KR100895542B1

KR100895542B1 - 응축핵 계수기

Info

Publication number: KR100895542B1
Application number: KR1020070067518A
Authority: KR
Inventors: 안강호
Original assignee: 안강호
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2027-07-05
Also published as: EP2012108A2; US7724368B2; JP4832473B2; KR20090003021A; US20090009749A1; EP2012108A3; JP2009014727A

Abstract

본 발명은 작동유체로 물을 사용할 수 있는 응축핵 계수기를 개시한다. 본 발명은 미립자가 부유되고 있는 기체를 작동유체로 포화시켜 포화기체를 생성하는 포화기와, 포화기로부터 공급되는 미립자를 핵으로 액체방울이 생성되도록 포화기체를 응축하는 응축기와, 응축기로부터 공급되는 액체방울을 광학적으로 검출하는 광학입자 계수기로 구성된다. 응축기는 포화기와 광학입자 계수기를 연결하는 응축기 튜브를 가지며, 응축기 튜브의 내면에 포화기체의 흐름이 가능하도록 친수성 튜브가 장착되어 있다. 본 발명에 의하면, 응축기 튜브의 내측에 친수성 튜브가 장착됨으로써, 작동유체로 물을 사용할 수 있으면서도 광학적인 방법으로 미립자를 쉽고 정확하게 계측할 수 있는 효과가 있다.

Description

응축핵 계수기{CONDENSATION PARTICLE COUNTER}

본 발명은 응축핵 계수기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작동유체(Working Fluid)로 물을 사용할 수 있는 응축핵 계수기에 관한 것이다.

응축핵 계수기는 포화기, 응축기와 광학입자 계수기(Optical Particle Counter, OPC)로 구성되어 미립자의 개수와 크기를 측정하는데 많이 사용되고 있다. 응축핵 계수기의 포화기에는 에어로졸(Aerosol), 즉 미립자가 부유하고 있는 기체의 포화를 위하여 작동유체가 수용되어 있다. 작동유체는 알코올, 부탄올, 아이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol) 등 알코올계, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 등의 유기화합물이 사용되고 있다.

포화기는 히터의 가열에 의하여 주위의 온도보다 높은 온도로 유지되므로, 포화기에 수용되어 있는 작동유체는 증발된다. 미립자가 부유하고 있는 기체가 포화기에 유입되면, 기체는 작동유체에 의하여 포화되어 포화기체로 되고, 포화기체는 포화기로부터 응축기로 공급된다. 작동유체로 알코올이 사용되는 경우, 포화기의 온도는 약 35℃로 유지되며, 응축기의 온도는 약 10℃로 유지된다. 포화기체는 응축기에서 온도의 저하에 따라 과포화기체로 되고, 응축현상이 발생된다. 작동유 체증기의 응축현상은 미립자를 핵으로 일어나 액체방울이 성장되며, 성장된 액체방울은 광학입자 계수기로 공급되어 검출된다.

한편, 포화기체의 확산속도가 온도전달속도보다 빠르게 일어나면, 포화기체는 과포화되지 못한다. 즉, 포화기체는 미립자의 주위에서 응축되지 못하고, 응축기의 벽면에서만 응축이 발생된다.

그러나 종래기술의 응축핵 계수기는 작동유체로 유기화합물을 사용하고 있으므로, 인체에 유해하고, 냄새가 많이 발생되는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 인화물질인 유기화합물의 취급에 많은 어려움이 수반되고 있다. 특히, 반도체의 제조 공정에서 응축핵 계수기의 작동유체로 알코올계의 유기화합물이 사용될 경우, 유기화합물이 오염물질로 작용되어 불량의 원인이 되고 있다. 또한, 유기화합물의 작동유체는 기체에 포함되어 있는 수분을 흡수하여 장시간 사용 시 응축핵 계수기의 성능을 저하시키게 된다. 따라서 작동유체는 주기적으로 교환해야 하는 번거로운 문제가 있다.

한편, 응축핵 계수기의 작동유체는 인체에 무해하고, 냄새와 오염물질의 발생이 없는 물을 사용하는 것이 많은 장점을 갖는다. 그런데, 물의 물질전달계수, 열전달계수 등의 특성은 유기화합물과 전혀 다르다. 따라서 종래기술의 응축핵 계수기에서 물을 작동유체로 사용하게 되면, 수증기는 저온의 응축기 벽면에서만 응축이 발생되고, 미립자를 핵으로 하는 응축이 일어나지 못하여 미립자가 그대로 배 출되어 광학입자 계수기에 의하여 계수하지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 응축기 튜브의 내측에 친수성 튜브가 장착되어 작동유체로 물을 사용할 수 있는 응축핵 계수기를 제공함에 있다.

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 미립자가 부유되고 있는 기체를 작동유체로 포화시켜 포화기체를 생성하는 포화기와, 포화기로부터 공급되는 미립자를 핵으로 액체방울이 생성되도록 포화기체를 응축하는 응축기와, 응축기로부터 공급되는 액체방울을 광학적으로 검출하는 광학입자 계수기를 구비하는 응축핵 계수기에 있어서, 응축기는 포화기와 광학입자 계수기를 연결하는 응축기 튜브를 가지며, 응축기 튜브의 내측에 포화기체의 흐름이 가능하도록 친수성 튜브가 장착되어 있는 응축핵 계수기에 있다.

또한, 친수성 튜브는 산화티탄층으로 이루어지고, 작동유체는 물로 이루어지는 것에 있다.

이하, 본 발명에 따른 응축핵 계수기에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 응축핵 계수기는 미립자(P)가 부유되고 있는 기체를 작동유체로 포화시켜 포화기체를 생성하는 포화기(10), 포화기체를 응축하는 응축기(20)와 미립자(P)의 개수와 크기를 광학적으로 검출하여 산출하는 광 학입자 계수기(30)로 구성되어 있다.

포화기(10)는 작동유체(W)를 수용하는 저수지(Pool: 11)를 가지며, 저수지(11)는 에어로졸, 즉 미립자(P)가 부유되고 있는 기체가 도입되는 입구(12)와 연결되어 있다. 저수지(11)의 한쪽에 포화기체의 흐름을 유도하는 포화기 튜브(Saturator tube: 13)가 연결되어 있고, 포화기 튜브(13)는 포화기체를 배출하는 출구(14)를 갖는다. 작동유체(W)의 수위는 그 위로 기체의 흐름이 유도되도록 입구(12)와 출구(14)보다 낮게 유지되어 있다. 포화기(10)의 외측에 히터(15)가 장착되어 있으며, 히터(15)는 저수지(11)에 수용되어 있는 작동유체(W)가 증발되도록 열을 가한다. 포화기 튜브(13)의 내면에 작동유체(W)의 증발을 촉진시킬 수 있도록 저수지(11)의 작동유체(W)를 흡수하는 흡수재(16)가 부착되어 있다. 작동유체(W)는 물, 알코올계 등이 사용되며, 바람직하게는 물이 사용된다.

응축기(20)는 포화기(10)와 연결되어 있으며, 포화기(10)로부터 공급되는 미립자(P)를 핵으로 액체방울(D)이 생성되도록 포화기체를 응축한다. 응축기(20)는 포화기(10)의 출구(14)와 연결되어 있는 응축기 튜브(21)를 갖추고 있다. 응축기 튜브(Condenser tube: 21)의 외면에 응축기 튜브(21)의 온도를 강하시키는 냉각수단으로 열전냉각소자(Thermo electric cooler: 22)가 장착되어 있다. 냉각수단은 응축기 튜브(21)의 외면을 둘러싸는 쿨링챔버(Cooling chamber)와, 이 쿨링챔버에 냉매를 공급하여 응축기 튜브(21)의 온도를 강하시키는 냉동사이클(Refrigerating cycle)을 갖는 냉각장치로 구성될 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 응축기 튜브(21)의 내측에 포화기체의 흐름이 가능하도록 친수성 튜브(23)가 장착되어 있다. 친수성 튜브(23)의 장착에 의하여 작동유체(W)로 물을 사용할 수 있다. 친수성 튜브(24)는 산화티탄(TiO₂) 또는 친수성 폴리머(Polymer)로 구성될 수 있다. 또한, 친수성 튜브(24)는 그 내면이 친수성 물질, 예를 들어 산화티탄층이 코팅(Coating)에 의하여 형성되거나 플라즈마 표면개질(Plasma surface modification)에 의하여 형성될 수 있다. 플라즈마 표면개질은 잘 알려진 플라즈마 표면개질장치의 플라즈마를 이용하여 친수성 튜브(24)의 내면에 친수성 표면층을 형성한다.

도 4를 참조하면, 친수성 튜브(23)는 복수의 기공(23a)들을 갖는 다공성 튜브(Porous Tube)로 구성되어 있다. 다공성 튜브는 산화티탄, 친수성 폴리머 등으로 구성되거나 친수성-소수성을 갖는 물질, 예를 들어 제올라이트(Zeolites) 등으로 구성될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 광학입자 계수기(30)는 응축기 튜브(21)로부터 공급되는 액체방울(D)을 광학적으로 검출하여 미립자(P)의 개수와 크기를 산출한다. 광학입자 계수기(30)는 하우징(31), 광원(Light source: 32), 제1 렌즈군(33), 제2 렌즈군(34), 광검출기(Photo detector: 35)와 컴퓨터(36)로 구성되어 있다.

하우징(31)의 센싱체적(Sensing volume: 31a)은 입구(31b)와 출구(31c)에 연결되어 있으며, 하우징(31)의 입구(31b)에는 응축기 튜브(21)가 연결되어 있다. 광원(32)은 하우징(31)의 일측에 장착되어 있으며, 광원(32)으로부터 출력되는 광은 제1 렌즈군(33)을 통하여 하우징(31)의 센싱체적(31a)에 투사된다. 하우징(31)의 센싱체적(31a)에 투사되는 광은 하우징(31)의 타측에 장착되어 있는 제2 렌즈군(34)에 의하여 집광되고, 제2 렌즈군(34)을 통하여 집광되는 광은 광검출기(35)에 의하여 검출된다.

광검출기(35)는 검출되는 광의 신호를 출력하여 컴퓨터(36)에 입력한다. 컴퓨터(36)는 광검출기(35)로부터 입력되는 신호를 프로그램에 의하여 프로세싱하여 미립자(P)의 개수와 크기를 산출한다. 광검출기(35)는 액체방울(D)들의 위치 데이터를 획득하기 위하여 이미지센서, 예를 들어 전하결합소자 카메라(Charge Coupled Device, CCD camera)나 쿼드러춰 검출기(Quadrature detector)로 구성될 수 있다. 컴퓨터(36)는 광검출기(35)의 신호를 처리하여 미립자(P)의 개수와 크기를 산출하여 출력하는 신호처리기(Signal processor)로 구성될 수 있다. 하우징(31)의 출구(31c)에는 유량의 제어를 위하여 유량계(40)와 기체의 도입을 위하여 에어펌프(41)가 장착되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 응축핵 계수기에 있어서는, 포화기(10)의 저수지(11)에 작동유체(W)로 물을 수용하고, 히터(15)의 작동에 의하여 포화기(10)의 온도를 약 60~70℃로 유지하면, 물이 증발되어 수증기가 생성된다. 에어펌프(41)의 작동에 의하여 흡입력이 발생되면, 포화기(10)의 입구(12)를 통하여 저수지(11)에 미립자(P)가 부유되고 있는 기체가 도입된다. 기체는 수증기에 의하여 포화기체로 포화된 후, 출구(14)를 통하여 배출된다.

포화기(10)의 출구(14)와 연결되어 있는 응축기 튜브(21)는 열전냉각소자(22)의 작동에 의하여 포화기(10)의 온도보다 낮은 온도로 유지된다. 응축기 튜 브(21)의 온도는 작동유체로 알코올계를 사용하는 종래기술의 응축핵 계수기보다 약 10℃ 높은 온도, 즉 약 20℃로 유지된다. 따라서 기체에 부유되고 있는 미립자(P)를 핵으로 수증기가 응축되면서 액체방울(D), 즉 물방울이 생성된다. 그리고 포화기(10)의 온도를 약 60~70℃로 유지하고, 응축기 튜브(21)의 온도를 약 20℃로 유지하는 것에 의하여 액체방울(D)의 생성을 최적화할 수 있으면서도 에너지의 효율을 높일 수 있다.

응축기 튜브(21)의 내면에서 발생되는 액체방울(D)은 중력에 의하여 친수성 튜브(23)를 타고 하방으로 쉽게 흘러내리게 된다. 응축기 튜브(21)의 내면이 소수성을 갖는 경우에는, 액체방울(D)이 흘러내리지 못하면서 맺히게 된다. 응축기 튜브(21)의 내면에 맺히는 액체방울(D)은 열전달을 방해하여 응축기 튜브(21) 안의 온도 분포를 불균일하게 만든다. 따라서 응축기 튜브(21) 안에서 과포화도는 매우 불균일하게 되고, 미립자(P)를 핵으로 하는 액체방울(D)의 성장을 방해하게 된다.

도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 친수성 튜브(23)가 복수의 기공(23a)들을 갖는 다공성 튜브로 구성되어 있는 경우, 다공성 튜브의 내면을 타고 액체 방울(D)이 흘러내려 액체 방울(D)의 맺힘 현상이 방지된다. 기공(23a)들은 액체방울(D)을 흡수하여 액체방울(D)의 맺힘 현상을 효과적으로 방지한다.

도 1과 도 3를 참조하면, 액체방울(D)은 응축기 튜브(21)를 통하여 광학입자 계수기(30)의 센싱체적(31a)에 도입된 후, 센싱체적(31a)을 지나 출구(31c)를 통하여 하우징(31) 밖으로 배출된다. 광원(32)의 광은 제1 렌즈군(33)을 통하여 센싱체적(31a)에 투사되고, 광은 센싱체적(31a)을 따라 흐르는 액체방울(D)에 의하여 산 란된다. 액체방울(D)에 의하여 산란되는 산란광은 제2 렌즈군(34)을 통하여 광검출기(35)에 보내지고, 광검출기(35)는 광을 검출하여 신호를 출력한다. 컴퓨터(36)는 광검출기(35)로부터 입력되는 신호를 프로그램에 의하여 프로세싱하여 미립자(P)의 개수와 크기를 산출하고, 산출되는 미립자(P)의 개수와 크기를 모니터 등의 디스플레이에 표시한다. 하우징(31)의 출구(31c)를 통하여 밖으로 배출되는 미립자(P)와 액체방울(D)은 필터의 필터링에 의하여 제거한다.

한편, 본 발명의 응축핵 계수기와 종래기술의 응축핵 계수기 각각에 대하여 성능 실험을 실시하여 도 5의 그래프에 나타냈다. 본 발명의 응축핵 계수기는 종래기술의 응축핵 계수기에서 응축기 튜브의 내면에 친수성 튜브으로 산화티탄층이 형성된 것이다. 본 발명의 응축핵 계수기에는 작동유체로 물이 사용되었으며, 종래기술의 응축핵 계수기에는 작용유체로 부탄올이 사용되었다. 도 5의 그래프를 보면, 직경(D_p)이 20nm, 40nm, 60nm인 미립자의 농도가 10,000개/cm³까지는 본 발명의 응축핵 계수기와 종래기술의 응축핵 계수기 각각에 의하여 미립자의 개수를 측정한 결과가 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 응축핵 계수기와 종래기술의 응축핵 계수기 각각에 의하여 미립자의 개수를 측정한 결과는 이론적 직선(Theoritical line)에 거의 일치하는 것을 알 수 있다.

본 발명의 응축핵 계수기와 종래기술의 응축핵 계수기 모두에 작용유체로 물을 사용한 성능 실험을 실시하여 도 6과 도 7의 그래프에 나타냈다. 도 6의 그래프는 유량(Flow rate)이 1.0lpm(liter per minute)인 에어로졸에 대하여 직경(D_p)이 20nm, 40nm, 60nm인 미립자에 대하여 측정한 결과를 나타냈다. 도 7의 그래프는 에어로졸의 유량을 1.0lpm, 0.8lpm, 0.5lpm, 0.3lpm으로 각각 다르게 하여 측정한 결과를 나타냈다. 도 6과 도 7의 그래프를 보면, 본 발명의 응축핵 계수기에 의하여 얻어지는 이론적 직선에 대하여 종래기술의 응축핵 계수기는 그 미립자의 계수 효율이 약 10%로 매우 낮은 것을 알 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 응축핵 계수기에 의하면, 응축기 튜브의 내면에 친수성 물질이 코팅 또는 플라즈마 표면개질에 의하여 형성됨으로써, 작동유체로 물을 사용할 수 있으면서도 광학적인 방법으로 미립자를 쉽고 정확하게 계측할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 응축핵 계수기의 구성을 나타낸 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 응축핵 계수기의 응축기 튜브 안에 친수성 튜브가 장착되어 있는 구성을 나타낸 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 응축핵 계수기의 응축기 튜브 안에서 미립자를 핵으로 액체방울이 생성되는 상태를 확대하여 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 응축핵 계수기에서 친수성 튜브의 예로 다공성 튜브가 장착되어 있는 구성을 나타낸 단면도,

도 5는 본 발명의 응축핵 계수기와 종래기술의 응축핵 계수기에 대한 성능 설험의 결과를 나타낸 그래프,

도 6과 도 7은 본 발명의 응축핵 계수기와 물을 작동유체로 사용한 종래기술의 응축핵 계수기에 대한 성능 실험의 결과를 나타낸 그래프들이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 포화기 11: 저수지

13: 포화기 튜브 15: 히터

20: 응축기 21: 응축기 튜브

22: 열전냉각소자 23: 친수성 튜브

30: 광학입자 계수기 31: 하우징

32: 광원 35: 광검출기

36: 컴퓨터 D: 액체방울

P: 미립자 W: 작동유체

Claims

미립자가 부유되고 있는 기체를 작동유체로 포화시켜 포화기체를 생성하는 포화기와, 상기 포화기로부터 공급되는 상기 미립자를 핵으로 액체방울이 생성되도록 상기 포화기체를 응축하는 응축기와, 상기 응축기로부터 공급되는 상기 액체방울을 광학적으로 검출하는 광학입자 계수기를 구비하는 응축핵 계수기에 있어서,

상기 응축기는 상기 포화기와 상기 광학입자 계수기를 연결하는 응축기 튜브를 가지며, 상기 응축기 튜브의 내면에 상기 포화기체의 흐름이 가능하도록 친수성 튜브가 장착되어 있는 응축핵 계수기.
제 1 항에 있어서, 상기 친수성 튜브는 복수의 기공들을 갖는 다공성 튜브로 이루어지는 응축핵 계수기.
제 2 항에 있어서, 상기 친수성 튜브는 산화티탄, 친수성 폴리머 중 어느 하나로 이루어지는 응축핵 계수기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 작동유체는 물로 이루어지는 응축핵 계수기.
제 4 항에 있어서, 상기 포화기의 온도는 상기 물의 증발을 위하여 60~70℃로 유지되어 있으며, 상기 응축기의 온도는 수증기의 응축을 위하여 20℃로 유지되어 있는 응축핵 계수기.