WO2019194488A1 - 나노복합체를 포함하는 오일 누출 감지용 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

나노복합체를 포함하는 오일 누출 감지용 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2019194488A1
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oil
mwnt
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oil leak
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김양수
김태용
김영길
정재흠
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주식회사 대흥알앤티
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Definitions

  • the present invention relates to an oil leak detection sensor including a nanocomposite and a method for manufacturing the same, and more specifically to an oil leak detection including a multi-walled nano tube (MWNT) -grafting-polyisoprene nanocomposite and an IDE sensor element as a sensing material.
  • the present invention relates to a sensor for manufacturing the same and a method for manufacturing the same.
  • the existing oil sensor or related research report uses UV scattering, light scattering, turbidity measurement, ultrasonic wave and infrared reflection as an oil leak detection method, which requires a bulky sensor device and high cost.
  • the detection measurement is performed at a relatively high temperature, it has a disadvantage of having a relatively low detection capability at room temperature.
  • the polymer material is applied as a sensing material, the sensor can be manufactured in various forms by combining the thin film form and the flexibility, so that a low cost oil leak sensor can be manufactured by realizing the miniaturization of the sensor and the ease of manufacturing.
  • PI MWNT-grafting-polyisoprene
  • the nanocomposites might be in contact with oil. Oil molecules are easily absorbed, penetrated, and diffused between MWNTs and covalently bonded PI molecular chains, and swelling occurs as the twisted PI molecular chains are unfolded by the oil molecules. The swelling phenomenon of the MWNT-grafting-PI nanocomposite also increases the distance between the PI and the MWNT covalently bonded, thereby changing the electrical properties of the MWNT-grafting-PI nanocomposite (see FIG. 1).
  • IDE Interdigitated Electrodes
  • IDE is a sensor device that is applied with materials that detect specific components in various sensors such as gas sensors, humidity sensors, and biosensors.
  • the IDE pattern is applied, it is easy to manufacture and economical because a small amount of sensing material is used because of the small size of the IDE sensor element, and the electrode pattern applied to the IDE shows a fast response speed and high sensitivity due to the large surface area in contact with the sensing material.
  • the measurement has relatively low noise and enough electric signals for detection, so that accurate measurement is possible.
  • an oil leak detection sensor including a MWNT (Multi Walled Nano Tube) -grafting-polyisoprene nanocomposite and an IDE sensor element
  • MWNT Multi Walled Nano Tube
  • IDE IDE sensor element
  • the present invention can detect a leak of oil in a short time by reacting sensitively to the oil, and can provide a sensor for detecting oil leak including a nanocomposite that can selectively detect a specific oil as well as reusable.
  • Another object of the present invention is to provide a manufacturing method for manufacturing an oil leak detection sensor comprising the nanocomposite.
  • step (D) coating the coating liquid of (C) on the IDE sensor device prepared in step (A); It provides a method of manufacturing an oil leak detection sensor comprising a.
  • the conductive material such as CNT, polyaniline and graphite was added to the elastomer to be used as a sensing material for detecting oil leakage.
  • This is a composite prepared by simply mixing the conductive materials, and the sensing material reacts with the oil to react with the oil. Since the time taken for the resistance value to reach the maximum value is consumed for a relatively long time of at least about 10 to 20 minutes, it is difficult to be suitable as a sensing material for detecting an oil leak.
  • the present inventors can minimize the time it takes for the relative resistance value to reach the maximum value through the reaction with the oil in the case of the sensor using a nanocomposite covalently bonded polyisoprene on the MWNT surface as a sensing material, It confirmed that it was excellent in sensitivity, selectivity, and reversibility, and completed this invention.
  • the IDE sensor element of the step (A) In the manufacturing method of the oil leak detection sensor of the present invention, the IDE sensor element of the step (A),
  • (A-3) characterized in that it comprises the step of manufacturing a IDE sensor element by vacuum heat-treating the substrate on which the IDE pattern is formed.
  • the deposition process in the manufacturing step of the IDE sensor device of the present invention the evaporation process and evaporation of the material by evaporation, such as Electron Beam Evaporation (Thermal Evaporation) method (Thermal Evaporation) and DC (Direct Current), RF (Physical vapor deposition (PVD) process, such as a sputtering process of depositing a material by using a glow discharge generated through (Radio Frequency) or Magnetron).
  • Electron Beam Evaporation Thermal Evaporation
  • DC Direct Current
  • RF Physical vapor deposition
  • IDE sensor device (L 37mm ⁇ W 25mm ⁇ H 1.0mm) according to the present invention was manufactured by a deposition process using an evaporator and a metallic shadow mask using indium (Indium, In) as a deposition material, MWNT-grafting-Polyisoprene The nanocomposite was coated on an IDE sensor device to produce an oil sensor (see FIGS. 2 and 3).
  • MWNT-grafting-PI nanocomposite swelling caused by oil molecules causes changes in the electrical properties of the nanocomposite, namely the increase in resistance, and the presence of oil molecules is measured by measuring these changes using an Electrometer (6517B Electrometer / High Resistancemeter, Keithley). I can detect it.
  • Relative resistance is calculated by using the following formula [1] to calculate the relative resistance increase with respect to the basic resistance value (R0) of the sensor element before the oil contact and the increased resistance value (Rt) appearing on the sensor element after the oil contact. By comparing the numerical values, the sensitivity, selectivity, and reversibility of the sensor element were confirmed.
  • the bromine compound is BiB ( ⁇ -bromoisobutyryl bromide) At least one bromine compound selected from Hydroxyethyl-2-bromoisobutyrate, Ethylene bis (2-bromoisobutyrate), and Ethyl 3-bromo-2- (bromomethyl) propionate.
  • the nanocomposite in the step (C) is characterized in that it comprises 3 to 5 wt% compared to the tetrahydrofuran content, the content of the nanocomposite is 5 wt% or more In this case, it is difficult to dissolve in the solvent, which may cause a problem of difficulty in uniform coating when coating on the IDE sensor device, and the non-uniform nanocomposite coating may degrade the performance of the oil sensor.
  • the coating in the step (D) is characterized in that for applying a coating liquid 300 to 500 ⁇ m. If the coating solution is less than 300 ⁇ l, the coating solution may not be completely coated over the entire IDE pattern, thereby forming a non-uniform coating film. If only a portion of the coating film is formed, not the entire IDE pattern, the oil sensor's detection area is reduced, and the coating film is non-uniform. In addition, when the coating liquid exceeds 500 ⁇ l, the thickness of the coating film coated on the IDE sensor element increases.
  • the thickness of the coating film increases, thus increasing the time required for the swelling to occur. Consequently, the sensitivity of the oil sensor is reduced. Generates. In addition, it is not economically suitable because the efficiency of detecting oil is not high compared to the amount required as a sensing material.
  • the present invention also provides a sensor for detecting oil leakage manufactured according to the above production method.
  • the oil leak detection sensor of the present invention which exhibits sensitivity, fast reaction speed, excellent selectivity and reversibility in that the need for an oil leak detection sensor for detecting oil leakage is increasing, is very suitable for detecting oil spills. Do.
  • the oil leak detection sensor of the present invention is characterized in that the relative resistance value after the oil contact is 1.5 to 1.7.
  • the oil leak detection sensor of the present invention is characterized in that the time the resistance value reaches a maximum value of 3 to 10 minutes.
  • the oil leak detection sensor according to the present invention can detect the presence of oil in a very short time, how much electrical property change of the oil leak detection sensor to detect whether Sensitivity was measured.
  • the oil leak detection sensor of the present invention immediately detected oil when contacted with oil, and the relative resistance value also increased to 1.7.
  • the sensor for detecting oil leak of the present invention can selectively detect one or more oils of oil consisting of gasoline, engine oil, and rotary pump oil, preferably gasoline ( Gasoline) can be selectively detected.
  • oils of oil consisting of gasoline, engine oil, and rotary pump oil, preferably gasoline ( Gasoline) can be selectively detected.
  • the selectivity of the oil leak detection sensor was checked in order to confirm whether a specific oil produces a relatively large change in electrical properties compared to other oils. As a result, it was confirmed that the oil leak detection sensor of the present invention had superior relative resistance to gasoline and a reaction rate than that of engine oil and rotary pump oil. These results show that the oil leak detection sensor according to the present invention can also detect engine oil and rotary pump oil, but has selectivity for gasoline detection (FIG. 5). Reference).
  • Oil leak detection sensor of the present invention is characterized in that it is possible to reuse 1 to 5 times.
  • the reversibility of the oil leak detection sensor was checked in order to check how many times the oil may be used after the oil leak detection when the oil contacted the sensor.
  • the relative resistance value was restored to the original value even after three repeated measurements, and it was confirmed that oil was detected for all three times.
  • the oil leak detection sensor according to the present invention is sensitive to the oil can detect the leak of the oil in a short time, can selectively detect the specific oil as well as reusable.
  • FIG. 1 is a view showing an oil sensing mechanism of an oil sensor using MWNT-grafting-Polyisoprene as a sensing material according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the flow of the IDE sensor device manufacturing process.
  • FIG. 3 is a view illustrating a metallic shadow mask and an IDE sensor device used in the manufacture of an IDE sensor device.
  • Figure 4 is a result showing the sensitivity to gasoline of the MWNT-g-polyisoprene oil sensor according to the present invention.
  • Example 1 Sensitivity analysis of oil sensor fabricated by applying MWNT-grafting-Polyisoprene nanocomposite and IDE sensor device
  • MWNT-grafting-Polyisoprene (PI) prepared on the basis of a method for preparing carbon nanotube-polymer nanocomposites prepared by atomic transfer radical polymerization process, intermediates thereof, and quantitative analysis of reaction products ) Oil sensor was prepared using the nanocomposite. Specifically, the steps are as follows.
  • MWNT and nitric acid were mixed at a ratio of 0.1 g: 10 mL, and then stirred at 60 ° C. for 24 hours to prepare MWNT-COOH.
  • step (1) The reaction product MWNT-COOH and Thionly chloride of step (1) were mixed at a ratio of 1.3 g: 40 mL and stirred at 65 ° C. for 24 hours to prepare MWNT-COCl.
  • step (3) The reaction product MWNT-COCl and Ethyleneglycol of step (2) were mixed at a ratio of 1.506 g: 60 mL, and then stirred at 120 ° C. for 48 hours to prepare MWNT-OH.
  • step (6) Put the mixture of step (5) into a high pressure reactor and add 45 mL of Isoprene.
  • the prepared MWNT-grafting-Polyisoprene (PI) nanocomposite was dissolved in THF (tetrahydrofuran) to prepare a 4 wt% solution, and 400 ⁇ l of the prepared solution was coated on an IDE sensor device (FIG. 3) to provide an oil sensor.
  • IDE sensor device FIG. 3
  • the graph immediately increased vertically when contacted with oil, and the relative resistance value increased up to about 1.7 within 3 minutes after contacting the oil and then slowly decreased to near zero over time. I can see that.
  • Example 2 Selectivity Measurement of Oil Sensor Fabricated by Application of MWNT-grafting-Polyisoprene Nanocomposite and IDE Sensor Device
  • the reaction rate considering the time to reach the maximum value of the relative resistance the gasoline was significantly faster than the other two types of oil and the engine oil after the rotary vacuum pump oil.
  • the maximum value of gas resistance and reaction rate for gasoline were shown to be superior to those of engine oil or rotary vacuum pump oil.
  • the oil sensor of the patented technology using the MWNT-grafting-Polyisoprene nanocomposite as the sensing material was found to have the highest selectivity of gasoline compared to the engine oil or the rotary vacuum pump oil.
  • Example 3 Reversibility Measurement of Oil Sensor Fabricated by Application of MWNT-grafting-Polyisoprene Nanocomposite and IDE Sensor Device
  • the MWNT-grafting-Polyisoprene oil sensor used in the oil contact experiment in Example 1 was dried at room temperature for 24 hours, and then the resistance change was measured by contacting gasoline in the same manner as in Example 1, and drying after such oil contact (24 hours).
  • the reversibility of the MWNT-grafting-Polyisoprene oil sensor was analyzed by repeating the process three times, and the results are shown in FIG. 6.
  • the recovery In the first measurement, after the relative resistance value reaches the maximum value, the recovery is close to zero. However, in the second and third measurements, the recovery is close to the relative resistance 1. Therefore, the recovery is slower as the measurement is repeated.
  • MWNT-g-polyisoprene oil sensor for gasoline was confirmed to have a reversible through three repeated measurements.

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Abstract

본 발명은 나노복합체를 포함하는 오일 누출 감지용 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 감지재료로서 MWNT(Multi Walled Nano Tube)-grafting-polyisoprene 나노복합체 및 IDE 센서 소자를 포함하는 오일 누출 감지용 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 오일 누출 감지용 센서는 오일에 대해 민감하게 반응하여 단시간 안에 오일의 누출을 감지할 수 있으며, 특정 오일을 선택적으로 감지할 수 있을 뿐만 아니라 재사용이 가능하다.

Description

나노복합체를 포함하는 오일 누출 감지용 센서 및 이의 제조 방법
본 발명은 나노복합체를 포함하는 오일 누출 감지용 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 감지재료로서 MWNT(Multi Walled Nano Tube)-grafting-polyisoprene 나노복합체 및 IDE 센서 소자를 포함하는 오일 누출 감지용 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
기존에 상용화된 오일센서 또는 관련 연구보고에서는 오일 누출 감지 방식으로 UV산란, 광산란, 탁도측정, 초음파 및 적외선 반사 등을 응용하므로 부피가 큰 센서 장치와 고비용을 필요로 하며 감지재료로써 금속 산화물을 주로 사용함에 따라 비교적 고온에서 감지 측정을 수행하기 때문에 상온에서 비교적 낮은 감지능력을 가지는 단점을 갖고 있다. 그러나 감지재료로써 고분자재료를 응용할 경우 박막 형태와 유연성을 결합하여 다양한 형태로 센서를 제작할 수 있으므로 센서의 소형화와 제작의 용이성 등을 실현함으로써 저비용 오일 누출 센서를 제작할 수 있다.
구리와 비교될 정도로 높은 전기전도성을 나타내는 MWNT에 엘라스토머 재료인 polyisoprene(PI)를 공유 결합시킨 MWNT-grafting-polyisoprene(PI) 나노복합체를 오일 누출 감지 재료로 사용하는 경우, 나노복합체가 오일과 접촉하였을 때 오일 분자들은 MWNT와 공유 결합된 PI 분자 사슬 사이로 쉽게 흡수, 침투 및 확산되며, 꼬여 있던 PI 분자 사슬이 오일 분자들에 의하여 펼쳐지게 되면서 팽윤현상이 일어난다. MWNT-grafting-PI 나노복합체의 팽윤현상에 의하여 PI와 공유결합 되어 있는 MWNT 간의 거리도 멀어지게 되며 이로 인하여 MWNT-grafting-PI 나노복합체의 전기적 성질이 달라진다(본원 발명 도 1 참조).
IDE(Interdigitated Electrodes)는 가스센서, 습도센서, 바이오센서 등 다양한 센서에 특정 성분을 감지하는 재료와 함께 응용되고 있는 센서소자이다. IDE 패턴을 응용하는 경우, IDE 센서소자의 크기가 작아 소량의 감지재료를 사용하므로 제작이 용이하고 경제적이며, IDE에 적용된 전극 패턴은 감지 재료와 맞닿는 표면적이 넓기 때문에 빠른 반응속도와 높은 민감도를 나타낼 수 있으며, 또한 측정 시 상대적으로 적은 노이즈와 감지에 필요한 충분한 전기 신호가 발생되므로 정밀한 측정이 가능하다는 장점을 갖고 있다.
IDE 패턴을 제작하는 방법으로 다양한 공정들이 존재하며 대표적으로 노광공정(Lithography) 및 metallic shadow mask를 이용한 증착공정이 있다. 노광공정은 나노 크기까지 정밀한 제작이 가능하다는 장점이 있지만 공정이 복잡하고 생산성이 떨어지는데 반해 증발기(evaporator) 및 metallic shadow mask를 이용한 증착공정은 노광공정과 비교하여 상대적으로 정밀함에서 떨어지지만 공정이 단순하며 그만큼 생산성이 높다는 장점이 있다.
오일 누출을 사전에 감지하기 위한 감지재료로써 MWNT-grafting-PI 나노복합체를 사용하고 센서소자 방식으로 IDE를 응용한 고성능 센서를 제작하는 것이 본 특허기술의 주요 핵심 내용이다.
엘라스토머와 MWNT를 응용한 오일센서에 대한 연구문헌들은 ①Smart Materials and Structures, Vol. 23, pp. 125020~125029 (2014), ②Materials Chemistry and Physics, Vol. 147, pp. 1029~1036 (2014). ③Rubber Chemistry and Technology, Vol 89. pp. 306~315 (2016) 등 3건이 보고 되었다. 그러나 이들 연구보고들의 경우 고분자재료인 엘라스토머에 CNT, polyaniline 및 graphite 등과 같은 전도성 재료를 첨가하였으며 엘라스토머의 팽윤현상을 이용하여 오일 누출을 감지 하였으나 전도성 재료와 엘라스토머를 단순 혼합하여 제조된 복합체를 감지재료로써 사용하였다. 3건의 연구보고에서는 오일과의 반응을 통해 상대 저항 수치가 최대값에 도달하는데 걸리는 시간이 최소 약 10분에서 최대 20분 정도로 비교적 오랜 시간이 소모되었으며, 또한 오일 접촉 후 나타난 상대저항 수치는 최소 0.5에서 최대 1.3 정도의 값을 보여주었으나 오일센서의 가역성 즉, 오일 누출을 최초 감지한 후 재사용이 가능한가를 확인할 수 있는 가역성에 대한 성능 시험결과는 제시하지 못하고 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점들을 극복하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 감지재료로서 MWNT(Multi Walled Nano Tube)-grafting-polyisoprene 나노복합체 및 IDE 센서 소자를 포함하는 오일 누출 감지용 센서의 경우, 오일에 대해 민감하게 반응하여 단시간 안에 오일의 누출을 감지할 수 있으며, 특정 오일을 선택적으로 감지할 수 있을 뿐만 아니라 재사용이 가능함을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은 오일에 대해 민감하게 반응하여 단시간 안에 오일의 누출을 감지할 수 있으며, 특정 오일을 선택적으로 감지할 수 있을 뿐만 아니라 재사용이 가능한 나노복합체를 포함하는 오일 누출 감지용 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 나노복합체를 포함하는 오일 누출 감지용 센서를 제조하기 위한 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은,
(A) 기판에 IDE(Interdigitated Electrodes) 패턴을 형성한 IDE 센서 소자를 제조하는 단계;
(B) 감지 재료로서 MWNT(Multi Walled Nano Tube)-grafting-polyisoprene 나노복합체를 제조하는 단계;
(C) 상기 (B)에서 제조한 나노복합체를 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran)에 용해시켜 코팅액을 제조하는 단계; 및
(D) 상기 (A)단계에서 제조한 IDE 센서 소자에 (C)의 코팅액을 코팅하는 단계; 를 포함하는 오일 누출 감지용 센서의 제조 방법을 제공한다.
종래 엘라스토머에 CNT, polyaniline 및 graphite 등과 같은 전도성 재료를 첨가하여 오일 누출을 감지하기 위한 감지 재료로서 사용하였으나, 이는 전도성 재료를 단순히 혼합하여 제조된 복합체로서, 상기 감지 재료는 오일과의 반응을 통해 상대 저항 수치가 최대값에 도달하는데 걸리는 시간이 최소 약 10분에서 최대 20분 정도로 비교적 오랜 시간이 소모되기 때문에 오일 누출을 감지하기 위한 감지 재료로서 적합하다고 하기 어렵다.
이에, 본 발명자들은 MWNT 표면에 polyisoprene을 공유결합 시킨 나노복합체를 감지재료로서 이용한 센서의 경우, 오일과의 반응을 통해 상대 저항 수치가 최대값에 도달하는데 걸리는 시간을 최소화할 수 있으며, 오일에 대한 민감도, 선택성 및 가역성이 우수한 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 오일 누출 감지용 센서의 제조 방법에 있어서, 상기 (A) 단계의 IDE 센서 소자는,
(A-1) 금속 섀도우 마스크(metallic shadow mask)를 기판 위에 올려 챔버(chamber) 내에서 10-6 내지 10-7(Torr)로 압력을 가하는 단계;
(A-2) 증착 재료로서 인듐을 이용하여 패턴을 증착시킨 다음, 냉각시킨 후 금속 섀도우 마스크를 제거하여 기판에 IDE 패턴을 형성시키는 단계; 및
(A-3) IDE 패턴이 형성된 기판을 진공 열처리하여 IDE 센서 소자를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 IDE 센서 소자를 제조하는 단계에서의 증착공정은, 전자빔증착법(Electron Beam Evaporation) 또는 열증발증착법(Thermal Evaporation)과 같이 재료를 증발시켜 증착하는 Evaporation공정 및 DC(Direct Current), RF(Radio Frequency) 또는 Magnetron을 통해 생성되는 글로방전(Glow discharge)이용하여 재료를 증착하는 스퍼터링(sputtering)공정과 같은 PVD(Physical vapor deposition)공정을 이용하여 진행 할 수 있다.
본 발명에 따른 IDE 센서소자(L 37mm × W 25mm × H 1.0mm)는 인듐(indium, In)을 증착 재료로 사용하여 evaporator와 metallic shadow mask를 이용한 증착공정을 통해 제작하였으며, MWNT-grafting-Polyisoprene 나노복합체를 IDE센서 소자에 코팅하여 오일센서를 제작하였다(도 2 및 도 3 참조).
누출된 오일 분자가 MWNT-grafting-PI 나노복합체와 접촉하면 오일 분자는 나노복합체 내부로 침투하며 그로 인하여 나노복합체 팽윤현상이 일어난다. 오일 분자에 의한 MWNT-grafting-PI 나노복합체 팽윤현상에 따른 나노복합체의 전기적 성질 변화 즉, 저항 증가가 일어나며 이러한 변화를 Electrometer(6517B Electrometer/High Resistancemeter, Keithley)를 사용하여 측정함으로써 오일분자 존재 유무를 감지할 수 있다.
오일 접촉 이전에 센서 소자가 갖고 있는 기본 저항 수치(R0)와 오일 접촉 이후에 센서 소자에 나타나는 증가된 저항 수치(Rt)에 대한 상대적인 저항 증가량을 하기 [식 1]을 사용하여 상대저항(Relative Resistance) 수치값을 비교함으로써 센서소자의 민감도, 선택성, 가역성 등을 확인하였다.
[식 1]
Figure PCTKR2019003782-appb-img-000001
본 발명의 오일 누출 감지용 센서의 제조 방법에 있어서, 상기 (B) 단계의 MWNT(Multi Walled Nano Tube)-grafting-polyisoprene 나노복합체의 제조는,
(B-1) MWNT를 강산 하에서 산화시켜 카르복실기(-COOH)로 기능화된 MWNT를 수득하는 단계;
(B-2) 상기 카르복실기로 기능화된 MWNT를 티오닐클로라이드 화합물과 반응시켜 아실클로라이드기(-COCl)를 도입하는 단계;
(B-3) 상기 아실클로라이드기가 도입된 MWNT를 에틸렌글리콜과 반응시켜 하이드록실기(-OH)를 도입하는 단계;
(B-4) 상기 하이드록실기가 도입된 MWNT에 브롬화합물을 혼합하여 Br기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 및
(B-5) 상기 Br기가 도입된 탄소나노튜브에 polyisoprene을 첨가 및 반응시켜 MWNT-grafting-polyisoprene을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 오일 누출 감지용 센서의 제조 방법에 있어서, 상기 (B-1) MWNT(Multi Walled Nano Tube)-grafting-polyisoprene 나노복합체를 제조하는 단계에서, 상기 브롬 화합물은 BiB(α-bromoisobutyryl bromide), Hydroxyethyl-2-bromoisobutyrate, Ethylene bis(2-bromoisobutyrate) 및 Ethyl 3-bromo-2-(bromomethyl)propionate에서 선택된 하나 이상의 브롬화합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 오일 누출 감지용 센서의 제조 방법에 있어서, 상기 (C) 단계에서 나노복합체는 테트라히드로푸란 함량 대비 3 내지 5 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하며, 나노복합체의 함량이 5 wt% 이상일 경우 용매에 잘 용해되지 않아 IDE센서소자에 코팅 시 균일한 코팅에 어려움이 생기는 문제가 발생할 수 있으며, 균일하지 못한 나노복합체 코팅은 결론적으로 오일 센서의 성능을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 오일 누출 감지용 센서의 제조 방법에 있어서, 상기 (D) 단계에서의 코팅은 코팅액을 300 내지 500㎕ 인가하는 것을 특징으로 한다. 상기 코팅액이 300㎕ 미만일 경우, IDE 패턴 전체에 걸쳐 완벽하게 코팅 시키지 못하며 불균일한 코팅막을 형성시킨다. IDE 패턴 전체가 아닌 일부분만 코팅막이 형성될 경우, 그만큼 오일 센서의 감지 면적이 줄어들 뿐만 아니라 코팅막이 불균일하므로 오일센서 성능이 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 코팅액이 500㎕ 초과할 경우에는 그만큼 IDE센서소자에 코팅되는 코팅막의 두께가 증가하게 된다. 이와 같이 코팅막의 두께가 증가하면 오일접촉 시 오일이 나노복합체 코팅막 안으로 침투 및 흡수 되는 시간이 증가하기 때문에 팽윤현상이 발생하기까지 소요되는 시간이 증가하게 되며, 결론적으로 오일센서의 민감도를 저하시키는 문제를 발생시킨다. 그 뿐만 아니라 감지 재료로서 필요로 하는 양 대비 오일을 검출하는 효율이 높지 않으므로 경제적인 측면에서 적합하지 못하다.
본 발명은 또한, 상기 제조 방법에 따라 제조된 오일 누출 감지용 센서를 제공한다.
전세계적으로 유류저장탱크의 설치가 지속적으로 증가함에 따라 최근 유류 유출에 의한 해양, 지하수 및 토양 등의 오염이 증가하고 있다. 따라서, 누유를 빠르게 감지하기 위한 오일 누출 감지용 센서의 필요성이 증가하고 있다는 점에서 민감도, 빠른 반응속도, 우수한 선택성 및 가역성을 나타내는 본원 발명의 오일 누출 감지용 센서는 유류 유출을 감지하기 위하여 매우 적합하다.
본 발명의 오일 누출 감지용 센서는 오일 접촉 후 나타나는 상대 저항 수치가 1.5 내지 1.7인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 오일 누출 감지용 센서는 저항 수치가 최대값에 도달하는 시간이 3 내지 10분인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 오일 누출 감지 센서가 얼마나 빠른 시간 내에 오일 존재 유무를 감지할 수 있는지, 얼마나 큰 폭의 전기적 성질 변화가 감지 되는지를 확인하기 위하여 오일 누출 감지 센서의 민감도(sensitivity)를 측정하였다. 그 결과, 본 발명의 오일 누출 감지 센서는 오일과 접촉하였을 때 즉각적으로 오일을 감지하였으며, 상대 저항 수치도 1.7까지 증가하였다. 이러한 결과는, 본 발명에 따른 오일 누출 감지 센서는 오일에 대해 민감하게 반응하여 단시간 안에 오일의 누출을 감지하는데 적합하다는 것을 보여준다(도 4 참조).
본 발명의 오일 누출 감지용 센서는 휘발유(Gasoline), 기관유(Engine oil) 및 로터리 진공 펌프유(Rotary pump oil)로 구성된 오일 중 하나 이상의 오일을 선택적으로 검출할 수 있으며, 바람직하게는 휘발유(Gasoline)를 선택적으로 검출할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 특정 오일이 다른 오일들에 비하여 상대적으로 큰 전기적 성질 변화를 발생시키는지 확인하기 위하여 오일 누출 감지 센서의 선택성(selectivity)을 확인하였다. 그 결과, 본 발명의 오일 누출 감지 센서는 기관유(Engine oil) 및 로터리 진공 펌프유(Rotary pump oil)보다 휘발유(Gasoline)에 대한 상대 저항 최대 수치 및 반응속도가 우수한 것을 확인하였다. 이러한 결과는, 본 발명에 따른 오일 누출 감지 센서는 기관유(Engine oil) 및 로터리 진공 펌프유(Rotary pump oil)도 검출할 수 있지만, 휘발유(Gasoline) 검출을 위한 선택성을 갖는 것을 보여준다(도 5 참조).
본 발명의 오일 누출 감지용 센서는 1회 내지 5회 재사용이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 오일이 센서에 접촉되었을 최초 오일 누출 감지에 사용한 후 몇 회 재사용이 가능한지 확인하기 위하여 오일 누출 감지 센서 의 가역성(reversibility)을 확인하였다. 그 결과, 3회 반복 측정을 하였을 때에도 상대 저항 수치가 원래의 수치로 회복되며, 3회 동안 모두 오일을 검출하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는, 본 발명에 따른 오일 누출 감지 센서는 재사용이 가능하여 경제적인 측면에서 유용하다는 것을 보여준다(도 6 참조).
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 오일 누출 감지용 센서는 오일에 대해 민감하게 반응하여 단시간 안에 오일의 누출을 감지할 수 있으며, 특정 오일을 선택적으로 감지할 수 있을 뿐만 아니라 재사용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 MWNT-grafting-Polyisoprene을 감지 재료로 사용한 오일센서의 오일 감지 메커니즘을 나타내는 도면이다.
도 2는 IDE 센서소자 제작공정 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 IDE 센서소자 제작에 사용된 metallic shadow mask 및 IDE 센서소자를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 MWNT-g-polyisoprene 오일센서의 휘발유에 대한 민감도를 나타내는 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 MWNT-g-polyisoprene 오일센서의 휘발유, 기관유 및 로터리 진공 펌프유에 대한 상대적인 선택성을 보여주는 결과이다.
도 6은 본 발명에 따른 MWNT-g-polyisoprene 오일센서의 휘발유에 대한 가역성을 나타내는 결과이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
실시예 1: MWNT-grafting-Polyisoprene 나노복합체 및 IDE 센서소자를 응용하여 제작한 오일센서의 민감도 분석
기 출원된 특허 제2017-0071002호, 원자이동라디칼 중합공정에 의하여 제조된 탄소나노튜브-고분자 나노복합체 제조방법 및 이의 중간체, 반응생성물의 정량 분석 방법을 바탕으로 제조한 MWNT-grafting-Polyisoprene(PI) 나노복합체를 이용하여 오일센서를 제조하였다. 구체적으로는 아래의 단계와 같다.
(1) MWNT와 질산을 0.1 g : 10 mL의 비율로 혼합한 후 60℃에서 24시간 동안 교반하여 MWNT-COOH를 제조한다.
(2) 상기 (1)단계의 반응생성물 MWNT-COOH와 Thionly chloride를 1.3 g : 40 mL의 비율로 혼합한 후 65℃에서 24 시간 동안 교반하여 MWNT-COCl를 제조한다.
(3) 상기 (2)단계의 반응생성물 MWNT-COCl과 Ethyleneglycol을 1.506 g : 60 mL 비율로 혼합한 후 120℃에서 48 시간 동안 교반하여 MWNT-OH를 제조한다.
(4) 상기 (3)단계의 반응생성물 MWNT-OH 2.268 g과 DMAP(N,Ndimethylaminopyridine) 0.117 g, Triethylamine 1.209 g을 각각 넣어 혼합하고 BiB(α-bromoisobutyryl bromide)를 MWNT 대비 0.586 mmol/g를(MWNT 단위질량 당 0.586 mmol의 BiB) 첨가하여 MWNT-Br을 제조한다.
(5) 상기 (4)단계에서 얻어진 MWNT-Br 0.75 g과 dnbpy(4,4'-dinonyl-2.2'-dipyridyl) 0.230 g, CuBr2 0.0255 g, Sn(EH)2 (Tin(Ⅱ) 2-ethylhexanoate) 0.4675g, DMF(N,N-dimethylforamide) 30 mL 및 1,4-dioxane 45 mL를 혼합한 후 30 분 동안 sonication 과정을 수행한다.
(6) 상기 (5)단계의 혼합액을 고압반응기에 넣고 Isoprene 45 mL를 투입한다.
(7) 고압반응기를 30 atm 이상 질소 가압한 후 150℃에서 24 시간 동안 교반한다(ARGET-ATRP).
(8) 반응 종료 후 얻어진 생성물을 과량의 Methanol에 넣어 석출 및 세척 과정을 거쳐, 여과 과정을 거친 후 고형물을 얻는다.
그 다음, 상기 제조된 MWNT-grafting-Polyisoprene(PI) 나노복합체를 THF(tetrahydrofuran)에 용해시켜 4 wt% 용액을 제조하고, 제조된 용액 400 ㎕를 IDE 센서소자(도 3) 위에 코팅하여 오일 센서를 제작 후 Electrometer와 연결한다. Electrometer와 연결된 오일 센서에 휘발유(SK Energy)를 마이크로 주사기를 이용하여 200 ㎕ 주입한 후 나타나는 전기저항의 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에서 확인할 수 있듯이, 오일과 접촉하였을 때 즉각적으로 그래프가 수직에 가깝게 증가하고, 오일 접촉 후 3분 이내에 상대저항 수치가 최대 약 1.7까지 증가하였으며 그 후 시간이 경과함에 따라 느리게 0에 가깝게 감소하는 것을 알 수 있다.
실시예 2: MWNT-grafting-Polyisoprene 나노복합체 및 IDE 센서소자를 응용하여 제작한 오일센서의 선택성 측정
실험 방법과 조건은 실시예 1과 동일하게 4 wt% MWNT-grafting-Polyisoprene의 THF 용액 400 ㎕를 IDE 센서소자(도 3) 위에 코팅 시켜 오일센서를 제작하였으며 추가적으로 휘발유 뿐만 아니라 기관유(ZIC X5 7.5W-30, SK lubricants) 및 로터리 진공 펌프유(MR-100, MORESCO) 등을 각각 오일센서에 200 ㎕씩 주입한 후 나타나는 전기저항의 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
그 결과 도 5에서 확인할 수 있듯이, 세 종류의 오일을 각각 오일센서에 접촉시켰을 때 나타나는 상대저항 수치는 휘발유, 기관유, 로터리 진공 펌프유 순서로 작게 나타났다.
또한, 상대저항 최대치에 도달하는 시간을 고려한 반응속도의 경우, 휘발유가 다른 두 종류 오일에 비하여 월등하게 빠르며 로터리 진공 펌프유 다음에 기관유 순서로 빨랐다. 특히 휘발유에 대한 상대저항 최대 수치와 반응속도는 기관유나 로터리 진공 펌프유와 비교하여 월등히 우수하다는 것을 보여주었다.
주어진 측정 시간 (25분) 내에서 휘발유와 로터리 진공 펌프유는 상대저항 최대치에 도달한 이후 0에 가깝게 감소하여 회복되는 것을 알 수 있었으며, 휘발유의 회복속도가 가장 빨랐다. 한편, 기관유의 경우 상대저항 수치가 주어진 측정 시간을 지나 지속적으로 증가함을 보여 주었다.
따라서, MWNT-grafting-Polyisoprene 나노복합체를 감지재료로 사용한 본 특허기술의 오일센서의 경우 기관유나 로터리 진공 펌프유와 비교하여 휘발유가 가장 우수한 선택성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 3: MWNT-grafting-Polyisoprene 나노복합체 및 IDE 센서소자를 응용하여 제작한 오일센서의 가역성 측정
실시예 1에서 오일 접촉 실험에 사용하였던 MWNT-grafting-Polyisoprene 오일센서를 24시간 상온에서 건조한 후, 실시예 1과 동일한 방법으로 휘발유에 접촉시켜 저항변화를 측정하였으며, 이러한 오일 접촉 후 건조(24시간) 과정을 3회 반복 수행함으로써 MWNT-grafting-Polyisoprene 오일센서에 대한 가역성을 분석하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1과 동일한 방법으로 반복하여 저항변화를 측정하였을 때, 두 번째 측정은 첫 번째 측정과 거의 유사한 민감도를 보여주었으며, 세 번째 측정에서는 상대저항이 3.1로 첫 번째와 두 번째보다 증가된 민감도를 보여주었다.
첫 번째 측정에서는 상대저항 수치가 최대치에 도달한 후 0에 가깝게 회복이 되나 두 번째와 세 번째 측정의 경우 상대저항 1에 가깝게 회복되므로 측정이 반복될수록 회복이 느리다는 것을 확인할 수 있었다.
휘발유에 대한 MWNT-g-polyisoprene 오일센서에 대하여 3회 반복 측정을 통해 가역성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. (A) 기판에 IDE(Interdigitated Electrodes) 패턴을 형성한 IDE 센서 소자를 제조하는 단계;
    (B) 감지 재료로서 MWNT(Multi Walled Nano Tube)-grafting-polyisoprene 나노복합체를 제조하는 단계;
    (C) 상기 (B)에서 제조한 나노복합체를 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran)에 용해시켜 코팅액을 제조하는 단계; 및
    (D) 상기 (A)에서 제조한 IDE 센서 소자에 (C)의 코팅액으로 코팅하는 단계;
    를 포함하는 오일 누출 감지용 센서의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (A) 단계의 IDE 센서 소자는,
    (A-1) 금속 섀도우 마스크(metallic shadow mask)를 기판 위에 올려 10-6 내지 10-7(Torr)로 압력을 가하는 단계;
    (A-2) 증착 재료로서 인듐을 이용하여 패턴을 증착시킨 다음, 냉각시킨 후 금속 섀도우 마스크를 제거하여 기판에 IDE 패턴을 형성시키는 단계; 및
    (A-3) IDE 패턴이 형성된 기판을 진공 열처리하여 IDE 센서 소자를 제조하는 단계;를 포함하는 오일 누출 감지용 센서의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (B) 단계의 MWNT(Multi Walled Nano Tube)-grafting-polyisoprene 나노복합체의 제조는,
    (B-1) MWNT를 강산 하에서 산화시켜 카르복실기(-COOH)로 기능화된 MWNT를 수득하는 단계;
    (B-2) 상기 카르복실기로 기능화된 MWNT를 티오닐클로라이드 화합물과 반응시켜 아실클로라이드기(-COCl)를 도입하는 단계;
    (B-3) 상기 아실클로라이드기가 도입된 MWNT를 에틸렌글리콜과 반응시켜 하이드록실기(-OH)를 도입하는 단계;
    (B-4) 상기 하이드록실기가 도입된 MWNT에 브롬화합물을 혼합하여 Br기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 및
    (B-5) 상기 Br기가 도입된 탄소나노튜브에 polyisoprene을 첨가 및 반응시켜 MWNT-grafting-polyisoprene을 제조하는 단계;를 포함하는 오일 누출 감지용 센서의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (C) 단계에서 나노복합체는 테트라히드로푸란 함량 대비 3 내지 5 wt%로 포함되는 것인
    오일 누출 감지용 센서의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (D) 단계에서의 코팅은 코팅액을 300 내지 500㎕ 인가하는 것인
    오일 누출 감지용 센서의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 오일 누출 감지용 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 오일 누출 감지용 센서는 오일 접촉 후 나타나는 상대 저항 수치가 1.5 내지 1.7인 것인
    오일 누출 감지용 센서.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 오일 누출 감지용 센서는 상대 저항 수치가 최대값에 도달하는 시간이 3 내지 10분인 것인
    오일 누출 감지용 센서.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 오일 누출 감지용 센서는 휘발유(Gasoline), 기관유(Engine oil) 및 로터리 진공 펌프유(Rotary pump oil)로 구성된 오일 중 하나 이상의 오일을 선택적으로 검출할 수 있는 것인
    오일 누출 감지용 센서.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 오일 누출 감지용 센서는 1 내지 5회 재사용이 가능한 것인
    오일 누출 감지용 센서.
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