응축핵 계수기(Condensation Particle Counter, CPC)

응축핵 계수기(Condensation Particle Counter, CPC)는 미세먼지의 수와 크기 측정에 광범위하게 사용되는 광산란식 입자계수기가 작은 입자도 측정할 수 있도록 입자의 응결을 이용하여 측정을 가능하도록 하는 장비이다. 일반적인 광산란식 입자계수기가 측정할 수 있는 초미세먼지의 크기는 대략 0.1 ㎛ 정도이다. 응축핵 계수기는 미세한 입자를 응축핵으로 하여 초미세입자 주위의 액체를 응축시켜 광학장치로 측정할 수 있을 정도로 입자의 크기를 성장시켜 측정할 수 있게 한다.

아래 그림에는 일반적인 응축핵 계수기의 원리를 나타내었다. 미세먼지(aerosol 등)가 포함된 공기(1)를 히터(2) 등을 통과시켜 가열시킨 뒤 응축기(4)를 통과시킨다. 응축기에서는 온도를 낮추거나, 압력을 낮추는 형태의 조작이 이루어진다. 이 때 갑자기 이슬점 이하의 온도로 낮아진 공기에 존재하는 과포화 수증기들은 공기 속에 존재하던 미세먼지들을 성장핵으로 하여 미세먼지 주변에서 응축하게 되고(5) 결국 입자의 크기를 성장시키게 된다. 이와 같이 크기가 커진 입자는 광산란식 입자계수기로 측정이 용이하게 되며, 측정의 단계를 거치게 된다(6).

그림. CPC의 원리(출처 : www.commons.wikimedia.org)

 

응축핵 계수기의 다른 종류로 포화수증기가 들어 있는 고온의 공기와 입자가 들어있는 저온의 공기를 혼합하면 혼합영역에서 과포화 수증기가 형성되는되, 이 경우에도 위에서 언급한 것과 같이 과포화상태의 수증기는 입자를 핵으로하여 입자에 응축하게 되며, 이와 같은방식을 혼합방식(Mixing Type) 응축핵계수기라 한다. 또한 도냉각방식(Conductive Cooling Type) 응축핵계수기가 있는데, 이는 초미세입자가 함유된 공기를 가열장치를 통과시키고 알코올 등이 포화된 공기를 공급시킨 후 이 공기를 다시 10도의 응축기를 통과시키면 알코올이 응축되어 입자를 쉽게 측정할 수 있게 하는 것이다.

응축핵 계수기는 최소 2 nm크기의 입자까지 측정이 가능한 것으로 알려져 있으며, 대기 중 나노입자측정에 광범위하게 사용되는 편이다. 그러나, 응축핵 계수기는 응축 등을 위해 온도 하강, 압력 저하 등의 조작이 필요하므로 일반적인 입자계수기보다 유량이 낮다는 단점이 있기도 하다.