셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 기반 다공성 필름의 미세구조 제어와 비색 센서 응용 = Microstructural Control of Cellulose Acetate Butyrate-Based Porous Films for Colorimetric Sensing Application

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study explores the fabrication of porous cellulose acetate butyrate (CAB) films and the systematic optimization of processing parameters to establish reliable microstructural control techniques. Subsequently, the pH indicator bromothymol blue (BTB) was incorporated into the CAB matrix to fabricate porous CAB–BTB composite films capable of colorimetric sensing. The effect of porosity on sensing performance was elucidated by comparing porous and nonporous films.
Film formation parameters (including CAB molecular weight, solvent mixing ratio (THF:water), coating techniques, CAB concentrations and relative humidity) were varied, and the resulting morphologies were quantitatively analyzed using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and image analysis (ImageJ). Increasing CAB molecular weight strengthened intermolecular interactions, leading to denser structures with reduced porosity, whereas higher water content promoted phase separation, resulting in more uniform and open porous morphologies.
The colorimetric responses of nonporous and porous CAB–BTB films were evaluated under 5–200 ppm NH₃exposure using chromatic parameters (Δa*, ΔE, and h°). The porous films exhibited enhanced sensitivity and faster response kinetics due to improved gas diffusion through the interconnected pore network. A maximum of Δa* 15.6 and a detection limit of 2.02 ppm were recorded in the CAB 15% film. Furthermore, repeated exposure–recovery tests demonstrated excellent reversibility and reusability over five sensing cycles.
These findings confirm that the microstructure of porous CAB–BTB composite films critically governs the dye–gas interaction behavior, and that precise control of pore size and porosity is essential for improving colorimetric sensing efficiency. Overall, this study provides fundamental insight into the structure–function relationship of porous CAB films and highlights their potential as eco-friendly, high-sensitivity colorimetric sensors for food freshness monitoring and environmental ammonia detection.

국문 초록 (Abstract)

바이오매스 기반 고분자 소재에 대한 활용이 확장되면서, 이를 이용한 다공성 필름의 구조 설계와 기능성 부여에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 색 변화 기반 감지 기술에서는 지지체의 미세구조가 기체 확산, 염료 반응성, 감도 등 센서 성능을 좌우하는 핵심 요소로 작용한다. 이에 본 연구에서는 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate, CAB)를 이용하여 다공성 필름을 제조하고, 다양한 제조 변수를 조절함으로써 미세구조 제어 기술을 확립하였다. 또한 산-염기 지시약인 브로모티몰 블루(bromothymol blue, BTB)를 CAB와 복합화하여 다공성 CAB–BTB 복합 필름 센서를 제조하고, 다공성 구조가 비색 센서의 감도 및 반응 효율에 미치는 영향을 규명함으로써 pH 감응형 비색 센서로의 활용 가능성을 제시하고자 하였다.
다공성 필름은 CAB 분자량, 용매 혼합비(THF:Water), 코팅 기법, CAB 농도 그리고 상대 습도 등을 조절해 제조하였으며, 필름의 표면 형태 및 공극 구조는 주사전자현미경(FE-SEM)과 이미지 분석(ImageJ)을 통해 정량적으로 분석하였다. 그 결과, CAB 분자량이 증가할수록 고분자 사슬 간 상호작용이 강화되어 공극률이 감소하고 구조가 조밀해지는 경향을 보였고, 수분 함량이 높은 조건에서는 상분리 거동이 촉진되어 개방된 다공성 구조가 형성되었다.
비색 감응 특성은 5–200 ppm NH3에 노출된 비다공성 및 다공성 CAB–BTB 복합 필름의 색 변화를 Δa*, ΔE, hue angle(h°) 등의 색도 인자를 이용하여 평가하였다. 다공성 필름은 비다공성 필름과 달리 기체 확산이 용이하여 높은 감도와 빠른 반응 속도를 나타냈고, 특히 CAB 15% 필름에서 최대 Δa* 15.6, 검출한계 2.02 ppm을 기록하였다. 또한, 반복 노출-회복 실험에서도 5회 이상의 안정적인 색상 복원성을 보여 우수한 재사용성을 확인할 수 있었다.
따라서 다공성 CAB–BTB 복합 필름 센서의 미세구조 제어가 염료-기체 반응 거동에 직접적인 영향을 미쳐 비색 감응 효율 향상에 핵심적인 인자로 작용함을 알 수 있었다. 본 연구는 친환경 고분자 기반 고감도 비색 센서 개발을 위해 다공성 구조와 센서 성능 간 상관관계의 이해를 제공하며, 이를 바탕으로 식품 부패 모니터링 및 환경 유해가스 감지 등 다양한 응용 분야에서의 CAB 다공성 필름의 활용 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 총괄서론 1
• Ⅱ. 연구사 4
• 1. 셀룰로오스 유도체 4
• 2. 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 6
• 3. 다공성 고분자 필름 8
• 3.1 다공성 구조 형성 메커니즘 8
• 3.2 다공성 고분자 필름의 연구 동향 10
• 4. 비색 센서 13
• 4.1 비색 센서의 작동 원리 13
• 4.2 비색 센서의 연구 동향 15
• Ⅲ. CAB 다공성 필름의 제조 변수별 구조적 특성 분석 17
• 1. 서론 17
• 2. 재료 및 방법 19
• 2.1 공시 재료 19
• 2.2 실험 방법 20
• 2.2.1 공극 구조 유도 메커니즘 20
• 2.2.2 CAB 다공성 필름 용액 제조 21
• 2.2.3 CAB 다공성 필름 제조 22
• 2.2.4 CAB 다공성 필름의 공극 특성 분석 23
• 2.2.5 CAB 다공성 필름의 물성 분석 24
• 3. 결과 및 고찰 25
• 3.1 분자량에 따른 CAB 다공성 필름 특성 25
• 3.1.1 분자량이 CAB 다공성 필름의 표면 구조에 미치는 영향 25
• 3.1.2 분자량이 CAB 다공성 필름의 공극 구조에 미치는 영향 27
• 3.1.3 분자량이 CAB 다공성 필름의 물성에 미치는 영향 30
• 3.2 용매 혼합비에 따른 CAB 다공성 필름 특성 33
• 3.2.1 용매 혼합비가 CAB 다공성 필름의 표면 구조에 미치는 영향 33
• 3.2.2 용매 혼합비가 CAB 다공성 필름의 공극 구조에 미치는 영향 35
• 3.2.3 용매 혼합비가 CAB 다공성 필름의 물성에 미치는 영향 37
• 3.3 코팅 기법과 CAB 농도에 따른 CAB 다공성 필름 특성 39
• 3.3.1 코팅 기법과 CAB 농도가 CAB 다공성 필름의 표면 구조에 미치는 영향 39
• 3.3.2 코팅 기법과 CAB 농도가 CAB 다공성 필름의 공극 구조에 미치는 영향 42
• 3.3.3 코팅 기법과 CAB 농도가 CAB 다공성 필름의 물성에 미치는 영향 45
• 3.4 상대 습도에 따른 CAB 다공성 필름 특성 48
• 3.4.1 상대 습도가 CAB 다공성 필름의 표면 구조에 미치는 영향 48
• 3.4.2 상대 습도가 CAB 다공성 필름의 공극 구조에 미치는 영향 50
• 3.4.3 상대 습도가 CAB 다공성 필름의 물성에 미치는 영향 53
• 4. 결론 55
• Ⅳ. 다공성 CABBTB 복합 필름 센서의 비색 감응 거동 분석 57
• 1. 서론 57
• 2. 재료 및 방법 60
• 2.1 공시 재료 60
• 2.2 실험 방법 61
• 2.2.1 CAB–BTB 복합 필름 용액 제조 61
• 2.2.2 CAB–BTB 복합 필름 제조 63
• 2.2.3 CAB–BTB 복합 필름의 구조적 특성 분석 64
• 2.2.4 CAB–BTB 복합 필름의 비색 감응 실험 65
• 2.2.4.1 암모니아 노출 실험 구성 65
• 2.2.4.2 이미지 촬영 및 색상 분석 65
• 2.2.4.3 비색 감응 특성의 정량 분석 66
• 2.2.5 회복성 및 재현성 분석 67
• 3. 결과 및 고찰 68
• 3.1 CAB–BTB 복합 필름의 구조적 특성 분석 68
• 3.2 공극 구조에 따른 CAB–BTB 복합 필름의 비색 감응 특성 분석 72
• 3.3 다공성 CAB–BTB 복합 필름의 시간 의존적 a* 값 변화 및 반응 거동 78
• 3.4 NH3 농도 및 노출 시간에 따른 다공성 CAB–BTB 복합 필름의 비색
• 감응 특성 및 검출한계(LOD) 81
• 3.5 다공성 CAB–BTB 복합 필름의 시간 의존적 h 값 변화 특성 84
• 3.6 E 히트맵을 이용한 CAB–BTB 복합 필름의 색 변화 시각화 86
• 3.7 다공성 CAB–BTB 복합 필름의 회복성 및 재현성 평가 91
• 4. 결론 94
• Ⅴ. 총괄결론 96
• Ⅵ. 참고문헌 99