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Microtrac Tri Laser System

Laser 회절 이론, 원리 및 Microtrac의 Tri Laser System

Laser Diffraction Method (레이저 회절, 산란법)의 입도분석기는 현 산업계에서 가장 널리 활용되는 입도분석 시스템으로서 통상 SubMicron영역에서부터 mm까지 넓은 범위의 입자 크기 측정에 이용되고 있습니다.
이 방법의 특징은 광범위한 측정 Range를 가지며 단시간에 높은 재현성과 분해능의 결과를 얻을 수 있으며 간편한 조작성 및 Data의 확장성이 높으며 건식으로의 Test가 간단한 조작에 의해 가능하다는 여러가지 장점들이 있습니다.

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그림 1. 입자 크기에 따른 산란 Intensity 와 Pattern

측정 원리는, 입자에 빛을 조사했을 때, 각 입자 크기에 의해 산란되는 산란 Intensity와 Pattern의 차이를 이용하고 있습니다.
(그림-1)에서 레이저를 입자에 조사했을 경우, 입자 지름이 큰 경우는 모든 방향으로 산란 Intensity가 강하고, 특히 전방위의 산란 Intensity가 강한 것이 특징입니다.
반면 입자 지름이 작아짐에 따라, 전체적으로 산란 Intensity가 약해짐과 동시에, 전방위의 산란 Intensity 또한 약해지는 것을 알 수 있습니다.

이 때문에 입자 지름이 큰 입자의 경우, 입자에 의해서 산란된 광 가운데, 전방 산란광을 볼록 렌즈로 모으면 그 초점 표면에 회절상을 일으킵니다.
그 회절광의 밝기와 크기는, 입자의 크기(입경)에 의해서 정해집니다.
따라서 이러한 산란광 정보의 Pattern을 해석하여 입도분포를 얻습니다.

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이해를 돕기 위해 좀 더 간단한 광학구조를 도식화하면 위 그림과 같이 레이저를 입자에 조사하면 입자의 표면을 지나갈 때 회절 현상이 일어나며 이 회절 각도는 입자의 크기에 따라 달라지게 되는데, 입자의 크기 클수록 작은 각도에서, 입자의 크기가 작을 수록 큰 각도로 회절됩니다.
이렇게 형성된 회절 광은 Fushi Lens에서 집속되어 Detector에서 검출됩니다.

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Detector는 회절 광의 유무 및 Intensity를 검출할 수 있는 광센서로서 Detecotr Element라고 하는 Channel 로 구성되어 있습니다.
상기 그림의 (좌) Large Particle 의 경우 회절 각도가 작아 Detector 1 Channel 에서만 회절광이 검출되며 (우) Small Particle 의 경우 회절 각도가 크기 때문에 Detector 3 Channel 까지 회절광이 검출되게 됩니다.
이러한 입자의 크기 정보를 담고 있는 회절광의 검출 영역 및 Intensity 를 독자적인 알고리즘을 통해 해석 입자 크기에 대한 Distribution을 최종적으로 얻게 됩니다.

Microtrac의 Tri Laser System

상기의 레이저 회절 이론을 접목하여 수십 Nano 단위 Size의 입자 크기 정보를 얻기 위해서는 Detector 가 0 ~ 160 도에 가까운 수준으로 형성되어야 하지만 이러한 Hardware 구성은 불가능에 가깝습니다.
하여 입도분석기 Maker는 각자의 독자적인 기술을 도입하고 있으며 Microtrac社의 Tri Laser System은 3개의 반도체 레이저를 각도별로 배열하여 수십 Nano 영역의 입자까지 검출할 수 있는 독자적이며 유니크한 기술을 적용합니다.

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그림 2. Tri Laser System의 기본 메커니즘

상기 Tri Laser System의 메커니즘을 통해 First Laser는 0 ~ 60도의 검출 영역, 즉 Micro 입자의 검출을 Second Laser는 60 ~ 80도의 검출 영역, 즉 Sub Micron입자의 검출을, Third Laser는 80~160도의 Backscattering 영역 즉, Nano 입자의 검출의 가능하게 합니다.

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그림 3. Laser 별 검출 영역

Tri Laser System 의 Laser 별 검출 영역을 도식화한 그림으로 각도별 포지셔닝 된 3개의 Laser 구성이 0~180도에 이르는 연속적인 Detector 배열 효과를 가지게 됩니다.
이러한 Tri Laser System는 여러 가지 광학적 요소에서 이점을 제공하게 되는데 컴팩트한 기기 구성, 장수명의 반도체 레이저 사용, 폭 넓은 Channel 구분 수 등을 들 수 있습니다.

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Laser 1 의 검출 영역
Laser 1 Optical System
  • 0 ~ 60 도 각도의 산란광 검출
  • Micro 영역대의 입자 검출
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Laser 2 의 검출 영역
Laser 2 Optical System
  • 60 ~ 80 도 각도의 산란광 검출
  • Sub Micron 영역대의 입자 검출
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Laser 3 의 검출 영역
Laser 3 Optical System
  • 80 ~ 160 도 각도의 산란광 검출
  • Nano 영역대의 입자 검출