KR100545455B1

KR100545455B1 - 내부 정화기능을 갖는 가스 식별 장치

Info

Publication number: KR100545455B1
Application number: KR1020050048716A
Authority: KR
Inventors: 고성석
Original assignee: (주)센서테크
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2006-01-24

Abstract

대기 중에 있는 특정한 가스 화합물을 정확하게 탐지하고 식별해내는 일은 다양한 관점에서 매우 중요한 작업으로 여겨진다.

본 발명은 가스를 탐지하고 식별하는 장치에 관한 것으로서, 공기 중의 가스 화합물의 존재를 탐지하고, 탐지된 가스 화합물을 식별함으로써, 유사시 또는 테러시에 사용될 수 있는 화학작용제의 피해를 예방하고, 폭발물과 같은 위해한 물질을 탐지할 뿐만 아니라, 기타 공기 중에 포함되어 있는 화합물 중 특정한 가스를 탐지하고 식별하는 장치에 관한 것이다.

본 발명의 다양한 실시예를 통해 정확하고 다양한 식별 장비의 탐지/식별력을 배가시켜 줄 뿐만 아니라 향상된 열효율성을 얻을 수 있게 된다. 특히 휴대용으로 사용하는 경우에는 더욱 유용한 생태적, 안보적, 산업적 장비가 될 것이다.

가스, 식별, 플라즈마 크로마토그래피, 방사성 동위원소, 이온화, 자외선, 코로나, 이온질량필터, 정화, 순환

Description

내부 정화기능을 갖는 가스 식별 장치{A GAS DETECTOR WITH INTERIOR CLEANER}

도 1은 본 발명의 개략적인 구성예를 나타낸 도면이다.

도 2는 흡입노즐의 외부에 권선된 히터부재를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예로서 흡입노즐의 내부에 설치된 히터부재를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예로서 흡입노즐의 내부에 시료농축기 및 히터부재를 함께 장착한 히터부재를 나타낸 도면이다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시예로서 세라믹 히터 부재를 나타낸 도면이다.

도 5b는 위 도 5a를 위쪽에서 바라본 단면도이다.

도 6은 본 발명의 시료채취부의 실시예를 나타낸 도면이다.

도 7은 도 6을 측면에서 바라본 단면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 이온화부의 개략적인 구성예를 나타낸 도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 이온식별부가 하나인 경우의 개략적인 구성예를 나타낸 도면이다.

도 10은 본 발명에 따른 이온식별부가 이중탐지필터로서 두 개인 경우의 개략적인 구성예를 나타낸 도면이다.

도 11은 본 발명에 따른 내부정화부의 개략적인 구성예를 나타낸 도면이다.

도 12는 본 발명에 따른 순환 루프의 프로세스를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가스흡입부

11 : 흡입노즐

12 : 히터부재

13 : 시료농축부재

14 : 세라믹 히터장치

20 : 시료채취부

21 : 멤브레인 막

22, 23 : 멤브레인 지지체

24 : 히터장치

30 : 이온화부

31 : 가스 흡입홀

32 : 방사성 동위원소 지지대

33 : 반응영역부

40, 40´ : 이온식별부

41, 41´ : 제 1 게이트

42, 42´ : 링전극

43, 43´ : 제 2 게이트

44, 44´ : 컬렉터

45 : 이온필터 공기유입부

46 : 이온필터 공기배출부

47 : 이온필터 연결부

48 : 이온화부 공기유입부

49 : 공기유입부

50 : 메인회로부

51 : 증폭회로

52 : 신호변환회로

60 : 내부정화부

61 : 제 1 정화장치

62 : 기준이온화가스

63 : 제 2 정화장치

64 : 제 3 정화장치

70 : 다이아그램 펌프

71 : 제 1 펌프

72 : 제 2 펌프

75 : 밸브

80 : 전원부

85 : 이온필터 히터장치

90 : 표시수단

본 발명은 가스를 탐지하고 식별하는 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 휴대용으로 용이하게 소지하면서 공기 중의 가스 화합물의 존재를 탐지하고, 탐지된 가스 화합물을 식별함으로써, 유사시 또는 테러시에 사용될 수 있는 화학작용제의 피해를 예방하고, 폭발물과 같은 위해한 물질을 탐지할 뿐만 아니라, 기타 공기중에 포함되어 있는 화합물 중 특정한 가스를 탐지하고 식별하는 장치에 관한 것이다.

대기 중에는 많은 이종 성분의 가스 화합물이 존재한다. 대기 중에 있는 특정한 가스 화합물을 정확하게 탐지하고 식별해내는 일은 다양한 관점에서 매우 중요한 작업으로 여겨진다.

예컨대 안보적인 관점에서 보자면 유사시 화학작용제의 공격으로부터 효과적으로 대처하기 위해서는 먼저 빠른 시간 내에 정확하게 공기중에 포함되어 있는 화학작용제를 탐지하고 식별해내야 한다. 이는 비단 화학전(化學戰) 뿐만 아니라 인체에 위해한 독가스를 살포하는 테러행위의 예방 차원에서도 중요하게 여겨진다.

또한, 산업보건의 관점에서 보자면 공장의 환경을 체크하고 산업보건의 기준에 맞도록 유지함에 있어, 공장 내의 공기 중에 유독 가스 화합물이 존재하는지, 존재한다면 기준치 이하인지 여부를 탐지하는 기술은 최소한의 산업안전을 보장해 준다.

공중위생이나 공중보건의 관점에서도 마찬가지이다. 대기 중에 특정한 가스 화합물의 성분을 분석함으로써 독성가스의 존재 여부 및 기타 공중위생에 해로운 물질들의 존재 여부를 탐지할 수 있게 된다.

나아가 이러한 탐지기술은 생태적, 환경적인 관점에서도 매우 중요한 작업이다. 산업화의 진전에 따라 대기 중에는 인체에 유해한 독소 화합물들이 포함되기에 이르렀고, 그러한 대기 중에 포함되어 있는 공해 물질들을 정확하고 신속하게 탐지하고 식별하는 것은 대기오염 문제를 해결하기 위한 각종 대책수단들에 객관적인 기초 자료를 제공해 주는 역할을 한다.

이러한 탐지 기술은 공기 중에서 특정한 성분의 가스를 검출하고 분석할 수 있는 구체적인 기술적인 방법을 제시하여야 한다.

그 기술적인 방법으로서, 플라즈마 크로마토그래피(Plasma Chromatography) 방법이 제시되었다. 공기 중의 특정한 가스를 검출하고, 탐지하기 위해서는 먼저 각각의 가스마다 유니크한 특성을 갖는 데이터가 있어야 하는데, 공기 내에 존재하는 특정한 가스 화합물의 이온 이동도는 서로 다르다는 특성을 발견하게 되었으며, 그 이온 이동도에 영향을 미치는 이온 질량과 구조를 연구함으로써 공기 중의 특정한 가스를 검출하고 탐지할 수 있는 이론적인 근거가 확립되었다. 이때 공기 중의 각종 가스들의 특정한 이온 이동도의 스펙트럼을 얻기 위해서는 기체인 공기를 플라즈마 상태로 만들어야 한다는 것이 전제되었다.

이온 이동도 K는 일정하게 형성된 전기장 E 안에서 이동하는 이온의 속도 υ 로서 표시될 수 있으며

이온 필터셀의 길이(cm), 이온 이동도관에 형성된 전압(V/cm), 이온 이동도 시간(S)을 이용하여 다시 나타낼 수 있다.

1970년대 초반부터 플라즈마 크로마토그래피에서 일어나는 물리적, 화학적 반응이 연구되기 시작했으며, 이로써 이온의 이동도에 영향을 미치는 이온 질량과 구조에 관련된 몇 가지 사실이 발견되었다. 그 내용은 동족 화합물에서 이온 이동도와 이온 질량과의 상관관계는 정확하게 비례한다는 것이며, 케톤과 아민에 대한 플라즈마 크로마토그래피 연구결과에서 이것이 입증되었다. 하지만, 비동족 화합물에서는 구조적인 특성이 더 중요하여 단순한 이온질량에 따른 이온 이동도와의 상관관계는 성립되지 않으며, 이를 바탕으로 이온 이동도와 이온 구조에 관한 실험이 수행되었다. 이에 따라 기본적인 이론이 만들어졌다.

K : 이온 이동도

q : 이온 전하

N : 드리프트 가스의 밀도(The number density of the drift gas)

k : 볼쯔만 상수

m : 이온 질량

M : 드리프트 가스의 질량

Ω : The ion collision cross section

하지만, 이 식은 분자구조에 의존하는 함수이기 때문에 정확한 K 값을 계산하기 힘들고, 실제 값과 맞지 않기 때문에 일반적으로 이온이동도 K 값은 다음과 같이 실제 측정값을 갖는 확산 이온이동도 K₀로 나타낸다.

K : 이온 이동도

T : 온도

P : 압력

한편, 플라즈마를 생성하기 위해서는 중성 입자로부터 전자를 제거할 필요가 있고, 이를 위한 에너지가 요구된다. 예컨대 Ni-63은 0 ~ 0.067MeV 범위의 β선만 방출하며, N₂를 이온화시키는 데 소모되는 평균 에너지는 35eV이며, 다음과 같이 N₂를 이온화시킨다.

^-->

이러한 플라즈마 크로마토그래피의 원리를 적용한 가스 식별장치에 있어서, 얼마나 정확하게 가스를 식별할 수 있는지 여부, 또는 얼마나 다양한 대상가스를 식별할 수 있는지의 여부, 탐지에 필요한 높은 효율의 문제 및 식별장치 자체의 오 염에 대한 대책방안 등이 주된 문제로 부각될 것이다.

본 발명이 가스 식별 장치에 관한 것이기 때문에, 당연하게도 본 발명의 발명가는 보다 정밀하게 그리고 보다 다양한 가스에 대하여 식별할 수 있는 가스 식별 장치를 개발하는 데 기본적인 기술적 과제를 설정하게 되었다.

이러한 기본적인 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 목적은 흡입된 공기에 대한 정확한 탐지를 위하여 탐지 모드와 정화 모드로 작동하는 가스 식별 장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 구체화하는 과정에서, 가스 시료를 탐지하면서 가스 흡입노즐, 멤브레인 막, 이온질량필터 등 가스 식별 장치 내부에 잔류하는 가스 시료 기타 각종 오염물질을 제거하기 위한 수단을 제공하는 것은 본 발명의 다른 목적으로 상정되었다.

또한, 본 발명의 또 다른 양 이온 모드 뿐만 아니라 음 이온 모드에서도 가스를 탐지하고 식별할 수 있도록 함으로써 시료 가스의 대상을 넓히는 데 있다.

나아가, 가스 식별 장치의 열효율을 증가시키면서 전력소모를 줄임으로써 보다 개선된 가스 식별 장치를 제공함에 본 발명의 또 다른 목적이다.

본 발명의 또 다른 목적들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시내용 뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것이며, 본 발명의 특유한 효과에 대응될 것임을 첨언한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 공기 중의 가스 화합물을 정량분석하여 식별하는 가스 식별 장치에 있어서,

공기를 흡입하며, 흡입된 공기를 가열하는 히터부재를 포함하는 가스 흡입부;

상기 가스 흡입부에 의해 흡입된 공기 중 가스 시료를 선택적으로 채취하여 흡입하는 시료 채취부;

상기 시료 채취부로부터 흡입된 가스 시료를 이온화하는 이온화부;

상기 이온화부에 의해 이온화된 가스 시료가 유입되며, 다수의 링전극이 구성되고, 이온화된 가스 시료의 화합물의 유입량을 조절하는 제 1 게이트 및 일정한 전기장을 유지하며 노이즈를 제거하는 제 2 게이트와, 유입된 가스 시료의 이온 질량에 따라 전류펄스를 발생시키는 컬렉터를 포함하는 이온식별부;

상기 이온식별부의 컬렉터로부터 전송되는 전류펄스를 증폭하며, 증폭된 신호값을 처리하여 표시수단에 의하여 이온식별 결과를 표시하고, 전체 동작을 제어하는 메인회로부;

흡입된 공기에 의하여 내부 기관들이 오염되는 것을 방지하기 위하여 정화 순환 시스템을 구성하고, 그 정화 순환 시스템에 따라서 내부 기관들을 정화하는 내부정화부;

공기의 흡입 및 순환과 상기 정화 순환 시스템을 가동하는 다이아프램 펌프 및 공기배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 가스 식별 장치의 내부의 공기 흐름은 흡입된 공기의 외부배출 시스템과 흡입된 공기의 내부 순환 시스템으로 이루어지며,

상기 외부배출 시스템은, 상기 가스 흡입부를 통해 흡입된 공기 중 상기 시료 채취부에 의해 채취되지 않은 공기가 펌프에 의해 외부로 배출되는 시스템이며,

상기 내부 순환 시스템은, 상기 시료 채취부를 통해 흡입된 가스 시료가 펌프에 의해 상기 내부 정화부를 거쳐 정화되며, 내부 정화부의 가스가 상기 시료 채취부 및 이온식별부에 유입된 후 다시 내부 정화부로 배출되는 순환시스템으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 가스 흡입부는, 가스의 식별성능을 개선하기 위하여 ① 가스 시료를 농축하는 시료농축필터를 가스 흡입부의 흡입라인 내부에 장착하는 것, ② 가스 흡입라인 내부에 히터 부재를 설치하는 것, ③ 가스 흡입라인 내부에 세라믹 히터 장치를 설치하는 것, 중 어느 하나의 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 시료 채취부는, 흡입된 공기의 선택적 샘플 채취를 위한 작은 핀홀구조를 갖는 멤브레인 필터와, 그 멤브레인 필터를 기준으로 상하로 놓여져 멤브레인 필터를 이중으로 지지하는 지지체로 구성되며, 선택적 채취를 보다 원활하게 하기 위하여 히터장치를 더 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 이온화부는, ① 방사성 동위원소를 이용한 이온화 장치, ② 코로나 방전을 이용한 이온화 장치, ③ 자외선 램프를 이용한 이온화 장치 중 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.

나아가, 상기 이온식별부는 양 이온 모드에서 이온식별을 수행하는 제 1 이 온식별부와, 음 이온 모드에서 이온식별을 수행하는 제 2 이온식별부로 구성되고, 제 1 이온식별부와 제 2 이온식별부는 상호 공기가 소통할 수 있는 개방영역이 존재하며, 상기 제 1 이온식별부 및 제 2 이온식별부로 이온화된 가스 시료를 보내는 이온화부도 각각 2개로 구성되도록 함으로써 가스 식별 장치가 가스를 탐지하고 식별할 수 있는 능력을 강화하였다.

그리고, 바람직하게는 본 발명의 내부 정화부는 3개의 정화장치로 구성되며,

제 1 정화장치는 가스 관로를 통해 제 1 이온식별부와 연결되고, 제 1 정화장치에 의해 정화된 공기 및 기준 이온화 가스를 제 1 이온식별부에 공급하며,

제 2 정화장치는 제 2 이온식별부로부터 공급되는 공기를 정화하며, 이를 내부 펌프를 통해 제 1 정화장치로 공급하며,

제 3 정화장치는 시료 채취부의 오염물질을 정화하는 가스 관로와 연결되어, 가스 식별 장치가 정화모드로 동작할 때, 시료 채취부가 있는 영역을 정화하는 것을 특징으로 하고, 이러한 내부 정화부의 기능은 가스 식별 장치 내부의 순환 시스템 기반하에서 이루어지도록 구성한다.

한편, 상기 이온식별부의 외부 몸체에 히터 저항을 장착하여 열효율을 증가시키는 것이 좋다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 원칙적으로 관련된 공지기능 혹은 공지 구성 등 이미 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 개략적인 구성을 도시하고 있으며, 이에 따라 본 발명의 가스 식별 장치는 그 외부의 하우징의 형상과 모양을 제외하고, 가스 흡입부(10), 시료채취부(20), 이온화부(30), 이온식별부(40), 메인회로부(50), 내부정화부(60), 펌프(70), 전원부(80), 외부 표시수단(90), 밸브(75) 및 배출부(76)를 포함하여 구성된다. 상기 가스 흡입부(10)는 측정하고자 하는 위치에서의 공기를 흡입하며, 시료채취부(20)는 흡입된 공기 중 소량의 가스 시료를 채취하고, 이온화부(30)는 채취된 가스 시료에 대하여 고에너지를 가함으로써 플라즈마 상태로 만들어 가스 시료를 이온화하며, 이온식별부(40)는 상기 이온화부(30)에서 들어온 이온화된 가스 시료를 정량적으로 분석하기 위한 이온필터이며, 또한 메인회로부(50)는 상기 이온식별부(40)의 콜렉터로부터 전달받은 각각의 화합물들의 이온질량들의 전기신호를 증폭, 변환, 해석하고, 그 정보를 표시수단(90)에 표시하며, 그 정보에 기초하여 가스 식별 장치의 동작을 제어하고, 내부 정화부(60)는 식별 장비의 내부를 정화하는 기능을 수행하기 위하여 이온식별부(40) 및 시료채취부 근방과 배관으로 연결되어 있다. 한편, 전원부(80)는 식별 장비의 전체 전원을 제공하며, 펌프(70)는 메인회로의 제어명령에 따라 내부순환 시스템의 순환동력을 제공한다.

도 2 내지 도 5는 상기 가스 흡입부(10)의 다양한 실시예에 대해서 나타낸다. 가스 흡입부(10)는 단순히 공기를 흡입하는데 그치는 것이 아니라 흡입된 공기를 가열하는 히터부재를 구비하는 것이 바람직하다. 펌프를 이용하여 공기를 흡입하게 되고 히터는 흡입된 시료를 가열하여 시료의 분리를 용이하게 도와주며, 흡입된 시료가 식별 시스템 안으로 투과시 투과량을 증가시켜주며, 또한 흡입노즐에 잔 류하는 가스의 양을 감소시켜 주어 식별시간 및 정화시간을 단축하여 주는 역할을 한다.

도 2는 일반적으로 상정되는 가스 흡입부의 구성을 나타낸다. 시료 흡입라인의 일정한 길이에 일정한 저항값을 갖는 니크롬선을 이용하여 노즐 표면을 촘촘히 감싸 히팅하는 구성이다. 그러나 이러한 일반적인 시료흡입라인이 테프론 파이프의 외부에 히터선을 감아 히팅하므로 열손실이 많고, 전력소모가 많은 단점이 있었다.

도 3은 도 2를 개선하기 위한 한 가지 실시예의 단면도를 나타내고 있다. 이에 의하면, 원형의 흡입노즐(11) 내부에 히터선을 장착하여 히팅하는 구조이다. 이는 히터부재(12)가 흡입노즐(11) 안에 있기 때문에 외부로 열이 손실되는 일이 발생하지 않아 전력소모가 줄 뿐만 아니라 식별시간 및 정화시간을 줄여주는 역할을 수행한다.

도 4는 도 3의 히터부재(12)의 기능을 더욱 강화한 것으로서, 원형의 흡입 노즐(11) 안으로 시료 농축필터(13)를 삽입하며, 다시 그 시료 농축필터(13) 안으로 히터선을 장착하는 것이다. 도 4의 실시예는 시료 탐지와 식별의 고감도가 요구되는 정밀 식별장치에 더욱 바람직한 실시예이다.

도 5(a) 및 도 5(b)는 또 다른 가스 흡입부(10)의 실시예를 나타내고 있다. 흡입 노즐(11) 내부로 세라믹 부재 파이프(14)를 흡입 노즐(11)과의 기밀을 유지하면서 장착하고, 그 세라믹 부재(14)에는 미리 저항체를 도포하여 히터장치를 구성하는 것으로서, 일반적으로 세라믹 부재가 절연물질로서 기능하며 온도 특성도 좋기 때문에, 이를 히터장치로 구성하면 열효율을 배가할 수 있는 장점이 있다.

도 6 및 도 7은 상기 시료채취부(20)의 개략적인 구성을 나타내고 있다.

상기 가스 흡입부(10)에서 흡입된 공기의 전량이 탐지의 대상이 되는 것도 아니며, 또한 내부 장비 안으로 흡입될 수도 없다. 흡입된 공기가 내부 식별장비 안으로 많이 들어가면 들어갈수록 식별부 자체가 오염되며 정확한 데이터를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 내부 필터의 수명이 단축되기 때문에 흡입된 공기의 극히 일부분에 대한 선택적인 흡입이 필요하다. 공기 중에 존재하는 분석물질을 장비 안으로 흡입하며 일정한 온도와 압력을 유지하였을 때 선택적인 흡입이 가능하다. 흡입부에 박막의 실리콘 멤브레인(Membrane) 필터를 사용함으로 다른 간섭물질로부터 분석물질을 분리하여 복잡한 이온화 과정을 최소화할 수 있다. 이때 멤브레인을 투과하는 분석물질의 투과도는 다음과 같다.

P_t : 멤브레인을 투과한 분석물질의 분압

P_x: 멤브레인을 투과하는 분석물질의 분압

P_r : 투과도

A_m : 멤브레인의 단면적

F_c : 운반가스의 유량

P : 대기압

H : 멤브레인의 두께

상기 시료채취부(20)은 흡입된 공기의 선택적 샘플 채취를 위한 실리콘 멤브레인 필터(21)와 그 멤브레인 필터(21)를 지지하는 금속 판형의 지지체(22)(23)로 구성된다. 단일 지지체인 경우에는 도 6에서 보이는 바와 같으나, 멤브레인 필터의 고정을 향상시키기 위하여 상기 멤브레인 필터(21)를 기준으로 상하로 2개의 금속 판형의 지지체(22)(23)를 대응시키는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 도 7이 도시하고 있으며, 상기 멤브레인 필터(21)를 기준으로 식별장비의 외부와 내부가 구별된다. 즉 외부의 흡입된 공기는 멤브레인 필터(21)를 통해 선택적으로 채취되어 내부 식별장비 안으로 들어가게 되는 것이다. 한편, 이러한 채취 및 진입을 보다 원활하게 하기 위하여 히터장치(24)를 더 포함한다. 시료채취부(20)에 부가된 히터장치(24)의 원리는 상기 도 3의 히터부재와 동일하며, 히터장치(24)의 동작에 의하여 영향을 받는 분석물질의 투과도에 대한 평가와 이를 고려한 장비의 동작설계는 미리 프로그램화된다.

상기 도 6 및 도 7에 도시되어 있는 시료채취부(20)는 얇은 금속 판형의 지지체와 멤브레인막을 이용함으로써 구성도 간단할 뿐만 아니라 생산성을 증가시키고 비용을 절감시키는 효과가 있다.

도 8은 상기 이온화부(30)의 구성 및 원리를 개략적으로 나타내고 있다.

상기 시료채취부(20)를 통해 채취된 가스 시료 분자는 공기펌프에 의해서 흡입되어 이온화부(30)로 들어가 플라즈마 상태로 여기된다. 장착되어 있는 이온화원에 의해 분자들은 이온화되고, 이때 양이온 또는 음이온을 생성하게 된다.

플라즈마 크로마토그래피에서 도입되는 기체시료를 이온화시키기 위해서는 높은 주파수를 갖는 레이저 혹은 자외선 영역의 빛을 이용하여 대상 가스시료의 이온화준위 이상으로 분자들을 여기 시키거나, 글로우 방전 혹은 코로나 방전 등의 방법을 이용하여 이온화된 완충기체와 시료 기체의 충돌에 의하여 대상 가스시료를 이온화시키는 방법을 이용할 수 있다. 또한, 높은 에너지 (일반적으로 70 eV 정도)를 갖는 전자빔을 이용하여 이온화시키는 방법도 사용할 수 있다. 이들 방법들 중 방전이나 전자빔에 의한 방법들은 장치에 사용되는 전압공급장치의 크기가 매우 커서 휴대용 플라즈마 크로마토그래피 시스템에는 적용하기 어려운 실정이다. 예를 들어서 전자빔을 이용한 electron impact 이온화의 경우에는 전자를 발생시키는 필라멘트는 그 크기가 매우 작으나, 필라멘트를 가열하는데 사용되는 전원공급장치는 수 암페어 정도의 출력을 발생시킬 수 있어야 하며, 이러한 장치는 통상적인 플라즈마 크로마토그래피 장치 자체보다 큰 경우가 대부분이다. 이에 반하여 레이저나 자외선 램프를 이용한 광화학적인 이온화 방법들은 이온화 장치의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.

이온화 방법의 일 실시형태로서, Ni-63 방사성 동위원소를 이용할 수 있다. 본 실시형태에서는 가스 시료를 이온화부(30) 내부로 흡입하는 가스 흡입홀(31)과 방사성 동위원소 지지대(32) 및 반응영역부(33)가 일체로 형성되어 균일 고전압을 인가해 줄 수 있는 구조를 가지며, 이온화부(30) 내부의 양쪽에 장착된 Ni-63 방사선원(32)이 유입된 가스 시료에 약 67KeV의 고에너지를 연속적으로 방출함으로써 유입된 대상 가스 시료를 이온화하고, 가스 흡입홀(31)에 형성된 리펠러에 의해 이온화된 가스시료를 반응영역부(33)쪽으로 밀어 넣게 된다.

한편, 코로나 방전법은 재봉바늘 형태의 금속전극 tip에 3 ~ 6 kV를 걸어주어 샘플링 오리피스(sampling orifice) 사이에 방전을 일으켜서 분자이온을 생성한다. 이 때 시료의 분자이온은 전극과 오리피스 사이에서 생성되며 시료의 운반기체는 연속적으로 전극 주위를 통과하여서 이온화가 일어나게 된다. 코로나 방전법은 Ni-63 방사선원과 거의 유사한 reactant ion spectrum을 얻지만 Ni-63 방사선원과 비교하여 많은 reactant ion intensity를 생성하므로 이온화 효율은 훨씬 높다. 고감도의 분석을 위한 전극의 재질로는 이리디움(iridium)이 사용되며 전극과 샘플링 오리피스의 간격은 약 5 ~10 mm이며 걸어주는 방전전압에 따라 최적화 되어야 한다. 반응속도를 높이기 위하여 시료공기의 주입속도를 빠르게 해주어야 한다. 코로나 방전의 방전전류는 약 수십 μA이며 방전전류를 안정화시키기 위하여 수백 MΩ 이상의 고저항을 high voltage power supply에 직렬로 연결해준다.

코로나 방전 소스와 이온이동도 센서를 결합시킨 질량분석법의 각 조건에서 구한 스펙트럼의 정확한 분석을 위해서는 이온이동도 센서를 quadrupole 질량분석기와 결합하여 각 피크(peak)에 해당하는 분자를 정확히 판별하여야 하며 그리하여 각 시료의 여러 측정조건에 대하여 표준 스펙트럼 데이터베이스를 작성할 수 있다. 코로나 방전법은 전극에 걸어주는 고전압의 전위에 따라 양이온 모드와 음이온 모드로 나누어진다.

한편, 자외선 램프를 이용한 이온화 방법으로서, 펄스형 자외선 램프를 사용할 수 있다. 10.6 eV 의 자외선을 발생시키는 자외선 램프를 이용하여 톨루엔(Toluene), 벤젠(Benzene) 등의 유기화합물을 이온화 시켜서 플라즈마 크로마토 그 래피로 분석하는 것이 알려져 있다. 일반적으로 벤젠계 화합물들의 이온화 준위는 약 6~7 eV 정도로서 10.6 eV는 이온화 시키기에 충분한 에너지를 갖고 있는 것을 알 수 있다. 이 자외선 램프는 크기가 매우 작아서 기존 플라즈마 크로마토 그래피 장치의 크기를 거의 변화시키지 않으면서도 효과적으로 이온화시킬 수 있는 방법으로 고려된다.

이렇게 생성된 이온은 이온 필터셀 내부의 전기장에 의해서 컬렉터 쪽으로 이동하게 된다.

도 9는 본 발명의 이온식별부(40)의 개략적인 구성을 나타내고 있다.

상기 이온식별부(40)는 상기 이온화부(30)에 의해 이온화된 가스 시료가 유입되며, 내부에 이온필터가 가득 차 있는 것으로서, 다수의 링전극(42)이 구성되어 있는 드리프트 영역이 형성되어 있다. 상기 이온화부(30)에서 유입되는 가스 시료의 이온화된 화합물 분자의 유입량은 제 1 게이트(41)에 의해 조절되는데, 이 제 1 게이트(41)는 셔터 그리드로서 전기적인 신호에 의해 수백 ㎛ 동안 개방되어 이온화된 화합물 분자의 유입량을 일정하게 유지한다. 드리프트 영역에는 고전압의 전기장이 형성되어 있으며 이온화된 화합물 분자들이 컬렉터(44)로 드리프트(drift)한다. 드리프트 영역과 컬렉터(44) 사이에는 어퍼쳐 그리드인 제 2 게이트(43)가 형성되어 있으며, 이는 외부에서 발생되어 유입되는 노이즈를 제거하고, 드리프트 영역을 통과한 이온이 컬렉터(44)에 도달할 때까지 일정한 전기장을 유지하여 보다 정확한 측정이 가능하게 한다.

그리고 상기 컬렉터(44)는 금 도금된 스테인리스 스틸로 설계된 전도성 판이 며 이온 이동도관 내에 절연되어 삽입되며, 컬렉터에 도달한 이온 질량에 따라 고유의 전류 펄스를 생성한다. 이 조립체는 드리프트 영역에 의해 생기는 전기적인 잡음을 감쇄시켜 주는 제 2 게이트의 뒤에 장착되어 있다. 컬렉터가 생성하는 전류 펄스는 작용제를 이온 이동도관 안으로 들어갈 수 있도록 해주는 제 1 게이트(셔터 그리드)에 의해 발생되는 트리거 신호의 뒤에 나타난다. 작용제의 이동도가 낮으면 펄스는 공기이온에 비하여 뒤에 나타나고 이동도가 높으면 펄스는 공기이온에 대하여 앞쪽에 나타나게 된다. 하지만 이 펄스는 매우 미약한 신호이기 때문에 육안으로 관찰이 불가능함으로 메인회로부(50)의 OP-AMP와 같은 증폭수단(51)에 의하여 증폭하고, 이를 신호처리수단(52)에 의해 처리하여 표시수단에 표시한다.

상기 메인회보부(50)에는 신호를 처리하고 이온을 식별하는 데 필요한 전기회로부가 구성되어 있으며, 식별 장치의 동작제어에 필요한 전기적 수단들이 집적되어 있다.

도 10은 2개의 이온필터를 구비한 이온식별부의 구성을 나타내고 있다.

본 실시형태에서의 이온식별부는, 양 이온 모드에서 이온식별을 수행하는 제 1 이온식별부(40)와, 음 이온 모드에서 이온식별을 수행하는 제 2 이온식별부(40′)로 구성되고, 제 1 이온식별부와 제 2 이온식별부는 상호 공기가 소통할 수 있는 개방영역(47)으로 연결되어 있다. 그리고, 이온식별부가 2개로 구성되어 있는 관계로, 이온식별부로 이온화된 가스 시료 분자를 보내는 이온화부(30)(30´)도 각각 2개 구성된다.

한편, 이온식별부의 외부 몸체에 히터 저항(85)을 장착함으로써 열효율을 증 가시킬 수 있다. 히터저항(85)의 구성은 이온식별부의 이온필터셀 몸체에 저항선을 감는 방식을 채용하거나 또는 이온필터셀 몸체에 히터 저항을 프린팅하여 제작하여 구성할 수 있다. 또한 다른 실시형태에서는 이온필터셀 몸체에 히터 저항을 접착하는 구성한다. 이러한 히터저항(85)의 구성은 열전달계수를 높이고, 열효율을 증가시키며, 불량률이 낮추고 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 11은 본 발명의 내부정화부(60)의 개략적인 실시형태를 나타내고 있다.

상기 내부정화부(60)는 3개의 정화장치를 포함하고 있는데, 제 1 정화장치(61)는 가스 관로를 통해 제 1 이온식별부(40)와 연결되고, 제 1 정화장치(61)에 의해 정화된 공기 및 이온필터에 레퍼런스 피크(Reference Peak)를 생성시켜 주는 기준 이온화 가스(62)를 도 10의 공기 유입구(45)(48)를 통해 제 1 이온식별부(40)에 공급한다. 제 2 정화장치(53)은 제 2 이온식별부(40´)의 가스 배출구(46)로부터 유입되는 공기를 정화하며, 이를 내부 공기 펌프를 통해 제 1 정화장치(61)로 공급한다. 제 1 정화장치 및 제 2 정화장치를 이중으로 거치도록 함으로써 공기유입구(45)(48)로 다시 유입되는 공기를 깨끗이 정화할 수 있게 된다.

제 3 정화장치(64)는 시료 채취부(20)의 오염물질을 정화하는 가스 관로와 연결된다. 가스 식별 장치가 탐지모드로 설정되어 있는 경우에는 가스 흡입부(10)를 통해 흡입된 공기 중 시료 채취부(20)에 의해 내부 장비로 흡입된 시료 가스를 제외한 나머지 공기는 모두 배출구(76)를 통해 외부로 배출된다. 그러나 이 과정에서 가스 시료가 배관이나 특히 시료 채취부(20) 근방에 남게되어 가스 탐지 및 식별에 나쁜 영향을 주게 되므로 이를 정화시킬 필요가 있다. 따라서 정화모드인 경 우에 밸브(75)는 제 3 정화장치(63)를 도 10의 시료 채취부 근방의 가스관로(49)와 연결되도록 함으로써 시료 채취부(20) 근방의 오염물질을 정화한다.

한편, 제 1, 2, 3 정화장치의 유기적인 동작은 2개의 공기펌프(71)(72)의 동작에 의하여 제어할 수 있으며, 이러한 공기펌프(70)의 구성 및 내부정화부(60)의 개수의 조정 및 그 조정에 따르는 순환구성의 단순환 치환은 본 발명의 권리범위에서 제외되지 않음을 첨언한다.

도 12는 본 발명의 개략적인 내부 순환구조를 나타내고 있다.

본 발명의 가스 식별 장치의 공기 흐름은 흡입된 공기의 외부배출 시스템과 흡입된 공기의 내부 순환 시스템으로 이루어진다. 외부배출 시스템은 가스 흡입부(10)를 통해 흡입된 공기 중 시료 채취부(20)에 의해 채취되지 않은 공기가 펌프(70)에 의해 외부로 배출되는 시스템이며, 내부 순환 시스템은, 시료 채취부(20)를 통해 흡된 가스 시료가 펌프에 의해 내부 정화부(60)를 거쳐 정화되며, 내부 정화부(60)의 공기가 시료 채취부(20) 및 이온식별부(40)에 유입된 후 다시 내부 정화부(60)로 배출되는 순환시스템으로 구성된다. 즉, 이러한 내부 순환시스템은 크게 2개로 구성되며, 하나는 이온식별부(40)의 이온질량필터를 중심으로 하는 순환시스템("A")과 시료 채취부(20) 근방을 중심으로 순환하는 시스템("B")으로 나뉠 수 있으며, 전자의 순환하는 공기는 제 1, 2 정화장치를 통과하게 되고, 후자의 순환하는 공기는 제 3 정화장치를 통과하게 된다.

이상의 실시예들은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 보호범위가 이들 실시예 및 실시예에서 참조되었던 도면의 예에 의해 제한되는 것은 아니 다.

이상에서 설명한 본 발명의 가스 식별 장치는, 보다 정확한 탐지 및 식별을 위하여 장비 내의 미세한 오염 조차 깨끗이 해결하는 정화수단을 제공함으로써 더욱 정확한 가스 탐지 및 식별 데이터를 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 이온필터셀을 복수로 구비함으로써 양이온 모드 및 음이온 모드에서 공히 가스 탐지가 가능하기 때문에, 장비의 효율과 성능을 개선한 장점이 있다. 이에 따르면 예컨대 하나의 가스탐지장비로 양 이온 모드에서 탐지가능한 신경작용제 뿐만 아니라 음 이온 모드에서 탐지하는 수포작용제도 탐지하고 식별할 수 있는 장점이 있다.

또한, 다양한 히터부재 및 장치들의 개선 및 개발로 인하여 장비 자체의 열효율을 높이고 전력소모를 줄이는 효과가 있다.

이러한 본 발명의 유용한 효과로 말미암아 본 발명의 가스 식별 장치를 안보적으로도 활용할 수 있을 뿐만 아니라 테러대비 목적으로 또는 산업보건의 관점에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

그밖에 본 발명의 특유한 구성으로 말미암아 발생하는 특유한 효과는 발명의 구성에서 설명한 범위에서 용이하게 추고할 수 있으며, 본 발명의 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구 범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생될 수 있는 효과 및 산업발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

Claims

공기 중의 가스 화합물을 정량분석하여 식별하는 가스 식별 장치에 있어서,

공기를 흡입하며, 흡입된 공기를 가열하는 히터부재를 포함하는 가스 흡입부;

상기 가스 흡입부에 의해 흡입된 공기 중 가스 시료를 선택적으로 채취하여 흡입하는 시료 채취부;

상기 시료 채취부로부터 흡입된 가스 시료를 이온화하는 이온화부;

상기 이온화부에 의해 이온화된 가스 시료가 유입되며, 다수의 링전극이 구성되고, 이온화된 가스 시료의 화합물의 유입량을 조절하는 제 1 게이트 및 일정한 전기장을 유지하며 노이즈를 제거하는 제 2 게이트와, 유입된 가스 시료의 이온 질량에 따라 전류펄스를 발생시키는 컬렉터를 포함하는 이온식별부;

상기 이온식별부의 컬렉터로부터 전송되는 전류펄스를 증폭하며, 증폭된 신호값을 처리하여 표시수단에 의하여 이온식별 결과를 표시하고, 전체 동작을 제어하는 메인회로부;

흡입된 공기에 의하여 내부 기관들이 오염되는 것을 방지하기 위하여 정화 순환 시스템을 구성하고, 그 정화 순환 시스템에 따라서 내부 기관들을 정화하는 내부정화부;

공기의 흡입 및 순환과 상기 정화 순환 시스템을 가동하는 다이아프램 펌프 및 공기배출구를 포함하고,

가스 식별 장치의 내부의 공기 흐름은 흡입된 공기의 외부배출 시스템과 흡입된 공기의 내부 순환 시스템으로 이루어지며,

상기 외부배출 시스템은, 상기 가스 흡입부를 통해 흡입된 공기 중 상기 시료 채취부에 의해 채취되지 않은 공기가 펌프에 의해 외부로 배출되는 시스템이며,

상기 내부 순환 시스템은, 상기 시료 채취부를 통해 흡된 가스 시료가 펌프에 의해 상기 내부 정화부를 거쳐 정화되며, 내부 정화부의 공기가 상기 시료 채취부 및 이온식별부에 유입된 후 다시 내부 정화부로 배출되는 순환시스템으로 구성되는, 내부 정화기능을 갖는 가스 식별 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 가스 흡입부는, 가스의 식별성능을 개선하기 위하여 ① 가스 시료를 농축하는 시료농축필터를 가스 흡입부의 흡입라인 내부에 장착하는 것, ② 가스 흡입라인 내부에 히터 부재를 설치하는 것, ③ 가스 흡입라인 내부에 세라믹 히터 장치를 설치하는 것, 중 어느 하나의 방식으로 이루어지는, 내부 정화기능을 갖는 가스 식별 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 시료 채취부는,

흡입된 공기의 선택적 샘플 채취를 위한 작은 핀홀구조를 갖는 멤브레인 필터와, 그 멤브레인 필터를 기준으로 상하로 놓여져 멤브레인 필터를 이중으로 지지하는 지지체로 구성되며, 선택적 채취를 보다 원활하게 하기 위하여 히터장치를 더 포함하는, 내부 정화기능을 갖는 가스 식별 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 이온화부는,

① 방사성 동위원소를 이용한 이온화 장치, ② 코로나 방전을 이용한 이온화 장치, ③ 자외선 램프를 이용한 이온화 장치 중 어느 하나로 이루어진 것인, 내부 정화기능을 갖는 가스 식별 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 이온식별부는 양 이온 모드에서 이온식별을 수행하는 제 1 이온식별부와, 음 이온 모드에서 이온식별을 수행하는 제 2 이온식별부로 구성되고, 제 1 이온식별부와 제 2 이온식별부는 상호 공기가 소통할 수 있는 개방영역이 존재하며,

상기 제 1 이온식별부 및 제 2 이온식별부로 이온화된 가스 시료를 보내는 이온화부도 각각 2개로 구성되는, 내부 정화기능을 갖는 가스 식별 장치.
제 6 항에 있어서,

내부 정화부는 3개의 정화장치로 구성되며,

제 1 정화장치는 가스 관로를 통해 제 1 이온식별부와 연결되고, 제 1 정화장치에 의해 정화된 공기 및 기준 이온화 가스를 제 1 이온식별부에 공급하며,

제 2 정화장치는 제 2 이온식별부로부터 공급되는 공기를 정화하며, 이를 내부 펌프를 통해 제 1 정화장치로 공급하며,

제 3 정화장치는 시료 채취부의 오염물질을 정화하는 가스 관로와 연결되어, 가스 식별 장치가 정화모드로 동작할 때, 시료 채취부가 있는 영역을 정화하는 것인, 내부 정화기능을 갖는 가스 식별 장치.
제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 이온식별부의 외부 몸체에 히터 저항을 장착하여 열효율을 증가시키는, 내부 정화기능을 갖는 가스 식별 장치.