Development of inductive metal particle measurement system for real-time monitoring of airborne metal particles

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Airborne metal particles exert significant adverse effects on
manufacturing yields in major manufacturing industries as well as on human
health and the environment. Airborne metal particles in industrial workplaces are
not only subjected to the movement of high-speed rotating/reciprocating
machines and complex air flows formed by ventilation systems but also their
sources are vastly distributed, resulting high spatial-temporal variations in
concentration and size. Therefore, extensive monitoring of these airborne metal
particles in industrial workplaces is essential. However, current commercial

devices are unable to detect metal particles in real-time, and those that can detect
real-time have only been able to detect metals in oil on lubricating devices. This
study developed a novel, real-time, and low-cost inductive metal particle
measurement system that can detect airborne metal particles which cannot be
measured by currently available portable devices.
The particle detection system consists of particle sampling, particle
sensing, oil circulation sections and signal processing circuit. Airborne particles
of different sizes enter the system and are classified according to their sizes in the
particle sampling section. Particles larger than 5 μm are collected on the oil
surface and passed through the particle sensing section along with the oil
circulating throughout the system. The particle sensing section based on
inductive sensing was realized using a 3D multilayer solenoid connected to a
high-precision inductance meter. The performance of each section was first
evaluated, and then the overall performance of the system was evaluated.
The results show that ferrous and nonferrous metals in airborne particles
can be detected and differentiated using proposed system with minimum
detectable size of 5-10 μm for Fe and 50-60 μm for Cu particles. In addition, the
number concentration of Fe particles was converted and compared with the
reference number concentrations measured by high-precision commercial
instrument, under the metal particle generation condition. The comparison results
of the system show good agreement at concentrations within its detectable range,
up to 200 #/L. The proposed system and design concept can be widely used in
industrial manufacturing facilities that subjected to substantial metal pollution,
since it has a potential for the application in a real-time and extensive monitoring
of airborne metal particles for rapid and efficient yield management.

국문 초록 (Abstract)

지난 수십 년간, PM (particulate matter; 입자상 물질)은 인체 내 다양한 질병의 주 원인으로 밝혀져 큰 관심을 이끌었다. 현재 PM은 입자의 수, 질량, 크기 분포, 표면적, 밀도의 metric에 기반한 측정기를 이용하여 측정되고 있으며, 입자의 전기적/자기적 특성과 같은 다른 물리적 특성을 측정 가능한 metric 또는 측정기에 대한 개발은 진행되지 않은 상황이다. PM 내 금속 성분은 인체 건강에 특히 유해할 뿐만 아니라, 주요 제조 산업에서 수율 손실의 주 원인이 된다. 이러한 작업장 내 금속입자는 시공간에 따른 크기 및 농도 변화가 크기 때문에, 실시간, 그리고 다지점 모니터링이 요구된다. 하지만, 현재 실시간으로 공기 중 금속입자를 감지 가능한 센서는 전무하다.
이 연구에서는 자기용량식 센서에 ATH(air-to-hydrosol) 포집 기법과 오일 순환 시스템을 접목하여, 실시간으로 공기 중 금속입자를 감지 가능한 금속입자 측정 시스템을 개발하였다. 시스템은 입자 포집부, 감지부, 오일 순환부 그리고 신호처리회로로 구성되어 있다. 공기 중 입자는 그 입경에 따라 포집부 내에서 분류되며, 5 μm보다 큰 입자는 오일에 포집된다. 포집된 입자는 시스템 전반을 순환하는 오일을 따라 감지부에 이송되며, 감지된 입자는 오일 저장고에 침적한다. 오일은 순환에 의해 다시 포집부로 이동하며, 시스템의 연속적인 입자 감지가 가능하다. 신호처리회로를 구성하는 자기용량 측정회로는 금속입자에 의해 발생되는 자기용량 피크 신호를 측정하며, MCU(Micro-controller unit)는 측정된 신호를 수농도로 환산하고 데이터를 송신한다.
각 구성부에 대한 특성 평가가 먼저 진행되었으며, 입자 포집 및 감지 기능을 검증하였다. 개발된 포집부는 목표 입경대의 입자를 오일에 포집 가능하였으며, 감지부는 5~45 μm의 철 입자와 50~100 μm의 구리 입자를 감지 가능하였다. 구성부는 단일 시스템으로 통합되었으며, 통합된 시스템은 챔버 내 분사된 공기 중 금속입자를 감지하여, 시스템의 전반적인 기능(입자 포집, 입자 감지, 오일 순환)이 검증되었다. 또한, 자성 금속입자인 철 입자에 대한 시스템의 입경별 효율 특성 평가가 진행되었다. 실험을 통해 얻어진 평균 입경별 효율 값을 기반으로, 철 입자의 수농도가 환산되었으며, 금속입자 발생 조건에서의 레퍼런스 측정 장비와 비교 평가되었다. 제안된 시스템은 최대 감지 농도인 200 #/L 내에서 레퍼런스 농도 값과 상응하였으며, 데이터 보정 기법을 적용한다면 coincidence error를 개선하여 더 높은 농도의 공기 중 금속입자도 측정 가능할 것으로 기대된다.
본 연구의 결과로 제안된 시스템과 방법론은 많은 제조 산업 작업장 내에서 빠르고 효율적인 수율 관리를 위한 실시간 다지점 공기 중 금속입자 모니터링에 활용 가능하다.