KR102131314B1

KR102131314B1 - 센서 요소, 이의 제조 방법 및 사용 방법

Info

Publication number: KR102131314B1
Application number: KR1020157001176A
Authority: KR
Inventors: 스테판 에이취. 그리스카; 크르지츠토프 에이. 르윈스키; 마이클 씨. 팔라쪼토
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2033-06-03
Also published as: WO2014003979A1; US10267758B2; EP2864770B1; US20150168330A1; EP2864770A1; JP6289454B2; JP2015525362A; CN104583763A; CN104583763B; KR20150023785A

Abstract

센서 요소는 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하는 제1 및 제2 전도성 전극을 포함한다. 제1 또는 제2 전도성 전극 중 적어도 하나는 다공성이다. 전극들은 흡수흡착 재료를 포함하는 다공성 유전체 검출 층에 의해 분리된다. 센서 요소의 제조 방법 및 분석물 증기의 분석 방법이 또한 개시된다.

Description

센서 요소, 이의 제조 방법 및 사용 방법{SENSOR ELEMENT, METHOD OF MAKING, AND METHOD OF USING THE SAME}

본 발명은 대체로 분석물 증기의 분석에 적합한 정전용량 센서 요소(capacitive sensor element)에 관한 것이다.

휘발성 유기 화합물(volatile organic compound; VOC) 및 습도의 검출은 환경 및 안전 상의 관심사로 인하여 많은 상업적 응용, 공공 응용, 및 주택 응용을 갖는다. 하나의 유용한 센서 유형은 흡수흡착 재료(sorbent material)가 두 전극 사이에 배치되는 정전용량 센서이다. 전형적으로, 전극들 중 적어도 하나는 다공성(porous)이거나 달리 측정될 분석물 증기가 투과가능하다. 이러한 유형의 센서에서 사용되는 흡수흡착 재료의 예에는 소위 고유 미공성을 갖는 중합체(Polymer of Intrinsic Microporosity; PIM, VOC 측정용) 및 설포네이트화(sulfonated) 플루오로중합체 (습도 측정용)가 포함된다.

통상적으로, 전극은 일관된 다공성을 갖는 전극을 생성하기 위해 잘 제어된 증착 공정을 필요로 하는, 전형적으로 증착된 금속 (예컨대, 금)이다.

일 태양에서, 본 발명은 센서 요소로서,

내측 표면 및 외측 표면을 가지며, 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하는 제1 전도성 전극;

내측 표면 및 외측 표면을 가지며, 다공성이고, 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하는 제2 전도성 전극; 및

두께를 갖고, 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 사이에 배치되는 다공성 유전체 검출 층을 포함하며,

제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 중 적어도 하나는 다공성이고, 다공성 유전체 검출 층은 단량체 단위들 사이에 다이벤조다이옥산(dibenzodioxane) 연결체를 함유하는 고유 미공성 중합체(intrinsically microporous polymer)를 포함하는 흡수흡착 재료를 포함하고, 단량체 단위들은 강성(rigid)이거나, 뒤틀려있거나(contorted), 또는 강성이면서 뒤틀려 있고, 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극의 내측 표면들은 적어도 다공성 유전체 검출 층의 두께만큼 분리된, 센서 요소를 제공한다.

다른 태양에서, 본 발명은 센서 요소의 제조 방법을 제공하며, 본 방법은,

제1 전도성 전극 상에 다공성 유전체 검출 층을 배치하는 단계; 및

다공성 유전체 검출 층 상에 제2 전도성 전극을 배치하는 단계를 포함하며,

다공성 유전체 검출 층은 흡수흡착 재료를 포함하고, 제1 전도성 전극은 내측 표면 및 외측 표면을 가지며, 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하고,

제2 전도성 전극은 내측 표면 및 외측 표면을 갖고, 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하며, 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 중 적어도 하나는 다공성이며,

다공성 유전체 검출 층은 두께를 갖고, 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 사이에 배치되어 전극들과 접촉하며, 흡수흡착 재료는 단량체 단위들 사이에 다이벤조다이옥산 연결체를 함유하는 고유 미공성 중합체를 포함하고, 단량체 단위들은 강성이거나 뒤틀려 있거나 또는 강성이면서 뒤틀려 있고, 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극의 내측 표면들은 적어도 다공성 유전체 검출 층의 두께만큼 분리된다.

본 발명에 따른 센서 요소는, 예를 들어, 조작 회로(operating circuit )에 연결되어 전자 센서에 통합될 경우 유용하다.

따라서, 또 다른 실시 형태에서, 본 발명은 분석물 증기를 분석하는 방법을 제공하며, 본 방법은,

센서 요소를 제공하는 단계로서, 센서 요소는,

내측 표면 및 외측 표면을 갖고 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하는 제1 전도성 전극,

내측 표면 및 외측 표면을 갖고 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하는 제2 전도성 전극, 및

두께를 갖고, 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 사이에 배치되는 다공성 유전체 검출 층을 포함하며, 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 중 적어도 하나는 다공성이고, 다공성 유전체 검출 층은 단량체 단위들 사이에 다이벤조다이옥산 연결체를 함유하는 고유 미공성 중합체를 포함하는 흡수흡착 재료를 포함하고, 단량체들은 강성이거나 뒤틀려있거나 또는 강성이면서 뒤틀려 있고, 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극의 내측 표면들은 적어도 다공성 유전체 검출 층의 두께만큼 분리된, 센서를 제공하는 단계;

분석물 증기를 포함하는 기체 상태의 샘플에 센서 요소를 노출시키는 단계;

센서 요소의 커패시턴스(capacitance) 또는 다른 전기적 특성 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 및

센서 요소의 커패시턴스 또는 다른 전기적 특성 중 상기 적어도 하나에 기초하여, 기체 상태의 샘플 중 분석물 증기의 양 또는 분석물 증기의 화학적 아이덴티티(identity) 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함한다.

유리하게는, 본 발명은 센서 (정전용량 센서로도 공지됨)에서의 금속 전극을 탄소 섬유 종이 및/또는 천(cloth)으로 대체함으로써 상기 금속 전극에 대한 필요성을 완전히 제거한다. 탄소 섬유 종이 및 천은 여러 형상 및 크기로, 강성이고 취성이 있는 것에서 얇고 가요성인 것 (예를 들어, 부직 재료)까지 많은 제조업자로부터 널리 입수가능하다. 이들 재료는 상이한 다공도 및 기체 투과성 수준을 특징으로 하며, 연료 전지에서 공기 및 물 정화에 이르는 응용들에 사용된다.

부가적으로, 본 발명에 따른 센서 요소는 전도성 전극들 중 하나를 기판 상에 탑재하지 않고서 제작될 수 있는데, 상기 탑재는 그 전도성 전극을 통하여 분석물 증기가 검출 층으로 유동하는 것을 일반적으로 방해하거나 제거한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "흡수흡착하는"은 흡착에 의해 또는 흡수에 의해 액체 또는 기체를 빨아들이는 것을 의미한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "탄소"는, 이것이 화합물 또는 화학식에서 하나 이상의 탄소 원자를 말하는 것이 아니라면, 벌크(bulk) 형태의 탄소 (예를 들어, 카본 블랙, 램프 블랙 또는 흑연)를 말한다.

본 발명의 특징들 및 이점들이 발명의 상세한 설명뿐만 아니라 첨부된 특허청구범위의 고려 시에 추가로 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 예시적인 센서 요소의 개략 측면도이다.
도 2는 실시예 1에서 사용되는 공정을 나타내는 개략 공정 흐름도이다.
도 3은 실시예 2에서 사용되는 공정을 나타내는 개략 공정 흐름도이다.
본 발명의 원리의 범주 및 사상에 속하는 많은 다른 변형 및 실시 형태들이 당업자에 의해 창안될 수 있음을 이해하여야 한다. 도면은 축척대로 도시되지 않을 수도 있다.

이제 도 1을 참조하면, 예시적인 센서 요소(100)는 선택적 기판(110) 상에 배치된 제1 전도성 전극(120), 제2 전도성 전극(140), 및 제1 전도성 전극(120)과 제2 전도성 전극(140) 사이에 배치된 검출 층(130)을 포함한다. 제1 전도성 전극(120) 또는 제2 전도성 전극(140) 중 적어도 하나는 다공성이며, 바람직하게는 둘 모두가 다공성이다. 검출 층(130)은 흡수흡착 재료(135), 및 제1 전도성 전극(120)과 제2 전도성 전극(140) 사이의 전기적 단락을 방지하는 선택적 다공성 유전체 분리막(150)을 포함한다. 제1 전도성 전극(120)은 내측 및 외측 표면(122, 124)을 가지며, 선택적 유전체 기판(110) 상에 배치된다. 제2 전도성 전극(140)은 내측 및 외측 표면(142, 144)을 갖는다. 제1 및 제2 전도성 부재(122, 142)는 각각 선택적 제1 및 제2 전도성 전극(120,140)에 전기적으로 결합된다.

제1 및 제2 전도성 전극은 이들이 센서 요소에서 축전판으로서의 역할을 할 수 있기에 충분한 정도로 전기 전도성이다. 전형적으로, 제1 및 제2 전도성 전극은 약 10⁷ 옴(ohm)/스퀘어(square) 미만 (바람직하게는 10⁶ 옴/스퀘어 미만 또는 심지어 10⁵ 옴/스퀘어 미만)의 면저항(sheet resistance)을 갖는다.

제1 및/또는 제2 전도성 전극은 다공성이다. 일부 실시 형태에서, 제1 및/또는 제2 전도성 전극은 평균 기공 크기가 10 마이크로미터 미만인 실질적으로 균일한 분포의 기공들을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 및/또는 제2 전도성 전극은 더욱 크고/크거나 더욱 작은 균일한 분포의 기공 크기를 갖는다. 제1 및 제2 전도성 전극의 내측 표면은 매끄러운(smooth) 내측 표면을 갖는다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "매끄러운"은 전극들 사이의 전기적 단락을 야기하기에 충분한 크기의 구조적 불규칙이 표면에 없음을 의미한다. 바람직하게는, 제1 및 제2 전극은 치수적으로 안정한데; 즉, 전극들은 영구적인 구조적 손상을 초래함이 없이는 임의의 치수에 있어서 10% 초과로 응력을 받을 수 없다 (바람직하게는 5% 초과로 응력을 받을 수 없고, 더 바람직하게는 2% 초과로 응력을 받을 수 없다). 제1 및 제2 전도성 전극은 상호연결된 탄소 섬유들을 포함한다. 예를 들어, 제1 및 제2 전도성 전극은 탄소 섬유를 포함하는 (또는 탄소 섬유로 본질적으로 이루어지거나, 심지어 탄소 섬유로 이루어진) 탄소-섬유 종이 및/또는 다른 부직 재료를 포함할 수 있다. 전형적으로 탄소 섬유 종이는 탄소 섬유의 액체 슬러리가 연속 이동 메시를 통하여 배출되게 허용함으로써 생성된다. 생성된 웨브(web)는 20 g/m²의 종이 베일 또는 티슈에서 250 g/m² 초과의 두꺼운 펠트(felt)까지 생성하도록 가압 및 가열된다. 이들 재료는 복합 용도에 적합한 시트의 면 내에서의 완전히 랜덤한 배열을 갖는 단섬유의 2차원 시트로 이루어지며, 전형적으로 재료를 통한 증기의 통과를 가능케 하는 기공 (예를 들어, 마이크로기공 또는 나노기공)을 특징으로 하는 형태로 수득된다. 이러한 유형의 재료는 연료 전지 조립체에서 기체 확산 막에 사용되어 왔다. 본 발명의 제1 및 제2 전도성 전극에 유용한 다공성 탄소 섬유 종이는 예를 들어 미국 특허 제7,297,445호 (나카무라(Nakamura) 등) 및 제7,510,626호 (하마다(Hamada) 등)와, 제8,142,883호 (치다(Chida) 등)에 기재되어 있다. 이와 마찬가지로, 다공성 탄소 부직물 (종이 이외의 것)을 예를 들어 미국 특허 제5,536,486호 (나가타(Nagata) 등) 및 제7,632,589호 (카와시마(Kawashima) 등)에서 찾아볼 수 있다. 성능 요건에서의 유사성으로 인하여, 상기에 열거된 것과 같은 기체 확산 막에서 또는 기체 확산 막으로서 유용한 탄소 섬유 기판은 전형적으로 본 발명의 실시에 유용하다. 적합한 탄소-섬유 종이 및 부직물은 예를 들어 하기를 포함한 다수의 상업적 공급처로부터 획득될 수 있다: 미국 텍사스주 플라워 마운드 소재의 토레이 카본 파이버즈 아메리카(Toray Carbon Fibers America); 일본 도쿄 소재의 미츠비시 레이온 컴퍼니 리미티드(Mitsubishi Rayon Co. Ltd.); 및 독일 바인하임 소재의 프레우덴베르크 앤드 컴퍼니(Freudenberg and Co.).

상호침투 랜덤 섬유 네트워크들로 이루어진, 탄소/유리, 탄소/아라미드 및 탄소/셀룰로오스를 포함한 하이브리드 탄소 섬유 종이가 또한 제조되었으며 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 제1 및 제2 전도성 전극은 탄소 섬유로 형성된 직조 또는 편직 천 재료를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 제1 및 제2 전도성 기판에는 탄소 나노튜브가 본질적으로 부재한다. 예를 들어, 기판들은 총 중량 기준으로 5% 미만, 1% 미만, 또는 심지어 0.1% 미만의 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 전극에는 탄소 나노튜브가 완전히 부재한다.

제1 및 제2 전도성 전극은 임의의 두께를 가질 수 있다. 바람직하게는, 제1 및/또는 제2 전도성 전극의 두께는, 이들이 취급될 수 있게 하고 일부 경우에 심지어 센서 요소가 자립형(self-supporting) (즉, 지지 기판을 필요로 하지 않음)이 되도록 허용할 수 있는 것이지만, 이는 필요조건은 아니다. 제1 및 제2 전도성 전극은 동일하거나 상이할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 제1 및/또는 전도성 전극(들)의 내측 표면은 그 상에의 검출 층의 코팅 및/또는 그에의 라미네이션을 용이하게 하는 코팅을 그 상에 갖는다. 코팅은 무기 산화물 및/또는 유기 중합체를 포함할 수 있으며, 선택적으로 미립자 물질을 추가로 포함할 수 있다.

적합한 무기 산화물의 예에는, 바람직하게는 미공성 또는 중간다공성 형태의, 실리카, 알루미나 및 티타니아를 포함한다.

예시적인 일 실시 형태에서, 코팅은 플루오로중합체, 및 선택적으로 또한 탄소 입자를 포함한다. 적합한 플루오로중합체의 예에는 비닐리덴 다이플루오라이드 (VDF), 테트라플루오로에틸렌 (TFE), 및 헥사플루오로프로펜 (HFP)의 단일중합체 및 공중합체 (예를 들어, VDF, TFE, 및 HFP의 삼원공중합체), 및 전술한 단량체들 중 하나 이상과 에틸렌, 프로필렌, 및/또는 이의 할로겐화 유도체의 공중합체가 포함된다.

적합한 탄소 입자의 예에는 미립자형 카본 블랙, 서멀 블랙, 램프 블랙, 채널 블랙, 및 퍼니스 블랙(furnace black)이 포함된다. 그러한 재료는 상업적 공급처로부터 널리 입수가능하다.

탄소 섬유 종이 상에 코팅된, 탄소 입자가 내부에 분산된 플루오로중합체 코팅의 매끄러운 표면을 갖는, 하나의 유용한 다공성 전도성 탄소 섬유 종이는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 쓰리엠(3M) 2979 MRC CP4, 파트(part) 번호 44-0050-2701-4로 입수가능하다.

일부 실시 형태에서, 다공성 유전체 검출 층은 강성이거나, 뒤틀려있거나, 또는 강성이면서 뒤틀려있는 단량체 단위들 사이에 다이벤조다이옥산 연결체를 함유하는 고유 미공성 중합체를 포함하는 흡수흡착 재료를 포함한다. 다공성 유전체 검출 층은 제1 및 제2 전도성 전극이 전기적으로 접촉하지 않도록 이들을 이격시킨다.

선택적 다공성 유전체 분리막(150)은, 존재할 경우, 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 사이의 전기적 단락을 방지하는 역할을 한다. 바람직하게는, 그것은 분석물이 그의 두께를 통해 확산될 수 있을 만큼 충분히 다공성이지만; 이는 필요조건은 아니다. 바람직하게는, 선택적 다공성 유전체 분리막은 제1 및 제2 전도성 전극 중 적어도 하나와 적어도 동연적(coextensive)이지만, 이는 필요조건은 아니다. 분리막에 적합한 재료의 예에는 종이, 미공성 중합체 필름 (예를 들어, 미공성 폴리프로필렌 필름), 및 부직물 (예를 들어, 멜트스펀(meltspun) 또는 블로운(blown) 미세섬유 웨브)이 포함된다.

선택적 유전체 기판은 예를 들어 유전체 재료의 연속 슬래브(slab), 층 또는 필름을 포함할 수 있다. 유전체 기판은 그것이 센서 요소에 물리적 강도 및 완전성을 제공하는 역할을 할 수 있도록 제1 전도성 전극에 충분히 근접하게 배치된다. 예를 들어 유리, 세라믹 및/또는 플라스틱을 포함한 임의의 적합한 유전체 재료가 사용될 수 있다. 대규모 생산에서, 예를 들어 폴리에스테르 또는 폴리이미드 필름 또는 시트와 같은 중합체 필름이 유용할 수 있다.

원할 경우, 제1 및/또는 제2 전도성 전극은 전극과 전기적으로 접촉하는, 그에 부착된 전도성 리드(lead) (예를 들어, 와이어)를 가질 수 있다. 바람직하게는, 제1 및 제2 전도성 전극은 적어도 실질적으로 평행 (예를 들어, 평행)하지만, 이는 필요조건은 아니다.

흡수흡착 재료(135)는, 미공성이고 그의 내부 내에 하나 이상의 분석물 증기를 흡수할 수 있는 임의의 재료 (예를 들어, 무기 또는 유기)일 수 있다. 이와 관련하여, 용어 "미공성의" 및 "미공성"은 재료가 상당한 양의 내부, 상호연결된 기공 부피를 가지며, 이때 (예를 들어, 등온 흡수흡착 과정에 의해 특성화된 바와 같은) 평균 기공 크기가 약 100 nm 미만, 전형적으로 약 10 nm 미만임을 의미한다. 그러한 미공성은, 분석물 (존재하는 경우)의 분자가 재료의 내부 기공 부피에 침투하여 내부 기공 내에 체재할 수 있을 것임을 제공한다. 내부 기공 내의 그러한 분석물의 존재는 유전상수 (또는 임의의 다른 적합한 전기적 특성)의 변화가 관찰될 수 있도록 재료의 유전 특성을 변경시킬 수 있다.

일부 실시 형태에서, 유전체 미공성 재료는 이른바 고유 미공성을 갖는 중합체 (PIM)를 포함한다. PIM은 중합체 사슬의 비효율적인 패킹으로 인해 나노미터-규모의 기공을 갖는 중합체 재료이다. 예를 들어, 문헌[Chemical Communications, 2004, (2), pp. 230-231, Budd et al.]에, 강성이고/이거나 뒤틀린 단량체 빌딩 블록(building block)들 (즉, 단량체 단위들) 사이의 다이벤조다이옥산 연결체를 함유하는 일련의 고유 미공성 재료가 보고된다. 이러한 중합체들 군의 대표 구성원에는 도식 1에 따라 표 1에 나타낸 바와 같은 성분 A (예컨대, A1, A2, 또는 A3)와 성분 B (예컨대, B1, B2, 또는 B3)의 축합에 의해 생성된 것들이 포함된다.

[도식 1]

[표 1]

추가의 적합한 성분 A 및 성분 B와, 생성되는 고유 미공성 중합체가, 예를 들어, 버드(Budd) 등의 문헌[Journal of Materials Chemistry, 2005, Vol. 15, pp. 1977-1986]에; 맥권(McKeown) 등의 문헌[Chemistry, A European Journal, 2005, Vol. 11, pp. 2610 - 2620]에; 가넴(Ghanem) 등의 문헌[Macromolecules, 2008, vol. 41, pp. 1640-1646]에; 가넴 등의 문헌[Advanced Materials, 2008, vol. 20, pp. 2766-2771]에; 카르타(Carta) 등의 문헌[Organic Letters, 2008, vol. 10(13), pp. 2641-2643]에; 국제특허 공개 WO 2005/012397 A2호 (맥권 등)에; 및 미국 특허 공개 제2006/0246273호 (맥권 등)에 보고된 바와 같이, 당업계에 공지되어 있다.

그러한 중합체는, 예를 들어, 염기성 조건하에서, 예를 들어, A1 (5,5',6,6'-테트라하이드록시-3,3,3',3'-테트라메틸-1,1'-스피로비스인단)과 같은 비스-카테콜이, 예를 들어, B1 (테트라플루오로테레프탈로니트릴)과 같은 플루오르화 아렌과 반응하게 되는 단계-성장 중합에 의해 합성될 수 있다. 생성된 중합체의 골격의 강성 및 뒤틀린 속성으로 인하여, 이들 중합체는 고체 상태에서 조밀하게 패킹될 수 없으며 따라서 10% 이상의 자유 부피를 갖고 고유 미공성이다.

PIM은 다른 재료와 블렌딩될 수 있다. 예를 들어, PIM은, 그 자체가 흡수성 유전체 재료가 아닌 재료와 블렌딩될 수 있다. 분석물 증기 응답에 기여하지 않을지라도, 그러한 재료는 다른 이유 때문에 유용할 수 있다. 예를 들어, 그러한 재료는 우수한 기계적 특성 등을 갖는 PIM-함유 층의 형성을 허용할 수 있다. 일 실시 형태에서, PIM은 다른 재료와 함께 통상의 용매 중에 용해되어 균질한 용액을 형성할 수 있는데, 이 균질한 용액은 PIM과 다른 중합체(들) 둘 모두를 포함하는 흡수성 유전체 블렌드 층을 형성하도록 캐스팅될 수 있다. PIM은 또한 흡수성 유전체 재료인 재료 (예를 들어, 제올라이트, 활성탄, 실리카 겔, 과다-가교결합된 중합체 네트워크 등)와 블렌딩될 수 있다. 그러한 재료는 PIM 재료를 포함하는 용액 중에 현탁된 불용성 재료를 포함할 수 있다. 그러한 용액/현탁물의 코팅 및 건조는 PIM 재료와 추가의 흡수성 유전체 재료 둘 모두를 포함하는 복합 흡수성 유전체 층을 제공할 수 있다.

PIM은, 예를 들어, 테트라하이드로푸란과 같은 유기 용매에 전형적으로 용해성이며, 이에 따라 (예를 들어, 스핀-코팅, 딥 코팅, 또는 바아 코팅에 의해) 용액으로부터 필름으로서 캐스팅될 수 있다. 그러나, 이들 중합체의 용액으로부터 제조되는 필름의 특성들 (액세스가능한 두께, 광학 투명성, 및/또는 외양)은 필름을 캐스팅하는 데 사용되는 용매 또는 용매 시스템에 따라 현저하게 달라질 수 있다. 예를 들어, 더 큰 분자량의 고유 미공성 중합체는, 본 명세서에 기재된 바와 같은 증기 센서에 사용하기에 바람직한 특성을 갖는 필름을 생성하기 위해서, 비교적 흔치 않은 용매 (예를 들어, 사이클로헥센 옥사이드, 클로로벤젠, 또는 테트라하이드로피란)로부터 캐스팅될 필요가 있을 수 있다. 용액 코팅 방법에 더하여, 검출 층은 임의의 다른 적합한 방법에 의해 제1 전도성 전극에 적용될 수 있다.

PIM이 흡수성 유전체 층을 구성하도록 침착 (예를 들어, 코팅)되거나 달리 형성된 후에, 이 재료는, 예를 들어, 비스(벤조니트릴)팔라듐(II) 다이클로라이드와 같은 적합한 가교결합제를 사용해 가교결합될 수 있다. 이러한 공정은 흡수성 유전체 층이 유기 용매 중에서 불용성이 되게 할 수 있고/있거나, 소정 응용에서 바람직할 수 있는 내구성, 내마모성 등과 같은 소정 물리적 특성을 향상시킬 수 있다.

PIM은 소수성일 수 있어서, 재료가 현저히 팽윤하거나 달리 물리적 특성의 현저한 변화를 나타내는 정도로 액체 물을 흡수하지는 않을 것이다. 그러한 소수성 특성은 물의 존재에 상대적으로 민감하지 않은 유기 분석물 증기 센서 요소를 제공하는 데 유용하다. 그러나, 이 재료는 특정 목적을 위해 상대적으로 극성인 모이어티(moiety)를 포함할 수 있다.

대안적으로, 정전용량 센서 요소를 사용하여 습도를 검출하는 실시 형태에서, 검출 층은 바람직하게는 친수성이다. 예를 들어, 검출 층은 하기를 포함하는 단량체 단위를 갖는 공중합체를 포함할 수 있다:

및

식 중, M은 H (즉, 수소), 또는 알칼리 금속 (예컨대, 리튬, 나트륨, 또는 칼륨)을 나타낸다.

그러한 공중합체는 예를 들어 미국 특허 제7,348,088호 (햄록(Hamrock) 등)에 기재되어 있다. 일 실시 형태에서, 공중합체는 하기 화학량론적 화학식으로 표시되는 세그먼트(segment)를 갖는 랜덤 공중합체일 수 있다:

식 중, m 및 n은 양의 정수 (즉, 1, 2, 3 등)이고, M은 상기 정의된 바와 같다. 예를 들어 퍼플루오로알킬기 또는 퍼플루오로알콕실기와 같은 다른 펜던트기도 존재할 수 있다. 전형적으로, 다른 어떤 펜던트기도 공중합체 내에 실질적으로 존재하지 않으며 (예로서, 5 몰 퍼센트 미만); 더욱 전형적으로, 다른 어떤 펜던트기도 존재하지 않는다.

공중합체는 테트라플루오로에틸렌과 4'-플루오로설포닐-1',1',2',2',3',3',4',4'-옥타플루오로부틸옥시-1,2,2-트라이플루오로에틸렌 (즉, CF₂=CFO(CF₂)₄SO₂F)과의 공중합, 이어서 설포닐 플루오라이드의 알칼리 금속 설포네이트 형태 또는 설폰산 형태로의 염기성 가수분해에 의해 제조될 수 있다. 추가의 공단량체가 포함되어 공중합체 내에서 퍼플루오로알킬 또는 퍼플루오로알킬 에테르 펜던트기를 제공할 수 있다. 비닐리덴 플루오라이드도 단량체로서 사용될 수 있다. 중합은 수성 유화 중합을 포함한, 임의의 적합한 방법에 의하여 달성될 수 있다. 공중합체는 전형적으로 설포네이트 균등물 당 500 그램 이상, 더욱 전형적으로는 설포네이트 균등물 당 650 그램 이상, 그리고 더욱 전형적으로는 설포네이트 균등물 당 750 그램 이상의 설포메이트 당량 (즉, 하나의 -SO₃M 기를 갖는 공중합체의 중량)을 가질 수 있다. 공중합체는 전형적으로 설포네이트 균등물 당 1200 그램 미만, 더욱 전형적으로는 설포네이트 균등물 당 1100 그램 미만, 또는 심지어는 설포네이트 균등물 당 1000 그램 이하의 설포네이트 당량을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 공중합체는 설포네이트 균등물 당 500 내지 1000 그램의 범위의 설포네이트 당량을 갖는다.

구매가능한 공중합체들의 예로는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 쓰리엠 퍼플루오로설폰산 이오노머 (3M PERFLUOROSULFONIC ACID IONOMER)로 입수가능한 것들이 포함된다.

검출 층은 임의의 적합한 기술에 의해 (예를 들어, 전도성 전극 상에) 침착될 수 있다. 용매 또는 물로부터 캐스팅하고, 이어서 가열하여 검출 층을 건조 및 선택적으로 어닐(anneal)하는 것은, 전형적으로 효과적인 방법이다. 원할 경우, 플루오로설포닐화 공중합체 전구체가 상기에 논의된 바와 같이 용매로부터 캐스팅되고, 이어서 가수분해될 수 있다.

유전체 미공성 재료가 유기실리케이트 재료인 흡수성 정전용량 센서 요소에 관한 추가 상세사항이 국제특허 공개 WO 2010/075333 A2호 (토마스(Thomas))에 기술되어 있다.

검출 층은 임의의 두께를 가질 수 있지만, 전형적으로는 약 100 나노미터 (nm) 내지 1 밀리미터의 범위이다. 더욱 전형적으로, 검출 층은 500 nm 내지 10 마이크로미터, 또는 심지어 700 nm 내지 3500 nm의 범위의 두께를 갖는다.

PIM을 포함하는 흡수성 정전용량 센서 요소의 제조 및 그의 작동 원리에 관한 추가 상세사항이, 예를 들어 미국 특허 공개 제2011/0045601 A1호 (그리스카 등) 및 제2011/0031983 A1호 (데이비드(David) 등), 및 발명의 명칭이 "센서 요소, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 센서 장치(Sensor Element, Method of Making the Same, and Sensor Device Including the Same)" (팔라조토(Palazzotto) 등)인 미국 가출원 제61/388,146호에서 찾아질 수 있다.

검출 층은 예를 들어 착색제, 잔여 유기 용매, 충전제 및/또는 가소제와 같은 하나 이상의 추가 성분을 포함할 수 있다.

일 실시 형태에서, 유전체 미공성 재료는 연속적인 매트릭스를 포함한다. 그러한 매트릭스는 재료의 고형 부분이 (전술된 바와 같은 다공성의 존재, 또는 이하에서 논의되는 바와 같은 선택적 첨가제의 존재와 상관없이) 연속적으로 상호연결되는 집합체 (예를 들어, 코팅, 층 등)로서 정의된다. 즉, 연속적인 매트릭스는 입자들의 응집체 (예를 들어, 제올라이트, 활성탄, 또는 탄소 나노튜브 등)를 포함하는 집합체와는 구별가능하다. 예를 들어, 용액으로부터 침착된 층 또는 코팅은 전형적으로 (코팅 자체가 패턴화된 방식으로 적용되고/되거나 미립자 첨가제를 포함할지라도) 연속적인 매트릭스를 포함할 것이다. 분말 분무, 분산물 (예를 들어, 라텍스)의 코팅 및 건조를 통해, 또는 졸-겔 혼합물의 코팅 및 건조에 의해 침착된 입자들의 모임은 연속적인 네트워크를 포함하지 않을 수 있다. 그러나, 그러한 라텍스, 졸-겔 등의 층이 개별 입자들이 더 이상 식별가능하지도 않고 상이한 입자들로부터 얻어졌던 집합체의 영역들을 식별하는 것이 가능하지도 않도록 압밀될 수 있는 경우에는, 그러한 층은 연속적인 매트릭스인 것으로 간주될 수 있다.

본 발명에 따른 커패시턴스-관련 특성의 센서 요소는 예를 들어 (예를 들어, 접착 테이프, 접착제를 이용한 접착에 의해) 선택적 유전체 기판 상에 제1 전도성 전극을 배치함으로써 제조될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 선택적 기판은 센서 요소의 제작 동안 사용되고, 이후에 제거될 수 있다. 그러한 경우에, 그것은 바람직하게는 제1 전도성 전극에 제거가능하게 접착된다.

다음, 적합한 유기 용매 중 유전체 미공성 재료가, 전형적으로 용매 코팅법을 이용하여 용매 중 용액으로서 제1 전도성 전극 상에 침착되며, 임의의 잔여 용매는 적어도 실질적으로 제거된다. 대안적으로, 검출 층이 필름 형태인 경우, 가열 및/또는 가압 라미네이션이 이용될 수 있다. 마지막으로, 제2 전도성 전극이, 전형적으로 가열 및/또는 가압 라미네이션에 의해 유전체 미공성 재료 상에 배치된다. 그러한 일반적인 코팅 및 라미네이션 방법은 당업계에 잘 알려져 있다. 조작 회로에의 연결을 용이하게 하기 위하여, 제1 및 제2 전도성 전극 각각에 전도성 리드 (예를 들어, 금속 와이어, 핀, 소켓, 또는 다른 단자)를 부착시키는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명은 또한 분석물 증기를 분석하는 방법을 제공한다. 본 방법은 본 발명에 따른 센서 요소 (즉, 유기 화합물 증기 및/또는 수증기를 흡수흡착할 수 있는 검출 층을 갖춘 것)를 제공하는 단계와; 센서 요소를 분석물 증기에 노출시키는 단계와; 그 후 센서 요소의 커패시턴스 또는 다른 전기적 특성 중 적어도 하나를 측정하는 단계를 포함한다. 센서 요소의 커패시턴스 또는 다른 전기적 특성을 측정하기 위하여, 제1 및 제2 전도성 전극은 원하는 전기적 특성 (예를 들어, 커패시턴스)을 측정하고 바람직하게는 나타낼 수 있는 조작 회로에 전기적으로 연결된다.

원할 경우, 센서 요소는 온도 변화로 인한 가변성을 제거하기 위하여 주위 온도보다 높은 온도 (예를 들어, 30℃ 이상, 40℃ 이상, 또는 심지어 50℃ 이상)에서 가열될 수 있다. 일반적으로, 센서 요소는 정확도를 보장하기 위해 측정될 분석물 증기의 공지된 농도 (이에 의해 보정 데이터를 생성함) 및 기준 제로 농도 (즉, 기준 기선)를 사용하여 보정되어야 한다. 사용 중에, 센서 요소는 분석물 증기에 노출되고 전형적으로 평형화에 충분한 시간이 허용되지만, 이는 필요조건은 아니다. 그 후, 커패시턴스 (또는 다른 전기적 특성)가 측정되며, 기준 기선이 차감되어 교정된 커패시턴스를 제공하는데, 이 교정된 커패시턴스는 분석물 증기의 증기 농도 및/또는 아이덴티티를 결정하기 위해 적절한 보정 데이터와 직접적으로 또는 간접적으로 비교될 수 있다. 원할 경우, 분석물 증기를 함유하는 샘플은 기준 데이터와의 비교를 위한 응답 곡선을 생성하기 위해 분석되는 다수의 희석물로 분할될 수 있다.

적합한 조작 회로는 당업계에 잘 알려져 있으며, 예를 들어, LCR 미터(meter), 멀티미터(multimeter), 및 다른 전자 측정 장치를 포함한다. 이와 관련하여, 용어 "조작 회로"는 일반적으로 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극에 전압을 인가 (이에 따라 전극들에 전하 차이를 부여)하는 데, 그리고/또는 센서 요소의 전기적 특성을 모니터링하는 데 사용될 수 있는 전기 장치를 지칭하는데, 여기서 전기적 특성은 유기 분석물의 존재에 응답해 변할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 조작 회로는 인덕턴스, 커패시턴스, 전압, 저항, 컨덕턴스, 전류, 임피던스, 위상각, 손실률(loss factor), 또는 소산(dissipation) 중 임의의 것 또는 이들의 조합을 모니터링할 수 있다.

그러한 조작 회로는 전극들에의 전압의 인가 및 전기적 특성의 모니터링 둘 모두를 행하는 단일 장치를 포함할 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 그러한 조작 회로는 2개의 별개의 장치들, 즉 전압을 제공하기 위한 하나의 장치 및 신호를 모니터링하기 위한 하나의 장치를 포함할 수 있다. 조작 회로는 전형적으로 전도성 부재들에 의해 제1 전도성 전극에 그리고 제2 전도성 전극에 전기적으로 결합된다.

정전용량 센서 요소를 이용한 분석물 증기의 측정에 관한 추가의 상세사항은 예를 들어 발명의 명칭이 "보정 정보를 포함하는 전자 장치 및 이의 사용 방법(Electronic Device Including Calibration Information and Method of Using the Same)" (강(Kang) 등)인 미국 가출원 제61/475014호; 발명의 명칭이 "휘발성 유기 화합물의 검출 방법(Method of Detecting Volatile Organic Compounds)" (강 등)인 미국 가출원 제61/475000호; 발명의 명칭이 "일체형 가열을 갖는 센서 요소를 포함하는 증기 센서(Vapor Sensor Including Sensor Element with Integral Heating)" (팔라조토 등)인 미국 가출원 제61/475009호; 발명의 명칭이 "습도 센서 및 이를 위한 센서 요소(Humidity Sensor and Sensor Element Therefor)" (그라이스카(Gryska) 등)인 미국 가출원 제61/494578호; 및 발명의 명칭이 "기체 상태의 매질 중 비공지된 유기 화합물의 확인 및 정량적 측정 방법(Method for Identification and Quantitative Determination of an Unknown Organic Compound in a Gaseous Medium)" (그라이스카 등)인 미국 가출원 제61/569987호에서 찾아볼 수 있다.

본 발명의 엄선된 실시 형태

제1 실시 형태에서, 본 발명은 센서 요소로서,

제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 중 적어도 하나는 다공성이고, 다공성 유전체 검출 층은 단량체 단위들 사이에 다이벤조다이옥산 연결체를 함유하는 고유 미공성 중합체를 포함하는 흡수흡착 재료를 포함하고, 단량체 단위들은 강성이거나, 뒤틀려있거나, 또는 강성이면서 뒤틀려 있고, 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극의 내측 표면들은 적어도 다공성 유전체 검출 층의 두께만큼 분리된, 센서 요소를 제공한다.

제2 실시 형태에서, 본 발명은 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 중 적어도 하나의 내측 표면이 매끄러운, 제1 실시 형태에 따른 센서 요소를 제공한다.

제3 실시 형태에서, 본 발명은 다공성 유전체 분리막이 흡수흡착 재료 내에 배치되는, 제1 또는 제2 실시 형태에 따른 센서 요소를 제공한다.

제4 실시 형태에서, 본 발명은 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극 중 적어도 하나가 부직 탄소 천 또는 탄소 종이를 포함하는, 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태 중 어느 한 실시 형태에 따른 센서 요소를 제공한다.

제5 실시 형태에서, 본 발명은 상기 부직 탄소 천 또는 탄소 종이가 그 상부에 플루오로중합체를 포함하는 코팅을 갖는, 제4 실시 형태에 따른 센서 요소를 제공한다.

제6 실시 형태에서, 본 발명은 코팅이 탄소 입자를 추가로 포함하는, 제5 실시 형태에 따른 센서 요소를 제공한다.

제7 실시 형태에서, 본 발명은 제1 전도성 전극과 전기적으로 연결되는 제1 전도성 리드, 및 제2 전도성 전극과 전기적으로 연결되는 제2 전도성 리드를 추가로 포함하는, 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태 중 어느 한 실시 형태에 따른 센서 요소를 제공한다.

제8 실시 형태에서, 본 발명은 센서 요소의 제조 방법을 제공하며, 본 방법은,

제9 실시 형태에서, 본 발명은 제1 전도성 전극 또는 제2 전도성 전극 중 적어도 하나의 내측 표면이 매끄러운, 제8 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제10 실시 형태에서, 본 발명은 다공성 유전체 분리막이 흡수흡착 재료 내에 배치되는, 제8 실시 형태 또는 제9 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제11 실시 형태에서, 본 발명은 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극 중 적어도 하나가 부직 탄소 천 또는 탄소 종이를 포함하는, 제8 실시 형태 내지 제10 실시 형태 중 어느 한 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제12 실시 형태에서, 본 발명은 상기 부직 탄소 천 또는 탄소 종이가 그 상부에 플루오로중합체를 포함하는 코팅을 갖는, 제11 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제13 실시 형태에서, 본 발명은 코팅이 탄소 입자를 추가로 포함하는, 제12 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제14 실시 형태에서, 본 발명은

제1 전도성 전극에 제1 전도성 리드를, 그리고 제2 전도성 전극에 제2 전도성 리드를 부착하는 단계를 추가로 포함하는, 제8 실시 형태 내지 제13 실시 형태 중 어느 한 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제15 실시 형태에서, 본 발명은 분석물 증기를 분석하는 방법을 제공하며, 본 방법은,

센서 요소를 제공하는 단계로서, 센서 요소는,

센서 요소의 커패시턴스 또는 다른 전기적 특성 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 및

센서 요소의 커패시턴스 또는 다른 전기적 특성 중 상기 적어도 하나에 기초하여, 기체 상태의 샘플 중 분석물 증기의 양 또는 분석물 증기의 화학적 아이덴티티 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함한다.

제16 실시 형태에서, 본 발명은 제1 전도성 전극 또는 제2 전도성 전극 중 적어도 하나의 내측 표면이 매끄러운, 제15 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제17 실시 형태에서, 본 발명은 다공성 유전체 분리막이 흡수흡착 재료 내에 배치되는, 제15 실시 형태 또는 제16 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제18 실시 형태에서, 본 발명은 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극 중 적어도 하나가 부직 탄소 천 또는 탄소 종이를 포함하는, 제15 실시 형태 내지 제17 실시 형태 중 어느 한 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제19 실시 형태에서, 본 발명은 상기 부직 탄소 천 또는 탄소 종이가 그 상부에 플루오로중합체를 포함하는 코팅을 갖는, 제18 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제20 실시 형태에서, 본 발명은 코팅이 탄소 입자를 추가로 포함하는, 제19 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

제21 실시 형태에서, 본 발명은 센서 요소가 제1 전도성 전극과 전기적으로 연결되는 제1 전도성 리드, 및 제2 전도성 전극과 전기적으로 연결되는 제2 전도성 리드를 추가로 포함하는, 제15 실시 형태 내지 제20 실시 형태 중 어느 한 실시 형태에 따른 방법을 제공한다.

본 발명의 목적 및 이점이 하기의 비제한적인 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 언급되는 특정 재료 및 그의 양뿐만 아니라 기타 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

실시예

달리 나타내지 않는 한, 실시예 및 명세서의 나머지 부분에서 모든 부, 백분율, 비 등은 중량 기준이다.

시험 방법

VOC 측정 시험 방법

간단한 관류 전달 시스템을 이용하여 공지된 농도의 메틸 에틸 케톤 (MEK)을 측정용 센서로 전달하였다. 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 배관을 전달 시스템 전반에 걸쳐 사용하였다. 노출 농도는 시린지 펌프 및 5 ml 기밀 시린지에 의해 증발 플라스크 내로의 MEK 유동을 계량함으로써 생성하였다. 증발 플라스크는 기체 유량계에 의해 제어되는 10 L/min의 건조 공기 스트림과 함께 증발 과정을 향상시키기 위하여 42.5 mm 직경의 #1 타입 여과지를 포함하였다. (원하는 농도의 MEK 증기를 얻기 위한) 공기에 대한 유량 및 시린지 펌프의 설정점에 대한 계산을 문헌["Gas Mixtures: Preparation and Control" (Gary O. Nelson: Lewis Publishers, Boca Raton, Florida,1992)]의 방법에 따라 행하였다. 기체 상태의 스트림 중 MEK의 농도를 적외선 분광계 (미국 매사추세츠주 월섬 소재의 서모일렉트론(ThermoElectron)으로부터의 미란 사파이어(Miran Sapphire) 적외선 분광계)로 모니터링하였다. 기체 상태의 MEK 스트림을 센서를 포함하는 시험 챔버 (제어된 온도에서 유지됨) 내에 도입하였다. 센서의 전극을, 스프링-로딩된 프로브를 이용하여 LCR 미터 (미국 캘리포니아주 치노 소재의 인스텍 아메리카, 코포레이션(Instek America, Corp.)으로부터 인스텍(Instek) 모델 821 LCR 미터로 입수가능)를 포함하는 조작 회로에 연결하였다. 센서의 커패시턴스 (단위 : 피코패럿 (pF))의 변화를 VOC 증기 시험의 전체 과정 동안 특정 시간 간격으로 1 ㎑의 주파수 및 1 V에서 모니터링하였다.

상대 습도 (%) (% R.H.) 측정 시험 방법

간단한 관류 전달 시스템을 이용하여 공지된 수준의 % R.H.를 측정용 센서로 전달하였다. PTFE 배관을 전달 시스템 전반에 걸쳐 이용하였다. 증류수가 담긴 온도-제어된 증발 플라스크를 통한 10 L/min의 공기 유동에 의하여 노출 농도를 생성하였다. 이중벽 플라스크 내의 물의 온도를 브이더블유알(VWR)로부터의 가열/냉각 순환기에 의하여 제어하였고, 건조 공기의 공기 스트림을 매디슨(Matheson) 기체 유량계에 의하여 조절하였다. 기체 상태의 스트림에서의 % R.H. 수준을, 미국 코네티컷주 스탬포드 소재의 오메가 엔지니어링 인크.(Omega Engineering Inc.)로부터 입수가능한 iTHX-M 습도계 (Humidity Meter)를 이용하여 모니터링하였다. 가습된 공기를 센서를 포함하는 시험 챔버 (제어된 온도에 유지됨) 내로 도입하였다. 센서의 전극을, 스프링-로딩된 프로브를 이용하여 LCR 미터 (미국 캘리포니아주 치노 소재의 인스텍 아메리카, 코포레이션으로부터 인스텍 모델 821 LCR 미터라는 명칭으로 입수가능함)를 포함하는 조작 회로에 연결하였다. 센서의 커패시턴스 (단위 : 피코패럿 (pF))의 변화를 수증기 시험의 전체 과정 동안 특정 시간 간격으로 1 ㎑의 주파수 및 1 V에서 모니터링하였다. 그러한 낮은 동작 전위 및 높은 퍼터베이션 주파수(perturbation frequency)의 선택은, 측정된 기체 스트림에 존재하는 물을 전기분해하는 것과 연관된 임의의 가능한 패러데이 과정(Faradaic process)으로부터의 간섭이 없음을 보장하였다.

PIM 재료의 제조

일반적으로 버드 등의 문헌[Advanced Materials, 2004, Vol. 16, No. 5, pp. 456-459]에 보고된 절차에 따라 단량체들 5,5',6,6'-테트라하이드록시-3,3,3',3'-테트라메틸-1,1'-스피로비스인단 및 테트라플루오로테레프탈로니트릴로부터 PIM 재료를 제조하였다. 40.000 그램의 5,5',6,6'-테트라하이드록시-3,3,3',3'-테트라메틸-1,1'-스피로비스인단을 23.724 g의 테트라플루오로테레프탈로니트릴, 97.373 g의 탄산칼륨, 및 1016.8 g의 N,N-다이메틸포름아미드와 배합하고, 이 혼합물을 68℃에서 72시간 동안 반응시켰다. 이 중합 혼합물을 물에 붓고, 침전물을 진공 여과에 의해 단리하였다. 생성된 중합체를 테트라하이드로푸란에 2회 용해시키고, 메탄올로부터 침전시키고, 실온에서 공기 건조시켰다. 광 산란 검출을 이용하여 겔 투과 크로마토그래피 분석에 의해 결정되는 바와 같이, 수평균 분자량이 대략 41,900 g/몰인 황색 고체 생성물을 수득하였다.

실시예 1

이 실시예는 PIM-기반의 센서 요소의 제조를 기술한다. 클로로벤젠 중 5.5 중량%의 PIM (상기에 기술된 바와 같이 제조됨)의 용액을, 작은 병에서 상기 성분들을 혼합하고, 이를 롤러 밀 (미국 뉴저지주 밀빌 소재의 휘튼 사이언스 프로덕츠(Wheaton Science Products)로부터의 미니 보틀 롤러(Mini Bottle Roller) 번호 348920) 상에 약 3시간 동안 두고, 그 후 미국 미시간주 앤 아버 소재의 폴 라이프 사이언시즈(PALL Life Sciences)로부터의 1 마이크로미터 유리 섬유 막 필터 디스크를 갖춘 아크로디스크(ACRODISC) 25 MM 시린지 필터를 통해 여과시킴으로써 제조하였다. 형성된 임의의 버블이 빠져나갈 수 있도록 이 용액을 하룻밤 정치시켰다. 그 후, 이 PIM 용액을 모든 샘플의 제조에 사용하였다.

센서 요소를, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 획득한 전도성, 다공성 탄소 종이 (쓰리엠 2979 MRC CP4, 파트 번호 44-0050-2701-4)를 이용하여 도 2에 도시된 바와 같이 제조하였다. 일회용 전달 피펫으로부터 PIM 용액의 3개의 소적(220a)을, 두께가 0.21 mm이고 길이가 25 mm이고 폭이 12 mm인 탄소 종이 (하부 전극(210))의 L-형상 조각의 가장 매끄러운 표면 상에 침착시켰다. 다음, 미국 테네시주 멤피스 소재의 인터내셔널 페이퍼(International Paper)로부터 입수가능한 0.1 mm 두께의 해머밀(HammerMill) 인쇄지 (파트 번호 00500-7)(230)의 직사각형 조각 (27 mm × 14 mm)을 PIM 용액 위에 두었다. 이 단계는 용매가 종이를 습윤시키고 하부 전극 위에 고르게 확산되게 하였다. 다음, PIM 용액의 추가의 3개의 소적(220b)을 종이(240) 상에 직접 침착시키고, 확산되게 하였다. 마지막 단계에서, 하부 전극(210)과 동일한 재료로 구성된 상부 전극(250)을, 가장 매끄러운 면을 아래로 하여 PIM 재료의 상부 상에 세팅하고, 약한 압력을 인가하였다. 실온에서의 1시간의 건조 후, 상기 조립체를 100℃ 오븐에서 추가로 1시간 동안 가열하여 센서 요소(200)를 생성하였다. 센서의 총 두께는 0.55 mm였다. 상부 전극과 하부 전극 사이의 가능한 전기적 단락을 방지하기 위해 종이 스페이서만을 포함시켰다.

실시예 2

이 실시예는 이오노머-기반의 센서 요소의 제조를 보여준다. 825 g/당량의 쓰리엠 퍼플루오로설폰산 이오노머의, 중량 기준으로 60/40의 n-프로판올/물 용액 중 20 중량% 고형물을, 작은 병에서 상기 성분들을 혼합하고, 이를 롤러 밀 (미국 뉴저지주 밀빌 소재의 휘튼 사이언스 프로덕츠로부터의 미니 보틀 롤러, 파트 번호 348920) 상에 약 4시간 동안 두고, 그 후, 미국 미시간주 앤 아버 소재의 폴 라이프 사이언시즈로부터의 1 마이크로미터 유리 섬유 막 필터 디스크를 갖춘 아크로디스크 25 MM 시린지 필터를 통해 여과시킴으로써 제조하였다. 형성된 임의의 버블이 빠져나갈 수 있도록 이 용액을 하룻밤 정치시켰다. 그 후, 이 용액(330)을 모든 샘플의 제조에 사용하였다.

센서 요소(300)의 조립체가 도 3에 도시된다. 센서 요소를, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 획득한 다공성 전도성 탄소 섬유 종이 (쓰리엠 2979 MRC CP4, 파트 번호 44-0050-2701-4)를 이용하여 제조하였다. 이러한 0.21 mm 두께의 탄소 종이로부터, 50 mm × 50 mm 크기의 대칭형 십자가(310)를 절단하고, 이를 60 mm × 60 mm 판지 조각(315) 상에 배치하였다. 다음, 코팅 용액으로부터 재료의 일부분을 보호하기 위하여, 쓰리엠 컴퍼니로부터의 0.75 인치 폭의 매직 테이프(Magic Tape) #105 투명 테이프(325)를 사용하여, 상기 십자가의 두 측부를 덮고 판지에 이르기까지 테이핑하였다. 이 시점에서, 다공성 전도성 탄소 섬유 종이의 가장 매끄러운 표면은 위를 향하고 있었다. 그 후, 미국 펜실베이니아주 노스 웨일즈 소재의 로렐 테크놀로지즈 코포레이션(Laurell Technologies Corporation)으로부터의 모델 WS 400B-8NPP/LITE 스핀 코팅기를 이용하여 이오노머 용액(330)으로 스핀-코팅하였다. 샘플을 코팅하기 위하여, 이것을 스핀 코팅기 내에 넣고, 약 1 ml의 이오노머 용액을 샘플 상에 두었다. 각각의 샘플을 1000 rpm에서 60초 동안 회전시켰다. 그 후, 추가의 1 ml의 이오노머 용액을 두고, 4000 rpm에서 60초 동안 회전시켰다. 다음 단계에서, 테이프를 벗겨 내고, 코팅된 탄소 종이를 판지로부터 제거하고, 가위를 이용하여 절단선(350a, 350b)을 따라서 4개의 조각으로 나누었다. 그 후, 2개의 대각선 섹션을 함께 "샌드위치시켜" 2개의 센서 요소(300)를 구성하고, 그 후, 이것을 150℃ 오븐에서 15분 동안 경화시켰다. 각각의 센서 요소의 총 두께는 0.50 mm였다.

실시예 3

실시예 1에 따른 센서 요소를 준비하고, VOC 측정 시험 방법에 따라 시험하였다. 시험 전에, 센서를 오븐 내에서 150℃에서 15분 동안 가열하였다. 커패시턴스 측정은 50, 100, 200, 400 및 800 ppm(parts per million)의 건조 공기 중 MEK 증기를 이용하여 이루어졌으며, 이때 각각의 농도에 대하여 노출 시간을 20분으로 하였다. MEK 노출은 넓은 범위의 농도에 걸쳐 우수한 센서 감도를 나타냈다.

이들 실험 결과가 표 1 (하기)에서 ΔC/C_o 대 농도의 형태로 보고되며, 여기서, C_o는 MEK의 부재 하에서의 동일 온도에서의 센서 요소 기선 커패시턴스이며, ΔC는 측정된 커패시턴스와 기선 커패시턴스 사이의 차이이다.

[표 1]

실시예 4

실시예 2에 따른 센서 요소를 준비하고, 상대 습도 (%) 측정 시험 방법에 따라 시험하였다. 측정을 하기 전에, 센서 요소를 150℃ 오븐에서 15분 동안 가열하였다. 0.0% 내지 85.1%의 범위의 상이한 상대 습도 수준, 그리고 그 후 0.0%로 다시 감소시킨 것을 이용하여 측정을 하였다. 수분 노출은 넓은 범위의 % RH에 걸쳐 센서 요소의 우수한 감도를 나타냈으며, 이는 오메가 엔지니어링, 인크.(Omega Engineering, Inc.)로부터의 iTHX-M 습도계와 비견되었다. 결과가 표 2 (하기)에 보고되며, 여기서 C_o는 수증기의 부재 하에서의 동일 온도에서의 센서 요소 기선 커패시턴스이며, ΔC는 측정된 커패시턴스와 기선 커패시턴스 사이의 차이이다.

[표 2]

본 발명에 대한 다른 변경 및 변형이 첨부된 특허청구범위에 더 구체적으로 기술되는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 실시될 수 있다. 다양한 실시 형태의 태양들이 전체적으로 또는 부분적으로 상호교환될 수 있거나 다양한 실시예의 다른 태양과 조합될 수 있음이 이해된다. 특허증을 위한 상기 출원에 인용된 모든 참조문헌, 특허 또는 특허 출원들은 일관된 방식으로 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 포함된 참조문헌의 부분과 본 출원 사이에 불일치나 모순이 있는 경우, 상기의 기술내용의 정보가 우선할 것이다. 당업자가 청구된 개시내용을 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 제공된 상기의 기술내용은 특허청구범위 및 그의 모든 등가물에 의해 한정되는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims

센서 요소로서,
내측 표면 및 외측 표면을 가지며, 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하는 제1 전도성 전극;
내측 표면 및 외측 표면을 가지며, 다공성(porous)이고, 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하는 제2 전도성 전극; 및
두께를 갖고, 상기 제1 전도성 전극과 상기 제2 전도성 전극 사이에 배치되는 다공성 유전체 검출 층을 포함하며,
상기 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 중 적어도 하나는 다공성이고, 상기 다공성 유전체 검출 층은 단량체 단위들 사이에 다이벤조다이옥산(dibenzodioxane) 연결체를 함유하는 고유 미공성 중합체(Polymer of Intrinsic Microporosity; PIM)를 포함하는 흡수흡착 재료(sorbent material)를 포함하고, 상기 단량체 단위들은 강성(rigid)이거나, 뒤틀려있거나(contorted), 또는 강성이면서 뒤틀려 있고, 상기 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극의 상기 내측 표면들은 적어도 상기 다공성 유전체 검출 층의 상기 두께만큼 분리되고,
상기 제1 전도성 전극과 상기 제2 전도성 전극 사이의 전기적 단락을 방지하기 위해서 다공성 유전체 분리막 층이 상기 고유 미공성 중합체 내에 배치되고,
상기 다공성 유전체 분리막 층은 종이 층, 미공성 중합체 필름 또는 부직물 층을 포함하고,
상기 고유 미공성 중합체는 다공성 유전체 분리막 층의 적어도 양쪽에 배치되는, 센서 요소.
센서 요소를 제조하는 방법으로서,
제1 전도성 전극 상에 다공성 유전체 검출 층을 배치하는 단계; 및
상기 다공성 유전체 검출 층 상에 제2 전도성 전극을 배치하는 단계를 포함하며,
상기 다공성 유전체 검출 층은 흡수흡착 재료를 포함하고, 상기 제1 전도성 전극은 내측 표면 및 외측 표면을 가지며, 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하고,
상기 제2 전도성 전극은 내측 표면 및 외측 표면을 갖고, 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하며, 상기 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 중 적어도 하나는 다공성이며,
상기 다공성 유전체 검출 층은 두께를 갖고, 상기 제1 전도성 전극과 상기 제2 전도성 전극 사이에 배치되어 상기 전극들과 접촉하며, 상기 흡수흡착 재료는 단량체 단위들 사이에 다이벤조다이옥산 연결체를 함유하는 고유 미공성 중합체(Polymer of Intrinsic Microporosity; PIM)를 포함하고, 상기 단량체 단위들은 강성이거나 뒤틀려 있거나 또는 강성이면서 뒤틀려 있고, 상기 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극의 상기 내측 표면들은 적어도 상기 다공성 유전체 검출 층의 상기 두께만큼 분리되고,
상기 제1 전도성 전극과 상기 제2 전도성 전극 사이의 전기적 단락을 방지하기 위해서 다공성 유전체 분리막 층이 상기 고유 미공성 중합체 내에 배치되고,
상기 다공성 유전체 분리막 층은 종이 층, 미공성 중합체 필름 또는 부직물 층을 포함하고,
상기 고유 미공성 중합체는 다공성 유전체 분리막 층의 적어도 양쪽에 배치되는, 방법.
분석물 증기를 분석하는 방법으로서,
센서 요소를 제공하는 단계로서, 상기 센서 요소는,
내측 표면 및 외측 표면을 갖고 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하는 제1 전도성 전극,
내측 표면 및 외측 표면을 갖고 상호연결된 탄소 섬유들을 포함하는 제2 전도성 전극, 및
두께를 갖고, 상기 제1 전도성 전극과 상기 제2 전도성 전극 사이에 배치되는 다공성 유전체 검출 층을 포함하며, 상기 제1 전도성 전극과 제2 전도성 전극 중 적어도 하나는 다공성이고, 상기 다공성 유전체 검출 층은 단량체 단위들 사이에 다이벤조다이옥산 연결체를 함유하는 고유 미공성 중합체(Polymer of Intrinsic Microporosity; PIM)를 포함하는 흡수흡착 재료를 포함하고, 상기 단량체들은 강성이거나 뒤틀려있거나 또는 강성이면서 뒤틀려 있고, 상기 제1 전도성 전극 및 제2 전도성 전극의 상기 내측 표면들은 적어도 상기 다공성 유전체 검출 층의 상기 두께만큼 분리되고, 상기 제1 전도성 전극과 상기 제2 전도성 전극 사이의 전기적 단락을 방지하기 위해서 다공성 유전체 분리막 층이 상기 고유 미공성 중합체 내에 배치되고, 상기 다공성 유전체 분리막 층은 종이 층, 미공성 중합체 필름 또는 부직물 층을 포함하고, 상기 고유 미공성 중합체는 다공성 유전체 분리막 층의 적어도 양쪽에 배치되는, 센서를 제공하는 단계;
상기 분석물 증기를 포함하는 기체 상태의 샘플에 상기 센서 요소를 노출시키는 단계;
상기 센서 요소의 커패시턴스(capacitance) 또는 다른 전기적 특성 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 및
상기 센서 요소의 커패시턴스 또는 다른 전기적 특성 중 상기 적어도 하나에 기초하여, 상기 기체 상태의 샘플 중 상기 분석물 증기의 양 또는 상기 분석물 증기의 화학적 아이덴티티(identity) 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
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