KR101721387B1 - 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템 - Google Patents

가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템 Download PDF

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KR101721387B1
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이기택
김미옥
박기태
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

일 실시예에 따른 가스 추출 장치는, 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료를 퍼지가스에 의해 폭기시켜 상기 대상 가스 시료를 상기 액상 시료로부터 분리시키는 폭기부; 상기 폭기부에서 분리된 대상 가스 시료 내 포함된 수분 또는 이산화탄소를 제거하는 이물질 제거부; 및 상기 이물질이 제거된 대상 가스 시료를 저온 농축 및 고온 탈착하는 대상 가스 시료 추출부;를 포함하고, 상기 이물질 제거부는 적어도 하나의 수분 제거 부재 또는 적어도 하나의 이산화탄소 제거 부재를 포함할 수 있다.

Description

가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템{GAS EXTRACTION APPARATUS AND GAS ANALYSIS SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액상 시료 내 포함된 미량의 대상 가스 시료를 효과적으로 추출할 수 있는 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템에 관한 것이다.
가스 추출 시스템은 액상 시료 중에 존재하는 특정 가스 성분을 추출하고, 수분을 제거하여 분석 시스템으로 도입하기 전까지의 전처리 장치로서, 가스 추출시스템에서 가장 중요한 부분이 물 속에 존재하는 특정 가스를 분리해내는 것이다.
특히, 특정 수괴를 추적하기 위한 추적자로 사용되어 온 SF6(육불화황)은 자연 중에 존재하는 농도가 fM(femto=10-15 mole)로 극히 미량이며 인위적으로 적은 양을 주입하여 장기간 추적하기 위해서는 미량의 농도를 분석할 수 있는 기술이 필요하다.
또한, 지구 온난화 기체 중의 하나인 N2O(아산화질소)의 해수 내 용존 농도는 nM(nano=10-9 mole) 수준의 미량으로 존재하기 때문에 정확한 측정에 있어 큰 어려움이 있다.
SF6와 N2O는 할로겐 화합물에 대한 감도가 매우 띄어난 전자포획검출기(Electron Capture Detector; ECD)를 장착한 가스 크로마토그래프(Gas Chromatograph; GC)로 분석이 가능하나 극미량의 농도를 검출하기 위해서는 GC-ECD 분석에 앞서 액상 시료 중에 극미량으로 용존되어 있는 이들 가스 성분을 효율적으로 추출해 낼 수 있는 기술이 필요하다.
예를 들어, 1998년 6월 23일에 출원된 KR10-1998-7004839에는 '실시간 가스 크로마토그래피 질량 분석 극미량 기체 검출'에 대하여 개시되어 있다.
일 실시예에 따른 목적은 폭기, 저온 흡착 및 고온 탈착에 의해 액상 시료 내 포함된 미량의 대상 가스 시료를 효과적으로 추출할 수 있는 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 복수 개의 밸브의 자동 또는 반자동 제어를 통해 시퀀스(공정)가 진행되어 가스 추출 공정 또는 가스 분석 공정의 오차를 최대한으로 줄일 수 있고 미량가스 추출 및 분석에 대한 재현성 및 신뢰성이 향상될 수 있는 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 가스 추출 공정에서 액상 시료 내 수분 및 이산화탄소의 완벽 제거를 통해 가스 분석 장치 내 이물질의 유입이 방지되어 가스 분석의 정확성을 향상시킬 수 있는 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 솔레노이드 밸브에 인접하게 냉각 팬이 배치되어 솔레노이드 밸브의 지속적인 작동으로 인한 과열을 방지할 수 있는 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 가스 추출 장치는, 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료를 퍼지가스에 의해 폭기시켜 상기 대상 가스 시료를 상기 액상 시료로부터 분리시키는 폭기부; 상기 폭기부에서 분리된 대상 가스 시료 내 포함된 수분 또는 이산화탄소를 제거하는 이물질 제거부; 및 상기 이물질이 제거된 대상 가스 시료를 저온 농축 및 고온 탈착하는 대상 가스 시료 추출부;를 포함하고, 상기 이물질 제거부는 적어도 하나의 수분 제거 부재 또는 적어도 하나의 이산화탄소 제거 부재를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 이물질 제거부는, 상기 대상 가스 시료 내 포함된 수분을 제거하는 제1 수분 제거 부재; 상기 제1 수분 제거 부재에서 수분이 제거된 대상 가스 시료 내 포함된 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거 부재; 및 상기 이산화탄소 제거 부재에서 이산화탄소가 제거된 대상 가스 시료 내 포함된 수분을 제거하는 제2 수분 제거 부재;를 포함하고, 상기 이산화탄소 제거 부재는 소다라임(sodalime) 및 수분흡착제를 포함하고, 상기 제2 수분 제거 부재는 수분흡착제를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 제1 수분 제거 부재는, 펠티에소자; 상기 펠티에소자 내에 배치되는 제1 냉각관; 및 상기 펠티에소자 내에서 상기 제1 냉각관과 유체 연결되는 제2 냉각관;을 포함하고, 상기 제1 냉각관 및 상기 제2 냉각관 사이에 상기 펠티에소자의 온도를 측정하는 써모커플이 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 대상 가스 시료 추출부는, 저온의 액체가 담긴 용기 및 상기 용기 내에 배치된 흡착관을 포함하는 저온 흡착 부재; 및 고온의 액체가 담긴 용기로 마련되어, 상기 저온 흡착 부재에서 흡착된 대상 가스 시료를 상기 저온 흡착 부재로부터 탈착시키는 고온 탈착 부재;를 포함하고, 상기 흡착관은 상기 저온의 액체가 담긴 용기로부터 상기 고온의 액체가 담긴 용기로 이동될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 폭기부, 상기 이물질 제거부 또는 상기 대상 가스 시료 추출부에는 복수 개의 밸브가 연결되고, 상기 복수 개의 밸브의 제어에 의해 상기 폭기부, 상기 이물질 제거부 또는 상기 대상 가스 시료 추출부의 작동이 제어될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 밸브는 상기 폭기부에 연결되어 상기 액상 시료 또는 상기 퍼지가스의 주입 또는 배출을 제어하는 솔레노이드 밸브를 포함하고, 상기 솔레노이드 밸브에 인접하게 냉각 팬이 구비되어, 상기 솔레노이드 밸브의 작동에 의한 상기 솔레노이드 자체의 과열이 방지될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 밸브는, 상기 이물질 제거부에 연결된 제1 6포트 밸브; 및 상기 제1 6포트 밸브 및 상기 대상 가스 시료 추출부 사이에 연결된 제2 6포트 밸브;를 포함하고, 상기 제1 6포트 밸브에는 검량 테스트를 위한 표준가스 공급 장치가 연결되고, 상기 제2 6포트 밸브에는 상기 대상 가스 시료의 분석을 위한 가스 분석 장치 및 상기 대상 가스 시료를 상기 가스 분석 장치에 운반하도록 운반가스를 공급하는 운반가스 공급 장치가 연결될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템은, 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료로부터 상기 대상 가스 시료를 추출하는 가스 추출 장치; 및 상기 가스 추출 장치에서 추출된 대상 가스 시료를 분석하는 가스 분석 장치;를 포함하고, 상기 가스 추출 장치는, 저온의 액체가 담긴 용기 및 상기 용기 내에 배치된 흡착관을 포함하는 저온 흡착 부재; 및 고온의 액체가 담긴 용기로 마련되어, 상기 저온 흡착 부재에서 흡착된 대상 가스 시료를 상기 저온 흡착 부재로부터 탈착시키는 고온 탈착 부재;를 포함하며, 상기 가스 분석 장치의 작동이 개시되면 상기 흡착관이 상기 저온의 액체가 담긴 용기로부터 상기 고온의 액체가 담긴 용기로 옮겨질 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 가스 추출 장치에는 퍼지가스 공급 장치가 연결되고, 상기 가스 분석 장치에서 상기 대상 가스 시료가 분석되는 동안 상기 가스 추출 장치에 상기 퍼지가스 공급 장치로부터 퍼지가스가 지속적으로 공급될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 가스 추출 장치에서 상기 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료는 상기 퍼지가스 공급 장치에서 공급된 퍼지가스에 의해 폭기되고, 상기 가스 추출 장치에서 상기 액상 시료가 폭기되는 동안, 상기 저온 흡착 부재에서 상기 용기 내에 담긴 저온의 액체 수위가 일정하게 유지될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 퍼지가스 공급 장치 및 상기 가스 추출 장치 사이에는 상기 퍼지가스 공급 장치에서 공급된 퍼지가스의 유량을 제어하는 제1 유량계가 연결되고, 상기 가스 추출 장치 내에는 상기 퍼지가스 공급 장치로부터 공급되어 상기 가스 추출 장치로부터 배출되는 퍼지가스의 유량을 측정하는 제2 유량계가 연결될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 가스 추출 장치는, 상기 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료를 퍼지가스에 의해 폭기시켜 상기 액상 시료로부터 상기 대상 가스 시료를 분리시키는 폭기 부재;를 더 포함하고, 상기 폭기 부재에는 상기 대상가스 시료가 용해된 액상 시료의 공급을 제어하는 솔레노이드 밸브가 연결되며, 상기 솔레노이드 밸브는 상기 액상 시료의 공급량에 따라서 일정 시간 동안 공급 상태를 유지하도록 제어될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 폭기 부재에 공급된 상기 액상 시료는 상기 가스 분석 장치에서 상기 대상 가스 시료가 분석된 후에 상기 퍼지가스에 의해 상기 솔레노이드 밸브를 통과하여 시료 배출 용기에 배출될 수 있다.
일 실시예에 따른 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템에 의하면, 폭기, 저온 흡착 및 고온 탈착에 의해 액상 시료 내 포함된 미량의 대상 가스 시료를 효과적으로 추출할 수 있다.
일 실시예에 따른 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템에 의하면, 복수 개의 밸브의 자동 또는 반자동 제어를 통해 시퀀스가 진행되어 가스 추출 공정 또는 가스 분석 공정의 오차를 최대한으로 줄일 수 있고 미량가스 추출 및 분석에 대한 재현성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
일 실시예에 따른 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템에 의하면, 가스 추출 공정에서 액상 시료 내 수분 및 이산화탄소의 완벽 제거를 통해 가스 분석 장치 내 이물질의 유입이 방지되어 가스 분석의 정확성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 가스 추출 장치 및 상기 가스 추출 장치를 포함하는 가스 분석 시스템에 의하면, 솔레노이드 밸브에 인접하게 냉각 팬이 배치되어 솔레노이드 밸브의 지속적인 작동으로 인한 과열을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템의 모식도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템을 통한 재현성 테스트 결과를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템을 통한 검량 테스트 결과를 도시한다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템의 모식도이다.
도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템(10)은 시료 공급 장치(100), 퍼지가스 공급 장치(200), 가스 추출 장치(300), 가스 분석 장치(400), 운반가스 공급 장치(500) 및 표준가스 공급 장치(600)를 포함할 수 있다.
상기 시료 공급 장치(100)는 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료가 담긴 용기를 포함할 수 있다.
예를 들어, 대상 가스 시료는 SF6, N20와 같은 미량의 가스로 마련될 수 있으며, 액상 시료는 SF6, N20가 용해된 지하수 또는 해수 등으로 마련될 수 있다.
그러나, 대상 가스 시료의 성분은 이에 국한되지 아니하며 다른 성분을 포함할 수 있음은 당연하다.
또한, 시료 공급 장치(100)에는 용기 내에 삽입되는 니들(102)이 구비될 수 있다.
예를 들어, 복수 개의 니들(102)이 용기 내에 삽입될 수 있으며, 복수 개의 니들(102) 중 하나는 ＂gas in＂ 니들이 되고 복수 개의 니들(102) 중 다른 하나는 ＂gas out＂ 니들이 될 수 있다.
이때, ＂gas in＂ 니들은 액상 시료 내에 침투되지 않고 액상 시료의 상단에 위치함으로써 퍼지가스가 제1 솔레노이드 밸브(SV1)의 NC(normally close) 방향이 개방(SV1 on)되어 시료 공급 장치(100)로 주입될 때 ＂gas in＂ 니들을 통해 퍼지가스가 주입되어 용기 내의 액상 시료를 밀어줄 수 있다.
반면, ＂gas out＂ 니들은 액상 시료 내에 침투되도록 액상 시료의 하단에 위치함으로써 제2 솔레노이드 밸브(SV2)의 NO(normally open) 방향이 개방(SV2 off)되고 제3 솔레노이드 밸브(SV3)의 NC(normally close) 방향이 개방(SV3 on)될 때 용기 내 액상 시료가 ＂gas out＂ 니들을 통해 가스 추출 장치(300) 내 폭기부(310))에 공급될 수 있다.
또한, 전술된 시료 공급 장치(100)의 일 측에는 퍼지가스 공급 장치(200)가 배치될 수 있다.
상기 퍼지가스 공급 장치(200)는 가스 추출 장치(300)에 퍼지가스를 공급할 수 있으며, 예를 들어 퍼지가스는 N2 또는 He으로 마련될 수 있다.
이때, 퍼지가스 공급 장치(200)에는 액화질소용기(Liq. N2 storage bottle)가 연결되어, 퍼지가스 공급 장치(200)에서 배출된 퍼지가스가 액화질소용기를 통과할 수 있다.
또한, 액화질소용기에는 MFC(mass flow controller)로 마련된 제1 유량계(A1)가 연결되어, 퍼지가스 공급 장치(200)로부터 가스 추출 장치(300)에 공급되는 퍼지가스의 유량을 제어할 수 있다.
그리고 제1 유량계(A1)에서 측정된 퍼지가스의 유량은 가스 추출 장치(300) 내에서 제2 6포트 밸브(AA2)에 연결된 제2 유량계(A2)에서 측정된 퍼지가스의 유량이 일치하도록 제어되어야 한다.
예를 들어, 제1 유량계(A1)에서 제어된 퍼지가스의 유량과 제2 유량계(A2)에서 측정된 퍼지가스의 유량이 일치하는지 수시로 점검하여야 하며, 제2 유량계(A2)에서 측정된 퍼지가스의 유량이 상대적으로 낮을 경우, 퍼지가스의 누출 또는 흡착관(3324)의 막힘 현상이 발생하였음을 예측할 수 있다.
추가적으로, 제1 유량계(A1)에는 제1 솔레노이드 밸브(SV1) 및 제4 솔레노이드 밸브(SV4)가 연결될 수 있으며, 제1 솔레노이드 밸브(SV1) 및 제4 솔레노이드 밸브(SV4)의 작동 제어를 통해 가스 추출 장치(300)에 퍼지가스의 공급 유무가 제어될 수 있다.
예를 들어, 제1 솔레노이드 밸브(SV1)의 NO(normally open) 방향이 개방(SV1 off)되고 제4 솔레노이드 밸브(SV4)의 NC(normally close) 방향이 개방되면(SV4 on) 퍼지가스가 가스 추출 장치(300)에 공급되고, 제4 솔레노이드 밸브(SV4)가 폐쇄되면(off) 퍼지가스가 가스 추출 장치(300)에 공급되지 않을 수 있다.
한편, 가스 분석 장치(400)에서 대상 가스 시료가 분석되는 동안 가스 추출 장치(300)에 퍼지가스가 지속적으로 공급되도록 제어될 수 있다. 이는 가스 추출 장치(300)의 오염을 방지하기 위한 것으로서, 구체적으로 가스 분석 장치(400)에서 대상 가스 시료가 분석되기 시작해서 분석의 최종 종료 전까지 지속적으로 퍼지가스가 공급될 수 있다.
추가적으로, 가스 분석 장치(400)에서 대상 가스 시료를 분석하는 동안에는 운반가스가 대상 가스 시료 추출부(330)를 통과하여 가스 분석 장치(400)에 주입되면서 대상 가스 시료가 분석하고, 이때, 퍼지가스는 대상 가스 시료 추출부(330)를 우회하여 제2 6포트 밸브(VV2)에서 바로 제2 유량계(A2)로 배출될 수 있다.전술된 시료 공급 장치(100) 및 퍼지가스 공급 장치(200)에는 가스 추출 장치(300)가 연결될 수 있다.
상기 가스 추출 장치(300)에는 시료 공급 장치(100)로부터 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료가 공급되고, 퍼지가스 공급 장치(200)로부터 퍼지가스가 공급될 수 있다.
특히, 시료 공급 장치(100) 및 가스 추출 장치(300) 사이에는 제2 솔레노이드 밸브(SV2) 및 제3 솔레노이드 밸브(SV3)가 연결될 수 있다.
이때, 제2 솔레노이드 밸브(SV2)의 NO 방향 및 제3 솔레노이드 밸브(SV3)의 NC 방향이 개방됨으로써 시료 공급 장치(100)로부터 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료가 가스 추출 장치(300)의 폭기부(310)에 공급될 수 있다.
한편, 제2 솔레노이드 밸브(SV2)에는 시료의 배출을 위한 용기가 연결되어, 제2 솔레노이드 밸브(SV2)의 NC 방향이 개방(SV2 on)되도록 제어함으로써 가스 추출 장치(300), 특히 폭기부(310) 내에 공급된 액상 시료를 공급할 수 있다.
추가적으로, 제2 솔레노이드 밸브(SV2) 및 제3 솔레노이드 밸브(SV3)에 인접하게 냉각 팬(CF)이 배치되어, 제2 솔레노이드 밸브(SV2) 및 제3 솔레노이드 밸브(SV3)의 반복 작동 또는 지속적인 작동에 의한 과열을 방지할 수 있다.
구체적으로, 가스 추출 장치(300)는 폭기부(또는 폭기 부재; 310), 이물질 제거부(320) 및 대상 가스 시료 추출부(330)를 포함할 수 있다.
상기 폭기부(310)는 시료 공급 장치(100)로부터 공급된 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료를 퍼지가스 공급 장치(200)로부터 공급된 퍼지가스에 의해 폭기시킬 수 있다.
구체적으로, 일정량의 액상 시료(예를 들어, 10-120mL)를 폭기부(310)의 일 측을 통해 공급되고, 초고순도 질소 및 헬륨 가스로 마련된 퍼지가스가 폭기부(310)의 하단을 통해 공급될 수 있다.
이때, 퍼지가스는 폭기부(310) 내에 배치된 공극 크기(pore-size) 10-20㎛의 유리 프릿(312)을 거쳐 액상 시료를 폭기시킬 수 있다. 이에 의해 액상 시료 내에 용존해 있는 가스 상태의 대상 가스 시료(SF6, N2O)를 액상 시료로부터 분리시킬 수 있다.
또한, 액상 시료에 용해되어 있는 모든 대상 가스 시료가 폭기부(310)로부터 배출될 수 있도록 충분한 시간 동안(예를 들어, 10 내지 30분) 폭기될 필요성이 있다.
한편, 폭기부(310)에서 적절한 폭기 시간은 유리 프릿(312)의 공극 크기, 액상 시료의 부피, 폭기 가스의 유량, 폭기부의 부피 등 다양한 인자들의 영향을 받기 때문에 동일한 농도의 액상 시료를 폭기 시간을 달리하여 반복적으로 분석한 후 최대 수율이 나올 때까지의 폭기 시간을 결정할 수 있다.
예를 들어, N2O 가스가 용존되어 있는 액상 시료 100mL를 기준으로 분당 100mL의 질소가스로 폭기할 경우 약 15 내지 20분의 폭기 시간이 필요할 수 있으며, 액상 시료 50ml를 기준으로 분당 100ml의 질소가스로 폭기할 경우 약 10분의 폭기 시간이 필요할 수 있다.
이때, 폭기부(310)로의 액상 시료의 주입 및 퍼지가스의 흐름은 전술된 바와 같이 복수 개의 밸브(제1 솔레노이드 밸브(SV1), 제2 솔레노이드 밸브(SV2), 제3 솔레노이드 밸브(SV3) 및 제4 솔레노이드 밸브(SV4)) 및 제1 유량계(A1)를 통해 제어될 수 있다.
상기 폭기부(310)에서 분리된 대상 가스 시료는 이물질 제거부(320)에 전달될 수 있다.
상기 이물질 제거부(320)는 예를 들어 폭기부(310)에서 분리된 대상 가스 시료 내 포함된 수분 또는 이산화탄소를 제거할 수 있다.
특히, 폭기부(310)에서 분리된 대상 가스 시료 내에는 과량의 수분을 포함하고 있기 때문에 대상 가스 시료 추출부(330)에 전달되기 전에 반드시 수분 제거 과정을 거칠 필요성이 있다.
그리고 대상 가스 시료 추출부(330)에서 저온 흡착 공정은 극저온도에서 이루어지기 때문에, 수분이 포함된 대상 가스 시료가 흡착관(3324)에 전달되면 흡착관(3324)의 막힘 현상이 발생될 수 있고, 수분이 포함된 대상 가스 시료가 가스 분석 장치(400)에 공급되면 장비 이상의 원인이 될 수 있다.
구체적으로, 이물질 제거부(320)는 제1 수분 제거 부재(322), 이산화탄소 제거 부재(324) 및 제2 수분 제거 부재(326)를 포함할 수 있다.
상기 제1 수분 제거 부재(322)는 대상 가스 시료 내 포함된 대부분의 수분을 제거할 수 있다.
예를 들어, 제1 수분 제거 부재(322)는 펠티에소자(3222), 제1 냉각관(3224), 제2 냉각관(3226) 및 써모커플(3228)을 포함할 수 있다.
상기 펠티에소자(3222)는 두 종류의 도체를 결합하고 전류를 흐르도록 할 때, 한 쪽의 접점은 발열하여 온도가 상승하고 다른 쪽의 접점에서는 흡열하여 온도가 낮아지는 원리를 이용한 것으로서 전자 냉동에 많이 사용되고 있다.
상기 펠티에소자(3222)는 전위차를 이용하여 온도를 -12℃까지 낮춰질 수 있으며, 펠티에소자(3222) 내에 제1 냉각관(3224) 및 제2 냉각관(3226)이 서로 이격 배치된 상태에서 유체 연결될 수 있다. 이에 의해 폭기부(310)에서 분리된 대상 가스 시료가 제1 냉각관(3224) 및 제2 냉각관(3226)을 순차적으로 거치면서 폭기부(310)에서 분리된 대상 가스 시료 내에 포함된 수분이 제거될 수 있다.
이때, 제1 냉각관(3224) 및 제2 냉각관(3226) 사이에 써모커플(3228)이 배치되어 펠티에소자(3222) 내부의 온도를 측정할 수 있다. 상기 써모커플(3228)에 의해 측정된 펠티에소자(3222) 내부의 온도는 펠티에소자(3222)의 내부 온도를 일정하게 유지시키는 데 활용될 수 있다.
전술된 제1 수분 제거 부재(322)에서 수분이 일차적으로 제거된 대상 가스 시료는 이산화탄소 제거 부재(324)에 전달될 수 있다.
상기 이산화탄소 제거 부재(324)는 제1 수분 제거 부재(322)에서 수분이 제거된 대상 가스 시료 내 포함된 이산화탄소뿐만 아니라 대상 가스 시료 내 포함된 수분 또한 제거할 수 있다.
이때, 이산화탄소 제거 부재(324)는 소다라임(sodalime) 및 수분흡착제(Drierite)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 소다라임은 대상 가스 시료 내 포함된 이산화탄소를 제거하는 역할을 하며, 수분흡착제는 소다라임에서 이산화탄소가 제거될 때 발생할 수 있는 소량의 수분을 제거하는 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 이산화탄소 제거 부재(324)는 소다라임의 양단에 수분흡착제가 배치되도록 마련될 수 있다. 이에 의해 제1 수분 제거 부재(322)로부터 전달된 대상 가스 시료가 소다라임의 일단에 배치된 수분흡착제, 소다라임 및 소다라임의 타단에 배치된 수분흡착제를 순차적으로 통과할 수 있다.
또한, 수분흡착제(Drierite)의 경우 푸른색을 띄는데, 수분과 반응하면 보라색으로 변화할 수 있다.
실험 결과, 전술된 소다라임의 일단에 배치된 수분흡착제 및 소다라임의 타단에 배치된 수분흡착제 모두 보라색으로 변화된 것을 확인할 수 있는데, 이는 소다라임의 일단에 배치된 수분흡착제가 제1 수분 제거 부재(322)로부터 전달된 대상 가스 시료 내 포함된 미량의 수분과 반응하고, 소다라임의 타단에 배치된 수분흡착제가 소다라임에 의해 이산화탄소가 제거될 때 발생된 수분과 반응하기 때문이다.
전술된 이산화탄소 제거 부재(324)에서 이산화탄소 및 수분이 제거된 대상 가스 시료는 제2 수분 제거 부재(326)에 전달될 수 있다.
상기 제2 수분 제거 부재(326)는 수분흡착제(Drierite)를 포함할 수 있다.
이에 의해 제2 수분 제거 부재(326)는 제1 수분 제거 부재(322) 및 이산화탄소 제거 부재(324)에서 미처 제거되지 못한 수분을 완전히 제거할 수 있다.
이때, 전술된 바와 같이 수분흡착제(Drierite)의 반응색을 확인함으로써 대상 가스 시료 내 포함된 수분의 유무를 용이하게 확인할 수 있다.
이와 같이 이물질 제거부(320)에 의해 대상 가스 시료 내 포함된 수분 또는 이산화탄소가 완전히 제거될 수 있다. 상기 대상 가스 시료 내 포함된 수분 또는 이산화탄소는 가스 분석 장치(400)의 ECD 검출기의 감도 및 검출신호 간섭 현상에 영향을 미치므로 완전히 제거될 필요성이 있다.
구체적으로, 가스 분석 장치(400)에 과량의 이산화탄소가 주입되는 경우 대상 가스 시료의 분석 정확성을 저하시킬 수 있다.
예를 들어, 대상 가스 시료가 N20인 경우 가스 분석 시 이산화탄소의 피크(검출 신호) 이후에 대상 가스 시료의 피크가 검출될 수 있다. 이때, 이산화탄소의 피크가 너무 크면 대상 가스 시료의 피크에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 대상 가스 시료 내에 포함된 이산화탄소를 제거해야 대상 가스 시료의 피크가 정확하게 검출될 수 있다.
또는, 대상 가스 시료가 SF6인 경우 가스 분석 시 대상 가스 시료의 피크 이후에 산소의 피크가 검출될 수 있다. 이때, 산소의 피크가 너무 크면 대상 가스 시료의 피크에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 대상 가스 시료 내에 포함된 산소를 제거해야 대상 가스 시료의 피크가 정확하게 검출될 수 있다.
전술된 바와 같이 이물질 제거부(320)에서 이물질이 제거된 대상 가스 시료는 대상 가스 시료 추출부(330)에 전달될 수 있다.
상기 대상 가스 시료 추출부(330)는 저온 흡착 부재(332) 및 고온 탈착 부재(334)를 포함할 수 있다.
상기 저온 흡착 부재(332)는 저온의 액체가 담긴 용기(저온 액체 용기; 3322) 및 상기 용기(3322) 내에 배치된 흡착관(3324)을 포함할 수 있다.
이때, 흡착관(3324)에 이물질 제거부(320)에서 이물질이 제거된 대상 가스 시료가 전달될 수 있다.
상기 흡착관(3324)은 효율적인 대상 가스 시료의 포집을 위하여 적절한 형태 및 재질로 선택될 수 있다.
예를 들어, 대상 가스 시료가 N2O인 경우, 80/100 PORAPAK Q가 충전된 흡착관(3324)을 적용할 수 있다. 80/100 PORAPAK Q가 충전된 흡착관(3324)은 N2O에 대하여 저온에서 우수한 흡착력을 보였으며, 상대적으로 낮은 온도(약 90℃)에서 탈착이 이루어져 농축 및 탈착에 우수한 활용성을 보였다.
또한, 대상 가스 시료가 SF6인 경우, SF6에 대한 흡착력이 띄어난 80/100 Molecular Sieve 5A가 충전된 흡착관(3324)을 적용할 수 있다.
전술된 흡착관(3324)은 폭기부(310)에서 액상 시료가 폭기되는 중에 저온 액체가 담긴 용기(3322)에 주입될 수 있다.
상기 저온 액체는 -198℃의 액체질소로 마련될 수 있으며, 폭기부(310)에서 액상 시료가 폭기되는 동안 용기 내에서 저온 액체의 수위가 일정하게 유지되어야 한다.
따라서 저온 액체가 담긴 용기(3322)에 주입된 흡착관(3324)에 대상 가스 시료가 통과하면서 흡착관(3324) 내의 충전 물질에 대상 가스 시료가 흡착 또는 포집될 수 있다.
전술된 바와 같이 저온 흡착을 통해 흡착관(3324)에 포집된 대상 가스 시료는 폭기부(310)에서 폭기 과정이 완료된 후에, 고온 탈착 부재(334)에 전달될 수 있다.
상기 고온 탈착 부재(334)는 고온의 액체가 담긴 용기(고온 액체 용기)를 포함할 수 있으며, 고온의 액체는 예를 들어 100℃ 이하의 뜨거운 물로 마련될 수 있으며, 가스 분석 장치(400)에서 가스가 분석되는 동안 일정한 온도가 유지되어야 한다.
구체적으로, 저온 흡착 부재(332)의 흡착관(3324)이 저온의 액체가 담긴 용기(3322)로부터 고온의 액체가 담긴 용기로 이동될 수 있다. 이에 의해 흡착관(3324)에 포집된 대상 가스 시료가 탈착될 수 있으며, 탈착된 대상 가스 시료가 가스 분석 장치(400)에 전달될 수 있다.
한편, 이물질 제거부(320) 및 대상 가스 시료 추출부(330) 사이에는 제1 6포트 밸브(VV1) 및 제2 6포트 밸브(VV2)가 연결될 수 있다.
상기 제1 6포트 밸브(VV1)의 일 측에는 이물질 제거부(320)가 연결되고 제1 6포트 밸브(VV1)의 타 측에는 제2 6포트 밸브(VV2)가 연결될 수 있으며, 추가적으로 제1 6포트 밸브(VV1)에는 검량 테스트(calibraion test)를 위한 표준가스 공급 장치(600)가 연결될 수 있다.
또한, 제2 6포트 밸브(VV2)의 일 측에는 제1 6포트 밸브(VV1)가 연결되고 제2 6포트 밸브(VV2)의 타 측에는 대상 가스 시료 추출부(330)가 연결될 수 있으며, 추가적으로 제2 6포트 밸브(VV2)에는 대상 가스 시료를 가스 분석 장치(400)에 운반하기 위한 운반가스를 공급하는 운반가스 공급 장치(500)가 연결될 수 있다. 그리고 제2 6포트 밸브(VV2)에는 ball flow meter로 마련된 제2 유량계(A2)가 연결될 수 있으며, 제2 유량계(A2)에 의해 외부로 배출되는 퍼지가스의 유량을 측정할 수 있다.
한편, 제1 6포트 밸브(VV1)의 A 위치(Position A)에서는 부하 모드(loading mode)가 되어, 이물질 제거부(320)에서 이물질이 제거된 대상 가스 시료가 제2 6포트 밸브(VV2)에 전달될 수 있다.
또한, 제2 6포트 밸브(VV2)는 B 위치(Position B)에서 주입 모드(injection mode)가 되어, 대상 가스 시료 추출부(330), 특히 고온 탈착 부재(334)에서 탈착된 대상 가스 시료가 가스 분석 장치(400)에 주입될 수 있다. 따라서 가스 분석 장치(400)에서 대상 가스 시료가 분석되는 동안 제2 6포트 밸브(VV2)는 B 위치에서 유지될 수 있다.
전술된 바와 같이 대상 가스 시료 추출부(330)로부터 대상 가스 시료가 가스 분석 장치(400)에 주입될 수 있다.
상기 가스 분석 장치(400)는 예를 들어 할로겐 화합물에 대한 감도가 매우 뛰어난 전자포획검출기(Electron Capture Detector; ECD)를 장착한 가스 크로마토그래프(Gas Chromatograph; GC)로 마련될 수 있다.
이때, 가스 분석 장치(400)에서 가스 분석에 앞서 대상 가스 시료 추출부(330)에서 전처리 과정으로서, 액상 시료 내에 극미량으로 용해되어 있는 대상 가스 시료를 추출해냄으로써, 가스 분석 장치(400)에서 대상 가스 시료를 보다 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 대상 가스 시료 추출부(330)로부터 대상 가스 시료를 가스 분석 장치(400)에 전달하기 위해 운반가스 공급 장치(500)로부터 운반가스가 제2 6포트 밸브(VV2)에 공급될 수 있다.
상기 운반가스는 대상 가스 시료와 비반응성을 갖고, 전자포획검출기(ECD)의 안정적인 배경 신호(background signal)에 효과적인 초고순도 질소 가스 또는 헬륨 가스로 마련될 수 있다.
상기 운반가스 공급 장치(500)에는 제3 유량계(A3)가 연결될 수 있으며, 제3 유량계(A3)에 의해 운반가스 공급 장치(500)로부터 공급되는 운반가스의 유량을 제어할 수 있다.
구체적으로 도시되지는 않았으나, 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템(10)에는 복수 개의 밸브의 작동, 시료 공급 장치(100), 퍼지가스 공급 장치(200), 가스 추출 장치(300), 가스 분석 장치(400), 운반가스 공급 장치(500) 또는 표준가스 공급 장치(600)의 작동을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어 장치에 의해 자동으로 또는 수동으로 복수 개의 밸브의 작동이 제어됨으로써 액상 시료, 대상 가스 시료, 퍼지가스, 운반가스 또는 표준가스의 흐름이 제어되고, 이에 연동되어 시료 공급 장치(100), 퍼지가스 공급 장치(200), 가스 추출 장치(300), 가스 분석 장치(400), 운반가스 공급 장치(500) 또는 표준가스 공급 장치(600)의 작동이 제어될 수 있다.
이와 같이 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템은 폭기, 저온 흡착 및 고온 탈착에 의해 액상 시료 내 포함된 미량의 대상 가스 시료를 효과적으로 추출할 수 있으며, 복수 개의 밸브의 자동 또는 반자동 제어를 통해 시퀀스가 진행되어 가스 추출 공정 또는 가스 분석 공정의 오차를 최대한으로 줄일 수 있다.
구체적으로, N2O 분석의 경우 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템은 다음과 같이 작동될 수 있다.
우선, 사전 준비 단계는 다음과 같다.
가스 분석 장치(400)의 전원을 켠다.
예를 들어, 운반가스의 유량은 3mL/min로 설정되고, 가스 분석 장치(400) 내 검출기의 온도가 250℃로 설정되며, 가스 분석 장치(400) 내 오븐의 온도는 150℃ 및 30℃로 설정될 수 있다.
구체적으로 오븐의 온도는 가스 분석 장치(400)를 처음 켰을 때, 오븐 내에 연결되어 있는 컬럼(column)에 있을 수 있는 오염물질을 운반가스와 함께 배출시키기 위해 분석 시 보다 높은 온도(150℃)로 30분 이상 컬럼 컨디셔닝을 할 필요가 있으며, 이후 대상 가스 시료 N2O의 분석을 위해서는 오븐의 온도를 30℃로 설정될 수 있다.이어서, 가스 추출 장치(300)의 전원을 켠다.
예를 들어, 처음 준비 상태에서 제1, 제2, 제3 및 제4 솔레노이드 밸브(SV1, SV2, SV3 및 SV4)는 모두 꺼진(off) 상태로 시작하되, 퍼지가스의 유량을 확인하기 위해 제1 유량계(A1)에서 퍼지가스의 유량은 120 mL/min으로 설정되고, 제1, 제2 솔레노이드 밸브 및 제3 솔레노이드 밸브(SV1, SV2 및 SV3)는 계속 꺼진(off) 상태로 유지될 수 있고, 제4 솔레노이드 밸브(SV4)는 켜진(on) 상태로 전환될 수 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 솔레노이드 밸브 중 어느 하나의 솔레노이드 밸브라도 켜진(on) 상태로 유지할 때에는 솔레노이드 밸브에 장시간 전류가 흘러 밸브 자체의 온도가 상승될 수 있어, 냉각 팬(CF)의 작동이 함께 개시되어야 한다.
이때, 제1 6포트 밸브(VV1)는 A 위치(Position A)로 되고 제2 6포트 밸브(VV2)는 B 위치(Position B)로 될 수 있다.
이는 가스 추출 장치(300)의 오염을 방지하기 위한 것으로서, 구체적으로 퍼지가스는 폭기부(310)와 이물질 제거부(320)을 순차적으로 지나 최종적으로 제2 유량계(A2)를 통과하여 배출됨으로써 퍼지가스가 흐르는 유로를 깨끗하게 준비시킬 수 있고, 또한 운반 가스는 제2 6포트 밸브(VV2)를 통해 대상 가스 시료 추출부(330)를 지나 가스 분석 장치(400)로 지속적으로 공급됨으로써 운반 가스가 흐르는 대상 가스 시료 분석 유로를 깨끗하게 준비시킬 수 있다.
또한, 제1 수분 제거 부재(322)에서 펠티에소자(3222)의 온도는 -12℃로 설정한다.
이때, 제1 냉각관(3224) 및 제2 냉각관(3226)의 하단에 구비된 클램프를 개방시켜 제1 냉각관(3224) 및 제2 냉각관(3226) 내 수분을 제거한다.
그리고 이산화탄소 제거 부재(324) 및 제2 수분 제거 부재(326)를 점검한다.
또한, 대상 가스 시료 추출부(330)에서 저온 흡착 및 고온 탈착을 위해서 액화질소(Liquid N2) 및 끓는 물 제조용 전기 포트(주전자)를 준비한다.
한편, 검량 테스트(Calibration test) 단계는 다음과 같다.
우선, 표준가스 공급 장치(600)와 제1 6포트 밸브(VV1)/제2 6포트 밸브(VV2)의 연결을 확인한다.
이어서, 솔레노이드 밸브와 6포트 밸브의 준비 상태 확인으로서, 구체적으로 제1, 제2, 제3, 및 제4 솔레노이드 밸브(SV1, SV2, SV3 및 SV4)는 모두 off 상태이고, 제1 6포트 밸브(VV1)는 A 위치(Position A)이고, 제2 6포트 밸브(VV2)는 B 위치(Position B)의 준비 상태로 된다.
그리고 사전 준비 단계에서 설정된 운반가스의 유량(3mL/min)과 퍼지가스의 유량(120mL/min)을 확인한다.
그런 다음, 검량 테스트 공정을 시작하기 1 내지 2분 전에 흡착관(3324)이 저온 액체가 담긴 용기(3322) 내에 배치되어, 흡착관(3324)의 온도가 충분히 저온 상태로 준비된 후, 검량 테스트 공정을 시작한다.
먼저, 표준가스 공급 장치(600)는 3초 동안 표준가스 루프(std. loop)를 채울 수 있도록 표준가스 공급 후 폐쇄될 수 있다.
이어서, 제2 6포트 밸브(VV2)를 A 위치(Position A)로 전환하고, 제4 솔레노이드 밸브(SV4) 및 냉각 팬(CF)을 on 상태로 전환한다.
이때, 제2 유량계(A2)에서 퍼지가스의 유량(120mL/min)을 확인할 수 있고, 표준가스 루프에 채워진 표준가스의 배출 압력이 대기압으로 일정하게 유지되도록 5 내지 10초 대기한 후, 제1 6포트 밸브(VV1)를 B 위치(Position B)로 전환한다.
그런 다음, 제1 6포트 밸브(VV1)는 일정 시간 동안 대기할 수 있으며, 이는 표준가스 루프에 채워진 표준가스를 퍼지가스가 밀고 흡착관(3324)으로 이동시켜 저온 흡착 공정이 진행되는 시간이다.
상기 일정 시간은 예를 들어 부하 체적(loading volume)이 표준가스 루프(std. loop)의 체적 및 불용 체적(dead volume)의 합보다 10배 이상이 되도록 설정될 수 있다.
한편, 가스 분석 장치(400)에서 표준가스의 분석을 위해, 고온 탈착 공정을 위한 고온 액체가 담긴 용기를 준비하고, 제2 6포트 밸브(VV2)를 B 위치(Position B)로 전환하고, 제1 6포트 밸브(VV1)를 A 위치(Position A)로 전환한다.
이어서, 가스 분석 장치(400)의 분석시작 메뉴를 가동시키고, 저온 액체가 담긴 용기(3322)에 주입된 흡착관(3324)을 고온 액체가 담긴 용기로 옮기면서, 고온 탈착 공정에 의한 가스 분석 장치(400)에서의 가스 분석이 시작된다.
예를 들어, 약 3min 동안 고온 탈착 시간을 유지한 후, 흡착관(3324)을 냉수에 식히고, 다음 분석 준비 시에 흡착관(3324)을 저온 액체 용기(3322)로 다시 옮긴다.
이후에 가스 분석 장치(400)에서 표준가스의 검출신호 결과를 확인한다.
예를 들어 5회 이상 표준가스를 이용한 검량 테스트 후 가스 분석 장치(400) 내 배치된 오븐을 가열(150℃)시킴으로써, 컬럼(column)에 잔존할 수 있는 오염물질을 제거할 수 있다.
한편, 액상 시료 내의 대상 가스 시료 검출(sample analysis) 과정은 다음과 같다.
우선, 준비 상태로서, 제1, 제2, 제3, 및 제4 솔레노이드 밸브(SV1, SV2, SV3 및 SV4)는 모두 off 상태이고, 제1 6포트 밸브(VV1)는 A 위치(Position A)이고, 제2 6포트 밸브(VV2)는 B 위치(Position B)가 된다.
그리고 운반가스의 유량과 퍼지가스의 유량을 확인한다.
그런 다음, 흡착관(3324)을 저온 액체가 담긴 용기(3322) 내에 주입하고, 제2 6포트 밸브(VV2)를 A 위치(Position A)로 전환한다.
이어서, 액상 시료를 폭기부(310)에 공급한다.
구체적으로, 제1 솔레노이드 밸브(SV1) 및 제3 솔레노이드 밸브(SV3)가 개방(on)으로 됨으로써 액상 시료가 폭기부(310)에 공급될 수 있다.
이때, 시료 공급 장치(100)의 용기 내에 포함된 액상 시료 전량을 폭기부(310)에 전달하는 경우, 용기의 부피에 해당하는 만큼의 기체상(gas phase)이 발생할 수 있고, 로딩(loading) 시간 동안 탈기(degassing)가 일어날 수 있으므로, 액상 시료 전량이 폭기부(310)에 전달된 후 일정 시간 동안 로딩 상태 또는 공급 상태를 유지해야 한다.
따라서 폭기부(310)에 연결된 제1 솔레노이드 밸브(SV1) 및 제3 솔레노이드 밸브(SV3)가 일정 시간 동안 로딩 상태 또는 공급 상태를 추가적으로 유지하도록 제어될 수 있다. 특히, 상기 일정 시간은 용기 부피의 3배를 퍼지 속도(폭기 유량)로 나눈 값으로 설정될 수 있다.
반면, 시료 공급 장치(100)의 용기 내에 포함된 액상 시료 전량의 일부만 분석에 사용할 경우, 일정량의 액상 시료가 폭기부(310)에 전달된 후에 시료 공급 장치(100)로부터 액상 시료의 공급이 중단될 수 있다.
이와 같이 액상 시료의 공급량에 따라서 제1 솔레노이드 밸브(SV1) 및 제3 솔레노이드 밸브(SV3)가 일정 시간 동안 로딩 상태 또는 공급 상태를 유지하도록 제어되거나, 제1 솔레노이드 밸브(SV1) 및 제3 솔레노이드 밸브(SV3)가 즉시 폐쇄되도록 제어될 수 있다.
폭기부(310)에 액상 시료가 전달되면 폭기 및 저온 흡착 공정이 시작된다.
이때, 제1 솔레노이드 밸브(SV1) 및 제3 솔레노이드 밸브(SV3)가 off 상태로 되고, 제4 솔레노이드 밸브(SV4)가 on 상태로 되어 유리 프릿(312)을 통한 폭기가 시작될 수 있다.
특히, 폭기 공정 동안 제4 솔레노이드 밸브(SV4)에 장시간 전류가 흐를 수 있으며, 제4 솔레노이드 밸브(SV4) 자체의 온도가 상승될 수 있어, 냉각 팬(CF)의 작동이 개시되어야 한다. 따라서 냉각 팬(CF)은 제1, 제2, 제3, 및 제4 솔레노이드 밸브(SV1, SV2, SV3 및 SV4)를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 위치에 배치될 수 있다.
또한, 폭기부(310)에서 폭기 시간은 총 폭기 체적이 폭기부(310)로 공급된 액상 시료의 체적 및 불용 체적의 합보다 10배 이상이 되도록 설정될 수 있다.
이러한 폭기 공정의 종료 전 고온 탈착 부재(334)가 준비되고, 액상 시료의 배출을 위한 용기가 준비될 수 있다.
폭기부(310)에서의 폭기 공정 및 저온 흡착 부재(332)에서의 저온 흡착 공정을 종료하기 위해, 제4 솔레노이드 밸브(SV4)는 off 상태로 전환하고 제2 6포트 밸브(VV2)는 B 위치(Position B)로 전환한다.
이때, 가스 분석 장치(400)에서 대상 가스 시료의 분석이 시작되고, 저온 액체가 담긴 용기(3322)에 주입된 흡착관(3324)을 고온 액체가 담긴 용기로 이동시킨다. 그리고 약 3 min 동안 대상 가스 시료를 고온 탈착시킨 이후, 흡착관(3324)을 냉수에 식힌다.
이때, 가스 분석 장치(400)에서 대상 가스 시료의 분석이 종료될 때까지 제2 6포트 밸브(VV2)는 B 위치(Position B)에서 유지된다.
이후에, 폭기부(310)에 공급된 액상 시료를 제거한다.
이때, 제2, 제3, 및 제4 솔레노이드 밸브(SV2, SV3 및 SV4)가 모두 on 상태로 되고, 모든 액상 시료가 배출될 때까지 제2 유량계(A2)의 단부에 연결된 퍼지가스 단부 라인의 실리콘 튜브 부분을 접음으로써 폐쇄시킬 수 있다.
이에 의해 폭기부(310)로 공급된 퍼지가스가 제2 유량계(A2)의 단부를 통해 외부로 배출되지 않고 폭기부(310) 내의 액상 시료를 제3 솔레노이드 밸브(SV3) 및 제2 솔레노이드 밸브(SV2)를 순차적으로 통과시켜 시료 배출 용기로 밀어낼 수 있다.
그리고, 배출된 액상 시료가 담긴 용기의 무게를 측정한 후, 용기 자체의 무게를 차감시킴으로써 실제 가스 분석에 사용된 액상 시료의 무게를 산출할 수 있다.
이와 같이 액상 시료가 제거된 후, 제1, 제2, 제3 및 제4 솔레노이드 밸브(SV1, SV2, SV3 및 SV4)를 처음의 준비 상태로 off시킨다.
이후에, 가스 분석 장치(400)에서 대상 가스 시료의 검출 신호를 확인하고, 다음 액상 시료를 분석할 준비를 하며, 가스 분석 장치(400) 내 오븐을 가열하여 컬럼에 잔류할 수 있는 오염물질을 제거한다.
이때, 가스 분석 장치(400) 내 오븐의 가열은 다음 액상 시료가 폭기되는 중에 실시하는 것이 바람직할 수 있다. 가스 분석 장치(400) 내 오븐을 가열하지 않는 경우, 배경 신호(background signal) 증가 또는 대상 가스 시료의 신호 과소 추정(signal underestimation) 현상이 발생할 수 있다.
이상 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 가스 분석 시스템을 이용한 테스트 결과에 대하여 설명된다.
도 2는 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템을 통한 재현성 테스트 결과를 도시하고, 도 3은 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템을 통한 검량 테스트 결과를 도시한다.
도 2를 참조하여, 10.1ppm 농도의 N2O 표준가스를 2mL 주입하여 저온 흡착 부재에서 농축한 후 고온 탈착 부재에서 탈착시켜 반복 측정한 결과, 4.4% 정도의 오차 범위로 높은 재현성을 나타내었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하여, 100ppm N2O 표준가스를 각기 다른 부피로(16uL에서부터 106uL까지) 주입하여 농축/포집/탈착의 과정을 거쳐 측정한 결과 매우 높은 회귀선에 대한 신뢰도를 보여주었다(R2=0.998). 그리고 측정 가능한 N2O의 최저 농도가 0.064nmol(64 pico mole)으로써 일 실시예에 따른 가스 분석 시스템이 매우 저농도의 대상 가스 시료 측정에 적합한 시스템임을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 가스 분석 시스템
100: 시료 공급 장치
200: 퍼지가스 공급 장치
300: 가스 추출 장치
310: 폭기부
320: 이물질 제거부
322: 제1 수분 제거 부재
3222: 펠티에소자
3224: 제1 냉각관
3226: 제2 냉각관
3228: 써모커플
324: 이산화탄소 제거 부재
326: 제2 수분 제거 부재
330: 대상 가스 시료 추출부
332: 저온 흡착 부재
3322: 저온 액체 용기
3324: 흡착관
334: 고온 탈착 부재
400: 가스 분석 장치
500: 운반가스 공급 장치
600: 표준가스 공급 장치
A1: 제1 유량계
A2: 제2 유량계
A3: 제3 유량계
SV1: 제1 솔레노이드 밸브
SV2: 제2 솔레노이드 밸브
SV3: 제3 솔레노이드 밸브
VV1: 제1 6포트 밸브
VV2: 제2 6포트 밸브
CF: 냉각 팬

Claims (13)

  1. 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료를 퍼지가스에 의해 폭기시켜 상기 대상 가스 시료를 상기 액상 시료로부터 분리시키는 폭기부;
    상기 폭기부에서 분리된 대상 가스 시료 내 포함된 수분 또는 이산화탄소를 제거하는 이물질 제거부; 및
    상기 이물질이 제거된 대상 가스 시료를 저온 농축 및 고온 탈착하는 대상 가스 시료 추출부;
    를 포함하고,
    상기 이물질 제거부는 적어도 하나의 수분 제거 부재 또는 적어도 하나의 이산화탄소 제거 부재를 포함하며,
    상기 이물질 제거부는,
    상기 대상 가스 시료 내 포함된 수분을 제거하는 제1 수분 제거 부재;
    상기 제1 수분 제거 부재에서 수분이 제거된 대상 가스 시료 내 포함된 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거 부재; 및
    상기 이산화탄소 제거 부재에서 이산화탄소가 제거된 대상 가스 시료 내 포함된 수분을 제거하는 제2 수분 제거 부재;
    를 포함하고,
    상기 이산화탄소 제거 부재는 소다라임(sodalime) 및 수분흡착제를 포함하고, 상기 제2 수분 제거 부재는 수분흡착제를 포함하는 가스 추출 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수분 제거 부재는,
    펠티에소자;
    상기 펠티에소자 내에 배치되는 제1 냉각관; 및
    상기 펠티에소자 내에서 상기 제1 냉각관과 유체 연결되는 제2 냉각관;
    을 포함하고,
    상기 제1 냉각관 및 상기 제2 냉각관 사이에 상기 펠티에소자의 온도를 측정하는 써모커플이 배치되는 가스 추출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 대상 가스 시료 추출부는,
    저온의 액체가 담긴 용기 및 상기 용기 내에 배치된 흡착관을 포함하는 저온 흡착 부재; 및
    고온의 액체가 담긴 용기로 마련되어, 상기 저온 흡착 부재에서 흡착된 대상 가스 시료를 상기 저온 흡착 부재로부터 탈착시키는 고온 탈착 부재;
    를 포함하고,
    상기 흡착관은 상기 저온의 액체가 담긴 용기로부터 상기 고온의 액체가 담긴 용기로 이동되는 가스 추출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폭기부, 상기 이물질 제거부 또는 상기 대상 가스 시료 추출부에는 복수 개의 밸브가 연결되고, 상기 복수 개의 밸브의 제어에 의해 상기 폭기부, 상기 이물질 제거부 또는 상기 대상 가스 시료 추출부의 작동이 제어되는 가스 추출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수 개의 밸브는 상기 폭기부에 연결되어 상기 액상 시료 또는 상기 퍼지가스의 주입 또는 배출을 제어하는 솔레노이드 밸브를 포함하고,
    상기 솔레노이드 밸브에 인접하게 냉각 팬이 구비되어, 상기 솔레노이드 밸브의 작동에 의한 상기 솔레노이드 밸브 자체의 과열이 방지되는 가스 추출 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수 개의 밸브는,
    상기 이물질 제거부에 연결된 제1 6포트 밸브; 및
    상기 제1 6포트 밸브 및 상기 대상 가스 시료 추출부 사이에 연결된 제2 6포트 밸브;
    를 포함하고,
    상기 제1 6포트 밸브에는 검량 테스트를 위한 표준가스 공급 장치가 연결되고,
    상기 제2 6포트 밸브에는 상기 대상 가스 시료의 분석을 위한 가스 분석 장치 및 상기 대상 가스 시료를 상기 가스 분석 장치에 운반하도록 운반가스를 공급하는 운반가스 공급 장치가 연결되는 가스 추출 장치.
  8. 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료로부터 상기 대상 가스 시료를 추출하는 가스 추출 장치; 및
    상기 가스 추출 장치에서 추출된 대상 가스 시료를 분석하는 가스 분석 장치;
    를 포함하고,
    상기 가스 추출 장치는,
    저온의 액체가 담긴 용기 및 상기 용기 내에 배치된 흡착관을 포함하는 저온 흡착 부재; 및
    고온의 액체가 담긴 용기로 마련되어, 상기 저온 흡착 부재에서 흡착된 대상 가스 시료를 상기 저온 흡착 부재로부터 탈착시키는 고온 탈착 부재;
    를 포함하며,
    상기 가스 분석 장치의 작동이 개시되면 상기 흡착관이 상기 저온의 액체가 담긴 용기로부터 상기 고온의 액체가 담긴 용기로 옮겨지고,
    상기 가스 추출 장치는,
    상기 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료 내 포함된 수분 또는 이산화탄소를 제거하는 이물질 제거부를 포함하고,
    상기 이물질 제거부는,
    상기 대상 가스 시료 내 포함된 수분을 제거하는 제1 수분 제거 부재;
    상기 제1 수분 제거 부재에서 수분이 제거된 대상 가스 시료 내 포함된 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거 부재; 및
    상기 이산화탄소 제거 부재에서 이산화탄소가 제거된 대상 가스 시료 내 포함된 수분을 제거하는 제2 수분 제거 부재;
    를 포함하고,
    상기 이산화탄소 제거 부재는 소다라임(sodalime) 및 수분흡착제를 포함하고, 상기 제2 수분 제거 부재는 수분흡착제를 포함하는 가스 분석 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가스 추출 장치에는 퍼지가스 공급 장치가 연결되고,
    상기 가스 분석 장치에서 상기 대상 가스 시료가 분석되는 동안 상기 가스 추출 장치에 상기 퍼지가스 공급 장치로부터 퍼지가스가 지속적으로 공급되는 가스 분석 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가스 추출 장치에서 상기 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료는 상기 퍼지가스 공급 장치에서 공급된 퍼지가스에 의해 폭기되고,
    상기 가스 추출 장치에서 상기 액상 시료가 폭기되는 동안, 상기 저온 흡착 부재에서 상기 용기 내에 담긴 저온의 액체 수위가 일정하게 유지되는 가스 분석 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 퍼지가스 공급 장치 및 상기 가스 추출 장치 사이에는 상기 퍼지가스 공급 장치에서 공급된 퍼지가스의 유량을 제어하는 제1 유량계가 연결되고,
    상기 가스 추출 장치 내에는 상기 퍼지가스 공급 장치로부터 공급되어 상기 가스 추출 장치로부터 배출되는 퍼지가스의 유량을 측정하는 제2 유량계가 연결되는 가스 분석 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 가스 추출 장치는,
    상기 대상 가스 시료가 용해된 액상 시료를 상기 퍼지가스에 의해 폭기시켜 상기 액상 시료로부터 상기 대상 가스 시료를 분리시키는 폭기 부재;
    를 더 포함하고,
    상기 폭기 부재에는 상기 대상가스 시료가 용해된 액상 시료의 공급을 제어하는 솔레노이드 밸브가 연결되며, 상기 솔레노이드 밸브는 상기 액상 시료의 공급량에 따라서 일정 시간 동안 공급 상태를 유지하도록 제어되는 가스 분석 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 폭기 부재에 공급된 상기 액상 시료는 상기 가스 분석 장치에서 상기 대상 가스 시료가 분석된 후에 상기 퍼지가스에 의해 상기 솔레노이드 밸브를 통과하여 시료 배출 용기에 배출되는 가스 분석 시스템.
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