KR100620445B1 - 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치 - Google Patents

모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치 Download PDF

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학교법인 동아대학교
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Abstract

본 발명은 결정제품을 제조하기 위한 결정화 공정에서 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치를 제공한다. 모액의 과포화도를 측정하는 방법은 정해진 면적을 갖는 수정진동자의 일측면에 모액이 접촉되도록 하고 타측면에 냉각매체가 접촉되도록 한 후 수정진동자에 모액의 결정이 형성되는 온도를 측정하여 모액의 과포화도를 계산한다. 모액의 과포화도를 측정하는 장치는 센서 모듈, 공진회로, 측정기를 구비하여 이루어진다. 센서 모듈은 내부에 정해진 면적을 갖는 수정진동자가 설치되고, 수정진동자의 일측면에 모액이 수용되는 제 1 캐비티가 형성되며, 수정진동자의 타측면에 냉각매체가 수용되는 제 2 캐비티가 형성된다. 공진회로는 수정진동자와 접속되고, 측정기는 공진회로와 접속되어 수정진동자로부터의 응답주파수와 응답 공진저항을 측정한다.

Description

모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING SUPERSATURATION OF SATURATED SOLUTION}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정장치를 설명하기 위한 도면;
도 2는 도 1의 모액 과포화도 측정장치에서 센서 모듈을 설명하기 위한 도면;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치를 사용한 실험에서 냉각매체의 온도변화에 대한 염화칼륨 수용액의 응답주파수와 공진저항의 변화를 보여주는 그래프;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치를 사용한 실험에서 수정진동자의 표면에 생성된 염화칼륨 결정을 보여주는 전자주사현미경 사진;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치를 사용한 실험에서 염화칼륨 수용액의 결정화 초기단계에서의 냉각매체와 염화칼륨 수용액의 온도차에 대한 응답주파수의 변화를 보여주는 그래프;
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치를 사용한 실험에서 냉각매체의 온도변화에 대한 브롬화칼륨 수용액의 응답주파수 와 공진저항의 변화를 보여주는 그래프;
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치를 사용한 실험에서 브롬화칼륨 수용액의 결정화 초기단계에서의 냉각매체와 브롬화칼륨 수용액의 온도차에 대한 응답주파수의 변화를 보여주는 그래프;
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치를 사용한 실험에서 수정진동자의 표면에 생성된 브롬화칼륨 결정을 보여주는 전자주사현미경 사진;
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치를 사용한 실험에서 냉각매체의 온도변화에 대한 질산화칼륨 수용액의 응답주파수와 공진저항의 변화를 보여주는 그래프;
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치를 사용한 실험에서 질산화칼륨 수용액의 결정화 초기단계에서의 냉각매체와 질산화칼륨 수용액의 온도차에 대한 응답주파수의 변화를 보여주는 그래프;
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치를 사용한 실험에서 수정진동자의 표면에 생성된 질산화칼륨 결정을 보여주는 전자주사현미경 사진;
도 12는 본 발명의 변형예에 따른 모액 과포화도 측정장치의 센서 모듈을 설명하기 위한 도면;
도 13은 도 12의 센서 모듈을 사용하여 구성되는 모액 과포화도 측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10, 10' : 모액 과포화도 측정장치 20, 20' : 센서 모듈
22 : 수정진동자 30 : 하우징
32 : 제 1 캐비티 34 : 제 2 캐비티
36 : 안쪽 판 38 : 바깥쪽 판
39 : 오링 40 : 공진회로
50 : (주파수 및 공진저항) 측정기 60 : 컴퓨터 유니트
62 : 제 1 온도계 64 : 제 2 온도계
70 : 제 1 항온조 80 : 제 2 항온조
100 : 결정화 공정조
본 발명은 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 결정제품을 제조하기 위한 결정화 공정에서 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 결정제품의 품질은 결정의 크기분포와 모양으로 판가름되며, 이들은 접종 결정의 도입과 모액의 온도 조작에 의해 정해진다. 결정화 공정에서 이들 접종 결정의 도입과 모액의 온도 조절은 모액의 과포화도와 직접적인 연관이 있다. 이때 모액의 과포화도가 결정화 공정에서 중요한 조작 변수이지만, 모액의 과 포화도를 직접적인 방법으로 측정하기에는 많은 어려움이 있어 통상 모액의 농도와 온도에 따라 간접적인 과포화도 측정이 이루어져 왔다.
그러나 이와 같은 간접적인 방법에 의한 과포화도 측정시 작은 변동에도 큰 오차를 유발할 수 있기 때문에 아직 정확한 평가가 이루어지지 못하고 있다.
이와 같이 모액의 농도와 온도에 따른 간접적인 과포화도의 측정은 작은 변동에도 큰 오차를 유발할 수 있기 때문에 결정화 공정에서 모액의 과포화도를 용이하게 측정하고자 많은 노력을 하고 있다.
따라서 본 발명은 이와 같은 점을 고려하여 제안된 것으로, 결정화 공정중 모액의 과포화도를 효과적으로 측정할 수 있는 새로운 형태의 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히 본 발명은 작은 변동에 따른 오차의 발생을 가능한 감소시켜서 정확한 과포화도를 측정할 수 있는 새로운 형태의 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
또한 본 발명은 결정제품을 제조하기 위한 결정화 공정상에서(in-line) 모액의 과포화도를 측정할 수 있고, 비교적 간단하게 구성할 수 있는 새로운 형태의 모액의 과포화도를 측정하는 장치를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 결정제품을 제조하기 위한 결정화 공정에서 모액의 과포화도를 측정하는 방법을 제공한다. 이와 같은 모액의 과포화도를 측정하는 방법은 정해진 면적을 갖는 수정진동자의 일측면에 상기 모액이 접촉되도록 하고 타측면에 냉각매체가 접촉되도록 하는 단계 및; 상기 수정진동자에 상기 모액의 결정이 형성되는 온도를 측정하여 상기 모액의 과포화도를 계산하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 방법에서 상기 모액의 결정이 형성되는 온도의 측정은 상기 수정진동자에서 출력되는 응답주파수와 응답 공진저항의 변화를 측정하여 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 방법에서 상기 모액과 냉각매체는 온도를 조절하는 항온조를 통해 온도가 조절되어 순환되도록 할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 본 발명은 결정제품을 제조하기 위한 결정화 공정에서 모액의 과포화도를 측정하는 장치를 제공한다. 이와 같은 모액의 과포화도를 측정하는 장치는 내부에 정해진 면적을 갖는 수정진동자가 설치되고, 상기 수정진동자의 일측면에 상기 모액이 수용되는 제 1 캐비티가 형성되며, 상기 수정진동자의 타측면에 냉각매체가 수용되는 제 2 캐비티가 형성되는 센서 모듈과; 상기 수정진동자와 접속되는 공진회로 및; 상기 공진회로와 접속되어 상기 수정진동자로부터의 응답주파수와 응답 공진저항을 측정하기 위한 측정기를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 장치에서 상기 수정진동자는 상기 모액과 냉각매체에 대해 수직으로 설치될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 장치에서 상기 측정기와 접속되고, 상기 모액의 온도를 측정하는 제 1 온도계와 상기 냉각매체의 온도를 측정하는 제 2 온도계와 접속되어 디지털로 변환되어 상기 측정기로부터 입력되는 응답주파수 및 응답 공진저항, 상기 제 1 온도계로부터 입력되는 상기 모액의 온도, 상기 제 2 온도계로부터 입력되는 상기 냉각매체의 온도를 입력받아 데어터 처리하는 컴퓨터 유니트를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치는 수정진동자를 센서로 적용하여 모액의 과포화도를 측정하는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치는 모액의 과포화도를 측정함에 있어서 냉각매체의 온도변화에 따른 수정진동자에서 출력되어 나오는 응답주파수와 응답 공진저항의 변화로부터 모액의 과포화도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
현재 사용되고 있는 결정화 공정에서 모액의 과포화도의 간접적인 측정방법은 측정시 작은 변동에도 큰 오차를 유발할 수 있기 때문에 실제 공정용으로 활용에 많은 제약을 가진다. 그러나 본 발명에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치는 수정진동자를 사용하기 때문에 실제 결정화 공정에서 모액의 과포화도를 인라인으로 측정 할 수 있으며, 샘플 용액의 이동 등이 수반되지 않으므로 모액의 과포화도를 측정함에 있어 보다 정확한 측정이 될 수 있다. 또한 본 발명은 결정화 공정 중의 모액의 과포화도를 측정함에 있어서 간단히 장치를 제작하여 장치비용을 줄일 수 있도록 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 13에 의거하여 상세히 설명하며, 도 1, 도 2 및 도 12에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다. 한편, 각 도면에서 모액의 과포화도를 측정하기 위해 적용되는 측정기, 공지의 측정기 및 전자시스템 등의 기술적 내용에 대한 도시 및 상세한 설명은 이 분야의 종사자들이 용이하게 이해할 수 있는 부분들이므로 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 모액 과포화도 측정장치에서 센서 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액 과포화도 측정장치(10)는 도 2에서 보는 바와 같이 특별히 설계된 센서 모듈(20)을 갖는다. 이와 같은 센서 모듈(20)은 본 발명에 따른 모액 과포화도 측정방법을 효과적으로 적용하기 위한 구조를 갖는다. 즉 본 발명에 따른 모액 과포화도 측정방법은 정해진 면적을 갖는 수정진동자(22)의 일측면에 모액이 접촉되도록 하고 타측면에 냉각매체가 접촉되도록 한 후 수정진동자(22)에 모액의 결정이 형성되는 온도를 측정하여 모액의 과포화도를 계산하는데, 이를 위해 본 실시예에 따른 센서 모듈(20)은 하우징(30) 중심부에 수정진동자(22)가 설치되고 이 수정진동자(22)의 일측면에 모액이 접촉되도록 하고 타측면에 냉각매체가 접촉되도록 하기 위해 수정진동자(22) 의 양측으로 제 1 캐비티(32)와 제 2 캐비티(34)가 형성된다. 이때 하우징(30)은 본 발명의 기술적 사상아래 다양한 구조로 형성할 수 있을 것이다. 본 실시예에서 하우징(30)은 수정진동자(22)와 공진회로(40)를 쉽게 설치하고, 제 1 캐비티(32) 및 제 2 캐비티(34)의 형성이 용이하도록 하며, 시중에서 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용하기 위해 수정진동자(22)의 각 면으로 2개의 폴리프로필렌 판(36, 38)이 설치되어 있다. 하우징(30)을 구성하는 폴리프로필렌 판들은 사각형이며, 판의 두께는 안쪽 판(36)이 3mm이었으며, 바깥쪽 판(38)이 5mm이었다. 4개의 고무 오링(39)이 수정진동자(22)와 안쪽 판(36) 사이, 안쪽 판(36)과 바깥쪽 판(38) 사이에 설치되었다. 후술하는 성능 실험에는 8MHz의 기본주파수를 가지는 AT-cut 수정진동자(22)를 사용하였다. 그리고 수정진동자(22)는 수정판의 직경이 9mm이고, 두께가 0.2mm이며, 수정진동자(22)의 전극은 은으로 되어 있었다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액의 과포화도 측정장치(10)의 센서 모듈(20)은 도 2에서 보는 바와 같이 수정진동자(22)가 하우징(30)의 중앙부에 위치하고 있으며, 도 1에서 보는 바와 같이 포화용액(모액)과 냉각매체의 2개로 분리된 유동(순환)시스템에 의해 센서 모듈(20)로 각각 공급되도록 하였다. 센서 모듈(20)은 제 1 및 제 2 캐비티(32, 34) 내에서 생성되는 결정입자의 침강과 외부에서 유입되는 부유물질의 영향을 줄이기 위해 수직방향으로 위치하도록 설치하였다. 즉 수정진동자(22)는 모액과 냉각매체에 대해 수직으로 설치되는 것이다.
도 1에 보는 바와 같이 포화용액과 냉각매체에 대한 각각의 온도 조절시스템{제 1 및 제 2 항온조(70, 80)}과 액체 유동시스템(펌프)이 설치되었으며, 포화용 액은 수정진동자(22)의 좌측으로, 냉각매체인 에탄올은 우측으로 액체 유동시스템에 의해 수정진동자(22)가 설치된 센서 모듈(20)에 공급된다. 2개의 항온조(70, 80)가 포화용액과 냉각매체의 온도 제어용으로 사용된다. 포화용액은 포화용액의 온도와 같이 유지되어 있는 항온조(70)에 정치시키며, 냉각매체로 사용된 에탄올은 2병을 준비하여, 1병은 포화용액과 같은 항온조(70)에 정치시키고, 다른 1병은 포화용액의 온도보다 낮게 유지되어 있는 다른 항온조(80)에 정치시킨다. 센서 모듈(20) 바로 밑 박스에 들어있는 공진회로는 수정진동자(22)로부터의 전기적 신호의 약화를 방지하기 위해 수정진동자(22)와 바로 연결되도록 하였으며, 포화용액과 냉각매체의 온도는 직경 1mm의 백금저항온도계로 측정하였다.
수정진동자(22)를 특별히 고안된 센서 모듈(20)에 설치하고, 수정진동자(22)의 두 가닥 리드선은 응답신호의 잡음을 최소화하기 위해 직접 공진회로(40)에 연결되도록 하였다. 수정진동자(22)의 응답주파수는 자가 제작 주파수카운터{측정기(50)}를 통해 측정하였으며, 공진저항은 주파수카운터(50)에 내장된 증폭기로서 측정되었다. 디지털로 변환된 응답주파수와 응답 공진저항의 측정값과 포화용액과 냉각매체의 온도들은 컴퓨터 유니트(60)로 전송되어 데이터 처리에 사용되었다. 미설명 부호 62는 제 1 온도계로 모액의 온도를 측정하고, 64는 제 2 온도계로 냉각매체의 온도를 측정한다. 이와 같은 제 1 온도계(62) 및 제 2 온도계(64)는 컴퓨터 유니트(60)와 접속되어 측정된 모액의 온도 및 냉각매체의 온도를 디지털 값으로 변환하여 컴퓨어 유니트(60)에 제공한다.
본 발명에 따른 모액 과포화도 측정방법 및 장치에 대한 검증을 위해 본 발 명자는 간편하게 사용할 수 있는 재료를 이용하여 실험장치를 제작하였다. 이렇게 제작된 모액의 과포화도 측정장치의 성능을 염화칼륨, 브롬화칼륨, 질산화칼륨 포화수용액에 대해 인라인 측정을 통해 시험해 보았다.
도 3 내지 도 11은 이와 같은 실험을 통해 얻은 그래프와 사진을 보여주는 도면들이다.
먼저 본 발명의 성능 실험에 사용된 포화용액의 결정화 모액은 각 용액의 용해도를 고려하여 염화칼륨(Potassium chloride, KCl), 브롬화칼륨(Potassium bromide, KBr), 질산칼륨(Potassium nitrate, KNO3)이 결정화 용질로써 사용되었으며, 냉각매체로는 에탄올을 사용하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 성능 실험에 사용된 포화용액은 30℃의 포화용액을 사용하였고, 500mL의 유리병에 용해도를 참고하여 포화용액 300mL 제조하였으며, 제조된 포화용액은 용액의 포화온도와 같은 온도로 유지되어 있는 항온조에 정치시켜 두었다. 그리고 냉각매체로 사용된 에탄올은 2병을 준비하여, 1병은 포화용액이 정치되어 있는 제 1 항온조(70)에 같이 정치시켜 두고, 다른 1병은 포화용액의 온도보다 낮게 유지되어 있는 다른 제 2 항온조(80)에 정치시켜 두었다.
본 발명의 성능 실험 방법은 먼저 포화온도로 유지되어 있는 포화용액을 분당 5.5mL의 유량으로 수정진동자(22)의 좌측{제 1 캐비티(32)}으로 공급되도록 하고, 수정진동자(22)의 우측{제 2 캐비티(34)}으로는 포화용액과 같은 온도로 유지 되어 있는 냉각매체인 에탄올을 8mL/min의 유량으로 공급시켰다. 이후 포화용액과 에탄올의 유동과 수정진동자(22)의 응답주파수의 변화가 안정화 된 후, 포화용액의 온도보다 낮은 온도로 유지되어 있는 제 2 항온조(80)에 정치시켜 둔 냉각매체를, 도 1에서 도시한 바와 같이, 2개의 3방향 밸브를 조작하여 수정진동자(22)의 우측으로 공급되도록 하여 수정진동자(22)를 직접 냉각시킴으로써 수정진동자(22)의 표면에 포화용액으로부터 염의 결정이 석출되도록 하였다.
수정진동자(22)의 표면 위로 결정이 석출하게 되면 응답주파수가 감소하게 되고, 일정시간이 지난 후 감소하던 응답주파수가 안정화되면, 다시 3방향 밸브를 조작하여 포화용액과 일정한 온도로 유지되어 있는 냉각매체를 수정진동자(22)의 우측{제 2 캐비티(34)}으로 흘러가도록 하여 석출된 결정이 포화용액 중에 녹도록 하였다.
본 발명의 성능 실험이 진행되는 동안 포화용액의 온도와 유량, 냉각매체인 에탄올의 유량은 항상 일정하게 유지하였다. 이때 측정된 응답주파수, 응답 공진저항, 포화용액의 온도, 냉각매체의 온도를 온라인으로 컴퓨터 유니트(60)로 측정하여 실험자료 정리에 이용하였다.
본 발명의 결정화 공정중의 모액 과포화도 측정방법에 따른 성능 실험은 염화칼륨, 브롬화칼륨, 질산화칼륨의 3가지 염에 대해 실험해 보았다. 염화칼륨 포화용액에 대한 냉각매체의 온도변화에 따른 성능 실험의 결과가 도 3에 나타나 있다. 냉각매체의 온도변화에 대한 수정진동자의 응답주파수의 변화가 도 3의 좌측 상단에 나타나 있다. 응답 공진저항의 변화는 도 3의 우측 상단에 나타나 있으며, 염화칼륨 포화용액, 냉각매체의 온도변화는 각각 도 3의 좌측 하단과 우측 하단에 나타나 있으며, 이들 네 가지는 모두 동시에 측정된 것이다.
본 발명의 모액 과포화도 측정방법에 따른 염화칼륨 포화용액과 냉각매체인 에탄올의 흐름이 도 1에 나타낸 센서 모듈(20)의 수정진동자(22) 양쪽으로 모두 공급된 후, 두 유체의 흐름이 안정화되었을 때, 포화용액의 온도보다 낮은 온도로 유지되어 있는 제 2 항온조(80)에 정치시켜 두었던 냉각매체를 센서 모듈(20)로 공급시키면 도 3의 좌측 하단의 그래프에서 보는 것과 같은 냉각매체의 온도가 급격하게 낮아지게 된다. 수정진동자(22)로 도입되는 냉각매체의 온도가 낮아짐에 따라 염화칼륨 포화용액과 접해 있는 수정진동자 표면의 온도가 낮아져서 수정진동자 표면에 결정이 생성되기 때문에 수정진동자의 응답주파수는 감소하게 된다. 이는 수정진동자 표면의 결정생성에 의한 질량 부가의 결과로 기인되는 것이므로 포화용액보다 낮은 온도로 유지되어 있던 냉각매체가 도입될 때의 수정진동자의 응답주파수 변화는 수정진동자 표면 위로의 결정 생성을 가리키는 것이다.
전자주사현미경으로 수정진동자의 표면을 촬영한 도 4의 사진과 같이 수정진동자의 표면에 육면체의 염화칼륨의 결정 입자들이 생성되어 있음을 확인 할 수 있었다. 이런 수정진동자 표면의 결정 생성은 수정진동자 표면의 거칠음 정도가 커지게 되므로 도 3의 우측 상단의 그래프에서 보는 바와 같이 응답 공진저항의 값이 증가하게 된다. 다시 센서 모듈(20)로 공급되는 낮은 온도의 냉각매체를 염화칼륨 포화용액과 동일한 제 1 항온조(70)에 정치 시켜둔 냉각매체로 대체하여 센서 모듈(20)로 공급시켜 실험 초기의 냉각매체 온도까지 다시 올리게 되면, 수정진동자 표 면에 생성되었던 염화칼륨의 결정입자들이 천천히 포화용액 중으로 녹아 들어감으로서 수정진동자의 질량 부가 효과가 사라져 응답주파수는 초기값까지 증가하게 되며, 응답 공진저항의 값은 생성되었던 결정의 용해로 수정진동자 표면의 거칠음이 감소하기 때문에 응답 공진저항의 값도 점점 감소하여 초기값으로 되돌아가게 된다.
결정 생성의 초기단계에 대해 보다 정밀하게 살펴보기 위해, 냉각매체의 온도변화에 따른 수정진동자의 응답주파수의 감소가 일어나는 부근에서의 염화칼륨 포화용액과 수정진동자 표면 사이의 온도 차에 따른 응답주파수의 변화를 확대하여 나타낸 그래프가 도 5이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 결정의 초기 생성단계는 562초 부근의 주파수 감소로부터 알 수 있다. 이 주파수 감소는 수정진동자 표면 위로의 작은 양의 결정이 생성되었다는 것을 알려준다. 비록 초기단계에서 이런 주파수 변화가 결정 생성의 불안정성으로 인해 안정화되지 않았지만, 응답주파수의 감소는 계속적으로 진행되고 있으며, 결국 급격하게 감소하게 된다.
이와 같은 성능 실험 결과에서 보는 바와 같이 포화용액으로부터 결정의 초기 생성은 냉각매체의 3℃/min의 냉각 속도에서 1.7℃의 염화칼륨 포화용액과 수정진동자 표면 사이의 온도차에서 구해졌음을 알 수 있다.
모액의 과포화도가 농도의 차로 표시될 때, 이것의 계산식은 다음과 같다.
Figure 112005011448580-pat00001
여기서 c는 g/L의 단위를 가지는 용액의 농도이며, c*는 같은 온도에서의 포화농도이다. 즉 결정의 생성이 시작한 온도인 28.3℃에서의 염화칼륨의 포화농도는 365.2g/L이며, 실험에 사용된 30℃의 용액 온도에서의 포화농도가 370g/L로 주어지기 때문에, 3℃/min의 냉각속도를 가지는 염화칼륨 수용액에 대한 과포화도는 4.8g/L이 됨을 알 수 있다. 즉 이는 분당 3℃의 냉각속도가 적용될 때, 용액의 온도가 28.3℃에서는 용액이 4.8g/L까지 과포화 될 수 있다는 것이다.
상기와 같은 방법으로 브롬화칼륨 포화용액에 대해서도 냉각매체의 온도변화에 따른 성능 실험의 결과가 도 6에 나타나 있다. 상기의 염화칼륨의 경우와 유사한 결과를 나타내고 있지만, 도 7에서 보는 바와 같이 결정화가 일어나는 부근을 확대하여 자세하게 나타내어 보면, 결정 생성의 초기단계에서 현격한 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다.
염화칼륨의 경우 결정의 초기 생성은 도 5의 응답주파수 변화에서 주어지는 것처럼 일정하고 안정적이지만, 브롬화칼륨의 성능 실험에서의 수정진동자의 응답주파수의 변화는 응답주파수의 현격한 감소 이전에 두 번의 결정 생성과 용해의 주파수 변화를 나타내고 있다. 염화칼륨과 브롬화칼륨의 결정생성 초기단계에서의 응답주파수 변화의 이런 차이점은 생성된 결정의 모양 차이에 기인하는 것이다. 즉 도 8의 전자주사현미경으로 수정진동자 표면을 촬영한 사진에서 보는 바와 같이 브롬화칼륨의 생성된 결정의 크기가 도 4의 염화칼륨의 결정 크기보다 아주 작음을 알 수 있다. 또한 브롬화칼륨은 다수의 작은 결정들을 생성시키지만, 염화칼륨은 소수의 큰 결정으로 생성되게 한다. 결정화의 초기단계 동안은 많고 작은 결정들 이 단일의 큰 결정보다 쉽게 녹기 때문이다.
상기와 같은 방법으로 질산칼륨 포화용액에 대한 냉각매체의 온도에 따른 성능 실험의 결과가 도 9에 나타나 있으며, 앞의 염화칼륨과 브롬화칼륨의 결과와 유사한 결과를 보이고 있음을 확인할 수 있다.
질산칼륨 포화용액에 대한 결정화 초기단계의 상세 그래프가 도 10에 나타나 있으며, 수정진동자 표면 위에 생성된 질산칼륨의 결정은 도 11의 전자주사현미경으로 촬영한 사진으로 나타내었다. 염화칼륨의 결정생성에 따르면, 응답주파수의 변화는 일정하며 안정적이다. 질산화칼륨의 결정화 경우 침상의 결정이 생성되었으며, 염화칼륨과 같이 커다란 결정으로 성장한다.
상기의 염화칼륨의 과포화도 계산에 사용한 동일한 방법으로 브롬화칼륨과 질산칼륨에 대해 계산된 과포화도를 정리하면 다음 표 1과 같다.
30℃의 각각의 포화용액에 대한 결정화 초기 온도와 산출된 과포화도 결과
포화용액 결정화 초기 온도[℃] 냉각 속도[℃/min] 과포화도[g/L]
센서 측정 나안 측정
염화칼륨 28.3 27.4 3.0 4.8
브롬화칼륨 29.1 27.2 3.5 9.6
질산화칼륨 29.0 26.5 2.5 13.9
이와 같이 결정화 공정에서 모액의 과포화도 측정방법에 있어 본 발명의 수정진동자를 이용한 모액 과포화도 측정장치를 사용하면 결정 생성의 빠른 판단이 가능하고, 기존의 모액의 과포화도 측정 방법이 가지는 오차와 불순물에 의한 오염의 가능성을 감소시켜 측정 정확도를 증가시켜 모액의 과포화도의 보다 정확한 측정이 가능함을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 변형예에 따른 모액 과포화도 측정장치의 센서 모듈을 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 도 12의 센서 모듈을 사용하여 구성되는 모액 과포화도 측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 변형예에 따른 모액 과포화도 측정장치(10')는 결정화 공정을 진행하여 결정제품을 생산하는 결정화 공정조(100)내에 센서 모듈(20')이 위치되도록 설치하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 모액 과포화도 측정장치(10')는 생산현장에 직접적으로 설치하여 생산의 중단없이 연속적으로 생산과정에 있는 모액의 과포화도를 측정할 수 있도록 한다. 이와 같은 모액 과포화도 측정장치(10')는 전술한 본 발명의 바람직한 실시예의 모액 과포화도 측정장치(10)와 거의 동일한 구성을 가지고, 모액을 순환시키기 위한 요소가 제외된다. 이때 결정화 공정조(100)는 모액을 수용하기 위한 조와 이 조내 모액의 온도를 제어하기 위한 구성을 갖는 통상의 결정화 공정조가 적용된다. 그리고 이와 같은 모액 과포화도 측정장치(10')에 적용되는 센서 모듈(20')은 전술한 본 발명의 바람직한 실시예의 센서 모둘(20)과 달리 모액을 순환시키기 위한 구조를 별도로 구성하지 않아도 된다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 방법 및 장치에 의하면, 수정진동자를 이용하여 비교적 간단하고 쉽게 모액의 과포화도 측정장치를 제작할 수 있다. 또한 응답주파수와 응답 공진저항의 변화가 미소한 변동을 가진다 하더라도 결정화가 일어날 때의 특이한 응답주파수와 응답 공진저항의 변화는 수정진동자를 이용한 모액의 과포화도 측정장치에 의해 정확한 측정이 이루어진다. 또한 종래에는 생성된 결정의 작은 크기와 모액의 과포화된 상태를 유지하는 것의 어려움 때문에 결정화 공정의 초기상태를 모니터링하는 것이 어려웠지만, 결정화와 과포화도 측정에 있어서의 모니터링이 가능하다. 또한 본 발명에 따른 모액의 과포화도를 측정하는 장치는 비교적 쉽게 실제 공정에 적용시킬 수 있으며, 연속적인 모니터링에 대한 인라인 능력과 공정의 직접 제어능력을 가진다.

Claims (8)

  1. 결정제품을 제조하기 위한 결정화 공정에서 모액의 과포화도를 측정하는 방법에 있어서,
    정해진 면적을 갖는 수정진동자의 일측면에 상기 모액이 접촉되도록 하고 타측면에 냉각매체가 접촉되도록 하는 단계 및;
    상기 수정진동자에 상기 모액의 결정이 형성되는 온도를 측정하여 상기 모액의 과포화도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모액의 과포화도를 측정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모액의 결정이 형성되는 온도의 측정은 상기 수정진동자에서 출력되는 응답주파수와 응답 공진저항의 변화를 측정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모액의 과포화도를 측정하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모액과 냉각매체는 온도를 조절하는 항온조를 통해 온도가 조절되어 순환되도록 하는 것을 특징으로 하는 모액의 과포화도를 측정하는 방법.
  4. 결정제품을 제조하기 위한 결정화 공정에서 모액의 과포화도를 측정하는 장 치에 있어서,
    내부에 정해진 면적을 갖는 수정진동자가 설치되고, 상기 수정진동자의 일측면에 상기 모액이 수용되는 제 1 캐비티가 형성되며, 상기 수정진동자의 타측면에 냉각매체가 수용되는 제 2 캐비티가 형성되는 센서 모듈과;
    상기 수정진동자와 접속되는 공진회로 및;
    상기 공진회로와 접속되어 상기 수정진동자로부터의 응답주파수와 응답 공진저항을 측정하기 위한 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 모액의 과포화도를 측정하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수정진동자는 상기 모액과 냉각매체에 대해 수직으로 설치되는 것을 특징으로 하는 모액의 과포화도를 측정하는 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 측정기와 접속되고, 상기 모액의 온도를 측정하는 제 1 온도계와 상기 냉각매체의 온도를 측정하는 제 2 온도계와 접속되어 디지털로 변환되어 상기 측정기로부터 입력되는 응답주파수 및 응답 공진저항, 상기 제 1 온도계로부터 입력되는 상기 모액의 온도, 상기 제 2 온도계로부터 입력되는 상기 냉각매체의 온도를 입력받아 데어터 처리하는 컴퓨터 유니트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모액의 과포화도를 측정하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하우징의 제 1 캐비티에 접속되는 제 1 항온조 및;
    상기 하우징의 제 2 캐비티에 접속되는 제 2 항온조를 더 포함하여, 상기 모액과 냉각매체는 상기 제 1 및 제 2 항온조를 통해 온도가 조절되어 순환되는 것을 특징으로 하는 모액의 과포화도를 측정하는 장치.
  8. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 결정제품을 제조하기 위한 결정화 공정조내에 위치되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 모액의 과포화도를 측정하는 장치.
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