KR102055632B1 - 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기 - Google Patents

평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기 Download PDF

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Abstract

개시되는 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기는, 공기 시료가 특정한 방향으로 이동하는 유동경로를 제공하는 이온화 유동로; 상기 이온화 유동로를 따라 나란하게 배치되고, 밀폐된 내부 공간에 수용된 방전가스에 전기력을 인가하여 진공자외선을 생성하고, 상기 진공자외선을 상기 이온화 유동로로 조사하는 광원 셀(cell)이 평면상에 복수개가 형성된 평판형 램프; 상기 이온화 유동로에 배치되며, 상기 공기 시료가 상기 진공자외선을 흡수하여 이온화되어 생성된 이온을 검출하는 검출 전극; 및 복수의 상기 광원 셀을 순차 구동하는 제어부;를 포함한다.

Description

평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기{Photoionization Detector Using Flat Type Lamp}
본 발명(Disclosure)은, 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에 관한 것으로서, 구체적으로 개별적으로 구동하는 복수의 광원 셀을 순차 구동함으로써, 광 이온화 검출기용 램프의 수명을 연장 할 수 있는 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
광 이온화(photoionization) 현상은, 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 이 빛을 흡수한 원자가 전자를 방출하는 광전효과의 일종이다. 원자가 이온화되면, 전자기력을 이용하여, 해당 원자를 전기적으로 검출하는 것이 쉬워진다.
즉, 이온화된 원자핵이나 전자를 전기적 회로에서 캐리어(carrier)로 작동하게 함으로써, 정밀한 검출이 가능하다.
이때, 빛의 에너지 즉, 광자(photon, 光子)의 진동수를 제어함으로써, 특정 물질의 양과 종류를 검출할 수 있다.
광 이온화 검출기(Photo-Ionization Detector, 이하 PID)는, 이러한 광 이온현상을 이용한 것으로서, 원자를 이온화시키는 빛을 생성하는 PID용 램프는 가장 중요한 핵심 부품이다.
종래의 PID용 램프는, 유리 재질의 튜브안에 방전가스를 충진한 후 밀봉한 구조이다. 방전가스는 DC(direct current) 또는 RF(radio frequency)로 여기(excited) 된다.
방전가스의 종류에 따라서 방출되는 빛의 파장이 달라지는데, 일반적인 PID용 램프는, 검출하고자 하는 물질의 이온화 에너지보다 충분히 높은 10nm ~ 200nm의 파장을 가지는 진공자외선(VUV)을 방출한다.
상술한 바와 같이, 종래의 PID용 램프의 구조는, 백열전구의 구조와 유사하나, 하나의 램프를 개별적으로 제조해야 하기 때문에, 대량생산이 어려우며, 균일한 특성 유지에도 어려움이 있으며, 특히 램프의 수명이 짧은 단점이 있다.
1. 한국공개특허공보 제10-2015-0070445호
본 발명(Disclosure)은, 개별적으로 구동하는 복수의 광원 셀을 순차 구동함으로써, 광 이온화 검출기용 램프의 수명을 연장 할 수 있는 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기의 제공을 일 목적으로 한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명을 기술하는 여러 관점들 중 어느 일 관점(aspect)에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기는, 공기 시료가 특정한 방향으로 이동하는 유동경로를 제공하는 이온화 유동로; 상기 이온화 유동로를 따라 나란하게 배치되고, 밀폐된 내부 공간에 수용된 방전가스에 전기력을 인가하여 진공자외선을 생성하고, 상기 진공자외선을 상기 이온화 유동로로 조사하는 광원 셀(cell)이 평면상에 복수개가 형성된 평판형 램프; 상기 이온화 유동로에 배치되며, 상기 공기 시료가 상기 진공자외선을 흡수하여 이온화되어 생성된 이온을 검출하는 검출 전극; 및 복수의 상기 광원 셀을 순차 구동하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에서, 상기 광원 셀 전부가 동시에 구동되는 상태에서 상기 진공자외선의 광자(photon, 光子)의 수를 합한 동시구동 광량 및, 상기 광원 셀이 순차 구동되는 상태에서 상기 진공자외선의 광자의 수를 합한 순차구동 광량이 서로 동일하다.
본 발명의 다른 일 관점(aspect)에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에서, 상기 유동경로의 수직한 방향을 따라 상기 진공자외선에 의한 광자(photon, 光子)의 수를 합한 단위 광량이, 상기 유동경로를 따라 이동함에 따라 일정하다.
본 발명의 또 다른 일 관점(aspect)에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에서, 상기 공기 시료가 유동하는 유동 속도를 측정하는 측정부를 더 포함하여, 상기 제어부는, 상기 유동 속도에 따라 순차 구동 상태에서 동시에 구동되는 상기 광원 셀의 수와, 상기 순차 구동의 시간 주기 및, 상기 전기력중 적어도 어느 하나를 제어한다.
본 발명의 또 다른 일 관점(aspect)에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에서, 상기 전기력의 최소값은, 상기 진공자외선이 최단거리로 통과하는 상기 이온화 유동로의 두께에 비례한다.
본 발명의 또 다른 일 관점(aspect)에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에서, 순차 동작할 때 동시에 구동되는 상기 광원 셀의 구동 조합은, 상기 유동경로를 따라 나란하게 배치된다.
본 발명에 따르면, 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에 관한 것으로서, 구체적으로 개별적으로 구동하는 복수의 광원 셀을 순차 구동함으로써, 광 이온화 검출기용 램프의 수명을 연장 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 평판형 램프를 이용한 광이온 검출기의 평판형 램프의 일 실시형태를 보인 도면.
도 2는 도 1의 변형예를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기를 설명하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에서 단위 광량을 설명하는 도면.
이하, 본 발명에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기를 구현한 실시형태를 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
다만, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상에 기초하여 통상의 기술자에 의해 이하에서 설명되는 실시형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안될 수 있는 범위를 포섭함을 밝힌다.
또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 평판형 램프를 이용한 광이온 검출기의 평판형 램프의 일 실시형태를 보인 도면이며, 도 2는 도 1의 변형예를 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 평판형 광 이온화 검출기용 램프(1100)는, 제1,2 판재(1110,11120), 복수의 방전용 캐비티(1111), 전극(1130), 방전가스를 포함한다.
제1,2 판재(1110,11120)는, 판상으로 구비되며, 진공자외선이 투과될 수 있는 재질이면 어느 것이든 무방하다(예: Glass, MgF2).
제1 판재(1110)는, 제1 면(1110a)에 복수의 방전용 캐비티(1111,cavity)가 형성된다.
복수의 방전용 캐비티(1111)는, 제1 판재(1110)의 제1 면(1110a)으로부터 제1 판재(1110)의 두께방향으로 함몰되어 형성된다.
복수의 방전용 캐비티(1111)는, 서로 구획되어 있다면 그 형상이 제한되지 않으나, 집적도의 향상을 위해 격자형으로 구비되는 것이 바람직하다.
복수의 방전용 캐비티(1111)는, 제1 판재(1110)의 일부를 제거하여 형성하는 홈 형상으로서, 이를 형성하는 방법으로 화학적 에칭 또는 샌드블라스팅과 같은 물리적 에칭 방법이 적용될 수 있다.
복수의 방전용 캐비티(1111)는, 제1 판재(1110)의 제1 면(1110a)에 제2 판재(1120)가 맞대어져 밀봉됨으로서, 외부와 격리된다.
여기서, 밀봉은 hermetic sealing을 의미한다.
또한, 밀봉을 위해 제1,2 판재(1110,1120)에 밀봉재(1140)(예: 자외선 수지, 프릿(frit), 본딩용 메탈)를 도포 또는 증착하고, 가접을 위해 레이저, RF, 마이크로웨이브, IR램프를 이용하며, 합착 강화하여 밀폐도를 향상시키게 된다.
한편, 전극(1130)은 제1,2 판재(1110,1120)에 각각 구비되며, 복수의 방전용 캐비티(1111) 각각을 사이에 두고 서로 마주하도록 구비된다. 전극(1130)은 증착을 통해 형성될 수 있다.
방전가스는, 복수의 방전용 캐비티(1111)와 제2 판재(1120)에 의해 형성되는 방전공간에 충진되어 구비되고, 전극(1130)을 통해 인가되는 전기력에 의해 진공자외선을 생성하는 비활성기체(예: Xe, Kr)로 구비된다.
본 실시형태에서, 방전가스는 복수의 방전용 캐비티(1111)가 형성된 제1 판재(1110)와 제2 판재(1120)의 접합과정과 동시에 복수의 방전용 캐비티(1111)에 충진된다.
이에 이해, 각 복수의 방전용 캐비티(1111)에 방전가스의 충진을 위해 제1,2 판재(1110,1120)에 충진홀을 형성하거나, 충진을 위한 유리관을 형성하는 것이 불필요한 이점을 가진다. 또한 복수의 방전용 캐비티(1111)에 충진되는 방전가스의 밀도가 균일하여 방전특성이 동등한 복수의 램프를 제조할 수 있게 된다.
이는 방전가스 분위기의 챔버 내에서 제1,2 판재(1110,1120)를 접합하는 것으로 해결할 수 있다.
구체적으로, 외부와 격리되고 방전가스로 채워진 챔버(1160)에 제1,2 판재(1110,1120)를 위치한 후 챔버(1160) 내부를 진공화한 후, 챔버(1160) 내부에 방전가스를 주입하여 제1,2 판재(1110,1120)가 방전가스 분위기에 놓이도록 한 상태에서 제2 판재(1120)가 제1 판재(1110)에 접합된다.
이 과정에서 제2 판재(1120)와 제1 판재(1110)의 접합과 동시에 복수의 방전용 캐비티(1111)에 방전가스가 균일하게 주입되게 된다.
한편, 본 실시형태에서, 복수의 방전용 캐비티(1111)는 제2 판재(1120)에 의해 서로 연통되지 않도록 밀봉된다. 이에 의해 제1,2 판재(1110,1120)를 절단하여 램프(1100)를 개별화할 수 있다.
이때, 개별화된 램프(1100)는, 광이온화 센서의 형태에 따라 또는 설계자의 필요에 따라 복수의 방전용 캐비티(1111) 하나 또는 여러 개를 포함되도록 개별활 될 수 있다.
한편, 본 실시형태에서, 제1,2 판재(1110,1120)가 밀봉된 상태에서, 복수의 방전용 캐비티(1111) 전체 또는 일부가 서로 연통되도록 구비될 수도 있다.
이는 복수의 방전용 캐비티(1111)를 형성하는 과정에서, 복수의 방전용 캐비티(1111)를 구획하는 벽의 높이를 약간 낮춤으로써 형성할 수 있다.
이에 의하면, 개별화된 복수의 방전용 캐비티(1111)에 충진되는 방전가스의 밀도를 균일하게 유지할 수 있는 이점을 가진다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 평판형 광 이온화 검출기용 램프(1100)는, 복수의 방전용 캐비티(1111)를 형성하기 위해 스페이서(1113)를 구비하는 점을 제외하면 앞서 설명한 실시형태와 동일하다.
스페이서(1113)는, 제1 판재(1110)의 제1 면(1110a)에 접합되는 구성으로서, 제1 면을 복수의 영역으로 구획한다.
이에 의해, 복수의 방전용 캐비티(1111)를 형성하기 위해, 제1 판재(1110)를 제거하는 앞선 실시형태와 차이를 가진다.
도 3은 본 발명에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기를 설명하는 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에서 단위 광량을 설명하는 도면이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 실시형태에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기는, 이온화 유동로(10)와 평판형 램프(20)와 검출 전극(40) 및 제어부(30)를 포함한다.
이온화 유동로(10)는, 공기 시료(11)가 특정한 방향으로 이동하는 유동경로(12)를 제공한다.
공기 시료(11)는, 외부 공기의 일부가 이온화 유동로(10)로 유입된 것으로서, 광 이온화 검출기를 이용하여 검출하고자 하는 물질을 포함한다.
또한 공기 시료(11)는 연속적으로 이온화 유동로(10)로 유입되며, 특정한 시점에 가상의 공간으로 구획될 수 있다.
평판형 램프(20)는, 평면상에 형성된 복수개의 광원 셀(21)이 이온화 유동로(10)를 따라 나란하게 배치된다.
광원 셀(21)은, 밀폐된 내부 공간에 수용된 방전가스에 전기력을 인가하여 진공자외선(21c)을 생성한다. 상술한 바와 같이 광원 셀(21)은, 이온화 유동로(10)를 따라 배치됨으로써, 생성된 진공자외선(21c)을 이온화 유동로(10)로 조사한다.
광원 셀(21)은, 바람직하게는 캐비티(cavity) 및 방전전극을 포함한다. 캐비티는, 방전가스를 수용하는 밀폐된 내부 공간이며, 방전전극은 방전가스에 전기력을 인가하는 전극 단자이다.
이때 광원 셀(21)은, 복수의 또 다른 서브셀(sub-cell)로 구성될 수 있다.
검출 전극(40)은, 이온화 유동로(10)내에 배치되어, 공기 시료(11)가 진공자외선(21c)을 흡수하여 이온화되어 생성된 이온을 검출한다.
제어부(30)는, 복수의 광원 셀(21)을 순차 구동한다.
복수의 광원 셀(21)은, 전기적으로 결선될 수 있으며, 제어부(30)는 모든 광원 셀(21)을 개별적으로 구동할 수 있다. 이때, 광원 셀(21)을 구동하는 것은, 방전가스에 전기력을 인가하는 것이다.
따라서 본 발명에 따른 평판형 램프(20)를 이용한 광 이온화 검출기는, 개별 구동되는 복수의 광원 셀(21)이 평면상에 배치된 평판형 램프(20)를, 광 이온화 검출기용 광원을 이용하고, 복수의 광원 셀(21)을 순차 구동함으로써, 램프의 수명을 연장할 수 있다.
본 실시형태에 또 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기는, 동시구동 광량 및 순차구동 광량이 동일하도록 작동한다.
동시구동 광량은, 광원 셀(21) 전부가 동시에 구동되는 상태에서 진공자외선(21c)의 광자(photon, 光子)의 수를 합한 값이다. 또한, 순차구동 광량은, 광원 셀(21)이 순차 구동되는 상태에서 진공자외선(21c)의 광자의 수를 합한 값이다.
따라서 본 실시형태에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기는, 광원 셀(21)이 순차 구동되거나 또는 동시 구동될 때, 생성되는 진공자외선(21c) 대비, 검출 대상 물질의 이온화된 원자의 수량의 비는 동일하게 유지할 수 있다.
또한 도 1 내지 도2를 참조하면, 본 발명에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기의 또 다른 실시형태에서는, 유동경로(12)의 수직한 방향(21a) 따라 진공자외선(21c)에 의한 광자(photon, 光子)의 수를 합한 단위 광량이, 유동경로(12)를 따라 이동함에 따라 일정하게 작동된다.
단위 광량이 유동경로(12)를 따라 달라지면, 공기 시료(11)의 위치에 따라서, 진공자외선(21c) 흡수량이 달라질 수 있다.
공기 시료(11)는 이온화 유동로(10)를 따라 유동함으로써, 광 이온화 검출기는 공기중에 포함된 검출 대상 물질을 실시간으로 검출할 수 있다.
상술한 단위 광량이 유동경로(12)를 따라 달라지면, 공기 시료(11)가 유동하는 속도에 따라 공기 시료(11)중 특정한 부분에 조사되는 진공자외선(21c)의 광량이, 공기 시료 또 다른 특정한 부분에 조사되는 진공자외선(21c)의 광량과 달라질 수 있다.
즉, 가상의 공간으로 구획되는 공기 시료(11)의 서로 다른 위치에서, 진공자외선(21c)의 조사량이 달라진다. 진공자외선(21c)의 조사량이 달라지면, 광 이온화에 의해 이온화 하는 원자의 절대량이 달라질 수 있다.
그러므로, 단위 광량이 유동경로(12)를 동일하도록 유지함으로써, 측정의 정확성을 확보할 수 있다.
또한 도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기는, 공기 시료(11)가 유동하는 유동 속도를 측정하는 측정부(13)를 더 포함할 수 있다.
제어부(30)는, 유동 속도에 따라 순차 구동 상태에서 특정한 시점에 동시에 구동되는 광원 셀(21)의 수와 순차 구동의 시간 주기 및 전기력중 적어도 어느 하나를 제어한다.
상술한 광원 셀(21)의 수와 시간 주기 및 전기력이 동일할 때, 유동 속도가 빨라지면, 진공자외선(21c)에 의한 이온화 효율이 낮아진다.
반면에 유동속도가 느려지면 이온화 효율이 높아진다.
상술한 두 경우 모두에, 이온 측정값의 변화는 단지 유동 속도에 의한 것으로서, 정확한 측정을 어렵게 한다.
일반적으로 유동속도 및 공기 시료(11)의 유동량에 따라 램프에서 발생하는 진공자외선의 양을 제어함으로써 측정 정확도를 균일하게 유지할 수 있다.
그러나, 이온화 유동로(10) 내부에서 회절 굴절되거나 흡수되어 소멸하는 광자가 존재한다. 또한 방전가스에 인가되는 전기력과 이에 의해 생성되는 진공자외선(21c)이 선형적 비례관계를 이루지 못할 경우도 발생한다.
상술한 바와 같이, 순차 구동되는 광원 셀(21)의 수와 주기를 더 포함하여 조절함으로써, 진공자외선(21c) 양을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
더하여, 이때, 순차 구동 단계에서 모든 광원 셀(21)이 구동하지 않는 소등 상태에 있을 수 있다.
또한 도 1을 참조하면 본 발명에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온 검출기의 다른 일 실시형태에서, 전기력의 최소값은 진공자외선(21c)이 최단거리로 통과하는 이온화 유동로(10)의 두께(d)에 비례한다.
이온화 유동로(10)의 두께(d)에 따라 전기력의 최소값이 결정되면, 순차 구동될 때 전기력이 인가되는 광원 셀(21)을 안정적인 구동 범위에서 구동할 수 있다.
또한, 이온화 유동로(10) 전체의 흡수 효율을 제어하거나 비교할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기에서, 순차 동작할 때 동시에 구동되는 광원 셀(21)의 모든 구동 조합(21b)은, 유동경로(12)를 따라 나란하게 배치된다.
도면과 같이 구동 조합(21b)가 순차 점멸하면, 이온화 유동로 전체에 조사되는 진공자외선(21c)이 일정하게 유지되면서, 각 광원 셀(21)의 누적 구동 시간은 절반으로 감소할 수 있다.

Claims (6)

  1. 공기 시료가 특정한 방향으로 이동하는 유동경로를 제공하는 이온화 유동로;
    상기 이온화 유동로를 따라 나란하게 배치되고, 밀폐된 내부 공간에 수용된 방전가스에 전기력을 인가하여 진공자외선을 생성하고, 상기 진공자외선을 상기 이온화 유동로로 조사하는 광원 셀(cell)이 평면상에 복수개가 형성된 평판형 램프;
    상기 이온화 유동로 내에 배치되며, 상기 공기 시료가 상기 진공자외선을 흡수하여 이온화되어 생성된 이온을 검출하는 검출 전극; 및
    복수의 상기 광원 셀을 순차 구동하는 제어부;를 포함하고,
    상기 유동경로의 수직한 방향을 따라 상기 진공자외선에 의한 광자(photon, 光子)의 수를 합한 단위 광량이, 상기 유동경로를 따라 이동함에 따라 일정한 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원 셀 전부가 동시에 구동되는 상태에서 상기 진공자외선의 광자(photon, 光子)의 수를 합한 동시구동 광량 및, 상기 광원 셀이 순차 구동되는 상태에서 상기 진공자외선의 광자의 수를 합한 순차구동 광량이 서로 동일한 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 시료가 유동하는 유동 속도를 측정하는 측정부를 더 포함하여,
    상기 제어부는,
    상기 유동 속도에 따라 순차 구동 상태에서 동시에 구동되는 상기 광원 셀의 수와, 상기 순차 구동의 시간 주기 및, 상기 전기력중 적어도 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기력의 최소값은,
    상기 진공자외선이 최단거리로 통과하는 상기 이온화 유동로의 두께에 비례하는 것을 특징으로 하는 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    순차 동작할 때 동시에 구동되는 상기 광원 셀의 구동 조합은,
    상기 유동경로를 따라 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 평판형 램프를 이용한 광 이온화 검출기.
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