KR20050060481A - 부유 분진 및 일반 먼지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유 분진 및 일반 먼지 센서에 관한 것으로, 종래 먼지 센서는 일반 먼지 센서와 부유분진(TSP)센서가 있는데, 이 중에서 일반 먼지 센서는 인체에 치명적인 1미크론 이하의 TSP를 측정하기 어렵고, TSP를 측정할 수 있는 TSP 센서는 필터를 물리적으로 구성하기 때문에 센서의 부피가 크며, 측정 방식이 복잡하기 때문에 일반적인 용도로 사용하기에는 크기와 비용이 과다한 문제점이 있었다. 또한, TSP 센서는 입자 크기가 큰 일반 먼지를 측정하기 어렵기 때문에 정확한 먼지의 정도를 확인하기 위해서는 일반적인 먼지 센서를 동시에 이용해야 하므로 이들을 제어하는 수단이 복잡해 지며 비용과 크기 역시 증가하는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 반도체 공정을 이용하여 미세한 먼지 입자만 선별 통과시킬 수 있는 미세한 크기의 TSP 임팩터와, 일반 먼지를 받아들일 수 있는 마이크로 펌프를 동시에 장착한 소형 챔버에서 광 산란을 이용하여 공기중 TSP와 일반 먼지의 양을 선별적으로 측정할 수 있도록 한 부유 분진 및 일반 먼지 센서를 제공함으로써 기존의 먼지 센서로는 할 수 없는 미세 부유 먼지를 포함한 모든 먼지량의 측정을 통해 먼지와 관련한 실내 공기의 질을 정확히 평가 할 수 있도록 하며, 센서의 크기와 비용을 크게 줄여 다양한 응용 제품에 용이하게 적용시킬 수 있도록 한 뛰어난 효과가 있다.

Description

부유 분진 및 일반 먼지 센서{TOTAL SUSPENDED PARTICLE AND NORMAL PARTICLE SENSOR}

본 발명은 부유 분진 및 일반 먼지 센서에 관한 것으로, 반도체 공정을 통해 소형으로 제조한 먼지 분류부를 구비하여 분진의 입자 크기에 따른 대기중 먼지의양을 정확히 측정할 수 있도록 한 부유 분진 및 일반 먼지 센서에 관한 것이다.

최근 실내 공기의 질(Indoor Air Quality:IAQ)에 관한 환경적인 관심이 증가하면서 공기 청정기 혹은 정화기의 수요가 폭발적으로 늘어나고 있다. 상기 IAQ를 정의하는 기준에는 CO , VOC 등과 같은 유해성 가스, 석면과 같은 유해 물질, 그리고 사람의 호흡기 계통의 질환을 유발 할 수 있는 부유분진(Total Suspended Particle:TSP) 등이 있다. 특히 TSP의 경우 호흡기 질환 뿐 아니라 심장 질환, 폐암을 유발할 수 있으며, TSP를 통한 유해성 바이러스 등의 전염 위험이 있다.

상기 TSP는 TSP에서 설정한 분진 물질(Particle Matter:PM) 기준 이하의 분진(particle)을 말하는 것으로 보통 PM10 이면 10미크론 이하의 모든 분진을 의미한다. 일반적으로 말하는 먼지는 10미크론 이상의 모든 분진을 의미하는 것이다.

도 1은 대기중 분진의 종류별 입자 크기를 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이 1미크론에서 100 미크론 사이에도 신체의 알레르기를 유발하는 물질과 폐에 침전할 수 있는 유해한 물질들이 있지만, 가장 문제가 되는 심각한 유해 물질들은 1미크론 이하의 크기를 가지고 있다.

현재 TSP와 관련한 IAQ 국제적인 표준 동향을 보면 일본 빌딩 위생 관리법과 건축법에서 0.15mg/m³을 규정하고 있으며, 국제 보건 기구(WHO)에서 8 시간 평균 0.1mg/m³을 규정하고 있다. 이는 PM10 또는 PM2.5를 기준으로 한 것으로 분진의 크기가 10 또는 2.5미크론 이하의 크기를 가지는 전체 분진에 관한 것이다.

하지만, 현재 공기 청정기나 정화기 혹은 청소기 등에 실제적으로 사용되고 있는 먼지 센서들의 경우 1미크론 이하 크기의 먼지는 측정할 수 없고, 약 1 미크론에서 100 미크론 사이의 먼지를 일괄적으로 측정하는 방식이다. 따라서 기존의 먼지 센서들로는 먼지 관련 실내 공기의 질을 측정하면서 치명적인 문제점을 야기 할 수 있는 1미크론 이하의 먼지(TSP)는 측정하지 못하기 때문에, 실내 공기에 1미크론 이하의 먼지가 많은 경우 먼지 관련 실내 공기의 질을 정확히 평가 할 수 없다는 문제점이 있다.

이렇게 입자의 크기가 작은 TSP를 측정하기 위해서는 전용 TSP 계측 장비를 이용해야 하는데, 이러한 장비는 물리적으로 복잡한 구조를 가지는 필터들을 중복 배치하거나 복잡하게 형성한 먼지 분류부를 가지므로 크기가 크고, 센싱 방법 역시 부피가 큰 챔버(chamber)에서 피에조 발란서(piezo balancer)등을 이용하여 측정하기 때문에 크기와 구조가 복잡하며 대단히 고가이다. 따라서, 종래의 TSP 측정 센서를 가정이나 직장과 같은 곳에 설치되는 공기 청정기 등에 장착하기 어렵다.

또한, 종래 TSP 측정 센서는 입자의 크기가 큰 일반 먼지에 대한 측정이 불가능하거나 어렵기 때문에 별도의 일반 먼지 측정을 위한 측정 센서가 필요하며, 이들을 제어하기 위한 수단 역시 복잡해 지게 된다.

상기한 바와 같이 종래 먼지 센서는 일반 먼지 센서와 부유분진(TSP)센서가 있는데, 이 중에서 일반 먼지 센서는 인체에 치명적인 1미크론 이하의 TSP를 측정하기 어렵고, TSP를 측정할 수 있는 TSP 센서는 필터를 물리적으로 구성하기 때문에 센서의 부피가 크며, 측정 방식이 복잡하기 때문에 일반적인 용도로 사용하기에는 크기와 비용이 과다한 문제점이 있었다. 또한, TSP 센서는 입자 크기가 큰 일반 먼지를 측정하기 어렵기 때문에 정확한 먼지의 정도를 확인하기 위해서는 일반적인 먼지 센서를 동시에 이용해야 하므로 이들을 제어하는 수단이 복잡해 지며 비용과 크기 역시 증가하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 반도체 공정을 이용하여 미세한 먼지 입자만 선별 통과시킬 수 있는 미세한 크기의 TSP 임팩터와, 일반 먼지를 받아들일 수 있는 마이크로 펌프를 동시에 장착한 소형 챔버에서 광 산란을 이용한 먼지량 측정 방식으로 TSP와 일반 먼지를 선별적으로 측정할 수 있도록 하면서 크기와 비용을 크게 줄인 부유 분진 및 일반 먼지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은, 상이한 크기의 먼지를 분류할 수 있도록 반도체 공정을 통해 형성한 부유분진 임팩터와 마이크로 벨브를 포함한 먼지 분류부와; 상기 먼지 분류부에 의해 선택된 먼지가 소정 시간 동안 머무르는 챔버와 상기 먼지의 양을 측정하기 위한 광원 및 광 검출부를 포함한 먼지 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 먼지 측정부의 챔버에 연결되어 분진을 흡입하며 흡입되는 분진 함유 공기의 유입량을 조절하는 공기 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 부유분진 임팩터는 벌크-마이크로머시닝 공정을 통해 다수의 개방된 부분을 가지는 구조로 형성하며, 상기 개방된 부분의 크기는 공기가 유입되는 부분이 측정을 원하는 부유분진의 최대 입자 크기가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 방법으로 실시되는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 일 실시예의 개념을 보이기 위한 블록 다이어그램을 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이 먼지를 분진의 입자 크기에 따라 분류하기위한 먼지 분류부(10)와 상기 먼지 분류부(10)를 통해 흡입된 먼지의 양을 측정하는 먼지 측정부(20)와, 상기 먼지 측정부(20)에 부착되어 흡입되는 먼지 함유 공기의 유입량을 조절하는 공기 펌프(30)로 이루어져 있다.

그리고, 도 3은 상기 도 2의 구조로 형성한 본 발명 실시예의 단면도로서, 상기 도 2와 도 3을 참고하여 설명하도록 한다.

상기 먼지 분류부(10)는 일반 먼지를 유입하기 위한 마이크로 밸브(11)와 본 발명을 위해 반도체 공정을 통해 미세하게 형성된 TSP용 임팩터(12)로 이루어져 있다. 상기 마이크로 밸브(11)는 특정한 크기의 분진(TSP)보다 큰 크기의 먼지를 흡입하기 위한 것으로, 특정 크기 이하의 TSP를 흡입하는 동안은 닫혀 있고, 일반 먼지를 흡입하는 경우 열리는 방식으로 동작한다. 상기 마이크로 밸브는 일반적인 먼지 센서에 사용되는 소형의 것을 사용할 수 있지만, 본 발명에서는 소형 먼지 센서를 구현하기 위한 것이므로 반도체 공정(mechanical machining)을 통해 형성된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 구동부(Actuator)가 구비된 반도체 밸브는 다양한 구조와 용도로 이미 개발되어 있으며, 이러한 반도체 공정을 통해 형성된 마이크로 밸브 중에서 구동부의 구동 거리가 100미크론 이상인 것을 사용한다. 또한, 흡입 유로가 최대한 넓은 면에서 형성될 수 있도록 공기를 흡입하는 흡입 부분의 단면적이 최대한 넓은 구조를 가져야 한다.

상기 본 발명에서 사용되는 TSP용 임팩터(12)는 벌크-마이크로머시닝 공정을 이용하여 제조한 것으로, 실리콘 박막과 질화막 패턴을 이용하여 빗살 형태나 격자 형태의 흡입부를 형성하는데, 흡입부의 크기는 원하는 부유 분진의 입자들 중 가장 큰 입자가 통과할 정도의 크기가 되도록 한다. 이에 관한 구체적인 실시예는 이후 상세히 설명하도록 한다.

상기와 같이 측정을 원하는 먼지를 크기에 따라 분류할 수 있도록 구성된 먼지 분류부(10)를 통해 원하는 먼지가 섞인 공기가 상기 먼지 측정부(20)에 흡입된다. 상기 먼지 측정부(20)는 크게 먼지 측정을 위한 챔버(22) 및 먼지를 챔버 내부에 오랜 시간 동안 잔류시키기 위한 분진 믹서(25) 부분과, 먼지의 정도를 광 산란 방식으로 검출하기 위한 광원부(21) 및 광 감지부(23)로 나뉘어질 수 있으며, 필요한 경우 상기 광 감지부(23)에 연결되는 광 신호 처리부(24)까지도 포함할 수 있다.

상기 챔버(22) 내부는 광의 반사를 위해 반사도가 높은 물질을 부분적이거나 전체적으로 코팅해 둘 수 있으며, 이를 통해 측정의 정밀도 및 신뢰성을 높일 수 있다.

상기 광원부(21)는 광원으로 레이저 다이오드, 발광 다이오드(LED), 텅스텐 램프 등을 사용할 수 있는데, 소형 먼지 센서라는 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 반도체 공정을 통해 형성된 레이저 다이오드나 발광 다이오드와 같이 크기가 작은 광원을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 최근의 광원 휘도 개선에 의해 이러한 소형 광원을 사용하는 경우라도 충분한 휘도를 얻을 수 있다.

그리고, 상기 광 검출부(23) 역시 반도체 공정을 통해 형성된 포토 다이오드를 사용하는 것이 바람직한데, 이 역시 대단히 작은 크기로 구현되어 있으므로 이러한 소형 광센서를 사용하여 본 발명의 크기를 줄일 수 있다.

상기 먼지 측정부(20)의 챔버(22)에는 공기를 흡입하기 위한 공기 펌프(30)가 연결되어 있으며, 흡입된 공기에 대한 유로 형성이 어렵도록 불규칙한 유로가 형성된 분진 믹서(25)를 그 내부에 형성할 수 있다. 상기 분진 믹서(25)는 흡입된 공기가 상기 공기 펌프(30)에 의해 빠르게 유출되는 것을 방지하여 충분한 측정 시간을 보장할 수 있도록 한다.

도 3의 구조를 통해 먼지를 흡입하여 먼지의 정도를 측정하는 방법을 보면, 먼저 일반 먼지를 측정하고자 하는 경우 상기 마이크로 밸브(11)를 열고 상기 공기 펌프(30)를 구동하여 먼지를 함유한 공기를 흡입한다. 상기 흡입된 공기는 상기 분진 필터(25)에 의해 챔버(22) 내부에 오랫동안 잔류하게 된다. 그리고, 광원부(21)에 의해 제공되는 광을 상기 광 검출부(23)에서 측정하여 먼지로인해 감소하는 광의 세기에 따른 먼지의 정도를 얻을 수 있다.

그리고, TSP를 측정하고자 하는 경우 상기 마이크로 밸브(11)를 닫은 상태로 공기 펌프(30)를 구동하면 상기 TSP 임팩터(12)를 통해서만 공기와 TSP가 흡입된다. 상기 TSP 임팩터(12)는 기 설정된 크기 이하의 TSP만을 받아들일 수 있는데, 이를 위해서 흡입면을 넓히고 실제 받아들일 수 있는 분진 입자 크기까지 점차 흡입구가 줄어드는 형태를 취하는 것이 바람직하다. 하지만 이러한 구조로 제한될 필요는 없다.

정밀한 측정을 위해서는 이전의 측정 대상 분진을 모두 배출할 수 있도록 소정의 시간 동안 측정 없이 공기를 배출한 후 측정을 실시하면 일반 먼지나 TSP의 양을 정밀하게 측정할 수 있다.

또한, 절대값으로 측정하는 것 보다는 이전에 측정된 상태에 대한 현재 측정값의 상대적인 편차를 통해 공기의 질을 파악하도록 한다면 공기 청정기나 정화기등을 효과적으로 구동시킬 수 있으며 이러한 다양한 구동 방식은 습도 센서, 가스 센서등과 같이 절대값의 측정이 어려운 경우에 이미 적용되고 있는 공지된 방식이므로 이들 중 적합한 것을 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명 일 실시예에 적용되는 TSP 임팩터(12)의 구조를 보이는 사시도 및 절단 사시도로서, 도시한 바와 같이 상기 실시예에서는 빗살형태의 구조를 가지고 있다. 하지만, 격자형이나 사선형등의 다양한 구조를 가질 수 있으므로 TSP 임팩터(12)의 기본 구조로 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

도시된 바와 같이 도 4a는 다수의 공기 흡입구가 직사각형 형태로 나열된 구조를 가지고 있다. 이를 도시된 A-A' 방향으로 절단한 것이 도 4b이며, 도시한 바와 같이 흡입면이 점점 좁아지는 구조를 가지고 있다. 이는 보다 많은 공기 중에서 원하는 크기의 TSP만을 흡입하여 실제 공기 중에 포함된 TSP의 양에 근접한 상태를 임의적으로 구현하기 위한 것이다.

상기 점점 좁아지는 구조에서 가장 좁은 부분의 폭은 측정을 원하는 TSP의 가장큰 입자 크기(예를 들어 10미크론, 2.5미크론, 1미크론)로 형성한다. 상기 TSP 임팩터(12)는 반도체 공정(벌크-마이크로 머시닝 공정)을 통해 형성되기 때문에 대단히 미세한 크기로 형성 가능하다. 이러한 반도체 공정을 통해 상기 TSP 임팩터(12)의 크기를 축소할 수 있으므로 본 발명 먼지 센서의 크기를 크게 줄일 수 있다.

도 5a 내지 도 5d는 상기 실시예에 사용된 TSP 필터의 제조 과정을 보인 것으로, 도시한 바와 같이 단순한 벌크 마이크로머시닝 공정을 통해 정밀하게 형성될 수 있다.

먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(40)의 상부 및 하부에 실리콘 질화막(Si₃N₄)을 형성하거나 실리콘 산화막을 형성하여 마스크로 사용할 마스크층(41)을 형성한다.

그 다음, 도 5b에 도시한 바와 같이 상기 실리콘 기판(40) 상부의 마스크층(41)을 패터닝하여 공기가 유입될 부분을 정의한다. 상기 패턴의 형태에 의해 TSP 임팩터의 전체적인 형태가 결정되는데, 여기서는 단순한 빗실형태로 구현하였다.

그 다음, 도 5c에 도시한 바와 같이 상기 실리콘 기판(40)을 KOH나 TMAH등의 습식 식각 용액을 이용하여 마이크로 머시닝한다. 상기 식각되면서 기울기를 가지는 측면이 형성되며, 최종적으로 식각되는 실리콘 부분의 식각폭은 원하는 TSP의 입자 크기에 따라 결정된다.

그 다음, 도 5d에 도시된 바와 같이 상기 실리콘 기판(40)의 하부에 형성된 마스크층(41)을 건식 또는 습식 식각방법으로 제거한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 먼지 센서는 일반 먼지 센서로 측정이 불가능하지만 인체에 특히 유해한 TSP를 측정하는 모드와, 입자의 크기가 큰 일반 먼지를 측정하는 모드를 모두 지원하기 때문에 기존의 먼지 센서가 측정할 수 없는 특정 크기 이하의 먼지량을 측정할 수 있을 뿐 아니라 TSP 센서가 측정 할 수 없는 특정 크기 이상의 먼지량도 측정할 수 있다. 또한, 반도체 공정을 이용하여 형성되는 구성원들(마이크로 밸브, TSP 임팩터, 반도체 광원, 반도체 수광부)을 이용하기 때문에 센서의 크기와 비용을 크게 줄일 수 있어 다양한 응용 제품에 쉽게 적용될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 부유 분진 및 일반 먼지 센서는 반도체 공정을 이용하여 미세한 먼지 입자만 선별 통과시킬 수 있는 미세한 크기의 TSP 임팩터와, 일반 먼지를 받아들일 수 있는 마이크로 펌프를 동시에 장착한 소형 챔버에서 광 산란을 이용하여 공기중 TSP와 일반 먼지의 양을 선별적으로 측정할 수 있도록 함으로써 기존의 먼지 센서로는 할 수 없는 미세 부유 먼지를 포함한 모든 먼지량의 측정을 통해 먼지와 관련한 실내 공기의 질을 정확히 평가 할 수 있도록 하며, 센서의 크기와 비용을 크게 줄여 다양한 응용 제품에 용이하게 적용시킬 수 있도록 한 뛰어난 효과가 있다.

도 1은 대기 분진의 종류별 입자 크기를 나타낸 분포도.

도 2는 본 발명 일 실시예의 구조를 나타낸 블럭도,

도 3은 본 발명 일 실시예의 단면도.

도 4는 본 발명 일 실시예의 부유분진(TSP) 임팩터 사시도 및 단면 사시도.

도 5a내지 도5d는 본 발명 일 실시예의 TSP 임팩터 제조과정을 도시한 수순단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 먼지 분류부 11: 마이크로 벨브

12: 부유분진 임팩터 20: 먼지 측정부

21: 광원부 22: 챔버

23: 광 감지부 24: 광 신호처리부

25: 분진 믹서 30: 공기 펌프

40: 실리콘 기판 41: 마스크층

Claims (8)

1. 상이한 크기의 먼지를 분류할 수 있도록 반도체 공정을 통해 형성한 부유분진 임팩터와 마이크로 벨브를 포함한 먼지 분류부와; 상기 먼지 분류부에 의해 선택된 먼지가 소정 시간 동안 머무르는 챔버와; 상기 먼지의 양을 측정하기 위한 광원 및 광 검출부를 포함한 먼지 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유 분진 및 일반 먼지 센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 먼지 측정부의 챔버에 연결되어 분진을 흡입하며 흡입되는 분진 함유 공기의 유입량을 조절하는 공기 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유 분진 및 일반 먼지 센서.
3. 제 1항에 있어서, 상기 부유분진 임팩터는 벌크-마이크로머시닝 공정을 통해 다수의 개방된 부분을 가지는 구조로 형성하며, 상기 개방된 부분의 크기는 공기가 유입되는 부분이 측정을 원하는 부유분진의 최대 입자 크기가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 부유 분진 및 일반 먼지 센서.
4. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 벨브는 공기의 유입 면적이 유출 면적보다 넓은 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 부유 분진 및 일반 먼지 센서.
5. 제 1항에 있어서, 상기 먼지 측정부에서 사용되는 광원은 레이저 다이오드, 발광 다이오드(LED), 텅스텐 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유 분진 및 일반 먼지 센서.
6. 제 1항에 있어서, 상기 먼지 측정부에서 사용되는 광 검출부는 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 부유 분진 및 일반 먼지 센서.
7. 제 1항에 있어서, 상기 먼지 측정부의 챔버는 그 내부를 반사도가 높은 물질로 일부 혹은 전부 코팅한 것을 특징으로 하는 부유 분진 및 일반 먼지 센서.
8. 제 1항에 있어서, 상기 먼지 측정부는 유입된 분진들이 내부에 잔류하는 시간을 늘리기 위하여 특정 유로 형성을 방지하는 분진 믹서를 챔버 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 부유 분진 및 일반 먼지 센서.