KR102038583B1 - 스파이로파이란 센서분자를 포함하는 복합소재 및 이를 이용한 변형 분석방법 - Google Patents

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Abstract

복합소재는 매트릭스(matrix)와 필러(filler) 등 두 가지 이상의 물질이 결합되어 단일재료로는 볼 수 없는 특성을 실현하는 소재를 말한다. 특히 구조용 복합소재의 경우 기계적 물성을 향상시키기 위해서는 매트릭스, 필러 그리고 계면에서의 역학을 이해하는 것은 필수적이다. 본 발명에서는 기계적인 자극에 색이 변하는 스파이로파이란이라는 분자센서(도 1)를 매트릭스, 필러, 계면 등에 화학적으로 결합시킴으로써 복합소재 내 역학을 시각적으로 보여주고, in-situ기법을 통해 힘의 전달과정을 분자수준에서 정량적으로 측정할 수 있는 분석법을 제시한다.

Description

스파이로파이란 센서분자를 포함하는 복합소재 및 이를 이용한 변형 분석방법{Composite comprising spiropyran sensor molecules and process of analyzing strain}
본 발명은 스파이로파이란(SP) 센서분자를 포함하는 복합소재 및 이를 이용한 변형 분석방법에 관한 것이다.
비행기, 자동차, 조선, 풍력산업을 중심으로 미국, 일본, 그리고 유럽 등 세계적으로 무겁고 부식성이 강한 금속을 대체하여, 구조용 복합소재를 사용하고자 하는 수요가 증대되고 있다.
각각의 응용분야에 적합한 구조용 복합소재를 설계하고 제조하기 위해서는 복합소재 구성요소들인 매트릭스, 필러, 그리고 계면에서의 역학(mechanics)에 관한 in-situ의 정량적인 측정법과 이를 통한 근본적인 이해가 필수적이다.
현재 복합소재의 역학은 SEM, optical microscopy, ultrasonic, acoustic emission, x-ray microscopy, Raman spectroscopy 등 다양한 분석방법을 통해 연구되고 있지만 이들은 이미 복합소재가 파괴된 후의 분석(ex-situ analysis)이고 정성적이며 단순히 현상학적이라는 한계를 가지고 있다.
즉, 분광학적 분석장비(SEM, TEM 등)로 얻을 수 있는 정보의 제약성 때문에 복합소재의 파괴가 진행되는 동안 계속 분석이 가능하고(in-situ analysis), 복합소재 내부에서 분자수준에서의 힘의 전달을 정량적으로 체계화할 수 있는 분석법이 필요하다.
1. 미국 특허 제6,410,754호 2. 한국 등록특허 제10-1134224호
1. Nature, D. A. Davis et al., 2009, 459, 68. 2. J. Mech. Phys. Solids, Q. M. Wang, G. R. Gossweiler, S. L. Craig, and X. H. Zhao, 2015, 82, 320 3. Macromolecules, J. W. Kim, Y. Jung, G. W. Coates, and M. N. Silberstein, 2015, 48, 1335.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하고 복합소재 내의 역학을 시각적으로 보여주고 in-situ 기법을 통해 힘의 전달과정을 분자수준에서 정량적으로 측정할 수 있는 변형 측정용 복합소재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 변형 측정방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 (i) 매트릭스, (ii) 필러, (iii) 분자센서를 포함하는 변형 측정용 복합소재로서, 상기 분자센서는 상기 매트릭스나 상기 필러 또는 상기 매트릭스와 상기 필러 모두에 균일하게 분산되어 있거나, 또는 상기 매트릭스 및 상기 필러의 계면에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 (b) 양 말단에 관능기가 도입된 분자센서를 복합소재 원료물질과 혼합하고 반응시켜 상기 분자센서를 상기 복합소재에 분산시키는 방법을 포함하는 변형 측정용 복합소재 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (B) 변형된 변형 측정용 복합소재에 대해 분광학적 분석을 수행하는 단계를 포함하는 변형 측정방법으로서, 상기 변형 측정용 복합소재는 (i) 매트릭스, (ii) 필러, (iii) 분자센서를 포함하고, 상기 분자센서는 상기 매트릭스나 상기 필러 또는 상기 매트릭스와 상기 필러 모두에 균일하게 분산되어 있거나, 또는 상기 매트릭스 및 상기 필러의 계면에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 복합소재의 변형 측정방법에 관한 것이다.
매트릭스, 필러, 그리고 계면에 선택적으로 기계적인 자극에 반응하는 스파이로파이란과 같은 분자센서를 화학적으로 결합시킴으로써, 외부의 힘/압력에 색과 형광특성이 변하는 자가진단(self-detecting) 복합소재를 얻을 수 있다. 이렇게 제조한 자가진단 복합소재의 경우, 외부에서 받는 힘(또는 변형)이 소재의 내부로 전달되는 메카니즘에 따라 스파이로파이란 센서분자가 받는 힘의 크기가 다르게 되고, 그에 따라 색과 형광특성의 세기가 변화하기 때문에 복합소재 내부에서의 힘의 전달을 관찰할 수 있다. 따라서, 파괴가 진행되는 동안 in-situ 분석이 가능하고 외부에서 내부로 전달되는 힘을 분자수준에서 정량적으로 체계화할 수 있다.
도 1. 스파이로파이란의 대표 분자식; SP는 힘을 받으면 고리 열림반응에 의해 SP form에서 MC form으로 변환하면서 보라색을 나타내고 형광특성을 보여준다. 따라서 힘에 대한 센서분자로 큰 가능성을 가지고 있다. 힘에 의해 변환된 MC form은 가시광선에 의해 가역적으로 다시 SP form으로 되돌아갈 수 있다.
도 2. (a) 디히드록실 스파이로파이란(HO-SP-OH), (b) carboxylic-hydroxyl 스파이로파이란(COOH-SP-OH)의 분자식 및 NMR 데이터.
도 3. 디히드록실 스파이로파이란(OH-SP-OH)이 포함된 실리카/폴리우레탄 복합소재의 합성 개념도.
도 4. Differential scanning calorimetry (DSC) 분석 결과; 스파이로파이란 분자센서가 포함된 실리카/폴리우레탄 자가진단 복합소재(붉은색)와 포함되지 않은 복합소재(검은색), 유리 전이온도(glass transition temperature)와 녹는 온도(melting temperature)가 각각 -66 ℃와 7 ℃로 측정되었다.
도 5. 스파이로파이란 분자센서가 혼입된 실리카/폴리우레탄 자가진단 복합소재의 사진; i) 제조된 시편, 보라색을 띠지만 가시광선을 조사하면 투명한 실리카/폴리우레탄 자가진단 복합소재가 준비된다. ii) 투명한 시편을 만능인장기(universal testing machine)로 인장하면 위 도면에서 볼 수 있듯이 전달되는 힘에 비례하여 보라색으로 변화하게 된다. iii) 힘의 전달로 보라색으로 변한 시편에 가시광선을 다시 조사해주면 원래의 투명한 시편으로 돌아오는 가역적인 반응성을 보여준다.
도 6. (a) 실리카/폴리우레탄 자가진단 소재의 스트레스-스트레인 커브(stress-strain curve), (b) 인장 포인트에 따른 (1->2->3->4) 시편의 색변화; 외부에서 가해지는 힘(혹은 변위)이 증가함에 따라 시편의 색이 투명에서 보라색으로 변함을 확인 할 수 있다. 포인트 4는 시편이 600%까지 인장된 후 힘이 제거된 시편의 사진이다.
도 7. (a) 스파이로파이란 분자센서가 포함된 실리카/폴리우레탄 자가진단 복합소재의 RGB 삼원색 기법을 이용한 정량화 기법; RGB 분석법은 보라색을 RGB의 삼원색으로 분석하여 보라색의 세기를 녹색의 세기를 통해 정량화하는 기법이다. 본 발명에서는 보라색이 강할수록 녹색(G)이 감소한다는 것을 기준으로 green light intensity를 비교/분석하는 기법을 사용하였다. 도 5에서 나타나는 4개의 포인트에서 RGB 분석법을 사용한 결과 시편이 인장될수록 시각적으로 보라색이 증가되고 이를 녹색(green light intensity)를 통해 정량화하였다.
도 8. 스파이로파이란이 포함된 자가진단 복합소재의 full field fluorescence 측정을 위한 도식도; i) Excitation light: 365 nm 파장의 녹색 레이져를 사용, ii) Diffuser/expander는 원하는 크기의 균일한 강도의 레이저를 만들기 위함, iii) filter: 500-650 nm 사이의 bandwidth를 가지는 파장만을 통과시키는 필터, iv) CCD Camera: fluorescence 측정을 위한 실시간 녹화 시스템
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면은 (i) 매트릭스, (ii) 필러, (iii) 분자센서를 포함하는 변형 측정용 복합소재로서, 상기 분자센서는 상기 매트릭스나 상기 필러 또는 상기 매트릭스와 상기 필러 모두에 균일하게 분산되어 있거나, 또는 상기 매트릭스 및 상기 필러의 계면에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재에 관한 것이다.
이를 통해서 복합소재 내의 역학을 시각적으로 보여주고 in-situ 기법을 통해 힘의 전달과정을 분자수준에서 정량적으로 측정할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 분자센서는 스파이로파이란 (spiropyran)이다.
스파이로파이란은 도 1에 제시된 바와 같이 힘을 받으면 고리열림 반응에 의해 SP 형태에서 MC 형태로 화학구조가 변하면서 보라색과 형광특성을 나타내는 특징이 있으며, 이를 이용하면 힘에 대한 센서분자로 사용할 수 있다. 반응은 가역적이라 힘에 의해 변환된 MC 형태는 가시광선에 의해 다시 SP 형태의 초기 상태로 변화가 가능하다.
스파이로파이란은 다른 압력 민감성(pressure sensitive) 물질과는 다르게, 복합소재 내에 포함되더라도 원소재가 열역학적 특성을 그대로 가지고 있도록 하는 등(도 4), 원소재의 물성을 변하지 않고 센서의 역할이 가능하다.
또한, 스파이로파이란은 분자수준의 센서물질이기 때문에, 이를 이용한 본 발명의 분석방법은 거시적인 힘(뉴턴 내지 메가뉴턴, N 내지 MN) 수준의 힘뿐만 아니라 분자수준에서 작용되는, 지금까지는 측정 불가능한 영역이었던 힘(나노뉴턴, nN)까지의 힘을 정량화할 수 있는 기법이다.
다른 구현 예에 있어서, 상기 복합소재 100 중량부를 기준으로 스파이로파이란의 함량은 0.001 내지 30 중량부가 포함될 수 있다. 상기 하한 미만인 경우에는 스파이로파이란으로 인해 나타나는 색변화를 감지하기 어려워 센서의 기능을 할 수 없고, 상기 상한을 초과하는 경우에는 원물질의 물성을 변화시키는 문제가 있을 수 있다.
또 다른 구현예 있어서, 상기 매트릭스는 폴리우레탄이고, 상기 필러는 실리카이다.
본 발명의 다른 측면은 (b) 양 말단에 관능기가 도입된 분자센서를 복합소재 원료물질과 혼합하고 반응시켜 상기 분자센서를 상기 복합소재에 분산시키는 방법을 포함하는 변형 측정용 복합소재 제조방법에 관한 것이다.
일 구현예에 있어서, 상기 양 말단에 관능기가 도입된 분자센서는 양 말단에 각각 제1 관능기 및 제2 관능기가 도입되어 있는 스파이로파이란인 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재 제조방법.
다른 구현예에 있어서, 상기 복합소재 원료물질은 ① 매트릭스 원료물질이거나 ② 필러 원료물질이거나, 또는 ③ 매트릭스 원료물질과 필러 원료물질 모두이다.
상기 분자센서는 매트릭스와 필러의 계면에 도입될 수도 있는데, 그 방법의 한 예로 일단과 타단에 각각 카르복실기와 히드록시기가 도입된 스파이로파이란을 폴리우레탄과 같은 매트릭스 원료물질과 실리카와 같은 필러물질과 함께 혼합시켜 반응시키는 방법을 들 수 있다.
이를 통해서 상기 일단에 도입된 카르복실기는 실리카 필러 측 계면에 존재하는 히드록시기와 에스테르화 결합을 형성하고, 상기 타단에 도입된 히드록시기는 폴리우레탄 매트릭스 측 계면과 결합하여, 결과적으로 분자센서가 매트릭스와 필러의 계면에 위치하도록 도입할 수도 있으며, 이러한 방법은 하나의 예시적 방법에 불과하고 본 발명의 범위나 내용이 이에 한정되지 않는다는 점은 명백하다.
특히 폴리우레탄 매트릭스와 실리카 필러로 이루어져 있는 복합소재이고 분자센서가 스파이로파이란인 경우에, 스파이로파이란이 매트릭스에만 분산되어 있거나 필러에만 분산되어 있거나 또는 매트릭스와 필러 모두에 분산되어 있는 경우에 비하여, 매트릭스와 필러의 계면에만 위치하는 경우, DSC 분석 결과 유리전이 온도와 녹는점이 도 4에서 보는 미세한 차이조차 없이 완전 일치하는 것을 확인하였으며, 뿐만 아니라 RGB 삼원색 기법에 따른 분석 결과 도 7에 제시된 변형에 따른 녹색의 세기 변화에 비해 2배 이상 더욱 극명하게 변화함을 확인하였다.
분자센서가 계면에만 존재함에 따른 이러한 효과 향상은 매트릭스가 폴리우레탄 재질이 아니거나 필러가 실리카 재질이 아니거나 분자 센서가 스파이로파이란이 아닌 경우에는 확인되지 않는 효과로서, 특히 폴리우레탄 매트릭스와 실리카 필러 및 스파이로파이란 분자센서를 사용하는 경우에 계면에만 분자센서가 위치하도록 제조하는 것이 매우 중요함을 보여준다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 매트릭스는 폴리우레탄이고, 상기 (B) 단계는 1종 이상의 다이올 성분, 1종 이상의 디이소시아네이트 성분, 상기 양 말단에 관능기가 도입된 분자센서, 및 필러를 포함하는 혼합물에 대해 반응을 진행함으로써 수행된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 혼합물은 가교제, 촉매, 또는 이들 모두를 추가로 포함한다.
상기 가교제의 예에는 펜타에리트리톨(pentaerythritol, PEOL)이 포함되나 이에 한정되지 않고, 상기 촉매에는 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCOㄾ)가 포함되나 이에 한정되지 않는다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (b) 상기 양 말단에 각각 제1 관능기 및 제2 관능기가 도입되어 있는 스파이로파이란을 수득하는 단계를 추가로 포함한다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 관능기 및 상기 제2 관능기는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 히드록시기, 카르복실기, 아민기, 시아노기, 카보닐기 중에서 선택된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (b) 단계는 하기 화학식 1의 화합물과 하기 화학식 2의 화합물을 반응시킴으로써 수행된다.
[화학식 1]
Figure 112016111744111-pat00001
[화학식 2]
Figure 112016111744111-pat00002
여기서, 상기 X는 플루오린, 염소, 아이오딘 중에서 선택되고, 상기 Y 및 Z는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 히드록시기, 카르복실기, 아민기, 시아노기, 카보닐기 중에서 선택된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1a 또는 1b의 구조를 가지고, 상기 화학식 2의 화합물은 하기 화학식 2a 또는 2b의 구조를 갖는다.
[화학식 1a]
Figure 112016111744111-pat00003
[화학식 1b]
Figure 112016111744111-pat00004
[화학식 2a]
Figure 112016111744111-pat00005
[화학식 2b]
Figure 112016111744111-pat00006
본 발명의 또 다른 측면은 (B) 변형된 변형 측정용 복합소재에 대해 분광학적 분석을 수행하는 단계를 포함하는 변형 측정방법으로서, 상기 변형 측정용 복합소재는 (i) 매트릭스, (ii) 필러, (iii) 분자센서를 포함하고, 상기 분자센서는 상기 매트릭스나 상기 필러 또는 상기 매트릭스와 상기 필러 모두에 균일하게 분산되어 있거나, 또는 상기 매트릭스 및 상기 필러의 계면에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 복합소재의 변형 측정방법에 관한 것이다.
일 구현예에 있어서, 상기 분광학적 분석은 RGB 삼원색 기법, 흡광도, 전역 형광(full field fluorescence) 기법 중에서 선택된 1종 이상이다.
다른 구현예에 있어서, 상기 분자센서는 스파이로파이란이다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 변형 측정방법은 상기 (B) 단계 전에 (A) 상기 변형측정용 복합소재를 변형하는 단계를 추가로 포함한다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 변형 측정방법은 (C) 상기 변형된 변형 측정용 복합소재에 대해서 가시광선을 조사하는 단계를 추가로 포함한다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
실시예
실시예 1-1: OH-SP-OH의 합성
(4-amethoxy)-phenyl hydrazine hydrochloride를 전구체로 하여 fisher indole synthesis (70-130 ℃, 3-10 hrs, reflux under N2), demethylation (100-190 ℃, 1-5 hrs, reflux under Air), 그리고 quaternarization 방법(0-70 ℃, 12-48 hrs, reflux under N2)을 통해 아래 Part(A)를 합성하였다.
Figure 112016111744111-pat00007
Part(B)는 o-vaniline을 전구체로 electrophile aromatic substitution (0 ℃, 1-5 hrs with HNO3)과 demethylation (100-200 ℃, 1-8 hrs, reflux under Ar) 과정을 통해 합성하였다.
Figure 112016111744111-pat00008
합성된 Part(A)와 Part(B)를 70-150 ℃ 사이의 질소 분위기에서 reflux 반응을 통해 양단에 OH가 기능화된 스파이로파이란 센서분자를 합성하였다. 도 2a에는 위에서 합성한 스파이로파이란 분자의 화학식과 NMR 데이터가 제시되어 있다.
실시예 1-2: COOH-SP-OH의 합성
4-hydrazinobenzoic acid hydrhloride를 전구체로 하여 fisher indole synthesis (50-200 ℃, 2-20 hrs, reflux under N2)와 quaternarization (50-100 ℃, 1-3 days, reflux under N2) 법을 통해 Part(A)를 합성하였다.
Figure 112016111744111-pat00009
아래 구조의 Part(B)는 o-vaniline는 위 실시예 1-1과 같은 방법으로 합성하였다.
Figure 112016111744111-pat00010
합성된 part(A)와 Part(B)를 70 ℃-150 ℃ 사이의 질소 분위기에서 reflux 반응을 통해 한쪽에는 COOH가, 다른 한쪽에는 OH가 기능화된 스파이로파이란 센서분자를 합성하였다. 도 2b에는 합성한 스파이로파이란 분자의 화학식과 NMR 데이터가 제시되어 있다.
실시예 2: 복합소재 제조
카르복실기(COOH), 하이드록실기(OH), 아민기(NH2) 등으로 기능화된 스파이로파이란 센서분자를 (i) 매트릭스, (ii) 필러, (iii) 계면에 선택적으로 위치시켜서 자가진단(self-detecting) 복합소재를 제조하였으며, 도 3은 특히 그 중에서도 위 실시예 1-1에서 제조한 디히드록실 스파이로파이란(OH-SP-OH)을 실리카(필러)/폴리우레탄(매트릭스) 복합소재의 매트릭스 부분에 선택적으로 결합시켜 자가진단 소재를 합성하는 점에 대해 나타낸다.
시험예: 복합소재 내 필러의 효율성 분석
도 4는 스파이로파이란 분자센서가 포함된 실리카/폴리우레탄 자가진단 복합소재(붉은색)와 스파이로파이란분자센서가 포함되지 않은 복합소재(검은색)의 DSC (Differential Scanning Calorimetry) 실험결과를 보여준다. 스파이로파이란 분자센서의 포함 여부에 관계없이 DSC 데이터가 거의 완벽히 일치함을 알 수 있다. DSC 실험은 소재의 열역학적 물성을 측정하는 일반적인 장비이고, 이 데이터가 일치한다는 것은 스파이로파이란 분자센서를 복합소재에 넣어도 원소재의 열역학적 물성을 변화시키지 않는다는 것을 보여준다. 즉, 스파이로파이란 분자가 센서물질로 적합하다고 말할 수 있다. 유리전이 온도(glass transition temperature)와 녹는 온도(melting temperature)는 각각 -66 ℃와 7 ℃로 측정되었다.
도 5는 스파이로파이란 분자센서가 혼입된 실리카/폴리우레탄 자가진단 복합소재의 시편의 사진이다. 보라색으로 제조된 시편은 가시광선을 5분 동안 조사함으로써 투명한 실리카/폴리우레탄 복합소재로 만들 수 있다. 투명하게 준비된 복합소재 시편을 만능인장기(universal testing machine)을 통해 늘려서 힘을 가하면 시편의 색이 투명에서 보라로 변한다. 그리고 힘을 제거한 후 가시광선을 5분정도 조사해주면 다시 원래의 투명한 실리카/폴리우레탄 복합소재의 색으로 돌아가는 것을 확인하였다. 인장과 가시광선의 조사는 계속적으로 반복될 수 있는 가역 반응임이 확인되었다.
도 6a는 제조된 자가진단 복합소재 시편을 UTM (universal testing machine, 만능인장기)을 통해 인장실험 한 스트레스-스트레인 커브(stress-strain curve)를 보여주고 있다. 시편을 인장하면서 4개의 포인트(1→2→3→4)에서 색을 비교해보면(도 6b) 외부에서 가해지는 힘이 증가함에 따라 시편이 더 진한 보라색을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 외부의 힘이 복합소재 내부로 원활히 전달되어 인장에 따라 SP 센서분자의 변화가 증가함을 알 수 있다.
이를 정량화하기 위해서는 RGB, absorbance 그리고 full field fluorescence 기법을 사용할 수 있다. 도 7은 도 6에서 인장된 복합소재 시편을 RGB 삼원색 기법을 이용해 정량화한 결과를 보여주고 있다. 모든 빛의 색은 R(red), G(green), B(blue)의 세 가지로 표현될 수 있고, 특히 보라색은 붉은색과 파란색으로만 표현된다. 보라색 계열인 스파이로파이란 분자가 원물질 내에서 힘을 많이 받게 될수록 G(green)값이 줄어들면서 짙은 보라색을 띈다. 따라서 보라색이 강할수록 RGB에서 초록색의 세기(green light intensity)는 감소하게 된다. 즉, 시편이 인장됨에 따라 보라색은 점점 강해지고 이는 RGB 분석에서 녹색의 감소로 나타나게 된다. 도 6에서 표시된 4개의 포인트를 각기 RGB로 분석하면, 시편이 인장됨에 따라 보라색이 시각적으로 증가하고 있고 이는 RGB 분석을 통해 녹색의 세기로 정량화할 수 있다.
도 8에서는 full field fluorescence 기법의 대략적인 도식도를 보여주고 있다. Excitation source로는 스파이로파이란 분자의 형광을 가장 잘 표현해주는 365 nm 파장의 녹색 레이저가 사용되고, 원하는 크기와 균일도를 위해서 diffuser와 expander를 구성하였다. 자가진단 복합소재를 통해 나온 fluorescence는 90도의 각도에서 CCD 카메라를 통해 수집된다. 각종 reflected / scattered light을 제거하기 위해 CCD 카메라 앞에는 bandgap filter를 위치시켜서 원하는 파장(500-650 nm)의 빛만을 통과시킨다.

Claims (18)

  1. (i) 매트릭스, (ii) 필러, (iii) 분자센서를 포함하는 변형 측정용 복합소재로서,
    상기 분자센서는 상기 매트릭스 및 상기 필러의 계면에 분산되어 있고,
    상기 계면에서 상기 분자센서의 양 말단은 상기 매트릭스 측 계면과 상기 필러 측 계면과 각각 결합되어 있으며,
    상기 분자센서는 스파이로파이란이고,
    상기 매트릭스는 폴리우레탄이며,
    상기 필러는 실리카인 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. (B) 양 말단에 관능기가 도입된 분자센서를 복합소재 원료물질과 혼합하고 반응시켜 상기 분자센서를 상기 복합소재에 분산시키는 단계를 포함하는 변형 측정용 복합소재 제조방법으로서,
    상기 복합소재 원료물질은 매트릭스 원료물질과 필러 원료물질이고,
    상기 분자센서는 상기 매트릭스와 상기 필러의 계면에 존재하며,
    상기 계면에서 상기 분자센서의 양 말단은 상기 매트릭스 측 계면과 상기 필러 측 계면과 각각 결합되어 있고,
    상기 분자센서는 스파이로파이란이며,
    상기 매트릭스는 폴리우레탄이고,
    상기 필러는 실리카인 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 양 말단에 관능기가 도입된 분자센서는 양 말단에 각각 제1 관능기 및 제2 관능기가 도입되어 있는 스파이로파이란인 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 (B) 단계는 1종 이상의 다이올 성분, 1종 이상의 디이소시아네이트 성분, 상기 양 말단에 관능기가 도입된 분자센서, 및 필러를 포함하는 혼합물에 대해 반응을 진행함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 혼합물은 가교제, 촉매, 또는 이들 모두를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 (B) 단계 전에, (A) 상기 양 말단에 각각 제1 관능기 및 제2 관능기가 도입되어 있는 스파이로파이란을 수득하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 관능기 및 상기 제2 관능기는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 히드록시기, 카르복실기, 아민기, 시아노기, 카보닐기 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 (A) 단계는 하기 화학식 1의 화합물과 하기 화학식 2의 화합물을 반응시킴으로써 수행되고,
    [화학식 1]
    Figure 112019038633591-pat00025

    [화학식 2]
    Figure 112019038633591-pat00026

    상기 X는 플루오린, 염소, 아이오딘 중에서 선택되고, 상기 Y 및 Z는 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 히드록시기, 카르복실기, 아민기, 시아노기, 카보닐기 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 변형 측정용 복합소재 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1a 또는 1b의 구조를 가지고,
    상기 화학식 2의 화합물은 하기 화학식 2a 또는 2b의 구조를 갖는 것을 특징을 하는 변형 측정용 복합소재 제조방법:
    [화학식 1a]
    Figure 112016111744111-pat00013

    [화학식 1b]
    Figure 112016111744111-pat00014

    [화학식 2a]
    Figure 112016111744111-pat00015

    [화학식 2b]
    Figure 112016111744111-pat00016
  14. (A) 변형 측정용 복합소재를 변형하는 단계, 및
    (B) 상기 변형된 변형 측정용 복합소재에 대해 분광학적 분석을 수행하는 단계를 포함하는 변형 측정방법으로서,
    상기 변형 측정용 복합소재는 (i) 매트릭스, (ii) 필러, (iii) 분자센서를 포함하고,
    상기 분자센서는 상기 매트릭스 및 상기 필러의 계면에 분산되어 있으며,
    상기 계면에서 상기 분자센서의 양 말단은 상기 매트릭스 측 계면과 상기 필러 측 계면과 각각 결합되어 있고,
    상기 분자센서는 스파이로파이란이며, 상기 매트릭스는 폴리우레탄이고, 상기 필러는 실리카인 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 변형 측정방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 분광학적 분석은 RGB 삼원색 기법, 흡광도, 전역 형광(full field fluorescence) 기법 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 변형 측정방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제14항에 있어서, 상기 변형 측정방법은 (C) 상기 변형된 변형 측정용 복합소재에 대해서 가시광선을 조사하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재를 이용한 변형 측정방법.
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