분자각인 기법과 QCM을 이용한 VOC 가스센서 개발

국문 초록 (Abstract)

다양한 종류의 휘발성 유기화합물(VOC)은 일반적으로 생활 및 산업 환경에서 인체 건강에 유해한 물질로 취급이 되고 있고 이로 인해 다양한 VOC 센서들이 개발이 되었다. 그 중 금속 산화물 반도체 가스 센서는 낮은 안정성과 선택성을 가진다. 이러한 문제를 해결하고자 분자각인 기법이 적용된 수정진동자 칩을 개발하였다.
수정진동자 칩에 표면 분자각인 기법을 통하여 다공성 방향족 가스 센싱 구조를 제작하기 위해 방향족 화합물이 포함된 poly (sodium, styrene sulfonate) (PSS)와 poly (allylamine hydrochloride) (PAH)으로 Layer-by-Layer (LBL) 공정을 신중히 진행하여 톨루엔과 페놀에 대한 선택성이 향상된 필름을 얻었다. 제작된 필름에서 PSS 분자의 phenyl ring과 PSS와 PAH 사이의 친수성 정전기 상호작용을 하는 두 기능을 가진 영역으로 가스 센서 응용 분야에서 가스의 감지 원리로 설명할 수 있었다.
Toluene 또는 phenol의 각인 필름 조건에서 toluene 및 phenol 가스에 대한 감도는 0.1 ppm 및 6.6 ppb (LOD)에 도달했으며 toluene에 대한 phenol의 선택도 값은 표준값을 기준으로 67에 도달하였다. 얻어낸 선택성과 감도는 필름 성분의 특성과 표면 분자각인 효과로 설명할 수 있었다.
또한 톨루엔를 포함하지 않고 LBL 공정으로 제작된 고분자 박막을 Tg 보다 높은 온도의 열 처리를 하여 post 분자각인 필름을 제작하였고 동일한 선택도와 감도를 얻어낼 수 있었다.
전도성 고분자인 aniline으로 전기화학중합 공정을 통해 톨루엔이 각인된 bulk 분자각인 필름을 제조하였으며 전기화학중합을 통한 bulk 분자각인 필름의 선택도 및 감도 향상을 얻을 수 있었다.
본 연구는 LBL 공정과 전기화학중합법을 통해 톨루엔과 페놀에 대한 분자각인을 확인했으며 확산 층을 적용하여 제작된 시간변수형 칩으로 다양한 VOC에 대한 선택적 응답의 가능성을 제시할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 화학센서 1
• 2. 기능성 유기 박막 가스 센서 제조 2
• Ⅱ. 이론 4
• 1. 고분자 분자각인 기술 4
• 2. 수정진동자 이론 7
• 가) 수정진동자의 압전효과 7
• 나) 수정진동자의 절단 형태와 진동모드 10
• 다) 수정진동자의 원리 13
• 라) 수정진동자 F-R 다이어그램 17
• 마) dissipation factor 이론 21
• Ⅲ. 재료 및 방법 25
• 1. LBL 공정을 통한 분자각인 25
• 가) in-situ molecular imprint techniques 25
• 나) post molecular imprint techniques 29
• 2. 전기중합법을 통한 분자각인 31
• 3. AFM measurement, QCM measuring system 34
• 4. Analysis of the response mechanism 37
• 5. 시간 변수형 필름을 통한 응답 측정 38
• Ⅳ. 결과 및 고찰 40
• 1. LBL 분자각인 필름 제조 40
• 가) 제작된 LBL 분자각인 필름의 AFM 측정 42
• 나) LBL 분자각인 칩의 가스응답 측정 47
• 다) LBL 분자각인 칩의 응답 재현성 측정 50
• 라) LBL 분자각인 칩의 최대 응답 농도 측정 52
• 마) LBL 분자각인 칩의 임피던스 측정 54
• 바) LBL 분자각인 칩의 다양한 가스응답 측정 56
• 사) 습한 환경에 따른 LBL 분자각인 칩의 가스응답 측정 60
• 2. LBL post imprint chip 제조 62
• 가) LBL 박막의 DSC 측정 62
• 나) LBL post imprint chip의 가스응답 측정 64
• 3. 전기중합법을 통한 분자각인 66
• 가) PAN 전기중합을 이용한 분자각인 66
• 나) PAN 분자각인 칩 가스응답 측정 68
• 4. 시간 변수형 필름을 통한 가스응답 측정 70
• Ⅴ. 결론 72
• 참고문헌 73
• Abstract 79