KR19990012391A - 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치 및 그방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 글로우방전을 이용하여 전도성 또는 비전도성 고체시료에 함유된 미량 불순물의 성분과 함량을 직접 정밀하게 분석할 수 있는 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 고체시료 직접분석장치는, 고체시료를 음극으로 하고 몸체를 양극으로 하여 저압 상태에서 상기 음극과 양극에의 고주파 전력의 인가와 아르곤 가스의 유입에 따라 글로우 방전을 일으키는 글로우방전셀을 구비하여 상기 글로우 방전시 발생하는 빛을 석영창을 통하여 수신하여 분광분석한 후, 분광분석된 데이터를 수집 분석하여 상기 고체시료가 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 동시에 분석하여 출력하도록 구현함으로써, 전도성재료나 비전도성재료를 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 동시에 정밀하게 직접 분석 가능한 매우 뛰어난 효과가 있다.

Description

고주파 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치 및 그 방법

본 발명은 고주파(Radio Frequency : RF) 글로우방전(Glow Discharge)을 이용한 고체시료 직접분석장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 고주파 글로우방전을 이용한 원자방출법으로 전도성재료나 비전도성재료를 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 동시에 정밀하게 직접 분석 가능한 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 각종산업의 비약적인 발전과 함께 이들 산업에서 필요로 하는 각종 소재의 생산증대와 새로운 물질들의 개발연구가 많이 이루어지고 있다. 이러한 소재의 개발 및 생산과정에서 소재의 화학적인 조성이 최종물질의 성능을 좌우하게 되는 경우가 많으므로 소재의 철저한 품질관리가 필요하게 되고, 또한 소재의 화학적 조성중에서도 극미량성분(수 ppm∼ppb수준)에 의하여 각 재료, 소재 및 물질들의 특성과 성질이 변하기 때문에 이들 소재를 분석할 수 있는 기기가 필요하게 된다.

현재까지 철 및 비철 금속 산업체에서는 미량 성분 분석을 위하여 대소형 용광로에서 용융상태의 시료를 운반하여 분석하고, 이의 함량비로써 관리하여야 하기 때문에 매우 신속하고 정확한 분석이 필요하게 된다. 만약, 이러한 상황에서 분석 시간이 길어지거나 부정확한 분석으로 인하여 품질관리 및 공정관리가 잘못된다면 이에 따른 막대한 경제적인 손실이 초래된다.

이러한 목적들을 위하여 사용되어져 왔던 분석 방법은 주로 스파크 방출 분광 광도법(Spark-Emission Spectrophotometry)이나 X-선 형광 분석법(X-ray Fluorescence Spectroscopy)에 의하여 이루어져 왔다. 그러나 스파크 방출 분광법인 경우는 소오스(source)의 불안정으로 인하여 정밀, 정확도가 떨어지고, X-선 형광 분석법인 경우는 정밀도는 좋으나, 심한 매질효과(matrix effect)와 방해현상(interference)으로 문제점이 있고, 두 방법 모두 검출 한계가 좋지 않아서 극미량 성분 분석에는 많은 어려운 점이 있었다.

물론, 최종적인 품질관리를 위하여 시료를 용액으로 처리하여 중량법(Gravimetry) 및 비색법(Colorimetry) 등의 고전적인 습식 방법을 하거나, 원자 흡광 광도법(Atomic Absorption Spectroscopy)을 이용한 기기 분석이 이루어 질수 있다. 그러나, 이러한 경우에는 시료처리 과정이 복잡하고 많은 시간이 소요되기 때문에, 매우 숙련되지 않거나 각 과정을 정확히 이해하지 못하면 정확한 결과를 얻을 수 없게 된다. 1970년대부터 무기 원소 성분의 극미량 성분 분석에 주로 사용되어져 왔던 스파크 소오스 매스 분광기(Spark Source Mass Spectrometry: : SSMS)는 소오스 자체내의 불안정으로 인한 재현성 있는 이온 생성이 어려울 뿐만 아니라, 장비의 가격이 비싸고 기기 작동이 복잡하여 이용 빈도수가 줄어들고 있다. 1974년부터 시료 처리 과정이 비교적 간단한 유도 결합 플라스마-방출 분광기(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrophotometer)를 사용하여 다원소 분석이 가능하고 정밀, 정확한 결과를 얻을 수 있으나, 시료가 용액으로 처리되어 희석되기 때문에 고체 시료 내의 극미량 원소를 분석하기에는 감도상 문제가 되는 경우가 많게 된다.

고체 시료중의 미량 원소를 분석할 수 있는 방법으로 많이 알려진 2차 아이온 매스 분광기(Secondary Ion Mass Spectrometry :SIMS)의 경우에는 초고진공(10^-8∼10^-10torr)이 요구되고 가격이 비쌀 뿐 아니라 방법 자체에 심한 매질효과 등의 여러 가지 복잡한 문제점들을 지니고 있었다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 종래의 글로우 방전(Glow Discharge) 플라스마를 이용한 연구가 분석에 사용되어지고 있다. 글로우 방전 플라스마를 이용한 분석방법의 장점으로는 첫째, 고체 시료 표면에서 원자들이 스퍼터링(sputtering) 현상으로 나오게 되므로 매트랙스 현상이 적다는 것이다. 두 번째로, 깊이 프로필(depth profile)이 가능하여, 얇은 금속판 시료의 도금 조성 및 도금 두께 분석에 응용될 수 있다. SIMS의 경우에는 이온총(ion gun)을 사용한 스퍼터링이므로 원자층 수준밖에 관찰할 수밖에 없으나, 글로우 방전인 경우는 ㎛까지 가능하여진다. 셋째로, 글로우 방전 플라스마를 이용할 경우 측정의 다이나믹 레인지(dynamic range)가 10 정도가 되므로 극미량에서 메이저(major) 원소까지도 분석이 가능하여진다. 대부분의 다른 분석 기기들은 이러한 조건을 맞추지 못하므로, 즉 분석 농도 범위에 따른 제한이 수반될 수밖에 없다. 네 번째로, 고주파(Radio Frequency : RF)-글로우 방전을 이용하면 부도체 시료를 분석할 수 있게 된다. 결국 세라믹과 같이 용액 처리가 어려운 시료에 대해 전처리 과정없이 직접 분석이 가능하여진다. 다섯째, 모든 분석에서 요구되는 정밀, 정확도가 뛰어날 뿐만 아니라 신속하고 손쉽게 분석이 이루어진다는 것이다.

이러한 장점들로 인하여, 1960년대 이후 글로우 방전은 고체 시료의 직접분석장비로 많은 기초 연구와 응용연구가 되고 있다. 글로우 방전은 시료를 산에 녹이지 않고 직접 분석할 수 있으며, 매질의 영향을 적게 받으므로 여러 가지 시료를 분석할 때 매우 유리하다. 최근에는 고주파 글로우 방전을 적용함으로서 전도성 소재뿐만 아니라, 세라믹, 유리등 비전도성 소재를 산으로 전처리하지 않고 직접 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 깊이 및 표면분석이 가능한 관계로 기초 연구단계에서 실제 실용화 연구단계로 넘어가고 있다. 고주파글로우방전의 또하나의 장점은 검출한계가 일반적으로 직류전원을 사용하였을 때 ppm수준인 것이 일부원소인 경우 ppb수준까지 가능하므로, ICP등 용액분석법을 사용하였을 때 100배 내지 1000배 시료가 희석되는 것을 고려할 때 ppt 수준의 검출한계가 가능하다. 또한 정밀도도 5% 이내로 직류글로우방전보다 우수하거나 거의 동일하다. 종래의 고주파 글로우 방전관의 형태는 기존의 그림(Grimm) 형태를 변형한 것이나 마커스(Marcus) 형등이 있는데, 이들 고주파 글로우방전의 단점으로는 시료의 스퍼터링되는 양이 직류 글로우방전에 비하여 3배정도 적으므로 스퍼터링이 잘 되지 않는 알루미늄이나 비전도성 세라믹등의 분석에 문제점으로 지적되고 있다.

그러나 이러한 종래의 글로우방전은 일차적으로 시료가 전도성을 지녀야 하기 때문에 응용의 범위는 자연적으로 금속, 합금, 금속박막 등에 국한되고 있다. 물론 비전도성소재라도 시료를 가루로 만든 후 전도성가루인 구리 등을 매질로 섞어 압축을 하여 시료로 사용하고 있다. 그러나 이 방법은 시료를 용액으로 하는 방법과 마찬가지로 시간과 오염의 문제 때문에 한계가 있었다. 이것은 아크방전법이나 스파크방전법에서도 해결하지 못하는 문제였다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 글로우방전을 이용한 고체시료의성분 및 함량을 분석하기 위한 장치로는, 본원 출원인이 지난 1995년 10월 31일자로 출원한 '특허출원 제 38794 호'의 고주파(RF) 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치가 있었다.

상기 종래의 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료직접분석장치는, 고체시료를 음극으로 하고 몸체를 양극으로 하며, 원추형 가스노즐과 어레스터를 장착하여, 상기 음극과 양극에의 고주파전력의 인가와 상기 원추형 가스노즐을 통한 아르곤가스의 유입에 따라 글로우방전을 일으키는 글로우방전관과; 상기 글로우방전관에 유입되는 아르곤가스량을 제어하는 가스흐름조절수단과; 상기 글로우방전관에 고주파(RF)전력을 공급하는 고주파발생수단과; 상기 글로우방전관에 최대전력을 전달하기 위하여 상기 글로우방전관의 임피던스와 상기 고주파발생수단의 임피던스를 정합하는 임피던스정합수단과; 특정원소에 대응하는 파장을 갖는 레퍼런스빔을 상기 글로우방전관 내부로 방사하는 공동캐소드 램프와, 상기 글로우방전관을 통해 나온 레퍼런스빔의 강도를 검출하는 레퍼런스빔 검출부로 이루어진 광측정수단과; 상기 글로우방전관의 내부를 진공상태로 만들기 위한 진공펌프를 구비하여, RF 글로우방전을 이용하여 원자흡수법으로 전도성재료나 비전도성재료의 성분과 함량을 직접 분석하는 것이었다.

그런데, 상기 종래의 RF 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치에 의하면, 고주파 글로우방전을 이용하여 전도성 또는 비전도성 고체시료에 함유된 미량 불순물의 성분과 함량을 원자흡수법으로 직접 분석할 수는 있으나, 여러 원소들을 동시에 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로써, 본 발명의 목적은 고주파 글로우방전을 이용한 원자방출법으로 전도성재료나 비전도성재료를 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 동시에 정밀하게 직접 분석 가능한 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 의한 고주파 글로우방전 방출분광기를 이용한 고체시료 직접분석장치의 계통도

도 2 는 본 발명의 고체시료 작성분석장치에 사용된 가스 제트 분사 고주파 글로우방전 셀의 단면도

도 3 은 본 발명의 고주파 글로우 방전셀의 부분단면도

도 4 는 본 발명에서 사용된 고주파 글로우 방전셀의 3가지 형태의 노즐과 어레스터를 도시한 단면도

도 5 는 본 발명의 고체시료에 대한 분광분석을 할 때 일어날 수 있는 몇 가지 상황에 대한 시나리오를 도시한 상태도

도 6 은 40W의 일정 파워에서 3 내지 5 토르의 압력에서 DC-GD와 RF-GD에서 무게 감소에 대한 가스흐름비를 도시한 그래프

도 7A 내지 도 7B 는 DC-GD와 RF-GD 사이에서 측정되는 방출선의 세기를 동일 압력에서 가스흐름을 변화시키면서 비교측정한 그래프

도 8 은 10 분 동안에 5토르압력과 200ml/min 가스흐름비와 40W 파워에서 저합금강 시료에서 주요 방출선에 대한 RF 및 DC-GD의 안정성을 비교한 그래프

도 9 는 방출선의 세기와 농도와의 관계를 실험한 그래프

도 10 은 저합금강시료에서 RF-GD와 DC 사이에 검출한계를 비교한 도표

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 글로우방전 셀 12 : 정합 장치부

13, 14 : 가스흐름 조절부 15 : 가스 필터부

16 : 아르곤 가스 공급부

17 : 가스흐름 판독 장치부

18 : 진공 펌프부 19 : 냉각수

20 : 냉각수 모터부 21 : 압력 게이지 측정부

22 : 압력 모니터부 23 : 렌즈

24 : 광전증배관부 25 : 단색화 장치부

26 : 미니스텝 구동 장치부 27 : 단색화 장치 조절부

28 : RF/DC 전압 발생부 29 : 인터페이스부

30 : AD/DA 변환 보드부 32 : 셀 몸체부(에노드)

33 : 고체시료 34 : 고무링

35 : 절연체(어레스터) 36 : 비절연체

37 : 가스노즐 38 : 가스 흡입구

39 : 진공 흡입/배출구 40 : 석영창

41 : 지지대(캐소드)

42 : 냉각수 흡입구 및 배출구

43 : RF/DC 전압 100 : 글로우방전 장치부

200 : 광측정 장치부 300 : 자동화 장치부

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료직접분석장치는 저압상태에서 고체시료에 아르곤 가스를 분사시켜 글로우 방전을 일으키는 글로우방전 셀과, 상기 글로우방전의 전력을 공급하는 고주파 및 직류전원 발생부와, 상기 글로우방전 셀에 최대전력을 전달하기위해서 상기 고주파 발생부의 임피던스와 상기 글로우방전 셀의 임피던스를 정합하기 위한 정합 장치부와, 상기 글로우방전 셀에 아르곤 가스를 공급하는 아르곤 가스 공급부와, 상기 글로우방전 셀에 유입되는 가스의 양을 조절하는 가스흐름 조절부와, 상기 글로우방전 셀의 내부압력을 낮게 떨어뜨리고 저압을 유지하는 진공 펌프부를 포함하는 글로우 방전 수단과,

상기 글로우방전 셀로 부터의 미약한 빛을 충분히 큰 세기의 전압으로 증폭시키는 광전증배관부와, 상기 글로우방전 셀과 광전증배관부 사이의 촛점거리를 맞추어 주는 촛점렌즈와, 상기 광전증배관부를 통해 들어온 광파를 수신하여 이 빛의 파장의 세기를 측정한 신호를 출력시키는 단색화장치부와, 상기 단색화장치부의 스테핑모터를 제어하는 미니스텝 구동장치부와, 상기 광전증배관에 고전압을 공급하여 소수의 광자에너지를 큰 에너지로 증폭시켜 그 신호를 다시 전송받으며, 상기 단색화 장치부가 원하는 가동영역에서 구동되게하고 원하는 광파장에서의 강도를 측정하도록 상기 단색화장치부의 스테핑모터의 이동을 조정하는 단색화장치 조절부를 포함하는 광 측정 수단과,

개인용 컴퓨터와, 상기 개인용 컴퓨터에 내장되어 상기 개인용 컴퓨터와 상기 단색화장치조절부를 상호 접속시켜 상기 단색화 장치부의 분광분석을 통해 얻어진 데이터를 상기 개인용 컴퓨터에 전송하고, 상기 단색화장치조절부에 상기 개인용 컴퓨터로부터의 제어신호를 전송하는 인터페이스부와, 상기 단색화 장치부의 제어와 가스흐름의 조절, 직류 및 고주파 전력공급 제어, 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하기 위해 상기 개인용 컴퓨터의 확장슬롯에 장착된 아날로그-디지탈/디지탈-아날로그 변환보드부를 포함하는 자동화 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 글로우 방전 수단은 상기 글로우방전셀과 진공펌프부 사이에 상기 글로우방전셀 내부의 압력을 나타내는 압력 측정부와, 상기 글로우방전 셀이 방전시 시료가 뜨거워지는 것을 방지하기 위한 냉각수 순환부와, 상기 글로우방전 셀과 상기 진공펌프부 사이에 상기 글로우방전 셀의 방전 압력과 아르곤가스흐름을 조정하기 위한 니들 밸브를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 글로우 방전 셀은 셀 몸체와, 성분 및 함량을 조사하기 위한 고체시료와, 상기 시료를 고정시키기 위한 지지대와, 상기 지지대에 의해 시료와 접촉되며 플라스마를 방출하기 위한 구멍과 가스노즐이 형성이 된 절연체 및 비절연체와, 상기 셀 내부의 압력을 낮게 떨어뜨리고 저압을 유지시키기 위한 진공 흡입구 및 배출구와, 방전시 발생되는 플라스마의 빛을 관측하기 위한 석영창과, 상기 가스노즐로 아르곤 가스를 유입시키기 위한 가스흡입구를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 글로우 방전 셀은 상기 시료와 절연체 사이의 틈을 막아 진공상태를 유지시키기 위한 고무링과, 상기 방전시 시료의 열을 식혀주기 위해 상기 시료의 앞뒤로 냉각수를 흡입 및 배출하는 냉각수 흡입구 및 배출구와, 상기 방전시 발생되는 플라스마를 눈으로 확인하기 위한 석영창과, 상기 방전시 발생되는 플라스마로 인한 전자가 상기 석영창에 코딩되는 현상을 막기 위해 상기 석영창 앞으로 아르곤 가스를 주입시키는 가스흡입구와, 상기 방전시 시료에 열이 발생하는 것을 막기위해 상기 시료 뒷면에 산화알루미늄에 실리콘을 코팅한 지지대를 추가로 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 다른 고주파 글로우 방전을 이용한 고체시료 직접분석방법은,

고체시료를 음극으로하고 몸체를 양극으로하여 저압 상태에서 상기 음극과 양극에의 고주파 전력의 인가와 아르곤 가스의 유입에 따라 글로우 방전을 일으키는 과정과,

상기 글로우 방전시 발생하는 빛을 석영창을 통하여 수신하여 분광분석하는 과정과,

상기 분광분석된 데이터를 수집 분석하여 상기 고체시료가 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 동시에 분석하여 출력하는 과정을 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 의한 고주파 글로우방전 방출분광기를 이용한 고체시료 직접분석장치의 계통도이다.

본 발명의 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치의 전체적인 구성은 고체시료를 음극으로 하고 몸체를 양극으로 하며, 가스노즐과 어레스터를 장착하여, 저압상태에서 상기 음극과 양극에의 고주파 전력의 인가와 상기 가스노즐을 통한 아르곤 가스의 유입에 따라 글로우방전을 일으키며 이 방전에 의한 빛을 석영창을 통해 방출하는 글로우방전장치부(100)와, 상기 글로우방전장치부(100)의 방전시 발생하는 빛을 수신하여 분광분석하는 광측정장치부(200)와, 상기 광측정장치부(200)로 부터의 분광분석된 데이터를 수집 분석하여 상기 고체시료가 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 동시에 분석하는 자동화 장치부(300)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 글로우방전장치부(100)는 저압상태에서 방전이 일어나는 글로우방전 셀(11), 상기 글로우방전의 전력을 공급하는 고주파 발생부(28), 상기 글로우방전 셀(11)에 최대전력을 전달하기위해서 상기 고주파 발생부(28)의 임피던스와 상기 글로우방전 셀(11)의 임피던스를 정합하기 위한 정합 장치부(12)와, 상기 글로우방전 셀(11)에 아르곤(Ar) 가스를 공급하는 아르곤 가스 공급부(16)와, 상기 글로우방전 셀(11)에 유입되는 가스의 양을 조절하는 가스흐름 조절부(13,14)와, 상기 글로우방전 셀(11)의 내부압력을 낮게 떨어뜨리고 저압을 유지하는 진공 펌프부(18)와, 상기 글로우방전 셀(11) 내부의 압력을 읽어들여 보여주는 압력 측정부(21)와, 방전시 시료가 뜨거워지는 것을 막기 위한 냉각수 순환부(19, 20)로 구성된다.

상기 광측정장치부(200)는 원하는 상기 글로우방전 셀(11)로 부터의 미약한 빛을 충분히 큰 세기의 전압으로 증폭시키는 광전증배관부(24)와, 상기 광전증배관부(24)를 통해 들어온 광파를 수신하여 이 빛의 파장의 세기를 측정한 신호를 출력시키는 단색화장치부(25)와, 상기 단색화장치부(25)의 스테핑모터를 제어하는 미니스텝 구동장치부(26)와, 상기 광전증배관에 고전압을 공급하여 소수의 광자에너지를 큰 에너지로 증폭시켜 그 신호를 다시 전송받으며, 또한 상기 단색화 장치부(25)가 원하는 가동영역에서 구동되게하고 원하는 광파장에서의 강도를 측정하도록 상기 단색화장치부(25)의 스테핑모터의 이동을 조정하는 단색화장치 조절부(27)로 구성된다.

상기 자동화장치부(300)는 개인용 컴퓨터(31)와, 상기 개인용 컴퓨터(31)에 내장되어 상기 개인용 컴퓨터(31)와 상기 단색화장치조절부(27)를 상호 접속시켜 상기 단색화 장치부(25)의 분광분석을 통해 얻어진 데이터를 상기 개인용 컴퓨터(31)에 전송하고 또 상기 단색화장치조절부(27)에 상기 개인용 컴퓨터(31)로부터의 제어신호를 전송하는 인터페이스부(29)와, 상기 단색화 장치부(25)의 제어와 가스흐름의 조절, 직류 및 고주파 전력공급 제어, 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하기 위해 상기 개인용 컴퓨터의 확장슬롯에 장착된 아날로그-디지탈/디지탈-아날로그 변환보드부(30)로 구성된다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 글로우방전 셀(11)에는 가스의 흐름을 제어하는 가스흐름조절부(13,14)가 연결되어 있다. 가스흐름조절부(13,14)는 원활한 글로우 방전을 위해서 글로우방전 셀 내부의 압력을 충분히 낮춘 후(일반적으로 10^-3mbar 이하) 고순도의 아르곤 가스를 주입함으로써 일정 압력을 유지시키기 위함이다.

본 발명은 아르곤 가스중의 수분을 제거하기 위해 분광분석시스템의 뒷면에 가스필터부(15)를 부착하였으며, 가스통(16)으로부터 흘러들어온 아르곤은 가스필터부(15)를 통하여 시스템 내부로 들어가게 된다. 방전에 필요한 아르곤 가스의 주입은 두 개의 가스흐름조절부(MFC : Mass Flow Coctroller)(13, 14)에 의해 제어된다.

상기 2개의 가스흐름조절부(13, 14)는 각각 주 가스흐름조절부와 보조 가스흐름조절부로 사용되었는데, 주 가스흐름조절부로는, 금속시료 표면에 강하게 부딪쳐서 방전이 효율적으로 일어나게 하는 가스의 공급량을 조절하며, 보조 가스흐름조절부는 시료중앙 부위에서도 효과적인 튕김현상이 일어나도록 셀 내부의 압력을 실험자가 원하는 대로 유지하기 위해 적당량의 아르곤 가스를 흘려보내는데 사용된다.

상기 가스흐름조절부는 MKS사의 MFC Type 1159B-MFC with Type D connection/valve normally closed 두 개와 Type 247C 4 Channel Readout이 사용되었다. 1159B MFC는 가스흐름을 측정하고, 흐름양을 조절할 수 있다. 풀 스케일(Full scale)은 1%부터 100%까지 ±1%의 오차범위 내에서 정확도를 가진다. 여기에 사용된 주 MFC와 보조 MFC는 풀 스케일 레이지(full scale range)가 각각 500 sccm, 2000 sccm이다.

상기 압력측정부(21)는 BALZERS사의 TPR 010 압력 게이지 헤드를 셀과 진공펌프 사이에 두어 셀 내부의 압력을 측정하게 하였으며, 헤드에서 측정된 압력값에 대한 신호는 TPG 300 압력 모니터부(22)에 연결되어 mbar 단위, 또는 pascal, torr 단위로 LED 디스플레이(display)를 통해 압력을 확인할 수 있게 하였다. TPG 300에서 특정단위로 환산된 신호는 RS-232c 인터페이스부(29)를 통해 PC 장치부(31)에 연결되어 시스템 자동화의 일부를 이루게 하였다. PC에서 받아들인 셀 압력에 대한 신호를 해석하여 보조 MFC를 조절하여 사용자가 설정한 셀 압력을 자동으로 유지할 수 있게끔 하였다.

일반적으로, IBM 호환성 386 PC는 RS-232c 인터페이스부(29)를 최대 두 개까지만 설치할 수 있게끔 되어 있다. 단색화 장치부(25) 또한 RS-232c 인터페이스부(29)를 통해 PC와 통신이 되므로, 역시 RS-232c 인터페이스부(29)를 사용하는 그래픽화면 지시장치, 마우스를 사용할 수 없게 된다. 현재의 자동화 프로그램은 마우스를 사용하지 않기 때문에 이와 관련된 문제가 없으나, 이후 마우스를 꼭 써야할 필요가 있을 경우에는 RS-232c 인터페이스부(29)가 아닌 AD/DA 변환보드부(30)를 통해서 TPG 300 압력 모니터부(22)와 PC 장치부(31)와의 인터페이스를 실현할 수 있도록 AD/DA 변환보드부(30)의 채널에 여유를 충분히 두었다.

TPG 300 압력 모니터부(22)와 TPR 010 게이지 헤드와의 신호교환을 위해 TPG 300의 슬롯에 PI 300D 카드 또는 CP 300C9 카드를 사용하였다. 참고로, TPR 010 압력 게이지 헤드의 압력측정범위는 100 mbar에서 10^-3까지이다.

상기 단색화장치부(25)는 JovinYvon사의 초점거리 640mm의 Czerny-Tuner 방식이다. 상기 단색화장치부(25)는 f/7이며, 분리 능이 0.6nm/mm를 유지하기 위하여 2400 lines/mm 80×110 Plane holographic grating(blazed for 250nm)을 사용하였다. 측정된 신호 및 분광기의 구동은 Jovin-Yvon사의 Spectralink와 소프트웨어를 사용하였다. 입구슬릿과 출구슬릿은 약 25 마이크로 미터로 맞추었으며, PMT 볼트는 -800V, 총 시간은 약 0.2sec로 하였다.

본 발명은 시스템의 비교를 위하여 시료의 무게손실속도를 측정하였으며, 두께 0.6 mm, 면적 30×30의 순수 구리시료를 사용하였다. 그리고, 본 발명은 99.999%의 고순도 Ar가스를 사용하였다.

고주파 글로우방전 셀(11)의 중앙에는 일정크기의 고체시료가 고정되어 있다. 이 고체시료는 (-) 전극을, 고주파 글로우방전 셀(11)의 몸체는 (+) 전극을 형성한다.

상기 고주파 글로우방전 셀(11)에 공급하는 고주파(RF) 전력은 13.56MHZ 주파수전압으로 고주파발생부(25)에 의해 발생된다. 상기 고주파 발생부(28)와 상기 (+)(-)전극간에는 정합장치부(12)가 접속되어 있다. 이 정합장치부(12)는 고주파 글로우방전 셀(11)에 최대전력을 전달하기위해서 상기 고주파 발생부(28)의 임피던스와 고주파 글로우방전 셀(11)의 임피던스를 정합하기위한 것이다.

본 발명에서 고주파 발생부(28)와 정합장치부(12)로는 각각 미국 뉴저지 말톤(Marlton)시에 소재하는 RF Plasma Products 사에서 시판하는 모델 RF-5S와 AM-5를 사용한다.

한편, 고주파 글로우방전 셀(11)의 하부에는 고주파 글로우방전 셀(11)의 내부를 일정압력이하로 유지시키기위한 진공펌프부(18)가 연결되어 있다. 이 진공펌프부(18)로는 우성진공에서 시판하는 직렬식 진공펌프를 사용하였다. 이 진공펌프부(18)와 고주파 글로우방전 셀(11)사이에는 아르곤가스흐름과 방전압력을 각각 조정하기위한 니들(needle)밸브를 설치하였다. 또한 니들밸브과 고주파 글로우방전 셀(11)사이에는 고주파 글로우방전 셀(11)내의 진공압력을 측정하기위하여 압력게이지(pressure gauge)측정부(21)를 설치하였다. 이 압력게이지 측정부(21)로는 Balzer사에서 시판하는 모델 TPG300을 사용한다.

상기 단색화 장치부(25)로는 미국제 SPEX사의 SPEX 1000M을, 상기 미니스텝 구동 장치부(26)로는 MSD2, 상기 단색화 조절부(27)로는 DataScan DS1000을 사용한다.

1000M 단색화장치부(25)는 초점거리가 1000 mm이고, 측정할 수 있는 파장의 범위는 0 nm부터 1500 nm까지이다, 그리고, 0.008 nm 정도까지의 정밀도로 측정이 가능하며, 회절격자의 수는 1 밀리미터당 1200 grooves이다. 1000M 단색화장치의 옆에 달려있는 입구슬릿과 출구슬릿(도시되어 있지 않음)은 마이크로미터(도시되어 있지 않음)에 의해 틈의 크기를 조정할 수 있다. 두 슬릿틈의 크기는 3 ㎛부터 3 mm까지 2 ㎛단위로 조정될 수 있다. 1000M의 뒷부분에는 파장눈금이 있어서 현재 설정되어있는 파장을 0.01 nm 단위까지 보여준다.

상기 단색화장치부(25)에 주입되는 질소가스는 대기 중의 산소를 제거한 후 190 nm 이하의 vacuum 자외선 영역에서 나오는 B, P 그리고 S 등의 원소에 대한 측정을 가능하게 한다. 단색화장치로의 질소가스 주입은 최대 5 l/m의 플로우 메터(flow meter)를 설치하여 그 흐름의 양을 조절할 수 있게 한다.

미니스텝 구동장치부(26)는 단색화장치부(25)의 스테핑모터를 제어하며 미니스텝 구동장치부(26) 자체의 제어패널을 조정하여 스테핑 모터를 조정할 수도 있고 컴퓨터를 사용하여 원격제어할 수도 있다. 컴퓨터를 사용할 경우 단색화 장치 조절부(27)는 원하는 분광영역에 걸쳐 단색화 장치부(25)가 구동되게 하고, 빛의 원하는 파장에서의 세기를 측정할 수 있도록 스테핑 모터의 움직임을 조정한다. 단색화장치 조절부(27)는 단색화장치부(25)의 전체적인 동작을 제어하는 작은 컴퓨터라 할 수 있다. PC와는 RS-232C 인터페이스부(29)를 통해 연결되어 있어 분광분석을 통해 얻어진 데이터를 축적하고 전송한다. 또한, PC로부터 제어신호를 받아 전술한 바와 같이 단색화 장치부(25)를 제어한다.

원하는 파장의 미약한 빛은 그 상대적 세기의 값을 알아내기 위해 증폭과정을 거치게 된다. 광전효과를 응용한 PMT(24)를 사용하여 미약한 빛은 충분히 큰 세기의 전압으로 바뀌게 된다. 단색화장치 조절부(27)로부터 고직류전압을 받아 여러 단계를 거쳐 소수의 광자에너리를 몇 십배 큰 전기 에너지로 증폭시켜 그 신호를 다시 단색화장치 조절부(27)로 전송한다. 단색화장치 조절부(27)는 일정량의 데이터를 축적시켜두고서 일정한 간격으로 RS-232c 인터페이스를 통해 PC로 전송한다.

도 2 는 본 발명의 고체시료 직접분석장치에 사용된 가스 제트 분사 고주파 글로우 반전 셀의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 글로우 방전 셀(11)은 (+) 전극을 갖는 에노드인 셀 몸체(32)와, 성분 및 함량을 조사하기 위한 고체시료(33)와, 상기 시료(33)를 고정시키기 위한 (-) 전극을 갖는 캐소드인 지지대(41)와, (-) 전극을 갖는 절연체(35)와, 상기 절연체와 접합된 비절연체(36)와, 상기 절연체 및 비절연체에 원추형으로 형성된 가스노즐(37)과, 상기 시료(33)와 절연체(35) 사이의 틈을 막아 진공상태를 만들어 주는 고무링(34)과, 상기 방전시 시료의 열을 식혀주기 위해 상기 지지대(41) 및 절연체(35)로 냉각수를 공급 및 배출하는 냉각수 흡입구 및 배출구(42)와, 상기 글로우방전 셀(11)의 내부압력을 낮게 떨어뜨리고 저압을 유지시키기 위한 진공 흡입구 및 배출구(39)와, 방전시 발생되는 플라스마의 빛을 관측하기 위한 석영창(40)과, 상기 가스노즐(37)과 상기 석영창으로 아르곤 가스를 유입시키기 위한 가스흡입구(38)로 구성된다.

본 발명에서는 고주파를 전원으로 사용하기 때문에 일반적으로 직류에서 사용되는 캐소드(지지대)(41)의 재질은 테프론으로 만들거나, 동판에 산화알루미늄을 코딩하여 절연성을 유지하도록 하였다. 그리고, 방전시 시료(33)가 뜨거워지는 것을 방지하기 위하여 시료(33)의 앞뒤로 냉각수(42)로 냉각되도록 구현하였다. 시료(33)의 장착은 시료의 뒤쪽에서 수동으로 장착하거나, 공기유압장치를 설치하여 자동으로 장착하도록 고안하였다. 상기 고무링(33)은 시료(33)와 절연체(35) 사이의 틈새를 막아 글로우방전 셀내를 진공 상태로 유지시켜주는 역할을 한다.

본 발명은 아르곤 가스가 상기 노즐(37)과 플라즈마 관측창(40) 앞으로 분사되도록 가스흡입구(38)가 2 곳으로 만들었다. 먼저, 상기 가스노즐(37)과 절연체(어레스터) 사이의 간격은 0.5mm로, 시료 표면과 60도의 각도로 시료표면에 주입시켜 방전이 일어나도록 하였으며, 가스가 분사되는 다른 한 곳은 플라스마 관측창 앞으로 분사하여 시료가 방출될 때 창에 전자들이 부착됨으로써 신호가 적어지는 것을 방지시켰다.

상기 글로우방전 셀의 진공은 처음에는 10^-2torr 정도까지 진공펌프의 기능을 최대로 하여 방전관내의 불순물을 제거한 후 방전가스를 유입하여 방전에 적절한 압력인 1에서 10torr정도로 유지한다. 방전 압력은 방전관에 연결된 압력 게이지를 사용하여 측정하고 이 결과는 개인용 컴퓨터에 연결되어 자동으로 방전압력과 가스흐름을 조절하도록 한다. 방전에 사용되는 파워는 최대 500W, 13.56MHz의 고주파로서 오토매틱 매칭 네트워크(automatic matching network)와 함께 사용하였다.

시료의 방전시 발생하는 플라스마는 150mm의 초점거리를 가진 한 개의 오목 실리카 렌즈에 의해서 단색기의 입구슬릿에 초점이 맞추어지도록 하였다.

도 3 은 본 발명의 고주파 글로우방전 셀의 부분 단면도를 도시한 것이다.

여기서, 아르곤 가스가 주입되는 가스노즐(34)의 간격은 0.5mm가 되도록 하였고, 시료(33)와 절연체(35) 사이에 고무링(34)을 끼워 방전이 일어나는 고주파 글로우방전셀 내부를 진공 상태로 유지시켰다. 그리고, 상기 가스노즐(37)을 통해 유입된 가스가 고체시료표면과 충돌하는 각도는 60°가 되도록 하였다. RF 글로우방전관의 몸체는 직육면체로 가공하였으며, 재질은 알루미늄으로하였다. (+)전극과 (-)전극을 절연하기위한 절연체(35)로서는 테프론(teflon)을 사용하였다.

고체시료에 대해서는, 일반적으로 전도성시료의 경우에는 그 표면을 샌드페이퍼로 연마한 후, 메탄올로 먼지, 구리가루등을 닦아낸 후 사용하였다. 이는 고주파 글로우방전의 경우 직류 글로우방전보다 고체시료의 표면상태에 더욱 크게 영향을 받기 때문이다. 그리고, 처음 고주파 글로우방전셀에 고체시료를 장착한 후 5 내지 10분간 진공펌프를 이용하여 최대한 진공으로 만들고 압력이 1.0×10^-2토르 이하로 떨어지면 Ar가스흐름속도를 최대로 하여 10초간 흘러주어 고체시료표면의 불순물을 제거한다. 그후 150 sccm정도의 Ar가스를 흘려보내주면서 5분정도 예비방전시켜서 본격적으로 고체시료를 분석할 준비를 갖춘다.

도 4 는 본 발명에서 사용된 고주파 글로우방전셀의 3가지 형태의 노즐과 어레스터를 도시한 단면도이다.

여기서, (A)도는 식스-제트(Six-jet) 가스노즐 및 어레스터를 도시한 고주파 글로우방전셀로, 6개의 홈이 새겨져 있어 이곳을 통하여 가스가 시료표면에 충돌하도록 되어있다. 이 경우 시료표면 중 가스 제트가 부딪히는 곳에서만 스퍼터링(sputtering)이 현저하여 시료의 두께측정용으로는 부적절하므로 가스흐름을 이용하면서 균일한 스퍼터링을 일으킬 수 있도록 (B)도에 도시된 원추형 형태의 노즐을 구현하였다. 식스-제트 가스노즐과 원추형 형태의 노즐과의 차이는 여섯 개의 작은 홈 대신 노즐부분과 어레스터 부분과의 간격이 균일하게 유지되도록 하였으며, 그 간격이 0.3 mm, 0.5 mm인 두 가지를 제작하였다. (C)도에 도시된 실린더형 노즐은 그림(Grimm) 형태의 글로우 방전 형태를 사용하여 양극부분이 음극이나 시료에 수직으로 위치하도록 하였다. 이 형태의 노즐은 양극과 음극 사이가 2 mm, 5 mm인 것 두 가지를 제작하였다.

도 5는 본 발명의 고체시료에 대한 분광분석을 할 때 일어날 수 있는 몇가지 상황에 대한 시나리오를 도시한 상태도이다.

먼저, 고체시료에 대한 분광분석의 과정을 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치가 도시된 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 부호 S1,S2,S3,S4는 각각 솔레노이드 밸브를 가리키는 것으로, 여기에 사용한 솔레노이드 밸브는 CKD 사의 제품으로 이들 모두 전원이 공급되지 않을 때는 상기 밸브가 닫힌 상태이고, 220V, 60Hz 교류전류가 들어오는 경우는 상기 밸브가 열리게 된다. 밸브 S1과 S4는 두 방향을 가지며 각각 1/4, 1/2의 메일 컨넥터(male connector)를 연결할 수 있게 되어 있다. 밸브 S2와 S3는 세 방향을 가지며 모두 1/4 메일 컨넥터를 연결할 수 있다. 이 솔레노이드 밸브에 대한 220V 교류의 연결/끊음을 PC로 자동화하기 위해 solid relay driver box 내에 PCLD-768 SSR Relay driver board를 장착하였다. Solid state relay drive box는 PC의 AD/DC 보드(PCL-812PG)로부터 PC 외부로 연결되어있다. 밸브에 연결된 배관에 사용된 관은 1/4, 1/2 구리관과, 절연이 필요한 곳의 1/4, 1/2 테프론관이다. 특별히 셀의 설치, 분리를 편리하게 하기 위해, GD 셀의 바로 아래에는 1/2 주름진 테프론관을 사용하여 진공펌프로의 배관에 연결하였다.

실제 금속시료에 대한 분광분석을 행할 때 일어날 수 있는 가능한 몇몇 상황에 대한 시나리오를 전개함으로써, 각 솔레노이드 밸브의 역할 및 실험순서를 도 5의 (A)도 내지 (E)도를 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 고체시료 직접분석장치를 이용한 고체시료 직접분석방법(도 5A)은, 상기 진공 펌프의 전원을 켜는 제 1 단계와, 상기 아르곤 가스통의 수동밸브를 여는 제 2 단계와, 상기 글로우방전셀에 성분 및 함량을 분석할 고체시료를 설치하는 제 3 단계와, 상기 가스흐름조절기의 솔레노이드 밸브(S2)를 여는 제 4 단계와, 상기 압력측정용게이지의 솔레노이드 밸브(S3)를 여는 제 5 단계와, 상기 아르곤 가스통의 솔레노이드 밸브(S1)를 여는 제 6 단계(도 5B)와, 상기 진공 펌프의 솔레노이드 밸브(S4)를 열어 글로우 방전 셀 내부를 진공 상태로 펌핑시키는 제 7 단계(도 5C)와, 상기 펌핑 동작이 충분히 된 후 아르곤 가스 공급 및 압력을 조절하는 제 8 단계와, 상기 직류전원을 공급하여 방전을 시작하는 제 9 단계와, 상기 방전에 의해 발생된 플라스마를 상기 광측정기에 의해 측정 분석하는 제 10 단계와, 상기 광측정기로 부터의 데이터를 수집 분석하여 상기 고체시료가 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 상기 개인용 컴퓨터를 이용해 동시에 분석하는 제 11 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 11 단계가 끝난 후 시료를 교환할 경우는 상기 아르곤 가스통의 솔레노이드 밸브, 상기 가스흐름조절기의 솔레노이드 밸브, 상기 압력측정용게이지의 밸브 및 진공 펌프의 솔레노이드 밸브가 열린 상태에서, 상기 직류전원을 오프시키는 제 12 단계와, 상기 진공 펌프의 솔레노이드 밸브(S4)를 잠그는 제 13 단계(도 5B)와, 상기 시료를 고정하고 있는 나사를 푸는 제 14 단계와, 상기 글로우방전셀의 내부로 아르곤 가스를 공급하여 셀 내부의 압력이 대기압과 같아지면 시료가 방전셀로부터 떨어지는 제 15 단계와, 상기 분석한 시료를 떼어낸 후 분석할 시료를 설치하는 제 16 단계와, 상기 아르곤 가스의 공급을 중단시키는 제 17 단계와, 상기 진공 펌프의 솔레노이드 밸브를 열어 펌핑을 시작하는 제 18 단계(도 5C)와, 상기 펌핑 동작이 충분히 된 후 아르곤 가스 공급 및 압력을 조절하는 제 19 단계와, 상기 직류전원을 공급하여 방전을 시작하는 제 20 단계와, 상기 방전에 의해 발생된 플라스마를 상기 광측정기에 의해 측정 분석하는 제 21 단계와, 상기 광측정기로 부터의 데이터를 수집 분석하여 상기 고체시료가 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 상기 개인용 컴퓨터를 이용해 동시에 분석하는 제 22 단계를 추가로 구비하는 한다.

그리고, 상기 제 11 단계가 끝난 후 작업을 종료할 경우(도 5C)는 상기 아르곤 가스통의 솔레노이드 밸브, 상기 가스흐름조절기의 솔레노이드 밸브, 상기 압력측정용게이지의 밸브 및 진공 펌프의 솔레노이드 밸브가 열린 상태에서, 상기 직류전원을 오프시키는 제 23 단계와, 상기 진공 펌프의 솔레노이드 밸브(S4)를 잠그는 제 24 단계(도 5B)와, 상기 진공 펌프의 전원을 끄는 제 25 단계와, 상기 아르곤 가스통의 수동밸브를 잠그는 제 26 단계와, 상기 가스흐름조절기의 솔레노이드 밸브(S2)를 잠그는 제 27 단계(도 5D)와, 상기 압력측정용게이지의 밸브(S3)를 잠그는 제 28 단계(도 5E)와, 상기 글로우방전셀 내부의 압력이 대기압과 같아지면 상기 시료를 제거시키는 제 29 단계와, 상기 아르곤 가스통의 솔레노이드 밸브(S1)를 잠그는 제 30 단계(도 5A)를 추가로 구비한 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 의해 고체시료의 성분 및 함량을 측정하는 도중 정전이 발생하였을 때는 다음과 같은 순서를 거치면 된다.

(1) 정전사고 직전상태 : 도 5B 내지 도 5E 어느 것이라도 될 수 있다.

(2) 정전이 될 경우 도 5A의 상태가 되며, 아르곤 가스 탱크로부터의 고압은 밸브 S1까지의 범위에서 차단된다. 또 밸브 S4가 오프되므로 펌프로부터 기름이 역류하는 것을 방지할 수 있다.

그리고, S1부터 셀을 거쳐 S3, S4까지의 전 영역의 압력이 대기압과 같아진다. 이 모든 과정이 정전이 일어남과 동시에 이루어질 것으로 예상하며 실험자는 이후 적절한 수동적 조치를 취하면 된다.

한편, 본 발명자는 본 발명에 따른 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료분석장치를 이용하여 고체시료를 분석하는데 있어 각종 실험변수에 따른 시료손실속도의 측정, 방출선 세기 측정, 고주파 및 직류전압에 의한 글로우방전의 안정도, 검량곡선 및 검출한계를 실험하여 분석하였다.

도 6 은 40W의 일정파워에서 3-5토르의 압력에서 DC-GD와 RF-GD에서 무게 감소에 대한 가스 흐름비의 효과를 보여주고 있다. 직류 글로우방전(Dc-GD) 소오스의 경우에는 가스흐름비가 증가할 때 무게 감소는 3토르에서는 가스흐름이 300 ml/min일 때 최대가 되며 5토르에서는 600ml/min에서 최대 값으로 도달된다. 고주파 글로우방전(RF-GD)인 경우 가스흐름에 따라 증가는 하지만, 동일조건에서 Dc-GD와 비교하면 3배정도 시료손실량이 줄어든다. 그 이유로는 Rf는 직류에 비하여 1/3정도 파워 효율이 나기 때문이다.

도 7A 내지 도 7B 는 Dc-GD(A)와 Rf-GD(B) 사이에서 측정되는 방출선의 세기를 동일압력에서 가스흐름을 변화시키면서 비교측정한 것이다. 이 경우 3토르 압력에서 다양한 가스흐름비에 구리성분으로부터 도 7A는 Dc-GD, 도 7B는 Rf-GD의 방출세기를 보여주고 있다. 구리원자라인 521.9nm와 구리이온라인인 449.4nm라인의 방출세기는 가스흐름이 200ml/min까지 증가하다가 감소한다. 이러한 패턴은 도 7에서 보여주는 것과 같이 300ml/Min의 가스흐름 주위에 최대한으로 보여주는 시료손실속도와 일치한다. 그러나 구리원자라인인 324.7nm은 Dc-GD에서 가스흐름비가 증가할 때 오히려 감소하게 된다. 이것은 200ml/min주위에서 최대한 방출세기가 나타나는 Rf-GD와는 차이가 있다. 공명선인 324.7nm의 방출세기가 가스흐름비의 증가할 때 감소하는 것은 Dc-GD시스템에서 발생하는 흡수(self-absorption)이다. 그러나 Rf-GD의 최대 방출세기가 시료손실속도와 동일한 조건에서 측정되는 결과는 흡수(self-absorption)가 Dc-GD 시스템보다 매우 적게 나타나는 것으로 보여지고 있다.

도 8 은 10분동안에 5토르압력과 200ml/min가스흐름비와 40W파워에서 저합금강 시료에서 주요 방출 선에 대한 RF 및 DC-GD의 안정성을 비교하였다. 철라인 방출세기는 약 2분후에 플라즈마의 안정됨으로 해서 첫 번째 몇초후안에 최대값까지 도달한다. Broekaret 는 이 피크에 대한 원인은 시료표면에 불순물과 흡수된 대기가스를 가진 시료물질의 초기 스퍼터링한다고 설명하였다. Rf-GD인 경우 초기 10분간은 0.3% 이내인 반면 직류인 경우 0.5%로 rf가 보다 안정한 플라스마를 형성하였다.

도 9 는 방출선의 세기와 농도와의 관계를 실험한 그래프로서, 방출선의 세기와 농도와의 직선성을 조사하기 위하여 크롬의 검량선을 작성하였다.

실험조건은 300ml/min 가스흐름과 방전압력 5토르 및 710V, 60mA에서 1.6%에서 46ppm농도 범위의 6개의 저 합끔강 시료를 사용하였다. 한가지 특징적인 것은 검량선의 직선성은 일차적으로 매질인 철을 내부표준물질로 보정시 0.945에서 0.985로 개선되어졌다. 또한, RF-GD시스템에서 측정되는 DC 바이어스 위치(bias potential)로 보정하였을 때 0.993으로 향상되었다.

도 10은 저합금강시료에서 RF-GD와 DC사이에 검출한계를 비교한 것이다. 이때 현재 상품화되어 많이 사용되는 그림(Grimm) 형태인 경우 서브 ppm 정도이다. 그러나 가스 제트 분사 글로우방전에서는 ppb 수준으로 10배 내지 수십배이상 향상되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치 및 그 방법에 의하면, 고체시료를 음극으로하고 몸체를 양극으로하여 저압 상태에서 상기 음극과 양극에의 고주파 전력의 인가와 아르곤 가스의 유입에 따라 글로우 방전을 일으키는 글로우방전셀을 구비하여 상기 글로우 방전시 발생하는 빛을 석영창을 통하여 수신하여 분광분석한 후, 분광분석된 데이터를 수집 분석하여 상기 고체시료가 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 동시에 분석하여 출력하도록 구현함으로써, 전도성재료나 비전도성재료를 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 동시에 정밀하게 직접 분석 가능한 매우 뛰어난 효과가 있다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (4)

1. 고주파 글로우방전을 이용한 고체시료 직접분석장치에 있어서,

   저압상태에서 고체시료에 아르곤 가스를 분사시켜 글로우 방전을 일으키는 글로우방전 셀과, 상기 글로우방전의 전력을 공급하는 고주파 및 직류전원 발생부와, 상기 글로우방전 셀에 최대전력을 전달하기위해서 상기 고주파 발생부의 임피던스와 상기 글로우방전 셀의 임피던스를 정합하기 위한 정합 장치부와, 상기 글로우방전 셀에 아르곤 가스를 공급하는 아르곤 가스 공급부와, 상기 글로우방전 셀에 유입되는 가스의 양을 조절하는 가스흐름 조절부와, 상기 글로우방전 셀의 내부압력을 낮게 떨어뜨리고 저압을 유지하는 진공 펌프부와, 상기 글로우방전 셀과 진공펌프부 사이에 상기 글로우방전셀 내부의 압력을 나타내는 압력 측정부와, 상기 글로우방전 셀이 방전시 시료가 뜨거워지는 것을 방지하기 위한 냉각수 순환부와, 상기 아르곤 가스의 수분을 제거하기 위해 상기 가스 공급부와 가스흐름조절부 사이에 가스 필터부와, 상기 글로우방전 셀과 상기 진공펌프부 사이에 상기 글로우방전 셀의 방전 압력과 아르곤가스흐름을 조정하기 위한 니들 밸브를 추가로 구비 포함하는 글로우 방전 수단과,

   상기 글로우방전 셀로 부터의 미약한 빛을 충분히 큰 세기의 전압으로 증폭시키는 광전증배관부와, 상기 글로우방전 셀과 광전증배관부 사이의 촛점거리를 맞추어 주는 촛점렌즈와, 상기 광전증배관부를 통해 들어온 광파를 수신하여 이 빛의 파장의 세기를 측정한 신호를 출력시키는 단색화장치부와, 상기 단색화장치부의 스테핑모터를 제어하는 미니스텝 구동장치부와, 상기 광전증배관에 고전압을 공급하여 소수의 광자에너지를 큰 에너지로 증폭시켜 그 신호를 다시 전송받으며, 상기 단색화 장치부가 원하는 가동영역에서 구동되게하고 원하는 광파장에서의 강도를 측정하도록 상기 단색화장치부의 스테핑모터의 이동을 조정하는 단색화장치 조절부를 포함하는 광 측정 수단과,

   개인용 컴퓨터와, 상기 개인용 컴퓨터에 내장되어 상기 개인용 컴퓨터와 상기 단색화장치조절부를 상호 접속시켜 상기 단색화 장치부의 분광분석을 통해 얻어진 데이터를 상기 개인용 컴퓨터에 전송하고, 상기 단색화장치조절부에 상기 개인용 컴퓨터로부터의 제어신호를 전송하는 인터페이스부와, 상기 단색화 장치부의 제어와 가스흐름의 조절, 직류 및 고주파 전력공급 제어, 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하기 위해 상기 개인용 컴퓨터의 확장슬롯에 장착된 아날로그-디지탈/디지탈-아날로그 변환보드부를 포함하는 자동화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 고주파 글로우 방전을 이용한 고체시료 직접분석장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 글로우 방전 셀은,

   셀 몸체와, 성분 및 함량을 조사하기 위한 고체시료와, 상기 시료를 고정시키기 위한 지지대와, 상기 지지대에 의해 시료와 접촉되며 플라스마를 방출하기 위한 구멍과 가스노즐이 형성이 된 절연체 및 비절연체와, 상기 셀 내부의 압력을 낮게 떨어뜨리고 저압을 유지시키기 위한 진공 흡입구 및 배출구와, 방전시 발생되는 플라스마의 빛을 관측하기 위한 석영창과, 상기 가스노즐로 아르곤 가스를 유입시키기 위한 가스흡입구와, 상기 시료와 절연체 사이의 틈을 막아 진공상태를 유지시키기 위한 고무링과, 상기 방전시 시료의 열을 식혀주기 위해 상기 시료의 앞뒤로 냉각수를 흡입 및 배출하는 냉각수 흡입구 및 배출구와, 상기 방전시 발생되는 플라스마를 눈으로 확인하기 위한 석영창과, 상기 방전시 발생되는 플라스마로 인한 전자가 상기 석영창에 코딩되는 현상을 막기 위해 상기 석영창 앞으로 아르곤 가스를 주입시키는 가스흡입구와, 상기 방전시 시료에 열이 발생하는 것을 막기위해 상기 시료 뒷면에 산화알루미늄에 실리콘을 코팅한 지지대를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고주파 글로우 방전을 이용한 고체시료 직접분석장치.
3. 고주파 글로우 방전을 이용한 고체시료 직접분석방법에 있어서,

   고체시료를 음극으로하고 몸체를 양극으로하여 저압 상태에서 상기 음극과 양극에의 고주파 전력의 인가와 아르곤 가스의 유입에 따라 글로우 방전을 일으키는 과정과,

   상기 글로우 방전시 발생하는 빛을 석영창을 통하여 수신하여 분광분석하는 과정과,

   상기 분광분석된 데이터를 수집 분석하여 상기 고체시료가 구성하고 있는 여러 원소들의 성분과 함량을 동시에 분석하여 출력하는 과정을 구비한 것을 특징으로 하는 고주파 글로우 방전을 이용한 고체시료 직접분석방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 방전시 발생되는 플라스마로 인한 전자가 상기 석영창에 코딩되는 현상을 막기 위해 상기 석영창 앞으로 아르곤 가스를 주입시키는 것을 특징으로 하는 고주파 글로우 방전을 이용한 고체시료 직접분석방법.