후각 센서 및 환경 계측용 가스 센서 시스템의 개발에 대한 연구를 수행하였다. 센서 소자로는 수정 진동자(quartz crystal microbalance, QCM)를 사용하였고, Langmuir-Blodgett(LB)법을 이용하여 감응성 막을 QCM에 누적하였다. 후각 센서 시스템은 인간의 후각 기능을 모사한 센서로서, 다양한 지질류를 감응성 물질로 사용하여 알코올과 같은 모델 냄새 물질을 측정하였다. 또한, 환경 계측용 센서 시스템에서는 감응성 물질로서 알킬기로 치환된 metallophthalocyanine(MPc)과 polythiophene 유도체를 합성하여 대표적인 대기 오염 물질인 $NO_{2}$와 $SO_{2}$를 측정하였다. 감응성 막은 일정 둘레의 압축 장치(constant perimeter type barrier)로 구성된 Langmuir trough와 수직 누적 장치를 사용하여 누적시켰다. 감응성 물질로서 지질은 기/액 계면에서 안정한 ...
후각 센서 및 환경 계측용 가스 센서 시스템의 개발에 대한 연구를 수행하였다. 센서 소자로는 수정 진동자(quartz crystal microbalance, QCM)를 사용하였고, Langmuir-Blodgett(LB)법을 이용하여 감응성 막을 QCM에 누적하였다. 후각 센서 시스템은 인간의 후각 기능을 모사한 센서로서, 다양한 지질류를 감응성 물질로 사용하여 알코올과 같은 모델 냄새 물질을 측정하였다. 또한, 환경 계측용 센서 시스템에서는 감응성 물질로서 알킬기로 치환된 metallophthalocyanine(MPc)과 polythiophene 유도체를 합성하여 대표적인 대기 오염 물질인 $NO_{2}$와 $SO_{2}$를 측정하였다. 감응성 막은 일정 둘레의 압축 장치(constant perimeter type barrier)로 구성된 Langmuir trough와 수직 누적 장치를 사용하여 누적시켰다. 감응성 물질로서 지질은 기/액 계면에서 안정한 단분자 막을 형성하며, 상업적으로 다양한 구조의 물질을 얻을 수 있다. 하지만, 기본 구조의 MPc와 polythiophene은 유기 용매에 녹지 않고 계면 활성도 없기 때문에, 본 연구의 목적에 적합한 구조의 유도체를 합성하였다. 즉, 알킬기로 치환된 대칭 구조의 MPc 유도체 (octa(2-ethylhexyloxy)metallophthalocyanine)를 합성하였으며, 이들은 수소, 구리, 코발트, 백금, 납과 같은 다양한 중심 금속 원자를 포함한다(H2Pc, CoPc, CuPc, PbPc, PtPc). 또한, polythiophene의 유도 체로 poly(3-octylthiophene)(POT), poly(3-propanoyloxy-2-ethylthiophene) (PPET)과 poly(3-decanoyloxy-2-ethylthiophene)(PDET)을 합성하여 감응성 물질로 사용하였다. 센서 실험은 흐름계(flow system)에서 이루어 졌으며, 동적 방법에 의한 액상 물질의 포화와 기상 물질의 다중 희석을 이용하여 원하는 표준 가스를 얻었다. 제작된 표준 가스 발생 장치는 Mass spectroscopy와 GC를 이용한 농도 분석으로부터 원하는 농도의 가스를 동적인 방법에 의해 정밀하게 조절할 수 있음을 확인하였다. 또한 센서 소자에 대한 기초 실험은 QCM이 상온에서 안정한 발진과 높은 질량 감도를 지님을 보여주었다. 기/액 계면에서 감응성 물질들의 단분자 막 거동이 연구되었으며, 이러한 연구는 계면 현상에 대한 이해 및 LB막 형성에 대한 정보를 제공해 준다. 단분자 막 거동은 표면압-면적(surface pressure-area, \Pi-A) 등온선으로부터 배향된 분자의 구조, 상전이, 그리고 혼합막의 혼화성 등을 고찰하였다. 지질 단분자 막에 있어서 탄화수소기의 사슬 길이에 따른 단분자 막의 상태, 그리고 액상의 염에 따른 단분자 막의 안정성이 또한 분석되었다. 특히, carboxylic 또는 phosphatic acid의 이온화는 액상의 pH와 염의 사용에 의해 조절될 수 있었으며, 이러한 다가 이온들은 다층 막의 제조에 있어서도 중요한 역할을 했다. 동일한 알킬 치환체를 갖고 있는 MPc 유도체들은 중심금속 원자의 종류에 따라 다른 계면 거동을 보였다. 이러한 결과로부터 PbPc는 수면과 평행하게, 그리고 다른 MPc 유도체들은 수면에 수직 방향으로 배향되어 있음을 추론할 수 있었다. Polythiophene 유도체의 경우에는 단분자 막의 붕괴(collapse) 직전에서 얻어진 세 물질의 한계 면적 (limiting area)이 일치하였으며, 이것은 폴리머 주사슬에 있는 thiophene ring의 면적에 해당한다. 또한 PPET와 PDET의 단분자 막에서 나타나는 상전이는 탄화수소 사슬의 유동성에 기인한 결과이다. 혼합막의 혼화성 평가에서 dipalmitoylphosphatidylcholine(DPPC)/cholesterol과 PtPc/stearic acid 혼합막은 인력에 의한 균질 혼합을 보였지만, PDET/octadecylamine(ODA) 혼합막은 간단한 additivity rule을 따랐다. 이것은 polythiophene 유도체가 고분자 물질이기 때문에 단분자 막 내에서 서로 분리된 특성을 나타냄을 의미한다. 모든 지질들은 친수성 기판에는 1층만이, 그리고 소수성 기판에는 2층까지 이전되었다. 이것은 친수기-친수기, 그리고 친수기-기판의 친수성 표면 사이의 약한 인력 때문이다. MPc 유도체의 경우에는 분자의 약한 친수성으로 인해 친수성 기판에는 이전이 이루어지지 않았지만, 소수성 기 판에는 양질의 다층막을 형성할 수 있었다. 또한, polythiophene 유도체의 단분자 막은 다층막 이전을 위해 일정 표면압을 유지시킬 때 안정하지 못하기 때문에, polythiophene 유도체만의 이전은 양질의 다층막을 형성할 수 없었다. 하지만, 모든 감응성 물질에 있어서 ODA의 혼합막은 좋은 이전 특성을 보였으며, 이것은 이전비 측정과 QCM을 이용한 이전 질량의 측정, 그리고 UV-visible spectroscopy를 이용한 흡광도측정으로부터 확인할 수 있었다. 특히, dipalmitoylphosphatidic acid(DPPA)의 LB막 형성에서는 액상 pH와 다가의 금속염이 중요한 영향을 끼쳤다. DPPA LB막은 ellipsometry와 X-ray diffraction을 이용하여 분석되어 졌다. 즉, DPPA의 격자 간격은 llipsometry에 의해서는 20.3\Angstrom/층, X-ray diffraction에 의해서는 22.78\Angstrom/층이었다. 이러한 결과는 이전된 다층막이 잘 배열된 층 구조의 Y-type LB막임을 입증하는 것이다. 후각 센서 시스템에서는 여러 가지 인지질들을 감응성 막으로 사용하여 9MHz QCM위에 누적시켜 여러 가지 냄새 물질들의 흡탈착 특성을 조사하고, 이를 바탕으로 인공 신경망을 이용한 후 각 센서 시스템을 연구하였다. 인지질 LB막은 DPPA의 경우에는 높은 pH조건에서 2가 염($Ba^{2+}$)을 사용하여 이전시켰고, 다른 인지질의 경우에는 다층막으로의 이전이 잘 이루어지는 물질(ODA 또는 DPPA)과의 혼합막으로 LB막을 형성하였다. 인지질 감응성 막과 냄새 물질간의 흡탈착 특성을 살펴 보고, 이로부터 냄새 물질들을 구별해내기 위하여 몇 가지 특성 변수(characteristic point)를 설정하였다. 원하는 농도의 표준 가스는 질소 가스를 액상의 냄새 물질에 통과시켜 포화시키고, 이 포화 가스를 과량의 질소 흐름으로 희석시킴으로써 얻었다. 냄새 물질과 인지질 감응성 막 사이의 비선별적인 물리 흡착을 이용하기 때문에 응답은 가역적인 응답- 회복 특성을 보였다. 출력되는 응답의 강도는 감응성 막인 LB막의 누적 층수를 증가시킴으로써 조절이 가능하였다. 센서의 냄새 물질의 구별 능을 증진시키기 위하여 서로 다른 인지질이 누적된 다채널 센서를 구성하였다. 다채널 원형 패턴과 두개의 채널 센서 시스템에서 얻어진 응답 곡선으로부터 각 냄새 물질의 특성 변수간의 거리를 이용하여 몇 가지 물질들을 그룹 지었으며, 다채널 센서를 이용한 물질 인식이 가능함을 확인하였다. 특히, self-organizing feature map(SOFM) 인공 신경망을 이용한 9 가지 냄새 물질과 메탄올-부탄올 혼합물의 인식 실험 결과는 약 90-96\%의 높은 인식률을 보였다. 환경 계측용 센서 시스템에서는 6MHz QCM을 사용하여 $NO_{2}$와 $SO_{2}$에 대한 MPc와 polythiophene의 감지 특성을 연구하였다. MPc 유도체의 LB막은 소수성인 QCM의 금 전극 위에 형성시켰다. 하지만, polythiophene 유도체의 단분자 막은 양질의 다층 구조막을 형성하지 못하기 때문에 ODA와의 혼합막(1:1)으로 층상 구조의 감응성 막을 제조하였다. $NO_{2}$와 $SO_{2}$의 표준 가스는 일정 농도의 $NO_{2}$나 $SO_{2}$의 흐름을 과량의 질소 흐름으로 다중 희석시킴으로써 얻었다. 감응성 막의 응답 특성 은 대상 가스의 흡탈착 특성으로부터 관찰되었으며, 이들 LB막들은 $NO_{2}$에 대한 뚜렷한 선택성을 보였다. 즉, 2,000ppm의 $SO_{2}$에 대해서는 어떠한 응답도 보이지 않았지만, 555ppm의 $NO_{2}$에 대해서는 뚜렷한 주파수 감소를 보였다. $NO_{2}$에 대한 센서 실험에서 MPc 유도체의 중심 금속은 센서 특성에 영향을 주었다. 다양한 종류의 MPc 유도체의 센서 특성은 막 두께, 농도, 측정 온도 그리고 속도론적 해석으로부터 살펴보았다. MPc 한 분자의 $NO_{2}$ 감지 용량(sensing capacity)은 농도 의존성 실험의 포화 경향으로부터 얻을 수 있었고, 이 결과는 센서 특성이 MPc 유도체의 중심 금속의 종류와 감응성 막의 구조에 의존함을 보여 주었다. 센서 응답에 대한 기울기 분석과 속도론적 해석 역시 중심 금속의 종류에 따른 MPc 유도체의 응답 특성을 구분할 수 있었다. 특히, 센서 응답의 회복은 고온에서조차 만족스러운 결과를 보여주지 못했지만, 반복된 $NO_{2}$ 센서 실험에 대한 흡광도 분석은 비가역성에 대한 정성적인 설명을 줄 수 있었다. Polythiophene 유도체의 경우에 $NO_{2}$에 대한 응답 특성은 MPc 유도체의 경우와 유사한 결과를 보였지만, 센서 응답의 회복은 진공에서조차 거의 얻을 수 없었다. 하지만, 센서 응답의 크기는 감응성 막의 두께에 따라 선형적인 비례 관계를 보였으며, 이것은 LB막의 누적 층수의 조절에 의해 응답 강도를 조절할 수 있음을 보여 주었다.
후각 센서 및 환경 계측용 가스 센서 시스템의 개발에 대한 연구를 수행하였다. 센서 소자로는 수정 진동자(quartz crystal microbalance, QCM)를 사용하였고, Langmuir-Blodgett(LB)법을 이용하여 감응성 막을 QCM에 누적하였다. 후각 센서 시스템은 인간의 후각 기능을 모사한 센서로서, 다양한 지질류를 감응성 물질로 사용하여 알코올과 같은 모델 냄새 물질을 측정하였다. 또한, 환경 계측용 센서 시스템에서는 감응성 물질로서 알킬기로 치환된 metallophthalocyanine(MPc)과 polythiophene 유도체를 합성하여 대표적인 대기 오염 물질인 $NO_{2}$와 $SO_{2}$를 측정하였다. 감응성 막은 일정 둘레의 압축 장치(constant perimeter type barrier)로 구성된 Langmuir trough와 수직 누적 장치를 사용하여 누적시켰다. 감응성 물질로서 지질은 기/액 계면에서 안정한 단분자 막을 형성하며, 상업적으로 다양한 구조의 물질을 얻을 수 있다. 하지만, 기본 구조의 MPc와 polythiophene은 유기 용매에 녹지 않고 계면 활성도 없기 때문에, 본 연구의 목적에 적합한 구조의 유도체를 합성하였다. 즉, 알킬기로 치환된 대칭 구조의 MPc 유도체 (octa(2-ethylhexyloxy)metallophthalocyanine)를 합성하였으며, 이들은 수소, 구리, 코발트, 백금, 납과 같은 다양한 중심 금속 원자를 포함한다(H2Pc, CoPc, CuPc, PbPc, PtPc). 또한, polythiophene의 유도 체로 poly(3-octylthiophene)(POT), poly(3-propanoyloxy-2-ethylthiophene) (PPET)과 poly(3-decanoyloxy-2-ethylthiophene)(PDET)을 합성하여 감응성 물질로 사용하였다. 센서 실험은 흐름계(flow system)에서 이루어 졌으며, 동적 방법에 의한 액상 물질의 포화와 기상 물질의 다중 희석을 이용하여 원하는 표준 가스를 얻었다. 제작된 표준 가스 발생 장치는 Mass spectroscopy와 GC를 이용한 농도 분석으로부터 원하는 농도의 가스를 동적인 방법에 의해 정밀하게 조절할 수 있음을 확인하였다. 또한 센서 소자에 대한 기초 실험은 QCM이 상온에서 안정한 발진과 높은 질량 감도를 지님을 보여주었다. 기/액 계면에서 감응성 물질들의 단분자 막 거동이 연구되었으며, 이러한 연구는 계면 현상에 대한 이해 및 LB막 형성에 대한 정보를 제공해 준다. 단분자 막 거동은 표면압-면적(surface pressure-area, \Pi-A) 등온선으로부터 배향된 분자의 구조, 상전이, 그리고 혼합막의 혼화성 등을 고찰하였다. 지질 단분자 막에 있어서 탄화수소기의 사슬 길이에 따른 단분자 막의 상태, 그리고 액상의 염에 따른 단분자 막의 안정성이 또한 분석되었다. 특히, carboxylic 또는 phosphatic acid의 이온화는 액상의 pH와 염의 사용에 의해 조절될 수 있었으며, 이러한 다가 이온들은 다층 막의 제조에 있어서도 중요한 역할을 했다. 동일한 알킬 치환체를 갖고 있는 MPc 유도체들은 중심금속 원자의 종류에 따라 다른 계면 거동을 보였다. 이러한 결과로부터 PbPc는 수면과 평행하게, 그리고 다른 MPc 유도체들은 수면에 수직 방향으로 배향되어 있음을 추론할 수 있었다. Polythiophene 유도체의 경우에는 단분자 막의 붕괴(collapse) 직전에서 얻어진 세 물질의 한계 면적 (limiting area)이 일치하였으며, 이것은 폴리머 주사슬에 있는 thiophene ring의 면적에 해당한다. 또한 PPET와 PDET의 단분자 막에서 나타나는 상전이는 탄화수소 사슬의 유동성에 기인한 결과이다. 혼합막의 혼화성 평가에서 dipalmitoylphosphatidylcholine(DPPC)/cholesterol과 PtPc/stearic acid 혼합막은 인력에 의한 균질 혼합을 보였지만, PDET/octadecylamine(ODA) 혼합막은 간단한 additivity rule을 따랐다. 이것은 polythiophene 유도체가 고분자 물질이기 때문에 단분자 막 내에서 서로 분리된 특성을 나타냄을 의미한다. 모든 지질들은 친수성 기판에는 1층만이, 그리고 소수성 기판에는 2층까지 이전되었다. 이것은 친수기-친수기, 그리고 친수기-기판의 친수성 표면 사이의 약한 인력 때문이다. MPc 유도체의 경우에는 분자의 약한 친수성으로 인해 친수성 기판에는 이전이 이루어지지 않았지만, 소수성 기 판에는 양질의 다층막을 형성할 수 있었다. 또한, polythiophene 유도체의 단분자 막은 다층막 이전을 위해 일정 표면압을 유지시킬 때 안정하지 못하기 때문에, polythiophene 유도체만의 이전은 양질의 다층막을 형성할 수 없었다. 하지만, 모든 감응성 물질에 있어서 ODA의 혼합막은 좋은 이전 특성을 보였으며, 이것은 이전비 측정과 QCM을 이용한 이전 질량의 측정, 그리고 UV-visible spectroscopy를 이용한 흡광도측정으로부터 확인할 수 있었다. 특히, dipalmitoylphosphatidic acid(DPPA)의 LB막 형성에서는 액상 pH와 다가의 금속염이 중요한 영향을 끼쳤다. DPPA LB막은 ellipsometry와 X-ray diffraction을 이용하여 분석되어 졌다. 즉, DPPA의 격자 간격은 llipsometry에 의해서는 20.3\Angstrom/층, X-ray diffraction에 의해서는 22.78\Angstrom/층이었다. 이러한 결과는 이전된 다층막이 잘 배열된 층 구조의 Y-type LB막임을 입증하는 것이다. 후각 센서 시스템에서는 여러 가지 인지질들을 감응성 막으로 사용하여 9MHz QCM위에 누적시켜 여러 가지 냄새 물질들의 흡탈착 특성을 조사하고, 이를 바탕으로 인공 신경망을 이용한 후 각 센서 시스템을 연구하였다. 인지질 LB막은 DPPA의 경우에는 높은 pH조건에서 2가 염($Ba^{2+}$)을 사용하여 이전시켰고, 다른 인지질의 경우에는 다층막으로의 이전이 잘 이루어지는 물질(ODA 또는 DPPA)과의 혼합막으로 LB막을 형성하였다. 인지질 감응성 막과 냄새 물질간의 흡탈착 특성을 살펴 보고, 이로부터 냄새 물질들을 구별해내기 위하여 몇 가지 특성 변수(characteristic point)를 설정하였다. 원하는 농도의 표준 가스는 질소 가스를 액상의 냄새 물질에 통과시켜 포화시키고, 이 포화 가스를 과량의 질소 흐름으로 희석시킴으로써 얻었다. 냄새 물질과 인지질 감응성 막 사이의 비선별적인 물리 흡착을 이용하기 때문에 응답은 가역적인 응답- 회복 특성을 보였다. 출력되는 응답의 강도는 감응성 막인 LB막의 누적 층수를 증가시킴으로써 조절이 가능하였다. 센서의 냄새 물질의 구별 능을 증진시키기 위하여 서로 다른 인지질이 누적된 다채널 센서를 구성하였다. 다채널 원형 패턴과 두개의 채널 센서 시스템에서 얻어진 응답 곡선으로부터 각 냄새 물질의 특성 변수간의 거리를 이용하여 몇 가지 물질들을 그룹 지었으며, 다채널 센서를 이용한 물질 인식이 가능함을 확인하였다. 특히, self-organizing feature map(SOFM) 인공 신경망을 이용한 9 가지 냄새 물질과 메탄올-부탄올 혼합물의 인식 실험 결과는 약 90-96\%의 높은 인식률을 보였다. 환경 계측용 센서 시스템에서는 6MHz QCM을 사용하여 $NO_{2}$와 $SO_{2}$에 대한 MPc와 polythiophene의 감지 특성을 연구하였다. MPc 유도체의 LB막은 소수성인 QCM의 금 전극 위에 형성시켰다. 하지만, polythiophene 유도체의 단분자 막은 양질의 다층 구조막을 형성하지 못하기 때문에 ODA와의 혼합막(1:1)으로 층상 구조의 감응성 막을 제조하였다. $NO_{2}$와 $SO_{2}$의 표준 가스는 일정 농도의 $NO_{2}$나 $SO_{2}$의 흐름을 과량의 질소 흐름으로 다중 희석시킴으로써 얻었다. 감응성 막의 응답 특성 은 대상 가스의 흡탈착 특성으로부터 관찰되었으며, 이들 LB막들은 $NO_{2}$에 대한 뚜렷한 선택성을 보였다. 즉, 2,000ppm의 $SO_{2}$에 대해서는 어떠한 응답도 보이지 않았지만, 555ppm의 $NO_{2}$에 대해서는 뚜렷한 주파수 감소를 보였다. $NO_{2}$에 대한 센서 실험에서 MPc 유도체의 중심 금속은 센서 특성에 영향을 주었다. 다양한 종류의 MPc 유도체의 센서 특성은 막 두께, 농도, 측정 온도 그리고 속도론적 해석으로부터 살펴보았다. MPc 한 분자의 $NO_{2}$ 감지 용량(sensing capacity)은 농도 의존성 실험의 포화 경향으로부터 얻을 수 있었고, 이 결과는 센서 특성이 MPc 유도체의 중심 금속의 종류와 감응성 막의 구조에 의존함을 보여 주었다. 센서 응답에 대한 기울기 분석과 속도론적 해석 역시 중심 금속의 종류에 따른 MPc 유도체의 응답 특성을 구분할 수 있었다. 특히, 센서 응답의 회복은 고온에서조차 만족스러운 결과를 보여주지 못했지만, 반복된 $NO_{2}$ 센서 실험에 대한 흡광도 분석은 비가역성에 대한 정성적인 설명을 줄 수 있었다. Polythiophene 유도체의 경우에 $NO_{2}$에 대한 응답 특성은 MPc 유도체의 경우와 유사한 결과를 보였지만, 센서 응답의 회복은 진공에서조차 거의 얻을 수 없었다. 하지만, 센서 응답의 크기는 감응성 막의 두께에 따라 선형적인 비례 관계를 보였으며, 이것은 LB막의 누적 층수의 조절에 의해 응답 강도를 조절할 수 있음을 보여 주었다.
A gas sensor system for olfactory sensing and environmental monitoring was investigated with a quartz crystal microbalance(QCM), one of the piezo-electric devices with high mass-sensitivity. Langmuir-Blodgett(LB) technique was adapted for the coating of a sensing membrane on the QCM. Target gases we...
A gas sensor system for olfactory sensing and environmental monitoring was investigated with a quartz crystal microbalance(QCM), one of the piezo-electric devices with high mass-sensitivity. Langmuir-Blodgett(LB) technique was adapted for the coating of a sensing membrane on the QCM. Target gases were volatile materials such as alcohol for olfactory sensing, and $NO_{2}$ and $SO_{2}$ for environmental monitoring. As the sensing membrane of olfactory sensor, various lipids were used in order to mimic the biomembranes in human olfactory cell. In the environmental monitoring, alkyl-substituted metallophthalocyanines (MPcs) and polythiophenes were examined because of their selectivity for some gases such as $NO_{2}$ and their superior thermal and mechanical properties. To build a sensing membrane, a constant-perimeter type Langmuir trough equipped with a vertical dipping unit was constructed. All the lipids used were purchased, but derivatives of MPc or polythiophene were synthesized. Alkyl-substituted MPcs had symmetric 2-ethylhexyloxy side chain, and their complex central metal atoms were dihydrogen, copper, cobalt, platinum, and lead. Also, the derivatives of polythiophenes were poly(3-octylthiophene)(POT), poly(3-propanoyloxy-2-ethylthiophene)(PPET), and poly(3-decanoyloxy-2-ethylthio-phene)(PDET). The target gases were generated by the dynamic method of saturation or multi-dilution using a flow system, and calibrated accurately. The QCM showed a stable oscillation and high sensitivity at room temperature, but required accurate temperature control at high temperatures. The monolayer behavior of membrane materials at the air/water interface was studied. From the surface pressure-area($\Pi$-A) isotherm, evaluated were the cross-sectional area of an oriented molecule, phase transition, and miscibility of mixed monolayers. In the case of lipid monolayers, the monolayer stability established by added subphase salts was observed. The ionization of phosphatic acids could be controlled by changing the subphase pH. The isotherms for MPc monolayers, which had the same alkyl substituents, showed different surface behavior. The flat core of PbPc might be lying parallel and those of other MPcs be lying ""edge on"" to the water surface. In the case of polythiophene, the isotherms showed the same limiting areas just before collapse, which may correspond to the area of thiophene ring of the polymer backbone. The phase transitions in PPET and PDET could be attributed to the mobility of the side chain. In the study of miscibility of mixed monolayers, dipalmitoylphosphatidylcholine(DPPC)/cholesterol and PtPc/stearic acid(SA) mixtures apparently showed homogeneous mixing by their attractive interaction, but PDET/ octadecylamine(ODA) followed the simple additivity rule, because two kinds of molecules formed separate domains within the monolayer. All lipids could be transferred only one layer onto hydrophilic substrates and upto two layers on hydrophobic substrates, because of their weak interaction between head-to-head or head-to-surface of the hydrophilic substrate. MPc monolayers were not transferred onto the hydrophilic substrate because of their weak hydrophilicity, but formed LB multilayers of good quality on the hydrophobic substrate. Polythiophene monolayers were not stable when held at constant surface pressure for the film transfer, and thus they could hardly be transferred to LB multilayers of layered structure. However, mixed monolayers of all materials with ODA were successfully transferred, and their film qualities were confirmed by QCM and the absorbance intensity of UV-visible spectroscopy. Multilayer formation of dipalmitoylphosphatidic acid(DPPA) was significantly influenced by the subphase pH and the existence of multivalent salts. The quality of DPPA multilayer was also checked by an ellipsometric and X-ray studies. The lattice spacing of DPPA was found to be 20.3\Angstrom/layer by ellipsometry, and 22.78\Angstrom/layer by X-ray diffraction, and these characterization indicated well-defined layered structures of Y-type. In the olfactory sensor, the adsorption/desorption characteristics of some chemical vapors to different lipid LB films coated on 9 MHz QCM were examined. Lipid LB film as a sensing membrane was deposited by using $Ba^{2+}$ salt at a high pH condition(in the case of DPPA), or by mixing with film deposition promoter(ODA or DPPA). Model odorants such as methanol were generated by the bubbling method with $N_{2}$ gas in the flow system to characterize the adsorption/desorption characteristics. In order to differentiate the chemical vapors, characteristic points were defined from the sensor response curve. The nonspecific physisorption between chemical vapors and lipid sensing films did not have distinguishable selectivity, but highly reproducible responses were obtained. The output response strength could be controlled by the number of LB film layers and linearly increased as the concentration of odorants was increased. From those parameters, the basic olfactory sensing system was assigned based on the pattern recognition. To enhance the identification of odorants, we constructed a multi(four or six)-channel sensor, each of the channels was coated with different mixed lipid film. Circular profile patterns and two channel plots showed some materials clustered. Nine kinds of different chemical vapors and three different mixtures of methanol/butanol were identified using the self-organizing feature maps(SOFM) neural network system. For the environmental monitoring, the sensing properties of substituted MPc and polythiophene LB films were investigated for $NO_{2}$ and $SO_{2}$ using the 6MHz QCM. The multilayer of pure MPc was deposited onto the hydrophobic gold electrode of QCM, but polythiophene sensing membrane with layered morphology was obtained by mixing with ODA(1:1). The standard gases of $NO_{2}$ and $SO_{2}$ were generated by the multi-dilution method with $N_{2}$ gas in the flow system, and the adsorption and desorption patterns of target gas were observed by QCM. These LB films showed highly specific selectivity for $NO_{2}$, but for $SO_{2}$, no responses were shown even at high concentration. In the experiments of $NO_{2}$ sensing, the central metal atoms of MPcs were responsible for the high selectivity. The sensing properties of various MPc LB films were described with film thickness, gas concentration, and sensing temperature, and from the kinetic study. The capacity of one MPc molecule to $NO_{2}$ was measured by the saturation curve, and the variation of sensing property with different MPcs and the morphology of membrane was studied. The slope analysis and the kinetics study also made it possible to differentiate the sensing characteristics of each MPc. Especially, the recovery of sensing output gave no satisfactory results even at elevated temperatures, but the absorbance spectra for repeated $NO_{2}$ exposures could give some insights for the irreversible feature of MPcs to $NO_{2}$. In the case of polythiophene, the response to $NO_{2}$ showed similar patterns comparing to that of MPc, but the sensor signal was not recovered at all, even at evacuation. However, signal output increased linearly with film thickness enough to control the intensity of sensor signal by layer number of LB film.
A gas sensor system for olfactory sensing and environmental monitoring was investigated with a quartz crystal microbalance(QCM), one of the piezo-electric devices with high mass-sensitivity. Langmuir-Blodgett(LB) technique was adapted for the coating of a sensing membrane on the QCM. Target gases were volatile materials such as alcohol for olfactory sensing, and $NO_{2}$ and $SO_{2}$ for environmental monitoring. As the sensing membrane of olfactory sensor, various lipids were used in order to mimic the biomembranes in human olfactory cell. In the environmental monitoring, alkyl-substituted metallophthalocyanines (MPcs) and polythiophenes were examined because of their selectivity for some gases such as $NO_{2}$ and their superior thermal and mechanical properties. To build a sensing membrane, a constant-perimeter type Langmuir trough equipped with a vertical dipping unit was constructed. All the lipids used were purchased, but derivatives of MPc or polythiophene were synthesized. Alkyl-substituted MPcs had symmetric 2-ethylhexyloxy side chain, and their complex central metal atoms were dihydrogen, copper, cobalt, platinum, and lead. Also, the derivatives of polythiophenes were poly(3-octylthiophene)(POT), poly(3-propanoyloxy-2-ethylthiophene)(PPET), and poly(3-decanoyloxy-2-ethylthio-phene)(PDET). The target gases were generated by the dynamic method of saturation or multi-dilution using a flow system, and calibrated accurately. The QCM showed a stable oscillation and high sensitivity at room temperature, but required accurate temperature control at high temperatures. The monolayer behavior of membrane materials at the air/water interface was studied. From the surface pressure-area($\Pi$-A) isotherm, evaluated were the cross-sectional area of an oriented molecule, phase transition, and miscibility of mixed monolayers. In the case of lipid monolayers, the monolayer stability established by added subphase salts was observed. The ionization of phosphatic acids could be controlled by changing the subphase pH. The isotherms for MPc monolayers, which had the same alkyl substituents, showed different surface behavior. The flat core of PbPc might be lying parallel and those of other MPcs be lying ""edge on"" to the water surface. In the case of polythiophene, the isotherms showed the same limiting areas just before collapse, which may correspond to the area of thiophene ring of the polymer backbone. The phase transitions in PPET and PDET could be attributed to the mobility of the side chain. In the study of miscibility of mixed monolayers, dipalmitoylphosphatidylcholine(DPPC)/cholesterol and PtPc/stearic acid(SA) mixtures apparently showed homogeneous mixing by their attractive interaction, but PDET/ octadecylamine(ODA) followed the simple additivity rule, because two kinds of molecules formed separate domains within the monolayer. All lipids could be transferred only one layer onto hydrophilic substrates and upto two layers on hydrophobic substrates, because of their weak interaction between head-to-head or head-to-surface of the hydrophilic substrate. MPc monolayers were not transferred onto the hydrophilic substrate because of their weak hydrophilicity, but formed LB multilayers of good quality on the hydrophobic substrate. Polythiophene monolayers were not stable when held at constant surface pressure for the film transfer, and thus they could hardly be transferred to LB multilayers of layered structure. However, mixed monolayers of all materials with ODA were successfully transferred, and their film qualities were confirmed by QCM and the absorbance intensity of UV-visible spectroscopy. Multilayer formation of dipalmitoylphosphatidic acid(DPPA) was significantly influenced by the subphase pH and the existence of multivalent salts. The quality of DPPA multilayer was also checked by an ellipsometric and X-ray studies. The lattice spacing of DPPA was found to be 20.3\Angstrom/layer by ellipsometry, and 22.78\Angstrom/layer by X-ray diffraction, and these characterization indicated well-defined layered structures of Y-type. In the olfactory sensor, the adsorption/desorption characteristics of some chemical vapors to different lipid LB films coated on 9 MHz QCM were examined. Lipid LB film as a sensing membrane was deposited by using $Ba^{2+}$ salt at a high pH condition(in the case of DPPA), or by mixing with film deposition promoter(ODA or DPPA). Model odorants such as methanol were generated by the bubbling method with $N_{2}$ gas in the flow system to characterize the adsorption/desorption characteristics. In order to differentiate the chemical vapors, characteristic points were defined from the sensor response curve. The nonspecific physisorption between chemical vapors and lipid sensing films did not have distinguishable selectivity, but highly reproducible responses were obtained. The output response strength could be controlled by the number of LB film layers and linearly increased as the concentration of odorants was increased. From those parameters, the basic olfactory sensing system was assigned based on the pattern recognition. To enhance the identification of odorants, we constructed a multi(four or six)-channel sensor, each of the channels was coated with different mixed lipid film. Circular profile patterns and two channel plots showed some materials clustered. Nine kinds of different chemical vapors and three different mixtures of methanol/butanol were identified using the self-organizing feature maps(SOFM) neural network system. For the environmental monitoring, the sensing properties of substituted MPc and polythiophene LB films were investigated for $NO_{2}$ and $SO_{2}$ using the 6MHz QCM. The multilayer of pure MPc was deposited onto the hydrophobic gold electrode of QCM, but polythiophene sensing membrane with layered morphology was obtained by mixing with ODA(1:1). The standard gases of $NO_{2}$ and $SO_{2}$ were generated by the multi-dilution method with $N_{2}$ gas in the flow system, and the adsorption and desorption patterns of target gas were observed by QCM. These LB films showed highly specific selectivity for $NO_{2}$, but for $SO_{2}$, no responses were shown even at high concentration. In the experiments of $NO_{2}$ sensing, the central metal atoms of MPcs were responsible for the high selectivity. The sensing properties of various MPc LB films were described with film thickness, gas concentration, and sensing temperature, and from the kinetic study. The capacity of one MPc molecule to $NO_{2}$ was measured by the saturation curve, and the variation of sensing property with different MPcs and the morphology of membrane was studied. The slope analysis and the kinetics study also made it possible to differentiate the sensing characteristics of each MPc. Especially, the recovery of sensing output gave no satisfactory results even at elevated temperatures, but the absorbance spectra for repeated $NO_{2}$ exposures could give some insights for the irreversible feature of MPcs to $NO_{2}$. In the case of polythiophene, the response to $NO_{2}$ showed similar patterns comparing to that of MPc, but the sensor signal was not recovered at all, even at evacuation. However, signal output increased linearly with film thickness enough to control the intensity of sensor signal by layer number of LB film.
주제어
#LB film QCM Gas sensor Olfactory sensor Environmental monitoring LB막 수정진동자 가스센서 후각센서 환경계측용 센서
학위논문 정보
저자
Kim, Seung-Ryeol
학위수여기관
한국과학기술원
학위구분
국내박사
학과
화학공학과
지도교수
김종득,Kim, Jong-Duk
발행연도
1996
총페이지
xvii, 166 p.
키워드
LB film QCM Gas sensor Olfactory sensor Environmental monitoring LB막 수정진동자 가스센서 후각센서 환경계측용 센서
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