KR101578091B1 - 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코로나 방전 이온화원 사용시 반응영역으로 코로나 방전 전극을 거치지 않은 상태로 유입되도록 하여 음이온의 탐지감도가 개선되도록 한 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서 및 이를 이용한 유해가스 탐지장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치는, 외부로부터 유입된 화합물을 이온화시키는 이온화부(12)와, 상기 이온화부(12)에서 이온화된 화합물 분자의 유입량을 일정하게 하는 셔터그리드(13)와, 상기 셔터그리드(13)를 통과한 이온화 화합물 분자의 이동속도를 조절하는 드리프트튜브(14)와, 일정하게 전기장을 유지하는 어퍼쳐그리드(15)와, 상기 어퍼쳐그리드(15)를 통과한 이온화 화합물 분자가 도달하면 전류신호를 발생시키는 검출기(16)를 포함하고, 상기 이온화부(12)로 상기 화합물이 유입되도록 운반가스가 내부를 순환하는 이온이동도 센서가 구비된 유해가스 탐지장치에 있어서, 상기 이온화부(12)와 상기 셔터그리드(13) 사이에서 상기 운반가스에 상기 화합물이 혼합된 후, 상기 이온화부(12)를 통과하는 제1 이온이동도 센서(2)와, 상기 제1 이온이동도 센서(2)와 병렬로 배치되고, 상기 운반가스에 상기 화합물과 혼합된 후, 상기 이온화부(12)로 유입된 후, 상기 상기 이온화부(12)와 상기 셔터그리드(13) 사이로 배출되는 제2 이온이동도 센서(3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치 {DEVICE FOR DETECTING TOXICITY IN GAS PHASE USING ION MOBILITY SENSOR FOR GENERATING ANION}

본 발명은 외부로부터 유입된 화합물의 성분을 감지하는 이온이동도 센서 및 이를 이용한 유해가스 탐지장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코로나 방전 이온화원 사용시 반응영역으로 코로나 방전 전극을 거치지 않은 상태로 유입될 수 있도록 하여 음이온의 탐지감도가 개선되도록 한 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서 및 이를 이용한 유해가스 탐지장치에 관한 것이다.

이온이동도 센서는 대기중의 유해가스를 탐지하고 식별하는 장치로서, 휴대용 또는 거치형의 형태로 제작되어 인체유해화합물을 탐지하는 장치이다.

예컨대, 상기 이온이동도 센서의 일례로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일측에 가스흡입부를 통해 외부의 시료를 센서 내부로 흡입하고, 상기 이온이동도 센서의 내부에서 유동하는 운반가스를 이용하여 상기 시료를 이온화부(112)로 유입되도록 한다. 상기 이온화부(112)에서는 시료가 포함된 운반가스에 고에너지를 가함으로써, 1차적으로 플라즈마 상태로 만들고, 2차로 양성자 또는 전자 전이를 통해 가스 시료를 이온화한다. 이렇게 이온화된 가스시료는 셔터그리드(113)를 통해 유입량이 조절된 상태에서 드리프트튜브(114)에 형성된 고전압 전기장에 의해 이동한 후, 이온의 크기 및 종류에 따라 분리되어 검출기(116)에 도달하는데, 상기 검출기(116)에 도달하는 이온에 따라 발생되는 전류를 전압으로 변환한 후, 신호를 증폭하여 상기 시료를 분석한다.

그러나, 상기와 같은 종래기술에 따른 이온이동도 센서에서는 운반가스가 이온화부(112)를 통과하는 동안 상기 운반가스 고에너지가 가해지는 과정에서, 공기중의 질소가 산화하여 발생한 질소산화물이 음이온의 반응을 억제하여 상기 음이온이 쉽게 검출되지 않는 문제점이 있었다.

도 2에는 이온화부(112)의 일례로서 코로나 전극이 도시되어 있는데, 시료가 포함된 운반가스가 화살표가 도시된 바와 같이, 유동하는 바, 방전전극(112a)과 접지전극(112b)의 사이에 고에너지가 가해진 상태로 반응영역(112c)으로 유입된다. 그러나, 코로나 방전시 전자친화도가 우수한 질소화합물이 생성되어 함께 반응영역(112c)으로 유입되는바, 상기 음이온을 갖는 이온화된 화합물의 생성을 억제한다.

한편, 하기의 선행기술문헌에는, '플라즈마 크로마토 그래피 장치 및 그에 따른 이온 필터셀'에 관한 기술이 개시되어 있다.

KR498265B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 운반가스가 코로나 방전영역을 통과하지 않은 상태로 반응영역을 통과하도록 관로를 형성하고, 시료를 포함한 운반가스에서 음이온의 발생이 양호한 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서 및 이를 이용한 유해가스 탐지장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 병렬로 서로 다른 운반가스의 흐름을 갖는 이온이동도 센서를 를 배치함으로써, 시료를 포함한 운반가스로부터 양이온과 음이온이 각각 발생토록 함으로써, 유해가스의 탐지강도가 향상되도록 한 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서는, 외부로부터 유입된 화합물을 이온화시키는 이온화부와, 상기 이온화부에서 이온화된 화합물 분자의 유입량을 일정하게 하는 셔터그리드와, 상기 셔터그리드를 통과한 이온화 화합물 분자의 이동속도를 조절하는 드리프트튜브와, 일정하게 전기장을 유지하는 어퍼쳐그리드와, 상기 어퍼쳐그리드를 통과한 이온화 화합물 분자가 도달하면 전류신호를 발생시키는 검출기를 포함하고, 상기 이온화부로 상기 화합물이 유입되도록 운반가스가 내부를 순환하는 이온이동도 센서에 있어서, 상기 이온화부와 상기 셔터그리드 사이에서 상기 운반가스에 상기 화합물이 혼합된 후, 상기 이온화부를 통과하는 것을 특징으로 한다.

상기 이온화부에서의 운반가스는 이온화된 화합물의 이동방향과 반대방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 한다.

상기 이온화부는, 상기 화합물을 코로나 방전법으로 이온화시키는 것을 특징으로 한다.

상기 이온화부에는, 코로나 방전을 위한 방전전극과 접지전극이 이격되게 설치되되 상기 접지전극이 상기 셔터그리드에 인접하도록 설치되고, 상기 접지전극에서 고전압이 제공되는 것을 특징으로 한다.

상기 이온화부에서, 상기 운반가스는 상기 접지전극에서 방전전극으로 유동하는 것을 특징으로 한다.

상기 운반가스는 분기되지 않고 순환되는 것을 특징으로 한다.

상기 운반가스를 순환시키는 운반가스 순환펌프와, 상기 운반가스 순환펌프의 출구는 상기 운반가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치는, 외부로부터 유입된 화합물을 이온화시키는 이온화부와, 상기 이온화부에서 이온화된 화합물 분자의 유입량을 일정하게 하는 셔터그리드와, 상기 셔터그리드를 통과한 이온화 화합물 분자의 이동속도를 조절하는 드리프트튜브와, 일정하게 전기장을 유지하는 어퍼쳐그리드와, 상기 어퍼쳐그리드를 통과한 이온화 화합물 분자가 도달하면 전류신호를 발생시키는 검출기를 포함하고, 상기 이온화부로 상기 화합물이 유입되도록 운반가스가 내부를 순환하는 이온이동도 센서가 구비된 유해가스 탐지장치에 있어서, 상기 이온화부와 상기 셔터그리드 사이에서 상기 운반가스에 상기 화합물이 혼합된 후, 상기 이온화부를 통과하는 제1 이온이동도 센서와, 상기 제1 이온이동도 센서와 병렬로 배치되고, 상기 운반가스에 상기 화합물과 혼합된 후, 상기 이온화부로 유입된 후, 상기 상기 이온화부와 상기 셔터그리드 사이로 배출되는 제2 이온이동도 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 이온화부는, 코로나 방전을 위한 방전전극과 접지전극이 이격되게 설치되되 상기접지전극이 상기 셔터그리드에 인접하게 설치되고, 상기 제1 이온이동도 센서에서는 운반가스가 접지전극에서 방전전극으로 유동하며, 상기 제2 이온이동도 센서에서는 운반가스가 방전전극에서 접지전극으로 유동하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 이온이동도 센서에서는 상기 운반가스가 분기되지 않고 순환되고, 상기 제2 이온이동도 센서에서는 상기 운반가스 분기된 후, 어느 하나의 흐름은 상기 이온화부를 통과하고, 나머지 하나의 흐름은 상기 이온화부를 통과하지 않으며, 상기 이온화부와 상기 셔터그리드 사이에서 합해지는 것을 특징으로 한다.

상기 운반가스를 순환시키는 운반가스 순환펌프와, 상기 운반가스 순환펌프의 출구는 상기 운반가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서 및 이를 이용한 유해가스 탐지장치에 따르면, 시료를 포함한 운반가스가 고에너지가 가해지는 코로나 방전영역을 통과하지 않도록 운반가스의 흐름을 제어하여 전자친화도가 높은 질소산화물의 발생이 억제되므로, 음이온의 발생이 활성화된다.

또한, 상기 이온이온도 센서를 병렬로 배치하여, 각각 양이온과 음이온의 발생을 활성화시켜, 상기 운반가스에 포함된 독성물질을 탐지하는 감도를 향상되므로, 미량의 시료가 유입되더라도, 시료의 성분을 감지하여 유해성 여부를 판단할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이온이동도 센서의 분해사시도.
도 2는 종래기술에 따른 이온이동도 센서에서 이온화부의 절개사시도
도 3은 본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치의 단면도.
도 5는 도 4의 유해가스 탐지장치에서 제2 이온이동도 센서의 단면도.
도 6은 도 4의 유해가스 탐지장치에서 이온화부의 절개사시도.
도 7은 본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치에 의해 유입된 화합물을 분석한 크래마토그램.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서에 대하여 자세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 외부로부터 유입된 화합물을 이온화시키는 이온화부(12)와, 상기 이온화부(12)에서 이온화된 화합물 분자의 유입량을 일정하게 하는 셔터그리드(13)와, 상기 셔터그리드(13)를 통과한 이온화 화합물 분자의 이동속도를 조절하는 드리프트튜브(14)와, 일정하게 전기장을 유지하는 어퍼쳐그리드(15)와, 상기 어퍼쳐그리드(15)를 통과한 이온화 화합물 분자가 도달하면 전류신호를 발생시키는 검출기(16)를 포함하고, 상기 이온이동도 센서(2)를 순환하는 운반가스가 상기 이온화부(12)와 상기 셔터그리드(13) 사이에서 화합물과 혼합된 후, 상기 이온화부(12)를 통과하도록 한다.

이온화부(12)는 외부로부터 유입된 화합물을 이온화시킨다. 상기 화합물과 함께 상기 화합물을 유동시키는 운반가스에 고에너지를 가함으로써, 상기 화합물을 이온화시킨다. 상기 이온화부(12)는 시료 흡입펌프(22)의 작동에 의해 발생된 흡입력으로 상기 이온화부(12)로 유입된다. 특히, 상기 이온화부(12)의 전방에는 박막(11)이 설치됨으로써, 간섭물질로부터 상기 화합물의 분자를 분리하여 이온화 과정을 간소화시킨다.

상기 이온화부(12)에서 상기 화합물에 이온화 시키는 방법으로는 방사능 동위원소법 또는 코로나 방전법이 적용될 수 있다.

예컨대, 코로나 방전전극(12a)으로 상기 이온화부(12)에서 화합물을 이온화시키기 위해서, 상기 이온화부(12)에는 방전전극(12a)과 접지전극(12b)이 상기 운반가스가 유동하는 관로상에 관로를 따라 서로 이격되게 설치된다. 상기 방전전극(12a)은 상기 박막(11)에 인접하도록 배치되고, 접지전극(12b)은 셔터그리드(13)에 인접하게 배치된다. 상기 접지전극(12b)이 상기 코로나 방전을 위한 고전압으로 이용된다.

셔터그리드(13)는 상기 이온화부(12)로부터 배출된 이온화된 화합물의 유입량을 일정하게 제어한다. 상기 셔터그리드(13)는 전기적인 신호에 의해 매우 짧은 시간, 예컨대, 0.2ms동안 개방됨으로써, 이온화된 화합물의 유입량을 제어한다.

드리프트튜브(14)는 상기 셔터그리드(13)를 통과한 이온화 화합물 분자의 이동속도를 조절한다. 상기 드리프트튜브(14)는 복수의 전극링(14a)과 절연링(14b)이 서로 교번(交番)하여 배치되어 있어서, 상기 전극링(14a)에 전원이 인가되면 상기 드리프트튜브(14)에 고전압의 전기장이 형성됨으로써, 이온화된 화합물 분자의 이동속도를 조절할 수 있다.

어퍼쳐그리드(15)는 메쉬구조로 형성되어 있어서, 외부 노이즈를 제거하고, 일정한 전기장을 유지한다.

검출기(16)는 상기 이온화부(12), 셔터그리드(13), 드리프트튜브(14) 및 어퍼쳐그리드(15)를 통과한 이온화된 화합물이 도달하면, 전류신호를 발생시킨다. 상기 이온화된 화합물에 상기 검출기(16)에 도달한 신호의 순서를 통하여 물질의 종류를 확인할 수 있고, 검출된 세기에 따라 농도를 감지한다.

한편, 상기 이온이동도 센서(2)는 내부에서 상기 화합물을 상기 이온화부(12)에서 유동할 수 있도록 운반가스가 내부를 순환한다. 상기 이온이동도 센서(2)에서 순환하도록 관로가 설치된 상태에서 상기 관로를 따라 순환하면서, 상기 화합물을 상기 이온화부(12)로 유입시킨다.

이때, 상기 운반가스는 상기 이온화부(12)와 상기 셔터그리드(13)의 사이에서 상기 화합물과 혼합된 후, 상기 이온화부(12)로 유동한다.

즉, 운반가스는 상기 이온화부(12)의 내부에서 우측에서 좌측(도 4 참조)으로 유동한다. 상기 화합물에서 이온화된 화합물 분자는 도 3에서 좌측에서 우측으로 이동하는데 비하여, 상기 운반가스는 그 반대방향(좌측에서 우측방향)으로 유동한다. 상기 이온화부(12)에서 운반가스와 이온화된 화합물의 유동방향이 서로 반대이므로, 상기 이온화부(12)에서 코로나 방전에 의해 고에너지가 가해질 때 발생한 질소산화물이 상기 이온화된 화합물가 같은 방향으로 이동하는 것을 방지한다. 즉, 상기 운반가스로부터 질소산화물이 발생하더라도, 운반가스가 이온화된 화합물의 유동방향과 반대방향으로 유동하므로, 질소산화물을 외부로 배출되도록 한다.

이와 같이, 상기 이온화부(12)에서 운반가스와 이온화된 화합물 분자의 유동방향을 반대로 하여 상기 이온화부(12)에서 발생한 질소산화물을 외부로 배출하므로, 상기 이온화부(12)에서 음이온의 발생을 촉진시킨다.

여기서, 상기 운반가스를 순환하기 위해서 운반가스 순환펌프(21)가 설치되고, 상기 운반가스 순환펌프(21)의 출구측에 필터(23)가 설치된다. 상기 운반가스는 상기 운반가스 순환펌프(21)로부터 상기 필터(23)를 거쳐 상기 이온화부(12)로 유입된 후, 상기 이온화부(12)를 통과하여, 다시 운반가스 순환펌프(21)로 유입된다. 특히, 상기 운반가스는 상기 이온화부(12)로 유입되기 직전, 즉 이온화부(12)와 셔터그리드(13) 사이에서 외부로부터 유입된 화합물이 혼합된다. 상기 운반가스는 순환하면서, 분기(分岐)됨이 없이 순환하는 구조를 갖는다.

본 발명에 따른 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치(1)는 앞서 설명한 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서(2)와, 종래기술에서 살펴본 이온이동도 센서를 서로 병렬로 배치함으로써, 달성될 수 있다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 앞서 설명한 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서(2)를 제1 이온이동도 센서(2)로 하고, 종래기술에서 살펴본 이온이동도 센서를 제2 이온이동도 센서(3)하고, 상기 제1 이온이동도 센서(2)와 제2 이온이동도 센서(3)를 병렬로 배치한다.

상기 제1 이온이동도 센서(2)와 제2 이온이동도 센서(3)를 구성하는 구성요소는 기본적으로 동일하게 배치되나, 상기 이온이동도 센서의 이온화부(12)에서 흐름방향이 서로 반대이다. 즉, 제1 이온이동도 센서(2)에서는 운반가스와 이온화된 화합물과 이동방향이 반대방향이지만, 제2 이온이동도 센서(3)에서는 상기 운반가스와 이온화된 화합물의 이동방향이 같다.

상기 제1 이온이동도 센서(2)와 제2 이온이동도 센서(3)에서 이온화부(12)측의 일부를 절개하여 도시한 도 6을 보면, 제1 이온이동도 센서(2) 쪽에서는 운반가스와 이온화된 화합물의 이동방향이 다르지만, 제2 이온이동도 센서(3) 족에서는 운반가스와 이온화된 화합물의 이동방향이 같음을 알 수 있다. 따라서, 제1 이온이동도 센서(2)에서는 상기 이온화부(12)의 전극부분에서 음이온이 충분히 발생된 상태로 반응영역(12c)으로 진입한다.

또한, 상기 유해가스 탐지장치에서는 상기 제1 이온이동도 센서(2)와 제2 이온이동도 센서(3)가 운반가스 순환펌프(21), 시료 흡입펌프(22) 및 필터(23)는 공유한다.

상기 제1 이온이동도 센서(2)를 순환하는 운반가스는 분기됨이 없이 순환하고, 상기 제2 이온이동도 센서(3)를 순환하는 운반가스는 상기 필터(23)를 통과한 후 분기되어, 하나의 흐름은 상기 이온화부(12)를 통과하고 나머지 하나의 흐름은 상기 이온화부를 통과하지 않으면, 상기 이온화부(12)와 상기 셔터그리드(13) 사이에서 합해진 후, 상기 운반가스 순환펌프(21)로 유입된다.

따라서, 본 발명에 따른 유해가스 탐지장치는 제1 이온이동도 센서(2)측에서는 음이온의 측정이 활발하고, 제2 이온이동도 센서(3)측에서는 양이온의 측정이 활발해지게 되므로, 미량의 화합물이 유입되더라도, 정밀하게 그 성분과 양을 측정할 수 있다.

도 7에는 본 발명에 따른 유해가스 탐지장치를 이용하여 외부로부터 입력된 화합물을 분석한 크로마토그램이 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 양이온과 음이온모드에서 모두 탐지감도가 우수함을 알 수 있다. 즉, 종래에는 음이온에 대한 탐지감도가 낮아, 크로마토그램에서 음이온측의 값이 크지 않았는데, 본 발명에 따른 유해가스 탐지장치에서는 음이온측의 탐지감도가 많이 향상되었는 바, 양이온과 음이온 측 모두에서 출력값이 높아지게 된다.

1 : 유해가스 탐지장치 2 : 제1 이온이동도 센서
3 : 제2 이온이동도 센서 11 : 박막
12 : 이온화부 12a : 방전전극
12b : 접지전극 12c : 반응영역
13 : 셔터그리드 14 : 드리프트 튜브
14a : 전극링 14b : 절연링
15 : 어퍼쳐 그리드 16 : 검출기
21 : 운반가스 순환펌프 22 : 시료 흡입펌프
23 : 필터

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 외부로부터 유입된 화합물을 이온화시키는 이온화부와, 상기 이온화부에서 이온화된 화합물 분자의 유입량을 일정하게 하는 셔터그리드와, 상기 셔터그리드를 통과한 이온화 화합물 분자의 이동속도를 조절하는 드리프트튜브와, 일정하게 전기장을 유지하는 어퍼쳐그리드와, 상기 어퍼쳐그리드를 통과한 이온화 화합물 분자가 도달하면 전류신호를 발생시키는 검출기를 포함하고, 상기 이온화부로 상기 화합물이 유입되도록 운반가스가 내부를 순환하는 이온이동도 센서가 구비된 유해가스 탐지장치에 있어서,
   상기 이온화부와 상기 셔터그리드 사이에서 상기 운반가스에 상기 화합물이 혼합된 후, 상기 이온화부를 통과하는 제1 이온이동도 센서와,
   상기 제1 이온이동도 센서와 병렬로 배치되고, 상기 운반가스에 상기 화합물과 혼합된 후, 상기 이온화부로 유입된 후, 상기 상기 이온화부와 상기 셔터그리드 사이로 배출되는 제2 이온이동도 센서를 포함하고,
   상기 이온화부는, 코로나 방전을 위한 방전전극과 접지전극이 이격되게 설치되되 상기접지전극이 상기 셔터그리드에 인접하게 설치되고, 상기 제1 이온이동도 센서에서는 운반가스가 접지전극에서 방전전극으로 유동하며, 상기 제2 이온이동도 센서에서는 운반가스가 방전전극에서 접지전극으로 유동하는 것을 특징으로 하는 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치.
9. 삭제
10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 이온이동도 센서에서는 상기 운반가스가 분기되지 않고 순환되고,
    상기 제2 이온이동도 센서에서는 상기 운반가스 분기된 후, 어느 하나의 흐름은 상기 이온화부를 통과하고, 나머지 하나의 흐름은 상기 이온화부를 통과하지 않으며, 상기 이온화부와 상기 셔터그리드 사이에서 합해지는 것을 특징으로 하는 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치.
11. 제8항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 운반가스를 순환시키는 운반가스 순환펌프와,
    상기 운반가스 순환펌프의 출구는 상기 운반가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치.

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