중수소 및 수소 기체 중 수소동위원소 정량분석법

국문 초록 (Abstract)

수소의 안정동위원소는 H와 중수소(D)가 있고, 분자로는 H2, HD, D2가 있다. 중수소는 일반 수소보다 확산속도가 낮아 공정의 안정성을 높일 수 있다. 이러한 이유로 최근 전자 및 반도체 등의 산업에서 수소 대신 중수소를 사용하는 추세이며, 활발한 연구가 진행되고 있다. 한국이 수입하는 중수소 가스(D₂)양이 전 세계 시장의 절반 이상임에도 불구하고 산업적용에 적합한 중수소 생산설비가 구축되어 있지 않아 전량 수입에 의존하고 있다. 현재 국내 여러 기업에서 중수소 생산시설을 구축하여 순도 높은 중 수소를 생산하고자 한다. 중수소 가스(D₂)는 중수(D₂O)를 전기분해하는 방식으로 생산하게 되는데 이 과정에서 생산되는 중수소 가스(D₂) 내부에는 그 동위원소인 H₂(Hydrogen)와 HD(Hydrogen Deuteride)가 불순물로 존재하게 된다. 이는 결국 중수소 가스의 순도에 영향을 미치게 되기 때문에 산업에 활용되기에 적합하지 않다.
본 실험에서는 수소, 중수소, HD(Hydrogen Deuteride) 각각의 고순도 가스 3종을 활용하여 미량의 수소 동위원소들을 정밀기체질량분석기(Precision Gas Mass Spectrometer, MAT271)를 사용하여 분석하였다. 분석에는 H₂, HD, D₂ 가스의 감도값을 사용하여 각각의 가스 내에 존재하는 수소동위원소들을 정량하였다. 수소에는 불순물로의 HD가 300 μmol/mol, 중수소에는 2500 μmol/mol, HD에는 중수소가 약 5000 μmol/mol 수준으로 존재하는 것을 확인했다. 해당 고순도 물질을 이용하여 수소동위원소를 분석용 CRM을 개발할 계획이며, 해당 CRM은 반도체 공정 품질관리에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.