KR101888130B1 - Smart-shield for gas sensor and manufacture method thereof - Google Patents

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KR101888130B1 KR1020160141591A KR20160141591A KR101888130B1 KR 101888130 B1 KR101888130 B1 KR 101888130B1 KR 1020160141591 A KR1020160141591 A KR 1020160141591A KR 20160141591 A KR20160141591 A KR 20160141591A KR 101888130 B1 KR101888130 B1 KR 101888130B1
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고성석
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Abstract

본 발명은 딥 코팅 과정을 거쳐 실리카 코팅 및 소수성 물질 코팅으로 이중 코팅된 불소계 폴리머 필름으로 제작된 기체센서 보호용 멤브레인에 관한 것이다.
상기 딥 코팅 방법은, 유기용매에 SiO2 나노입자를 분산한 용액에 접착제를 첨가하고 불소계 폴리머 필름을 침지하고 건조하는 과정을 반복해서 불소계 폴리머 필름을 SiO2로 코팅하는 단계와, 소수성 물질이 혼합된 용액에 SiO2가 코팅된 상기 불소계 폴리머 필름을 침지하고 건조하는 과정을 반복해서 소수성 물질을 상기 필름에 코팅해서 발수성과 발유성을 부여하는 단계를 포함한다.
The present invention relates to a gas sensor protection membrane fabricated from a fluoropolymer film that is double coated with a silica coating and a hydrophobic material coating through a dip coating process.
The dip coating method comprises the steps of: adding an adhesive to a solution in which SiO 2 nanoparticles are dispersed in an organic solvent; immersing and drying the fluoropolymer film; repeating the step of coating the fluoropolymer film with SiO 2 ; And immersing and drying the fluorine-based polymer film coated with the SiO 2 -containing solution to coat the film with a hydrophobic substance to impart water repellency and oil repellency.

Description

기체성분을 탐지하는 기체센서용 스마트 실드 및 그 제조방법{SMART-SHIELD FOR GAS SENSOR AND MANUFACTURE METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a smart sensor for a gas sensor for detecting a gas component,

본 발명은 화학탐지기에 관한 것이며, 특히 화학탐지기의 재료적인 특성을 향상시키기 위한 기술에 관한다.The present invention relates to chemical detectors, and more particularly to techniques for improving the material properties of chemical detectors.

화학탐지기는 가스 센서이다. 기체 안에 포함된 위험 물질을 탐지한다. 그 다양한 원리와 구조에 대해서는 오래전부터 알려져 왔다. 본 출원인도 대한민국 특허 제545455호, 특허 제609396호, 특허 제1068827호, 제10965350호 등의 성과로 공개된 다양한 연구 개발활동을 십 년이 넘게 지속적으로 수행해 왔다. 이 특허문헌들에 기재되어 있는 내용들은 디바이스 하우징 내부의 가스 탐지 원리, 시스템, 기계적인 구조와 장치에 관한 것이었다. 또한 이들 종래기술들은 기체 입자가 탐지기 내부로 인입된 상태에서 정확하고 효율적으로 센싱하고 처리하는 기술에 관한다. The chemical detector is a gas sensor. It detects dangerous substances contained in the gas. Its various principles and structures have long been known. The present applicant has also continuously carried out various research and development activities for more than a decade with the achievements of Korean Patent No. 545455, Patent No. 609396, Patent No. 1068827, No. 10965350, and the like. The contents of these patent documents relate to gas detection principles, systems, mechanical structures and devices within the device housing. These prior arts also relate to techniques for accurately and efficiently sensing and treating gaseous particles while they are being drawn into the detector.

그런데 기체 입자가 화학탐지기 내부로 제대로 포획되지 않는 상황이라면 어떻게 될까 아무리 탁월한 디바이스여도 제대로 가스탐지 기능을 수행할 수 없게 된다. 그런 상황으로 대표적인 것은 우천 시 등 액체에 의한 방해, 화학탐지기 표면의 오염시키는 오일성 먼지 등이 있다. However, what if the gas particles are not properly trapped inside the chemical detector? No matter how good the device is, the gas detection function can not be performed properly. Such situations include, for example, disturbance caused by liquids such as rain, and oily dust which may contaminate the surface of a chemical detector.

본 발명자들은 이런 상황을 완벽하게 통제해서 언제, 어디에서든지 화학탐지기를 운용할 수 있도록 오랫동안 연구 개발한 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다. The inventors of the present invention have completed the present invention after long research and development in order to fully control the situation and to operate the chemical detector anytime and anywhere.

그러므로 본 발명의 목적은 액체와 기름에 대한 실드 기능을 갖는 수단을 화학탐지기에 적용하겠다는 것이다. 화학탐지기가 기체를 포획하는 부분이 물에 젖지 않는 특성과 기름도 흡수하지 않는 특성을 부여해야 한다. 전자의 특성을 발수성 특성이라고 칭하고, 후자의 특성을 발유성 특성이라고 칭할 수 있다. It is therefore an object of the present invention to apply a means having a shielding function to liquids and oils to chemical detectors. The chemical detector should give the part that captures the gas a property that does not get wet and a property that does not absorb oil. The former characteristic is referred to as a water-repellent characteristic, and the latter characteristic may be referred to as a oil-repellent characteristic.

즉, 본 발명의 목적은 발수성 특성과 발유성 특성이 부여된 표면을 갖는 멤브레인과 같은 부재로 화학탐지기가 기체를 포획하는 부분을 보호하는 것이다. 이 연구개발 프로젝트를 본 발명의 발명자들은 <스마트 실드>라고 명명했다. That is, an object of the present invention is to protect a portion where a chemical detector captures a gas, such as a membrane-like member having a surface imparted with water repellency and oil repellency. The inventors of the present invention named this R & D project as <smart shield>.

그런데 스마트 실드(발수성 특성과 발유성 특성을 지닌 표면의 멤브레인)를 화학탐지기, 즉 기체센서에 설치하더라도, 그 스마트 실드는 반드시 기체 통과를 보장해야 한다. 기체가 멤브레인을 제대로 투과하지 못한다면 화학탐지기의 본질적인 기능을 수행할 수 없기 때문이다. 즉 본 발명의 다른 목적은 공기 중에 있는 미세한 입자로 이루어진 기체/액체 혼합물을 탐지함에 있어서 스마트 실드에 액체(물과 기름)를 제외하고 기체만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 특성을 구현하는 것에 있다. However, even if a smart shield (membrane with surface water repellency and oil repellency) is installed on a chemical detector, ie a gas sensor, the smart shield must ensure gas penetration. If the gas can not penetrate the membrane properly, it can not perform the essential function of the chemical detector. That is, another object of the present invention is to realize a characteristic that a gas can be selectively transmitted to a smart shield except a liquid (water and oil) in detecting a gas / liquid mixture composed of fine particles in air.

본 발명의 또 다른 목적은 간단하고 경제적으로 스마트실드를 구현하는 것에 있다. Another object of the present invention is to implement a smart shield simply and economically.

본 발명의 또 다른 목적은 그와 같은 스마트실드 부재가 설치된 화학탐지기를 제공함에 있다. Yet another object of the present invention is to provide a chemical detector equipped with such a smart shield member.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.On the other hand, other unspecified purposes of the present invention will be further considered within the scope of the following detailed description and easily deduced from the effects thereof.

이와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 기체센서 보호용 멤브레인 제조 방법은:To achieve these and other advantages and in accordance with the purpose of the present invention, as embodied and broadly described herein,

유기용매에 SiO2 나노입자를 분산한 용액에 접착제를 첨가하고 불소계 폴리머 필름을 침지하고 건조하는 과정을 반복해서 불소계 폴리머 필름을 SiO2로 코팅하는 단계;A step of adding an adhesive to a solution in which SiO 2 nanoparticles are dispersed in an organic solvent, and immersing and drying the fluoropolymer film, and repeating the step of coating the fluoropolymer film with SiO 2 ;

소수성 물질이 혼합된 용액에 SiO2가 코팅된 상기 불소계 폴리머 필름을 침지하고 건조하는 과정을 반복해서 소수성 물질을 상기 필름에 코팅해서 발수성과 발유성을 부여하는 단계; 및The step of immersing and drying the fluorine-based polymer film coated with SiO 2 on a solution mixed with a hydrophobic substance to coat the hydrophobic substance on the film to impart water repellency and oil repellency; And

상기 소수성 물질과 SiO2가 이중 코팅된 불소계 폴리머 필름으로 기체센서 보호용 멤브레인을 만드는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.And forming a membrane for protecting the gas sensor with a fluoropolymer film having a double coating of the hydrophobic substance and SiO 2 .

본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 기체센서 보호용 멤브레인 제조 방법에 있어서, 상기 불소계 폴리머 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름인 것이 좋다.In the method for manufacturing a gas sensor protection membrane according to any one of the preferred embodiments of the present invention, the fluoropolymer film may be a polytetrafluoroethylene (PTFE) film.

또한, 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 기체센서 보호용 멤브레인 제조 방법에 있어서, 상기 소수성 물질은, 알킬트리클로로실란, 알킬트리메톡시실란, 알킬트리에톡시실란, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA), 디클로로디메틸실란(DDMS), 퍼플루오로데실트리클로로실란(FDTS), 플루오로옥틸트리클로로실란(FOTS) 및 옥타데실트리메톡시실란(OTMS) 중 1종 이상을 포함한다.The hydrophobic material may be at least one selected from the group consisting of alkyltrichlorosilane, alkyltrimethoxysilane, alkyltriethoxysilane, polytetrafluoroethylene (PTFE), polytetrafluoroethylene (PTFE), polytetrafluoroethylene , One of perfluoroalkoxyalkane (PFA), dichlorodimethylsilane (DDMS), perfluorodecyltrichlorosilane (FDTS), fluoroctyltrichlorosilane (FOTS) and octadecyltrimethoxysilane (OTMS) Or more.

또한 본 발명은, 딥 코팅 과정을 거쳐 실리카 코팅 및 소수성 물질 코팅으로 이중 코팅된 불소계 폴리머 필름으로 제작된 기체센서 보호용 멤브레인을 특징으로 한다.The present invention also features a gas sensor protection membrane fabricated from a fluoropolymer film that is double coated with a silica coating and a hydrophobic material coating through a dip coating process.

위와 같은 과제해결수단에 따르면, 본 발명은 초발수성 및 발유성을 가질 뿐만 아니라 기체만을 선택적으로 투과할 수 있는 기체센서용 멤브레인을 제조할 수 있었다. 그리고 이러한 스마트실드 부재를 기체센서에 사용할 수 있도록 함으로써 어떤 나쁜 환경에서도 공기 중에 화학무기를 효과적으로 탐지할 수 있게 되었다. 이는 꼭 군사적인 효과만으로 제한되는 것은 아니다. 공기 중에 포함된 다양한 화학물질을 탐지하는 기체센서라면 그 효과는 자연스럽게 확장된다. According to the present invention, it is possible to produce a membrane for a gas sensor which not only has super-water repellency and oil repellency but also permits selective permeation of gas only. By allowing such a smart shield member to be used for a gas sensor, chemical weapons can be effectively detected in the air in any bad environment. This is not necessarily limited to military effects. A gas sensor that detects a variety of chemicals contained in air will naturally expand its effect.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.On the other hand, even if the effects are not explicitly mentioned here, the effect described in the following specification, which is expected by the technical features of the present invention, and its potential effects are treated as described in the specification of the present invention.

도 1은 실시예와 비교예에 의해서 제작된 시료 표면의 물과 헥사데케인과의 접촉각을 나타내는 이미지이다.
도 2는 실시예와 비교예에 의해서 제작된 시료 표면의 물과 헥사데케인의 습윤성 검사를 나타내는 이미지이다.
도 3은 실시예와 비교예에 의해서 제작된 시료 표면의 SEM과 AFM 사진이다.
도 4는 실시예와 비교예에 의해서 제작된 시료의 산/염기 처리 후의 초발수성/발유성 변화를 측정한 그래프이다.
도 5는 실시예와 비교예에 의해서 제작된 시료의 광학성 안정성 검사 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예와 비교예에 의해서 제작된 시료에 대한 탄산칼슘 침전반응을 통한 막의 기체 투과성 검사 방법을 나타내는 이미지이다.
도 7은 실시예와 비교예에 의해서 제작된 시료에 대한 SPME 법을 이용한 기체 투과 성능을 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예와 비교예에 의해서 제작된 시료에 대한 QCM 법을 이용한 기체 투과 성능을 나타내는 그래프이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
FIG. 1 is an image showing the contact angle between water and hexadecane on the surface of a sample prepared by the examples and the comparative examples. FIG.
Fig. 2 is an image showing the wettability test of water and hexadecane on the surface of a sample prepared according to Examples and Comparative Examples. Fig.
FIG. 3 is a SEM and AFM photographs of the surface of a sample prepared according to Examples and Comparative Examples. FIG.
4 is a graph showing changes in superhydrophobicity / oil repellency of the samples prepared by the examples and the comparative examples after acid / base treatment.
Fig. 5 is a graph showing the results of the optical stability test of the samples produced by the examples and the comparative examples. Fig.
FIG. 6 is an image showing a method of inspecting the gas permeability of a film through a calcium carbonate precipitation reaction on a sample manufactured by the examples and the comparative examples.
FIG. 7 is a graph showing the gas permeation performance using the SPME method for the samples manufactured by the examples and the comparative examples.
FIG. 8 is a graph showing the gas permeation performance using the QCM method for the samples manufactured by the examples and the comparative examples.
* The accompanying drawings illustrate examples of the present invention in order to facilitate understanding of the technical idea of the present invention, and thus the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may obscure the subject matter of the present invention.

본 발명은 화학탐지기를 포함하는 기체 센서에 사용하는 멤브레인의 제조 기술에 관한 것이다. 본 발명의 멤브레인은 발수성과 발유성을 갖는다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for manufacturing a membrane used in a gas sensor including a chemical detector. The membrane of the present invention has water repellency and oil repellency.

본 발명의 발수성은 초발수성(Superhydrophobic)을 의미한다. 일반적인 의미의 발수성인 소수성(Hydrophobic)은 물 분자와 쉽게 결합되지 못하는 성질을 의미한다. 이는 주로 비극성 물질들의 표면에서 물과 같은 수용성 용액들을 배제하여 수용성 용액들이 뭉쳐 동그랗게 물방울을 형성하게 함으로써 획득된다. 이때 표면의 접촉 각은 일반적으로 90°를 넘는 특성을 보인다. The water repellency of the present invention means superhydrophobic. Hydrophobic, a water repellent in the general sense, means a property that can not be easily combined with water molecules. This is mainly achieved by eliminating water-soluble solutions such as water from the surface of the non-polar materials so that the water-soluble solutions aggregate and form water droplets. At this time, the contact angle of the surface is generally more than 90 °.

상기 접촉 각은 고체 표면과 액체-기체의 계면이 만나는 각을 의미한다. 이는 고체표면의 습윤성을 측정할 때 주로 이용되며, 고정 접촉 각과 굴림 각 히스테리시스(최대 접촉 각과 최소 접촉각의 차)를 측정하여 고체표면의 습윤성을 평가할 수 있다.The contact angle refers to the angle at which the solid-liquid interface coincides with the liquid-gas interface. It is mainly used to measure the wettability of the solid surface, and the wettability of the solid surface can be evaluated by measuring the fixed contact angle and the roll angle hysteresis (difference between the maximum contact angle and the minimum contact angle).

본 발명에서의 초발수성은 소수성이 매우 큰 특성을 의미한다. 이는 표면에 형성되는 물방울의 접촉 각이 150°를 초과하면서, 굴림 각 히스테리시스가 10°보다 작은 경우를 지칭한다. 한다. 또한 이 특성은 연꽃잎 효과(Lotus effect)라고도 불려지기도 한다. 이러한 특성을 갖기 위해서는 계층적인 기하학 구조가 필요하다. 그러므로 본 발명은 멤브레인 표면에 나노거칠기로 덮인 마이크로 거칠기를 가진 이중 규모 거칠기 표면을 형성한다. The super water repellency in the present invention means a very high hydrophobic property. This refers to a case where the contact angle of water droplets formed on the surface exceeds 150 deg. And the hysteresis angle hysteresis is less than 10 deg. do. This characteristic is also called the Lotus effect. A hierarchical geometry structure is required to have these characteristics. Therefore, the present invention forms a dual scale rough surface with microroughness covered with nanoroughness on the membrane surface.

또한 본 발명의 멤브레인 표면은 발유성(Oleophobic)을 갖는다. 이는 오일성 용액을 배제하는 표면 성질을 말한다. In addition, the membrane surface of the present invention has an oleophobic property. This refers to the surface properties excluding oily solutions.

본 발명은 멤브레인 표면에 이중 규모 거칠기 표면을 형성하기 위해서 딥 코팅(dip-coating)을 하였다. 멤브레인 표면에 전구체 층을 형성하기 위하여 일차로 딥 코팅을 하고, 전구체로 이뤄진 막을 다시 2차로 딥 코팅을 한다. The present invention was dip-coated to form a dual scale rough surface on the membrane surface. To form a precursor layer on the surface of the membrane, a dip coating is firstly performed, and a film consisting of the precursor is again dip coated secondarily.

멤브레인 기재는 불소계 폴리머 필름을 사용하였다. 더욱 바람직하게는 불소계 폴리머 필름은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 필름인 것이 좋다. 듀퐁사의 테프론TM으로 많이 알려져 있다. 본 발명의 코팅 공정을 통해서 이중규모 거칠기를 형성할 수 있는 불소계 폴리머 필름이라면 PTFE에 제한되는 것은 아니다.A fluorine-based polymer film was used as the membrane base material. More preferably, the fluoropolymer film is a polytetrafluoroethylene (PTFE) film. It is well-known as DuPont Teflon TM . Polymeric fluoropolymer films capable of forming double-scale roughness through the coating process of the present invention are not limited to PTFE.

상기 1차 코팅 공정은, 실리카 코팅액에 불소계 폴리머 필름을 침지하고 건조하는 과정을 반복한다. 상기 실리카 코팅액은 유기용매에 SiO2 나노입자를 분산한 용액에 접착제를 첨가하여 얻는다. 불소계 폴리머 필름의 실리카 코팅용액침지와 건조의 반복은 바람직하게는 1회~5회인 것이 좋고, 침지 시간은 바람직하게는 20초~1분, 건조 시간은 바람직하게는 5~30분인 것이 좋다. 이런 과정을 거쳐 불소계 폴리머 필름을 SiO2로 코팅한다.In the primary coating step, the process of immersing and drying the fluoropolymer film in the silica coating solution is repeated. The silica coating solution is obtained by adding an adhesive to a solution in which SiO 2 nanoparticles are dispersed in an organic solvent. The repetition of the immersion and drying of the fluoropolymer film in the silica coating solution is preferably 1 to 5 times, preferably 20 seconds to 1 minute, and preferably 5 to 30 minutes. The fluoropolymer film is coated with SiO 2 through this process.

상기 2차 코팅 공정은 소수성 물질이 혼합된 용액에 상기 제1공정을 통해서 얻은 SiO2가 코팅된 상기 불소계 폴리머 필름을 침지하고 건조하는 과정을 반복해서 소수성 물질을 상기 필름에 코팅해서 기재의 표면에 이중 규모 거칠기 표면을 형성한다. 이로써 발수성과 발유성을 필름에 부여한다.In the second coating step, the SiO 2 -containing fluoropolymer film obtained through the first step is immersed in a solution mixed with the hydrophobic substance and dried, and a hydrophobic substance is coated on the film to form a film on the surface of the substrate Form a double-scale roughness surface. Thereby imparting water repellency and oil repellency to the film.

상기 SiO2가 코팅된 불소계 폴리머 필름의 소수성 용액 침지와 건조의 반복은 바람직하게는 1회~5회인 것이 좋고, 침지 시간은 바람직하게는 20초~1분, 건조 시간은 바람직하게는 5~30분인 것이 좋다. 이런 과정을 거쳐 불소계 폴리머 필름을 SiO2로 코팅한다. The SiO 2 is a hydrophobic solution immersion and the repeating of drying of the coated fluorine-containing polymer film preferably may be once to five hoein, immersion time is preferably 20 seconds ~ 1 minute, the drying time is preferably from 5 to 30 Minute. The fluoropolymer film is coated with SiO 2 through this process.

상기 소수성 물질에 알케인계 유기용매를 혼합하여 상기 소수성 용액을 만들 수 있다. The hydrophobic material may be mixed with an alkene-based organic solvent to form the hydrophobic solution.

상기 소수성 물질의 구체적인 예시로는 알킬트리클로로실란, 알킬트리메톡시실란, 알킬트리에톡시실란, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA), 디클로로디메틸실란(DDMS), 퍼플루오로데실트리클로로실란(FDTS), 플루오로옥틸트리클로로실란(FOTS) 및 옥타데실트리메톡시실란(OTMS) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Specific examples of the hydrophobic substance include alkyl trichlorosilane, alkyltrimethoxysilane, alkyltriethoxysilane, polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxyalkane (PFA), dichlorodimethylsilane (DDMS) But are not limited to, perfluorodecyl trichlorosilane (FDTS), fluoro octyl trichlorosilane (FOTS), and octadecyl trimethoxysilane (OTMS).

이렇게 소수성 물질로 코팅된 불소계 폴리머 필름으로 기체센서 보호용 멤브레인을 제작한다. 소망하는 크기로 멤브레인을 만들고, 포장하는 것을 포함한다. Thus, a gas sensor protection membrane is fabricated by using a fluoropolymer film coated with a hydrophobic substance. Making and packaging the membrane to the desired size.

<실시예><Examples>

(a) 먼저, SiO2 나노입자 0.2g을 헥세인(hexane) 29 mL에 분산시킨다. 이 용액에 유체상의 polydimethylsiloxane (PDMS), 경화제, 헥세인을 1:0.1:8의 부피비로 만든 접착제 1ml를 넣었다. 이 SiO2 용액에 PTFE 필름을 30초 정도 담근 후 실온에서 10분간 건조시키고, 이 과정을 3회 반복하여 SiO2로 코팅된 PTFE 필름을 제조하였다.(a) First, 0.2 g of SiO 2 nanoparticles are dispersed in 29 mL of hexane. To this solution was added 1 ml of a fluidized polydimethylsiloxane (PDMS), a hardener, and a 1: 0.1: 8 volume ratio of hexane to the adhesive. The PTFE film was immersed in the SiO 2 solution for about 30 seconds and then dried at room temperature for 10 minutes. This process was repeated three times to prepare a SiO 2 -coated PTFE film.

(b) 다음으로, FOTS 1ml를 헥사데케인(hexadecane) 29ml 에 혼합시켜 소수성 용액으로 FOTS 용액을 준비하였다. 이 용액에 SiO2로 코팅된 PTFE 필름을 30초 간 담근 후 10분 간 건조시키는 과정을 3회 반복하여 FOTS로 코팅된 SiO2-PTFE 필름을 제조하였다.(b) Next, 1 ml of FOTS was mixed with 29 ml of hexadecane to prepare a FOTS solution with a hydrophobic solution. A SiO 2 -PTFE film coated with FOTS was prepared by repeating the process of immersing the SiO 2 -coated PTFE film in this solution for 30 seconds and drying for 10 minutes three times.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

실시예의 (a) 공정만으로 얻은 SiO2로 코팅된 PTFE 필름을 제조하였다.A SiO 2 -coated PTFE film obtained by the process (a) of Example was prepared.

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

기상증착법을 이용해서 비교군을 만든다. (a)는 실시예와 동일하게 하였다. 가열 밴드로 둘러 쌓여있는 스테인리스강 반응기 중앙에 위치한 세라믹 홀더(2.5cm

Figure 112016105058381-pat00001
2.0cm)안에 FOTS 500μL를 넣었다. 실리카(SiO2)로 코팅된 PTFE을 세라믹 홀더 위에 스테인리스강 철망에 고정 시킨 후 반응기를 완전히 밀봉한다. 반응기를 120에서 4시간 정도 가열하여 FOTS로 코팅된 SiO2-PTFE을 제조하였다. A comparative group is made using the vapor deposition method. (a) was the same as that of the example. Ceramic holder located at the center of the stainless steel reactor surrounded by a heating band (2.5 cm
Figure 112016105058381-pat00001
2.0 &lt; / RTI &gt; cm). The silica (SiO 2 ) coated PTFE is fixed to the stainless steel wire mesh on the ceramic holder and the reactor is fully sealed. The reactor was heated at 120 for 4 hours to produce FOTS coated SiO 2 -PTFE.

<실험예 1><Experimental Example 1>

도 1은 실시예의 시료와 비교예 2의 시료의 접촉각을 측정한 결과를 나타낸다. a)와 b)는 실시예의 FOTS-PTFE의 물과 헥사데케인의 접촉 각을 각각 측정한 결과이며, c)와 d)는 비교예 2의 FOTS-PTFE의 물과 헥사데케인의 접촉 각을 각각 측정한 결과이다. 물에 대한 접촉각은 모두 150°이상으로 초발수성을 보였다.Fig. 1 shows the result of measuring the contact angle of the sample of the example and the sample of the comparative example 2. Fig. The contact angles of water and hexadecane of the FOTS-PTFE of the example were measured, respectively. c) and d) are the contact angles of water and hexadecane of the FOTS-PTFE of the comparative example 2 Respectively. The contact angle with water was more than 150 °.

또한, 헥사데케인의 접촉 각은 실시예 시료의 경우 94°이며, 비교예 2 시료의 경우 124°로, 두 경우 모두 발유성을 가짐을 확인하였다.In addition, it was confirmed that the contact angle of hexadecane was 94 ° in the case of the sample of the present invention and 124 ° in the case of the sample of Comparative Example 2, both of which had oil repellency.

<실험예 2><Experimental Example 2>

이번에는 발수성 및 발유성 특성의 안정성을 실험하였다. 도 2는 코팅되지 않은 PTFE 시편과 비교예의 기상증착 방벙으로 코팅한 PTFE 시편과 실시예의 딥 코팅법으로 코팅한 PTFE 사진 이미지를 나타낸다. This time, we tested the stability of water repellency and oil repellency. 2 shows a PTFE photographic image coated with an uncoated PTFE specimen, a comparative PTFE specimen coated with a vapor deposition pattern, and an example dip coating method.

푸른색의 용액은 물이며 붉은색 용액은 헥사데케인이다. 코팅되지 않은 PTFE 시료는 기존 성질인 발수성에 의해 물은 스며들지 않았으나, 헥사데케인은 스며들었다. 비교예 2의 시료에서는 초기에는 물과 헥사데케인 모두 구의 모양으로 유지 되었으나, 시간이 지남에 따라 헥사데케인이 시편으로 스며드는 것을 확인하였다. 이와는 달리 실시예의 시료는 초기 헥사데케인의 접촉 각은 도 1에서 본 바와 같이 비교예 2의 시료보다 작았지만, 시간이 지난 후에도 헥사데케인이 멤브레인 시료로 스며들지 않고 초기의 발유성을 유지하였다.The blue solution is water and the red solution is hexadecane. Uncoated PTFE samples did not penetrate water due to their water repellency, but hexadecane penetrated. In the sample of Comparative Example 2, both water and hexadecane remained spherical in shape, but it was confirmed that hexadecane penetrated into the sample over time. In contrast, the contact angle of the initial hexadecane was smaller than that of the sample of Comparative Example 2 as shown in FIG. 1, but the hexadecane did not permeate into the membrane sample and retained the initial oil repellency even after a lapse of time .

<실험예 3><Experimental Example 3>

주사전자현미경(SEM)과 원자간력현미경(AFM)을 통한 초발수 및 발유성 표면의 구조를 측정하였다. 도 3은 그 결과를 나타낸다.The structure of the super water repellent and oil repellent surface was measured by scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). Figure 3 shows the result.

도 3의 a), c), e)는 주사전자현미경 사진이며, b), d), e)는 원자간력현미경(AFM) 이미지 사진이다. 또한, a), b)는 코팅되지 않은 PTFE의 시료, c), d)는 비교예 2의 PTFE 시료, e), f)는 실시예의 PTFE 시료이다. 3 (a), 3 (c) and 3 (e) are scanning electron micrographs, and b), d) and e) are atomic force microscope (AFM) image photographs. Also, a) and b) are samples of uncoated PTFE, c) and d) are PTFE samples of Comparative Example 2, and e) and f) are PTFE samples of the examples.

a)와 b)의 사진 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이, 코팅되지 않은 PTFE 시료의 경우 가닥 모습의 구조를 이루며 가닥 사이에 마이크로 사이즈 수준의 많은 세공들이 존재한다. c)와 d)의 사진 미지에서 보이는 것처럼, 비교예 2의 경우, 많은 양의 SiO2와 FOTS가 각 가닥에 부착되었음을 확인할 수 있었다. 또한 기존의 세공구조가 증착된 SiO2와 FOTS로 메워짐을 확인하였다.As can be seen from the photographic images of a) and b), in the case of uncoated PTFE specimens, there are many micropores in the microstructural level between the strands. As shown in the photographs of c) and d), in the case of Comparative Example 2, it was confirmed that a large amount of SiO 2 and FOTS were attached to each strand. It is also confirmed that the existing pore structure is filled with SiO 2 and FOTS deposited.

e)와 f)에서 볼 수 있는 것처럼, 실시예의 시료 표면에서는 더 많은 양의 SiO2와 FOTS가 PTFE 표면을 이루는 각 가닥에 증착됨을 확인할 수 있었다. 또한 증착된 SiO2와 FOTS가 세공을 채워, 기존의 세공구조가 거의 사라짐을 확인할 수 있었다. As can be seen from e) and f), it was confirmed that a larger amount of SiO 2 and FOTS were deposited on each surface of the PTFE surface on the sample surface of the example. Also, it was confirmed that the deposited SiO 2 and FOTS filled the pores and the existing pore structure almost disappeared.

<실험예 4><Experimental Example 4>

에너지 분산형 분광분석법(EDS)를 통해서 각 샘플의 원소 (F, Si, Cl) 함량을 아래의 표와 같이 분석하였다.The elemental (F, Si, Cl) content of each sample was analyzed by energy dispersive spectroscopy (EDS) as shown in the following table.

SampleSample FF SiSi ClCl SiO2-coated PTFESiO2-coated PTFE 72.072.0 27.827.8 0.20.2 Vapor-deposited FOTS-PTFEVapor-deposited FOTS-PTFE 79.279.2 20.820.8 0.10.1 Dip-coated FOTS-PTFEDip-coated FOTS-PTFE 83.483.4 15.715.7 0.80.8

비교예 2 및 실시예의 경우처럼, PTFE 멤브레인 시료에 추가적으로 FOTS를 증착시켰을 때 모두 F의 함량이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 비교예 2보다 실시예의 경우가 F의 함량이 더 크게 증착하는 것이 확인되었다. 요컨대 dip-coating법을 이용한 경우 기상증착법의 경우보다 더 많은 양의 FOTS가 PTFE 멤브레인 시료 표면에 증착 됨을 확인하였다. 이 결과는 상기 주사전자현미경 및 원자간력현미경 분석의 결과와도 일치한다. As in the case of Comparative Example 2 and Example, it was confirmed that the content of F was increased when FOTS was additionally deposited on the PTFE membrane sample. In addition, it was confirmed that the content of F was larger than that of Comparative Example 2 in the case of Examples. In other words, when dip-coating method was used, it was confirmed that a larger amount of FOTS was deposited on the surface of the PTFE membrane than in the vapor deposition method. This result is consistent with the results of the scanning electron microscopy and atomic force microscope analysis.

상기 분석 결과(도 3)를 바탕으로 앞서 보인 각 샘플 시료의 특성(도면 1 및 도 2)을 설명할 수 있다. 소수성의 특성을 가진 PTFE 시료는 SiO2와 FOTS 코팅을 통하여 그 표면에 계층 구조를 이루는 이중 규모 거칠기 구조를 가지게 된다. 이를 통하여 표면이 초발수성의 특성을 가지는 동시에, 발유성의 특성을 가지게 된다. 비교예 2의 경우, 증착 이후에도 여전히 기존의 세공구조가 일부 남아 있음을 확인할 수 있으며, 이 남아있는 세공구조들 사이로 헥사데케인이 시간이 지나며 점차 스며들어 그 노출 초기에는 발유성을 가지지만 시간이 지나며 점차 그 발유성을 잃어버리는 것으로 이해할 수 있다(도 3). Based on the results of the analysis (FIG. 3), the characteristics of each of the sample samples shown previously (FIGS. 1 and 2) can be described. The hydrophobic properties of the PTFE specimens have SiO 2 and FOTS coatings to provide a double-scale roughness structure that is hierarchical to the surface. As a result, the surface has a super-water-repellent property and also has a property of oil repellency. In the case of Comparative Example 2, it can be seen that even after the deposition, a part of the existing pore structure still remains, and the hexadecane penetrates gradually through the remaining pore structures, (Fig. 3).

반면, 실시예의 방법으로 FOTS를 코팅한 시료의 경우 기존에 존재하던 세공의 구조의 대부분이 다량의 FOTS로 메워져 헥사데케인이 스며들 수 있는 기공구조가 대부분 사라지기 때문에(도 3), 노출 후 시간이 지나도 그 발유성이 유지될 수 있다(도 2).On the other hand, in the case of the sample coated with FOTS by the method of the embodiment, most of the existing pore structure is filled with a large amount of FOTS, and most of the pore structure permeable to hexadecane disappears (FIG. 3) The oil repellency can be maintained over time (FIG. 2).

<실험예 5><Experimental Example 5>

실시예의 시료에 대한 화학적 내구성을 실험하였다. 도 4는 그 결과를 나타낸다. The chemical durability of the samples of the examples was tested. Fig. 4 shows the result.

실시예의 시료를 염산(pH=1)과 수산화나트륨(pH=10)에 각각 노출시킨 뒤 물과 헥사데케인의 접촉 각을 측정 하였다. 각각 염산과 수산화나트륨에 노출되는 시간을 증가시키며 물과 헥사데케인의 접촉 각을 측정하였으며, 물과 헥사데케인의 접촉 각이 염산과 수산화나트륨에 노출된 이후에도 노출전의 접촉 각을 그대로 유지함을 확인할 수 있었다.The samples of the examples were exposed to hydrochloric acid (pH = 1) and sodium hydroxide (pH = 10), respectively, and contact angles of water and hexadecane were measured. The contact angles of water and hexadecane were measured, increasing the exposure time to hydrochloric acid and sodium hydroxide, respectively. The contact angles of water and hexadecane were maintained at contact angles before exposure even after exposure to hydrochloric acid and sodium hydroxide I could.

이를 통해서 본 발명을 통해서 개발한 기체센서 멤브레인 시료의 초발수성 및 발유성이 산과 염기에 대하여 뛰어난 내구성을 지니고 있음을 확인하였다.As a result, it was confirmed that the super-water repellency and oil repellency of the gas sensor membrane samples developed through the present invention have excellent durability against acids and bases.

<실험예 6><Experimental Example 6>

실시예 시료에 대한 광학적 내구성을 실험하였다. 도 5는 그 결과를 나타낸다. The optical durability of the sample was tested. Figure 5 shows the result.

실시예의 시료를 대기조건에서 자외선(λ=254nm)에 조사시키고 12시간 마다 물과 헥사데케인의 접촉 각을 측정하였다(120시간). 실시예 시료는 대기조건에서 자외선에 노출되더라도, 노출 전의 물과 헥사데케인의 접촉 각을 그대로 유지하였으며, 이를 통하여 본 발명을 통하여 제작한 PTFE 멤브레인의 초발수성과 발유성이 자외선 조사에 대하여 뛰어난 안정성을 가지고 있음을 확인할 수 있다.The sample of the example was irradiated with ultraviolet light (? = 254 nm) at atmospheric conditions and the contact angle of water and hexadecane was measured every 12 hours (120 hours). EXAMPLES The samples were maintained at the contact angle of water and hexadecane before exposure even when exposed to ultraviolet rays under atmospheric conditions. Through this, it was confirmed that the super water repellency and oil repellency of the PTFE membrane produced through the present invention were excellent in stability against ultraviolet irradiation As shown in Fig.

<실험예 7><Experimental Example 7>

다음으로 실시예 시료의 기체 투과성을 실험하였다. 기체 투과성이 없다면 기체센서의 멤브레인으로 사용할 수 없기 때문이다. 도 6은 실시예에 의해서 만들어진 시료의 기체투과도의 평가방법과 그 평가결과를 보여주는 사진이다.Next, the gas permeability of the sample was tested. If gas permeability is not available, it can not be used as a membrane of a gas sensor. 6 is a photograph showing the evaluation method of the gas permeability of the sample made by the embodiment and the evaluation result thereof.

실험예 7의 평가 방법은, 아래의 반응식에서 보여주는 바와 같이, 이산화 탄소(CO2) 기체가 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 탄산칼슘(CaCO3) 고체로 전환되어 침전되는 반응을 기반으로 한다.The evaluation method of Experimental Example 7 is based on the reaction that carbon dioxide (CO 2 ) gas reacts with calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) to convert to calcium carbonate (CaCO 3 ) solid and precipitate as shown in the following reaction formula .

Ca(OH)2 (aq)+CO2(g) → CaCO3(s)+H2O Ca (OH) 2 (aq) + CO 2 (g) → CaCO 3 (s) + H 2 O

작은 유리병 안에 수산화칼슘(Ca(OH)2) 수용액을 넣고, 그 입구 부분을 실시예에서 얻은 멤브레인 시료로 봉인하였다. 상기 유리병을 큰 유리병 안에 넣고, 큰 유리병 안으로 이산화탄소(CO2) 가스를 주입하였다. 큰 유리병 안으로 이산화탄소(CO2) 가스가 주입됨에 따라, 작은 유리병 안에 침전물이 생겨 용액이 뿌옇게 변함을 확인하였다. 이는 큰 유리병 안으로 주입된 이산화탄소 기체(CO2)가 PTFE 멤브레인을 투과하여 작은 유리병 내부로 들어가 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 형성함을 의미하며, 상기 결과는 실시예에 의해서 얻은 멤브레인의 뛰어난 기체 투과도를 보여준다.An aqueous solution of calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) was placed in a small glass bottle, and the inlet portion was sealed with the membrane sample obtained in the example. The glass bottle was placed in a large glass bottle and carbon dioxide (CO 2 ) gas was injected into the large glass bottle. As the carbon dioxide (CO 2 ) gas was injected into the large glass bottle, precipitates were formed in the small glass bottle and the solution became cloudy. This means that carbon dioxide gas (CO 2 ) injected into a large glass bottle permeates through the PTFE membrane and enters the small glass bottle to react with calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) to form calcium carbonate (CaCO 3 ) The results show the excellent gas permeability of the membrane obtained by the examples.

<실험예 8><Experimental Example 8>

고상추출법(Solid-phase micro extraction: SPME)을 이용해서 기체 투과 성능을 확인하였다. 이 SPME법은 추출상이 코팅된 섬유를 이용한 시료채취 기술이다. Solid-phase micro extraction (SPME) was used to confirm gas permeation performance. This SPME method is a sampling technique using fibers coated with an extraction phase.

도 7은 실시예로 얻은 PTFE 멤브레인의 기체 투과도 성능을 SiO2와 FOTS가 코팅되어 있지 않은 PTFE 멤브레인과 비교한 결과이다. 막이 없는 상태, SiO2 및 FOTS 코팅이 행해지지 않은 시료, 실시예의 시료, 이렇게 세 가지 시료에 대해서 기체투과도를 평가하였다. 기체는 dimethyl methylphosphonate (DMMP)를 사용하였다. 멤브레인을 투과한 기체를 고상추출(SPME)법으로 일부 추출하여 그 기체 투과양을 기체 크로마토그래피(GC)로 분석하였다. 막이 없는 상태에서의 DMMP 투과 양을 기준으로, SiO2 및 FOTS가 코팅되어 있지 않은 PTFE 멤브레인의 경우 ~60% 정도의 기체를 투과시켰고, SiO2와 FOTS를 실시예의 딥 코팅법으로 코팅한 PTFE 멤브레인 시료의 경우 ~20%의 기체를 투과시키는 것으로 확인되었다. FIG. 7 shows the gas permeability performance of the PTFE membrane obtained in the examples compared with the SiO 2 and PTFE membranes not coated with FOTS. The gas permeability was evaluated for the film-free state, the sample in which SiO 2 and FOTS coating were not performed, and the sample in the examples, such three samples. The gas was dimethyl methylphosphonate (DMMP). The gas permeated through the membrane was partially extracted by the solid phase extraction (SPME) method and the amount of gas permeation was analyzed by gas chromatography (GC). Based on the DMMP permeation amount of the free film conditions, SiO 2 and FOTS the case of the PTFE membrane is not coated sikyeotgo transmitted through the gas of about ~ 60%, a PTFE membrane coated with SiO 2 and the FOTS to the embodiment of a dip coating method It was confirmed that the sample was permeable to ~ 20% gas.

<실험예 9><Experimental Example 9>

다음으로 수정미세저울(quartz crystal microbalance: QCM)을 이용해서 기체 투과 성능을 확인하였다. 도 8은 그 결과를 보여준다.Next, the gas permeation performance was confirmed using a quartz crystal microbalance (QCM). Figure 8 shows the results.

SiO2와 FOTS를 순차적으로 실시예의 딥 코팅법으로 코팅한 PTFE 멤브레인의 기체 투과도 성능을 수정미세저울(QCM)을 이용하여 분석하였다. 도 8은 그 결과를 SiO2와 FOTS가 코팅되어 있지 않은 PTFE 멤브레인과 비교한 그래프이다. 기체는 DMMP를 사용하였으며, 멤브레인을 투과한 기체의 양은 수정미세저울(QCM)을 사용하여 분석하였다. 그래프의 Y축은 수정미세저울에서 측정되는 값(ΔF/㎍)으로 멤브레인을 투과한 기체의 양이 적어질수록 그 값이 감소한다. 측정은 막이 없는 상태(Blank)와 SiO2와 FOTS로코팅 처리 하지 않은 PTFE (Bare-PTFE), dip-coating 방식으로 SiO2와 FOTS를 코팅한 FOTS-PTFE(Dip-coated FOTS-PTFE)의 세 경우에 대하여 진행하였다. 막이 없는 상태에서의 측정값을 기준으로, Bare-PTFE 멤브레인의 경우 ~71% 정도의 기체를 투과시켰고, Dip-coated FOTS-PTFE 멤브레인의 경우 ~57%의 기체를 투과시키는 것으로 확인되었다.The gas permeability performance of the PTFE membrane coated with SiO 2 and FOTS sequentially by the dip coating method of the embodiment was analyzed using a quartz microbalance (QCM). FIG. 8 is a graph comparing the results with SiO 2 and PTFE membranes not coated with FOTS. DMMP was used for the gas, and the amount of gas permeated through the membrane was analyzed using a quartz microbalance (QCM). The Y-axis of the graph is the value (ΔF / μg) measured on a quartz microbalance, and the value decreases as the amount of gas permeated through the membrane decreases. The measurements were made with Blank, SiO 2 and FOTS uncoated PTFE (bare-PTFE), dip-coated SiO 2 and FOTS coated FOTS-PTFE (Dip-coated FOTS-PTFE) . Based on the measured values in the film-free state, it was confirmed that ~ 72% of the gas permeated through the Bare-PTFE membrane and ~ 57% through the Dip-coated FOTS-PTFE membrane.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.The scope of protection of the present invention is not limited to the description and the expression of the embodiments explicitly described in the foregoing. It is again to be understood that the present invention is not limited by the modifications or substitutions that are obvious to those skilled in the art.

Claims (6)

유기용매에 SiO2 나노입자를 분산한 용액에 접착제를 첨가하고 불소계 폴리머 필름을 침지하고 건조하는 과정을 반복해서 불소계 폴리머 필름을 SiO2로 코팅하는 단계;
소수성 물질이 혼합된 용액에 SiO2가 코팅된 상기 불소계 폴리머 필름을 침지하고 건조하는 과정을 반복해서 소수성 물질을 상기 필름에 코팅해서 발수성과 발유성을 부여하는 단계; 및
상기 소수성 물질과 SiO2가 이중 코팅된 불소계 폴리머 필름으로 기체센서 보호용 멤브레인을 만드는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체센서 보호용 멤브레인 제조 방법.
A step of adding an adhesive to a solution in which SiO 2 nanoparticles are dispersed in an organic solvent, and immersing and drying the fluoropolymer film, and repeating the step of coating the fluoropolymer film with SiO 2 ;
The step of immersing and drying the fluorine-based polymer film coated with SiO 2 on a solution mixed with a hydrophobic substance to coat the hydrophobic substance on the film to impart water repellency and oil repellency; And
And forming a membrane for protecting the gas sensor with a fluoropolymer film having the hydrophobic substance and the SiO 2 double coated.
제1항에 있어서,
상기 불소계 폴리머 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름인, 기체센서 보호용 멤브레인 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the fluorine-based polymer film is a polytetrafluoroethylene (PTFE) film.
제1항에 있어서,
상기 소수성 물질은, 알킬트리클로로실란, 알킬트리메톡시실란, 알킬트리에톡시실란, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA), 디클로로디메틸실란(DDMS), 퍼플루오로데실트리클로로실란(FDTS), 플루오로옥틸트리클로로실란(FOTS) 및 옥타데실트리메톡시실란(OTMS) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기체센서 보호용 멤브레인 제조 방법.
The method according to claim 1,
The hydrophobic substance may be at least one selected from the group consisting of alkyl trichlorosilane, alkyltrimethoxysilane, alkyltriethoxysilane, polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxyalkane (PFA), dichlorodimethylsilane (DDMS) Wherein the membrane comprises at least one of decyltrichlorosilane (FDTS), fluoroctyltrichlorosilane (FOTS), and octadecyltrimethoxysilane (OTMS).
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