KR20200052506A - 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예는 프로브 내부로 공급되는 가스 압력을 조절하여 액체시료와의 일정한 초점거리를 유지함으로써 액체의 표면 또는 액체물질 안의 구성 성분을 보다 정확하게 측정할 수 있고, 현장에서 용이하게 분석장치에 설치하여 액체물질의 구성성분을 실시간으로 모니터링할 수 있는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치는 길이방향을 따라 일측에 개구부를 구비한 중공형의 프로브, 프로브 내부에서 레이저가 조사되는 경로에 구비되어 프로브 내부에 유입된 액체시료에 조사되는 레이저를 집광하고 액체시료에서 발생되는 플라즈마 분광을 수광하는 광처리부, 그리고 프로브 내부로 공급되는 가스의 흐름을 조절하여 광처리부와 액체시료까지의 초점거리를 일정하게 유지하는 초점 조절부를 포함한다.

Description

액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치{LASER INDUCED BREAKDOWN SPECTROSCOPY DEVICE FOR LIQUID SAMPLE}
액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치가 제공된다.
레이저 유도 플라즈마 분광법(Laser??Induced Breakdown Spectroscopy)은 레이저 에너지가 측정하고자 하는 물체의 표면에 정확히 초점이 맞추고 항상 동일한 주변환경을 유지해야만 낮은 측정오차를 갖는 특징 때문에 주로 고체나 기체중 입자를 대상으로 측정이 이루어지고 있다. 액체시료의 경우 시료표면의 유동성 그리고 레이저에너지가 전달될 때 발생하는 물질의 되튐 현상 때문에 광학기기의 오염, 작은 신호 발생 등 측정이 어렵다.
따라서, 액체시료의 표면 또는 액체물질 안의 구성 성분을 정확하게 측정할 수 있는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치의 개발이 요구되고 있다.
관련 선행문헌으로, 일본등록특허 1995??078565는 "광섬유 프로브"을 개시하며, 미국공개특허 2009??0262345는 "IMMERSION PROBE FOR LIPS APPARATUSES"을 개시하며, 한국공개특허 2017??0007517는 "레이저 유도 플라즈마 분광 내시경 장치 및 레이저 유도 플라즈마 분광 장치"을 개시한다.
일본등록특허 1995??078565 미국공개특허 2009??0262345 한국공개특허 2017??0007517
본 발명의 한 실시예는 프로브 내부로 공급되는 가스 압력을 조절하여 액체시료와의 일정한 초점거리를 유지함으로써 액체의 표면 또는 액체물질 안의 구성 성분을 보다 정확하게 측정할 수 있고, 현장에서 용이하게 분석장치에 설치하여 액체물질의 구성성분을 실시간으로 모니터링할 수 있는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치는 길이방향을 따라 일측에 개구부를 구비한 중공형의 프로브, 프로브 내부에서 레이저가 조사되는 경로에 구비되어 프로브 내부에 유입된 액체시료에 조사되는 레이저를 집광하고 액체시료에서 발생되는 플라즈마 분광을 수광하는 광처리부, 그리고 프로브 내부로 공급되는 가스의 흐름을 조절하여 광처리부와 액체시료까지의 초점거리를 일정하게 유지하는 초점 조절부를 포함한다.
여기서, 프로브는 관 형상일 수 있다. 프로브는 원형 단면을 구비할 수 있다. 그리고 프로브는 내측에 구비되는 제1 관, 그리고 제1 관과 간격을 두고 외측에 구비되는 제2 관을 포함할 수 있다.
개구부를 통해 액체시료에 조사되는 레이저를 발생하는 레이저 발생부, 프로브의 타측에 구비되며, 일측이 프로브의 내부로 삽입되는 광섬유를 더 포함하며, 레이저 발생부로부터 발생된 레이저는 광섬유로 전달되어 광처리부를 통해 액체시료에 조사될 수 있다.
광처리부는 프로브의 길이방향을 따라 상측에 구비되는 제1 렌즈, 제1 렌즈와 이격되어 제1 렌즈의 하부에 구비되는 제2 렌즈, 그리고 프로브의 하부에 구비되는 윈도우를 포함할 수 있다. 제1 렌즈와 제2 렌즈는 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 윈도우는 석영 윈도우를 포함할 수 있다.
초점 조절부는 프로브에 구비되어 가스의 이동을 안내하는 가스통로, 그리고 가스통로에 구비되어 공급되는 가스의 이동을 단속하는 조절밸브를 포함할 수 있다.
가스통로는 프로브의 길이방향을 따라 상부의 일측에 구비되어 가스의 유입을 안내하는 유입통로, 유입통로에 연결되어 가스의 하향 이동을 안내하는 제1 이동통로, 제1 이동통로와 대응하는 위치에 구비되며, 가스의 상향 이동을 안내하는 제2 이동통로, 그리고 프로브의 길이방향을 따라 상부의 타측에 구비되며, 제2 이동통로에 연결되어 가스의 유출을 안내하는 유출통로를 포함할 수 있다.
프로브는 내부에 가스통로와 연통되는 가스 충진공간을 구비할 수 있다. 광처리부는 가스 충진공간에 구비될 수 있다.
제1 이동통로의 하부는 개구되어 가스 충진공간과 연통될 수 있다. 제2 이동통로의 하부는 개구되어 가스 충진공간과 연통될 수 있다.
조절밸브는 유입통로에 구비되어 가스의 유입량을 조절하는 제1 유량 조절밸브, 그리고 유출통로에 구비되어 가스의 유출량을 조절하는 제2 유량 조절밸브를 포함할 수 있다.
가스는 불활성 가스를 포함할 수 있다.
액체의 표면에 레이저 에너지가 정확하게 초점을 맞출 수 있도록 프로브 내부로 공급되는 가스 압력을 조절하여 액체시료와의 일정한 초점거리를 유지함으로써 액체의 되튐 현상에 의한 오염과 액체시료 표면의 유동성에 의한 측정오차를 감소시킬 수 있다.
또한, 액체의 표면 또는 액체물질 안의 구성 성분을 보다 정확하게 측정할 수 있으며, 현장에서 용이하게 분석장치에 설치하여 액체물질의 구성성분을 실시간으로 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 프로브에 높은 압력이 형성되어 액체시료의 수면이 낮아진 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 프로브에 낮은 압력이 형성되어 액체시료의 수면이 높아진 상태를 도시한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그러면, 본 발명의 한 실시예에 따른 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치를 도시한 도면이며, 도 2는 도 1의 프로브에 높은 압력이 형성되어 액체시료의 수면이 낮아진 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 프로브에 낮은 압력이 형성되어 액체시료의 수면이 높아진 상태를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치는 프로브(10), 광처리부(20), 그리고 초점 조절부를 포함한다. 한편, 개구부를 통해 프로브(10) 내부에 유입된 액체시료(202)에 조사되는 레이저(102)를 발생하는 레이저 발생부, 프로브(10)의 타측에 구비되며, 일측이 프로브(10)의 내부로 삽입되는 광섬유(100)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 광섬유(100)는 광섬유 케이블을 포함할 수 있다. 레이저 발생부로부터 발생된 레이저(102)는 광섬유(100)로 전달되어 광처리부(20)를 통해 액체시료(202)에 조사될 수 있다.
프로브(10)는 길이방향을 따라 일측에 개구부를 구비한 중공형으로 형성할 수 있다. 여기서, 프로브(10)는 관 형상일 수 있다. 프로브(10)는 원형 단면을 구비할 수 있다. 프로브(10)를 단면이 원형인 관형상으로 형성하는 경우, 액체시료(202)의 평행 유입이 가능하고, 프로브(10)의 중심부를 향해 원추형 테이퍼를 이루는 제트류가 방지될 수 있다. 즉, 프로브(10) 내부로 일정한 물질 유동이 되고 분석될 액체시료(202)의 표면에서 비균질이 회피되고, 정확한 분석결과가 얻어질 수 있다. 한편, 프로브(10)는 내측에 구비되는 제1 관(12), 그리고 제1 관(12)과 간격을 두고 외측에 구비되는 제2 관(14)을 포함할 수 있다. 제1 관(12)과 제2 관(14) 사이의 공간에 가스통로가 구비될 수 있다. 또한, 프로브(10)는 내부에 가스통로와 연통되는 가스 충진공간(16)을 구비할 수 있다.
광처리부(20)는 프로브(10) 내부에서 레이저 발생부와 광섬유(100)를 통해 레이저(102)가 조사되는 경로에 구비되어 프로브(10) 내부에 유입된 액체시료(202)에 조사되는 레이저(102)를 집광하고 액체시료(202)에서 발생되는 플라즈마 분광(104)을 수광할 수 있다. 광처리부(20)는 가스 충진공간(16)에 구비될 수 있다. 광처리부(20)는 프로브(10)의 길이방향을 따라 상측에 구비되는 제1 렌즈(22), 제1 렌즈(22)와 이격되어 제1 렌즈(22)의 하부에 구비되는 제2 렌즈(24), 그리고 프로브(10)의 하부에 구비되는 윈도우(26)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈(22)와 제2 렌즈(24)는 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 윈도우(26)는 석영 윈도우를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이 광처리부(20)는 광섬유(100)로부터 액체시료(202)까지 레이저(102)를 전송하고 액체시료(202)까지 전달된 레이저(102)에 의해 발생된 플라즈마 분광(104)을 다시 광섬유(100)로 수광되도록 안내한다. 제1 렌즈(22)와 제2 렌즈(24)는 레이저 발생부에서 발생되어 광섬유(100)를 통해 전달되는 레이저(102)를 액체시료(202)에 집속시킬 수 있다. 제1 렌즈(22)와 제2 렌즈(24)에 의해 액체시료(202)에 집속된 레이저(102)는 액체시료(202)를 타격하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 제1 렌즈(22)와 제2 렌즈(24)에 의해 집속된 레이저(102)에 의해 발생되는 플라즈마 신호는 액체시료(202)를 구성하는 원소의 종류에 따라 다양한 고유의 파장을 갖게 된다.
초점 조절부는 프로브(10) 내부로 공급되는 가스의 흐름을 조절하여 광처리부(20)와 액체시료(202)까지의 초점거리를 일정하게 유지할 수 있다. 광처리부(20)는 고정된 상태이므로 프로브(10) 내부로 유입된 액체시료(202)의 표면 높이가 조절된다. 즉, 초점 조절부는 프로브(10) 내부로 공급되는 가스의 흐름을 조절하여 프로브(10) 내부로 유입된 액체시료(202)의 표면 높이를 조절함으로써 광처리부(20)와 액체시료(202)까지의 초점거리를 일정하게 유지할 수 있다. 초점 조절부는 프로브(10)에 구비되어 가스의 이동을 안내하는 가스통로, 그리고 가스통로에 구비되어 공급되는 가스의 이동을 단속하는 조절밸브를 포함할 수 있다. 가스는 불활성 가스를 포함할 수 있다. 가스는 아르곤 가스를 포함할 수 있다. 높은 표면장력을 가지는 액체시료(202)의 프로브(10) 내부 유입을 안내하기 위해 액체시료(202)의 프로브(10) 내부 유입 중에 불활성 가스를 사용하여 프로브(10) 내부에 부압을 가할 수 있다.
가스통로는 유입통로(31), 제1 이동통로(33), 제2 이동통로(35), 그리고 유출통로(37)를 포함할 수 있다. 유입통로(31)는 프로브(10)의 길이방향을 따라 상부의 일측에 구비되어 가스의 유입을 안내할 수 있다. 제1 이동통로(33)는 유입통로(31)에 연결되어 가스의 하향 이동을 안내할 수 있다. 제1 이동통로(33)의 하부는 개구되어 가스 충진공간(16)과 연통될 수 있다. 제2 이동통로(35)는 제1 이동통로(33)와 대응하는 위치에 구비되며, 가스의 상향 이동을 안내할 수 있다. 제2 이동통로(35)의 하부는 개구되어 가스 충진공간(16)과 연통될 수 있다. 유출통로(37)는 프로브(10)의 길이방향을 따라 상부의 타측에 구비되며, 제2 이동통로(35)에 연결되어 가스의 유출을 안내할 수 있다.
조절밸브는 유입통로(31)에 구비되어 가스의 유입량을 조절하는 제1 유량 조절밸브(38a), 그리고 유출통로(37)에 구비되어 가스의 유출량을 조절하는 제2 유량 조절밸브(38b)를 포함할 수 있다. 제1 유량 조절밸브(38a)와 제2 유량 조절밸브(38b)를 구비함에 따라 가스의 유입량과 가스의 유출량을 각각 조절하여 프로브(10) 내부의 가스 압력을 조절할 수 있다. 또한, 프로브(10) 내부에 기밀을 유지할 수 있다.
상기한 바와 같이 기밀이 유지되는 프로브(10) 내에 레이저 에너지 집광과 분광신호 수광이 가능하도록 광학기기를 포함한 광처리부(20)를 구비하고 액체시료(202)의 표면 뿐만 아니라 액체 내부에 원소 분포도의 측정도 가능하도록 구현할 수 있다. 필요한 경우, 액체시료(202)의 표면과 원소 분포도를 측정하는 측정부를 더 포함할 수 있다.
레이저 유도 플라즈마 분광법에서 조사되는 레이저(102)가 측정하고자 하는 물체의 표면에 정확한 초점을 맞추는 것이 중요한데, 액체의 표면 유동으로 인해 측정오차를 감소시킬 필요가 있다. 특히, 액체시료(202)의 경우 시료표면의 유동성 그리고 레이저(102)가 조사될 때 발생하는 물질의 되튐 현상 때문에 광학기기의 오염 또는 작은 신호 발생 등 측정이 어렵다. 본 발명의 실시예에 따른 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치는 프로브(10) 내에 공급되는 불활성 가스의 압력을 조절하여 광처리부(20)의 렌즈와 액체시료(202)까지의 초점거리를 일정하게 유지할 수 있고 액체시료(202)로부터 되튐 현상을 억제할 수 있다. 따라서, 액체의 표면 또는 액체물질 안의 구성 성분을 보다 정확하게 측정할 수 있으며, 액체의 되튐 현상에 의한 오염과 액체시료(202) 표면의 유동성에 의한 측정오차를 감소시킬 수 있다.
또한, 실제 운영중인 시설이나 장치에서 저장된 액체물질의 구성성분의 변화를 알고자 할 때, 기존의 기술은 샘플채취와 시간이 소요되고 샘플의 대표성 문제가 큰 이슈가 되었다. 본 발명의 실시예에 따른 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치는 실시간으로 현장에서 장치에 설치하여 운영 중에도 액체물질 안에 구성 성분을 측정할 수 있다. 그리고 프로브(10) 내부로 공급되는 가스의 유량을 조절하여 일정한 초점거리를 유지하도록 함으로써 보다 정확한 액체시료(202)의 측정이 가능하다. 따라서, 액체물질의 구성성분을 실시간으로 모니터링 하는 장치로 활용할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 ; 프로브 12 ; 제1 관
14 ; 제2 관 16 ; 가스 충진공간
20 ; 광처리부 22 ; 제1 렌즈
24 ; 제2 렌즈 26 ; 윈도우
31 ; 유입통로 33 ; 제1 이동통로
35 ; 제2 이동통로 37 ; 유출통로
38a ; 제1 유량 조절밸브 38b ; 제2 유량 조절밸브
100 ; 광섬유 102 ; 레이저
104 ; 플라즈마 분광 202 ; 액체시료

Claims (16)

  1. 길이방향을 따라 일측에 개구부를 구비한 중공형의 프로브,
    상기 프로브 내부에서 레이저가 조사되는 경로에 구비되어 상기 프로브 내부에 유입된 액체시료에 조사되는 레이저를 집광하고 상기 액체시료에서 발생되는 플라즈마 분광을 수광하는 광처리부, 그리고
    상기 프로브 내부로 공급되는 가스의 흐름을 조절하여 상기 광처리부와 상기 액체시료까지의 초점거리를 일정하게 유지하는 초점 조절부
    를 포함하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  2. 제1항에서,
    상기 프로브는 관 형상인 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  3. 제2항에서,
    상기 프로브는 원형 단면을 구비하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  4. 제3항에서,
    상기 프로브는
    내측에 구비되는 제1 관, 그리고
    상기 제1 관과 간격을 두고 외측에 구비되는 제2 관을 포함하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  5. 제1항에서,
    상기 개구부를 통해 상기 액체시료에 조사되는 레이저를 발생하는 레이저 발생부, 그리고
    상기 프로브의 타측에 구비되며, 일측이 상기 프로브의 내부로 삽입되는 광섬유를 더 포함하며,
    상기 레이저 발생부로부터 발생된 레이저는 상기 광섬유로 전달되어 상기 광처리부를 통해 상기 액체시료에 조사되는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  6. 제1항에서,
    상기 광처리부는
    상기 프로브의 길이방향을 따라 상측에 구비되는 제1 렌즈,
    상기 제1 렌즈와 이격되어 제1 렌즈의 하부에 구비되는 제2 렌즈, 그리고
    상기 프로브의 하부에 구비되는 윈도우를 포함하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈는 볼록 렌즈를 포함하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  8. 제6항에서,
    상기 윈도우는 석영 윈도우를 포함하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  9. 제1항에서,
    상기 초점 조절부는
    상기 프로브에 구비되어 상기 가스의 이동을 안내하는 가스통로, 그리고
    상기 가스통로에 구비되어 공급되는 가스의 이동을 단속하는 조절밸브를 포함하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  10. 제9항에서,
    상기 가스통로는
    상기 프로브의 길이방향을 따라 상부의 일측에 구비되어 상기 가스의 유입을 안내하는 유입통로,
    상기 유입통로에 연결되어 상기 가스의 하향 이동을 안내하는 제1 이동통로,
    상기 제1 이동통로와 대응하는 위치에 구비되며, 상기 가스의 상향 이동을 안내하는 제2 이동통로, 그리고
    상기 프로브의 길이방향을 따라 상부의 타측에 구비되며, 상기 제2 이동통로에 연결되어 상기 가스의 유출을 안내하는 유출통로
    를 포함하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  11. 제10항에서,
    상기 프로브는 내부에 상기 가스통로와 연통되는 가스 충진공간을 구비하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  12. 제11항에서,
    상기 광처리부는 상기 가스 충진공간에 구비되는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 이동통로의 하부는 개구되어 상기 가스 충진공간과 연통되는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  14. 제13항에서,
    상기 제2 이동통로의 하부는 개구되어 상기 가스 충진공간과 연통되는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  15. 제10항에서,
    상기 조절밸브는
    상기 유입통로에 구비되어 상기 가스의 유입량을 조절하는 제1 유량 조절밸브, 그리고
    상기 유출통로에 구비되어 상기 가스의 유출량을 조절하는 제2 유량 조절밸브
    를 포함하는 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
  16. 제1항에서,
    상기 가스는 불활성 가스인 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치.
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