Development of colorimetric sensor using pH indicator for detecting toxic gases

국문 초록 (Abstract)

유해가스를 취급하는 사업장에서 가스 유출 여부를 추가적인 분석 장비 없이 육안으로 식별 가능한 색변환 센서를 개발하여 이를 이용한 작업자의 일차적인 모니터링이 가능한 제품을 목표로 연구를 하였다. 불산 누출사고나 새집 증후군으로 인한 피해와 같은 유해가스에 대한 사회적인 문제를 해결하기 위해 10종의 유해가스(산성가스, 염기성 가스, 포름알데히드)를 선정하여 20ppm, 10ppm 수준의 낮은 농도에서 1분 이내에 색 변화를 통해 유출을 감지할 수 있는 기술을 연구하였다.
색 변환 센서는 BPB(bromocresol blue), BCG(bromocresol green)과 같은 pH 지시약을 천연고분자 Sodium alginate 1% 용액 내에 용해시킨 후 촉매로 hydroquinone을 첨가하여 코팅액을 제조하였다. 제조한 용액은 Bar-coater를 이용해 부직포 필름 내에 얇게 함침시켜 노출 가스의 종류에 따라 pH 지시약의 색 변화 반응을 유도한 원리이다. 기존의 분석 장비가 필요 없는 경제적인 제품으로 사용 후에도 센서 필름만 교체하면 되는 간단한 과정으로 설계하였다. 그러나 산, 염기 가스 외에도 포름알데히드(HCHO)의 경우 중성 가스이기 때문에 pH 지시약으로는 검지가 불가능 하다. 포름알데히드의 선택성이 있는 염료인 purpald(4-Amino-3-hydrazino-5-mercapto-1,2,4-triazole)을 같은 방식으로 부직포 필름 내에 함침시켜 색 변화를 확인했다. 가스에 대해 30초 이내 색 변화를 관찰 할 수 있으며 1분 이내에 완전히 반응하는 것을 확인했다.
센서의 색 변화의 정도는 분광측색계(spectrophotometer)를 이용해 CIE Lab 색 좌표를 이용해 ΔE 값을 측정하여 노출 전과 후를 측정하여 색 변화에 대한 결과값을 수치화 하였으며, 가시광선 영역에서 흡광도를 측정하여 노출 전과 후의 흡수하는 파장의 차이를 분석하여 색 변화를 알 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제1장 서론 1
• 1-1. 연구목적 1
• 제2장 이론적 배경 2
• 2-1. 색 센서의 정의 2
• 2-2. 유기염료와 염료의 색 변화 원리 4
• 2-2-1. 유기염료와 이용법 4
• 2-2-2. 아조계 염료 5
• 2-2-3. pH indicator의 정의와 원리 7
• 2-3. CIE Lab 색 공간 9
• 2-3-1. CIE Lab 색 공간의 정의 9
• 2-3-2. CIE Lab 색차 식 11
• 2-4. 유해가스의 노출 기준 13
• 제3장 실험 15
• 3-1. 실험 재료 15
• 3-2. 실험장비 16
• 3-2-1. 자동 도공기 16
• 3-2-2. 분광 측색계 17
• 3-2-3. 질량 유량계 19
• 3-3. 색 변환 센서의 제작 21
• 3-3-1. 산성 가스용 색 센서의 제조 21
• 3-3-2. 염기성 가스용 색 센서의 제조 25
• 3-3-3. 알데히드 가스용 색 센서의 제조 28
• 3-4. 색차 측정 29
• 제4장 결과 및 고찰 30
• 4-1. In situgel-coating을 이용한 색 센서의 내구성 향상 30
• 4-2. Electron transfer agent를 이용한 반응속도 향상 33
• 4-3. Dip coating을 이용한 센서 제작 36
• 4-3-1. 산성 가스 노출로 인한 색 변화 거동 36
• 4-2-1. 염기성 가스 노출로 인한 색 변화 거동 39
• 4-4. Transfer coating을 이용한 센서 제작 40
• 4-4-1. 산성 가스 노출로 인한 색 변화 거동 40
• 4-2-2. 염기성 가스 노출로 인한 색 변화 거동 43
• 4-2-2. 알데히드 가스 노출로 인한 색 변화 거동 45
• 4-3. 분광측색계를 이용한 색차 비교 46
• 4-4. 타 제품과 연구 중인 색 센서의 비교 49
• 제5장 결론 50
• Referance 52
• ABSTRACT 55