KR20210033572A - 빠른 유기 액체 감지를 위한 투명도 변화형 반응 매체 - Google Patents

빠른 유기 액체 감지를 위한 투명도 변화형 반응 매체 Download PDF

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KR20210033572A
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김광호
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한국과학기술원
재단법인 하이브리드 인터페이스기반 미래소재 연구단
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N31/00—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
    • G01N31/22—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using chemical indicators

Abstract

본 발명은 중공형 무기입자를 포함하는 다공성 고분자를 이용하여 다양한 유기액체와 접촉하는 경우 시각적인 변화를 나타낼 수 있는 빠른 유기 액체 감지를 위한 투명도 변화형 반응 매체에 관한 것이다. 본 발명은 (a) 내부에 계간기공을 포함하는 고분자 매트릭스; 및 (b) 상기 계간기공 내부에 위치하는 중공형 무기입자를 포함하는 투명도 변화형 반응 매체를 제공한다.

Description

빠른 유기 액체 감지를 위한 투명도 변화형 반응 매체{Highly responsive medium for fast identification of organic liquids}
본 발명은 빠른 유기 액체 감지를 위한 투명도 변화형 반응 매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중공형 무기입자를 포함하는 다공성 고분자를 이용하여 다양한 유기액체와 접촉하는 경우 시각적인 변화를 나타낼 수 있는 빠른 유기 액체 감지를 위한 투명도 변화형 반응 매체에 관한 것이다.
유기용매는 인체에 독성을 가지는 것이 대부분이다. 하지만 이러한 유기용매들은 많은 산업현장에서 용매로서 사용되고 있으며, 이를 위하여 다양한 용매가 개발되어 사용 중이다. 이러한 유기용매는 외부로 누출되는 경우 인체에 치명적인 효과를 가져올 수 있을 뿐만 아니라 환경에도 막대한 영향을 끼치게 되므로 그 관리에 많은 노력이 필요하다.
하지만 대부분의 용매는 무색투명함에 따라 그 구분이 쉽지 않으며, 단순히 육안으로는 어떠한 종류의 유기용제가 누출되어 있는지를 확인할 수 없으며, 물과의 구분이 어려워 노출여부를 감지하는 것이 어렵다.
따라서 이러한 유기용매를 감지하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다.
기존에 많이 사용되는 기체 감지 센서의 경우 유기용제가 증발되어 센서와 접촉하는 경우 이를 감지하는 방식으로 사용되고 있다. 이러한 기체 감지 센서의 경우 소량의 유기용제 누출 특히 기체 누출을 감지하는 것에는 탁월한 성능을 가지지만, 각 유기용재 별로 상이한 센서를 사용해야함과 동시에 전력을 사용함에 따라 소형화가 어렵고 기체화가 적은 유기용제의 경우 감지에 많은 시간이 걸린다는 단점을 가지고 있다.
이를 극복하기 위하여 화학적 물리적 자극을 시각적으로 바꿀 수 있는 비색계 염료를 이용한 감지 센서가 연구되고 있다. 이러한 센서의 경우 유기용매의 누출을 시각적으로 즉각 표현함에 따라 누출의 감지가 매우 용이하며, 기체화가 적은 용매의 누출에도 사용가능함과 동시에 단순히 비색계 염료를 종이 등에 흡착하여 사용할 수 있기 때문에 사용이 간편하고 소형화가 용이하다. 하지만 이러한 염료를 사용한 센서의 경우 낮은 단순성으로 인하여 샘플을 전처리하지 않으면 색상이 섞이는 결과는 나타내게 되어 용매의 종류를 인지할 수 없거나 다른 용매로 인지할 수 있으며, 낮은 정확도를 가지고 있어 다양한 용매를 구별하기 어렵다. 또한 변색이후 각도에 따라 색상이 변화하여 정확하지 않은 변색을 나타낼 가능성이 높다. 따라서 이러한 연료 센서의 경우 누출의 1차적인 경고 및 확인에만 사용되고 있으며, 실제 누출 확인 및 종류의 판별은 다른 검사에 의존하고 있어 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
(0001) 대한민국 등록특허 제10-0781291호 (0002) 대한민국 공개특허 제10-2019-0076429호
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 중공형 무기입자를 포함하는 다공성 고분자를 이용하여 다양한 유기액체와 접촉하는 경우 시각적인 변화를 나타낼 수 있는 빠른 유기 액체 감지를 위한 투명도 변화형 반응 매체를 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 (a) 내부에 계간기공을 포함하는 고분자 매트릭스; 및 (b) 상기 계간기공 내부에 위치하는 중공형 무기입자를 포함하는 투명도 변화형 반응 매체를 제공한다.
상기 고분자 매트릭스는 분자량이 1000kg/mol 이상일 수 있다.
상기 고분자 매트릭스는 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethly Methacrylate, PMMA), 폴리비닐카바졸(Polyvinyl carbazol. PVK), 폴리스티렌(Polystyrene, PS) 또는 폴리(N,N-디메틸아크릴아마이드)(poly(N,N-dimethyl acrylamide, PDMAM)의 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함할 수 있다.
상기 중공형 무기입자는 중앙부에 기공을 포함하며, 300nm이상의 크기를 가질 수 있다.
상기 중공형 무기입자는 중공형 실리카일 수 있다.
상기 고분자 매트릭스 : 중공형 무기입자의 질량비는 1:1 ~ 4:1일 수 있다.
상기 투명도 변화형 반응 매체는 유기용매와 접촉시 투명해지는 것일 수 있다.
상기 유기용매는 벤젠고리 화합물, 알코올 화합물, 아밀 아세테이트, 테트라하이드로푸란, 니트로메탄, 클로로포름, N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 에틸아세테이트, 메틸메타크릴레이트 또는 아세톤일 수 있다.
상기 벤젠고리 화합물은 피리딘, 아니솔, 자일렌 또는 벤젠일 수 있다.
상기 알코올 화합물은 에틸렌글리콜, 메탄올, 에탄올 또는 부탄올일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 투명도 변화형 반응 매체를 포함하는 유기용매 검출 장치를 제공한다.
상기 유기용매 검출장치는 고분자 매트릭스 및 두께가 각기 상이한 투명도 변화형 반응 매체 어레이를 포함하며, 접촉되는 유기용매의 종류 및 농도에 따라 일정 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 투명도 변화형 반응 매체 제조방법을 제공한다.
상기 투명도 변화형 반응 매체 제조방법은 (i) 고분자 매트릭스, 중공형 무기입자 및 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 혼합용액을 기판상에 일정한 두께로 코팅하는 단계; 및 (iii) 상기 혼합용액이 코팅된 기판을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (iii) 단계는 고분자 매트릭스와 중공형 무기입자의 수축력 차이로 인하여 고분자 매트릭스 내부에 계간기공이 형성되는 단계일 수 있다.
상기 고분자 매트릭스, 중공형 무기입자 및 용매의 혼합비는 무게비로 0.3:0.1:1 ~0.4:0.4:1일 수 있다.
본 발명에 의한 투명도 변화형 반응 매체는 용매의 종류 및 농도의 변화에 따라 투명도가 변화함에 따라 시각적인 효과를 이용하여 즉각적으로 판별이 가능할뿐만 아니라 다양한 고분자 재료를 이용하여 원하는 두께로 제작 가능하며, 투명도의 변화가 크므로 다양한 유기용매의 거동 변화 및 누출 감지 등에 효과적으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 투명도 변화형 반응 매체의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 투명도 변화형 반응 매체의 단면의 SEM사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 투명도 변화형 반응 매체의 제조시 고분자 매트릭스와 중공형 무기입자 사이에 계간기공이 형성되는 원리를 간략히 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 다양한 고분자로 제작된 투명도 변화형 반응 매체의 단면의 SEM사진과 제작된 투명도 변화형 반응 매체의 사진 및 상이한 두께로 제작된 투명도 변화형 반응 매체의 단면의 SEM사진을 각각 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 투명도 변화형 반응 매체가 유기용매와 접촉하였을 때 투명화되는 원리를 간략히 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 투명도 변화형 반응 매체의 두께에 따른 투명도 변화 원리를 간략히 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 각 고분자 매트릭스가 다양한 유기용매와 접촉한 경우 투명도의 변화를 각기 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 투명도 변화형 반응 매체를 이용하여 제작된 어레이가 유기용매와 접촉된 경우 유기용매에 따른 패턴의 변화를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 고분자 매트릭스의 구조에 의한 투명도 변화를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 무기입자의 종류에 따른 계간기공의 형성을 나타낸 SEM사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 용매의 종류에 따른 계간기공의 변화를 나타낸 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 글로브 박스에서의 계간기공의 형성을 나타낸 SEM사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 고분자 분자량에 따른 계간기공의 형성을 나타낸 SEM사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 클로로포름에 농도와 투명도 변화형 반응 매체의 두께에 따른 투명도 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 (a) 내부에 계간기공을 포함하는 고분자 매트릭스; 및 (b) 상기 계간기공 내부에 위치하는 중공형 무기입자를 포함하는 투명도 변화형 반응 매체에 관한 것이다.
상기 고분자 매트릭스는 상기 투명도 변화형 반응 매체의 계간기공을 형성하는 물질로서, 분자량이 1000kg/mol 이상의 고분자가 사용될 수 있다. 상기 고분자 매트릭스는 중합시 후술할 중공형 무기입자와의 수축도 차이에 의하여 계간기공을 형성할 수 있다(도 3 참조). 구체적으로는 용매와 혼합된 상기 고분자 매트릭스는 중공형 무기입자와 균일하게 혼합된 다음, 중합된다. 이때 상기 고분자는 중합에 의하여 일정부분 수축하게 되며, 이는 고분자의 분자량이 클수록 많은 수축을 하게 된다. 하지만 상기 고분자와 혼합된 중공형 무기입자는 거의 수축하지 않게 되므로, 상기 중공형 무기입자의 외면을 따라 기공이 형성되며, 이를 계간기공이라 한다. 이러한 계간 기공은 중공형 무기입자의 계면을 따라 형성되므로 내부에 중공형 무기입자를 포함하고 있으며(도 1, 2), 상기 중공형 무기입자와 함께 빛을 산란할 수 있으므로 상기 투명도 변화형 반응 매체가 불투명하게 보일 수 있다. 하지만 유기용매와 접촉하는 경우 상기 계간기공 및 중공형 무기입자의 내부를 용매가 채우게 되면서 상기 투명도 변화형 반응 매체는 투명하게 변화되며(도 5), 이는 사용되는 고분자와 유기용매의 조합에 따라 다양한 투명도 변화가 나타날 수 있다.
상기 고분자 매트릭스는 상기와 같이 계간기공을 형성할 수 있는 분자량이 1000kg/mol 이상의 고분자는 제한없이 사용가능하지만, 검출될 유기용매의 종류 및 농도에 따라 상이한 확산속도를 가지고, 유기용매와 접촉시 투명해질 수 있는 고분자를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethly Methacrylate, PMMA), 폴리비닐카바졸(Polyvinyl carbazol. PVK), 폴리스티렌(Polystyrene, PS) 또는 폴리(N,N-디메틸아크릴아마이드)(poly(N,N-dimethyl acrylamide, PDMAM)의 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함할 수 있다(도 4). 특히 2종 이상의 고분자를 혼합하여 사용하는 경우, 고분자의 혼합비에 따라 유기용매의 농도에 따란 투명도 변화가 상이하게 되므로, 이를 적절히 조합하는 경우 유기용매의 종류 뿐만 아니라 농도까지 정량화 하는 것이 가능하다.
상기 중공형 무기입자는 중앙부에 기공을 포함하며, 300nm이상의 크기를 가질 수 있다. 상기 중공형 무기입자는 상기 고분자매트릭스와 혼합된 다음 중합되며, 중합시 중공형 무기입자의 표면(계면)에서 수축력 차이에 의한 계면기공이 형성되도록 하는 물질로 사용된다. 이에따라 상기 중공형 무기입자는 일정크기 이상의 계면 기공이 형성되도록 300nm이상의 크기를 가지는 무기입자인 것이 바람직하며, 유기용매와의 접촉시 내부에 유기용매가 침투하여 투명해 질 수 있도록 중공형 무기입자를 사용하는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 중공형 실리콘을 사용할 수 있다. 다공성 무기입자의 경우 유기용매와의 접촉시 투명도가 높아질 수 있지만 그 확산 속도가 매우 느림에 따라 투명도의 변화가 바로 나타나지 않으므로 중공형 무기입자를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 중공형 실리콘의 경우 많은 유기용매와의 접촉시 투명해질 수 있으며, 산업적으로 생산 가능함에 따라 가격이 저렴하므로 이를 중공형 무기입자로 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기 고분자 매트릭스 : 중공형 무기입자의 질량비는 1:1 ~ 4:1일 수 있다. 상기 계간기공의 경우 사용되는 고분자의 종류 및 분자량에 따라 상이한 크기를 가질 수 있다. 이때 상기 계간 기공의 크기가 작은 경우 유기용매와 접촉하지 않는 경우에도 투명해지거나 반투명해질 수 있으며, 계간기공의 크기가 큰 경우에는 기공의 일부가 외부에 노출되어 유기용매의 접촉에 의하여 빠른 속도로 투명화 되므로 유기용매의 종류 및 농도를 파악할 수 없다. 이에따라 상기 고분자 매트릭스와 중공형 무기입자의 경우 그 질량비를 정확하게 혼합하여야 하며, 상기 질량비의 변화에 의하여 상기 계간기공의 크기가 정해질 수 있다. 이때 상기 고분자 매트릭스 : 중공형 무기입자의 질량비가 1:1을 초과하여 중공형 무기입자가 많이 포함되는 경우 계간기공의 크기가 커져서 유기용매의 확산이 빨라짐에 따라 접촉되는 유기용매의 종류 및 농도를 파악하기 어려우며, 고분자 매트릭스 : 중공형 무기입자의 질량비가 4:1 미만으로 중공형 무기입자가 적게 포함되는 경우 계간기공의 크기와 밀도가 작아져 변색이 어려울 수 있다.
상기 투명도 변화형 반응 매체는 유기용매와 접촉시 투명해지는 것일 수 있다. 상기에서 살펴본 바와 같이 상기 투명도 변화형 반응 매체는 유기용매와 접촉하는 경우 유기용매의 확산에 의하여 투명해지는 것이 바람직하다. 이때 상기 유기용매는 상기 계간기공 및 상기 중공형 무기입자의 중공부를 채우게 되며 이에따라 상기 투명도 변화형 반응 매체가 투명화될 수 있다. 또한 이러한 투명화 과정은 상기 유기용매의 확산속도에 따라 투명화 속도가 결정되므로, 유기용매와 고분자 매트릭스의 조합에 따라 상이한 투명도 변화를 나타낼 수 있다.
상기 유기용매는 상기 고분자 매트릭스 내로 분산될 수 있는 유기용매라면 제한 없이 검출 가능하지만, 산업현장에서 많이 사용되며 실생활에서 인체와 접촉 가능성이 높은 벤젠고리 화합물, 알코올 화합물, 아밀 아세테이트, 테트라하이드로푸란, 니트로메탄, 클로로포름, N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 에틸아세테이트, 메틸메타크릴레이트 또는 아세톤일 수 있으며 상기 벤젠고리 화합물은 피리딘, 아니솔, 자일렌 또는 벤젠, 상기 알코올 화합물은 에틸렌글리콜, 메탄올, 에탄올 또는 부탄올일 수 있다(도 7 참조).
본 발명은 또한 상기 투명도 변화형 반응 매체를 포함하는 유기용매 검출 장치에 관한 것이다.
상기 유기용매 검출장치는 고분자 매트릭스 및 두께가 각기 상이한 투명도 변화형 반응 매체 어레이를 포함하며(도 8), 접촉되는 유기용매의 종류 및 농도에 따라 일정 패턴을 형성할 수 있다. 위에서 살펴본 바와 같이 상기 투명도 변화형 반응 매체의 경우 각 고분자 매트릭스의 종류에 따라 유기용매에 일정시간 노출된 다음 투명도의 변화가 상이하며, 또한 두께에 따른 확산속도에 차이에 의해서도 동일한 유기용매라도 상이한 투명도 변화를 가질 수 있다(도 4 및 도 6). 따라서 상기 투명도 변화형 반응 매체를 종류 및 두께에 따라 일정간격으로 배열(도 7 및 도 8)하는 경우 유기용매의 종류 및 농도에 따라 상이한 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 투명도 변화형 반응 매체 제조방법에 관한 것이다.
상기 투명도 변화형 반응 매체 제조방법은 (i) 고분자 매트릭스, 중공형 무기입자 및 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 혼합용액을 기판상에 일정한 두께로 코팅하는 단계; 및 (iii) 상기 혼합용액이 코팅된 기판을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (iii) 단계는 고분자 매트릭스와 중공형 무기입자의 수축력 차이로 인하여 고분자 매트릭스 내부에 계간기공이 형성되는 단계일 수 있다. 상기 고분자는 중합에 의하여 일정부분 수축하게 되며, 이는 고분자의 분자량이 클수록 많은 수축을 하게 된다. 하지만 상기 고분자와 혼합된 중공형 무기입자는 거의 수축하지 않게 되므로, 상기 중공형 무기입자의 외면을 따라 기공이 형성되며 이는 위에서 살펴본 바와 같다.
상기 고분자 매트릭스, 중공형 무기입자 및 용매의 혼합비는 무게비로 0.3:0.1:1 ~0.4:0.4:1일 수 있다. 상기 고분자 매트릭스와 중공형 무기입자의 비율에 의하여 상기 계간기공의 크기 및 밀도가 정해지는 것은 상기 살펴본 바와 같다. 다만 제조시에는 상기 고분자 매트릭스 및 중공형 무기입자 이외에도 이를 용해할 수 있는 용매를 혼합하여 사용하게 된다. 따라서 이러한 용매의 양도 적절한 비율로 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 용매가 상기 비율보다 적게 사용되는 경우 고분자매트릭스와 중공형 무기입자의 혼합이 원활하지 않아 균일한 계간기공을 형성하기 어려우며, 이에 따라 변색이 얼룩이 지거나 균일한 변색이 되기 어렵다. 이와는 반대로 용매의 사용비율이 상기 비율보다 많게 사용되는 경우 중합시 포함되는 과다한 용매로 인하여 중합이 어려울 수 있으며, 이에따라 고분자 매트릭스의 수축력이 약해져 계간기공의 형성이 어려울 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
실시예 1~4
투명도 변화형 반응 매체의 고분자 매트릭스의 종류에 따른 변화를 관찰하기 위하여 실험을 실시하였다.
분자량 1000kg/mol이상의 고분자 4종, 평균입경 300nm이상을 가지는 중공형 실리카(Sukgyung AT 제조) 및 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하였다.
이때 사용되는 고분자 및 용매의 조합은 PMMA-클로로포름(실시예 1), PVK-톨루엔(실시예 2), PS-톨루엔(실시예 3), PDMAM-에탄올(실시예 4)을 사용하였으며, 혼합용액을 5시간 동안 Magnetic stirring bar를 이용하여 혼합하였다. 상기 혼합된 혼합용액을 DOCTOR BLADE를 이용하여 일정한 간격 및 두께로 기판에 코팅한 다음 상온(25℃)에서 2시간 동안 건조하여 유기용매 검출 장치를 제작하였다.
상기와 같이 제작된 유기용매 검출 장치를 각 유기용매에 30초간 침지한 다음, 투명도의 변화를 관찰하였으며, 그 결과는 도 7과 같다. 벤젠고리 화합물의 경우 고분자 매트릭스로 PS를 사용하였을 때 모든 유기용매에서 투명도의 변화가 관찰되었으며, 알코올 화합물의 경우 PDMAM을 사용한 경우에 투명도 변화가 일정하게 관찰되었다. 즉 벤젠 화합물을 검출하기 위한 유기용매 검출 장치의 경우 PS를 사용하는 것이 바람직하며, 알코올계 유기용매를 검출하기 위한 화합물의 경우 PDMAM을 사용하는 것이 효과적인 것으로 나타났다.
실시예 5~9
고분자 매트릭스 형상, 무기입자의 종류 및 무기입자의 중공 여부에 따른 투명도 변화를 확인하기 위한 실험을 실시하였다. 이때 사용된 투명도 변화형 반응 매체는 하기의 표 1과 같으며, 실시예 1과 동일한 방법으로 유기용매 검출 장치를 제작하였다.
실시예5 고분자 필름 만을 사용
실시예6 무기입자로 산화아연(ZnO) 사용
실시예7 무기입자로 산화규소(SiO2-중공없음) 사용 - 계간기공 있음
실시예8 무기입자로 산화규소(SiO2-중공없음) 사용 - 계간기공 없음
실시예9 무기입자로 산화규소(SiO2-중공있음) 사용 - 계간기공 없음
실시예10 무기입자로 산화규소(SiO2-중공있음) 사용 - 계간기공 있음
상기와 같이 제작된 실시예 5~10을 상기 실시예 1~4에서 투명도변화가 가장적은 헵탄과 투명도 변화가 가장 많은 클로로포름에 침지하여 투명도의 변화를 관찰하였다(도 9 및 도 10 참조). 그 결과 실시예 10이 가장 높은 색상변화를 나타내는 것으로 나타났으며 계간기공을 가지는 실시예 7의 경우도 상당한 변화를 보이는 것으로 나타났지만 완전히 투명화되지는 않는 것으로 나타났다.
실시예 11~13
고분자의 분자량에 따른 계간 기공 형성 변화를 확인하기 위한 실험을 실시하였다. 이때 사용된 투명도 변화형 반응 매체의 고분자 분자량은 아래의 표 2와 같으며, 실시예 1과 동일한 농도비와 방법으로 유기용매 검출 장치를 제작하였다.
실시예11 1000kg/mol
실시예12 100kg/mol
실시예13 10kg/mol
상기와 같이 제작된 실시예 11~13 의 구조를 확인하였을 때(도 13) 분자량이 일정 수준 (1000 kg/mol) 이상이어야만 계간기공을 가지는 투명도 변화형 반응 매체가 형성되는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 반하여 실시예13의 경우 계간기공이 거의 형성되지 않는 것을 확인할 수 있었으며, 실시예 12의 경우 계간기공이 형성되기는 하였지만 불완전하게 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 14~17
용매 종류와 외부 환경에 따른 계간 기공 형성 변화를 확인하기 위한 실험을 실시하였다. 이때 사용된 투명도 변화형 반응 매체의 고분자 분자량은 아래의 표 3과 같으며, 실시예 1과 동일하게 유기용매 검출 장치를 제작하였다.
실시예14 Chloroform
실시예15 Anisole
실시예16 Acetone
실시예17 Chloroform - 글로브 박스 내부
상기와 같이 제작된 실시예 14~17 의 구조를 확인하였을 때(도 11, 도 12), 기존의 기공 형성 구조체와 달리 용매의 종류와 외부 환경에 무관하게 계간 기공이 형성 되는 것으로 나타났다.
실시예 18~26
투명도 변화형 반응 매체의 두께에 따른 유기 용매의 농도 감지를 확인하기 위한 실험을 실시하였다. 실시예 1과 동일한 농도비와 방법으로 유기용매 검출 장치를 제작하였으며, 다만 투명도 변화형 반응 매체의 두께는 10um~100um 범위로 1㎛ 단위로 각각 제작하여 사용하였다. 감지한 용매의 종류와 농도는 아래의 표 4와 같다.
실시예18 Chloroform in Xylene = 0 (mole/L)
실시예19 Chloroform in Xylene = 1 (mole/L)
실시예20 Chloroform in Xylene = 2 (mole/L)
실시예21 Chloroform in Xylene = 3 (mole/L)
실시예22 Chloroform in Xylene = 4 (mole/L)
실시예23 Chloroform in Xylene = 5 (mole/L)
실시예24 Chloroform in Xylene = 6 (mole/L)
실시예25 Chloroform in Xylene = 7 (mole/L)
실시예26 Chloroform in Xylene = 8 (mole/L)
상기와 같은 용매 혼합체에서 실시한 실시예 18-26의 두께에 따른 투명도 변화형 반응 매체의 투명도를 확인하였을 때(도 14), 감지하고자 하는 용매의 농도가 높아짐에 따라 투명해지는 매체의 두께 또한 두꺼워 지는 경향성을 나타내었다. 즉 상이한 두께의 투명도 변화형 반응 매체를 배열하여 사용하는 경우 각 용매의 농도에 따라 투명도가 각기 상이하게 변화될 수 있으며, 이에 따라 유기용매의 농도를 시각적으로 구분할 수 있는 투명도 변화형 반응 매체의 제작이 가능한 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. (a) 내부에 계간기공을 포함하는 고분자 매트릭스; 및
    (b) 상기 계간기공 내부에 위치하는 중공형 무기입자;
    를 포함하는 투명도 변화형 반응 매체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 분자량이 1000kg/mol 이상인 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethly Methacrylate, PMMA), 폴리비닐카바졸(Polyvinyl carbazol. PVK), 폴리스티렌(Polystyrene, PS) 또는 폴리(N,N-디메틸아크릴아마이드)(poly(N,N-dimethyl acrylamide, PDMAM)의 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중공형 무기입자는 중앙부에 기공을 포함하며, 300nm이상의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중공형 무기입자는 중공형 실리카인 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스 : 중공형 무기입자의 질량비는 1:1 ~ 4:1인 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투명도 변화형 반응 매체는 유기용매와 접촉시 투명해지는 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유기용매는 벤젠고리 화합물, 알코올 화합물, 아밀 아세테이트, 테트라하이드로푸란, 니트로메탄, 클로로포름, N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 에틸아세테이트, 메틸메타크릴레이트 또는 아세톤인 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 벤젠고리 화합물은 피리딘, 아니솔, 자일렌 또는 벤젠인 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 알코올 화합물은 에틸렌글리콜, 메탄올, 에탄올 또는 부탄올 인 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 투명도 변화형 반응 매체를 포함하는 유기용매 검출 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유기용매 검출장치는 고분자 매트릭스 및 두께가 각기 상이한 투명도 변화형 반응 매체 어레이를 포함하며, 접촉되는 유기용매의 종류 및 농도에 따라 일정 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기용매 검출 장치.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 투명도 변화형 반응 매체 제조방법
  14. 제13항에 있어서,
    상기 투명도 변화형 반응 매체 제조방법은
    (i) 고분자 매트릭스, 중공형 무기입자 및 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계;
    (ii) 상기 혼합용액을 기판상에 일정한 두께로 코팅하는 단계; 및
    (iii) 상기 혼합용액이 코팅된 기판을 건조하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (iii) 단계는 고분자 매트릭스와 중공형 무기입자의 수축력 차이로 인하여 고분자 매트릭스 내부에 계간기공이 형성되는 단계인 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스, 중공형 무기입자 및 용매의 혼합비는 무게비로 0.3:0.1:1 ~0.4:0.4:1인 것을 특징으로 하는 투명도 변화형 반응 매체 제조방법.
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