KR20120035656A - 휴대용 가스분석 시스템을 위한 마이크로 전농축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화 폴리머가 표면에 코팅된 다공성 금속 폼으로 이루지는 흡착수단; 상기 흡착수단을 내부에 포함하는 튜브; 및 상기 튜브의 외면에 권선된 열선을 구비하는 가스분석 시스템용 마이크로 전농축기에 관한 것이다.
본 발명은 다공성 금속 폼을 사용하여 흡착수단의 표면적을 극대화하고 압력강하를 최소화할 수 있다. 이러한 다공성 금속 폼을 사용하여 넓은 표면적을 가지므로 분석가스의 높은 농축비를 보이며, 압력강하가 적어 휴대화에 용이하다. 또한 다공성 금속 폼은 열전도성이 우수하므로, 외부 열선을 통한 가열에 의한 분석가스의 신속한 탈착이 가능하다.

Description

휴대용 가스분석 시스템을 위한 마이크로 전농축기{Micropreconcentrator for Portable Gas Analysis System}
본 발명은 가스분석 시스템에 관한 것으로 더 자세하게는 가스분석 시스템ㅇ의 휴대화를 달성하기 위한 마이크로 전농축기에 대한 것이다.
최근, 환경 문제가 큰 관심을 받는 것과 더불어 포름알데히드, 톨루엔 등의 인체 유해가스 모니터링에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 위와 같은 인체유해가스는 대기 상에 극소 농도로 존재하기 때문에 극소 농도의 가스 측정 기술은 실내환경 모니터링에 꼭 필요하다.
현재 사용되는 GC(Gas Chromatography), MS(Mass Spectrometry), FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometry)는 매우 높은 민감도 및 검출한계를 가지지만, 가격이 비싸고 소형화가 쉽지 않은 단점이 있다.(J.J. Johnson, D.A. Goldade, D.J. Kohler, J.L. Cummings, 2000).
또한, 금속산화물 센서를 사용하여 측정할 수 있는데(C. Bulpitt, S.C. Tsang , 2000), 이들 금속산화물 센서는 가격이 싸고 부피가 작은 장점이 있지만, 대기 중의 유해가스를 모니터링하기위해 필요한 민감도 및 검출한계의 수준을 충족시키지 못한다.
휴대용 유해가스 검출기 시스템의 센싱 감도 한계를 보완해주기위해 센서 검출 전 단계에 전농축기를 설치하여 샘플 가스를 농축하여 추후 탈착을 통해 센서 감도를 증가 시킬 수 있다 (Minhee Kim, Somenath Mitra, 2003). 일반적으로 전농축기의 사용시 전농축기의 가스 흡착재료의 특성상 압력강하가 많이 발생하게 되어 샘플가스의 센서 측으로의 이송시 고성능의 펌프를 필요로 한다. 이러한 문제점은 유해가스 검출기의 휴대화, 소형화를 어렵게 만드는 장애 요소이다.
이에, 본 발명은 농축성능 및 압력강하 특성이 우수한 휴대용 가스분석 시스템용 전농축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 탄화 폴리머가 표면에 코팅된 다공성 금속 폼으로 이루지는 흡착수단; 상기 흡착수단을 내부에 포함하는 튜브; 및 상기 튜브의 외면에 권선된 열선을 구비하는 가스분석 시스템용 마이크로 전농축기에 관한 것이다.
상기 탄화 폴리머는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리스타이렌(polystyrene) 또는 폴리프로필렌 (polypropylene)을 탄화시킨 것을 사용할 수 있으며, 상기 다공성 금속 폼은 니켈, 백금 또는 크롬; 및 이들의 합금으로 이루어진 것이 바람직하다. 또한, 상기 튜브는 석영 또는 유리로 이루어진 것을 사용할 수 있다. 상기 열선은 니크롬선인 것을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 튜브는 내부에 온도센서를 구비할 수 있다.
본 발명은 다공성 금속 폼을 사용하여 흡착수단의 표면적을 극대화하고 압력강하를 최소화할 수 있다. 이러한 다공성 금속 폼을 사용하여 넓은 표면적을 가지므로 분석가스의 높은 농축비를 보이며, 압력강하가 적어 휴대화에 용이하다. 또한 다공성 금속 폼은 열전도성이 우수하므로, 외부 열선을 통한 가열에 의한 분석가스의 신속한 탈착이 가능하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예에 따른 전농축기의 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전농축기의 농축비를 측정하기 위한 평가장치이다.
도 3은 시험예 1에 따른 GC측정 신호값에 대한 그래프이다.
도 4는 시험예 2에 따른 압력강하에 대한 그래프이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 기재된 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 전농축기의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 각 도면 중에서 동일 부호는 동일 또는 동등한 구성요소를 나타내고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 가스분석 시스템용 마이크로 전농축기(100)는 탄화 폴리머가 표면에 코팅된 다공성 금속 폼으로 이루지는 흡착수단(120); 상기 흡착수단을 내부에 포함하는 튜브(110); 및 상기 튜브의 외면에 권선된 열선(130)을 구비한다.
일반적으로 가스분석 시스템은 분석가스를 흡입하여 측정부를 거쳐서 다시 바깥으로 배기되는데, 환경관련 유해가스의 측정을 위한 경우에는 분석가스의 농도가 매우 작아서 가스분석 시스템이 측정가능한 범위를 벗어나게 되므로, 전농축기를 사용하여 분석가스를 농축하여 사용한다.
본 발명의 흡착수단(120)은 다공성 금속 폼의 표면에 탄화 폴리머가 코팅된 것을 특징으로 한다. 다공성 금속 폼은 흡착제인 탄화 폴리머의 표면적을 넓게하기 위한 틀의 역할을 하는 것으로, 특별히 그 형태를 한정하는 것은 아니다. 다만 분석가스를 잘 통과시키며 압력강화를 방지하기 위하여 다공성 금속 폼의 기공도는 70 내지 90%인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 흡착제 성분으로 탄화 폴리머를 사용하는 데, 이는 탄화 폴리머의 화학적 및 나노/마이크로 크기의 구조적 특성에 의해 흡착 특성 및 흡착 면적이 높아지므로 흡착효율이 향상되는 것으로 예상된다.
이러한 흡착수단(120)은 준비된 다공성 금속 폼에 폴리머 용액을 침투시킨 후에, 고열에 의하여 탄화시켜 제조할 수 있다.
상기 탄화 폴리머는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리스타이렌 (polystyrene), 폴리프로필렌 (polypropylene) 등을 탄화시킨 것이 바람직하며, 상기 다공성 금속 폼은 니켈, 백금 또는 크롬; 및 이들의 합금 등을 사용할 수 있다. 특히, 이러한 다공성 금속 폼으로는 니켈을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 니켈이 우수한 강도 및 산화와 부식에 강한 특성을 보이기 때문이다.
상기 흡착수단(120)은 분석가스가 흐르는 통로인 튜브(110)에 고정되어 장착된다. 이러한 튜브(110)의 재질은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 석영 또는 유리를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 튜브(110)의 외면에는 열선이 권선되어 감겨있는데, 이러한 열선은 튜브(110)를 가열하여 흡착수단(120)에 흡착되어 농축된 분석가스를 탈착시키는 역할을 한다. 특히, 본 발명의 흡착수단(120)은 다공성 금속 폼을 사용하므로 열전도성이 높아서 농축된 분석가스의 신속한 탈착이 가능케한다.
이러한 열선의 열선의 재질은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 니크롬선을 사용할 수 있다.
또한, 상기 튜브는 온도의 제어를 위해서 내부에 온도센서를 구비할 수 있다. 이러한 온도센서를 통하여 적절한 가열이 가능하다.
본 발명은 다공성 금속 폼을 사용하여 흡착수단의 표면적을 극대화하고 압력강하를 최소화할 수 있다. 이러한 다공성 금속 폼을 사용하여 넓은 표면적을 가지므로 분석가스의 높은 농축비를 보이며, 압력강하가 적어 휴대화에 용이하다. 또한 다공성 금속 폼은 열전도성이 우수하므로, 외부 열선을 통한 가열에 의한 분석가스의 신속한 탈착이 가능하다.
따라서, 본 발명의 전농축기는 기존 인체유해가스 검출 시스템에 대하여 보다 적은 비용으로 휴대화가 가능한 검출 시스템 제작에 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
제조예 1. 금속폼 표면처리
실험에 사용한 금속 폼은 니켈을 재료로 하며, 기공크기(Pore size)는 450 ㎛이며, 기공도(Porosity)는 87%인 것을 준비하였다.
먼저, DMSO(Dimethylsulfoxide)를 용매로 5 중량% PAN(Poly acrylonitrile)용액을 준비하였다. 준비된 용액을 금속 폼에 적하(Dropping) 시킨 후에, 질소가스가 유입되는 노(Furnace)에서 어닐링(Thermal annealing)시켰다.
어닐링시킨 금속 폼을 분당 1 K씩 상승시켜서 573 K에서 한 시간, 1273 K에서 한 시간 정도 열처리하여, 탄화 폴리머가 표면에 코팅된 다공성 금속 폼을 제조하였다.
제조예 2. 마이크로 전농축기 설계 및 제작
도 1의 마이크로 전농측기를 참고하여, 마이크로 전농축기를 튜브 형태로 설계하여 제작하였다.
외경 6 mm, 내경 4 mm의 석영(Quartz)튜브에 제조예 1에서 표면 처리한 금속 폼을 삽입하였다. 튜브 외벽에는 니크롬으로 제작된 열선을 감아서 금속 폼에 열을 가할 수 있는 구조로 제작하였다. 또한, 온도의 제어를 위하여 튜브 안쪽에 온도 센서를 삽입하여, 전농축기를 제조하였다.
시험예 1. 전농축기의 농축비를 측정
도 2와 같이 전농축기의 농축비를 측정하기 위하여 구성한 평가 장치를 구성하였다.
일정한 농도의 측정대상 가스를 발생시킬 수 있는 가스 발생 장치를 구성하여 제작한 전농축기로 분석가스를 공급하였다. 가스 발생장치는 MFC(Mass Flow Controller)가 설치되어 있어, 유량제어가 가능하며 특정가스를 일정 농도로 발생시켜 줄 수 있는 장치가 되어있다.
전농축기의 온도 제어는 Compact-Rio를 이용하고 Labview 프로그램을 사용하여 제어하였다. 전농축기를 통과한 분석가스의 농도는 GC를 이용하여 측정하였다.
전농축기의 농축비를 측정하기 위하여 톨루엔을 가스발생장치를 통하여 유량 200 sccm, 35 ppm의 농도로 발생시켜 전농축기로 유입시켰다. 전농축기에 약 5분간 톨루엔을 흡착시킨 후 전농축기의 온도를 약 473 K 까지 상승시켰다. 온도는 초당 10K 씩 상승시켰다. 온도제어에 약 24 W의 전력이 소비되었다. 전농축기에서 농축된 톨루엔의 농도는 GC를 이용하여 측정하였다. 측정된 신호를 농축시키지 않았을 때의 신호와 비교하여 농축비를 측정하여 도 3에 나타내었다.
도 3에 따르면 실험 결과 금속 폼을 이용한 전농축기를 사용한 경우는 약 5배의 농축비를 보였다.
시험예 2. 압력강하 측정
전농축기의 압력강하를 측정하기 위하여 차압계를 전농축기의 입구와 출구에 연결하였다. 전농축기로 질소를 통과시켜 압력강하를 측정하였다. 질소의 유량을 바꿔가며 압력강하를 측정하여 하기 표 1 및 도 4에 나타내었다.
압력강하 수준을 비교하기 위하여 상용화된 샘플링 튜브(Carbo trap sampling tube)를 사용한 압력강하를 측정하여 도 4와 하기 표 1에 나타내었다.
Flow rate(sccm) 100 200 300 400 500
금속폼 전농축기(Pa) 12 23 68 92 126
금속폼 미사용 전농축기(Pa) 2200 4338 6540 8892 >10000
차압계를 이용하여 전농축기의 압력강하를 측정해본 결과, 100 ~ 500 sccm의 유량에서 12 ~ 126 Pa의 압력강하가 일어나는 것으로 확인되었다. 기존의 상용화된 전농축기인 Carbo trap과 비교해 본 결과 유량별로 적게는 수십 배에서 수백 배 적은 압력강하가 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
100 : 전농축기 110 : 튜브
120 : 흡착수단 130 : 열선

Claims (6)

  1. 탄화 폴리머가 표면에 코팅된 다공성 금속 폼으로 이루지는 흡착수단; 상기 흡착수단을 내부에 포함하는 튜브; 및 상기 튜브의 외면에 권선된 열선을 구비하는 가스분석 시스템용 마이크로 전농축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄화 폴리머는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리스타이렌(polystyrene) 또는 폴리프로필렌 (polypropylene)을 탄화시킨 것을 특징으로 하는 가스분석 시스템용 마이크로 전농축기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 금속 폼은 니켈, 백금 또는 크롬; 및 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스분석 시스템용 마이크로 전농축기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 석영 또는 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스분석 시스템용 마이크로 전농축기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열선은 니크롬선인 것을 특징으로 하는 가스분석 시스템용 마이크로 전농축기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 내부에 온도센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스분석 시스템용 마이크로 전농축기.
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