1. 서 론

 실내공간에서 중요하게 다루어지는 공기 오염 물질로는 휘발성유기화합물(VOCs, volatile organic compounds), 입자, 바이오에어로졸 등이 있으며(환경부, 2004), 저렴하며 효과적으로 공기 오염 물질을 측정하고자 하는 요구가 증가하고 있다(Seinfeld and Pandis, 2006). 공기 중의 입자는 기관지 및 심폐에 질환을 일으킬 수 있으며, 이러한 이유로 대기 중의 입자 농도 측정에 관한 연구가 세계적으로 진행 중에 있다(신동천, 2007). 광학을 이용하여 실시간 공기 중 입자를 측정하는 센서에 대한 연구는 활발히 진행되고 있으며, 이미 상용화가 되어 있어 많은 분야에서 사용되고 있다. 광학을 이용하여 입자를 측정하는 방법으로는 광학적 공기역학(optical aerodynamics)을 이용하여 입자의 완충시간(relaxation time)을 측정하거나, 광원에 대한 입자의 산란 크기를 이용하는 방법, 입자의 산란과 흡수 비율에 따른 측정법, 빛의 위상을 측정하는 방법 등이 있다(Son et al., 1991). 대기중의 입자 측정을 위해 많은 연구에서 TSI사의 APS(aerodynamic particle sizer)나 Grimm사의 Aerosol Spectrometer 등이 사용되고 있다. 하지만 위의 장비들은 정밀 측정이 가능하나, 고가의 가격이며, 부피가 커 휴대성이 떨어진다. 그에 반해 상대적으로 저가인 먼지 센서는 부피가 작아 휴대성이 용이하며, 1㎛ 이상의 입자 농도를 ppm 단위로 보여준다. 그러나 입자의 자세한 크기 정보를 알아 볼 수는 없다.

공기 중의 입자를 포집 및 분리하기 위해 가상면 임팩터(virtual impactor)가 사용되어 왔으며, 이에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. Marple and Chien (1980)은 가상면 임팩터의 이론적 연구를 수행하여, 레이놀즈수(Reynolds number)와 노즐의 너비, 노즐과 수집 프로브(collection probe)와의 거리 등의 영향에 따른 입자의 포집 효율(collection efficiency)에 대한 연구를 수행하였다. Ding and Koutrakis (2000)는 슬릿노즐(slit nozzle)을 이용한 가상면 임팩터에 대해 연구하였다. 임팩터에 유입되는 유량 변화와 임팩터의 형상 변화에 따른 슬릿노즐형 가상면 임팩터의 포집효율, 벽면손실 특성을 실험적으로 살펴보았다. Kim et al. (2007)은 넓은 범위의 입자 분리를 위해 3개의 노즐을 사용하여 6㎛ , 2㎛, 200nm의 입자를 분리하는 다단 가상면 임팩터를 제작 및 평가하였다. MEMS 공정을 이용해 임팩터를 제작하였으며, 실험을 통해 제작된 임팩터가 4.8㎛, 1.9㎛, 135nm의 분리 입경(cut-diameter)를 가지는 것을 확인하였다. Lim and Lee (2006)은 가상면 임팩터와 코로나 하전장치를 이용해 미세입자를 측정하는 연구를 진행하였다. 550nm의 분리 입경을 가지는 가상면 임팩터를 이용해 550nm 이하의 입자를 분리하였으며, 분리된 입자를 하전 및 포집하여, 포집부의 전류량 변화를 통해 입자의 수농도를 예측하였다. 

본 연구에서는 설계 및 제작한 가상면 임팩터와 상용 먼지 센서를 이용하여, PM2.5의 수농도 및 질량농도를 측정하는 센서 모듈을 개발하였다. PM2.5 측정을 위해 유입되는 입자를 크기별로 분리하는 3단 가상면 임팩터를 제작 하였다. 임팩터 각단의 주 유동(major flow) 채널과 부 유동(minor flow) 채널에 먼지 센서와 유량 펌프를 설치하여 크기별로 분리된 입자의 농도를 측정하였다. 먼지 센서의 측정값을 수농도로 환산하는 실험을 진행하여 환산식을 도출 하였으며, 임팩터의 성능 및 벽면 손실에 의한 입자의 수농도 감소를 보정하기 위한 실험을 진행하였다. 실험 공간 내부의 입자의 수농도 및 질량농도를 APS와 제작된 센서 모듈을 이용해 측정 및 비교 평가하였다. 

2. 실험 및 설계 방법

2.1 가상면 임팩터 설계 및 성능 평가

 가상면 임팩터는 관성력을 이용해 입자를 분류하는 장치로, 그 원리를 Fig. 1에 나타냈다. 노즐을 이용해 임팩터로 유입된 유체를 가속 시키고, 유동 방향과 같은 방향에 부 유동(mi-nor) 채널, 유동 방향과 수직 방향에 주 유동(major) 채널을 둔다. 일반적인 가상면 임팩터는 주 유동 채널에 다량의 유량, 부 유동 채널에 소량의 유량을 흘려주어 유선을 90도로 구부린다. 가속된 유체 내부의 입자들 중 큰 입경의 입자는, 유선을 따라 움직이지 않고 부 유동 채널로 빠져 나가며, 작은 입자는 유선을 타고 주유동 채널로 빠져 나가 서로 분리되게 된다. 이때, 부 유동 채널과 주 유동 채널로 빠져 나가는 입자의 수가 동일한 입자의 입경을 분리 입경(cut-off diameter, d_p,50)이라 한다. 임팩터의 분리 입경은, 분리 입경에서의 입자의 스톡스수(Stokes' number, Stk₅₀), 노즐의 너비(W), 노즐에서의 유체의 속도, 주 유동 채널과 부 유동 채널의 유량비, 임팩터의 형상에 의해 결정된다.

Figure 1. Concept & Geometry of virtual mpactor.

본 연구에서는 부유하는 입자를 입경별로 분류하기 위해 3개의 노즐을 가지는 가상면 임팩터를 제작하였다. PM2.5 측정을 위하여 각 노즐에서의 분리 입경은 각각 1.5㎛ , 2.0㎛ , 2.5㎛ 로 선정하였다. 가상면 임팩터에서 노즐의 너비는 분리 입경과, 분리 입경에서의 입자의 스톡스수를 통해 산출할 수 있으며, 사각 노즐 가상면 임팩터에서 아래의 수식을 통해 계산 할 수 있다. 

여기서 Pp는 입자의 밀도(particle density), μ는 유체의 점성계수(dynamic viscosity constant), Q는 유량(volumetric flow rate), L은 임팩터의 높이(length)이다. C_c 는 미끄럼 보정계수(slip-correc-tion factor)로 아래의 수식을 통해 계산된다(Hinds, 1999).

여기서, λ는 평균자유행정(mean free path), dp는 입자의 직경(particle diameter)이다. 본 연구에서는 각각의 분리입경을 가지는 노즐의 너비를 결정하기 위해 각 단의 임팩터를 독립적으로 설계하였으며, 입자의 입경을 공기역학경(aerodynamic diameter, Pp=1g/cc), 임팩터로 유입되는 유체의 유량을 10 lpm, 노즐의 높이를 1mm로 선정하였다. 각 단에서 노즐과 부 유동채널과의 거리(S)는 노즐 너비의 1.5배로 하였으며, 각 단에서 주 유동 채널과 부 유동 채널의 유량 비는 9:1, 8:1, 7:1로 하였다. 분리 입경에서의 입자의 스톡스수 선정을 위해서는 반복 계산을 수행하였으며, 다음과 같은 절차를 따랐다. (1) 초기의 스톡스수를 일반적인 사각 노즐에서의 값인 0.59로 선정하여(Hinds, 1999), 1.5㎛, 2.0㎛, 2.5㎛ 의 분리 입경을 가지는 노즐의 너비를 수식 1과 2를 이용해 산출하였다. (2) 산출된 노즐의 너비를 이용해 각각의 노즐의 너비를 가지는 임팩터에서의 유동 및 입자의 거동을 CFD(computational fluid dynamics) 해석하였다. 이때, 입경 0.1㎛ ~ 4.0㎛ 의 입자의 거동을 해석하였다. (3) 수식 3을 이용해 임팩터의 포집 효율(collection efficiency) 및 분리 입경을 구하였다. (4) 산출된 분리입경(CFD 해석 결과에 의해 구해진 분리 입경)과 해석에 사용된 노즐의 너비를 이용하여 스톡스수를 산출하였다. (5) 계산된 스톡스수를 이용해, 1.5㎛ , 2.0㎛ , 2.5㎛의 분리 입경을 가지는 노즐의 너비를 수식 1과 2를 이용해 재산출하였다. (6) 재산출된 노즐의 너비를 가지는 임팩터에서의 유동 및 입자 거동을 CFD 해석하여, 수식 3을 통해 임팩터의 포집 효율 및 분리 입경을 살펴보았다. (7)새로 해석된 임팩터가 원하는 분리입경(1.5㎛ ,2.0㎛ , 2.5㎛ )을 가질 때 까지 (1)~(6) 단계를 반복 수행하였다. 

여기서, η_eff 는 입자 분리 효율, N_major는 주 유동 채널을 통과하는 입자의 수, N_minor 는 부 유동 채널을 통과하는 입자의 수이다. 유동해석을 위해, 각각의 노즐 너비를 가지는 임팩터 형상 및 격자(mesh)를 상용 소프트웨어인 GAMBIT(2.3.16, Fluent Inc.)을 이용하여 생성하였다(Fig. 1). 임팩터 내부의 유동 및 입자 거동해석은 상용 소프트웨어인 FLUENT(6.3.26, Fluent Inc.)를 이용하였다. 유동 해석을 위해 연속 방정식(continuity equation)과 운동량 보존 방정식(momentum conservation equation)을 사용하였으며, 입자 거동은 DPM(discrete phase model)을 이용하여 운동 방정식(equation of motion of a particle)을 해석하였다. 해석에 사용한 지배 방정식을 아래에 나타냈다. 

연속 방정식:  

운동량 보존 방정식:


입자 운동 방정식:

이때, 는 유체의 밀도(fluid density), 는 유체 속도 벡터(fluid velocity vector), μ_eff는 유효점성계수(effective viscosity), p는 평균정압(mean static pressure),  는 입자 속도 벡터(particle velocity vector), 는 중력가속도 벡터(gravitational
acceleration)이다. 유속과 압력의 커플링은 SIMPLEC 알고리즘, 난류 모델로는 standard κ-ε RNG model을 사용하였다. 유동 해석을 위해 주유동 채널과 부 유동 채널의 경계조건(boundary condition)은 velocity outlet 조건을 사용하였으며, 해당 채널에서의 유량과 단면적을 나누어 유속을 계산하였다. 유동의 유입부(inlet channel)에서의 경계조건은 pressure inlet으로 설정하였으며, 베르누이식(Bernoulli equation)을 이용해 동압(dynamic pressure,  P = pv² / 2)을 계산하여 사용하였다. 해석 격자(mesh)의 개수는 약 50,000개 이였으며, 사용된 경계조건을 Table 1에 정리하였다. 

Table. 1. Boundary Conditions for CFD analysis.

독립적으로 설계한 노즐의 너비를 이용해 3개의 노즐을 가지는 3단 가상면 임팩터를 제작 하였다(Fig. 2). 1단에 분리 입경 2.5㎛ 을 가지는 노즐(W_2.5)을 설치하여 입경 2.5㎛ 이상의 입자를 부 유동 채널(Minor1)로, 입경 2.5㎛ 이하의 입자를 주 유동 채널(Major1)로 분리하도록 하였다. 1단의 주 유동 채널의 입자는 분리 입경 2.0㎛ 을 가지는 노즐(W_2.0)로 유입되며, 주유동 채널(Major2)에 입경 2.0㎛ 이하의 입자, 부 유동 채널(Minor2)에 입경 2.0~2.5㎛ 의 입자가 분리 된다. 2단의 주 유동 채널의 입자는 분리 입경 1.5㎛ 을 가지는 노즐(W_1.5)로 유입되어, 주 유동 채널(Major3)에 입경 1.5㎛ 이하의 입자, 부 유동 채널(Minor3)에 입경 1.5~2.0㎛ 의 입자가 분리된다. 3단 가상면 임팩터는 열강화성 수지(bakelite)를 이용해 제작하였으며, 유동의 누설을 막기 위한 PVC(polyvinyl chloride)와 덮개(투명 아크릴)로 구성되어있다.

Figure 2. 3-stage virtual impactor; (a)geometry, (b)packaging components,(c)packaged 3-stage virtual impactor

제작된 3단 가상면 임팩터의 성능을 평가하기 위해 다음과 같은 실험을 진행하였다 (Fig. 3). 실험 입자는 다분산 입자 발생 장치(CMAG, Condensation monodisperse aerosol gen-erator, 3475, TSI)를 이용하여 발생시켰다. 다분산 입자 발생 장치의 작동 원리는 다음과 같다. 장치 내부로 유입된 질소 가스는 NaCl 용액이 있는 Collison nebulizer로 유입되며, 액적을 생성한다. 생성된 액적은 미스트 방지기(mist arrest-or)와 확산 건조장치(diffusion dryer)를 거치며 건조된다. 건조된 기체 중 일부 유량은 우회 밸브(bypass valve)를 통해 우회하여 재열기(reheater)로 유입되며, 일부 유량은 DEHS(diethylhexyl seba-cate)가 담겨있는 가열된 버블러(heated bubbler)로 유입된다. 가열된 버블러로 유입된 기체는 기화된 DEHS와 함께 재열기로 유입되며, 우회가스와 혼합 및 기화된다. 기화된 가스는 유동을 타고 흐르며 응축된다. 이때, NaCl을 응축핵으로 가지는 DEHS 다분산 입자가 생성된다(TSI Inc., 2000). 본 연구에서는 질소 3lpm을 다분산 입자 발생기에 유입시켜 입자를 발생시켰다. 이때, 다분산 입자 발생 장치 내부의 응축기로 유입되는 질소의 유량(saturator bypass flow rate)과 스크린 우회 유량(screen bypass flow rate)을 조절하여 발생되는 입자의 최빈 입경(mode diameter)을 결정하였으며, 본 실험에서는 최빈 입경이 1.5㎛ , 2.0㎛ , 2.5㎛ 인 입자를 사용하였다. 발생된 입자는 HEPA(high efficiency particulate air) 필터를 거친 청정한 보호공기(sheath air)와 함께 제작된 임팩터로 유입되며, 각 단의 노즐에 의해 가속 및 분리된다. 각 채널로 빠져나온 입자의 수농도를 APS(3321, TSI)를 이용해 측정하였으며, 아래의 수식을 통해 분리 효율과 분리 입경을 산출하였다. 이때, 임팩터 1단, 2단의 부 유동 채널과, 3단의 주 유동 및 부 유동 채널에 소형 펌프를 설치하여 임팩터 내부의 유동을 형성하였으며, 각 단에서의 분리 입경이 1.5㎛ , 2.0㎛ , 2.5㎛ 가 되도록 소형펌프의 유량을 조절하였다. 

Figure 3. Experimental setup for performance test of 3-stage virtual impactor.

여기서, η는 임팩터의 입자 분리 효율, C는 입경별 입자의 수농도를 나타내며, 하첨자 major, minor는 각각 주 유동 채널, 부 유동 채널, 하첨자 1, 2, 3은 각 단을 의미한다. 

2.2 먼지 센서를 이용한 부유 입자 수농도

입자의 수농도 측정을 위해 최소 측정 입자 크기 1.0㎛, 최대 입자 측정 농도 2.0mg/m³인 상용 먼지 센서(PSX-01E, NIDS Inc.)를 사용하였다. 입자의 수농도 측정을 위해서는 센서에서 출력되는 데이터와 입자 수농도의 상관관계를 알아야 한다. 본 연구에서 사용되는 상용 먼지 센서의 출력 데이터를 입자의 수농도로 변환하기 위한 실험을 진행하였으며, 다음과 같은 방법으로 실험을 진행하였다(Fig. 4). 오일트랩(oil trap), 확산건조기(diffusion dryer), 헤파(HEPA; high efficiency particulate air) 필터로 구성된 청정공기 공급 시스템(clean air supply system)을 통과한 청정 압축 공기를 분무발생장치(single jet atomizer, 9302, TSI)에 공급하여 입자를 발생 시킨다. 발생된 입자는 확산건조기를 통과하며 건조된 후, 청정공기와 함께 실험 챔버로 유입된다. 분무발생장치와 청정공기의 유량을 유량계로 조절하여, 실험 챔버 내부의 입자의 농도를 변화시키며 시간의 변화에 따른 실험 챔버내의 입자의 농도를 APS와 센서를 이용해 측정 하였다. 3대의 센서를 개별적으로 평가하였으며, 이때, 각각의 센서 후단에 소형 펌프를 설치하여, Sensor1, Sensor2, Sensor3 에서의 유량을 각각 실험 2.1의 수행 결과인 임팩터의 2단부 유동 채널에서 유량, 임팩터의 3단 부 유동 채널에서 유량, 임팩터의 3단 주 유동 채널에서의 유량으로 제어하였다. 발생 입자로는 입경 1.5㎛인 PSL(polystyrene latex)입자를 사용하였다. 본 연구에서 사용된 상용 먼지 센서는, 입경 1㎛ 이상의 입자의 유무에 따라 데이터를 출력하는 광산란식 측정장비로, 테스트 입자의 크기는 센서의 출력 데이터와 입자 수농도의 상관관계에 영향을 미치지 않는다. 실험 챔버는 아크릴로 제작하였으며, 1개의 입자 유입구, 1개의 샘플링 포트, 1개의 배출구로 구성되어 있으며 크기는 43 × 43 × 44 m³ 이다.

Figure 4. Experimental setup for calibration of dust sensors.

2.3 보정계수 산출 및 센서 모듈 성능 평가

제작된 3단 가상면 임팩터와 3대의 센서, 4대의 소형 펌프를 사용하여 센서 모듈을 제작하였다. 임팩터 2단의 부 유동 채널에 Sensor1을, 3단의 부 유동 채널에 Sensor2를, 3단의 주 유동채널에 Sensor3을 설치하였으며, 각 센서의 후단 및 1단의 부 유동 채널에 소형 펌프를 설치하여 각 채널에서의 유량을 실험 2.1에서 결정된 유량으로 제어하였다. 가상면 임팩터에 의해 크기별로 분리된 입자의 수농도는 임팩터의 분류 성능 및 벽면 침착에 그 값이 변화될 수 있다. 임팩터의 후단에서 측정된 입자의 수농도를 이용해 공기 중의 입자의 수농도 및 질량농도를 평가하기 위해서, 아래와 같은 방법의 실험을 진행하였다(Fig. 5). MFC(mass flow controller)를 이용해 다분산 입자 발생 장치에 질소 가스 5lpm을 유입하여 DEHS 입자를 발생시켜 크기 300 × 400 × 230 m³인 실험 공간 내에 가득 체웠다. 실험 공간 내부에 입자의 입경별 수농도를 APS와 3단 가상면 임팩터, 센서, 소형 펌프로 구성된 센서 모듈을 이용해 측정하였다. 

Figure 5. Experimental setup for performance test of the sensor module.

3. 결과 및 토의

3.1 가상면 임팩터의 성능 평가

CFD를 통한 반복계산의 결과 각 단에서의 노즐의 너비는 2.0mm, 1.5mm, 1.1mm 일 때 선정한 분리 입경을 얻을 것으로 예측되었으며, 제작된 3단 가상면 임팩터의 치수를 Table 2와 같이 선정하였다. 3단 가상면 임팩터의 입경별 분리 효율을 CFD 해석 및 실험을 통해 산출하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타냈다. 실험결과, 1단의 부 유동 채널, 2단의 부 유동 채널, 3단의 주 유동 및 부 유동 채널의 유량을 각각 2.5lpm, 1.5lpm, 3.5lpm, 8lpm으로 설정 하였을 때, 제작된 임팩터 분리 입경의 크기는 1단에서 2.57㎛ , 2단에서 2.04㎛ , 3단에서 1.57㎛ 로 나타났다. 원하는 분류 입경을 가지는 임팩터의 유량 조건은 CFD 해석에서 예측한 값(Table 1 참조)과 차이를 보였다. 또한, 임팩터 각 단의 스톡스 수는 각각 2.619, 2.46, 2.397로, CFD 해석 결과인 1.599, 1.637, 1.522와 차이를 보였다. CFD 해석은 노즐 너비 산출을 위해 각 단을 독립적으로 해석하였으며, 1단에서 발단된 유동이 2단과 3단의 유동 형성에 미치는 영향, 2단에서의 유동이 3단의 유동 형성에 미치는 영향이 고려되지 않았다. 또한, 임팩터의 분리 효율은 노즐에서의 입자의 위치에 영향을 받을 수 있다(Hari and Hassan, 2008). 제작된 3단 가상면 임팩터에서, 1단의 주 유동 채널을 지나 2단의 노즐로 유입되는 입자와 2단의 주 유동 채널을 지나 3단의 노즐로 유입되는 입자가, 복잡한 형상의 유로를 통과하며 2단 및 3단 노즐의 전면에 고르게 유입되지 못하고, 노즐의 특정 위치로 치우쳤을 것으로 판단된다. 이러한 이유들로 인하여 실험 결과와 CFD 해석 결과의 오차가 유발 했을 것으로 판단되며, 본 연구에서는 임팩터 각 채널에서의 유량을 실험에 의해 선정된 값으로 사용하였다. 

Table 2. Summary of geometrical details

Figure 6. collection efficiency curve of the 3-stage virtual impactor.

3.2 먼지 센서를 이용한 부유 입자 수농도

Fig. 7에 각 센서에서의 데이터와 APS 데이터의 상관관계를 나타냈다. 시간에 따라 변하는 입자의 수농도에 대하여, 각각의 센서 모듈로 측정한 데이터와 APS로 측정된 데이터가 매우 유사한 경향성을 띄며 변하는 것을 확인하였다. 센서의 데이터는 APS데이터와 선형적인 관계를 나타내는 것을 확인하였으며, 아래 수식을 통해 각각의 센서 데이터를 입자의 수농도로 환산할 수 있다. 

Figure 7. The correlation between APS number concentrations and sensors data in the test chamber though time; (a)sensor1, (b)sensor2, (c)sensor3.

여기서 X_sensor1, X_sensor2, X_sensor3은 각각의 센서에서의 측정 데이터, A_2.0-2.5, A_1.5-2.0, A_1.0-1.5는 APS를 이용한 센서 데이터의 수농도로 환산값으로, 하첨자는 입경 범위이다. 

3.3 보정계수 산출 및 센서 모듈 성능 평가

제작된 3단 가상면 임팩터 및 3대의 센서, 4대의 소형 펌프로 구성된 센서 모듈을 이용하여 실험 공간의 입자의 수농도를 측정한 후, 식 10~12를 이용해 각 입경별 입자의 수농도로 환산하였다. 환산된 수농도를 APS 데이터와 비교하여, 가상면 임팩터를 통과하며 변화된 입자의 수농도를 보정하는 보정계수를 아래의 수식으로 산출하였다.

여기서, α는 보정계수, APS는 APS를 이용해 측정한 입자의 수농도, 하첨자는 입경 범위를 의미한다. 측정된 데이터를 이용해 보정값을 산출하였다. 입경이 2.0㎛ ~2.5㎛ 의 입자는, 보정계수(α_2.0-2.5)가 0.4로, 센서 모듈을 이용해 측정한 수농도가 APS를 이용해 측정한 수농도 보다 높게 나타났으나, 1.5㎛ ~2.0㎛ , 1.0㎛ ~1.5㎛ 범위의 입자는 보정계수(α_1.5-2.0, α_1.0-1.5)가 각각 3.25, 16.35로 APS를 이용해 측정한 수농도가 더 높게 나타났다. 각각의 입경 범위를 측정하기 위해 센서에 유입되는 유량은 1.5lpm, 3.5lpm, 8lpm 이였으며, 센서에 유입되는 유량이 클수록 보정계수의 크기가 더 커지는 경향을 보였다. 또한, 임팩터의 1단에서 측정되는 2.0㎛~2.5㎛ 입경 범위의 입자에 비해, 2단, 3단에서 측정되는 1.5㎛ ~2.0㎛ , 1.0㎛ ~1.5㎛ 범위의 입자들의 보정계수가 더 크게 나타났다. 보정계수가 크다는 것은 센서 모듈 데이터와 APS 데이터의 차이가 크다는 것을 의미하며, 이러한 오차 원인은 고유량에 의한 센서 정밀도 감소 및 임팩터 내부에서의 입자 손실로 판단된다.

환산식과 보정계수를 이용하여, PM2.5의 수 농도를 각 구간별 입자의 수농도로 표현할 수 있다(Fig. 8-a). 또한, 각 구간의 대표 입경을 결정하면, 측정된 수농도를 이용해 질량 농도를 아래 수식을 통해 산출할 수 있다(Fig. 8-b). 

Figure 8. (a)particle number concentration and (b)particle mass concentration of the test room.

여기서, d*는 각 구간의 대표 입경으로, 본 연구에서는 를 각각 2.24, 1.62, 1.22로 선정하였다. 센서 모듈에 의해 측정된 실내 공간의 입자의 농도 값과 APS에 의해 측정된 농도는 각 구간에 대해 유사한 값을 나타내는 것을 확인하였다. 개발된 센서 모듈을 이용한 PM2.5 측정 시, 수농도는 최대 9.22%, 질량 농도는 최대 12.63%의 오차를 보였다. 

4. 결 론

본 연구에서는 3단 가상면 임팩터를 이용하여, 실내 입자의 수농도 및 질량 농도를 측정하는 센서 모듈을 개발하였다. 3단 가상면 임팩터 설계를 위해 CFD 해석을 통한 유동 및 입자 해석을 수행하였다. 대기 중 PM2.5 수농도 및 질량농도 측정을 위해 임팩터로 유입되는 입자를 각각 1.0㎛∼1.5㎛, 1.5㎛∼2.0㎛, 2.0㎛∼2.5㎛의 입경 범위로 분리하도록 설계 및 제작하였으며, 실험을 통해 제작된 임팩터의 성능을 평가하였다. 고성능 입자 측정 장비인 APS와 본 연구에서 사용된 센서의 출력 신호를 비교하는 실험을 수행하였으며, 실험 결과를 이용해 센서의 출력 신호를 입자의 수농도로 환산하는 환산식을 도출하였다. 임팩터 벽면에서의 입자 침착 등에 의해 발생될 수 있는 센서에서의 수농도 변화를 보정하기위한 실험을 진행하였다. 개발된 센서 모듈을 이용해 실험 공간 내부의 공기 중 PM2.5의 수농도 및 질량 농도를 측정하여 APS의 측정결과와 비교했다. 개발된 센서 모듈의 데이터는 APS 데이터와 비교하여 매우 유사한 결과를 보였으며, 수농도는 최대 9.22%, 질량 농도는 최대 12.63%의 오차를 보였다. 본 연구의 결과는 다수의 센서를 사용하여 실내 공기 질을 측정하는 USN(ubiquitous sensor network) 시스템 및 소형의 입자 센서를 요구하는 환경에 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 또한, MEMS 공정 등을 이용한 마이크로 채널(microchannel) 설계와 수광소자의 성능 향상 등을 통해 센서 모듈의 정확도 향상 및 소형화를 이룰 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgments

This research is supported by Korean Ministry of Environment as “The Eco-Innovation project”(402-111-005).