KR101201975B1

KR101201975B1 - 전자기력을 이용한 이온 검출 방법

Info

Publication number: KR101201975B1
Application number: KR1020090008299A
Authority: KR
Inventors: 한상욱; 전종술; 박영우; 김병혁; 박창인
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2012-12-21
Also published as: KR20100089175A

Abstract

본 발명은 전자기력을 이용한 이온 검출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체나 기체 내에 섞여 있는 이온을 검출하기 위하여 전기장과 자기장을 동시에 인가하여 이온을 회전하게 하고 중화반응에 의하여 이온의 회전이 정지할 때까지 중화물질을 첨가하여 첨가된 중화물질의 양으로부터 이온의 양을 환산하는 이온 검출 장치로서, 이온을 검출하고자 하는 시료가 주입되는 컵으로서 중심부가 관통된 도넛형태로 구성된 시료컵과 상기 시료컵 방향으로 자기장을 형성하는 자기장형성부와 상기 시료컵과 연결되어 전압을 인가하는 전원공급부와 상기 자기장형성부와 전원공급부에 의해서 발생된 전자기장에 의하여 시료컵 내에서 회전운동하는 시료의 이온이 정지할 때까지 첨가되는 중화물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하여 액체나 기체 내의 전하가 전기장에 의한 힘뿐만 아니라 자기장에 의한 힘의 영향을 동시에 받아 움직이게 되어 미세한 양의 전하를 측정할 수 있는 전자기력을 이용한 이온 검출 장치를 개시한다.

전기장, 자기장, 이온, 전하, 측정

Description

전자기력을 이용한 이온 검출 방법{ION COUNTING METHOD WITH ELECTRIC AND MAGNETIC FORCES}

본 발명은 전자기력을 이용한 이온 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전하를 띤 입자에 전기장과 자기장을 동시에 인가하여 이온을 검출하는 것으로, 전기장은 전하를 전기장과 같은 방향으로 움직이게 하며 자기장은 전하의 움직이는 방향에 직각으로 힘이 작용하게 되어, 전하가 극성에 관계없이 같은 방향으로 회전하는 원운동을 하게 되는데, 이때, +전하와 -전하가 같은 방향으로 움직임으로 +와 -전하간의 상호 작용을 최소화하여 미세한 양의 이온 검출이 가능한 전자기력을 이용한 이온 검출 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 관련 기술, 초정밀 기계 기술, 플라스틱 제품 및 나노 기술 분야에서 뿐만 아니라, 음료수, 지하수 기준을 위한 측정 또는 오수와 폐수의 측정, 배출가스의 중화, 공기 중에 섞여 있는 이온의 검출 등과 같이 다양한 영역에서 이온 검출 방법이 이용되고 있다.

이러한 액체 또는 기체에 섞여 있는 이온의 양을 검출하기 위해서 종래에는 상기 이온의 흐름 덩어리로서 전하를 띈 물질을 시료컵에 주입하고, 상기 시료컵에 전압을 인가하면 이온이 전극 쪽으로 움직임으로 인하여 발생하는 전류를 측정하여 이온의 양을 어림하였다.

기존의 이온 검출 장치는 전압을 인가하여 측정된 전류로부터 전자 1개의 전하량 1.602 * 10^-19C을 적절히 환산하여 이온의 수를 계산하는 방법을 사용했다.

그러나 전하는 양전하와 음전하로 나뉘어 공존하게 되는데, 금속 도체의 경우엔 +전하를 띈 금속 양이온은 금속결합을 이루고 있기 때문에 이동이 불가능하여 -전하만의 이동만이 전류현상에 기여하지만, 특히 기체나 액체의 경우엔 +전하나 -전하 모두 전류현상에 기여하게 되는데, 이때 서로 다른 부호의 전하, 즉, +전하와 -전하 사이에서 서로 잡아당기는 인력이 작용하게 되어 전하의 흐름이 상쇄될 뿐만 아니라, 전극의 크기와 검출 면적 등 여러 가지 측정조건이 측정에 영향을 미침으로 측정값의 오차 범위가 매우 크고 실질적인 이온의 양과 측정된 이온의 양 간에 상당한 차이가 있을 수 있으며, 측정값에 대한 신뢰도가 매우 낮을 수밖에 없다.

특히, 기존의 이온 검출 방법으로는 전하를 띈 입자의 크기가 크거나 점성이 높고 이온의 양이 적은 경우의 이온 검출은 더욱 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전기장과 자기장을 동시에 인가하여 전하를 검출하는 방법으로 액체 또는 기체에 섞여 있는 이온을 +와 -전하간의 상호 작용을 최소화하여 아주 미량의 이온 검출이 가능할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전자기력을 이용한 이온 검출 방법은 이온의 양을 측정하고자 하는 시료가 주입되는 컵으로서 중심부가 관통된 도넛형태로 구성된 시료컵과, 상기 시료컵의 축방향으로 자기장을 형성하도록 솔레노이드 코일을 시료컵의 바깥 둘레에 감아 설치하여 형성되는 자기장형성부와, 상기 시료컵에 연결되어 시료컵의 방사상 방향으로 전기장을 형성하도록 전압을 인가하는 전원공급부를 포함하여 이루어지는 이온 검출 장치를 이용한 이온 검출방법에 있어서, 상기 자기장형성부와 전원공급부에 의해서 발생된 전자기장에 의하여 시료컵 내에서 회전운동하는 시료의 이온과 중화반응을 함으로써 이온의 회전운동을 점차 감소시키되 첨가량에 따른 이온의 양을 알고 있는 중화물질을 상기 이온의 회전이 정지할 때까지 첨가하는 단계; 상기 이온의 회전이 정지할 때까지 첨가된 이온 중화물질의 양을 검출함으로써 첨가된 중화물질의 양으로부터 시료의 이온의 양을 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 목적을 달성하기 위하여 구성된 본 발명은 특정 공간 내의 공기 중에 포함된 이온 및 액체에 포함된 이온들의 수량을 검출할 수 있다.

또한, 전하의 극성이 + 또는 -에 관계없이 이온이 같은 방향으로 회전하도록 전기장과 자기장을 동시에 인가하여, +전하와 -전하간의 상호 작용을 최소화됨에 따라 미세한 농도의 이온 검출이 가능하여 측정값의 정확도를 높이는 효과가 있다.

이온에 의한 액체 또는 기체 전체가 원운동하게 되므로 혼합물이 더욱 잘 섞이게 하여 반응을 촉진할 수 있어 이온 검출 장치뿐만 아니라 이온 합성 장치로서의 이용할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 전자기력을 이용한 이온 검출 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명하도록 한다.

이온 1개의 전하량이 1.602 * 10^-19C(쿨롱)이므로, 6.24 * 10 ¹⁸ 개의 이온이 1 * 1 ㎡ 크기의 전극을 1 m/s의 속력으로 통과하면 1A의 전류가 흐른 것과 동일하므로, 액체나 기체 내에 섞여 있는 이온의 양을 측정하기 위해서는 전압을 인가하고 전류값을 측정하여 전극의 표면적과 전하의 유동속도를 고려하여 이온의 수량을 검출할 수 있게 된다.

그러나 이러한 양은 상기한 단위에서와 같이 소량일 뿐만 아니라, 상기 전하 중 +전하와 -전하 사이에서 서로 잡아당기는 인력이 작용하게 되어 전하의 흐름이 상쇄될 뿐만 아니라, 많은 측정 변수들로 인하여 측정된 전류값으로부터 환산한 이온양은 실질적인 이온의 양과 상당한 차이가 생길 수 있다.

상기한 것과 같은 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 전기장과 동시에 자기장을 인가하여 +와 -이온을 같은 방향으로 원운동시켜서 이온의 양을 측정할 수 있다.

전하에 전기장을 걸면 +전하는 -전극쪽으로, -전하는 +전극쪽으로 움직이는데, 이때 전하가 느끼는 힘을 쿨롱힘(Coulomb force)이라 하며, 쿨롱힘은 걸어준 전기장의 세기와 전하량의 곱에 비례한다.

이때, 움직이는 전하에 자기장을 걸어주면 움직이는 전하는 자기장의 영향으로 움직이는 방향을 바꾸게 되는데, 이러한 전하는 자기장의 세기와 전하의 속도의 곱에 비례하는 힘을 받으며, 그 힘은 자기장과 전하의 속도 간의 각도가 90°가 될 때 최대가 된다.

즉, 전하에 전기장과 자기장이 동시에 걸리면 전하는 전기장 안에서 qE의 힘을 받고, 자기장 안에서 qV * B의 힘을 받아 전기장과 자기장의 동시에 영향을 받아, 마찰이 없는 경우 다음과 같은 로렌츠 힘(Lorentz Force)의 방정식이 성립된다.

F = q(E + v * B)

(q:전하량, E:전기장의 세기, v:입자의 속력, B:자기장의 세기)

상기한 로렌츠 힘으로부터 전기장은 전하를 전기장과 같은 방향으로 움직이 게 할 것이며, 자기장은 전하의 움직이는 방향에 직각으로 힘을 작용하게 된다는 것을 알 수 있다.

즉, 전기장과 자기장을 직각이 되도록 걸어주면 전하는 전기장과 자기장의 직각이 되는 방향으로 힘을 받게 되며, 이러한 원리를 이용하여 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명은 전자기력을 이용한 이온 검출 장치를 구성하게 된다.

상기 본 발명에 의한 전자기력을 이용한 이온 검출 장치는, 이온의 양을 측정하고자 하는 시료가 주입되는 컵으로서 중심부가 관통된 도넛형태로 구성된 시료컵(10)과, 상기 시료컵의 축방향으로 자기장을 형성하는 자기장형성부(20)와, 상기 시료컵에 연결되어 시료컵의 방사상 방향으로 전기장을 형성하도록 전압을 인가하는 전원공급부(30)와, 상기 자기장형성부와 전원공급부에 의해서 발생된 전자기장에 의하여 시료컵 내에서 회전운동하는 시료의 이온이 정지할 때까지 첨가되는 중화물질(40)을 포함하여 구성되며, 시료의 이온이 정지할 때까지 첨가된 중화물질의 양을 검출함으로써 이로부터 시료의 이온의 양을 환산한다.

이때, 상기 자기장형성부(20)는 자기장을 발생하기 위한 것으로서, 이를 구성하기 위한 실시예를 위하여 영구자석 또는 솔레노이드 등을 이용할 수 있으며, 또한, 이때 상기와 같은 실시예를 이용하여 형성된 자기장의 방향은 상기 전원공급부에 의해 형성된 전기장과 직각이 되도록 구성하는 것이 바람직하다 할 것이다.

도 1에는 상기한 실시예들 중에서 원기둥(21)의 몸체에 코일(22)을 감아 형성된 솔레노이드로 자기장형성부를 구성한 상태가 도시되었으며, 이하 하단에는 솔레노이드를 이용한 실시예로 기술한다.

상기 솔레노이드는 코일을 감는 원기둥(21)을 자화가 잘 되는 물질인 강자성체로 구성하면 더욱 강한 자기장을 생성할 수 있으며, 상기 솔레노이드의 직경은 상기 시료컵 보다 같거나 크도록 구성하여 상기 시료컵이 위치한 상부 방향으로 자기장이 형성되도록 하는 것이 이온 검출에 더욱 효과적이다.

이때, 상기 솔레노이드(20)에 의해 형성된 자기장과 전원공급부(30)에 의한 전기장이 직각이 되도록 하기 위하여는 솔레노이드(20)를 시료컵(10)의 바깥 둘레면에 설치하는 것, 즉 시료컵의 둘레면에 솔레노이드의 코일을 감는 형태로 구성하는 것이 바람직하다 할 것이나, 다수 시료의 이온을 검출하기 위하여 시료컵을 교체하는 작업 등 이온검출과정을 용이하도록 도면에 도시된 바와 같이 솔레노이드를 시료컵의 하단에 설치하는 것이 바람직하며, 솔레노이드를 구성하는 원기둥의 상단부에 시료컵이 끼움 될 수 있도록 상기 시료컵의 중심부가 관통되어 있는 도넛형태로 구성한다.

또한, 솔레노이드와 시료컵 사이에 자화성이 강한 분말 물질이나 박막형태의 물질을 삽입하여 자기장의 세기를 더욱 강하게 할 수도 있으나, 이러한 형태에 제한되지 않는 것이 바람직하다 할 것이다.

도 2는 전자기력에 의하여 원운동하는 전하의 모식도이다.

도면에 도시된 바와 같이 균일한 자기장을 지면에서부터 나오는 축방향으로 걸고, 전기장을 축방향으로부터 방사상 방향으로 걸어 서로 직각이 되도록 하면 전하를 띈 입자는 회전하게 되며, 이러한 원리를 이용하면 액체나 기체 속에 녹아 있는 미세한 양의 전하를 측정할 수 있다.

이때 상기한 것과 같이 전기장을 시료컵의 중심에서 외측으로 향하는 방사상 방향으로 전기장을 걸어주기 위하여, 도면에 도시된 바와 같이 중심부에 내부기둥(11)이 위치하여 도넛형태로 구성된 시료컵(10)의 몸체를 부도체로 구성하고 시료컵 내측 둘레면에는 도체로 이루어진 판막을 부착하여 전원공급부(30)를 연결하여 전원을 인가할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 전하가 회전하면, 전하는 바깥쪽 방향으로 전기력 외에 원심력을 받게 되어, 전하의 운동은 로렌츠 힘 외에 원심력과 마찰력을 고려해야만 정확히 기술될 수 있는데, 만약 전기장과 자기장이 직각이고 전하가 일정한 속력으로 움직인다면, 전하가 느끼는 알짜힘은 0이다.

그러나 실제 액체나 기체인 경우 움직이는 전하는 저항을 받게 되며, 일반적으로 저항력은 낮은 속력에서는 속력에 비례하고 높은 속력에서는 속력의 제곱에 비례하여 운동방향의 반대로 작용하는 것으로 알려져 있다. 이러한 저항에 의하여 전하는 지속적으로 운동 반대 방향으로 힘을 받으므로 시간에 따라 속력은 점점 줄어듦을 알 수 있으며, 속력이 줄어들면 원심력과 자기력에 의한 힘이 약해지고, 전하는 주로 전기장의 영향을 받으며, 전하는 다시 바깥쪽으로 움직이게 되며, 또한, 바깥쪽으로 움직이는 전하는 자기력의 영향을 받아서 다시 회전하게 되는 것이다.

따라서 저항이 있는 액체나 기체 내에서 전자기력에 의하여 회전 운동하는 전하는 일정한 속력으로 운동하는 것이 아니라, 속력이 주기적으로 변함을 알 수 있으며, 또한 전하가 일정한 회전 반경을 가지고 운동하는 것이 아니라 주기적으로 회전반경에 변화가 있음을 예측할 수 있다.

이와 같이 전자기력에 의한 전하의 원운동에 관한 이론적 근거로부터 본 발명은 전하가 +전하와 -전하 극성에 관계없이 같은 방향으로 회전함으로써 흐르는 전류의 값을 측정하여 시료의 이온 양을 검출할 수 있게 된다.

도 3은 서로 다른 농도의 NaCl수용액을 본 발명 장치에 의하여 이온을 검출한 실험 데이터이다.

도 3(a)의 NaCl의 농도에 따른 이온의 회전 주기를 나타낸 것으로, 각각 다른 NaCl의 농도에 따른 이온의 각 회전마다 1회전하는데 걸린 시간이 표시되어 있으며, 이를 통해서 본 발명이 아주 미세한 이온 농도에서도 상당히 민감하게 반응하는 것을 알 수 있다.

도 3(b)는 인가한 전기장의 세기에 따른 이온의 회전수를 측정한 것이다.

전기장을 만들기 위하여 연결한 도선에 1.0A 가 흘렀을 때, 걸린 전기장의 세기는 약 1.07 * 10³v/m 이다. 전기장의 세기가 0.6 * 10³v/m (약 0.6A) 보다 커지면 회전주기가 어떤 최소값으로 접근하는 것을 발견했는데, 이것은 이온의 회전이 빨라지면서 액체로부터 저항을 받아서 일어나는 현상으로 여겨지며, 도 3(c)는 자기장의 변화에 따른 회전주기의 변화를 나타낸다.

이와 같이, 본 발명은 상기한 것과 같은 구성으로 전하에 전기장과 자기장을 동시에 걸어주어 전하가 극성에 관계없이 전하 간의 상호 작용을 최소화하여 모두 같은 방향으로 회전하도록 하고, 이온이 중화되어 이온의 회전이 정지할 때까지 중화물질을 첨가하여 첨가된 중화물질의 양으로부터 이온의 양을 환산하도록 하여 미세한 양의 이온 검출이 가능한 전자기력을 이용한 이온 검출 장치로서 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있는 것이 바람직할 것이며, 당업자로서는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 설명을 고려하여 충분히 변경, 변환, 치환 및 대체할 수 있을 것이고, 상술한 실시예에만 한정되지는 않는다.

도 1은 본 발명에 의한 전자기력을 이용한 이온 검출 장치의 개략도

도 2는 전자기력에 의하여 원운동하는 전하의 모식도

도 3은 서로 다른 농도의 NaCl수용액 실험 데이터

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:시료컵

20:자기장형성부

30:전원공급부

40:중화물질

Claims

이온의 양을 측정하고자 하는 시료가 주입되는 컵으로서 중심부가 관통된 도넛형태로 구성된 시료컵(10)과; 상기 시료컵의 축방향으로 자기장을 형성하도록 솔레노이드 코일을 시료컵의 바깥 둘레에 감아 설치하여 형성되는 자기장형성부(20)와; 상기 시료컵에 연결되어 시료컵의 방사상 방향으로 전기장을 형성하도록 전압을 인가하는 전원공급부(30);를 포함하여 이루어지는 이온 검출 장치를 이용한 이온 검출방법에 있어서,

상기 자기장형성부와 전원공급부에 의해서 발생된 전자기장에 의하여 시료컵 내에서 회전운동하는 시료의 이온과 중화반응을 함으로써 이온의 회전운동을 점차 감소시키되 첨가량에 따른 이온의 양을 알고 있는 중화물질(40)을 상기 이온의 회전이 정지할 때까지 첨가하는 단계;

상기 이온의 회전이 정지할 때까지 첨가된 이온 중화물질의 양을 검출함으로써 첨가된 중화물질의 양으로부터 시료의 이온의 양을 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 이온 검출 방법.
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