KR101406993B1 - 레이저를 이용한 분석장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 측정 대상물에 레이저를 조사하는 레이저 발생부, 및 상기 레이저가 상기 측정 대상물에 조사되어 발생되는 플라즈마광이 입사되는 수광부를 포함하는 신호측정모듈과, 상기 측정 대상물과 상기 신호측정모듈 사이에 배치되어 상기 레이저 조사 경로 및 플라즈마광을 외부와 차단하는 가이드관, 및 상기 수광부에 입사된 플라즈마광을 이용하여 상기 측정 대상물을 분석하는 측정부를 포함하는 레이저를 이용한 분석장치를 개시한다.

Description

레이저를 이용한 분석장치{APPARATUS FOR COMPONENTIAL ANALYSIS USING LASER}
본 발명은 측정 대상물에 레이저가 조사될 때 발생되는 플라즈마광을 분석하여 대상물의 조성 등을 분석하는 분석장치에 관한 것이다.
연주 공정에서 생산되는 열간 슬래브의 내부에는 제강 공정이나 연주 공정상 불가피하게 비금속 산화물성 개재물 또는 석출물이 생성된다.
일반적으로 열간 슬래브의 온도는 400°에서 1200° 이상의 온도를 유지하고 있기 때문에 내부의 비금속 산화물성 개재물을 측정하기는 쉽지 않다. 이러한 비금속 산화물성 개재물의 크기는 보통 수 um에서 수백 um정도의 크기로서 사람의 눈으로서는 관찰이 불가능하며, 더구나 고온의 슬래브의 경우에는 더욱 측정하기 어려운 문제가 있다.
종래에는 열간 슬래브 내부에서 발생되는 비금속 산화물성 개재물을 측정하기 위해 슬래브 시료를 채취하여 오프라인에서 개재물을 측정하는 장치나 방법으로 처리해 왔다.
그러나 이러한 종래의 방법은 시료 채취 및 분석 시간이 오래 걸리기 때문에 경제적으로나 시간적으로 손실이 많은 문제점이 있다.
본 발명은 레이저 조사시 발생하는 플라즈마광을 이용하여 측정 대상물의 청정도를 신속하고 정확하게 판별할 수 있는 분석장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 레이저 조사시 발생하는 미세입자를 신속히 제거함으로써, 생성된 플라즈마광이 미세입자에 흡수되지 않아 정확한 측정이 가능한 분석장치를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 레이저를 이용한 분석장치는, 측정 대상물에 레이저를 조사하는 레이저 발생부, 및 상기 레이저가 상기 측정 대상물에 조사되어 발생되는 플라즈마광이 입사되는 수광부를 포함하는 신호측정모듈; 상기 측정 대상물과 상기 신호측정모듈 사이에 배치되어 상기 레이저 조사 경로 및 플라즈마광을 외부와 차단하는 가이드관; 및 상기 수광부에 입사된 플라즈마광을 이용하여 상기 측정 대상물을 분석하는 측정부를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 레이저를 이용한 분석장치에서, 상기 가이드관에는 기체가 공급되는 공급노즐과 기체가 배출되는 배출노즐이 배치되어 기체의 흐름이 형성된다.
본 발명의 일 특징에 따른 레이저를 이용한 분석장치에서, 상기 가이드관은 상기 레이저가 입사되는 입사부와 상기 레이저가 출사되는 출사부를 갖고, 상기 배출노즐은 상기 출사부측에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 레이저를 이용한 분석장치에서, 상기 공급노즐에서 공급되는 기체의 압력과 배출노즐로 배출되는 압력은 동일하게 조절될 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 레이저를 이용한 분석장치에서, 상기 기체는 아르곤(Ar) 가스를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 레이저를 이용한 분석장치는, 상기 가이드관의 일측벽에 형성되는 자기장 인가수단을 포함한다,
본 발명의 일 특징에 따른 레이저를 이용한 분석장치에서, 상기 자기장 인가수단은 상기 가이드관의 일측벽에 삽입된 자성부재일 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 레이저를 이용한 분석장치에서, 상기 출사부의 일측벽에는 자성부재가 삽입되고, 상기 자성부재의 중앙부에는 상기 배출노즐이 관통 형성될 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 레이저를 이용한 분석장치에서, 상기 자성부재는 외측 방향으로 테이퍼져 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 온라인 방식으로 열간 슬래브의 내부에 존재하는 비금속 산화물성 개재물 또는 석출물을 측정할 수 있다.
또한, 레이저 조사시 발생하는 미세입자를 신속히 제거함으로써, 플라즈마광의 신호가 강해져 정확한 측정이 가능해 진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분석장치의 개념도이고,
도 2는 가이드관 내부에 미세입자가 비산되는 상태를 보여주는 도면이고,
도 3은 가이드관 내부에 기체의 흐름이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 가이드관의 측벽에 자성부재가 삽입된 상태를 보여주는 개념도이고,
도 5는 도 4의 변형예이고,
도 6은 도 5의 A부분을 확대한 도면이고,
도 7은 자성부재가 기이드관에서 분리되는 상태를 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다. 이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분석장치의 개념도이고, 도 2는 가이드관 내부에 미세입자가 비산되는 상태를 보여주는 도면이고, 도 3은 가이드관 내부에 기체의 흐름이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 분석장치는 측정 대상물(1)에 레이저를 조사하는 레이저 발생부(110), 및 상기 레이저가 상기 측정 대상물에 조사되어 발생되는 플라즈마광이 입사되는 수광부(120)를 포함하는 신호측정모듈(100)과, 상기 측정 대상물(1)과 상기 신호측정모듈(100) 사이에 배치되고, 내부에 기체가 연속적으로 공급 및 배출되는 가이드관(200), 및 상기 수광부(120)에 입사된 플라즈마광을 이용하여 상기 측정 대상물(1)을 분석하는 측정부(300)를 포함한다.
이하에서는 측정 대상물로서 연주공정에서 제조된 열간 슬래브를 기준으로 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 플라즈마광에 의해 성분 등을 분석할 수 있는 대상물이 모두 선택될 수도 있다.
먼저, 신호측정모듈(100)은 열간 슬래브(1)에 레이저(L)를 조사하는 레이저 발생부(110)와 레이저(L)가 열간 슬래브(1)에 조사되어 발생되는 플라즈마광(P)이 입사되는 수광부(120), 및 레이저 발생부(110)와 수광부(120)를 커버하는 케이스를 포함한다.
레이저 발생부(110)는 레이저를 출사하는 레이저원(Laser source, 111)과 레이저원(111)에서 출사된 출사된 레이저를 집속하는 복수 개의 집광렌즈(112, 113)를 포함한다. 출사되는 레이저는 광학계에 손상을 가하지 않는 정도로 적절히 펄스폭이 조절될 수 있으며, 측정 대상물의 종류 및 측정환경에 따라 적절히 조절될 수도 있다.
수광부(120)는 레이저(L)가 열간 슬래브(1)에 조사될 때 발생하는 플라즈마광(P)을 수신하여 측정부(300)로 전송하며, 측정부(300)는 수광부(120)로부터 수신한 플라즈마광(P)을 분석하여 측정 대상물의 조성 및 석출물의 크기 등을 산출할 수 있다.
구체적으로 측정부(300)는 분광분석기(OES)를 이용하여 플라즈마광의 스펙트럼을 측정하고, 특정 파장을 검출함으로써 슬래브에 포함된 개재물 또는 석출물의 조성을 측정할 수 있고, 또한, 측정된 파장의 세기를 분석하여 개재물 또는 석출물의 크기 등을 분석할 수 있다. 이때, 출력부(400)는 측정부(300)에서 측정된 개재물 크기 및 조성을 디스플레이할 수 있다.
가이드관(200)은 신호측정모듈(100)과 열간 슬래브(1) 사이에 배치되고, 레이저의 조사 경로와 발생된 플라즈마광을 외부와 차단하도록 신호측정모듈(100)에 부착되어 형성될 수 있다.
가이드관(200)은 레이저가 입사되는 입사부(200A)와 레이저가 출사되어 열간 슬래브(1)에 조사되는 출사부(200B)를 갖고, 입사부(200A)와 출사부(200B)가 개방된 관(Pipe)형상으로 형성된다.
구체적으로 가이드관(200)은 일측벽이 경사면을 갖는 콘(Cone) 형상으로 형성되어 출사부(200B)측으로 갈수록 내부의 공간이 좁아지도록 형성된다. 가이드관(200) 내부에는 레이저 조사시 플라즈마를 발생시킬 수 있는 기체가 충진되므로 기체를 충분히 밀폐할 수 있도록 출사부(200B)측의 개방면적은 좁게 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 레이저가 조사되어 발생하는 플라즈마광이 수광부에 입사될 수 있고 내부 공간을 충분히 밀폐할 수 있는 구성이라면 모두 적용 가능하다.
도 2를 참조하면, 레이저(L10)가 슬래브(1)에 조사되면 슬래브 표면에서 발생한 다량의 미세입자(d1)가 가이드관(200) 내부에 비산되게 되고, 이러한 미세입자(d1)에 의해 조사되는 레이저가 일부 산란(L11)되어 슬래브(1)에 조사되는 레이저(L12)의 세기가 약해져 측정의 정확성이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 발생된 플라즈마광(P10) 역시 비산된 미세입자(d1)에 일부 흡수되므로 플라즈마광(P10)의 세기가 약해져 정확한 개재물 또는 석출물의 정확한 조성 측정이 어려운 문제가 있다.
따라서 도 3과 같이, 본 발명의 가이드관(200)에는 기체가 유입되는 공급노즐(210)과 기체가 배출되는 배출노즐(220)이 관통 삽입된다. 이러한 구성에 의하여 가이드관(200)의 내부공간에 충진된 기체는 공급노즐(210) 측에서 배출노즐(220) 방향으로 소정의 기체 흐름(A)이 형성된다.
구체적으로 입사부(200A)측에는 기체가 유입되는 공급노즐(210)이 배치되고 출사부(200B)측에는 기체가 배출되는 배출노즐(220)이 배치되는 것이 미세입자(d1)를 제거하는데 바람직하다.
기체는 레이저 조사시 플라즈마를 발생시키는 아르곤(Ar) 가스가 선택될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 레이저 조사시 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 다양한 종류의 기체가 모두 적용될 수 있다.
공급노즐(210)과 배출노즐(220)은 기체 공급부(도시되지 않음)와 연결되어 가이드관(200)의 내부공간에 연속적으로 기체를 공급 및 배출한다. 이때, 공급압력과 배출압력이 동일하게 조절되면 내부공간 내의 기체의 밀도는 일정하면서도 배출노즐 방향으로 기체의 흐름(A)이 발생한다.
이러한 기체 흐름(A)에 의해 레이저가 열간 슬래브(1)가 조사시 발생하는 미세입자(d1)는 기체의 흐름(A)을 따라 배출노즐(220)로 배출된다. 전술한 바와 같이 배출노즐(220)이 가이드관의 출사부측(200B, 열간 슬래브와 인접한 부분)에 형성되는 경우 발생한 미세입자(d1)가 바로 배출노즐로 배출될 수 있는 장점이 있다. 이때, 기체의 공급압력과 배출압력은 미세입자(d1)가 이동될 만큼의 기체 흐름(A)을 생성하기 위하여 적절히 조절될 수 있다.
따라서, 미세입자(d1)는 가이드관(200)의 내부에서 비산되지 않고 대부분 배출되므로, 레이저(L10)가 산란되지 않고 열간 슬래브(1)의 표면에 높은 에너지로 조사하게 되기 때문에 플라즈마광의 방출량이 증가하여 수광부(120)에 입사되는 플라즈마의 광량이 커지게 된다. 또한, 발생된 플라즈마광이 미세입자(d1)에 의해 흡수되지 않아 수광부(120)에 입사되는 플라즈마광의 세기가 강해져 더욱 정밀한 측정이 가능해진다.
도 4는 가이드관의 측벽에 자성부재가 삽입된 상태를 보여주는 개념도이다.
도 4를 참조하면 본 발명에 따른 분석장치는, 가이드관(200)의 일측벽에 자기장 인가수단(230)이 더 형성될 수 있다. 구체적으로 자기력 인가수단(230)은 가이드관(200)의 일측벽에 자성부재(232)가 삽입되어 구현될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 자기장을 가이드관의 내부 공간에 인가할 수 있는 구성이면 모두 적용될 수 있다. 예를 들면, 코일이 가이드관의 일측벽에 삽입되고 전류를 인가하여 자기장을 형성할 수도 있다.
열간 슬래브(1)에 레이저가 조사되어 발생하는 미세입자(d1)는 대부분 철(Fe) 입자이므로, 가이드관(200)의 일측벽에 자성부재(231)가 삽입되면 비산되지 않고 자성부재(231)에 부착된다. 따라서, 배출노즐(220)로 배출되지 않은 잔여 미세입자(d1)는 자성부재(231)에 부착되므로 더욱 청정한 내부 공간을 형성할 수 있다.
이때, 자성부재(231)는 별도의 끼움부재(232)에 부착되어 가이드관(200)의 일측벽에 삽입되었다가 필요시 탈착될 수 있도록 구성된다. 따라서, 소정 횟수 이상 측정이 반복된 경우에는 자성부재(231)에 다수의 미세입자(d1)가 부착되어 있으므로 주기적으로 탈착하여 미세입자(d1)를 제거할 수 있다.
도 5는 도 4의 변형예이고, 도 6은 도 5의 A부분을 확대한 도면이고, 도 7은 자성부재가 기이드관에서 분리되는 상태를 보여주는 도면이다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 자기장 인가수단(250)은, 자성부재(251)가 출사부(200B)측의 일측벽에 삽입되어 형성되고, 외측방향으로 테이퍼지게 돌출 형성되어 흡입부(240)를 형성할 수 있다. 또한, 자성부재의 중앙부에는 배출노즐(220)이 관통 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 흡입부(240)에는 자성부재(251)의 테이퍼면(251a)에서 자기장(F)이 인가되어 비산된 미세먼지(d1)가 흡입부(240)측으로 이끌리게 되고, 기체의 흐름(A)에 의해 이동하여 배출노즐(220)로 배출되게 된다.
즉, 기체의 흐름(A)에 자기장(F)의 인력까지 작용하므로 슬래브(1) 표면에서 발생하는 미세입자(d1)는 배출노즐(220)로 효과적으로 배출될 수 있다.
이때, 자성부재(251)는 별도의 끼움부재(252)에 부착되어 가이드관(200)의 일측벽에 삽입될 수 있으며, 배출노즐(220)은 자성부재(231) 및 끼움부재(252)를 관통하여 삽입될 수 있다.
또한, 도 7과 같이 자성부재(251)와 배출노즐(220)은 일체로 형성되어 함께 가이드관에 탈삽입될 수 있다. 소정 횟수 이상 측정이 반복된 경우에는 자성부재(251)에 다수의 미세입자(d1)가 부착되어 있으므로 주기적으로 탈착하여 미세입자(d1)를 제거할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 신호측정모듈 200: 가이드관
200A: 입사부 200B: 출사부
210: 공급노즐 220: 배출노즐
230: 자기장 인가수단

Claims (9)

  1. 측정 대상물에 레이저를 조사하는 레이저 발생부, 및 상기 레이저가 상기 측정 대상물에 조사되어 발생되는 플라즈마광이 입사되는 수광부를 포함하는 신호측정모듈;
    상기 측정 대상물과 상기 신호측정모듈 사이에 배치되어 상기 레이저 조사 경로 및 플라즈마광을 외부와 차단하는 가이드관;
    상기 수광부에 입사된 플라즈마광을 이용하여 상기 측정 대상물을 분석하는 측정부; 및
    상기 가이드관에 배치되는 자기장 인가수단을 포함하고,
    상기 가이드관은 일측벽에 배치된 배출노즐과 타측벽에 배치된 공급노즐을 포함하고,
    상기 공급노즐은 상기 가이드관이 상기 신호측정모듈과 마주보는 입사부에 배치되고, 상기 배출노즐은 상기 가이드관이 상기 측정 대상물과 마주보는 출사부에 배치되어 기체의 흐름이 형성되고,
    상기 자기장 인가수단은 상기 배출노즐이 배치된 일측벽에 배치되고,
    상기 출사부의 일측벽에는 자성부재가 삽입되고, 상기 자성부재의 중앙부에는 상기 배출노즐이 관통 형성되고, 상기 자성부재와 배출노즐은 상기 가이드관으로부터 탈착 가능한 레이저를 이용한 분석장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 공급노즐에서 공급되는 기체의 압력과 배출노즐로 배출되는 압력은 동일한 레이저를 이용한 분석장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기체는 아르곤(Ar) 가스를 포함하는 레이저를 이용한 분석장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 자기장 인가수단은 상기 가이드관의 일측벽에 삽입된 자성부재인 레이저를 이용한 분석장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 자성부재는 외측 방향으로 테이퍼져 형성되는 상기 레이저를 이용한 분석장치.
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KR100296008B1 (ko) 1996-12-20 2001-11-22 이구택 레이저를이용한합금강의성분함량측정방법
KR20080019279A (ko) * 2005-06-08 2008-03-03 알까뗄 루슨트 가스 모니터링 장치

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