필기용 칼라센서 소재 연구

Abstract

최근 사용이 간편하고 활용도가 높은 pen-on-paper 센서에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. MIT Swager 그룹에서 SWCNT를 사용하여 개발한 암모니아 가스를 검지하는 연필, 하버드 Lewis 그룹에서 개발한 전도성 silver 잉크를 제조한 볼펜, 한양대학교 Kim 그룹에서 다이아세틸렌 함유 마이크로 에멀젼 잉크를 함유한 볼펜을 대표적인 예로 들 수 있다. 본 연구에서는 외부자극에 의해 색전이 현상을 가지는 폴리다이아세틸렌과 파라핀왁스를 사용하여 pen-on-paper 센서를 개발하였다. 파라핀왁스는 상온에서 고체 상태로 지지체로써 성형 가공성과 안정성이 뛰어날 뿐만 아니라 다이아세틸렌이 광중합에 의해 고분자를 형성하는데 영향을 미치지 않는다는 장점이 있기 때문에, 파라핀왁스와 다이아세틸렌 단량체를 용융시켜 손으로 쓸 수 있는 폴리다이아세틸렌-pen-on-paper 센서를 제작하였다. PCDA-pen-on-paper 센서의 경우 자외선 조사에 의해 손쉽게 poly(PCDA)-pen-on-paper 센서를 제작할 수 있으며, PCDA-mBzA 경우 따로 자외선 조사 없이 열 중합에 의해 청색의 poly(PCDA-mBzA)-pen-on-paper 센서를 제작이 가능하였다. IR 과 XRD 구조 분석을 통해 파라핀 왁스와 다이아세틸렌 단량체는 서로 반응하지 않고 파라핀왁스 사이사이에 다이아세틸렌 단량체가 섞여있는 형태로 존재하는 것으로 예측할 수 있었다. 개발한 폴리다이아세틸렌-pen-on-paper 센서는 종이나 유리와 같은 다양한 기질 위에 직접 쓸 수 있었으며, 열, 손으로 가하는 물리적 자극, 유기용매에 의해 청색에서 적색으로 색전이 현상이 나타나는 특징을 보였다. 그뿐만 아니라, 지지체로 사용한 파라핀왁스와 다이아세틸렌 단량체를 모두 용융시켜 제작한 경우, 파라핀왁스의 녹는점에 따라 폴리다이아세틸렌의 색전이 온도를 다양하게 조절할 수 있는 특징을 보였다. 이 방법을 사용하여 기존의 poly(PCDA)의 색전이 온도인 70 ℃ 보다 최대 30 ℃나 낮은 온도에서 색전이 현상이 나타나도록 조절이 가능하였다. 마지막으로 파라핀왁스와 다이아세틸렌 단량체의 상호관계를 알아보기 위해 현미경을 통해 결정의 형태를 관찰하였다. 그 결과 용융된 파라핀왁스 내에서 다이아세틸렌 단량체가 사각형 형태의 결정을 형성하며 초기상태보다 약 9.4배 성장하는 것을 관찰할 수 있었다. 성장한 다이아세틸렌 단량체 결정에 자외선을 조사한 경우, 쉽게 청색의 폴리다이아세틸렌이 형성되는 것을 관찰할 수 있었으며, 열을 가함에 따라 가장자리부터 적색으로 변하면서 한쪽 축으로만 수축하며 색이 변하는 것을 육안으로 관찰하였다.|Recently, development of pen-on-paper sensors has been a topic of great interest since direct writing of 2D images on paper substrates is possible and thus it enables fabrication of flexible, light-weight and disposable devices. Representative examples of pen-on-paper sensors are a SWCNT pencil that is designed to detect NH3 gas in, a conductive silver nanoparticle ink pen, and a diacetylene ink pen. This thesis study focused on the fabrication of a pen-on-paper sensor system based on a crayon-type of polydiacetylene-embedded paraffin wax. Mixing and molding of diacetylene monomer and paraffin wax at above melting point of the wax allowed a facile fabrication of a diacetylene crayon. UV irradiation of the diacetylene containing crayon resulted in the generation of blue-colored polydiacetylene in the paraffin wax. The blue-colored polydiacetylene crayon displayed typical stimulus-responsive colorimetric properties of the polymer including thermochromism, solvatochromism and mechanochromism. Very interestingly, the thermochromic transition temperature of the polydiacetylene crayon was readily manipulated by choosing proper paraffin waxes that have different melting points. In order to gain information on the molecular interaction between diacetylene monomers and waxes, FTIR and XRD data were collected. Analysis of these data suggested that the supramolecular assembly of diacetylene monomers was not significantly affected by the presence of the wax. The size of a diacetylene crystal increases in the presence of wax and reaches to 9.4 time of the initial crystal size, indicating the wax component form complex with the monomer. Upon polymerization and subsequent heating of the crystal resulted in a drastic shrinkage of the crystal along with a blue-to-red color transition. The wax component is believed to escape from the polydiacetylene composite and create some voids that allow rotation of the conjugated backbone of the polydiacetylene, affording the colorimetric transition of the polymer.; Recently, development of pen-on-paper sensors has been a topic of great interest since direct writing of 2D images on paper substrates is possible and thus it enables fabrication of flexible, light-weight and disposable devices. Representative examples of pen-on-paper sensors are a SWCNT pencil that is designed to detect NH3 gas in, a conductive silver nanoparticle ink pen, and a diacetylene ink pen. This thesis study focused on the fabrication of a pen-on-paper sensor system based on a crayon-type of polydiacetylene-embedded paraffin wax. Mixing and molding of diacetylene monomer and paraffin wax at above melting point of the wax allowed a facile fabrication of a diacetylene crayon. UV irradiation of the diacetylene containing crayon resulted in the generation of blue-colored polydiacetylene in the paraffin wax. The blue-colored polydiacetylene crayon displayed typical stimulus-responsive colorimetric properties of the polymer including thermochromism, solvatochromism and mechanochromism. Very interestingly, the thermochromic transition temperature of the polydiacetylene crayon was readily manipulated by choosing proper paraffin waxes that have different melting points. In order to gain information on the molecular interaction between diacetylene monomers and waxes, FTIR and XRD data were collected. Analysis of these data suggested that the supramolecular assembly of diacetylene monomers was not significantly affected by the presence of the wax. The size of a diacetylene crystal increases in the presence of wax and reaches to 9.4 time of the initial crystal size, indicating the wax component form complex with the monomer. Upon polymerization and subsequent heating of the crystal resulted in a drastic shrinkage of the crystal along with a blue-to-red color transition. The wax component is believed to escape from the polydiacetylene composite and create some voids that allow rotation of the conjugated backbone of the polydiacetylene, affording the colorimetric transition of the polymer.