WO2021132796A1 - 입자 계수기 - Google Patents

입자 계수기 Download PDF

Info

Publication number
WO2021132796A1
WO2021132796A1 PCT/KR2020/001429 KR2020001429W WO2021132796A1 WO 2021132796 A1 WO2021132796 A1 WO 2021132796A1 KR 2020001429 W KR2020001429 W KR 2020001429W WO 2021132796 A1 WO2021132796 A1 WO 2021132796A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
particle counter
condenser
conditioner
particle
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/001429
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김용준
유성재
권홍범
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020200010566A external-priority patent/KR102389396B1/ko
Priority claimed from KR1020200010573A external-priority patent/KR102350327B1/ko
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Publication of WO2021132796A1 publication Critical patent/WO2021132796A1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry

Definitions

  • the present technology relates to particle counters.
  • Particles having various sizes from a few nanometers to several tens of micrometers are floating in the atmosphere, and attention is being paid to their harmfulness.
  • Epidemiological studies have published studies that inhalation of these particles can cause lung inflammation, cardiovascular disease and even cancer. Because of their small size, these particles penetrate deeper into the human lung and move more easily to other organs. It has been reported to be relatively more harmful than large-sized particles.
  • a monitoring network is being built to accurately monitor nanoparticles in a variety of environments that are floating in the air and whose concentration is constantly changing.
  • a particle counter counts particles by detecting scattered light formed by irradiating light to an object to count particles.
  • the prior art portable nanoparticle sensor is based on the particle charging principle. Nanoparticles collide with ions to become electrically charged and sense the current generated at this time. However, these systems often have low sensitivity and accuracy because they carry less charge due to the small size of the charged nanoparticles, and the charge state is highly dependent on material properties including dielectric constant. Furthermore, there is a problem in that, for example, harmful oxidizing agents such as ozone are inevitably generated during ion generation.
  • Industrial fine particle counters with high precision use butanol or isopropyl alcohol as the working liquid, but these are harmful liquids that can cause damage to the lungs and/or cornea when inhaled or exposed to the human body as alcohol, and are highly flammable. Dangerous. Furthermore, industrial nanoparticle counters with high precision have problems in that they are heavy, have a large volume, and have a high cost.
  • a particle counter counts particles by detecting scattered light formed by irradiating light to an object to count particles.
  • a complex and expensive optical system such as a light source irradiating light, a precision lens forming a focus of the irradiated light, and a light receiving element detecting scattered light are included. Since the above-described optical system is expensive, the manufacturing cost of the particle counter increases.
  • One of the problems to be solved by this embodiment is to solve the above-described disadvantages of the prior art, and to form a particle counter having a lighter, smaller volume, and low manufacturing cost.
  • One of the problems to be solved by the particle counter according to this embodiment is to provide a particle counter that is light, has a small volume, and can be manufactured at low cost by solving the problems of the prior art.
  • the method for manufacturing a particle counter comprises the steps of forming an electrode on a first plate, forming an insulating layer on the plate on which the electrode is formed, forming pillars on the insulating layer, and at least a hydrophilic material on the pillars and forming a channel therein by forming a layer and forming a spacer on the first plate having the hydrophilic material layer formed on the pillar and coupling the second plate with the hydrophilic material layer formed on the pillar.
  • Particle counter is a reservoir (reservoir) in which the operating liquid is stored, a conditioner for conditioning the air containing the particles to have a desired temperature and relative humidity, and supersaturated vapor (supersaturated vapor) is formed, the particles
  • a condenser that passes through the supersaturated vapor to form droplets, and a plurality of hydrophilic wicks formed on the walls of the reservoir, the condenser and the conditioner to deliver the working liquid stored in the reservoir, and the droplets are counted includes a counter that
  • the particle counter includes a first electrode and a second electrode electrically spaced apart from each other, an AC power supply providing AC power to the first electrode and the second electrode, a channel through which the target particle flows, and a channel through which the target particle flows. and a detector for detecting a change in electrical properties between the first electrode and the second electrode that occurs as it flows along the ?, and the detector counts target particles from the change in the electrical properties.
  • the particle counter includes a channel through which the target particles flow, a coil formed along the channel to form a magnetic field in the channel, an AC power supply providing driving power to the coil, and electrical characteristics formed by the target particle by a magnetic field and a detector for detecting a change, the detector counting the target particle from the change in the electrical property.
  • the particle counter according to this embodiment is smaller and lighter than the conventional condensed particle counter, and since it uses water, it is harmless to the human body and has the advantages of being economical.
  • FIG. 1 is a view showing an outline of a condensed particle counter according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an outline of an electrode structure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an embodiment of an optical counter.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the particle counter.
  • Figure 5 (a) is a view showing the temperature distribution inside the conditioner and the condenser
  • Figure 5 (b) is a view showing the relative humidity distribution inside the conditioner
  • Figure 5 (c) is the relative humidity distribution inside the condenser It is the drawing shown.
  • FIG. 6 is a view showing the Kelvin diameter distribution inside the condenser.
  • 7 to 12 are process cross-sectional views schematically illustrating a process of forming a particle counter.
  • 13 and 14 are cross-sectional views schematically illustrating embodiments of an electric counter.
  • Figure 15 (a) is a view showing an embodiment of the electric particle counter according to another embodiment
  • Figure 15 (b) is a view showing the outline of the substrate on which the first electrode and the second electrode are formed.
  • 16 is a view for schematically explaining an embodiment of the electric particle counter according to the present embodiment.
  • 17(a) to 17(b) are diagrams for explaining an embodiment of a particle counter according to an embodiment.
  • 19 is a view showing a counting result of an embodiment in which particles are counted by detecting a change in capacitance.
  • 20 is a view showing a counting result of an embodiment in which particles are counted by detecting a change in inductance.
  • 21 is a diagram showing the relationship between the size of the introduced particles and the average diameter of the droplets formed in the condenser.
  • 22 is a diagram illustrating a relationship between the size of particles introduced into sodium chloride particles and silver particles and count probability.
  • FIG. 23 is a view taken of an embodiment of the particle counter according to the present embodiment.
  • the condensed particle counter 1 is a reservoir 100, a conditioner 200, a condenser 300 and a reservoir 100, a conditioner 200, and a plurality of hydrophilic wicks 400 and a counter 500 for counting droplets.
  • the particle counter 1 may further include a thermal barrier 600 and a control unit 700 .
  • the conditioner 200 and the condenser 300 are gas and/or particles (NP, see FIG. 4) including a droplet (see FIG. 4) through a channel (C, see FIG. 12) formed therein. ) may be moved, and the channel (C) may have a polygonal cross-section such as a quadrangle or a circular cross-section.
  • the particles NP may be nanoparticles having a diameter of several to several tens of nanometers.
  • the storage tank 100 stores the working liquid 110 .
  • the working liquid 110 may be water, and for example, may be any one of deionized water, distilled water, purified water, and tap water.
  • a level sensor 130 for detecting the level of the operating liquid 110 stored therein may be located in the storage tank 100 .
  • the water level sensor 130 is a capacitive water level in which the capacitance formed between the two electrodes 131 and 132 (see FIG. 2 ) according to the level of the working liquid 110 changes. is the sensor.
  • the water level sensor 130 is a resistance type water level sensor in which the electrical resistance formed between the electrodes changes according to the level of the working liquid 110 .
  • the operating liquid 110 is supplied through the operating liquid inlet 120 according to the level detected by the water level sensor 130 .
  • the operating liquid inlet 120 may be connected to a pump (not shown).
  • the control unit 700 detects the level of the operating liquid 110 detected through the water level sensor 130 , and drives a pump (not shown) according to the detected level to drive the operating liquid 110 through the operating liquid inlet 120 . ) can be supplied.
  • a plurality of hydrophilic wicks 400 are positioned inside the reservoir 100 , the conditioner 200 , and the condenser 300 .
  • the wick 400 may be a structure made of a hydrophilic material.
  • the wick 400 may include a pillar (P, see FIG. 12) and a hydrophilic material (H, see FIG. 12) coating the pillar (P).
  • the pillar may be a material having a high heat transfer rate, and may be any one of copper, titanium, and silver.
  • the pillar may be a patterned photoresist.
  • the hydrophilic material (H) is a material for coating the pillars, and has hydrophilicity.
  • the hydrophilic material H coating the pillars P may be copper oxide in the form of nanowires.
  • the hydrophilic material may be a monomer of any one of polyacrylic acid and acrylamide, which are hydrophilic polymers.
  • the operating liquid 110 stored in the reservoir 100 moves to the condenser 300 and the conditioner 200 by a capillary action along a fluid path shown by a solid line by the wick 400 .
  • the operating liquid 110 provided to the conditioner 200 and the condenser 300 is evaporated by the wick 400 formed on the wall surface.
  • a gas such as air including particles is introduced into the conditioner 200 through the gas inlet 210 .
  • the conditioner 200 adjusts the temperature and humidity state of the gas introduced through the gas inlet 210 .
  • the conditioner 200 may include a cooler 250 (see FIG. 4 ) and a temperature sensor 260 , and the cooler 250 (see FIG. 4 ) controls the conditioner 200 to a desired temperature.
  • the temperature sensor 260 detects the temperature of the conditioner 200 .
  • the temperature sensor 260 may be located on the outer wall of the conditioner 200 and may be conductive lines 261 and 262 whose electrical resistance changes according to the temperature.
  • the controller 700 may detect the temperature of the conditioner 200 by measuring electrical resistances of the conductive lines 261 and 262 included in the temperature sensor 260 .
  • the gas containing the particles NP is conditioned to a desired temperature and a desired relative humidity.
  • the gas including the particles (NP) is controlled to have any one temperature greater than 0 °C and less than or equal to 20 °C and a relative humidity of 80% to 100% while passing through the conditioner 200 .
  • a heater 350 may be located on the outer wall of the condenser 300 , and the heater 350 maintains the condenser 300 at any one temperature of 20° C. or more and 60° C. or less to maintain the condenser 300 . ) to control the temperature and relative humidity of the inner channel (C).
  • the heater 350 may include conductive lines 351 and 352 that generate heat according to the current provided by the controller 700 .
  • the condenser 300 may further include a temperature sensor 360 for detecting the temperature of the condenser 300 .
  • the temperature sensor 360 may be located on the outer wall of the conditioner 200 and may be conductive lines 361 and 362 whose electrical resistance changes according to temperature.
  • the controller 700 may detect the temperature of the condenser 300 by measuring the electrical resistance of the conductive line.
  • Supersaturated air is formed inside the condenser 300, and the particles NP included in the gas introduced into the condenser 300 function as a condensation core to act as a droplet of the operating liquid. to form The droplets of the working liquid grow in diameter while passing through the condenser 300 and are discharged to the nozzle 310 .
  • a thermal barrier 600 positioned between the condenser 300 and the conditioner 200 may be formed.
  • Thermal barrier 600 prevents heat exchange between conditioner 200 and condenser 300 .
  • the thermal barrier 600 may be formed by disposing a smaller number of wicks 400 than the number of wicks 400 per unit area of the conditioner 200 and the number of wicks per unit area of the conditioner 200. .
  • wicks 400 sufficient to transfer the operating liquid from the condenser 300 to the conditioner 200 through capillary action may be disposed in the thermal barrier 600 .
  • the two conductive lines 131 and 132 of the water level sensor 130 are connected to the control unit 700 .
  • the controller 700 may detect the level of the operating liquid 110 by measuring the capacitance or electrical resistance of the two conductive lines 131 and 132 .
  • the conductive lines 351 and 352 of the heater 350 may be connected to the controller 700 to provide driving power provided by the controller 700 to the heater 350 .
  • the conductive lines 361 and 362 of the temperature sensor 360 positioned outside the condenser 300 are connected to the control unit 700 .
  • the controller 700 may measure the electrical resistance of the conductive lines 361 and 362 to detect the outside temperature of the condenser 300 .
  • the conductive lines 261 and 262 of the temperature sensor 260 positioned outside the conditioner 200 are connected to the controller 700 .
  • the controller 700 may measure the electrical resistance of the conductive lines 261 and 262 to detect the outside temperature of the conditioner 200 .
  • the controller 700 may control driving of the cooler 250 by providing driving power to the cooler 250 .
  • the controller 700 detects the temperature outside the condenser and the temperature outside the conditioner by the temperature sensor 360 outside the condenser and the temperature sensor 260 located outside the conditioner 200 .
  • the control unit 700 drives the heater 350 according to the detected temperature or controls not to operate to control the condenser 300 to a desired temperature, and to drive the cooler 250 or control not to operate the conditioner ( 200) to the desired temperature.
  • the counter 500 includes a light source 510 that provides light to a droplet, and a light receiving element 540 that detects scattered light formed by irradiating light onto the droplet and outputs an electrical signal. and a counting unit (not shown) for counting the number of droplets from the electrical signal output by the light receiving element 540 .
  • the light irradiated by the light source 510 may be laser light, and may be a visible light laser such as red or green light, or a laser such as an ultraviolet laser.
  • the light receiving element 540 may be a photo diode that detects scattered light and outputs an electrical signal.
  • the counting unit 550 may include a peak detector that receives the spike-shaped detection signal provided by the light receiving element 540 and counts the number of droplets by detecting the peak.
  • the counter 500 includes a lens 520 for focusing the light provided by the light source 510 on droplets, in one embodiment, and the light provided by the light source is unintentionally scattered and provided to the light receiving element 540 .
  • light traps 522 that absorb or scatter light to prevent
  • the counter 500 may include a reflector 530 that provides the light-receiving element 540 with scattered light formed by providing light to droplets, as an embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the particle counter.
  • Figure 5 (a) is a view showing the temperature distribution inside the conditioner 200 and the condenser 300
  • Figure 5 (b) is a view showing the relative humidity distribution inside the conditioner 200
  • Figure 5 (c) ) is a diagram showing the distribution of relative humidity inside the condenser 300
  • FIG. 6 is a diagram showing the Kelvin diameter distribution inside the condenser 300 .
  • the gas inlet (210, see FIG. 1) side of the external gas is introduced, the internal temperature is maintained at about 23 °C.
  • the internal temperature is maintained at 14° C. to 5° C. by the cooling action by the cooler 250, and at the boundary between the condenser 300 and the conditioner 200 maintained at 5°C.
  • the operating liquid 110 moves to the conditioner 200 by the capillary action by the wick 400 and evaporates, and at the boundary between the conditioner 200 and the condenser 300, 100% of the internal temperature is maintained at a relative humidity of
  • the inside of the condenser 300 is maintained at a relative humidity of 100% at the boundary with the conditioner 200 .
  • the condenser 300 has a higher temperature than the conditioner 200 , so the absolute humidity inside the condenser 300 is higher than the absolute humidity of the conditioner 200 .
  • the diffusion coefficient of the vapor of the working liquid 110 is large compared to the diffusion coefficient of heat. Accordingly, diffusion of the operating liquid vapor toward the center of the condenser 300 in the region adjacent to the nozzle 310 side end of the condenser 300 is faster than the movement of heat.
  • the vapor pressure in the condenser 300 channel (C) is balanced before temperature equilibrium is achieved, and from this, as shown in FIG. 5( c ), the central portion of the condenser 300 is located in the operating liquid 110 ( FIG. 1 ). see) a supersaturated state of steam is formed.
  • Kelvin diameter refers to the smallest diameter a droplet can grow for a given relative humidity.
  • particles NP having a theoretical minimum diameter of 6.3 nm are transferred to the condenser 300.
  • the particles NP act as condensation nuclei of the vapor of the working liquid 110 (see FIG. 1) to form droplets.
  • the formed droplet increases in diameter as it passes through the channel C in the condenser 300 , and is discharged to the counter 500 through the nozzle 310 .
  • the counter 500 may count the ejected droplets to determine the concentration of particles in the air and output them.
  • 7 to 12 are process cross-sectional views schematically illustrating a process of forming a particle counter.
  • an electrode (E) pattern is formed on a plate.
  • the electrode (E) pattern may be an electrode connecting the temperature sensor, the heater, and the cooler and the controller as described above.
  • the electrode pattern E may be formed by forming a metal layer having good electrical conductivity and then patterning it into a desired pattern by performing photo lithography.
  • the plate may be any one of glass, a synthetic resin such as polycarbonate, and a printed circuit board (PCB).
  • the electrode pattern E may be formed of any one of gold and titanium.
  • an insulating layer I is formed on a plate on which an electrode E pattern is formed.
  • the forming of the insulating layer may be performed by forming any one of a silicon oxide layer, a silicon nitride layer, and an insulating polymer layer.
  • the silicon oxide film and the silicon nitride film may be formed by chemical vapor deposition (CVD) such as plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and physical vapor deposition (PVD) such as sputtering and evaporation. vapor deposition).
  • CVD chemical vapor deposition
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • the insulating polymer layer may be formed by a method such as spin coating.
  • a plurality of pillars (P) are formed on the insulating layer (I).
  • the pillar P may be a patterned and cured photoresist PR, and may be formed by forming a photoresist PR layer and performing photolithography to have a desired pattern.
  • the pillar P may be a material having a high heat transfer rate, such as copper, titanium, silver, or the like, as described above.
  • the process of forming the pillar P may be performed by a plating method as follows.
  • a seed layer which is a conductive metal layer, is formed on the insulating layer I, and a mold pattern for opening a portion where the pillars P are to be formed is formed on the seed layer.
  • the mold pattern may be a photoresist patterned by a photolithography process.
  • the pillars P may be grown by performing electroplating. The height of the pillar P may be controlled by controlling the time during which the electroplating is performed.
  • a hydrophilic material layer (H) is formed.
  • the process of forming the hydrophilic material layer H may be performed by forming the hydrophilic material on the pillar P formed thereon.
  • the process of forming the hydrophilic material layer (H) may be performed by applying any one of a monomer of polyacrylic acid (polyacrylic acid) and acrylamide (acrylamide).
  • the process of forming the hydrophilic material layer H may be performed by oxidizing the metal pillar P and the seed layer (not shown).
  • the copper oxide may be oxidized to form the hydrophilic material layer H of the copper oxide layer.
  • the process of oxidizing copper may be performed by immersing the resultant of the formation of pillars (P) in an alkaline solution (3.75 % NaClO 2 , 5 % NaOH, and 10 % Na 3 PO 4 ⁇ 12H 2 O), and as a result, oxidation A layer of copper nanowires is formed.
  • a spacer S is formed.
  • the spacer (S) separates the plate (plate) to form a channel (C, see FIG. 12) in a later process.
  • the spacer S may be formed by injection molding or casting to be added to the resultant in a state in which the hydrophilic material layer H is formed.
  • the spacer (S) may be formed in the resultant state in which the hydrophilic material layer (H) is formed through a method such as inkjet printing or 3D printing.
  • the resultant in which the spacer S is formed and the resultant in the state in which the hydrophilic material layer H is formed are attached.
  • the structures formed on the two plates by the spacers S are spaced apart to form a channel C.
  • Air containing particles (NP, see FIG. 3) and/or air containing droplets (see FIG. 3) can flow through the channel C through the conditioner 200 (see FIG. 1) and the condenser 300 have.
  • a via penetrating a plate is formed to form an electrode E and a heater 350 (see FIG. 4 ), an electrode E and a cooler 250 (see FIG. 4 ), and an electrode and a temperature sensor 360 , see FIG. 4) may be electrically connected.
  • the electric counter 500 is an alternating current to the first electrode 5110 and the second electrode 5120, the first electrode 5110 and the second electrode 5120 A first electrode 5110 and a second electrode 5120 generated as the AC power supply 5200 providing electric power flows along the channel 5400 through which the target particle P flows and the target particle P flows along the channel 5400 . ) and a detector 5300 that detects a change in electrical properties between, and the detector 5300 counts the target particles from the change in electrical properties.
  • the electric counter 500 may further include an insulating layer covering the first electrode 5110 and the second electrode 5120 .
  • the target particle P may be a droplet discharged from the condenser 300 .
  • the target particle (P) may be airborne (airborne) nanoparticles (NP).
  • the introduced target particles P may flow in the channel 5400 .
  • the channel 5400 may have a polygonal cross-section such as a square or a circular cross-section, and the target particle P may be introduced through one end and discharged through the other end.
  • the channel (C, see Fig. 12) of the particle counter and the channel 5400 of the electric particle counter 500 can be connected. .
  • a first electrode 5110 and a second electrode 5120 may be formed on the substrate sub.
  • the substrate (sub) may be formed of a synthetic resin such as glass or polycarbonate.
  • the first electrode 5110 and the second electrode 5120 may be formed of a metal having good conductivity, and may be, for example, any one of gold and titanium. After the first electrode 5110 and the second electrode are deposited on the substrate sub, they may be patterned to have a desired shape and a desired area.
  • a capacitance C may be formed between the first electrode 5110 and the second electrode 5120 as illustrated in FIGS. 13 and 14 .
  • the capacitance value formed between the first electrode 5110 and the second electrode 5120 is proportional to the area of the first electrode 5110 and the second electrode 5120 and the dielectric constant of the material in the channel 5400, and the first electrode It may be formed to be inversely proportional to the distance between the 5110 and the second electrode 5120,
  • the AC power supply 5200 provides AC current and/or voltage to the first electrode 5110 and the second electrode 5120 .
  • the detector 5300 detects a change in electrical characteristics between the first electrode 5110 and the second electrode 5120 that occurs as the target particle P flows along the channel 5400 .
  • the AC power supply 5200 provides an AC current to the first electrode 5110 and the second electrode 5120
  • the detector 5300 includes the first electrode 5110 and It is connected to detect a voltage formed between the second electrodes 5120 , and detects a change in voltage due to a capacitance that changes as the target particle P moves along the channel 5400 .
  • the AC power supply 5200 provides an AC voltage to the first electrode 5110 and the second electrode 5120
  • the detector 5300 is connected in series with the AC power supply 5200 to the first electrode ( 5110 and the second electrode 5120 are connected to detect a current flowing through them.
  • the detector 5300 detects a change in current due to a capacitance C that changes as the target particle P moves along the channel 5400 .
  • the first electrode 5110 and the second electrode 5120 As the target particle P flows through the first electrode 5110 and the second electrode 5120 in the channel 5400 , the first electrode 5110 and the second electrode 5120
  • the capacitance (C) of the capacitor made of That is, the target particle P is mixed in air, which is a dielectric material, between the two electrodes 5110 and 120 of the capacitor, so that the dielectric constant between the first electrode 5110 and the second electrode 5120 is changed.
  • the change in permittivity may be expressed as in Equation 1 below.
  • the AC power supply 5200 provides an AC current to the first electrode 5110 and the second electrode 5120 constituting the capacitor.
  • the dielectric constant of the dielectric material between the first electrode 5110 and the second electrode 5120 changes.
  • a change in capacitance formed between the first electrode 5110 and the second electrode 5120 occurs due to a change in dielectric constant, and is formed between the first electrode 5110 and the second electrode 5120 by the change in capacitance.
  • a change in voltage occurs.
  • the change in voltage can be expressed as Equation 2 below.
  • the detector 5300 may detect the number and concentration of the target particles P in the air by detecting a voltage difference between when the target particles P flow in the channel 5400 and when not.
  • the AC power supply 5200 provides an AC voltage to the first electrode 5110 and the second electrode 5120 constituting the capacitor.
  • a change in current formed between the first electrode 5110 and the second electrode 5120 occurs due to a change in capacitance generated as the target particle P flows through the channel 5400 .
  • the change in current can be expressed as in Equation 3 below.
  • V voltage provided by AC power
  • ⁇ C difference in capacitance as the target particle flows
  • ⁇ i difference in detection current as the target particle flows
  • the detector 5300 may detect the number and concentration of the target particles P in the air by detecting a current difference between when the target particles P flow in the channel 5400 and when not.
  • Figure 15 (a) is a view showing an embodiment of the electric particle counter 500 according to another embodiment
  • Figure 15 (b) the first electrode 5110 and the second electrode 5120 formed on the substrate (sub) ) is a diagram showing the outline of 15 (a) and 15 (b)
  • the channel 5400 through which the target particle P flows is the inlet I through which the target particle P flows, and the target particle P through which the target particle P flows. It may include an outlet (O), and the first electrode 5110 and the second electrode 5120 may be positioned between the inlet (I) and the outlet (O).
  • the first electrode 5110 and the second electrode 5120 may be interdigitated electrodes without making electrical contact with each other.
  • the first electrode 5110 and the second electrode 5120 may be positioned on the substrate sub.
  • an insulating layer for insulating the first electrode 5110 and the second electrode 5120 may be formed on the surfaces of the first electrode 5110 and the second electrode 5120 .
  • the AC power supply 5200 provides an AC voltage to the first electrode 5110 and the second electrode 5120 , and the detector 5300 causes the target particle P to move along the channel 5400 . It detects a change in the current due to the capacitance (C) that changes according to the temperature.
  • the AC power supply 5200 provides an AC current to the first electrode 5110 and the second electrode 5120 , and the detector 5300 causes the target particle P to move along the channel 5400 . It detects a change in voltage due to the capacitance (C) that changes as it is used.
  • the target particles P provided through the inlet I may collide with the first electrode 5110 and/or the second electrode 5120 .
  • the electrical resistance between the first electrode 5110 and the second electrode 5120 may change.
  • the power source 5200 provides any one of a voltage and a current to the first electrode 5110 and the second electrode 5120
  • the detector 5300 detects the target particles P with the first electrode 5110 and /
  • changes in current and voltage generated by a change in electrical resistance formed by colliding with the second electrode 5120 may be detected.
  • the electric particle counter 500 includes a channel 5400 through which the target particle P flows, is formed along the channel 5400 , and has a magnetic field in the channel 5400 . and a coil 5600 forming (B1).
  • the power source 5200 provides driving power to the coil 5600
  • the detector 5300 detects a change in electrical characteristics formed by the target particle P by a magnetic field.
  • the detector 5300 counts the target particles from changes in electrical properties.
  • An inductance (L) may be formed by the coil 5600 .
  • the AC power supply 5200 may provide an AC voltage so that a magnetic field is formed in the coil 5600 , and the detector 5300 is connected in series with the AC power supply 5200 to target particles (P) Detects a change in current formed while flowing through the channel 5400 in which the magnetic field is formed. Detector 5300 counts the target particles from current changes.
  • the AC power supply 5200 may provide an AC current so that a magnetic field is formed in the coil, and the detector 5300 is connected in parallel with the AC power source so that the target particle P is a channel 5400 in which a magnetic field is formed. ) to detect the voltage change formed while flowing.
  • the detector 5300 counts the target particles from the voltage change.
  • FIGS. 13 and 14 are diagrams for explaining an embodiment of a particle counter according to an embodiment.
  • a channel 5400 through which the target particle P can flow is formed.
  • the channel 5400 may be in the form of a tube having a circular cross-section as shown, and in another embodiment, may have a polygonal cross-section such as a square.
  • the AC power supply 5200 (refer to FIGS. 13 and 14 ) provides a current i to the coil 5600 to form a magnetic field B1 in the channel 5400 .
  • the increase in the magnetic flux density due to the high magnetic permeability in the target particle P is greater than the effect of the eddy current, FIG. As illustrated in (b), the strength of the magnetic field B1 formed by the current provided to the coil 5600 is increased. Therefore, by using this characteristic, it is possible to count the particles flowing into the channel.
  • the AC power supply 5200 provides an AC current to the coil 5600 constituting the inductor.
  • a change in inductance occurs as described above, and the change in voltage formed between the two electrodes of the detector 5300 by the change in inductance is calculated by the following Equation 4 can be displayed as
  • the detector 5300 may detect the number and concentration of the target particles P in the air by detecting a voltage difference between when the target particles P flow in the channel 5400 and when not.
  • the AC power supply 5200 provides an AC voltage to the coil 5600 constituting the inductor.
  • a change in the current flowing through the coil due to a change in inductance generated as the target particle P flows through the channel 5400 may be expressed as Equation 3 below.
  • the detector 5300 may detect the number and concentration of the target particles P in the air by detecting a current difference between when the target particles P flow in the channel 5400 and when not.
  • the implemented particle counter used distilled water as the working liquid 110, and the conditioner 200 and the condenser 300 were formed in a rectangular cross section of the same shape (width 8 mm, height 3 mm), and the length was formed to be 30 mm and 20 mm, respectively. did.
  • the hydrophilic wicks in the conditioner 200 and the condenser 300 have a diameter of 40 ⁇ m as shown in FIG. 18 , and the wicks adjacent to each other are formed to be spaced apart by 80 ⁇ m.
  • the wick was formed by coating a copper pillar with a hydrophilic copper oxide nano-wire.
  • FIG. 19 is a view showing a counting result of an embodiment in which particles are counted by detecting a change in capacitance.
  • particles of several micrometers were introduced into the channel and counted.
  • the particle counter according to the present embodiment was able to count particles each having a high signal-to-noise ratio (SNR) as shown.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • FIG. 20 is a view showing a counting result of an embodiment in which particles are counted by detecting a change in inductance.
  • particles having a diameter of 10 ⁇ m were introduced into the channel and counted.
  • the particle counter according to this embodiment could count the introduced particles one by one.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating a relationship between the size of the introduced particles NP and the average diameter of droplets formed in the condenser 300 .
  • particles (NP) with a minimum size of 4 nm they grow into droplets of 1 ⁇ m
  • the particles (NP) with a size of 20 nm are introduced due to an increase in the size of the introduced particles, the grown droplets ( It can be seen that the diameter of the droplet) increases up to 2um.
  • the size of the introduced particles is 20 nm or more, the diameter of the formed droplet is saturated at 2 ⁇ m.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating a relationship between the size and counting probability of particles NP introduced into sodium chloride (NaCl) particles and silver (Ag) particles.
  • NaCl sodium chloride
  • Ag silver
  • FIG. 22 when silver particles with a diameter of 16 nm are introduced, the probability that the particle counter counts them is approximately 50%, and when silver particles of 42 nm are introduced, the probability of counting them is approximately 100%. that can be checked
  • the probability that the particle counter counts when sodium chloride particles of 9.6 nm in diameter are introduced is close to 50%, and when sodium chloride particles of 22 nm in diameter are introduced, the probability that the particle counter counts is close to 100%. .
  • HANDHELD CONDENSATION PARTICLE COUNTER CPC
  • CPC HANDHELD CONDENSATION PARTICLE COUNTER
  • the particle counter according to this embodiment illustrated in FIG. 13 has a size of 70mm * 90mm * 130mm and has a volume of 819,000mm 3 , and the weight is only 420g. That is, it can be seen that only 18% of the volume of the conventional portable particle counter, and only 28% of the weight.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

본 실시예에 의한 입자 계수기는 동작 액체가 저장되는 저장조(reservoir)와, 포화 증기(saturated vapor)가 형성되며, 일단을 통하여 파티클이 유입되는 컨디셔너와, 과포화 증기(supersaturated vapor)가 형성되며, 파티클이 과포화 증기를 통과하며 형성된 액적(droplet)을 일단으로 배출하는 응축기(condenser)와, 저장조, 컨덴서 및 컨디셔너의 벽면에 형성되어 저장조에 저장된 동작 액체를 전달하는 복수의 친수성 윅(hydrophilic wick)들 및 액적을 계수하는 계수기를 포함한다.

Description

입자 계수기
본 기술은 입자 계수기에 관련된다.
수 나노 미터에서 수십 마이크로 미터까지 다양한 크기를 가지는 입자가 대기 중에 부유하고 있으며, 이들의 유해성에 관심이 모아지고 있다. 역학 조사에 따르면 이러한 입자를 흡입하면 폐 염증, 심혈관 질환 및 심지어 암이 발생할 수 있다는 연구 결과가 발표된 바 있으며, 이러한 입자는 크기가 작기 때문에 인간의 폐에 더 깊이 침투하고 다른 기관에 더 쉽게 이동할 수 있어서 큰 크기의 입자에 비하여 상대적으로 더 해로운 것으로 보고되었다. 공기 중에 부유하며, 농도가 지속적으로 변화하는 다양한 환경에서 나노 입자를 정확하게 모니터링하기 위해 모니터링 네트워크를 구축해가고 있는 실정이다.
종래 기술에 의한 입자 계수기는 입자를 계수하기 위하여 대상물에 광을 조사하여 형성된 산란광을 검출하여 입자를 계수한다.
종래 기술에 의한 휴대용 나노 입자 센서는 입자 대전 원리에 기초한다. 나노 입자는 이온과 충돌하여 전기적으로 충전되어 이 때 발생하는 전류를 감지한다. 그러나, 이러한 시스템은 하전된 나노 입자의 작은 크기로 인해 운반하는 전하량이 적고, 전하 상태는 유전 상수를 포함하는 물질 특성에 크게 의존하기 때문에 종종 감도 및 정확성이 낮다. 나아가, 이온 발생 과정에서, 예를 들어, 오존 등의 유해한 산화제가 불가피하게 발생하는 문제점이 있다.
높은 정밀도를 가지는 산업용 미세 입자 계수기는 동작 액체로 부탄올 또는 이소프로필알코홀을 사용하나, 이들은 알코홀 계열로 흡입 또는 인체에 노출될 때 폐 및/또는 각막에 손상을 일으킬 수 있는 유해한 액체이며, 가연성이 높아 위험하다. 나아가, 높은 정밀도를 가지는 산업용 나노 입자 계수기는 무겁고, 큰 부피를 가지며, 높은 비용을 가진다는 문제가 있다.
종래 기술에 의한 입자 계수기는 입자를 계수하기 위하여 대상물에 광을 조사하여 형성된 산란광을 검출하여 입자를 계수한다. 이를 위하여 광을 조사하는 광원, 조사광의 초점을 형성하는 정밀 렌즈 및 산란광을 검출하는 수광 소자 등의 복잡하고 고가의 광학 계통을 포함한다. 상술한 광학 계통은 고가이므로 입자 계수기의 제조 비용이 상승한다.
본 실시예로 해결하고자 하는 과제 중 하나는 상기한 종래 기술의 단점을 해소하기 위한 것으로, 보다 가벼우며 부피가 작고, 낮은 제조 비용을 가지는 입자 계수기를 형성하기 위한 것이다.
본 실시예에 의한 입자 계수기로 해결하고자 하는 과제 중 하나는 상기한 종래 기술이 가지는 문제점을 해소하여 가볍고, 작은 부피를 가지며, 낮은 비용으로 제조할 수 있는 입자 계수기를 제공하는 것이다.
본 실시예에 의한 입자 계수기는 동작 액체가 저장되는 저장조(reservoir)와, 포화 증기(saturated vapor)가 형성되며, 일단을 통하여 파티클이 유입되는 컨디셔너와, 과포화 증기(supersaturated vapor)가 형성되며, 파티클이 과포화 증기를 통과하며 형성된 액적(droplet)을 일단으로 배출하는 응축기(condenser)와, 저장조, 컨덴서 및 컨디셔너의 벽면에 형성되어 저장조에 저장된 동작 액체를 전달하는 복수의 친수성 윅(hydrophilic wick)들 및 액적을 계수하는 계수기를 포함한다.
본 실시예에 의한 입자 계수기 제조 방법은 제1 플레이트에 전극을 형성하는 단계와, 전극이 형성된 플레이트에 절연층을 형성하는 단계와, 절연층 상에 필라를 형성하는 단계와, 적어도 필라에 친수성 물질층을 형성하는 단계 및 필라에 친수성 물질층이 형성된 제1 플레이트에 스페이서를 형성하여 필라에 친수성 물질층이 형성된 제2 플레이트를 결합하여 내부에 채널을 형성하는 단계를 포함한다.
본 실시예에 의한 입자 계수기는 동작 액체가 저장되는 저장조(reservoir)와, 파티클을 포함하는 공기를 목적하는 온도와 상대 습도를 가지도록 컨디셔닝하는 컨디셔너와, 과포화 증기(supersaturated vapor)가 형성되며, 파티클이 과포화 증기를 통과하여 액적(droplet)을 형성하는 응축기(condenser)와, 저장조, 컨덴서 및 컨디셔너의 벽면에 형성되어 저장조에 저장된 동작 액체를 전달하는 복수의 친수성 윅(hydrophilic wick)들 및 액적을 계수하는 계수기를 포함한다.
본 실시예에 의한 입자 계수기는 전기적으로 이격된 제1 전극 및 제2 전극과, 제1 전극 및 제2 전극에 교류 전력을 제공하는 교류 전원과, 타겟 입자가 유동하는 채널과, 타겟 입자가 채널을 따라 유동함에 따라 발생하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 전기적 특성 변화를 검출하는 검출기를 포함하며, 검출기는 전기적 특성 변화로부터 타겟 입자를 계수(count)한다.
본 실시예에 의한 입자 계수기는 타겟 입자가 유동하는 채널과, 채널을 따라 형성되어 채널에 자기장을 형성하는 코일과, 코일에 구동 전력을 제공하는 교류 전원 및 타겟 입자가 자기장에 의하여 형성하는 전기적 특성 변화를 검출하는 검출기를 포함하며, 검출기는 전기적 특성 변화로부터 타겟 입자를 계수(count)한다.
본 실시예에 의한 입자 계수기는 종래 응축 입자 계수기에 비하여 소형이며, 가벼우며, 물을 사용하므로 인체에 무해하며, 경제적이라는 장점을 가진다.
도 1은 본 실시예에 의한 응축 입자 계수기의 개요를 도시한 도면이다.
도 2는 전극 구조의 개요를 도시한 도면이다.
도 3은 광학식 계수기의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 입자 계수기의 동작을 설명하기 위한 개요도이다.
도 5(a)는 컨디셔너와 응축기 내부의 온도 분포를 도시한 도면이고, 도 5(b)는 컨디셔너 내부의 상대 습도 분포를 도시한 도면이며, 도 5(c)는 응축기 내부의 상대 습도 분포를 도시한 도면이다.
도 6은 응축기 내부의 캘빈 직경 분포를 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 12는 입자 계수기를 형성하는 과정을 개요적으로 도시하는 공정 단면도들이다.
도 13 및 도 14는 전기식 계수기의 실시예들을 개요적으로 나타난 단면도들이다.
도 15(a)는 또 다른 실시예에 의한 전기식 입자 계수기의 실시예를 도시한 도면이고, 도 15(b)는 제1 전극과 제2 전극이 형성된 기판의 개요를 도시한 도면이다.
도 16은 본 실시예에 의한 전기식 입자 계수기의 실시예를 개요적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 17(a) 내지 도 17(b)는 일 실시예에 의한 입자 계수기의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 친수성 윅의 일 구현예를 촬영한 현미경 사진이다.
도 19는 커패시턴스의 변화를 검출하여 입자를 계수한 실시예의 계수 결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 인덕턴스의 변화를 검출하여 입자를 계수한 실시예의 계수 결과를 나타내는 도면이다.
도 21는 유입된 입자의 크기와 응축기에서 형성된 액적의 평균 직경 사이의 관계를 도시한 도면이다.
도 22는 염화나트륨 입자와 은 입자로 유입된 입자의 크기와 계수 확률 사이의 관계를 도시한 도면이다.
도 23은 본 실시예에 의한 입자 계수기의 구현예를 촬영한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 입자 계수기를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 응축 입자 계수기의 개요를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 응축 입자 계수기(1)는 저장조(reservoir, 100)와, 컨디셔너(200)와, 응축기(condenser, 300) 및 저장조(100), 컨디셔너(200) 및 복수의 친수성 윅(hydrophilic wick, 400)들 및 액적을 계수하는 계수기(500)를 포함한다. 일 실시예로, 입자 계수기(1)는 열적 배리어(600) 및 제어부(700)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로, 컨디셔너(200) 및 컨덴서(300)는 내부에 형성된 채널(C, 도 12 참조)을 통하여 액적(droplet, 도 4 참조)을 포함하는 기체 및/또는 파티클(NP, 도 4 참조)을 포함하는 기체가 움직일 수 있으며, 채널(C)은 사각형 등의 다각형 단면, 원형 단면을 가질 수 있다. 일 예로, 파티클(NP)는 수 ~ 수십 나노 미터 직경을 가지는 나노 파티클일 수 있다.
저장조(100)에는 동작 액체(110)가 저장된다. 일 예로, 동작 액체(110)는 물일 수 있으며, 일 예로, 탈이온수(deionized water), 증류수, 정수된 물(purified water) 및 수돗물(tab water)등 중 어느 하나일 수 있다.
저장조(100)에는 내부에 저장된 동작 액체(110)의 수위를 검출하는 수위 센서(level sensor, 130)가 위치할 수 있다. 도 1로 예시된 실시예에서, 수위 센서(130)는 동작 액체(110)의 수위에 따라 두 전극(131, 132, 도 2 참조) 사이에 형성되는 커패시턴스(capacitance)가 변화하는 정전 용량식 수위 센서이다. 도시되지 않은 실시예로, 수위 센서(130)는 동작 액체(110)의 수위에 따라 전극 사이에 형성되는 전기 저항이 변화하는 저항식 수위 센서이다.
수위 센서(130)에 의하여 검출된 수위에 따라 동작 액체 유입구(120)를 통해 동작 액체(110)가 공급된다. 일 예로, 동작 액체 유입구(120)는 펌프(미도시)와 연결될 수 있다. 제어부(700)는 수위 센서(130)를 통해 검출한 동작 액체(110)의 수위를 검출하고, 검출한 수위에 따라 펌프(미도시)를 구동하여 동작 액체 유입구(120)를 통해 동작 액체(110)를 공급할 수 있다.
저장조(100), 컨디셔너(200) 및 응축기(300)의 내부에는 복수의 친수성 윅(hydrophilic wick, 400)들이 위치한다. 일 실시예로, 윅(400)은 친수성 물질로 이루어진 구조물일 수 있다. 다른 예로, 윅(400)은 필라(pillar, P, 도 12 참조)와 필라(P)를 코팅하는 친수성 물질(H, 도 12 참조)을 포함할 수 있다. 일 예로, 필라는 열 전달율이 높은 물질일 수 있으며, 구리, 티타늄, 은 중 어느 하나일 수 있다. 다른 예로, 필라는 패턴된 포토 레지스트일 수 있다. 친수성 물질(H)은 필라를 코팅하는 물질로, 친수성을 가진다. 일 예로, 필라(P)를 코팅하는 친수성 물질(H)은 나노 와이어 형태의 산화구리(copper oxide)일 수 있다. 다른 예로, 친수성 물질은 친수성 폴리머인 폴리아크릴릭산(polyacrylic acid), 아크릴아미드(acrylamide)중 어느 하나의 단량체일 수 있다.
저장조(100)에 저장된 동작 액체(110)는 윅(400)에 의하여 실선으로 도시된 액체 경로(fluid path)를 따라 모세관 현상(capillary action)으로 응축기(300) 및 컨디셔너(200)로 이동한다. 컨디셔너(200)와 응축기(300)로 제공된 동작 액체(110)는 벽면에 형성된 윅(400)에 의하여 증발된다.
도 2는 수위 센서, 히터, 컨디셔너의 외측에 위치하는 온도 센서 및 응축기 외측에 위치하는 온도센서의 개요를 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 파티클(NP, 도 4 참조)을 포함하는 공기 등의 기체는 기체 유입구(210)를 통하여 컨디셔너(200)의 내부로 유입된다. 컨디셔너(200)는 기체 유입구(210)를 통하여 유입된 기체의 온도 및 습도 상태를 조절한다. 일 실시예로, 컨디셔너(200)에는 쿨러(cooler, 250, 도 4 참조) 및 온도 센서(260)가 위치할 수 있으며, 쿨러(250, 도 4 참조)는 컨디셔너(200)를 목적하는 온도로 유지하여 컨디셔너(200) 내부의 채널 내의 온도를 유지하며, 온도 센서(260)는 컨디셔너(200)의 온도를 검출한다.
일 실시예로, 온도 센서(260)는 컨디셔너(200) 외벽에 위치하여 온도에 따라 전기 저항이 변화하는 도전 선로(261, 262)일 수 있다. 제어부(700)는 온도 센서(260)에 포함된 도전 선로(261, 262)의 전기 저항을 측정하여 컨디셔너(200)의 온도를 검출할 수 있다.
컨디셔너(200)를 통과하면서 파티클(NP)을 포함하는 기체는 목적하는 온도와 목적하는 상대 습도로 조절(conditioning)된다. 일 예로, 파티클(NP)을 포함하는 기체는 컨디셔너(200)를 거치면서 0℃ 초과 20℃ 이하의 어느 한 온도와 80% 내지 100%의 상대 습도를 가지도록 조절된다.
컨디셔너(200)를 거쳐 목적하는 온도와 상대 습도로 유지된 기체가 응축기(300)로 유입된다. 일 실시예로, 응축기(300)의 외벽에는 히터(heater, 350)가 위치할 수 있으며, 히터(350)는 응축기(300)를 20℃ 이상 60℃ 이하의 어느 한 온도로 유지하여 응축기(300) 내부 채널(C)의 온도와 상대 습도를 제어한다. 일 실시예로, 히터(350)는 제어부(700)가 제공하는 전류에 따라 발열하는 도전 선로(351, 352)를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 응축기(300)에는 응축기(300)의 온도를 검출하는 온도 센서(360)가 더 위치할 수 있다. 온도 센서(360)는 컨디셔너(200)의 외벽에 위치하여 온도에 따라 전기 저항이 변화하는 도전선로(361, 362)일 수 있다. 제어부(700)는 도전 선로의 전기 저항을 측정하여 응축기(300)의 온도를 검출할 수 있다.
응축기(300)의 내부에는 과포화 공기(supersaturated air)가 형성되며, 응축기(300)에 유입된 기체에 포함된 파티클(NP)은 응축핵(condensation core)으로 기능하여 동작 액체의 액적(droplet)을 형성한다. 동작 액체의 액적은 응축기(300)를 거치면서 직경이 성장하여 노즐(310)로 토출된다.
일 실시예로, 입자 계수기는 응축기(300)와 컨디셔너(200) 사이에는 위치하는 열적 배리어(thermal barrier, 600)가 형성될 수 있다. 열적 배리어(600)는 컨디셔너(200)와 응축기(300) 사이의 열 교환을 막는다. 일 실시예로, 열적 배리어(600)는 컨디셔너(200)의 단위 면적당 윅(400)의 개수와 컨디셔너(200)의 단위 면적당 윅의 개수보다 적은 개수의 윅(400)이 배치되어 형성될 수 있다. 다만, 열적 배리어(600)에는 응축기(300)에서 컨디셔너(200)로 모세관 현상을 통해 동작 액체를 전달할 수 있을 정도의 윅(400)들이 배치될 수 있다.
일 실시예로, 수위 센서(130)의 두 도전 선로(131, 132)는 제어부(700)와 연결된다. 제어부(700)는 두 도전 선로(131, 132)의 커패시턴스 또는 전기 저항을 측정하여 동작 액체(110)의 수위를 검출할 수 있다.
히터(350)의 도전 선로(351, 352)는 제어부(700)와 연결되어 제어부(700)가 제공하는 구동 전력을 히터(350)에 제공할 수 있다. 응축기(300) 외측에 위치하는 온도 센서(360)의 도전 선로(361, 362)는 제어부(700)와 연결된다. 제어부(700)는 도전 선로(361, 362)의 전기 저항을 측정하여 응축기(300) 외측 온도를 검출할 수 있다. 컨디셔너(200) 외측에 위치하는 온도 센서(260)의 도전 선로(261, 262)는 제어부(700)와 연결된다. 제어부(700)는 도전 선로(261, 262)의 전기 저항을 측정하여 컨디셔너(200) 외측 온도를 검출할 수 있다. 도시되지 않았지만, 제어부(700)는 쿨러(250)에 구동 전력을 제공하여 쿨러 구동을 제어할 수 있다.
제어부(700)는 응축기 외측의 온도 센서(360) 및 컨디셔너(200) 외측에 위치하는 온도 센서(260)에 의하여 응축기 외측의 온도와 컨디셔너 외측의 온도를 검출한다. 제어부(700)는 검출한 온도에 따라 히터(350)를 구동하거나, 동작하지 않도록 제어하여 응축기(300)를 목적하는 온도로 제어하고, 쿨러(250)를 구동하거나, 동작하지 않도록 제어하여 컨디셔너(200)를 목적하는 온도로 제어한다.
도 3은 계수기의 일 실시예인 광학식 계수기의 예를 도시한 도면이다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 계수기(500)는 액적(droplet)에 광을 제공하는 광원(510)과, 액적에 광이 조사되어 형성된 산란광을 검출하여 전기 신호로 출력하는 수광 소자(540) 및 수광 소자(540)가 출력한 전기 신호로부터 액적의 개수를 계수하는 계수부(미도시)을 포함한다. 일 예로, 광원(510)이 조사하는 광은 레이저 광일 수 있으며, 적색, 녹색 등의 가시광 레이저, 자외선 레이저 등의 레이저일 수 있다. 또한 수광 소자(540)는 산란광을 검출하여 전기 신호로 출력하는 포토 다이오드(photo diode)일 수 있다. 계수부(550)는 수광 소자(540)에서 제공한 스파이크 형태의 검출 신호를 제공받고, 피크를 검출하여 액적(droplet)의 개수를 계수하는 피크 검출기(peak detector)를 포함할 수 있다.
계수기(500)는 일 실시예에서, 광원(510)이 제공하는 광을 액적에 초점을 맞추는 렌즈(520)를 포함하며, 광원이 제공하는 광이 목적하지 않게 산란되어 수광 소자(540)에 제공되는 것을 방지하도록 광을 흡수하거나, 광을 산란하는 광 트랩(522)을 포함한다. 계수기(500)는 일 실시예로, 액적(droplet)에 광이 제공되어 형성된 산란광을 수광 소자(540)에 제공하는 반사경(530)을 포함할 수 있다.
이하에서는 상기한 구성을 가지는 입자 계수기의 동작을 설명한다. 도 4는 입자 계수기의 동작을 설명하기 위한 개요도이다. 도 5(a)는 컨디셔너(200)와 응축기(300) 내부의 온도 분포를 도시한 도면이고, 도 5(b)는 컨디셔너(200) 내부의 상대 습도 분포를 도시한 도면이며, 도 5(c)는 응축기(300) 내부의 상대 습도 분포를 도시한 도면이고, 도 6은 응축기(300) 내부의 캘빈 직경 분포를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5(a) 내지 도 5(b)를 참조하면, 컨디셔너(200)에서 기체 유입구(210, 도 1 참조)측은 외부의 기체가 유입되어 내부 온도가 대략 23℃로 유지된다. 그러나, 유입된 기체가 컨디셔너(200) 내의 채널을 통과함에 따라 쿨러(250)에 의한 냉각 작용에 의하여 내부 온도가 14℃ ~ 5℃로 유지되며, 응축기(300)와 컨디셔너(200)의 경계에서는 5℃로 유지된다. 또한, 동작 액체(110, 도 1 참조)는 윅(400)에 의한 모세관 작용에 의하여 컨디셔너(200)로 이동하여 증발하며, 컨디셔너(200)와 응축기(300)의 경계에서는 내부 온도에 대하여 100%의 상대 습도로 유지된다.
도 5(c)에 도시된 것과 같이 응축기(300) 내부는 컨디셔너(200)와의 경계에서 100%의 상대 습도로 유지된다. 응축기(300)는 컨디셔너(200)에 비하여 높은 온도를 가져 응축기(300) 내부의 절대 습도는 컨디셔너(200)의 절대 습도에 비하여 높다.
응축기(300) 내부의 채널(C)을 따라 공기가 이동함에 따라 동작 액체(110, 도 1 참조) 증기의 확산 계수는 열의 확산 계수에 비하여 크다. 따라서, 응축기(300)의 노즐(310)측 단부와 인접한 영역에서 응축기(300) 중심으로의 동작 액체 증기의 확산은 열의 이동보다 빠르다. 응축기(300) 채널(C)에서의 증기압은 온도 평형이 이루어지기 이전에 평형을 유지하며, 이로부터 도 5(c)에 도시된 것과 같이 응축기(300) 중앙 부위에는 동작 액체(110, 도 1 참조) 증기의 과포화 상태가 형성된다.
도 6은 응축기(300) 내부의 캘빈 직경 분포를 도시한 도면이다. 캘빈 직경(Kelvin diameter)은 주어진 상대 습도에 대해 액적이 성장할 수 있는 최소 직경을 의미한다. 도 6에서 도시된 것과 같이 응축기(300)내 채널(C)에서는 동작 액체(110, 도 1 참조) 증기의 과포화 상태에 기인하여 이론상 최소 6.3nm 직경을 가지는 입자(NP)가 응축기(300)로 유입되면 입자(NP)는 동작 액체(110, 도 1 참조) 증기의 응축핵으로 작용하여 액적(droplet)이 형성된다.
형성된 액적(droplet)은 응축기(300)내 채널(C)을 통과함에 따라 직경이 증가하고, 노즐(310)을 통하여 계수기(500)로 토출된다. 계수기(500)는 토출된 액적을 계수하여 공기 중의 입자의 농도를 파악하여 출력할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 입자 계수기의 제조 방법을 설명한다. 도 7 내지 도 12는 입자 계수기를 형성하는 과정을 개요적으로 도시하는 공정 단면도이다.
도 7을 참조하면, 플레이트(plate) 상에 전극(E) 패턴을 형성한다. 전극(E) 패턴은 위에서 설명된 바와 같이 온도 센서, 히터 및 쿨러와 제어부를 연결하는 전극일 수 있다. 전극 패턴(E)은 양호한 전도성(electrical conductivity)를 가지는 금속층을 형성한 후, 포토 리소그래피(photo lithography)를 수행하여 목적하는 패턴으로 패터닝하여 형성될 수 있다. 일 예로, 플레이트(plate)는 유리, 폴리카보네이트 등의 합성 수지, 인쇄회로기판(PCB, printed circuit board) 중 어느 하나일 수 있다. 전극 패턴(E)은 금(gold), 티타늄(titanium)중 어느 하나로 형성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 전극(E) 패턴이 형성된 플레이트(plate)상에 절연층(I)을 형성한다. 일 실시예로, 절연층을 형성하는 단계는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 절연성 폴리머층 중 어느 하나를 형성하여 수행될 수 있다. 일 실시예로, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막은 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 등의 화학적 기상 증착법(CVD, chemical vapor deposition)과 스퍼터(sputtering), 증착(evaporation) 등의 물리적 기상 증착법(PVD, physical vapor deposition) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 절연성 폴리머층은 스핀코팅(spin coating) 등의 방법으로 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 절연층(I) 상부에 복수의 필라(pillar, P)들을 형성한다. 일 실시예로, 필라(P)는 패턴되어 경화된 포토 레지스트(PR)일 수 있으며, 포토 레지스트(PR)층을 형성하고, 목적하는 패턴을 가지도록 포토 리소그래피를 수행하여 형성될 수 있다.
다른 실시예로, 필라(P)는 상술한 바와 같이 구리, 티타늄, 은 등의 열 전달율이 높은 물질일 수 있다. 일 예로, 필라(P)를 형성하는 과정은 아래와 같이 도금법(plate)으로 수행될 수 있다. 절연층(I) 상부에 도전성 금속층인 시드층(seed layer)를 형성하고, 시드층 상에 필라(P)가 형성될 부분을 개방하는 몰드 패턴을 형성한다. 일 예로, 몰드 패턴은 포토 리소그래피 공정에 의하여 패턴된 포토 레지스트일 수 있다. 이어서 전기 도금을 수행하여 필라(P)를 성장시킬 수 있다. 필라(P)의 높이는 전기 도금을 수행하는 시간을 제어하여 제어될 수 있다.
도 10을 참조하면, 친수성 물질 층(H)을 형성한다. 일 실시예로, 친수성 물질층(H)을 형성하는 과정은 필라(P)가 형성된 상부에 친수성 물질을 형성하여 수행될 수 있다. 일 실시예로, 친수성 물질층(H)을 형성하는 과정은 폴리아크릴릭 산(polyacrylic acid), 아크릴아미드(acrylamide)중 어느 하나의 단량체를 도포하여 수행될 수 있다.
다른 실시예로, 친수성 물질층(H)을 형성하는 과정은 금속 필라(P) 및 시드층(미도시)을 산화시켜 수행될 수 있다. 일 예로, 필라(P) 및 시드층(미도시)를 구리로 형성하는 경우에는 구리를 산화시켜 산화구리층의 친수성 물질층(H)을 형성할 수 있다. 구리를 산화시키는 과정은 필라(P)가 형성된 결과물을 알칼리 용액(3.75 % NaClO2, 5 % NaOH, and 10 % Na3PO4 ·12H2O)에 침지시켜 수행될 수 있으며, 그 결과로 산화 구리 나노와이어 층이 형성된다.
도 11을 참조하면, 스페이서(S)를 형성한다. 스페이서(S)는 추후 공정에서 채널(C, 도 12 참조)을 형성하기 위하여 플레이트(plate)를 이격시킨다. 일 예로, 스페이서(S)는 인젝션 몰딩, 캐스팅으로 형성되어 친수성 물질층(H)이 형성된 상태의 결과물에 부가될 수 있다. 다른 예로, 스페이서(S)는 잉크젯 프린팅, 3D 프린팅 등의 방법을 통해 친수성 물질층(H)이 형성된 상태의 결과물에 형성될 수 있다.
도 12를 참조하면, 스페이서(S)가 형성된 결과물과 친수성 물질층(H)이 형성된 상태의 결과물을 부착한다. 스페이서(S)에 의하여 두 플레이트(plate)에 형성된 구조물들 사이는 이격되어 채널(C)을 형성한다. 채널(C)을 통하여 파티클(NP, 도 3 참조)을 포함하는 공기 및/또는 액적(droplet, 도 3 참조)을 포함하는 공기가 컨디셔너(200, 도 1 참조) 및 응축기(300)를 흐를 수 있다.
일 실시예로, 플레이트(plate)를 관통하는 비아를 형성하여 전극(E)과 히터(350, 도 4 참조), 전극(E)과 쿨러(250, 도 4 참조), 전극과 온도 센서(360, 도 4 참조)를 전기적으로 연결할 수 있다.
전기식 입자 계수기
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 전기식 계수기의 실시예를 설명한다. 도 13 및 도 14는 전기식 계수기(500)의 실시예들을 개요적으로 나타난 단면도들이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 본 실시예에 의한 전기식 계수기(500)는 제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120)과, 제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120)에 교류 전력을 제공하는 교류 전원(5200) 타겟 입자(P)가 유동하는 채널(5400) 타겟 입자(P)가 채널(5400)를 따라 유동함에 따라 발생하는 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이의 전기적 특성 변화를 검출하는 검출기(5300)를 포함하며, 검출기(5300)는 전기적 특성 변화로부터 상기 타겟 입자를 계수(count)한다. 도시되지 않은 실시예에서, 전기식 계수기(500)는 제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120)을 덮는 절연층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 타겟 입자(P)는 응축기(300)에서 토출된 액적(droplet)일 수 있다. 다른 실시예에서, 타겟 입자(P)는 공기중 부유(airborne)하는 나노 파티클(NP)일 수 있다.
채널(5400)에는 유입된 타겟 입자(P)가 유동할 수 있다. 일 실시예로, 채널(5400)은 사각형 등의 다각형 단면을 가지거나, 원형 단면을 가지며, 타겟 입자(P)가 일 단부를 통해 유입되고, 타 단부를 통해 유출될 수 있다. 본 실시예에 의한 전기식 입자 계수기와 입자 계수기(1, 도 1 참조)와 사용되는 경우에는 입자 계수기의 채널(C, 도 12 참조)과 전기식 입자 계수기(500)의 채널(5400)이 연결될 수 있다.
기판(sub)에는 제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120)이 형성될 수 있다. 기판(sub)은 유리, 폴리카보네이트 등의 합성 수지로 형성될 수 있다. 제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120)은 양호한 도전성을 가지는 금속으로 형성될 수 있으며, 일 예로, 금(gold) 및 티타늄(titanium) 중 어느 하나일 수 있다. 제1 전극(5110) 및 제2 전극은 기판(sub)에 증착된 후, 목적하는 형태 및 목적하는 면적을 가지도록 패턴될 수 있다.
제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120) 사이에는 도 13 및 도 14로 예시된 것과 같이 커패시턴스(capacitance, C)가 형성될 수 있다. 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이에 형성된 커패시턴스 값은 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)의 면적과 채널(5400) 내 물질의 유전율에 비례하고, 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이의 거리에 반비례하도록 형성될 수 있다,
교류 전원(5200)은 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)에 교류 전류 및/또는 전압을 제공한다. 검출기(5300)는 타겟 입자(P)가 채널(5400)을 따라 유동함에 따라 발생하는 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이의 전기적 특성 변화를 검출한다. 일 실시예로, 도 13으로 예시된 것과 같이 교류 전원(5200)은 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)에 교류 전류를 제공하고, 검출기(5300)는 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이에 형성된 전압을 검출하도록 연결되고, 타겟 입자(P)가 채널(5400)을 따라 이동함에 따라 변화하는 커패시턴스에 의한 전압의 변동을 검출한다.
다른 실시예로, 교류 전원(5200)은 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)에 교류 전압을 제공하고, 검출기(5300)는 교류 전원(5200)과 직렬로 연결되어 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)을 흐르는 전류를 검출하도록 연결된다. 검출기(5300)는 타겟 입자(P)가 채널(5400)을 따라 이동함에 따라 변화하는 커패시턴스(C)에 의한 전류의 변동을 검출한다.
이하에서는 상기한 구성을 가지는 입자 계수기의 동작을 살펴본다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 타겟 입자(P)가 채널(5400) 내의 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)을 유동함에 따라 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)으로 이루어지는 커패시터의 커패시턴스(C)가 변화한다. 즉, 커패시터의 두 전극(5110, 120) 사이의 유전 물질(dielectric)인 공기에 타겟 입자(P)가 혼입되어 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이의 유전율이 변화한다. 유전율의 변화는 아래의 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2020001429-appb-M000001
(Cm: 측정 정전용량, εd: 입자 유전율, εa: 공기 유전율, N: 입자 수, Vd: 입자 체적, Vm: 측정 체적, d: 제1 전극과 제2 전극 사이의 이격 거리, A: 제1 전극과 제2 전극의 면적)
일 실시예로, 교류 전원(5200)은 커패시터를 이루는 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)에 교류 전류를 제공한다. 타겟 입자(P)가 채널(5400)을 유동함에 따라 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이의 유전 물질의 유전율이 변화한다. 유전율 변화에 기인하여 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이에 형성되는 커패시턴스의 변화가 발생하며, 커패시턴스의 변화에 의하여 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)사이에 형성되는 전압의 변화가 발생한다. 전압의 변화는 아래의 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2020001429-appb-M000002
(커패시터의 초기 전압은 0, ΔC: 타겟 입자가 유동함에 따른 커패시턴스의 차이, ΔV: 타겟 입자가 유동함에 따른 검출 전압의 차이)
따라서, 검출기(5300)는 채널(5400)에 타겟 입자(P)가 유동할 때와 그러하지 않을 때의 전압 차이를 검출하여 공기 내 타겟 입자(P)의 수, 농도를 검출할 수 있다.
다른 실시예로, 교류 전원(5200)은 커패시터를 이루는 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)에 교류 전압를 제공한다. 타겟 입자(P)가 채널(5400)을 유동함에 따라 발생하는 커패시턴스의 변화에 의하여 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이에 형성되는 전류의 변화가 발생한다. 전류의 변화는 아래의 수학식 3과 같이 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2020001429-appb-M000003
(V: 교류 전원이 제공하는 전압, ΔC: 타겟 입자가 유동함에 따른 커패시턴스의 차이, Δi: 타겟 입자가 유동함에 따른 검출 전류의 차이)
따라서, 검출기(5300)는 채널(5400)에 타겟 입자(P)가 유동할 때와 그러하지 않을 때의 전류 차이를 검출하여 공기 내 타겟 입자(P)의 수, 농도를 검출할 수 있다.
도 15(a)는 또 다른 실시예에 의한 전기식 입자 계수기(500)의 실시예를 도시한 도면이고, 도 15(b) 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)이 형성된 기판(sub)의 개요를 도시한 도면이다. 도 15(a) 및 도 15(b)를 참조하면, 타겟 입자(P)가 유동하는 채널(5400)은 타겟 입자(P)가 유입되는 유입구(I)와, 타겟 입자(P)가 유출되는 유출구(O)를 포함할 수 있으며, 제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120)은 유입구(I)와 유출구(O) 사이에 위치할 수 있다.
제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120)은 서로 전기적으로 접촉하지 않고 깍지끼워진(interdigitated) 형태의 전극일 수 있다. 제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120)은 기판(sub) 상에 위치할 수 있다. 도시되지 않은 실시예에서, 제1 전극(5110) 및 제2 전극(5120)의 표면에는 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)을 절연하는 절연층이 형성될 수 있다.
상술한 실시예와 같이 교류 전원(5200)은 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)에 교류 전압을 제공하고, 검출기(5300)는 타겟 입자(P)가 채널(5400)을 따라 이동함에 따라 변화하는 커패시턴스(C)에 의한 전류의 변동을 검출한다. 또 다른 실시예와 같이 교류 전원(5200)은 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)에 교류 전류를 제공하고, 검출기(5300)는 타겟 입자(P)가 채널(5400)을 따라 이동함에 따라 변화하는 커패시턴스(C)에 의한 전압의 변동을 검출한다.
또한, 유입구(I)를 통하여 제공된 타겟 입자(P)들은 제1 전극(5110) 및/또는 제2 전극(5120)에 충돌할 수 있다. 입자들이 제1 전극(5110) 및/또는 제2 전극(5120)에 충돌함으로써 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120) 사이의 전기 저항이 변화할 수 있다. 따라서, 전원(5200)은 제1 전극(5110)과 제2 전극(5120)에 전압 및 전류 중 어느 하나를 제공하고, 검출기(5300)는 타겟 입자(P)들이 제1 전극(5110) 및/또는 제2 전극(5120)에 충돌하여 형성하는 전기 저항의 변화에 의하여 발생하는 전류 및 전압의 변동을 검출할 수 있다.
도 16은 본 실시예에 의한 전기식 입자 계수기(500)의 실시예를 개요적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 16을 참조하면, 본 실시예에 의한 전기식 입자 계수기(500)는, 타겟 입자(P)가 유동하는 채널(5400)을 포함하고, 채널(5400)을 따라 형성되며 상기 채널(5400)에 자기장(B1)을 형성하는 코일(5600, coil)을 포함한다. 전원(5200)은 코일(5600)에 구동 전력을 제공하고, 검출기(5300)는 자기장에 의하여 타겟 입자(P)가 형성하는 전기적 특성 변화를 검출한다. 검출기(5300)는 전기적 특성 변화로부터 상기 타겟 입자를 계수(count)한다. 코일(5600)에 의하여 인덕턴스(inductance, L)가 형성될 수 있다.
도 16으로 예시된 것과 같이 교류 전원(5200)은 코일(5600)에 자기장이 형성되도록 교류 전압을 제공할 수 있으며, 검출기(5300)는 교류 전원(5200)과 직렬로 연결되어 타겟 입자(P)가 자기장이 형성된 채널(5400)을 유동하면서 형성하는 전류 변화를 검출한다. 검출기(5300)는 전류 변화로부터 상기 타겟 입자를 계수(count)한다.
도시되지 않은 실시예에서, 교류 전원(5200)은 코일에 자기장이 형성되도록 교류 전류을 제공할 수 있으며, 검출기(5300)는 교류 전원과 병렬로 연결되어 타겟 입자(P)가 자기장이 형성된 채널(5400)을 유동하면서 형성하는 전압 변화를 검출한다. 검출기(5300)는 전압 변화로부터 상기 타겟 입자를 계수(count)한다.
도 17(a) 내지 도 17(b)는 일 실시예에 의한 입자 계수기의 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 타겟 입자(P)가 유동할 수 있는 채널(5400)이 형성된다. 채널(5400)은 도시된 것과 같이 원형 단면을 가지는 튜브 형태일 수 있으며, 다른 실시예로, 사각형 등의 다각형 단면을 가질 수 있다. 교류 전원(5200, 도 13 및 도 14 참조)은 코일(coil, 5600)에 전류(i)를 제공하여 채널(5400)에 자기장(B1)을 형성한다.
투자율이 진공의 투자율(permeability, μ=1)에 비하여 작은 타겟 입자(P)가 채널(5400)에 유입될 때, 타겟 입자(P)에는 자기장(B1)에 의하여 도 17(c)로 예시된 것과 같이 와전류(eddy current)가 형성되며, 와전류에 의하여 자기장(B1)과 반대 방향의 자기장(B2)가 형성된다. 따라서, 코일(5600) 내부의 자속 밀도 및 인덕턴스가 감소한다. 일 예로,
그러나, 투자율이 진공의 투자율에 비하여 충분히 큰 타겟 입자(P)가 채널(5400)에 유입되면 타겟 입자(P)에는 높은 투자율에 의한 자속 밀도증가의 증가 영향이 와전류의 영향에 비하여 크며, 도 17(b)로 예시된 것과 같이 코일(5600)에 제공된 전류에 의하여 형성된 자기장(B1)의 세기가 증가한 것과 같이 파악된다. 따라서, 이러한 특성을 이용하면, 채널로 유입되는 입자를 계수할 수 있다.
일 실시예로, 교류 전원(5200)은 인덕터를 이루는 코일(5600)에 교류 전류를 제공한다. 타겟 입자(P)가 채널(5400)을 유동함에 따라 상술한 바와 같이 인덕턴스의 변화가 발생하며, 인덕턴스의 변화에 의하여 검출기(5300)의 두 전극 사이에 형성되는 전압의 변화는 아래의 수학식 4와 같이 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2020001429-appb-M000004
(i: 교류 전원이 제공하는 전류, ΔL: 타겟 입자가 유동함에 따른 인덕턴스의 차이, ΔV: 타겟 입자가 유동함에 따른 검출 전압의 차이)
따라서, 검출기(5300)는 채널(5400)에 타겟 입자(P)가 유동할 때와 그러하지 않을 때의 전압 차이를 검출하여 공기 내 타겟 입자(P)의 수, 농도를 검출할 수 있다.
다른 실시예로, 교류 전원(5200)은 인덕터를 이루는 코일(5600)에 교류 전압를 제공한다. 타겟 입자(P)가 채널(5400)을 유동함에 따라 발생하는 인덕턴스의 변화에 의하여 코일을 흐르는 전류의 변화는 아래의 수학식 3과 같이 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2020001429-appb-M000005
(인덕터의 초기 전압은 0, V: 교류 전원이 제공하는 전압, ΔL: 타겟 입자가 유동함에 따른 인덕턴스의 차이)
따라서, 검출기(5300)는 채널(5400)에 타겟 입자(P)가 유동할 때와 그러하지 않을 때의 전류 차이를 검출하여 공기 내 타겟 입자(P)의 수, 농도를 검출할 수 있다.
평가
구현된 입자 계수기는 동작 액체(110)로 증류수를 사용하였으며, 컨디셔너(200)와 응축기(300)는 동일한 형상 (너비 8mm, 높이 3mm)의 직사각형 단면으로 형성하였고, 길이를 각각 30mm와 20mm로 형성하였다. 컨디셔너(200)와 응축기(300) 내의 친수성 윅은 도 18로 도시된 것과 같이 40um의 직경을 가지고, 서로 인접한 윅 사이는 80um로 이격되도록 형성하였다. 윅은 구리 필라(copper pillar)에 친수성을 가지는 산화 구리 나노 와이어(copper oxide nano-wire)를 코팅하여 형성하였다.
도 19는 커패시턴스의 변화를 검출하여 입자를 계수한 실시예의 계수 결과를 나타내는 도면이다. 본 실시예에서는 수 마이크로미터의 입자를 채널로 유입시켜 계수하였다. 본 실시예에 의한 입자 계수기는 도시된 것과 같이 높은 신호대 잡음비(SNR, signal to noise ratio)를 가지고 입자를 각각 계수할 수 있었다.
도 20은 인덕턴스의 변화를 검출하여 입자를 계수한 실시예의 계수 결과를 나타내는 도면이다. 본 실시예에서는 직경 10 ㎛ 크기의 입자를 채널로 유입시켜 계수하였다. 도시된 것과 같이 본 실시예에 의한 입자 계수기는 유입된 입자를 하나씩 계수 할 수 있었다.
도 21는 유입된 입자(NP)의 크기와 응축기(300)에서 형성된 액적(droplet)의 평균 직경 사이의 관계를 도시한 도면이다. 도 21를 참조하면, 최소 4nm의 입자(NP)가 유입되었을 때 1um의 액적(droplet)으로 성장하며, 유입된 입자의 크기가 증가하여 20nm 크기의 입자(NP)가 유입되었을 때에는 성장된 액적(droplet)의 직경이 2um 까지 증가하는 것을 확인할 수 있다. 유입된 입자의 크기가 20nm 이상인 경우에는 형성된 액적(droplet)의 직경은 2um에서 포화된다.
도 22는 염화나트륨(NaCl) 입자와 은(silver, Ag) 입자로 유입된 입자(NP)의 크기와 계수 확률(counting probability) 사이의 관계를 도시한 도면이다. 도 22를 참조하면, 16nm 직경의 은 입자가 유입되었을 때 이를 입자 계수기가 계수할 확률은 대략 50%에 인접하며, 42 nm의 은 입자가 유입되었을 때, 계수할 확률은 대략 100%에 인접하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 직경 9.6nm의 염화나트륨 입자가 유입되었을 때 입자 계수기가 계수할 확률은 50%에 인접하며, 직경 22nm의 염화나트륨 입자가 유입되었을 때 입자 계수기가 계수할 확률은 100%에 인접하는 것을 확인할 수 있다.
도 23은 본 실시예에 의한 입자 계수기의 구현예를 촬영한 도면이다. 종래의 휴대용 상용 응축 입자 계수기인 HANDHELD CONDENSATION PARTICLE COUNTER (CPC) - MODEL 3800의 크기인 120mm * 280mm * 130mm의 크기로 그 부피는 4,368,000mm3에 이르며, 1,500g의 무게를 가진다. 그러나, 도 13로 예시된 본 실시예에 의한 입자 계수기는 70mm * 90mm * 130mm의 크기를 가져 819,000mm3의 부피를 가지고, 무게는 420g에 불과하다. 즉, 종래의 휴대용 입자 계수기 부피의 18%에 불과하며, 무게는 28%에 불과한 것을 알 수 있다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (40)

  1. 동작 액체가 저장되는 저장조(reservoir);
    포화 증기(saturated vapor)가 형성되며, 일단을 통하여 파티클이 유입되는 컨디셔너;
    과포화 증기(supersaturated vapor)가 형성되며, 상기 파티클이 상기 과포화 증기를 통과하며 형성된 액적(droplet)을 일단으로 배출하는 응축기(condenser);
    상기 저장조, 상기 컨덴서 및 상기 컨디셔너의 벽면에 형성되어 상기 저장조에 저장된 상기 동작 액체를 전달하는 복수의 친수성 윅(hydrophilic wick)들 및
    상기 액적을 계수하는 계수기를 포함하는 입자 계수기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동작 액체는 증류수, 탈이온수(deionized water), 정수된 물(purified water) 및 수돗물(tab water)등 중 어느 하나 중 어느 하나인 입자 계수기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 윅은 상기 동작 액체를 상기 응축기와 상기 저장조로 전달하는 입자 계수기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 친수성 윅은 상기 동작 액체를 모세관 현상으로 상기 응축기와 상기 컨디셔너로 전달하는 입자 계수기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 응축기와 상기 컨디셔너는 열적 배리어를 두고 서로 연결되며,
    상기 열적 배리어는 상기 응축기와 상기 컨디셔너 사이의 열전달을 차단하는 입자 계수기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열적 배리어는,
    상기 응축기 및 상기 컨디셔너의 단위 면적당 형성된 상기 친수성 윅의 개수에 비하여 적은 개수의 상기 친수성 윅이 배열된 입자 계수기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 응축기 내부의 온도는 상기 컨디셔너 내부의 온도에 비하여 높게 유지되는 입자 계수기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 응축기 내부의 온도는 20℃ 이상 60℃ 이하의 중 어느 한 온도로 유지되고, 상기 컨디셔너 내부의 온도는 0℃ 내지 20℃ 중 어느 한 온도로 유지되는 입자 계수기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 응축기에는 히터(heater)가 위치하고,
    상기 컨디셔너에는 쿨러(coller)가 위치하는 입자 계수기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 히터 및 상기 쿨러는 제어부에 의하여 제어되는 입자 계수기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 응축기 및 상기 컨디셔너 중 어느 하나 이상에는 온도 센서가 배치된 입자 계수기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 히터는 상기 응축기 내부의 온도를 20℃ 이상 60℃ 이하의 중 어느 한 온도로 유지하고,
    상기 쿨러는 상기 컨디셔너 내부의 온도를 0℃ 내지 20℃ 중 어느 한 온도로 유지하는 입자 계수기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 윅은,
    구리 필라(copper pillar)와,
    상기 구리 필라를 코팅하는 산화 구리(copper oxide)를 포함하는 입자 계수기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 윅은,
    친수성 폴리머를 포함하는 입자 계수기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 계수기는,
    광학식 계수기 및 전기식 계수기 중 어느 하나인 입자 계수기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 저장조는,
    상기 동작 액체의 수위(level)를 검출하는 수위 센서가 형성된 입자 계수기.
  17. 제1 플레이트에 전극을 형성하는 단계와,
    상기 전극이 형성된 상기 플레이트에 절연층을 형성하는 단계와,
    상기 절연층 상에 필라를 형성하는 단계와,
    적어도 상기 필라에 친수성 물질층을 형성하는 단계 및
    상기 필라에 친수성 물질층이 형성된 제1 플레이트에 스페이서를 형성하여 상기 필라에 친수성 물질층이 형성된 제2 플레이트를 결합하여 내부에 채널을 형성하는 단계를 포함하는 입자 계수기 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 절연층 상에 필라를 형성하는 단계는,
    포토 레지스트를 패터닝하여 필라를 형성하여 수행하는 입자 계수기 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 절연층 상에 필라를 형성하는 단계는,
    상기 절연층 상에 시드층을 형성하는 단계,
    상기 시드 층 상에 필라가 형성될 부분을 개방하는 몰드 패턴을 형성하는 단계 및
    전기 도금을 수행하여 필라를 생성하는 단계를 포함하는 입자 계수기 제조 방법.
  20. *제17항에 있어서,
    상기 친수성 물질층을 형성하는 단계는,
    친수성 폴리머 단량체를 도포하여 수행하는 입자 계수기 제조 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 친수성 물질층을 형성하는 단계는,
    상기 필라를 산화하여 산화물을 형성하여 수행하는 입자 계수기 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 필라는 구리이고,
    상기 친수성 물질은 산화구리인 입자 계수기 제조 방법.
  23. 동작 액체가 저장되는 저장조(reservoir);
    파티클을 포함하는 공기를 목적하는 온도와 상대 습도를 가지도록 컨디셔닝하는 컨디셔너;
    과포화 증기(supersaturated vapor)가 형성되며, 상기 파티클이 상기 과포화 증기를 통과하여 액적(droplet)을 형성하는 응축기(condenser);
    상기 저장조, 상기 컨덴서 및 상기 컨디셔너의 벽면에 형성되어 상기 저장조에 저장된 상기 동작 액체를 전달하는 복수의 친수성 윅(hydrophilic wick)들 및
    상기 액적을 계수하는 계수기를 포함하는 입자 계수기.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 동작 액체는 증류수, 탈이온수(DI water), 정수된 물, 수돗물 중 어느 하나인 입자 계수기.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 친수성 윅은 상기 동작 액체를 모세관 현상으로 상기 응축기와 상기 컨디셔너로 전달하는 입자 계수기.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 응축기와 상기 컨디셔너는 열적 배리어를 두고 서로 연결되며,
    상기 열적 배리어는 상기 응축기와 상기 컨디셔너 사이의 열전달을 차단하는 입자 계수기.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 응축기 내부의 온도는 35℃ 내지 60℃ 중 어느 한 온도로 유지되고, 상기 컨디셔너 내부의 온도는 0℃ 내지 20℃ 중 어느 한 온도로 유지되는 입자 계수기.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 응축기의 외면에는 히터(heater)가 위치하고,
    상기 컨디셔너의 외면에는 쿨러(coller)가 위치하는 입자 계수기.
  29. 전기적으로 이격된 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 교류 전력을 제공하는 교류 전원;
    *타겟 입자가 유동하는 채널;
    상기 타겟 입자가 채널을 따라 유동함에 따라 발생하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 전기적 특성 변화를 검출하는 검출기를 포함하며,
    상기 검출기는 상기 전기적 특성 변화로부터 상기 타겟 입자를 계수(count)하는 입자 계수기.
  30. 상기 제29항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 채널의 제1 면에 형성되고,
    상기 제2 전극은 상기 채널 내에서 상기 제1 면과 마주하는 제2 면에 형성되는 입자 계수기.
  31. 상기 제29항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 채널 내 동일한 면에 형성되는(coplanar) 입자 계수기.
  32. 상기 제29항에 있어서,
    상기 교류 전원은 상기 제1 전극과 제2 전극에 교류 전류를 제공하고,
    상기 검출기는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되는 전압을 검출하며,
    상기 검출기는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되는 전압 변동으로부터 상기 타겟 입자를 계수하는 입자 계수기.
  33. 상기 제29항에 있어서,
    상기 교류 전원은 상기 제1 전극과 제2 전극에 교류 전압을 제공하고,
    상기 검출기는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되는 전류를 검출하며,
    상기 검출기는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 흐르는 전류 변동으로부터 상기 타겟 입자를 계수하는 입자 계수기.
  34. 상기 제29항에 있어서,
    상기 채널은,
    상기 타겟 입자가 유입되는 유입구와, 상기 타겟 입자가 유출되는 유출구를 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 유입구와 상기 유출구 사이에 위치하는 입자 계수기.
  35. 상기 제34항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 서로 깍지끼워진(interdigitated) 형태를 가지는 입자 계수기.
  36. 상기 제35항에 있어서,
    상기 검출기는
    상기 타겟 입자가 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 어느 하나 이상과 접촉하여 형성되는 저항(resistance) 변화를 검출하는 입자 계수기.
  37. 상기 제35항에 있어서,
    상기 입자 계수기는
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 커버하는 절연층을 더 포함하며,
    상기 검출기는
    상기 타겟 입자가 상기 절연층과 접촉하여 형성되는 커패시턴스 변화를 검출하는 입자 계수기.
  38. 타겟 입자가 유동하는 채널;
    상기 채널을 따라 형성되어 상기 채널에 자기장을 형성하는 코일;
    상기 코일에 구동 전력을 제공하는 교류 전원 및
    상기 타겟 입자가 상기 자기장에 의하여 형성하는 전기적 특성 변화를 검출하는 검출기를 포함하며,
    상기 검출기는 상기 전기적 특성 변화로부터 상기 타겟 입자를 계수(count)하는 입자 계수기.
  39. 상기 제38항에 있어서,
    상기 교류 전원은 상기 코일에 교류 전류를 제공하고,
    상기 검출기는 상기 코일에 형성되는 전압을 검출하며,
    상기 검출기는 상기 코일에 형성되는 전압 변동으로부터 상기 타겟 입자를 계수하는 입자 계수기.
  40. 상기 제38항에 있어서,
    상기 교류 전원은 상기 코일에 교류 전압을 제공하고,
    상기 검출기는 상기 코일에 형성되는 전류를 검출하며,
    상기 검출기는 상기 코일에 흐르는 전류 변동으로부터 상기 타겟 입자를 계수하는 입자 계수기.
PCT/KR2020/001429 2019-12-26 2020-01-30 입자 계수기 WO2021132796A1 (ko)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2019-0175763 2019-12-26
KR20190175763 2019-12-26
KR10-2020-0010573 2020-01-29
KR1020200010566A KR102389396B1 (ko) 2020-01-29 2020-01-29 전기식 계수기 및 전기식 계수기를 이용하는 입자 계수기
KR1020200010573A KR102350327B1 (ko) 2019-12-26 2020-01-29 입자 계수기
KR10-2020-0010566 2020-01-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021132796A1 true WO2021132796A1 (ko) 2021-07-01

Family

ID=76574837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2020/001429 WO2021132796A1 (ko) 2019-12-26 2020-01-30 입자 계수기

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2021132796A1 (ko)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005524067A (ja) * 2002-04-24 2005-08-11 エムエスピー・コーポレーション 小型で高効率の凝結核計数器
JP2005527782A (ja) * 2001-08-31 2005-09-15 イメゴ アーベー 物質を分析するための方法と構成
KR20100085395A (ko) * 2009-01-20 2010-07-29 안강호 입자 측정 유니트
US20110017431A1 (en) * 2009-03-06 2011-01-27 Y.C. Lee Flexible thermal ground plane and manufacturing the same
KR20170011356A (ko) * 2015-07-22 2017-02-02 엘지전자 주식회사 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법
KR20170023367A (ko) * 2015-08-21 2017-03-03 (주)에이치시티 응축핵 입자 계수기
US20170276589A1 (en) * 2016-03-23 2017-09-28 Derek Oberreit Compact condensation particle counter technology

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005527782A (ja) * 2001-08-31 2005-09-15 イメゴ アーベー 物質を分析するための方法と構成
JP2005524067A (ja) * 2002-04-24 2005-08-11 エムエスピー・コーポレーション 小型で高効率の凝結核計数器
KR20100085395A (ko) * 2009-01-20 2010-07-29 안강호 입자 측정 유니트
US20110017431A1 (en) * 2009-03-06 2011-01-27 Y.C. Lee Flexible thermal ground plane and manufacturing the same
KR20170011356A (ko) * 2015-07-22 2017-02-02 엘지전자 주식회사 미소입자 검출 장치 및 이를 이용한 미소입자 검출 방법
KR20170023367A (ko) * 2015-08-21 2017-03-03 (주)에이치시티 응축핵 입자 계수기
US20170276589A1 (en) * 2016-03-23 2017-09-28 Derek Oberreit Compact condensation particle counter technology

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KWON HONG-BEOM, YOO SEONG-JAE, HONG UI-SEON, KIM KYUNGTAE, HAN JANGSEOP, KIM MIN-KI, KANG DONG-HYUN, HWANG JUNGHO, KIM YONG-JUN: "MEMS-based condensation particle growth chip for optically measuring the airborne nanoparticle concentration", LAB ON A CHIP, vol. 19, no. 8, 9 April 2019 (2019-04-09), UK, pages 1471 - 1483, XP055834838, ISSN: 1473-0197, DOI: 10.1039/C9LC00035F *
YOO SEONG-JAE, KWON HONG-BEOM, HONG UI-SEON, KANG DONG-HYUN, LEE SANG-MYUN, HAN JANGSEOP, HWANG JUNGHO, KIM YONG-JUN: "Microelectromechanical-system-based condensation particle counter for real-time monitoring of airborne ultrafine particles", ATMOSPHERIC MEASUREMENT TECHNIQUES, vol. 12, no. 10, pages 5335 - 5345, XP055834835, DOI: 10.5194/amt-12-5335-2019 *
YOO, S. J.: "A MEMS-based condensation particle counter for accurate and real-time monitoring of airborne nanoparticles at points of interest", 2019 IEEE 32ND INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS (MEMS, 2019, pages 504 - 506, XP033634690, DOI: 10.1109/MEMSYS.2019.8870661 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4790650A (en) Condensation nucleus counter
US6639671B1 (en) Wide-range particle counter
WO2021132796A1 (ko) 입자 계수기
JP3408543B2 (ja) 高ガス流アルファ検出器
JP2015114230A (ja) パーティクル集束方法、パーティクル集束機構、パーティクル濃縮機構、およびそれらを備えるパーティクル測定装置
FI113406B (fi) Laite aerosolipartikkelien kokojakauman määrittämiseksi
KR20220007204A (ko) 베타레이를 이용한 미세먼지 측정 장치 및 이를 이용한 측정방법
TWI816435B (zh) 粒子計數器的製造方法
US6278117B1 (en) Solid state radiation detector with tissue equivalent response
US20060164094A1 (en) Particle detection
TWI838771B (zh) 粒子計數器
KR102325149B1 (ko) 입자 계수기
WO2020080904A1 (ko) Mems 기반의 응축 입자 계수기
KR102389396B1 (ko) 전기식 계수기 및 전기식 계수기를 이용하는 입자 계수기
CN104409754B (zh) 燃料电池内部湿度‑电流密度联测传感器
WO2015182971A1 (ko) 생체 물질 감지 바이오 센서 및 바이오 센서 시스템
JP3285068B2 (ja) 標準粒子発生装置
CN108445530A (zh) 一种α粒子阻隔型低能电子探测器件
WO2016133231A1 (ko) 입자 분급 장치 및 입자 분급 시스템
KR102575983B1 (ko) 공기 중 에어로졸의 실시간 분석 장치
JPS60207037A (ja) 超微小粒子数の測定方法とその測定装置
Seman et al. Photographic studies of particle behavior under varying precipitating conditions
JPH0549970A (ja) 静電分級装置
KR101136894B1 (ko) 소프트 엑스레이를 이용한 단극 입자 하전 장치
WO2020054796A1 (ja) 検出素子、放射線検出装置、およびコンプトンカメラ

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20908045

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20908045

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1