[논문]광학입자센서 내 유동장과 측정영역이 측정효율에 미치는 영향

김영길; 전기수; 김태성

문제 정의

성능은 사용되는 광 소스 출력, 광 소스 집속과 관련된 렌즈 광학계, 광학 챔버 형상과 유량, 검출기의 민감성 등에 의해 영향을 받는다⁽²⁾ . 본 연구에서는 광학 챔버 형상과 유량에 초점을 두고 챔버 형상을 모델링하여 유동 특성을 평가하였으며, 그에 따른 측정영역을 구하였다. 이를 통해 광학입자센서 내에서 측정영역과 유동장이 측정효율에 미치는 영향을 규명하였다.
본 연구에서는 광학입자센서 내 유동장과 측정 영역이 측정효율에 미치는 영향을 보기 위하여 HCT 의 시 제작품을 기본 모델로 사용하였으며, 기본 모델을 바탕으로 챔버형상을 변화시켰다.
본 연구에서는 광학입자센서 내에서 유동장과 측정영역이 측정효율에 미치는 영향에 대해서 수치적으로 연구하였다. 해석 결과로부터 측정시간을 구하여 측정효율 미치는 영향에 대해 고찰하였고, 측정영역을 구하여 측정효율을 확인하였다.
본 연구에서는 광학 챔버 형상과 유량에 초점을 두고 챔버 형상을 모델링하여 유동 특성을 평가하였으며, 그에 따른 측정영역을 구하였다. 이를 통해 광학입자센서 내에서 측정영역과 유동장이 측정효율에 미치는 영향을 규명하였다.

가설 설정

3) 측정효율을 높이기 위해서는 입자 빔 크기를 작게하여 입자 빔을 형성시켜야 한다. 하지만 형성되는 입자 빔은 속도가 빨라지기 때문에 photodector 민감도에 따라 측정효율이 감소할 수도 있다는 것을 확인하였다.
출구에서 출구면에 수직한 -y 방향으로 펌프에 의해 일정한 유속의 공기가 유출되며, 입구면에서는 출구 유속에 따라 자연스럽게 형성이 된다. 벽면은 no-slip 이며, 벽면에 부딪힌 입자는 모두 붙는 것으로 가정한다. 모델형상에 관계없이 출구면에서 유출되는 공기유량은 동일한 조건으로 해석을 수행하였다.

제안 방법

1) 챔버형상에 따른 측정영역의 변화를 확인하였다. 측정영역은 입자 빔 크기에 영향을 많이 받는 것을 확인하였으며, 입자 빔 크기가 작을수록 측정영역은 작아지지만 측정효율은 높아지는 것을 확인하였다.
2) 챔버형상에 따른 유동장의 변화를 확인하였다. 노즐직경에 따라 측정영역에서 속도가 달라지는 것을 확인하였고, 출구직경보다는 노즐직경에 의한 영향이 큰 것을 확인하였다.
격자계 구성은 해석대상인 입자 빔의 변화를 살펴보기 위해서 입구에서 출구까지 y 축 방향의 조밀한 사각격자를 구성하였으며, 입자 빔이 영향을 미치지 않을 것으로 예상되는 영역은 상대적으로 큰 격자를 구성하였다. 그 결과 유동해석을 위해서 사용된 격자 수는 약 540,000 개이며, Fig.
광학계 해석을 위해 ZEMAX 를 이용하여 렌즈 데이터를 입력하였으며, 렌즈 면을 따라 순차적으로 시뮬레이션이 진행되는 sequential mode 를 사용하였고, 렌즈에서 발생하는 산란은 무시하였다. 빛은 cone angle 을 통해 특정 각도를 지정하여 입사시켰으며, 단파장 658 nm 가시광선 영역을 사용하였다.
광학입자센서 내에서 유동장과 측정범위가 측정효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 세가지 챔버 형상에 대하여 각각 유동장과 측정영역의 특성을 파악하였다.
광학입자센서 챔버 내 유동영역에 해당하는 부분은 Fig. 1 에서 r1, r2, r3, D 로 나타내는 영역으로 D 는 광학모듈의 반사경에 해당하기 때문에 변하지 않으며, 입구와 출구직경인 r₁, r₂, r₃ 에 따라 다른 형상을 모델링하였다. 총 3 가지의 경우로 모델링 하였으며, Table 1 과 같다.
빛은 cone angle 을 통해 특정 각도를 지정하여 입사시켰으며, 단파장 658 nm 가시광선 영역을 사용하였다. 렌즈 재질은 BK7 을 사용하였으며 spot diagram 을 사용하여 레이저 빔 직경을 평가하였다.
벽면은 no-slip 이며, 벽면에 부딪힌 입자는 모두 붙는 것으로 가정한다. 모델형상에 관계없이 출구면에서 유출되는 공기유량은 동일한 조건으로 해석을 수행하였다.
표준구형입자 PSL (Polystyrene Latex)을 사용하여 물성치를 입력하였으며, 0.3 μm 직경 입자를 입구에서 x 축과 z 축으로 각각 10 개씩 등간격으로 배치하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 광학입자센서 내에서 유동장과 측정영역이 측정효율에 미치는 영향에 대해서 수치적으로 연구하였다. 해석 결과로부터 측정시간을 구하여 측정효율 미치는 영향에 대해 고찰하였고, 측정영역을 구하여 측정효율을 확인하였다. 이러한 결과로부터 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

대상 데이터

Photodetector 의 투영면은 현재 HCT 에서 사용되는 부품 (S1223, Hamamatsu)의 실제 측정면적을 참조하였다.
레이저 빔 직경을 결정하는 렌즈 모듈의 성능을 평가하기 위해 필요한 렌즈 데이터는 HCT 의 데이터를 참조하였다.
광학계 해석을 위해 ZEMAX 를 이용하여 렌즈 데이터를 입력하였으며, 렌즈 면을 따라 순차적으로 시뮬레이션이 진행되는 sequential mode 를 사용하였고, 렌즈에서 발생하는 산란은 무시하였다. 빛은 cone angle 을 통해 특정 각도를 지정하여 입사시켰으며, 단파장 658 nm 가시광선 영역을 사용하였다. 렌즈 재질은 BK7 을 사용하였으며 spot diagram 을 사용하여 레이저 빔 직경을 평가하였다.

데이터처리

교차되는 부피에 해당하는 측정영역은 입자 빔과 레이저 빔의 크기, photodetector 투영면의 크기에 따라 다양한 형태로 나오며 그 부피도 각각 다르다. 입자 빔 직경은 상용코드인 Fluent 를 사용하여 구하였으며, 레이저 빔 직경은 상용렌즈 설계 프로그램 ZEMAX 를 사용하여 평가하였다.

이론/모형

(1), (2), (3)과 같은 비선형지배 방정식의 해를 구하기 위해 FVM (Finite Volume Method )기법을 사용하였으며, 이산화를 통해 각 변수에 대해 방정식을 계산하기 위해 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다. 또한, 난류유동을 해석하기 위하여 standard k −ε 모델을 사용하였다.
또한, 난류유동을 해석하기 위하여 standard k −ε 모델을 사용하였다.
입자는 입자크기, 유속 등의 조건에 따라 유선을 따라 움직이는 정도가 다르며, 입자의 거동을 살펴보기 위해 DPM (Discrete Phase Model)을 사용하였다. 표준구형입자 PSL (Polystyrene Latex)을 사용하여 물성치를 입력하였으며, 0.

성능/효과

2) 챔버형상에 따른 유동장의 변화를 확인하였다. 노즐직경에 따라 측정영역에서 속도가 달라지는 것을 확인하였고, 출구직경보다는 노즐직경에 의한 영향이 큰 것을 확인하였다. 측정영역에서의 유속은 입자의 유속과 동일하며, 측정시간에 영향을 미치기 때문에 photodector 민감도에 따라 측정 효율이 감소될 수 있다는 것을 확인하였다.
4 와 같다. 세가지 형상 모두 입구에서 출구방향 (-y 방향)으로 유동이 형성되는 것을 확인할 수 있으며 x 축, z 축 방향으로는 큰 변화가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 반사경을 고려한 Fig.
4(a), (b)를 비교할 때, 반사경 영역은 유동의 변화가 적은 것을 확인할 수 있으며, 예상한 바와 같이 입자 빔에 영향을 주지 않는다는 사실을 확인할 수 있다. 이 결과를 바탕으로 광학입자센서 측정효율 향상을 위한 반사경의 직경과 굴절률 설계 시, 유동장을 고려하지 않아도 된다는 사실을 알게 되었다.
5 처럼 유동장과 유사한 결과를 보였다. 전체적으로 입구에서 출구까지 유동장처럼 직선경로를 보이지만, 유동장은 노즐에서 나온 이후 점차 퍼지는 것과는 달리 입자는 관성의 영향으로 퍼지지 않고 직선운동을 하는 것을 확인할 수 있다. 입자의 직선운동 때문에 세가지 경우 모두, 노즐의 크기가 입자 빔 크기와 동일하며, 측정영역 계산시 활용될 수 있다.
노즐직경에 따라 측정영역에서 속도가 달라지는 것을 확인하였고, 출구직경보다는 노즐직경에 의한 영향이 큰 것을 확인하였다. 측정영역에서의 유속은 입자의 유속과 동일하며, 측정시간에 영향을 미치기 때문에 photodector 민감도에 따라 측정 효율이 감소될 수 있다는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 측정효율을 높이기 위한 photodetector 민감도기준을 마련할 수 있었다.
1) 챔버형상에 따른 측정영역의 변화를 확인하였다. 측정영역은 입자 빔 크기에 영향을 많이 받는 것을 확인하였으며, 입자 빔 크기가 작을수록 측정영역은 작아지지만 측정효율은 높아지는 것을 확인하였다.
3) 측정효율을 높이기 위해서는 입자 빔 크기를 작게하여 입자 빔을 형성시켜야 한다. 하지만 형성되는 입자 빔은 속도가 빨라지기 때문에 photodector 민감도에 따라 측정효율이 감소할 수도 있다는 것을 확인하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광학을 이용하여 입자를 측정하는 방법에는 어떠한 것들이 있는가?	광학을 이용하여 입자를 측정하는 방법으로는 optical aerodynamics 를 이용하여 입자의 relaxation time 을 측정하거나, 광 소스에 대한 입자의 산란 크기를 이용하는 방법, 입자의 산란과 흡수 비율에 따른 측정법, 빛의 위상을 측정하는 방법 등이 있다(1) . 여러 측정 방법들 중에 입자의 산란 강도에 따른 측정법은 실시간으로 샘플링 없이 측정이 이루어지며, 시스템 구성이 용이하여 측정장비의 크기가 작고 가격이 저렴하다는 장점을 갖는다.
	광학입자센서란 무엇이며 그 활용은 어떻게 되는가?	광학입자센서 (Optical Particle Sensor)는 미세입자 측정장비로 초청정 공간의 오염제어, 실내 공기질 관리, 대기오염 측정분야, 환경 감시 분야 등에 적용되어 활용되고 있다. 이처럼 응용분야가 광범위하고, 첨단 분야의 생산성 향상을 위한 오염제어뿐만 아니라 환경에 대한 관심이 높아지면서 광학 입자센서를 적용코자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
	광학입자센서의 성능에 영향을 미치는 인자에는 어떠한 것들이 있는가?	광학입자센서는 측정 가능한 최소 입자 직경과 측정 효율에 따라 성능이 평가된다. 성능은 사용되는 광 소스 출력, 광 소스 집속과 관련된 렌즈 광학계, 광학 챔버 형상과 유량, 검출기의 민감성 등에 의해 영향을 받는다(2) . 본 연구에서는 광학 챔버 형상과 유량에 초점을 두고 챔버 형상을 모델링하여 유동 특성을 평가하였으며, 그에 따른 측정영역을 구하였다.

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