KR102475239B1 - Detergent concentration measuring device and measuring method using the instrument having superhydophobic surface - Google Patents

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노진서
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가천대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 특히 초소수성 표면을 가지는 기구를 이용한 세제 농도 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로서, 순수 물방울과 접촉되는 각도가 150도 이상으로 형성되는 초소수성(superhydrophobic) 표면을 가지는 액체 접촉 기구와, 상기 초소수성 표면에 접촉되는 액체의 접촉 각도 또는 접촉 위치를 측정하는 측정 모듈을 포함함으로써, 종래의 세제 농도 측정 방법보다 훨씬 간편하고 휴대 가능한 장비로 즉석에서 액체의 세제 농도를 측정할 수 있는 장치와 방법을 제공하고자 한다.The present invention particularly relates to a detergent concentration measuring device and method using a device having a superhydrophobic surface, and a liquid contact device having a superhydrophobic surface in which an angle of contact with pure water droplets is formed at 150 degrees or more, and the above A device and method capable of measuring the detergent concentration of a liquid on the spot with much simpler and more portable equipment than conventional detergent concentration measurement methods by including a measurement module for measuring the contact angle or contact position of a liquid in contact with a superhydrophobic surface want to provide

Description

초소수성 표면을 가지는 기구를 이용한 세제 농도 측정 장치와 세제 농도 측정 방법{Detergent concentration measuring device and measuring method using the instrument having superhydophobic surface}Detergent concentration measuring device and measuring method using the instrument having superhydrophobic surface {Detergent concentration measuring device and measuring method using the instrument having superhydrophobic surface}

본 발명은 세제 농도 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로, 특히 초소수성 표면을 가지는 기구를 이용한 세제 농도 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a detergent concentration measuring device and method, and more particularly to a detergent concentration measuring device and measuring method using a device having a superhydrophobic surface.

오늘날 대부분의 가정에서는 식기, 과일, 주방 용품 및 세탁과 같은 다양한 물체를 세정하기 위해 상당한 양의 세제가 소비된다. 세제는 계면활성제와 여러 부수 성분들을 포함하고 있다. 일상 생활에서 세제의 사용은 불가피하지만, 세제를 반복적으로 사용하면 건강에 해로울 수 있다. 피부가 세제에 과도하게 노출되면 피부질환이 발생될 수 있으며, 피부에 침투되는 일부 세제는 재생 불량성 빈혈을 유발할 수 있다. 또한 신경계를 손상시키고 특정 암을 유발할 수 있다. 이런 이유로, 세척 후 남은 세제의 양이 즉석에서 간편하게 측정될 수 있는 기술이 필요하다.In most homes today, a significant amount of detergent is consumed to clean various objects such as tableware, fruit, kitchen utensils and laundry. Detergents contain surfactants and several minor ingredients. Although the use of detergents is unavoidable in daily life, repeated use of detergents can be harmful to health. Excessive exposure of the skin to detergents can cause skin diseases, and some detergents penetrating the skin can cause aplastic anemia. It can also damage the nervous system and cause certain cancers. For this reason, there is a need for a technology capable of instantly and conveniently measuring the amount of detergent remaining after washing.

수중 세제의 농도 검출을 위한 종래 기술로서는 자외선 흡수 분광법, 이온 크로마토그래피, 가스 크로마토그래피, 가스 크로마토그래피-질량 분석법 및 액체 크로마토그래피를 포함하여, 여러 방법이 개발되었다. 이러한 기술들은 모든 세제에는 계면활성제가 함유되어 있다는 것에 착안하여 계면활성제의 농도를 측정할 수 있도록 개발된 것들이다.Several methods have been developed in the prior art for detecting the concentration of detergents in water, including ultraviolet absorption spectroscopy, ion chromatography, gas chromatography, gas chromatography-mass spectrometry and liquid chromatography. These techniques were developed to measure the concentration of surfactants based on the fact that all detergents contain surfactants.

상기 기술들은 분석 방법의 효능은 입증되었지만, 측정을 위한 장비를 휴대하기 힘들어 즉석에서 간편하게 사용할 수 없고, 시료의 처리 기간이 너무 길 뿐만아니라 비교적 큰 검출 한계와 같은 문제가 있다. 따라서 일상 생활에서 간편하게 적용될 수 있는 세제농도 측정에 대한 기술은 현재로서는 없는 실정이며, 이에 대한 개발이 요청되는 상황이다.Although the efficacy of the analysis method has been proven, the above techniques have problems such as difficulty in carrying equipment for measurement, so that it cannot be used conveniently on the spot, the sample processing period is too long, and the detection limit is relatively large. Therefore, there is currently no technology for measuring detergent concentration that can be easily applied in daily life, and the development of this is requested.

등록특허공보 제10-1881639호(공고일자: 2018. 08. 27)Registered Patent Publication No. 10-1881639 (Public date: 2018. 08. 27)

이에 본 발명은 종래의 세제 농도 측정 방법보다 훨씬 간편하고 휴대 가능한 장비로 즉석에서 액체의 세제 농도를 측정할 수 있는 장치와 방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention is to provide a device and method capable of instantly measuring the detergent concentration of a liquid with much simpler and portable equipment than conventional detergent concentration measurement methods.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초소수성 표면을 가지는 기구를 이용한 세제 농도 측정 장치는 순수 물방울과 접촉되는 각도가 150° 이상으로 형성되는 초소수성(superhydrophobic) 표면을 가지는 액체 접촉 기구와, 상기 초소수성 표면에 접촉되는 액체의 접촉 각도 또는 접촉 위치를 측정하는 측정 모듈을 포함한다.Detergent concentration measuring device using a device having a superhydrophobic surface according to the present invention for achieving this object is a liquid contact device having a superhydrophobic surface formed at an angle of 150 ° or more in contact with pure water droplets, and the and a measurement module for measuring a contact angle or a contact position of a liquid contacting the superhydrophobic surface.

여기서 상기 초소수성 표면은 바람직하게는 액체 접촉 기구의 표면으로부터 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 복수개의 나노막대가 돌출되는 형태로 형성되며, 상기 나노막대 사이에는 공기가 채워진다.Here, the superhydrophobic surface is preferably formed in a form in which a plurality of nanorods made of zinc oxide (ZnO) protrude from the surface of the liquid contact mechanism, and air is filled between the nanorods.

이 경우 상기 복수개의 나노막대의 단부에는 바람직하게는 스테아르 산이 코팅된다.In this case, the ends of the plurality of nanorods are preferably coated with stearic acid.

또한 상기 복수개의 나노막대와 액체 접촉 기구의 표면 사이에는 바람직하게는 각 나노막대에 대응되는 위치 마다 산화아연 돌기가 형성된다.In addition, between the plurality of nanorods and the surface of the liquid contact mechanism, preferably, zinc oxide protrusions are formed at positions corresponding to each nanorod.

한편, 상기 액체 접촉 기구는 바람직하게는 세제 방울이 맺힐 수 있는 면적을 가지는 판 형태의 부재일 수 있다.On the other hand, the liquid contact mechanism may preferably be a plate-shaped member having an area where detergent droplets can form.

이때 상기 측정 모듈은 바람직하게는 복수개가 액체 접촉 기구의 둘레를 따라 설치되는 카메라이며, 상기 측정 모듈로부터 세제 방울이 액체 접촉 기구의 표면에 맺힌 형태의 영상을 수신하여 세제 방울과 액체 접촉 기구의 접촉 각도를 산출 해 내는 연산 모듈을 더 포함한다.At this time, the measurement module is preferably a plurality of cameras installed along the circumference of the liquid contact mechanism, and the contact angle between the detergent droplet and the liquid contact mechanism is received by receiving an image in the form of detergent droplets formed on the surface of the liquid contact mechanism from the measurement module. It further includes an arithmetic module that calculates

여기서 상기 연산 모듈에는 바람직하게는 복수개의 상기 측정 모듈로부터 얻은 각각의 영상 마다 산출된 접촉 각도들로부터 접촉 각도의 평균값을 산출하는 절차와, 미리 측정되어 저장된 세제 농도별 접촉 각도의 데이터로부터 상기 평균값에 대응되는 접촉 각도에 해당되는 세제 농도 데이터를 채택하여 세제의 농도를 결정하는 절차를 포함하는 알고리즘이 탑재될 수 있다.Here, the calculation module preferably includes a procedure for calculating an average value of contact angles from contact angles calculated for each image obtained from a plurality of the measurement modules, and a procedure for calculating an average value of contact angles from contact angle data for each detergent concentration that has been measured and stored in advance to obtain the average value An algorithm including a procedure of determining the concentration of the detergent by adopting the detergent concentration data corresponding to the corresponding contact angle may be loaded.

또는 상기 액체 접촉 기구는 바람직하게는 모세관을 포함하며, 상기 초소수성 표면은 상기 모세관의 내주면에 형성됨으로써, 모세관 내부를 타고 상승하는 서로 다른 세제 농도를 가지는 액체의 최종 높이 차이가 모세관 내주면에 초소수성 표면이 없는 경우보다 증가된다.Alternatively, the liquid contact mechanism preferably includes a capillary, and the superhydrophobic surface is formed on the inner circumferential surface of the capillary, so that the final height difference of the liquids having different detergent concentrations rising inside the capillary increases the superhydrophobicity on the inner circumferential surface of the capillary. increased than when there is no surface.

여기서 상기 액체 접촉 기구는 바람직하게는 모세관과, 모세관 하부가 일정 높이까지 잠길 수 있는 용적을 가지는 수조로 이루어지되, 상기 수조에는 세제 농도 측정에 필요한 액체 양의 측정이 가능한 눈금이 형성될 수 있다.Here, the liquid contact mechanism preferably consists of a capillary tube and a water tank having a volume in which the lower part of the capillary tube can be submerged to a certain height, and a scale capable of measuring the amount of liquid required for measuring the detergent concentration may be formed in the water tank.

이때 상기 수조에는 바람직하게는 모세관이 직립될 수 있는 복수개의 홀이 형성되는 격자 형태의 지지 프레임이 설치될 수 있다.At this time, preferably, a grid-shaped support frame having a plurality of holes through which capillaries can be erected may be installed in the water tank.

또한 상기 측정 모듈은 바람직하게는 모세관 내부를 따라 상승된 액체의 상단을 향하도록 배치되는 카메라와, 카메라가 상기 액체의 상단을 향할 수 있게 카메라의 방향을 조절시킬 수 있는 회전 게이지와, 카메라의 영상 중심이 정확하게 상기 액체의 상단에 일치될 수 있게 중심에 타겟 가늠자가 표시되는 모니터 및, 카메라의 높이를 조절시킬 수 있는 카메라 승강유닛으로 이루어질 수 있다.In addition, the measurement module is preferably a camera disposed to face the top of the liquid raised along the inside of the capillary, a rotation gauge capable of adjusting the direction of the camera so that the camera faces the top of the liquid, and an image of the camera It may be composed of a monitor displaying a target scale at the center so that the center can be accurately aligned with the upper end of the liquid, and a camera lifting unit capable of adjusting the height of the camera.

또는 상기 측정 모듈은 바람직하게는 모세관 내부를 따라 상승된 액체의 상단을 향하면서 각도가 가변 가능하게 배치되는 카메라와, 카메라의 각도를 실시간으로 산출하는 각도 센서 및, 카메라의 영상 중심이 정확하게 상기 액체의 상단에 일치될 수 있게 중심에 타겟 가늠자가 표시되는 모니터로 이루어져, 미리 측정된 카메라와 모세관 사이의 수평거리 및 상기 카메라의 각도 정보를 통하여 상기 액체의 상단 높이가 산출될 수 있다.Alternatively, the measurement module may preferably include a camera having a variable angle while facing the top of the liquid raised along the inside of the capillary, an angle sensor for calculating the angle of the camera in real time, and an image center of the camera accurately measuring the liquid. It consists of a monitor in which a target scale is displayed at the center so as to coincide with the top of the liquid, and the height of the top of the liquid can be calculated through the previously measured horizontal distance between the camera and the capillary and angle information of the camera.

한편, 본 발명에 따른 세제 농도 측정 방법은 상기 초소수성 표면에 액체를 접촉시킨 후에 상기 표면에 접촉되는 액체의 접촉 각도 또는 접촉 위치를 측정하는 단계를 포함한다.On the other hand, the detergent concentration measurement method according to the present invention includes the step of measuring the contact angle or contact position of the liquid contacting the surface after contacting the liquid to the superhydrophobic surface.

이때 상기 측정하는 단계는 바람직하게는 액체의 접촉 각도 또는 접촉 위치의 측정이 이루어지기 전에 액체 접촉 기구의 표면에 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 복수개의 나노막대를 상기 표면으로부터 돌출되는 방향으로 성장시키는 단계를 포함한다.At this time, the measuring step is preferably a step of growing a plurality of nanorods made of zinc oxide (ZnO) on the surface of the liquid contact mechanism in a direction protruding from the surface before measuring the contact angle or contact position of the liquid. includes

여기서 상기 측정하는 단계는 바람직하게는 성장시키는 단계 이후에 복수개의 나노막대의 단부에 스테아르 산을 코팅하는 단계를 더 포함한다.Preferably, the measuring step further includes coating stearic acid on the ends of the plurality of nanorods after the growing step.

상기 측정하는 단계는 바람직하게는 성장시키는 단계 이전에 복수개의 나노막대가 성장될 위치 각각에 미리 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 돌기를 형성시키는 단계를 더 포함한다.The measuring step preferably further includes forming a protrusion made of zinc oxide (ZnO) in advance at each position where a plurality of nanorods are to be grown before the growing step.

이때 상기 액체 접촉 기구는 바람직하게는 세제 방울이 맺힐 수 있는 면적을 가지는 판 형태의 부재이며, 상기 측정하는 단계는 상기 돌기를 형성시키는 단계 이후에 세제 농도를 측정하고자 하는 액체를 액체 접촉 기구의 표면에 방울 상태로 떨어트려, 액체 접촉 기구의 표면에서 농도를 측정하고자 하는 액체의 방울이 액체 접촉 기구의 표면과 이루는 접촉 각도를 측정함으로써 이루어진다.At this time, the liquid contact mechanism is preferably a plate-shaped member having an area on which detergent droplets can form, and the measuring step is to apply the liquid to be measured for detergent concentration to the surface of the liquid contact mechanism after the step of forming the projections. It is made by measuring the contact angle formed by the droplet of the liquid whose concentration is to be measured on the surface of the liquid contact mechanism with the surface of the liquid contact mechanism.

이 경우 상기 측정 모듈은 바람직하게는 액체 접촉 기구의 둘레를 따라 설치되는 복수개의 카메라이며, 상기 접촉 각도를 측정하는 단계는, 접촉 각도의 측정은 적어도 3개의 카메라로 서로 다른 지점에서 접촉 각도의 측정 영상을 얻는 단계와, 얻어진 측정 영상으로부터 접촉 각도의 평균 값을 산출하는 단계 및, 접촉 각도의 평균 값으로부터 기 측정된 접촉 각도에 따른 세제 농도 데이터로부터 측정된 상기 접촉 각도의 평균 값에 매칭되는 세제 농도를 산출하는 단계로 이루어진다.In this case, the measurement module is preferably a plurality of cameras installed along the circumference of the liquid contact mechanism, and the step of measuring the contact angle includes measuring the contact angle at different points using at least three cameras. The step of obtaining an image, the step of calculating an average value of the contact angle from the obtained measurement image, and the detergent matching the average value of the contact angle measured from the detergent concentration data according to the previously measured contact angle from the average value of the contact angle It consists of calculating the concentration.

또는 상기 액체 접촉 기구는 모세관과, 모세관 하부가 일정 높이까지 잠길 수 있는 용적을 가지는 수조로 이루어지되, 상기 초소수성 표면은 바람직하게는 상기 모세관의 내주면에 형성함으로써, 모세관 내부를 타고 상승하는 서로 다른 세제 농도를 가지는 액체의 최종 높이 차이가 모세관 내주면에 초소수성 표면이 없는 경우보다 증가되고, 상기 측정 모듈은 모세관 내부를 따라 상승된 액체의 상단을 향하도록 배치되는 카메라와, 카메라가 상기 액체의 상단을 향할 수 있게 카메라의 방향을 조절시킬 수 있는 회전 게이지와, 카메라의 영상 중심이 정확하게 상기 액체의 상단에 일치될 수 있게 중심에 타겟 가늠자가 표시되는 모니터와, 카메라의 높이를 조절시킬 수 있는 카메라 승강 유닛 및, 카메라의 높이를 상기 액체의 상단 높이에 일치시킬 수 있도록 승강 가능하면서 모세관과 카메라 승강 유닛 사이를 가로지르게 설치되는 수평 척으로 이루어짐으로써, 상기 측정하는 단계는 세제 농도 측정 대상인 액체를 수조 내부에 채운 후에 상기 액체가 모세관을 따라 상승하다가 멈출때까지 모세관을 상기 수조에 일정 시간 동안 침지시키는 단계와, 상기 수평 게이지가 수평 방향에 일치됨과 동시에 상기 타겟 가늠자가 액체의 상단에 일치되는 지점까지 카메라 승강 유닛과 회전 게이지를 이용하여 카메라의 높이와 각도를 조절 함으로써 액체 상단의 높이를 산출하는 단계로 이루어질 수 있다.Alternatively, the liquid contact mechanism is composed of a capillary tube and a water tank having a volume in which the lower part of the capillary tube can be submerged to a certain height, and the superhydrophobic surface is preferably formed on the inner circumferential surface of the capillary tube, so that different The final height difference of the liquid having the detergent concentration is increased compared to the case where the super-hydrophobic surface is not present on the inner circumferential surface of the capillary, and the measurement module includes a camera arranged to face the top of the liquid raised along the inside of the capillary, and the camera to the top of the liquid. A rotation gauge capable of adjusting the direction of the camera, a monitor displaying a target scale at the center so that the center of the image of the camera can accurately match the top of the liquid, and a camera capable of adjusting the height of the camera A lifting unit and a horizontal chuck installed across the capillary tube and the camera lifting unit while being able to move up and down so as to match the height of the camera to the height of the top of the liquid, the measuring step is to move the liquid, which is the subject of detergent concentration measurement, into a water tank. After filling the inside, immersing the capillary in the water tank for a certain period of time until the liquid rises along the capillary and stops, and until the horizontal gauge coincides with the horizontal direction and the target scale coincides with the upper end of the liquid A step of calculating the height of the top of the liquid by adjusting the height and angle of the camera using the camera elevation unit and the rotation gauge.

그리고 상기 액체 접촉 기구는 앞서와 달리 모세관과, 모세관 하부가 일정 높이까지 잠길 수 있는 용적을 가지는 수조로 이루어지되, 상기 초소수성 표면은 상기 모세관의 내주면에 형성함으로써, 모세관 내부를 타고 상승하는 서로 다른 세제 농도를 가지는 액체의 최종 높이 차이가 모세관 내주면에 초소수성 표면이 없는 경우보다 증가되고, 상기 측정 모듈은 모세관 내부를 따라 상승된 액체의 상단을 향하면서 각도가 가변 가능하게 배치되는 카메라와, 카메라의 각도를 실시간으로 산출하는 각도 센서 및, 카메라의 영상 중심이 정확하게 상기 액체의 상단에 일치될 수 있게 중심에 타겟 가늠자가 표시되는 모니터로 이루어짐으로써, 상기 측정하는 단계는 카메라의 각도를 가변시켜서 모니터의 타겟 가늠자를 액체 상단에 일치시키는 단계와, 모니터의 타겟 가늠자가 액체 상단에 일치된 상태에서 각도 센서로 카메라의 각도를 산출하는 단계 및, 각도를 산출하는 단계에서 산출된 각도로 액체 상단의 높이와 카메라의 높이 차이를 액체 상단의 높이에 더함으로써 액체 상단의 높이를 산출하는 단계로 이루어질 수 있다.In addition, the liquid contact mechanism is composed of a capillary and a water tank having a volume in which the lower part of the capillary can be submerged to a certain height, unlike the previous one, and the superhydrophobic surface is formed on the inner circumferential surface of the capillary, so that different The final height difference of the liquid having the detergent concentration is increased compared to the case where the superhydrophobic surface is not present on the inner circumferential surface of the capillary, and the measurement module includes a camera disposed with a variable angle while facing the top of the liquid raised along the inside of the capillary; By comprising an angle sensor that calculates the angle of in real time and a monitor displaying a target scale at the center so that the center of the image of the camera can accurately match the top of the liquid, the measuring step is performed by changing the angle of the camera to monitor The step of aligning the target scale of the monitor with the top of the liquid, the step of calculating the angle of the camera with the angle sensor while the target scale of the monitor is aligned with the top of the liquid, and the height of the top of the liquid with the angle calculated in the step of calculating the angle and calculating the height of the top of the liquid by adding the height difference between the camera and the height of the top of the liquid to the height of the top of the liquid.

본 발명에 따른 초소수성 표면을 가지는 기구를 이용한 세제 농도 측정 장치와 세제 농도 측정 방법은 초소수성 표면을 세제 농도 측정에 이용함으로써 세제 농도 측정이 정확하면서도 간편하게 즉석에서 이루어질 수 있게 되어, 일상생활에서 세제 농도 측정이 자유롭게 적용될 수 있게 됨으로써 세제 과다 노출로 인한 각종 건강문제가 방지될 수 있는 효과가 있다.Detergent concentration measuring device and detergent concentration measuring method using a device having a super-hydrophobic surface according to the present invention use a super-hydrophobic surface to measure detergent concentration, so that detergent concentration can be measured accurately and conveniently on the spot, and detergents in everyday life Since concentration measurement can be freely applied, various health problems due to excessive exposure to detergents can be prevented.

도 1은 초소수성 표면 처리의 각 단계별 물방울 접촉각을 나타낸 개념도,
도 2는 초소수성 표면과 세제 농도와의 관계를 접촉각으로 나타낸 개념도와 그래프,
도 3은 모세관 내부가 초소수성일 경우 세제 농도 측정에 적용될 수 있는 원리를 나타낸 개념도와 그래프,
도 4는 유리판 및 모세관 내부 표면을 초소수성으로 개질시키는 공정도,
도 5는 유리 표면에서 초소수성 표면으로 변화되는 각 단계별 SEM 이미지,
도 6은 ZnO 나노로드가 성장된 표면에 대한 스테아르산 처리 전과 후의 XRD 패턴,
도 7은 ZnO 나노로드가 성장된 표면에 대한 스테아르산 처리 전과 후의 FT-IR 스펙트럼,
도 8은 모세관 내벽에 성장된 ZnO 나노로드를 단계적으로 배율을 높여가며 찍은 SEM 이미지,
1 is a conceptual diagram showing the contact angle of water droplets at each stage of superhydrophobic surface treatment;
2 is a conceptual diagram and graph showing the relationship between a superhydrophobic surface and detergent concentration as a contact angle;
Figure 3 is a conceptual diagram and graph showing the principle that can be applied to the detergent concentration measurement when the inside of the capillary is superhydrophobic,
Figure 4 is a process diagram of modifying the inner surface of the glass plate and capillary to super-hydrophobic;
5 is a SEM image of each step of changing from a glass surface to a superhydrophobic surface;
6 is an XRD pattern before and after stearic acid treatment of the surface on which ZnO nanorods are grown;
7 shows FT-IR spectra before and after stearic acid treatment of the surface on which ZnO nanorods are grown;
8 is a SEM image taken while increasing the magnification step by step of the ZnO nanorods grown on the inner wall of the capillary;

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Specific structural or functional descriptions presented in the embodiments of the present invention are merely exemplified for the purpose of explaining embodiments according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms. In addition, it should not be construed as being limited to the embodiments described in this specification, and should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 세제 농도 측정 장치는 물과 접촉되는 각도가 150° 이상인 초소수성(superhydrophobic) 표면이 형성된 액체 접촉 기구(11,12)와, 상기 표면에 접촉되는 액체의 접촉 각도 또는 접촉 위치를 측정하는 측정 모듈(미도시)을 포함한다.The detergent concentration measuring device according to the present invention measures the contact angle or contact position of a liquid contacting device (11, 12) formed with a superhydrophobic surface having a contact angle of 150 ° or more with water, and a liquid contacting the surface. It includes a measurement module (not shown) that

초소수성(superhydrophobic)이란 어떤 물체의 표면에 순수 물방울이 접촉될 때 순수 물방울과 접촉되는 각도가 150° 이상으로 형성될 정도로 물에 젖지 않는 성질을 가지는 표면을 말한다.Superhydrophobic refers to a surface that does not get wet to such an extent that when pure water droplets contact the surface of an object, the contact angle with the pure water droplets is formed at 150° or more.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 유리판(11)에 순수 물방울을 떨어뜨릴 경우 물방울과 유리판(11) 표면의 접촉 형상은 제일 왼쪽에 도시된 것과 같이 13.2°의 접촉각으로 형성된다. 도 1의 (a)에서 중간의 도면은 소수성 처리가 된 표면에서의 물방울 접촉각으로서 대략 89.9°로 형성되며, 도 1의 (a)에서 가장 오른쪽의 도면이 초소수성 표면 처리가 된 유리판(11)에 순수 물방울이 떨어진 경우의 형상으로서 156.3°의 접촉각이 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서 초소수성 처리가 된 유리판(11) 표면에 순수 물방울이 떨어질 경우에는 거의 물방울 본연의 구형에 가까운 형태가 됨을 알 수 있다.As shown in (a) of FIG. 1, when a pure water droplet is dropped on the glass plate 11, the contact shape between the water droplet and the surface of the glass plate 11 is formed at a contact angle of 13.2 ° as shown in the far left. In FIG. 1 (a), the middle drawing is a water droplet contact angle on the hydrophobic treated surface, which is formed at approximately 89.9 °, and the rightmost drawing in FIG. It can be seen that a contact angle of 156.3° is formed as a shape when pure water droplets fall on the surface. Therefore, it can be seen that when pure water droplets fall on the surface of the glass plate 11 treated with superhydrophobicity, they have a shape close to the original spherical shape of the water droplets.

본 발명에서는 이러한 점에 착안하여, 세제 농도를 초소수성 표면에 액체 방울이 접촉되는 형태 및 그 각도로부터 측정할 수 있을 것이라는 발상으로 출발하였다. 실제로 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 세제 농도가 높아지면서 점차 액체 방울과 초소수성 표면과의 접촉 각도가 감소됨을 확인할 수 있었다.In view of this point, the present invention started with the idea that the detergent concentration could be measured from the contact shape and angle of the liquid droplet on the superhydrophobic surface. In fact, as shown in (a) of FIG. 2, it was confirmed that the contact angle between the liquid droplet and the superhydrophobic surface gradually decreased as the detergent concentration increased.

따라서 여러종류의 세제와 각 세제 마다 농도를 달리 하여 준비한 세제 용액을 사용해 초소수성 표면에 형성되는 접촉각을 반복실험을 통해 측정한 결과 도 2의 (b)에 도시된 그래프를 얻을 수 있었다. 세제 농도와 초소수성 표면 간의 접촉각 관계는 도 2의 (b)에 도시된 실험 그래프에서 알 수 있듯이 반대수 도표(semilog plot)상 선형적인 관계에 있다. 다만 세제의 성분에 따라 기울기나 y축 교차점의 차이는 다소 있지만, 그 차이가 크지 않음을 알 수 있다.Therefore, as a result of measuring the contact angle formed on the superhydrophobic surface through repeated experiments using several types of detergents and detergent solutions prepared with different concentrations for each detergent, the graph shown in FIG. 2 (b) was obtained. The contact angle relationship between the detergent concentration and the superhydrophobic surface has a linear relationship on a semilog plot, as can be seen from the experimental graph shown in FIG. 2 (b). However, although there is a slight difference in the slope or y-axis crossing point depending on the ingredients of the detergent, it can be seen that the difference is not large.

따라서 어느 한 세제 용액에 대해서 도 2의 (b)에 해당되는 그래프가 얻어진다면 액체에 함유된 세제의 농도는 초소수성 표면을 이용하면 곧바로 알 수 있다. 또한 어느 한 세제에 대해서 도 2의 (b)에 해당되는 그래프를 얻고자 할 경우에는 대수 세제 농도와 실수 접촉각은 서로 선형적인 관계에 있으므로 어느 두 점의 실험 값을 구한 후에 직선으로 연결시킴으로써 각 농도 별 접촉각에 관한 데이터를 도 2의 (b) 형태의 그래프로 얻을 수 있다는 결론이 도출된다.Therefore, if a graph corresponding to (b) of FIG. 2 is obtained for any one detergent solution, the concentration of detergent contained in the liquid can be immediately known by using a superhydrophobic surface. In addition, when trying to obtain a graph corresponding to (b) of FIG. 2 for any one detergent, since the logarithmic detergent concentration and the real contact angle have a linear relationship with each other, the experimental values of any two points are obtained and then connected with a straight line to obtain each concentration. It is concluded that the data on the star contact angle can be obtained as a graph in the form of (b) in FIG.

따라서 본 발명에 따른 세제 농도 측정 장치는 물과 접촉되는 각도가 150° 이상인 초소수성(superhydrophobic) 표면이 형성된 액체 접촉 기구(11,12)와, 상기 초소수성 표면에 접촉되는 액체의 접촉 각도 또는 접촉 위치를 측정하는 측정 모듈이 이용됨으로써 구현 가능하다.Therefore, the detergent concentration measuring device according to the present invention includes a liquid contact mechanism (11, 12) formed with a superhydrophobic surface having a contact angle of 150 ° or more, and a contact angle or contact of the liquid contacting the superhydrophobic surface. It can be implemented by using a measurement module that measures the position.

이때 초소수성 표면은 액체 접촉 기구를 이루는 부재의 표면으로부터 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 복수개의 ZnO 나노로드(17)가 돌출되는 형태로 배향됨으로써 형성되며, 각각의 ZnO 나노로드(17) 사이에는 공기가 채워짐으로써 각 ZnO 나노로드(17) 사이 공간이 일종의 에어포켓(19) 형태로 형성되어, ZnO 나노로드(17) 상부에 낙하된 액체 방울이 ZnO 나노로드(17) 사이로 스며들지 않고 떠다니는 형태로 착지됨으로써 소수성 표면이 형성될 수 있다.At this time, the superhydrophobic surface is formed by orienting a plurality of ZnO nanorods 17 made of zinc oxide (ZnO) in a protruding form from the surface of the member constituting the liquid contact mechanism, and between each ZnO nanorods 17, air is formed. is filled, the space between each ZnO nanorod 17 is formed in the form of a kind of air pocket 19, so that liquid droplets that fall on top of the ZnO nanorods 17 float without permeating between the ZnO nanorods 17. By landing, a hydrophobic surface can be formed.

또한 복수개의 ZnO 나노로드(17)의 단부에는 스테아르 산(18)이 코팅됨으로써 ZnO 나노로드(17) 단부의 표면 에너지가 최소화됨으로써, 에어포켓(19)과 ZnO 나노로드(17)의 단부로 이루어지는 표면은 전체가 초소수성을 띠게 된다.In addition, by coating the ends of the plurality of ZnO nanorods 17 with stearic acid 18, the surface energy of the ends of the ZnO nanorods 17 is minimized, so that the air pockets 19 and the ends of the ZnO nanorods 17 are formed. The entire surface becomes superhydrophobic.

이때 복수개의 ZnO 나노로드(17)와 액체 접촉 기구(11,12)의 표면 사이에는 각 ZnO 나노로드(17)에 대응되는 위치 마다 ZnO 나노로드(17)가 성장할 수 있는 시드로 작용되는 산화아연 돌기(16)가 형성될 수 있다.At this time, between the plurality of ZnO nanorods 17 and the surfaces of the liquid contact mechanisms 11 and 12, zinc oxide acts as a seed for the growth of the ZnO nanorods 17 at positions corresponding to each ZnO nanorods 17. A protrusion 16 may be formed.

또한 유사한 원리로 본 발명에서는 모세관(12) 내벽을 초소수성 표면으로 조성할 경우, 모세관(12)을 타고 상승되는 액체에 함유된 세제의 농도에 따라 모세관(12)을 타고 상승되는 액체의 최종 높이는 현저하게 차이가 날 수 있을 것이라는 점에 착안하였다. 실험 결과 도 3의 (d) 그래프에 도시된 바와 같이 모세관(12) 내면이 초소수성 표면으로 처리된 경우에, 세제 농도와 모세관(12) 최종 상승 높이는 반대수 도표 상에서 서로 선형적인 관계로 변화됨을 알 수 있었다.Also, according to a similar principle, in the present invention, when the inner wall of the capillary tube 12 is formed as a super-hydrophobic surface, the final height of the liquid rising along the capillary tube 12 depends on the concentration of the detergent contained in the liquid rising along the capillary tube 12. It was noted that there could be a significant difference. As a result of the experiment, as shown in the graph (d) of FIG. 3, when the inner surface of the capillary tube 12 is treated with a super-hydrophobic surface, the detergent concentration and the final elevation of the capillary tube 12 change in a linear relationship with each other on the counter-number diagram. Could know.

이는 내면에 초소수성 표면처리가 되지 않은 순수 유리 모세관의 경우에는 순수 물과 같이 표면장력이 강한 상태라 하더라도 액체의 상승 높이가 그다지 크지 않아, 도 3의 (a)에서 알 수 있듯이 세제 농도에 상관없이 액체의 최종 상승 높이는 모두 유사하게 형성됨에 반하여, 도 3 (b)처럼 모세관(12) 내면이 초소수성 처리가 된 경우에는 세제 농도에 따라 현격한 높이 차이가 발생되는 실험 결과로 확인될 수 있다.This is because, in the case of a pure glass capillary without superhydrophobic surface treatment on the inner surface, the rising height of the liquid is not very high even when the surface tension is strong like pure water, and as can be seen in (a) of FIG. While all of the final rising heights of the liquid are formed similarly, as shown in FIG. 3 (b), when the inner surface of the capillary 12 is treated with superhydrophobicity, it can be confirmed as an experimental result that a significant height difference occurs depending on the detergent concentration. .

액체 접촉 기구(11,12)에 대해서는 본 발명에서는 크게 두 가지 실시예로 나누어 설명하기로 한다.The liquid contact mechanisms 11 and 12 will be largely divided into two embodiments in the present invention.

제1실시예는 액체 접촉 기구가 일정한 면적을 가지는 유리판(11)형태로 형성되는 실시예이다.The first embodiment is an embodiment in which the liquid contact mechanism is formed in the form of a glass plate 11 having a certain area.

제1실시예에서는 액체 접촉 기구인 유리판(11)의 상면과 여기에 맺히는 액체의 방울 간에 형성되는 접촉 각도로 세제 용액(S) 농도가 측정되는 형태의 실시예이다. 여기서 측정 모듈(미도시)은 세제 용액(S) 방울과 유리판(11) 표면 간의 접촉 각도 영상을 얻을 수 있는 카메라와 상기 영상으로부터 접촉 각도를 산출해 내는 연산모듈로 이루어질 수 있다.In the first embodiment, the concentration of the detergent solution (S) is measured by the contact angle formed between the upper surface of the glass plate 11, which is a liquid contact mechanism, and the droplet of the liquid formed thereon. Here, the measurement module (not shown) may include a camera capable of obtaining an image of a contact angle between a droplet of the detergent solution S and the surface of the glass plate 11 and an arithmetic module that calculates the contact angle from the image.

제2실시예는 액체 접촉 기구가 모세관(12)을 포함하되, 모세관(12) 내부의 표면이 초소수성으로 처리된 형태이다. 이 경우 액체 접촉 기구에는 모세관(12)과, 모세관 내부를 타고 상승될 세제 용액(S)이 일정량 담지되는 수조(111)가 포함될 수 있다.In the second embodiment, the liquid contact mechanism includes the capillary tube 12, and the inner surface of the capillary tube 12 is super-hydrophobic. In this case, the liquid contact mechanism may include a capillary tube 12 and a water tank 111 in which a certain amount of the detergent solution S to be raised along the inside of the capillary tube is supported.

따라서 제2실시예에서는 접촉 각도의 측정 형태가 아니라 액체가 모세관(12)을 타고 상승된 최종 높이를 통하여 세제 농도가 측정된다.Therefore, in the second embodiment, the detergent concentration is measured not through the measurement of the contact angle, but through the final height at which the liquid rises along the capillary 12.

이하에서는 제1실시예와 제2실시예를 실제 실험과정의 내용을 위주로 순서대로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the first embodiment and the second embodiment will be described in detail in order focusing on the contents of the actual experimental process.

<제1실시예><First Embodiment>

제1실시예는 액체 접촉 기구가 유리판(11)으로 형성되고, 측정 모듈(미도시)은 유리판(11)의 표면에 맺히는 세제 용액(S) 방울의 접촉 각도를 측정함으로써 세제 농도가 측정되는 형태의 실시예이다.In the first embodiment, the liquid contact mechanism is formed of the glass plate 11, and the measurement module (not shown) measures the contact angle of the detergent solution (S) droplet formed on the surface of the glass plate 11 to measure the detergent concentration. is an embodiment of

먼저 제1실시예에서 액체 접촉 기구인 유리판(11)을 초 소수성으로 조성시키기 위해 준비된 시약은 질산 아연 6 수화물(ZnO(NO3)2·6H2O), 우레아(CO(NH2)2), 헥사 메틸렌 테트라민(HMTA, C6H12N4), 염화 암모늄 (NH4Cl), 25% 암모니아 (NH3), 스테아르산, 아세톤((CH3)2CO)과 이소 프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)이다.First, the reagents prepared to make the glass plate 11, which is a liquid contact device, superhydrophobic in the first embodiment are zinc nitrate hexahydrate (ZnO(NO 3 ) 2 6H 2 O), urea (CO(NH 2 ) 2 ) , hexamethylene tetramine (HMTA, C 6 H 12 N 4 ), ammonium chloride (NH 4 Cl), 25% ammonia (NH 3 ), stearic acid, acetone ((CH 3 ) 2 CO) and isopropyl alcohol (isopropyl alcohol, IPA).

실험에 사용하기 위해 준비한 세제는 4가지 종류로서, 시중에서 판매되는 린스 식기 헹굼세제, 1종 세제, 나트륨 세제, 칼륨 세제로 준비하였다. 상기 세제들에 함유된 계면활성제와 부가 성분들의 종류 및 함량은 각기 다른 것으로 알려져 있다. Four types of detergents prepared for use in the experiment were prepared, including commercially available rinse dish rinse detergent, one type of detergent, sodium detergent, and potassium detergent. It is known that the types and contents of surfactants and additional components contained in the detergents are different.

실험을 위해 준비된 액체 접촉 기구는 1 mm 두께의 유리판(11)이다. 이때 1 mm 두께의 유리판(11)은 아세톤과 IPA를 사용하여 연속 세척 공정을 거친 후 60 ℃ 오븐에서 완전히 건조시켰다.The liquid contact device prepared for the experiment is a glass plate 11 with a thickness of 1 mm. At this time, the glass plate 11 having a thickness of 1 mm was subjected to a continuous cleaning process using acetone and IPA, and then completely dried in an oven at 60 °C.

유리판(11) 상에 ZnO 나노로드 어레이를 수직 성장시키기 위해, 도 4 (a)에 개략적으로 도시 된 바와 같이 이단계 용액 공정이 사용된다. 여기서 이단계 공정이란 1단계에서 유리판(11)의 표면에 먼저 ZnO 나노로드 어레이가 성장할 수 있도록 시드로 작용하게 될 ZnO 돌기(16)가 형성되고 2단계에서 ZnO 돌기 각각으로부터 ZnO 나노로드(17)가 성장함으로써 ZnO 나노로드(17) 어레이가 형성되는 공정을 의미한다.For vertical growth of ZnO nanorod arrays on glass plate 11, a two-step solution process is used, as schematically shown in Fig. 4(a). Here, the two-step process means that in step 1, ZnO protrusions 16 to act as seeds to grow the ZnO nanorod array are first formed on the surface of the glass plate 11, and in step 2, ZnO nanorods 17 are formed from each of the ZnO protrusions. This means a process in which an array of ZnO nanorods 17 is formed by growing.

ZnO 나노로드(17) 어레이의 형성은 2단계만 수행되더라도 가능할 수 있지만 1단계에서 ZnO 돌기(16)를 형성시킴으로써 훨씬 균일하고 안정적으로 성장시킬 수 있다. 이처럼 1단계를 거치는 효과에 대해서는 후술하기로 한다.Although the formation of the ZnO nanorod 17 array may be possible even if only two steps are performed, it can be grown much more uniformly and stably by forming the ZnO protrusions 16 in one step. The effects of step 1 will be described later.

도 4 (a)의 왼쪽에 도시된 첫 번째 단계에서, 나노 크기의 ZnO 돌기(16)가 유리판(11)의 표면에 형성된다. 이를 위해 0.01 M ZnO(NO3)2, 0.02 M NH4Cl, 0.01 M 우레아 및 5 mL의 25 % 암모니아를 함유하는 100 mL의 수용액이 준비되었다. 유리판(11)은 비이커(13)에 담긴 ZnO 배양을 위한 용액에 수직으로 침지시켰다.In the first step shown on the left side of FIG. 4 (a), nano-sized ZnO protrusions 16 are formed on the surface of the glass plate 11. For this, 100 mL of an aqueous solution containing 0.01 M ZnO(NO 3 ) 2 , 0.02 M NH 4 Cl, 0.01 M urea and 5 mL of 25% ammonia was prepared. The glass plate (11) was vertically immersed in the solution for ZnO cultivation contained in the beaker (13).

이어서, 용액을 1분당 7 ℃의 가열 속도로 90 ℃ 까지 가열하였다. 이 온도에서 유리판(11)은 비이커(13)의 용액으로부터 꺼내어진 후에, 초순수로 여러 번 헹궈지고, 실온에서 건조되었다. The solution was then heated to 90 °C at a heating rate of 7 °C per minute. After the glass plate 11 was taken out of the solution in the beaker 13 at this temperature, it was rinsed several times with ultrapure water and dried at room temperature.

제 2 단계에서, ZnO 나노로드(17) 어레이는 ZnO 돌기(16)(시드)로부터 수직으로 성장된다. 미리 50mM ZnO(NO3)2 및 50mM HMTA의 수용액을 제조하고, 100mL 비이커(13)에서 동일한 양 (50mL)의 용액을 함께 혼합 하였다. ZnO 돌기(16)를 갖는 유리판(11)을 혼합 용액에 수직으로 침지시키고, 혼합 용액을 90 ℃에서 2 시간 동안 가열 하였다. 마지막으로, 표면 개질된, 즉 ZnO 나노로드(17) 어레이가 표면에 형성된 유리판(11)을 수회 세척하고 90 ℃에서 건조시켰다.In the second step, an array of ZnO nanorods 17 is grown vertically from ZnO protrusions 16 (seeds). Aqueous solutions of 50 mM ZnO(NO 3 ) 2 and 50 mM HMTA were prepared in advance, and the same amount (50 mL) of the solution was mixed together in a 100 mL beaker (13). A glass plate 11 having ZnO projections 16 was vertically immersed in the mixed solution, and the mixed solution was heated at 90° C. for 2 hours. Finally, the surface-modified glass plate 11 on which the ZnO nanorods 17 array was formed was washed several times and dried at 90 °C.

그런데 각각의 ZnO 나노로드(17)의 단부 표면은 일반적으로 표면에 결합 된 히드록실기로 인해 친수성을 띤다. 이를 소수성으로 만들기 위해 도 4(c)에 도시 된 바와 같이 합성된 ZnO 나노로드(17) 어레이를 스테아르산(18)으로 코팅하였다. 이를 위해, 유리판(11)을 2 mM 스테아르산을 함유하는 아세톤 용액에 30 분 동안 침지시키고, 실온에서 30 분 동안 건조시켰다.However, the end surface of each ZnO nanorod 17 is generally hydrophilic due to the hydroxyl group bonded to the surface. To make it hydrophobic, the synthesized ZnO nanorods (17) array was coated with stearic acid (18) as shown in Fig. 4(c). To this end, the glass plate 11 was immersed in an acetone solution containing 2 mM stearic acid for 30 minutes and dried at room temperature for 30 minutes.

유리판(11), 즉 액체 접촉 기구 표면의 ZnO 나노로드(17) 어레이 형태는 전계 방출 주사 전자현미경 (FE-SEM, JEOL JSM-7500F)을 사용하여 분석되었다. 또 다른 FE-SEM (Hitachi S-4700)에 의해 수직 성장된 ZnO 나노로드(17) 어레이의 단면 이미지를 얻었다. ZnO 나노로드(17)의 결정 구조 및 결정 품질은 X-선 회절 (XRD, PANalytical X'Pert Pro MPD)에 의해 분석되었다. The shape of the array of ZnO nanorods 17 on the surface of the glass plate 11, that is, the liquid contact mechanism, was analyzed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JEOL JSM-7500F). Another FE-SEM (Hitachi S-4700) obtained cross-sectional images of vertically grown ZnO nanorods (17) arrays. The crystal structure and crystal quality of the ZnO nanorods (17) were analyzed by X-ray diffraction (XRD, PANalytical X'Pert Pro MPD).

스테아르산 처리로 인한 ZnO 나노로드(17) 표면의 화학적 변화는 푸리에 변환 적외선 분광법 (FT-IR, PerkinElmer L160000A)을 사용하여 모니터링되었다. 초소수성처리된 유리판(11)의 물 및 세제 용액(S)의 접촉각을 접촉각 고니오미터(contact angle goniometer)(PHX300 S.E.O.)를 사용하여 고정된 양의 액적(10 μL)으로 측정 하였다. 이를 위해 샘플 스테이지가 먼저 평탄화되었다. The chemical changes on the surface of the ZnO nanorods (17) due to stearic acid treatment were monitored using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR, PerkinElmer L160000A). The contact angle of water and detergent solution (S) on the superhydrophobic treated glass plate (11) was measured with a fixed amount of droplet (10 μL) using a contact angle goniometer (PHX300 S.E.O.). For this, the sample stage was first flattened.

이어서 유리판(11)을 스테이지 상에 로딩하였다. 유리판(11) 표면에 액적을 침착시킨 후, 액적 이미지를 CCD 카메라로 기록하였다. 기록된 이미지는 접촉각을 결정하기 위해 소프트웨어(ImageXP 5.9)를 사용하여 분석되었다. 접촉각은 각각의 샘플에 대해 5 개의 다른 위치에서 측정되었고, 그로부터 평균값이 계산되었다. 세제 용액(S)의 표면장력은 표면장력 분석기(DST60 S.E.O.)를 사용하여 25 ℃에서 Du-Nouy 링 방법에 의해 측정되었다. Pt 고리를 사용하였고, 세제 농도는 1-1000 ppm의 범위에서 조절 하였다.The glass plate 11 was then loaded onto the stage. After the droplet was deposited on the surface of the glass plate 11, the droplet image was recorded with a CCD camera. The recorded images were analyzed using software (ImageXP 5.9) to determine the contact angle. The contact angle was measured at 5 different locations for each sample, from which an average value was calculated. The surface tension of the detergent solution (S) was measured by the Du-Nouy ring method at 25 °C using a surface tension analyzer (DST60 S.E.O.). A Pt ring was used, and the detergent concentration was controlled in the range of 1–1000 ppm.

도 5는 유리판(11) 표면의 단계별 SEM 이미지를 보여준다. 도 5 (a) 및 도 5 (b)의 이미지는 ZnO 돌기(16) 형성을 완료한 직후에 얻은 이미지이며, 이는 도 4 (a)의 왼쪽 단계를 거친 후에 도 4 (a) 오른쪽의 단계를 거치기 전의 상태를 말한다. 도 5 (a)는 평면 이미지이고, 도 5 (b)는 도 5 (a)와 동일한 대상을 측면 상부에서 찍은 이미지이다. 도 5 (a)에서 볼 수 있듯이, 크기가 20-100 nm 인 거의 단 분산성인 조밀한 ZnO 돌기(16)가 유리판(11)에 고르게 분포되어 있다.5 shows step-by-step SEM images of the surface of the glass plate 11. The images of FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b) are images obtained immediately after completing the formation of the ZnO protrusion 16, which is obtained by going through the steps on the left of FIG. 4 (a) and then on the right of FIG. 4 (a). It refers to the state before passing through. FIG. 5 (a) is a planar image, and FIG. 5 (b) is an image of the same object as in FIG. 5 (a) taken from the upper side. As shown in Fig. 5(a), nearly monodisperse dense ZnO asperities 16 with a size of 20-100 nm are evenly distributed on the glass plate 11.

그러나 ZnO 돌기(16) 분포를 도 5 (b)를 참조하여 자세히 살펴보면 ZnO 돌기(16)는 높이와 너비가 서로 다른 것을 알 수 있다. 그리고 ZnO 돌기(16)의 폭이 클수록 돌기의 높이도 높아진다.However, when looking at the distribution of the ZnO bumps 16 in detail with reference to FIG. 5 (b), it can be seen that the ZnO bumps 16 have different heights and widths. And, as the width of the ZnO protrusion 16 increases, the height of the protrusion also increases.

키가 큰 ZnO 돌기(16)는 관찰 결과 후속 공정의 ZnO 나노로드(17) 어레이 성장에서 촉진작용을 하는 것으로 드러난다. 키가 큰 ZnO 돌기(16)의 폭은 107-180 nm의 분포를 갖는 것으로 관찰된다. 도 5 (c)에서 ZnO 돌기(16)가 형성된 유리판(11)으로부터 고밀도의 수직 ZnO 나노로드(17) 어레이가 성장되었음을 알 수있다. ZnO 나노로드(17) 어레이의 수직 정렬은 도 5 (d)의 단면 SEM 이미지에서 보다 명확하게 볼 수 있다. 절단면을 따라 ZnO 나노로드(17) 어레이의 평균 경사각은 수직선에 대해 11.7°로 기울어지는 것으로 추정된다. 단면 SEM 이미지는 또한 ZnO 나노로드(17)의 직경 및 길이가 상당히 균일하다는 것을 보여준다. ZnO 나노로드(17)의 평균 직경 및 길이는 210 nm 및 1.39 μm이며, 평균 종횡비는 6.6이다. 비교를 위해, 제 1 단계 (ZnO 돌기(16)(시드) 형성 단계)를 건너 뛰고 유리판(11)을 90 ℃에서 질산 아연 및 HMTA 용액에 직접 침지시킨 경우에는, 균일하지 않은 크기와 밀도를 가지며 경사진 ZnO 나노로드(17)가 관찰되었는데, 여기서 정렬된 수직 ZnO 나노로드(17) 성장을 위한 ZnO 돌기(16)(시드)의 필요성이 입증된다.(미도시)As a result of observation, the tall ZnO protrusions 16 appear to promote the growth of the ZnO nanorods 17 array in the subsequent process. The width of the tall ZnO asperities 16 is observed to have a distribution of 107-180 nm. 5(c), it can be seen that a high-density vertical ZnO nanorod array 17 was grown from the glass plate 11 on which the ZnO protrusions 16 were formed. The vertical alignment of the ZnO nanorods 17 array can be seen more clearly in the cross-sectional SEM image in Fig. 5(d). The average inclination angle of the ZnO nanorods 17 array along the cut plane is estimated to be inclined at 11.7° with respect to the vertical line. The cross-sectional SEM image also shows that the diameter and length of the ZnO nanorods 17 are fairly uniform. The average diameter and length of the ZnO nanorods 17 were 210 nm and 1.39 μm, and the average aspect ratio was 6.6. For comparison, when the first step (ZnO protrusion 16 (seed) formation step) was skipped and the glass plate 11 was directly immersed in a solution of zinc nitrate and HMTA at 90 ° C, it had a non-uniform size and density, Inclined ZnO nanorods 17 were observed, demonstrating the necessity of ZnO asperities 16 (seeds) for aligned vertical ZnO nanorods 17 growth (not shown).

도 5 (e) 및 (f)는 스테아르 산(18) 처리 후의 SEM 이미지를 보여준다. 도 5 (e)의 희미한 평면도 이미지는 얇은 스테아르 산(18) 층이 ZnO 나노로드(17) 어레이의 상단을 덮고 있음을 보여준다. 그런데 스테아르 산(18)의 코팅은 긴 알킬 사슬의 탈수반응을 필요로하므로, 매우 높은 ZnO 나노로드(17)의 밀도로 인한 ZnO 나노로드(17) 사이의 제한된 자유 공간으로 인해 ZnO 나노로드(17)의 상부 표면에 집중될 가능성이 매우 높다. 실제로, 도 5 (f)로부터 스테아르 산(18) 층이 ZnO 나노로드(17) 팁 주위에만 형성되어, ZnO 나노로드(17) 포레스트 내부에 공기가 포집 되어 에어 포켓(19)이 형성될 가능성을 증가시키는 것이 확인되었다.5 (e) and (f) show SEM images after treatment with stearic acid (18). The faint top view image in Fig. 5(e) shows that a thin layer of stearic acid (18) covers the top of the ZnO nanorods (17) array. However, since the coating of stearic acid (18) requires dehydration of long alkyl chains, the limited free space between the ZnO nanorods (17) due to the very high density of the ZnO nanorods (17) ) is very likely to be concentrated on the upper surface of In fact, from FIG. 5(f), the stearic acid 18 layer is formed only around the tips of the ZnO nanorods 17, suggesting the possibility that air pockets 19 are formed by trapping air inside the forest of the ZnO nanorods 17. It was confirmed that increasing

도 6 (a)는 ZnO 나노로드(17) 어레이만 합성된 경우의 XRD 패턴이고, 도 6 (b)는 도 6 (a)에서 추가적으로 스테아르 산(18)이 처리된 후의 XRD 패턴을 나타낸다. 특히, 합성된 ZnO 나노로드(17) 어레이는 2θ = 34.5°에서 예리하고 강한 피크를 나타내는데, 이는 우르자이트(wurtzite) ZnO 결정의 (002) 면에 해당하며 ZnO 나노로드(17)가 결정의 c-축 방향으로 우선 성장했음을 나타낸다.FIG. 6 (a) is an XRD pattern when only the ZnO nanorods (17) array is synthesized, and FIG. 6 (b) shows the XRD pattern after stearic acid (18) is additionally treated in FIG. 6 (a). In particular, the synthesized ZnO nanorods 17 array exhibits a sharp and strong peak at 2θ = 34.5°, which corresponds to the (002) plane of wurtzite ZnO crystals, and the ZnO nanorods 17 of the crystals Indicates that it grew preferentially in the c-axis direction.

스테아르 산(18)이 ZnO 나노로드(17) 어레이 상에 코팅되면, 반결정성 스테아르 산(18)에 의한 X-ray 방해 효과로 인해 전체적인 XRD 강도가 현저하게 감소된다.When stearic acid (18) is coated on the ZnO nanorods (17) array, the overall XRD intensity is significantly reduced due to the X-ray interference effect of the semi-crystalline stearic acid (18).

그럼에도 불구하고, 주요 XRD 피크는 도 6 (b)에 도시된 바와 같이 스테아르 산(18) 처리 된 ZnO 나노로드(17) 어레이에서 명확하게 관찰된다. 모든 피크는 우르자이트 ZnO의 주요 결정 면에 할당되고, 가장 강한 것은 합성된 ZnO 나노로드(17)와 동일한 (002) 면에서 나타난다. 스테아르 산(18)의 주요 피크는 21° 이하로 추정되기 때문에 스테아르 산(18)에 대한 특징적인 피크는 발견되지 않았다.Nevertheless, the main XRD peaks are clearly observed in the array of stearic acid (18) treated ZnO nanorods (17), as shown in Fig. 6(b). All peaks are assigned to the main crystalline plane of wurtzite ZnO, and the strongest appears on the same (002) plane as the synthesized ZnO nanorods (17). No characteristic peak for stearic acid (18) was found because the main peak of stearic acid (18) is estimated to be below 21°.

또한, 스테아르산(18) 처리에 수반되는 ZnO 나노로드(17) 어레이 표면의 화학적 변화는 FT-IR 분광법에 의해 분석되었다. 스테아르산(18)은 긴 소수성 알킬사슬 및 카르복실산 헤드기로 구성된다. 카르복실기는 ZnO 나노로드(17) 표면상의 친수성 히드록실기와 쉽게 반응하여 킬레이트화 과정을 통해 스테아르산을 부착시킨다. ZnO 나노로드(17)가 스테아르산(18)에 노출될 때, 도 4 (c)에 도시된 바와 같이 히드록실기는 대부분 ZnO 나노로드(17)의 상단 표면에 부착되어 스테아르산(18)의 카르복실기와 화학반응을 일으켜 아연 스테아르산 염의 단층이 형성된다. In addition, the chemical change of the surface of the ZnO nanorods (17) array accompanying the treatment with stearic acid (18) was analyzed by FT-IR spectroscopy. Stearic acid (18) consists of a long hydrophobic alkyl chain and a carboxylic acid head group. The carboxyl group easily reacts with the hydrophilic hydroxyl group on the surface of the ZnO nanorods (17) to attach stearic acid through a chelation process. When the ZnO nanorods 17 are exposed to stearic acid 18, most of the hydroxyl groups are attached to the top surface of the ZnO nanorods 17, as shown in FIG. A chemical reaction with the carboxyl group results in the formation of a monolayer of zinc stearate.

한편, 소수성 알킬사슬은 ZnO 나노로드(17)의 단부, 즉 ZnO 나노로드(17)의 상단에 수직으로 배향되어, ZnO 나노로드(17) 단부의 표면 자유에너지가 현저하게 감소된다. 도 7은 스테아르 산(18) 처리 전의 ZnO 나노로드(17) 어레이 및 스테아르 산(18)이 처리된 ZnO 나노로드(17) 어레이의 FT-IR 스펙트럼을 보여준다. 도 7의 하부 그래프에서 663 및 888 cm-1의 피크는 각각 -OH 작용기의 수평면(in-plane) 흔들림 진동 및 수직면(out-of-plane) 굽힘 진동을 나타낸다.Meanwhile, the hydrophobic alkyl chain is vertically oriented at the end of the ZnO nanorod 17, that is, at the top of the ZnO nanorod 17, and the surface free energy of the end of the ZnO nanorod 17 is significantly reduced. 7 shows FT-IR spectra of the ZnO nanorod 17 array before treatment with stearic acid 18 and the ZnO nanorod 17 array treated with stearic acid 18 . The peaks at 663 and 888 cm −1 in the lower graph of FIG. 7 represent in-plane shaking vibration and out-of-plane bending vibration of the —OH functional group, respectively.

이들 피크는 스테아르산(17) 처리 전의 ZnO 나노로드(17) 어레이에서 명백하여, 표면 상에 하이드록실기의 존재가 확인된다. Zn-O의 포논 진동에 해당하는 ZnO의 특성 피크는 다소의 노이즈는 있지만 두 샘플 모두에서 441 ~ 432 cm-1의 범위에서 나타난다.These peaks are evident in the array of ZnO nanorods 17 before treatment with stearic acid 17, confirming the presence of hydroxyl groups on the surface. The characteristic peak of ZnO corresponding to the phonon vibration of Zn-O appears in the range of 441 ~ 432 cm -1 in both samples, although there is some noise.

1216 및 1366 cm-1의 피크는 스테아르 산에서 -OH 기의 수평면 굽힘 진동으로 인한 것이다. 반면에 1739 cm-1에서 나타나는 또 다른 피크는 C=O의 연신 진동으로 인한 것이다. 또한 2971 및 2952 cm-1에서도 다른 피크가 관찰되는데, 이는 긴 알킬 사슬에 존재하는 -CH3 (또는 -CH2) 그룹의 비대칭 및 대칭 연신을 나타낸다. 이 피크는 스테아르 산(18) 처리된 ZnO 나노로드(17) 어레이에서만 발견되므로, ZnO 나노로드(17) 어레이 표면에 스테아르산(18)이 성공적으로 코팅되었음을 나타낸다.The peaks at 1216 and 1366 cm −1 are due to horizontal plane bending vibrations of the —OH groups in stearic acid. On the other hand, another peak appearing at 1739 cm -1 is due to the stretching vibration of C=O. Also, other peaks are observed at 2971 and 2952 cm −1 , indicating asymmetric and symmetrical stretching of the —CH 3 (or —CH 2 ) group present in the long alkyl chain. Since this peak is found only in the array of ZnO nanorods 17 treated with stearic acid 18, it indicates that stearic acid 18 was successfully coated on the surface of the array of ZnO nanorods 17.

도 1 (a)를 참조하면, 초소수성 표면처리가 되지 않은 순수 유리판(11)의 물 접촉각은 13.2°에 불과하다. 유리판(11) 표면에 ZnO 나노로드(17) 어레이가 조성된 경우, 접촉각은 소수성과 친수성의 경계인 89.9°까지 증가된다. 이러한 접촉각의 실질적인 증가는 ZnO의 표면 에너지(~ 40 dyne/cm)가 상대적으로 낮기 때문이다. 실제로 ZnO 필름의 접촉각은 80.2°로 측정되었으며, 이는 이전 보고와 잘 일치된다. Referring to FIG. 1 (a), the water contact angle of the pure glass plate 11 without superhydrophobic surface treatment is only 13.2°. When the array of ZnO nanorods 17 is formed on the surface of the glass plate 11, the contact angle increases to 89.9°, which is the boundary between hydrophobicity and hydrophilicity. This substantial increase in contact angle is due to the relatively low surface energy of ZnO (~40 dyne/cm). Indeed, the contact angle of the ZnO film was measured to be 80.2°, which is in good agreement with previous reports.

접촉각의 추가적인 증가는 ZnO 나노로드(17) 어레이의 구조에서 발생될 수 있으며 Wenzel 모델이 참고될 수 있다. 이 모델에는 접촉각에 대한 표면 거칠기 효과가 반영되므로 고찰할 필요가 있다. 도 1 (b)의 왼쪽 도면을 참고하면, Wenzel 모델을 기준으로 액체 방울이 거친 표면의 홈에 침투하고 접촉각은 아래 방정식 (1)로 구해질 수 있다. An additional increase in the contact angle may occur in the structure of the ZnO nanorod 17 array, and the Wenzel model may be referred to. This model reflects the surface roughness effect on the contact angle, so it needs to be considered. Referring to the drawing on the left of FIG. 1 (b), based on the Wenzel model, a liquid droplet penetrates the groove of the rough surface and the contact angle can be obtained by Equation (1) below.

cos θ * = r cos θ ------ (1) cos θ * = r cos θ ------ (1)

여기서 θ* 및 θ는 각각 거친 표면과 매끄러운 표면에의 접촉각이다. r은 실제 표면적 대 겉보기 표면적의 비율이다. 여기서 접촉각의 증가는 Wenzel 모델의 예상과 반대이며, 이는 θ < 90° 일 때 거친 표면의 접촉각이 매끄러운 표면의 접촉각보다 작아야한다는 것을 나타낸다.where θ * and θ are the contact angles for rough and smooth surfaces, respectively. r is the ratio of the actual surface area to the apparent surface area. Here, the increase in the contact angle is opposite to the expectation of the Wenzel model, indicating that the contact angle of the rough surface should be smaller than that of the smooth surface when θ < 90°.

관찰과 예측의 명백한 불일치는 Wenzel 모델의 한계를 나타내며 ZnO 나노로드 어레이에서 에어 트래핑이 있을 가능성을 암시한다.The apparent discrepancies between observations and predictions indicate limitations of the Wenzel model and suggest the possibility of air trapping in the ZnO nanorod array.

Cassie-Boxter 모델은 이러한 관찰과 예측의 불일치를 극복하는데 유용한 도구가 될 수 있다. 이 모델은 도 1 (b)의 오른쪽 도면과 같이 공기가 거친 표면의 홈에 갇힐 수 있고 액체 방울이 공기에 의해 부분적으로 지지되어, 즉 에어 포켓(19)에 갇힌 공기가 액체 방울을 포켓 상부에서 부양시켜, 표면의 소수성을 향상 시킨다는 원리이다. Cassie-Boxter 모델은 The Cassie-Boxter model can be a useful tool to overcome this discrepancy between observation and prediction. In this model, air can be trapped in the grooves of the rough surface, as shown on the right side of FIG. This is the principle of improving the hydrophobicity of the surface. The Cassie-Boxter model is

cos θ * = f(cos θ + 1)-1 ----------- (2) cos θ * = f(cos θ + 1)-1 ----------- (2)

로 공식화될 수 있다. 여기서 f는 액체-고체 계면의 면적 비율이고 따라서 1-f는 액체-공기 계면의 비율을 나타낸다. 측정된 접촉각 (θ* = 89.9°, θ = 80.2°)을 취하면 f는 0.86으로 계산되므로 물방울 표면의 약 14 %가 공기와 접촉하고 있음을 나타낸다. 유리판(11) 표면의 ZnO 나노로드(17) 어레이 표면에 추가적으로 스테아르산(18) 코팅이 수행되면, 접촉각은 도 1 (a)에 도시된 바와 같이 156.3°로 크게 증가하여, 표면이 최종적으로 초소수성화 된다. can be formulated as where f is the area ratio of the liquid-solid interface and thus 1-f represents the ratio of the liquid-air interface. Taking the measured contact angles (θ * = 89.9°, θ = 80.2°), f is calculated to be 0.86, indicating that approximately 14% of the droplet surface is in contact with air. When stearic acid 18 is additionally coated on the surface of the ZnO nanorod 17 array on the surface of the glass plate 11, the contact angle greatly increases to 156.3° as shown in FIG. 1 (a), and the surface finally becomes ultra-small. becomes aqueous.

이렇게 제작된 초소수성 표면은 물방울에 대해 완전한 롤오프 특성을 보여준다. 이러한 초소수성의 실현은 스테아르산(18)으로 인한 접촉각의 증가 요인도 있지만, 스테아르산(18) 코팅된 ZnO 나노로드(17)의 에어 포켓(19) 효과의 요인이 더 큰 것으로 분석된다. θ = 80.2°를 상기 식 (2)에 대입하면 f는 단지 0.072로 계산된다. 이는 물방울 표면의 93%가 공기에 의해 지지되어 에어 포켓(19)이 존재한다는 것을 나타낸다.The superhydrophobic surface thus fabricated exhibits perfect roll-off characteristics for water droplets. Although the realization of such superhydrophobicity has a factor of increasing the contact angle due to stearic acid 18, it is analyzed that the factor of the effect of the air pockets 19 of the ZnO nanorods 17 coated with stearic acid 18 is greater. Substituting θ = 80.2° into equation (2) above, f is calculated as only 0.072. This indicates that 93% of the droplet surface is supported by air and thus air pockets 19 exist.

초소수성 표면을 사용한 세제 용액 접촉각 측정 시, 세제 농도의 변화에 따른 접촉각의 변화가 일관성이 있으며 그 변화 폭도 증가함을 확인했다. 도 2 (a)에서는 다양한 농도의 1종 세제 용액과 순수한 물의 접촉각 이미지가 도시되어 있다. When measuring the contact angle of a detergent solution using a superhydrophobic surface, it was confirmed that the change in contact angle according to the change in detergent concentration was consistent and the range of change increased. In FIG. 2 (a), contact angle images of one type of detergent solution and pure water at various concentrations are shown.

세제 농도가 0에서 1000 ppm으로 증가함에 따라 접촉각은 일정한 비율로 감소된다. 1종 세제의 접촉각 변화 폭은 0-1000 ppm의 농도 범위에서 13.7°이다. 이러한 접촉각의 일관된 감소는 도 2 (b)의 그래프에서 제시된 바와 같이 다른 세제 용액에서도 관찰된다. 다만 접촉각과 세제 용액 농도 사이의 관계는 실수 도표상 선형적인 관계는 아니므로, 도 2 (b)의 그래프에 표시된 바와 같이 반대수 도표(semilog plot)로 더 알기 쉽게 표시될 수 있다. 이러한 반대수 도표에서, 세제 용액의 접촉각(θd)은 일반적으로 로그 농도(C)의 함수로서 선형적으로 감소하고, 그 선형 관계의 기울기는 세제의 유형에 상관없이 서로 매우 비슷하다. 예를 들어 1종 세제의 경우 관계식은 아래와 같다.As the detergent concentration increases from 0 to 1000 ppm, the contact angle decreases at a constant rate. The range of change in the contact angle of one type of detergent is 13.7° in the concentration range of 0-1000 ppm. This consistent decrease in contact angle is also observed in other detergent solutions as shown in the graph of Fig. 2 (b). However, since the relationship between the contact angle and the detergent solution concentration is not a linear relationship on the real number diagram, it can be more clearly displayed as a semilog plot as shown in the graph of FIG. 2 (b). In this semilogarithmic diagram, the contact angle (θ d ) of detergent solutions generally decreases linearly as a function of log concentration (C), and the slopes of the linear relationships are very similar to each other regardless of the type of detergent. For example, in the case of type 1 detergent, the relational expression is as follows.

θ d = -2.358logC + 150 -------------------------- (3) θd = -2.358logC + 150 -------------- (3)

이 선형 관계 및 거의 동일한 선형 기울기는 초소수성 표면에서의 접촉각 측정이 수중 잔류세제 농도를 감지하는 간단하고 유용한 수단일 수 있음을 나타낸다. This linear relationship and nearly identical linear slope indicate that contact angle measurements on superhydrophobic surfaces can be a simple and useful means of detecting residual detergent concentration in water.

이 방법의 유효성은 Du-Nouy 링 방법에 의해 세제 농도에 따라 1종 세제 용액(S)의 표면장력을 측정함에 의해서도 입증될 수 있다. 접촉각 변화와 유사한 방식으로 세제 농도가 증가함에 따라 표면장력이 일관성 있게 감소한다. 표면장력 변화의 폭은 1-1000 ppm의 농도 범위에서 접촉각 변화의 폭 (7.4°)과 거의 동일하게 7 mN/m로 계측되었다.The effectiveness of this method can also be demonstrated by measuring the surface tension of one type of detergent solution (S) according to the detergent concentration by the Du-Nouy ring method. Surface tension consistently decreases with increasing detergent concentration in a manner similar to the change in contact angle. The width of the surface tension change was measured at 7 mN/m, which is almost the same as the width of the contact angle change (7.4°) in the concentration range of 1-1000 ppm.

한편, 본 실시예에서 접촉각의 측정은 유리판(11) 형태의 액체 접촉 기구 둘레를 따라 설치되는 복수개의 카메라를 포함하는 측정 모듈이 수행할 수 있다.(미도시)Meanwhile, in this embodiment, the measurement of the contact angle may be performed by a measurement module including a plurality of cameras installed along the circumference of the liquid contact mechanism in the form of a glass plate 11 (not shown).

이때 카메라로 구성되는 상기 측정 모듈로부터 세제 방울이 액체 접촉 기구의 표면에 맺힌 형태의 영상을 수신하여 세제 방울과 액체 접촉 기구의 접촉 각도를 산출 해 내는 연산 모듈을 더 포함할 수 있다.(미도시)At this time, an arithmetic module may be further included that receives an image of a form in which a detergent droplet forms on the surface of the liquid contact mechanism from the measurement module composed of a camera and calculates a contact angle between the detergent droplet and the liquid contact mechanism. (not shown)

그리고 상기 연산 모듈에는 복수개의 상기 측정 모듈로부터 얻은 각각의 영상 마다 산출된 접촉 각도들 전체로부터 얻어지는 접촉 각도의 평균값을 산출하는 절차와, 기 저장된 세제 농도 마다 대응되는 접촉 각도의 데이터로부터 상기 평균값에 대응되는 세제 농도를 산출하는 절차를 포함하는 알고리즘이 탑재될 수 있다.And, in the calculation module, a procedure for calculating an average value of contact angles obtained from all contact angles calculated for each image obtained from a plurality of the measurement modules, and corresponding to the average value from contact angle data corresponding to each pre-stored detergent concentration An algorithm including a procedure for calculating the detergent concentration to be used may be loaded.

연산 모듈은 통상의 PC 형태의 기기일 수도 있고 또는 스마트폰과 같은 휴대용 기기일 수도 있다. 연산 모듈이 스마트폰일 경우에 상기 알고리즘은 스마트폰에 설치되는 앱 형태로 제작될 수 있고, 또한 액체 접촉 기구는 물방울이 착지될 수 있는 면적만 존재하면 되고 측정 모듈도 스마트폰에 설치되는 마이크로 카메라일 수 있으므로 본 발명에 따른 세제 농도 측정 장치는 극히 소형으로 구현 가능하여 휴대가 가능하며, 따라서 어디서든 즉석에서 사용 가능할 수 있다.The calculation module may be a general PC type device or a portable device such as a smart phone. If the calculation module is a smartphone, the algorithm can be produced in the form of an app installed on the smartphone, and the liquid contact mechanism only needs to exist in an area where water droplets can land, and the measurement module is also a micro camera installed on the smartphone. Therefore, the detergent concentration measuring device according to the present invention can be implemented in a very small size and can be carried, so it can be used immediately anywhere.

<제2실시예><Second Embodiment>

제2실시예는 초소수성 표면을 이용한다는 점에서는 제1실시예와 공통되므로 여기서는 제1실시예와 제2실시예의 차이점에 대해 설명하기로 한다.Since the second embodiment is in common with the first embodiment in that it uses a superhydrophobic surface, differences between the first embodiment and the second embodiment will be described here.

제1실시예에서 초소수성 표면에 액체 방울을 착지시켜 접촉각을 관찰함으로써 세제 농도를 측정하는 것과 달리, 제2실시예에서는 모세관(12)의 원리와 초소수성 표면의 성질을 결합시키는 것을 특징으로 한다. 따라서 모세관의 원리로 인해 액체가 모세관(12)을 따라 상승될 때 모세관(12) 내벽이 초소수성 표면으로 조성될 경우, 액체가 상승되는 높이가 세제 농도에 따라 차이가 극대화될 것이라는 가정이 아래 상술하게 될 실험 결과 입증됨으로써 채택된 실시예이다.Unlike measuring the detergent concentration by observing the contact angle by landing a droplet on the superhydrophobic surface in the first embodiment, the second embodiment is characterized by combining the principle of the capillary 12 and the properties of the superhydrophobic surface . Therefore, when the liquid rises along the capillary 12 due to the principle of the capillary, if the inner wall of the capillary 12 is composed of a superhydrophobic surface, the assumption that the height at which the liquid rises will maximize the difference depending on the detergent concentration will be described below. This is an embodiment adopted by being proved by the experimental results to be performed.

제2실시예에서 모세관(12) 내벽에 성장시키는 ZnO 돌기(16)(시드)와 ZnO 나노로드(17) 어레이는 제1실시예에서 유리판(11) 상면에 성장시키는 ZnO 나노로드(17) 어레이와 동일한 반응물 용액을 사용하여 형성시킨다.In the second embodiment, the ZnO protrusion 16 (seed) and the ZnO nanorod 17 array grown on the inner wall of the capillary 12 are grown on the upper surface of the glass plate 11 in the first embodiment. It is formed using the same reactant solution as

다만 제2실시예에서는 유리판(11)의 표면이 아니라 모세관(12)의 내면에 처리가 필요하므로 제1실시예에서처럼 비이커(13)에 침지시키는 형태로 처리될 수는 없다.However, in the second embodiment, since the inner surface of the capillary tube 12 needs to be treated, not the surface of the glass plate 11, it cannot be treated in the form of being immersed in the beaker 13 as in the first embodiment.

따라서 도 4 (b)의 왼쪽에 도시된 형태로 ZnO 돌기(16)(시드)를 형성시키고 도 4 (b)의 오른쪽에 도시된 형태로 ZnO 나노로드(17) 어레이를 형성시킨다. 구체적으로, 도 4 (b)에 도시된 바와 같이 ZnO 돌기(16)(시드) 또는 ZnO 나노로드(17) 어레이 형성을 위한 반응물 용액은 퍼플루오로알콕시(PFA) 튜브와 퍼플루오로알콕시 튜브의 단부에 삽입된 주사기(122)가 이용되어 모세관(12)으로 전달된다. ZnO 돌기(16)(시드) 형성을 위해, 기계식 펌프는 모세관(12)이 용액으로 채워질 때까지 용액을 10 μL/분의 속도로 용액을 펌핑시킨다. 모세관(12)이 가득 차면 펌프의 가동을 멈추고 모세관(12)을 60 ℃ 오븐에서 하루밤 동안 보관한다. 다음 단계인 ZnO 나노로드(17)의 성장은 먼저 5 μL/분의 속도로 50mM ZnO(NO3)2 및 50mM HMTA의 혼합 용액을 상기 퍼플루오로알콕시 튜브와 주사기(122) 및 기계식 펌프를 이용하여 모세관(12)에 공급한다. 이어서 이를 90 ℃에서 2시간 동안 유지함으로써 ZnO 나노로드(17)가 성장된다. 모든 반응이 완료된 후, 모세관(12)을 초순수로 헹구고 90 ℃에서 건조시킴으로써 액체 접촉 기구로서의 모세관(12)의 내면에 표면처리 공정이 완료된다.Therefore, ZnO protrusions 16 (seeds) are formed in the form shown on the left side of FIG. 4 (b), and an array of ZnO nanorods 17 is formed in the form shown on the right side of FIG. 4 (b). Specifically, as shown in FIG. 4 (b), the reactant solution for forming the array of ZnO protrusions 16 (seeds) or ZnO nanorods 17 consists of a perfluoroalkoxy (PFA) tube and a perfluoroalkoxy tube. A syringe 122 inserted into the end is used and delivered to the capillary tube 12 . For ZnO asperity 16 (seed) formation, a mechanical pump pumps the solution at a rate of 10 μL/min until the capillary tube 12 is filled with the solution. When the capillary tube 12 is full, the operation of the pump is stopped and the capillary tube 12 is stored overnight in an oven at 60 °C. In the next step, the growth of the ZnO nanorods 17, a mixed solution of 50mM ZnO(NO 3 ) 2 and 50mM HMTA was first introduced at a rate of 5 μL/min using the perfluoroalkoxy tube, the syringe 122, and a mechanical pump. and supplied to the capillary tube 12. Subsequently, the ZnO nanorods 17 are grown by maintaining them at 90° C. for 2 hours. After all reactions are complete, the capillary tube 12 is rinsed with ultrapure water and dried at 90 DEG C to complete the surface treatment process on the inner surface of the capillary tube 12 as a liquid contact mechanism.

참고로 ZnO 나노로드(17) 어레이의 표면에 수행되는 스테아르산(18) 코팅은 2mM 스테아르 산을 갖는 아세톤 용액을 1 μL/분의 펌핑 속도로 30분 동안 모세관에 주입하고 실온에서 1시간 동안 건조시킴으로써 이루어진다.For reference, the stearic acid (18) coating performed on the surface of the ZnO nanorods (17) array was performed by injecting an acetone solution with 2 mM stearic acid into the capillary at a pumping rate of 1 μL/min for 30 min and drying at room temperature for 1 h. done by doing

도 8에는 상술한 과정을 거쳐서 모세관(12)의 내벽에 성장된 ZnO 나노로드(17) 어레이가 상이한 배율로 찍힌 SEM 이미지로 주어져 있다. 사진은 동일한 모세관(12)에서 서로 다른 위치를 찍은 것이다. ZnO 나노로드(17)의 평균 직경은 도 8 (c)에서 81.7 nm로 추정되는데, 이는 제1실시예에서 유리판(11) 표면의 ZnO 나노로드(17)보다 훨씬 작은 크기이다.8 shows SEM images taken at different magnifications of the array of ZnO nanorods 17 grown on the inner wall of the capillary 12 through the above-described process. The pictures were taken at different positions on the same capillary 12. The average diameter of the ZnO nanorods 17 is estimated to be 81.7 nm in FIG. 8(c), which is much smaller than the ZnO nanorods 17 on the surface of the glass plate 11 in the first embodiment.

ZnO 나노로드(17) 크기의 이러한 감소는 감소된 ZnO 돌기(16)(시드) 크기 및 제한된 양의 전구체 용액때문일 수 있으며, 또는 낮은 배양 온도(60 ℃) 및 모세관의 제한된 내부 용적때문일 수 있다.This reduction in ZnO nanorod 17 size could be due to the reduced ZnO asperity 16 (seed) size and limited amount of precursor solution, or it could be due to the low incubation temperature (60 °C) and limited internal volume of the capillary.

도 8 (d)는 스테아르 산(18) 처리 후의 ZnO 나노로드(17)의 SEM 이미지이다. ZnO 나노로드(17)의 전반적인 형태, 배열 및 크기는 스테아르산(18) 처리 전과 매우 유사하다. 스테아르산(18) 처리 후의 ZnO 나노로드(17)의 평균 직경은 81.5 nm이다. 직경은 거의 동일하면서 ZnO 나노로드(17) 표면이 더 밝게 보이는 것은 스테아르 산(18)이 ZnO 나노로드(17)의 표면에 균일하게 코팅되었다는 것을 나타낸다. 중앙의 백색 입자는 스테아르 산(18) 덩어리인 것으로 추정된다.8(d) is a SEM image of ZnO nanorods 17 after treatment with stearic acid 18. The overall shape, arrangement and size of the ZnO nanorods 17 are very similar to those before treatment with stearic acid 18. The average diameter of the ZnO nanorods 17 after treatment with stearic acid 18 is 81.5 nm. The fact that the surface of the ZnO nanorods 17 appears brighter while having almost the same diameter indicates that stearic acid 18 is uniformly coated on the surface of the ZnO nanorods 17 . The central white particle is presumed to be a mass of stearic acid (18).

이 내부벽 개질 된 모세관(12)을 사용하여 순수한 물의 모세관(12) 상승 높이 및 세제 용액(S)의 상승 높이를 실험으로 비교하였다. 도 3 (a)와 (b)는 내부에 표면 처리되지 않은 모세관(12)과 내부가 초소수성으로 표면 개질된 모세관(12)의 세제 농도에 따른 용액 상승 높이의 뚜렷한 대조를 보여준다. 도 3 (a)와 (b)에서 세제 용액(S)은 1종 세제를 사용하여 제조되고, 각 세제 용액(S)이 담지된 수조(111)에 모세관(12)을 수직으로 담근 1분 후 이미지를 촬영하였다. 내면에 표면처리가 되지 않은 모세관(12)의 경우, 도 3 (a)와 같이 각 세제 농도에 해당하는 모세관(12) 내부 상승 높이에는 큰 차이가 없다. 반면에 대조적으로, 내면이 초소수성으로 개질된 모세관(12)에서는 도 3 (b)에 나타난 바와 같이 세제 농도에 따른 모세관(12) 내부 상승 높이에 명확하고 일정한 차이가 관찰된다. Using this inner wall modified capillary 12, the rise height of the pure water capillary 12 and the rise height of the detergent solution S were compared experimentally. Figures 3 (a) and (b) show a clear contrast between the height of the solution rise according to the detergent concentration of the capillary 12 whose surface is not treated and the capillary 12 whose surface is modified to be superhydrophobic. 3 (a) and (b), the detergent solution (S) is prepared using one type of detergent, and after 1 minute of vertically immersing the capillary tube 12 in the water tank 111 in which each detergent solution (S) is supported image was taken. In the case of the capillary 12 whose inner surface is not treated, there is no significant difference in the height of the inside of the capillary 12 corresponding to each detergent concentration, as shown in FIG. 3 (a). On the other hand, in contrast, in the capillary tube 12 whose inner surface is modified to be superhydrophobic, as shown in FIG. 3 (b), a clear and constant difference is observed in the rising height of the capillary tube 12 according to the detergent concentration.

도 3 (c)에 도시된 바와 같이 수직으로 세운 모세관(12)에서 모세관(12)을 타고 상승되는 액체의 최종 높이 h는 아래 식 (4)와 같이 표현된다.As shown in FIG. 3 (c), the final height h of the liquid rising along the capillary 12 in the vertically erected capillary 12 is expressed as Equation (4) below.

h = (2γcosθ)/(ρgr) ---------------- (4) h = (2γcosθ)/(ρgr) ---------------- (4)

도 3 (c)를 함께 참조하면 γ 및 ρ는 액체의 표면장력 및 밀도이고, g는 중력가속도, θ는 벽에서의 액체의 접촉각, r은 모세관(12) 반경이다. 모세관(12) 내부의 액체는 모세관(12) 현상과 중력의 균형을 맞추기 위해 자발적으로 평형 수준으로 상승된다. Referring to FIG. 3 (c) together, γ and ρ are the surface tension and density of the liquid, g is the gravitational acceleration, θ is the contact angle of the liquid on the wall, and r is the radius of the capillary 12. The liquid inside the capillary 12 spontaneously rises to an equilibrium level to balance the capillary 12 phenomenon with gravity.

식 4에 기초하여, 액체의 밀도가 일정하게 유지된다고 가정하면, 모세관(12) 내부 상승 높이는 액체 표면장력이 감소함에 따라 감소되는 것이 논리적이다. 표면장력이 낮은 액체의 경우 γ와 cos θ가 모두 작아지기 때문이다. 따라서, 도 3 (b)에서 모세관(12) 높이의 세제 농도 의존적 감소는 세제 농도가 증가함에 따라 세제 용액의 표면장력이 꾸준히 감소함을 명백하게 나타낸다.Based on Equation 4, assuming that the density of the liquid remains constant, it is logical that the rising height inside the capillary 12 decreases as the liquid surface tension decreases. This is because both γ and cos θ become small in the case of a liquid with low surface tension. Thus, the detergent concentration dependent decrease in the height of the capillary 12 in FIG. 3(b) clearly indicates that the surface tension of the detergent solution steadily decreases as the detergent concentration increases.

다른 유형의 세제를 사용하는 다른 용액에서도 모세관(12) 높이 변화가 유사한 형태로 나타난다.(미도시) 도 3 (a)와 같이 표면처리가 되지 않은 모세관(12)에서의 거의 일정한 용액 상승 높이를 보면 용액 상승 높이는 세제 농도와는 무관하게 보이며, 오히려 이는 모세관(12) 내벽에 물 분자가 물리적으로 흡착되는 현상과 모세관(12) 내벽과 세제 용액 사이의 수소 상호작용에 기인할 수 있다. 반면에 내면에 초소수성 처리가 된 모세관(12)에서는 세제 용액과 모세관(12) 내면 사이의 수소 상호 작용이 일어나지 않는 것으로 추론될 수 있다.In other solutions using different types of detergents, the capillary 12 height change appears in a similar form (not shown). As shown in FIG. Looking at it, the solution rising height seems to be independent of the detergent concentration, rather, it can be attributed to the phenomenon of physical adsorption of water molecules on the inner wall of the capillary 12 and the hydrogen interaction between the inner wall of the capillary 12 and the detergent solution. On the other hand, it can be inferred that hydrogen interaction between the detergent solution and the inner surface of the capillary 12 does not occur in the capillary tube 12 whose inner surface is treated with superhydrophobicity.

제1실시예에서 접촉각(θd)과 농도의 관계와 유사하게 모세관(12) 높이와 농도의 관계는 실수적으로는 비선형이며 농도를 대수(log)로 처리하면 선형적인 관계가 나타나므로, 도 3 (d)의 그래프에서는 h 대 log C의 관계가 선형으로 표시된다.Similar to the relationship between the contact angle (θd) and the concentration in the first embodiment, the relationship between the height of the capillary 12 and the concentration is non-linear in real terms, and a linear relationship appears when the concentration is logarithmically treated, so FIG. 3 In the graph of (d), the relationship between h and log C is displayed linearly.

한편, 제2실시예에서는 액체 접촉 기구는 모세관(12)과, 모세관(12) 하부가 일정 높이까지 잠길 수 있는 용적을 가지는 수조(111)로 이루어지되, 상기 수조(111)에는 세제 농도 측정에 필요한 액체 양의 측정이 가능한 눈금이 형성될 수 있다. 왜냐하면, 동일 조건에서 동일한 용액을 모세관 하부로부터 상승시킬 경우에 같은 결과를 얻으려면 조건이 동일해야 하므로, 동일한 조건을 만족시킬 수 있도록 모세관(12)이 잠기는 수위를 동일하게 만들어 줄 수 있으려면 수위가 표시되어야 하기 때문이다.On the other hand, in the second embodiment, the liquid contact mechanism is composed of a capillary tube 12 and a water tank 111 having a volume in which the lower portion of the capillary tube 12 can be submerged to a certain height, and the water tank 111 is used for measuring the detergent concentration. A scale capable of measuring the required amount of liquid may be formed. Because, when the same solution is raised from the bottom of the capillary under the same conditions, the conditions must be the same to obtain the same result. because it has to be displayed.

또한, 수조(111)에는 모세관(12)이 직립될 수 있는 복수개의 홀이 형성되는 격자 형태의 지지 프레임이 설치될 수 있다.(미도시) 지지 프레임은 모세관(12)을 손으로 파지하지 않더라도 직립된 자세가 유지될 수 있게 해줄 수 있다.In addition, a lattice-shaped support frame having a plurality of holes through which the capillaries 12 can be erected may be installed in the water tank 111 (not shown). It can help you maintain an upright posture.

측정 모듈에는 두 가지 실시예가 있을 수 있다. 첫 번째 실시예에서 측정 모듈은 모세관(12) 내부를 따라 상승된 액체의 상단을 향하도록 배치되는 카메라와, 카메라가 상기 액체의 상단을 향할 수 있게 카메라의 방향을 조절시킬 수 있는 회전 게이지와, 카메라의 영상 중심이 정확하게 상기 액체의 상단에 일치될 수 있게 중심에 타겟 가늠자가 표시되는 모니터 및, 카메라의 높이를 조절시킬 수 있는 카메라 승강 유닛으로 이루어질 수 있다.(미도시) 즉 모니터를 주시하면서 카메라의 각도를 회전 게이지를 돌리면서 조절하여 모니터에 표시된 타겟 가늠자와 액체 상단이 일치될 경우의 회전 게이지 각도 값으로 모세관을 타고 상승된 용액의 상단 높이가 산출될 수 있다.(미도시)The measurement module may have two embodiments. In the first embodiment, the measurement module includes a camera arranged to face the top of the liquid raised along the inside of the capillary tube 12, a rotation gauge capable of adjusting the direction of the camera so that the camera faces the top of the liquid, It can be composed of a monitor displaying a target scale at the center so that the center of the image of the camera can be accurately aligned with the top of the liquid, and a camera lifting unit that can adjust the height of the camera (not shown). That is, while watching the monitor By adjusting the angle of the camera by turning the rotation gauge, the height of the top of the solution rising through the capillary can be calculated with the angle value of the rotation gauge when the target scale displayed on the monitor and the top of the liquid coincide. (not shown)

두 번째 실시예에서 측정 모듈은 모세관(12) 내부를 따라 상승된 액체의 상단을 향하면서 각도가 가변 가능하게 배치되는 카메라와, 카메라의 각도를 실시간으로 산출하는 각도 센서 및, 카메라의 영상 중심이 정확하게 상기 액체의 상단에 일치될 수 있게 중심에 타겟 가늠자가 표시되는 모니터로 이루어져, 미리 측정된 카메라와 모세관 사이의 수평거리 및 상기 카메라의 각도 정보를 통하여 상기 액체의 상단 높이가 산출되게 구성될 수 있다.(미도시)In the second embodiment, the measurement module includes a camera disposed with a variable angle while facing the top of the liquid raised along the inside of the capillary tube 12, an angle sensor that calculates the angle of the camera in real time, and an image center of the camera. It consists of a monitor in which a target scale is displayed at the center so that it can be accurately matched to the top of the liquid, and the height of the top of the liquid is calculated through the horizontal distance between the camera and the capillary measured in advance and the angle information of the camera. Yes (not shown)

한편 본 발명에 따른 세제 농도 측정 방법은 앞서 설명된 세제 농도 측정 장치에서의 설명 내용과 모두 동일하므로 중복을 피하기 위해 설명을 생략하기로 한다.Meanwhile, since the detergent concentration measuring method according to the present invention is the same as the description in the detergent concentration measuring device described above, the description will be omitted to avoid redundancy.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within a range that does not deviate from the technical spirit of the present invention. will be clear to those who have knowledge of

D : 액체 방울 S : 세제 용액
11 : 유리판 12 : 모세관
13 : 비이커 16 : ZnO 돌기
17 : ZnO 나노로드 18 : 스테아르산
19 : 에어포켓 111 : 수조
122 : 주사기
D: liquid droplet S: detergent solution
11: glass plate 12: capillary
13: beaker 16: ZnO projection
17: ZnO nanorod 18: stearic acid
19: air pocket 111: water tank
122: syringe

Claims (10)

순수 물방울과 접촉되는 각도가 150° 이상으로 형성되는 초소수성(superhydrophobic) 표면을 가지는 액체 접촉 기구와;
상기 초소수성 표면에 접촉되는 액체의 접촉 각도 또는 접촉 위치를 측정하는 측정 모듈;을 포함하고,
상기 초소수성 표면은 액체 접촉 기구의 표면으로부터 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 복수개의 나노막대가 돌출되는 형태로 형성되며, 상기 나노막대 사이에는 공기가 채워지며,
상기 복수개의 나노막대의 단부에는 스테아르 산이 코팅되고,
상기 복수개의 나노막대와 액체 접촉 기구의 표면 사이에는 각 나노막대에 대응되는 위치 마다 나노막대가 성장할 수 있는 시드로 작용되는 산화아연 돌기가 형성되며,
상기 산화아연 돌기는 ZnO(NO3)2, NH4Cl, 우레아 및 암모니아를 함유하는 수용액을 이용하여 제조되고,
상기 액체 접촉 기구는
세제 방울이 맺힐 수 있는 면적을 가지는 판 형태의 부재로 구성되고, 세제 농도 1~1000 ppm에서 세제 농도와 초소수성 표면 간의 접촉각 관계는 반대수 도표(semilog plot)상 선형적 관계에 있거나,
또는 내주면이 상기 초소수성 표면으로 형성되는 모세관과 상기 모세관 하부가 일정 높이까지 잠길 수 있는 용적을 가지는 수조와 상기 모세관이 상기 수조 내부에 직립될 수 있게 복수개의 홀이 형성되는 격자 형태의 지지 프레임으로 구성되고, 상기 모세관 내부를 타고 상승하는 서로 다른 세제 농도를 가지는 액체의 최종 높이 차이가 모세관 내주면에 초소수성 표면이 없는 경우의 높이 차이 보다 증가되며, 세제 농도 1~1000 ppm에서 세제 농도와 모세관 상승 높이 간의 관계는 반대수 도표(semilog plot)상 선형적 관계에 있으며,
상기 세제는 린스 식기 헹굼세제, 1종 세제, 나트륨 세제 및 칼륨 세제인 세제 농도 측정 장치.
A liquid contact mechanism having a superhydrophobic surface formed at an angle of contact with pure water droplets of 150° or more;
A measurement module for measuring a contact angle or contact position of a liquid contacting the superhydrophobic surface;
The superhydrophobic surface is formed in a form in which a plurality of nanorods made of zinc oxide (ZnO) protrude from the surface of the liquid contact mechanism, and air is filled between the nanorods,
Ends of the plurality of nanorods are coated with stearic acid,
Between the plurality of nanorods and the surface of the liquid contact mechanism, zinc oxide protrusions serving as seeds for growing nanorods are formed at positions corresponding to each nanorod,
The zinc oxide projection is prepared using an aqueous solution containing ZnO(NO 3 ) 2 , NH 4 Cl, urea and ammonia,
The liquid contact mechanism
It is composed of a plate-shaped member having an area on which detergent droplets can form, and the contact angle relationship between the detergent concentration and the superhydrophobic surface at a detergent concentration of 1 to 1000 ppm is linear on a semilog plot, or
Alternatively, a capillary whose inner circumferential surface is formed as the superhydrophobic surface, a water tank having a volume in which the lower part of the capillary can be submerged to a certain height, and a lattice-shaped support frame having a plurality of holes so that the capillary can stand upright inside the tank and the final height difference of the liquids having different detergent concentrations rising inside the capillary is increased than the height difference when there is no superhydrophobic surface on the inner circumferential surface of the capillary, and the detergent concentration and capillary rise at detergent concentrations of 1 to 1000 ppm The relationship between the heights is linear on the semilog plot,
Detergent concentration measuring device wherein the detergent is a rinse dish rinsing detergent, a type 1 detergent, a sodium detergent, and a potassium detergent.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 측정 모듈은 복수개가 액체 접촉 기구의 둘레를 따라 설치되는 카메라이며,
상기 측정 모듈로부터 세제 방울이 액체 접촉 기구의 표면에 맺힌 형태의 영상을 수신하여 세제 방울과 액체 접촉 기구의 접촉 각도를 산출해 내는 연산 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세제 농도 측정 장치.
According to claim 1,
The measurement module is a plurality of cameras installed along the circumference of the liquid contact mechanism,
Detergent concentration measuring device, characterized in that it further comprises a calculation module for receiving the image of the shape of the detergent droplet formed on the surface of the liquid contact mechanism from the measurement module to calculate the contact angle between the detergent droplet and the liquid contact mechanism.
제4항에 있어서,
상기 연산 모듈에는 복수개의 상기 측정 모듈로부터 얻은 각각의 영상 마다 산출된 전체의 상기 접촉 각도로부터 평균 접촉 각도를 산출하는 절차와, 미리 측정되어 저장된 세제 농도별 접촉 각도 데이터 중에서 상기 평균 접촉 각도와 동일한 접촉 각도가 형성되는 농도 데이터를 뽑아서 세제 농도를 결정하는 절차를 포함하는 알고리즘이 탑재되는 것을 특징으로 하는 세제 농도 측정 장치.
According to claim 4,
The calculation module includes a procedure for calculating an average contact angle from the total contact angles calculated for each image obtained from a plurality of measurement modules, and contact angles equal to the average contact angle among previously measured and stored contact angle data for each detergent concentration A detergent concentration measuring device, characterized in that an algorithm including a procedure for determining the detergent concentration by extracting the concentration data at which the angle is formed is mounted.
제1항에 있어서,
상기 측정 모듈은 모세관 내부를 따라 상승된 액체의 상단을 향하면서 각도가 가변 가능하게 배치되는 카메라와, 카메라의 각도를 실시간으로 산출하는 각도 센서 및, 카메라의 영상 중심이 정확하게 상기 액체의 상단에 일치될 수 있게 중심에 타겟 가늠자가 표시되는 모니터로 이루어져, 미리 측정된 카메라와 모세관 사이의 수평거리 및 상기 카메라의 각도 정보를 통하여 상기 액체의 상단 높이가 산출되는 것을 특징으로 하는 세제 농도 측정 장치.
According to claim 1,
The measurement module includes a camera disposed with a variable angle while facing the top of the liquid raised along the inside of the capillary, an angle sensor that calculates the angle of the camera in real time, and the center of the image of the camera exactly coincides with the top of the liquid. Detergent concentration measuring device, characterized in that the height of the top of the liquid is calculated through a pre-measured horizontal distance between the camera and the capillary and angle information of the camera.
제1항의 세제 농도 측정 장치를 이용한 세제 농도 측정 방법으로서,
상기 초소수성 표면에 액체를 접촉시킨 후에 상기 표면에 접촉되는 액체의 접촉 각도 또는 접촉 위치를 측정하는 단계를 포함하고,
상기 측정하는 단계는 액체의 접촉 각도 또는 접촉 위치의 측정이 이루어지기 전에 액체 접촉 기구의 표면에 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 복수개의 나노막대를 상기 표면으로부터 돌출되는 방향으로 성장시키는 단계를 포함하며,
상기 측정하는 단계는 나노막대를 성장시키는 단계 이전에 복수개의 나노막대가 성장될 위치 각각에 미리 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 돌기를 형성시키는 단계를 포함하고,
상기 측정하는 단계는 나노막대를 성장시키는 단계 이후에 복수개의 나노막대의 단부에 스테아르 산을 코팅하는 단계를 더 포함하며,
상기 돌기는 ZnO(NO3)2, NH4Cl, 우레아 및 암모니아를 함유하는 수용액을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 세제 농도 측정 방법.
A detergent concentration measuring method using the detergent concentration measuring device of claim 1,
Measuring a contact angle or a contact position of a liquid contacting the surface after contacting the superhydrophobic surface with a liquid;
The measuring step includes growing a plurality of nanorods made of zinc oxide (ZnO) on the surface of the liquid contact mechanism in a direction protruding from the surface before measuring the contact angle or contact position of the liquid,
The measuring step includes forming a protrusion made of zinc oxide (ZnO) in advance at each position where a plurality of nanorods are to be grown before the step of growing the nanorods,
The measuring step further includes coating stearic acid on the ends of the plurality of nanorods after the step of growing the nanorods,
Detergent concentration measurement method, characterized in that the protrusion is prepared using an aqueous solution containing ZnO (NO 3 ) 2 , NH 4 Cl, urea and ammonia.
삭제delete 제7항에 있어서,
상기 액체 접촉 기구는 세제 방울이 맺힐 수 있는 면적을 가지는 판 형태의 부재이며,
상기 측정하는 단계는 상기 나노막대를 형성시키는 단계 이후에 세제 농도를 측정하고자 하는 액체를 액체 접촉 기구의 표면에 방울 형태로 떨어트려, 액체 접촉 기구의 표면에서 농도를 측정하고자 하는 액체의 방울이 액체 접촉 기구의 표면과 이루는 접촉 각도를 측정함으로써 이루어지며,
상기 측정 모듈은 액체 접촉 기구의 둘레를 따라 설치되는 복수개의 카메라이며,
상기 접촉 각도를 측정하는 단계는, 접촉 각도의 측정은 적어도 3개의 카메라로 서로 다른 지점에서 접촉 각도의 측정 영상을 얻는 단계와,
얻어진 측정 영상으로부터 접촉 각도의 평균 값을 산출하는 단계 및,
접촉 각도의 평균 값으로부터 기 측정된 접촉 각도에 따른 세제 농도 데이터로부터 측정된 상기 접촉 각도의 평균 값에 매칭되는 세제 농도를 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세제 농도 측정 방법.
According to claim 7,
The liquid contact mechanism is a plate-shaped member having an area where detergent droplets can form,
In the measuring step, after the step of forming the nanorods, a liquid whose concentration is to be measured is dropped on the surface of the liquid contact device in the form of droplets, and the droplet of the liquid whose concentration is to be measured is contacted with the liquid on the surface of the liquid contact device. It is made by measuring the contact angle with the surface of the instrument,
The measurement module is a plurality of cameras installed along the circumference of the liquid contact mechanism,
The step of measuring the contact angle includes obtaining measurement images of the contact angle at different points with at least three cameras;
Calculating an average value of contact angles from the obtained measurement image;
Detergent concentration measuring method comprising the step of calculating a detergent concentration matching the average value of the contact angle measured from the detergent concentration data according to the previously measured contact angle from the average value of the contact angle.
제7항에 있어서,
상기 액체 접촉 기구는 모세관과, 모세관 하부가 일정 높이까지 잠길 수 있는 용적을 가지는 수조로 이루어지되, 상기 초소수성 표면은 상기 모세관의 내주면에 형성함으로써, 모세관 내부를 타고 상승하는 서로 다른 세제 농도를 가지는 액체의 최종 높이 차이가 모세관 내주면에 초소수성 표면이 없는 경우보다 증가되고,
상기 측정 모듈은 모세관 내부를 따라 상승된 액체의 상단을 향하면서 각도가 가변 가능하게 배치되는 카메라와, 카메라의 각도를 실시간으로 산출하는 각도 센서 및, 카메라의 영상 중심이 정확하게 상기 액체의 상단에 일치될 수 있게 중심에 타겟 가늠자가 표시되는 모니터로 이루어짐으로써,
상기 측정하는 단계는 카메라의 각도를 가변시켜서 모니터의 타겟 가늠자를 액체 상단에 일치시키는 단계와,
모니터의 타겟 가늠자가 액체 상단에 일치된 상태에서 각도 센서로 카메라의 각도를 산출하는 단계 및,
각도를 산출하는 단계에서 산출된 각도로 액체 상단의 높이와 카메라의 높이 차이를 액체 상단의 높이에 더함으로써 액체 상단의 높이를 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세제 농도 측정 방법.
According to claim 7,
The liquid contact mechanism is composed of a capillary tube and a water tank having a volume in which the lower portion of the capillary tube can be submerged to a certain height, and the superhydrophobic surface is formed on the inner circumferential surface of the capillary tube to have different detergent concentrations rising along the inside of the capillary tube. The final height difference of the liquid is increased compared to the case where there is no superhydrophobic surface on the inner circumferential surface of the capillary,
The measurement module includes a camera disposed with a variable angle while facing the top of the liquid raised along the inside of the capillary, an angle sensor that calculates the angle of the camera in real time, and the center of the image of the camera exactly coincides with the top of the liquid. By being made up of a monitor on which the target scale is displayed in the center,
The measuring step may include adjusting the target scale of the monitor to the top of the liquid by changing the angle of the camera;
Calculating the angle of the camera with an angle sensor while the target scale of the monitor is aligned with the top of the liquid;
Detergent concentration measuring method comprising the step of calculating the height of the top of the liquid by adding the difference between the height of the top of the liquid and the height of the camera to the height of the top of the liquid at the angle calculated in the step of calculating the angle.
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