휘발성 유기화합물과 같은 환경유해물질의 조기 검지는 인체 및 환경보호를 위한 중요성을 가진다. 그러나 기존의 모니터링 기술은 많은 시간과 값비싼 장비를 필요로 하고 있다. 본 논문에서는, 무전원으로 작동가능하며, 휴대가 용이하고 빠른 응답속도를 가지는 광결정 기반의 VOC 검출용 박막센서를 제안하였다. 휘발성 유기 화합물은 Polydimethylsiloxane(PDMS)를 팽창시키는 능력을 가지고 있어, 제안된 센서에 휘발성 유기 화합물이 노출되면 PDMS 가 팽창함에 따라 광결정의 구조변화를 가져오므로 색이 변하게 된다. 이러한 원리에 기초하여 휘발성 유기 화합물에 노출되었을 때 가시광선 영역의 정량적 색변화를 통해 검출할 수 있는 환경센서를 구현하였다. 제안된 센서는 수 초 이내의 빠른 반응속도를 보이며, 기체 상태의 휘발성 유기 화합물에도 색 변화를 일으키는 것을 성공적으로 확인하였다.
휘발성 유기화합물과 같은 환경유해물질의 조기 검지는 인체 및 환경보호를 위한 중요성을 가진다. 그러나 기존의 모니터링 기술은 많은 시간과 값비싼 장비를 필요로 하고 있다. 본 논문에서는, 무전원으로 작동가능하며, 휴대가 용이하고 빠른 응답속도를 가지는 광결정 기반의 VOC 검출용 박막센서를 제안하였다. 휘발성 유기 화합물은 Polydimethylsiloxane(PDMS)를 팽창시키는 능력을 가지고 있어, 제안된 센서에 휘발성 유기 화합물이 노출되면 PDMS 가 팽창함에 따라 광결정의 구조변화를 가져오므로 색이 변하게 된다. 이러한 원리에 기초하여 휘발성 유기 화합물에 노출되었을 때 가시광선 영역의 정량적 색변화를 통해 검출할 수 있는 환경센서를 구현하였다. 제안된 센서는 수 초 이내의 빠른 반응속도를 보이며, 기체 상태의 휘발성 유기 화합물에도 색 변화를 일으키는 것을 성공적으로 확인하였다.
Early detection of toxic gases, such as volatile organic compounds (VOCs), is important for safety and environmental protection. However, the conventional detection methods require long-term measurement times and expensive equipment. In this study, we propose a thin-film-type chemical sensor for VOC...
Early detection of toxic gases, such as volatile organic compounds (VOCs), is important for safety and environmental protection. However, the conventional detection methods require long-term measurement times and expensive equipment. In this study, we propose a thin-film-type chemical sensor for VOCs, which consists of self-assembled monosize nanoparticles for 3-D photonic crystal structures and polydimthylsiloxane (PDMS) film. It is operated without any external power source, is truly portable, and has a fast response time. The structure color of the sensor changes when it is exposed to VOCs, because VOCs induce a swelling of the PDMS. Therefore, using this principle of color change, we can create a thin-film sensor for immediate detection of various types of VOCs. The proposed device evidences that a fast response time of just seconds, along with a clear color change, are successfully observed when the sensor is exposed to gas-phase VOCs.
Early detection of toxic gases, such as volatile organic compounds (VOCs), is important for safety and environmental protection. However, the conventional detection methods require long-term measurement times and expensive equipment. In this study, we propose a thin-film-type chemical sensor for VOCs, which consists of self-assembled monosize nanoparticles for 3-D photonic crystal structures and polydimthylsiloxane (PDMS) film. It is operated without any external power source, is truly portable, and has a fast response time. The structure color of the sensor changes when it is exposed to VOCs, because VOCs induce a swelling of the PDMS. Therefore, using this principle of color change, we can create a thin-film sensor for immediate detection of various types of VOCs. The proposed device evidences that a fast response time of just seconds, along with a clear color change, are successfully observed when the sensor is exposed to gas-phase VOCs.
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문제 정의
이후, hot plate에서 1시간 동안 PDMS 층을 경화시키면 기본적인 장치가 완성된다. 본 논문에서는 spin coating과 peel off 공정을 이용하여 PDMS 층의 두께를 제어함으로써 응답속도를 개선시키는 방법을 제시하였다. PDMS 층의 두께를 정량적으로 제어하기 위하여 spin coater를 이용하여.
휘발성 유기 화합물을 이용하는 경우 액체형태로 노출되는 경우도 있지만 이러한 화합물이 공기 중으로 휘발되면서 노출되는 경우가 더 많다. 본 논문에서는 아세톤과 BTX 용액이 휘발되는 환경에 노출되었을 때 센서의 색 변화를 관찰하였다. Fig.
본 연구에서는 무전원으로 작동 가능한 광결정 기반의 휘발성 유기 화합물 검지 센서를 제안하였다. 휘발성 유기 화합물에 의한 광결정 구조의 변화로 인한 색 변화의 원리를 기반으로 하여 박막 구조의 PDMS 층을 형성함으로써 민감도를 극대화 시켜, 유기 화합물 검출 성능을 획기적으로 개선하였다.
본 연구에서는 휘발성 유기 화합물을 검출하는 센서를 실생활로 적용 가능하도록 광결정 기반의 VOCs 검출용 박막센서를 개발하고 여러 가지 유기화합물에 대한 반응시간 및 기체상태의 VOCs에 대한 검출성능을 확인하였다. 광결정은 화학적인 색소에 의해 발현되는 색이 아닌 독특한 광결정 미세구조에 의해서 특정한 영역의 파장만 반사함으로 생기는 구조색(structural color)을 가지고 있다.
가설 설정
광결정은 화학적인 색소에 의해 발현되는 색이 아닌 독특한 광결정 미세구조에 의해서 특정한 영역의 파장만 반사함으로 생기는 구조색(structural color)을 가지고 있다.(10) 구조색은 외부 자극에 의해 구조 및 굴절률의 변화가 변하면 반사되는 빛의 색이 변하게 된다.(11,12) PDMS는 유기용제에 의해 팽창하는 성질을 가지고 있어서,(13) 광결정 구조와 PDMS를 결합하게 되면, Fig.
제안 방법
상대적으로 팽창률이 큰 아세톤이나 BTX용액의 경우에 액체 실험방법으로 실험 하였을 때 너무 빠른 변화에 실시간 측정이 어려움으로 장치의 특성을 확인 하기 위해서 PDMS의 팽창률이 작은 메탄올과 에탄올을 이용하여 Fig. 3(a)와 같이 액상에 장치를 담근 후 색 변화를 분광기(HR4000, Ocean Optics)를 이용하여 실시간으로 측정하였다. 여분의 PDMS 층이 생성되어 응답속도가 느려지는 것을 확인하기 위하여 spin coater를 이용하여 의도적으로 얇은 여분의 PDMS 층을 생성한 센서와 여분의 PDMS 층을 거의 제거한 센서를 각각 실험하였다.
따라서, 아세톤과 BTX용액에 대한 변화는 실제상황과 유사하게 측정하기 위해서 Fig. 3(b)와 같이 챔버(chamber)를 제작하여 장치를 넣고 기체를 바닥 면에서 증발시켜서 노출시킨 뒤 색변화를 측정하였다.
2(b)와 같이 PDMS를 forceps으로 벗겨내면 여분의 PDMS 층만 제거 된다(peel off 공정). 각각 다른 회전속도에서 코팅된 센서 및 peel off 공정을 통한 센서의 두께는 박막측정기(Dektak, Bruker corporation)를 이용하여 측정하였다. 1000rpm과 2000rpm, 3000rpm 으로 회전시켰을 경우 각각 100.
하지만 본 실험에서는 10분간 용액이 증발하는 상황을 만들었으므로, 제작된 장치는 각각의 농도가 다른 휘발성 유기 화합물에 노출되어 있다. 따라서 챔버 안의 증발된 휘발성 유기 화합물의 농도를 알기 위하여 아세톤과 BTX용액을 5g씩 샬레에 담아두고 10분 동안 변화하는 무게를 측정하였다. 10분 동안 아세톤은 약 1.
빠른 검출을 요구하는 유해 물질 검지용 센서로의 응용에 있어서 이러한 두꺼운 PDMS 층은 센서 성능을 저하시키게 된다. 따라서, 본 연구에서는 박막 PDMS 층을 갖는 필름타입의 센서를 개발함으로써 기존의 장치보다 더 빠른 응답속도를 가지고 민감하게 변하는 색변화 센서를 구현하였다.
실험은 액체 실험과 기체 실험으로 나누어서 진행하였다. 실험에 사용한 용액은 메탄올(methanol) 과 에탄올(ethanol), 아세톤(acetone) 및 BTX(Benzene, Toluene, Xylene)이다.
3(a)와 같이 액상에 장치를 담근 후 색 변화를 분광기(HR4000, Ocean Optics)를 이용하여 실시간으로 측정하였다. 여분의 PDMS 층이 생성되어 응답속도가 느려지는 것을 확인하기 위하여 spin coater를 이용하여 의도적으로 얇은 여분의 PDMS 층을 생성한 센서와 여분의 PDMS 층을 거의 제거한 센서를 각각 실험하였다. 또한 일상생활에서 휘발성 유기 화합물에 직접 노출되는 경우도 있지만 공기 중으로 휘발되어 노출되는 상황이 더욱 빈번하다.
220nm 지름의 폴리스티렌 나노입자가 면심 입방 구조로 배열되었을 때, 551nm의 파장의 초록색을 가지게 되고 이는 제작된 센서에 나타난 색과 일치한다. 장치의 특성을 확인하기 위하여 spin coater를 사용하지 않고 제작한 장치를 이용하여 실험을 진행하였다. Spin coater를 이용하지 않고 제작한 장치는 수 mm의 두께를 가지게 된다.
PDMS 층의 두께를 정량적으로 제어하기 위하여 spin coater를 이용하여. 회전속도를 1000rpm과 2000rpm, 3000rpm으로 설정하고 30초간 유지하여 PDMS를 코팅하였다. PDMS를 잘 침투 시키기 위하여 처리한 O2 플라즈마의 영향으로 광결정 구조 사이에 침투된 후 경화된 PDMS와 광결정 구조사이의 결합력은 여분의 PDMS 층과의 결합력보다 강하다.
본 연구에서는 무전원으로 작동 가능한 광결정 기반의 휘발성 유기 화합물 검지 센서를 제안하였다. 휘발성 유기 화합물에 의한 광결정 구조의 변화로 인한 색 변화의 원리를 기반으로 하여 박막 구조의 PDMS 층을 형성함으로써 민감도를 극대화 시켜, 유기 화합물 검출 성능을 획기적으로 개선하였다. 액상의 휘발성 유기 화합물에 노출되었을 때 즉시 색이 변하는 빠른 응답속도를 가지면서 실생활과 유사하게 기체상태의 휘발성 유기 화합물에 노출된 상황에서도 색변화를 통해 검지 가능함을 보였다.
대상 데이터
본 연구에서 제안한 광결정 기반의 휘발성 유기 화합물 검출 센서를 제작하기 위해서 220nm 지름의 균질한 폴리스티렌(polystyrene) 나노입자를 사용하였다. Fig 2(a)에 도시된 바와 같이 콜로이드 나노입자가 두 기판 사이에 유입되면 유체의 계면에서 증발이 일어나면서 나노입자가 계면으로 이동하게 된다.
실험은 액체 실험과 기체 실험으로 나누어서 진행하였다. 실험에 사용한 용액은 메탄올(methanol) 과 에탄올(ethanol), 아세톤(acetone) 및 BTX(Benzene, Toluene, Xylene)이다. PDMS는 휘발성 유기 화합물의 종류에 따라서 팽창률이 다르다.
이론/모형
5과 같이 구조색을 띄게 된다. 구조색은 다음과 같이 표현되는 Bragg 방정식을 이용하여 계산할 수 있다.(15)
성능/효과
(3) 발암 물질로 알려진 벤젠(Benzene)이나 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene) 등도 담수나 식수에서 쉽게 검출된다고 알려졌다.(4) 유기용제를 사용하는 사업장에서 작업자는 고농도의 휘발성 유기 화합물에 노출되어 사고가 발생하기도 한다.
최종적으로 변화한 파장의 길이는 약 30nm로 PDMS 층의 두께와 상관없이 일정한 값을 나타내나, PDMS 여분의 층이 얇아 질수록 응답속도는 급격히 빨라졌다. 4개의 샘플의 메탄올에 대한 광결정 센서 밴드갭 이동의 응답속도는 두께가 얇아짐에 따라 빨라지게 되며, 특히, peel off 공정에 의해 여분의 PDMS 층이 거의 제거된 센서는 메탄올에 노출되는 즉시 변화를 보였다. 여분의 PDMS 층의 두께가 두꺼워 짐에 따라 센서의 응답속도는 비선형적으로 급격히 증가하게 되어, 60μm의 경우 38μm에 비해 1.
6은 분광기를 이용하여 측정한 시간에 따른 파장을 보여준다. PDMS 팽창률이 가장 작은 메탄올은 10분 후에 최대 30nm정도의 변화를 보였고 아세톤은 20초 만에 최대 125nm의 변화를 보였고 1분안에 가시광선 영역을 벗어났다.
제안된 센서에서 여분의 PDMS 층의 두께에 따라 센서의 반응 속도에 많은 차이를 보인다. 기존에 제안된 장치의 경우 10분동안 메탄올에 노출 되었을 때 약 6nm의 변화밖에 보이지 못하였지만(9) 본 연구에서 제안한 장치는 균일한 높이의 광결정 구조와 기존의 연구에 비해 얇은 여분의 PDMS 층 때문에 메탄올에 10분 동안 노출되었을 때 30nm 정도로 더 큰 변화를 보였다.
0030mg/ml만큼 기화되었을 때 장치에서 반사되는 파장은 1nm 변한다고 예측할 수 있다. 따라서 장치의 민감도는 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 아세톤 순으로 감소함을 알 수 있고, 이는 각 유기화합물의 용해도 순서와 일치한다. 본 연구에서 이용한 PDMS 기반 광결정 센서는 VOC 종류에 따른 선택성은 없으나, 물질의 용해도에 따른 팽윤이 달라져 응답속도 및 정상상태의 파장의 변화량이 달라지게 되므로, 이를 측정하여 역으로 VOC 물질의 종류를 선정할 수 있다.
3 cal1/2/cm-3/2 이고 이와 유사한 용해도를 가지는 휘발성 유기 화합물 일수록 더 많은 변화를 가져오게 된다. 메탄올의 용해도는 14.5 cal1/2/cm-3/2, 에탄올의 용해도는 12.7 cal1/2/cm-3/2 이므로, 본 연구의 파장 변화는 PDMS와 다른 유기 화합물과의 용해도 상관관계 결과와 일치하는 것을 확인 할 수 있다.(13) Fig.
057mg/ml이다. 실험결과에 따르면 파장은 시간에 따라 선형적으로 변하므로, 아세톤은 0.0345mg/ml, 벤젠은 0.0119mg/ml, 톨루엔은 0.0054mg/ml, 자일렌은 0.0030mg/ml만큼 기화되었을 때 장치에서 반사되는 파장은 1nm 변한다고 예측할 수 있다. 따라서 장치의 민감도는 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 아세톤 순으로 감소함을 알 수 있고, 이는 각 유기화합물의 용해도 순서와 일치한다.
휘발성 유기 화합물에 의한 광결정 구조의 변화로 인한 색 변화의 원리를 기반으로 하여 박막 구조의 PDMS 층을 형성함으로써 민감도를 극대화 시켜, 유기 화합물 검출 성능을 획기적으로 개선하였다. 액상의 휘발성 유기 화합물에 노출되었을 때 즉시 색이 변하는 빠른 응답속도를 가지면서 실생활과 유사하게 기체상태의 휘발성 유기 화합물에 노출된 상황에서도 색변화를 통해 검지 가능함을 보였다. 특히 상대적으로 휘발성이 크지 않은 자일렌의 경우에도 색변화를 통해 검출 가능함을 성공적으로 관찰하였다.
9는 여분의 PDMS 층의 두께가 다른 센서가 메탄올에 노출되었을 때 파장의 변화 값을 보여준다. 최종적으로 변화한 파장의 길이는 약 30nm로 PDMS 층의 두께와 상관없이 일정한 값을 나타내나, PDMS 여분의 층이 얇아 질수록 응답속도는 급격히 빨라졌다. 4개의 샘플의 메탄올에 대한 광결정 센서 밴드갭 이동의 응답속도는 두께가 얇아짐에 따라 빨라지게 되며, 특히, peel off 공정에 의해 여분의 PDMS 층이 거의 제거된 센서는 메탄올에 노출되는 즉시 변화를 보였다.
액상의 휘발성 유기 화합물에 노출되었을 때 즉시 색이 변하는 빠른 응답속도를 가지면서 실생활과 유사하게 기체상태의 휘발성 유기 화합물에 노출된 상황에서도 색변화를 통해 검지 가능함을 보였다. 특히 상대적으로 휘발성이 크지 않은 자일렌의 경우에도 색변화를 통해 검출 가능함을 성공적으로 관찰하였다. 제안된 박막센서에 대한 추가적인 연구를 통해 실제 휘발성 유기 화합물을 사용하는 작업장의 근로자들의 건강을 보호하고 작업장 근방 환경을 모니터링 할 수 있는 환경센서로 발전되리라 기대한다.
후속연구
본 연구에서 사용한 분광기는 가시광선 영역을 관찰하도록 설계되어 제안된 장치가 720nm이상으로 변하는 파장을 정량적으로 분석하지 못하는 한계가 있다. 일반적으로 용질이 용매에 용해 가능함을 나타내는 값으로 용해도(solubility)를 이용한다.
특히 상대적으로 휘발성이 크지 않은 자일렌의 경우에도 색변화를 통해 검출 가능함을 성공적으로 관찰하였다. 제안된 박막센서에 대한 추가적인 연구를 통해 실제 휘발성 유기 화합물을 사용하는 작업장의 근로자들의 건강을 보호하고 작업장 근방 환경을 모니터링 할 수 있는 환경센서로 발전되리라 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인간은 어떻게 휘발성 유기 화합물에 노출되는가?
휘발성 유기 화합물(Volatile organic compound: VOCs)은 토양이나 담수 그리고 대기 중에 쉽게 발견되며,(1,2) 인간은 호흡이나 음식물의 섭취 또는 피부를 통해 휘발성 유기 화합물에 쉽게 노출되게 된다.(3) 발암 물질로 알려진 벤젠(Benzene)이나 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene) 등도 담수나 식수에서 쉽게 검출된다고 알려졌다.
휘발성 유기 화합물은 주로 어디에서 발견되는가?
휘발성 유기 화합물(Volatile organic compound: VOCs)은 토양이나 담수 그리고 대기 중에 쉽게 발견되며,(1,2) 인간은 호흡이나 음식물의 섭취 또는 피부를 통해 휘발성 유기 화합물에 쉽게 노출되게 된다.(3) 발암 물질로 알려진 벤젠(Benzene)이나 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene) 등도 담수나 식수에서 쉽게 검출된다고 알려졌다.
현재 휘발성 유기화합물을 감지하는 센서 개발의 한계점은?
(5) 이러한 심각성이 대두되면서 휘발성 유기화합물을 감지하는 센서 개발에 많은 노력이 계속되고 있다. 하지만 기존의 환경센서 및 모니터링 기술들은 휴대가 용이하지 않아 현장 분석 및 활용에 불편함이 있다. 최근 실시간 모니터링을 위하여 색 변화를 이용하여 휘발성 유기 화합물을 검출하고자 하는 많은 연구들이 제안되어 왔다.
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