지질자원연, 시료 희석 30초 만에…전처리 전 과정 자동화

- ‘자동 질량비 희석 장치’ 개발…희석비 정확도 99.7% 수준

- 최대 60개 시료 동시 처리…반도체·이차전지·고순도 소재 분석 활용 기대

자동 질량비 희석 장치 모식도. (자료제공: KIGAM)

한국지질자원연구원(KIGAM)이 분석 현장에서 반복적으로 이뤄지던 시료 희석 작업을 자동화한 장치를 개발했다. 시료 분주부터 질량 측정, 희석액 주입, 희석비 계산까지 전 과정을 자동화해 분석의 정확도와 재현성, 생산성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

한국지질자원연구원(원장 권이균)은 지질자원분석센터 박중헌 책임연구원 연구팀이 시료의 전처리 과정 가운데 수작업 의존도가 높았던 희석 작업을 자동화한 ‘자동 질량비 희석 장치’를 개발했다고 8월 13일 밝혔다.

자동 질량비 희석 장치. (자료제공: KIGAM)

질량 기반 희석 방식으로 작업자 편차 최소화

기존의 시료 희석은 주로 부피를 기준으로 이뤄져 온도와 습도, 용액의 밀도, 작업자의 숙련도 등에 따라 결과에 편차가 발생할 가능성이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 개선하기 위해 시료와 희석액의 실제 질량을 측정한 뒤 희석비를 자동으로 계산·보정하는 질량 기반 희석 방식을 적용했다. 이를 통해 시료 분주, 질량 측정, 희석액 주입, 측정값 기록 등 기존에 사람의 손을 거쳐야 했던 과정을 자동화했다.

신뢰성 시험 결과 장치의 희석비 정확도는 99.7% 수준(변동률 0.321%)으로 나타났으며, 시료 질량과 전체 질량 측정에서도 높은 정밀도를 확보했다. 특히 전 과정 자동화를 통해 인적 오류와 시료 오염 가능성을 낮추고, 반복적인 분석 작업의 표준화와 대량 시료 처리 효율을 높일 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

시료 1개당 30~35초…최대 60개 동시 처리

이번에 개발된 장치는 한 번에 최대 60개의 시료를 장착할 수 있으며, 희석비는 5배에서 100배까지 설정할 수 있다. 시료 한 개를 희석하는 데 걸리는 시간은 약 30~35초다. 연구팀은 반복 시험을 통해 장비의 안정성과 내구성도 확인했다.

대량의 시료를 반복적으로 처리해야 하는 분석 현장에서는 전처리 과정의 자동화가 전체 분석 생산성 향상으로 이어질 수 있다. 특히 일정한 조건에서 시료를 처리할 수 있어 분석 결과의 재현성과 데이터 신뢰도를 높이는 데도 도움이 될 것으로 전망된다.

자동 질량비 희석 장치에 장착된 원심관(conical tube). (자료제공: KIGAM)

세라믹·반도체·이차전지 소재 분석에도 활용 기대

연구팀은 이번 기술의 활용 분야를 지질자원 분석에 국한하지 않고 첨단산업 분야로 확대할 계획이다. 현재 장치는 수질·토양·암석·광물 등 지질자원 및 환경 시료 분석을 비롯해 반도체, 디스플레이, 이차전지, 고순도 소재 등 미량 성분의 정밀 관리가 필요한 분야에도 활용될 것으로 기대되고 있다.

이는 세라믹 소재 및 부품 산업에서도 주목할 만한 부분이다. 첨단세라믹 소재는 원료의 순도와 미량 불순물 관리가 소재 특성과 공정 안정성에 영향을 미치는 만큼, 정밀한 시료 전처리와 분석 데이터의 재현성 확보가 중요하기 때문이다.

특히 고순도 세라믹 원료, 기능성 세라믹 분말, 반도체·디스플레이용 세라믹 소재 등의 성분 분석 과정에서 자동화된 시료 전처리 기술이 적용될 경우 분석자의 숙련도에 따른 편차를 줄이고 대량 분석의 효율성을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 보인다.

“첨단산업 초정밀 분석 수요에 대응”

박중헌 지질자원분석센터 책임연구원은 “이번 장치는 그동안 분석 현장에서 반복돼 온 수작업 희석 과정을 표준화·자동화해 사람에 따른 편차를 최소화한 것이 핵심”이라며 “앞으로 반도체·이차전지 등 첨단산업 분야의 초정밀 분석 수요에 대응할 수 있도록 적용 범위를 넓혀 나가겠다”고 밝혔다.

이번 기술은 단순히 시료 희석 작업의 편의성을 높이는 장비를 넘어, 시료 전처리-분석 과정의 표준화와 자동화라는 측면에서 의미가 있다. 향후 반도체·이차전지뿐 아니라 고순도 소재와 첨단세라믹 분야에서 요구되는 정밀·대량 분석 환경 구축에도 활용 가능성이 주목된다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]