KR20080038541A - 기체투과 막분석장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기체투과 막분석장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자막을 통한 기체투과특성을 연속흐름 방식으로 측정하는 기체투과 막분석장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 이중감지기, 즉 압력감지기(pressure transducer)와 질량흐름계량기를 사용하여 정확한 정상상태의 투과곡선 뿐 아니라 비정상상태의 투과곡선을 얻을 수 있고, 압력감지기는 막 하부쪽 멤브레인 셀 가까운 곳에 설치되어 투과물 흐름에 전혀 영향을 주지 않고 막하부의 압력만 측정하므로 이 감지기에 대한 저항은 거의 없거나 혹은 제로가 되도록 함으로써, 결과적으로 기체의 막을 통한 투과특성들, 즉 투과계수, 확산계수, 그리고 용해계수를 동시에 신속, 정확하게 측정할 수 있고, 효과적인 구조의 멤브레인셀의 제공으로 기체공급에 대한 응답을 신속하게 얻을 수 있으며, 또한 공정중 막 하부에 가해지는 진공도 변화에 따른 투과특성 변화를 최소화하여 측정, 분석의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 기체투과 막 분석장치 및 방법를 제공하고자 한 것이다.
기체투과, 막분석장치, 방법, 이중감지기, 압력감지기, 질량흐름계량기, 멤브레인셀, 멤브레인, 투과특성, 투과계수, 확산계수, 용해계수
Description
도 1은 본 발명에 따른 기체투과 막분석장치를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 기체 멤브레인 셀을 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 기체투과 막분석장치를 이용한 측정 결과로서, 시간에 따른 각 감지기의 출력곡선을 나타내며, (a)는 질량흐름계량기, (b)는 압력감지기의 출력곡선을 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 질량흐름계량기(MFM)내 흐르는 공기 질량흐름속도와 상응하여 발생되는 전위차관계를 나타내는 표준곡선.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 25, 18 : 제1,2,3개폐밸브 11: 압력조절기
12 : 압력게이지 13 : 제1버퍼탱크
24 : 제2버퍼탱크 14 : 솔레노이드밸브
15 : 히팅오븐 16 : 멤브레인 셀
17 : 멤브레인 19 : 컴퓨터
20 : 아날로그/디지털 변환기(인터페이스)
21 : 3 방향밸브 22, 23 : 공기작동밸브
26 : 배출구 27 : 응축기
28 : 진공펌프 29 : 압력감지기
30 : 질량흐름계량기 31 : 스페이서
32 : 상부 멤브레인셀 33 : 하부 멤브레인셀
34 : 하부프레임 35 : 스크류
36 : 멤브레인 37 : 다공성금속판
38 : 지지판 39 : 기체공급구
40 : 기체배출구 41 : 오링
42 : 프레임지지체 44 : 기체 주입구
45: 경사면(막상부의 셀 내부면과 수직중심선과의 각도)
46 : 제1배출라인 47 : 제2배출라인
48 : 프레임지지체 49 : 상부프레임
50 : 승하강프레임 51 : 투과기체 배출구
52 : 기체배출틈새 53 : 안착홈부
54 : 바이패스라인 55 : 공급라인
본 발명은 기체투과 막분석장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자막을 통한 기체투과특성을 연속흐름 방식으로 측정하는 기체투과 막분석장치 및 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 이중 감지기를 사용함으로써, 이들 서로의 특성을 보완하여 기체의 막(= 멤브레인)을 통한 투과특성들, 즉 투과계수, 확산계수, 그리고 용해계수를 동시에 신속, 정확하게 측정할 수 있고, 효과적인 구조의 멤브레인셀의 제공으로 기체공급에 대한 응답을 신속하게 얻을 수 있으며, 또한 공정중 막 하부에 가해지는 진공도 변화에 따른 투과특성 변화를 최소화하여 측정, 분석의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 기체투과 막 분석장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기체투과특성들은 정상상태에서의 물질투과를 기초로한 time-lag법(J.Appl.Polym.Sci., 18 (1974) 351, J.Appl.Polym.Sci., 12 (1968) 2615)과, 비정상상태 투과법(J.Appl.Polym.Sci., 26 (1957) 151, J.Appl.Polym.Sci., 12 (1970) 523)을 사용하여 측정하고 있다.
상기 Time-lag법은 투과계수와 막두께 평균 확산계수를 구할 수 있는데, 투과속도 및 투과량을 질량분석기 혹은 하부압력 변화를 측정하여 간접적 혹은 상대적으로 결정할 수 있는 바, 그러나 이 측정방법은 막재료와 친화력이 좋은 투과물의 투과시 하부압력의 급격한 증가로 인하여 특성 측정의 정확성에 문제가 있으며, 또한 하부에 가해지는 진공의 누출 정도에 따라 측정된 특성치가 달라지는 문제점들이 있다.
즉, 측정가능 기체종류 및 측정범위가 매우 제한적이다.
상기 Time-lag법의 이러한 취약점을 해결하기 위해서 연속흐름법(J.Membr.Sci., 49 (1990) 171, J.Membr.Sci., 106 (1995) 106))이 확립되었는 바, 이 연속 흐름법에서는 막을 통해 투과된 막하부의 투과물을 연속적으로 외부로 흘려 보내면서, 이때 발생한 흐름을 시간에 따라 감지하여 비정상 상태에서의 시간에 따른 투과속도를 측정할 수 있기 때문에 일종의 동적 투과법(dynamic permeation)이라 할 수 있다.
이러한 동적 투과법은 상기에서 언급한 time-lag법의 문제점들을 어느 정도 개선시켜줄 수 있지만 그 공정이 복잡하고, 또한 계산결과들이 측정 정확성에 매우 민감하다는 단점이 있다.
정상상태뿐 아니라 비정상상태에서도 시간에 따른 투과물의 투과속도를 질량흐름계량기(mass flow meter)에 의해 직접 측정할 수 있는 연속 흐름식의 투과측정장치(J.Membr.Sci., 161 (1999) 55, US Patent 6335202 (2002))가 개발되었는 바, 이 장치에 따르면 투과물의 투과가 막을 통해 이루어질 때 질량흐름계량기가 투과속도에 비례하여 전압을 발생시키는데, 시간에 따른 전압을 기록계 혹은 레코더에 기록하여 비정상 상태와 정상 상태의 투과곡선을 얻을 수가 있다.
또한, 비정상 상태의 곡선의 형태로 부터 2차 픽스식(Ficks equation)도움으로 투과물의 확산계수를 구하고 정상상태의 곡선에서 투과계수를 구하며 또한 이들 두 파라메타들과 용해계수의 관계식으로부터 용해계수를 계산할 수 있다.
그러나, 이 장치를 사용하여 이들 투과특성 측정시 치명적인 결함이 존재하는데, 막을 통과한 투과물이 질량흐름계량기 속을 지날 때 흐름저항이 발생하여 결 과적으로 투과물 흐름에 대한 응답이 늦어져 비정상상태의 투과곡선이 실제보다 늦게 모니터에 표시되는 문제점이 발생하였다.
그 결과, 계산된 확산계수의 값은 실제의 값보다 작으며, 또한 용해계수는 실제의 값보다 크게 계산되어 정확한 투과특성 값을 얻는데는 불가한 문제점이 있다.
또한, 각 파라메타 값 결정시 얻어진 투과곡선으로부터 계산을 위한 곡선을 손으로 그리고 비정상상태의 시간과 정상상태의 곡선의 높이를 수동으로 결정하여야 하는데, 이러한 절차의 번거로움과 수동작업에 대한 신뢰성 문제가 야기될 소지가 있다.
본 발명은 상기한 문제점들을 감안하여 연구된 결과로서, 정확한 값의 투과특성 값들을 얻기 위해서는 응답지연이 없는 정확한 투과곡선이 필요하며, 이런 투과곡선을 얻기 위해서는 첫째 『막 하부에 설치된 감지기내에서의 투과흐름 저항을 최소화하거나 혹은 제거』, 둘째 『공급기체가 멤브레인셀 내에 도입될 때 셀 내의 기체압력이 공급 기체압력에 도달하는 시간이 제로에 가깝게(step-change)』 하는 두 가지 사항이 요구되는 점을 감안하여, 이중감지기, 즉 압력감지기(pressure transducer)와 질량흐름계량기를 사용하여 정확한 정상상태의 투과곡선 뿐 아니라 비정상상태의 투과곡선을 얻을 수 있고, 압력감지기는 막 하부쪽 멤브레인 셀 가까운 곳에 설치되어 투과물 흐름에 전혀 영향을 주지 않고 막하부의 압력만 측정하므 로 이 감지기에 대한 저항은 거의 없거나 혹은 제로가 되도록 함으로써, 결과적으로 기체의 막을 통한 투과특성들, 즉 투과계수, 확산계수, 그리고 용해계수를 동시에 신속, 정확하게 측정할 수 있고, 효과적인 구조의 멤브레인셀의 제공으로 기체공급에 대한 응답을 신속하게 얻을 수 있으며, 또한 공정중 막 하부에 가해지는 진공도 변화에 따른 투과특성 변화를 최소화하여 측정, 분석의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 기체투과 막 분석장치 및 방법를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체투과 막분석장치는: 내부에 멤브레인이 밀폐 고정되고, 이 멤브레인을 통해 기체투과가 발생되도록 기체가 주입될 때 부피증가로 인한 압력저하가 발생하지 않도록 설계된 멤브레인셀과; 상기 멤브레인셀의 온도를 일정하게 유지시키는 히팅오븐과; 가스공급원으로부터 공급기체를 상기 멤브레인에 공급 또는 차단하는 기체공급부와; 공급기체가 상기 멤브레인셀의 멤브레인을 통과할 때 멤브레인의 투과특성을 측정하는 측정부와; 상기 멤브레인셀의 멤브레인 상하부에 진공을 제공하는 진공제공부와; 상기 멤브레인셀을 빠져나온 기체를 후처리하는 방출부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 일구현예로서, 상기 멤브레인셀은: 하부프레임 및 이 하부프레임의 양측에 수직으로 세워진 프레임지지체와, 상기 프레임지지체를 따라 승하강 가능하게 결합되는 승하강프레임과, 상기 프레임지지체의 상단면에 결합되는 상부프레임과, 상기 승하강프레임의 상면에 고정되는 스페이서와, 상기 상부프레임의 중 앙을 관통하여 상기 스페이서에 풀림 가능하게 체결되는 스크류로 이루어진 골격부와; 상기 골격부의 승하강 프레임의 저면에 일체로 형성된 상부 멤브레인셀과; 상기 하부프레임의 상면에 안착된 하부 멤브레인셀과; 상기 상부 멤브레인셀의 중앙 위치와 연통되도록 상기 승하강프레임의 저면 중앙 위치에 형성된 기체 공급구 및 기체 배출구와; 상기 멤브레인의 안착을 위하여 상기 하부 멤브레인셀의 상면에 오목하게 형성된 안착홈부와; 상기 하부 멤브레인셀의 중앙 위치 및 상기 하부프레임의 중앙 위치에 관통 형성된 기체 최종배출구; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 상부 멤브레인셀의 내주면은 상기 기체공급구 및 기체배출구로부터 아래쪽으로 10~50°각도로 더 커지는 직경의 경사면으로 형성되고, 이 경사면이 끝나는 지점에는 상기 기체배출구와 연통되는 기체배출틈새가 더 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 상부 멤브레인셀의 저면에서, 기체배출틈새의 외측쪽에는 상기 멤브레인의 테두리 상면에 밀착되는 상부 오링이 끼워지고, 상기 하부 멤브레인의 외주면에는 상부 멤브레인의 테두리 저면에 밀착되는 하부 오링이 끼워진 것을 특징으로 한다.
상기 하부 멤브레인셀의 멤브레인 안착공간의 중앙부에는 오목한 요부가 더 형성되고, 이 요부에는 상기 멤브레인 저면에 밀착되는 다공성금속판 및 기체배출경로를 갖는 지지판이 상하로 적층되며 안착되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 기체공급부는: 가스공급원과; 이 가스공 급원과 상기 멤브레인셀간의 기체공급구간에 연결된 공급라인과; 상기 공급라인상에 장착되어 가스공급원으로부터의 공급기체를 공급 또는 차단하는 제1개폐밸브와; 상기 제1개폐밸브의 열림시 공급되는 기체를 일정한 압력하에서 저장하도록 상기 공급라인상에 설치되는 제1버퍼탱크와; 상기 제1버퍼탱크와 상기 멤브레인셀의 기체공급구 사이의 공급라인상에 설치되는 솔레노이드 밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1개폐밸브와 상기 제1버퍼탱크 사이의 공급라인상에는 공급 기체의 압력을 조절하는 압력조절기와, 공급기체의 압력수치를 관찰하는 압력게이지가 더 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1버퍼탱크와 멤브레인셀 내부의 멤브레인 상부 공간 크기의 비율은 100/1~10000/1인 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 측정부는: 상기 멤브레인셀의 멤브레인을 기체가 투과할 때 변화되는 멤브레인의 압력을 감지하여 응답지연없이 투과속도에 비례하여 전위차를 발생시키는 압력감지기와; 상기 멤브레인셀의 멤브레인을 기체가 투과할 때 투과속도를 직접 감지하여 감지된 투과속도에 상응하는 전위차를 발생시키는 질량흐름계량기와; 상기 압력감지기 및 질량흐름계량기에서 나오는 시그널을 컴퓨터로 보내어 컴퓨터 모니터에 출력할 수 있도록 한 인터페이스 모듈인 아날로그/디지탈 변환기와; 상기 압력감지기 및 질량흐름계량기의 시그널을 내장된 프로그램에 의하여 투과계수, 확산계수, 용해계수를 자동적으로 계산하여 모니터로 출력하는 컴퓨터;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 진공제공부는: 진공펌프와; 상기 하부 멤브레인셀 및 하부프레임의 중앙 위치에 관통 형성된 기체 최종배출구와, 상기 진공펌프간에 연결된 제1배출라인과; 상기 진공펌프로부터 상기 상부 멤브레인셀의 내주면에 위치된 상기 기체공급구 및 기체배출구에 연결되는 제2배출라인과; 상기 제1배출라인에 상기 질량흐름계량기를 우회하도록 분기된 바이패스라인과; 상기 바이패스라인의 입구와 상기 질량흐름계량기의 입구와 상기 제1배출라인이 만나는 지점에 설치된 3방향 밸브와; 상기 바이패스라인상에 설치되는 제1공기작동밸브 및; 상기 제2배출라인상에 설치되는 제2공기작동밸브; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 방출부는: 상기 바이패스라인의 출구측 및 질량흐름계량기의 출구측이 하나로 병합된 제1배출라인의 후단부 구간상에 설치되는 제2버퍼탱크와; 상기 제2버퍼탱크의 출구측과 상기 진공펌프 사이의 제1배출라인상에 설치되는 응축기와; 상기 제2버퍼탱크와 응축기 사이의 제1배출라인상에 설치되는 제2개폐밸브 및 배출구로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체투과 막분석방법은: 가스공급원으로부터의 공급기체를 일정한 압력하에서 버퍼탱크에 채우는 단계와; 상기 멤브레인셀을 히팅오븐내에 넣어 일정한 온도로 가열 유지시키는 단계와; 상기 멤브레인셀내에 안착 고정된 멤브레인의 상하부에 진공을 가해 존재하는 수분이나 잔존 용매 등을 제거하는 단계와; 상기 버퍼탱크에 있는 일정한 압력하의 공급기체를 솔레노이드밸브를 열어 히팅오븐속에서 일정한 온도로 유지되고 있는 상기 멤브레 인셀내의 멤브레인 상부쪽으로 주입하여 멤브레인을 통한 기체투과가 발생하는 단계; 상기 멤브레인을 통과한 기체 투과물이 압력감지기와 질량흐름계량기를 각각 통과할 때, 이들 감지기에서 투과속도 상응하는 전위차가 발생되는 단계와; 상기 전위차들이 아날로그/디지털 변환기를 통해 컴퓨터에 시그널로 전송되어, 컴퓨터 모니터에 실시간으로 출력되는 동시에 각 출력곡선으로부터 투과계수, 확산계수, 용해계수를 포함하는 투과특성이 내장된 프로그램을 통하여 자동 계산되는 단계와; 상기 압력감지기 및 질량흐름계량기를 통과한 투과기체가 버퍼탱크를 거쳐 응축기에 응축되거나 혹은 외부로 방출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 고분자막을 통한 기체투과특성을 연속흐름 방식으로 측정하는 기술에 있어서, 전술한 바와 같이 정확한 값의 투과특성 값들을 얻기 위해서는 응답지연이 없는 정확한 투과곡선이 필요한 점, 이러한 투과곡선을 얻기 위해서는 첫째『막 하부에 설치된 감지기내에서의 투과흐름 저항을 최소화하거나 혹은 제거』, 둘째『공급기체가 멤브레인셀 내에 도입될 때 셀 내의 기체압력이 공급 기체압력에 도달하는 시간이 제로에 가깝게(step-change)』하는 요구사항을 감안하여, 이중감지기, 즉 압력감지기(pressure transducer)와 질량흐름계량기를 사용하여 정확한 정상상태의 투과곡선 뿐 아니라 비정상상태의 투과곡선을 얻을 수 있도록 한 점, 그리고 상기 압력감지기는 멤브레인 하부쪽 멤브레인셀 가까운 곳에 설치되어 투과물 흐름에 전혀 영향을 주지 않고 막하부의 압력만 측정하므로 이 감지기에 대한 저항은 거의 없거나 혹은 제로가 되도록 한 점에 주안점이 있다.
본 발명에 따르면, 멤브레인을 통한 투과물의 투과속도의 크기에 따라 막하부의 압력이 변화하는 바, 측정기간 중 막하부의 압력은 진공에 가까운 저압이므로 일정한 온도에서의 투과물의 부피와 압력의 관계를 위해서 이상기체 법칙을 적용할 수가 있다.
즉, 투과속도에 따라 압력은 비례적으로 변화하게 되므로, 시간에 따른 막하부 압력곡선 형태가 시간에 따른 투과곡선 형태와 동일하고, 그러므로 측정된 압력곡선을 투과곡선 대용으로 사용하여 막을 통한 기체의 확산계수를 구할 수가 있다.
전술한 바와 같이, 투과곡선 대용으로 사용되는 위의 압력곡선은 멤브레인을 통한 기체투과에 대한 응답지연이 없는 곡선이므로, 실제의 값과 매우 유사한 확산계수의 값을 구할 수가 있어 측정된 확산계수이다.
투과계수를 구하기 위해서 정상상태의 투과속도 값이 필요한데 멤브레인 하부 압력으로부터 투과속도의 절대값을 구하는 과정과 식이 매우 복잡하기 때문에, 이 경우 질량흐름계량기를 사용하여 정상상태의 투과물의 투과속도의 절대값을 얻을 수가 있으며, 왜냐하면 정상상태의 값은 응답이 다루어진 후에 값이므로 감지기내에서의 흐름저항과 무관하기 때문이다.
따라서, 압력감지기(pressure transducer)와 질량흐름계량기를 포함하는 두 감지기들이 서로 보완적으로 사용되어 투과특성들을 신속 정확하게 측정할 수 있고, 또한 이들 감지기들과 컴퓨터가 아날로그/디지털 변환기를 통하여 연결되어 있어서 실시간 투과곡선을 모니터링할 수 있으며, 또한 투과곡선으로부터 각 투과특 성이 자동적으로 계산되어 수동작업에서 발생할 수 있는 오류를 줄일 수 있다.
한편, 공급기체가 멤브레인셀 내에 도입될 때, 셀 내의 기체압력이 공급 기체압력에 도달하는 시간이 제로에 가깝게, 즉 스텝변화(step-change)의 압력을 얻기 위해서 우선 멤브레인셀내에 공급부 공간(멤브레인 상부의 공간) 뿐 아니라 멤브레인셀의 벤트(vent) 라인의 공간의 크기를 최소화하고, 또한 기체공급시 막상부의 기체압력 변화를 최소화하기 위해서 멤브레인셀 앞에 버퍼탱크를 설치하여 일정한 기체 공급압력을 유지할 수가 있는 바, 본 발명에 따르면 이러한 공간들을 최소화하면서, 멤브레인이 고압의 기체에 갑자기 노출되었을 때 막에 가해지는 손상을 최소화하도록 설계된 멤브레인셀을 제공할 수 있고, 작은 범위의 투과계수를 측정하기 위해서 멤브레인 하부의 진공시 누출을 최소화하여야 하는데 멤브레인 하부쪽을 고정시켜 움직일 때 발생하는 막하부 라인이나 연결부위의 손상을 방지하여 막하부의 높은 정도의 긴밀도를 유지할 수 있다.
또한, 측정 공정중 진공도 변화에 따른 특성 측정치변화 최소화하기 위해서 감지기 이후에 버퍼탱크를 설치하여 일시적인 진공도 변화를 방지하여 측정의 정확성과 신뢰성을 높일 수 있다.
여기서, 이러한 목적 및 효과를 달성하기 위한 본 발명의 기체투과 막 분석장치에 대한 구성 및 이 장치에 의하여 이루어지는 기체투과 막 분석방법을 상세하게 살펴보기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 기체투과 막분석장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 기체 멤브레인 셀을 나타내는 개략도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 기체투과 막분석장치는 크게 멤브레인(36(17))이 내부에 고정된 멤브레인셀(16)과, 이 멤브레인셀(16)을 일정온도로 가열 유지하는 히팅오븐(15)과, 상기 멤브레인(36)에 기체를 공급 또는 차단하는 기체공급부와, 멤브레인(36) 상하부에 진공을 제공하는 진공제공부와, 멤브레인(36)의 투과특성을 측정하는 측정부와, 멤브레인(36)을 투과한 기체를 후처리하는 방출부 등으로 나누어진다.
상기 멤브레인셀(16)은 그 내부에 멤브레인(도 1에서 17로 지시되고, 도 2에서는 36으로 지시됨)이 밀폐 고정되고, 이 고정된 멤브레인(36)을 통해 기체투과가 발생되도록 기체가 주입될 때 부피증가로 인한 압력저하가 발생하지 않도록 설계된 것이다.
상기 멤브레인셀(16)의 골격부 구조를 살펴보면, 상부프레임(49) 및 하부프레임(34)이 상하로 이격 배치되고, 이 상하프레임(34)은 수직으로 세워진 프레임지지체(42)로 연결되며, 상기 프레임지지체(42)를 따라 승하강 가능하게 승하강프레임(50)이 결합된다.
또한, 상기 승하강프레임(50)의 상면에는 스크류홀을 갖는 스페이서(31)가 고정되는 바, 상기 상부프레임(49)의 중앙을 위쪽에서 아래쪽으로 관통한 스크류(35)가 상기 스페이서(31)의 스크류홀에 풀림 가능하게 체결되며, 따라서 상기 스크류(35)의 조임 또는 풀림 작동으로 스페이서(31) 및 승하강프레임(50)이 승하강된다.
이러한 멤브레인셀의 골격부 구성중, 상기 승하강프레임(50)의 저면에 상부 멤브레인셀(32)이 일체로 장착되고, 상기 하부프레임(34)의 상면에 하부 멤브레인셀(33)이 일체로 안착된다.
이때, 상기 상부 멤브레인셀(32)의 중앙 위치에 형성된 기체주입구(44)와 연통되면서, 멤브레인(36)의 상부쪽으로 기체를 공급하거나, 멤브레인(36)의 상부쪽으로부터 기체를 배출시킬 수 있도록 상기 승하강프레임(50)의 저면 중앙 위치에는 기체 공급구(39) 및 기체 배출구(40)가 형성된다.
또한, 상기 하부 멤브레인셀(33)의 상면에는 멤브레인(36)이 안착되는 안착홈부(53)가 오목하게 형성되고, 상기 하부 멤브레인셀(33)의 중앙 위치 및 상기 하부프레임(34)의 중앙 위치에는 멤브레인(36)을 투과한 기체가 배출되는 기체 최종배출구(51)가 관통 형성된다.
특히, 상기 상부 멤브레인셀(32)의 내주면은 상기 기체공급구(39) 및 기체배출구(40)로부터 아래쪽으로 10~50°각도로 그 직경이 더 커지는 경사면(45)으로 형성되는데, 그 이유는 높은 압력의 기체 주입시 스텝변화의 급격한 압력증가로 말미암아, 상기 상부 멤브레인셀(32)의 기체주입구(44) 부근에서 그 아래쪽의 멤브레인(36)이 손상을 입을 수가 있으며, 이를 방지하기 위해서 위와 같은 경사면(45)을 형성한 것이다.
이때, 상기 경사면(45)의 각도가 일정한 범위인 10~50°각도에 있어야 하며, 각도가 너무 작으면 스텝변화의 압력증가에 의한 멤브레인(36)에 주는 충격이 커져서 멤브레인(36)이 손상을 입고, 반면에 각도가 너무 크면 멤브레인(36) 상부의 공간이 너무 커져서 기체 주입시 압력저하가 발생하게 된다.
한편, 상기 상부 멤브레인셀(32)의 경사면(45)이 끝나는 지점의 바로 외측 위치에는 상기 기체배출구(40)와 연통되는 기체배출틈새(52)가 더 형성되는 바, 도면에는 기체배출구(40)와 기체배출틈새(52)간의 연통 구조를 도시하지 않았으며, 후술하는 바와 같이 진공 제공후 해제시 기체배출틈새(52)를 통하여 기체배출구(40)로 진공압이 빠져나가게 된다.
또한, 상기 상부 멤브레인셀(32)의 저면에서, 기체배출틈새(52)의 외측쪽에는 상기 멤브레인(36)의 테두리 상면에 밀착되는 상부 오링(41)이 끼워지고, 상기 하부 멤브레인셀(33)의 외주면에는 상부 멤브레인셀(32)의 테두리 저면에 밀착되는 하부 오링(41)이 끼워지는 바, 이들 오링(41)들은 상기 상부 및 하부 멤브레인셀(32,33)이 서로 밀착될 때 그 내부의 공간을 기밀시키는 기능을 한다.
즉, 작은 범위의 투과계수 및 확산 계수를 측정하기 위해서는 투과시작 전에 상기 멤브레인 하부에 높은 진공도를 유지하는 것이 필요한데, 이를 위해서 상기 오링(41)을 사용하여 멤브레인(36) 투과부의 긴밀한 밀폐를 이룰 수 있다.
또한, 상기 멤브레인셀(16)내의 멤브레인(36) 하부(투과부)쪽을 움직이지 않도록 고정시키고, 상기 멤브레인(36)을 멤브레인셀(16)안에 장착시킬 때는 멤브레인(36) 상부(공급부)만 열어 막을 장착시킬 수 있도록 상기와 같이 하부 멤브레인셀(33)의 상면에는 멤브레인(36)이 안착되는 안착홈부(53)가 오목하게 형성되며, 이렇게 함으로써 멤브레인(36) 하부의 움직임을 방지해 발생할 수 있는 균열이나 혹은 미세한 틈새를 방지하여 높은 진공도를 유지할 수 있다.
한편, 상기 하부 멤브레인셀(33)의 멤브레인 안착홈부(53)의 중앙부에는 오 목한 요부가 더 형성되는데, 이 요부에 하부에는 기체배출경로(미도시됨)를 갖는 지지판(38)이 먼저 안착되고, 이 지지판(38)의 위쪽에는 상기 멤브레인(36) 저면에 밀착되는 다공성금속판(37)이 적층되며 안착된다.
여기서, 가스공급원으로부터 공급기체를 상기와 같이 구성된 멤브레인셀내의 멤브레인쪽으로 공급 또는 차단하는 기체공급부에 대한 구성을 살펴보면 다음과 같다.
상기 기체공급부는 멤브레인셀(16)내의 멤브레인(36)으로 가스 즉, 기체를 공급하는 구성으로서, 가스공급원와 상기 멤브레인셀(16)의 기체공급구(39)가 공급라인(55)으로 연결된다.
또한, 상기 공급라인(55)상에는 가스공급원으로부터의 공급기체를 공급 또는 차단하는 제1개폐밸브(10)가 장착되고, 멤브레인셀(16)에 공급되는 기체 공급압력을 일정하게 유지시키는 구성으로서 상기 제1개폐밸브(10)의 열림시 가스공급원으로부터 공급되는 기체를 일정한 압력하에서 저장하는 제1버퍼탱크(13)가 장착된다.
이때, 상기 제1버퍼탱크(13)와 상기 멤브레인셀(16)의 기체공급구(39) 사이의 공급라인(55)상에는 제1버퍼탱크(13)로부터 공급되는 기체를 멤브레인셀(16)쪽으로 허용하거나 차단하는 솔레노이드 밸브(14)가 장착된다.
한편, 상기 제1개폐밸브(10)와 상기 제1버퍼탱크(13) 사이의 공급라인(55)상에는 가스공급원으로부터 공급되는 기체의 압력을 조절하는 압력조절기(11)와, 공급기체의 압력수치를 관찰하는 압력게이지(12)가 설치된다.
여기서, 상기 멤브레인셀의 멤브레인을 통과할 때 멤브레인의 투과특성을 측 정하는 측정부에 대한 구성을 살펴보면 다음과 같다.
상기 측정부는 두 개의 감지기, 즉 투과에 의해 변화하는 멤브레인(36) 투과부의 압력을 감지하여 응답지연 없이 투과속도에 비례하는 전위차를 발생하는 압력감지기(29)와, 투과속도를 직접 감지하여 감지된 투과속도에 상응하는 전위차를 발생시키는 질량흐름계량기(30)를 주된 구성으로 한다.
또한, 상기 압력감지기(29) 및 질량흐름계량기(30)에서 나오는 시그널을 수신하여 연산하는 컴퓨터(19) 및 데이타를 디스플레이하는 컴퓨터 모니터를 포함하고, 또한 상기 압력감지기(29) 및 질량흐름계량기(30)에서 나오는 시그널을 컴퓨터(19)로 보내어 컴퓨터 모니터에 출력할 수 있도록 한 인터페이스 모듈인 아날로그/디지탈 변환기(20)를 포함한다.
따라서, 상기 압력감지기(29) 및 질량흐름계량기(30)의 시그널을 수신한 컴퓨터(19)는 내장된 프로그램에 의하여 투과계수, 확산계수, 용해계수를 자동적으로 계산하여 모니터로 출력하게 된다.
여기서, 상기 멤브레인셀의 멤브레인 상하부에 진공을 제공하는 진공제공부에 대한 구성을 설명하면 다음과 같다.
상기 진공제공부는 멤브레인셀(16)내에 안착 고정된 멤브레인(36)의 상하부에 진공을 가해 멤브레인(36)에 존재하는 수분이나 잔존 용매 등을 제거하고자, 진공을 제공하기 위한 진공원으로서 진공펌프(28)가 구비된다.
또한, 상기 하부 멤브레인셀(33) 및 하부프레임(34)의 중앙 위치에 관통 형성된 투과기체 배출구(51)는 상기 진공펌프(28)와 제1배출라인(46)으로 연결되는 바, 이에 진공펌프(28)에 의한 진공이 제1배출라인(46)을 통하여 투과기체 배출구(51)를 거쳐 멤브레인(36)의 저면쪽에 작용하게 된다.
또한, 상기 진공펌프(28)와 상기 상부 멤브레인셀(32)의 내주면에 위치된 상기 기체배출구(40)는 제2배출라인(47)에 의하여 연결되는 바, 진공펌프(28)에 의한 진공이 제2배출라인(47)을 통하여 기체공급구(39)로 공급되어 멤브레인(36)의 상면쪽에 작용하게 된다.
한편, 상기 제1배출라인(46)에 상기 질량흐름계량기(30)를 우회하도록 바이패스라인(54)이 분기되어 형성되는데, 이 질량흐름계량기(30)를 우회하는 바이패스라인(54)의 형성 이유는 상기 측정부의 측정 전에 멤브레인(36) 하부에 진공펌프(28)로부터의 진공을 용이하게 가하여 압력 감소가 급격히 일어날 수 있도록 하기 위함에 있다.
또한, 상기 바이패스라인(54)의 입구와 상기 질량흐름계량기(30)의 입구와 상기 제1배출라인(46)이 만나는 지점에는 3방향 밸브(21)가 장착되고, 상기 바이패스라인(54)상에는 제1공기작동밸브(23)가 장착되고, 상기 제2배출라인(47)상에는 제2공기작동밸브(22)가 장착된다.
여기서, 상기 멤브레인셀을 빠져나온 투과기체를 후처리하는 방출부에 대한 구성을 설명하면 다음과 같다.
상기 방출부는 압력감지기(29) 및 질량흐름계량기(30)를 통과한 투과기체와 막에서 제거된 잔존 수분이나 유기물이 제2버퍼탱크(24)를 거쳐 수분이나 유기물은 응축기(27)에 응축되고 투과기체는 진공펌프(28)를 통해서 외부로 방출하는 수단으 로 구비된 것이다.
이에, 상기 바이패스라인(54)의 출구측 및 질량흐름계량기(30)의 출구측이 하나로 병합된 제1배출라인(46)의 후단부 구간상에 제2버퍼탱크(24)가 설치되고, 상기 제2버퍼탱크(24)의 출구측과 상기 진공펌프(28) 사이의 제1배출라인(46)상에는 응축기(27)가 설치되며, 상기 제2버퍼탱크(24)와 응축기(27) 사이의 제1배출라인(46)상에는 제2개폐밸브(25) 및 배출구(26)가 장착된다.
따라서, 상기 투과기체 및 제거된 수분 혹은 유기물이 제1배출라인(46)을 따라 제2버퍼탱크(24)로 흐르게 되고, 제2버퍼탱크(24)로 유입된 수분이나 혹은 유기물은 응축기(27)에서 응축되고 투과기체는 진공펌프(28)를 따라 배출되어진다.
여기서, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 기체투과 막분석장치에 대한 작동상태를 설명하되, 기체투과시 각 투과특성 측정과정 및 투과분석기에 대한 작동 상태를 자세히 설명을 하면 다음과 같다.
먼저, 제1솔레노이드밸브(14)가 닫힌 상태에서 개폐밸브(10)을 열면, 상기 제1버퍼탱크(13)에 기체로 채워지는데, 이때의 압력은 압력조절기(11)를 사용하여 원하는 압력으로 맞출 수 있다.
다음으로, 상기 제2 및 제3배출밸브(18, 25)를 잠그는 동시에 두 개의 공기작동밸브(22, 23)를 열고, 상기 진공펌프(28)를 작동시킨다.
따라서, 상기 진공펌프(28)에 의한 진공압이 제1배출라인(46)을 따라 상기 하부 멤브레인셀(33) 및 하부프레임(34)의 중앙 위치에 관통 형성된 기체투과 배출구(51)로 제공됨과 함께 상기 멤브레인(36)의 저면쪽에 작용하게 되고, 이와 동시 에 상기 진공펌프(28)의 진공압이 제2배출라인(47)을 따라 상기 상부 멤브레인셀(32)의 내주면에 위치된 상기 기체배출구(40)를 통하여 멤브레인(36)의 상면쪽에 작용하게 된다.
결국, 상기 멤브레인셀(16)내의 멤브레인(36) 상하부에 진공이 제공되어, 멤브레인(36)에 잔존하는 수분 혹은 휘발성 성분이 진공흡착으로 제거된다.
이때, 원하는 멤브레인셀(16)의 온도를 얻기 위해서 상기 히팅오븐(15)을 작동시켜 오븐의 온도를 원하는 수치로 셋팅하게 되는데, 이 히팅오븐(15)은 25~100℃ 범위 안에서 ±0.5내로 온도조절이 이루어지며, 상기 멤브레인셀(16)의 온도가 원하는 온도에 도달하도록, 그리고 상기 멤브레인의 투과부의 압력이 가능한 낮은 수치에 도달할 수 있도록 충분한 시간(약 0.5 - 1시간)동안 방치한다.
그러나, 상기 멤브레인(36)의 투과도가 클 경우, 측정 전의 투과부 압력(0.5 torr이하)이 그렇게 낮을 필요가 없으나, 멤브레인(36)의 투과도가 낮을수록 측정 시작전의 투과부 압력이 낮아야 한다.
이에, 상기 멤브레인(36) 투과부의 압력이 충분히 낮아졌으면, 상기 2개의 공기작동밸브(22, 23)를 잠그어 오직 멤브레인(36) 하부쪽으로만, 즉 질량흐름계량기(30)을 통해서 진공이 제공되게 하여 5~20분 정도 더 방치하여 투과측정 준비상태가 되게 한다.
다음으로, 상기 솔레노이드 밸브(14)를 열림쪽으로 작동시키면, 상기 제1버퍼탱크(13)내의 기체가 멤브레인셀(16) 안으로 공급되고, 연이어 상기 승하강프레임(49)의 기체공급구(39) 및 상부 멤브레인셀(32)의 기체주입구(44)를 통하여 멤브 레인(36) 상부쪽으로 공급되어, 멤브레인(36)을 통한 기체투과가 시작된다.
동시에, 상기 멤브레인(36)의 기체투과로 인해 상기 압력감지기(29) 및 질량흐름계량기(30)들로부터 생성된 시그널이 아날로그/디지탈 변환기(20)를 거쳐 컴퓨터모니터에 출력되고, 투과특성을 계산하는 컴퓨터(19)의 프로그램이 실행 작동되어, 투과곡선이 모니터에 실시간으로 표시된다.
이때, 기체가 멤브레인셀(16)의 내부 즉, 멤브레인(36)의 상부공간으로 주입되는 순간, 멤브레인셀(16) 내부의 압력은 진공상태에서 공급되는 기체압력으로 지연됨이 없이 증가되어, 스텝변화의 압력증가를 이룰 수가 있는데, 이는 멤브레인셀(16) 내부의 멤브레인(36) 상부 공간의 크기가 기체를 공급하는 제1버퍼탱크(13)의 크기보다 훨씬 작기 때문이다.
바람직하게는, 상기 제1버퍼탱크(13)와 멤브레인셀(16) 내부의 멤브레인(36) 상부 공간 크기의 비율을 100/1~10000/1이 될 때, 스텝변화의 압력증가를 얻을 수가 있다.
한편, 기체를 높은 압력의 주입시 스텝변화의 급격한 압력증가로 말미암아 상기 상부 멤브레인셀(32)의 기체 주입구(44) 부근의 막 즉, 멤브레인이 손상을 입을 수가 있는 바, 이를 방지하기 위해서 상부 멤브레인셀(32) 내주면과 수직 중심선간의 각도 즉, 경사면(45)이 일정한 범위 내의 각도인 10~50°내에 있어야 한다.
상기 각도가 10°이하로 너무 작으면 스텝변화의 압력증가에 의한 멤브레인(36)에 주는 충격이 커져서 막이 손상을 입고, 반면에 각도가 50°이상으로 너무 크면 멤브레인(36)의 상부 공간이 너무 커져서 기체 주입시 압력저하가 발생하게 된다.
또한, 투과 초기에 멤브레인셀 내부에 압력저하가 심하게 일어나면, 멤브레인 투과의 구동력인 멤브레인(36) 상하부의 압력차가 일정하지 않아 측정된 확산계수의 수치가 실제 값과 달라지게 된다.
상기 압력감지기(29) 및 질량흐름계량기(30)를 포함하는 측정부의 측정 동작에 있어서, 상기 멤브레인(36)을 통한 투과가 시작이 되면 압력감지기(29) 및 질량흐름계량기(30)에서는 투과속도에 상응하는 각각의 전위차를 발생하게 되는데, 각 전위차들은 투과속도에 비례한다.
상기 압력감지기(29) 및 질량흐름계량기(30)는 아날로그/디지털 변환기(20)를 통하여 컴퓨터(19)에 연결되는데, 각 감지기에서 발생된 전위차들은 시간에 따라 실시간으로 컴퓨터 모니터에 도 3에 도시된 바와 같이 출력된다.
상기 아날로그/디지탈 변환기(20)는 21 비트의 인터페이스 카드로 초당 각 감지기당 20개의 데이터를 받아 모니터에 출력한다.
본 발명에서 사용되는 질량흐름계량기(30)는 50~5000 SCCM의 범위의 용량을 갖는 것으로서, 계량기의 입구와 출구의 압력차이를 1~10 psi 범위 내로 조절하여야 하는 바, 이는 계량기내에 심각한 압력강하를 방지하고, 또한 막하부의 진공도를 높이기 위함이다.
첨부한 도 4는 질량흐름계량기(MFM)내 흐르는 공기 질량흐름속도와 상응하여 발생되는 전위차관계를 나타내는 표준곡선을 보여주고 있다.
여기서 사용된 질량흐름계량기(30)의 용량은 1000 SCCM인데, 이때 발생하는 전위차는 5 볼트이고 흐름속도와 발생되는 전위차간에 비례관계가 있음을 알 수 있다.
그러나, 공기 이외의 비열(molar specific heat)이 다른 기체를 사용할 때 기체질량흐름속도와 발생되는 전위차 간의 다른 비례관계를 갖는다.
즉, 직선의 기울기가 달라지므로, 공기를 표준 기체로 간주하고 이와 다른 비례계수를 갖는 기체에 대하여 보정을 해주어야 하는데 보정하는 정도를 "기체보정계수"라 칭한다.
이에, 공기 이외의 기체에 대한 보정계수는 기체와 공기의 비열의 비로 설명할 수 있으며 기체의 보정계수를 공기질량흐름 속도에 곱하면 기체의 질량흐름이 된다.
예를 들어서, 이산화탄소의 보정계수는 0.78인데 상응하는 전위차로부터 구한 질량흐름속도는 10 SCCM이라 하면, 보정된 이산화탄소의 질량흐름속도는 10×0.78=7.8 SCCM 이다.
본 발명에 사용되는 압력감지기(29)는 피라니(pirani), 피에조(piezo), 혹은 마이크로 피라니(micro-pirani) 혹은 이들중 두 가지를 결합한 방식의 감지기를 사용할 수 있는데, 측정가능 범위는 10-7~1000 torr이다.
정상상태 뿐 아니라 비정상상태 투과시, 상기 압력감지기(29)는 실제의 투과속도에 상응된 값의 전위차를 발생하나 질량흐름계량기(30)는 내부의 흐름저항으로 인하여 비정상상태 투과시 투과속도와 상응된 전위차가 지연되어 발생된다.
이에따라, 비정상상태에서 측정되는 확산계수는 압력감지기(29)에서 발생된 전위차 곡선에서 얻어지며 정상상태에서 측정되는 투과계수는 질량흐름계량기(30)로부터 발생된 곡선에서 얻어진다.
이와 같이, 상기 두 감지기(29,30)는 서로 보완적으로 사용되어 측정의 신속성, 정확성 그리고 신뢰성을 높일 수 있고, 투과가 끝나면 컴퓨터(19)에 내장된 프로그램에 의해 비정상상태 투과에서 곡선으로부터 응답시간과 투과곡선에서 투과초기와 정상상태에서의 전위차이(ΔV)를 결정한 후, 투과계수, 확산계수 그리고 용해계수를 자동적으로 계산하여 모니터에 출력한다.
이때, 응답시간(ts)은 문헌(J.Membr.Sci., 49 (1990) 171, J.Membr.Sci., 73 (1992) 55)에 설명된 바와 같이 구할 수가 있는데, 비정상상태의 투과곡선에서 최대 기울기를 갖는 접선을 찾아서 도 3의 (b)에 나타낸 대로 구한다.
투과계수 정의에 따라 투과계수는 다음과 같이 구하게 된다.
위 식에서, FC은 계량기의 용량이며, GC는 기체보정계수, 압력차는 막양쪽의 압력차이다.
확산계수는 다음 식으로부터 구할 수 있다.
위의 두 식에서, 막두께와 막면적의 단위는 각각 ㎝, ㎠ 이며, 응답시간은 초(sec), 압력차의 단위는 cmHg 이다. 잘 알려진 용해-확산 모델식에 의하면 용해계수는 투과계수/확산계수로 표현될 수 있으므로 상기에서 구한 투과계수, 확산 계수로부터 용해계수가 구하여진다.
한편, 상기 질량흐름계량기(30)를 우회하는 바이패스라인(54)의 설치는 투과측정 전에 멤브레인 하부에 높은 진공도에 빨리 도달하게 해주어 측정시간을 단축해준다.
즉, 투과 측정 전에, 상기 바이패스라인(54)상의 공기작동밸브(23)를 열어주고 원하는 진공도에 도달하면, 이 라인상의 공기작동밸브(23)를 잠그고, 3방향밸브(21)를 질량흐름계량기(30)쪽으로 열어서, 멤브레인(36)의 투과가 이루어질 때 투과기체가 상기 질량흐름계량기(30)로만 통과할 수 있다.
주변환경의 여건에 따라, 막하부 즉, 멤브레인(36) 하부의 진공도가 일시적으로 변할 수 있는데, 일시적인 진공도 변화는 투과 구동력을 변화를 야기시켜서 측정된 투과특성 값이 달라져 측정의 정확성과 신뢰성 저하로 연결되며, 이에 상기 두 감지기(29,30) 이후의 제2배출라인(47)상에 제2버퍼탱크(24)를 설치하면 이러한 막하부의 일시적인 진공도 혹은 압력의 변화를 최소화하여 주변환경 영향을 줄일 수가 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
두께가 28~30 마이크론 미터인 폴리이미드(6FDA-DAM) 멤브레인을 통한 순수 기체인 산소, 질소, 이산화탄소 그리고 메탄에 대한 각각의 투과특성을 본 발명 장치를 사용하여 측정하였다.
측정온도는 섭씨 35도였으며 사용된 기체압력은 10 기압이었다.
그 결과로서, 각 순수기체의 투과특성을 문헌치와 함께 표 1에 나타내었다.
위의 표 1은 본 발명의 장치를 사용하여 측정한 폴리이미드 막을 통한 각 기체의 투과특성과 문헌치, 그리고 후술하는 비교예1의 투과특성치를 기재한 것으로서,
1: 10-10㎤(STP).cm/(㎠.sec.cmHg),
2: 10-8㎠/sec
3: 10-3㎤(STP).cm/(㎤. cmHg)
4: J.Polym.Sci., Polym.Phys., 30 (1992) 907.
본 발명의 장치에 의해 얻어진 투과특성 값들이 문헌에 발표된 값들과 잘 일치함을 보이고 있어 본 발명의 장치의 정확성을 보여주고 있다.
그러나, 비교예1의 값들과 문헌치를 비교하면, 투과계수의 값들은 비교적 서로 잘 일치하나 확산계수, 용해계수 값들은 서로 큰 차이를 보이고 있다.
투과계수 값은 정상상태의 곡선에서 구해지므로 그 값은 응답속도와 관계가 없기 때문에 측정 값이 실제와 값과 동일한 값이 된다.
그러나, 확산계수는 비정상상태 범위의 곡선에서 구해지기 때문에 그 투과곡선에 감지기내에서의 흐름저항 때문에 지연되어 나타나면 실제의 값보다 작은 확산계수가 얻어지며 또한 용해계수는 실제의 값보다 큰 값으로 계산된다.
비교예1에서는 질량흐름계량기만 사용했으므로, 이미 언급한 바와 같이 질량흐름계량기내에 흐름저항이 존재하므로 모니터에 투과곡선은 지연되어 표시되며 계산된 확산계수, 용해계수는 실제의 값들과 다른 값들이 얻어진다.
비교예 1
실시예 1 및 하기의 실시예 2에서 사용한 동일한 폴리이미드 막들을 사용하고, 동일한 기체들을 사용하여 동일한 조건하에서 각 기체의 투과특성들을 측정하였다.
단, 이중감지기를 사용하는 대신 질량흐름계량기만 사용하여 각 투과특성들을 측정하여 그 결과를 표 1, 2에 실시예들과 비교 기재하였다.
실시예 2
다른 종류의 폴리이미드(6FDA-ODA)의 멤브레인을 사용하였다는 것 이외는 실시예 1과 동일하게 기체투과특성을 측정하여 그 결과를 문헌치와 함께 표 2에 나타내었다.
위의 표 2는 본 발명의 장치를 사용하여 측정한 폴리이미드 막을 통한 각 기체의 투과특성과 문헌치, 그리고 비교예1에 따른 결과치를 비교 기재한 것으로서,
1: 10-10㎤(STP).cm/(㎠.sec.cmHg),
2: 10-8㎠/sec
3: 10-3㎤(STP).cm/(㎤. cmHg)
4: J.Polym.Sci., Polym.Phys., 30 (1992) 907.
위의 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 장치에서 얻어진 값들은 문헌치들과 좋은 일치함을 보이고, 반면에 질량흐름계량기만 사용하여 투과측정값들을 얻었을 때 이들 값들이 실제의 값들과 큰 차이를 보이고 있는 것을 알 수 있었다.
실시예 3
두께가 160 마이크론미터인 실리콘(PDMS) 멤브레인을 부가반응법으로 제조하여 사용하였으며, 사용한 기체는 순수기체인 질소, 산소, 이산화탄소 등이며 각 투과특성을 본 발명의 장치를 사용하여 측정하였다.
측정온도는 섭씨 40도였으며 사용된 기체압력은 5 기압이었다.
각 순수기체의 투과특성을 문헌치와 함께 아래의 표 3에 나타내었다.
위의 표 3은 본 발명의 장치를 사용하여 측정한 실리콘 막을 통한 각 기체의 투과특성을 문헌치와 비교한 결과로서,
1: 10-10㎤(STP).cm/(㎠.sec.cmHg),
2: 10-6㎠/sec
3: 10-3㎤(STP).cm/(㎤. cmHg)
4: "Basic principles of membrane technology", Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (1996) Chapter 5.
위의 표 3에 기재된 바와 같이, 투과계수의 문헌치는 10기압, 섭씨 35도에 측정된 것이며 용해계수의 문헌치는 10기압, 섭씨 25도에서 측정된 것이다.
문헌에서 사용된 측정조건이 본 발명에서 사용한 것과 다르고, 또한 사용된 문헌에서 사용된 실리콘은 본 발명에서 사용한 것과 약간 다를 수가 있다.
즉, 사용된 경화제가 다르고 가교도가 다를 수가 있는데 이 경우 투과특성도 달라진다.
그래서 측정된 투과특성이 본 발명에서 얻은 수치와 약간 차이가 있으나 대체적으로 그 크기의 정도가 같으므로 이들 비교에서 서로 잘 일치한다고 볼 수 있다.
그러나, 실리콘 막을 통한 기체의 투과도가 매우 큰데, 이 경우 정상상태에서의 곡선의 기울기가 시간의 따라 변하므로 정상상태 곡선에서 시간 축과 외삽되는 값으로부터 확산계수 값을 결정하는 기존의 방법, 즉 time-lag법의 효용성 혹은 신뢰성에 문제가 생긴다.
왜냐하면, 정상상태에서의 투과곡선의 기울기가 변하므로 외삽을 시작하는 위치에 따라 외삽 값이 달라지므로 일정한 값을 얻을 수 없을 뿐 아니라 또한 이들 값은 정확성이 결여된 값으로서 그 의미가 없어지므로, 인용한 문헌에서는 확산계수의 값을 얻을 수가 없었다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 기체투과 막분석장치 및 방법에 의하면, 이중감지기, 즉 압력감지기(pressure transducer)와 질량흐름계량기를 사용하여 정확한 정상상태의 투과곡선 뿐 아니라 비정상상태의 투과곡선을 얻을 수 있고, 압력감지기는 막 하부쪽 멤브레인 셀 가까운 곳에 설치되어 투과물 흐름에 전혀 영향을 주지 않고 막하부의 압력만 측정하므로 이 감지기에 대한 저항은 거의 없거나 혹은 제로가 되도록 함으로써, 결과적으로 기체의 막을 통한 투과특성들, 즉 투과계수, 확산계수, 그리고 용해계수를 동시에 신속, 정확하게 측정할 수 있ㄷ다.
또한, 효과적인 구조의 멤브레인셀의 제공으로 기체공급에 대한 응답을 신속하게 얻을 수 있다.
또한, 공정중 막 하부에 가해지는 진공도 변화에 따른 투과특성 변화를 최소화하여 측정, 분석의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Claims (12)
- 내부에 멤브레인이 밀폐 고정되고, 이 멤브레인을 통해 기체투과가 발생되도록 기체가 주입될 때 부피증가로 인한 압력저하가 발생하지 않도록 설계된 멤브레인셀과;상기 멤브레인셀의 온도를 일정하게 유지시키는 히팅오븐과;가스공급원으로부터 공급기체를 상기 멤브레인에 공급 또는 차단하는 기체공급부와;공급기체가 상기 멤브레인셀의 멤브레인을 통과할 때 멤브레인의 투과특성을 측정하는 측정부와;상기 멤브레인셀의 멤브레인 상하부에 진공을 제공하는 진공제공부와;상기 멤브레인셀을 빠져나온 기체를 후처리하는 방출부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기체투과 막분석장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 멤브레인셀은:하부프레임 및 이 하부프레임의 양측에 수직으로 세워진 프레임지지체와, 상기 프레임지지체를 따라 승하강 가능하게 결합되는 승하강프레임과, 상기 프레임지지체의 상단면에 결합되는 상부프레임과, 상기 승하강프레임의 상면에 고정되는 스페이서와, 상기 상부프레임의 중앙을 관통하여 상기 스페이서에 풀림 가능하게 체 결되는 스크류로 이루어진 골격부와;상기 골격부의 승하강 프레임의 저면에 일체로 형성된 상부 멤브레인셀과;상기 하부프레임의 상면에 안착된 하부 멤브레인셀과;상기 상부 멤브레인셀의 중앙 위치와 연통되도록 상기 승하강프레임의 저면 중앙 위치에 형성된 기체 공급구 및 기체 배출구와;상기 멤브레인의 안착을 위하여 상기 하부 멤브레인셀의 상면에 오목하게 형성된 안착홈부와;상기 하부 멤브레인셀의 중앙 위치 및 상기 하부프레임의 중앙 위치에 관통 형성된 투과기체 배출구;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 상부 멤브레인셀의 내주면은 상기 기체공급구 및 기체배출구로부터 아래쪽으로 10~50°각도로 더 커지는 직경의 경사면으로 형성되고, 이 경사면이 끝나는 지점에는 상기 기체배출구와 연통되는 기체배출틈새가 더 형성된 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 상부 멤브레인셀의 저면에서, 기체배출틈새의 외측쪽에는 상기 멤브레인의 테두리 상면에 밀착되는 상부 오링이 끼워지고, 상기 하부 멤브레인의 외주면에는 상부 멤브레인의 테두리 저면에 밀착되는 하부 오링이 끼워진 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 하부 멤브레인셀의 멤브레인 안착공간의 중앙부에는 오목한 요부가 더 형성되고, 이 요부에는 상기 멤브레인 저면에 밀착되는 다공성금속판 및 기체배출경로를 갖는 지지판이 상하로 적층되며 안착되는 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 기체공급부는:가스공급원과;상기 가스공급원과 상기 멤브레인셀간의 기체공급구간에 연결된 공급라인과;상기 공급라인상에 장착되어 가스공급원으로부터의 공급기체를 공급 또는 차단하는 제1개폐밸브와;상기 제1개폐밸브의 열림시 공급되는 기체를 일정한 압력하에서 저장하도록 상기 공급라인상에 설치되는 제1버퍼탱크와;상기 제1버퍼탱크와 상기 멤브레인셀의 기체공급구 사이의 공급라인상에 설치되는 솔레노이드 밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 청구항 6에 있어서, 상기 제1개폐밸브와 상기 제1버퍼탱크 사이의 공급라인상에는 공급 기체의 압력을 조절하는 압력조절기와, 공급기체의 압력수치를 관찰하는 압력게이지가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 청구항 2 또는 청구항 6에 있어서, 상기 제1버퍼탱크와 멤브레인셀 내부의 멤브레인 상부 공간 크기의 비율은 100/1~10000/1인 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 측정부는:상기 멤브레인셀의 멤브레인을 기체가 투과할 때 변화되는 멤브레인의 압력을 감지하여 응답지연없이 투과속도에 비례하여 전위차를 발생시키는 압력감지기와;상기 멤브레인셀의 멤브레인을 기체가 투과할 때 투과속도를 직접 감지하여 감지된 투과속도에 상응하는 전위차를 발생시키는 질량흐름계량기와;상기 압력감지기 및 질량흐름계량기에서 나오는 시그널을 컴퓨터로 보내어 컴퓨터 모니터에 출력할 수 있도록 한 인터페이스 모듈인 아날로그/디지탈 변환기 와;상기 압력감지기 및 질량흐름계량기의 시그널을 내장된 프로그램에 의하여 투과계수, 확산계수, 용해계수를 자동적으로 계산하여 모니터로 출력하는 컴퓨터;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 진공제공부는:진공펌프와;상기 하부 멤브레인셀 및 하부프레임의 중앙 위치에 관통 형성된 기체 최종배출구와, 상기 진공펌프간에 연결된 제1배출라인과;상기 진공펌프로부터 상기 상부 멤브레인셀의 내주면에 위치된 상기 기체공급구 및 기체배출구에 연결되는 제2배출라인과;상기 제1배출라인에 상기 질량흐름계량기를 우회하도록 분기된 바이패스라인과;상기 바이패스라인의 입구와 상기 질량흐름계량기의 입구와 상기 제1배출라인이 만나는 지점에 설치된 3방향 밸브와;상기 바이패스라인상에 설치되는 제1공기작동밸브 및;상기 제2배출라인상에 설치되는 제2공기작동밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 방출부는:상기 바이패스라인의 출구측 및 질량흐름계량기의 출구측이 하나로 병합된 제1배출라인의 후단부 구간상에 설치되는 제2버퍼탱크와;상기 제2버퍼탱크의 출구측과 상기 진공펌프 사이의 제1배출라인상에 설치되는 응축기와;상기 제2버퍼탱크와 응축기 사이의 제1배출라인상에 설치되는 제2개폐밸브 및 배출구로 구성된 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리장치.
- 가스공급원으로부터의 공급기체를 일정한 압력하에서 제1버퍼탱크에 채우는 단계와;상기 멤브레인셀을 히팅오븐내에 넣어 일정한 온도로 가열 유지시키는 단계와;상기 멤브레인셀내에 안착 고정된 멤브레인의 상하부에 진공을 가해 존재하는 수분이나 잔존 용매 등을 제거하는 단계와;상기 버퍼탱크에 있는 일정한 압력하의 공급기체를 솔레노이드밸브를 열어 히팅오븐속에서 일정한 온도로 유지되고 있는 상기 멤브레인셀내의 멤브레인 상부쪽으로 주입하여 멤브레인을 통한 기체투과가 발생하는 단계;상기 멤브레인을 통과한 기체 투과물이 압력감지기와 질량흐름계량기를 각각 통과할 때, 이들 감지기에서 투과속도 상응하는 전위차가 발생되는 단계와;상기 전위차들이 아날로그/디지털 변환기를 통해 컴퓨터에 시그널로 전송되어, 컴퓨터 모니터에 실시간으로 출력되는 동시에 각 출력곡선으로부터 투과계수, 확산계수, 용해계수를 포함하는 투과특성이 내장된 프로그램을 통하여 자동 계산되는 단계와;상기 압력감지기 및 질량흐름계량기를 통과한 투과기체, 막으로부터 제거된 수분 혹은 유기물이 제2버퍼탱크를 거쳐 수분 혹은 유기물은 응축기에 응축되고 투과기체는 진공펌프를 통해서 외부로 방출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기체투과 막분리방법.
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