KR20110070509A - 흡착 및 탈착 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 샘플을 집중시켜 농축시켜주는 흡착 및 탈착 장치에 관한 것으로, 흡착 및 탈착 장치는, 유체를 흡입하는 흡입부; 유체를 배출하는 배출부; 및 상기 흡입부와 상기 배출부 사이에 개재되며 상기 흡입부와 상기 배출부 사이에 개재되며 나노 구조의 흡착 물질이 형성된 다공성 물질을 포함한다.
전농축기, 흡착, 탈착, 탄소나노튜브

Description

흡착 및 탈착 장치{APPARATUS FOR ABSORPTION AND DESORPTION}
본 발명은 흡착 및 탈착 장치에 관한 것으로, 흡착 및 탈착 장치는 샘플을 집중시켜 농축시켜 전자코 등의 고감도 센싱을 가능하게 하기 위해 사용된다.
본 발명은 지식경제부 산하 지능로봇사업단의 지식경제 기술혁신사업/21세기 프론티어 연구개발 인간기능 생활지원지능로봇기술개발사업의 일환으로 수행된 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호: F0005000-2009-31, 과제명: 지능로봇용 MEMS 기반 전자후각 센서의 개발].
일산화 탄소, LPG, 오존 등과 같은 위험성 기체 감지는 전통적으로 기체 감지 센서의 좋은 시장이 되어 왔다. 이 같은 기체들은 고위험성에도 불구하고, 상대적으로 노출에 대한 관용도가 높아 ppm 수준 감도를 가지는 기체 센서로도 충분히 응용 가능하였다. 하지만, 최근에 연구가 많이 진행중인 날숨 분석기(breath analyzer)와 마약, 폭발물 센서와 같은 응용분야에서는 ppb 수준의 감도가 요구되어, 추가적인 감도 향상이 필요한 시점이 되었다.
일반적으로 센서 시스템의 감도를 향상시키기 위해서는 센서 자체의 감도 향상을 도모한다. 하지만, 일정 수준 이상의 민감도는 외란에도 쉽게 영향을 받기 때문에 노이즈 증가를 피할 수 없다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 가스 크로마토그래피(gas chromatography)나 이온 이동성 스펙트로메트리(ion mobility spectrometry)와 같은 고감도 분석 장치에서는 샘플을 집중시켜 농축시키기 위한 흡착 및 탈착 장치(전농축기, preconcentrator라고도 함)를 사용하고 있다.
흡착 및 탈착 장치는 샘플을 집중시켜 농축시켜 주는 장치로 저감도 센서로도 고감도 센싱이 가능하게 해주며, 노이즈 증가문제를 효과적으로 해결한다. 다만, 전농축기는 태생적으로 기체분자 흡착을 위한 높은 표면적이 요구되어 시스템의 소형화에는 한계가 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 작은 크기로도 고성능의 농축이 가능한 흡착 및 탈착 장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 흡착 및 탈착 장치가 자체적으로 발열하는 것이 가능하도록 하여, 흡착된 샘플이 탈착되는데 있어서의 효율성을 높이고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 샘플을 흡착하는 역할을 하는 물질의 용량(크기) 조절을 용이하도록 하여, 농축의 정도를 용이하게 조절 가능하게 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 흡착 및 탈착 장치는, 유체를 흡입하는 흡입부; 유체를 배출하는 배출부; 및 상기 흡입부와 배출부 사이에 개재되며 탄소 나노튜브와 같은 나노 구조를 포함하는 흡착 물질이 형성된 다공성 물질을 포함할 수 있다.
상기 흡착 및 탈착 장치는, 내부에 상기 다공성 물질이 위치되고, 상기 흡입부 및 배출부와 연결되는 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 하우징은, 일측에 상기 흡입부가 연결되고, 타측에 상기 배출부가 연결되며, 상기 흡입부와 상기 배출부 간의 간격을 조절하는 조절부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 흡입부와 상기 배출부는 전도성 물질로 이루어지고, 상기 하우징은 비전도성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 흡입부와 상기 배출부에는 상기 다공성 물질을 발열시키기 위한 전극이 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 흡입부와 상기 배출부의 전극에 서로 다른 레벨의 전압이 인가되면 상기 다공성 물질이 발열체로서 발열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 다공성 물질은 니켈 폼(nickel foam)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유체 농축 방법은, 탄소나노튜브와 같은 나노 구조의 흡착 물질이 형성된 다공성 물질을 이용하여 유체를 농축하는 방법에 있어서, 상기 다공성 물질로 상기 유체를 흡입시키는 단계; 상기 유체에 포함된 물질이 상기 다공성 물질에 흡착되는 단계; 상기 다공성 물질의 양단에 전압차가 유발되어 상기 다공성 물질이 발열하는 단계; 및 상기 다공성 물질로부터 흡착된 물질이 배출되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 흡착 및 탈착 장치는 탄소나노튜브가 형성된 다공성 물질을 이용하여 샘플을 흡착한다. 다공성 물질은 매우 넓은 표면적을 가지며, 탄소나노튜브는 높은 흡착 성능을 가지기에 소형의 흡착 및 탈착 장치로도 매우 효율적인 샘플의 농축이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 다공성 물질은 양단의 전압만 인가되면, 그 자체가 발열체로서 동작하기 때문에, 흡착된 샘플의 탈착 동작이 매우 효율적으로 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 흡입부와 배출부 간의 간격 즉 다공성 물질이 위치하는 부분의 부피가 조절 가능하므로, 샘플의 농축 정도를 손쉽게 조절 가능하다는 장점이 있다.
흡착을 위하여 탄소 나노 튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 매우 좋은 소재로 여겨진다. 탄소 나노 튜브는 그 크기 수준이 나노미터 수준으로 매우 작고, 형상 또한 1차원 형상으로 높은 부피 대비 표면적을 가지기 때문에 기체 분자의 흡착 면적을 작은 부피로도 확보할 수 있다. 뿐만 아니라 탄소 나노 튜브의 안정적인 화학 구조는 시료 기체와의 반응성이 낮아 시료의 변성을 방지하고, 기반 물질인 탄소는 유기물과 친화도가 있어 여타 물질들에 비해 더 높은 흡착 성능을 기대할 수 있다. 본 발명은 탄소 나노 튜브가 형성된 다공성 물질을 흡착제로 사용한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 실현함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a은 본 발명에 따른 흡착 및 탈착 장치의 일실시예 구성도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 흡착 및 탈착 장치는, 유체를 흡입하는 흡입부(110); 유체를 배출하는 배출부(130); 흡입부(110)와 배출부(130) 사이에 개재되며 나노 구조를 포함하는 흡착 물질이 형성된 다공성 물질을 포함하여 구성된다.
흡입부(110)로는 샘플을 포함하는 유체가 유입된다. 흡착 및 탈착 장치가 가스 센서에 의해 감지될 샘플의 농축을 위해 사용되는 경우에는, 흡입부(110)로 유입되는 유체는 기체이다. 만약, 흡착 및 탈착 장치가 액체 내에 있는 샘플을 농축하기 위해 사용되는 경우에는 흡입부(110)로 유입되는 유체는 액체가 될 수도 있다.
다공성 물질(120) 표면에는 나노 구조를 포함하는 물질이 형성된다. 나노 구조를 포함하는 물질의 대표적인 예로는 탄소 나노 튜브가 있다. 흡입부(110)로 유입되어 배출부(130)로 유출되는 유체 내에 있는 샘플은 다공성 물질(120) 상의 탄소 나노 튜브에 농축된다. 즉, 다공성 물질(120)은 흡착 및 탈착 장치에서 흡착제의 역할을 수행한다. 흡착 동작시에 흡입부(110)로 유입된 유체가 다공성 물 질(120)을 통과하면서 목표로 하는 샘플이 다공성 물질의 탄소 나노 튜브와 같은 나노 구조를 포함하는 흡착 물질에 흡착되고 동시에 유체는 배출부(130)로 배출된다. 탈착 동작시에는 다공성 물질(120)이 가열되고, 흡입부(110)로 유입된 유체와 함께 다공성 물질(120)에 흡착되어 있던 샘플이 배출부(130)로 배출된다. 이렇게 배출된 샘플(농축 상태에 있는 샘플)을 이용하여 유체 내에 있는 샘플을 감지하게 된다.
배출부(130)로는 흡입부(110)로 유입되고 다공성 물질(120)을 통과한 유체가 배출된다.
도 1b는 다공성 물질(120)이 다수의 작은 블록들을 포함하여 구성된 것을 도시한 도면이다. 다공성 물질을 다수의 작은 블록들로 구성하면, 다공성 물질(120)을 구성하는 작은 블록들의 개수를 조절하여 다공성 물질(120)의 전체 부피를 용이하게 조절하는 것이 가능해진다.
도 2는 다공성 물질(120)에 하우징(140)이 덮인 것을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 흡착 및 탈착 장치는 내부에 다공성 물질(120)이 위치되고, 흡입부(110) 및 배출부(130)와 연결되는 하우징(140)을 포함할 수 있다. 하우징(140)은 다공성 물질(130)을 보호하고, 흡입부(110)로 유입된 기체가 배출부(130) 이외에 다른 곳으로 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
하우징(140)은 플라스틱과 같은 비전도성 물질로 이루어질 수 있으며, 흡입부(110)와 배출부(130)는 금속과 같은 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 다공성 물 질(120)에 흡착된 샘플을 탈착하기 위해서는 다공성 물질(120)이 가열되어야 하는데, 본 발명에서는 다공성 물질(120)이 자체적으로 옴 열에 의하여 발열하기 때문에, 가열을 위한 별도의 장치를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
탄소 나노 튜브가 형성된 다공성 물질(120)은 그 자체적으로 전기 전도성을 가진다. 따라서 흡입부(110)와 배출부(130) 양단에 전극(V1, V2)을 연결하고 전극(V1)과 전극(V2)에 서로 다른 전압을 인가하면 다공성 물질(120) 자체가 발열체로서 동작할 수 있다. 즉, 다공성 물질(120)이 옴 열(ohmic heat)에 의하여 자체적으로 발열한다.
도 3a은 흡착 및 탈착 장치의 단면도를 도시한 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 하우징(140)은 흡입부(110)와 배출부(130) 간의 간격, 즉 다공성 물질(120)이 들어갈 부분의 부피,를 조절하는 조절부(141)를 포함할 수 있다.
조절부(141)는 도 3a과 같이 하우징(140)의 내측면에 나사산의 형태로 형성된다. 흡입부(110)의 하우징(140) 접촉면에는 나사산(111)이 형성되며, 배출부(130)의 하우징(140) 접촉면에는 나사산(131)이 형성된다.
형성된 나사산(141, 111, 131)들을 이용하여 흡입부(110)와 배출부(130)가 하우징(140)에 삽입되는 정도가 조절되는 것이 가능하다. 이로 인해, 다공성 물질(120)의 부피(적층량)를 조절하는 것이 가능해진다. 다공성 물질(120)의 부피(적층량)를 조절하면 흡착 및 탈착 장치가 샘플을 농축하는 정도를 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 흡착 및 탈착 장치의 크기를 용이하게 조절할 수 있으며, 이는 흡착 및 탈착 장치의 범용성을 높인다.
도 3b는 다공성 물질(120)이 다수의 작은 블록들을 포함하여 구성된 것을 도시한 도면이다. 앞서 설명한 바와 같이, 다공성 물질(120)을 구성하는 작은 블록들의 개수를 조절하여 다공성 물질(120)의 전체 부피를 용이하게 조절하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 다공성 물질(120)은 1cm*1cm*0.1cm 정도의 크기의 작은 블록들을 다수개 포함하여 구성될 수 있다.
도 4a는 다공성 물질(120)을 나타내는 도면이며, 도 4b,c는 다공성 물질(120)을 현미경으로 관찰한 것을 나타내는 도면이다.
다공성 물질로는 니켈 폼(nickel foam) 블록이 이용될 수 있다. 니켈은 화학적 기상 증착 방법으로 탄소 나노 튜브를 합성할 때 촉매(catalist)로 이용되는 물질로, 이것을 다공성으로 제조할 경우 넓어진 표면적을 이용해 고밀도의 탄소 나노 튜브를 얻을 수 있다. 이렇게 생성된 고밀도 탄소 나노 튜브/니켈 폼 복합체 블록은 직접 조작이 가능하며 손쉬운 탄소 나노 튜브 충진이 가능하게 한다.
고온의 챔버에 니켈 폼을 넣고 에탄올 물 등을 일정하게 흘려주어 니켈 폼에 탄소 나노 튜브를 합성할 수 있다. 니켈 폼에 탄소 나노 튜브를 합성하는 것에 관한 자세한 내용은 [Namjo Jeong, Junghoon Lee / Growth of flamentous carbon by decomposition of ethanol on nockel foam: influence of synthesis conditions and catalytic nanoparticle on growth yield and mechanism / Journal of Catalysis 260(2008) 217-226]을 참조하여 알 수 있다.
도 5는 흡착 및 탈착 장치의 흡착/탈착 능력을 테스트한 결과를 나타내는 도면이다.
테스트를 위하여 흡착 및 탈착 장치를 톨루엔(toluene)에 노출시켰으며, 가스 크로마토그래피(gas chromatography)로 확인 결과, 5/15분 노출에 각각 19/27배의 흡착 능력을 보여주었다. 이 결과는 1cm*1cm*0.1cm의 탄소 나노 튜브/니켈 폼 복합체 하나를 이용한 결과로, 이의 부피(개수)를 늘리면 더 높은 흡착/탈착 능력을 보여줄 수 있으리란 것을 쉽게 예상할 수 있다.
이제 다공성 물질을 사용함으로 인하여 얻어지는 반응 면적 증가에 대한 예를 알아보기로 한다.
포어 사이즈(Pore size): 300㎛
포어 농도(Pore density): 150PPI(Pores Per Inch)
다공성 물질의 블록 크기(Block dimension): 10 mm*10 mm*10 mm (cubic)
이고, 포어의 모양이 구형이라 가정하면,
포어의 면적은 4πR^2=4*π(150*10^-6)^2=2.8274*10^-7(㎡)이 된다.
그리고 다공성 물질 블록에 들어가 있는 포어의 개수는 (x방향 포어 개수)*(y방향 포어 개수)*(z방향 포어 개수)=10*10^-3*150*39.370079)^3=205955.1404(개/블록)이 된다.
따라서 다공성 물질의 전체 표면적=(하나의 포어의 표면적)*(블록 내 포어의 개수)=2.8274*10^-7*205955.1404=0.05823(㎡)가 된다.
반면에 다공성이 아닌 동일한 크기의 블록의 표면적=(10*10^-3)*6=6*10^-4(㎡)가 된다.
따라서 다공성 물질의 표면적과 동일한 부피의 일반 물질(다공성이 아닌 물질)의 표면적 차이는, (0.05823)/(6*10^-4)≒97, 즉 100배 정도가 됨을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 다공성 물질에 탄소 나노 튜브를 형성하게 하여, 일반적인 물질에 탄소 나노 튜브를 형성한 경우보다 100배 정도 표면적을 증가시킨다. 따라서 본 발명은 샘플을 높은 농도로 농축하는 것이 가능하게 한다.
참고로, 한국 출원번호 10-2003-0091014에는 2차원적인 면에 탄소 나노 튜브를 형성한 흡착 및 탈착 장치가 개시되어 있는데, 본 발명은 이보다 100배의 표면적을 가지고 있어, 훨씬 높은 흡착 능력을 기대할 수 있다. 또한, 본 발명은 종래기술 대비 소형화 및 크기 조절이 용이하다는 장점을 가진다.
이제, 도 1 내지 도 3을 다시 참조하여, 본 발명에 따른 유체 농축 방법에 대해 알아본다.
먼저, 흡착을 위해 흡입부(110)를 통해 유체가 유입되고, 이는 다공성 물질(120)로도 흡입된다. 따라서 유체에 포함된 물질(샘플)은 다공성 물질(120)에 흡착된다.
다공성 물질(120)에 충분히 물질(샘플)이 흡착된 이후에 흡착된 물질이 탈착되는 과정이 이루어진다. 먼저, 탈착을 위해 다공성 물질(120) 양단에 전압차가 유발된다. 이는 흡입부(110)와 배출부(130)의 전극(V1, V2)에 서로 다른 전압을 인가하는 방법으로 이루어질 수 있다. 다공성 물질 양단(120)에 전압차가 유발되면 다공성 물질(120)은 자체내에 흐르는 전류에 의하여 자체적으로 발열하여 탈착에 필요한 온도에 도달한다. 이후에 흡입부(110)로부터 질소와 같은 비반응성 유체가 유입되고 흡입부(110)로 유입된 유체와 다공성 물질(120)로부터 탈착된 물질(샘플)이 함께 배출부(130)로 배출된다.
특히, 본 발명에서는 다공성 물질이 자체적으로 발열하기 때문에, 탈착 동작을 위한 부가적인 가열 장치가 필요하지 않으며, 다공성 물질이 빠른 속도로 탈착을 위해 필요한 온도에 도달할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1a,b은 본 발명에 따른 흡착 및 탈착 장치의 일실시예 구성도.
도 2는 다공성 물질(120)에 하우징(140)이 덮인 것을 도시한 도면.
도 3a,b은 흡착 및 탈착 장치의 단면도를 도시한 도면.
도 4a는 다공성 물질(120)을 나타내는 도면이며, 도 4b,c는 다공성 물질(120)을 현미경으로 관찰한 것을 나타내는 도면.
도 5는 흡착 및 탈착 장치의 흡착/탈착 능력을 테스트한 결과를 나타내는 도면.

Claims (13)

  1. 유체를 흡입하는 흡입부;
    유체를 배출하는 배출부; 및
    상기 흡입부와 상기 배출부 사이에 개재되며 나노 구조의 흡착 물질이 형성된 다공성 물질
    을 포함하는 흡착 및 탈착 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착 및 탈착 장치는,
    내부에 상기 다공성 물질이 위치되고, 상기 흡입부 및 배출부와 연결되는 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착 및 탈착 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 하우징은,
    일측에 상기 흡입부가 연결되고, 타측에 상기 배출부가 연결되며,
    상기 흡입부와 상기 배출부 간의 간격을 조절하는 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착 및 탈착 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 조절부는,
    상기 하우징의 내측면에 나사산의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 흡착 및 탈착 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 흡입부의 상기 하우징 접촉면과 상기 배출부의 상기 하우징 접촉면에는 나사산이 형성되는 것을 특징으로 하는 흡착 및 탈착 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 흡입부와 상기 배출부는 전도성 물질로 이루어지고,
    상기 하우징은 비전도성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡착 및 탈착 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 흡입부와 상기 배출부에는,
    상기 다공성 물질을 발열시키기 위한 전극이 연결되는 것을 특징으로 하는 흡착 및 탈착 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 흡입부에 연결된 제1전극과 상기 배출부에 연결된 제2전극에 서로 다른 레벨의 전압이 인가되면,
    상기 다공성 물질이 발열체로서 발열되는 것을 특징으로 하는 흡착 및 탈착 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 물질은,
    니켈 폼(nickel foam)인 것을 특징으로 하는 흡착 및 탈착 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 나노 구조의 흡착 물질은,
    탄소 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 흡착 및 탈착 장치.
  11. 나노 구조의 흡착 물질이 형성된 다공성 물질을 이용하여 유체를 농축하는 방법에 있어서,
    상기 다공성 물질로 상기 유체를 흡입시키는 단계;
    상기 유체에 포함된 물질이 상기 다공성 물질에 흡착되는 단계;
    상기 다공성 물질의 양단에 전압차가 유발되어 상기 다공성 물질이 발열하는 단계; 및
    상기 다공성 물질로부터 흡착된 물질이 배출되는 단계
    를 포함하는 유체 농축 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 다공성 물질은,
    니켈 폼(nickel foam)인 것을 특징으로 하는 유체 농축 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 나노 구조의 흡착 물질은,
    탄소 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 유체 농축 방법.
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