KR20010029496A - 표면 압력 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은, 액체 및 가스 상의 경계 면에 형성되어 있는 막의 표면 압력을 측정하기 위한 장치이고, 상기 장치는 검출기 수단 및 센서 수단을 포함하고 있다. 상기 검출기 수단은 광원 및 위치 감응 검출기를 포함하고 있고, 그것의 활성 표면은 상기 광원의 광빔내에 위치되어 있으며, 상기 센서 수단은 측정되는 막과 접촉될 수 있는 센서를 포함하고 있고, 그 차광 수단은, 막에 의해서 상기 센서에 부가되는 힘과 대응하여, 상기 검출기의 활성 표면과 광원사이의 광빔내로 이동한다.
Description
예를 들면, 포스포글리세롤(phosphoglycerol) 및 긴 사슬의 지방족 탄화수소 사슬들, 지방 산 및 그 유도체들에 의해서 치환되는 트레이톨(treitol) 유도체와 같은, 액체 결정 타입의 계면 활성(界面 活性) 화합물과 같은, 몇몇 유기 화합물은 액체 기체 경계 면에 단분자 막들을 형성한다. 그러한 막들은 랭뮤어 막이라 불리어지고, 고체 기질, 랭뮤어-블로지트(Langmuir-Blodgett), 즉, 엘비막(LB-film), 상으로 이동된다. 그러한 막들은, 예를 들면, 전자 공학, 광학 및 광-화학 분야, 예를 들면, 집적회로, 광전지 등에, 사용될 수 있다. 어윈 랭뮤어(Irwin Langmuir)(Langmuir, I. (1917), J. Am. Chem. Soc. 39, 1848)에 의한 초기 간행물에서, 그러한 원칙들은, 화합물은 단 분자 표면 막들을 형성하기 위하여 자체로 배열되는 것에 의해서 제공되었다. 단 분자 표면 막들을 제조 및 연구하기 위한 다양한 방법들은 죠지 게인스(George Gains)(Gaines, G. L., Jr(1966))에 의한 논문에: 액체-가스 경계 면에서의 불 용해성 단일 층들(Interscience Publishers, John and Sons Inc. New York 1966), 광범위하게 거론되어 왔다.
요컨대, 랭뮤어-블로지트(Langmuir-Blodgett)에 의한 막 제조 기술은, 예를 들면, 물, 글리세롤 등과 같은 액체상과, 공기, 아르곤 등과 같은 가스상과 같은, 두 개의 서로 다른 상들 사이의 경계 표면 내에서 막-형성 계면 활성 물질이 적응될 수 있도록 하는 것에 근거를 두고 있어서, 분자의 친수성 부분은 액체로 적응하고 소수성 부분은 액체로부터 떨어진다. 클로로포름 또는 사이클로헥산과 같은, 적합한 유기 용매 또는 용매 혼합물 내에 녹아있는 유기 물질은, 홈통(trough)내에 있는 액체 표면 위의 단 분자 층으로서 확산되고 용매는 증발된다. 액체 표면과 접촉하고 있는 홈통 가장자리 상에 기대고 있는 장벽에 의해서, 막에 이용할 수 있는 액체-가스 경계 면의 면적은 제한되어서, 단 분자 표면 막의 전체 표면적의 증가 또는 감소를 허여한다.
장벽에 의해서, 막의 표면 장력을 조절하는 것이 가능하여서, 표면 압력(π)에 반비례한다. 기질 또는 운반체로서 기능을 하는 지지체는, 경계 표면을 통해서, 바람직하게는, 일정한 속도로 이동되고, 상기 막은 상기 지지체 상에 단분자층으로서 이동되고, 상기 지지체가 가스로부터 액체 방향으로 경계 표면을 통해서 이동될 때, 소수성 부분은 상기 지지체를 향해 이동되고, 그리고 그 방향이 반대일 때, 상기 친수성 부분은 지지체를 향해 이동된다. 각 막 층의 두께는 주로 막 제조에 사용되는 유기 화합물 및 특히 그 내측에 포함되어 있는 산 사슬들의 길이에 주로 달려있다. 일반적으로 그것은 20-30 Å의 크기이다. 장벽을 이동시킴으로서, 상기 막의 표면 압력은 코팅하는 동안 일정하게 유지된다. 이는 상기 표면 압력을 연속적으로 정확하게 감지하기 위하여 필요하다.
상기 표면 압력은, 예를 들면, 민감한 밸런스(balance)에 의해서 막내의 센서에 적용되는 힘을 측정함으로서, 측정된다. 예를 들면, 얇은 백금 판(윌헬미(Wilhelmy) 판)은, 일반적으로 1×2㎝ 크기이고, 막 층과 접촉하는, 액체/가스 경계면내에 위치되어 있는, 센서로서 사용될 수 있다. 표면 압력의 변화들은 상기 판에 들러붙는 액체(물)의 양 또는 질량 변화의 증거가 된다. 액체의 표면 압력이 증가할 때, 판에 들러붙는 물의 양은 거꾸로 선형으로 줄어든다. 센서의 표면은 표면 압력의 영향에 의해서 젖게되는데, 이는, 센서 판의 무게 또는 센서에 부가되는 하중 증가의 증거가 된다. 차례로 표면 압력에 의해서 센서에 부과되는 힘은 상기 센서를 수직 방향으로 이동하게 한다. 상기 힘은, 예를 들면, 상업용 미량 저울을(사토리우스(sartorius), 칸(cahn) 등) 사용하여 측정될 수 있다.
요즈음, 소위 LVDT-센서는 표면 압력을 측정하기 위하여 사용된다. 상기 LVDT(선형 전압 변위 변환기)는, 슬리브내에 있는 솔레노이드내에서 이동하는 철심으로 구성되어 있어서, 상기 솔레노이드내의 철심의 위치는 솔레노이드의 출력 전압에 영향을 준다. 단점은, 상기 철심이 자화성 재료로 구성되고 꽤 무겁다는 것이다. 따라서, 코어의 질량은, 그것이 매우 민감할 때 상기 LVDT에 의해서 감지될 수 있는 힘(질량)을 제한한다. 따라서 상기 장치로 얻을 수 있는 측정 감도는 만족스럽지 않다. 다른 한편으로, 미량 저울들은 매우 비싸고 큰 공간을 필요로 한다. 다른 측정 적용 분야에서는, 상기 막을 안정화시키는 보호 가스(예를 들면 아르곤)를 사용하는 것이 또한 필요하다. 그러한 적용 분야는, 예를 들면, 막 형광 현미경 사용, 인데, 빛을 발생시키는 영향하에서, 산소 분자들은 지질 막내에서 형광 군과 접촉할 수 있어서, 그것들을 광화학적으로 수정하여 형광을 없앤다. 다른 한편으로, 형광 현미경의 견본 공간은 너무 작아서 예를 들면, 미소 저울 및 측정 동안의 보호 가스를 사용하는 것이 가능하지 않다.
본 발명의 목적은, 액체 물질과 가스 물질 상들 사이에 있는 경계 표면에 형성되어 있는, 막의, 소위 랭뮤어 막(Langmuir film), 표면 압력 측정 장치이다.
도 1은 본 발명에 의한 장치의 일 실시 예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 2는 표면적 및 본 발명에 의한 장치로 측정되는 압축 등온선으로서 표면 압력을 도시하고 있다.
본 발명에 의하면, 센서의 변위를 측정하기 위한 광원과 함께 위치 감응 검출기를 사용함으로서, 매우 높은 정확도를 갖는 표면 압력의 측정을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 액체 및 가스 상의 경계 면에 형성되어 있는 막의 표면 압력을 측정하기 위한 장치이고, 상기 장치는 검출기 수단 및 센서 수단을 포함하고 있는데, 상기 검출기 수단은:
광원 및
위치-감응 검출기를 포함하고 있고, 그것의 활성 표면은 상기 광원의 광빔내에 위치되어 있고, 상기 센서 수단은;
측정되는 막과 접촉될 수 있는 센서 및
상기 검출기의 활성 표면과 광원사이의 광빔내에서, 상기 막에 의해서 센서에 부과되는 힘과 대응하여, 이동하는 차광 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의한 장치는 검출기 수단 및 센서 수단을 포함하고 있다. 상기 검출기 수단은 위치 감응 검출기 및 하우징 내에 장착되거나 지지 구조 또는 프레임에 의해서 실리는 광원을 포함하고 있다. 상기 위치-감응 검출기 및 광원들은, 광원으로부터의 광빔이 위치-감응 검출기의 활성 표면에 부딪칠 수 있도록 서로에 대해서 배열되어 있다. 상기 위치 감응 검출기(PSD)는 바람직하게 일차원 위치-감응 검출기이다. 그것은 실리콘 기질 및 그 상단에 형성되는 층 구조를 포함하고 있다. 맨 바깥쪽 층은 저항적, 즉 활성 P-층이다. 상기 활성 P-층 상에 들이닥치는 입사 광은, 광 에너지에 비례하는 전하로 전환된다. 상기 전하는 상기 층에 연결되어 있는 전극들로 P-층을 통해서 돌진한다. 상기 층의 고유 저항은 일정하기 때문에, 광 전류는 전극들에서 얻어지는데, 이는 입사 광점과 전극들 사이의 거리에 반비례한다. 가장 감응적인 PSD:s는 0.1㎛의 정확도를 가지고 있는 광 감응 표면상의 광 부위 위치를 감지할 수 있다.
광원으로서, 적합한 상업적으로 활용할 수 있는 발광 다이오드가, 예를 들면 IR 다이오드 PDI-E802(manuf. Phototronic Detectors, Inc. USA), 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 장치의 센서 수단은, 기능적으로 연결되는 차광 수단뿐만 아니라, 측정될 막과 접촉될 수 있는 센서를 포함하고 있다. 본 발명에 의하면, 막 표면 압력은, 즉 상기 센서에 적용되는 하중, 차광 수단으로 전달되는데, 이는 광원 및 검출기사이의 광빔내에서 이동한다. 여기에서 용어는 "기능적으로 연결되는" 표면 압력에 비례하여, 측정되는 막의 표면 압력에 의해서 상기 센서에 부가되는 힘이 차광 수단의 변위를 초래하기 위하여 차광 수단에 선형으로 전달되는 것을 의미한다.
예를 들면, 상기 목적을 위하여 알려진 백금 판 또는 NiCr-선은, 측정되는 막내에 위치될 수 있는 센서로서 사용될 수 있다. NiCr-선은 백금(Pt)에 전형적인 히스테리시스없이 표면 압력을 측정할 수 있음으로서 특히 바람직하다. 표면 압력의 영향하에서, 상기 센서는 수직 방향으로 이동하는데, 이 같은 운동은 상기 차광 수단으로 전달된다. 상기 차광 수단은, 적합한 방식으로 광 감응 표면의 적어도 일부분을 차단할 수 있는 치수와 형상을 가지고 있다. 상기 차광 수단은, 직사각형 또는 정사각형으로, 형성될 수 있는데, 그것의 가장 큰 치수 또는 표면은 실질적으로 광빔에 수직하고 위치-감응 검출기의 활성 표면에 실질적으로 평행하다. 상기 차광 수단의 이동 결과에 따라서, 검출기의 광 감응 표면상의 빛나는 부위는 변화하고, 또한 상기 검출기의 출력 전류는 변한다. 상기 출력 전류로부터, 상기 센서를 변위시키기 위하여 필요한 힘은, 즉, 표면 압력, 계산될 수 있다. PSD의 높은 감응도 때문에, 센서상의 매우 낮은 하중 및 운동은 PSD로 등록될 수 있다.
다양한 해결책들은 차광 수단으로의 상기 센서를 이동시키기 위하여 사용될 수 있다. 본 발명의 가장 단순한 실시 예들 중 하나는, 실질적으로 수평으로 배열되어 있고, 그 중의 일단부는 예를 들면, 하우징 또는 프레임을, 지지하기 위한 적합한 방식으로 부착되어 있는, 예를 들면 감응 판 스프링과 같은, 스프링으로부터, 예를 들면 센서 축너머로, 현수되어 있다. 실질적으로 수직으로 연장되어 있는 단부 부분을 형성하기 위하여 적절하게 휘어있거나 접혀져있는, 스프링의 다른 자유 단부는, 차광 수단을 형성한다. 다른 실시 예에 의하면, 상기 센서 및 차광 수단은 각각, 아암들이 하나의 아암으로부터 다른 아암으로의 운동을 전달하는 선회 지점 또는 핀에 차례로 연결되어 있는 그 자체 아암의 일단부에 각각 고정되어 있다. 상기 목적을 위하여, 예를 들면, 토션 와이어는, 예를 들면, 장치의 하우징 또는 프레임에 부착되어 있는 그것의 양 단부들사이에 연장될 수 있도록 장착되어, 그리고 운동에 감응하여 동일하여 전달하는데 사용될 수 있다.
이하, 예시된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시 예를 상세히 살펴보기로 하자.
도면들 중 도 1에서, 하부 액체 상은 참조 번호(1)로, 그 상단에 있는 단분자 막은 참조 번호(2)로 표시되어 있고, 그 표면 압력은 측정된다. 막(2)내로, 판 형상의 백금 센서(3)는 수직 방향으로 잠겨있는데, 그 센서로 딱딱한 와이어 또는 축(4)은 부착되며, 이는 감응 판 스프링(5)에 의해서 차례로 지지되어 있다. 스프링(5)의 일단부는 적절한 방식으로 지지대(6)에 부착되어 있다. 상기 스프링의 다른 자유 단부(7)는 수직 상향으로 휘어져서 혀모양의 차광 수단을 형성한다. 상기 차광 수단은, 상기 광을 향할 수 있도록 정렬되어 있는 발광 다이오드(9)로부터 위치-감응 검출기(8)의 감응 표면으로 광빔내에 위치되어 있다. 상기 막의 표면 압력이 변화될 때, 센서(3)에 들러붙어 있는 액체 양은 변화하여서 센서 상에 있는 힘 또는 하중 또한 변화한다. 발생되는 힘은 상기 센서를 표면 압력에 대응하는 정도로 수직 상향 또는 하향으로 변위시킨다. 상기 변위 운동은, 상기 와이어(4) 및 스프링(5)을 거쳐서 차광 수단(7)으로 이동되는데, 이는 광 영역 내에서 대응적으로 이동한다. 상기 차광 수단의 변위는 검출기(8)의 빛나는 표면을 변화시키는데, 이는 차례로 상기 변위(또는 표면 압력)에 대응하는 검출기의 출력 전류의 변화를 차례로 발생시킨다.
측정 결과 치의 신뢰성 및 선형성은, 센서 대신에, 표면 압력에 의해서 생기는 하중을 모의 실험하기 위하여 판 스프링에 부착되어 있는 다른 크기의 저울추를 사용하여 실험된다. 상기 장치는, 약 40mg 내지 90mg의 범위 내에서 선형으로 작용한다는 것을 알 수 있는데, 이는 표면 압력 측정 장치 내에서 실질적으로 부딪치는 조건들에 대응한다. 전형적으로, 1.73㎜의 원주를 가지고 있는 NiCr-와이어를 사용하는, 순수한 물의 질량 증가는, 11.8mg인데, 이는 측정 범위의 상부 한계에서 71.8mNm-1의 표면 인장력에 대응한다. 다른 한편으로, 도 2의 압축 등온선으로부터 상기 장치는 매우 높은 분해도를 표면 압력을 측정한다는 것을 알 수 있다.
Claims (6)
- 검출기 수단 및 센서 수단을 포함하고 있고, 액체 및 가스 상의 경계 면에 형성되어 있는 막의 표면 압력 측정 장치에 있어서,상기 검출기는광원 및위치 감응 검출기를 포함하고 있고, 그 활성 표면은 상기 광원의 광빔내에 위치되어 있으며, 상기 센서 수단은측정되는 막과 접촉될 수 있는 센서 및막에 의해 상기 센서에 부가되는 힘에 대응하여, 검출기의 활성 표면과 광원사이의 광빔내에서 이동하는 차광 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 막의 표면 압력 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 검출기는 소위 일차원 위치 감응 PSD 검출기인 것을 특징으로 하는 막의 표면 압력 측정 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 광원은 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 막의 표면 압력 측정 장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,센서 또는 센서에 연결되어 있는 축 부분은, 그 자유 단부가 상기 차광 수단을 형성하는, 지지체에, 특히 판 스프링에, 장착되어 있는 스프링에 부착되거나 스프링으로부터 매달려있는 것을 특징으로 하는 막의 표면 압력 측정 장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,상기 센서 및 상기 차광 수단 각각은, 아암들이 선회 지점에 대해서 기능적으로 연결되어 선회할 수 있는 그 아암에 의해서 각각 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 막의 표면 압력 측정 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 선회 지점은 장치의 하우징 또는 프레임내에서 연장되어 배열되어 있는 토션 와이어에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 막의 표면 압력 측정 장치.
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