보호막을 이용한 유사 연료 식별 센서 연구

Abstract

휘발유와 경유는 자동차용 연료로 흔히 쓰인다. 이런 연료들은 정품을 사용할 경우 가격이 저렴하지 않으므로 다른 유기 용매와 섞어서 가품으로 만들어 판매하는 업자들이 있다. 유사 휘발유의 경우 정품 휘발유에 메탄올, 톨루엔, 씬너 등을 첨가하여 제조하며, 유사 경유의 경우 등유를 첨가하여 제조한다. 현재까지 이러한 유사 연료들을 검출하기 위해서 값비싼 장비들이 이용되어 왔으며 검출을 하기 위한 시간도 적지 않은 편이다. 최근에는 유사 휘발유 검출 센서가 개발이 되어 상용화 되었고 시중에서 판매 중이다. 공액 고분자인 Polydiacetylene (PDA) 를 Polystyrene (PS), Polymethylmethacrylate (PMMA) 등과 같은 고분자로 코팅을 한 뒤, 유사 휘발유를 한두 방울 떨어트려 색 변화를 관찰하여 이상 유무의 판단이 가능하다. 유사 휘발유의 구성 성분인 메탄올, 톨루엔 같은 용매에 대한 고분자의 용해도 및 PDA의 blue-to-red solvatochromism 현상을 이용하는 원리로 작동하는 센서이다. 경유의 대부분의 성분은 탄소수 8~21개의 alkane 탄화수소로 이루어져 있으며, 등유는 탄소수 6~16개의 alkane 탄화수소로 이루어져 있다. 경유의 가격이 더 고가 이므로 경유에 등유를 첨가하는 방식으로 유사 경유는 제조 되며 경유, 등유, 유사 경유들을 성분이 매우 유사하기 때문에 구분 하기란 상당히 어렵다. 또한 이러한 연료들을 아주 적은 시료로 구분 하기가 힘들다. 본 논문에서는 이러한 유사한 성분을 지니는 경유, 등유 및 유사 경유를 구별하는 센서 chip을 제조 하였다. 경유와 등유를 이루는 alkane 들은 paraffin wax 에 대해 다른 용해도를 보인다. 탄소수가 적을수록 paraffin wax에 대해 높은 용해도를 보이며, 탄소수가 증가 할수록 용해도는 감소를 한다. 그리고 PDA는 계면활성제인 Cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) 에 의해 blue-to red 색 전이 현상이 나타난다. 이러한 PDA와 CTAC를 paraffin wax로 분리를 하여 film으로 만들면, alkane의 탄소수에 의한 paraffin wax의 용해도 차이로 인해서 PDA와 CTAC가 만나게 되는 시간이 달라짐으로 이를 이용하여 경유, 등유 및 유사 경유를 구별 할 수 있는 것이다. 또한 간편한 필름 타입의 센서를 만듦으로써 시료 한두 방울 만으로도 식별이 가능하게 만드는 데에 목적이 있다. 등유를 구성하는 alkane 탄소 수는 경유에 비해서 짧으므로 paraffin wax를 가장 빨리 용해시켜 PDA와 CTAC가 만나게 해서 blue-to-red 색 전이 현상을 일으키고, 순수 경유의 경우 탄소수가 비교적 많으므로 paraffin wax를 용해시키는데 걸리는 시간이 오래 걸리며 색 전이 현상이 느리게 일어난다. 경유와 등유를 섞은 유사 경유의 경우에는 색 전이 현상이 나타나는 시간이 경유와 등유 사이에서 나타났다. 실제적으로 3분 이내에 경유, 등유, 50 % 유사 경유의 구별이 가능하였다. 경유에서는 색 전이 현상이 거의 나타나지 않았으며, 50 % 유사 경유 그리고 등유에서는 색 전이 현상이 크게 나타나서 손쉽게 구분을 할 수 있다.