KR100550804B1 - 고분자막 습도센서 - Google Patents

고분자막 습도센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차아민기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제1공중합체 및 알킬할라이드기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제2공중합체를 서로 4차염화반응을 통해 가교화시켜 이루어지는 감습제를 포함하여 이루어지는 고분자막 습도센서에 관한 것으로서, 감습막, 상기 감습막과 전기적 접촉을 유지하는 전극, 상기 전극을 고정시키는 전극스냅 및 상기 전극을 외부와 연결하는 단자를 포함하는 고분자막 습도센서에 있어서, 상기 감습막이 3차아민기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제1공중합체 및 알킬할라이드기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제2공중합체를 서로 4차염화반응을 통해 가교화시켜 이루어짐을 특징으로 한다.
따라서, 감습특성이 우수한 감습막을 포함하는 습도센서를 제공하는 효과가 있다.
습도센서, 감습막, 3차아민기, 알킬할라이드기, 비닐공단량체

Description

고분자막 습도센서 {Humidity sensor comprising polymeric membrane}
도 1은 본 발명에 따른 고분자막 습도센서의 전극을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 고분자막 습도센서에 사용되는 감습막의 감습특성을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 고분자막 습도센서의 온도 의존성 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 고분자막 습도센서의 주파수 의존성 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 고분자막 습도센서의 응답시간을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 고분자막 습도센서의 내수성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 고분자막 습도센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 3차아민기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제1공중합체 및 알킬할라이드기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제2공중합체를 서로 4차염화반응을 통해 가교화시켜 이루어지는 감습제를 포함하여 이루어지는 고분자막 습도센서에 관한 것이다.
습도 검출을 위한 고분자 감습막은 보통 염을 포함하고 있는 비닐단량체들의 중합에 의하여 얻어지는 전해질 고분자를 이용하고 있다. 그러나, 대부분의 전해질 고분자는 수용해성이 크기 때문에 장시간 결로상태나 다습한 상태에서 용해되어 경시변화가 생기는 단점을 가지고 있다.
이를 위하여 여러가지 소수성 단량체들과 공중합하거나, 소수성 중합체에 그라프트공중합하여 전해질을 도입하는 방법을 사용하고 있다. 2개 이상의 다관능성 단량체를 사용하여 가교화시키거나 또는 전해질 겔을 알루미나나 유리 같은 전극기판에 직접 결합시키는 방법 등도 시도되었다. 또한, 4차 염화가 진행될 수 있는 아민이나 포스핀과 같은 작용기를 고분자에 도입하고 디할라이드 경화제와 혼합하여 전극에 도포한 후, 열가교에 의하여 고도의 가교를 부여하는 방법 등도 응용되고 있다. 그리고 최근에는 전해질 고분자와 소수성 고분자의 IPN(interpenetrating polymer network) 형성에 의하여 내수성 개선 등 여러가지 방법이 응용되고 있다. 그러나, 내수성이 부여된 감습막을 포함하는 습도센서는 제조공정을 고려하여 상기 방법들중에서 극히 일부만이 제한적으로 사용되고 있는 실정이다.
포스핀, 피리딘 그리고 3차아민기를 포함하는 공중합체들은 전극에 도포되기 전에 α, ω-디할로알칸의 혼합하거나 반대의 방법으로 알킬할라이드 또는 벤질할라이드를 포함하는 공중합체들을 디포스핀이나 N,N,N',N'-테트라메틸알킬렌디아민으로 4차염을 형성시키고, 가교화시켜 만든 감습막은 매우 좋은 내수성을 보여주며, 감습특성이 좋아 습도센서로서의 응용가능성을 보여주고 있다. 그러나, 감습막과 전극의 기판과의 접착성의 저하로 고습 조건에서 경시변화가 크게 일어나고, 기판에서부터 막의 탈리가 진행되는 문제를 야기하고 있다. 그러나, 이러한 문제가 해결된다면 4차염화를 이용한 가교화는 내수성을 향상시키는데 가장 편리한 방법 중 하나가 될 것이다.
본 발명의 목적은 3차아민기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제1공중합체 및 알킬할라이드기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제2공중합체를 서로 4차염화반응을 통해 가교화시켜 감습막을 형성된 새로운 감습막을 포함하는 고분자막 습도센서를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 고분자막 습도센서는, 감습막, 상기 감습막과 전기적 접촉을 유지하는 전극, 상기 전극을 고정시키는 전극스냅 및 상기 전극을 외부와 연결하는 단자를 포함하는 고분자막 습도센서에 있어서, 상기 감습막이 3차아민기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제1공중합체 및 알킬할라이드기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제2공중합체를 서로 4차염화반응을 통해 가교화시켜 이루어지는 것이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 고분자막 습도센서는, 감습막, 상기 감습막과 전기적 접촉을 유지하는 전극, 상기 전극을 고정시키는 전극스냅 및 상기 전극을 외부와 연결하는 단자를 포함하는 고분자막 습도센서에 있어서, 상기 감습막이 3차아민기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제1공중합체 및 알킬할라이드기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제2공중합체를 서로 4차염화반응을 통해 가교화시켜서 이루어짐을 특징으로 한다.
고분자막 습도센서는 습도에 따라서 임피던스가 변화하는 감습제로서 3차아민기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제1공중합체 및 알킬할라이드기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제2공중합체의 두 종류의 서로 반응할 수 있는 공중합체 용액에 금전극 및 은-팔라듐을 포함하는 전극으로 된 습도센서 전극을 침적하고, 가열에 의해 가교화시켜 감습막으로 형성하여 이루어진다.
상기 제1공중합체를 구성하는 3차아민기를 포함하는 비닐단량체는 상기 제1공중합체에 10 내지 80중량%의 양으로 도입될 수 있다. 상기 3차아민기를 포함하는 비닐단량체가 10중량% 미만으로 포함되는 경우, 감습막의 가교도가 낮아져서 물에 대한 용해성이 증가하는 문제점이 있을 수 있으며, 반대로 80중량%를 포함하는 경우, 감습막의 유연성이 저하되는 등 물리적인 성질의 변화가 있을 수 있으며, 감습특성에도 영향을 미친다.
또한, 상기 비닐공단량체는 상기 제1공중합체에서 3차아민기를 포함하는 비닐단량체를 제외한 잔량으로 포함될 수 있다. 상기 비닐공단량체의 함량조절에 의해 수득되는 감습막의 감습특성 및 막의 유연성을 증가시키는 유리전이온도가 낮은 비닐공단량체의 사용은 수득되는 감습막의 유연성 및 전극과의 접착성을 향상시킨다. 상기 제2공중합체를 구성하는 알킬할라이드를 포함하는 비닐단량체는 상기 제2공중합체에 10 내지 80중량%의 양으로 도입될 수 있다. 상기 알킬할라이드를 포함하는 비닐단량체가 10중량% 미만으로 포함되는 경우, 감습막의 가교도가 낮아져서 물에 대한 용해성이 증가하는 문제점이 있을 수 있으며, 반대로 80중량%를 포함하는 경우, 감습막의 유연성이 저하되는 등 물리적인 성질의 변화가 있을 수 있으며, 감습특성에도 영향을 미친다.
상기 3차아민기를 포함하는 비닐단량체는 2-(N,N-디메틸아미노에틸)아크릴레이트, 2-(N,N-디메틸아미노에틸)메타크릴레이트, 2-(N,N-디에틸아미노에틸)아크릴레이트, 2-(N,N-디에틸아미노에틸)메타크릴레이트, 4-비닐피리딘, 2-비닐피리딘, 알릴아민, 디알릴아민, 트리알릴아민 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 것이 될 수 있다.
상기 알킬할라이드를 포함하는 비닐단량체는 염화비닐벤질, 2-염화에틸아크릴레이트, 2-염화에틸메타크릴레이트, 2-염화에틸비닐에테르, 염화알릴, 4-염화부텐, 6-염화헥센 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 것이 될 수 있다.
상기 비닐공단량체는 필요에 따르고, 감습막의 유연성이나 전극과의 접착성 그리고 감습성 등의 개질 등을 목적으로 사용되는 것으로서, 아크릴산, 메타크릴산, 카르복시에틸아크릴레이트, 카르복시펜틸아크릴레이트, 이타콘산, 말레산, 푸말산, 크로톤산 등의 카르복실기 함유 비닐단량체; 무수말레산, 무수이타콘산 등의 산무수물 비닐단량체; 아크릴산 히드록시에틸, 메타크릴산 히드록시에틸, 아크릴산 히드록시프로필, 메타크릴산 히드록시프로필, 아크릴산 히드록시부틸, 메타크릴산 히드록시부틸, 아크릴산 히드록시헥실, 메타크릴산 히드록시헥실 등의 히드록실기 함유 비닐단량체; N,N-디메틸 아크릴아미드, N,N-디메틸 메타크릴아미드 등의 N-치환 아미드계 비닐단량체; 아크릴산 메톡시에틸, 메타크릴산 메톡시에틸, 아크릴산 에톡시에틸, 메타크릴산 에톡시에틸 등의 아크릴산 알콕시알킬 비닐단량체; 초산비닐, 프로피온산비닐, N-비닐피롤리돈, 메틸비닐피롤리돈, 비닐피리딘,비닐피페리돈, 비닐피리미딘, 비닐피페라진, 비닐피라진, 비닐피롤, 비닐이미다졸, 비닐옥사졸, 비닐몰폴릴, N-비닐카르본산아미드, 스틸렌, α-메틸스틸렌, N-비닐카프로락탐 등의 비닐단량체; 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴 등의 시아노아크릴레이트 비닐단량체; 아크릴산 글리시딜, 메타크릴산 글리시딜 등의 에폭시기 함유 아크릴 단량체; 아크릴산 폴리에틸렌글리콜, 메타크릴산 폴리에틸렌글리콜, 아크릴산 폴리프로필렌글리콜, 메타크릴산 폴리프로필렌글리콜, 아크릴산 메톡시에틸렌글리콜, 메타크릴산 메톡시폴리에틸렌글리콜, 아크릴산 메톡시폴리프로필렌글리콜, 메타크릴산 메톡시폴리프로필렌글리콜 등의 글리콜계 아크릴에스테르단량체; 아크릴산 테트라히드로퍼프릴, 메타크릴산 테트라히드로퍼프릴, 2-메톡시에틸 아크릴레이트 등의 아크릴산 에스테르단량체; 이소프렌, 부타디엔, 이소부틸렌, 비닐에테르 등의 단량체; 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹중에서 선택된 것이 될 수 있다. 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다.
이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것이다.
실시예 1 내지 실시예 5
하기 표 1에 나타낸 바에 따라 감습제로서 3차아민기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제1공중합체 및 알킬할라이드기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제2공중합체를 준비하였다. 공중합체의 제조에 있어서는, 단량체로서 먼저 4-비닐피리딘 80g, n-부틸아크릴레이트 10g 그리고 2-히드록시에틸 메타크릴레이트 10g을 혼합하고, 여기에 개시제 α, α'-아조비스이소부티로니트릴 0.100g을 벤젠 300g에 용해시키고, 탈가스한 후, 60℃에서 24시간 라디칼중합을 진행하여 하나의 공중합체를 합성하였다. 중합이 완료된 후, 메틸렌클로라이드를 첨가하고, 용액을 n-헥산에 재침전시켜 공중합체를 수득하였다. 재침전 과정을 한번 더 반복한 후, 진공건조시켜, 흰색 분말상태의 공중합체(제1공중합체)를 수득하였다. 다른 공중합체는 염화비닐벤질 80g, n-부틸아크릴레이트 10g 그리고 2-히드록시에틸메타크릴레이트 10g을 혼합하고, 여기에 개시제 α, α'-아조비스이소부티로니트릴 0.100g을 벤젠 300g에 용해시키고, 중합앰플에 넣고 질소분위기 하에서 60℃에서 12시간 라디칼중합을 진행하여 하나의 공중합체를 합성하였다. 중합이 완료된 후, 메틸렌클로라이드를 첨가하고, 석유에테르에 재침전시켜 공중합체를 수득하였다. 재침전 과정을 한번 더 반복한후, 50℃의 진공오븐에서 진공건조시켜, 흰색 분말상태의 공중합체(제2공중합체)를 수득하였다.
상기 제1공중합체 20g을 400g의 디메틸술폭시드에 균질하게 용해시켜 용액으로 준비하여 바이알에 담아놓고, 별도의 바이알에 상기 제2공중합체 20g을 역시 400g의 디메틸술폭시드에 균질하게 용해시켜 용액으로 준비하였다. 5℃, 60%RH(상대습도)의 일정한 조건에서 상기 제1공중합체용액과 제2공중합체용액을 신속하게 혼합한후, 소형의 용기에 옮겨 20개의 습도센서 전극을 지그(jig)에 수직으로 꽂아 침적하여 전극에 도포시켜 본 발명에 따른 감습막이 도포된 전극을 제조하였다. 감습막이 도포된 상기 전극은 곧바로 수평을 유지하면서 상온에서 정치시켜 10분 동안 자연건조시킨 후, 점차로 온도를 올려 60℃에서 5시간 동안 가열을 하여 가교화반응을 더 수행하였다. 가교화가 진행된 후, 진공건조시켜 가교화된 공중합체 감습막이 도포된 전극을 형성시켰다. 과량의 피리딜기 또는 벤질기의 존재에 의한 경시변화 방지를 위하여 진공을 조절하여 반응시킬 수 있는 플라스크에 n-염화부틸 또는 트리에틸아민을 넣어 감압상태에서 증기 상으로 60℃를 유지하면서 2시간 동안 더 정치시키고, 잔류 미반응물을 제거하기 위하여 끓는 에탄올에 30분간 침적시킨 후, 다시 진공건조시켜 습도센서의 제조를 완성시켰다.
[표 1]
Figure 112003520502236-pat00001
삭제
한편, 수득된 습도센서를 하기 표 2에 나타낸 바의 조건으로 환경시험을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 3 및 도 3과 도 4에 각각 나타내었다.
[표 2]
Figure 112001524295732-pat00002
[표 3]
Figure 112001524295732-pat00003
또한, 수득된 습도센서에 대하여 전기적 성질을 조사하였다. 수득된 습도센서의 감습특성은 항온항습조의 온도가 25℃, 상대습도 30%RH로 평형이 되었을 때, LCRmeter(Tabai model Espec PL-2G)의 출력을 1kHz, 1V에서 습도를 조절하여 저항값을 측정하였다. 20%RH→90%RH의 가습과정과 90%RH→20%RH의 제습과정의 순서로 히스테리시스를 측정하였다. 그 밖의 온도 의존성계수는 항온항습조의 온도를 15℃, 25℃, 35℃로 변화시켜 상기 순서에 의하여 측정하였으며, 주파수 변화에 따른 저항의 의존성은 출력을 100Hz, 1kHz 그리고 10kHz로 변화시켜 측정하였다. 저습과 고습 사이의 응답속도는 20℃에서 MgCl2 ·6H2O의 포화용액과 KCl의 포화용액의 상대습도인 33%RH 그리고 85%RH 범위에서 측정하였다.
제조된 습도센서들은 20 내지 90%RH에서의 측정결과를 도 2에 나타내었고, 그 밖에 도 3에 온도 의존성 시험결과, 도 4에 주파수 의존성 시험결과, 도 5에 응답속도 그리고 도 6에 내수성에 대한 시험결과를 나타내었다.
상기한 실시예들을 종합한 결과, 본 발명에 따른 습도센서는 상기 표들 및 도면들에서 나타난 바와 같이 우수한 감습특성을 가짐을 확인할 수 있었다. 특히, 분자량이 큰 제1공중합체와 제2공중합체들이 고도의 가교화를 통하여 내수성이 뛰어난 습도센서를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
알킬할라이드와 3차아민은 서로 반응하여 4차암모늄염을 쉽게 형성할 수 있으므로 알킬할라이드와 3차아민을 포함하는 공중합체들은 공중합체들끼리 서로 반응성을 보여주며, 이러한 공중합체들끼리 반응하여 생성된 가교체는 세미-IPN 형태를 가지며, 고도의 가교를 형성하면서 4차암모늄화가 진행되어 우수한 감습특성을 갖는 감습막을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 의하면 감습특성이 우수한 감습막을 제공함은 물론 이를 포함하는 습도센서를 제공하는 효과가 있으며, 최근 자동화 및 제어시스템, 조절시스템을 목적으로 하는 가습기, 보습, 제습, 공기조절, 건조시스템 등의 부품으로 사용될 수 있으며, 자동차의 결로방지, 비디오테이프레코더(VTR ; Video tape recorder), 캠코더, 팩시밀리 등의 결로예지센서, 고습센서, 저온습도센서 등에 이용될 수 있는 습도센서를 제공하는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 감습막, 상기 감습막과 전기적 접촉을 유지하는 전극, 상기 전극을 고정시키는 전극스냅 및 상기 전극을 외부와 연결하는 단자를 포함하는 고분자막 습도센서에 있어서, 상기 감습막이 3차아민기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제1공중합체 및 알킬할라이드기를 포함하는 비닐단량체와 제1비닐공단량체와 제2비닐공단량체를 공중합시킨 제2공중합체를 서로 4차염화반응을 통해 가교화시켜 이루어지며, 상기 제1공중합체를 구성하는 3차아민기를 포함하는 비닐단량체는 상기 제1공중합체에 10 내지 80중량%의 양으로 포함되고, 상기 제2공중합체를 구성하는 알킬할라이드를 포함하는 비닐단량체는 상기 제2공중합체에 10 내지 80중량%의 양으로 포함되는 것을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 3차아민기를 포함하는 비닐단량체는 2-(N,N-디메틸아미노에틸)아크릴레이트, 2-(N,N-디메틸아미노에틸)메타크릴레이트, 2-(N,N-디에틸아미노에틸)아크릴레이트, 2-(N,N-디에틸아미노에틸)메타크릴레이트, 4-비닐피리딘, 2-비닐피리딘, 알릴아민, 디알릴아민, 트리알릴아민 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 알킬할라이드를 포함하는 비닐단량체는 염화비닐벤질, 2-염화에틸아크릴레이트, 2-염화에틸메타크릴레이트, 2-염화에틸비닐에테르, 염화알릴, 4-염화부텐, 6-염화헥센 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 비닐공단량체는 아크릴산, 메타크릴산, 카르복시에틸아크릴레이트, 카르복시펜틸아크릴레이트, 이타콘산, 말레산, 푸말산, 크로톤산 등의 카르복실기 함유 비닐단량체; 무수말레산, 무수이타콘산 등의 산무수물 비닐단량체; 아크릴산 히드록시에틸, 메타크릴산 히드록시에틸, 아크릴산 히드록시프로필, 메타크릴산 히드록시프로필, 아크릴산 히드록시부틸, 메타크릴산 히드록시부틸, 아크릴산 히드록시헥실, 메타크릴산 히드록시헥실 등의 히드록실기 함유 비닐단량체; N,N-디메틸 아크릴아미드, N,N-디메틸 메타크릴아미드 등의 N-치환 아미드계 비닐단량체; 아크릴산 메톡시에틸, 메타크릴산 메톡시에틸, 아크릴산 에톡시에틸, 메타크릴산 에톡시에틸등의 아크릴산 알콕시알킬 비닐단량체; 초산비닐, 프로피온산비닐, N-비닐피롤리돈, 메틸비닐피롤리돈, 비닐피리딘,비닐피페리돈, 비닐피리미딘, 비닐피페라진, 비닐피라진, 비닐피롤, 비닐이미다졸, 비닐옥사졸, 비닐몰폴릴, N-비닐카르본산아미드, 스틸렌, α-메틸스틸렌, N-비닐카프로락탐 등의 비닐단량체; 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴 등의 시아노아크릴레이트 비닐단량체; 아크릴산 글리시딜, 메타크릴산 글리시딜 등의 에폭시기 함유 아크릴 단량체; 아크릴산 폴리에틸렌글리콜, 메타크릴산 폴리에틸렌글리콜, 아크릴산 폴리프로필렌글리콜, 메타크릴산 폴리프로필렌글리콜, 아크릴산 메톡시에틸렌글리콜, 메타크릴산 메톡시폴리에틸렌글리콜, 아크릴산 메톡시폴리프로필렌글리콜, 메타크릴산 메톡시폴리프로필렌글리콜 등의 글리콜계 아크릴에스테르단량체; 아크릴산 테트라히드로퍼프릴, 메타크릴산 테트라히드로퍼프릴, 2-메톡시에틸 아크릴레이트 등의 아크릴산 에스테르단량체; 이소프렌, 부타디엔, 이소부틸렌, 비닐에테르 등의 단량체; 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
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