로부터 배출되는 수많은 입자상 물질(PM, Particulate Matter) 예컨대, 미세먼지가 인간의 건강을 위협하고 있고, 그 심각성은 갈수록 더해가고 있는 것이 현실이다
특히, 미세먼지는 눈에 보이지 않을 만큼 미세한 입자의 먼지로, 지름 10㎛ 이하의 먼지를 말하며, 크기에 따라 PM10의 미세먼지, PM2.5의 초미세먼지, PM1.0의 극초미세먼지으로 구분한다.
이중 PM2.5는 지름 2.5㎛ 이하, PM1.0은 지름 1.0㎛ 이하의 먼지를 포함하는 초미세먼지, 극초미세먼지(이하, 나노파티클이라 함)의 경우 폐포와 혈관 등의 인체 침투율이 막대하고 극심하여 문제가 되고 있다.
이에, 실내 또는 실외의 공기질 중 나노파티클을 정밀하게 측정하여 실시간으로 오염 수치를 모니터링할 수 있는 장치 개발이 시급한 실정이다.
최근, 여러가지 공기질 모니터링 장치가 개발되고 있으나 이들 장치의 경우 장치 사이즈가 비대할 경우 공기청정기 등에 모듈 타입으로 매설이 어렵고 자동차 등의 협소 공간에 사용하기 난해하며 검출 수율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 나노파티클을 정밀하게 측정하여 실시간으로 오염 수치를 모니터링할 수 있으며 특히 회수 덤프부를 복수의 덤프소자로 개별화하고 챔버케이싱 내부에 수용시킬 수 있는 등 소형화가 가능하여 공기청정기 등에 모듈 타입으로 매설이 가능하고 자동차 등의 협소 공간에 사용하기 용이하며 검출 수율이 향상될 수 있는 나노파티클 검출장치을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 나노파티클 검출장치는, 정원경의 일부와 타원경의 일부가 상호 결합되는 이종챔버를 지지하는 챔버 케이싱; 상기 챔버 케이싱에 결합되며, 공기 중 에어를 상기 타원경의 제1 초점으로 투입하는 에어입출부; 상기 챔버 케이싱의 일측에 연결되어 상기 이종챔버에 입력광원을 송출하는 광원부; 및 상기 챔버 케이싱의 상부에 결합되며, 상기 이종챔버로부터 스캐터링되는 산란광을 검출하도록 상기 이종챔버의 제2 초점에 배치되는 수광소자를 포함하는 수광부; 및 상기 이종챔버를 사이에 두고 상기 광원부의 반대편에 마련되되 상기 챔버 케이싱 내부에 배치되며, 복수개의 덤프소자를 포함하는 회수 덤프부를 포함할 수 있다.
상기 회수 덤프부는, 상기 챔버 케이싱 내벽에 마련되는 중심 덤프소자; 및 상기 중심 덤프소자의 외곽 둘레를 따라 배치되되 미리 설정된 반경 거리마다 규칙적으로 배치되는 외곽 덤프소자를 포함할 수 있다.
상기 중심 덤프소자는 세로 단면 형상이 정삼각형이며, 상기 외곽 덤프소자는 세로 단면 형상이 직사각형일 수 있다.
상기 중심 덤프소자는 원뿔형 형상이며, 상기 외곽 덤프소자는 톱날형 형상일 수 있다.
상기 광원부는, 광소자; 상기 광소자에 인접 배치되는 제1 송광렌즈; 광원의 광이용율을 높이기 위하여, 상기 제1 송광렌즈에 대해 상대적으로 낮은 NA 로 마련되는 제2 송광렌즈; 및 상기 제1 송광렌즈 및 제2 송광렌즈 사이에 개재되는 송광필터를 포함할 수 있다.
상기 이종챔버를 사이에 두고 상기 광원부의 반대편에 마련되는 회수 덤프부를 더 포함할 수 있다.
상기 정원경의 중심은 상기 타원경의 제1 초점일 수 있다.
상기 광원부의 입력광원은 UV 광원이며, 상기 입력광원의 파장 대역은 275 nm ~ 850 nm 인 단파장일 수 있다.
상기 광원부는 Laser Diode 나 LED 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의한 나노파티클 검출장치은, 나노파티클을 정밀하게 측정하여 실시간으로 오염 수치를 모니터링할 수 있으며 특히 회수 덤프부를 복수의 덤프소자로 개별화하고 챔버케이싱 내부에 수용시킬 수 있는 등 소형화가 가능하여 공기청정기 등에 모듈 타입으로 매설이 가능하고 자동차 등의 협소 공간에 사용하기 용이하며 검출 수율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 검출장치의 개념도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 검출장치의 이종챔버의 정원경 및 타원경을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 검출장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 검출장치에서 회수 덤프부를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 나노파티클 검출장치의 일 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 검출장치의 개념도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 검출장치의 이종챔버의 정원경 및 타원경을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 검출장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클 검출장치에서 회수 덤프부를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 나노파티클 검출장치는 도 1 내지 도 4을 참조하면, 정원경(7)의 일부와 타원경(6)의 일부가 상호 결합되는 이종챔버(210)를 지지하는 챔버 케이싱(200); 상기 챔버 케이싱(200)에 결합되며, 공기 중 에어를 상기 타원경(6)의 제1 초점(12)으로 투입하는 에어입출부(150); 상기 챔버 케이싱(200)의 일측에 연결되어 상기 이종챔버(210)에 입력광원을 송출하는 광원부(100); 및 상기 챔버 케이싱(200)의 상부에 결합되며, 상기 이종챔버(210)로부터 스캐터링되는 산란광을 검출하도록 상기 이종챔버(210)의 제2 초점에 배치되는 수광소자(1)를 포함하는 수광부(300); 및 상기 이종챔버(210)를 사이에 두고 상기 광원부(100)의 반대편에 마련되되 상기 챔버 케이싱(200) 내부에 배치되며, 복수개의 덤프소자(13, 14)를 포함하는 회수 덤프부(400)를 포함할 수 있다.
또한, 나노파티클 검출장치는 도 3에 주로 도시된 바와 같이 수광부(300), 광원부(100) 및 에어입출부(150)를 총괄 제어하는 MCU 및 각종 부대장치를 포함할 수 있다.
이종챔버(210)는 주로 도 1에 도시된 바와 같이 챔버 케이싱(200) 내부에 마련될 수 있다.
상기 이종챔버(210)는 주로 도 2을 참조하면, 정원경(7)의 일부와 타원경(6)의 일부가 상호 결합되게 구성될 수 있다. 즉, 이종챔버(210)의 우측 부분은 2개의 초점(F1, F2)을 가지는 타원인 타원경(6)으로 마련될 수 있어, 광원부(100)로부터 입사된 입력광원이 실질적으로 타원경(6)의 제1초점(12, F1)으로 수렴될 수 있다.
그리고, 이종챔버(210)의 좌측 부분은 원 형상인 정원경(7)으로 마련되며, 타원경(6)과 정원경(7)이 상호 결합되게 구성될 수 있다. 여기서, 상기 정원경(7)의 중심은 상기 타원경(6)의 제1 초점(12)일 수 있다.
이에 따라, 에어 중 나노파티클은 광초점인 제1 초점(12)에 인입되고 마찬가지로 제1 초점(12)에 조사된 입력광원과 충돌되어 산란 및 굴절되며 산란, 굴절된 광원은 정원경(7)에 의해 다시 타원경(6)으로 집광되고 정원경(7)의 개구를 통해 상기 타원경(6)의 제2 초점(F2)을 향하여 사출될 수 있다.
상기 에어입출부(150, 도 3 참조)는, 상기 챔버 케이싱(200)에 결합되며, 공기 중 에어는 에어입출부(150)를 통해 챔버 케이싱(200)으로 인입될 수 있다.
챔버 케이싱(200)의 일측에는 광원부(100)가 연결될 수 있다. 상기 광원부(100)는 주로 도 2를 참조하면, 광소자(1); 상기 광소자(1)에 인접 배치되는 제1 송광렌즈(2); 광원의 광이용율을 높이기 위하여, 상기 제1 송광렌즈(2)에 대해 상대적으로 낮은 NA 로 마련되는 제2 송광렌즈(4); 및 상기 제1 송광렌즈(2) 및 제2 송광렌즈(4) 사이에 개재되는 송광필터(3)를 포함할 수 있다.
광소자(1)는 상기 이종챔버(210)에 입력광원을 송출할 수 있다. 이러한 상기 광원부(100)의 광소자(1)는 파장 대역은 275 nm ~ 850 nm 인 단파장일 수 있다.
이러한 광소자(1)는 Laser Diode 나 LED 중 어느 하나일 수 있다.
광소자(1)에 인접하게는 제1 송광렌즈(2)가 마련될 수 있다. 상기 제1 송광렌즈(2)는 광소자(1)에서 조사되는 광원을 집광하는 역할을 한다.
본 실시예에서의 제1 송광렌즈(2)의 개구수(NA, numerical aperture)는 0.5 ~ 0.8로 마련될 수 있다.
그리고 제1 송광렌즈(2)에 연이어 제2 송광렌즈(4)가 마련될 수 있다. 제2 송광렌즈(4)는, 제1 송광렌즈(2)를 거친 광원이 이종챔버(210) 내의 제1 초점(12)으로 집광되는 역할을 한다. 본 실시예에서의 상기 제2 송광렌즈(4)는 광원의 광이용율을 높이기 위하여 제1 송광렌즈(2) 대비 상대적으로 낮은 개구수인 0.15 ~ 0.25일 수 있다.
즉, 제1 송광렌즈(2)는 장치 간소화 및 컴팩트화에 따라 짧은 초점거리 및 큰 입사광 각도를 가지도록 상대적으로 high NA(0.5 ~ 0.8)값을 가지며, 제2 송광렌즈(4)는 제2 초점과의 거리가 확보되어 있기 때문에 상대적으로 낮은 low NA(0.15 ~ 0.25)값을 가질 수 있다.
송광필터(3)는 상기 제1 송광렌즈(2) 및 제2 송광렌즈(4) 사이에 개재될 수 있다.
이러한 구성을 통해, 광소자(1)로부터의 입력광원이 이종챔버(210)의 제1 초점(F1)으로 집광될 수 있게 있다. 이로써, 광원부(100)의 소형화가 가능하여 공기청정기 등에 모듈 타입으로 매설이 가능하고 자동차 등의 협소 공간에 사용하기 용이하며 검출 수율이 향상될 수 있다.
수광부(300)는 나노파티클의 산란광을 수광하여 나노파티클의 입자 수를 검출하는 부분이다. 이를 위해 상기 수광부(300)는 이종챔버(210)에 연결되는 수광게이트(8), 수광어페추어(9), 상기 이종챔버(210)의 제2 초점에 배치되는 수광소자(1) 및 수광소자(1)에 결합되는 수광 pcb보드(11)를 포함할 수 있다.
여기서, 수광소자(1)는 이종챔버(210) 내 타원경(6)의 제2 초점의 위치에 배치될 수 있다. 이에 따라 별도의 집광렌즈나 집광 구성이 불필요하게 되어 장치가 간소화될 수 있다.
또한, 산란광이 추가적인 장치 구성을 거치지 않고 수광부(300)에 집광됨으로써 광손실이 최소화될 수 있으며 검출 수율이 향상될 수 있다.
이와 같이 수광부(300)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있어 설비 사이즈가 컴팩트해질 수 있으며 산란광이 직접적으로 집광되어 검출 정확도가 우수할 수 있다.
한편, 상기 나노파티클 검출장치는 상기 이종챔버(210)를 사이에 두고 상기 광원부(100)의 반대편에 마련되는 회수 덤프부(400)를 더 포함할 수 있다.
회수 덤프부(400)는 이종챔버(210)내로 입사된 주광선 중에 제1초점을 지나지 않고 난반사, 투과된 광원을 회수하는 부분이다.
즉, 회수 덤프부(400는 이종챔버(210)로 입사된 입력광원 중에 측정 샘플의 입자와 충돌하지 않은 광원을 정지시키는 역할을 수행함으로써, 이종챔버(210) 내에서 산란광 이외의 주변광이 제2 초점으로 유입되는 것을 최소화할 수 있다.
기존의 회수 덤프부(40)는 도 4의 (a)에 도시된 것처럼, 원뿔형 덤프부재(40)를 포함할 수 있으며, 덤프부재(40)는 꼭지점이 출사되는 광의 경로를 향하도록 배치될 수 있어, 원뿔형 부재(13)에 충돌한 광이 직반사되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 회수 덤프부(400) 내벽에는 스펀지 등과 같이 광을 흡수하는 부재가 배치될 수 있으며, 요철 구조로 구현될 수도 있다.
이러한 회수 덤프부는 챔버 케이싱(200)의 바깥으로 돌출되게 마련될 수 밖에 없었고, 이에 따라 장치 사이즈가 비대할 경우 공기청정기 등에 모듈 타입으로 매설이 어렵고 자동차 등의 협소 공간에 사용하기 난해한 문제점이 있었다.
이에 본 실시예에서의 회수 덤프부(400)는 도 1 및 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 챔버 케이싱(200) 내벽에 마련되는 중심 덤프소자(14); 및 상기 중심 덤프소자(14)의 외곽 둘레를 따라 배치되되 미리 설정된 반경 거리마다 규칙적으로 배치되는 외곽 덤프소자(13)를 포함할 수 있다.
상기 중심 덤프소자(14)는 세로 단면 형상이 정삼각형이며, 상기 외곽 덤프소자(13)는 세로 단면 형상이 직사각형일 수 있다.
그리고 상기 중심 덤프소자(14)는 원뿔형 형상이며, 상기 외곽 덤프소자(13)는 톱날형 형상일 수 있다. 한편 본 실시예에서의 외곽 덤프소자(13)는 중심 덤프소자(14)를 중심으로 하여 일정 반경의 원주 둘레를 따라 마련되되 2개층(2개의 원)을 형성하도록 배치될 수 있으며, 외곽 덤프소자(13)의 개수는 본 권리범위에 한정되지 아니한다.
이와 같은 구성으로, 회수 덤프부(400)를 복수의 덤프소자(13, 14)로 개별화하고 챔버케이싱(200) 내부에 수용시킬 수 있는 등 소형화가 가능하여 공기청정기 등에 모듈 타입으로 매설이 가능하고 자동차 등의 협소 공간에 사용하기 용이하며 검출 수율이 향상될 수 있다.
또한, 나노파티클을 정밀하게 측정하여 실시간으로 오염 수치를 모니터링할 수 있으며 특히 수광소자(1)를 타원경(6)의 제2 초점 위치에 배치시켜 수광부(300)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있어 설비 사이즈가 컴팩트해질 수 있으며 산란광이 직접적으로 집광되어 검출 정확도가 우수할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 나노파티클 검출 방법에 대해 도 1 내지 도 4을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 에어입출부(150)를 통해 에어가 이종챔버(210) 내로 투입된다. 이때, 에어 플로우는 제1 초점(12)을 지나가도록 마련될 수 있다.
다음, 광원부(100)를 통해 입력광원이 조사된다.
이종챔버(210)의 타원경(6) 및 정원경(7)을 통해 스캐터링된 산란광은 제2 초점으로 향하게 된다.
다음, 제2 초점에 배치되는 수광소자(1)가 산란광을 검출하여 나노파티클을 용이하게 검출할 수 있으며, 검출 분해능은 100nm급의 나노 입자를 검출할 수 있게 된다.
한편, 회수 덤프부(400)는 챔버 케이싱(200) 내벽에 마련되어 장치가 컴팩트해질 수 있다. 이러한 회수 덤프부(400)는 입사된 입력광원 중에 측정 샘플의 입자와 충돌하지 않은 광원을 정지시키는 역할을 수행하게 된다.
도 4에 도시된 것처럼, 기존 뿔형 덤프부재(40)가 1개의 중심 덤프소자(14)와 복수개의 외곽 덤프소자(13)로 대체되는 한편, 기존 회수 덤프부(40)의 기능을 충실히 수행됨이 확인될 수 있다.
이러한 단계를 거침으로써, 불필요한 광원을 수광부(300)로 보내지 않도록 제어될 수 있어 검출 수율이 향상될 수 있다.
또한, 나노파티클을 정밀하게 측정하여 실시간으로 오염 수치를 모니터링할 수 있으며 특히 수광소자(1)를 타원경(6)의 제2 초점 위치에 배치시켜 수광부(300)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있어 설비 사이즈가 컴팩트해질 수 있으며 산란광이 직접적으로 집광되어 검출 정확도가 우수할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100 : 광원부 1 : 광소자
2 : 제1 송광렌즈 3 : 송광필터
4 : 제2 송광렌즈
150 : 에어입출부 200 : 챔버 케이싱
6 : 타원경 7 : 정원경
12 : 광초점, 제1 초점
300 : 수광부 8 : 수광게이트
9 : 집광에퍼추어 10 : 수광소자
11 : 수광 pcb보드
400 : 회수 덤프부 13 : 외곽 덤프소자
14 : 중심 덤프소자

Claims (8)

  1. 정원경의 일부와 타원경의 일부가 상호 결합되는 이종챔버를 지지하는 챔버 케이싱;
    상기 챔버 케이싱에 결합되며, 공기 중 에어를 상기 타원경의 제1 초점으로 투입하는 에어입출부;
    상기 챔버 케이싱의 일측에 연결되어 상기 이종챔버에 입력광원을 송출하는 광원부;
    상기 챔버 케이싱의 상부에 결합되며, 상기 이종챔버로부터 스캐터링되는 산란광을 검출하도록 상기 이종챔버의 제2 초점에 배치되는 수광소자를 포함하는 수광부; 및
    상기 이종챔버를 사이에 두고 상기 광원부의 반대편에 마련되되 상기 챔버 케이싱 내부에 배치되며, 복수개의 덤프소자를 포함하는 회수 덤프부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노파티클 검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회수 덤프부는,
    상기 챔버 케이싱 내벽에 마련되는 중심 덤프소자; 및
    상기 중심 덤프소자의 외곽 둘레를 따라 배치되되 미리 설정된 반경 거리마다 규칙적으로 배치되는 외곽 덤프소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노파티클 검출장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중심 덤프소자는 세로 단면 형상이 정삼각형이며,
    상기 외곽 덤프소자는 세로 단면 형상이 직사각형인 것을 특징으로 하는 나노파티클 검출장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중심 덤프소자는 원뿔형 형상이며,
    상기 외곽 덤프소자는 톱날형 형상인 것을 특징으로 하는 나노파티클 검출장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광원부는,
    광소자;
    상기 광소자에 인접 배치되는 제1 송광렌즈;
    광원의 광이용율을 높이기 위하여, 상기 제1 송광렌즈에 대해 상대적으로 낮은 NA 로 마련되는 제2 송광렌즈; 및
    상기 제1 송광렌즈 및 제2 송광렌즈 사이에 개재되는 송광필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노파티클 검출장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정원경의 중심은 상기 타원경의 제1 초점인 것을 특징으로 하는 나노파티클 검출장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원부의 입력광원은 UV 광원이며,
    상기 입력광원의 파장 대역은 275 nm ~ 850 nm 인 단파장인 것을 특징으로 하는 나노파티클 검출장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 Laser Diode 나 LED 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노파티클 검출장치.

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