ICP의 측정원리

ICP 방출분석장치의 개략도

들뜸원의 토오치에 냉각, 보조, 운반 등 3종류의 아르곤 기체를 흘려주면서 유도코일에 들뜸전원으로부터의 고주파전력을 공급하여 토오치 위에 플라즈마를 생성시킨다. 플라즈마가 안정화된 다음 시료도입부로부터 분무기를 통하여 시료용액을 플라즈마에 도입하면 측정 대상원소의 원자나 이온이 들떠서 복사선을 방출한다. 이 복사선을 집광시켜 분광기의 입구슬릿에 초점을 맞추게 한 다음, 분광기로 측정원소의 방출선을 선택하고 출구슬릿을 통하여 검출기에 도달하게 된다. 검출기에 도달하면 증폭 및 연산장치에 의해 증폭되고 아날로그 신호에서 디지털로 변형된 후 데이터 기록장치에 입력되어 소정의 신호로 기록된다.

검출기에 따른 ICP 종류

PMT(Photo Multipier tube, 광전증배관)

분광기의 출구슬릿 바로 뒤에 광전증배관을 놓고 광 신호를 검출하고 광전변환하여 광 전류로서 광의 세기를 측정한다. 표준 광전증배관은 아홉 단계의 다이노드(dynode)가 배열되어 그 사이에 저항을 주어 조금씩 전압차를 갖게 한다.

광자의 충돌에 의해 광전 음극에서 발생된 전자는 2차 전자 방출이 용이한 다이노드에 의해 한 단계씩 증식되어 최종단의 양극에 모이게 된다.

CTD(Charge Transfer Detector)

• - Solid state 형태의 검출기로, 일정 면적에 조사되는 복사선을 측정하는 면적 검출(Area Detection)방식.
• - 모든 파장을 동시에 검출하는 동시분석 검출기.
• - 3차원적인 조사가 가능하며, finger print 기능이 있다.
• - 광전증배관 전체에 걸어주는 전압은 500-1000V이며, 106배까지 광전자가 증배된다.
• - 종류
  • · CID(Charge Injection Device) - XDL, XUV
  • · CCD(Charge Coupled Device)
  • · SCD(Segment Coupled Device)

검출방식에 따른 ICP 분류

일반적으로 ICP는 검출방식에 따라 3종류로 나누어진다.

즉, 고전적인 방식인 radial viewing과 최근에 사용되는 axial viewing이 있으며, 이 두 방식의 장점을 살려 사용되는 dual viewing이 있다.

개요

X-선 형광분석기(XRF)와 X-선 회절분석기(XRD)가 갖추어져 있고, X-선 형광분석기로는 광물, 금속 및 용액 중의 무기물 정성 및 정량 분석을 수행하고 있으며, X-선 회절분석기는 광물, 금속, 단결정 및 고분자 등의 결정 구조 분석을 통하여 정성/정량 분석, 격자상수 등의 측정이 가능하다.

X-선 형광분석

원리

X-선 형광분광 분석기는 X-선관, 시편노출장치, 분석용 결정판, 검출기로 구성되어 있으며, X-선관에서는 걸어준 전압에 따른 최소파장에서부터 연속 X-선이 방출되어 시료에 있는 원소들을 들뜨게 하여 특성 X-선을 내게 한다. 이 특성 X-선들은 분석용 결정판에서 Bragg의 회절식에 의하여 파장별로 분광되어 검출기에서 검출되는데, 그 파장은 시료중의 존재원소를 정성적으로 측정되고, 특성 x-선의 세기를 측정하여 표준물과 비교하여 정량분석을 한다.

분석범위

시료를 용액으로 처리하지 않고서도 비파괴 분석할 수 있으며, Boron에서 Uranium까지의 전 원소를 미량에서 수십 %까지 신속, 정확하게 분석할 수 있다. X-선 형광분광 석법은 시료의 종류, 물리적 상태, 농도범위, 원소등에 대해 다른 기기보다 응용범위가 대단히 넓으며 구체적인 활용분야는 다음과 같다.

• - 철 및 비철 재질 분석
• - 각종 원자재(광물, 토양 등)류 분석
• - 제품 분석 (Ceramics, Plastic 및 Rubber 제품의 각종첨가제 및 유해 물질)
• - 각종 Oil 류 분석 (폐유 중 Ware metal)
• - 수질 및 환경시료 분석

분석예

• 오일 중 S 분석
• unknown sample의 반정량 분석

X-선 회절분석기

원리

금속결정(結晶)은 3차원적으로 규칙적인 배열의 결정격자 구조를 하고 있으므로, 결정에 입사하는 X선이 어떤 격자면에 관하여 브래그 조건을 만족시키고 있으면, 각각 특정방향으로의 브래그 반사를 일으키는 현상을 이용한 장비이다. 1912년 M.라우에 등에 의해 처음으로 관찰된 이후 물질구조, 특히 결정구조 해석의 중요한 연구수단으로 이용되고 있다.

사용범위

금속 및 합금, 무기화합물, 암석광물, 유기화합물, 폴리머, 생체재료 등에서 구조측정이 가능하고, 결정질 및 비정질재료, 분말 시료 및 판상, 액체, 리본, thin film시편에 대해서도 구조측정 가능하다.

X-선 회절분석의 특징

• - 물질의 정성분석
• - 격자상수를 정밀하게 산출
• - 미소결정의 크기 결정
• - 결정성의 좋고 나쁨을 조사
• - 결정의 배향성을 조사
• - 결정내부의 변형을 측정
• - 혼합물과 화합물을 쉽게 구별
• - 고용에 의한 격자의 팽창 및 수축정도 확인
• - 회절선의 강도를 측정해서 각 성분의 정량분석
• - 결정구조 해석
• - 실험조작 용이

X-선 회절계의 일반적인 구조

Carbon & Sulfur 분석

개요

산소, 질소 등과 같은 극성분자를 제외한 모든 분자는 적외선 영역에서 흡수된다. 모든 분자는 고유한 스펙트럼 선을 가지고 있기 때문에 C & S 분석기는 산소로 채워진 Combustion Chamber에서 Furnace가 작동하고 적외선 검출 Cell에서 에너지변화에 따른 탄소와 유황의 함량을 정량적으로 검출한다.

적용분야

금속(철강 및 비철), 광물, 세라믹 등 무기물질 내의 탄소와 유황의 함유량 측정

장비분석 개요도

공업분석

개요

TGA (Thermo-gravimetric Analysis)는 온도변화에 따른 시료의 무게변화를 측정하여 시료의 물리, 화학적 특성을 분석하는 기기로 수분, 회분, 휘발성분, 고정탄소 등을 연소에 의한 질량감소로 측정할 수 있다

적용분야

다양한 유기시료(Coal, 폐기물시료)에 함유되어 있는 수분, 회분, 휘발분, 고정탄소의 측정

장비분석 개요도

나노소재

• - 나노소재 분석은 탄소나노소재 및 금속나노입자, 전기화학촉매 등 그 활용 분야에 따라 다양하게 사용되고 있으므로 각 나노소재에 대한 정확한 분석이 필요
• - 입자크기, 비표면적, 기공부피, 나노구조, 형태(Morphology) 등 다양한 특성 분석을 위한 장비를 구비하고 있으며, 최신 장비를 보유한 각 기관과의 협업을 통해 나노분석에 대한 최신 정보 제공

나노 분석장비

• 

  1. Particle size
  Analyzer

• 

  2. Nano Particle-size
  Analyzer

• 

  3. BET Surface
  Area Analyzer

• 

  4. Scanning Electron
  Microscopy (SEM)

• 

  5. X-ray
  Diffraction (XRD)

• 1. Particle size Analyzer : 마이크로 입자의 크기(Diameter), 분포(Distribution)를 분석
• 2. Nano Particle-size Analyzer : 나노입자의 크기(Diameter), 분포(Distribution)를 분석
• 3. BET Surface Area Analyzer : 가스흡착을 이용하여 비표면적, 기공부피, 평균기공크기 등 입자표면의 기공과 관련된 분석
• 4. Scanning Electron Microscopy (SEM) : SEM은 시료 표면 분석을 통해 미세구조 분석 및 입도분석, 단면분석이 가능하며 EDS 장비를 통해 미지시료의 정성분석 가능
• 5. X-ray Diffraction (XRD) : 금속, 무기물, 촉매 등 다양한 범위의 물질을 결정학을 통해 나노구조 분석 가능

분석사례

• 

  유기물의 정성분석
  (라만분석기)

• 

  시료의 기공크기 확인
  (비표면적 분석기)

입자 형태

• - 주사전자현미경(SEM)
• ?
• - 에너지 분산형 X-ray 분광기(EDS, 입자 사이즈 : > 0.5 μm)
• ??
• - 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR, 입자 사이즈 : > 15 μm, 유기질 입자)
• ??
• - 오제 전자 분광기(AES, 입자 사이즈 : > 20 nm)
• ??
• - 비행 시간형 2차 이온 질량 분광기(TOF-SIMS)
• ?

잔존물 형태

• - 오제 전자 분광기(AES, 입자 사이즈 : > 20 nm)
• - 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR, 분포 형태 : 작은 영역)
• - X-ray 광전자 분광기(XPS)
• - 비형 시간형 2차 이온 질량 분광기(TOF-SIMS)

변색 부위, 얼룩 형태

• - X-ray 광전자 분광기(XPS, 화학적 결합 상태 판단 가능)
• - 오제 전자 분광기(AES, 분포 형태 : 작은 영역)
• - 비행 시간형 2차 이온 질량 분광기(TOF-SIMS, 정량 단위 : mg/kg(ppm), 유기물 가능)

층상 형태

• - 에너지 분산형 X-ray 분광기(EDS, 층 두께 : > 0.5 &?
• - X-ray 광전자 분광기(XPS, 원소 정량)
• - 오제 전자 분광기(AES)
• - 2차 이온 질량 분석기(SIMS, 정량단위 : mg/kg(ppm), 층 두께 : > 10 μm)

이물질 분석 모식도

이물질 분석 사례 - 1

X-RAY 광전자 분광기를 이용한 표면 얼룩이 텅스텐 산화물임을 규명

이물질 분석 사례 - 2

비행시간형 2차이온 질량 분광기(TOF-SIMS)를 이용하여 표면 얼룩이 기계용 윤활유(C37H68O8)로 규명됨