KR20180100805A - 이온 선별 센서 - Google Patents

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KR20180100805A
KR20180100805A KR1020170027069A KR20170027069A KR20180100805A KR 20180100805 A KR20180100805 A KR 20180100805A KR 1020170027069 A KR1020170027069 A KR 1020170027069A KR 20170027069 A KR20170027069 A KR 20170027069A KR 20180100805 A KR20180100805 A KR 20180100805A
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KR1020170027069A
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박병황
이성만
고성석
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국방과학연구소
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Abstract

제안기술은 이온 선별 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비대칭 파형 전압을 이용하여 특정 이온을 선별함으로써 유해화학물질을 보다 효과적으로 탐지할 수 있는 이온 선별 센서에 관한 발명이다.

Description

이온 선별 센서{Ion sorting sensor}
제안기술은 이온 선별 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비대칭 파형 전압을 이용하여 특정 이온을 선별함으로써 유해화학물질을 보다 효과적으로 탐지할 수 있는 이온 선별 센서에 관한 발명이다.
국제기구에서는 화학 테러 및 군사적인 용도로의 사용방지를 위하여 유해화학물질의 생산, 사용, 유통 등을 관리하고 있으나 사고 발생에 대한 대비/대응 및 예방을 위한 대책 방안이 필요하다.
따라서 공공시설 및 기관 등의 현장에서는 마약이나 폭발물, 화학 작용제(Chemical Warfare Agent s, CWAs), 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 등의 유해화학물질을 실시간으로 모니터링하고, 특정 이온 성분을 선별적으로 탐지할 수 있는 센서가 요구된다.
유해화학물질을 탐지하는 분석 기술로는 액체크로마토그래피(Liquid chromatography, LC), 가스크로마토그래피(Gas chromatography, GC), 화학발광(Chemiluminescence, CL), 이온이동도(Ion mobility spectrometry), 질량분석(Mass spectrometry) 등 그 외 다양한 분광기를 이용하는 방법이 사용되고 있지만, 대기압에서 운용이 가능하며 야외에서도 사용될 수 있는 휴대용 탐지 장비에는 이온이동도 기술이 적합하다.
기존의 이온이동도 기술을 이용한 유해화학물질 탐지 센서는, 대기압 하에서 이동관 내부에 형성된 균일한 전기장을 따라 이동하는 이온화된 분자들이 각각 고유의 이온이동도(K)를 가지며, 이온이동도에 따라 검출전극에 도달하는 시간차가 발생하는 것을 이용하여 대기 중의 혼합 가스를 분리하고 탐지하는 방식이다.
이러한 방식을 이용하는 센서는 이동관 내부에 형성된 균일한 전기장을 따라 이동하는 이온화된 분자들이 갖는 고유의 이온이동도에 따라 이동 속도차이를 이용한 분리를 기반으로 제작되었기 때문에 이동관의 길이가 짧아지면 분리기능이 저하되는 문제가 발생하며, 이온화된 분자들의 이온이동도 값이 서로 같거나 유사할 경우 성분 식별이 어렵기 때문에 센서의 물리적인 크기가 증가할 수밖에 없어 공간의 제약이 발생한다.
또한, 기존의 이온이동도 센서는 양이온 또는 음이온으로 이온화된 분자들을 동시에 탐지할 수 없고, 양이온으로 이온화된 분자를 탐지하기 위한 양이온 탐지모드나 음이온으로 이온화된 분자를 탐지하기 위한 음이온 탐지모드 중 하나를 선택하여 운용해야 하는 문제점이 있다.
또한, 기존의 이온이동도 센서에는 필터 장치가 구성되지 않아 이온화된 분자들 중 특정 이온만을 선별하여 탐지할 수 없기 때문에 이온화된 분자들의 신호가 모두 출력되고 그 양이 많을 경우 단위체(Monomer)뿐만 아니라 2합체(Dimer), 3합체(Trimer)의 신호가 출력되어 이온이동도가 유사한 물질이 혼합되어 있는 경우 Peak 형태로 출력되는 신호를 통해 성분을 식별하기 어려운 문제점이 있었다.
한국 등록특허공보 제10-1110358호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 비대칭 파형 전압을 이용하여 특정 이온 성분을 선택적으로 탐지할 수 있는 센서를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 이온 선별 센서에 히터 전극 및 온도 센서를 구성하여 이온 선별 센서의 온도 제어 및 열전달 효율을 증가시켜 유해화학물질의 흡착을 억제하고 탈착을 촉진시킴으로써 이온 선별 센서의 오염을 방지하고 감도를 향상시키는데 목적이 있다.
또한, 양이온 또는 음이온으로 이온화된 분자를 동시에 탐지하도록 구성하여 이온의 물리적인 이동 공간을 최소화함으로써 생산 단가 및 전력 소비량을 절감하고 소형화 제작을 가능하게 하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이온 선별 센서에 있어서,
직사각형상의 상부 인쇄회로기판과, 상부 인쇄회로기판의 하측에 적층되며 부 인쇄회로기판과 같은 크기의 직사각형상으로 형성되는 하부 인쇄회로기판과, 상부 인쇄회로기판과 하부 인쇄회로기판 사이에 적층되며, 상부 인쇄회로기판과 같은 크기의 직사각형상으로 형성되는 스페이서를 포함하며, 비대칭 파형 전압과 보상전압(Vc)을 동시에 인가하고, 보상전압(Vc)을 제어하여 이온화된 분자의 궤적을 변화시킴으로써 이온화된 분자들을 선별적으로 탐지하는 것을 특징으로 한다.
상부 인쇄회로기판은,
센서 내부로 외부 공기가 유입되는 유입구;
상부 인쇄회로기판의 길이방향으로 유입구와 일정 간격 이격되어 위치하며, 센서 내부 공기가 배출되는 배출구;
유입구와 배출구 사이에 구성되는 제1필터전극;
제1필터전극과 배출구 사이에 구성되는 제1검출전극;
유입구로부터 제1검출전극까지의 측방에 구성되는 제1히터전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하부 인쇄회로기판은,
유입구의 하측에 형성되는 이온화원;
제1필터전극과 마주보도록 위치되는 제2필터전극;
제1검출전극과 마주보도록 위치되는 제2검출전극;
배출구와 마주보도록 위치되는 온도센서;
제1히터전극과 마주보도록 위치되는 제2히터전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
스페이서에는 유입구로부터 배출구까지와 맞닿는 부분에 이온이 이동하는 통로가 되는 이온이동홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이온화원에서 방출되는 에너지는 유입구를 통하여 유입된 외부 공기 중의 분자들과 화학 반응하여 양이온 또는 음이온의 반응이온을 생성시키는 것을 특징으로 한다.
반응이온은 외부 공기에 포함된 중성의 유해물질과 화학 반응하여 유해물질을 양이온 또는 음이온으로 이온화시키는 것을 특징으로 한다.
유해물질이 이온화되어 발생된 이온화된 분자는 제1필터전극과 제2필터전극에 인가되는 비대칭 파형 전압에 의해 지그재그 방향의 이동 행로를 갖는 것을 특징으로 한다.
제1필터전극에 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극이 인가되면, 제2필터전극에는 양극 또는 음극 중 다른 하나의 전극이 인가되는 것을 특징으로 한다.
제1필터전극에 인가되는 전극과 제2필터전압에 인가되는 전극은 서로 교차 적용되는 것을 특징으로 한다.
이온화된 분자는 제1필터전극과 제2필터전극에 인가되는 보상전압(Vc) 크기 제어에 의해 이동 궤적이 변화되는 것을 특징으로 한다.
제1, 제2필터전극에 일정 크기의 보상전압(Vc)이 인가되었을 때, 이온화된 분자 중 센싱하고자 하는 특정 이온분자가 아닌 불특정 이온분자는 제1, 제2필터전극과 충돌하여 중성분자로 전환되는 것을 특징으로 한다.
이온화된 분자 중 센싱하고자 하는 특정 이온분자는 보상전압에 의해 이동 궤적이 변화되지 않아, 제1, 제2필터전극 사이를 지나 제1, 제2검출전극 사이로 이동하는 것을 특징으로 한다.
제1검출전극에서 특정 이온분자에 포함된 양이온 또는 음이온 중 어느 하나의 이온을 탐지하면, 제2검출전극에서는 특정 이온분자에 포함된 양이온 또는 음이온 중 다른 하나의 이온을 탐지하는 것을 특징으로 한다.
제1검출전극과 제2검출전극에서의 탐지는 동시에 진행되는 것을 특징으로 한다.
제1검출전극과 제2검출전극은 이온 탐지 시 마다 전류를 출력하는 것을 특징으로 한다.
특정 이온분자는 제1검출전극 또는 제2검출전극에 충돌되어 중성분자로 전환되는 것을 특징으로 한다.
온도센서는 배출구를 통해 배출되는 공기의 온도를 측정하여 제어부로 송출하는 것을 특징으로 한다.
제1히터전극은 제어부로부터 출력되는 전압에 따라 스페이서 및 상부 인쇄회로기판의 온도를 균일하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
제2히터전극은 제어부로부터 출력되는 전압에 따라 스페이서 및 하부 인쇄회로기판의 온도를 균일하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
이온화원에서는 Ni-63 동위원소, 코로나 방전, 유전체 장벽 방전 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 한다.
중성분자는 유입구를 통하여 주입된 운반가스에 의해 배출구 측으로 이동되어 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 서로 평행하도록 위치하는 두 개의 필터 전극에 비대칭 파형 전압과 보상전압(Vc)을 동시에 인가하고 상기 보상전압(Vc)을 제어하여 이온화된 분자의 궤적을 변화시킴으로써 이온화된 분자들 중 특정 이온만을 선별하여 탐지할 수 있기 때문에 유사한 이온이동도(K)를 갖는 다른 이온의 신호를 잘못 식별하여 잘못된 경보를 발령하는 오경보율을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 두 개의 필터 전극에 비대칭 파형의 전압을 인가함으로써 각 이온의 행로를 지그재그 방향으로 크게 변화시켜 짧은 이동통로에서도 향상된 이온 선별 성능을 제공할 수 있어 이온 선별 센서의 소형화 제작이 가능한 효과가 있다.
또한, 양이온 또는 음이온으로 이온화된 분자를 동시에 탐지함으로써 별도의 센서를 추가 설치하지 않아도 작은 에너지로 많은 시료를 동시에 분석할 수 있어 생산 단가 및 전력 소모량이 절감되는 효과가 있다.
또한, 이온 선별 센서에 히터 전극 및 온도 센서를 구성하여 이온 선별 센서의 온도 제어 및 열전달 효율을 증가시켜 유해화학물질의 흡착을 억제하고 탈착을 촉진시킴으로써 이온 선별 센서의 오염을 방지하고 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이온 선별 센서의 단면도 및 센서 내 이온 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 상부 인쇄회로기판 상면도.
도 3은 본 발명에 따른 스페이서 상면도.
도 4는 본 발명에 따른 하부 인쇄회로기판 상면도.
도 5는 본 발명에 따른 두 개의 필터 전극에 인가되는 비대칭 파형 전압과 보상전압의 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 보상전압의 세기에 따라 달라지는 이온의 이동 궤적 예시 도면.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이온 선별 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비대칭 파형의 전압을 이용하여 특정 이온을 선별함으로써 유해화학물질을 보다 효과적으로 탐지할 수 있는 이온 선별 센서에 관한 발명이다.
도 1은 본 발명에 따른 이온 선별 센서의 단면도 및 센서 내 이온 흐름도를 도시하고 있고, 도 2는 본 발명에 따른 상부 인쇄회로기판 상면도를 도시하고 있으며, 도 3은 본 발명에 따른 스페이서 상면도를 도시하고 있고, 도 4는 본 발명에 따른 하부 인쇄회로기판 상면도를 도시하고 있으며, 도 5는 본 발명에 따른 두 개의 필터 전극에 인가되는 비대칭 파형 전압과 보상전압의 개념도를 도시하고 있고, 도 6은 본 발명에 따른 보상전압의 세기에 따라 달라지는 이온의 이동 궤적 예시 도면을 도시하고 있다.
공기 중에 포함된 유해화학물질을 선별적으로 탐지하기 위한 본 발명의 이온 선별 센서는, 직사각형상의 상부 인쇄회로기판(2)과, 상기 상부 인쇄회로기판(2)의 하측에 적층되며 상기 상부 인쇄회로기판(2)과 같은 크기의 직사각형상으로 형성되는 하부 인쇄회로기판(14), 상기 상부 인쇄회로기판(2)과 상기 하부 인쇄회로기판(14) 사이에 적층되며 상기 상부 인쇄회로기판(2)과 같은 크기의 직사각형상으로 형성되는 스페이서(26)를 포함하여 구성된다.
상기 상부 인쇄회로기판(2)과 상기 하부 인쇄회로기판(14)과 상기 스페이서(26)는 둘레부의 위치가 서로 일치하도록 적층된다.
상기 상부 인쇄회로기판(2)은, 상기 이온 선별 센서 내부로 외부 공기가 유입되는 유입구(4)와, 상기 상부 인쇄회로기판(2)의 길이방향으로 상기 유입구(4)와 일정 간격 이격되어 위치하며 상기 이온 선별 센서 내부의 공기가 배출되는 배출구(6)와, 상기 유입구(4)와 상기 배출구(6) 사이에 구성되는 일정 길이의 제1필터전극(8)과, 상기 제1필터전극(8)과 상기 배출구(6) 사이에 구성되는 제1검출전극(10)과, 상기 상부 인쇄회로기판(2)에 일체로 형성되며 상기 유입구(4)로부터 상기 제1검출전극(10)까지의 측방에 패턴구조로 구성되는 제1히터전극(12)을 포함하여 구성된다.
상기 하부 인쇄회로기판(14)은, 상기 유입구(4)의 하측에 형성되는 이온화원(16)과, 상기 제1필터전극(8)과 마주보도록 위치되는 제2필터전극(18)과, 상기 제1검출전극(10)과 마주보도록 위치되는 제2검출전극(20)과, 상기 배출구(6)와 마주보도록 위치되는 온도센서(24)와, 상기 제1히터전극(12)과 마주보도록 위치되는 제2히터전극(22)을 포함하여 구성된다.
상기 제1필터전극(8)과 상기 제2필터전극(18), 상기 제1검출전극(10)과 상기 제2검출전극(20), 상기 제1히터전극(12)과 상기 제2히터전극(22)은 각각 서로 같은 형상 및 구조인 것으로, 상기 상부 인쇄회로기판(2)과 상기 하부 인쇄회로기판(14)에 구성되는 점에서만 구별된다.
상기 제1필터전극(8), 상기 제1검출전극(10) 및 상기 제1히터전극(12)은 상기 상부 인쇄회로기판(2)의 하면에 구성되고, 상기 이온화원(16), 상기 제2필터전극(18), 상기 제2검출전극(20), 상기 제2히터전극(22) 및 상기 온도센서(24)는 상기 하부 인쇄회로기판(14)의 상면에 형성된다.
상기 스페이서(26)에는 상기 스페이서(26)의 길이방향으로 일정길이의 이온이동홀(28)이 형성된다.
상기 스페이서(26)가 상기 상부 인쇄회로기판(2)과 상기 하부 인쇄회로기판 (14)사이에 적층되었을 때 상기 이온이동홀(28)은 상기 유입구(4)로부터 상기 배출구(6)까지와 맞닿는 부분에 형성된다. 상기 이온이동홀(28)은 상기 스페이서(26)의 상면과 하면을 관통하여 형성되는 것으로, 상기 이온이동홀(28)은 상기 유입구(4)로부터 상기 이온 선별 센서 내부로 유입되는 외부 공기에 포함된 분자(M)들이 상기 배출구(6)를 향하여 이동하는 이동통로가 된다.
상기 이온이동홀(28)에 의해 상기 유입구(4)와 상기 이온화원(16), 상기 제1필터전극(8)과 상기 제2필터전극(18), 상기 제1검출전극(10)과 상기 제2검출전극(20), 상기 온도센서(24)와 상기 배출구(6)가 각각 서로 마주볼 수 있게 된다.
상기 유입구(4)와 상기 이온화원(16)가 마주보도록 위치됨으로써 상기 유입구(4)로 유입되는 분자(M)들의 이온화 반응을 최대로 촉진할 수 있게 된다.
상기 이온화원(16)에서는 상기 유입구(4)로부터 유입된 외부 공기 중의 분자(M)들을 화학반응 시키게 된다.
중성의 유해물질이 포함된 외부 공기 중의 분자(M)들이 상기 유입구(4)를 통해 이온 선별 센서 내부로 유입되면 상기 이온화원(16)에서는 Ni-63 동위원소, 코로나 방전, 유전체 장벽 방전 중 어느 하나의 방법으로 에너지(E)를 방출하게 되고, 상기 외부 공기 중의 분자(M)들 중 공기 분자들은 상기 에너지(E)와 단계적으로 반응하여 양이온 또는 음이온의 반응이온을 생성시키게 된다. 상기 반응이온은 상기 외부 공기 중의 분자(M)들 중 상기 중성의 유해물질 분자들과 화학 반응하여, 상기 중성의 유해물질 분자들을 양이온 또는 음이온으로 이온화시키게 된다.
양이온 또는 음이온으로 이온화된 분자(I)들은 전기장이 형성되었을 때 전기장 흐름 방향을 따라 이동하며 이동속도는 이온들이 갖는 고유한 이동도(K)와 전기장 세기에 따라 달라진다. 이때 이온이동도는 기본적으로 이온의 질량, 전하, 충돌 단면적의 영향을 받아서 이온들마다 특징적인 값을 가지며 일정한 자기장 세기 내에서는 이온들의 특징적인 이온이동도에 따른 이동속도 차이가 발생한다.
또한, 이온이동도는 일정 세기 이하의 낮은 전기장 조건에서는 일정 범위 내의 전기장 세기 변화에도 일정한 상수 값을 갖기 때문에 이온들의 특징적인 이온이동도에 따른 이동속도 차이를 이동하면 혼합 기체 성분을 분리 및 식별해낼 수 있게 되고, 일정 세기 이상의 높은 전기장 조건에서는 전기장의 세기의 변화에 따라 이온들의 특성에 따른 이온이동도가 특이적으로 변화하기 때문에 양극과 음극이 교차 적용되는 비대칭 파형 전기장을 인가하는 방식으로 전기장 세기를 제어하면 특정 성분의 이온들만 선택적으로 탐지할 수 있게 된다.
즉, 일정 세기 이하의 낮은 전기장 조건에서는 이온들마다 갖는 특징적인 이온이동도에 의해 전기장 방향을 따라 이동하는 기체상 이온들마다 이동속도가 달라서 이온이 이동하는 거리가 길어질수록 이온 분리가 잘 이루어지고, 각 이온들이 갖는 이온이동도에 의한 이동속도를 기준으로 같은 거리를 이동하는데 소요되는 시간은 항상 동일하기 때문에 검출전극에 도달하는 시간을 측정함으로써 어떠한 이온이 탐지되었는지 확인 할 수 있게 된다. 또한, 일정 세기 이상의 높은 전기장 조건에서는 이온들마다 갖는 특징적인 이온이동도가 전기장 세기 변화에 따라 특이적으로 변화하는 현상이 나타나는데 높은 전기장 세기를 양극과 음극으로 교차 적용하여 이온이 지그재그 방향으로 이동하게 하는 방식으로 특정 이온만 검출전극에 도달할 수 있도록 전기장 세기를 제어함으로써 특정 이온만을 선택적으로 탐지할 수 있게 된다.
상기와 같은 방법으로 이온을 탐지하기 위해 상기 제1, 제2필터전극(8, 18)에는 비대칭 파형 전압(30)과 보상전압(Vc)(32)이 서로 중첩되어 동시에 인가된다.
상기 제1필터전극(8)에 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극이 인가되면, 상기 제2필터전극(18)에는 양극 또는 음극 중 다른 하나의 전극이 인가되고, 상기 제1필터전극(8)에 인가되는 전극과 상기 제2필터전극(18)에 인가되는 전극이 서로 교차되어 적용됨으로써, 상기 유해물질 분자들이 이온화되어 발생된 이온화된 분자는(I) 상기 제1필터전극(8)과 상기 제2필터전극(18)에 인가되는 상기 비대칭 파형 전압(30)에 의해 지그재그 방향의 이동 행로를 갖게 된다.
상기 이온화된 분자(I)가 지그재그방향으로 상기 제1필터전극(8)과 상기 제2필터전극(18) 사이의 상기 이온이동홀(28)을 이동할 때, 상기 제1필터전극(8)과 상기 제2필터전극(18)에 보상전압(Vc)(32)을 인가하고, 상기 보상전압(Vc)(32)의 세기를 약 수 헤르츠(Hz)의 주기로 + 수십 볼트 ~ - 수십 볼트까지 제어하면서 인가하면 상기 이온화된 분자(I)의 이동 궤적 방향이 변하게 된다.
상기 제1필터전극(8)과 제2필터전극(18)에 일정 크기의 상기 보상전압(Vc)이 인가되었을 때, 상기 이온화된 분자(I) 중 센싱하고자 하는 특정 이온분자가 아닌 불특정 이온분자는 상기 검출전극(10, 20)을 향하여 직선방향으로 이동하지 못하고 이동 궤적이 변화되어 상기 제1필터전극(8)과 제2필터전극(18)과 충돌 후 중성분자로 전환되어진다.
상기 제1필터전극(8)과 제2필터전극(18)에 일정 크기의 상기 보상전압(Vc)이 인가되었을 때, 상기 이온화된 분자(I) 중 센싱하고자 하는 특정 이온분자는 상기 보상전압(Vc)에 의해 이동궤적이 변화되지 않으므로 상기 제1필터전극(8)과 상기 제2필터전극(18) 사이를 직선방향으로 이동하여 상기 제1검출전극(10)과 상기 제2검출전극(20)을 향해 이동하게 된다.
상기 제1검출전극(10)과 상기 제2검출전극(20)은 상기 제1, 제2필터전극(8, 18) 사이를 통과한 특정 이온분자를 탐지하는 것으로, 상기 제1검출전극(10)에서 상기 특정 이온분자에 포함된 양이온 또는 음이온 중 어느 하나의 이온을 탐지하면, 동시에 상기 제2검출전극(20)에서는 상기 특정 이온분자에 포함된 양이온 또는 음이온 중 다른 하나의 이온을 탐지하게 되고, 상기 제1검출전극(10)과 상기 제2검출전극(20)은 이온 탐지 시 마다 전류를 출력하게 된다.
기본적으로 유해물질의 존재여부는 출력 신호를 바탕으로 구축되는 데이터베이스를 통해 판단되는데, 상기 제1, 제2필터전극(8, 18)에 상기 특정 이온분자가 검출되는 보상전압(Vc)을 인가하였을 때, 상기 제1, 2검출전극(10, 20)에서 출력 신호가 발생되면 외부 공기 중에 유해 물질이 섞여있다고 판단된다.
상기 특정 이온분자는 상기 제1,2검출전극(10, 20)과 충돌하여 출력 신호를 발생시킨 후 중성분자로 전환된다.
도 6은 상기 이온화된 분자(I)들 중 어느 한 가지의 이온화된 분자(I)를 기준으로 상기 보상전압(Vc)을 -5V, -2.2V, 0V, 5V로 변화시켰을 때의 상기 이온화된 분자(I)의 이동 궤적 방향 변화를 도시하고 있다.
상기 보상전압(Vc)을 -5V로 인가하였을 때는 상기 이온화된 분자(I)가 제1필터전극(8)에 충돌하여 중성분자로 전환되지만 -2.2V로 인가했을 때는 두 개의 필터전극(8, 18) 사이를 원활하게 이동할 수 있게 된다. 하지만 다시 상기 보상전압(Vc)을 0V 또는 5V로 높여 인가하게 되면 상기 제2필터전극(18)에 충돌하여 중성분자로 전환되도록 이동 궤적이 변환된다.
따라서, 상기 보상전압(Vc)을 -2.2V로 인가했을 때만 상기 이온화된 분자(I)가 상기 제1, 제2필터전극(8, 18) 사이를 지나 상기 제1, 제2검출전극(10, 20) 사이로 이동하여 검출 신호가 출력된다.
즉, 동일한 크기의 보상전압(Vc) 조건에서 상기 이온화된 분자(I)의 성분(종류)마다 이동 궤적이 제각기 다르기 때문에 임의의 크기의 보상전압(Vc)을 일정하게 인가했을 때 상기 제1필터전극(8) 또는 상기 제2필터전극(18)에 충돌 후 중성분자로 변환되어 상기 제1, 제2검출전극(10, 20)까지 도달하지 못하는 불특정 이온분자들이 있는 반면, 상기 제1필터전극(8)과 상기 제2필터전극(18) 사이를 원활하게 이동하여 상기 제1, 제2검출전극(10, 20)에 도달함으로써 검출 신호를 생성한 후 중성분자로 변환되는 특정 이온분자가 존재할 수 있다.
상기와 같이 보상전압(Vc)을 제어하여 이온화된 분자(I)들의 이동 궤적을 변화시킴으로써 이온화된 분자(I)들을 선별적으로 탐지할 수 있는 것이다.
상기 불특정 이온분자가 상기 제1,제2필터전극(8, 18)에 충돌하여 발생되는 중성 분자와 상기 특정 이온분자가 상기 제1,2검출전극(10, 20)과 충돌하여 발생되는 중성 분자는 외부에서 상기 유입구(4)를 통하여 상기 이온 선별 센서 내부로 유입되는 운반가스(carrier gas)에 의해 상기 배출구(6) 측으로 밀려 상기 배출구(6)를 통해 배출된다.
상기 온도센서(24)에서는 상기 배출구(6)를 통해 배출되는 공기의 온도를 측정하여 제어부(미도시)로 송출하고, 상기 제어부에서는 상기 온도센서(24)로부터 받은 정보에 따라 상기 제1히터전극(12)에 전압을 출력하여 상기 스페이서(26) 및 상기 상부 인쇄회로기판(2)의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 한다. 또한, 상기 제어부에서는 상기 제2히터전극(22)에도 전압을 출력하여 상기 스페이서(26) 및 상기 하부 인쇄회로기판(14)의 온도를 균일하게 유지할 수 있도록 한다.
상기 제1, 제2히터전극(12, 22)은 각각 상기 상부 인쇄회로기판(2) 및 상기 하부 인쇄회로기판(14)과 일체화되어 제작되기 때문에 열전달 효율이 증가함으로써 이온화된 분자(I)의 흡착이 억제되고 탈착이 촉진되어 상기 이온 선별 센서가 오염되지 않고 감도가 향상될 수 있도록 한다.
본 발명의 이온 선별 센서는 이온화된 분자(I)들 중 특정 이온분자 만을 선별하여 탐지할 수 있기 때문에 유사한 이온이동도(K)를 갖는 다른 이온의 신호를 잘못 식별하여 잘못된 경보를 발령하는 오경보율을 낮출 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2필터전극(8, 18)에 비대칭 파형 전압(30)을 인가함으로써 이온화된 분자(I)의 행로를 지그재그방향으로 변화시키며, 보상전압(32)을 인가함으로써 상기 이온화된 분자(I)의 이동 궤적을 변화시키기 때문에 짧은 이동 통로에서도 향상된 이온 선별 성능을 제공할 수 있어 이온 선별 센서의 소형화 제작이 가능하다.
또한, 양이온과 음이온을 동시에 탐지함으로써 별도의 센서를 추가 설치하지 않아도 작은 에너지로 많은 시료를 동시에 분석 할 수 있어 생산 단가 및 전력 소모량이 절감된다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
2 : 상부 인쇄회로기판
4 : 유입구
6 : 배출구
8 : 제1필터전극
10 : 제1검출전극
12 : 제1히터전극
14 : 하부 인쇄회로기판
16 : 이온화원
18 : 제2필터전극
20 : 제2검출전극
22 : 제2히터전극
24 : 온도센서
26 : 스페이서
28 : 이온이동홀
30 : 비대칭 파형 전압
32 : 보상전압(Vc)
M : 외부 공기 중의 분자
E : 에너지
I : 이온화된 분자

Claims (21)

  1. 공기 중에 포함된 유해화학물질을 선별적으로 탐지하기 위한 이온 선별 센서에 있어서,
    직사각형상의 상부 인쇄회로기판;
    상기 상부 인쇄회로기판의 하측에 적층되며, 상기 상부 인쇄회로기판과 같은 크기의 직사각형상으로 형성되는 하부 인쇄회로기판;
    상기 상부 인쇄회로기판과 상기 하부 인쇄회로기판 사이에 적층되며, 상기 상부 인쇄회로기판과 같은 크기의 직사각형상으로 형성되는 스페이서;를 포함하며,
    비대칭 파형 전압과 보상전압(Vc)을 동시에 인가하고, 보상전압(Vc)을 제어하여 이온화된 분자의 궤적을 변화시킴으로써 이온화된 분자들을 선별적으로 탐지하는 것
    을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 인쇄회로기판은,
    센서 내부로 외부 공기가 유입되는 유입구;
    상기 상부 인쇄회로기판의 길이방향으로 상기 유입구와 일정 간격 이격되어 위치하며, 센서 내부 공기가 배출되는 배출구;
    상기 유입구와 상기 배출구 사이에 구성되는 제1필터전극;
    상기 제1필터전극과 상기 배출구 사이에 구성되는 제1검출전극;
    상기 유입구로부터 상기 제1검출전극까지의 측방에 구성되는 제1히터전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하부 인쇄회로기판은,
    상기 유입구의 하측에 형성되는 이온화원;
    상기 제1필터전극과 마주보도록 위치되는 제2필터전극;
    상기 제1검출전극과 마주보도록 위치되는 제2검출전극;
    상기 배출구와 마주보도록 위치되는 온도센서;
    상기 제1히터전극과 마주보도록 위치되는 제2히터전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스페이서에는 상기 유입구로부터 상기 배출구까지와 맞닿는 부분에 이온이 이동하는 통로가 되는 이온이동홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 이온화원에서 방출되는 에너지는 상기 유입구를 통하여 유입된 외부 공기 중의 분자들과 화학 반응하여 양이온 또는 음이온의 반응이온을 생성시키는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반응이온은 상기 외부 공기에 포함된 중성의 유해물질과 화학 반응하여 상기 유해물질을 양이온 또는 음이온으로 이온화시키는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유해물질이 이온화되어 발생된 이온화된 분자는 상기 제1필터전극과 상기 제2필터전극에 인가되는 상기 비대칭 파형 전압에 의해 지그재그 방향의 이동 행로를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1필터전극에 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극이 인가되면, 상기 제2필터전극에는 양극 또는 음극 중 다른 하나의 전극이 인가되는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1필터전극에 인가되는 전극과 상기 제2필터전극에 인가되는 전극은 서로 교차 적용되는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 이온화된 분자는 상기 제1필터전극과 상기 제2필터전극에 인가되는 보상전압(Vc) 크기 제어에 의해 이동 궤적이 변화되는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1, 제2필터전극에 일정 크기의 상기 보상전압(Vc)이 인가되었을 때, 상기 이온화된 분자 중 센싱하고자 하는 특정 이온분자가 아닌 불특정 이온분자는 상기 제1, 제2필터전극과 충돌하여 중성분자로 전환되는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이온화된 분자 중 센싱하고자 하는 특정 이온분자는 상기 보상전압에 의해 이동 궤적이 변화되지 않아, 상기 제1, 제2필터전극 사이를 지나 상기 제1, 제2검출전극 사이로 이동하는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1검출전극에서 상기 특정 이온분자에 포함된 양이온 또는 음이온 중 어느 하나의 이온을 탐지하면, 상기 제2검출전극에서는 상기 특정 이온분자에 포함된 양이온 또는 음이온 중 다른 하나의 이온을 탐지하는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1검출전극과 상기 제2검출전극에서의 탐지는 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1검출전극과 상기 제2검출전극은 이온 탐지 시 마다 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 특정 이온분자는 상기 제1검출전극 또는 제2검출전극에 충돌되어 중성분자로 전환되는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  17. 제3항에 있어서,
    상기 온도센서는 상기 배출구를 통해 배출되는 공기의 온도를 측정하여 제어부로 송출하는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1히터전극은 상기 제어부로부터 출력되는 전압에 따라 상기 스페이서 및 상기 상부 인쇄회로기판의 온도를 균일하게 유지하는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제2히터전극은 상기 제어부로부터 출력되는 전압에 따라 상기 스페이서 및 상기 하부 인쇄회로기판의 온도를 균일하게 유지하는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  20. 제3항에 있어서,
    상기 이온화원에서는 Ni-63 동위원소, 코로나 방전, 유전체 장벽 방전 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.
  21. 제11항 또는 제16항에 있어서,
    상기 중성분자는 상기 유입구를 통하여 주입된 운반가스에 의해 상기 배출구 측으로 이동되어 상기 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 이온 선별 센서.

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