KR101363759B1 - Microfiber for gas sensing - Google Patents

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KR101363759B1
KR101363759B1 KR1020130017535A KR20130017535A KR101363759B1 KR 101363759 B1 KR101363759 B1 KR 101363759B1 KR 1020130017535 A KR1020130017535 A KR 1020130017535A KR 20130017535 A KR20130017535 A KR 20130017535A KR 101363759 B1 KR101363759 B1 KR 101363759B1
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gas
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라거발 얀
김대겸
황민식
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서울대학교산학협력단
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Abstract

Provided is a microfiber for a gas sensor which includes: a core having liquid crystal portion; a macromolecular sheath which surrounds the core, and which is in contact with gas molecules in order for the gas molecules to be dispersed into the liquid crystal portion. The phase of the liquid crystal changes so as to decrease scattering of light by the change in alignment structure triggered by an infiltration of the gas molecules.

Description

가스센서용 미세섬유{Microfiber for gas sensing}Microfiber for gas sensing

본 명세서에 개시된 기술은 일반적으로 가스센서용 미세섬유에 관한 것이다.The technology disclosed herein relates generally to microfibers for gas sensors.

다수의 유기 증기들의 해로운 생물학적 영향은 인체 건강에 중대한 이슈가 될 수 있다. 또한 이러한 유기 증기들은 가연성으로 인해 공기 중 폭발의 위험이 있으므로 이를 신속히 탐지하는 것은 안전에 있어 매우 중요하다. 이러한 이유로 전기화학적 방법을 사용한 몇가지 탐지 방법들이 개발되어 있다(P.N. Bartlett, et al., Electronic Noses: Principles and Applications; Oxford University Press: Oxford, UK, 1999., R.H.; N.S. Lewis, et al., Anal. Chem. 2000, 72, 3181.).The harmful biological effects of many organic vapors can be a significant issue for human health. In addition, because these organic vapors are flammable, there is a risk of explosion in the air, so detecting them quickly is very important for safety. For this reason, several detection methods have been developed using electrochemical methods (PN Bartlett, et al., Electronic Noses: Principles and Applications ; Oxford University Press: Oxford, UK, 1999., RH; NS Lewis, et al., Anal Chem. 2000, 72, 3181.).

하지만, 상기 탐지 방법들은 센서의 작동을 위해 구동 전력이 필요하고, 데이터를 읽을 수 있는 장치가 필요하며, 복잡한 제조 공정 등의 문제가 있으므로 성능의 개선이 요구 된다.However, the detection methods require driving power for the operation of the sensor, a device capable of reading data, and a problem such as a complicated manufacturing process.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 액정 영역을 갖는 코어(core); 및 상기 코어를 둘러싸며 외부 가스 분자가 접촉하여 상기 액정 영역으로 확산가능한 고분자 외피(sheath);를 포함하되, 상기 액정은 상기 외부 가스 분자의 침투에 의하여 정렬구조가 변화하며 빛의 산란이 감소하도록 상이 변화하는 가스센서용 미세섬유가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a core having a liquid crystal region; And a polymer sheath surrounding the core and capable of contacting external gas molecules to diffuse into the liquid crystal region, wherein the liquid crystal has a change in alignment structure due to penetration of the external gas molecules and reduction of light scattering. There is provided a microfiber for a gas sensor whose phase changes.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상술한 가스센서용 미세섬유로 짜여진 섬유 매트가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a fiber mat woven from the fine fibers for the gas sensor described above.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 액정 코어(core) 및 상기 액정 코어를 둘러싸는 고분자 외피(sheath)를 포함하는 동축 미세섬유를 제공하는 단계; 상기 동축 미세섬유를 외부 가스 분자에 노출시켜 상기 액정 코어에 상기 가스 분자가 침투되도록 하는 단계; 및 상기 가스 분자의 침투에 따른 상기 동축 미세섬유에 대한 빛의 투과도의 변화를 관찰하는 단계를 포함하는 가스 센싱방법이 제공된다.According to another embodiment of the invention, providing a coaxial microfiber comprising a liquid crystal core (core) and a polymer sheath surrounding the liquid crystal core (sheath); Exposing the coaxial microfibers to external gas molecules to allow the gas molecules to penetrate the liquid crystal core; And observing a change in light transmittance of the coaxial microfibers due to the penetration of the gas molecules.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 가스센서용 미세섬유를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 미세섬유를 이용하여 가스를 센싱할 때 발생하는 액정의 상변화를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 가스센서용 미세섬유의 두 가지 형태를 나타낸다.
도 4는 가스센서용 미세섬유를 전기방사 방법으로 제조하기 위한 장치를 나타낸다.
도 5는 전기 방사로 얻어진 동축 미세 섬유의 광학 현미경 사진이다.
도 6은 전기 방사로 얻어진 동축 미세 섬유의 전자 현미경 사진이다.
도 7은 미세섬유의 가스센서로의 응용가능성을 확인하기 위한 가스반응 실험결과이다.
1 shows a microfiber for a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing the phase change of the liquid crystal generated when the gas is sensed using the microfiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows two forms of the microfibers for the gas sensor according to an embodiment of the present invention.
4 shows an apparatus for producing a microfiber for a gas sensor by an electrospinning method.
5 is an optical micrograph of coaxial fine fibers obtained by electrospinning.
6 is an electron micrograph of coaxial fine fibers obtained by electrospinning.
7 is a gas reaction test result for confirming the applicability of the fine fiber to the gas sensor.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 구현예들은 당업자에게 개시된 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서 개시된 기술은 이하 설명된 구현예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following implementations are provided by way of example so that the teachings of the persons skilled in the art are fully conveyed. Accordingly, the disclosed technique is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of components may be exaggerated for convenience.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 가스센서용 미세섬유를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 가스센서용 미세섬유는 액정(liquid crystal) 영역을 갖는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싼 고분자 외피(sheath)를 포함한다.1 shows a microfiber for a gas sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a microfiber for a gas sensor includes a core having a liquid crystal region and a polymer sheath surrounding the core.

상기 액정의 종류에는 특별히 제한이 없으며, 방향족계, 지방족계, 다고리형 화합물 등 종래부터 알려져 있는 액정을 포함한다. 상기 액정의 종류는 바람직하게는 (논키랄) 네마틱 액정 또는 키랄 네마틱 액정(콜레스테릭 액정)일 수 있다.There is no restriction | limiting in particular in the kind of said liquid crystal, A liquid crystal conventionally known, such as an aromatic type, an aliphatic type, and a polycyclic type compound, is included. The kind of the liquid crystal is preferably a (non-chiral) nematic liquid crystal or a chiral nematic liquid crystal (cholesteric liquid crystal).

네마틱(nematic) 액정은 길고 가느다란 막대, 혹은 평평한 판 구조의 기하학적인 모양을 갖는 유기 분자로 구성된 응집 물질로서, 분자 중심의 통계 분포를 살펴보면 액체와 같은 유동성을 보이나 분자 방향이 자발적으로 어느 방향으로 배열되어 액체와는 다른 거시적 이방성을 나타내는 물질이나 그의 상을 의미한다. 분자의 방향은 위, 아래가 동등하기 때문에 분자 분극은 상쇄되어 일반적으로 강유전성을 나타내지 않으나, 굴절률, 유전율, 자화율, 전도도, 점성율 등의 물성들은 분자의 장축에 평행한 방향과 직각인 방향에 대하여 상이한 이방성을 가진다. 특히 외부로부터 전기장을 가하면 유전 이방성에 의해 액정 분자가 전기장 방향과 평행(또는 수직)의 방향으로 재배열하게 된다. 이러한 전기장 유도 배열 변화는 유효 굴절률의 변화를 야기하여 입사되는 빛의 경로나 편광방향 등을 변화시키게 된다. Nematic liquid crystals are agglomerates composed of organic molecules with long, thin rods or flat plate-like geometrical shapes.The statistical distribution of the molecular center shows fluid-like flow, but the molecular direction spontaneously It refers to a material or a phase thereof arranged to exhibit macroscopic anisotropy different from the liquid. Molecular polarization is canceled because the directions of molecules are equal up and down, so they do not generally exhibit ferroelectricity.However, properties such as refractive index, permittivity, magnetization, conductivity, and viscosity are perpendicular to the direction parallel to the long axis of the molecule. Have different anisotropy. In particular, when an electric field is applied from the outside, the liquid crystal molecules are rearranged in a direction parallel to (or perpendicular to) the direction of the electric field due to dielectric anisotropy. Such a change in electric field induction array causes a change in the effective refractive index to change the path or polarization direction of the incident light.

한편 콜레스테릭(cholesteric) 액정은 네마틱 상을 이루는 분자 중에서 그 분자 구조 내에 거울 대칭이 깨지는 키랄 구조를 갖는 경우 나선 구조의 네마틱 상을 보이는 액정이다. 국소적으로 콜레스테릭 액정은 네마틱과 같이 액정 분자가 한 방향으로 향하고 있지만, 거시적으로는 방향자에 수직인 나선 축이 있으며 이 축을 기준으로 방향자는 일정하게 회전하는 특징이 있다. On the other hand, cholesteric liquid crystal is a liquid crystal showing a nematic phase of the spiral structure when the chiral structure of the mirror structure is broken in the molecular structure of the molecules forming the nematic phase. Locally, cholesteric liquid crystals, like nematic liquid crystal molecules, are oriented in one direction, but macroscopically, there is a spiral axis perpendicular to the director, and the director is rotated about this axis.

논키랄 네마틱 액정의 구체적인 예로 4-부틸-N-[메톡시-벤질리덴]-아닐린(MBBA) 및 4-펜틸-4'-시아노비페닐(5CB) 등을 들 수 있으며 키랄 네마틱 액정의 구체적인 예로 콜레스테릴 벤조에이트 및 콜레스테릴 펠라고네이트 등을 들 수 있다.Specific examples of the nonchiral nematic liquid crystal include 4-butyl-N- [methoxy-benzylidene] -aniline (MBBA) and 4-pentyl-4'-cyanobiphenyl (5CB). Specific examples include cholesteryl benzoate and cholesteryl pelagonate.

상기 액정의 함량은 상기 가스센서용 미세섬유 전체 중량에 대하여 10 내지 90 중량%, 바람직하게는 20 내지 80 중량%, 더욱 바람직하게는 40 내지 80 중량%일 수 있다. 상기 액정 함량이 상기 범위 미만이면 가스 센싱 능력이 저하되고 상기 범위 초과이면 섬유 바깥으로 액정이 스며 나와 미세섬유로서의 역할을 제대로 하기 어려울 수 있다.The content of the liquid crystal may be 10 to 90% by weight, preferably 20 to 80% by weight, more preferably 40 to 80% by weight based on the total weight of the microfibers for the gas sensor. If the liquid crystal content is less than the above range, the gas sensing ability is lowered. If the liquid crystal content is more than the above range, it may be difficult to properly function as a microfiber when liquid crystal oozes out of the fiber.

상기 고분자 외피는 상기 액정을 지지하며 가스센서용 미세섬유의 껍질을 형성한다. 상기 고분자의 종류는 폴리우레탄, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리아닐린, 폴리비닐피롤리돈, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페놀, 폴리아세틸렌, 폴리페틸렌, 폴리(락트산), 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(글리콜산), 폴리아크릴레이트, 폴리에스터, 폴리아미드, 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리올레핀, 폴리염화비닐, 폴리이미드, 폴레에테르, 폴리술폰 및 이들의 임의의 조합을 들 수 있다.The polymer shell supports the liquid crystal and forms a shell of the microfibers for the gas sensor. The type of the polymer is polyurethane, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinyl acetate, cellulose acetate, polyaniline, polyvinylpyrrolidone, polypyrrole, polythiophene, polyphenol, polyacetylene, polypetylene, poly (lactic acid ), Poly (methyl methacrylate), poly (glycolic acid), polyacrylate, polyester, polyamide, poly (ethylene oxide), polyolefin, polyvinyl chloride, polyimide, polyether, polysulfone and any of these And combinations thereof.

바람직하게는 휘발성 유기물질 등의 특정 가스의 센싱을 시각적으로 관찰하기 위하여 상기 고분자 외피는 투명 또는 반투명한, 즉 적어도 반투명한 것이 좋다. "적어도 반투명한" 것의 의미는 ASTM-D1003에 따라 고분자의 투과도를 측정하였을 때 입사하는 빛의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 60%, 더욱 바람직하게는 적어도 70%, 더더욱 바람직하게는 적어도 80%, 특히 바람직하게는 적어도 90%가 투과되는 것을 의미한다.Preferably, the polymer shell is transparent or translucent, ie at least translucent, in order to visually observe the sensing of a particular gas, such as a volatile organic substance. By "at least translucent" is meant at least 50%, preferably at least 60%, more preferably at least 70%, even more preferably at least 80% of the incident light when measuring the transmittance of the polymer according to ASTM-D1003. , Particularly preferably at least 90% is transmitted.

또한 상기 고분자 외피는 상기 코어를 둘러싸며 상기 외부 가스 분자가 접촉하여 상기 액정 영역으로 확산가능한 것이 바람직하다.In addition, the polymer shell may surround the core and may be diffused into the liquid crystal region by contact with the external gas molecules.

바람직한 고분자의 종류는 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴레이트, 폴레에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리카보네이트, 사이클릭 올레핀 공중합체, 폴리아릴레이트 및 폴리이미드와 이들의 유도체일 수 있다.Preferred types of polymers are polyvinylpyrrolidone, polyacrylates, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, polysulfones, polyethersulfones, polycarbonates, cyclic olefin copolymers, polyarylates and polyimides and their It may be a derivative.

키랄 네마틱(chiral nematic) 액정일 경우 나선 구조에 의해 선택적으로 빛을 반사시켜 색을 띄게 되며 논키랄 네마틱(nonchiral nematic) 액정의 경우에는 효과적인 굴절률의 공간 변화나 내부의 액정과 고분자 외피 간의 굴절률 차에 의해 빛을 산란 시킨다. 이러한 형태의 미세섬유가 특정 가스에 노출이 될 경우 고분자 피복을 통해 가스의 확산이 일어나고 액정과 혼합하게 되는데 그 결과 키랄 혹은 논키랄 네마틱 액정의 경우에는 등방성(isotropic) 상태로 액정 상이 변하게 된다. 이때 키랄 네마틱 액정의 경우 나선 구조의 꼬임 주기(pitch)가 변하는 과정을 거친다.In the case of chiral nematic liquid crystals, the helical structure selectively reflects light to give color. In the case of nonchiral nematic liquid crystals, the effective refractive index spatial change or the refractive index between the liquid crystal and the polymer shell inside The light is scattered by the car. When the microfibers of this type are exposed to a specific gas, gas diffusion through the polymer coating occurs and mixed with the liquid crystal. As a result, in the case of chiral or nonchiral nematic liquid crystals, the liquid crystal phase changes to an isotropic state. In this case, the chiral nematic liquid crystal undergoes a process of changing the twist period of the spiral structure.

이와 같은 형태의 액정 상의 변화를 육안으로도 쉽게 관찰 할 수 있으며, 이러한 성질을 이용하면 가스 센서로서 적용이 가능하다.This type of liquid crystal phase can be easily observed with the naked eye, and this property can be used as a gas sensor.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 미세섬유를 이용하여 가스를 센싱할 때 발생하는 액정의 상변화를 나타내는 모식도이다. 도 2의 (a)는 논키랄 네마틱 액정의 상변화를 나타내고, 도 2의 (b)는 키랄 네마틱 액정의 상변화를 나타낸다. 도 2의 (a)에서, 정렬된 액정들이 외부 유기 증기(organic vapor)의 확산에 의해 정렬이 깨지는 것을 알 수 있다. 또한 도 2의 (b)에서, 나선 구조의 정렬된 액정들 사이에 유기 증기가 도입되어 꼬임 주기가 변화하며, 이후 정렬이 깨져 등방성으로 변한다.Figure 2 is a schematic diagram showing the phase change of the liquid crystal generated when the gas is sensed using the microfiber according to an embodiment of the present invention. (A) of FIG. 2 shows the phase change of a non-chiral nematic liquid crystal, and FIG. 2 (b) shows the phase change of a chiral nematic liquid crystal. In (a) of FIG. 2, it can be seen that the aligned liquid crystals are broken due to the diffusion of an external organic vapor. In addition, in FIG. 2B, organic vapor is introduced between the aligned liquid crystals of the spiral structure to change the twisting period, and then the alignment is broken and isotropic.

코어 영역의 액정이 키랄 네마틱(chiral nematic) 액정일 경우 낮은 가스 농도에서 색을 나타내고 높은 농도로 갈수록 투명하게 변하는데 이는 액정 분자들의 정렬이 깨지고 등방성 구조로 변하면서 빛의 산란이 감소하기 때문이다. 이와 같이 빛의 산란이 감소하는 현상은 논키랄 네마틱(nonchiral nematic) 액정에서도 관찰할 수 있다.When the liquid crystal in the core region is a chiral nematic liquid crystal, it shows color at a low gas concentration and becomes transparent at higher concentrations because the alignment of liquid crystal molecules is broken and light scattering is reduced as it changes to an isotropic structure. . This phenomenon of light scattering can be observed in nonchiral nematic liquid crystals.

상술한 성질을 이용하면 액정 코어-고분자 외피 구조의 미세섬유를 가스 센서로서 적용할 수 있다. 예를 들어, 액정의 종류나 여러 종류의 액정의 혼합비를 조절하는 방식으로 특정 가스에서만 반응이 극대화될 수 있도록 미세섬유를 제작할 수도 있다. By using the above-described properties, microfibers having a liquid crystal core-polymer shell structure can be applied as a gas sensor. For example, the microfibers may be manufactured so that the reaction can be maximized only in a specific gas by adjusting the type of liquid crystal or the mixing ratio of various types of liquid crystals.

본 발명의 일 구현예에 따르면 동축 미세섬유를 이용한 가스 센싱방법이 제공된다. 상기 가스 센싱방법은 이하와 같은 단계로 구성될 수 있다. 먼저 액정 코어(core) 및 상기 액정 코어를 둘러싸는 고분자 외피(sheath)를 포함하는 동축 미세섬유를 제공한다. 다음 상기 동축 미세섬유를 외부 가스 분자에 노출시켜 상기 액정 코어에 상기 가스 분자가 침투되도록 한다. 이어서 상기 가스 분자의 침투에 따른 상기 동축 미세섬유에 대한 빛의 투과도의 변화를 관찰한다.According to one embodiment of the present invention, a gas sensing method using coaxial microfibers is provided. The gas sensing method may be configured in the following steps. First, a coaxial microfiber including a liquid crystal core and a polymer sheath surrounding the liquid crystal core is provided. The coaxial microfibers are then exposed to external gas molecules to allow the gas molecules to penetrate the liquid crystal core. Subsequently, the change in the transmittance of light to the coaxial microfibers as the gas molecules penetrate is observed.

이때 상기 투과도는 상기 가스 분자의 농도가 높을수록 불투명해질 수 있다. 또한 상기 투과도는 상기 가스 분자의 존재 유무에 따라 가역적으로 변할 수 있다.In this case, the transmittance may become opaque as the concentration of the gas molecules increases. In addition, the permeability may be reversibly changed depending on the presence or absence of the gas molecules.

본 발명의 일 구현예에 따르면 상술한 가스센서용 미세섬유로 짜여진 섬유 매트(fiber mat)가 제공된다. 예를 들어 이러한 미세섬유를 이용하여 섬유 매트를 제작하면 처음에는 내부 액정과 고분자 외피(polymer sheath)와의 광산란에 의하여 불투명하지만 톨루엔 증기(toluene vapor)를 접촉시키면 내부 액정의 정렬이 깨지면서 광산란 효과가 감소하게 되고 이에 의해 섬유 매트가 투명하게 변할 수 있다. 다시 톨루엔 증기 접촉을 중단하면 원래의 불투명한 상태로 되돌아감을 확인할 수 있다.According to an embodiment of the present invention there is provided a fiber mat woven from the fine fibers for the gas sensor described above. For example, fabricated fiber mats using these microfibers are initially opaque due to light scattering between the internal liquid crystal and the polymer sheath, but contact with toluene vapor breaks the alignment of the internal liquid crystal and reduces the light scattering effect. This makes the fiber mat transparent. If you stop contacting the toluene vapor again, you can see that it returns to its original opaque state.

상기 액정 영역은 섬유의 긴 축방향을 따라 연속적인 형상을 가질 수 있다. 다르게는, 상기 액정 영역은 섬유의 긴 축방향을 따라 불연속적인 형상을 가질 수 있다.The liquid crystal region may have a continuous shape along the long axial direction of the fiber. Alternatively, the liquid crystal region may have a discontinuous shape along the long axial direction of the fiber.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 가스센서용 미세섬유의 두 가지 형태를 나타낸다. 도 3의 (a)는 섬유 내 코어를 이루는 액정 영역이 연속적인 형태이고 (b)는 섬유 내 코어를 이루는 액정 영역이 불연속적인 형태이다.Figure 3 shows two forms of the microfibers for the gas sensor according to an embodiment of the present invention. 3 (a) shows a continuous form of the liquid crystal region constituting the core in the fiber, and (b) shows a discontinuous form of the liquid crystal region constituting the core in the fiber.

전체 미세섬유의 직경은 1 내지 3㎛일 수 있으며 액정 영역이 연속적인 형태를 가질 경우 코어의 직경은 0.5 내지 2㎛일 수 있다. 액정 영역이 불연속적인 형태를 가질 경우 액정 영역은 다수의 구체 형상을 포함할 수 있다. 이때 코어의 직경은 0.5 내지 2㎛일 수 있으며 불연속적인 코어들 사이의 간격은 1 내지 2㎛일 수 있다. 불연속적인 코어 형태를 가질 경우 외부 가스와의 접촉가능한 표면적이 더 증대될 수 있다.The diameter of the total microfibers may be 1 to 3㎛ and the diameter of the core may be 0.5 to 2㎛ when the liquid crystal region has a continuous form. When the liquid crystal region has a discontinuous form, the liquid crystal region may include a plurality of spherical shapes. At this time, the diameter of the core may be 0.5 to 2㎛ and the spacing between discontinuous cores may be 1 to 2㎛. Having a discontinuous core shape can further increase the surface area in contact with the external gas.

고분자 미세섬유는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어 고분자 미세섬유의 제조방법은 용융방사, 습식방사, 멜트 블로우잉, 겔 방사, 건식-제트 습식방사, 건식 방사 및 전기방사를 포함한다. 미세섬유 제조방법은 고분자의 성질 및 최종 섬유의 규격 및 물성을 고려하여 선택될 수 있다. 미세섬유 제조과정에서 별도로 또 다른 고분자나 작은 분자 성분을 섬유에 도입할 수 있다. 방사 공정을 통해 또 다른 고분자를 주 고분자와 혼합하거나 고분자와 별도의 도메인을 이루는 방식으로 도입할 수 있다.Polymer microfibers can be produced in a variety of ways. For example, methods for producing polymeric microfibers include melt spinning, wet spinning, melt blowing, gel spinning, dry-jet wet spinning, dry spinning and electrospinning. Microfiber production method may be selected in consideration of the properties of the polymer and the specifications and physical properties of the final fiber. In the process of producing microfibers, another polymer or small molecule component may be introduced into the fiber separately. The spinning process allows the introduction of another polymer by mixing it with the main polymer or by forming a separate domain from the polymer.

본 발명의 일 구현예에 따른 동축형태의(co-axial) 가스센서용 미세섬유는 전기방사 방법으로 제조될 수 있다. 전기방사 방법으로 액정 코어-고분자 외피 복합구조의 미세섬유는 예를 들어 하기와 같이 제조될 수 있다. 외부 고분자 용액의 흐름속도와 액정의 흐름속도 사이의 관계를 변화시킴으로써 코어의 모폴로지가 불연속적인 것으로부터 매우 가늘지만 연속적인 것까지 단계적으로 변화될 수 있다. 높은 액정 흐름속도에서는 연속적인 벌크형 코어 및 두꺼운 섬유가 만들어진다. 전기방사시 섬유가 만들어 지기 시작하는 특정 문턱값을 넘어 전압을 계속 증가시키면 섬유 직경이 감소할 수 있다. 불연속적인 코어는 계면활성제의 첨가로 액정과 고분자 용액의 계면 장력을 조절하여 만들 수 있다.Microfibers for co-axial gas sensors according to an embodiment of the present invention can be produced by an electrospinning method. The microfibers of the liquid crystal core-polymer shell composite structure by the electrospinning method may be prepared, for example, as follows. By changing the relationship between the flow rate of the external polymer solution and the flow rate of the liquid crystal, the morphology of the core can be varied step by step from discontinuous to very thin but continuous. At high liquid crystal flow rates, continuous bulk cores and thick fibers are produced. Increasing the voltage beyond a certain threshold at which the fibers begin to form during electrospinning can reduce the fiber diameter. Discontinuous cores can be made by adjusting the interfacial tension of the liquid crystal and polymer solution with the addition of surfactants.

두 가지 흐름속도나 고분자의 분자량, 고분자 용액의 점도 등과 같은 여러 변수를 결합시킴으로써 원하는 형태의 복합체 미세섬유를 얻을 수 있다.By combining various variables such as two flow rates, molecular weight of the polymer, and viscosity of the polymer solution, a composite microfiber of a desired shape can be obtained.

도 4는 가스센서용 미세섬유를 전기방사 방법으로 제조하기 위한 장치를 나타낸다. 도 4의 (a)는 전기 방사 장치의 모식도이며, (b)는 실제로 실험에 사용했던 전기 방사 장치의 동축 니들(co-axial needle) 구조의 모습이다. 우선 외피(sheath)를 이루는 고분자 용액(Polymer solution)은 테플론 튜브(Teflon tube)와 알루미늄 니들(Aluminum needle)을 연결시켜 공급한다. 코어 액정(LC)은 실리카 캐필러리(Silica capillary)를 알루미늄 니들 내부로 삽입한 후 흘려주었다. 이런 구조의 니들은 코어 물질과 외피 물질이 서로 섞이지 않고 이송될 수 있다는 장점을 갖고 있다. 알루미늄 니들과 콜렉터(Collector)에 고전압을 걸어주면 needle 끝에 전하가 모이게 되고 용액의 표면 장력과 정전기력이 서로 힘의 균형을 이루면서 테일러 콘(Taylor cone)을 형성한다. 이후 일정 전압을 넘어가게 되면 용액이 콜렉터 방향으로 분출되면서 동시에 용매 증발하여 날아가고 섬유만 남게 된다. 이 실험에서는 니들과 콜렉터 사이의 간격을 15초로 유지하였고 전압은 10kV를 걸어주었다. 4 shows an apparatus for producing a microfiber for a gas sensor by an electrospinning method. Figure 4 (a) is a schematic diagram of the electrospinning apparatus, (b) is the appearance of a co-axial needle (co-axial needle) structure of the electrospinning apparatus actually used in the experiment. First, a polymer solution forming a sheath is supplied by connecting a Teflon tube and an aluminum needle. The core liquid crystal (LC) was poured after inserting a silica capillary into the aluminum needle. The needle of this structure has the advantage that the core material and the shell material can be transported without mixing with each other. When a high voltage is applied to the aluminum needle and the collector, charges are collected at the tip of the needle, and the surface tension and the electrostatic force of the solution balance each other to form a Taylor cone. After a certain voltage is exceeded, the solution is ejected toward the collector and at the same time the solvent evaporated to fly away, leaving only the fiber. In this experiment, the interval between the needle and the collector was maintained at 15 seconds and the voltage was applied at 10 kV.

상술한 바와 같이 본 발명의 일 구현예에 따른 가스센서용 미세섬유는 내부에는 액정 물질로 채워져 있고 외부에는 고분자로 감싸여 있는 형태의 섬유이다. 특히 내부 액정 영역이 불연속적인 구 형태로 이루어져 있을 경우 액정과 가스의 접촉 면적이 더욱 증가되고 광 산란 효과도 증대될 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 섬유의 제조방식은 특별히 국한되지 않으나 전기방사의 제조법이 이용될 수 있다.As described above, the microfibers for the gas sensor according to the exemplary embodiment of the present invention are fibers filled with a liquid crystal material inside and wrapped with a polymer on the outside. In particular, when the internal liquid crystal region is formed in a discontinuous sphere shape, the contact area between the liquid crystal and the gas may be further increased, and the light scattering effect may also be increased. The manufacturing method of such fibers is not particularly limited, but an electrospinning method may be used.

본 발명의 가스센서용 미세섬유는 부피 대비 표면적이 커서 응답 속도가 크며, 미세섬유 표면과 내부사이의 농도 구배차이가 크지 않아 센서 반응을 정확히 판단할 수 있다. 또한 부직포처럼 전기방사를 통해 다공성의 섬유 매트를 만들어 의복 형태로 제작을 한다면 입을 수 있는 형태의 가스 센서 제작이 가능할 것이다.The microfibers for the gas sensor of the present invention have a large response area with a large surface area to volume, and do not have a large difference in concentration gradient between the microfiber surface and the inside, so that the sensor response can be accurately determined. In addition, if you make porous fiber mats through electrospinning like non-woven fabrics and make them into garments, it will be possible to produce a gas sensor that can be worn.

이하 본 발명을 다양한 실시예를 들어 설명하고자 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to various embodiments, which are only intended to help understanding of the present invention, and the technical spirit of the present invention is not limited by the following examples.

[실시예][Example]

폴리비닐피롤리돈(PVP) 0.556g에 에탄올 5ml을 넣고 상온에서 12시간 정도 교반하여 완전히 PVP가 녹으면 0.5wt% NaCl을 첨가하고 다시 12시간 동안 상온에서 교반하여 10wt%의 순수한 PVP 용액을 제조하였다. PVP 0.44g에 티타늄(IV) 이소프로폭사이드 150㎕, 아세트산 100㎕, 에탄올 5ml을 넣고 12시간 동안 상온에서 교반하여 PVP-TiO2 용액을 제조하여 사용하였다. 키랄 네마틱(Chiral nematic) 액정으로서, 키랄 도펀트(chiral dopant)인 (S)-4-시아노-4-(2-메틸부틸)-비페닐((S)-4-cyano-4-(2-methylbutyl)-biphenyl)과 네마틱(nematic) 액정인 RO-TN-605를 40:60의 무게비로 상온에서 섞은 후 즉시 사용하였으며 네마틱 액정인 4'-펜틸-4-비페닐카보니트릴(4'-Pentyl-4-biphenylcarbonitrile)을 다른 물질의 첨가 없이 사용하기도 하였다. 불연속 형태의 코어를 제조할 경우에는 양이온성 계면활성제인 미리스틸트리메틸 암모늄 브로마이드(Myristyltrimethyl-ammonium bromide) 1 중량%를 첨가하여 액정과 고분자 용액의 계면 장력을 조절하였다.5 ml of ethanol was added to 0.556 g of polyvinylpyrrolidone (PVP) and stirred at room temperature for 12 hours to completely dissolve the PVP. Then, 0.5 wt% NaCl was added and stirred at room temperature for 12 hours to prepare a pure PVP solution of 10 wt%. It was. 150 μl of titanium (IV) isopropoxide, 100 μl of acetic acid and 5 ml of ethanol were added to 0.44 g of PVP, followed by stirring at room temperature for 12 hours to prepare PVP-TiO 2 solution. As chiral nematic liquid crystal, (S) -4-cyano-4- (2-methylbutyl) -biphenyl ((S) -4-cyano-4- (2) which is a chiral dopant -methylbutyl) -biphenyl) and nematic liquid crystals, RO-TN-605, were mixed immediately at room temperature in a weight ratio of 40:60 and immediately used. The nematic liquid crystal 4'-pentyl-4-biphenylcarbonitrile (4 '-Pentyl-4-biphenylcarbonitrile) was also used without addition of other materials. When preparing a discontinuous core, 1 wt% of myristyltrimethyl-ammonium bromide, a cationic surfactant, was added to adjust the interfacial tension between the liquid crystal and the polymer solution.

실리카 캐필러리(silica capillary)에는 액정을 흘려주고, 알루미늄 캐필러리(aluminum capillary)에는 PVP 용액을 흘려주면서 펌핑 압력을 조절하고 고전압 전력공급기(high voltage power supply)를 이용하여 약 15kV 정도의 전압을 걸어주면 콜렉터(collector)에 잘 정렬된 동축 나노 섬유 매트(coaxial nano fiber mat)를 얻을 수 있다. 이렇게 만들어진 섬유 매트(fiber mat)를 편광 현미경으로 분석 결과 섬유(fiber) 안에 액정이 들어 있음을 확인 할 수 있었고 또한 주사전자현미경(SEM) 분석을 통하여 균일한 형태의 섬유가 얻어졌음을 확인 할 수 있었다. Liquid crystal flows into the silica capillary, PVP solution flows into the aluminum capillary, the pumping pressure is adjusted, and the voltage is about 15 kV using a high voltage power supply. You can get a coaxial nano fiber mat that is well aligned with the collector. As a result of analyzing the fiber mat made by the polarizing microscope, it was confirmed that the liquid crystal was contained in the fiber, and through the SEM analysis, a uniform fiber was obtained. there was.

Poly(vinyl pyrrolidone)은 Across社의 MW 1,300,000을 사용하였고, Titanium(IV) isopropoxide, 아세트산, 에탄올, 톨루엔, 염화나트륨(NaCl) 등은 Aldrich社에서 구입하여 사용하였다. 액정 물질로 (S)-4-cyano-4-(2-methylbutyl)-biphenyl, 4′-Pentyl-4-biphenylcarbonitrile은 Synthon Chemicals에서 그리고 RO-TN-605는 Hoffmann-La Roche社에서 구입하였다. Coaxial 섬유를 만들기 위하여 사용된 니들(needle)은 내경 0.7um의 알루미늄 캐필러리에 BGB Analytik社의 폴리이미드 코팅된 실리카 캐필러리를 삽입하였다. 고분자 및 액정 공급 장치는 Fluigent社의 MFCS-4C로 유량을 조절하였으며 고전압 전력 공급은 Gamma High Voltage Research社의 제품을 이용하였다. 만들어진 전기 방사 섬유는 Nikon社의 Eclipse polarizing optical microscope (POM)를 이용하여 분석하였고 SEM은 JEOL社의 JSM-7500F를 사용하였다. Poly (vinyl pyrrolidone) used Across's MW 1,300,000, and Titanium (IV) isopropoxide, acetic acid, ethanol, toluene, sodium chloride (NaCl) were purchased from Aldrich. As a liquid crystal material, (S) -4-cyano-4- (2-methylbutyl) -biphenyl, 4′-Pentyl-4-biphenylcarbonitrile was purchased from Synthon Chemicals, and RO-TN-605 from Hoffmann-La Roche. The needles used to make the coaxial fibers were inserted with BGB Analytik's polyimide coated silica capillary into an aluminum capillary with an internal diameter of 0.7 um. The flow rate was controlled by Fluigent's MFCS-4C, and the high-voltage power supply was made by Gamma High Voltage Research. The electrospun fiber was analyzed using Nikon's Eclipse polarizing optical microscope (POM), and SEM's JSM-7500F was used.

도 5는 전기 방사로 얻어진 동축 미세 섬유의 광학 현미경 사진이다. (a) 내지 (c)는 각각 (a) PVP만으로 이루어진 섬유, (b) 연속적인 형태의 액정 코어를 갖는 섬유 및 (c) 불연속적인 형태의 액정 코어를 갖는 섬유를 나타낸다.5 is an optical micrograph of coaxial fine fibers obtained by electrospinning. (a) to (c) each represent (a) a fiber consisting solely of PVP, (b) a fiber having a liquid crystal core in a continuous form, and (c) a fiber having a liquid crystal core in a discontinuous form.

비편광 상태에서는 (a), (b), (c)의 경우 모두 일정한 섬유 형태를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 코어의 액정 유무는 편광 상태에서 액정의 복굴절을 관찰하면 확인이 가능하다. 또한 PVP는 무정형 상태이기 때문에 편광 상태에서 복굴절을 보이지 않는다는 장점이 있다. (a)는 PVP로만 이루어진 섬유로 내부 복굴절을 확인할 수 없었다. (b) 및 (c)의 경우에는 내부 액정에 의하여 복굴절을 관찰할 수 있었으며 (b)는 연속적인 액정 상태, (c)는 불연속적인 액정 상태를 보여주고 있다.In the non-polarized state (a), (b), it can be seen that all of the (c) form a certain fiber form. The presence or absence of the liquid crystal in the core can be confirmed by observing the birefringence of the liquid crystal in the polarization state. In addition, since PVP is in an amorphous state, it does not show birefringence in a polarized state. (a) is a fiber composed only of PVP and could not identify internal birefringence. In the case of (b) and (c), birefringence was observed by the internal liquid crystal, (b) shows a continuous liquid crystal state, and (c) shows a discontinuous liquid crystal state.

도 6은 전기 방사로 얻어진 동축 미세 섬유의 전자 현미경 사진이다. (a)는 저배율 이미지이고, (b)는 고배율 이미지이다. 도 6을 참조하면, 동축 미세섬유의 전자 현미경 관찰 결과 직경이 약 1.8um 정도인 섬유가 얻어졌음을 확인할 수 있었다. 또한 섬유가 균일한 외피(sheath) 형태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.6 is an electron micrograph of coaxial fine fibers obtained by electrospinning. (a) is a low magnification image, and (b) is a high magnification image. Referring to FIG. 6, it was confirmed that a fiber having a diameter of about 1.8 μm was obtained by electron microscopic observation of the coaxial microfibers. It was also confirmed that the fibers maintained a uniform sheath shape.

본 발명의 일 구현예에 따른 미세섬유는 가스센서로 사용될 수 있다.Microfiber according to an embodiment of the present invention can be used as a gas sensor.

도 7은 미세섬유의 가스센서로의 응용가능성을 확인하기 위한 가스반응 실험결과이다. 도 7에서, (a)는 PVP만으로 이루어진 섬유의 가스 반응을 나타내고, (b)는 코어 액정을 갖는 섬유의 가스 반응을 나타낸다.7 is a gas reaction test result for confirming the applicability of the fine fiber to the gas sensor. In FIG. 7, (a) shows the gas reaction of the fiber consisting only of PVP, and (b) shows the gas reaction of the fiber having a core liquid crystal.

가스 센서 실험을 위해 톨루엔 증기를 이용하였다. 톨루엔 증기는 톨루엔 용액에 공기를 넣어주어 발생되는 증기를 이용하였다. (a)는 코어에 액정이 없는 PVP만으로 이루어진 섬유로 된 섬유 매트(fiber mat)이며 톨루엔 증기에 노출시키기 전후로 투명도에 어떠한 차이도 확인 할 수 없었다. 하지만 (b)의 경우와 같이 코어에 액정이 있을 경우 섬유 매트에 톨루엔 증기를 노출시키기 전에는 광산란에 의해 불투명하지만 증기에 노출이 되면 2~3초 이내로 투명하게 변함을 확인할 수 있었다. 이는 코어 액정으로 톨루엔 증기가 농도 차이에 의해 확산이 되면서 액정 상이 등방성(isotropic) 상태로 변하게 되고 굴절률 변화를 일으키기 때문이다. 다시 증기 노출을 중단시키면 2~3초 이내로 액정 상은 등방성에서 원래의 상으로 되돌아 가면서 섬유 매트는 불투명해진다.
Toluene vapor was used for gas sensor experiments. Toluene steam was used as the steam generated by introducing air into the toluene solution. (a) is a fiber mat made of fiber consisting only of PVP without liquid crystal in the core, and no difference in transparency was found before and after exposure to toluene vapor. However, as in the case of (b), the liquid crystal in the core was opaque by light scattering before exposing toluene vapor to the fiber mat, but when exposed to steam, it could be confirmed that it became transparent within 2 to 3 seconds. This is because the toluene vapor diffuses into the core liquid crystal due to the difference in concentration, and thus the liquid crystal phase is changed into an isotropic state and causes a refractive index change. Stopping the vapor exposure again returns the liquid crystal phase from isotropic to the original phase within 2-3 seconds, making the fiber mat opaque.

Claims (11)

액정 영역을 갖는 코어(core); 및
상기 코어를 둘러싸며 외부 가스 분자가 접촉하여 상기 액정 영역으로 확산가능한 고분자 외피(sheath);를 포함하되,
상기 액정은 상기 외부 가스 분자의 침투에 의하여 정렬구조가 변화하며 빛의 산란이 감소하도록 상이 변화하는 가스센서용 미세섬유.
A core having a liquid crystal region; And
And a polymer sheath surrounding the core and capable of contacting external gas molecules to diffuse into the liquid crystal region.
The liquid crystal is a microfiber for a gas sensor that the phase changes so that the alignment structure is changed by the penetration of the external gas molecules and the scattering of light is reduced.
제1 항에 있어서,
상기 액정 영역이 섬유의 긴 축방향을 따라 연속적인 형상을 갖는 가스센서용 미세섬유.
The method according to claim 1,
And the liquid crystal region has a continuous shape along the long axial direction of the fiber.
제1 항에 있어서,
상기 액정 영역이 섬유의 긴 축방향을 따라 불연속적인 형상을 갖는 가스센서용 미세섬유.
The method according to claim 1,
And the liquid crystal region has a discontinuous shape along the long axial direction of the fiber.
제3 항에 있어서,
상기 액정 영역이 다수의 구체 형상을 포함하는 가스센서용 미세섬유.
The method of claim 3,
The microfiber for a gas sensor, wherein the liquid crystal region comprises a plurality of spherical shapes.
제1 항에 있어서,
상기 액정은 논키랄 네마틱 액정 또는 키랄 네마틱 액정인 가스센서용 미세섬유.
The method according to claim 1,
The liquid crystal is a non-chiral nematic liquid crystal or chiral nematic liquid crystal microfibers for gas sensors.
제1 항에 있어서,
상기 액정이 상기 가스 분자의 침투에 따라 등방성으로 변화하는 가스센서용 미세섬유.
The method according to claim 1,
The microfiber for the gas sensor is the liquid crystal isotropically changed as the gas molecules penetrate.
제1 항에 있어서,
상기 고분자 외피는 적어도 반투명한 가스센서용 미세섬유.
The method according to claim 1,
The polymer shell is at least translucent microfibers for gas sensors.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 따른 가스센서용 미세섬유로 짜여진 섬유 매트.Fiber mat woven from the fine fibers for gas sensors according to any one of claims 1 to 7. 액정 코어(core) 및 상기 액정 코어를 둘러싸는 고분자 외피(sheath)를 포함하는 동축 미세섬유를 제공하는 단계;
상기 동축 미세섬유를 외부 가스 분자에 노출시켜 상기 액정 코어에 상기 가스 분자가 침투되도록 하는 단계; 및
상기 가스 분자의 침투에 따른 상기 동축 미세섬유에 대한 빛의 투과도의 변화를 관찰하는 단계를 포함하는 가스 센싱방법.
Providing a coaxial microfiber comprising a liquid crystal core and a polymer sheath surrounding the liquid crystal core;
Exposing the coaxial microfibers to external gas molecules to allow the gas molecules to penetrate the liquid crystal core; And
Comprising the step of observing the change in the transmittance of light to the coaxial microfibers as the gas molecules penetrate.
제9 항에 있어서,
상기 투과도는 상기 가스 분자의 농도가 높을수록 불투명해지는 가스 센싱방법.
10. The method of claim 9,
The permeability of the gas sensing method is opaque the higher the concentration of the gas molecules.
제9 항에 있어서,
상기 투과도는 상기 가스 분자의 존재 유무에 따라 가역적으로 변하는 가스 센싱방법.
10. The method of claim 9,
The permeability is a gas sensing method that varies reversibly depending on the presence or absence of the gas molecules.
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