표준가스 활용방안
표준가스 활용방안
  • 승인 2006.10.09
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표준가스 활용범위 확대 해야
▲ 이상호 (주)리가스 총괄이사
표준가스는 일반적으로 최소 두 가지 이상의 성분이 섞여 있다는 점에서 혼합가스에 속한다고 할 수 있다. 표준가스는 특정 성분의 정확한 농도가 알려져 있는 가스상 물질이다. 주로 화학 측정 장비의 교정에 사용되며 측정의 기준이 되므로 일반적인 혼합가스에 비해 독특한 그리고 복잡한 여러 단계의 제조 및 검정, 확인 절차를 거쳐야 한다. 특성값, 불확도, 유효기간 및 소급성 등의 중요한 정보가 담긴 성적서가 발급된다.

다른 종류의 표준물질에 비해 표준가스는 가스상 물질을 다뤄야 하므로 고압가스를 다룰 수 있는 고도로 훈련된 인력 및 정밀 장비와 함께 이들을 운용할 수 있는 시스템을 갖추어야 한다. 일반 실험실 또는 현장에서 제조해 활용할 수 있는 다른 표준물질과는 성격이 다르므로 대부분의 경우 표준가스는 전문적인 표준가스 제조기관에서 보급하는 것을 활용하게 된다.

이때 사용자의 요구 즉, 요구 성분, 다성분 혼합 여부, 각각의 농도, 요구 불확도 수준, 가스의 양 등이 매우 다양하므로 표준가스는 대부분 주문 생산 방식으로 제조, 보급되고 있다.

정부·기업, 표준물질 중요성 인식
연구개발로 수입대체 이뤄져

표준가스를 제조하는 통상적인 방법은 최종 표준가스를 구성하는 각 성분의 무게를 측정하는 중량법이다. 이 방법은 각 성분의 충진 압력 비율에 따라 제조하는 압력법에 비해 충진시의 온도상승에 의한 오차가 최소화 되는 장점이 있어 표준가스의 제조법 중 가장 정확한 방법으로 알려져 있다. 중량법에는 세부적인 여러 종류의 테크닉이 필요하다. 기체상 성분 뿐 아니라 미량의 액체상 성분을 정확히 주입, 기화시켜 표준가스로 만드는 다양한 방법도 확립돼 있어야 한다.

그러나 제조과정에 중량법을 사용했다는 것만으로 믿을 수 있는 표준가스가 제조 되었다고 볼 수는 없다. 특히 각종 독성가스 등 환경 분야의 표준가스에는 화학적인 반응성 또는 흡착성을 갖는 물질을 포함하고 있는데 이들은 스틸이나 알루미늄 등 표준가스가 제조되는 고압용기 내부표면과 작용해 농도가 변하는 경우가 대부분이다.

따라서 표준가스를 제조하기 전에 성분농도가 변할 수 있는 가능성을 최소화 하도록 용기 내부에 물리적, 화학적인 처리를 거쳐야 한다. 표준가스를 제조하는 연구소, 회사 들은 각기 고유의 용기 내면처리 기술을 사용하고 있다. 표준가스 품질의 상당부분은 각 기관이 사용하고 있는 용기내면처리기술의 적합성, 수월성에 의해 결정된다. 많은 경우 여러 성분이 혼합되어 있는 혼합 표준가스가 요구되기도 한다.

이때는 혼합할 성분들 간의 화학적인 반응성을 감안해, 혼합 가능성을 판단해야 한다. 특정 성분들 간의 반응으로 인해 다른 반응 생성물이 생기고 원하는 성분의 농도가 감소하는 경우가 있기 때문이다. 예를 들어 악취성분의 대표격인 황 화합물 간의 혼합에는 특히 주의를 기울여야 한다. 미량으로 혼합되어 있는 성분들 간의 반응은 서서히 이뤄지는 경우도 있고 제조 직후 확인할 수 없는 경우도 있으므로 장기간에 걸친 실험이 필요하다.

보통 표준가스는 100기압 이상으로 제조해 보급되지만 휘발성 유기화합물, 악취, 석유화학 공정관리용 표준가스를 제조할 때는 수십 기압 또는 수 기압의 낮은 압력으로 제조해야만 하는 경우도 있다. 각 성분은 자체의 증기압에 따라 표준가스로 제조 가능한 농도 및 압력에 제한이 있으므로 이에 대한 사전 지식 및 경험이 필수적이다.

이와 같은 면에 대한 검토 없이 표준가스를 제조한 경우 일부는 기체상으로 일부는 액체상으로 존재해 표준물질로서 전혀 기능하지 못하고 전혀 엉뚱한 결과치를 산출하게 된다.

특히 다성분 혼합을 하는 경우에는 그 중요성이 더 크다. 따라서 기술적으로 앞선 표준가스 제조기관은 각 성분의 증기압, 목표 농도를 대입하여 충진 가능 압력을 계산하는 프로그램을 작성, 사용하고 있다.

표준가스를 보급하기 위한 마지막 단계로, 제조된 표준가스의 농도를 다양한 가스 분석기기로 확인, 검증한다. 완벽한 수학적 계산, 내면 처리 및 중량법을 거쳐 제조된 가스라 하더라도 제조자에 따른 오차, 제조 환경 변화에 따른 오차, 원료 가스 오염에 따른 오차 등 수많은 요인들이 표준가스의 성분 농도에 영향을 미칠 수 있다. 이와 같은 오차 원인을 확인, 제거하기 위해서는 훈련된 화학 분석자와 함께 이들이 산출한 결과를 해석, 개선할 수 있는 능력을 가진 분석화학자가 필요하다.

또한 각 성분별, 농도별로 최적의 분석 결과를 산출할 수 있는 분석 절차가 확립돼 있어야 하며 잘 정비된 정밀 분석 기기가 필요하다. 가스 크로마토그래피가 가장 대표적인 기기이며 그 외에 가스 분석용 FT-IR, 가스 UV-Vis 분광기 및 각 개별 성분의 분석에 특화된 전용분석기가 있다.

표준가스는 산소, 산화질소, 이산화황 등 대기환경에 관련된 분야 및 화학공장에서의 공정관리를 위한 표준가스 등이 주를 이루어 왔다. 그러나 각종 산업 및 과학기술이 발전함에 따라 다양한 분야에서 표준가스를 필요로 하게 됐다. 특히 각종 화학분석장비의 기술개발에 따라 과거 분석이 매우 까다롭거나 불가능하던 많은 성분들의 분석, 측정이 가능하게 되면서 표준가스의 활용 분야도 빠르게 증가하고 있다.

용도 면에서도 악취물질, 휘발성 유기화합물, 포름알데히드를 포함한 실내 공기질 관련 물질, 화학무기, 반도체 공정에 사용되는 각종 독성가스 등 가스분석의 필요성, 중요성이 강조되는 분야가 확대되고 있으나 화학물질 측정에서 기준이 되는 표준가스의 미개발로 인해 측정이 불가능한 경우가 많다.

이에 따라 국내에서도 각종 표준가스의 개발이 활발히 추진되고 있으며 그 예로는 독성가스 누출 감지용 표준가스, 부취제 측정용 표준가스, 포름알데히드 측정용 표준가스, 음주측정기 교정용 표준가스 등이 있다.

그동안의 연구개발로 과거 10년 이전에 비해 상당한 수준의 수입 대체가 이뤄졌으며 앞으로는 표준가스의 수출도 확대되리라 예상된다.

화학 측정은 산업, 환경, 연구의 기반이다. 그리고 그 측정의 기준은 표준물질이다. 고가 측정 장비의 보유와 활용을 중요시하면서도 그 장비를 이용한 측정치의 신뢰성을 결정하는 표준물질에 대해서는 그 중요성이 간과되어온 경향이 있었다.

그러나 이제 정부와 기업에서도 그 중요성을 인식해 KOLAS 표준물질 제조기관 인정제도가 도입됐으며, 표준물질 종합정보시스템도 구축될 예정이다.

표준가스 분야는 다른 종류의 표준물질 분야에 비해 국내 연구개발과 보급이 가장 활발하다. 앞으로도 국내 표준가스 제조 기관간의 선의의 경쟁과 협력을 기대한다.

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