KR102347845B1 - 이온 이동도 분광기의 수집기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온 이동도 분광기의 수집기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온화된 물질을 분석하기 위해 이온 물질이 충돌하는 이온 수집기에 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 이동도관의 후단에 설치되어 시료 이온 도달시 전하량에 따라 발생되는 전류를 검출하며, 내부에 홀이 형성된 이온 수집링을 포함함을 특징으로 하는 수집기를 포함한다.

Description

이온 이동도 분광기의 수집기{Collector of ion mobility spectrometer}
본 발명은 이온 이동도 분광기의 수집기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온화된 물질을 분석하기 위해 이온 물질이 충돌하는 이온 수집기에 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 미세한 전류가 발생하므로, 수입부(400)에서 생성된 미세 전류를 증폭기를 통하여 확인 가능한 전압형태로 증폭하고, 증폭된 아날로그 신호를 ADC로 변환하여 시료 이온의 반응을 확인한다. 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 해결하고자 하는 과제는 코로나 방전을 이용하여 분석 가능을 이온화하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 분석 가스의 성분을 정확하게 판단하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 시료를 통한 이온화된 분석 가스가 페러데이 플레이트에 정확하게 충돌하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 소형의 이동도관에서의 간편한 구조적 변형이 쉬운 형태의 패러데이 플레이트를 구성하여 이온화 분석의 효율성을 높이는 방안을 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 이동도관의 후단에 설치되어 시료 이온 도달시 전하량에 따라 발생되는 전류를 검출하며, 내부에 홀이 형성된 이온 수집링을 포함함을 특징으로 하는 수집기를 포함한다.
이온 이동도 분광기는 시료의 흡입을 통하여 시료 가스를 이온화하고 이온화된 시료가스의 이동경로인 이동도관의 경우 외곽 및 내부의 형상과 구조에 따라서 많은 구조적 형상의 변이를 수반하게 된다. 본 발명에 따른 이온 이동도 분광기는 게이트 그리드, 셔터그리드, 패러데이 플레이트, 시료이온의 이동경로 등 이러한 구조적 형상에 따른 변형과 대응이 용이하며, 시료 가스 이온의 도달에 따른 손실을 최소화하며, 이동도관 및 구조의 변형에 대한 반응도를 일정하게 수행하는 효과가 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 이온 수집링이 포함된 수집기를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 이온 수집링이 포함된 다른 수집기를 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.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 수집기의 구성을 도시한 도면이다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명이 일실시 예에 따른 수집기의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 4에 의하면, 수집기는 이온 수집링, 가이드부재, 이온 수집부재 및 체결부재를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 수집기에 포함될 수 있다.
이온 수집링(41)은 금속 재질로 구성되며, 내부에 홀이 형성된다. 본 발명과 관련하여 이온 수집링(41)에 형성되는 홀은 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.
가이드 부재(42)는 금속 재질로 구성되는 이온 수집부재(43)가 이온 수집링(41)에 접촉되는 것을 방지하는 목적으로 구성되며, 플라스틱 재질 등의 재질로 구성된다. 가이드 부재(42)는 이온 수집링(41)에 삽입되는 부분과 내부에 홀이 형성된 부분으로 구성된다. 즉, 가이드 부재(42)는 내부에 홀이 형성된 제1 부분과 제1 부분으로부터 연장된 원기둥 형상의 제2 부분으로 구성된다. 물론 상술한 바와 같이 원기둥 형상으로 구성된 제2 부분이 이온 수집링(41)에 관통된다.
이온 수집부재(43) 역시 가이드 부재(42)와 동일하게 원형으로 형성된 제1 부분과 원형의 중심으로부터 원기둥 형상으로 연장된 제2 부분으로 구성된다. 이온 수집부재(43)의 제2 부분은 가이드 부재에 형성된 제2 부분의 내부에 관통된다. 이와 같이 플라스틱(수지) 재질로 구성되는 가이드 부재(42)가 이온 수집부재(43)와 이온 수집링(41) 사이에 위치하여 이온 수지부재(43)가 이온 수집링(41)에 직접 접촉하는 것을 차단한다.
체결부재(44)는 이온 수집부재(43)가 가이드부재(42)에 인입된 상태에서 이온 수집부재(43)가 가이드부재(42)로부터 이탈되는 것을 차단하기 위해 체결된다. 체결부재(44)는 너트 등으로 구성될 수 있으며, 이를 위해 이온 수집부재(43)의 종단은 나사선이 형성된다.
상술한 바와 같이 이온화된 물질은 이온 수집부재(43)의 제1 부분에 충돌하며, 충돌시 발생하는 전류의 크기를 측정하여 충돌되는 이온의 양을 판단하며, 충돌 시간을 측정하여 충돌하는 이온을 판단한다. 이를 위해 이온 수집부재(43)는 PCB(45)에 형성된 IC칩과 연결되며, IC칩은 이온 수집부재(43)에 충돌한 이온으로부터 발생되는 전류의 크기 및 전류가 생성된 시점을 제공받는다.
이와 같이 본 발명은 이온 수집부재를 이용하여 이온의 종류 및 양을 측정하는 방안을 제안한다.
도 5는 수집기의 구성을 도시한 다른 도면이다. 이하 도 5를 이용하여 본 발명이 일실시 예에 따른 수집기의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 5에 의하면, 수집기는 이온 수집링, PCB를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 수집기에 포함될 수 있다.
이온 수집링(41)은 금속 재질로 구성되며, 내부에 홀이 형성된다. 본 발명과 관련하여 이온 수집링(41)에 형성되는 홀은 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.
PCB(45)는 이온 수집링(41)의 후단에 위치하며, 중심에 원형의 금속박막(46)이 도금되어 있다. 금속박막(46)은 원형으로 형성되는 것이 바람직하며, 이온 수집링(41)을 통과한 이온이 금속박막(46)에 충돌한다. 금속박막(46)은 PCB(45)에 형성된 IC칩과 연결되며, IC칩은 금속박막에 충돌한 이온으로부터 발생되는 전류의 크기 및 전류가 생성된 시점을 제공받는다.
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.
1: 샘플링부 10: 흡입 케이스
11: 공기 흡입부 2: 이온화부
12: 가스 안내부 20: 본체 케이스
21: 전극팁 3: 이온도관
13: 흡입팬 34: 게이트 그리드
35: 셔터 그리드 36: 어퍼쳐 그리드
4: 수집기 41: 이온 수집링
42: 가이드부재 43: 이온 수집부재
44: 체결부재 45: PCB
46: 금속박막

Claims (6)

  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 셔트 그리드;
    상기 이동도관의 후단에 설치되어 시료 이온 도달시 전하량에 따라 발생되는 전류를 검출하며, 내부에 홀이 형성된 이온 수집링을 포함하는 수집기를 포함하며,
    상기 이온 수집링 후단에 위치하며, 내부 중앙에 원형의 금속박막이 형성된 PCB를 포함함을 특징으로 하는 이온 이동도 분광기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 금속박막에 충돌하는 이온에 의해 생성되는 전류의 크기를 제공받아 충돌하는 이온의 양과 이온의 종류를 판별하는 PCB 상에 형성된 IC칩을 포함함을 특징으로 하는 이온 이동도 분광기.
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