KR20000018982A - 고분자막 습도센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 습도를 감지하는 고분자막으로서 암모늄염을 포함하는 에폭시단량체, 에폭시중합체 또는 적어도 하나 이상의 에폭시기를 갖는 공단량체와의 공중합체를 감습막으로 하여 공기 중의 습도변화에 따라 임피던스가 변화하는 특성을 이용하는 전기저항식 고분자막 습도센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고분자막 습도센서는, 감습막(1), 상기 감습막(1)과 전기적 접촉을 유지하는 전극(2), 상기 전극(2)을 고정시키는 전극스냅(3) 및 상기 전극을 외부와 연결하는 단자(4)를 포함하는 고분자막 습도센서에 있어서, 상기 감습막(1)이 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체나 이를 단독으로 중합하여 수득한 중합체를 적어도 하나 이상의 에폭시기를 갖는 공단량체들과 공중합하여 형성된 것임을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면 내수성 및 내환경성이 우수하고, 경시변화가 우수하여 장기간 안정하고, 신뢰성이 높은 습도센서를 제공하는 효과가 있으며, 또한 가습기나 제습기 등 습도의 측정이 요구되는 기계 및 장치에 습도센서로 적절히 사용될 수 있는 습도센서를 제공하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 암모늄염을 포함하는 고분자막을 감습막으로 사용하는 습도센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 습도를 감지하는 고분자막으로서 암모늄염을 포함하는 에폭시단량체, 에폭시중합체 또는 적어도 하나이상의 에폭시기를 갖는 공단량체와의 공중합체를 감습막으로 하여 공기중의 습도변화에 따라 임피던스가 변화하는 특성을 이용하는 전기저항식고분자막 습도센서에 관한 것이다.
전기저항식 고분자막 습도센서는 알루미나 기판에 형성된 전극에 감습막으로서 전해질 고분자막이 도포되어 있어 공기중의 습도가 변화할 때 감습막으로서의 고분자막의 임피던스가 변화하는 현상을 이용하여 습도를 감지하는 습도센서의 일종이다.
감습제로서 전해질 고분자막을 이용한 전기저항식 습도센서는 전해질 고분자막이 주위의 수분을 흡수한 후, 해리되어 전도도를 나타내므로 상대습도 0 내지 100%RH(Relative Humdity ; 상대습도) 사이에서 임피던스가 연속적으로 변화하므로써 상대습도를 정확하게 측정할 수 있다.
그러나, 종래의 고분자막 습도센서의 경우, 감습제로서 4차암모늄을 포함하는 고분자막을 주로 사용하였으나, 고온, 다습한 영역에서 장시간 사용한후에는 수분에 의하여 용융되어 특성의 열화가 생기는 단점이 있었다. 또한, 내수성의 향상을 위하여 감습제로서 음이온계 전해질을 포함하는 3차원 망상구조의 고분자막을 포함하는 습도센서가 여러 특허들에서 나타나고 있다. 그러나, 물속에 수분 내지 수시간 동안 침적시킨 후에도 내수성을 나타내는 감습제로서의 고분자막의 예는 거의 없었다.
따라서, 본 발명자들은 연구를 거듭하여 암모늄염을 포함하는 에폭시고분자를 사용하여 사용 습도범위에서 우수한 임피던스 특성을 가지며, 내수성이 우수한 저항형 습도센서를 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 고온, 다습한 영역에서 내성, 특히 내수성이 우수하여 상용 습도범위에서 우수한 임피던스 특성을 가지며, 가습기, 제습기, 습도조절기 또는 건조기 등 습도측정이 요구되는 기기에 장착되어 사용될 수 있는 고분자막 습도센서를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고분자막 습도센서를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도2는 본 발명에 따른 고분자막 습도센서에 의한 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도3은 본 발명에 따른 고분자막 습도센서의 시간에 따른 임피던스 변화율을 나타내는 그래프이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 감습막 2 : 전극
3 : 전극스냅 4 : 단자
본 발명에 따른 고분자막 습도센서는, 감습막, 상기 감습막과 전기적 접촉을 유지하는 전극, 상기 전극을 고정시키는 전극스냅 및 상기 전극을 외부와 연결하는 단자를 포함하는 고분자막 습도센서에 있어서, 상기 감습막이 하기 화학식 1의 구조를 갖는 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체나 이를 단독으로 중합하여 수득한 중합체를 적어도 하나 이상의 에폭시기를 갖는 공단량체들과 공중합하여 형성된 것임을 특징으로 한다.
여기에서, R1, R2및 R3는 탄소수 1 내지 20의 알킬, 분지알킬, 시클로알킬, 히드록시알킬, 알콕시알킬, 알케닐, 아릴, 아릴알킬 또는 메타크릴옥시알킬이고, R4는 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬, 분지알킬, 시클로알킬, 히드록시알킬, 알콕시알킬, 알케닐, 아릴, 아릴알킬 또는 메타크릴옥시알킬이며, X는 할로겐원자, 알킬설포네이트, 아릴설포네이트 또는 알킬벤젠설포네이트이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자막 습도센서는 감습제로서 습도에 따라 임피던스가 변하는 감습막을 상기 화학식 1에 나타낸 바와 같은 암모늄염을 갖는 에폭시 단량체 또는 이를 단독으로 중합하여 수득한 중합체를 적어도 하나 이상의 에폭시기를 갖는 공단량체들과 공중합하여 형성시키고, 중합한 후, 여기에 한 쌍의 단자(4)와 금전극(2) 및 은-팔라듐을 포함하는 전극스냅(3)으로 된 습도전극을 침적하고 더 중합하여 감습막(1)으로 형성하여 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명에서 임피던스에 영향을 미치는 이온의 양을 조절하기 위하여 상기 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체나 그 단독 중합체와 공중합할 수 있는 공단량체로는 적어도 하나 이상의 에폭시기를 갖는 단량체로서, 예를들면, 시클로헥센 옥사이드, 스티렌 옥사이드, 1,3-부타디엔 디에폭사이드, 1,5-헥사디엔 디에폭사이드, 폴리프로필렌글리콜 디글리시딜에테르, 디에틸렌글리클 디글리시딜에테르, 테트라글리시딜 메틸렌디아닐린, 1,2,7,8-디에폭시옥탄, 1,2,5,6-디에폭시시클로옥탄, 부틸 글리시딜에테르, 페닐 글리시딜에테르, 크레실 글리시딜에테르, 2-에틸헥실 글리시딜에테르, 네오펜틸 글리시딜에테르, 1,4-부탄디올 글리시딜에테르, 리졸시놀 디글리시딜에테르, 트리메틸올프로판 트리글리시딜에테르, 트리글리시딜-아미노페놀, 트리글리시딜 이소시아누레이트, 테트라글리시딜메틸렌 디아닐린, 디글리시딜 하이단토인, 비닐시클로헥센 1,2,7,8-디에폭사이드 또는 폴리페닐 글리시딜 에테르-포름알데히드 공중합체로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다.
상기 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체에 대한 상기 공단량체의 혼합비는 0 내지 95중량%가 될 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 60중량%가 될 수 있다.
또한, 상기 공중합에 의하여 형성되는 고분자는 경화제에 의하여 더 경화될 수 있으며, 이 경화제로는 바람직하게는 메타페닐디아민, 디에틸렌트리아민, 4,4'-디아미노디페닐메탄, 4,4'-디아미노디페닐설폰, 디시안 디아마이드, 탄소수 1 내지 10의 알킬 디아민, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리에릴렌이민, 폴리(스티렌-무수말레인산) 또는 폴리알릴아민 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다.
상기 감습막(1)은 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체, 상기 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체에 공중합되는 적어도 하나 이상의 에폭시기를 갖는 공단량체, 공중합시의 개시제, 경화제 및 용제의 양에 따라 전해질의 양을 조절하는 것에 의하여 주위의 습도에 따라 103내지 108Ω 범위의 임피던스를 가질 수 있다.
상기 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체와 적어도 하나 이상의 에폭시기를 갖는 공단량체를 사용하여 고분자화하는 공중합은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 용이하게 이해될 수 있는 것이며, 또한 공중합에 사용되는 촉매 및 용매 역시 통상적인 에폭시 단량체의 중합에서 사용되는 것들이 사용될 수 있다.
특히, 상기 감습막(1)에는 그 표면에 보호막이 더 형성될 수 있다.
상기 보호막은 유기용매 등 외부환경에 대하여 그 내부의 감습막(1)을 보호하기 위하여 사용되며, 이 보호막으로는 투수성이 우수한 고분자막이 사용될 수 있다. 그 예로서는, 셀룰로오스, 셀룰로오스 유도체, 키틴, 키틴 유도체, 키토산, 키토산 유도체, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 실리콘수지, 에폭시수지 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어진 그룹중에서 선택된 것이 바람직하게 사용될 수 있다. 이 보호막은 0.1 내지 100㎛의 두께가 될 수 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다.
이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것이다.
실시예 1 내지 실시예 5
상기 화학식 1의 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체와 적어도 하나 이상의 에폭시기를 갖는 공단량체로서 디에틸렌글리클 디글리시딜에테르를 각각 3:1(실시예 1), 2:1(실시예 2), 1:1(실시예 3), 1:2(실시예 4) 및 1:3(실시예 5)의 비율로 혼합하고, 상기 혼합물의 전체중량에 대하여 경화제로서 4,4'-디아미노페닐메탄 1중량%를 첨가하고, 10중량%의 디메틸설폭사이드 용액을 만들어 중합한 후, 여기에 한 쌍의 단자와 금전극 및 은-팔라듐을 포함하는 전극스냅으로 된 습도전극을 침적하여 더 중합하여 감습막으로 성형하고, 그 표면에 투습성이 우수한 셀룰로오스 5중량%를 자일렌(Xylene)에 용해시킨 셀룰로오스용액에 침적하였다가 인출한 후 건조시켜 최종의 습도센서를 제조하였다.
제조된 습도센서들은 30 내지 95%RH에서 임피던스를 측정하여 특성을 관찰하였으며, 그 결과를 도2에 나타내었다. 또한, 제조된 습도센서들은 하기 표1에 나타낸 조건으로 환경시험을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표2 및 도3에 각각 나타내었다. 내용제성시험에서는 에탄올을 사용하였으며, 내오일성시험에서는 식용유의 일종인 대두유를 사용하였다.
상기 표 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 각 환경시험 후에서도 고분자막습도센서의 임피던스 변화율은 1.2% 미만으로 환경시험에서 나타난 바와같은 가혹조건의 적용 후에도 습도센서의 기능의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있었으며, 상대습도 0 내지 100%RH 사이, 온도 0 내지 60℃의 범위에서 습도의 측정이 가능하며, 내수성이 우수하고, 각종 유기용매 및 오일에 대해 우수한 내구성을 가짐을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 의하면 내수성 및 내환경성이 우수하고, 경시변화가 우수하여 장기간 안정하고, 신뢰성이 높은 습도센서를 제공하는 효과가 있으며, 또한 가습기나 제습기 등 습도의 측정이 요구되는 기계 및 장치에 습도센서로 적절히 사용될 수 있는 습도센서를 제공하는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (8)
- 감습막, 상기 감습막과 전기적 접촉을 유지하는 전극, 상기 전극을 고정시키는 전극스냅 및 상기 전극을 외부와 연결하는 단자를 포함하는 고분자막 습도센서에 있어서,상기 감습막이 하기 화학식 1의 구조를 갖는 암모늄염을 포함하는 에폭시단량체나 이를 단독으로 중합하여 수득한 중합체를 적어도 하나 이상의 에폭시기를 갖는 공단량체들과 공중합하여 형성된 것임을 특징으로 하는 고분자막 습도센서.화학식 1여기에서, R1, R2및 R3는 탄소수 1 내지 20의 알킬, 분지알킬, 시클로알킬, 히드록시알킬, 알콕시알킬, 알케닐, 아릴, 아릴알킬 또는 메타크릴옥시알킬이고, R4는 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬, 분지알킬, 시클로알킬, 히드록시알킬, 알콕시알킬, 알케닐, 아릴, 아릴알킬 또는 메타크릴옥시알킬이며, X는 할로겐원자, 알킬설포네이트, 아릴설포네이트 또는 알킬벤젠설포네이트이다
- 제 1 항에 있어서,상기 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체나 그 단독 중합체와 공중합할수 있는 공단량체가 시클로헥센 옥사이드, 스티렌 옥사이드, 1,3-부타디엔디에폭사이드, 1,5-헥사디엔 디에폭사이드, 폴리프로필렌글리콜 디글리시딜에테르, 디에틸렌글리콜 디글리시딜에테르, 테트라글리시딜 메틸렌디아닐린, 1,2,7,8-디에폭시옥탄, 1,2,5,6-디에폭시시클로옥탄, 부틸 글리시딜에테르, 페닐 글리시딜에테르, 크레실 글리시딜에테르, 2-에틸헥실 글리시딜에테르, 네오펜틸 글리시딜에테르, 1,4-부탄디올 글리시딜에테르, 리졸시놀 디글리시딜에테르, 트리메틸올프로판 트리글리시딜에테르, 트리글리시딜-아미노페놀, 트리글리시딜 이소시아누레이트, 테트라글리시딜메틸렌 디아닐린, 디글리시딜하이단토인, 비닐시클로헥센 1,2,7,8-디에폭사이드 또는 폴리페닐 글리시딜에테르-포름알데히드 공중합체로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체에 대한 상기 공단량체의 혼합비는 0 내지 95중량%, 바람직하게는 20 내지 60중량%가 됨을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 암모늄염을 포함하는 에폭시 단량체와 상기 공단량체의 혼합에 의한 공중합체에 메타페닐디아민, 디에틸렌트리아민, 4,4'-디아미노디페닐메탄, 4,4'-디아미노디페닐설폰, 디시안 디아마이드, 탄소수 1 내지 10의 알킬디아민, 폴리 아크릴산, 폴리 메타크릴산, 폴리에틸렌이민, 폴리(스티렌-무수말레인산) 또는 폴리알릴아민 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 경화제가 더 포함됨을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 감습막이 103내지 108Ω 범위의 임피던스를 가지는 것임을 특징으로하는 상기 고분자막 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 감습막에는 그 표면에 보호막이 더 형성됨을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 보호막은 셀룰로오스, 셀룰로오스 유도체, 키틴, 키틴 유도체, 키토산, 키토산 유도체, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 실리콘수지, 에폭시수지 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
- 제 7 항에 있어서,상기 보호막은 0.1 내지 100㎛의 두께를 가짐을 특징으로 하는 상기 고분자막 습도센서.
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