[논문]황화수소(H2S) 감지를 위한 아세트산 납이 침염된 폴리에스터(PET) 섬유 기반의 변색성 센서

이준엽; 도남곤; 정동혁; 정동건; 안희경; 공성호; 정대웅

doi:10.46670/jsst.2020.29.5.360

[국내논문] 황화수소(H2S) 감지를 위한 아세트산 납이 침염된 폴리에스터(PET) 섬유 기반의 변색성 센서
Polyester (PET) Fabric dyed with Lead (II) acetate-based Colorimetric Sensor for Detecting Hydrogen Sulfide (H2S) 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.29 no.5, 2020년, pp.360 - 364

이준엽 (한국생산기술연구원 안전시스템연구그룹) , 도남곤 (한국생산기술연구원 안전시스템연구그룹) , 정동혁 (한국생산기술연구원 안전시스템연구그룹) , 정동건 (한국생산기술연구원 안전시스템연구그룹) , 안희경 (한국생산기술연구원 안전시스템연구그룹) , 공성호 (경북대학교 전자전기공학부) , 정대웅 (한국생산기술연구원 안전시스템연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the colorimetric sensor, polyester (PET) fabric dyed with lead (II) acetate (Pb(C2H3O2)2), was fabricated and characterized for the detection of the hydrogen sulfide (H2S). The surface morphology of the fabric was determined using scanning electron microscope and energy-dispersive X-ray spectroscopy. The optical properties of the fabric were evaluated by measuring the variation in the blue value of an RGB sensor. The fabric showed a significant color change, high linearity (R2 : 0.98256), and fast response time (< 1.0 s) when exposed to H2S. This is because the sensor is highly porous and permeable to the gas. The fabric can not only be used as a hydrogen sulfide sensor but also be used to detect and prevent H2S influx using sticky tape on pipelines.

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문제 정의

본 연구에서는 기존의 복잡한 공정과 높은 단가, 주기적인 보정과 전력 소모가 큰 센서의 한계점을 극복하기 위해 저가의 간단한 방식으로 제작 가능한 황화수소 감지용 변색성 섬유센서를 제안하였다. 황화수소에 대해 높은 선택성을 지니는 아세트산 납을 침염하여 폴리에스터 섬유에 침염하였으며 제작된 섬유의 표면에 아세트산 납이 고르게 침염되었음을 전계방사형 주사현미경(Field emission scanning electron microscopy, FESEM) 사진과 에너지 분산형 X-선 분광법(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, ESD)을 통해 확인하였다.
하지만 수용성 물질인 아세트산 납의 특성상 습도에 의한 간섭이 발견 되었으며 이는 섬유의 방수 코팅 또는 비수용성 물질의 코팅을 통해 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 황화수소 감지 센서로서의 가능성이 입증된 섬유를 테이프에 부착하여 간단한 방식으로 황화수소 누출 감지 및 방지용 센서로의 활용 가능성을 제시하였다.

제안 방법

본 연구에서는 기존의 복잡한 공정과 높은 단가, 주기적인 보정과 전력 소모가 큰 센서의 한계점을 극복하기 위해 저가의 간단한 방식으로 제작 가능한 황화수소 감지용 변색성 섬유센서를 제안하였다. 황화수소에 대해 높은 선택성을 지니는 아세트산 납을 침염하여 폴리에스터 섬유에 침염하였으며 제작된 섬유의 표면에 아세트산 납이 고르게 침염되었음을 전계방사형 주사현미경(Field emission scanning electron microscopy, FESEM) 사진과 에너지 분산형 X-선 분광법(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, ESD)을 통해 확인하였다. 또한 황화수소 감지 센서로서의 사용 가능성을 제시하기 위해 RGB 센서를 이용하여 황화수소에 노출 되었을 때의 광학적 특성을 정량적으로 분석하였다.
황화수소에 대해 높은 선택성을 지니는 아세트산 납을 침염하여 폴리에스터 섬유에 침염하였으며 제작된 섬유의 표면에 아세트산 납이 고르게 침염되었음을 전계방사형 주사현미경(Field emission scanning electron microscopy, FESEM) 사진과 에너지 분산형 X-선 분광법(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, ESD)을 통해 확인하였다. 또한 황화수소 감지 센서로서의 사용 가능성을 제시하기 위해 RGB 센서를 이용하여 황화수소에 노출 되었을 때의 광학적 특성을 정량적으로 분석하였다. 제작된 섬유는 0~1000 ppm의 황화수소와 반응하여 흰색에서 진회색으로 큰 색 변화가 나타났으며 1 sec 미만의 빠른 반응속도, 그리고 높은 선형성을 보여줌으로써 황화수소 감지용 변색 센서로서 적합한 성능을 가짐을 확인하였다.
아세트산 납 용액에 침염한 섬유를 황화수소에 노출 시켰을 때 일어나는 색 변화를 광학적으로 측정하기 위해 제작된 가스 챔버와 Adafurit社의 RGB 센서(TCS34725)를 사용하여 RGB값중 Blue 값의 변화를 측정하였다. 황화수소의 농도는 MFC를 통해 황화수소와 공기(Air)를 혼합하여 조절하였다.
황화수소의 농도는 MFC를 통해 황화수소와 공기(Air)를 혼합하여 조절하였다. 또한 섬유의 변색 전, 후 가시광선 영역에서의 스펙트럼 변화를 Ocean Insight社의 스펙트로미터(flame) 시스템을 통해 분석하였다.
제조된 섬유가 황화수소에 노출되었을 때의 광학적 특성을 스펙트럼 분석을 통해 확인하였다. Fig.
제작된 섬유의 반응시간을 확인하기 위해서 1000 ppm의 황화수소에 노출 시킨 후 RGB센서의 blue 값 변화를 기록하였다. 아세트산 납이 침염된 섬유는 황화수소에 노출된 즉시 큰 색 변화를 보였으며 노출 전, 후에 일어나는 총 blue값 변화량(Δblue)의 90%에 해당하는 14에 도달하기 까지 0.
제작된 섬유를 0~1000 ppm의 황화수소에 노출시켜 농도에 따른 변색 특성을 관찰 하였다. 황화수소 노출에 따른 변색 정도는 낮은 농도에서 오래 노출 되거나, 높은 농도에서 짧은 시간 노출될 경우 똑같은 변색 정도를 보여주는 구간이 존재한다.
본 연구에서는 간단한 침염 방법을 이용하여 아세트산 납이 염색된 폴리에스터섬유를 제조하였다. 제작된 섬유는 1000 ppm의 황화수소에 노출 되었을 때 가시광선 영역인 670 nm 중심 파장에서 18.
일반적으로 대기중에 존재하는 수분은 가스센서의 간섭현상을 일으키는 가장 주요한 요소 중 하나이다[11-13]. 따라서 제작된 섬유의 습도에 따른 변색 정도의 차이를 조사하기 위해 상대습도를 20~80%로 변화 시키며 1000 ppm의 황화수소 분위기에서 섬유의 변색 정도를 조사하였다. Fig.
광학적 분석을 통해 황화수소 감지용 센서로서의 응용 가능성이 입증된 섬유를 가스 라인에 감아 황화수소 누출 감지 및 방지를 위한 센서로 활용하였다. Fig.

대상 데이터

황화수소 감지용 섬유를 제작하기 위해 Testfabrics Korea社의 폴리에스터 백포 (ISO 105-F04 AATCC TM 115, 161)를 사용하였으며 DAEJUNG社의 아세트산 납 (Mw: 325.29)을 섬유에 침염하였다. 먼저 아세트산 납 0.
29)을 섬유에 침염하였다. 먼저 아세트산 납 0.299 g을 40.0 ml의 증류수에 녹여 0.023 mol/L의 아세트산 납 용액을 제조하였다. 폴리에스터 백포는 5 × 5 cm²의 크기로 자른 후 아세트산 납 용액을 1 ml 떨어뜨려 커피링 현상이 발생하지 않도록 완전히 마를 때까지 계속 뒤집어 가며 건조 시켰다.

성능/효과

또한 황화수소 감지 센서로서의 사용 가능성을 제시하기 위해 RGB 센서를 이용하여 황화수소에 노출 되었을 때의 광학적 특성을 정량적으로 분석하였다. 제작된 섬유는 0~1000 ppm의 황화수소와 반응하여 흰색에서 진회색으로 큰 색 변화가 나타났으며 1 sec 미만의 빠른 반응속도, 그리고 높은 선형성을 보여줌으로써 황화수소 감지용 변색 센서로서 적합한 성능을 가짐을 확인하였다.
Fig. 1(b)의 EDS를이용한섬유표면의성분맵핑(Mapping) 이미지를 보면 경계면에서 납 성분이 더욱 많이 검출되는 것을 확인할 수 있다.
2(b)처럼 진회색으로 변색되었다. 또한 670 nm 중심파장에서 29.08%였던 반사도가 10.69%로 감소하여 18.39%의 가장 큰 반사도 변화를 보여주었으며, 600, 800 nm 에서도 각각 15.72%, 18.17%의 변화를 보여주었다. 이는 본래 흰색을 띄던 섬유와 아세트산 납이 식 1에 따라 황화수소와 결합하여 황화 납을 생성하고, 이때 생성된 황화 납이 검정색을 띄기 때문에 반사도의 변화가 일어난 것이다.
9 초가 소요되었다. 이를 통해 제작된 섬유는 황화수소에 대해 매우 빠른 반응시간을 가지며, 이 때의 색 변화 또한 흰색에서 진회색으로 변하여 육안으로도 확실히 구분할 수 있는 정도의 색 변화를 보여줌을 확인하였다.
본 연구에서는 간단한 침염 방법을 이용하여 아세트산 납이 염색된 폴리에스터섬유를 제조하였다. 제작된 섬유는 1000 ppm의 황화수소에 노출 되었을 때 가시광선 영역인 670 nm 중심 파장에서 18.39%의 반사도 변화를 보여주었으며 흰색에서 진회색으로 육안으로도 확연히 구분이 가능한 색 변화를 보여주었다. 또한 0~1000 ppm의 황화수소에 대해 뛰어난 감도(13.

후속연구

98256) 그리고 매우 빠른 반응속도(<1 sec)를 보여주었다. 하지만 수용성 물질인 아세트산 납의 특성상 습도에 의한 간섭이 발견 되었으며 이는 섬유의 방수 코팅 또는 비수용성 물질의 코팅을 통해 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 황화수소 감지 센서로서의 가능성이 입증된 섬유를 테이프에 부착하여 간단한 방식으로 황화수소 누출 감지 및 방지용 센서로의 활용 가능성을 제시하였다.

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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