신소재기초실험 | 이원계 저온 합금의 열분석 시스템 설계

 

 

 

TIP

 

 

1. 재료물리학, 고체화학, 고분자 화학 등의 재료분야에서 폭넓게 이용되고 있는 시차열분석에 대하여, 그 원리와 기초지식을 학습한다. 
2. 본 실험에서는 융점이 낮은 이원계 합금을 직접 제조하고, 유도결합플라즈마 방출분광법(ICP-AES)을 이용하여 합금의 조성을 확인한다.

 

 

 

유도결합플라즈마 방출분광법(ICP-AES)

시료를 고주파유도코일에 의하여 형성된 아르곤 플라즈마에 도입하여 6,000 ～ 8,000K에서 여가된 원자가 바닥상태로 이동할 때 방출하는 발광선 및 발광강도를 측정하여 원소의 정성 및 정량분석에 이용하는 방법이다.

 

ICP는 Ar가스를 플라즈마 가스로 사용하여 수정발진식 고주파발생기로부터 발생된 주파수 27.13MHz영역에서 유도코일에 의하여 플라즈마를 발생시킨다. ICP의 토치는 3중으로 된 석영관이 이용되며 제일 안쪽으로 시료가 운반가스(Ar, 0.4～2l/min)와 함께 흐르며, 가운데 관으로는 보조가스(Ar, 플라즈마가스, 0.5～2l/min), 제일 바깥쪽 관에는 냉각가스(Ar, 10～20l/min)가 도입되는데 토치의 상당부분에는 물을 순환시켜 냉각시키는 유도코일이 감겨있다.

 

이 유도코일을 통하여 고주파를 가해주면 고주파가 Ar 가스 매체 중에 유도되어 플라즈마를 형성하게 되는데 이때 테슬라 코일에 의하여 방전하면 Ar 가스의 일부가 전리되어 플라즈마가 점등된다. 방전 시에 생성되는 전자는 고주파 전류가 유도코일을 흐를 때 발생하는 자기장에 의하여 가속되어 주위의 Ar가스와 충돌하여 이온화되고 새로운 전자유도결합플라즈마 방출분광법(ICP-AES)와 Ar이온을 생성한다.

 

이와 같이 생성된 전자는 다시 Ar가스를 전리하여 전자의 증식작용을 함으로서 전자밀도가 대단히 큰 플라즈마 상태를 유지하게 된다. Ar 플라즈마는 토치 위에 불꽃 형태(직경 12～15㎜, 높이 약 30㎜)로 생성되지만 온도, 전자밀도가 가장 높은 영역은 중심축보다 약간 바깥쪽(2～4㎜)에 위치한다. 이와 같은 ICP의 구조는 중심에 저온, 저전자 밀도의 영역이 형성되어 도넛 형태로 되는데 이 도넛 모양의 구조가 ICP의 특징이다.

 

에어로졸 상태로 분무된 시료는 도넛 내부의 좁은 부위에 한정되므로 광학적으로 발광되는 부위가 좁아져 강한 발광을 관측할 수 있으며 화학적으로 불활성인 위치에서 원자화가 이루어지게 된다. 플라즈마의 온도는 최고 15,000K까지 이르며 보통 시료는 6,000～8,000K의 고온에 도입되므로 거의 완전한 원자화가 일어나 분석에 장애가 되는 많은 간섭을 배제하면서 고감도의 측정이 가능하게 된다. 또한 플라즈마는 그 자체가 광원으로 이용되기 때문에 매우 넓은 농도범위에 시료를 측정할 수 있다.

 

ICP-AES는 유도결합전류에 의해 형성된 고온(6000K 이상)의 Ar 플라즈마에 시료용액을 분무하면 시료의 원자는 들뜨게 되고, 이 때 방출되는 빛을 분광시켜 광전증배관에서 검출하여 시료 속의 원소를 정량, 정성한다. Microwave Digestion 장비를 이용하여 고체시료를 용액화하여 분석할 수 있으며50개의 시료를 분석할 수 있는 Automatic Sampler의 사용으로 많은 수의 시료들을 효율적으로 처리하여 분석기간도 단축할 수 있다.

 

Ultrasonic Nebulizer를 이용하면 보통 사용하는 Nebulizer보다 원소에 따라 검출한계를 10-100배 낮출 수 있고, Hg, Bi, As, Se, Sn, Te 원소 분석시 Hydride Generator를 이용하면 ppb 단위까지 분석할 수 있다. 수 ppb에서 수백 ppm의 범위에서 약 70여개의 원소를 5%의 오차 내에서 측정할 수 있다. ICP-AES를 통해 분석 가능한 원소는 그림에 나타내었다.

 

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 시편제작

실험에서 Pb, Sn drop을 사용하고 원하는 mol%조성을 맞춘다. mol%조성을 맞춘 후에 pyrex 또는 quartz tube 안에 넣고 토치를 사용하여 용해시킨 후에 원하는 조성의 Pb-Sn 합금을 제작한다. 그림 1은 Pb-Sn의 상태도를 나타낸다.

 

그림 1. Pb-Sn 상태도

 

2) Pb-Sn 합금의 용해 및 ICP-AES 분석

제조한 Pb-Sn 합금을 ICP-AES 분석을 위하여 0.1g 잘라내어 왕수(질산:염산 = 1:3) 10㎖에 완전히 녹을 때까지 용해시킨다. 전처리를 하여 용해시킨 후에 시료중의 Pb, Sn의 농도가 적어도 수ppm 이상이 되도록 증류수를 첨가하여 준다.

 

ICP-AES분석을 위한 농도가 다른 Pb, Sn의 혼합표준용액을 사용하여 각 원소의 농도를 데이터 처리장치에 입력시키고 각 혼합 표준용액을 플라즈마에 도입하여 각 원소의 스펙트럼선 강도를 측정하고 각 원소의 농도와 발광광도와의 검량선을 그려준다. 용해시킨 시편 용액을 플라즈마에 도입하고 미리 그려놓은 검량선을 이용하여 시료 중의 원소농도를 측정한다. 측정한 데이터에 따라서 제조한 Pb-Sn 합금의 조성을 확인한다. 그림 2는 ICP-AES 장비와 측정 결과 데이터이다.

 

그림 2. ICP-AES와 측정예

 

 

[신소재기초실험]이원계 합금의 제조 및 분석

 

 

[신소재기초실험]이원계 저온 합금의 열분석 시스템 설계 레포트