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KR101620281B1 - 탄소 폼을 구비한 가스 농축 장치 및 이의 동작 방법 - Google Patents

탄소 폼을 구비한 가스 농축 장치 및 이의 동작 방법 Download PDF

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KR101620281B1
KR101620281B1 KR1020150153085A KR20150153085A KR101620281B1 KR 101620281 B1 KR101620281 B1 KR 101620281B1 KR 1020150153085 A KR1020150153085 A KR 1020150153085A KR 20150153085 A KR20150153085 A KR 20150153085A KR 101620281 B1 KR101620281 B1 KR 101620281B1
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KR
South Korea
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gas
chamber
carbon
foam
gas concentration
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KR1020150153085A
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임시형
이장현
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국민대학교산학협력단
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Publication date
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Abstract

가스 농축 장치 및 이의 동작 방법을 제공한다. 상기 가스 농축 장치는 가스 농축 모듈을 포함한다. 상기 가스 농축 모듈은 선형 탄소 재료를 함유하는 탄소 폼을 수용하는 챔버를 포함하는 기재, 상기 챔버의 일측에 연결된 가스 흡입구, 상기 챔버의 타측에 연결된 가스 배출구, 및 상기 기재의 적어도 일측에 배치된 발열 소자를 포함한다. 상기 가스 농축 모듈의 상기 가스 흡입구에 시료 가스 주입 라인이 연결된다. 상기 시료 가스 주입 라인에 액적 발생 모듈이 연결된다.

Description

탄소 폼을 구비한 가스 농축 장치 및 이의 동작 방법 {Gas Concentrating Equipment having Carbon Foam and method of operating the same}
본 발명은 가스 농축 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 휘발성 유기 화합물 가스 농축 장치에 관한 것이다.
휘발성 유기 화합물은 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기 화합물을 의미한다. 이러한 휘발성 유기 화합물은 대기 오염재료이면서 발암성을 지닌 독성 화합물로 알려져 있다.
또한, 인간의 호흡가스, 즉 호기가스에는 휘발성 유기 화합물을 포함한 약 1000 여 종류의 화합물이 상당히 낮은 농도로 포함되어 있다고 알려져 있다. 따라서, 이들 중 특정 화합물을 바이오 마커로서 검지하는 경우 환자의 상태 및 질병을 예측할 수 있다.
상기 대기 중 또는 호기가스 내의 휘발성 유기 화합물은 매우 적은 농도로 존재하므로, 이러한 농도의 가스를 검출하기 위해서는 가스 검출기의 감도가 매우 높아야 하는 문제가 있다. 그러나, 실용화된 일반적인 가스센서는 이러한 감도를 만족시키지 못하는 것으로 알려져 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 가스 검출 모듈에 가스를 유입시키기 전에 가스를 농축시키는 방법이 있으나, 가스 농축과정에서 압력강하가 많이 발생하는 점, 농축 효율의 추가 향상이 필요한 점, 또한 가스 흡착 후 탈착률이 떨어지는 점은 여전히 해결하여야 하는 과제로 남아 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가스 농축 장치에 있어서, 1) 가스 농축 과정에서 압력 강하를 줄이고, 2) 농축 효율을 향상시키며, 및/또는 3) 가스 흡착 후 탈착 효율을 향상시키는 이점을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 가스 농축 장치를 제공한다. 상기 가스 농축 장치는 가스 농축 모듈을 포함한다. 상기 가스 농축 모듈은 선형 탄소 재료를 함유하는 탄소 폼을 수용하는 챔버를 포함하는 기재, 상기 챔버의 일측에 연결된 가스 흡입구, 상기 챔버의 타측에 연결된 가스 배출구, 및 상기 기재의 적어도 일측에 배치된 발열 소자를 포함한다. 상기 가스 농축 모듈의 상기 가스 흡입구에 시료 가스 주입 라인이 연결된다. 상기 시료 가스 주입 라인에 액적 발생 모듈이 연결된다.
상기 액적 발생 모듈은 액체가 저장된 액체 저장부, 상기 액체 저장부로부터 액적을 생성시키는 액적 생성기, 및 상기 시료 가스 주입 라인에 연결된 액적 배출 라인을 구비할 수 있다. 상기 액체는 물을 함유할 수 있다. 상기 액적 생성기는 상기 액체 내에 담겨진 버블 발생용 가스 주입 라인 또는 초음파 진동자일 수 있다.
상기 선형 탄소 재료는 불규칙하게 배치될 수 있고, 상기 탄소 폼은 상기 선형 탄소 재료의 외부에 코팅된 소성 탄소층(calcinated carbon layer) 및 상기 소성 탄소층에 의해 코팅된 선형 탄소 재료 사이의 다수의 기공들을 더 포함할 수 있다. 상기 선형 탄소 재료는 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 발열 소자는 히터 패턴 또는 펠티에 소자일 수 있다.
상기 기재는 플레이트 형태의 기판이고, 상기 챔버는 상기 기판의 상부면 상에 트렌치 형태로 형성되고, 상기 가스 흡입구과 상기 가스 배출구는 상기 기판을 덮는 상판 내에 형성될 수 있다.
상기 시료 가스는 휘발성 유기 화합물을 함유할 수 있다. 상기 휘발성 유기 화합물은 메탄 또는 에탄일 수 있다. 상기 시료 가스는 호기 가스(exhaled breath gas)일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 가스 농축 장치의 동작방법을 제공한다. 상기 동작방법은 선형 탄소 재료를 함유하는 탄소 폼을 수용하는 챔버를 포함하는 기재, 상기 챔버의 일측에 연결된 가스 흡입구, 상기 챔버의 타측에 연결된 가스 배출구, 및 상기 기재의 적어도 일측에 배치된 발열 소자를 포함하는 가스 농축 모듈을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 가스 흡입구를 통해 타겟 가스가 함유된 시료 가스를 제공하여 상기 탄소 폼에 타겟 가스를 농축시킨다. 상기 시료 가스의 제공 전 또는 상기 시료 가스를 제공하는 동안 상기 챔버 내의 상대 습도를 증가시킨다. 상기 발열 소자를 발열시켜 상기 탄소 폼에 농축된 타겟 가스를 배출한다.
상기 챔버 내의 상대 습도를 증가시키는 단계는 상기 챔버 내에 액적을 공급하는 단계일 수 있다. 또한, 이와 더불어서 또는 이와 별도로 상기 챔버 내의 온도를 낮출 수 있다. 상기 발열 소자는 펠티에 소자이고, 상기 챔버 내의 온도를 낮추는 것은 상기 펠티에 소자를 냉각 동작시키는 것이고, 상기 탄소 폼에 농축된 타겟 가스를 배출하는 단계에서 상기 펠티에 소자를 발열 동작시키는 것일 수 있다.
상기 발열 소자는 히터 패턴 또는 펠티에 소자일 수 있다.
상기 선형 탄소 재료는 불규칙하게 배치될 수 있고 상기 탄소 폼은 상기 선형 탄소 재료의 외부에 코팅된 소성 탄소층(calcinated carbon layer) 및 상기 소성 탄소층에 의해 코팅된 선형 탄소 재료 사이의 다수의 기공들을 더 포함할 수 있다. 상기 선형 탄소 재료는 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 타겟 가스는 휘발성 유기 화합물일 수 있다. 상기 휘발성 유기 화합물은 메탄 또는 에탄일 수 있다. 상기 시료 가스는 호기 가스일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 표면적이 넓은 선형 탄소 재료를 함유하는 탄소 폼을 사용하여 가스 농축 과정에서 압력 강하를 줄이고, 탄소 폼이 수용된 챔버 내의 상대 습도를 증가시켜 가스 농축 효율을 향상시키며, 또한 열전도율이 우수한 선형 탄소 재료를 사용하고 또한 발열 소자를 사용하여 가스 흡착 후 탈착 효율을 또한 향상시킬 수 있다.
그 결과, 대기 중 혹은 호기 가스 내에 ppb 레벨로 극미량 함유된 휘발성 유기 화합물 가스 또한 양호하게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 폼을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 폼의 제조방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 농축 모듈을 나타낸 분해사시도이고, 도 3b는 도 3a의 I-I'를 따라 취해진 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농축 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농축 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 농축 장치를 포함하는 가스 검출 장치를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농축 장치를 포함하는 가스 검출 장치를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농축 장치를 포함하는 가스 검출 장치를 나타낸 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 탄소나노튜브 폼 제조예 1에 따른 탄소나노튜브 폼을 촬영한 광학 사진과 SEM 사진이다.
도 10a 및 도 10b는 가스 농축 모듈 성능 평가예 2에 따른 가스 농축 모듈의 메탄 가스 농축 결과 및 에탄 가스 농축 결과를 각각 나타낸 그래프들이다.
도 11과 도 12는 가스 농축 모듈 성능 평가예 3에 따른 가스 농축 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 폼을 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 탄소 폼(10)은 불규칙하게 배치된 선형 탄소 재료(11), 선형 탄소 재료(11)의 외부에 코팅된 소성 탄소층(calcinated carbon layer, 13), 및 다수의 기공들(10a)을 포함할 수 있다.
선형 탄소 재료(11)는 탄소나노튜브, 탄소나노혼, 또는 탄소나노섬유일 수 있다. 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 또는 둘 보다 많은 벽들을 갖는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으며, 이 중에서도 튜브 형태의 탄소원자 단층 피막구조로 가스 분자를 쉽게 흡착하는 단일벽 탄소나노튜브일 수 있다. 이러한 선형 탄소 재료(11) 중에서도 결정성을 갖는 재료, 구체적으로 탄소나노튜브는 열전도성이 좋고, 구조적으로도 가스와 반응하는 표면적이 커서 가스 농축 효율을 향상시킬 수 있다.
소성 탄소층(13)은 탄소 전구체가 소성된 층으로, 비정질(amorphous) 일 수 있다. 소성 탄소층(13)은 반데르발스 인력에 의해 가스를 흡착할 수 있으며, 상기 선형 탄소 재료(11)을 바인딩하는 역할을 할 수 있다. 상기 소성 탄소층(13)의 두께는 수십 nm 내지 수백 nm일 수 있다.
소성 탄소층(13)에 의해 코팅된 인접한 선형 탄소 재료들(11) 사이 또는 상기 소성 탄소층(13) 내부에 다수의 기공들(10a)이 배치될 수 있다. 이에 따라, 가스 유로가 충분히 형성되어 가스 농축 과정에서 압력강하를 감소시킬 수 있다. 이 기공들(10a)의 평균직경은 약 100 ~ 200 nm일 수 있다.
상기 탄소 폼(10)은 무기 가스 보다는 유기 가스를 더 잘 흡착하며, 이에 더하여 농축하고자 하는 타겟 유기 가스에 대한 선택성을 높일 수 있도록 표면 개질될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 폼의 제조방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도 2를 참조하면, 선형 탄소 재료 분말 100 중량부와 탄소 전구체 300 ~ 700 중량부를 혼합하여 제1 혼합물을 생성할 수 있다(S100). 선형 탄소 재료 분말은 탄소나노튜브 분말, 탄소나노혼 분말, 또는 탄소나노섬유 분말일 수 있다. 구체적으로, 선형 탄소 재료 분말은 상온에서 20~30%의 순도를 가진 탄소나노튜브 분말일 수 있다. 탄소 전구체는 덱스트로오스와 시트르산일 수 있다. 구체적으로, 탄소 전구체는 덱스트로오스 100~300 중량부와 시트르산 200~400 중량부일 수 있다.
이 후, 상기 제1 혼합물과 기공 형성재 100~300 중량부를 혼합하여 균질한 제2 혼합물을 생성할 수 있다(S200). 상기 기공 형성재는 탄산 암모늄일 수 있다.
상기 제2 혼합물을 가열하여 탄소 폼 전구체를 생성할 수 있다(S300). 구체적으로, 상기 제2 혼합물을 110~150 ℃의 온도에서 3~7 시간 동안 가열할 수 있다. 이 과정에서, 기공 형성재인 탄산 암모늄은 분해되어 기공을 형성할 수 있다.
이 후, 탄소 폼 전구체를 소성하여 탄소 폼을 형성할 수 있다(S400). 구체적으로, 상기 탄소 폼 전구체를 400~500 ℃의 온도에서 2~4시간 동안 소성할 수 있다. 이 과정에서 탄소 전구체는 열분해 및 소성되어 상기 선형 탄소 재료를 코팅 및 바인딩하는 소성 탄소층으로 변화될 수 있으며, 추가적인 기공을 형성할 수도 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 농축 모듈을 나타낸 분해사시도이고, 도 3b는 도 3a의 I-I'를 따라 취해진 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 챔버(101a)를 구비하는 기재(base component)가 제공될 수 있다. 상기 기재는 플레이트 형태의 기판(101)일 수 있다. 구체적으로, 기판(101)의 상부면 내에 챔버(101a)가 형성될 수 있다. 상기 기판(101)은 실리콘 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 챔버(101a)는 상기 기판(101)의 상부면을 식각하여 상부면 내에 트렌치 형태로 형성될 수 있다. 상기 챔버(101a)와 더불어서 상기 챔버(101a)의 일측에 제1 흡입유로(101b-1), 및 상기 제1 흡입유로(101b-1)와 상기 챔버(101a)를 연결하는 복수의 제2 흡입유로들(101b-2)이 형성될 수 있다. 또한, 챔버(101a)의 타측에 제1 배출유로(101c-1), 및 상기 제1 배출유로(101c-1)와 상기 챔버(101a)를 연결하는 복수의 제2 배출유로들(101c-2)이 형성될 수 있다.
상기 챔버(101a)는 도 1을 참조하여 설명한 탄소 폼(10)을 수용하기 위한 공간일 수 있다. 상기 흡입유로들(101b-1,101b-2)은 시료 가스가 흡입되는 유로들일 수 있고, 상기 배출유로들(101c-1, 101c-2)은 탄소 폼(10)에 흡착되지 않은 잔존 가스 혹은 농축된 가스가 탈착되어 배출되는 유로들일 수 있다.
상기 챔버(101a)를 형성하기 전에 상기 기판(101)의 하부면 상에 절연막(103)을 형성할 수 있다. 상기 절연막(103)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 또는 이들의 다중층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로서, 상기 절연막(103)은 압축 응력을 갖는 실리콘 산화막과 인장 응력을 갖는 실리콘 질화막의 이중층일 수 있다. 상기 절연막(103)은 열산화법, 스퍼터링법, 또는 화학 기상 증착법 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 절연막(103)의 두께는 500 ~ 1500 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(101)의 상부면 상에도 절연막이 형성될 수 있는데, 상기 기판(101)의 상부면 상에 형성된 절연막은 상기 챔버(101a)를 형성하기 위한 식각 과정에서 하드 마스크로서 사용될 수도 있다.
상기 기판(101)의 하부면 상에 형성된 절연막(103) 상에 발열 소자가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 발열 소자는 히터 패턴(105)일 수 있다. 이 때, 상기 절연막(103)은 상기 히터 패턴(105)의 가열 시 열에 의한 가스 농축 모듈(100)의 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
상기 히터 패턴(105)은 상기 절연막(103) 사이의 접착력을 향상시키기 위한 접착층(adhesion layer)과 상기 접착층 상의 도전층을 구비할 수 있으며, 리프트 오프법 등을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 접착층은 Al, Pt, Cr, Ti 등 다양한 종류의 금속 또는 도프 폴리실리콘(doped-poly Si) 등의 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 도전층은 금(Au), 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 및 이들 중 둘 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 히터 패턴(105)은 스퍼터링법(sputtering), 전자빔 증발법(e-beam evaporatiojn) 또는 기화법(evaporation) 등의 방법을 이용하여 박막을 형성한 후, 포토리소그래피 및 식각 공정, 일 예로서 리프트 오프법을 사용하여 패터닝하여 형성할 수 있다.
일 예로서, 상기 히터 패턴(105)은 지그재그 패턴과 같이 연속적으로 중첩된 열선 형태로 형성할 수 있다. 다른 예로서, 상기 히터 패턴(105)은 인터디지털(interdigital) 형태로 형성될 수 있다.
히터 패턴(105) 외에도 필요에 따라 모듈의 안정성을 높이기 위해 상기 절연막(103) 상에 다른 박막이 추가로 형성될 수 있다. 한편, 상기 기판(101)은 기계적 또는 화학적 기계적 연마를 통해 두께가 조절될 수도 있다.
상기 챔버(101a) 내에 도 1을 참조하여 설명한 탄소 폼(10)을 배치할 수 있다. 이 때, 상기 탄소 폼(10)의 밀도는 가스 흡착 용량 및 압력 강하 등을 더 향상시키기 위해 적절하게 설정할 수 있다. 상기 탄소 폼(10)을 배치시킨 후, 흡착하고자 하는 가스의 용도에 따라 상기 탄소 폼(10)의 표면을 개질시키기 위한 공정을 추가로 실시할 수 있다.
이 후, 상기 기판(101) 상에 챔버(101a)를 덮는 또는 밀폐시키는 상판(107)을 배치할 수 있다. 상판(107)은 기판(101) 상에 열접착(thermal glue)을 이용하여 접합될 수 있으나, 이에 제한되지 아니한다. 상판(107)은 제1 흡입유로(101b-1)에 대응하는 흡입구(107b)와 제1 배출유로(101c-1)에 대응하는 배출구(107c)를 구비할 수 있다. 또한, 상판(107)의 상부에는 흡입구(107b)에 대응하는 흡입 관통공(109b)을 구비하는 제1 연결 부재(109-1)와 상기 배출구(107c)에 대응하는 배출 관통공(109c)을 구비하는 제2 연결 부재(109-2)가 배치될 수 있다. 상판(107)으로는 실리콘, 강화 유리 등의 재질로 이루어진 기판을 사용할 수 있으며, 상기 접합 공정 전에 상판(107)은 심도 반응성 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching; DRIE) 또는 초음파 가공(ultrasonic machining) 등의 공정을 사용하여 가공되어, 흡입구(107b)와 배출구(107c)가 형성될 수 있다.
이러한 가스 농축 모듈을 형성하는 과정이 다수의 모듈들을 동시에 형성할 수 있는 웨이퍼 레벨(Wafer level)에서 진행될 경우, 상기와 같이 모듈을 완성한 후 모듈별로 절단하는 공정을 추가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농축 모듈을 나타낸 단면도이다. 본 실시예에 따른 가스 농축 모듈은 후술하는 것을 제외하고는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 가스 농축 모듈과 유사할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상부면 내에 챔버(101a)를 구비하는 기판(101)의 하부면 상에 절연막(103)을 형성할 수 있다. 상기 절연막(103) 상에 발열 소자가 배치될 수 있다. 상기 발열 소자는 펠티어 소자(peltier device, 105')일 수 있다. 상기 펠티어 소자(105')는 제1 전도성층(105a), 제1형 반도체층(105b), 제2형 반도체층(105c), 및 제2 전도성층(105d)을 구비할 수 있다. 상기 제1형 반도체층(105b)과 제2형 반도체층(105c) 중 어느 하나는 n형 반도체층이고 나머지 하나는 p형 반도체층일 수 있다. 또한, 상기 펠티어 소자(105') 하부에 히트 싱크(108)가 배치될 수도 있다.
이러한 펠티어 소자(105')는 제1형 반도체층(105b)과 제2형 반도체층(105c) 사이의 접합에 흐르는 전류의 방향에 따라 제1 전도성층(105a)이 발열되면서 제2 전도성층(105d)이 냉각되거나, 혹은 제1 전도성층(105a)이 냉각되면서 제2 전도성층(105d)이 발열될 수 있다. 따라서, 이러한 펠티어 소자(105')를 구비하는 모듈(100')을 필요에 따라 냉각시키거나 혹은 가열시킬 수 있다. 한편, 히트 싱크(108)는 열전달 특성이 우수한 부품으로서 외부에서 펠티어 소자(105')로의 열전달 혹은 펠티어 소자(105')에서 외부로의 열전달을 돕는 역할을 할 수 있다. 따라서, 모듈(100')의 냉각 또는 가열 효율이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농축 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 탄소 폼(10)을 수용하기 위한 챔버(110a), 상기 챔버(110a)의 일측에 연결된 흡입유로 또는 흡입구(110b), 및 상기 챔버(110a)의 타측에 연결된 배출유로 또는 배출구(110c)를 구비한 기재가 제공될 수 있다. 기재는 튜브(110)일 수 있다. 일 예로서, 튜브(110)는 금속, 유리 또는 플라스틱 튜브일 수 있다. 구체적으로, 튜브(110)가 유리 또는 플라스틱 튜브인 경우 모듈의 동작온도 범위 내에서 변형이 일어나지 않는 강화 유리 또는 강화 플라스틱일 수 있다. 또한, 튜브(110)가 금속 튜브인 경우 금속 튜브의 외부는 절연막으로 코팅될 수 있다.
챔버(110a) 즉, 튜브(110)의 내부에 탄소 폼(10)이 충전될 수 있는데, 상기 탄소 폼(10)을 충전하는 정도는 가스 흡착 용량 및 압력 강하 등을 더 향상시키기 위해 적절하게 설정할 수 있다.
튜브(110)의 하부, 상하부, 또는 둘레에 발열 소자를 배치할 수 있다. 상기 발열 소자는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 바와 같은 히터 패턴(105) 또는 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 발열과 냉각이 선택적으로 가능한 펠티어 소자(105')일 수 있다. 상기 발열 소자가 펠티어 소자(105')인 경우 이는 상기 튜브(110)의 하부 또는 상하부에 판 형태로 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 농축 장치를 포함하는 가스 검출 장치를 나타낸 개략도이다.
도 6을 참조하면, 가스 검출 장치는 가스 농축 장치와 가스 검출 모듈(200)을 포함할 수 있다. 가스 농축 장치는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 가스 농축 모듈(100) 및 가스 농축 모듈(100)의 흡입구(107b)에 연결된 액적 발생 모듈(300)을 포함할 수 있다. 가스 검출 모듈(200)은 가스 농축 모듈(100)의 배출구(107c)에 연결될 수 있다.
액적 발생 모듈(300)는 가스 농축 모듈(100)의 흡입구(107b)를 통해 탄소 폼(10)에 미세 액적을 공급하는 장치로서, 액체(320)가 저장된 액체 저장부(310); 액체 저장부(310)로부터 액적을 발생시키기 위한 액적 생성기 예를 들어, 분사기(미도시), 히터(미도시), 초음파 진동자(340) 또는 액체(320)내에 담겨진 버블 발생용 가스 주입 라인(471); 및 가스 농축 모듈(100)의 흡입구(107b)에 연결된 액적 배출 라인(350)을 구비할 수 있다. 상기 액체(320)는 물을 함유할 수 있다. 상기 미세 액적은 수 내지 수십 마이크로 미터의 직경을 가질 수 있다.
한편, 가스 농축 모듈(100)의 흡입구(107b)에 타겟 가스 또는 진단 마커를 함유하는 시료 가스(A)가 주입되는 시료 가스 주입 라인(450)이 연결될 수 있다. 시료 가스 주입 라인(450)에는 주입되는 시료 가스의 양을 조절할 수 있는 제1 밸브(V1)가 배치될 수 있다. 시료 가스 주입 라인(450)에 캐리어 가스 주입 라인(470)이 연결될 수 있다. 캐리어 가스 주입 라인(470)으로부터 버블 발생용 가스 주입 라인(471)과 캐리어 가스 이동 라인(472)이 분지될 수 있다. 이 분지 지점에 제2 밸브(V2) 예를 들어 3웨이 밸브, 구체적으로 3웨이 솔레노이드 밸브가 배치될 수 있다. 캐리어 가스 이동 라인(472) 및 액적 배출 라인(350)은 시료 가스 주입 라인(450)에 연결되어 가스 농축 모듈(100)의 흡입구(107b)로 연결될 수 있다. 액적 배출 라인(350)에는 미세 액적 흐름의 개폐를 조절할 수 있는 제3 밸브(V3)가 배치될 수 있다. 상기 제3 밸브(V3)는 유체를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 체크 밸브일 수 있다.
한편, 가스 검출 모듈(200)는 가스 농축 모듈(100)의 배출구(107c)로부터 배출된 농축된 타겟 가스의 종류를 검출할 수 있는 장치로서, 가스 센서, 가스 크로마토그래피(gas chromatography), 질량분석기(Mass Spectrometry), 푸리에 변환 적외분광 분석기(Fourier Transform Infrared Spectrometry; FTIR), 또는 이온 이동성 스펙트로메트리(ion mobility spectrometry)일 수 있다. 구체적으로, 가스 농축 모듈(100)의 배출구(107c)에 가스 배출 라인(250)이 연결될 수 있다. 상기 가스 배출 라인(250)은 외부로 연결된 외부 배출 라인(251)과 가스 검출 모듈(200)에 연결된 가스 검출 라인(252)로 분지될 수 있다. 상기 분지 지점에 제4 벨브(V4) 예를 들어 3웨이 밸브, 구체적으로 3웨이 솔레노이드 밸브가 배치될 수 있다. 또한, 외부 배출 라인(251)과 가스 검출 라인(252)에 각각 펌프들(P1, P2)이 배치될 수 있다. 펌프들(P1, P2)은 첨단 의학, 화학, 바이오 분야에 요구되는 초소형 종합 화학 분석 장치, 랩온어칩 등에 적용할 수 있는 극미량의 유체를 이송하는 것으로 알려져 있는 마이크로 펌프가 이용될 수 있으며, 일정량의 유체를 조절하여 공급할 수 있다면 특정 작용방식에 한정되지 않는다. 펌프들(P1, P2)은 가스를 흡입할 뿐 아니라 흡입되는 가스의 양을 조절하는 역할을 수행할 수 있다.
도 6을 다시 참조하여, 가스 농축 장치의 동작 방법을 설명하기로 한다.
가스 농축 단계
제1 밸브(V1)를 개방하여 타겟 가스를 함유하는 시료 가스(A)가 시료 가스 주입 라인(450)을 통해 주입되도록 할 수 있다. 시료 가스(A)는 휘발성 유기 화합물을 포함하는 가스일 수 있고, 구체적으로는 진단 마커를 함유하는 환자의 호기가스일 수 있다. 일 예로서, 시료 가스(A)는 진단 마커인 메탄 및/또는 에탄이 함유된 내장 박테리아(gut bacterial), 유방암, 과산화지방질(lipid peroxidation), 과민성 대장 증후군(irritable bowel syndrome), 또는 결장암(colon cancer)을 앓는 환자의 호기가스(exhaled breath gas)일 수 있다. 다른 예로서, 시료 가스(A)는 진단 마커인 일산화탄소(CO), 일산화질소(nitric oxide, NO), 및/또는 다수의 알칸 화합물이 함유된 천식(astham), 만성 폐쇄성 폐질환(chronic obstructive pulmonary disease, COPD), 또는 다른 다양한 호흡기 질환을 앓는 환자의 호기가스일 수 있다.
시료 가스(A)의 주입과 함께 제2 밸브(V2)를 사용하여 버블 발생용 가스 주입 라인(471)을 개방하여 캐리어 가스(B)가 버블 발생용 가스 주입 라인(471)을 통해 액적 발생 모듈(300)로 유입되도록 할 수 있다. 캐리어 가스(B)는 질소 등의 불활성 기체 또는 건조 공기일 수 있다. 액적 발생 모듈(300) 내의 액체(320) 내로 유입된 캐리어 가스(B)는 액체(320) 내에 버블을 발생시킬 수 있다. 이와 동시에 또는 이와 별도로 액적 발생 모듈(300) 내의 진동자(340)를 동작시킬 수 있다. 그 결과 액적 발생 모듈(300) 내의 액체(320) 상부에 미세 액적(C)이 포집될 수 있다. 이 때, 제3 밸브(V3)가 개방되어 상기 미세 액적은 액적 배출 라인(350)을 통해 배출될 수 있고, 이 후 시료 가스 주입 라인(450) 내로 유입되어 시료 가스와 함께 가스 농축 모듈(100)의 흡입구(107b)내로 유입될 수 있다.
이 경우, 가스 농축 모듈(100) 내의 탄소 폼(10)에는 시료 가스 중 타겟 가스가 흡착되어 농축될 수 있다. 이 때, 시료 가스와 함께 공급된 미세 액적은 타겟 가스 분자를 1차 흡착함과 동시에 챔버(101a) 내의 상대 습도를 증가시킬 수 있다. 상기 타겟 가스 분자를 1차 흡착한 미세 액적은 탄소 폼(10)에 2차 흡착될 수 있다. 이와 더불어서, 챔버(101a) 내의 증가된 상대 습도로 인해 미세 액적에 흡착되지 않은 타겟 가스 분자 또한 탄소 폼(10)에 쉽게 흡착될 수 있다. 그 결과, 타겟 가스의 탄소 폼(10)으로의 흡착율을 향상시켜 탄소 폼(10) 내의 타겟 가스의 농축 정도를 증가시킴과 동시에 농축 시간을 단축시킬 수 있다. 이 때, 가스 농축 모듈(100)의 히터 패턴(105)에는 전류가 공급되지 않아 발열되지 않을 수 있으며, 그 결과 챔버(101a) 내의 탄소 폼(10)은 상온의 상태에 있을 수 있다.
한편, 탄소 폼(10)에 흡착되지 않은 잔존 가스는 가스 농축 모듈(100)의 배출구(107c)를 통해 배출될 수 있다. 이 때, 제4 밸브(V4)를 사용하여 외부 배출 라인(251)을 개방함과 동시에 가스 검출 라인(252)을 폐쇄하여 가스 농축 모듈의 배출구(107c)를 통해 배출된 잔존 가스(D)를 외부로 배출할 수 있다. 이 때, 외부 배출 라인(251)에 배치된 펌프(P1)가 작동되면서 이러한 가스의 흐름을 제어할 수 있다.
가스 탈착 단계
소정 시간이 경과하여 가스 농축 모듈(100) 내의 탄소 폼(10)에 충분히 타겟 가스가 농축된 후, 가스 농축 모듈(100)의 히터 패턴(105)을 턴온시켜 히터 패턴(105)으로부터 발열을 유도할 수 있다. 그 결과, 가스 농축 모듈(100) 내의 탄소 폼(10)에 농축된 타겟 가스가 배출되기 시작할 수 있다. 이 때, 탄소 폼(10)의 선형 탄소 재료 특히 탄소 나노 튜브는 열전달 특성이 우수하여 타겟 가스의 배출효율을 더 향상시킬 수 있으며 배출시간을 단축시킬 수 있다.
이 때, 시료 가스 주입라인(450)에 배치된 제1 밸브(V1)와 액적 배출 라인에 배치된 제3 밸브(V3)를 폐쇄하고, 캐리어 가스 주입 라인(470)에 배치된 제2 밸브(V2)를 사용하여 버블 발생용 가스 주입 라인(471)을 폐쇄하고 캐리어 가스 이동 라인(472)을 개방하여 캐리어 가스 이동 라인(472) 및 시료 가스 주입 라인(450)을 통해 캐리어 가스가 가스 농축 모듈(100) 내로 유입될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 제4 밸브(V4)를 사용하여 외부 배출 라인(251)을 폐쇄함과 동시에 가스 검출 라인(252)을 개방하여 가스 농축 모듈의 배출구(107c)를 통해 배출된 타겟 가스(E)를 가스 검출 라인(252)을 통해 가스 검출 모듈(200) 내로 공급할 수 있다. 이 때, 가스 검출 라인(252)에 배치된 펌프(P2)가 작동되면서 이러한 가스의 흐름을 제어할 수 있다.
이와 같이, 가스 검출 모듈(200)에 공급되는 타겟 가스(E)의 농도는 시료 가스(A) 내의 농도에 비해 크게 향상되므로, 가스 검출 모듈(200)의 검출 성능은 크게 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농축 장치를 포함하는 가스 검출 장치를 나타낸 개략도이다. 본 실시예에 따른 가스 검출 장치는 후술하는 것을 제외하고는 도 6을 참조하여 설명한 가스 검출 장치와 유사할 수 있다.
도 7을 참고하면, 가스 검출 장치는 가스 농축 장치와 가스 검출 모듈(200)을 포함할 수 있다. 가스 농축 장치는 도 4를 참조하여 설명한 가스 농축 모듈(100′) 및 가스 농축 모듈(100′)의 흡입구(107b)에 연결된 액적 발생 모듈(300)을 포함할 수 있다. 가스 검출 모듈(200)은 가스 농축 모듈(100′)의 배출구(107c)에 연결될 수 있다.
가스 농축 단계에서, 액적 발생 모듈(300)을 사용하여 챔버(101a) 내에 미세 액적을 공급하는 것과 더불어서 혹은 이와 별도로, 가스 농축 모듈(100′)에 구비된 펠티어 소자(105′)는 상기 챔버(101a)와 인접한 제1 전도성층(도 4의 105a)이 냉각되도록 동작 즉, 냉각 동작하여 챔버(101a) 내의 온도를 낮출 수 있다. 다시 말해서 챔버(101a) 내의 온도는 상온보다 낮을 수 있다. 일 예로서, 챔버(101a) 내의 온도는 -10 도 내지 10 도일 수 있다. 이 경우, 챔버(101a) 내의 상대 습도가 더욱 증가될 수 있다. 따라서, 타겟 가스의 탄소 폼(10)으로의 흡착율 및 농축정도가 더욱 향상될 수 있다.
한편, 가스 탈착 단계에서는 상기 펠티어 소자(105′)는 챔버(101a)와 인접한 제1 전도성층(도 4의 105a)이 가열되도록 동작 즉, 발열 동작하여 챔버(101a) 내의 온도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 가스 농축 모듈(100) 내의 탄소 폼(10)에 농축된 타겟 가스가 배출되기 시작할 수 있다.
상기 가스 농축 단계 및 상기 가스 탈착 단계에서, 탄소 폼(10)의 선형 탄소 재료 특히 탄소 나노 튜브는 열전달 특성이 우수하여 타겟 가스의 농축효율 및 배출효율을 더 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농축 장치를 포함하는 가스 검출 장치를 나타낸 개략도이다. 본 실시예에 따른 가스 검출 장치는 후술하는 것을 제외하고는 도 6 또는 도 7을 참조하여 설명한 가스 검출 장치와 유사할 수 있다.
도 8을 참고하면, 가스 검출 장치는 가스 농축 장치와 가스 검출 모듈(200)을 포함할 수 있다. 가스 농축 장치는 도 5를 참조하여 설명한 가스 농축 모듈(100″) 및 가스 농축 모듈(100″)의 흡입구(110b)에 연결된 액적 발생 모듈(300)을 포함할 수 있다. 가스 검출 모듈(200)은 가스 농축 모듈(100″)의 배출구(110c)에 연결될 수 있다.
상기 가스 농축 모듈(100″)에 구비된 발열소자가 히터 패턴(105)인 경우에는 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 동작할 수 있고, 펠티어 소자(105′)인 경우에는 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이 동작할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<탄소나노튜브 폼 제조예 1>
상온에서 25 % 순도를 가진 탄소나노튜브 분말 250 mg (100 중량부)에 덱스트로오스 500 mg (200 중량부) 및 시트르산 700 mg (280 중량부)을 혼합하여 제1 혼합물을 생성하고, 상기 제1 혼합물에 탄산암모늄 500 mg (200 중량부)을 균일하게 혼합한 후, 130 ℃의 온도에서 5 시간 동안 가열하여 탄소나노튜브 폼 전구체를 생성하였다. 상기 탄소나노튜브 폼 전구체를 450 ℃의 온도에서 3시간 동안 열분해하여 유기물 등을 제거하고, 탄소나노튜브 폼을 제조하였다.
<탄소나노튜브 폼 제조예 2>
탄소나노튜브 분말 1g (100 중량부), 덱스트로오스 4g (400 중량부), 시트르산 6g (600 중량부), 및 탄산암모늄 2g (200 중량부)을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 탄소나노튜브 폼을 제조하였다.
<탄소나노튜브 폼 제조예 3>
탄소나노튜브 분말 500 mg (100 중량부), 덱스트로오스 1g (200 중량부), 시트르산 2g (400 중량부), 및 탄산암모늄 1g (200 중량부)을 사용하고, 탄소나노튜브 폼 전구체를 300 ℃의 온도에서 열분해한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 탄소나노튜브 폼을 제조하였다.
도 9a 및 도 9b는 각각 탄소나노튜브 폼 제조예 1에 따른 탄소나노튜브 폼을 촬영한 광학 사진과 SEM 사진이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 탄소나노튜브들은 무정형 탄소층에 의해 덮혀져 있고 이들 사이에 다수의 기공이 존재하는 것을 알 수 있다.
<가스 농축 모듈 성능 평가예 1>
탄소나노튜브 폼 제조예 1을 통해 얻은 탄소나노튜브 폼을 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 가스 농축 모듈의 챔버 내에 배치시킨 후, 시료 가스를 100 sccm, 200 sccm, 300 sccm, 및 400 sccm로 흘리면서 압력강하 정도를 측정하였다.
탄소나노튜브 폼 제조예 1에 따른 탄소나노튜브 폼을 사용한 압력강하 실험에서, 시료 가스가 100 sccm, 200 sccm, 300 sccm, 및 400 sccm 일 때, 각각 81 Pa, 222 Pa, 446 Pa, 및 621 Pa의 매우 양호한 압력강하 값을 나타내었다.
<가스 농축 모듈 성능 평가예 2>
탄소나노튜브 폼 제조예들을 통해 얻은 탄소나노튜브 폼을 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 가스 농축 모듈의 챔버 내에 배치시킨 후, 메탄과 에탄의 농축 성능 실험(GC-FID 이용 검출)을 수행하였다.
도 10a 및 도 10b는 가스 농축 모듈 성능 평가예 2에 따른 가스 농축 모듈의 메탄 가스 농축 결과 및 에탄 가스 농축 결과를 각각 나타낸 그래프들이다. 단, 탄소나노튜브 폼 제조예 1에 따른 탄소나노튜브 폼을 사용한 경우이다.
도 10a를 참조하면, 100 ppb의 메탄을 함유한 시료 가스를 150 sccm의 유량으로 약 30 분간 가스 농축 모듈 내로 유입시킨 후, 히터 패턴을 사용하여 약 2분간 가스 농축 모듈의 챔버 내 온도를 약 300 ℃로 증가시켜 챔버로부터 배출된 가스를 검출한 경우(100 ppb w/ PC) 반응 피크의 적분 면적은 14.36 mV·s이었고, 가스 농축 모듈을 사용하지 않으면서 상기 시료 가스를 그대로 검출한 경우 (100 ppb w/o PC) 적분 면적이 0.3 mV·s이었다. 따라서, 가스 농축 모듈을 사용한 경우의 농축 계수(preconcentration factor)는 47.9이었다.
또한, 100 ppb의 메탄을 함유한 시료 가스를 가스 농축 모듈을 사용하여 농축 후 검출한 경우(100 ppb w/ PC)의 적분 면적(14.36 mV·s)은 5ppm의 메탄을 함유한 시료 가스를 가스 농축 모듈을 사용하지 않고 그대로 검출한 경우(5 ppm w/o PC)의 적분 면적(14.82 mV·s)과 거의 유사하다.
도 10b를 참조하면, 100 ppb의 에탄을 함유한 시료 가스를 150 sccm의 유량으로 약 30 분간 가스 농축 모듈 내로 유입시킨 후, 히터 패턴을 사용하여 약 2분간 가스 농축 모듈의 챔버 내 온도를 약 300 ℃로 증가시켜 배출된 가스를 검출한 경우(100 ppb w/ PC) 반응 피크의 적분 면적은 41.83 mV·s이었고, 가스 농축 모듈을 사용하지 않으면서 상기 시료 가스를 그대로 검출한 경우(100 ppb w/o PC) 적분 면적이 0.49 mV·s이었다. 따라서, 가스 농축 모듈을 사용한 경우의 농축 계수는 85.4이었다.
또한, 100 ppb의 에탄을 함유한 시료 가스를 가스 농축 모듈을 사용하여 농축 후 검출한 경우(100 ppb w/ PC)의 적분 면적(41.83 mV·s)은 5ppm의 에탄을 함유한 시료 가스를 가스 농축 모듈을 사용하지 않고 그대로 검출한 경우(5 ppm w/o PC)의 적분 면적(24.69 mV·s)에 비해 오히려 더 크다.
여기서, 농축 계수란 가스 농축 모듈을 사용하지 않은 경우의 반응 피크 면적 대비 가스 농축 모듈을 사용한 경우 반응 피크 면적의 비로 정의할 수 있다.
이와 같이, 메탄과 에탄의 농축 시험 결과, 탄소 폼을 구비한 가스 농축 모듈을 사용한 경우, 시료 내의 타겟 가스가 ppb 레벨로 극미량 함유된 경우라 하더라도 이를 양호하게 검출할 수 있음을 알 수 있으며 이는 농축 성능의 큰 향상을 의미한다.
<가스 농축 모듈 성능 평가예 3>
탄소나노튜브 폼 제조예 1을 통해 얻은 탄소나노튜브 폼을 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 가스 농축 모듈의 챔버 내에 배치시키고, 상기 가스 농축 모듈에 액적 발생 모듈을 연결하여 가스 농축 과정에서 액적을 공급하여 챔버 내 상대 습도를 20%, 50%, 및 80%로 조절하면서, 에탄의 농축 성능 실험(GC-FID 이용 검출)을 수행하였다.
도 11과 도 12는 가스 농축 모듈 성능 평가예 3에 따른 가스 농축 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11 및 도 12을 참조하면, 5 ppm의 에탄을 함유한 건조된 시료 가스를 150 sccm의 유량으로 가스 농축 모듈을 거치지 않고 바로 GC-FID로 유입시켜 검출한 경우(5 ppm w/o PC, (A)) 반응 피크의 적분 면적은 50.4 mV·s였다. 한편, 100 ppb의 에탄을 함유한 건조된 시료 가스를 150 sccm의 유량으로 약 20 %, 약 50 %, 및 약 80 %의 상대 습도가 되도록 액적이 공급된 가스 농축 모듈에 약 20 분간 공급한 후 히터 패턴을 사용하여 약 2분간 가스 농축 모듈의 챔버 내 온도를 약 300 ℃로 증가시켜 이로부터 배출된 가스를 GC-FID로 유입시켜 검출한 경우(각각 100 ppb + RH 20 % w/PC, 100 ppb + RH 50 % w/PC, 100 ppb + RH 80 % w/PC, (C)) 반응 피크의 적분 면적은 각각 89.7 mV·s, 98.5 mV·s, 103.2 mV·s 였다. 이에 반해, 100 ppb의 에탄을 함유한 건조된 시료 가스를 150 sccm의 유량으로 액적이 공급되지 않은 즉, 상대습도가 0인 가스 농축 모듈에 약 30분간 공급한 후, 히터 패턴을 사용하여 약 2분간 가스 농축 모듈의 챔버 내 온도를 약 300 ℃로 증가시켜 이로부터 배출된 가스를 GC-FID로 유입시켜 검출한 경우(100 ppb w/PC for 30 min, (B)) 반응 피크의 적분 면적은 85.4 mV·s 였다. 이로부터, 상대습도가 0에서 약 30분 농축시킨 경우(B)에 비해, 습기를 공급한 경우 농축시간이 약 10분 짧은 20분인 경우(A) 가스 농축이 효율적으로 이루어져 오히려 가스 검출량이 증가된 것을 알 수 있다. 이로부터, 액적 공급을 통해 챔버 내의 습기를 공급한 경우(C) 가스 농축이 효율적으로 이루어져 가스 검출량이 증가된 것을 알 수 있으며, 또한 상대 습도가 증가에 따라 가스 검출량 또한 증가하는 것을 알 수 있다.
이로부터, 챔버 내의 상대 습도를 증가시킨 경우 시료 가스 내 타겟 가스의 함량이 낮은 경우라 하더라도 보다 짧은 시간 내에 가스 농축을 효율적으로 수행할 수 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 특정 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (22)

  1. 선형 탄소 재료를 함유하고 다수의 기공을 포함하는 탄소 폼을 수용하는 챔버를 포함하는 기재, 상기 챔버의 일측에 연결된 가스 흡입구, 상기 챔버의 타측에 연결된 가스 배출구, 및 상기 기재의 적어도 일측에 배치된 발열 소자를 포함하는 가스 농축 모듈;
    상기 가스 농축 모듈의 상기 가스 흡입구에 연결되고 타겟 가스를 함유한 시료 가스를 주입하는 시료 가스 주입 라인; 및
    상기 시료 가스 주입 라인에 연결된 액적 발생 모듈을 포함하되,
    상기 액적 발생 모듈에서 발생된 액적은 상기 챔버 내의 상대 습도를 증가시키고 상기 타겟 가스와 함께 상기 탄소 폼의 기공 내에 흡착되는 가스 농축 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액적 발생 모듈은 액체가 저장된 액체 저장부, 상기 액체 저장부로부터 액적을 생성시키는 액적 생성기, 및 상기 시료 가스 주입 라인에 연결된 액적 배출 라인을 구비하는 가스 농축 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액체는 물을 함유하는 가스 농축 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 액적 생성기는 상기 액체 내에 담겨진 버블 발생용 가스 주입 라인 또는 초음파 진동자인 가스 농축 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선형 탄소 재료는 불규칙하게 배치되고,
    상기 탄소 폼은 상기 선형 탄소 재료의 외부에 코팅된 소성 탄소층(calcinated carbon layer)을 더 포함하고,
    상기 다수의 기공은 상기 소성 탄소층에 의해 코팅된 선형 탄소 재료 사이에 배치되는 가스 농축 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선형 탄소 재료는 탄소나노튜브인 가스 농축 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발열 소자는 히터 패턴인 가스 농축 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발열 소자는 펠티에 소자인 가스 농축 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 플레이트 형태의 기판이고,
    상기 챔버는 상기 기판의 상부면 상에 트렌치 형태로 형성되고,
    상기 가스 흡입구과 상기 가스 배출구는 상기 기판을 덮는 상판 내에 형성된 가스 농축 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 시료 가스는 상기 타겟 가스로서 휘발성 유기 화합물을 함유하는 가스 농축 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 시료 가스는 호기 가스(exhaled breath gas)인 가스 농축 장치.
  12. 선형 탄소 재료를 함유하고 다수의 기공을 포함하는 탄소 폼을 수용하는 챔버를 포함하는 기재, 상기 챔버의 일측에 연결된 가스 흡입구, 상기 챔버의 타측에 연결된 가스 배출구, 및 상기 기재의 적어도 일측에 배치된 발열 소자를 포함하는 가스 농축 모듈을 제공하는 단계;
    상기 가스 흡입구를 통해 타겟 가스가 함유된 시료 가스를 제공하여 상기 탄소 폼에 타겟 가스를 농축시키는 단계;
    상기 시료 가스의 제공 전 또는 상기 시료 가스를 제공하는 동안 상기 챔버 내에 액적을 공급하여 상기 챔버 내의 상대 습도를 증가시키고 상기 액적은 타겟 가스와 함께 상기 탄소 폼의 기공 내에 흡착되는 단계; 및
    상기 발열 소자를 발열시켜 상기 탄소 폼에 농축된 타겟 가스를 배출하는 단계를 포함하는 가스 농축 장치 동작 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 챔버 내의 상대 습도를 증가시키는 단계는 상기 챔버 내의 온도를 낮추는 것을 더 포함하는 가스 농축 장치 동작 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 발열 소자는 펠티에 소자이고,
    상기 챔버 내의 온도를 낮추는 것은 상기 펠티에 소자를 냉각 동작시키는 것이고,
    상기 탄소 폼에 농축된 타겟 가스를 배출하는 단계에서 상기 펠티에 소자를 발열 동작시키는 가스 농축 장치 동작 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 발열 소자는 히터 패턴 또는 펠티에 소자인 가스 농축 장치 동작 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 선형 탄소 재료는 불규칙하게 배치되고,
    상기 탄소 폼은 상기 선형 탄소 재료의 외부에 코팅된 소성 탄소층(calcinated carbon layer)을 더 포함하고,
    상기 다수의 기공들은 상기 소성 탄소층에 의해 코팅된 선형 탄소 재료 사이에 배치된 가스 농축 장치 동작 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 선형 탄소 재료는 탄소나노튜브인 가스 농축 장치 동작 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 타겟 가스는 휘발성 유기 화합물인 가스 농축 장치 동작 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 시료 가스는 호기 가스(exhaled breath gas)인 가스 농축 장치 동작 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 시료 가스 주입 라인에 연결되고 캐리어 가스를 주입하는 캐리어 가스 주입 라인을 더 포함하고,
    상기 탄소 폼으로부터 타겟 가스를 배출할 때 상기 캐리어 가스를 제공하는 가스 농축 장치.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 탄소 폼으로부터 타겟 가스를 배출하는 단계에서 상기 가스 흡입구를 통해 캐리어 가스를 제공하는 가스 농축 장치 동작 방법.
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