KR20200086555A

KR20200086555A - 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법

Info

Publication number: KR20200086555A
Application number: KR1020190002906A
Authority: KR
Inventors: 박한오; 김태만; 김재하
Original assignee: (주)바이오니아
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2020-07-17
Also published as: CN113286996A; EP3910313A1; JP2022516345A; EP3910313A4; WO2020145563A1; KR102156728B1; US20220065759A1

Abstract

본 발명에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브, 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법은 시료농축튜브를 빠른 속도로 균일하게 탈착 목표온도로 가열하여 정밀한 온도제어가 가능하며, 튜브 내 흡착제의 국부적인 온도차를 극소화함으로써 흡착제 어느 부위에서나 거의 동시에 흡착된 시료를 탈착시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 과열로 인한 흡착제의 열변성을 방지하여 화학적 노이즈를 최소화할 수 있고 재현성이 뛰어난 장점이 있을 뿐만 아니라, 저렴하고 경제적이며, 에너지 효율이 우수한 효과가 있다.

Description

내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법{Surface Heater-bonded sample concentration tube, analyzing apparatus including the same and analysis method using the same}

본 발명은 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법에 관한 것이다.

공기 중의 기체 시료를 측정하는 방법은 일반적으로 가스크로마토그래피(Gas chromatography, GC), 질량분석기(Mass spectrometer, MS) 등의 분석 장비가 많이 사용되고 있으나, 극미량의 가스의 경우 검출기의 검출 한계 때문에 측정이 어려운 문제가 있다.

따라서 검출기 센서 자체의 감도 향상을 위한 다양한 연구가 진행되었다. 그러나 일정 수준 이상의 민감도는 외란에도 쉽게 영향을 받음에 따라 노이즈 증가를 피할 수 없다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 가스 크로마토그래피, 이온 이동성 분광계(ion mobility spectrometry) 등과 같은 고감도 분석 장치에서는 저농도의 시료를 고농도로 농축시키기 위한 시료농축장치가 사용된다.

구체적으로, 시료농축장치는 콜드트랩(Cold trap)법과, 흡착제를 이용한 방법이 사용된다. 콜드트랩법은 농축관을 저온으로 냉각시켜 가스 시료를 응축하여 모은 후 다시 온도를 높여 가스 형태로 기화하는 방법이며, 흡착제를 이용한 방법은 상온 또는 그 이하의 온도에서 휘발성 물질을 흡착제에 흡착시키고 이를 고온으로 가열하여 탈착시키는 방법이다.

흡착제를 이용하는 시료농축장치에서, 시료 흡착을 위한 흡착제의 열손상을 방지하기 위해서는 탈착온도로 빠르고 균일하고 정확하고 올릴 수 있어야 이상적이다. 검출하고자 하는 시료가 극미량일수록 흡착/탈착 특성에 의해 검출여부가 결정되기 때문에 상기와 같은 높은 성능이 요구된다. 특히 효율적인 분석을 위해서는 짧은 열탈착 시간 및 높은 승온 속도가 필요하지만, 과열에 의해 흡착제에 가해지는 열충격에 의해 흡착제가 변성되는 문제를 방지해야 한다. 예를 들어 흡착제에 너무 높은 열이 가해질 경우, 흡착제나 흡착 물질이 변성되어 흡착된 물질의 분석을 제대로 수행할 수 없게 된다.

종래의 시료농축장치들은 시료가 수용되는 관의 외면에 열선이 권취된 구조로 개발되었으며, 시료의 탈착을 위한 가열 시 열선은 선팽창하여 튜브와의 밀착성이 떨어지므로, 실제 시료 온도의 정밀한 제어가 어렵고 효율적으로 농축튜브에 열을 전달하는 데에 한계가 있었다.

KR10-1814964B1 (2017.12.27)

본 발명의 목적은 시료 흡착제의 탈착 온도로 빠르고 정확하게 온도를 올릴 수 있는 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 튜브의 내면부에서 튜브의 중심부에 이르기까지 흡착제가 어느 부분에 위치하더라도 튜브의 외면부로부터 열에너지가 효과적으로 전달될 수 있음에 따라 튜브 내에 구비되는 다수의 흡착제의 온도차를 극소화함으로써, 시료 흡착제에 균일한 온도를 인가할 수 있는 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브, 그리고 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 흡착제를 탈착 목표온도로 정밀하게 제어하여, 흡착된 시료와 흡착제의 열적 변성을 방지하여 화학적 노이즈를 최소화할 수 있는 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 정밀한 온도 제어가 가능하면서도 신속한 가열이 가능하며, 재현성이 우수한 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 저렴하고 경제적이며, 에너지 효율이 우수한 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브는, 휘발성 물질이 흡착되는 흡착제가 충진되도록 하는 내부 구조를 갖는 튜브; 상기 튜브의 외주면에 접착되는 내열성 면상발열체를 포함하는 발열층; 및 상기 발열층의 외주면에 형성되는 전극층;을 포함한다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 튜브는 전기절연성 재질이거나, 발열층이 형성되는 튜브의 외주면이 전기절연층을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 튜브는 내주면부 및 외주면부를 포함하는 관형 구조를 가지고, 상기 내주면부는 금속 재질이며, 상기 외주면부는 상기 내주면부가 양극산화되어 금속산화물로 형성되는 전기절연층을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 시료농축튜브는 상기 튜브의 개방부에 형성되되, 다수의 공극이 형성된 내열성의 기체 투과성 밀폐부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 발열층은 상기 튜브의 외주면을 감싸는 관형으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전극층은 상기 발열층의 외주면을 감싸는 관형으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전극층은 제1 전극층 및 제2 전극층을 포함할 수 있고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 상기 발열층의 양단부에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 면상발열체는 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브-금속 복합체를 포함할 수 있으며, 이때 상기 금속은 은, 백금, 금, 구리, 니켈, 철, 및 코발트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 발열층은 면저항이 2 내지 15 Ω/sq일 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 발열층의 평균두께는 20 내지 100 ㎛일 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 시료농축튜브는 상기 튜브의 외주면 상 또는 내주면 상에 구비되는 온도 측정부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 튜브의 내주면 상에 공기 중의 휘발성 물질이 흡착 및 농축되되도록 하는 흡착제가 구비될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 상기 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브를 사용하는 휘발성 물질 분석 장치를 포함한다.

본 발명의 일 예에 따른 휘발성 물질 분석 장치는, 튜브의 외주면 상 또는 내주면 상에 구비되는 온도 측정부를 포함하는 상기 시료농축튜브; 상기 시료농축튜브로부터 시료가 유입되는 검출부; 및 상기 온도 측정부로부터 상기 튜브 내부의 온도에 대한 측정값을 수신하고 상기 측정값을 기 설정값과 비교하여 전극층에 인가되는 전압을 조절하는 제어부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 휘발성 물질 분석 방법은, s1) 농축하고자 하는 시료에 적합한 흡착제가 상기 튜브의 내부에 수용되는 단계; s2) 다수의 공극이 형성된 내열성의 기체 투과성 밀폐부재로 상기 튜브의 개방부가 밀폐되는 단계; s3) 시료를 포함하는 기체가 상기 튜브 내부를 통과하여 상기 흡착제에 상기 시료가 흡착 및 농축되는 단계; s4) 상기 전극층에 전압이 인가되어 상기 흡착제로부터 농축 시료가 열탈착되는 단계; 및 s5) 상기 열탈착된 농축 시료가 검출부로 유입되어 분석되는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브, 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법은 측정값과 시료의 실제 온도값의 편차를 최소화하여 목표 온도로의 정밀한 제어가 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따른 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법은 튜브의 내면부에서 튜브의 중심부에 이르기까지 흡착제가 어느 부분에 위치하더라도 튜브의 외면부로부터 열에너지가 효과적으로 전달될 수 있음에 따라 튜브 내 시료수용공간 내 국부적인 온도차를 극소화함으로써, 시료수용공간의 어느 부위에 위치한 다수의 흡착제에 균일한 온도를 갖도록 하는 효과가 있다.

본 발명에 따른 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법은 목표 온도로의 균일하고 정확한 제어가 가능함에 따라, 시료 흡착을 위한 흡착제의 열적 변성을 방지하고 화학적 노이즈를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법은 또한 신속하게 탈착온도로 가열이 가능하며, 재현성이 우수한 효과가 있다.

본 발명에 따른 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법은 저렴하고 경제적이며, 에너지 효율이 우수한 효과가 있다.

본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.

도 1은 본 발명에 따른 시료농축튜브를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 시료농축튜브를 나타낸 단면 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른, 격벽에 의해 형성된 다수의 시료수용공간을 포함하는 튜브를 포함하는 시료농축튜브를 나타낸 단면 사시도이다.
도 4은 본 발명에 따른, 내열성 면상발열체가 유리 재질의 튜브에 접착된 시료농축튜브의 실제 이미지이다.
도 5는 본 발명의 도 4에 명시된 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브의 발열상태를 적외선 카메라를 사용하여 찍은 실제 이미지이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브와 이를 포함하는 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법을 상세히 설명한다.

본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확하게 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.

본 명세서에서 언급되는 s1, s2, s3, ...; a1, a2, a3, ...; b1, b2, b3, ...; a, b, c, ...; 등의 각 단계를 지칭하는 용어 자체는 어떠한 단계, 수단 등을 지칭하기 위해 사용되는 것일 뿐, 그 용어들이 지칭하는 각 대상들의 순서 관계를 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.

본 명세서에서 언급되는 “층” 또는 “막”의 용어는 각 재료가 연속체(continuum)를 이루며 폭과 길이 대비 두께가 상대적으로 작은 디멘젼(dimension)을 가짐을 의미하는 것이다. 이에 따라, 본 명세서에서 “층” 또는 “막”의 용어에 의해, 2차원의 편평한 평면으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브는, 휘발성 물질이 흡착되는 흡착제(Sorbent)가 충진되도록 하는 내부 구조를 갖는 튜브(100); 상기 튜브(100)의 외주면에 접착되는 내열성 면상발열체를 포함하는 발열층(200); 및 상기 발열층(200)의 외주면의 양단에 형성되는 전극층(300);을 포함한다.

상기 휘발성 물질은 통상의 시료분석기에서 분석의 대상이 되는 기상으로 존재 가능한 무기화합물, 유기화합물 등을 포함하는 물질을 의미한다. 구체적으로, 휘발성 물질은 대기 중에 휘발될 수 있는 탄화수소화합물을 포함하는 유기화합물을 예로 들 수 있으며, 구체적인 예로, 벤젠, 포름알데히드, 톨루엔, 자일렌, 에틸렌, 스티렌, 아세트알데히드 등 무한이 많은 종류가 있다. 무기화합물의 예로는 염산, 불산, 암모니아, 황화수소 등의 다양한 물질들이 있다. 즉, 본 명세서에서 언급되는 휘발성 물질은 휘발성을 가져, 기상으로 존재할 수 있는 검출 가능한 모든 물질을 통칭할 수 있다.

상기 튜브(100)의 기하학적 구조는 내부에 시료수용공간(130)을 가지며, 시료가 상기 시료수용공간(130)으로 유입될 수 있는 개방부를 가지는 것이라면 무방하다. 즉, 튜브(100)는 말 그대로 관형의 구조물을 의미할 수 있으며, 이때 관은 양측단부가 개방된 것일 수 있다. 튜브(100)의 일측단부의 형태, 즉, 튜브(100)의 길이 방향과 수직한 방향의 튜브(100) 절단면의 형태는 제한되지 않으며, 통상 원형일 수 있다. 상기 형태는 원형 외에도, 타원형, n각형(n은 2 이상), 별형, 완곡도가 서로 다른 복수의 호가 서로 연결된 형태, 하나 이상의 선과 하나 이상의 호가 서로 연결된 형태 등의 다양한 것이어도 무방하다.

상기 튜브(100)의 내경은 크게 제한되는 것은 아니나, 1 내지 5 mm를 만족하는 것이 열에너지를 시료에 효율적이고 효과적으로 전달할 수 있어 좋지만, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다. 또한 튜브(100)의 길이, 두께는 분석 장치의 규모나 구체적 용도(휴대용, 실험용, 대규모 시설 측정용 등) 등에 따라 적절히 조절될 수 있는 부분이므로 제한되지 않으며, 구체적인 일 예로, 2 내지 7 mm의 외경을 가지는 튜브(100)를 들 수 있다.

상기 튜브(100)의 재질은, 광학적 측면에서 크게 투명 재질 또는 불투명 재질로 구분될 수 있다. 시료 또는 흡착제 등의 식별이 용이한 측면에서 투명 재질의 것이 선택될 수 있으며, 구체적 예로, 250℃ 좋게는 350℃ 이상의 온도에 견디는 내열성을 가지는 유리, 내열성 투명 고분자 재료 등을 들 수 있다. 불투명 재질의 구체적인 예로, 세라믹 재료, 금속 재료, 금속 산화물 재료, 열경화성 고분자 재료 등을 들 수 있다.

상기 튜브(100)의 재질이 금속인 경우에는, 상기 발열층(200)이 형성되는 튜브(100)의 외주면이 전기절연층을 포함하는 것, 즉, 절연성인 것이 바람직할 수 있다. 이를 만족하지 않을 경우, 전극에 인가되는 전류가 발열층(200)을 거쳐 금속 튜브(100)에도 인가되므로, 저항값이 0에 가까워 회로가 타버릴 수 있어 발열층의 가열이 불가능할 수 있다. 물론, 발열층(200)에 인가되는 전류가 튜브(100)로 흐르지 않도록 하는 구조를 가지거나 그러한 역할을 하는 부재가 추가될 수 있으며, 이 경우 튜브(100) 자체의 재질은 제한되지 않을 수 있다. 여기서 절연이라 함은 전기가 실질적으로 통하지 않는 특성, 즉, 통상적으로 전기 저항이 매우 높은 것을 의미한다.

상술한 바와 같이, 발열층(200)이 형성되는 튜브(100)의 외주면이 절연성인 것이 바람직할 수 있으며, 에너지 효율, 온도 제어의 정밀성 및 재현성 등을 더욱 향상시킬 수 있는 측면에서, 바람직하게는, 상기 튜브(100)는 열전도선이 좋은 금속 및 그 금속이 양극산화된 다공성 양극산화막(Porous anodic oxide film, PAOF)을 포함하는 전기절연층을 포함하는 구조를 가지는 것이 좋을 수 있다. 바람직한 일 예로, 상기 튜브(100)는 내주면부(110) 및 외주면부(120)를 포함하는 관형 구조를 가질 때, 상기 내주면부(110)는 알루미늄 금속일 수 있으며, 상기 외주면부(120)는 상기 알루미늄 금속이 양극산화되어 형성되는 알루미늄계 다공성 양극산화막일 수 있다.

또한 상기 튜브가 알루미늄 금속일 경우 바람직한 일 예로, 내주면부(110) 및 외주면부(120)의 두께는 크게 제한되는 것은 아니나, 내주면부(110)의 두께가 200 내지 1000 ㎛, 외주면부(120)의 두께가 0.1 내지 20 ㎛, 구체적으로 0.3 내지 10 ㎛, 보다 구체적으로 0.5 내지 5 ㎛인 것이 좋을 수 있다. 이를 만족할 경우, 온도 제어의 정밀성의 향상과 함께 내주면부(110)로의 전류의 흐름을 최소화할 수 있어, 에너지 효율이 보다 우수하면서 온도 제어의 정밀성이 보다 향상되는 효과가 있다.

양극산화되어 형성되는 알루미늄계 다공성 양극산화막은 금속의 표면 처리 기술 중 하나인 양극산화 기술(Anodization)에 의해 형성된 것일 수 있으며, 이를 이용하여 다양하고 규칙적인 나노구조가 형성된 금속 표면을 포함하는 튜브(100)가 사용될 수 있다.

바람직한 일 예로, 상기 튜브(100)의 내부, 즉, 시료수용공간(130)은 하나 또는 둘 이상의 격벽(140)이 구비되어 형성되는 제1 내지 제n 시료수용공간을 포함할 수 있다.여기서 상기 n은 2 이상의 자연수이고, 구체적인 일 예로, 2 내지 20에서 선택될 수 있으나 이에 제한되지 않음은 물론이다. 이때 상기 격벽(140)은 전술한 튜브의 재질과 동일하거나 또는 상이한 물질이 사용될 수 있으며, 금속 등의 열전도율이 우수한 것이면 더 바람직할 수 있다. 공기 중에 미량으로 존재하는 다양한 물질들의 높은 감도로 검출하고, 검출한계치(Limit of Detection)를 낮추기 위해서는 많은 양의 공기를 튜브 내로 통과시켜 흡착하여 이를 탈착시켜 분석해야 한다. 이를 위해 많은 양의 흡착제가 사용될 수 있으며, 이에 따라 튜브 내경의 증가가 요구될 수 있다. 그러나 이 경우, 튜브의 내주면부에서 튜브의 중심부로 갈수록 각 부분에 위치하는 흡착제 간 전달되는 열에너지는 감소하므로, 국부적인 온도차가 유발될 수밖에 없다. 따라서 흡착제에 열이 전달이 되는 시간차에 의해 휘발성 물질의 동시 열탈착이 어렵고, 이는 분석을 위한 순간 농도를 극대화하는 것에 한계가 있을 뿐만 아니라, 정밀성이 현저히 저하된다. 하지만 상술한 바와 같이, 상기 튜브(100)의 내부에 하나 또는 둘 이상의 격벽(140)이 구비되어 형성되는 제1 내지 제n 시료수용공간(상기 n은 2 이상의 자연수)을 포함할 경우, 발열층(200)으로부터 열에너지가 열전도가 좋은 금속 구조물을 통해 각각의 시료수용공간에 충진된 흡착제까지 빠르게 효과적으로 전달될 수 있다. 따라서 흡착제에 흡착된 휘발성 물질을 동시에 탈착시킬 수 있어 극미량의 휘발성 물질을 분석할 수 있는 효과가 있다. 즉, 발열층(200)에서 전환된 열에너지는 튜브(100)와 접착되어 있음에 따라, 열저항 없이 바로 열전도율이 높은 튜브를 통해 각각의 시료수용공간 내의 흡착제로 효율적으로 전달되어, 높은 에너지 효율로 시료를 열탈착할 수 있고, 흡착제의 안정성을 높이며, 재현성을 향상시킬 수 있다.

상기 격벽(140)의 형태 및 구조는 크게 제한되지 않으며, 흡착제가 각 시료수용공간에 구비될 수 있도록 튜브의 내주면과 연결되어 각 시료수용공간을 구획할 수 있는 형태 및 구조라면 무방하다. 구체적인 일 예로, 튜브(100)의 길이 방향과 수직한 방향의 튜브(100) 절단면이 원형 타원형, n각형(n은 2 이상), 별형, 완곡도가 서로 다른 복수의 호가 서로 연결된 형태, 하나 이상의 선과 하나 이상의 호가 서로 연결된 형태 등의 다양한 형태를 가지도록 격벽(140)이 형성될 수 있다. 바람직한 일 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 6각형의 홀을 포함하여 형성되는 벌집 구조를 들 수 있으며, 이 경우, 전술한 효과와 함께, 다수의 홀을 포함함에도 높은 구조 안정성을 확보할 수 있는 측면에서 더 좋을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 시료농축튜브는 상기 튜브(100)의 내주면 상에 구비되되, 휘발성 물질이 흡착 또는 농축되는 흡착제를 포함할 수 있다. 통상 상온 또는 그 이하의 온도에서 가스 시료가 흡착제에 검출에 필요한 양만큼 흡착된 후, 가열에 의한 열탈착을 통해 시료가 가스 형태로 기화되어 검출 및 분석된다. 따라서 시료의 정밀한 온도 제어가 요구되며, 이때 본 발명에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브가 사용됨으로써, 정밀한 온도 제어 및 흡착제의 열손상을 방지할 수 있다. 흡착제의 구체적 종류는 시료 농축을 통한 분석 기술 분야에서 널리 공지된 사항이므로 크게 제한되지 않는다. 구체적인 일 예로, 상기 흡착제는 비표면적이 10 내지 2,000 m²/g일 수 있고, 밀도가 0.2 내지 0.8 g/cm³인 흡착 물질이 사용될 수 있으며, 재질로, 방향족계 중합체 등의 열경화성 고분자 소재, 활성탄, 그라파이트 등의 탄소 소재 등을 예로 들 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 튜브(100)의 내주면은 시료 또는 흡착제가 흡착되지 않도록 소수성 또는 친수성으로 표면처리된 것일 수 있다. 소수성 표면처리의 예로, 불소계 화합물 등의 코팅을 들 수 있으며, 친수성 표면처리의 예로, 수증기, 질소 등을 이용한 플라즈마 처리, 산처리 등을 들 수 있다. 하지만 이는 일 일 예로서 설명된 것일 뿐, 다양한 처리 방법의 구체적인 예는 공지된 문헌을 참고하면 되므로, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

흡착제는 반복 사용이 가능하나, 상술한 바와 같이 열적 손상 또는 자주 사용될 경우 변성(Degradation)될 수 있으므로, 주기적으로 바꿔주어야 한다. 따라서 농축 튜브는 분석 장비로부터 탈착 및 부착이 용이하여야 하며, 이때 발생할 수 있는 문제를 최소화할 수 있도록 구조가 복잡하지 않아야 하는 것은 물론, 특히 큰 물리적 충격에도 버틸 수 있는 각 층들의 견고한 밀착도가 요구된다. 따라서 본 발명에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 농축 튜브는 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브-금속 복합체를 포함하는 면상의 발열층(200)을 포함함으로써, 다양한 변수에서도 높은 안정성을 기대할 수 있다.

상술한 바와 같이, 튜브(100)의 내부에 시료의 유입 또는 흡착제가 수용되어야 하므로, 튜브(100)는 개방부를 가져야 한다. 따라서 튜브(100)의 개방부는 필요에 따라 밀폐가 가능하도록 하는 것이 바람직하며, 이의 수단으로 본 발명에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브는 개폐 가능한 밀폐부재를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 예에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브는 상기 튜브(100)의 개방부에 형성되되, 다수의 공극이 형성된 내열성의 기체 투과성 밀폐부재를 더 포함할 수 있다. 상기 공극의 크기는 공기가 통과할 수 있는 크기이면서 흡착제 등이 고정될 수 있는 정도라면 무방하다. 또한 밀폐부재의 재질도 탈착 온도 이상에서 사용될 수 있는 것이라면 제한되지 않으며, 예컨대 유리섬유 등을 들 수 있다.

상기 발열층(200)은 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브-금속 복합체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 면상발열체를 포함하면 무방하며, 일 예로, 탄소나노튜브계 내열성 면상발열체로 형성되는 것일 수 있다. 상기 면상발열체는 전류가 흐르면 350℃ 내외로 안정적으로 발열할 수 있는 것을 의미하며, 발열층에 형성되어 층상 구조를 가질 수 있다. 이의 형성 방법은 제한되지 않으며, 예컨대 면상발열체의 액상조성물을 도포하고 건조(열처리)하여 형성되는 필름(박막)일 수 있다. 이때 도포 조건(온도, 습도, 시간 등), 건조(열처리) 조건(온도, 습도, 시간 등)은 당업자가 적절히 조절할 수 있는 부분이므로 제한되지 않는다.

이러한 면상발열체의 구체적인 예는 KR10-1447478B1, KR10-1313149B1 등을 참고하면 되며, 예컨대 상기 발열층(200)은 AccuPaste™ CNT Heating Paste(TC-1010, 바이오니아) 등으로 형성되는 면상발열체를 포함할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 이 외에도 다양한 면상발열체가 사용될 수 있다.

종래의 열선이 권취된 형태의 시료농축튜브는 열선의 선팽창에 의한 열선과 튜브(100)와의 밀착이 되지 않고 부분적인 이격 현상이 일어나므로, 이격부분의 열저항이 커져 튜브를 가열하는데 시간이 오래 걸리고 가열속도가 불균일해지는 문제가 있다. 본 발명에서는 튜브(100)에 발열층(200)이 균일하게 접착되어 있어, 도 5에 도시된 바와 같이 열에너지가 빠르고 균일하게 전달될 수 있다. 상기 발열층(200)은 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브-금속 복합체를 포함하고, 실리콘계 점착제를 포함할 수 있다. 또한 상기 발열층(200)이 탄소나노튜브-금속 복합체를 포함할 경우, 이의 금속은 은, 백금, 금, 구리, 니켈, 철, 코발트 및 알루미늄 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.

상기 발열층(200)은 면저항이 낮을수록 좋으며, 예컨대 2 내지 15 Ω/sq일 수 있으나, 이는 바람직한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 발열층(200)은 상기 튜브(100)의 외주면을 감싸는 형태로 형성될 수 있으며, 상기 전극층(300)도 상기 발열층(200)의 외주면을 감싸는 형태로 형성될 수 있다. 이때 각 대상의 외주면을 완전히 감싸는 관형 구조일 수도 있고, 완전히 감싸지 않는 형태도 가능하다. 바람직한 일 예로, 상기 발열층(200)은 상기 튜브(100)의 외주면을 감싸는 관형으로 형성될 수 있으며, 상기 전극층(300)도 상기 발열층(200)의 외주면을 감싸는 관형으로 형성될 수 있다.

상기 발열층(200)의 평균두께는 전기저항과 반비례하는 데 전극층(300)으로부터 전기에너지를 받아서 열에너지로 전환하여 튜브(100)로 전달할 수 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 20 내지 100 ㎛일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.

상기 전극층(300)은 상기 발열층(200)에 전압을 인가할 수 있는 것이라면, 전극층(300)의 재질, 전극층(300)이 발열층(200)에 형성되는 구조, 형태에 크게 제한을 두는 것은 아니나, 상기 전극층(300)은 제1 전극층(310)(300) 및 제2 전극층(320)(300)을 포함할 수 있다. 이때 상기 제1 전극층(310)(300) 및 상기 제2 전극층(320)(300)은 서로 이격하여 상기 발열층(200)의 외주면에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 발열층(200)의 양단부에 형성될 수 있다. 제1 전극층(310)(300) 및 제2 전극층(320)(300)의 형성 위치는 각 전극층(300)에 전압이 인가되어 발열층(200)이 히팅될 수 있을 정도라면 크게 제한되지 않으며, 예컨대 발열층(200)의 양단부에 각각 형성되는 것을 예시할 수 있다. 또한 제1 전극층(310)(300) 및 제2 전극층(320)(300)의 이격거리는 튜브(100)와 발열층(200)의 길이, 각 전극층(300)의 면적 등의 다양한 변수를 고려하여 조절될 수 있으므로 크게 제한되지 않는다.

상기 전극층(300)은 일반적으로 사용되는 전극으로 형성되는 것이라면 무방하며, 예컨대 구리, 철 등의 전도성 물질로 형성된 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다. 또한 경우에 따라, 에너지 효율을 향상시키기 위한 측면에서 금속층을 덮는 귀금속층이 더 형성될 수 있다. 귀금속층에 사용되는 금속의 예로, 금, 백금 등을 들 수 있으나, 이 외에 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 귀금속류라면 제한 없이 사용 가능하다.

상기 전극층(300)은 다양한 방법으로 발열층(200)에 접하여 형성될 수 있으며, 예컨대 도금법, 붓도금법, 진공증착법 등을 이용하여 형성하거나 금속고리를 전도성 에폭시 등으로 고정하여 형성할 수 있으나, 이 외에 다양한 방법으로 형성되어도 무방하므로, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

본 발명의 일 예에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브는 상기 발열층(200)의 외주면 상에 발열층을 보호하기 위한 절연층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브는 상기 튜브(100)의 외주면 상 또는 내주면 상에 구비되는 온도 측정부를 더 포함할 수 있다. 상기 온도 측정부는 온도를 감지할 수 있는 센서라면 무방하며, 구체적인 일 예로, 열전쌍(Thermocouple) 온도센서, 저항 온도센서(Resistive temperature detector, RTD) 및 서미스터(Thermistor) 온도센서 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 접촉식 온도센서 및 적외선 온도센서 등을 포함하는 비접촉 온도센서 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 휘발성 물질 분석 장치는 상기 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브를 포함한다. 구체적으로, 본 발명의 일 예에 따른 휘발성 물질 분석 장치는, 튜브(100)의 외주면 상 또는 내주면 상에 구비되는 온도 측정부를 포함하는 상기 내열성 면상발열체가 접착된 시료농축튜브; 상기 시료농축튜브로부터 시료가 유입되는 검출부; 및 상기 온도 측정부로부터 상기 튜브(100) 내부의 온도에 대한 측정값을 수신하고 상기 측정값을 기 설정값과 비교하여 전극층(300)에 인가되는 전압을 조절하는 제어부;를 포함할 수 있다.

상기 검출부는 시료를 검출하고 분석할 수 있는 장치를 의미할 수 있으며, 이는 기체 시료분석기술 분야에 널리 공지되어 있으므로 제한되지 않는다. 일 예로, 검출부는 가스크로마토그래피(Gas chromatography, GC), 질량분석기(Mass spectrometer, MS), 이온 이동성 분광계(ion mobility spectrometry) 등의 검출/분석 장치를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 온도 측정부를 통해 온도를 모니터링할 수 있으며, 전류, 또는 전압 제어장치 등을 통해 피드백하여 튜브(100)의 온도를 목표온도로 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 온도 측정부로부터의 측정값이 기 설정값보다 작을 경우 전극층(300)에 인가되는 전압을 증가시키며, 측정값이 기 설정값보다 클 경우 상기 전극층(300)에 인가되는 전압을 감소시키는 역할을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 휘발성 물질 분석 방법은, s1) 농축하고자 하는 시료에 적합한 흡착제가 상기 튜브(100)의 내부에 수용되는 단계; s2) 다수의 공극이 형성된 내열성 기체 투과성 밀폐부재로 상기 튜브(100)의 개방부가 밀폐되는 단계; s3) 시료를 포함하는 기체가 상기 튜브(100) 내부를 통과하여 상기 흡착제에 상기 시료가 흡착 및 농축되는 단계; s4) 상기 전극층(300)에 전압이 인가되어 상기 흡착제로부터 농축 시료가 열탈착되는 단계; 및 s5) 상기 열탈착된 농축 시료가 검출부로 유입되어 분석되는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 s3) 단계에서, 시료가 농축될 시 온도는 시료가 응축하여 흡착제에 액상 또는 고상으로 흡착될 수 있을 정도라면 무방하며, 통상 상온, 일 예로 0 내지 25℃를 들 수 있다. 하지만 이외에도, 시료가 흡착될 수 있는 온도라면 크게 제한되지 않는다.

상기 s4) 단계에서, 시료가 열탈착될 시 온도는 시료가 흡착제로부터 탈착되어 외부로 유입될 수 있을 정도라면 무방하며, 통상 100 내지 350℃를 예로 들 수 있으나, 이는 시료의 종류에 따라 달라질 수 있으므로 이에 제한을 두지 않는다.

100 : 튜브, 110 : 내주면부,
120 : 외주면부, 130 : 시료수용공간,
131 : 제1 시료수용공간, 132 : 제2 시료수용공간,
133 : 제3 시료수용공간, 140 : 격벽,
200 : 발열층, 300 : 전극층,
310 : 제1 전극층, 320 : 제2 전극층

Claims

휘발성 물질이 흡착되는 흡착제가 충진되도록 하는 내부 구조를 갖는 튜브;
상기 튜브의 외주면에 접착되는 내열성 면상발열체를 포함하는 발열층; 및
상기 발열층의 외주면에 형성되는 전극층;을 포함하는 시료농축튜브.
제1항에 있어서,
상기 튜브는 전기절연성 재질이거나, 발열층이 형성되는 튜브의 외주면은 전기절연층을 포함하는 시료농축튜브.
제2항에 있어서,
상기 튜브는 내주면부 및 외주면부를 포함하는 관형 구조를 가지며,
상기 내주면부는 금속 재질이며, 상기 외주면부는 상기 내주면부가 양극산화되어 금속산화물로 형성되는 전기절연층인 시료농축튜브.
제1항에 있어서,
상기 튜브의 내부는, 흡착제를 고정하기 위한, 다수의 공극이 형성된 내열성의 기체 투과성 밀폐부재를 더 포함하는 시료농축튜브.
제1항에 있어서,
상기 발열층은 상기 튜브의 외주면을 감싸는 관형으로 형성되며, 상기 전극층은 상기 발열층의 외주면을 감싸는 관형으로 형성되는 시료농축튜브.
제5항에 있어서,
상기 전극층은 제1 전극층 및 제2 전극층을 포함하며, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 서로 이격하여 상기 발열층의 양단부에 형성되는 시료농축튜브.
제1항에 있어서,
상기 발열층은 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브-금속 복합체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 면상발열체를 포함하며,
상기 탄소나노튜브-금속 복합체의 금속은 은, 백금, 금, 구리, 니켈, 철, 코발트 및 알루미늄 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 시료농축튜브.
제7항에 있어서,
상기 발열층은 면저항이 2 내지 15 Ω/sq인 시료농축튜브.
제1항에 있어서,
상기 발열층의 평균두께는 20 내지 100 ㎛인 시료농축튜브.
제1항에 있어서,
상기 튜브의 외주면 상 또는 내주면 상에 구비되는 온도 측정부를 더 포함하는 시료농축튜브.
제1항에 있어서,
상기 튜브의 내주면 상에 휘발성 물질이 흡착 또는 탈착되도록 하는 흡착제가 구비되는 시료농축튜브.
제1항 내지 제11항에서 선택되는 어느 한 항의 시료농축튜브를 포함하는 휘발성 물질 분석 장치.
제12항에 있어서,
튜브의 외주면 상 또는 내주면 상에 구비되는 온도 측정부를 포함하는 상기 시료농축튜브;
상기 시료농축튜브로부터 시료가 유입되는 검출부; 및
상기 온도 측정부로부터 상기 튜브 내부의 온도에 대한 측정값을 수신하고 상기 측정값을 기설정값과 비교하여 전극층에 인가되는 전력을 조절하는 제어부;를 포함하는 휘발성 물질 분석 장치.
제1항 내지 제12항에서 선택되는 어느 한 항의 시료농축튜브를 이용하는 휘발성 물질 분석 방법으로,
s1) 농축하고자 하는 시료에 적합한 흡착제가 상기 튜브의 내부에 수용되는 단계;
s2) 다수의 공극이 형성된 내열성의 기체 투과성 밀폐부재로 상기 튜브의 개방부가 밀폐되는 단계;
s3) 시료를 포함하는 기체가 상기 튜브 내부를 통과하여 상기 흡착제에 상기 시료가 흡착 및 농축되는 단계;
s4) 상기 전극층에 전압이 인가되어 상기 흡착제로부터 농축 시료가 열탈착되는 단계; 및
s5) 상기 열탈착된 농축 시료가 검출부로 유입되어 분석되는 단계;
를 포함하는 휘발성 물질 분석 방법.