KR20070082564A

KR20070082564A - 투과 측정용 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20070082564A
Application number: KR1020070016001A
Authority: KR
Inventors: 스테판 크로쓰; 뮤리엘 휘론; 필리페 트루스라르드
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2007-08-21
Also published as: JP5268265B2; EP1821093A2; JP2007218916A; KR101395411B1; EP1821093A3; EP1821093B1

Abstract

본 발명은 재료(M)를 통한 가스 투과를 측정하는 방법에 관한 것으로,

혼합 인클로져(14)에서 동위 원소 가스의 혼합물을 형성하는 단계로서, 각각의 동위 원소 가스는 재료(M)를 통한 투과가 발견되는 타겟 가스에 대응하고, 동위 원소 가스는 대응하는 타겟 가스와 상이한 질량수를 가지는 것인 단계;

제1 챔버(11)와 제2 챔버(12)를 구비하는 투과 인클로져(10)의 제1 챔버(11)를 동위 원소 가스의 혼합물로 채우는 단계로서, 제1 챔버는 재료(M)에 의해 제2 챔버(12)와 분리되는 것인 단계;

각각의 대응하는 타겟 가스의 재료(M)를 통한 투과를 동시에 계산하기 위해서, 재료(M)를 통해 투과하여 제2 챔버(12)에 존재하는 동위 원소 가스를 동시에 분석하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 이런 방법을 구현하는 장치와 이 장치를 사용하는 방법에 관한 것이다.

Description

투과 측정용 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE FOR MEASUREMENT OF PERMEATION}

도 1은 본 발명에 따른 투과 측정 장치를 예시하는 개략적인 다이어그램이다;

도 2는 본 발명에 따른 투과 장치에 필름의 고정 기구의 단면도이다;

도 3은 도 2의 기구의 상면도이다;

도 4는 조합된 측정의 일례를 예시하는 곡선을 나타낸다.

본 발명은 가스 투과 분야, 특히 고체 재료를 통한 가스 투과를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

예를 들어, 팩키징 또는 전자공학 등의 몇몇 적용을 위한 재료의 선택은 이들 재료를 통한 몇몇 가스의 투과를 연구할 것을 요한다. 투과는 가스가 몇 개의 단계로 재료를 통과하는 매커니즘, 즉 재료에서 가스의 흡수, 재료를 통한 이 가스의 확산, 및 재료의 다른 측 상에서 가스를 탈착(desorption)하는 것을 지칭한다. 가장 흔히 사용되는 투과 측정은 통상적으로 선택되는 재료를 통한 산소 또는 수증 기 등의 가스에 관련된다.

예를 들어, 식품 팩키징에 사용되어지는 재료에 대하여, 보통의 가스, 특히 산소와 수증기의 재료를 통한 투과를 연구하는 것은 중요하다. 이들 가스에 대하여 요구되는 투과성 수준은 극도로 낮고, 결과적으로, 투과 연구는 높은 민감도를 갖는 투과 측정을 요한다.

각각 단점을 갖는 다양한 가스 모니터링 원칙에 기초하여 이 문제에 응하여 많은 투과 측정 장치가 개발되어왔다.

특히, 높은 진공의 측정 인클로져를 구비하며, O₂, Ar, 또는 He의 투과 유동을 특정하기 위한 장치가 개발되어왔다. 그러나, 이 측정 방법의 민감도는 진공 측정 인클로져의 모니터되는 가스의 잔류 오염 수준에 의해 제한되며, 대기에 존재하는 산소와 수증기는 당연히 진공 인클로져에서도 가장 큰 오염물질에 속한다.

이런 큰 단점을 극복하기 위해서, 재료를 통한 투과를 결정할 필요가 있는 타겟 가스의 동위원소를 사용하는 것, 즉 상이한 질량수를 갖지만 타겟 가스에 상응하는 가스를 사용하는 것이 제안되어 왔다. 따라서, 예를 들어 측정 인클로져에서 분석기로서 질량 분석기를 사용함으로써, 투과 검출 임계값은 몇 차수의 크기로 감소될 수 있다. 이들 원소의 동위 원소 자연 존재비가 매우 낮기 때문에, 이들 종(species)에 의한 인클로져의 오염은 문제가 덜 중요하게 된다.

이 측정 방법은 투과 측정의 민감도를 증가시킨다. 그러나, 수증기, 또는 산 소 등의 타겟 가스에 대한 측정 시간은 종래 방법보다 전혀 더 낮아 지지 않는다. 이들 방법은 필름을 통한 하나의 타겟 가스만의 투과율을 측정할 수 있다. 필름(특히, 얇은 코팅을 갖는 필름)은 매우 깨지기 쉽기 때문에, 임의의 조작도 (예를 들어 스크래치로 인하여) 필름 배리어 특성에 변화를 야기할 수 있다. 타겟 가스의 변화가 실험 장치의 수정을 요한다면, 각 측정에 대해 필름을 교환하는 것이 종종 필요할 것이며, 이는 측정의 신뢰성과 재생산성을 부족하게 한다.

따라서, 본 발명의 목표는, 특히 민감도와 더 짧은 측정 시간을 조합한 향상된 투과 측정용 방법 및 장치를 제안하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 재료를 통한 가스 투과를 측정하는 방법에 관한 것이며, 다음의 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다:

· 혼합 인클로져에서 동위 원소 가스의 혼합물을 형성하는 단계로서, 각각의 동위 원소 가스는 재료를 통한 투과가 발견되는 타겟 가스에 대응하고, 동위 원소 가스는 대응하는 타겟 가스와 상이한 질량수를 가지는 것인 단계;

· 제1 챔버와 제2 챔버를 구비하는 투과 인클로져의 제1 챔버를 동위 원소 가스의 혼합물로 채우는 단계로서, 제1 챔버는 재료에 의해 제2 챔버로부터 분리되는 것인 단계;

· 각각의 대응하는 타겟 가스의 재료를 통한 투과를 동시에 계산하기 위해서, 재료를 통해 투과하여 제2 챔버에 존재하는 동위 원소 가스를 동시에 분석하는 단계.

혼합 인클로져에서 가스의 혼합물을 사전에 형성하는 것은 몇 개의 동위 원소 가스를 구비할 수 있는 혼합물로 제1 챔버를 채우는 것을 가능하게 하며, 각각의 동위 원소 가스는 재료를 통한 투과가 연구되는 하나의 타겟 가스에 대응한다. 따라서, 혼합물의 모든 동위 원소 가스는 재료를 통하여 투과할 것이고, 따라서, 분석 수단은 이를 통하여 투과되는 가스를 동시에 분석할 수 있을 것이다.

이런 동시 분석의 첫 번째 장점은 분석되는 가스가 보다 많은 경우 측정 시간이 더 짧다는데 있다. 이런 장점의 중요성은, 예를 들어 재료를 통한 O₂의 투과 측정이 재료의 투과성에 따라서 몇 일 또는 몇 달까지 소요될 수 있다는 점을 고려하면 명백해진다.

또한, 측정이 동시에 행하여 진다는 사실은, 하나 또는 몇 개의 다른 가스에 대한 이 필름의 투과성과 필름에 의한 수증기의 흡착 사이의 상호의존성을, 만약 있다면, 증명할 수 있다. 즉, 수증기의 흡착은 필름을 통하여, 예를 들어 산소 등의 다른 가스의 확산 특성을 변경시킬 수 있다. 산소 투과 측정 동안에 수분 함유량을 단순히 고정하는 대신에, 수증기와 산소 투과의 동시 측정이 행하여 진다.

또한, (특히, 재료의 분해(degradation), 온도 등에 관하여) 측정이 행하여 지는 실험 조건은 분석이 병행하여 행해지기 때문에 각각의 가스에 대해 동일하며, 따라서, 특정 재료에 대한 투과 분석은 훨씬 더 신뢰할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 방법의 바람직하지만 비제한적인 측면은 다음과 같다:

· 동위 원소 가스의 혼합물을 형성하는 단계가, 가스 소스로부터 생기는 적 어도 하나의 동위 원소 가스로 혼합 인클로져를 채우는 것, 혼합 인클로져를 폐쇄하는 것, 상 조절 수단(phase regulation means)을 사용하여 혼합물에서 중수 증기를 조절하는 것, 그리고 상기 혼합물이 평형에 이르도록 기다리는 것으로 이루어진다;

· 타겟 가스 중 하나가 ¹⁶O₂ 일 때, 혼합 인클로져는 ¹⁸O₂ 및 ¹⁷O₂ 중에서 선택되는 동위 원소 가스로 채워진다;

· 제1 챔버를 채우는 단계가, 제1 펌핑 수단으로 제1 챔버에 진공을 생성시키는 것, 그 후, 제1 챔버를 동위 원소의 혼합물로 채우도록 혼합 인클로져를 개방하는 것으로 이루어진다;

· 이 방법은 분석 단계 전에 열 조절 단계를 더 구비하고, 이 열 조절 단계는, 온도 조절 수단으로 투과 인클로져와 혼합 인클로져의 온도를 조절하는 것으로 이루어진다;

· 분석 단계는, 측정 인클로져에 위치된 가스 분석기로 제2 챔버의 동위 원소 가스의 존재를 동시에 결정하는 것으로 이루어지고, 측정 인클로져는 제2 챔버에 연결되고 제2 펌핑 수단을 사용하여 연속적인 진공 하에서 유지된다;

· 이 방법은, 분석 단계 전에, 제2 펌핑 수단을 사용하여 측정 인클로져와 제2 챔버에 진공을 생성시키는 것으로 이루어진 단계를 더 구비한다;

· 이 방법은, 투과 분석이 종료된 경우, 제1 챔버로부터 동위 원소 가스의 혼합물을 회수하는 것, 그리고 혼합물의 가스를 건조시키도록 필터 수단으로 혼합 물을 이동시키는 것으로 이루어진 가스 회수 단계를 더 포함한다;

· 가스 회수 단계는 대응하는 가스를 회수하도록 적합화된 회수 수단으로 대응하는 가스 소스에 혼합물로부터 건조된 가스를 포획하는 것으로 이루어지는 단계를 더 포함한다;

· 재료를 통한 헬륨 투과가 소정의 임계값보다 크면, 차후의 분석으로부터 재료를 제외함으로써 재료를 사전에 선택하기 위해서, 이 방법은, 헬륨으로 제1 챔버를 채우는 것과 재료를 통한 헬륨 투과를 계산하는 것으로 이루어지는 사전 준비 시험 단계를 더 포함한다;

본 발명은 재료를 통한 가스 투과를 측정하는 장치에 관한 것으로:

· 재료에 의해 분리된 제1 챔버와 제2 챔버를 구비하는 투과 인클로져,

· 재료를 통하여 투과하여 제2 챔버에 존재하는 가스의 분석을 위한 가스 분석 수단, 및

· 동위 원소 가스의 혼합물을 형성하는 혼합 인클로져로서, 각각의 동위 원소 가스는 재료를 통한 투과가 발견되는 타겟 가스에 대응하고, 동위 원소 가스는 상기 대응하는 타겟 가스와 상이한 질량수를 가지며, 혼합 인클로져는 동위 원소 가스의 혼합물로 제1 챔버를 채우도록 제1 챔버에 연결되어서, 분석 수단이 각각의 상기 대응하는 타겟 가스의 재료를 통한 투과를 동시에 계산하는 것인 혼합 인클로져를 구비한다.

다음은 본 발명에 따른 장치의 바람직하지만 비제한적인 측면이다:

· 이 장치는 제1 및 제2 단부를 포함하는 가스 공급 라인을 더 구비하며, 제1 단부가 적어도 하나의 동위 원소 가스 소스에 연결되고, 제1 챔버 및/또는 혼합 인클로져를 채우기 위해서 제2 단부가 제1 챔버 및 혼합 인클로져에 연결된다;

· 공급 라인은 각각 제1 밸브, 제2 밸브, 및 제3 밸브를 통하여 혼합 인클로져, 제1 챔버, 및 가스 소스에 연결된다;

· 가스 소스는 상기 대응하는 가스를 회수하도록 적합화된 회수 수단에 더 연결되며, 이 회수 수단은 극저온 트랩(cryogenic trap)일 수 있다;

· 공급 라인은 공급 라인에서 순환하는 가스를 건조시키는 필터 수단에 더 연결된다;

· 필터 수단은 공급 라인에서 순환하는 가스의 물 분자를 포획하도록 적합화된 몰레큘러 시브(morelcular sieve)이다;

· 필터 수단은 입구와 출구를 포함하고, 입구와 출구는 각각 제4 밸브 및 제5 밸브를 통하여 공급 라인에 연결되고, 공급 라인은 공급 라인을 바이패스시키도록 제4 밸브와 제5 밸브 사이에 위치되는 제6 밸브를 더 포함한다;

· 공급 라인을 혼합 인클로져와 투과 인클로져의 제1 챔버로부터 분리시키기 위해서, 공급 라인은 제1 밸브 및 제2 밸브 전방에 제2 단부에 삽입되는 제 7 밸브를 더 포함한다;

· 공급 라인에 진공을 생성시키기 위해서, 공급 라인이 제 1 단부에서 제9 밸브를 통하여 제1 펌핑 수단에 더 연결된다;

· 혼합 인클로져는, 혼합 인클로져에서 종의 상을 조절하는 상 조절 수단에 더 연결된다;

· 상 조절 수단은 중수에 포화된 식염수의 온도를 조절하는 펠티에 효과 모듈(peltier effect module)이다;

· 이 장치는 투과 인클로져와 혼합 인클로져의 온도를 조절하는 온도 조절 수단을 더 구비한다;

· 분석 수단은 제1 및 제2 단부를 구비하는 측정 인클로져에 위치된 분석기를 구비하며, 제1 단부는 제2 챔버에 연결되고, 제2 단부는 제2 펌핑 수단에 연결되어 측정 인클로져에 진공을 생성시킨다;

· 측정 인클로져의 제1 단부는 제10 밸브를 통하여 제2 챔버에 연결된다;

· 제2 펌핑 수단은 연속하여 배열되는 주 펌프와 부 펌프를 구비한다;

· 분석기는 질량 분석계이고, 질량 분석계는 제2 챔버와 펌프 사이에서 가스 유동 경로 내에 위치된다.

마지막으로, 본 발명은 투과 측정 장치를 사용하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 포함한다:

· 투과 인클로져에 측정되는 재료의 샘플 필름을 놓고, 장치의 모든 밸브를 폐쇄하는 단계;

· 제10 밸브와 제11 밸브를 개방하고, 제2 펌핑 수단을 사용하여 제2 챔버에 진공을 생성시키는 단계;

· 중수에 포화된 식염수를 혼합 인클로져 내에 배치하고, 펠티에 효과 모듈을 사용하여 용액을 냉동시키는 단계;

· 제1 밸브, 제2 밸브, 제4 밸브, 제5 밸브, 제6 밸브, 제7 밸브, 및 제9 밸브를 개방하고, 제1 펌핑 수단을 사용하여 제1 챔버, 공급 라인, 혼합 인클로져, 및 필터 수단에 진공을 생성시키는 단계;

· 제2 밸브, 제4 밸브, 제5 밸브, 및 제9 밸브를 폐쇄하는 단계;

· 동위 원소 가스 소스로부터의 동위 원소 가스로 혼합 인클로져를 채우도록 제3 밸브를 개방하는 단계;

· 제1 밸브를 폐쇄하고 회수 수단을 사용하여 공급 라인으로부터 동위 원소 가스를 회수하는 단계;

· 제3 밸브, 제6 밸브, 및 제7 밸브를 폐쇄하고 혼합물이 평형에 이르도록 기다리는 단계;

· 제1 밸브 및 제2 밸브를 개방하고, 분석 수단을 사용하여 각각의 타겟 가스의 재료를 통한 투과를 동시에 계산하는 단계.

이 사용 방법은 다음의 단계도 포함할 수 있다:

· 펠티에 효과 모듈을 사용하여 식염수를 냉동시키는 단계;

· 제6 밸브를 폐쇄하고, 제3 밸브, 제4 밸브, 제5 밸브, 및 제7 밸브를 개방하고, 필터 수단으로 가스를 건조시키는 단계;

· 회수 수단을 사용하여 건조된 가스를 회수하고, 제3 밸브를 폐쇄하는 단계.

본 발명의 다른 특성 및 특징은 예시적인 목적만으로 주어지는 다음의 비제한적인 설명으로부터 명백하여질 것이며, 첨부된 도면을 참조하여 이해될 것이다.

재료(M)를 통한 가스의 투과는, 필름(F)의 형상으로 통상적으로 샘플로 되는 재료(M)의 각 측 상에서 투과물(permeant)로도 지칭되는 이 가스의 분압(partial pressures) 사이의 차이에 의존한다.

도 1에 블록 다이어그램이 예시되어 있는 투과 측정기(permeameter)는 재료(M)의 필름(F)으로 분리된 제2 챔버(12)와 제1 챔버(11)를 구비하는 투과 인클로져(10)를 구비한다. 이 장치의 상류측 상의 제1 챔버(11)와 장치의 하류측 상의 제2 챔버(12) 사이에서 투과물의 분압의 차이를 연구할 때, 하류측 분압이 0이 되거나, 상류측 압력에 비하여 무시 가능한 정도로 되도록 유지하는 것이 중요하다. 필름 아래에서, 고진공이 유지되는 제2 챔버(12)는 하류측 압력이 0과 같거나 상류측 압력에 비하여 무시 가능한 정도를 유지하는 것을 가능하게 한다.

필름(F)의 과도한 변형을 방지하기 위해서, 투과 인클로져(10)는 다공성 소결 금속 재료(porous sintered metallic material) 등의 지지 수단(13)을 포함한다. 따라서, 필름(F)는 이 지지수단(13) 상에 놓이며, 이 지지수단은 제1 챔버(11)와 제2 챔버(12) 사이에 위치되고, 가스를 통과시킬 수 있도록 형성된다.

도 2 및 도 3은, 투과 인클로져(10) 내에 샘플 필름(F)을 고정하도록 투과 인클로져(10) 내부에 설치될 수 있는 고정 기구를 도시한다.

고정 기구는 회전축을 따라서 관통 개구를 가지고 실질적으로 회전 대칭을 갖는 프레임(27)을 구비한다. 프레임(27)은 제2 챔버(12)로부터 제1 챔버(11)를 분리하는 소결 금속 재료(13)를 유지하도록 형성되어 있다. 예를 들어, 소결 금속 재료(13)은 디스크 형상 일 수 있고, 이 디스크는 프레임(27)의 내부 둘레 상에 설치되는 크랭크 형상으로 구부러진 부분으로 지지된다. 재료(M)의 샘플 필름(F)은 이 소결 금속 재료(13) 상에 위치된다. 예를 들어, 소결 금속 재료(13)를 완전히 덮기 위해서, 소결 금속 재료(13)의 표면적 보다 큰 표면적을 갖는 샘플 디스크를 가지는 것이 가능할 것이다. 실제 문제로서, 샘플 필름(F)의 크기는 대략 12cm²이다.

또한, 소결 금속 재료(13)와 샘플 필름(F) 사이에서 샘플 필름(F)의 둘레 주위로 시일이 설치되어, 제1 챔버(11)와 제2 챔버(12) 사이에서 완전한 시일을 얻는다. 시일을 압축하고, 제1 챔버(11)와 제2 챔버(12) 사이의 접합부를 누수되지 않도록 하기 위해서, 고정 링(28)이 필름(F)과 접촉한다. 예를 들어, O-링(29)과 인듐 시일(indium seal)(30)이 사용될 수 있다.

분석 수단이 필름(F)의 하류측 상에서 제2 챔버(12)에 연결되며, 이 분석 수단은 투과물(들)의 하류측의 분압을 모니터하도록 적합화되어 있다. 측정 장치의 분석 수단은, 필요하다면 제2 챔버(12)로부터 측정 인클로져(20)를 격리시킬 수 있는 밸브(31)를 통해 제2 챔버(12)에 연결되는 측정 인클로져(20)를 구비한다. 바람직하게 서로 연속하여 위치되는 주 펌프(23)(즉, 진공 펌프)와 부 펌프(22)(즉, 고진공 펌프)를 구비하는 펌핑 시스템에 의해 이 측정 인클로져(20)에 진공이 생성된다. 측정 인클로져와 펌핑 시스템은 밸브(32)를 통하여 연결되어 있다.

또한, 분석 수단은, 진공 하에서 측정 인클로져(20)에 위치되고, 가스가 펌프(22 및 23)에 의해 펌핑되기 전에 가장 민감하게 제2 챔버(12)로부터의 가스를 분석하도록 배치되는 잔류 가스 분석기(21)를 구비한다. 예를 들어, 분석기(21)는, 연속하여 위치되는 건식 진공 펌프(23)와 터보 펌프(22)에 의해 진공이 생성되는 측정 인클로져(20) 내에 위치되는 질량 분석계일 수 있다. 보다 나은 민감도를 위해서, 이 질량 분석계는 제2 챔버(12)와 펌프(22 및 23) 사이의 가스 유동 경로 내에 위치된다. 또한, 압력 센서(24)는 측정 인클로져(20) 내부의 전체 압력을 측정하도록 설치될 수 있다.

사용되는 질량 분석계(21)는 저압에서만 작동할 수 있어서, 부진공(대략 최대 10^-4 torr) 하의 측정 인클로져(20)를 필요로 한다. 결과적으로, 샘플 필름(F)을 통한 투과에 의해 가스가 이동하는 동안, 측정 인클로져(20)는 펌프(22 및 23)로 영구적으로 펌핑된다. 따라서, 샘플을 통해 투과되는 각각의 가스의 분압은, 투과 유동이 이 펌핑된 유동과 같을 때 이 분압이 안정화될 때까지 증가한다. 질량 분석계(21)는 신호를 출력하며, 이 신호는 측정되는 종의 원자 이온화에 기인하는 전류이고 이 종의 분압에 비례한다. 펌핑이 충분하고 샘플을 통한 투과가 낮기 때문에, 안정화 압력도 매우 낮아서 샘플 필름(F)의 하류측 면 상의 압력이 시간에 대하여 실제적으로 0이 되는 것으로 생각할 수 있다. 따라서, 샘플 필름(F)를 통한 투과물의 유동은, 정상 상태가 달성될 때 모니터되는 투과물의 분압에 비례한다. 극도로 낮은 투과물 유동에 대하여, 밸브(32)를 폐쇄하는 것은, 하류측 압력이 상류측 압력에 비하여 무시가능해야 한다는 기준을 지킬 수 있게 하는, 분석 수단(21)에 의해 고정되는 전체 압력의 한계, 즉 대략 10^-4 torr 내에서 누적 측정을 가능하게 한다.

따라서, 계산되는 투과 유동으로부터 출발하여, 고려되는 가스에 대한 재 료(M)의 투과성이 샘플 필름(F)의 두께를 고려함으로써 추론될 수 있다.

또한, 공지의 "타임-래그" 방법을 사용하여, 전체 실험에 걸쳐서 누적된 투과 유동을 조사함으로써 확산 계수가 결정될 수 있다. 이 방법은 시간의 함수로 누적된 가스의 투과 유동을 추적하는 것과, 정상 상태에 대응하는 값에서 출발하여 0 누적으로 선형 회귀(linear regression)의 외삽(extrapolation)을 행하는 것으로 이루어 진다. 얻어진 시간(T_L)은 다음 식에 의해 확산 계수(D)에 직접 관계된다:

측정 민감도는 진공 하의 측정 인클로져(20)에서 분광광도법(spectrometry)으로 모니터된 질량의 잔류 오염 수준에 의해 결정된다. 각각 질량수 18과 32에 해당하는 질량수를 갖는 물(H₂O)과 산소(O₂)는 당연히 가장 중요한 오염 물질에 속하지만, 재료(M)를 통한 투과 연구를 위한 가장 중요한 종이다. 물과 산소와 연구되는 다른 가스에 대한 잔류 오염의 이 문제는, 예를 들어 질량수 20에 해당하는 수증기에 대하여 듀테륨(deuterium)(D₂O)과, 질량수 36에 해당하는 산소에 대하여 산소 18(¹⁸O₂) 등의 동위 원소 가스를 사용하여 측정함으로써 극복된다.

앞서 언급한 바와 같이, 특정 가스에 대한 재료(M)의 투과율을 결정하기 위해서, 분석 동아네 정상 상태에 도달하는 것이 필요한다. 그러나, 만약 재료(M)의 배리어 특성이 우수하다면, 수증기와 산소 등의 가스에 대하여 이 정상 상태에 도 달하기 전에, 매우 긴 시간이 필요할 수 있다. 따라서, 고려된 일련의 가스에 대한 투과에 관하여, 그리고, 특히 산소와 수증기의 투과에 관하여 재료(M)를 완전히 특징화하기 위해서는 몇 주가 필요할 수 있다.

예를 들어, 캡슐화를 위한 재료로 차후의 사용을 위해 재료를 선택하는 공정에서, 해법은 고려된 재료를 통한 헬륨(He)의 투과를 측정함으로써 재료를 사전에 선택하는 것일 수 있다. 헬륨은 재료와 약간만 상호작용하고 작은 분자 반지름을 가져서, 짧은 확산 시간으로 특징지어지는데, 이는 정상 상태가 매우 빠르게, 통상적으로 몇 분 내에, 또는 배리어 특성에 관하여 가장 높은 성능을 갖는 물질에 대하여 몇 시간 내에 도달되기 때문에 대응하여 측정 시간을 감소시킨다. 헬륨의 투과 매커니즘이 수증기 또는 산소의 투과 매커니즘과 현저하게 상이하더라도, 헬륨 측정은 재료의 배리어 특성을 개략적으로 정의하며, 수증기 및/또는 산소의 투과 측정이 필요한 재료를 먼저 선택하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 만약 우리가 가스에 대해 매우 낮은 투과율을 갖는 재료를 찾고 있다면,(수증기와 산소의 허용가능한 유동이 각각 10^-6 g/m².d와 10^-3 g/m².d인 캡슐화에 대한 경우와 같다) 헬륨에 대한 재료의 투과율이 높은 경우 보충적인 측정을 할 필요가 없다. 따라서, 헬륨의 투과를 측정하는 것은, 수증기와 산소에 대한 재료의 투과율의 차후의 매우 긴 측정을 할 필요를 방지할 수 있는 사전 선택을 가능하게 한다. 그러나, 이 해법은 재료 선택 공정 동안에만 적용될 수 있다는 단점이 있으며, 특히 물과 산소 투과에 관하여 재료의 완전한 특성화가 행해져야 할 때에는 측정 시간을 감소시키는데 사 용될 수 없다. 이런 선택 공정은 감압 압력계가 설치된 헬륨 실린더일 수 있는 가스 리저브(gas reserve)(35)를 사용하여 달성될 수 있으며, 이 가스 리저브(35)는 밸브(8)를 통하여 공급 라인(25)에 연결된다. 헬륨은 밸브(8)를 개방하고 밸브(2)를 폐쇄한 후에 리저브(35)를 통하여 직접 가스 공급 라인(25) 내로 분사된다. 분사 압력은 압력 제어 수단(26)을 사용하여 측정된다.

보충적인 해법은 동시에 상이한 가스들의 투과 측정을 행하는 것이다. 결국, 몇몇의 동위 원소 가스의 혼합물을 함유하는 대기가 투과 인클로져(10)의 제1 챔버(11) 내로 분사되어야 하고, 이들 가스는 연구되는 재료(M)를 통하여 동시에 투과할 수 있을 것이다. 그러나, 몇몇의 상이한 가스들을 함유하는 대기의 생성은 차후에 상세히 설명될 특정 가스 공급 수단을 요한다.

측정 장치에 사용되는 가스 공급 수단은 주 가스 공급 라인(25)을 구비하는데, 이를 통하여 동위 원소 가스의 혼합물이 형성될 수 있으며, 이 동위 원소 가스의 혼합물은, 그 후 투과 인클로져(10)의 제1 챔버(11) 내로 분사된다.

즉, 가스 공급 라인(25)은 제1 및 제2 단부를 구비하며, 이 제2 단부는, 제1 챔버(11)가 가스 공급 라인(25)으로부터 격리되는지 또는 아닌지에 따라서 폐쇄되거나 개방될 수 있는 밸브(2)를 통하여 투과 인클로져(10)의 제1 챔버(11)에 연결된다.

혼합 인클로져(14)도 밸브(1)를 통하여 이 제2 단부에 연결되어서, 가스 공급 라인(25)으로부터 혼합 인클로져(14)이 격리가 가능하다. 동위 원소 가스의 혼합물은 제1 챔버(11) 내로 분사되기 전에 혼합 인클로져(14)에서 형성될 것이다.

펠티에 효과 모듈(Peltier effect module)(15)이 동위 원소 가스의 혼합물을 형성할 수 있도록 이 혼합 인클로져(14)에 더 연결된다. 이 펠티에 효과 모듈(15)은 혼합 인클로져(14)에 존재하는 종의 상(phase)을 조절하는 상 조절 수단으로서 사용되며, 이는 혼합물을 생성하는데 필요한 펌핑 단계 동안에 특히 유용하다. 동위 원소 가스의 혼합물을 얻기 위해서, 예를 들어 수증기 투과의 측정을 위해 혼합 인클로져(14) 내부에서 버켓(bucket)에 위치되는 중수의 식염수를 사용할 수 있다. 펠티에 효과 모듈(15)을 사용하는 것은 버켓의 중수 식염수 온도, 그리고 동시에 중수의 상변화(고체 또는 액체)에 대한 더 나은 제어를 가능하게 한다. 또한, 식염수에 사용되는 소금의 성질은 요구되는 혼합물에 적합화된 넓은 범위의 수분 함유량을 얻을 수 있게 한다. 이것은 수증기의 상류측 분압의 제어를 허용하며, 재료 상의 다양한 효과로 인하여, 이는 수증기 뿐만 아니라, 예를 들어 산소 등의 다른 투과물의 투과 값에 명백히 영향을 미친다.

상 조절 수단(15)과 독립적으로, 온도 조절수단(33)이 혼합 인클로져(14)와 투과 인클로져(10)에 연결될 수 있어서, 재료(M)의 필름(F)을 포함하는 상류측 조립체는, 측정 동안에, 특히 온도의 함수로서 투과 매커니즘을 연구하도록 온도에 있어서 제어될 수 있다. 즉, 온도는 재료의 배리어 특성에 큰 영향을 가진다. 이런 목적을 위해서, 온도 프로브(temperature probe)(34)가 필름(F)에 가능한 한 근접하여 설치될 것이다.

공급 라인(25)의 제1 단부는 가스 소스(16)에 연결되며, 예를 들어 이는 산 소 17(¹⁷O₂) 또는 산소 18(¹⁸O₂) 등의 동위 원소 가스 소스일 수 있다. 이 가스 소스(16)는 밸브(3)를 통하여 가스 공급 라인(25)의 제1 단부에 연결되어서, 가스는 공급 라인(25) 내로, 따라서 혼합 인클로져(14) 내로, 또는 직접적으로 제1 챔버(11) 내로 분사될 수 있다. 분사 압력은 압력 측정 수단(36)을 사용하여 제어될 것이다.

이 가스 소스(16)는 고려되는 가스에 적합화된 회수 수단(17)에 연결될 수 있어서, 가스 공급 라인(25)에 존재하는 대응하는 가스를 포획한다. 예를 들어, 극저온 트랩(cryogenic trap) 등의 콜드 트랩이 사용될 수 있다.

다른 가스 소스(미도시)가 공급 라인(25)의 제1 단부에 연결될 수 있음을 주의해야 한다. 예를 들어, 재료(M)를 통한 투과가 결정되어야 할 다른 가스에 대한 소스가 직접적으로 설치될 수 있으나, 제1 챔버(11) 내로 분사될 혼합물을 제조하는데 임의의 다른 동위 원소, 또는 비동위 원소 가스 소스도 사용될 수 있다.

또한, 펌핑 수단(18)이 밸브(9)를 통하여 공급 라인(25)의 제1 단부에 연결 된다. 이 펌핑 수단(18)은, 필요한 경우, 가스 공급 라인(25)에 진공을 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 동위 원소 가스의 혼합물이 제1 챔버(11) 내로 분사되기 전에, 또한 새로운 재료(M)을 분석하는 것이 필요할 때, 이것은 필요할 것이다. 이 펌핑 수단(18)은 건식 진공 펌프일 수 있다.

결국, 공급 라인(25) 상에 필터 수단(19)을 설치하는 것도 가능하며, 이 필터 수단(19)은, 특히 재료(M)에 대해 행해지는 측정 후에, 공급 라인(25)에서 순환 하는 가스를 건조하도록 디자인된다. 따라서, 이 필터 수단(19)은 각각 밸브(4) 및 밸브(5)를 통해 공급 라인(25)에 연결되는 입구 및 출구를 구비한다. 또한, 밸브(6)가 밸브(4)와 밸브(5) 사이에서 공급 라인(25) 상에 배치되어, 필요하다면 가스 공급 라인을 바이패스시킨다. 예를 들어, 필터 수단(19)은 공급 라인(25)에서 순환하는 가스의 물 분자를 포획하도록 적합화된 몰레큘러시브(molecular sieve)일 수 있다.

분석되는 재료(M)를 통한 수증기와 산소 투과의 조합된 측정에 관한 아래의 상세한 설명은 측정 장치, 특히 제1 챔버(11) 내로 동위 원소 혼합물의 분사를 가능하게 하는 특정 가스 공급 수단의 동작을 예시한다.

측정에 우선하며 재료(M)의 임의의 분석에 필요한 하나의 단계는 투과 인클로져(10)에 분석되는 재료(M)의 샘플 필름(F)을 위치시키는 것으로 이루어진다. 이를 행하는 제1 단계는 측정 장치의 모든 밸브를 폐쇄하는 것으로 이루어진다. 다음 단계는 소결 금속부(13) 상에 분석되는 샘플 필름(F)을 위치시키고 고정 기구의 고정 링(28)으로 투과 챔버(10)에 이를 고정하는 것이다. 샘플 필름(F)이 투과 인클로져(10)에 고정되면, 이 인클로져는 폐쇄될 수 있다.

그 후, 분석 수단의 부 펌프(22)와 주 펌프(23)를 사용하여 샘플 필름(F)의 하류측 상에 부 진공(secondary vacuum)이 생성될 필요가 있다. 샘플 필름(F)이 교환될 때 밸브(31)가 폐쇄될 수 있어, 인클로져(20)에 부 진공을 유지하고 오염을 제한한다. 주 진공이 챔버(12)에 생성되기 전에 주 진공이 인클로져(20)에서 재생성되어야 하더라도, 이 시스템은 분석 챔버의 오염을 제한하여서, 부 펌프의 과열 을 방지한다. 따라서, 샘플 필름(F)의 하류측 상에 (대략 10^-3 torr의) 주 진공을 생성하는데 필요한 모든 것은 부 펌프(22)를 정지시키고 밸브(31)를 개방하는 것이다. 인클로져(20)와 챔버(12)에서 주 진공에 도달하였다면, 부 펌프(22)는 인클로져(20)와 챔버(12)로 형성된 조립체에 대략 10^-7 torr의 부 진공을 생성할 수 있다.

따라서, 부 진공이 샘플 필름(F)의 하류측 상에 생성될 때, 동위 원소 가스의 혼합물이 투과 인클로져(10)의 제1 챔버(11) 내로 분사되기 전에, 동위 원소 가스의 혼합물이 혼합 인클로져(14) 내에서 형성될 수 있다. 일례에서, 대기가 중수 증기와 산소 18(¹⁸O₂)의 혼합물을 함유하여 생성되어서, 중수와 산소 18(¹⁸O₂)의 투과 분석은, 그 후 동시에 샘플 필름(F)을 통하여 행해질 수 있다.

제1 단계는 혼합 인클로져(14)에 위치된 버켓에 중수에 포화된 식염수를 넣는 것으로 이루어진다. 그 후, 이 용액은 혼합 인클로져(14)에 연결되는 펠티에 효과 모듈(15)을 사용하여 냉동된다. 그 후, 밸브(1, 2, 4, 5, 6, 7, 및 9)가 개방되고 건식 진공 펌프(18)가 가스 공급 라인(25)에서, 또한 혼합 인클로져(14), 필터 수단(19), 및 제1 챔버(11)에서 진공을 생성하도록 시동되어 진다.

그 후, 밸브(2, 4, 5, 및 9)가 폐쇄되고, 이 경우 산소 18(¹⁸O₂)의 소스인 가스 소스를 개방하도록 밸브(3)가 개방되어, 산소 18(¹⁸O₂)의 특정 양으로 혼합 인클로져(14)를 채운다. 분사 압력은 압력 측정 수단(36)을 사용하여 제어된다.

그 후, 밸브(1)가 폐쇄되고, 가스 소스(16)에 연결된 극저온 트랩(17)이 활성화되어, 공급 라인(25)에 남아 있는 산소 18(¹⁸O₂)을 회수하고 이를 산소 18(¹⁸O₂)의 소스에 포획한다.

그 후, 밸브(3, 6, 및 7)는 폐쇄되고, 펠티에 효과 모듈(15)을 사용하여 물의 버켓을 녹이고 난 후에, 혼합물이 혼합 인클로져(14) 내에서 평형에 도달하기를 기다린다. 중수/산소 18(¹⁸O₂)의 혼합물에 대해, 평형은 대략 24 시간 내에 도달한다.

동위 원소 가스의 혼합물이 형성되고, 혼합 인클로져(14)와 투과 챔버(10)가 온도 조절 수단(33)을 사용하여 요구되는 온도로 조절됨과 동시에, 측정이 시작될 수 있다. 이는 밸브(1 및 2)를 개방함으로써 행하여 져서, 혼합 인클로져(14)가 제1 챔버(11)를 채우고, 샘플 필름(F)을 통한 투과 공정이 시작된다. 제1 챔버(11)에 위치된 압력 센서(26)는 제1 챔버(11)에서 동위 원소 가스의 혼합물의 전체 압력을 제어하는데 사용된다.

분석계(21)는 중수와 산소 18(¹⁸O₂)의 상이한 투과 유동을 동시에 측정하는데 사용된다.

위에 설명한 바와 같이, 투과 유동이 안정화될 때까지 투과 유동은 증가하고, 정상 상태에 도달하였다면, 모니터되는 각각의 동위 원소 가스의 분압이 결정될 수 있다.

도 4는, 시간(hh:mm)의 함수로 중수(곡선 C1)와 산소 18(¹⁸O₂)(곡선 C2)의 분압(torr)의 변화를 도시하는 곡선의 일례를 나타낸다. 이들 결과 곡선은, 80%의 수분 함유량을 고정하는 NaCl의 포화된 식염수와 700 torr의 압력에 대응하는 다량의 산소 18(¹⁸O₂)로 유도된 동위 원소 가스의 혼합물을 구비하는 대기 하에서 무기 층으로 코팅된 폴리머 재료로 제조되는 필름 상에서 중수/산소 18(¹⁸O₂)의 조합된 측정으로 유도된다. 이 조립체는 23℃(81℉)로 조절된다. 장치는 공지의 투과성을 갖는 기준 필름으로 먼저 조정되었다.

재료를 통한 중수와 산소 18(¹⁸O₂)의 유동이 안정화되었다면, 동위 원소 가스의 혼합물은 제1 챔버(11)로부터 정화되어야 한다. 이는 제1 챔버(11)를 정화하는 임의의 수단을 제공함으로써, 예를 들어 동위 원소 가스의 혼합물을 주변 대기 내로 방출하는 수단으로 행하여질 수 있다.

바람직하나 강제적이지 않은 다른 방안은 동위 원소 가스의 혼합물을 회수하고 이 혼합물을 형성하는 각각의 가스를 분리시키는 것이다. 이런 회수는 필터 수단(19)으로 가능할 수 있다.

따라서, 동위 원소 가스의 혼합물은 펠티에 효과 모듈(15)을 사용하여 혼합 인클로져(14) 내에서 용액을 우선 냉동함으로써 회수될 수 있다.

그 후, 밸브(6)는 폐쇄되고, 밸브(3, 4, 5, 및 7)는 개방되어서, 동위 원소 의 혼합물이, 예를 들어 혼합물에 존재하는 물 분자를 뽑아내도록 설계된 몰레큘러시브일 수 있는 필터 수단(19)을 통과하도록 한다.

가스 혼합물이 건조되었을 때, 이 특정 예에서 남아있는 것은 산소 18(¹⁸O₂)이며, 이는, 밸브(3)를 폐쇄하기 전에 이런 목적을 위해서 설치된 극저온 트랩(17)을 사용하여 가스 소스에 포획될 수 있다.

이 가스 회수 공정은 사용되는 가스를 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 주위로의 가스의 방출로 인한 오염을 감소시킨다.

또한, 건식 진공 펌프(18)의 활성화는 가스 공급 라인(25), 필터 수단(19) 및 제1 챔버(11)를 완전히 정화시키는 수단도 제공한다.

이미 언급한 바와 같이, 이들 조합된 중수/산소 18(¹⁸O₂) 측정은 분석되는 재료(M)의 샘플 필름(F)을 통한 헬륨 투과의 사전 분석에 의존할 수 있다. 만약 재료(M)를 통한 헬륨 투과 분석이 재료(M)의 특성이 만족스럽지 않음을 나타낸다면, 특히, 물과 산소에 대한 재료(M)의 투과성에 관하여, 더 자세히 재료를 분석하지 않을 수 있다.

그러나, 만약 헬륨 투과 측정이 만족스럽다면, 측정 장치의 구성을 수정할 필요없이, 측정 장치는 같은 샘플 필름(F)을 통한 물과 산소 투과에 관한 차후의 분석을 수행하는데 사용될 수 있다.

즉, 밸브를 통하여 가스 공급 라인(25)의 제1 단부에 연결되는 헬륨 소스를 설치할 필요가 있을 뿐이다. 이 소스는 샘플 필름(F)을 통한 헬륨 투과를 측정하도록 제1 챔버 내에서 제어된 헬륨 대기를 생성할 수 있다. 다음 단계는 헬륨 투과 분석 후에 제1 챔버(11) 내에 남아 있는 헬륨을 회수하는 것과 건식 진공 펌프(18)를 사용하여 가스 공급 라인(25)과 제1 챔버(11)를 정화하는 것으로 이루어진다. 그 후, 필요하다면, 중수와 산소 18(¹⁸O₂)의 조합된 측정, 특히 동위 원소 가스의 혼합물을 형성하는 사전 준비 단계(preliminary phase)가 시작될 수 있다.

위에 설명된 투과 측정용 장치는 상업적인 기구보다 더 작은 샘플을 사용하는 장점을 가지며, 연속하는 투과 분석에 대하여 실험 조건을 과도하게 상이하게 함이 없이, 단일 샘플 필름(F) 상에서 모든 투과 측정을 행하는데 사용될 수 있다.

또한, 장치는, 중수와 산소 18(¹⁸O₂)에 대한 조합된 투과 분석 후에 같은 샘플 필름(F)을 통한 헬륨 투과의 다른 분석을 수행하는 것을 허용하여, 결과를 연관시킬 수 있고, 따라서, 연속하는 분석 동안에 필름(F)에 발생하는 구조적인 변경을 고려할 수 있다.

재료를 통한 동위 원소 가스의 동시 투과 측정을 위한 이런 장치 및 방법은 특히, 예를 들어 유기 태양 전지의 캡슐화를 위한 재료를 선택할 때 유용하다. 이 장치는 수증기에 대해 1일 당 대략 10^-5 g/m²의 높은 민감도를 갖는 측정을 가능하게 한다. 명백하게, 기술된 측정 방법 및 장치의 사용은 유기 태양 전지의 캡슐화 에 한정하지 않으며, 매우 낮은 임계값을 갖는 유동 밀도의 측정을 요하는 임의의 적용에 대해 사용될 수 있다.

Claims

· 혼합 인클로져(mixing enclosure)(14)에서 동위 원소 가스의 혼합물을 형성하는 단계로서, 각각의 동위 원소 가스는 재료(M)를 통한 투과가 발견되는 타겟 가스에 대응하고, 상기 동위 원소 가스는 상기 대응하는 타겟 가스와 상이한 질량수를 가지는 것인 단계;

· 제1 챔버(11)와 제2 챔버(12)를 구비하는 투과 인클로져(10)의 제1 챔버(11)를 상기 동위 원소 가스의 혼합물로 채우는 단계로서, 상기 제1 챔버(11)는 상기 재료(M)에 의해 상기 제2 챔버(12)와 분리되는 것인 단계;

· 각각의 상기 대응하는 타겟 가스의 상기 재료(M)를 통한 투과를 동시에 계산하기 위해서, 상기 재료(M)를 통해 투과하여 상기 제2 챔버(12)에 존재하는 상기 동위 원소 가스를 동시에 분석하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 재료(M)를 통한 가스 투과를 측정하는 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 동위 원소 가스의 혼합물을 형성하는 단계가, 상기 혼합 인클로져(14)를 가스 소스(16)로부터 생기는 적어도 하나의 동위 원소 가스로 채우는 것, 상기 혼합 인클로져(14)를 폐쇄하는 것, 상 조절 수단(phase regulation means)(15)을 사용하여 상기 혼합물의 중수 증기를 조절하는 것, 그리고 상기 혼합물이 평형에 도달하도록 기다리는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 2에 있어서,

상기 타겟 가스 중 하나가 ¹⁶O₂ 일 때 상기 혼합 인클로져(14)가 ¹⁸O₂ 및 ¹⁷O₂ 중에서 선택된 동위 원소 가스로 채워지는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 챔버(11)를 채우는 단계가, 제1 펌핑 수단(18)으로 상기 제1 챔버(11)에 진공을 생성시키는 것, 그 후, 상기 제1 챔버(11)를 상기 동위 원소의 혼합물로 채우도록 상기 혼합 인클로져(14)를 개방하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

상기 분석 단계 전에 열 조절 단계를 더 구비하고,

상기 열 조절 단계는, 온도 조절 수단(33)으로 상기 투과 인클로져(10)와 혼합 인클로져(14)의 온도를 조절하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

상기 분석 단계는, 측정 인클로져(20)에 위치된 가스 분석기(21)로 상기 제2 챔버(12)의 동위 원소 가스의 존재를 동시에 결정하는 것으로 이루어지고, 상기 측 정 인클로져(20)는 상기 제2 챔버(12)에 연결되고 제2 펌핑 수단(22, 23)을 사용하여 연속적인 진공 하에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 분석 단계 전에, 상기 제2 펌핑 수단(22, 23)을 사용하여 상기 측정 인클로져(20)와 제2 챔버(12)에 진공을 생성시키는 것으로 이루어지는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 투과 분석이 종료되었을 때 상기 제1 챔버(11)로부터 상기 동위 원소 가스의 혼합물을 회수하는 것, 그리고 상기 혼합물의 가스를 건조시키도록 필터 수단(19)으로 상기 혼합물을 이동시키는 것으로 이루어진 가스 회수 단계(gas recovery step)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 8에 있어서,

상기 가스 회수 단계는, 상기 대응하는 가스를 회수하도록 된 회수 수단(17)으로 상기 대응하는 가스 소스(16)에 상기 혼합물로부터 건조된 가스를 포획하는 것으로 이루어지는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,

상기 재료(M)를 통한 헬륨 투과가 소정의 임계값보다 크면, 차후의 분석으로부터 상기 재료(M)를 제외함으로써 상기 재료(M)를 사전에 고르기 위해서, 헬륨으로 상기 제1 챔버(11)를 채우는 것과 상기 재료(M)를 통한 헬륨 투과를 계산하는 것으로 이루어지는 사전 준비 시험 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
재료(M)를 통한 가스 투과를 측정하는 장치로서,

· 상기 재료(M)에 의해 분리된 제1 챔버(11)와 제2 챔버(12)를 구비하는 투과 인클로져(10),

· 상기 재료(M)를 통하여 투과하여 상기 제2 챔버(12)에 존재하는 가스의 분석을 위한 가스 분석 수단을 구비하고,

동위 원소 가스의 혼합물을 형성하는 혼합 인클로져(14)를 더 구비하며, 각각의 동위 원소 가스는 상기 재료(M)를 통한 투과가 발견되는 타겟 가스에 대응하고, 상기 동위 원소 가스는 상기 대응하는 타겟 가스와 상이한 질량수를 가지며, 상기 혼합 인클로져(14)는 상기 동위 원소 가스의 혼합물로 상기 제1 챔버(11)를 채우도록 상기 제1 챔버(11)에 연결되어서, 상기 분석 수단이 각각의 상기 대응하는 타겟 가스의 상기 재료(M)를 통한 투과를 동시에 계산하는 것을 특징으로 하는 재료(M)를 통한 가스 투과를 측정하는 장치.
청구항 11에 있어서,

제1 및 제2 단부를 포함하는 가스 공급 라인(25)을 더 구비하며, 상기 제1 단부가 적어도 하나의 동위 원소 가스 소스(16)에 연결되고, 상기 제1 챔버(11) 및/또는 상기 혼합 인클로져(14)를 채우기 위해서 상기 제2 단부가 상기 제1 챔버(11) 및 혼합 인클로져(14)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 12에 있어서,

상기 공급 라인(25)은 각각 제1 밸브(1), 제2 밸브(2), 및 제3 밸브(3)를 통하여 상기 혼합 인클로져(14), 제1 챔버(11), 및 가스 소스(16)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,

상기 가스 소스(16)는 상기 대응하는 가스를 회수하도록 된 회수 수단(17)에 더 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 14에 있어서,

상기 회수 수단(17)은 극저온 트랩(cryogenic trap)인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 12 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공급 라인(25)은 상기 공급 라인(25)에서 순환하는 가스를 건조시키는 필터 수단(19)에 더 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 16에 있어서,

상기 필터 수단(19)은 상기 공급 라인(25)에서 순환하는 가스의 물 분자를 포획하도록 된 몰레큘러 시브(morelcular sieve)인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,

상기 필터 수단(19)은 입구와 출구를 포함하고, 상기 입구와 출구는 각각 제4 밸브(4) 및 제5 밸브(5)를 통하여 상기 공급 라인(25)에 연결되고, 상기 공급 라인(25)은 상기 공급 라인(25)을 바이패스시키도록 상기 제4 밸브(4)와 제5 밸브(5) 사이에 위치되는 제6 밸브(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 18에 있어서,

상기 공급 라인(25)을 상기 혼합 인클로져(14)와 상기 투과 인클로져(10)의 제1 챔버(11)로부터 분리시키기 위해서, 상기 공급 라인(25)이 상기 제1 밸브 및 제2 밸브(2) 전방에서 상기 제2 단부에 삽입되는 제 7 밸브(7)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 12 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공급 라인(25)에 진공을 생성시키기 위해서, 상기 공급 라인(25)이 상기 제1 단부에서 제9 밸브(9)를 통하여 제1 펌핑 수단(18)에 더 연결되는 것을 특 징으로 하는 장치.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 혼합 인클로져(14)는, 상기 혼합 인클로져(14)에서 상기 종(species)의 상(phase)을 조절하는 상 조절 수단(15)에 더 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 21에 있어서,

상기 상 조절 수단(15)은 중수에 포화된 식염수의 온도를 조절하는 펠티에 효과 모듈인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 10 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,

상기 투과 인클로져(10)와 혼합 인클로져(14)의 온도를 조절하는 온도 조절 수단(33)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 분석 수단은 제1 및 제2 단부를 구비하는 측정 인클로져(20)에 위치된 분석기(21)를 구비하며, 상기 제1 단부는 상기 제2 챔버(12)에 연결되고, 상기 제2 단부는 제2 펌핑 수단(22, 23)에 연결되어 상기 측정 인클로져(20)에 진공을 생성시키는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 24에 있어서,

상기 측정 인클로져(20)의 제1 단부는 제10 밸브(31)를 통하여 상기 제2 챔버(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 25 또는 청구항 26에 있어서,

상기 제2 펌핑 수단(22, 23)은 연속하여 배치되는 주 펌프(23)와 부 펌프(22)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 24 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,

상기 분석기(21)는 질량 분석계인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 27에 있어서,

상기 질량 분석계는 상기 제2 챔버(12)와 펌프(22, 23) 사이에서 상기 가스 유동 경로 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 25 내지 청구항 28 중 어느 한 항의 상기 투과 측정 장치를 사용하는 방법으로서,

· 상기 투과 인클로져(10)에 측정되는 재료(M)의 샘플 필름(F)을 놓고, 상기 장치의 모든 밸브를 폐쇄하는 단계;

· 상기 제10 밸브(31)와 제11 밸브(32)를 개방하고 상기 제2 펌핑 수단(22, 23)을 사용하여 상기 제2 챔버(12)에 진공을 생성시키는 단계;

· 중수에 포화된 식염수를 상기 혼합 인클로져(14) 내에 배치하고 상기 펠티에 효과 모듈(15)을 사용하여 상기 용액을 냉동시키는 단계;

· 상기 제1 밸브(1), 제2 밸브(2), 제4 밸브(4), 제5 밸브(5), 제6 밸브(6), 제7 밸브(7), 및 제9 밸브(9)를 개방하고, 상기 제1 펌핑 수단(18)을 사용하여 상기 제1 챔버(11), 공급 라인(25), 혼합 인클로져(14), 및 필터 수단(19)에 진공을 생성시키는 단계;

· 상기 제2 밸브(2), 제4 밸브(4), 제5 밸브(5), 및 제9 밸브(9)를 폐쇄하는 단계;

· 상기 동위 원소 가스 소스(16)로부터의 동위 원소 가스로 상기 혼합 인클로져(14)를 채우도록 상기 제3 밸브(3)를 개방하는 단계;

· 상기 제1 밸브(1)를 폐쇄하고 상기 회수 수단(17)을 사용하여 상기 공급 라인(25)으로부터 상기 동위 원소 가스를 회수하는 단계;

· 상기 제3 밸브(3), 제6 밸브(6), 및 제7 밸브(7)를 폐쇄하고 상기 혼합물이 평형에 도달하도록 기다리는 단계;

· 상기 제1 밸브(1) 및 제2 밸브(2)를 개방하고, 상기 분석 수단을 사용하여 각각의 타겟 가스의 상기 재료(M)를 통한 투과를 동시에 계산하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 투과 측정 장치를 사용하는 방법.
청구항 29에 있어서,

· 상기 펠티에 효과 모듈(15)을 사용하여 상기 식염수를 냉동시키는 단계;

· 상기 제6 밸브(6)를 폐쇄하고, 상기 제3 밸브(3), 제4 밸브(4), 제5 밸브(5), 및 제7 밸브(7)를 개방하고, 상기 필터 수단(19)으로 상기 가스를 건조시키는 단계;

· 상기 회수 수단(17)을 사용하여 건조된 가스를 회수하고, 상기 제3 밸브(3)를 폐쇄하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.