미세먼지 센서의 소형화를 위한 광학 측정에 대한 연구
저자
발행사항
서울 : 서울대학교 대학원, 2019
학위논문사항
학위논문(석사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·정보공학부 2019. 2
발행연도
2019
작성언어
한국어
주제어
DDC
621.3 판사항(22)
발행국(도시)
서울
기타서명
Study on Optical Measurement of the Particulate Matter Concentration to Minimize Particulate Matter Sensor Size
형태사항
vi, 62장 : 삽화, 표 ; 26 cm
일반주기명
참고문헌 수록
UCI식별코드
I804:11032-000000153739
소장기관
본 논문에서는 미세먼지 센서를 휴대기기에 실장 가능하도록 센서의 크기를 소형화할 방법에 대한 연구를 다루고 있다. 기존 미세먼지 센서의 한계점에 대해서 알아보고 이를 해결하기 위해 미세먼지 센서의 소형화가 가능한 후방산란 구조를 제안하여 후방산란에 의한 빛의 양을 측정함으로써 미세먼지의 농도를 측정할 수 있는 가능성을 확인하였다.
최근 미세먼지의 유해성에 대해서 여러 연구결과가 발표되면서 각국의 정부나 연구기관들은 미세먼지의 농도에 대한 정보를 제공하고 있다. 그러나 이러한 정보들은 특정 측정소가 위치한 장소에서의 결과를 나타내기 때문에 실제 사용자의 위치와 동일하지 않는 한계를 가지고 있다. 측정 위치의 불일치에 의한 오차를 줄이기 위해서는 미세먼지 센서의 크기를 휴대가 가능한 수준으로 소형화할 필요가 있다. 기존 여러 연구에서도 광학을 이용한 미세먼지 센서의 소형화를 위한 연구가 있었으나 휴대 전화와 같은 휴대 가능한 장치에 적용하기에는 부피가 여전히 크다. 현재까지 연구된 미세먼지 센서의 경우 미세먼지가 지나가는 통로와 이 통로에 조사되는 빛이 수직으로 산란하는 양을 측정하기 때문에 부피를 줄이는 데 제한적이다. 본 논문에서는 후방산란광의 세기를 측정하는 새로운 설계 방법을 제안하였다. 제안된 후방산란을 사용함으로써, 센서의 크기를 cm3 에서 mm3 로 축소하여 휴대폰과 같은 장치에 실장이 가능할 수준으로 줄이는 것이 가능할 것으로 예상된다. 본 논문에서는 이를 검증하기 위하여 시장에 출시된 상용화 센서와 비교하여 실내 실험과 실외 실험을 비롯한 다양한 실험을 진행하였다. 특히 실내 실험을 통해 상용화 센서의 미세먼지 농도가 0 μg/m3 에서 251 μg/m3 까지 변하였을 때 후방산란 광량 역시 1.81 μW 에서 2.05 μW 까지 시간 축을 기준으로 동일하게 증가했다가 감소하는 결과를 확인하였다. 또한 실외 실험에서는 순간적으로 미세먼지가 높아지거나 낮아질 때 상용화 센서와 후방산란 모두 즉각적으로 반응함을 확인하였다. 이러한 실험들을 바탕으로 후방산란 측정결과와 상용화 미세먼지 센서의 결과가 동일한 경향을 갖는 것을 확인하였다. 제안된 시스템을 통해 향후 휴대전화 등과 같은 휴대용 기기에 미세먼지 센서를 실장할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 통해 사용자가 사용자 주변의 미세먼지 정보를 실시간으로 좀 더 정확하게 인지함으로써 유용한 정보로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
The main purpose of this research is to ascertain the feasibility of measuring the concentration of particulate matter by measuring the amount of backscattered light.
The particulate matter is one of the dangerous root causes of many diseases such as cardiovascular and respiratory diseases and cancers. Nowadays, there are many countries that provide the air qualities of their cities. However the data of the particulate matter in the cities provided by governments or research institutes represent the air quality of the specific measuring sites which is not the exact location where the users are. To overcome this problem, it is necessary to minimize the measuring device size to be portable. There are some previous works using optical techniques in the past. Also there are already several commercial devices in the market. However, these sensors are still too bulky to be applied to the portable devices such as mobile phones. General commercial particulate matter sensors need the specific path for particulate matter and they measure the amount of perpendicular scattered light. In this paper, a new design of measuring the power of backscattered light from particulate matter is proposed to minimize the sensor size. By using this design, the size of the sensor will be minimized from cubic centimeters to cubic millimeters. In this paper, backscattered light experiments have been done in laboratory conditions and field conditions compared with commercial particulate matter sensors. In the indoor experiment, the particulate matter concentration of commercial sensors were changed from 0 to 251 μg/m3 while the backscattered light was changed from 1.81 μW to 2.05 μW. The experimental results of the backscattered light and the commercial sensors were very similar on the time domain. But the backscattered light measurement has wider dynamic range. In the outdoor experiment, the result shows that both commercial sensors and backscattered light measurement responded immediately when the particulate matters passed.
In summary, the backscattered light measurement can minimize the size of the sensor and it also supports real time measurement. This shows that the backscattered light measurement is applicable to mobile phones in the future.
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