0 123456789 :;

보안과제( ), 일반과제( ✔ ) / 공개( ✔ ), 비공개( )

환경 융합 사업 제2차년도 최종보고서과제번호2014001650001

주의문

최종보고서

R&D

개인 환경의 초미세먼지(PM2.5)와

TVOC 동시 분석 센서모듈 개발Developement of simultaneous measuring unit for

both PM2.5 and TVOCs based on Nanotechnology

2016. 5. 16.

연세대학교 산학협력단 / 김종백

에이치케이엠엔에스(주)

환경부

한국환경산업기술원

환

경

부

한국환경산업기술원

- 1 -

제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “개인 환경의 초미세먼지(PM2.5)와 TVOC 동시 분석

센서 모듈 개발에 관한 연구” (개발기간: 2014. 4. 1. ~ 2016. 3.

31.)과제의 최종보고서로 1부를 제출합니다.

2016. 6. 29.

총괄연구기관명 : 연세대학교 산학협력단 김종백 (인)

참여기업명 : HK-MnS (인)

◦ (주관)연구책임자 : 김종백

◦ (주관)참여연구원

: 이경훈, 표순재, 김민욱, 이재익, 정한일, 나형주,

조병화, 조은환, 강윤성, 오용근, 김홍래, 안혜린, 강동현,

김민기, 이상면, 김명수, 장한이, 권홍범, 김경태, 정효재,

이상구, 현준호, 한장섭, 박대훈, 최현식, 황정호

◦ (참여기업)연구책임자 : 지태한

◦ (참여기업)참여연구원: 최광옥, 김민정, 정현욱, 김지훈, 이호용, 조한신,

임기성

【별지 제8-2호 서식】

요 약 서

사업명 환경융합신기술개발사업 과제번호 2014001650001

단위사업명 환경융합신기술개발사업 대분야 환경융합신기술

개발사업 중분야 환경오염통합관리

과제명 개인 환경의 초미세먼지(PM2.5)와 TVOC 동시분석 센서모듈 개발 기술단계 응용연구

최종성과 기술 초미세먼지, TVOC 동시 분석 센서모듈 참여기업 HK-MnS

연구책임자 김종백

최종연도참여

연구원수32 명 최종연도

연구개발비

정부: 320,000,000 원민간: 107,000,000 원계: 427,000,000 원

총 연구기간 참여

연구원수35 명 총

연구개발비

정부: 630,000,000 원민간: 211,000,000 원계: 841,000,000 원

연락처 02-2123-2812 이메일 [email protected] 총 연구기간 2014.04.01.~

2016.03.31연구기관명 및 소속부서명

연세대학교 산학협력단연구기관

유형위탁기관명 - 위탁책임자 -

개발 목적

및 필요성

최근 대기 중 초미세먼지(PM2.5, 직경이 2.5㎛ 보다 작은 미세먼지) 및 총휘발성 유기화

합물은 각종 호흡기 질환 및 알레르기성질환의 원인으로 보고되고 있으며 WHO 1급 발암

물질로 지정되는 등 인체 유해성 문제의 심각성이 대두됨. 이에 따라 실내 공기 중 초미세

먼지 및 총휘발성 유기화합물에 대한 일반인들의 관심이 크게 높아졌으며 일상생활 속 실

내공기질의 실시간 모니터링에 대한 사회적 욕구가 크게 증가하고 있음. 그러나 기존의 실

내공기질 측정 장비들의 경우 정밀 분석을 위한 고가, 대형의 장비들이 대부분이어 실제

생활환경에서의 모니터링이 필요한 일반인들의 접근이 어려움. 따라서 실시간 현장 모니터

링이 가능한 저가/초소형 감지기기의 개발이 요구됨.

나노기술과 MEMS기술, 광학 기술의 융합을 통하여 실내 및 대기 중 미세먼지(PM2.5)

및 총휘발성유기화합물(TVOC)의 종합적인 분석이 가능한 소형 복합 센서 모듈 개발. 미

세먼지 및 TVOC의 검출이 가능한 분석 장치의 구현을 위해, 미세유체시스템 기반의

PM2.5 분류 소자, MEMS기술과 광학기술 기반의 미세먼지 측정 기법 연구, 나노기술 기

반의 고감도 TVOC 감지 기법 연구, 센서 신호처리 회로 설계 및 센서 모듈을 개발 및

연구하여 단일 장치 구현 및 시스템화를 수행.

연구개발

결과

1) 초미세먼지 감지 기술

MEMS 기반의 초미세먼지 측정소자 개발 및 신호처리 회로 개발 완료

- 초미세먼지 측정입경 : PM2.5 (분류 입경2.5 ㎛ 로 분류된 초미세먼지)

- 초미세먼지 질량 농도 범위 : 1.58 ~ 9.5 x 103 ㎍/㎥ (0.1 ㎛ 입경 기준)

- 초미세먼지 수농도 범위 : 4.45 x 102 ~ 2.67 x 106 #/㎤ (0.1 ㎛ 입경 기준)

- 초미세먼지 포집 효율 : 90 % 이상

- 3 -

- 고전압 변환 모듈 : 최대 출력 전압: 7㎸ (입력 전압 : 7.5V)

- 미세전류 감지 회로 : 최소 측정 전류 1 fA (응답 속도 : 수초 이내)

2) TVOC 감지기술

- 나노선 기능화 처리를 통해 TVOC 감지 성능을 향상하고, 마이크로히터를 내장

하여 회복시간을 개선함.

- 센서 어레이를 이용하여 측정한 신호를 패턴인식 기법으로 분석한 결과, NO2,

NH3, CO에 대한 TVOC(4종의 VOC 혼합가스, BTEX)의 선택성을 확인함.

3) 초미세먼지 및 총휘발성유기화합물(TVOC) 동시분석 센서 모듈 개발

개발된 초미세먼지 측정소자와 TVOC 센서를 통합하여 초미세먼지 및 총휘발성유기화합

물(TVOC) 동시분석 센서 모듈을 개발함.

a) 초미세먼지 및 총휘발성유기화합물(TVOC) 동시분석 센서 모듈

- 모듈크기 : 200 x 160 x 140 ㎜

- 소모전력 : 460 mAh

- 초미세먼지 및 TVOC의 농도 출력을 위한 디스플레이 장치

b) 초미세먼지 감지 센서

- 초미세먼지 측정입경 : 2.5 ㎛





- 미세전류 감지 회로 : 최소 측정 전류 1 fA (응답 속도 : 수 초 이내)

c) TVOC 감지 센서

- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥(목표: 400 ㎍/㎥)

- 반응 시간 : 30초 이내(목표: 30초 이내)

- 회복 시간 : 120초 이내(목표: 180초 이내)

- 4 -

공정·제품

사진 및 도면 [필터타입 초미세먼지 포집부 개념도]

[(a)TVOC 센서 공정도, (b) 제작된 소자 사진]

- 5 -

[제작된 동시분석 센서 모듈 시작품]

성능사양 및

기술개발 수준


- 모듈크기 : 180 x 140 x 90 ㎜









- 미세전류 감지 회로 : 최소 측정 전류 1 fA (응답 속도 : 수 초 이내)


- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥(목표: 400 ㎍/㎥)

- 반응 시간 : 30초 이내(목표: 30초 이내)

- 회복 시간 : 120초 이내(목표: 180초 이내)

활용계획

제안하는 미세먼지 및 TVOCs의 복합 측정기는 기업의 환경오염물질 배출상태를

항시 감시할 수 있는 원격감시시스템의 측정 장치로 적용이 가능함. 또한 미세먼

지 및 TVOCs의 복합 측정기를 지하철, 버스터미널, 공항 병원 등의 공공장소에

적용하여 환경의 위험 상황을 실시간으로 경보하는 시스템에 적용하거나 가정, 지

하철, 고층빌딩 내에서의 실내 공기 질을 모니터링하는 시스템에 적용이 가능. 이

를 디젤 배출입자 측정/제거 시스템에 적용하여 디젤 엔진으로부터 배출되는 많은

수의 유해 입자상물질들이 얼마만큼 존재하는지 실시간으로 분석하는 역할을 수

행할 수 있음.

주요성과 특허출원(국내) 4건 등록(국내) -건

출원(국외) -건 등록(국외) -건

- 6 -

논문 SCI급 4건 일반 -건인증 신기술인증 -건 신기술검증 -건매출 국내매출 -원 해외수출 -원

정책활용 제안 -건 채택 -건기타

색인어

(각 5개 이상)

(한글) 초미세먼지, 입자분류, 휘발성유기화합물, 신호처리, 통합 모듈

(영문)PM2.5, Particle separation, VOC, Signal processing, Integrated

module

- 7 -

요 약 문

□ 연구개발결과의 보안등급

보안등급 분류 □ 보안과제 ■ 일반과제

결정 사유※ 보안과제인 경우 필히 전문위원과 협의한 후 결정사유에

대해 전문위원이 내용 작성

※ 본문의 내용을 요약하여 작성(최종평가시 평가활용 자료이므로 반드시 작성)

□ 평가의 착안점 및 기준 ※ 협약용 연구개발 계획서 내용을 참고하여 작성

구분

세부내용 평가의 착안점 및 기준 달성결과 달성도

1차년도

초미세먼지 포집 성능 향상 • 초미세먼지 포집 80% 이상 • 초미세먼지 포집 90% 이상 100

나노선 표면개선을 통한 감도 향상

마이크로 히터를 이용한 회복시간 향상

센서의 어레이화를 통한 선택성 향상

• 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥

• 회복 시간 : 3분 이내

• 3종의 유해가스(CO, NO2, O3)에 대

해 선택성 획득

• 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥

• 회복 시간 : 2분 이내

• 3종의 유해가스(CO, NO2, NH3)에

대해 선택성 획득

100

신호처리 모듈 개발

• 미세 전류 측정 범위 : 1 fA~1 ㎀

(분해능 : 1 fA),

• 미세 전류 증폭 범위 : 3.3 V 이내

• 센서 신호 출력을 위한 디스플레이

장치 개발

• 미세 전류 측정 범위 : 1 fA ~ 6 ㎀

(분해능 : 1 fA),

• 미세 전류 증폭 범위 : 3 V 이내

• 센서 신호 출력을 위한 디스플레이

장치 개발

100

초미세먼지와 TVOC 동시 분석 센서

모듈 시작품 제작

• 응답 속도 : 1분 이내

• 모듈 크기 : 180 X 140 X 90 mm

• 응답 속도 : 1분 이내

• 모듈 크기 : 200 X 160 X 140 mm100

초미세먼지 하전특성 평가

• 초미세먼지 입경과 하전특성에 관한

관계식 도출

• 초미세먼지 종류별 하전특성에 관한

관계식 도출

• 초미세먼지 입경과 하전특성에 관한

관계식 도출

• 초미세먼지 종류별 하전특성에 관한

관계식 도출(종류별 하전특성은 2차년도

연구기간 중 수행)

100

초미세먼지 감지성능 평가

• 초미세먼지 측정 입경 : 2.5 ㎛

• 초미세먼지 농도 범위 : 1.0 × 106

#/cc

• 응답 속도 : 5초 이내

• 상용장비와 측정 성능차 : 30 %

• 초미세먼지 측정 입경 : 2.5 ㎛

• 초미세먼지 질량 농도 범위 : 1.58

~ 9.5 x 103 ㎍/㎥ (0.1 ㎛ 입경 기준)

• 초미세먼지 수농도 범위 : 4.45 x 102

~ 2.67 x 106 #/㎤ (0.1 ㎛ 입경기준)

• 응답 속도 : 5초 이내

• 상용장비와 측정 성능차 : 15 %

100

장시간 작동에 따른 내구성 검증

• 장시간(1시간/일 x 50일 = 50시간)

테스트로 인한 안정성 확보 : 초기 성능

대비 저하 25% 이하

• 장시간 테스트(50시간 작동 후 내구성

평가 수행)로 인한 안정성 확보 : 초기

성능 대비 저하 25% 이하100

TVOC센서 감지 성능 평가• TVOC 감지 센서

- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥

• TVOC 감지 센서

- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥ 100

- 8 -

Ⅰ. 연구과제명◦ 주관과제명 : 개인 노출 환경의 미세먼지(PM2.5)와 TVOCs 동시 분석을

위한 통합 측정기 개발

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

1) 연구개발의 목적

나노기술과 MEMS기술의 융합을 통하여 실내 및 대기 중 미세먼지(PM2.5) 및 총휘발성유기화

합물(TVOC)의 종합적인 분석이 가능한 소형 복합 센서 모듈 개발. 미세먼지 및 TVOC의 검출이

가능한 분석 장치의 구현을 위해, 미세유체시스템 기반의 PM2.5 분류 소자, MEMS기술 기반의

미세먼지 측정 기법 연구, 나노기술 기반의 고감도 TVOC 감지 기법 연구, 센서 신호처리 회로 설

- 반응 시간 : 30초 이내

- 회복 시간 : 3분 이내



2차년도

입자 밀도 데이터베이스 구축• 실내, 실외, 도로변, 지하철 역사 입자

밀도 측정

• 실내, 실외, 도로변 입자 밀도 측정

입자 밀도100

다양한 종류의 입자에 대한 하전 효율

평가

• NaCl, KCl, PSL, NH4NO3,

금속입자 하전효율 평가• NaCl, KCl, PSL하전효율 평가 100

VOC분자 종류에 따른 데이터베이스

구축

• 톨루엔, 벤젠, 에틸벤젠, 자일렌에

따른 신호 변화 데이터베이스 구축

• 톨루엔, 벤젠, 에틸벤젠, 자일렌에

따른 신호 변화 데이터베이스 구축100

실제 생활 환경 공기질 측정 시험

• 실내, 실외, 도로변, 지하철 역사에서

제작된 동시분석 센서모듈을 이용하여

공기질 측정

• 광학식, 중량식 측정기기와의 측정

성능차 : 25%

• 30 일(2시간/일) 이상의 측정 안정성

확보 : 초기 성능 대비 저하 25% 이하

• 실내, 실외, 도로변에서

제작된 동시분석 센서모듈을 이용하여

공기질 측정

• 광학식와의 측정 성능차 : 평균 20%

이내

• 60시간 이상의 작동 후 측정 안정성

확보 : 초기 성능 대비 저하 25% 이하

100

최종평가

개인 환경의 초미세먼지와 TVOC동시

분석 센서 모듈 개발

• 초미세먼지 감지 센서

- 미세먼지 측정 입경 : 2.5 ㎛

- 미세먼지 농도 범위 : 100 ㎍/㎥

- 응답 속도 : 2 ~ 3분 이내

- 측정 오차 : 상용 장비와 비교시 각

요소별 30% 이하


- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥


• 초소형 감지 모듈 제작

- 모듈 크기 : 180 X 140 X 90 mm

- 미세먼지 및 TVOC의 농도 출력을

위한 디스플레이 장치

• 초미세먼지 감지 센서

- 미세먼지 측정 입경 : 2.5 ㎛

- 초미세먼지 질량 농도 범위 : 1.58

~ 9.5 x 103 ㎍/㎥ (0.1 ㎛ 입경 기준)

- 초미세먼지 수농도 범위 : 4.45 x

102 ~ 2.67 x 106 #/㎤ (0.1 ㎛

입경기준)

- 응답 속도 : 2 ~ 3분 이내

- 측정 오차 : 상용 장비와 비교시 각

요소별 30% 이하


- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥


• 초소형 감지 모듈 제작

- 모듈 크기 : 200 X 160 X 140

mm

- 미세먼지 및 TVOC의 농도 출력을


100

- 9 -

계 및 센서 모듈을 개발 및 연구하여 단일 장치 구현 및 시스템화.

2) 연구개발의 필요성

지속적인 산업발달로 인하여 개인 노출 환경의 유해 물질들이 지속적으로 출현 하고 있고 이에 대

한 유해성이 부각됨에 따라, 개인 노출 환경에서 실시간으로 미세먼지와 총 휘발성 유기화합물 등

을 감지할 필요성이 증대되고 있으나, 현재 개발되어 있는 미세먼지와 총 휘발성 유기화합물 등을

감지하는 장치는 전문가의 영역에서 사용 가능한 고가의 장비들로 일반인의 사용이 어려워 일반인

사용이 가능한 마이크로급 입자 및 감도가 높은 휘발성 유기화합물 감지가 가능한 소형 저가의 장

비가 필요하다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위1) 초미세먼지 감지 기술

MEMS 기술을 이용하여 초미세먼지 분류 및 하전, 포집 및 측정 기술을 개발함. 마이크로 코로나

하전 소자의 구동을 위한 고전압 모듈과 초미세먼지 하전 전류 측정을 위한 미세전류 감지 회로를

개발함.

- 초미세먼지 분류 : PM2.5(입경 : 2.5 ㎛), 분류 입경 오차 : 10 % 이내

- 초미세먼지 측정 농도 범위 : 1 ~ 1.0 x 106 #/㎤

- 포집부 초미세먼지 포집 효율 : 90 % 이상 달성

- 고전압 발생 모듈 및 미세전류 감지 회로 설계 및 제작


나노선 기능화 처리를 통해 TVOC 감지 성능을 향상하고, 마이크로히터를 내장하여 반응시간 및

회복시간을 개선함. 각각의 센서에서 측정된 신호를 패턴인식 기법으로 분석하여 타 유해가스(NO2,

NH3, CO)에 대한 TVOC의 선택성을 확인함.

- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥


- 회복 시간 : 180초 이내


초미세먼지 감지기술과 TVOC 감지기술을 통합하여 초미세먼지 및 총휘발성유기화합물(TVOC)

동시분석 센서 모듈을 개발함.

- 모듈 크기 : 180 X 140 X 90 mm

- 미세먼지 및 TVOC의 농도 출력을 위한 디스플레이 장치

- 10 -

Ⅳ. 연구개발 결과1) 초미세먼지 감지 기술

MEMS 기반의 초미세먼지 측정소자 개발 및 신호처리 회로 개발 완료

- 초미세먼지 측정입경 : PM2.5 (분류 입경2.5 ㎛ 로 분류된 초미세먼지)





- 미세전류 감지 회로 : 최소 측정 전류 1 fA (응답 속도 : 수초 이내)


나노선 기능화 처리를 통해 TVOC 감지 성능을 향상하고, 마이크로히터를 내장하여 회복시간 개선

완료. 센서 어레이를 이용하여 측정한 신호를 패턴인식 기법으로 분석한 결과, NO2, NH3, CO에 대한

TVOC(4종의 VOC 혼합가스, BTEX)의 선택성을 확인함.

- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥




개발된 초미세먼지 측정소자와 TVOC 센서를 통합하여 초미세먼지 및 총휘발성유기화합물(TVOC)

동시분석 센서 모듈을 개발함.


- 모듈크기 : 200 x 160 x 140 ㎜









- 미세전류 감지 회로 : 최소 측정 전류 1 fA (응답 속도 : 2 ~ 3분 이내)


- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥



- 11 -

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획(기대효과)- 개인 노출 환경 모니터링 모듈의 소형화와 저가화로 인하여 노출 환경의 측정이 용이해지고 보편

화될 것이다. 병원, 학교, 지하철 역사 등 다중이용시설뿐만 아니라 각 가정에서 공기질 측정을 통해

삶의 질 향상에 기여할 것이다.

- 마이크로미터급 입자 측정 장치의 개발과 보급을 통해 인체에 유해한 마이크로급 입자의 실시간

감지가 가능하게 되어 관련 실내외 공기정화 시스템이나 경보 시스템 등의 관련 산업에 주요하게 응

용될 것이다.

- 12 -

SUMMARY

(영문요약문)

Ⅰ. Title◦ Total Project Name : Developement of simultaneous measuring unit for

both PM2.5 and TVOCs based on Nanotechnology.

Ⅱ. The Objective & Necessity of the Research1) Objective

The objective of this research is to develop a technology for monitoring harmful

substances in the personal exposed environment and to develop the simultaneous

measuring device for both PM2.5 and TVOCs based on the technology.

Development of a MEMS based PM2.5 sensing technologies and micro fluidic based

PM2.5-micro particles sorter. Research of highly sensitive sensor for TVOCs

based on Nano technology. Development of miniaturization and integration

technique

2) Necessity

With continuous developmens of industry, the number of harmful substnces in the

personal exposed environment has increased and the concern of the pollutants has

been issued. Therefore, it is more and more necessitated to develop a sensor

detecting and monitoring the quality of the personal environment. However, the

current sensors for detecting micro particles and TVOCs(total volatile organic

compounds) are not just limited to the expert usages but also expensive which

ordinary people could not afford. Consequently, it is needed to contrive a micro

sensor for monitoring micro-sized particles and TVOCs accessible to non-experts

with a low price.

Ⅲ. Contents and Scope

- 13 -

1) PM 2.5 sensing technology

Developments of MEMS based PM2.5 micro particle sorter(virtual impactor) and

micro corona discharger, particle collection part, particle sensing technology.

Development of high voltage module and micro current sensing circuit.

- Micro particle classification : Target diameter 2.5 ㎛ (PM2.5), classification

diameter error : under 10 %

- Micro particle sensing range : 1 ~ 1.0 x 106 #/㎤

- Micro particle collection efficiency : over 90 %

- Development of high voltage module and micro current sensing circuit

2) TVOC sensing technology

Improvement of TVOC sensing performance using functionalization process and micro

heater integration. Selective sensing of TVOC using PCA technique.

- Minimum detection concentration: 400 ㎍/㎥

- Response time : under 30 sec

- Recovery tiem : under 180 sec


Development of simultaneous measuring sensor module for both PM2.5 and TVOCs

with integration of sensing technologies.

- Module size : 180 X 140 X 90 mm

- Display panel for PM2.5 and TVOC concentration

Ⅳ. Results


Developments of MEMS based PM 2.5 sensing device and signal processing

modules.

- Micro particle classification : Target diameter 2.5 ㎛ (PM2.5)

- Micro particle mass concentration sensing range : 1.58 ~ 9.5 x 103 ㎍/㎥

(Particle diameter : 0.1 ㎛)

- 14 -

- Micro particle number concentration sensing range : 4.45 ~ 2.67 x 106 #/㎤



- High voltage module output voltage : max 7 V (input : 7.5 V)

- Micro current sensing circuit : resolution 1 fA (response time : a few seconds or

less)

2) TVOC sensing technology

Improvement of TVOC sensing performance using functionalization process and micro

heater integration. Selective sensing of TVOC using PCA technique.





Development of simultaneous measuring sensor module for both PM2.5 and TVOCs

with integration of sensing technologies.

a) Simultaneous measuring sensor module for both PM2.5 and TVOCs

- Module size : 200 X 160 X 140 mm

- Power consumption : 460 mAh

- Display panel for PM2.5 and TVOC concentration

b) PM 2.5 sensing technology

- Micro particle classification : Target diameter 2.5 ㎛ (PM2.5)

- Micro particle mass concentration sensing range : 1.58 ~ 9.5 x 103 ㎍/㎥


- Micro particle number concentration sensing range : 4.45 ~ 2.67 x 106 #/㎤



- High voltage module output voltage : max 7 V (input : 7.5 V)

- 15 -

- Micro current sensing circuit : resolution 1 fA (response time : a few seconds or

less)

c) TVOC sensing technology




Ⅴ. Business Application Based the Outcomes

1) The small indoor air quality monitoring module will be widely used because of

its featured functions(small size, on-site, real-time measurement) and low price.

The estimated information from various indoor’s environments will enhance the

quality of life.

2) Development of the micro-sized particle monitoring module will improve related

markets or business in order to detect harmful micro-particles continually.

- 16 -

< 목 차 >1. 연구개발과제의 개요 ········································································· 22 1-1. 연구개발 목적 ·································································································· 22

(1) 세부 목표 ·············································································································· 22

(2) 초미세먼지 및 총휘발성유기화합물(TVOC) 복합 측정 모듈의 특징 ························ 22

1-2. 연구개발의 필요성 ·························································································· 22

(1) 융합형 대기오염 측정/평가 기술의 필요성 ···························································· 22

(2) 초미세먼지의 위해성 ·············································································································· 24

(3) 국내 초미세먼지 현황 ············································································································ 25

(4) 국내 초미세먼지 정책 ············································································································ 25

(5) VOC의 위해성 ························································································································· 26

(6) 국내 VOC 배출량 ··················································································································· 26

(7) 국내 VOC 정책 ······················································································································· 27

1-3. 연구개발 범위 ·································································································· 27

(1) 1차년도 ················································································································ 27

(2) 2차년도 ······································································································································ 28

2. 국내외 기술개발 현황 ······································································· 28 2-1. 해외 기술개발 동향 ························································································ 28

(1) 초미세먼지 감지기술 ···························································································· 28 (2) TVOC 감지기술 ······················································································································· 29

2-2. 국내 기술개발 동향 ························································································ 29

(1) 초미세먼지 감지기술 ···························································································· 29 (2) TVOC 감지기술 ······················································································································ 30

2-3. 기존 PM 및 VOC 측정 장비와의 비교 ·························································· 30

3. 연구수행내용 및 결과 ······································································· 34 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ······························································ 34

(1) 1차년도 ················································································································ 34 가. 연구목표 ···································································································································· 34

1) 초미세먼지 포집 성능 향상 ················································································ 34 2) 나노선 표면개선을 통한 감도 향상, 마이크로 히터를 이용한 회복시간 향

상, 센서의 어레이화를 통한 선택성 향상 ········································································ 34

3) 신호처리 모듈 개발 ·············································································································· 35

- 17 -

4) 통합형 소형 모듈 시작품 제작 ·························································································· 35

5) 초미세먼지 하전 특성 및 감지 성능 평가 ······································································ 35

6) TVOC 센서 감지 성능 평가 ······························································································ 35

나. 연구내용 ···································································································································· 35

1) 초미세먼지 포집 성능 향상 ················································································· 35

2) TVOC 센서의 감지 성능 향상 및 유해가스에 대한 TVOC의 선택적 감지

성능 향상 ································································································································· 36

3) 신호처리 모듈 개발 ·············································································································· 38

4) 초미세먼지(PM2.5)와 TVOC 실시간 분석 센서모듈 제작 ········································ 39

5) 초미세먼지 하전 특성 도출 및 감지 성능 평가 ···························································· 45

6) TVOC 센서 감지 성능 평가 ······························································································ 49

(2) 2차년도 ······································································································································ 49

가. 연구목표 ···································································································································· 49

1) 입자 밀도 데이터베이스 구축 ···························································································· 49

2) 다양한 종류의 VOC에 대한 데이터베이스 구축 ···························································· 50

3) 실제 생활환경 공기질 측정 ································································································ 50

나. 연구내용 ···································································································································· 50

1) 입자 밀도 데이터베이스 구축 ···························································································· 50


3) 실제 생활환경 공기질 측정 ································································································ 52

3-2. 연구개발 결과 및 토의 ··················································································· 53 (1) 1차년도 ······································································································································ 53

1) 초미세먼지 감지기기 시작품 개발 ···················································································· 53

2) 초미세먼지 감지 모듈 하전특성 평가 ·············································································· 61

3) 초미세먼지 감지 모듈 성능 평가 ······················································································ 67

4) TVOC 센서 개발 ·················································································································· 72

5) TVOC 센서 성능 평가 ········································································································ 73

(2) 2차년도 ······································································································································ 76

1) 다양한 종류의 입자에 대한 측정 효율 평가 ························································ 76

2) 입자 밀도 데이터베이스 구축 ···························································································· 77

3) 실제 생활환경 공기질 측정 ································································································ 84


5) PM2.5, TVOC 동시 분석 센서 모듈 최종 제작품 ······················································· 91

6) 검토 의견 및 향후 개선 방안 ···························································································· 91

3-3. 연구개발 결과 요약 ························································································· 95 (1) 초미세먼지 감지 기술 개발 ·································································································· 95

1) 초미세먼지 감지기기 시작품 개발 ···················································································· 95

- 18 -

2) 초미세먼지 감지 모듈 하전특성 평가 ·············································································· 96

3) 초미세먼지 감지 모듈 성능 평가 ······················································································ 96

4) 다양한 입자에 대한 하전 효율 평가 ················································································ 96

5) 입자 밀도 데이터베이스 구축 ···························································································· 97

6) 실제 환경 공기질 측정 ········································································································ 97

(2) TVOC 감지 기술 개발 ·········································································································· 98

1) TVOC 센서 제작 및 공정 신뢰성 평가 ·········································································· 98

2) TVOC 센서의 감도 및 회복 속도 향상 ·········································································· 98

3) TVOC 센서의 선택적 감지 성능 개선 ············································································ 98

4) 신뢰성 및 장기간 구동 안정성 평가 ················································································ 98

5) 4종의 VOC에 대한 측정 데이터 베이스 구축 ······························································· 98

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도(환경적 성과 포함) ······················ 99 4-1. 목표달성도 ········································································································ 99

4-2. 관련분야 기여도 ···························································································· 100 (1) 기술적 측면 ···························································································································· 100

(2) 환경적 측면 ···························································································································· 101

(3) 경제·산업적 측면 ················································································································ 101

5. 연구결과의 활용계획 ······································································· 102 (1) 환경 감시 시스템으로의 활용 ···························································································· 102

(2) 실내외 공기질 모니터링 기술 및 관리 시스템 개발에의 활용 ·································· 102

(3) 오염원 실시간 모니터링 기술 시스템 개발에의 활용 ·················································· 102

6. 연구개발결과의 보안등급 ································································ 102

7. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ···················································· 103

8. 참고문헌 ······························································································ 104

- 19 -

< 그림 목차 >그림 1. 기존 공기 오염 분석법과 제안하는 기술의 특징 ·························································23

그림 2. 초미세먼지(PM2.5)와 휘발성유기화합물의 유해성 ····················································24

그림 3. 입자 크기별 인체 내부 적층 분포도 ···············································································25

그림 4. 연도별 VOC 배출량 추이 ··································································································27

그림 5. 나노선 기반 TVOC 센서 어레이 모식도 ·······································································36

그림 6. 측정 데이터의 패턴 인식을 통한 VOC의 선택적 측정 예시 ····································37

그림 7. 나노선의 공공 생성 모식도, 마이크로 히터 내장형 센서의 모식도 ·······················37

그림 8. 메탈로포피린으로 기능화 처리한 CNT 기반 TVOC 센서의 메커니즘 ·················38

그림 9. PM2.5 및 TVOC 감지를 위한 신호처리 모듈 개념도 ··············································39

그림 10. 미세먼지 분류/측정 통합 소자 개념도 ·········································································40

그림 11. 가상 임팩터를 이용한 초미세먼지 분류 원리 ····························································42

그림 12. 가상 임팩터 성능 평가 실험 개요 ················································································42

그림 13. 코로나 방전에 의한 이온 발생 원리 ············································································42

그림 14. 코로나 방전에 의한 입자 하전 원리 ············································································44

그림 15. 초미세먼지의 하전/수농도 측정을 위한 하전 장치 및 수농도 측정부 통합

소자 ······································································································································45

그림 16. 미세먼지의 입경에 따른 하전 값 예시 ········································································46

그림 17. 하전 특성 실험 개요도 ····································································································47

그림 18. TVOC 센서 감지 성능 평가를 위한 셋업의 모식도 및 사진 ································49

그림 19. 대기 중 입자의 effective density 측정을 위한 실험 모식도 ·······························51

그림 20. VOC 발생 장치의 모식도 ·······························································································52

그림 21. Field test를 통한 최종 시작품 성능평가 ···································································54

그림 22. 가상 임팩터를 이용한 초미세입자 분류 원리 ····························································54

그림 23. 가상 임팩터를 이용한 초미세입자 분류 ······································································55

그림 24. 제작된 PM 2.5 분류를 위한 가상임팩터 ····································································56

그림 25. 가상임팩터 성능평가를 위한 실험 장치 구성도 ························································57

그림 26. PM 2.5 가상임팩터의 성능평가 ····················································································57

그림 27. 코로나 하전 장치 및 입자 측정부 개념도 ··································································58

그림 28. 초미세입자 코로나 하전 개념도 ····················································································58

그림 29. 코로나 하전에 의한 입자 유도 전류 측정 개념도 ····················································60

그림 30. 코로나 하전 장치 개념도 ································································································60

그림 31 초미세먼지 분류/하전 통합 소자의 공정 과정 ····························································61

그림 32. 초미세먼지 분류/하전/측정 통합 소자의 제작 결과 ·················································61

그림 33. 필터타입 초미세먼지 포집부 개념도 ············································································62

그림 34. 제작된 필터타입 포집부 및 노이즈 차폐 쉴드 ··························································62

그림 35. 제작된 필터타입 포집부의 입경별 입자 포집 효율 ··················································63

- 20 -

그림 36. 제작된 고전압 변환 모듈 및 성능 평가 결과 ····························································64

그림 37. 미세전류 측정회로 블록 다이어 그램 ··········································································65

그림 38. 제작된 초미세먼지, TVOC 감지 모듈 시작품 ···························································66

그림 39. 초미세먼지 감지 모듈 입자 하전 특성평가 모식도 ··················································67

그림 40. 초미세먼지 감지 모듈 입자 하전특성 평가 결과 ······················································67

그림 41. 초미세먼지 감지모듈 시작품과 상용 측정 장비와의 비교실험 모식도 ················68

그림 42. 초미세먼지 감지모듈 시작품과 상용 측정 장비와의 비교실험 결과 ····················69

그림 43. 1차 초미세먼지 감지 모듈 이상 점검 결과 ································································71

그림 44. 1차 초미세먼지 감지 모듈 이상 점검 결과(2) ·························································71

그림 45. 초미세먼지 감지모듈 시작품 장시간 실험 평가 결과 ··············································72

그림 46. 마이크로히터 내장형 TVOC센서 공정도 및 완성된 센서의 광학사진 ················73

그림 47. 톨루엔 20ppb 측정 결과, 회복 시간 측정 결과 ·························································74

그림 48. 센서 어레이를 이용하여 측정한 신호를 PCA으로 분석한 결과 ···························75

그림 49. TVOC 센서 초기저항 안정화 및 장시간 반응성 측정 결과 ··································75

그림 50. 입자의 종류에 따른 입경별 하전가 ··············································································77

그림 51. 저압 임팩터 성능 평가 실험 ··························································································79

그림 52. 저압 임팩터의 분류 효율 곡선 ······················································································79

그림 53. 테스트 입자를 이용한 effective density 측정 방법 검증 ·····································80

그림 54. 기역학적 입경으로 전환된 입경 분포와 효율곡선을 이용하여 계산된 임팩터

후단에서의 크기 분포 ······································································································82

그림 55. 실외 입자 분포와 각각 가정된 effective density를 이용해 변환한 분포 ·········83

그림 56. 실내공간에서의 초미세먼지 수농도 실시간 측정 성능 평가 ··································84



그림 59. 톨루엔 및 에틸벤젠 반응성 그래프, 4종의 VOC에 대한 반응성 결과 ················89

그림 60. 마이크로 히터 on/off 및 연속 구동 시 저항 변화 측정 그래프 ···························90

그림 61. TVOC 센서의 장기간 구동 안정성 실험 ····································································90

그림 62. 동시 분석 센서모듈 최종 제작품 시연 사진 ······························································91

- 21 -

< 표 목차 >표 1. PM 측정 장비 ··························································································································31

표 2. TVOC 측정 장비 ·····················································································································32

표 3. 국내외 연구기관 및 산업체의 대기 중 유해 물질 측정 장비 개발 현황 ···················33

표 4. 초미세먼지 감지 모듈 내구성 평가 실험 내역 ·································································69

표 5. 실내외 입자형상 분석 결과 ···································································································83

표 6. 실외 초미세먼지 측정 성능 평가 ·························································································85

표 7. 장기간 내구성 평가 내역 ·······································································································86

표 8. 다양한 종류의 VOC 측정 데이터 베이스 (1) ·································································93

표 9. 다양한 종류의 VOC 측정 데이터 베이스 (2) ·································································94

- 22 -

1. 연구개발과제의 개요

1-1. 연구개발 목적

나노 기술과 MEMS기술의 융합을 통하여 실내 및 대기 중 초미세먼지 및 총휘발성유기화합

물(TVOC)의 종합적인 분석이 가능한 소형 복합 감지 장치를 개발한다.

(1) 세부 목표

- 본 과제를 통하여 1. 실내 및 대기 중 초미세먼지 및 총휘발성유기화합물의 종합적인 분

석이 가능한 소형 복합 감지 장치 개발, 2. 상용장비와의 비교평가를 통한 개발된 소형 복합

감지 장치의 신뢰성 평가 및 실제 환경에서의 운전을 통한 상용화 기술 확보 연구를 진행함.

- 초미세먼지 및 TVOC의 검출이 가능한 분석 장치의 구현을 위해, 상기 제안하는 모든 기

술은 Microfluidics 및 나노기술, MEMS기술, 광학기술을 기반으로 함. 이를 통해, 단일 장

치 구현 및 시스템화가 가능함.

- 실용화 및 상용화를 위하여 개발된 소형 복합 감지 장치를 실제 생활공간에서 초미세먼지

감지 시험을 통한 초미세먼지 감지 성능의 신뢰성을 검증함.

(2) 초미세먼지 및 총휘발성유기화합물(TVOC) 복합 측정 모듈의 특징

- 기체와 초미세먼지의 유동 제어를 통한 미세유체시스템을 기반으로 개발되어 고속의 시료

분석 및 장기간 재사용이 가능함.

- 초미세먼지(PM2.5)와 TVOC의 실시간 감지가 가능한 복합 측정 모듈임.

1-2. 연구개발의 필요성

(1) 융합형 대기오염 측정/평가 기술의 필요성

- 공기 중에 부유하는 오염물질로 인하여 발생되는 환경성질환의 환자가 증가하고 있는 추

세임. 지난 2002~2006년간 알레르기 비염 환자는 35.6%, 천식 환자는 16% 증가하는 것

으로 나타남.

- 특히 저항력이 낮은 9세 이하 아동의 경우 위의 질환에 취약하여 천식은 5명중 1명

(19.6%), 아토피 피부염은 9명 중 1명(11.4%), 알레르기 비염은 6명 중 1명(16.3%)가 진

료를 받은 것으로 조사됨.

- 환경성 질환으로 인한 진료비는 2003년 2,612억 원에서 2006년 3,223억원으로 3년간

23.4%가 증가한 것으로 국민 건강보험공단 보고서에 보고됨.

- WHO 추산에 의하면 입자 오염으로 인한 보건 비용은 산업국가에서 1톤 당 20만 불에서

- 23 -

77만 불에 이를 것으로 예상됨.

- WHO 연구 결과에 의하면 실내오염물질의 경우 실외 오염물질보다 인체의 폐에 전달될

확률이 1,000배 높은 것으로 알려져 있음.

- 지속적인 산업발달로 인하여 새로운 실내유해물질들(포름알데히드, 담배연기, 휘발성유기

화합물, 라돈, 석면 등)이 지속적으로 출현하고 있고 이에 대한 유해성이 부각됨에 따라, 실

내 환경 및 개인 노출 환경에서 실시간으로 초미세먼지와 휘발성유기화합물(VOC)을 감지할

필요성이 증대되고 있음.

- 실내 환경 및 개인 노출 환경에서 효과적으로 기체상 유해물질을 측정하기 위해서는 다음

과 같은 소자의 개발이 필요함.

- 첫째, 개인의 노출 환경에서 유해물질을 검출하기 위해서는 건물에 내장한 형태나 개인휴

대가 가능한 형태가 이상적임. 건물 내장 형태의 유해물질 측정을 위해서는 한 지점이 아닌

여러 지점에서 동시에 분석이 가능해야 함. 이를 위해서는 측정기기의 소형화가 필요하고,

다수의 분석 장치가 필요하므로 생산 가격의 저가화가 이뤄져야 함.

- 둘째, 복합적인 대기오염 분석을 위해서는 다양한 유해물질(PM2.5, 총휘발성유기화합물

(TVOC))의 포집/분류/감지의 모든 과정이 동시에 수행되어야 함.

- 위의 조건들을 만족하기 위해서는 기계, 전기전자, 나노, 광학, MEMS 등 다양한 분야의

효과적인 융합을 통한 미세유체시스템 기반의 소형 센서 모듈의 개발이 적합함.

[그림 1. 기존 공기 오염 분석법과 제안하는 기술의 특징]

- 24 -

[그림 2. 초미세먼지(PM2.5)와 휘발성유기화합물의 유해성]

(2) 초미세먼지의 위해성

- 초미세먼지는 인체에 유입되면 호흡기에 의해 걸러지지 않고 폐포나 혈관에 흡착되어 호

흡기 질환과 심혈관 질환을 야기하거나 혈액 속에 침투할 경우 패혈증을 유발할 수 있음.

- 대기 중 초미세먼지는 지구에 도달하는 태양빛을 흡수/산란시킴으로써 시정감소의 주요원

인 물질로 작용하고, 구름 속에 혼입되어 응축핵 역할을 함으로써 지구기후변화에 영향을 주

고 있음(IPCC 보고서, 2012).

- 초미세먼지는 사람의 호흡기 내부로 흡입되어 호흡기 질환을 일으키는 큰 역할을 함.

- 2.5 ㎛ 이상의 미세먼지는 대부분 코에서 제거되나 그 이하의 크기를 가진 미세먼지는 폐

에 적층됨. 이러한 2.5 ㎛ 이하의 초미세먼지는 주방, 사무전자기기 등 실내에서 발생하는

경우가 대다수임. 초미세먼지가 가지는 위험성에도 불구하고 그에 대한 규제방안과 대책은

답보상황임.

- 초미세먼지는 반도체 산업과 같은 정밀산업분야의 불량률 상승의 원인이 되며 조선업, 자

동차산업의 도장 작업에 방해가 됨.

- 특히 초미세먼지는 반도체 생산 수율에 가장 큰 영향을 끼치는 원인으로 파악되고 있으

며, 생산수율을 저하시키는 원인들 중에 70% 가량이 미세먼지와 관련된 것으로 알려짐.

- 현재 클린룸 기술의 발달로 외부에서 유입되고나 인체에서 발생하는 미세먼지는 제어되고

있지만, 실제로 클린룸 내에서 입자 발생여부에 대한 실시간 모니터링 기술은 미비함.

- 25 -

- 초미세먼지의 발생여부는 클린룸 뿐 아니라 LCD 장비 내부 등에서도 중요하게 여겨지는

제어요소이며, 환경에 관심이 커지면서 건물, 지하철 역에서도 중요하게 여겨지고 있음.

[그림 3. 입자 크기별 인체 내부 적층 분포도]

(3) 국내 초미세먼지 현황

- 최근 지속적인 산업발달과 중국발 스모그에 의해 초미세먼지(PM2.5, 대기 중에 부유하는

직경 2.5㎛ 보다 작은 미세 먼지)의 발생이 증가하였으며, 이에 따른 산업적, 환경적, 보건적

문제점들이 대두됨에 따라 초미세먼지에 대한 관심이 증가하고 있음.

- 실내 미세 입자의 경우 환경부에서는 “다중이용시설의 실내공기질관리법”에서 PM10

미세입자의 질량 농도를 150μg/m3으로 규제하고 있으며 노동부, 교육과학기술부 등 각 정

부 부처별로 관리대상에 따라 PM10 미세 입자에 대한 질량 농도를 규제하고 있음.

- 미국 EPA (Environmental Protection Agency)에서는 2006년 PM2.5 기준 35μg/m3

으로 강화하는 등 PM2.5, PM1와 같이 대상 입자의 크기가 줄어들고 있으며 이 경우 질량

농도뿐만 아니라 수 농도 규제 가능성에 대한 논의도 진행되고 있음.

- 서울시에서 10년간 초미세먼지 오염도를 측정한 결과 2012년 23 μg/m3로 미국 주요도

시(보스톤, 시카고, 휴스턴, LA, 워싱턴DC, 디트로이트) 평균 14 μg/m3에 못 미치고 있음.

(4) 국내 초미세먼지 정책

- 최근 고농도 초미세입자가 중국으로부터 유입된 스모그와 국내에서 자체 배출된 오염물질

- 26 -

이 상호 복합적으로 작용해 발생하고 있음. 장거리이동오염물질 조사연구사업 등에서 국내

대기오염물질 중 중국발 오염물질의 비율이 약 30∼40% 정도인 것으로 분석되었음

- 이에 따라 국내외 대기오염 문제에 대한 국민의 우려가 높아지고 있어 국민건강 보호 및

선제적 대응 차원에서 국가 예보제를 지난 7월 도입. 미세먼지(PM10)에 대해 올 8월부터

시작된 시범예보를 거쳐 내년 2월부터 전면 시행 예정이며 초미세먼지(PM2.5)는 내년 시범

예보 후 2015년부터 시행예정임.

-현재 대기 중 PM10 미세입자만 질량 농도를 150㎍/㎥으로 규제하고 있음. 하지만 국내에

서 대기질 개선 및 초미세먼지(PM2.5) 저감대책의 수립을 위한 기초자료의 축적은 아직도

상당히 미흡한 실정임. 따라서 환경부에서는 지난 2010년 9월 말경 PM2.5에 대한 대기환

경기준(기준은 일평균 50 ㎍/㎥, 연평균 25 ㎍/㎥)을 신설하기 위해 관계법령을 개정하고,

제반시설 구축 등을 거쳐 2015년에 시행된다고 밝힘.

- 환경부는 2024년까지 수도권의 대기 질 개선을 위해 대기오염물질 저감을 위한 신규대책

을 발굴하여 뉴욕, 런던, 파리 등 선진국 도시보다 1.5∼2배 짙은 초미세먼지 농도를 2024

년까지 해외 선진도시 수준인 15㎍/㎥대로 낮추기로 할 계획.

- 개별국가만의 대응을 넘어 한국, 중국, 일본 3국은 제15차 한·중·일 환경장관회의

(TEMM)에서 중국에서 한국, 일본까지 날아오는 이동성 대기오염물질인 초미세먼지 등에

효율적으로 대처하기 위해 대기오염 관련 정책을 둘러싼 정보교류, 대기오염 모니터링, 오염

예방 및 통제기술 교류, 공동연구 등을 진행하기로 합의.

(5) VOC의 위해성

- VOC는 두 가지 형태로 인체에 악영향을 끼침. 첫 째로, VOC는 질소산화물의 광분해반응

에 관여하여 광화학 스모그의 전구물질로서의 역할을 들 수 있음(Parrish and Fehsenfeld,

2000). 광화학 스모그는 인체의 눈과 목의 점막을 자극하거나, 호흡기 질환을 일으킴.

- 둘째로 그 자체로 인체에 직접적으로 유해함(WHO, 2000). 특히 벤젠과 1,3-뷰타디엔은

1급 발암성 물질로 분류되어 환경학적 중요성이 매우 큰 물질임.

(6) 국내 VOC 배출량

- VOC 배출량은 2002년 이후 도료의 사용량 증가로 인해 지속적으로 상승하다가, 2005년

에 제정된 도료의 VOC 함량 기준이 낮아짐에 따라 소폭 감소함. 이후 도료사용량이 지속적

으로 증가하였기 때문에 VOC의 배출량 또한 증가하였으며, 2011년에는 전년도 대비 0.8%

로 배출량이 소폭 증가하였음.

- 20세기 초부터 VOC의 위해성이 알려졌지만 여전히 VOC 배출량이 조금씩 증가하고 있

는 추세임.

- 27 -

[그림 4. 연도별 VOC 배출량 추이(국립환경과학원, 2011)]

(7) 국내 VOC 정책

- 2012년 5월에 개정한 대기환경보전법 제44조에 의하면 VOC를 배출하는 시설을 설치하

고자 할 때 반드시 시에 신고해야하며, 이를 억제하거나 방지하는 시설을 갖추어야 함을 명

시하고 있음.

- 다중이용시설 등의 실내공기질관리법 시행 규칙 제4조는 다중이용시설 내의 TVOC 농도

가 특정 수치 이하로 유지될 것을 권하고 있음.

- 산업안전보건법 시행 규칙 제81조에 의하면 발암성이 있는 벤젠에 대한 노출농도의 허용

기준을 정해놓고 있음.

1-3. 연구개발 범위

- 나노 기술과 MEMS 기술, 광학 기술의 융합을 통하여 실내 및 대기 중 미세먼지

(PM2.5) 및 총휘발성유기화합물(TVOC)의 종합적인 분석이 가능한 소형 복합 센서 모듈

개발.

- 미세먼지 및 TVOC의 검출이 가능한 분석 장치의 구현을 위해, 미세유체 시스템 기반의

PM2.5 분류 소자, MEMS 기술과 광학 기술 기반의 미세먼지 측정 기법 연구, 나노기술 기

반의 고감도 TVOC 감지 기법 연구, 센서 신호처리 회로 설계 및 센서 모듈을 개발 및 연구

하여 단일 장치 구현 및 시스템화.

(1) 1차년도

- 28 -

- 초미세먼지 포집부 성능향상기술개발

- TVOC 센서의 감도 향상 및 유해가스에 대한 선택성 향상기술 개발

- 신호처리 모듈 개발

- 초미세먼지와 TVOC 동시 분석 센서모듈 시작품 개발

- 초미세먼지 하전특성 및 감지 성능 평가

- TVOC 감지 성능 평가

(2) 2차년도

- 입자 밀도 데이터베이스 구축

- 다양한 종류의 VOC분자에 따른 데이터베이스 구축

- 실제 생활환경 공기질 측정

2. 국내외 기술개발 현황

2-1. 해외 기술개발 동향

(1) 초미세먼지 감지 기술

- 세계 환경시장은 미국, 일본 등 환경선진국이 80%이상을 차지하고 있음. 아시아권은 시

장 규모는 상대적으로 작지만 북미, 서유럽, 일본 등에 비하여 성장률이 높아 새로운 환경시

장 창출이 전망되고 있음.

- 세계 대기오염측정 및 모니터링 시장은 2006년 143억 달러에서 평균 12%의 성장률로

2010년 227억 달러까지 증가 하였고, 이중 에어로졸을 포함한 유해대기오염물질 모니터링

시장은 가장 중요한 시장 중 하나라고 보고됨(BCC Research).

- 미국의 경우 시료의 베타선 흡수를 이용한 BAM(beta attenuation monitor) 기술, 적외

선 분광을 하여 입자의 흡수 스펙트럼을 분석하는 FTIR(fourier transform infrared

spectroscopy) 기술, 전기적 이동도(electrical mobility)를 이용한 SMPS(scanning

mobility particle sizer) 기술, SMPS와 유사한 원리를 이용한 새로운 형태의 WPS(wide

range particle spectrometer) 기술, 입자의 성장과 광학적 특성을 이용한

CPC(condensation particle counter) 기술, 저압조건에서 입자의 이동도를 이용한

ELPI(electrical low pressure impactor) 기술 등 다양한 방식의 초미세입자 측정기가 연

구되고 있음.

- 29 -

- 그 중 상용화된 장비로는 Andersen사의 다단 임팩터, MSP사의 WPS, Met One사의

CNC(condensation nucleus counter), TSI사의 SMPS-CPC, Chalmers사의 CPC, PMS

사의 LPC(laser particle counter)와 BAM이 있음

- 휴대성이 용이한 소형 초미세먼지 측정 장치들 또한 상용제품으로 출시되었으나 고가임

- 미네소타대학교의 기계공학과에서는 다양한 입자 측정기술을 개발하여 TSI, MSP 등 회

사들을 통해 상품화하고 있음. 이 중에서 초미세입자를 실시간으로 측정하는 장비로는 TSI

의 SMPS-CPC가 있음

- 소형, 저가, 저전력의 센서 모듈에 관한 연구도 수행되었으나, 낮은 감도로 인하여(1㎛ 이

하 입자 측정 불가) 정확한 계측은 어려움

- 일본의 경우 히로시마 대학교를 중심으로 상대 습도에 따른 나노 입자의 크기 변화를 측

정하는 기기인 Nano-TDMA(differential mobility analyzer) 등 입자 분리/측정기를 자체

개발하여 활용하고 있음

- 상용화된 장비로는 HORIBA사의 레이저 회절 측정기기(Laser diffraction particle

analyzer), SHIMADZYU사의 OPC와 FTIR, NIKKISO사의 Spray particle size analyzer

등이 있음

- 일본 또한 휴대성이 용이한 광학적 측정 방식기반의 초미세먼지 측정 장치들이 상용제품

으로 출시되었으나, 고가이며 PM2.5 중 나노급 입자 측정에 한계를 보임.

- 일부 연구 그룹에서 소형, 저가, 저전력의 센서 모듈에 관한 연구도 수행되었으나, 낮은

감도로 인하여(1㎛ 이하 먼지 측정 불가) 정확한 계측은 어려움.

(2) TVOC 감지 기술

- 미국, 캐나다, 영국 등에서는 광이온화 검출 방식(Photo Ionization Detector)을 개발 및

이용하여 VOC 측정 장비로 사용하고 있음.

- 특히 미국의 RAE systems 사는 PID 방식을 이용한 측정 시스템을 판매하여 전 세계 시

장의 60% 장악하고 있음. 최근의 경향은 센서의 초소형화, 저전력화 등을 추세로 하고 있

음.

2-2. 국내 기술개발 동향

(1) 초미세먼지 감지 기술

- 국내 대기질 개선 시장은 2010년 2조 5,961억원에서 2030년 6조 1,661 억원 규모로

- 30 -

성장할 전망임. 특히 대기오염물질 측정 및 모니터링 시장은 가장 중요한 부분 중 하나로 성

장할 것으로 예상하고 있음. 따라서 국내의 초미세먼지 관련 연구는 그 중요성에 부합하여

연구기관 및 몇몇 대학을 중심으로 진행되어 국내환경기술 수준은 선진국 대비 77.3%로 꾸

준히 개선되고 있지만 (대기환경개선 기술 분야는 81.5%, 기후변화예측 및 적응기술은 선진

국 대비 78.3%) 기술격차는 6.4년으로 여전히 크다고 할 수 있음.(국가과학기술위원회,

2008)

- 우리나라 기상청과 환경부에서 채용한 자동 측정 방식은 BAM(Beta Attenuation

Monitor)법으로써 공기를 흡입하여 필터를 통과시키고 베타선의 흡수를 질량으로 환산하여

측정함

- 상용화된 제품으로는 마이크로미터 입경의 입자 측정이 가능한 HCT사의 optical PM

sensor가 있지만 나노미터 입경의 입자 측정이 불가능하여 이를 보완해 줄 수 있는 연구 개

발이 필요함

- 원천기술 연구로는 한국표준과학연구원 산업측정표준그룹의 경우 Beta gauge를 이용하여

PM10과 PM2.5 측정기를 개발하여 사용하고 있으나, 실시간 측정 및 초미세먼지 측정에는

많은 제약이 있음.

- 광주과학기술원(GIST)의 경우 경유 자동차 입자상 물질 측정기, PM10, PM2.5 inlet 등

을 개발하였으나, 미국 등 선진 기술의 측정방법과 유사한 방법을 채택하고 있고 아직 원천

기술을 확보하지는 못함

- 원천 기술의 부족과 개발의 한계로 국내 측정 장비는 낮은 신뢰성을 가지며, 대부분의 측

정 장비는 고가의 외산 장비로 조달하고 있음

(2) TVOC 감지 기술

- 국내의 VOC 측정을 위한 소형 장비는 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이며, 국내에서

판매되고 있는 국산 장비 역시 핵심 센서를 수입하여 조립해서 판매하는 현황임.

- 국내 산업체의 경우, (주)케이엔씨 사에서 반도체식 가스 센서를 생산 및 공급하고 있음.

그러나 VOC 뿐만 아니라 유해가스에도 반응하여 선택성에 문제가 있음.

2-3. 기존 PM 및 VOC 측정 장비와의 비교

- 현재 시판 중인 상용 PM 계측기는 대부분 관학 계측 방식을 이용하고 있음. 그 방법은

여지투과식, 여지반사식, 광투과식, 광산란식으로 나누어짐.

- 여지투과식과 여지반사식은 압축 펌프를 이용, 계측기 내의 필터 위에 입자를 포집함. 입

자 포집 시간은 경우에 따라 달라지며 대략 10초~1시간 정도이다. 여지투과식과 여지반사식

은 광학계의 오염이 없고 비교적 쉽게 입자 농도를 측정 가능하며 경우에 따라 저렴한 광원

- 31 -

[표 1. PM 측정 장비]

(LED)을 사용할 수 있지만 실시간 계측이 불가능하고 정확도가 낮으며 수농도 계측이 불가

능함.

- 광산란식은 입자를 크기별로 분류하고 광학 계측부 내로 입자를 통과시키면서 각 입자에

서 산란되는 광신호를 계측하는 방식임. 이는 입자의 개수 뿐 아니라 크기, 형태적 특성을

분석하는 데에도 용이함.

- 광투과식은 PM을 포함한 계측 대상 기체에 직접적으로 레이저를 조사하여 계측하는 방식

임. 여지를 이용한 방식에 비하여 응답성이 거의 실시간에 가까울 정도로 빠르고 직접 노출

방식으로 보다 정확한 계측이 가능함. 또한 장치 구성이 비교적 단순하여 소형화가 용이함.

- 본 연구에서는 제안하는 전기적 수농도 측정 기반의 PM 측정 법의 경우, MEMS 공정기

술을 통한 저가/소형 PM 측정 센서를 적용하므로 제작 비용을 더욱 낮출 수 있을 것으로

판단되며, 반도체 공정 기술을 이용하므로 대량 생산이 가능하다는 이점이 있음.

- 32 -

[표 2. TVOC 측정 장비]

- 본 연구팀에서 제작한 나노선 기반 TVOC 센서는 일괄 공정을 통하여 소자의 대량 제작

이 가능함. 연구용 소자 제작에 필요한 공정비와 생산할 수 있는 소자의 개수, 소자의 패키

징 공정을 고려할 경우 한 소자 당 소요 금액을 약 오만원으로, 위 자료의 기존 PID 방식

TVOC 센서보다 훨씬 저렴한 비용으로 제작할 수 있음.

- 최저 검출 농도 면에서 기존 PID 방식의 센서보다 못지않은 성능을 보이며, 기존 저항변

화방식의 센서보다 나은 성능을 보임.

- 제작한 연구용 소자의 크기는 9⨯9⨯1(mm)임을 보면, 기존 PID 방식의 센서보다 작으

므로, 휴대성 면에서 보다 우수하다고 할 수 있음.

- 33 -

[표 3. 국내외 연구기관 및 산업체의 대기 중 유해 물질 측정 장비 개발 현황]

- 34 -

3. 연구수행 내용 및 결과

3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표

구분 연구개발의 목표 연구개발의 내용 비고

1차년도

초미세먼지 포집 성능 향상금속 필터를 이용한 먼지 포집부의

성능향상주관

TVOC 센서 감지 성능 향상 및

유해가스에 대한 선택성 향상

유해성 무기 가스 센서의 제작 및

TVOC 센서의 신호 보정 및 감지

성능평가

주관

신호처리 회로 및 디스플레이

장치 개발

미세전류 측정을 위한 신호처리회로 개발

측정 신호 디스플레이 장치 개발주관

초미세먼지와 TVOC 동시 분석센서 모듈 시작품 제작 각 요소기술을 통합한 시작품 제작 주관

2차년도

초미세먼지 감지 성능 평가

초미세먼지 하전특성도출 및 감지

성능 평가, 장시간 작동 평가를 통한

내구성 검증

주관

TVOC센서 감지 성능 평가 TVOC센서 감지 성능 평가 주관

수 농도의 질량 농도 전환을 위한입자 밀도 데이터베이스 구축

실내, 실외, 도로변, 지하철 역사입자 밀도 측정 주관

다양한 종류의 VOC에 대한데이터 베이스 구축

VOC분자 종류에 따른 데이터베이스구축 주관

실제 환경 공기질 측정 실내 및 실외 환경의 공기질 측정 주관

(1) 1차년도

가. 연구목표

1) 초미세먼지 포집 성능 향상

- 초미세먼지 포집 80% 이상

2) 나노선 표면개선을 통한 감도 향상, 마이크로 히터를 이용한 회복시간 향상, 센서의 어레

이화를 통한 선택성 향상

- 최소 감지 농도 400 ㎍/㎥

- 35 -


- 3종의 유해가스(CO, NO2, O3)에 대해 선택성 획득

3) 신호처리 모듈 개발

- 미세먼지 하전 전류 측정 : 1 fA ~ 1 ㎀ (분해능 : 1 fA)

- 미세 전류 증폭 범위 : 3.3V 이내

- 센서 신호 출력을 위한 디스플레이 장치 개발

4) 통합형 소형 모듈 시작품 제작

- 모듈 크기 : 180 × 140 × 90 mm

- 응답 속도 : 1분 이내

5) 초미세먼지 하전 특성 및 감지 성능 평가

- 초미세먼지 입경과 하전특성에 관한 관계식 도출

- 초미세먼지 측정 입경 : 2.5 ㎛

- 초미세먼지 농도 범위 : 1.0 × 106 #/cc 이내

- 응답 속도 : 5초 이내

- 상용장비와 성능차 : 30 %

- 장시간 작동에 따른 내구성 검증

6) TVOC센서 감지 성능 평가

- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥


- 반응 시간 : 30초

나. 연구내용

1) 초미세먼지 포집 성능 향상

- 코로나 하전 된 초미세먼지의 개수를 측정하기 위해 하전된 미세먼지에 의해 포집 전극에

- 36 -

유도되는 미세 전류 측정을 통하여 초미세먼지의 수농도를 측정함

- 포집 전극에 포집된 전 미세먼지들의 총 전류를 측정하기 위해 전류계와 연결

- 부착된 초미세먼지들의 단위 부피당 개수는 먼지들의 총 전류값 I를 유량 Q와 단위 전자

의 하전량 e의 곱으로 나눈 값

- 유도 전류는 하전량과 유량, 수 농도에 비례하며, 고정된 하전량과 유량 조건하에 공기 중

먼지의 수농도를 실시간으로 측정

- 유도 전류의 세기는 유로에 장치된 포집 전극에 포집되는 하전된 초미세먼지의 포집률과

관계가 있음.

- 미세 전류 측정 부를 금속 필터로 제작하여 초미세먼지 감지 성능을 크게 향상

- 금속 필터 포집부는 노이즈 차폐를 위하여 외부를 금속 shielding 한다.

2) TVOC 센서의 감지 성능 향상 유해가스에 대한 TVOC의 선택적 감지 성능 향상

- 기 제작된 TVOC 센서는 VOC 뿐만 아니라 유해가스에도 반응을 함. 이러한 문제를 해결

하기 위해 나노선 기반 센서 어레이를 이용함. 본 연구팀은 기상화학증착법, 압축응력법, 템

플릿법, 열수합성법 등의 나노선 합성법을 통해 ZnO, WO3, GaN 나노선 및 CNT를 합성할

수 있어, 다른 종류의 나노선으로 구성된 센서 어레이를 제작할 수 있음.

- 나노선 기반 센서를 어레이화 할 경우, 대기 중 오염물질(TVOC, 유해가스)에 따라 센서

별로 나오는 신호의 세기가 다르게 되며, 신호를 패턴화 하여 인식하면 TVOC와 각종 유해

가스를 선택적으로 감지할 수 있음.

[그림 5. 나노선 기반 TVOC 센서 어레이 모식도]

- 37 -

- 그림 5. 는 어레이화 한 나노선 기반 TVOC 센서 어레이를 보여줌. 센서 어레이를 통해

얻은 신호는 주성분분석법을 이용하여 유해가스를 VOC로부터 구분함. 주성분분석법은, 고차

원의 특징 벡터를 저차원으로 축소하는 데이터 처리 기법으로 정보를 많이 잃지 않고 데이

터를 처리하고 패턴을 인식하는 기법임.

- PCA 분석 시, 동일한 농도의 유해 가스 및 VOC 환경에서 실험하여 유해가스와 VOC 간

의 선택성을 확인함.

[그림 6. 측정 데이터의 패턴 인식을 통한 VOC의 선택적 측정 예시]

- 나노선의 표면에 공공(vacancy)을 생성할 경우 활성 산소의 농도가 증가하고, 이는 나노

선이 VOC와 반응시 전기전도도의 변화 폭을 증가시켜 센서의 감도에 영향을 미침.[그림

7.a]

- 마이크로 히터를 통해 센서의 작동온도를 조절하여 VOC의 흡/탈착 속도를 제어하고, 이

를 통해 센서의 감도와 회복 속도를 향상시킴.[그림7.b]

[그림 7. (a)나노선의 공공 생성 모식도, (b) 마이크로 히터 내장형 센서의 모식도]

- 38 -

○ 나노선의 기능화 처리를 통한 TVOC 감지특성 향상

- 나노선의 기능화 처리를 통해 센서의 감도, 검출한계농도 및 응답속도를 높일 수 있음. 예

를 들어 유기물로 나노선을 기능화 처리하여 나노선과 TVOC가 흡착하기에 적합한 부위

(adsorption site)를 제공해 주어 나노선 기반 저항 변화 방식 센서의 감지 특성을 향상시킬

수 있음.

- 나노선의 기능화를 위한 유기화합물의 대표적인 예로 메탈로포피린(MPP)을 들 수 있는

데, 이 물질은 수소 결함, 이온 결합, 극성 결합, 배위 결합 등 TVOC가 감지물질과 결함 혹

은 흡착할 수 있는 다양한 부위를 제공할 수 있음.

- 이러한 메탈로포피린은 주로 Quartz Crystal Microbalance(QCM)에 증착하여 TVOC 흡

착시 변하는 공진주파수를 측정하는 방식으로 많이 쓰임. 하지만 이러한 공진주파수 변화 방

식은 QCM의 질량 대비 TVOC 먼지의 질량이 매우 크므로 낮은 검출한계농도를 가지기 어

려움.

- 하지만 나노선에 기능화 처리하여 저항 변화 방식으로 사용할 경우 높은 부피 대 표면적

비율 및 세장비를 갖는 구조적 특성 때문에, 일정 부피 및 농도 하에서 QCM을 이용한 공진

주파수 변화 방식보다 큰 신호를 얻을 수 있어 저농도에서도 측정이 가능함.

- 그림 8.은 p형 반도체 성질을 가지는 나노선인 CNT에 MPP을 증착하여 저항 변화 방식

으로 VOC를 감지하는 원리를 보여줌.

[그림 8. 메탈로포피린으로 기능화 처리한 탄소나노튜브 기반 TVOC 센서의 메커니즘]

3) 신호 처리 모듈 개발

- 하전된 초미세먼지에 의해 입자 포집 필터에 유도되는 미세 전류를 증폭하기 위한 회로

구현

- 수십~수백 fA 레벨로 예상되는 미세 전류를 측정하기 위해 아래 그림과 같이, 미세 전류

를 전압 형태로 증폭하는 회로를 설계. 미세 전류를 mV 레벨의 전압 형태로 증폭하기 위해

서는 TΩ 레벨의 고저항이 필요하며, 노이즈 감쇠를 위해 낮은 입력 바이어스 전류

(Maximum 2fA)를 갖는 증폭기를 사용. 신호 입력부 금속 shielding을 통해 노이즈 차폐

- 39 -

- TVOC 흡착에 따른 저항 변화를 전압의 형태로 증폭하기 위한 회로 구현

- 설계된 회로를 통해 마이크로컨트롤러 등에서 쉽게 측정하여 사용할 수 있도록 함.

[그림 9. PM2.5 및 TVOC 감지를 위한 신호처리 모듈 개념도]

4) 초미세먼지(PM2.5)와 TVOC 실시간 분석 센서모듈 제작

- 미세 먼지의 감지를 위한 통합 모듈 시작품 제작을 위해서 선행 연구단계에서 개발된 미

세먼지 분류/측정 통합 소자, 고전압 변환 회로와 본 연구에서 개발할 예정인 초미세먼지 포

집부와 센서 신호를 표시해주기 위한 디스플레이 모듈을 장착함.

- 또한 전기적 노이즈 방지를 위하여 금속 차폐막으로 미세먼지 분류/측정 통합 소자와 센

서 신호처리 회로를 패키징함.

- 최종적으로 센서 모듈, 디스플레이 모듈, 고전압 변환 회로, 배터리, 펌프를 패키징하여하

나의 모듈로서 제작.

○ 미세먼지 분류/측정 통합 소자

- 마이크로급 미세먼지의 분류를 위한 가상 임팩터와 초미세먼지 하전을 위한 코로나 하전

- 40 -

장치, 수농도 측정을 위한 Electrical particle counter의 통합 소자를 개발함.

- 제작된 소자를 이용하여 다양한 크기의 다분산 미세먼지를 이용하여 성능평가를 수행.

- 통합 소자의 개념도는 아래 그림과 같음.

- 가상 임팩터를 통해 분류되는 2.5㎛ 이하의 초미세먼지 들은 코로나 하전 장치를 통과하

여 하전된 후 Electrical particle counting 기반의 수농도 측정 장치에 포집되어 유도 전류

측정을 통해 수농도 추정.

[그림 10. 미세먼지 분류/측정 통합 소자 개념도]

○ 고전압 변환 회로 설계

- 미세입자 측정기로 유입되는 초미세먼지를 하전 시키기 위해 수 V 단위의 입력 전압을

수 kV로 변환해주도록 설계된 회로임.

- 입력부의 DC 전압을 oscillator를 통해 사각(rectangular) 파형으로 변환한 뒤 인덕터를

사용하여 전압 증폭부로 전력을 전달하고 전압 증폭부에서는 전압을 다이오드 및 정류회로

를 사용하여 DC 고전압을 발생시키는 소형 소자를 이용하여 1~4V 전원 입력 시 1 ~ 5kV

의 출력전압을 발생시킴.

○ 초미세먼지 분류/측정 통합 소자 및 신호 처리 회로 금속 패키징

- 전기적 노이즈는 전압 스파이크로 시스템의 부품이나 소자의 정상 동작에 의해 발생할 수

있으며 전도 매커니즘에 의해 다른 시스템에 간섭되어 오동작을 유도함.

- 특히 초미세먼지(PM2.5)와 TVOC 동시 분석 센서모듈의 경우 고전압 발생 장치에 의한

간섭이 더욱 심할 것으로 예상.

- 41 -

- 초미세먼지의 농도 측정을 위하여 하전된 초미세먼지의 미세한 하전 전류를 측정하는 것

에 있어 전기적 노이즈에 의한 간섭은 정확한 측정을 방해할 것으로 예상.

- 전기노이즈에 의한 센서 신호의 간섭을 피하기 위하여 미세먼지 분류/측정 통합 소자와

신호처리 회로를 금속 쉴드로 패키징함.

○ 초소형 임펙터를 이용한 초미세먼지 분류기술

- 입자의 모멘텀에 의한 기반으로 하여 초미세먼지를 분류하는 방법임.

- 임팩터의 입구로 유입된 먼지는 분사 노즐(injection nozzle)이라 불리는 점점 좁아지는

유로를 통과하면서 가속됨.

- 90도 직각으로 꺾이는 주 유동(major flow)의 유량을 90% 이상으로, 직선으로 진행하는

부 유동(minor flow)의 유량을 10% 이하로 조절하면 입경이 큰 먼지는 직진하여 부 유동

부로 이동하고 입경이 작은 먼지는 주 유동부로 이동함.

- 공기의 흐름이 갑자기 바뀌는 경우 공기 중 입자는 공기의 흐름을 따르지 못하고 유선

(streamline)을 이탈하는 현상이 일어남.

- 이탈 현상의 정도는 입자의 크기와 유속에 관계된 함수이며, 스톡스 수(stoke's number)

가 이 현상을 설명할 수 있음.

- 일정한 유속 조건과 급격히 꺾이는 유로의 제작을 통해 일정 스톡스 수(stk50 : 직사각형

유로에서 0.229) 이상의 입자만을 포집할 수 있음

- 가상 임팩터의 분류 입경(가상 임팩터에서의 분류 효율이 50%인 입자의 유체역학적 지

름)을 통해 분사 노즐의 단면적과 유량을 설계할 수 있음.

- 입자 분류를 위한 가상 임팩터의 제작은 기판에 SU-8을 이용한 미세 체널을 이용하여

제작함. 또한 채널 바닥에 전극을 배치함으로서 입자 수농도 측정을 위한 집적화가 가능함

- 42 -

[그림 11. 가상 임팩터를 이용한 초미세먼지 분류 원리]

[그림 12. 가상 임팩터 성능 평가 실험 개요]

○ 초미세먼지의 전기적 수농도 측정 기술 개발

- 하전 입자의 유도 전류 측정을 통한 수농도 측정을 위한 입자 하전 장치 개발함.

- 분류된 초미세먼지 개수 측정을 위해 그림과 같이 charger에서 코로나 방전을 통해 field

charging된 후 그 총량을 검출함.

- 전기장을 집중시키는데 tip 모양의 전극이 유리하며, 벌크 마이크로머시닝 기술을 이용하

여 tip 모양의 전극을 구현할 수 있음.

- 43 -

[그림 13. 코로나 방전에 의한 이온 발생 원리]

- 두 전극 사이에 매우 높은 전압이 가해지면 전극에서 전자가 방출되어 공기를 이온화함.

- 이온화가 진행되기 시작하는 전압을 breakdown voltage라고 하며, 전기장이 집중될수록

breakdown voltage가 낮아져, 이온화가 더 쉽게 일어남.

- 이온화된 공기 내의 입자는 전하를 띠게 되어 금속 전극에 유도 전류를 형성.

- 코로나 하전된 입자의 개수를 측정하기 위해 하전입자에 의해 전기적 수농도 측정부

(Electrical particle counter)에 유도되는 미세전류 측정을 통하여 입자의 수농도를 추정함.

- 전기적 수농도 측정부는 포집된 전 입자들의 총 전류를 측정하기 위해 전류계와 연결됨.

- 유도 전류의 세기는 유로에 장치된 전기적 수농도 측정부에 포집되는 하전 입자의 포집율

과 관계가 있음.

- 마이크로머시닝 기술을 이용하여 미세 유로를 설계하면 미세 유로보다 상대적으로 큰 전

극을 형성하기가 매우 용이하며, 충돌판 구조와 같은 유로의 변경 설계를 하지 않아도 하전

입자 포집률을 증가시킬 수 있음.

- 입자의 수농도 측정을 위한 코로나 하전기의 제작은 하판 전극과 상판 전극으로 나뉨.

- 하판 전극은 습식 산화를 통한 절연층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 식각 공정을 통해 실리

콘 팁을 제작.

- 44 -

- 이후 습식 산화를 통해 절연층을 형성하고 절연층이 형성된 실리콘 팁 위에 알루미늄 전

극을 형성함.

- 또한 상판의 산화된 실리콘 웨이퍼 위에 알루미늄 전극을 형성한 후 마지막으로 상판과

하판의 집적화함으로서 코로나 하전기를 제작.

[그림 14. 코로나 방전에 의한 입자 하전 원리]

- 45 -

[그림 15. 초미세먼지의 하전/수농도 측정을 위한 하전 장치 및 수농도 측정부 통합 소자]

5) 초미세먼지 하전 특성도출 및 감지 성능 평가

- 부유하전 초미세먼지의 유도 전류 측정을 통한 수농도 측정을 위한 입자 하전 장치 개발.

- 분류된 초미세먼지의 개수 측정을 위해 그림과 같이 charger에서 코로나 방전을 통해

field charging된 후 그 총량을 검출함.

- 전기장을 집중시키는데 tip 모양의 전극이 유리하며, 벌크 마이크로머시닝 기술을 이용하

여 tip 모양의 전극을 구현할 수 있음.

- 두 전극 사이에 매우 높은 전압이 가해지면 전극에서 전자가 방출되어 공기를 이온화함.

- 이온화가 진행되기 시작하는 전압을 breakdown voltage라고 하며, 전기장이 집중될수록


- 이온화된 공기 내의 초미세먼지는 전하를 띠게 되어 금속 전극에 유도 전류를 형성.

- 실외에 비해 실내의 먼지 농도가 약 5배로 더 높음. 미세먼지를 하전시킨 후 하전 미세먼

지로부터 유도되는 전류로 수농도를 측정하는 방식은 아래의 환산식을 이용함.

- 46 -

- 미세먼지의 입경에 따라 하전 특성(P×n)이 달라짐.

- 미세먼지 입경 변화는 발생원의 차이로 인하여 발생하며 측정 공간에 따라 달라짐.

- 도로변의 대기 먼지의 구성성분의 경우 자동차 엔진의 불완전 연소로 인한 매연에서 나오

는 그을음(soot)의 주 성분인 EC(elemental carbon : 30.4%)와 휘발성 유기화합물의 성분

인 OC(organic carbon : 37.7%)가 대부분.

- 실내의 먼지 화학적 구성성분의 경우 건축자재에서 떨어져 나오거나 실외에서 내부로 유

입된 지각성 물질(Ca : 11%, Si : 10.4%)이 많았으며 실외의 경우 황과(S : 11.7%) 철

(Fe : 4.7%)이 주성분.

- 실내외 환경에서 입경 및 입자의 종류에 따른 미세먼지들의 하전값을 측정하는 실험을 시

행하여 미세먼지의 하전 특성에 대한 데이터베이스를 구축할 필요성이 있음.

[그림 16. 미세먼지의 입경에 따른 하전 값 예시]

- 47 -

[그림 17. 하전 특성 실험 개요도]

○ 초미세먼지 하전 특성 실험 과정

- NaCl시료를 tube funace에 넣은 후 tube furnace의 온도를 수백℃ 수준으로 유지하여

초미세먼지 발생. 인가 온도에 따라 NaCl 입자의 입경분포가 달라지므로 실험하고자 하는

입경의 입자 발생에 알맞은 온도를 설정.

- Metal electrode 나 Carbon electrode에 방전을 하면 스파크에 의해 전극 구성물질이

떨어져 나오면서 입자가 생성됨.

- 생성된 다분산 초미세먼지는 DMA(differential mobility analyer)를 통과하여 단분산화

되고, Neutralizer에 의해 전기적 성질이 중성이 된 후, CPC와 Electrometer가 있는 챔버

(그림. 18)로 이송.

- Electrometer에 측정되는 유도 전류와 CPC에서 계수되는 수농도를 측정하여 특정 물질

의 하전값 계산.

- 제작된 초미세먼지 초미세먼지 측정 장비와 기존 상용장비(CPC)의 다양한 종류의 초미

세먼지에 대한 수농도 값을 비교하여 제작된 초미세먼지 초미세먼지 측정 장비의 성능을 검

증.

○ 비교 실험 과정

- Air supply system : oil trap, diffusion layer, HEPA filter를 이용하여 공기 중의 oil

contaminent, 습기, 초미세먼지들을 제거한 후 초미세먼지 생성 시스템으로 투입.

- Particle generation system : NaCl 미세먼지를 초미세먼지 하전 특성 실험에서 초미세

- 48 -

먼지를 생성한 방법으로 생성.

- Measurement system : 생성된 초미세먼지는 CPC와 제작된 초미세먼지 초미세먼지 측

정 장비가 있는 Chamber로 보내지며 CPC와 제작된 측정 장비와의 초미세먼지의 수농도를

측정하고 측정값을 비교함.

○ 데이터 처리

- 각 초미세먼지에 제작된 초미세먼지 초미세먼지 측정 장비의 수농도 측정값과 CPC의 수

농도 측정값의 상관관계를 구함. 제작된 장비의 성능평가는 3개의 지표로 성능 평가.

- 첫 번째 지표인 rn은 CPC로 측정한 수농도와 제작된 측정 장비로 측정한 수농도 값의

비로 값이 1에 근접할수록 수농도의 측정 정확도가 높다는 것을 의미함.

- 두 번째 지표는 Linear regression을 이용한 선형 상관식. Cpm = Ccpc 일수록, 즉

a=1 & b=0 일수록 측정 정확도가 높다는 것을 의미.

- 세 번째 지표 R2 는 Linear Fitting된 그래프와 data point 간의 분산 값으로써, 값이 1

에 수렴할수록 제작된 측정 장비와 CPC 간의 선형적 관계가 더 높음을 의미.

○ 장시간 작동 성능평가

- 49 -

- 모사환경 chamber내에서 NaCl 초미세먼지를 발생시켜 내구성 검증평가를 시행함.

- NaCl 초미세먼지는 Nebulizer를 이용해 발생

- 모사 환경 Chamber 내부에 CPC와 제작된 초미세먼지 초미세먼지 측정 장비를 두고 하

루에 한 시간씩 50일을 측정하면서 일별 CPC와 제작된 측정 장비와의 초미세먼지의 수농도

측정값 데이터를 얻은 후 초기 측정값과 50일 이후의 측정값을 비교함.

- 감지 성능은 제작된 센서 모듈과 CPC를 이용하여 측정한 수농도 비를 이용하여 측정.

6) TVOC 센서 감지 성능평가

- 그림 19 은 TVOC의 성능을 평가하기 위한 셋업의 모식도 및 사진임.

- 챔버 내에 센서를 위치한 후 TVOC 주입 시, 전도도의 변화를 측정하는 방식으로 성능을

평가함. 이 때 TVOC의 농도는 MFC를 통해 공기와의 유량 비율을 조절하여 제어할 수 있

음. 주입한 TVOC의 농도는 상용화 장비를 이용하여 확인함. 또한, 각 농도 마다 반복 실험

을 하여 신호의 평균과 오차를 측정함.

- 센서의 성능 평가 시, 상용화된 TVOC 측정기의 감지 농도 범위인 0 ~ 400 mg/m3 에

서 실험을 수행하고 최소감지농도는 400 μg/m3 를 목표로 함.

[그림 18. TVOC 센서 감지 성능 평가를 위한 셋업의 모식도(좌) 및 사진(우)]

(2) 2차년도

가. 연구목표

1) 입자 밀도 데이터베이스 구축

- 수농도의 질량농도 변환을 위해 실내, 실외, 도로변, 지하철 역사의 입자밀도 측정을 통한

- 50 -

입자 밀도 데이터베이스 구축

2) 다양한 종류의 VOC에 대한 데이터베이스 구축

- 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌에 대한 데이터베이스 구축.

3) 실제 생활환경 공기질 측정

- 실제 생활환경에서의 공기 중 오염물질 감지 성능 평가

나. 연구내용


○ 수농도 질량농도 환산을 위한 입자 밀도 측정

- 수농도를 질량농도로 환산하기 위해서는 입자의 밀도를 구해야하며 입자의 형상 정보가

필요하나, 기존의 입자 측정 장치인 SMPS, ELPI, OPC 등은 측정 입자를 구형으로 가정하

고 결과를 보여줌

- 공간상에 존재하는 입자상 물질은 수십 또는 수백 개의 개별적인 입자들이 모여 응집체

(aggregates) 형태를 이루고 있음. 배출되는 PM을 포집하여 SEM/TEM 등의 측정기기를

이용하여 직접적인 이미지를 구하는 방법은 이미지을 얻기 위해 많은 시간이 소요되며 전체

특성을 얻기 위해 통계처리가 필요함.

- Fractal dimension 등과 같이 간접적인 수치를 통하여 형상의 대략적인 정보를 구하는

방법은 실시간으로 측정이 가능하며, effective density와 같이 정확한 질량 정보를 구하기

위한 요소를 바로 알 수 있음.

- 이런 방법을 위해서는 입자의 전기 이동도 크기(electrical mobility diameter) 정보를

알 수 있는 differential mobility analyzer(DMA)와 공기역학적 크기(aerodynamic

diameter)를 알 수 있는 임팩터(impactor)가 필요.

- 51 -

[그림 19. 대기 중 입자의 effective density 측정을 위한 실험 모식도]

- 대기 중 입자의 수농도 분포를 SMPS를 이용하여 측정한 뒤, 입자의 평균 입경을 구하여

평균 입경에서 분류효율 50%를 가지는 임팩터를 다음의 식들을 이용하여 제작.

- 제작된 임팩터는 입자의 밀도와 형상을 알고 있는 NaCl (정육면체, 2.2g/cm3), DOS

(Dioctyl sebacate, 구형, 1.8 g/cm3), PSL (Polystylene latex, 구형, 1.0 g/cm3) 등을

이용하여 입경별 효율 곡선을 측정.

- DMA를 이용하여 측정한 입자의 전기이동도 입경과 Aerosol electrometer를 통해 구한

미세입자의 임팩터 분류효율을 역산하여 입자의 공기역학적 입경을 아래 식에 대입하여

effective density를 계산.

- 52 -

- 실내, 실외, 도로변, 지하철 역사의 입자 밀도 측정예정

2) 다양한 종류의 VOC에 대한 데이터베이스 구축

- 일반적으로 VOC는 상온·상압에서 대기 중 가스 형태로 존재하는 유기화합물을 일컫는

데, 이는 수백 종류에 달함.

- VOC 는 종류마다 질량, 이온화 에너지, 산화·환원 특성이 다름. 그렇기 때문에 PID를

포함한 FID, 질량분석기 및 저항변화방식 TVOC 센서는 각 VOC마다 같은 농도에서 다른

신호를 보임. 즉 TVOC의 조성이 다를 경우, 동일한 TVOC 농도에서 출력신호가 다름.

- 또한 VOC의 종류별 인체 유해 정도 및 환경오염 정도가 다르므로, 주요 VOC에 대한 제

작한 TVOC 센서의 데이터베이스를 구축해야함.

- 본 연구팀에서는 각종 VOC를 생성하는 장치를 구비하고 있어 VOC 종류별 측정 실험이

가능함. 그림 21은 버블러를 이용한 VOC 발생장치의 모식도를 보여줌. 생성한 VOC의 농도

는 상용화 장비를 이용하여 확인하는 방법으로 데이터베이스의 신뢰도를 높임.

[그림 20. VOC 발생 장치의 모식도]

- 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 자일렌의 경우, 석유, 도료 등으로부터 나오는 VOC 중 큰 비

율을 차지하고 있어 4대 대표 유류 VOC로 불리기 때문에, 이에 대한 데이터베이스를 우선

적으로 구축하려고 함.

3) 실제 생활환경 공기질 측정

- 도로변과 실내공간에서 주요 입자들의 평균 지름과 밀도에 대한 데이터베이스를 기반으로

- 53 -

하여 제작된 감지 모듈의 초미세먼지 수농도/질량농도 측정 Field Test를 진행

- 관심 지점에 대한 입자들의 평균 지름 데이터베이스를 이용하여 제작된 센서 모듈로 일정

기간 동안 관심 지점의 초미세먼지 수농도를 계측

- 측정값을 CPC의 수농도 계측값과 비교하여 신뢰성을 확보.

- 또한 입자의 밀도에 대한 데이터베이스를 바탕으로, 측정된 수농도 값을 질량농도로 환산

하고 질량농도 측정 장치와 비교.

[그림 21. Field test를 통한 최종 시작품 성능평가]

3-2. 연구개발 결과 및 토의

(1) 1차년도

1) 초미세먼지 감지기기 시작품 개발

○ 초미세먼지 분류 기술

- 54 -

·입자상 물질을 분류하는 방법 중 하나인 가상 임팩터는 입자의 모멘텀을 이용하여 분리하

는 방법으로, 그 구조는 아래 그림 과 같음.

·무거운 입자가 더 큰 모멘텀을 가지는 것을 이용하여 큰 입자는 직진하여 부 유동(Minor

flow)으로 작은 입자는 유체를 따라 주 유동(Major flow)으로 분류되어 입자의 직경을 분

리.

[그림 22. 가상 임팩터를 이용한 초미세입자 분류 원리]

·가상 임팩터는 그림 23과 같이 inlet nozzle, major channel, minor channel로 구성됨.

전체 유량의 90%를 major flow, 10%를 minor flow 로 설정함으로써 주 유선(main

streamline)이 major channel 쪽으로 형성.

·임팩터의 입구로 유입된 입자는 inlet nozzle 에서 점점 좁아지는 유로를 통과하면서 가속

됨.

·90도 직각으로 꺾이는 주 유동(major flow)의 유량을 90% 이상으로, 직선으로 진행하는

부 유동(minor flow)의 유량을 10% 이하로 조절하면 입경이 큰 입자는 직진하여 부 유동

부로 이동하고 입경이 작은 입자는 주 유동부로 이동함.

·공기의 흐름이 갑자기 바뀌는 경우 공기 중 입자는 공기의 흐름을 따르지 못하고 유선

(streamline)을 이탈하는 현상이 일어남.

·이탈 현상의 정도는 입자의 크기와 유속에 관계된 함수이며, 스톡스 수(stoke's number)

가 이 현상을 설명할 수 있음.

- 55 -

WUdC

WUStk pcp

mrt92/

2

== tStkqCd

W cpp

50

2

9mr

=

Stk: 스톡스 수 U: 유속(litter/min), dp: 입자 직경(μm)

Cc: slip correction factor, W: 노즐 너비(μm)

·여기에서, Dp는 공기역학적 직경을 는　mean-free path를 의미함. Reynolds number

또한 가상 임팩터 설계 시 고려해야 하는 중요한 인자이며 laminar flow가 되도록 하기 위

해서 Reynolds number가 500에서 3000 사이어야 함.

·여기에서, Lc는 hydraulic diameter를 의미하며 2tW/(t+W)로 정의. t는 노즐의 두께를

나타낸다. 분류 입경에 관한 식과 Reynolds number에 관한 식을 이용하여 PM 2.5분류를

위한 가상 임팩터를 설계함. 아래는 계산된 가상임팩터의 Design factor 및 이를 통한 유동

해석 시뮬레이션 결과임. 시뮬레이션 결과 수학적 계산을 통해 설계된 가상 임팩터 구조가

2.5㎛의 분류 입경을 가지는 것을 확인함

[그림 23. 가상 임팩터를 이용한 초미세입자 분류]

·설계 값을 토대로 MEMS 공정 기술을 이용하여 분류 입경이 2.5㎛ 가상 임팩터를 제작했

다 (그림 23.). Silicon wafer 위에 Su-8을 증착하고 lithography 공정을 수행하여 마이크

로 채널을 형성하고, 그것을 PDMS와 PMMA를 이용하여 패키징하여 입자 분류를 위한 가

상 임팩터를 제작하였다. Inlet의 유량은 1 l/min이며, major channel과 minor channel의

유량은 각각 0.9 l/min, 0.1 l/min 이다.

- 56 -

[그림 24. 제작된 PM 2.5 분류를 위한 가상임팩터]

·일정한 유속 조건과 급격히 꺾이는 유로의 제작을 통해 일정 스톡스 수(stk50 : 직사각형

유로에서 0.5184) 이상의 입자만을 포집할 수 있음

·가상 임팩터의 분류 입경(가상 임팩터에서의 분류 효율이 50%인 입자의 유체역학적 지

름)을 통해 분사 노즐의 단면적과 유량을 설계할 수 있음.

·입자 분류를 위한 가상 임팩터의 제작은 기판에 SU-8을 이용한 미세 체널을 이용하여 제

작한다. 또한 채널 바닥에 전극을 배치함으로서 입자 수농도 측정을 위한 집적화가 가능함.

·입자의 분류 효율은 다음 식을 통하여 산출함.

· ·min ·minmin ·min

·아래 그림과 같이 실험 장치를 구성하여 micro virtual impactor 성능평가를 수행함.

- 57 -

[그림 25. 가상임팩터 성능평가를 위한 실험 장치 구성도]

·상용장비를 이용하여 가상임팩터의 분류 성능을 평가. 입자의 입경별 실험을 통해 분류성

능을 살펴보았다. 실험을 수행한 결과, PM 2.5 분류를 위한 가상 임팩터의 경우 분류 입경

이 2.3㎛로 0.2㎛정도의 오차를 확인(분류 입경 오차 8%).

[그림 26. PM 2.5 가상임팩터의 성능평가]

- 58 -

○ 초미세먼지 하전 기술

[그림 27. 코로나 하전 장치 및 입자 측정부 개념도]

·초미세입자 분류 소자에 의해 크기별로 분류된 입자의 농도를 측정하기 위하여, 입자를 전

기적으로 하전할 수 있는 마이크로 코로나 하전 소자(micro corona discharger)를 개발함.

·입자의 전기적 하전은 코로나 방전(corona discharge) 현상을 통해 이루어짐.

[그림 28. 초미세입자 코로나 하전 개념도]

·두 전극 사이에 매우 높은 전압이 가해지면 전극에서 전자가 방출되어 공기를 이온화함.

- 59 -

·이온화가 진행되기 시작하는 전압을 breakdown voltage라고 하며, 전기장이 집중될수록


·이 때 발생된 이온들이 입자와 충돌하면서 입자가 전기적으로 하전되며, 하전 된 입자에

의해 유도되는 전류 값을 측정함으로써 입자의 수농도를 산출함.

·전기장을 집중시키는데는 tip 모양의 전극이 유리하며, 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용

하여 tip 전극을 구현함.

·전기적 수농도 측정부는 포집된 전 입자들의 총 전류를 측정하기 위해 전류계와 연결됨.

· 유도 전류의 세기는 유로에 장치된 전기적 수농도 측정부에 포집되는 하전 입자의 포집

율과 관계가 있음.

· 마이크로머시닝 기술을 이용하여 미세 유로를 설계하면 미세 유로보다 상대적으로 큰 전

극을 형성하기가 매우 용이하며, 충돌판 구조와 같은 유로의 변경 설계를 하지 않아도 하전

입자 포집률을 증가시킬 수 있음.

·입자의 수농도 측정을 위한 코로나 하전기의 제작은 하판 전극과 상판 전극으로 나뉨.

·하판 전극은 습식 산화를 통한 절연층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 식각 공정을 통해 실리

콘 팁을 제작.

·이후 습식 산화를 통해 절연층을 형성하고 절연층이 형성된 실리콘 팁 위에 알루미늄 전

극을 형성함.

·또한 상판의 산화된 실리콘 웨이퍼 위에 알루미늄 전극을 형성한 후 마지막으로 상판과

하판의 집적화함으로서 코로나 하전기를 제작.

- 60 -

[그림 29. 코로나 하전에 의한 입자 유도 전류 측정 개념도]

·Silicon의 방향성을 이용하여 etching 하는 Bulk Micromachining 방법을 이용하여 입자

하전을 위한 tip 모양의 하전 장치를 제작한다. 입자 하전을 위한 tip중 하나의 높이는 약

170㎛ 이며, 입자 하전이 발생하는 채널의 높이는 약 165㎛이다.

[그림 30. 코로나 하전 장치 개념도]

○ 초미세먼지 감지 통합소자

·초미세먼지 분류와 하전소자를 MEMS기술을 이용하여 하나의 소자로 집적화하여 제작함.

- 61 -

글래스 웨이퍼 위에 e-beam evaporator를 이용하여 구리를 증착한 후 식각 공정을 이용하

여 구리 전극을 제작한 후 SU-8을 이용하여 입자 분류를 위한 마이크로 채널을 제작함. 마

지막으로 PMMA packaging을 이용하여 소자를 패키징 한 후 튜빙 함으로써 소자 제작이

완료함. 아래 그림은 공정 과정 및 초미세먼지 분류/하전 통합 소자의 제작 결과임.

[그림 31. 초미세먼지 분류/하전 통합 소자의 공정 과정]

[그림 32. 초미세먼지 분류/하전/측정 통합 소자의 제작 결과]

○ 초미세먼지 측정 포집부 개선

·포집부의 입자 포집 효율을 높이기 위하여 포집 필터를 이용한 입자 포집부를 제작하였음.

포집부의 개념도는 아래 그림과 같으며 입자 하전부에서 하전 된 입자가 포집부의 포집 필

터에서 포집되며 포집필터와 연결된 미세 전류 감지 회로에서 입자의 하전 전류를 측정함.

전체 포집부는 금속 shielding 하여 외부의 노이즈를 최대한 차폐함. 필터포집부의 포집효율

측정을 위해 tube furnace에 NaCl 시료를 넣은 후 tube furnace의 온도를 750℃로 유지하

여 15 ~ 500nm 입자를 발생시키고 0.8, 1.5, 2㎛ 크기의 PSL 입자를 증류수에 희석시킨

후 Atomizer를 통해 발생시킴. 각 입경 대에서의 입자 포집 효율을 측정하였으며, 포집효율

90%이상을 달성함.

- 62 -

[그림 33. 필터타입 초미세먼지 포집부 개념도]

[그림 34. 제작된 필터타입 포집부 및 노이즈 차폐 쉴드]

- 63 -

[그림 35. 제작된 필터타입 포집부의 입경별 입자 포집 효율]

(실험일시 : 2014. 11. 21, 실험장소 : 연세대학교 첨단과학관 210호 실험실)

○ 고전압 모듈

·입자 하전을 위해서는 고전압 인가가 필요하다. 또한, 최종목표인 PM2.5 및 TVOC 복합

측정 모듈의 소형, 통합화를 위해서는 고전압 인가를 위한 소형 모듈의 개발이 필요하므로

고전압 변환 모듈(High voltage DC converter)를 제작함.

·입력 전압은 7.5V 이나, regulator 및 가변 저항을 통해 0~5V 사이의 전압 조절과 일정

한 전압 공급이 가능하며, 이 때 출력 전압은 약 0.9 ~ 7kV 이다. 상용 14.8V 배터리를 통

해 구동이 가능.

·제작된 고전압 변환 모듈을 통해 아래 그림과 같이 입력 전압에 비례하여 출력 전압이 증

가하는 것을 확인.

- 64 -

[그림 36. 제작된 고전압 변환 모듈 및 성능 평가 결과]

○ 초미세먼지 하전전류 감지 회로

·미세 전류 측정 회로 제작을 위하여 정밀 OP AMP(MCP607)를 사용하여 전류 증폭회로

를 설계함. 설계한 미세 전류 측정회로는 아래 그림과 같으며 최종적으로 디스플레이 패널을

이용하여 측정된 전류를 표시할 수 있음.

·미세 전류 측정회로는 입력되는 신호를 손상 없이 온전하게 전달하기 위한

buffer-amplifier와 fA 레벨의 신호를 전압 형태로 증폭, 필터를 통해 고주파 노이즈 성분

을 제거하는 current to voltage converter & filter로 구성되어 있음.

·최종적으로 미세 전류 측정 회로의 신호 입력부를 금속 차폐막으로 패키징하여 외부 노이

즈를 차단함.

·미세 전류 측정 범위는 1 ~ 6000 fA 이며, 미세 전류를 3V 이내의 전압 신호로 변환함.

- 65 -

[그림 37. 미세전류 측정회로 블록 다이어 그램]

○ 초미세먼지 측정기 시작품

·초미세먼지 분류 및 하전을 위한 초미세먼지 감지 소자, 하전입자 포집 필터, 고전압 변환

모듈, 마이크로 펌프, 미세전류 감지 및 신호처리 회로를 통합하여 초미세먼지 감지 모듈의

시작품을 제작함.

·전류 노이즈 차폐를 통한 측정의 신뢰성 향상을 위하여 고전압 변환 모듈과 미세전류 측

정부를 분리하여 제작하였으며, 미세 전류 측정부는 추가적인 노이즈 차폐를 적용하여 제작.

·측정된 미세입자 신호를 센서 신호 출력 장치를 통해 확인할 수 있도록 함. 미세입자 감지

모듈 시작품의 크기는 270 x 170 x 120 ㎜ 이며 측정 입경 범위는 30 ㎚ ~ 2.5 ㎛ 임.

감지 수농도 범위는 4.45 x 102 ~ 2.67 x 106 #/㎤ . 감지 질량농도 범위는 1.58 ~ 9.5

x 103 ㎍/㎥ 임 (100㎚ 입자 기준). 시작품의 전류 소모량은 동작 시 478 ㎃(고전압 모듈

- 218 ㎃ + OP AMP - 20 ㎃ x 3 +　LCD 패널 - 160 ㎃ + 초소형 펌프 - 20 ㎃ x

2) 이며, 대기 상태에서는 77 ㎃임. 초미세먼지 감지 응답속도는 약 5초이며, 개발하는 센서

모듈을 사용하여 공기 질을 5분 간격으로 측정 시, 3350 ㎃h 용량의 배터리를 이용하여 약

40시간 동안 사용 가능할 것으로 판단됨.

·측정된 TVOC 농도는 미세입자와 마찬가지로 신호 출력 장치를 통해 확인 가능하며,

0~10 ppm 범위의 TVOC를 추정 가능하도록 회로를 구성하였으며, 개별 센서의 보정이 필

요함.

- 66 -

[그림 38. 제작된 초미세먼지, TVOC 감지 모듈 시작품]

2) 초미세먼지 감지 모듈 하전특성 평가

·미세먼지의 측정전류를 미세먼지 수농도로 환산하는 식은 아래 식 과 같음.

·환산하는 과정에서 초미세먼지 감지 모듈의 입자 하전 특성 α, β값이 필요함. α, β값은

초미세먼지의 입경별 하전에 대한 모듈의 고유 특성이며, 초미세먼지 측정장비

CPC(condensation particle counter – TSI3776)와 Aerosol electrometer(TSI 3068B)

를 통해 초미세먼지 수농도와 미세먼지 유도전류 값을 측정한 후 산출하였음. 관계식은 다음

과 같음.

·NaCl시료를 tube funace에 넣은 후 tube furnace의 온도를 수백℃ 수준으로 유지하여

초미세먼지 발생. 인가 온도에 따라 NaCl 입자의 입경분포가 달라지므로 실험하고자 하는

입경의 입자 발생에 알맞은 온도를 설정.

- 67 -

·Electrometer에 측정되는 유도 전류와 CPC에서 계수되는 수농도를 측정하여 특정 물질

의 하전값 계산하였다.

[그림 39. 초미세먼지 감지 모듈 입자 하전 특성평가 모식도]

[그림 40. 초미세먼지 감지 모듈 입자 하전특성 평가 결과]


3) 초미세먼지 감지 모듈 성능 평가

- 68 -

○ 초미세먼지 감지 모듈 측정성능 평가

·제작된 초미세먼지 감지 모듈 시작품의 성능 평가를 위하여 다양한 입자농도에서 상용 초

미세먼지 측정 장비와의 측정성능 상호 비교 평가를 진행함.

·상호 비교 평가에는 TSI 3775 – condensation particle counter를 이용하였으며 PM2.5

농도 1.6 x 103 ~ 7.2 x 104 particles/㎤ 범위에서 측정함. 초미세먼지 발생장치

(Atomizer – TSI 3221)에서 발생시킨 초미세먼지를 PM2.5 감지모듈과 CPC에서 동시에

측정함.

·측정결과 전체 농도 범위에서 약 15% 측정 차만을 확인하여 제작된 초미세먼지감지 모듈

시작품의 정밀성과 완성도를 확인함.

[그림 41. 초미세먼지 감지모듈 시작품과 상용 측정 장비(CPC)와의 비교실험 모식도]

- 69 -

[그림 42. 초미세먼지 감지모듈 시작품과 상용 측정 장비(CPC)와의 비교실험 결과]


○ 초미세먼지 감지 모듈 내구성 평가

·제작된 초미세먼지 감지모듈 시작품은 총 50시간 이상 가동하였으며 가동 후 장치의 이상

유무를 점검하여 장치의 내구성을 확인함.

[표 4. 초미세먼지 감지 모듈 내구성 평가 실험 내역]

날짜시작시각/

종료시각가동시간

CPC-초미세먼지 측정기 측정값

비교 실험

2014

12/27

13:00/

14:001시간


비교 실험

2015

01/05

11:00/

14:003시간

- 70 -

·초미세먼지 감지 모듈 이상 점검

- 1차 초미세먼지 감지 모듈 이상 점검

- 점검일 : 2014년 12월 20일

- 장소 : 연세대학교 첨단관 실험실 내 집진시설

- 점검 방법 : 초미세먼지 감지 모듈 시작품 – TSI Electrometer 와의 상호 입자농도 측정

비교 평가

- 측정 시간 : 30분

연세대학교 첨단관 실험실 외기

중 초미세먼지

농도 측정

2015

01/07 ~

01/08

13:00/

13:0024시간


비교 실험

2015

01/10

15:00/

15:3030분


중 초미세먼지

농도 측정

2015

01/12

18:21/

21:213시간


중 초미세먼지

농도 측정

2015

02/25

11:00/

20:009시간


중 초미세먼지

농도 측정

2015

02/26

13:00/

17:004시간

연세대학교 산학 협동관 외기 중

초미세먼지

농도 측정

2015

03/02

16:25/

22:406시간

연세대학교 산학 협동관 외기 중

초미세먼지

농도 측정

2015

03/03

16:00/

22:006시간

- 71 -

[그림 43. 1차 초미세먼지 감지 모듈 이상 점검 결과]



- 점검일 : 2015년 03월 04일



비교 평가

- 측정 시간 : 30분



- 72 -

·총 56 시간 가동 후 초미세먼지 감지 모듈 시작품의 작동이 이상 없음을 확인

○ 초미세먼지 감지 장시간 연속 측정 평가

·제작된 초미세먼지 감지모듈 시작품의 장시간 측정평가를 시행함.

·장시간 측정 평가는 연세대학교 첨단과학관 실험실의 외부 대기를 2015년 01월 07일

13:00 ~ 01월 08일 13:00 까지 24시간 연속으로 측정하는 방식으로 진행함.

·장시간 측정 결과 24시간 연속 측정 후에도 초미세먼지 감지모듈 시작품의 초미세먼지 측

정 성능의 안정성을 확인

·서대문구 대기오염물질 측정소에서 제공되는 PM2.5 시간별 측정 데이터와 비교 결과 비

슷한 경향성을 나타냄을 확인.

[그림 45. 초미세먼지 감지모듈 시작품 장시간 실험 평가 결과]


4) TVOC 센서 개발

○ TVOC 센서의 제작 및 공정 신뢰성 평가

- 그림 43. (a) 는 TVOC 센서의 제작 공정도이다. 실리콘 웨이퍼 위에 절연층, 전극, 절연

층의 순서로 증착과 식각을 반복하여 마이크로 히터가 내장된 센서 플랫폼을 제작한다. 그

- 73 -

리고 나노 소재를 센서 전극에 위치시켜 센서 제작을 완료한다. 그림 43. (b)는 이러한 공정

을 통해 제작된 개별 센서 및 센서 어레이의 광학사진이다.

- 제작 전 시뮬레이션을 통해 센서 설계를 개선하고, 세부 공정 조건을 확보함으로써 센서

제작 수율을 약 70%까지 향상시켰다. 히터 및 센서 전극의 저항 측정 결과, 개별 센서의 경

우 전체 280개의 소자 중 244개, 센서 어레이의 경우 전체 56개의 소자 중 38개의 소자가

정상적으로 제작된 것을 확인할 수 있었다.

5) TVOC 센서 성능 평가

○ TVOC 센서의 감지 성능 평가

- 챔버 내에 센서를 위치시킨 후 TVOC 주입 시, 전도도의 변화를 측정하는 방식으로 성능

을 평가하였다. 이 때 TVOC의 농도는 MFC를 통해 공기와의 유량 비율을 조절하여 제어하

였으며, 주입한 TVOC의 농도는 상용화 장비를 이용하여 확인하였다. 챔버는 직경 3cm 쿼

츠 튜브를 사용하였으며, 총 유량 500 sccm으로 실험을 진행하였다.

[그림 46. 마이크로 히터 내장형 TVOC 센서 공정도(a) 및 완성된 센서의 광학 사진(b)]

○ TVOC 센서의 감도 향상 및 회복 속도 향상

- TVOC 센서에 내장된 마이크로 히터를 통해 센서의 작동온도를 조절하여 VOC의 흡/탈착

속도를 제어하고, 이를 통해 센서의 감도와 회복 속도를 모두 향상시켰다.

- 톨루엔 20 ppb 에서 약 2.0의 반응성을 보였으며(그림 44. (a)), 이는 최저 감지 한계

목표수치인 100 ppb를 크게 초과한 것으로 제작한 TVOC의 우수한 성능을 확인하였다. 톨

루엔 10 ppm에서 반응 후 대기환경에서 회복시킨 결과, 목표 회복 시간인 3분보다 1분 단

- 74 -

축되었다(그림 44. (b)).

[그림 47. (a) 톨루엔 20ppb 측정 결과, (b)회복 시간 측정 결과]

(실험일시: 2015년 2월 1일, 실험장소: 연세대학교 제1공학관 실험실)

○ TVOC 센서의 선택적 감지 성능 개선

- 기 제작된 TVOC 센서는 VOC 뿐만 아니라 유해가스에도 반응을 하는 단점이 있다. 이러

한 문제를 해결하기 위해 나노소재 기반 센서 어레이를 제작하고 선택적 감지 특성을 평가

하였다.

- 본 연구팀은 SnO2 나노소재에 다양한 물질의 촉매(코발트-메탈로포피린, 아연-메탈로포

피린)를 기능화 처리하여 센서 어레이를 제작하였다.

- 나노소재 기반 센서를 어레이화 할 경우, 대기 중 오염물질(TVOC, 유해가스)에 따라 센

서별로 나오는 신호의 세기가 다르게 되며, 각각의 센서로부터 출력된 신호는 주성분분석법

을 이용하여 유해가스를 VOC로부터 구분한다. 주성분분석법(PCA)은, 고차원의 특징 벡터

를 저차원으로 축소하는 데이터 처리 기법으로 정보를 보존하면서 데이터를 처리하고 패턴

을 인식하는 기법이다.

- 75 -

[그림 48. 센서 어레이를 이용하여 측정한 신호를 PCA으로 분석한 결과]

(실험일시: 2015년 1월 26일 ~ 2015년 2월 1일, 실험장소: 연세대학교 제1공학관 실험실)

- PCA 분석 결과, 그래프 상 NO2, CO, NH3, BTEX의 결과값의 위치가 각각 명확히 구분

되어 있어 패턴 인식을 통해 선택적으로 TVOC 감지가 가능함을 확인하였다.

[그림 49. TVOC 센서 초기저항 안정화(a) 및 장시간 반응성 측정 결과(b)]


- 76 -

○ TVOC 센서의 신뢰성, 반복성 특성 평가

- 제작된 센서는 약 40시간 후 초기 저항이 안정화 되었으며(그림 46. (a)), 이후 벤젠, 톨

루엔, 에틸벤젠, 자일렌 혼합가스 10ppm을 주입하여 반응성을 확인하였다. 10회 이상의 동

일 조건에서의 실험에서 센서의 반응성은 약 5.8 ~ 6.2 정도의 값을 나타내었으며, 평균 신

호값의 4% 이하 오차율을 보였다. 또한 센서는 12시간 동안 반복적으로 반응하여 안정성을

확인할 수 있었다(그림 46. (b)).

(2) 2차년도

1) 다양한 종류의 입자에 대한 하전 효율 평가

·미세 입자는 종류에 따라 입자의 특성, 형상이 각각 다르므로 다양한 입자를 대상으로 하

전가 실험을 진행하여 입자의 종류가 입자의 하전가에 어떤 영향을 미치는지 확인하는 실험

을 진행 함.

·미세먼지의 측정전류를 미세먼지 수농도로 환산하는 식은 아래 식 과 같음.

·환산하는 과정에서 초미세먼지 감지 모듈의 입자 하전 특성 α, β값이 필요함. α, β값은

초미세먼지 측정장비 CPC(condensation particle counter – TSI3776)와 Aerosol

electrometer(TSI 3068B)를 이용하여 초미세먼지 수농도와 미세먼지 유도전류 값을 측정

한 후 산출하였으며 관계식은 다음과 같음.

·NaCl, PSL, KCL 시료를 증류수에 희석시킨 후 Atomizer를 이용해 일정 시간 간격으로

분무한 후 분무된 초미세입자를 Diffusion dryer로 제습시켜 생성. NaCl과 KCl 입자는 50

ml의 증류수에 10~30 g의 분말을 녹여 발생시키며, PSL은 증류수 50 ml에 판매되는

0.1~1 ml를 희석하여 발생시킴.

·Electrometer에 측정되는 유도 전류와 CPC에서 계수되는 수농도를 측정하여 특정 물질

의 하전값을 계산함.

- 77 -

·각각의 입자의 입경에 따른 하전값 결과는 아래의 그림과 같으며, 입자의 종류에 따라 하

전값이 크게 달라지지 않고 유사한 값을 나타내는 것을 확인함. 이를 통해 실제 field 적용

시 입자의 종류에 따른 하전가를 고려할 필요는 없는 것으로 판단함.

[그림 50. 입자의 종류에 따른 입경별 하전가]



(a) 저압 임팩터 설계

·입자상 물질을 분류하기 위하여 사용하는 임팩터에서 나노입자를 분류해내기 위해서는 빠

른 유속이 필요하므로 이를 위해 저압 임팩터를 사용함. 이를 설계하기 위해서는 다음과 같

은 식을 사용함.

·위 식에서 U는 노즐에서의 속도, m 은 mass flow rate, k 는 비열비, A 는 노즐의 면적,

Nn 는 노즐의 갯수, Ru 는 보편 기체 상수, M 는 공기의 몰질량, 하첨자 0는 포집판 정체점

- 78 -

에서의 값을 의미함.

·수학적 계산을 통하여 노즐의 직경 및 유량 등을 조절하여 130 nm의 목표 분류 입경을

갖는 가상 임팩터를 설계하였으며 가상 임팩터의 분류 입경은 아래와 같은 식에 의해 결정

함.

·위 식에서 Dp50 은 분류입경을, 는 공기의 점성도(viscosity)를, W는 노즐 너비(width)

를, 는 입자의 밀도를, U는 노즐 출구에서의 공기의 평균 속도를, Stk는 stokes number

를, Cc는 Conninghum slip correction factor를 나타냄. Stk와 Cc는 아래 식과 같음.

·여기에서, Dp는 공기역학적 직경을 는　mean-free path를 의미함. Reynolds number

또한 가상 임팩터 설계 시 고려해야 하는 중요한 인자이며 laminar flow가 되도록 하기 위

해서 Reynolds number가 500에서 3000 사이어야 함.

·제작된 저압 임팩터는 NaCl을 이용하여 성능평가를 진행함. 가열로를 이용하여 NaCl 나

노입자를 발생시키고, DMA를 통과하여 전기이동도에 따라 입자를 분류함. 저압 임팩터의

유량은 3 LPM으로 청정공기를 이용하여 희석을 시켰으며, aerosol electrometer를 이용하

여 저압 임팩터의 전단과 후단에서의 수농도를 측정하여 효율을 계산함. 측정된 분류입경은

135 nm로 목표치인 130 nm와 3.8%의 적은 오차를 보였음.

- 79 -

[그림 52. 저압 임팩터의 분류 효율 곡선]

(실험일시 : 2015. 6. 5, 실험장소 : 연세대학교 첨단과학관 210호

실험실)

(b) 입자 형상 분석 방법론

·입자 형상 분석을 위해서 본 연구에서 사용하는 입자의 특성으로는 effective density로,

[그림 51. 저압 임팩터 성능 평가 실험]

- 80 -

이는 전기이동도 입경과 공기역학적 입경의 상관관계를 통해 알 수 있는 정보임.

(: effective density, : 표준 밀도(1g/㎤), : 입자의 직경,

: Cunningham slip correction factor, 하첨자 a: 공기역학적 계수, m: 전기이동도 계수)

·나노입자의 공기역학적 입경은 본 연구에서 개발한 저압 임팩터를 이용하여 측정하며, 전

기이동도 입경은 DMA를 이용하여 측정함. 하지만 DMA를 사용할 경우 분류되는 입자의 수

농도가 급격히 감소하는데, 이는 DMA에서는 볼츠만 하전 분포를 띈 입자에서 하전된 입자

를 분류하는데 이 비율이 나노입자는 1% 내외이기 때문임.

·나노입자의 하전량은 극히 작기 때문에 현재의 전류계 기술로는 분류된 입자를 하전 하더

라도 이를 측정하는 일은 어렵다. 그리하여 본 연구에서는 SMPS를 이용하여 입자 분포를

측정하고, effective density를 가정하여 공기역학적 입경 기반의 분포를 계산한 뒤, 저압

임팩터의 전단과 후단에서 측정한 전류와 계산된 분포의 전류값을 비교하여 이 차이를 최소

화할 수 있는 effective density를 찾기로 함.

[그림 53. 테스트 입자를 이용한 effective density 측정 방법 검증]

- 81 -

·가열로를 이용하여 발생된 입자는 실내/실외의 수농도를 모사하기 위하여 청정 공기를 이

용하여 희석시킨 뒤, DMA와 CPC가 조합된 SMPS를 이용하여 전기이동도 기반 입경분포를

측정함. 그리고 하전기를 이용하여 입자를 하전시킨 뒤 aerosol electrometer를 이용하여

저압 임팩터의 전후단에서의 전류값을 측정함. 실험실 스케일에서 테스트하는 입자는 염화나

트륨으로, 가열로를 이용하여 발생시킬 경우 정육면체의 형상을 띄고 있으며, 2.163 g/cm3

의 밀도를 가지는 것을 알고 있음. 발생되는 염화나트륨 입자의 effective density는 다음과

같은 식을 통해 구할 수 있음.

·ρeff는 effective density, ρp는 염화나트륨 입자의 밀도, dm은 DMA를 통해 알 수 있는

전기이동도 입경이며, dve는 volume equivalent diameter임. 이를 구하기 위해서는 아래와

같은 계산이 필요함.

·χ는 dynamic shape factor로 정육면체인 경우 1.08로 알려져있음. C는 미끄럼 보정 상

수로 해당 입경에 대하여 계산되며, P는 저압 임팩터 후단에서의 압력임. 이를 계산하면 입

경별로 effective density가 나오게 되며, SMPS가 측정한 14 ~ 660 nm 영역에서의

effective density값은 1.91 ~ 1.44 의 값을 가짐.

·이를 이용하여 SMPS를 이용하여 측정된 전기이동도 입경 기반의 분포는 공기역학적 입경

기반의 분포로 전환하게 되며, 전환된 입경분포는 저압 임팩터의 효율곡선과 결합하여 임팩

터 후단에서의 입경 분포를 유추하게 됨. 저압 임팩터 후단에서의 수농도를 계산하는 이유는

저압에서 CPC가 작동하지 않기 때문임.

- 82 -

[그림 54. 공기역학적 입경으로 전환된 입경 분포와 효율곡선을 이용하여 계산된 임팩터

후단에서의 크기 분포]


·전류값 측정을 위해 저압 임팩터의 전후단의 입자는 코로나 하전장치를 이용하여 하전되

었으며, 위의 그림에서 측정되는 입자 분포는 확산 하전과 전기장 하전의 이론식들을 이용하

여 그 전류값을 계산함. 전기이동도 입경 기준 63.8, 131.5 nm 의 평균 입경의 두 종류의

입자를 발생시켰으며, 이 때 저압 임팩터 전후단의 전류값 비율은 63.8 nm의 경우 측정치가

0.564, 계산치가 0.342로 다소 큰 오차값을 보였으며, 131.5 nm의 경우 측정치가 0.048,

계산치가 0.026이었음.

(c) 실내외 입자 형상 분석

·연구실에서 발생한 입자의 경우에는 형상을 알고 있기 때문에 effective density를 구하여

계산할 수 있으나, 실제 우리가 알고자 하는 실내외의 입자들은 그 값을 알 수 없어 임의의

값을 가정하여 계산을 하여야 함.

- 83 -

[그림 55. 실외 입자 분포 (a)와 각각 가정된 effective density를 이용해 변환한 분포 (b~d)]

(실험일시 : 2016. 4. 28, 실험장소 : 연세대학교 기숙사 인근)

·위의 그림은 연세대학교 기숙사 인근의 야외에서 측정한 입자 분포로, 각각의 effective

density를 이용하여 가정된 입자 분포를 통해 전류값을 계산하였으며 측정된 전류값의 비율

과 가장 적은 차이가 나도록 계산을 반복 수행함. 위의 경우에는 effective density의 값이

1.15일 때 측정값과 유사한 결과를 확인.

[표 5. 실내외 입자형상 분석 결과]

위치Geometric mean

mobility diameter (nm)

Effective

density (g/cm3)

실

내

실험실

(연세대학교 첨단관

210호)

102.3 1.8

사무실

(연세대학교 공학원)80.6 0.6

서대문구 연희동 원룸 62.1 0.67

실

외

연세대학교 서문 73.1 1.15

연세대학교 기숙사

(서대문구 측정소 인근)45.5 0.85

성산로

(도로변)38.7 0.81

- 84 -

3) 실제 환경 공기질 측정

(a) 초미세먼지 수농도 실시간 측정 성능 평가

·제작된 초미세먼지 측정기의 실시간 측정 성능을 평가하기 위해 실내공간을 대상으로 초

미세먼지 농도를 측정하고 상용장비와 성능을 비교함.

·실내공간에서 측정된 입자의 전류값과 상용장비 SMPS를 통해 측정된 평균 입경()

과 표준 편차 값(), 입자 하전 특성을 이용하여 초미세먼지 농도 계산

- 평균 입경() : 98.8 ㎚

- 입자 분포 표준 편차 () : 2.47

- 입자 하전 특성 (α : 4.19 ×109, β : 1.39)

·미세먼지 제거 시설을 통해 실내공간 초미세먼지 농도 조절

·초미세먼지 감지 모듈을 통해 산출된 초미세먼지 농도값과 상용장비 CPC를 통해 측정된

초미세먼지 농도 비교.

·제작된 초미세먼지 감지 모듈을 통해 산출된 초미세먼지는 상용장비와 매우 유사한 경향

성을 보였음.

[그림 56. 실내공간에서의 초미세먼지 수농도 실시간 측정 성능 평가]


- 85 -

(b) 필드 테스트

·초미세먼지 수농도, 초미세먼지 밀도()에 대한 데이터베이스를 기반으로 일반 실외(연세

대학교 서문 부근, 여의도 한강 공원), 도로변(신촌지하철역 부근)에서의 초미세먼지 질량농

도를 계산하였음. 초미세먼지의 질량농도는 아래의 식을 통해 계산됨.

·초미세먼지 수농도를 계산하기 위한 평균 입경()과 표준 편차 값()은 SMPS를 통

해 측정하였으며, 입자 하전 특성은 이전의 하전가 실험에서 구했던 α: 4.19 ×109, β:

1.39 값을 이용함.

·계산된 초미세먼지 수농도는 CPC를 통해 측정된 수농도와 비교하였으며, 밀도 데이터베이

스를 기반으로 질량농도를 계산하였음. 질량농도의 경우 대기 오염 측정소에서 제공하는 값

과 상이한 경우들이 있음. 이는 본 실험에서의 초미세먼지 측정 장소와 대기 오염 측정소의

위치가 멀리 떨어져 있는데 기인한 것으로 판단됨. 도로변의 경우 차량으로부터 나오는 다량

의 초미세먼지로 인해 질량농도가 높게 측정되는 것을 확인할 수 있었음.

[표 6. 실외 초미세먼지 측정 성능 평가]

날짜/시간 장소

(㎚)

PM2.5

감지모듈

수농도

(#/㎤)

CPC

수농도

(#/㎤)

수농도

오차

(%)

PM2.5

감지모듈

질량농도

(㎍/㎥)

대기오염

측정소

질량농도

(참고)

(㎍/㎥)2016.1.15

PM 12:00

~ 1:00

실외

(연세대

서문)

71.1 1.92 2.75×104 2.39×104 13.1 28 12

2016.1.15

PM 3:00

~ 4:00

실외

(연세대

서문)

92.1 1.93 2.28×104 2.24×104 1.8 52.58 33

2016.1.15

PM 4:00

~ 5:00

실외

(연세대

서문)

92.4 2.07 1.9×104 2.25×104 15.5 67.31 51

2016.1.15

PM 5:00

~ 6:00

실외

(연세대

서문)

85.7 2.09 1.84×104 2.12×104 13.2 58.83 45

2016.1.17

PM 3:00

~ 4:00

실외

(연세대

서문)

95.3 2.32 9.17×103 8.9×103 3 62.76 46

2016.1.17

PM 4:00

실외

(연세대 104.4 2.27 9.1×103 8.37×103 8.7 67.34 41

- 86 -

(c) 장기간 내구성 평가

[표 7. 장기간 내구성 평가 내역]

·초미세먼지 감지 모듈 이상 점검

날짜시작시각/

종료시각가동시간

연세대학교 산학협동관 실험실

외기 중 초미세먼지

농도 측정

2015

04/13 ~

04/15

10:00/

10:0048시간

연세대학교 서문 부근2016

01/15 ~ 05/03-

11시간

(1일 1시간 씩 11회)

도로변 (신촌 지하철역 부근)2016

05/3116:00 / 17:00 1시간

여의도 한강 공원2016

06/0117:00 / 18:00 1시간

~ 5:00 서문)2016.4.26

AM 9:00

~ 10:00

실외

(연세대

서문)

78.4 2.13 1.47×104 1.23×104 19.5 35.9 41

2016.4.27

AM 9:00

~ 10:00

실외

(연세대

서문)

73.1 2.2 6.32×103 6.53×103 3.2 19.2 21

2016.4.29

AM 9:00

~ 10:00

실외

(연세대

서문)

78.3 2.33 5.28×103 7.32×103 27.8 23.5 20

2016.5.2

AM 10:00

~ 11:00

실외

(연세대

서문)

85.1 2.38 4.74×103 5.9×103 19.6 27 26

2016.5.3

AM 9:00

~ 10:00

실외

(연세대

서문)

58.1 2.05 4.7×103 4.72×103 0.4 4.9 6

2016.5.31

PM 4:00

~ 5:00

도로변

(신촌역

부근)

50.8 2.3 6.86×104 7.94×104 13.6 102.36 33

2016.6.1

PM 5:00

~ 6:00

실외

(여의도

한강공원)

49.6 1.81 1.09×105 1.13×105 3 28 28

- 87 -


- 점검일 : 2015년 04월 13일


- 점검 방법 : 초미세먼지 감지 모듈 시작품 – TSI Electrometer 와의 상호 미세먼지농도

측정 비교 평가

- 사용 시료 : 집진시설 공기 중 초미세먼지 직접 측정

- 측정 시간 : 30분




- 점검일 : 2016년 06월 01일



비교 평가

- 사용 시료 : 집진시설 공기 중 초미세먼지 직접 측정

- 88 -

- 측정 시간 : 30분



4) 다양한 종류의 VOC 측정 데이터 베이스 구축

- 제작된 센서를 이용하여 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 가스에 대한 감지 실험을 진행하

여 데이터 베이스를 구축하였다. 다수의 센서를 이용하여 각 가스별로 1 ~ 9 ppm 의 농도

별 측정 실험을 진행하였고, 그 결과 중 일부를 표로 첨부하였다.

- 실제 센서 사용 시에는 구축한 데이터 베이스를 이용하여 TVOC의 농도를 추정한다. 예

를 들어, 2번 센서를 사용하였을 때 반응성이 2.8로 측정되었다면 톨루엔이 4ppm 존재하는

것으로 추정 가능하며, TVOC의 농도는 4종 기체의 평균값을 사용하여 9ppm으로 근사할

수 있다. (표 2. 참조)

- 각 데이터들은 가스 주입 시 초기 저항 대비 저항 변화량을 측정한 값이며, 가스 종류 별

로 반응성 차이를 확인할 수 있었다. 구축한 데이터 베이스와 1차년도에 사용했었던 패턴 인

식 기법(PCA)을 활용하면 제작한 센서로 측정한 가스의 종류를 구별할 수 있다.

- 개별 센서의 농도 별 측정 결과, 우수한 선형성을 보였으며 반응속도 및 회복 속도는 각

각 90초와 120초 이내로 목표치인 180초 보다 빠른 결과를 나타내었다. 그림 56.(a)는 톨

루엔과 에틸벤젠의 transient response이며, 4종의 VOC에 대해 정리한 결과는 그림

56.(b)와 같다.

- 89 -

[그림 59.(a) 톨루엔 및 에틸벤젠 반응성 그래프, (b) 4종의 VOC에 대한 반응성 결과]


○ TVOC 센서 신뢰성 및 장기간 구동 안정성 평가

- 센서의 신뢰성을 평가하기 전, 내장된 마이크로 히터의 연속 구동 및 on/off 반복 실험을

진행하여 안정적인 온도 유지가 가능한지 확인하였다. 연속 구동 시 약 13 시간 후 저항 변

화 0.07% 이내, on/off 반복 실험 시 30,000회 동안 저항 변화 1% 이내로 우수한 성능을

나타내었다.

- 90 -

[그림 60. 마이크로 히터 on/off 및 연속 구동 시 저항 변화 측정 그래프]


- 장기간 구동 안정성은 동일 센서를 이용하여 3개월 간, 2주 간격으로 톨루엔 10 ppm에

대한 반응성을 측정하는 방식으로 진행하였다. 반응성 변화는 10% 이내였으며, 이는 상용

제품과 큰 차이가 없으며, 통합 모듈 내부의 마이크로 프로세서를 통해 보정 가능한 범위이

다.

[그림 61. TVOC 센서의 장기간 구동 안정성 실험(톨루엔, 3개월 간)]


- 91 -

5) PM2.5, TVOC 동시 분석 센서 모듈 최종 제작품

·1차년도에 제작한 prototype 센서 모듈의 크기를 줄이고, PM2.5와 TVOC의 동시 측정이

가능한 센서 모듈을 제작하였다. 최종 제작품은 5분 간격으로 측정 시 40시간 이상 구동이

가능하며, PM2.5의 수농도 및 TVOC 농도를 동시에 측정한다. 또한 2차년도에 구축한 입자

밀도 데이터베이스를 기반으로 질량농도의 환산이 가능하다. 그림 62는 최종 제작품을 이용

하여 실제 세탁소 환경에서 드라이클리닝 기기 가동 전후의 PM2.5와 TVOC 농도를 측정한

사진이며, 드라이클리닝 기기 가동 후 초미세먼지는 약 2배, TVOC는 3.8 ppm 가량 증가한

것을 확인할 수 있었다.

[그림 62. 동시 분석 센서모듈 최종 제작품 시연 사진]

(실험일시: 2016년 6월 6일, 실험장소: 세탁소(경기도 고양시 일산동구))

6) 검토 의견 및 향후 개선 방안

○ 다양한 대기오염물질이 동시에 발생하는 상황에서 PM2.5와 TVOC만을 검출하는 방안

- PM2.5 분석 모듈의 경우 내부에 필터 및 입자 분류 소자가 내장되어 2.5 ㎛ 이하의 입

경을 가지는 초미세먼지를 분류하여 측정하는 것이 가능하다. TVOC 측정 모듈의 경우, 반

도체식 가스 센서의 특성상 특정 가스만 독립적으로 측정하는 것이 현재의 관련업체 최고의

기술 수준으로도 어려운 상황이지만 본 연구진은 센서의 어레이화를 통해 3종의 기타 유해

가스(NO2, NH3, CO)와 구분 가능한 것을 1차년도 연구결과에서 실험적으로 보였으며 센서

어레이의 개수를 늘린다면 더 많은 종류의 유해가스들의 구분도 가능할 것으로 기대하고 있

다.

○ 개발 장비의 내구성

- 각각의 모듈은 독립적으로 구성되어 개별 모듈의 교체를 통해 지속적으로 사용 가능하며,

각 모듈의 수명을 측정하기 위한 내구성 실험은 향후 실증화 단계에서 진행할 필요성이 있

다. 제작한 PM2.5 분석 모듈은 필터 교체를 통해 계속 사용이 가능하며, 유사한 방식의 상

용 입자하전전류 측정장비인 TSI aerosol electrometer의 경우 필터의 권장 교체 시기는

약 1년이다. 가스 감지기는 3개월마다 교정을 통해 성능을 유지하도록 권장되고 변동률이

- 92 -

10% 이내여야 하는데, 개발한 센서는 3개월 동안의 장기간 테스트 결과 10%이내의 반응성

변화를 보였으므로 내구성 문제는 없는 것으로 볼 수 있다.

○ 대기환경(습기, 온도) 변화에 따른 결과치의 신뢰도

- 대기환경에 따라 통합 모듈의 측정값은 달라질 수 있으며, 향후 다양한 온,습도 조건에서

추가적인 실험이 필요하다. 상용 입자 감지 장비의 경우 적정온도범위는 0~35 ℃, 습도

0~90 % 이며, 제작한 PM2.5 분석 모듈 역시 유사한 범위 내에서 측정이 필요하다. 가스

센서의 경우 마이크로 히터를 통해 350 ℃ 까지 가열하기 때문에 대기 환경의 온도에 대해

서는 덜 민감한 장점이 있으나, 반도체식 측정 방식의 특성상 습도의 영향을 배제할 수는 없

다. 습도가 증가함에 따라 센서의 저항변화가 발생하여 반응성이 감소하기 때문에 실제 가스

의 농도보다 작게 측정된 바가 있는데(45% 습도 증가 시 센서 저항 20% 감소,

Figarosensor 社 TGS8100 model datasheet 참고), 이는 습도에 따른 반응성 변화를 측

정하여 신호처리 회로를 통해 보정하거나 습기를 제거할 수 있는 추가 장치를 통해 해결 가

능하다.

○ 실시간 검출 데이터의 실시간 전송

- 제작한 PM2.5, TVOC 동시 분석 센서 모듈은 내장된 디스플레이에 측정값을 표시할 수

있도록 MCU가 탑재되어 있으며, MCU 보드에 유선 시리얼 통신 포트 또는 블루투스 모듈

을 추가함으로써 검출 데이터의 실시간 전송이 가능하다.

- 93 -

표 8. 다양한 종류의 VOC 측정 데이터 베이스

sample#1 Rair/Rgas

benzene ethyl benzene xylene toluene

1 ppm 2.10186 2.30953 2.4351 2.87

3 ppm 3.03704 3.40451 3.5124 4.34

5 ppm 3.60731 4.16169 4.18123 5.27

7 ppm 4.15321 4.78655 4.83546 6.1

9 ppm 4.65123 5.3254 5.4002 6.8521

1 ppm 2.01234 2.35121 2.48621 2.81234

3 ppm 2.91247 3.48456 3.6121 4.19523

5 ppm 3.57841 4.21003 4.33124 5.12123

7 ppm 4.00211 4.78552 4.98002 5.98854

9 ppm 4.57894 5.47551 5.62145 6.75421

1 ppm 1.9854 2.2754 2.510113 2.7521

3 ppm 2.87421 3.3481 3.6241 4.087413

5 ppm 3.4751 4.121 4.47513 5.07541

7 ppm 3.8741 4.71201 5.11123 6.00214

9 ppm 4.50214 5.28451 5.702154 6.62143

평균 benzene ethyl benzene xylene toluene TVOC

1 ppm 2.0332 2.312047 2.477141 2.81148 2.408467

3 ppm 2.94124 3.41239 3.582867 4.207548 3.536011

5 ppm 3.553607 4.16424 4.3292 5.155547 4.300648

7 ppm 4.009807 4.76136 4.97557 6.030227 4.944241

9 ppm 4.577437 5.361807 5.574601 6.74258 5.564106

표준편차 benzene ethyl benzene xylene toluene

1 ppm 0.060968 0.037968 0.03832 0.058955

3 ppm 0.085142 0.06857 0.06132 0.126743

5 ppm 0.069507 0.04457 0.146961 0.101733

7 ppm 0.139714 0.042741 0.137939 0.060807

9 ppm 0.074556 0.10057 0.156334 0.115774

- 94 -

표 9. 다양한 종류의 VOC 측정 데이터 베이스 (2)

sample#2 Rair/Rgas

benzene ethyl benzene xylene toluene

1 ppm 1.32141 1.72009 1.59081 2.21412

3 ppm 1.54741 2.15763 1.95898 2.61231

5 ppm 1.78541 2.32062 2.21186 3.02143

7 ppm 1.98413 2.47662 2.42413 3.27123

9 ppm 2.14133 2.68437 2.65385 3.5211

1 ppm 1.311423 1.754632 1.621423 2.314215

3 ppm 1.41954 2.265412 1.974124 2.75124

5 ppm 1.742123 2.41212 2.312111 3.102144

7 ppm 1.952147 2.541213 2.568412 3.38412

9 ppm 2.102154 2.75124 2.74123 3.614721

1 ppm 1.341201 1.75321 1.6544 2.251643

3 ppm 1.602144 2.251345 2.000124 2.675135

5 ppm 1.82134 2.402144 2.32144 3.08451

7 ppm 2.00124 2.53214 2.61242 3.355121

9 ppm 2.21211 2.72314 2.8521 3.5951

평균 benzene ethyl benzene xylene toluene TVOC

1 ppm 1.324678 1.742644 1.622211 2.259993 1.7373815

3 ppm 1.523031 2.224796 1.977743 2.679562 2.1012830

5 ppm 1.782958 2.378295 2.281804 3.069361 2.3781045

7 ppm 1.979172 2.516658 2.534987 3.336824 2.5919102

9 ppm 2.151865 2.719583 2.74906 3.576974 2.7993705

표준편차 benzene ethyl benzene xylene toluene

1 ppm 0.015156 0.019545 0.031802 0.050567

3 ppm 0.093711 0.058591 0.020809 0.069571

5 ppm 0.039665 0.050196 0.060752 0.042436

7 ppm 0.024919 0.034969 0.098495 0.058627

9 ppm 0.05573 0.033577 0.099357 0.049373

- 95 -

3-3. 연구개발 결과 요약

(1) 초미세먼지 감지 기술 개발

1) 초미세먼지 감지기기 시작품 개발

○ 초미세먼지 분류 기술

·본 연구의 목표인 대기 중 초미세먼지를 분류하기 위하여 가상 임팩터를 설계 및 제작함.

가상 임팩터는 입자의 관성력 차이를 이용한 입자 분류 자잋로서 직경이 큰 입자는 상대적

으로 직경이 작은 입자에 비해 더 큰 모멘텀을 가지는 것을 이용하여 미세먼지를 분류.

·설계 및 제작된 가상 임팩터는 Inlet에서의 유량이 0.36 l/min, major channel의 유량은

0.324 l/min, minor channel의 유량은 0.036 l/min이다.

·제작된 가상 임팩터의 분류 입경은 2.3 ㎛이다. (분류 입경오차 8%)

○ 초미세먼지 하전 기술

·가상임팩터를 이용하여 분류된 초미세먼지의 농도 측정을 위하여 MEMS tip 전극을 이용

하여 마이크로 코로나 하전 소자를 개발함.

·마이크로 코로나 하전 소자는 코로나 방전 현상을 이용하여 입자를 하전함. 입자 하전을

위한 tip중 하나의 높이는 약 170㎛ 이며, 입자 하전이 발생하는 채널의 높이는 약 165㎛이

다.

○ 초미세먼지 감지 통합소자

·MEMS기술을 이용하여 가상 임팩터와 마이크로 코로나 하전 소자를 하나의 chip형태로

집적화하여 초미세먼지 분류/하전 통합조사를 제작함.

○ 초미세먼지 측정 포집부 개선

·금속 필터를 이용한 초미세먼지 포집부 개발. 초미세먼지 감지 통합소자에서 분류/하전 된

입자가 금속 필터에서 포집되어 하전 전류가 측정됨.

·전체 포집부는 금속 shielding하여 외부의 노이즈를 차단하였으며 포집 효율을 90% 이상

달성함.

○ 고전압 모듈 및 하전전류 감지 회로

·입자 하전을 위한 고전압 변환 모듈을 제작하였으며 입력전압 0 ~ 5V의 입력전압으로

0.9 ~ 7 kV의 출력전압 달성.

·마이크로 코로나 하전 소자의 방전 현상으로 하전된 초미세먼지의 미세 하전 전류를 측정

- 96 -

하기 위하여 OP AMP를 이용한 전류 증폭회로를 제작함.

·제작된 미세 전류 측정 회로는 buffer-amplifier와 fA 레벨의 신호를 전압 형태로 증폭,

필터를 통해 고주파 노이즈 성분을 제거하는 current to voltage converter & filter로 구

성되어 있으며 신호 입력부를 금속 차폐막으로 패키징하여 외부 노이즈를 차단함.

○ 초미세먼지 측정기 시작품

·초미세먼지 분류 및 하전을 위한 초미세먼지 감지 소자, 하전입자 포집 필터, 고전압 변환

모듈, 마이크로 펌프, 미세전류 감지 및 신호처리 회로를 통합하여 초미세먼지 감지 모듈의

시작품을 제작하였으며, 크기는 200 x 160 x 140 ㎜ 이며 측정 입경 범위는 30 ㎚ ~ 2.5

㎛ 임. 감지 농도는 질량농도 범위 : 1.58 ~ 9.5 x 103 ㎍/㎥ (0.1 ㎛ 입경 기준), 수농도

: 4.45 x 102 ~ 2.67 x 106 #/㎤ (0.1 ㎛ 입경 기준) 임. 시작품의 소모 전력은 460 ㎃

h(고전압 모듈 - 200 ㎃h) + OP AMP - 20 ㎃h x 3 +　LCD 패널 - 160 ㎃h + 초

소형 펌프 - 20 ㎃h x 2) 임.

2) 초미세먼지 감지 모듈 하전특성 평가

·초미세먼지 감지 모듈을 이용하여 측정된 초미세먼지의 하전 전류를 수농도로 환산하기

위하여 초미세먼지 감지 모듈의 입자 하전 특성 평가를 수행함. 초미세먼지 측정장비

CPC(condensation particle counter – TSI3776)과 Aerosol electrometer(TSI 3068B)

를 환경 챔버 내에서 동시에 가동시켜 동일공간에서의 초미세먼지 수농도와 미세먼지 유도

전류 값을 측정한 후 산출하였으며 관계식은 다음과 같음.

3) 초미세먼지 감지 모듈 성능 평가

·제작된 초미세먼지 감지 모듈 시작품의 성능 평가를 위하여 다양한 입자농도에서 상용 초

미세먼지 측정 장비(TSI 3775 – condensation particle counter)와의 측정성능 상호 비교

평가를 진행함.

·측정결과 전체 농도 범위에서 최대 15% 측정 차만을 확인하여 제작된 초미세먼지감지 모

듈 시작품의 정밀성과 완성도를 확인함.

·제작된 초미세먼지 감지모듈 시작품은 총 50시간 이상 가동하였으며 가동 후 장치의 이상

유무를 점검하여 장치의 내구성을 확인함.

4) 다양한 입자에 대한 하전 효율 평가

·입자의 종류가 입자의 하전가에 어떤 영향을 미치는지 확인하는 실험을 진행 함.

- 97 -

·각각의 입자의 입경에 따른 하전값 결과는 아래의 그림과 같으며, 입자의 종류에 따라 하

전값이 크게 달라지지 않고 유사한 값을 나타내는 것을 확인하였으며 실제 field 적용 시 입

자의 종류에 따른 하전가를 고려할 필요는 없는 것으로 판단함.


(a) 저압 임팩터 설계

·입자 밀도 분석을 위한 대기중 입자상 물질 분류를 위하여 목표 분류입경 130 ㎚인 저압

임팩터를 설계 및 제작함.

·NaCl입자를 이용하여 제작된 저압 임팩터의 성능평가를 진행하였으며 측정된 분류입경은

135 ㎚로 목표 분류 입경인 130 ㎚와 3.8%의 오차를 확인.

(b) 입자 형상 분석 방법론

·나노입자의 매우 작은 입경 특성상 정확한 측정을 위하여 정확한 effective density의 확

인이 필요함.

·이를 위하여 SMPS를 이용하여 입자 분포를 측정하고, effective density를 가정하고 공

기역학적 입경 기반의 분포를 계산한 뒤, 저압임팩터의 전단과 후단에서 측정한 전루와 계산

된 분포의 전류값을 비교하여 이 차이를 최소화 할 수 있는 effective density를 확인함.

·저압 임팩터의 전후단 입자를 코로나 하전 장치를 이용하여 하전하였음. 전기이동도 입경

기준 63.8, 131.5 nm 의 평균 입경의 두 종류의 입자를 발생시켰으며, 이 때 저압 임팩터

전후단의 전류값 비율은 63.8 nm의 경우 측정치가 0.564, 계산치가 0.342로 다소 큰 오차

값을 보였으며, 131.5 nm의 경우 측정치가 0.048, 계산치가 0.026이었음.

(c) 실내외 입자 형상 분석

·실험용 입자와 달리 실제 생활환경에서의 입자는 effective density를 구하여 계산하기 어

려워 임의의 값을 가정하여 반복 계산이 필요함.

·연세대학교 기숙사 인근에서 입자 분포를 반복 측정하였으며 각각의 effective density 중

실제 수농도 측정값과 유사한 결과를 보인 것은 effective density가 0.85인 것을 확인함.

6) 실제 환경 공기질 측정

·제작된 초미세먼지 감지 모듈을 통해 실내, 실외(도로변) 공간에서 측정된 입자의 전류값

과 상용장비 SMPS를 통해 측정된 값을 이용하여 초미세먼지 농도 계산

·제작된 초미세먼지 감지 모듈을 통해 산출된 초미세먼지는 상용장비와 매우 유사한 농도

값을 보임.

- 98 -

(2) TVOC 감지 기술 개발

1) TVOC 센서 제작 및 공정 신뢰성 평가

·실리콘 웨이퍼 위에 절연층, 전극, 절연층의 순서로 증착과 식각을 반복하여 마이크로 히터가

내장된 센서 플랫폼을 제작한 뒤 나노 소재를 센서 전극에 위치시켜 센서 제작을 완료함.

· 제작 전 시뮬레이션을 통해 센서 설계를 개선하고, 세부 공정 조건을 확보함으로써 센서제작

수율을 약 70%까지 향상시켰음.

2) TVOC 센서의 감도 및 회복 속도 향상

· TVOC 센서에 내장된 마이크로 히터를 통해 센서의 작동온도를 조절하여 VOC의 흡/탈착 속

도를 제어하고, 이를 통해 센서의 감도와 회복 속도를 모두 향상시켰음.

·톨루엔 20 ppb 에서 약 2.0의 반응성을 보였으며, 이는 최저 감지 한계 목표수치인 100 ppb

를 크게 초과 달성하였고, 톨루엔 10 ppm에서 반응 후 대기환경에서 회복시킨 결과, 목표 회복

시간인 3분보다 1분 단축됨.

3) TVOC 센서의 선택적 감지 성능 개선

· 본 연구팀은 SnO2 나노소재에 다양한 물질의 촉매(코발트-메탈로포피린, 아연-메탈로포피

린)를 기능화 처리하여 센서 어레이를 제작하였음. 나노소재 기반 센서를 어레이화 할 경우, 대기

중 오염물질(TVOC, 유해가스)에 따라 센서별로 나오는 신호의 세기가 다르게 되며, 각각의 센서

로부터 출력된 신호는 주성분분석법을 이용하여 유해가스를 VOC로부터 구분함.

· PCA 분석 결과, 그래프 상 NO2, CO, NH3, BTEX의 결과값의 위치가 각각 명확히 구분되어

있어 패턴 인식을 통해 선택적으로 TVOC 감지가 가능함을 확인.

4) 신뢰성 및 장기간 구동 안정성 평가

· TVOC 센서에 내장된 마이크로 히터 및 센서는 장시간 연속 구동, on/off 반복 실험에도

1% 이내의 변동범위에서 안정적으로 성능을 유지하였으며, 3개월 간, 반응성의 변화가 10% 이

하로 우수한 결과를 보임.

5) 4종의 VOC에 대한 측정 데이터 베이스 구축

· 일반적인 TVOC 센서는 TVOC의 조성이 다를 경우, 동일한 TVOC 농도에서도 출력신호가

다르게 발생함. VOC 종류 별 인해 유해 정도 및 환경오염 정도가 다르기 때문에 주요 VOC에

대한 데이터 베이스 구축이 필요함. 라서 본 연구팀은 제작한 센서를 이용하여 4대 대표 유류

VOC로 불리는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌의 반응성 데이터 베이스를 구축함.

- 99 -

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도

4-1. 목표달성도

차년도 연구개발 목표 연구개발의 내용 및 연구수행 실적 달성도(%)

1차년도

초미세먼지 포집 성능 향상금속(니켈)필터를 이용한 포집부 제작

- 초미세먼지 포집효율 90% 이상 달성100

TVOC 센서 감지 성능 향상 및

유해가스에 대한 선택성 향상

- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥ 이하 달성

- 회복 시간 : 2분 이내 달성 (목표: 3분)

- 3종의 유해가스(CO, NO2, NH3)에 대해

선택성 획득

100

신호처리 회로 및 디스플레이 장치

개발

초미세먼지 하전을 위한 고전압모듈 및

하전전류 감지를 위한 미세전류 감지 회로

개발

- 고전압 변환 모듈 : 최대 출력 전압:

7㎸ (입력 전압 : 7.5V)

- 미세전류 감지 회로 : 최소 측정 전류 1

fA (응답 속도 : 수 초 이내)

100

초미세먼지와 TVOC 동시 분석

센서 모듈 시작품 제작

초미세먼지 및

총휘발성유기화합물(TVOC) 동시분석

센서 모듈 개발

- 모듈크기 : 200 x 160 x 140 ㎜


- 초미세먼지 및 TVOC의 농도 출력을


100

초미세먼지 감지 성능 평가

상용 장비를 이용한 초미세먼지 감지 성능

평가

- 초미세먼지 측정입경 : PM2.5 (분류

입경2.5 ㎛ 로 분류된 초미세먼지)

- 초미세먼지 질량 농도 범위 : 1.58 ~

9.5 x 103 ㎍/㎥ (0.1 ㎛ 입경 기준)

- 초미세먼지 수농도 범위 : 4.45 x 102

~ 2.67 x 106 #/㎤ (0.1 ㎛ 입경 기준)

- 응답속도 : 수 초이내

- 상용장비와의 측정 성능차 : 15% 달성

100

TVOC 감지 성능 평가

- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥ 이하

- 반응 시간 : 30초 이내 달성


100

2차년도수농도의 질량 농도 전환을 위한

입자 밀도 데이터베이스 구축

실내 및 실외 입자분포를 측정하여 실제

수농도 측정값과 가장 근사한 effective 100

- 100 -

4-2. 관련분야 기여도

(1) 기술적 측면

·초소형, 저가형으로 제작, 뛰어난 이동성과 현장에서의 빠른 분석이 가능한 점을 이용하여

여러 지역에서의 대기 중 입자상물질의 변화를 능동적으로 예측함으로써 대기환경을 전반적

density 값 도출

- effective density : 0.85

다양한 종류의 입자에 대한 하전

효율 평가

다양한 종류의 입자를 이용하여 입자의

종류에 따른 마이크로 코로나 하전 소자의

하전값 차이에 대해 확인

- 입자의 종류에 따른 하전값 차이 미미

100

다양한 종류의 VOC에 대한

데이터베이스 구축

톨루엔, 벤젠, 에틸벤젠, 자일렌에 따른 신

호 변화 데이터베이스 구축100

실제 환경 공기질 측정

제작된 초미세먼지 감지모듈을 이용하여

실내 및 실외의 초미세먼지 농도 측정 및

상용장비와의 비교 평가

- 상용장비와 매우 유사한 측정성능 확인

100

최종평가개인 환경의 초미세먼지와 TVOC

동시 분석 센서 모듈 개발

a) 초미세먼지 및

총휘발성유기화합물(TVOC) 동시분석

센서 모듈

- 모듈크기 : 180 x 140 x 90 ㎜


- 초미세먼지 및 TVOC의 농도 출력을




- 초미세먼지 질량 농도 범위 : 1.58 ~

9.5 x 103 ㎍/㎥ (0.1 ㎛ 입경 기준)

- 초미세먼지 수농도 범위 : 4.45 x 102

~ 2.67 x 106 #/㎤ (0.1 ㎛ 입경 기준)


- 고전압 변환 모듈 : 최대 출력 전압:

7㎸ (입력 전압 : 7.5V)

- 미세전류 감지 회로 : 최소 측정 전류 1

fA (응답 속도 : 2 ~ 3분 이내)


- 최소 감지 농도 : 400 ㎍/㎥ 이하

- 반응 시간 : 30초 이내 달성


100

- 101 -

으로 관리 할 수 있는 시스템개발 기술을 확보할 수 있음.

·반도체 공정기술을 통해 다른 환경 센서와의 직접화를 통한 다기능화가 가능한 점을 이용,

공기 중 다양한 유해물질(미세먼지, TVOCs)을 감지 및 분석할 수 있는 복합 측정기 개발

기술의 기반을 수립할 수 있음.

·나노 입자 분류/측정 분야 관련 해외기술 의존도를 감소시키고 기술자립능력의 증대 및 환

경오염 측정 장비의 국산화 추진이 가능할 것으로 예상됨.

(2) 환경적 측면

·신축건물 혹은 유해 작업환경 등의 내부에 적용하여 실내 TVOCs와 미세먼지를 실시간으

로 감지하여 유해 공기를 정화하는 시스템을 구축하여 실내 공기질을 관리함.

·건물 내외부, 도심지의 가로수 등에 복합 측정기를 장착하여 대기 환경 지도를 작성하여

도심지의 공기질을 실시간으로 평가/관리 함.

·유해 화합물 발생 공장의 부근에 복합 측정기를 설치하여 공장의 유해 물질 발생량을 실

시간으로 모니터링하여 오염물질 배출 규제를 위한 보조 장치로 활용함.

(3) 경제·산업적 측면

·우리나라의 경우 국토 단위면적당 유해 가스 배출량이 선진국의 2~7배 수준으로 OECD

국가 중에서 최고치를 나타내고 있으며, 수도권 지역의 대기오염으로 인한 사회적 피해비용

은 약 연간 10조원 정도 발생하는 것으로 추산되고 있음(2008 환경통계연감).

·국가경쟁력 확보 : 미국, 일본 등 선진국들의 경우 많은 원천기술의 개발이 이루어진 반면,

국내의 입자 측정기술의 연구는 그 기술개발 과정이 체계화되어 있지 않고 대부분 실험실에

서의 타당성 검토 수준에 있어 경제적 가치 창출이 어려운 상황임. 국외의 기술수준에 비해

국내의 기술수준이 취약한 현 상황에서 차세대 기체 내의 입자 분석 시스템 개발을 통해 측

정시간, 현장 분석 취약점 등을 개선하여 국가경쟁력 확보가 기대됨.

·수입대체 및 수출증대 효과 : 미국, 일본 등의 몇몇 선진국에 의해 독점 판매되는 고가의

미세입자 측정/분석 장비들을 저가 고성능 제품으로 국산화를 추진함으로써 입자 분석기기의

새로운 수요에 대응하고 기술의 선진화를 달성할 수 있을 것으로 기대됨. 제안하는 미세먼지

및 TVOCs의 복합 측정기에는 입자 분류 및 측정 관련 요소기술이 내재되어 있어, 이를 기

반으로 다양한 파생 제품을 개발하는데 활용이 가능할 뿐만 아니라, 기존 장비 부품의 대체

기술과 부품기술의 소유권을 확보함으로써 기술이전 및 핵심 부품의 수출량 증가가 가능할

것으로 예상됨.

·관련 사업 발전 도모 : 환경, 에너지, 전기ᆞ화학공학, 재료 등 다양한 분야에서 입자상 물

질의 농도와 TVOCs를 실시간으로 측정, 분석하는 미세먼지 및 TVOCs의 복합 측정기를 제

공하여 관련 사업의 발전을 도모할 것으로 생각됨.

- 102 -

5. 연구결과의 활용계획(1) 환경 감시 시스템으로의 활용

·현대 사회는 급격한 산업화로 인한 환경파괴로 큰 진통을 겪고 있으며 아직도 수 많은 기

업들은 환경 정화사업에 드는 비용을 줄이기 위해서 불법적인 행동을 저지르고 있는 실정임.

·본 연구에서 개발하는 초미세먼지와 TVOC동시 분석 센서모듈은 기업의 환경오염물질 배

출 상태를 상시 모니터링 할 수 있는 원격 감시 시스템의 측정 장치로 응용이 가능함.

(2) 실내외 공기질 모니터링 기술 및 관리 시스템 개발에의 활용

·초미세먼지는 호흡기 계통의 질병발생에 큰 영향을 미친다고 알려져 있음.

·본 연구에서 개발하는 초미세먼지와 TVOC동시 분석 센서모듈을 지하철, 버스터미널, 공

항, 병원 등의 공공장소에 적용하여 환경의 위험 상황을 실시간으로 경보하는 시스템에 적용

하거나 가정, 지하철, 고층빌딩 내에서의 실내 공기질을 모니터링하는 시스템에 적용이 가능

함.

(3) 오염원 실시간 모니터링 기술 시스템 개발에의 활용

·디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비해 낮은 유지비, 높은 동력효율을 나타내고 있지만 약

25배~400배 정도 더 많은 매연입자를 배출함. 디젤엔진으로부터 배출되는 입자상물질은 잠

재적인 폐암발생원으로, 장기 노출 시 천식, 폐렴의 원인으로 알려져 있으므로 효율적이며

빠른 입자의 측정 기술이 요구됨.

·본 연구에서 개발하는 초미세먼지와 TVOC동시 분석 센서모듈을 디젤 배출입자 측정/제거

시스템에 적용하여 디젤엔진으로부터 배출되는 많은 수의 유해물질들이 얼마만큼 존재하는

지 실시간으로 분석하는 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대됨.

6. 연구개발결과의 보안등급

- 일반 과제

- 103 -

7. 연구개발과제의 대표적 연구실적

번호

구분

(논

문/

특허

/기

타

논문명/

특허명/기타

소속

기관명역할

논문게재

지/

특허등록

국가

Impact

Factor

논문게재일

/특허등록일

사사여부

(단독사사

또는

중복사사)

특기사항

(SCI여부/

인용횟수

등)

1 논문

Acid-sensitivepH sensorusing

electrolysisand a

microfluidicchannel forread-outamplification

연세대학교기계공학과

교신저자RSC

Advances3.84 2014.08.19 중복사사

2 논문

Low-Temperature SelectiveGrowth ofTungstenOxideNanowires byControlledNanoscaleStressInduction


교신저자Scientificreports

5.578 2015.12.15 중복사사

3 학회

Ultrafineparticlecounter usingaMEMS-basedparticleprocessingchip


교신저자IEEEMEMS2015

2015.01.18 단독사사

4 학회

Flexible andtransparentbenzenesensor usingfunctionalizedfew-layerMoS2


교신저자Transducers' 2015 2015.06.21 중복사사

5 학회

Amicromachinedcorona-basedunipolaraerosolchargerhavingseparatedionization andchargingzones forreducing theelectricallosses ofchargedparticles


교신저자IEEEMEMS2016

2016.01.24 단독사사

- 104 -

8. 참고문헌[1] http://www.hct.co.kr/laboratory/lab_03.asp[2] 한국과학기술원 (2005) 응축 하전을 이용한 초미세 입자 측정기 개발[3] 조명훈, (2004) 실시간 미세입자 측정을 위한 다이오드형 코로나 하전기의 설계 및 성능평가, 대한기계학회논문집 B권, 제28권 제9호, 1066-1074[4] Yong-Ho Kim et al., "A hybrid chip based on aerodynamics and electrostatics for the size-dependent classification of ultrafine and nano particles", Lab on a Chip, Vol. 9[5] Jungwook Choi, Jongbaeg Kim, "Highly sensitive hydrogen sensor based on suspended, functionalized single tungsten nanowire bridge", Sensors and Actuators B : Chemical, Vol. 136 [6] http://www.kemik.co.kr/[7] 과학기술연구원 (2005) 응축/하전을 이용한 실시간 초미세 입자 측정기 개발[8] 김종민·장상목·김우식, 수정진동자를 이용한 센서시스템의 원리와 응용"[9] 김동진, 정영창, 홍철호, 주민식, “금속 산화물 센서 이용한 VOC 측정에 관한 연구”[10] 황인성, 김선중, 김윤성, 주병권, 이종흔, “산화주석 나노선을 이용한 VOCs 센서”[11] http://www.avl.com/[12] http://www.dreamcorp.co.kr/index/index.php[13] http://www.tsi.com/en-1033/index.aspx[14] M. Majamaki et al., "Testing porous metal as a collection substrate in ELPI," J. Aerosol Sci. 21, Suppl.1, (2000), S76-S77[15] Patrick T. Spicer et al., "FLAME SYNTHESIS OF COMPOSITE CARBON BLACK-FUMEDSILICA NANOSTRUCTURED PARTICLES", J. Aerosol Sci. Vol. 29[16] A.P. Tinke et al., "Particle shape and orientation in laser diffraction and static image analysissize distribution analysis of micrometer sized rectangular particles", Powder Technology[17] Patrick T. Spicer et al, "FLAME SYNTHESIS OF COMPOSITE CARBON BLACK-FUMEDSILICA NANOSTRUCTURED PARTICLES", J. Aerosol Sci. Vol. 29[18] http://www.jp.horiba.com [19] http://www.matec.com[20] L W Wilsony, M J Hephery, D Reillyz and J D C Jones, "Development of a personal dust monitor with a piezoelectric quartz crystal sensor"[21] Maria Teresa S. R. Gomes, University of Aveiro, Portugal, "BULK ACOUSTIC WAVE SENSORS IN CHEMICAL ANALYSIS"[22] M. Penza,, R. Rossi, M. Alvisi, M.A. Signore, E. Serra, R. Paolesse, A. D’Amico, C. Di Natale, “Metalloporphyrins-modified carbon nanotubes networked films-based chemical sensors for enhanced gas sensitivity“[23] Yuzhen Lv, Lin Guo,, Hubin Xu, Xiangfeng Chu, “Gas-sensing properties of well-crystalline ZnO nanorods grown by a simple route“

주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 환경기술개발사업의 연구보고

서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행한

환경기술개발사업의 연구개발 결과임을 밝혀야 합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표

또는 공개하여서는 안 됩니다.

본 보고서와 관련하여 문의를 원하시는 분은 아래 문의처로 연락을

주시기 바랍니다.

■ 문의처 : 연세대학교 산학협력단 TEL : 02 - 2123 - 2812

Documents

0 123456789 :;