WO2020080904A1 - Mems 기반의 응축 입자 계수기 - Google Patents

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WO2020080904A1
WO2020080904A1 PCT/KR2019/013788 KR2019013788W WO2020080904A1 WO 2020080904 A1 WO2020080904 A1 WO 2020080904A1 KR 2019013788 W KR2019013788 W KR 2019013788W WO 2020080904 A1 WO2020080904 A1 WO 2020080904A1
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particle counter
mems
condensation particle
temperature
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PCT/KR2019/013788
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Inventor
김용준
유성재
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연세대학교 산학협력단
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    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated

Definitions

  • the present invention relates to a condensation particle counter (Condensation Paticle Counter), more specifically, by applying a MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems) technology to the condensation particle counter for counting nano-sized particles MEMS capable of miniaturization and manufacturing cost reduction Based condensation particle counter.
  • a MEMS Micro-Electro Mechanical Systems
  • the particle counter refers to a device that counts the number of microparticles contained in the fluid to be measured to calculate the microparticles contained in the fluid to be measured as mass per unit volume or number per unit volume.
  • the particle counter is used as a device to measure air pollution by counting fine particles in the air or a device that directly measures gas emitted from a pollutant such as a power plant, and is used in a clean room in a semiconductor production process.
  • the frequency of use has been increasing in recent years, such as being used to measure existing fine particles.
  • Such particle counters can be variously classified into particle counters using light scattering and absorption, particle counters using electric mobility, particle counters using inertia according to the mass of particles, etc. Even when the laser meets the microparticles, particle counters that use scattering properties are most commonly used.
  • the particle counter as described above using the scattering properties of the laser can measure up to about 300 nm in size particles according to the size of the measurable fine particles (Optical Particle Counter) and about 2.5 nm in size It is divided into a condensation particle counter that can measure particles, but in the case of a condensation particle counter, it has the advantage of condensing particles to increase the size, so that it can measure particles of a smaller size than optical particle counters, but prior literature As in the condensation particle counter described in U.S. Patent Publication (2017-0276589 A1), there is a problem that the application field is considerably limited due to the large size and high volume of the condensation particle counter.
  • condensation particle counters are difficult to apply to other fields besides those used in cleanrooms during semiconductor production due to their size and cost.
  • an improved condensation particle counter that can be used in various fields by miniaturization and low cost while being able to accurately measure the fine size.
  • the present invention applies MEMS technology and 3D printing technology to the condensation particle counter, and integrates saturation, condensation, and driving circuits, which are the core components of the condensation particle counter, into a single chip to achieve miniaturization and low cost.
  • the present invention is an MEMS-based condensation particle counter integrated in one chip according to an embodiment, an air inlet through which external air containing fine particles is introduced; A fluid reservoir in which the working fluid is stored; A saturation unit in which a fine heater is patterned to generate saturated vapor by evaporating the working fluid supplied from the fluid storage unit; A condensation unit for cooling the saturated vapor generated in the saturation unit to grow fine particles contained in external air; It provides a MEMS-based condensation particle counter comprising; and a measurement unit for counting the fine particles introduced from the condensation unit through the air outlet.
  • MEMS-based condensation particle counter may further include a conditioner for maintaining the temperature or humidity of the external air flowing through the air inlet.
  • the measuring unit is a laser for irradiating light; A condensing lens that condenses light irradiated from the laser; And a photo sensor for recognizing light transmitted through the condensing lens.
  • the fluid storage portion and the saturation portion is characterized in that it further comprises a plurality of micro-sized filler portion.
  • MEMS-based condensation particle counter according to an embodiment of the present invention is characterized in that the working fluid stored in the fluid reservoir through the plurality of fillers flows into the saturation.
  • the condensing unit is characterized in that it includes at least one Peltier element.
  • the working fluid stored in the fluid storage unit is characterized in that the butanol.
  • MEMS-based condensation particle counter is located at the lower end of the fluid storage unit, the working fluid tank is stored working fluid; And a working fluid supply unit positioned between the fluid storage unit and the upper working fluid tank and made of cotton or sponge to supply working fluid in the working fluid tank to the fluid storage unit.
  • It may further include a leveling sensor for sensing the height of the working fluid stored in the fluid storage,
  • a plurality of temperature sensors for measuring the temperature of the outside air; And a control unit for adjusting the temperature of the micro heater or the condensing unit based on the temperature measured by the temperature sensor.
  • the plurality of temperature sensors may include a first temperature sensor that measures the temperature of external air that has passed through the conditioner; A second temperature sensor for measuring the temperature of the outside air passing through the saturation unit; And a third temperature sensor that measures the temperature of the external air introduced into the condensation unit.
  • control unit is characterized by maintaining the saturation ratio (Saturation Ratio) between the outside air in the saturation unit and the outside air in the condensation unit by controlling the temperature of the fine heater or condensing unit within 1.93 to 3.59.
  • the size of the condensation particle counter can be integrated because a saturation unit, a condensation unit, a driving circuit, and the like, which are core components of the condensation particle counter, can be integrated in one chip. It can be miniaturized.
  • the present invention can significantly reduce the manufacturing cost through the MEMS-based condensation particle counter as described above, and consequently, the field in which the condensation particle counter can be applied can be broadened.
  • 1 is a view showing a fine particle counting process of a conventional condensation particle counter.
  • FIG. 2 is a perspective view of a MEMS-based condensation particle counter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a front view and an enlarged view of a MEMS-based condensation particle counter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a process in which external air containing fine particles flows inside the MEMS-based condensation particle counter of the present invention.
  • 5 is a view showing the temperature of the outside air in the saturation section and the condensation section measured by the second temperature sensor and the third temperature sensor.
  • FIG. 6 is a graph showing a change in the size of particles that can be measured according to a change in the temperature of the outside air passing through the saturation portion while the temperature inside the condensation portion is fixed.
  • FIG. 7 is a graph showing the size distribution of fine particles measured by a MEMS-based condensation particle counter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing a change in precision of measurement according to a fine particle size of a MEMS-based condensation particle counter according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a view showing a fine particle counting process of a conventional condensation particle counter.
  • Condensation Particle Counter is a device proposed to complement the Optical Particle Counter that can measure only fine particles of 300nm or more, and more specifically, as shown in Fig. 1 (a)
  • a working fluid such as butanol is heated to form saturated steam
  • the condenser the fine particles contained in the air are used as condensation nuclei, thereby cooling the saturated steam and air formed in the saturator to form nano ( Nano) size of the fine particles are grown to a micro size, and the fine particles grown to the micro size in the condenser are introduced into an optical particle counter (OPC) as shown in FIG. 1 (b) to count the fine particles through a laser.
  • OPC optical particle counter
  • the condensation particle counter has an advantage that by growing the nano-sized fine particle to a micro size, it can measure up to 2.5 nm-sized fine particle unlike the optical particle counter, but the conventional condensation particle counter has the size of the condenser and the saturator. Due to the large size, it is necessary to secure a lot of space in order to install the condensation particle counter. As a result, there is a problem in that the cost of the product is expensive and maintenance is difficult due to the increase in manufacturing cost. .
  • the present invention provides an MEMS-based condensation particle counter capable of miniaturization and manufacturing cost reduction by integrating essential components of a condensation particle counter on one chip in one embodiment, thereby limiting the limitations of the conventional condensation particle counter. I want to overcome.
  • FIG 2 is a perspective view of a MEMS-based condensation particle counter according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a front view and an enlarged view of a MEMS-based condensation particle counter according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 It is a diagram showing a process in which external air containing fine particles flows inside the MEMS-based condensation particle counter of the present invention.
  • the air inlet 11 through which external air containing fine particles flows in is operated.
  • the micro heater 20 is patterned on the fluid storage unit 400 and the chip 10 in which the fluid is stored to evaporate the working fluid supplied from the fluid storage unit 400 to generate saturated vapor.
  • the condensation unit 300 through the saturation unit 200, the condensation unit 300 for cooling the saturated vapor generated in the saturation unit 200 to grow fine particles contained in external air, and the air outlet unit 12 It provides a MEMS-based condensation particle counter including a measuring unit 600 for counting the grown fine particles introduced from).
  • the MEMS-based condensation particle counter of the present invention integrates the saturation unit 200, the condensation unit 300, and the fluid storage unit 400 corresponding to essential components of the condensation particle counter on the chip 10,
  • the condensation particle counter has a difference from a conventional condensation particle counter in that it can be miniaturized, and the components of the condensation particle counter of the present invention will be described in detail below.
  • the chip 10 in which essential components of the condensation particle counter are integrated is formed of glass and serves as a kind of substrate (Substarte), as shown in FIGS. 2 to 3 on the chip 10 Likewise, the air inlet 11 and the air outlet 12 are formed so that external air may be introduced into the chip 10 or air inside the chip 10 may be discharged outside the chip 10 ( More specifically, it flows out in the direction of the measuring unit 600.).
  • the MEMS-based condensation particle counter of the present invention may further include a conditioner 100 in which a fine heater 20 is patterned and formed near the air inlet 11 of the chip 10.
  • the conditioner 100 may control the temperature of the fine heater 20 to maintain a constant temperature or humidity of external air flowing into the chip 10 through the air inlet 11, and the conditioner ( 100) the outside air is maintained temperature or humidity flows to the saturation unit 200 as shown in FIG.
  • the saturation part 200 refers to a region where the fine heater 20 is patterned on the chip 10 like the conditioner 100, and the saturation part 200 drives the fine heater 20 to It acts to evaporate the working fluid to produce saturated vapor.
  • the MEMS-based condensation particle counter of the present invention includes the fluid storage unit 400 and the saturation unit (The working fluid stored in the fluid storage unit 400 may be introduced into the saturation unit 200 without additional work through the filler unit 30 formed in the 200).
  • a plurality of micro-sized filler portions 30 are formed in the fluid storage unit 400 and the saturation unit 200, as shown in FIG. 3, and the plurality of filler units 30 are densely formed. According to this, a narrow space is formed between the filler parts 30, and the working fluid inside the fluid storage part 400 flows into the saturation part 200 by a capillary tube phenomenon, and the saturation part 200 ), As described above, the working fluid introduced by the capillary action may be heated with the fine heater 20 to generate saturated steam.
  • the filler portion 30 is formed on the conditioner 100 located between the air inlet portion 11 and the fluid storage portion 400, cold external air and saturation portion introduced from the air inlet portion 11 As the saturated steam heated at (200) meets, nano-sized fine particles are grown to a micro size in the conditioner (100), not the condensation part (300), which will be described later. , It is preferable that the filler portion 30 is not formed on the conditioner 100.
  • the working fluid stored in the fluid storage unit 400 is preferably butanol, but is not limited thereto, and it is irrelevant to use other fluids as working fluids.
  • the MEMS-based condensation particle counter of the present invention As shown in FIG.
  • the level of the working fluid stored in the fluid storage unit 400 including the leveling sensor 510 can be sensed, and the leveling sensor 510 measures that the height of the working fluid is equal to or less than a preset height, the fluid storage unit The working fluid must be filled inside.
  • a working fluid tank that forms a hole at the rear of the fluid storage unit 400 is located at the rear surface of the fluid storage unit 400, and stores a large amount of working fluid, and a working fluid tank that is in phase with the fluid storage unit 400. It is located between, and made of cotton or sponge, further comprising a working fluid supply for supplying a working fluid in the working fluid tank into the fluid storage unit 400 through a hole formed in the back of the fluid storage unit 400, the fluid The working fluid may be automatically filled in the storage unit 400.
  • the above example is only an embodiment of the present invention, and any other method may be used as long as the working fluid is filled in the fluid storage 400.
  • saturated steam heated in the saturation unit 200 and external air are introduced into the condensation unit 300 as shown in FIG. 4, wherein the condensation unit 300 is composed of at least one Peltier effect device.
  • the condensation unit 300 is composed of at least one Peltier effect device.
  • the condensation unit 300 may cool the external air and the saturated steam heated in the saturation unit 200 through the driving of the Peltier element, and the saturation introduced from the saturation unit 200 by cooling as described above The vapor becomes supersaturated vapor.
  • the working fluid vapor in the supersaturated vapor state is attached to the microparticles with the microparticles as the particle nuclei, whereby the nano-sized microparticles grow into micro-sized microparticles as shown in FIG. 4.
  • the fine particles grown to a micro size in the condensing unit 300 flow into the measuring unit 600 connected to the chip 10 through the air outlet unit 12, and the measuring unit 600 Is a laser 610 for irradiating light, such as an optical particle counter, a condensing lens 620 for condensing light irradiated from the laser 610, and a photo sensor 630 for recognizing light transmitted through the condensing lens 620 ),
  • a laser 610 for irradiating light such as an optical particle counter
  • a condensing lens 620 for condensing light irradiated from the laser 610
  • a photo sensor 630 for recognizing light transmitted through the condensing lens 620
  • a plurality of filler portions 30 are formed on the condensation portion 300 as well as the saturation portion 200 and the fluid storage portion 400, so that the air outlet portion 12 is cooled through a capillary phenomenon. It can be prevented from being blocked by air or working fluid vapors.
  • the MEMS-based condensation particle counter includes a plurality of temperature sensors 500 for measuring the temperature of the outside air and the saturation unit 200 based on the temperatures measured by the temperature sensors 500 ) May further include a control unit (not shown) that adjusts the temperature of the micro heater 20 or the condensation unit 300, which will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 5 to 6.
  • Figure 5 is a view showing the temperature of the outside air in the saturation section and the condensation section measured by the second temperature sensor and the third temperature sensor
  • Figure 6 is the inside of the saturation section while the temperature inside the condensation section is fixed
  • It is a graph showing the change in the size of particles that can be measured according to the change in the temperature of the outside air passing through.
  • the ratio of the temperature Ts of the external air inside the saturation unit 200 and the temperature Tc of the external air inside the condensation unit 300 is called a saturation ratio, and the saturation ratio is expressed by Equation 1 below. Mean value.
  • the inlet velocity of the external air was set to 0.1 L / min, and as a result of performing the particle counting test through the condensation particle counter of the present invention, i) as shown in the graph of FIG. 6, when the saturation ratio is 1.93 or less, the condensation unit ( At 300), it was confirmed that the growth of the fine particles was not smooth, and thus it was confirmed that the fine particles of a small size cannot be measured, and ii) when the saturation ratio is 3.59 or more, the working fluids are combined, and the measurement unit 600 in addition to the fine particles. Since it was measured up to the working fluid, the problem that the precision of particle counting was poor was confirmed, and as a result, it was found that it is desirable to maintain the saturation ratio at 1.93 or more and 3.59 or less in order to increase the precision of particle counting.
  • the condensation particle counter of the present invention is a first temperature sensor 501 for measuring the temperature of the outside air passing through the conditioner 100 and a second temperature for measuring the temperature of the outside air passing through the saturation unit 200.
  • the control unit based on the temperature of the outside air in the saturation unit 200 and the outside air in the condensation unit 300 measured by the second temperature sensor 502 and the third temperature sensor 503, of the saturation unit 200 By controlling the cooling temperature of the Peltier element of the micro heater 20 or the condensing unit 300, the saturation ratio between the external air in the saturation unit 200 and the external air in the condensation unit 300 is 1.93 or more 3.59 By controlling to be maintained below, the precision of particle counting can be increased.
  • FIG. 7 is a graph showing the size distribution of fine particles measured by a MEMS-based condensation particle counter according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a fine view of a MEMS-based condensation particle counter according to an embodiment of the present invention It is a graph showing the change in precision of measurement according to particle size.
  • the condensation particle counter of the present invention has a counting performance almost similar to that of a conventional condensation particle counter even though it is integrated and compact on one chip. You can confirm that.
  • the present invention can not only downsize the condensation particle counter by integrating essential components of the condensation particle counter on one chip by applying MEMS technology and 3D printing technology to the condensation particle counter as described above. Since the manufacturing cost can be reduced, the area where the condensation particle counter can be applied can be greatly expanded.

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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
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.
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 수학식 1과 같은 값을 의미한다.
Figure PCTKR2019013788-appb-img-000001
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.

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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