휘발성 유기화합물 검출용 공액고분자 초미세 섬유센서 연구

Abstract

폴리다이아세틸렌 (polydiacetylene, PDA) 은 다이아세틸렌 (diacetylene, DA) 단량체의 중합체로서, 고분자 주쇄에 이중결합과 삼중결합이 교대로 존재하는 공액고분자 (conjugated polymer) 이고, 다양한 외부자극에 의해 청색-적색으로의 색전이를 일으키는 특성을 지닌다. 본 연구는 전기방사 법을 이용한 미세섬유 제조와 공액고분자인 폴리다이아세틸렌의 광학적인 특성을 결합한 신규 기능성 고분자 소재에 관한 것으로, top-down (electrospinning) 과 bottom-up (self-assembly) 프로세스를 동시에 이용하였다. 다이아세틸렌 단량체를 고분자 매트릭스와 혼합하여 전기방사한 결과 내부에 다이아세틸렌 단량체들이 자기조립된 마이크로 섬유를 얻을 수 있 었다. 이 섬유를 자외선 노광하여 청색의 폴리다이아세틸렌 마이크로 섬 유를 제조하였으며 온도, 용매 등의 자극에 의해서 색 및 형광의 변화가 유발됨을 확인하였다. 또한, 전기방사 섬유에 영향을 주는 요인을 조사하 기 위하여 실험을 진행한 결과, 전기방사에 사용되는 고분자 매트릭스의 종류와 고분자의 농도, 분자량에 따라 섬유의 형태가 변하는 것을 관찰하 였으며, 끓는점이 낮은 용매를 이용하여 다공성 초미세 섬유를 구현하였 다. 한편, 다이아세틸렌 유도체의 종류에 따라 다르게 나타나는 용매화 발색현상 (solvatochromism) 을 통해 특정 유기용매를 육안으로 식별할 수 있는 발색센서 (colorimetric sensor) 를 개발하였다. 이를 이용하여 두 가지 의 다이아세틸렌 유도체의 비율을 다르게 혼합하여 섬유를 제작하였고, 이러한 조합화학을 이용할 경우 다이아세틸렌 유도체 두 종류만로도 많은 종류의 유기용매를 판별할 수 있었다. 여러 종류의 DA 단량체를 다양하 게 조합하면 체계적인 휘발성 유기용매 (Volatile Organic Compound, VOC) 검출 시스템의 제작이 가능해질 것이다.; Polydiacetylenes (PDAs), prepared by 254 nm-UV irradiation of molecularly assembled diacetylene (DA) monomers, are conjugated polymers that consist of alternating ene-yne structures. The unique property of nanostructured PDAs that leads to their application as sensing elements is the occurrence of color (blue-to-red) and fluorescence (non-to-red) that take place in response to a variety of environmental perturbations. In this research, we have combined the novel optical properties of PDA and electrospinning technique. A solution containing DA monomers and polymer matrix was subjected to electrospinning. Interestingly, the randomly distributed DA monomers were found to self-assemble during fiber formation and afforded blue colored microfibers upon UV irradiation. The PDA-embedded fibers displayed both color and fluorescence changes upon exposure to heat, organic solvents, and specific receptors. The effect of various electrospinning conditions on the properties of PDAembedded fibers was investigated. Both the concentration and molecular weight of the matrix polymer significantly change the shape of the resulting fibers. In addition, the surface morphology of the electrospun fiber is dependent on the electrospinning solvent. In addition, silica-enforced PDA-embedded electrospun fibers were applied to a novel colorimetric sensor system. The organic solvent-dependent color change property (solvatochromism) of the PDA-embedded polymer mats allows for a straightforward “color pattern” procedure to differentiate between several common organic solvents. A combinatorial approach with structurally diverse DA monomers to increase the number of VOCs that can be distinguished by using this colorimetric method is currently being developed.