KR102180332B1 - 이온 이동도 분광기의 게이트 그리드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온 이동도 분광기의 게이트 그리드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온화된 물질을 분석하기 위해 드리프트 튜브 내에 물질을 이동하기 위한 게이트 그리드의 구조에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 이온 이동도 분광기는 전면에 형성된 공기 흡입부로 시료 가스를 흡입하는 샘플링부; 상기 샘플링부의 후단에 연결되며 코로나 방전을 이용하여 시료 가스를 이온화하는 이온화부; 상기 이온화부의 후단에 연결되고, 전기장을 발생시켜 상기 이온화된 시료 가스의 이동 경로를 제공하는 이동도관; 상기 이온도관의 선단 내부에 설치되어 이온 물질의 유입을 제어하는 게이트 그리드 및 셔트 그리드; 상기 게이트 그리드는, +전극 또는 -전극 중 어느 하나의 전극이 연결되는 제1 게이트 그리드 및 상기 제1 게이트 그리드로부터 후단으로 일정 거리 이격된 상태에서 +전극 또는 -전극 중 다른 하나의 전극이 연결되는 제2 게이트 그리드를 포함한다.

Description

이온 이동도 분광기의 게이트 그리드{Gate grid of ion mobility spectrometer}

본 발명은 이온 이동도 분광기의 게이트 그리드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온화된 물질을 분석하기 위해 드리프트 튜브 내에 물질을 이동시키는 게이트 그리드의 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 이온 이동도 분광기(Ion Mobility Spectrometer; IMS)는 공기 중의 유해 물질의 존재를 검출하는 것으로, 마약류, 폭발물, 유해 화학 물질의 감식에 이용되고 있다.

이온 이동도 분광법을 활용하기 위해서는 전기장 조건에서 기체상의 물질의 화학적 실체를 특정하기 위해 분석의 선행조건으로 물질의 이온화를 위한 장치 또는 장비가 필수적으로 필요하다. 방사성 동위원소를 사용할 경우에는 별도의 외부 전력의 공급없이 물질의 이온화에 사용되는 약 20keV의 고에너지를 연속적으로 방출하여 이온을 형성하기 쉬우며, 이를 통하여 이온화를 시킨 후 생성된 양전자 및 전자 전이에 의한 시료 가스를 이온화하는 방법이다.

도 1은 종래 이온 이동도 분광기 단면 구조로서, 샘플링부, 이온화부, 이동도관 및 수집부를 포함한다. 상술한 도 1을 참조하면, 샘플링부(100)로 흡입된 시료 가스는 이온화부(200)에서 Ni-63와 같은 방사성 동위원소에서 방출되는 이온화원에 의해 이온화된다.

그리고 이온화된 시료는 내부에 길이 방향으로 전기장이 형성되어 있는 이동도관(300)의 내부로 유입된다. 이때, 이동도관(300)으로의 이온 유입량은 셔터 그리드(500)의 개방시간을 조절함으로써 제어된다. 이로써, 이동도관(300)으로 유입된 이온은 수집부(400) 방향으로 서로 다른 이동속도를 가지고 이동하게 된다.

수집부(400)에 시료 이온이 도달하게 되면 시료 이온의 전하량에 따라 전류가 발생하므로, 수집부(400)에서 생성된 전류를 증폭기 및 ADC를 이용하여 증폭시킨다. 그리고 이온의 이동시간에 따른 검출전류를 스펙트럼화하고, 장비 내부의 조건에 따라 환산 이동도(reduced mobility)를 연산하여 분석 시료를 검출 및 식별한다.

하지만, 방사성 동위원소를 사용할 경우 반감기를 고려하면 100년간 반영구적으로 사용이 가능하고, 별도의 외부전원이 불필요하여 장비를 최소화할 수 있는 장점이 있으나, 파손 및 누설 등에 의한 방사성 피폭에 대한 우려와 운영 및 관리에 별도의 인원과 비용이 소요된다는 단점이 있다. 또한, 방사성 동위원소로 생성된 고 에너지 중 약 절반 정도는 지지체 쪽으로 발산되어 이온화하는데 사용되지 못하며, 전체 고 에너지의 약 10%만이 이온화에 사용되므로 이온화 효율이 지극히 낮은 편이다. 이러한 단점들로 현재는 방사성 동위원소로 이온화부를 설계하는 측정 장비의 개발은 감소하는 추세이며, 코로나 방전 방식을 통한 이온화부 설계가 주를 이루고 있다.

한국등록특허 제10-0971031호(발명의 명칭: 이온 이동도 분광기) 한국등록특허 제10-1578091호(발명의 명칭: 음이온 발생을 위한 이온이동도 센서를 이용한 유해가스 탐지장치)

본 발명이 해결하려는 과제는 코로나 방전을 이용하여 분석 가스를 이온화하는 방안을 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 분석 가스의 이온화 정도를 향상시키는 방안을 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 분석 가스의 이온화 정도를 향상시켜 유해 가스의 검출을 용이하게 하는 방안을 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 균일한 전압 분포를 갖는 게이트 그리드를 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 쇼트나 자기장의 발생이 기존 대비하여 적은 게이트 그리드를 제안함에 있다.

이를 위해 본 발명의 이온 이동도 분광기는 전면에 형성된 공기 흡입부로 시료 가스를 흡입하는 샘플링부; 상기 샘플링부의 후단에 연결되며 코로나 방전을 이용하여 시료 가스를 이온화하는 이온화부; 상기 이온화부의 후단에 연결되고, 전기장을 발생시켜 상기 이온화된 시료 가스의 이동 경로를 제공하는 이동도관; 상기 이온도관의 선단 내부에 설치되어 이온 물질의 유입을 제어하는 게이트 그리드 및 셔트 그리드; 상기 게이트 그리드는, +전극 또는 -전극 중 어느 하나의 전극이 연결되는 제1 게이트 그리드 및 상기 제1 게이트 그리드로부터 후단으로 일정 거리 이격된 상태에서 +전극 또는 -전극 중 다른 하나의 전극이 연결되는 제2 게이트 그리드를 포함한다.

본 발명의 이온 이동도 분광기는 적층 구조를 갖는 게이트 그리드를 제안하며, 특히 제1 게이트 그리드에는 +극을, 제2 게이트 그리드에는 -극을 연결하는 방안을 제안한다.

이와 같이 적층 구조를 갖는 게이트 그리드에 의해 기존 단일 평면상에 게이트 그리드를 형성함으로써 발생하는 쇼트 문제나 자기장이 발생하는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 적층 구조를 갖는 게이트 그리드를 이용하여 전장 튜브 내에 단위면적당 균일한 전압 분포도를 갖는 구조에 의해 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

이외에도 본 발명은 게이트 그리드가 장착되는 이온링을 이용함으로써 장착을 위한 공간적 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 종래 이온 이동도 분광기 단면 구조를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 이온 이동도 분광기를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 이온 이동도 분광기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 게이트 그리드의 구조를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 게이트 그리드가 장착된 이온링을 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 두 개의 이온링이 결합된 구조를 도시하고 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 이온 이동도 분광기를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 이온 이동도 분광기의 단면도이다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 이온 이동도 분광기는 샘플링부, 이온화부, 이동도관, 수집기 및 정제부를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 이온 이동도 분광기에 포함될 수 있다.

샘플링부(1)는 대기 중의 시료 가스를 흡입하기 위하여 최선단에 배치되는 것으로, 전면에 공기 흡입부(11)가 형성되며, 후면이 개방된 흡입 케이스(10)로 구성된다.

흡입 케이스(10)의 후면에는 전면이 개방된 본체 하우징(20)이 연결되며, 본체 하우징(20)의 내부 선단에 이온화부(2)가 형성된다. 이때 이온화부(2)에는 흡입 케이스(10) 내부로 흡입된 시료 가스를 안내하는 가스 안내관(12)이 연결된다.

이온화부(2)는 가스 안내관(12)을 통해 유입되는 시료 가스를 코로나 방전시켜 이온화하는 것으로 상호 이격되고 바늘 형상을 갖는 다수의 전극 팁(21)을 갖는다.

본 발명에서 제안하는 이온화부의 상세 구성에 대해서는 후술하기로 한다. 이때, 각 전극 팁(21)은 방전 전압에 최적화되는 간격을 유지해야 한다. 이러한 구성에 따라 이온화부(2)는 다수의 전극 팁(21)에 전압을 인가하여 유입되는 시료 가스를 코로나 방전시켜 이온화한다.

이때, 흡입 케이스(10) 내부에는 시료 흡입이 원활하게 이루어지도록 하기 위한 흡입팬(13)이 설치된다.

이온도관(3)은 이온화된 시료 가스의 이동 경로를 제공하는 것으로서, 본체 하우징(20) 내부의 이온화부(2) 후방에 설치된다. 이동도관(3)의 선단에는 캐리어 가스 유입구(311)와 캐리어 가스 배기구(312)가 형성된다. 즉, 이온 이동도 검출을 위해 이온화된 시료 가스만 이동도관(3) 내부로 유입시키고, 이온화되지 않은 시료 가스는 외부로 배출시켜야 한다. 따라서, 이동도관의 선단에서 캐리어 가스 유입구(311)로 캐리어 가스를 유입시켜, 이온화되지 않은 시료 가스를 캐리어 가스와 함께 캐리어 가스 배기구(312)로 배출시킨다.

이동도관(3)의 캐리어 가스 유입구(311) 후단에는 게이트 그리드(34), 셔터 그리드(35) 및 어퍼쳐 그리드(36)가 각각 순차로 배치된다. 게이트 그리드(34)와 셔터 그리드(35)는 인가되는 전압 차를 이용하여 이동도관 내부로 유입되는 이온을 제어한다. 즉, 게이트 그리드(34)와 셔터 그리드(35)에 동일한 전압이 인가되거나, 게이트 그리드(34)에 인가되는 전압이 셔터 그리드(35)에 인가되는 전압보다 높을 경우에는 이동도관 내부로 이온 유입이 이루어진다. 반면 게이트 그리드(34)에 인가되는 전압이 셔터 그리드(35)에 인가되는 전압보다 낮을 경우, 이동도관 내부로의 이온 유입이 이루어지지 않는다. 따라서, 게이트 그리드(34)와 셔터 그리드(35)에 인가되는 전압을 서로 다르게 함으로써, 이동도관(3) 내부로의 이온 유입을 제어할 수 있게 된다.

어퍼쳐 그리드(36)는 이동도관(3) 전단으로 정제공기를 유도한다. 즉, 어퍼쳐 그리드(36)가 없는 경우에는 이동도관(3) 내부에 이온화되지 않는 시료가 침투하여 분석에 영향을 주게 된다. 따라서, 어퍼쳐 그리드(36)로 가스 흐름을 유도함으로써 정제된 드리프트 가스(drift gas)가 이동도관(3)의 전단으로 흐르도록 함으로써 이온화되지 않은 시료가 유입되는 것을 방지한다.

그리고, 이동도관(3)의 외주면에는 이동도관 내부의 온도를 상승시키기 위한 다수의 히터저항을 갖는 인쇄회로기판(P)이 부착될 수 있다.

한편, 수집기(4)는 이동도관(3)의 후단에 설치되어, 시료 이온이 도달시 이온 전하량에 따른 고유의 전류를 발생한다. 이 때 발생하는 전류는 미약하기 때문에 도면에 도시되지는 않았으나, 발생 전류를 증폭기와 ADC를 이용하여 증폭할 수 있다.

정제부(5)는 정제공기를 이온의 이동 방향과 반대인 이동도관의 후단에서 전단 방향으로 이동시킨다. 즉, 분사체에 의해 순도가 보장되는 정제공기가 이온 이동의 반대방향으로 흐르도록 함으로써, 드리프트 가스로 작용하여 이온화된 분자와 충돌하며 분리를 돕도록 한다.

여기서, 정제부(5)는 정제공기 유입구(51), 정제공기 배기구(52), 순환 펌프(53) 및 여과부(54)를 포함한다.

정제공기 유입구(51)는 수집기(4) 전단이 이온 소스링 벽면을 관통하도록 형성된다. 그리고 정제공기 유입구(51) 측면에는 제1 습도센서(55)가 설치된다.

정제공기 배기구(52)는 이동도관(3)의 전단 즉, 셔터 그리드(35)와 어퍼쳐 그리드(36) 사이에 배치되는 이온 소스링의 벽면을 관통하도록 형성된다. 그리고 정제공기 배기구(52) 측에는 제2 습도센서(56)가 설치된다.

순환펌프(53)는 정제공기를 정제공기 유입구(51)로 공급하고, 이동도관 내부의 정제공기를 정제공기 배기구로 배출시킴으로써, 이동도관의 후단에서 전단 방향으로 가스유로가 형성되도록 한다.

여과부(54)는 분자체를 함유한 것으로서, 정제공기 배기구를 통해 배기되는 드리프트 가스에 함유된 습기를 제거한다. 이때, 분자체는 정제공기의 상대 습도가 15%RH 이하가 되도록 하기 위해, 0.5%RH 이하의 습도를 갖는 것이 바람직하다. 그리고 정제부(5)는 제1 습도센서(55), 제2 습도센서(56)의 감지 결과에 따라 분자체의 공급을 제어한다.

이하에서는 이온 이동도 분광기의 작용에 대해 알아보도록 한다.

우선, 증기 상태의 분석 시료가 공기 흡입부로 흡입되고, 흡입된 시료 가스는 전극팁에서 발생되는 코로나방전에 의해 이온화된다.

그리고, 게이트 그리드와 셔터 그리드에 인가된 전압에 의해 이온이 이동도관 내부로 유입된다. 여기서, 이동도관 내부로 이온이 유입되도록 하기 위해서는 게이트 그리드와 셔터 그리드에 동일한 전압을 인가하거나, 게이트 그리드에 셔터 그리드에 인가되는 전압보다 높은 전압을 인가한다. 반대로, 이동도관으로의 이온 유입을 차단할 경우는 게이트 그리드에 셔터 그리드에 인가되는 전압보다 낮은 전압을 인가한다.

여기서, 이온의 유입과 동시에 이온화되지 않은 시료 가스는 캐리어 가스 유입구로 유입된 캐리어 가스와 함께 캐리어 가스 배출구로 배출된다.

이동도관 내부로 유입된 이온은 이동도관 내부에 형성된 자기장에 의해 수집기 측으로 이동한다. 이때, 내부에 드리프트 가스 흐름을 형성한 후에 정제가스 배출구로 배출된다. 이에 따라, 이동도관의 내부는 습도가 낮아지고 불순물이 제거된다.

이후, 수집기에 도달한 이온에 의해 발생되는 전류는 증폭기 및 ADC에 의해 일정 비율로 증폭된다. 그리고, 이온의 이동시간에 따라 검출전류는 스펙트럼화되고, 장비 내부의 조건에 따로 환산 이동도(reduced mobility)에 따라 연산됨으로써 시료가 분석된다.

이온 이동도 분광법(IMS)을 이용한 측정 장치는 자기장 내에서 이온화된 물질의 전자적인 극성에 따라 드리프트 튜브(Drift-region) 내에서 물질 고유의 질량에 따라서 시료를 분석하는 장치이다. 이를 위해서는 이온화된 시료를 극성에 따른 배열을 통하여 일정량의 물질을 포집하고, 이를 드리프트 튜브 내에서 물질의 질량에 따른 분리를 통하여 신호의 세기를 분석하여 물질 명을 분석 검출한다.

이와 같이 이온 이동도 분광법에 있어서 이온화된 물질을 분석하기 위해서는 드리프트튜브 내에서 물질을 이동하기 위한 이온 게이트가 중요한 요소이다. 이온 게이트는 이온 이동도 분광법(IMS)의 하나의 중요한 일부분으로써, 이온이 드리프트튜브 영역으로 몰려들도록 하는 중요한 부분이다. 이온 이동도 분광법에서 현재 가장 많이 사용하는 방법은 브레드베리-닐슨(Bradbury-Nielson)형의 이온 게이트를 사용하고 있다. 레드베리-닐슨(Bradbury-Nielson)형의 이온 게이트의 특징은 단일 평면 형태로 구성되어 이온이 이 평면구조를 통과도록 설계하고 있다. 구조적으로는 단일 그리드(Grid)에 작은 와이어 구조를 평면으로 제작하여 각각의 와이어에 양(positive)과 음(negative)의 전압을 인가하여 직교형태의 게이트 필드를 생성하는 구조이다.

물질의 분석에서 고감도의 분석을 위해서는 측정하고자 하는 물질의 이온화 량도 중요하지만, 흡입된 이온화된 물질의 손실을 최소화하여 전달하는 영역 또한 상당히 중요한 부분이다. 게이트 그리드(Gate grid)를 통하여 물질의 일정량을 포집하고, 이 게이트 그리드와 이온 셔터 (ion shutter)의 전압 펄스의 조정을 통하여 물질이 드리프트튜브 내에서 고유의 질량 값으로 이동하는 속도차를 통하여 짧은 시간에 흡입된 물질의 분석을 수행하게 된다.

이와 같이, 게이트 그리드의 설계를 어떻게 수행하느냐에 따라 드리프트튜브 내에 패러데이 법칙에 의한 전기장이 설정되며, 각각의 와이어의 전압 펄스에 의한 물질의 포집과 이동을 조정할 수 있게 된다. 또한 게이트 그리드의 구조설계와 와이어의 전압에 의해서 물질이 드리프트튜브의 끝단에 존재하게 되는 증폭기에 도달하지 못하고 소멸됨으로써 장치의 목적인 물질의 분석에 어려움을 초래하게 된다.

또한, 단일 평면구조의 설계에서는 소형의 드리프트튜브 내에 설치하기 위한 기계적 설계에 어려움이 있으며, 각 와이어 전압인가 시 쇼트 및 일정한 간격의 전압차를 두어 구동시키는 부분에 어려움이 따른다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 제한적 장치 내에 설치 가능한 게이트 그리드의 설계를 통화여 이온화된 시료의 이동 손실을 최소화 시키고 적은 물질에 대한 반응도 향상을 위하여 적층 형태의 게이트 그리드를 설계하고, 이를 각각 수직, 수평방향으로 설치하여 각각에 전압을 인가하는 형태로 제작하였다. 또한, 이를 드리프트튜브와 같은 이온 링에 직접 장착하는 방법을 적용하여 장착을 위한 공간적 문제를 동시에 해결하였다.

얇은 금속물질(약 0.125T)의 드리프트튜브 내의 공간에 각각 레이저 컷팅을 통한 와이어를 형성하고, 이에 각각의 전압을 조정하여 이온의 포집과 개방(open)을 통한 미세한 물질의 배열을 구성한다. 이를 통한 물질 고유의 질량에 따른 이동속도차를 통하여 물질의 분석한다.

제작한 게이트 그리드를 드리프트튜브 내에 설치하기 위하여 이온링에 직접 장착하여 동작시키게 되며, 각각의 전압이 인가되어 와이어 구조를 갖는 게이트 그리드는 드리프트튜브 내의 공간에 위치시켜 이온화 물질의 반응을 향상시키게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 게이트 그리드를 도시하고 있다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 게이트 그리드의 구조에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에서 제안하는 게이트 그리드(400)는 적층 구조를 가지므로 두 개로 구성되며, 동일한 형상을 갖는다. 상술한 바와 같이 본원 발명은 레이저 컷팅을 통해 와이어(402)를 구성한다.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이 와이어(402)는 제1 방향과 제1 방향과 수직 방향인 제2 방향으로 형성한다. 제1 방향으로 형성된 와이어의 개수는 제2 방향으로 형성된 와이어의 개수보다 상대적으로 많다. 제1 방향으로 형성된 와이어는 일정 간격으로 형성된다.

구체적으로 제1 방향으로 형성된 와이어에 대해 살펴보면, 최상단에 제1 길이를 갖는 와이어를 형성하며, 최상단의 하단에 제1 길이보다 상대적으로 긴 제2 길이를 갖는 와이어를 형성한다. 중앙에는 제2 길이보다 상대적으로 긴 제3 길이를 갖는 와이어를 복수 개 형성한다. 도 4에서는 7개의 제3 길이를 갖는 와이어가 형성된다. 중앙의 하단에는 제2 길이를 갖는 와이어가 형성되며, 최하단에는 제1 길이를 갖는 와이어가 형성된다.

이하에서는 제2 방향으로 형성된 와이어에 대해 알아보기로 한다. 제2 방향으로는 제1 길이를 갖는 와이어, 제2 길이를 갖는 와이어 및 최상단에 위치한 제3 길이를 갖는 와이어를 연결하는 제a 와이어가 형성되며, 제3 길이를 갖는 와이어를 연결하는 두 개의 제b 와이어가 형성되며, 최하단에 위치한 제3 길이를 갖는 와이어, 제2 길이를 갖는 와이어 및 제1 길이를 갖는 와이어를 연결하는 제c 와이어가 형성된다. 물론 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 제a 와이어, 제b 와이어 및 제c 와이어는 연결되어 있는 것이 아니라 이격되어 있다. 또한, 제a 와이어와 제c 와이어는 일정 거리 이격된 상태에서 동일 축 상에 위치하며, 두 개의 제b 와이어 사이에 위치한다.

도 4에 의하면, 제1 방향으로 와이어가 형성되어 있으며, 제2 방향으로 와이어가 형성되어 있다. 제2 방향으로 형성되는 와이어의 개수는 제1 방향으로 형성된 와이어의 길이와 관련된다. 즉, 제1 방향으로 형성된 와이어의 길이가 길수록 제2 방향으로 형성되는 와이어의 개수 역시 늘어나게 된다.

도 4에 의하면, 상술한 바와 같이 와이어가 형성된 두 개의 게이트 그리드를 형성한다. 이하에서는 두 개의 게이트 그리드를 제1 게이트 그리드, 제2 게이트 그리드라 한다.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 게이트 그리드가 장착된 이온링을 도시하고 있다. 이하 도 5를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 게이트 그리드가 장착된 이온링에 대해 알아보기로 한다.

도 5에 의하면 이온링(500)은 두 개가 형성되며, 제1 이온링에는 제1 게이트 그리드가 장착되며, 제2 이온링에는 제2 게이트 그리드가 장착된다. 또한, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 제1 이온링은 제1 게이트 그리드를 90°회전시켜 장착하며, 제2 이온링은 제2 게이트 그리드를 회전시키지 않고 장착한다. 제1 게이트 그리드에는 + 전극을 연결하며, 제2 게이트 그리드에는 - 전극을 연결한다. 이와 같이 본 발명은 적층 구조를 갖는 게이트 그리드를 형성함으로써, +전극이 연결된 와이어와 -전극이 연결된 와이어 사이에 쇼트가 발생하는 것을 차단하며, 자기장이 발생하는 것을 차단한다.

물론 제1 게이트 그리드에 - 전극이 연결되며, 제2 게이트 그리드에 + 전극이 연결될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 두 개의 이온링을 결합한 예를 도시하고 있다. 이하 도 6을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 두 개의 이온링을 결합한 형태에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 6에 의하면, 두 개의 이온링의 결합에 의해 제1 게이트 그리드에 장착된 와이어와 제2 게이트 그리드에 장착된 와이어는 서로 교차됨을 알 수 있다. 결합된 이온링은 이온화원 후단에 위치하여 이온화된 물질의 극성에 따라 그리드 앞쪽에 배열하게 되며, 이를 통한 게이트 그리드의 인가전압을 컨트롤하여 드리프트튜브에 구성된 자기장에 따라 분석하고자하는 물질을 이동을 시키게 된다. 도 6에서 명시적으로 도시되어 있지 않지만, 측면구조에서 제1 게이트 그리드는 제1 이온링의 후단에 위치하며, 제2 게이트 그리드는 제2 이온링의 전단에 위치한다. 또한 도 6에 의하면 두 개의 이온링의 결합에 의해 게이트 그리드는 정사각형 형상을 가짐을 알 수 있다. 제1 이온링과 제2 이온링을 겹쳤을 때 와이어에 의한 홀의 형상이 정사각형일 경우에는 전장 튜브 내의 일정 단위 면적당 균일한 전압 분포도를 갖는 구조를 갖게 된다.

이온 이동도 분광법(IMS)은 대기 중의 미세한 물질을 이온화하고, 패러데이 전기장 내에서의 물질 고유의 질량에 따른 이동 속도를 통하여 화학적 구조의 실체를 확인하는 방법이다. 이를 위해 이온화된 물질의 전기장내에서의 이동 속도를 측정하여야하며, 따라서 시간적 기준점이 필요하다. 이온화된 물질의 기준 시간이 없을 경우 시간에 따른 지속적인 반응만 확인할 수 있으며, 이에 따른 전기장 내를 통과하는 무수히 많은 반응만을 확인하게 된다.

따라서 시간적 기준점을 위해 게이트는 필연적으로 존재해야 하며, 기존의 단일 평면구조는 전기적 안정성 문제점과 드리프트튜브 내에 균일한 분포도를 구성하기 위한 문제점 및 공간적으로 제한되어 있다는 문제점이 있었다. 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 게이트 그리드를 적층(멀티 플레이트(multi plate))구조로 변경하여, 이를 조합하여 구동하는 방식으로 전장 튜브 내의 일정 단위 면적당 균일한 전압 분포도를 갖는 구조로 변경하여 효율을 극대화 하였다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

400: 게이트 그리드 402: 와이어
500: 이온링

Claims (5)

1. 전면에 형성된 공기 흡입부로 시료 가스를 흡입하는 샘플링부;
   상기 샘플링부의 후단에 연결되며 코로나 방전을 이용하여 시료 가스를 이온화하는 이온화부;
   상기 이온화부의 후단에 연결되고, 전기장을 발생시켜 상기 이온화된 시료 가스의 이동 경로를 제공하는 이동도관;
   상기 이동도관의 선단 내부에 설치되어 이온 물질의 유입을 제어하는 게이트 그리드 및 셔터 그리드;
   상기 이동도관의 후단에 설치되어 시료 이온 도달시 전하량에 따라 발생되는 전류를 검출하는 수집기를 포함하며,
   상기 게이트 그리드는, +전극 또는 -전극 중 어느 하나의 전극이 연결되는 제1 게이트 그리드 및 상기 제1 게이트 그리드에서 후단으로 일정 거리 이격된 상태에서 +전극 또는 -전극 중 다른 하나의 전극이 연결되는 제2 게이트 그리드를 포함하며,
   제1 게이트 그리드는 제1 방향 및 제1 방향과 수직방향인 제2 방향으로 각각 형성된 적어도 두 개의 와이어를 포함하며, 제1 방향으로 형성된 와이어의 개수는 제2 방향으로 형성된 와이어의 개수보다 상대적으로 많으며,
   제2 게이트 그리드에 형성된 와이어의 구조는 제1 게이트 그리드에 형성된 와이어 구조를 90°회전시킨 상태에서 동일하며,
   상기 제1 게이트 그리드와 상기 제2 게이트 그리드는 제1 방향으로 형성된 와이어와 제2 방향으로 형성된 와이어에 의해 직사각형 형상의 격자 구조를 가지며,
   상기 제1 게이트 그리드와 제2 게이트 그리드가 겹쳐진 상태에서 제1 방향으로 형성된 와이어와 제2 방향으로 형성된 와이어에 의해 정사각형 형상의 격자 구조를 가짐을 특징으로 하는 이온 이동도 분광기.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 게이트 그리드에 제1 방향으로 형성된 와이어의 길이는 상단과 하단에 비해 중앙에 형성된 와이어의 길이가 상대적으로 큼을 특징으로 하는 이온 이동도 분광기.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제1 게이트 그리드는 제1 이온링에 장착되며, 상기 제2 게이트 그리드는 제2 이온링에 장착됨을 특징으로 하는 이온 이동도 분광기.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제1 게이트 그리드는 상기 제1 이온링의 후단에 장착되며, 상기 제2 게이트 그리드는 제2 이온링의 전단에 장착된 상태에서 상기 제1 게이트 그리드와 제2 게이트 그리드가 일정 간격을 유지하도록 상기 제1 이온링과 제2 이온링이 결합됨을 특징으로 하는 이온 이동도 분광기.

Images