HOT TECH - 세계최초 유해화학물질 검출 필름형 화학센서 개발
HOT TECH에서는 최신 산업기술의 특성, 업계동향 및 향후전망 등을 살펴봅니다.
최근 유해화학물질로 인한 안전사고가 빈번히 발생함에 따라 각종 유해화학물질관련 환경법(화평법, 화관법 등)이 매우 엄격해지고 있다.
이렇게 사회적으로 화학물질에 대한 국민의 안전이 최우선적으로 요구되는 환경하에 필름형 누액감지센서 전문업체인 (주)유민에쓰티가 물에는 반응하지 않고 각종 유해화학용액의 농도(WT%)에 따라 전기적 검출반응이 되는 ‘필름형 화학센서’를 세계최초로 개발 및 상용화에 성공하였다.
일반적으로 유해화학용액은 강산성 용액(불산, 황산, 염산, 질산, 인산 등), 강알칼리성 용액(가성소다, 수산화칼륨 등), 각종 맹독성 유기용제 및 석유화학 연료계통(연료, 톨루엔, 벤젠, 윤활유 등) 등이다.
각 산업계에서 유해화학용액 누출사고는 옥외저장시설과 각종 파이프라인의 이음부(연결부)에서 90%이상 발생하고 있다.
그러나 건물지하를 비롯해 땅속, 옥외에는 비, 눈, 이슬, 높은 습도, 서리, 각종 먼지가 많아 소량의 유해화학용액 누출만을 쉽게 검출하기가 어려웠다.
본 기술은 유해화학물질 각각의 특성에 맞게 맞춤형으로 검출이 가능하고, 누출된 맹독성 유해화학용액의 일정농도(WT%) 이상에서만 센싱반응하여 이를 전기적 신호로 변화시켜주어 누출경보를 발생시키는 신개념 필름센서이다.
정부의 엄격한 환경법 개정에 따른 각 산업계의 시설관리투자 및 안전사고 예방에 기술적, 자금적 고민을 한번에 해결해주는 한편, 유해화학용액 누출의 위험으로부터 국민의 안전을 지켜줄 수 있는 중요한 센서기술로 대두되고 있다.
그동안 누액검출센서시장은 프랑스의 T사, 미국의 R사·A사, 일본의 O사 등이 독점해왔다.
이러한 가운데 유민에쓰티가 독자적으로 개발한 센싱 신소재와 도전성잉크를 활용한 인쇄전자기술력을 토대로 다양한 신개념 필름형 액체누수·누액감지센서를 개발, 기존에 각광받던 포인트형 및 케이블형 센서의 단점을 보완하여 수입대체를 이뤄나가고 있다.
새로운 개념의 필름형 액체감지 센서
세계 액체감지센서에는 포인트센서, 밴드센서, 케이블센서와 유민에쓰티에서 개발한 필름형센서 등이 있다.
포인트센서는 Photo센서로 빛과 액체굴절에 따른 액체 유무를 감지하는 것이다. 한정된 국소부분 단순감지 및 제어성능 내장형 센서로서 전체를 커버하지 못하는 문제를 가지고 있다.
밴드센서는 2개의 금속선에 전류를 흘려 도선간의 액체 단락현상을 감지하는 것이다. 센서의 확장성에 따른 사용범위 한계와 습도에 민감하여 불량이 많다.
케이블센서는 저항값을 갖는 2개의 폴리머 도선을 꼬아서 조립, 액체 감지하는 것이다. 가격이 비싸고 이상에러, 설치 브라켓으로 인한 감지력 및 관리성 저하로 문제가 되고 있다.
이러한 상황에서 필름형센서의 등장은 액체감지센서 부분에서 새로운 개념을 제시하였다고 볼 수 있다.
필름형센서는 인쇄전자 기술력을 토대로 PET Film 위에 설계된 패턴을 프린트하여 누액된 위치(거리)감지 및 액체 유무를 감지하는 것이다.
모든 형태의 감지센서를 보다 저렴하게 손쉽게 대체 할 수 있는 획기적인 신제품이다.
짧은 길이로는 포인트센서를, 긴길이로는 케이블/밴드센서의 설치범위를 커버한다.
필름타입 접착식으로 벽면, 바닥면, 기계설비 내부는 물론 파이프 등에도 별도의 브라켓 없이 어느 장소에나 손쉽게 설치가 가능하고 최소 누액량(1㎖이상) 감지 및 응답속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다.
초기에 개발된 필름형센서는 전도성 액체라면 성질에 관계없이 곧바로 반응하는 문제가 지적되었다.
유해화학물질의 저장 특성상 건물 내부보다는 외부에 많이 설치되어 있고 내부에 설치되었다고 하더라도 액체량에 비례해 반응속도가 너무 빠르고 민감해 습기 및 결로에 의한 센서의 불안정신호가 자주 발생해 센서의 신뢰를 떨어뜨려 센서 신뢰도에 심각한 타격을 주는 일이 발생하였다.
이러한 센서의 문제점에 대해 센서의 감도를 조절하고 액체량에 비례해 반응할 수 있게 하는 것이 주요 해결과제로 떠올랐다.
또한 화학용액의 종류별, 함유량에 따라 별도의 센서를 통해 관리가 가능한 센서를 원하는 고객층이 많아지면서 전도성 액체 전체를 감지하는 기존 센서를 대체할 새로운 센서 개발이 절실히 필요한 시점이라고 볼 수 있다.
이러한 상황에서 유해화학물질 감지센서 개발은 화학물질의 감지를 우선으로 하는 고객의 특성을 반영하고 특정 물질만을 감지함으로써 센서의 신뢰성을 확보하는 방법을 제시하였다.
새로운 공법, 새로운 센서
① 새로운 공법을 통한 품질 개선
필름형센서의 기본 제조방식은 Gravure Printing으로 Roll to Roll을 이용한 기본적인 Printing 방식이라 할 수 있겠다.
하지만 기존 Gravure Printing 기술은 Pulsation에 의해 일정한 양의 도포를 할 수 없어 전도성 감지가 수월하지 않아 센서의 신뢰성을 떨어뜨리는 결과를 야기한다.
이러한 부분을 해결하기 위해 기존 Gravure Printing 방식에 Slot-Die Coating 방식을 도입하게 되는 계기가 되었다.
기존 Gravure Printing 방식은 그릇 부분에 도전성 액체를 담고 동판이 돌며 액체를 머금어 블레이드를 통과해 동판에 있는 Dot 부분에만 액체를 머금고 압력을 걸어 PET필름에 전이시키는 방식으로 인쇄를 하였다.
이러한 방식은 Roll의 압력 및 동판의 Dot 부분의 높낮이를 통해 인쇄의 굵기 및 두께를 결정하는 방식으로 센서의 검출능력에 따라 Roll의 압력 및 동판의 교체가 필요한 방식이었다.
그러나 Gravure Printing 기술로는 기존의 센서와 새로 개발된 화학센서의 요구조건을 충족시키기 어렵고 품질을 장담할 수 없는 방식이었다.
Slot-Die Coating 방식은 유동을 가지고 있는 액상의 유체를 무맥동 펌프 및 피스톤 펌프에 의해 금형 내부에 설계/가공된 상하의 금형판 사이로 액상을 공급하여 PET필름 진행방향으로 일정하고 균일한 두께로 코팅하는 방법으로서 기존의 센서와 새로 개발된 화학센서의 요구조건을 충족하였다.
Slot-Die Coating 방식은 공급부분부터 Slot-Die Coating부분까지 액체의 노출없이 공급되기에 점도의 변화가 없이 코팅이 가능해 점도 변화와 무맥동 정량펌프를 사용한 코팅을 통해 코팅층이 일정하게 도포가 가능하다.
또한 코팅 후 외관이 뛰어나며 코팅의 안정성 및 재현성이 뛰어나 도전성 감지가 고르게 되어 센서 신뢰도의 향상이 가능하다.
② 물에는 반응하지 않는 센서
기존 센서는 도전성 액체라면 성질에 관계없이 검출하는 감지방식으로 인해 설치 후 설치장소의 습기 및 도전성 물체로 인해 오감지를 하는 문제가 발생하여 센서 설치에 큰 문제로 대두되어 왔다.
고객의 물 검출 배제에 대한 끊임없는 요청에 의해 물이 검출되지 않는 유해화학센서가 개발되게 되었다.
LK14-T2-1001AC, LK14-T2-1002AK 센서로 명명된 유해화학센서는 기존의 물과 함께 검출하는 센서와는 다르게 물에는 장시간 반응하지 않는다.
누수감지센서는 PET필름 위에 도전성액체를 인쇄 후 타공된 필름을 압착·조립하여 타공부분에 액체가 들어가 도전되어 감지하는 방식으로 도전성 액체라면 성분에 관계없이 감지가 가능하다.
유해화학센서 역시 기본은 같으나 인쇄부분과 타공필름 사이에 특수처리된 코팅필름이 추가되어 물을 막고 있어 물이 검출
되지 않는다.
이번 유해화학센서의 핵심인 특수처리 코팅필름의 역할은 물이 회로에 닿지 못하게 하여 물을 감지할 수 없게 하고 화학용액을 감지할 수 있게 하기 위해 특수처리된 코팅이 화학용액과 결합하여 물을 생성하는 성질을 띠고 있다.
특수처리된 코팅부분은 유해화학물질의 종류 및 배율, 배합따라 여러가지 재료 배합을 통해 코팅층이 결정되고 이렇게 결정된 코팅층을 통해 고객이 원하는 감지시간 및 감지종류를 선택이 가능하다고 할 수 있다.
환경사고 발생 전 예방할 수 있는 또 다른 방법
화학사고는 일단 발생하면 확산속도가 빠르고 대규모 인명사고와 시설피해가 치명적이라는 특성이 있다.
이러한 사고를 초기에 발견해 조치할 수 있다면 산업현장뿐만 아니라 일상생활 속에서도 인적 재해 및 건물, 시설피해를 최소화시킬 수 있을 것이다.
생산현장의 유틸리티나 설비 등에 각종 물, 기름 및 유해화학용액(불산, 염산, 강산 등)누출을 감지할 수 있는 센서를 설치해 초기에 대응한다면 위험요소를 원천적으로 차단하여 대형사고로의 확산을 방지할 수 있을 것이다.
우리나라는 전세계적으로 IT강국 반열에 올라와 있지만 기초소재 및 부품 등 센서산업은 여전히 해외 선진국에 의존하면서 후진국 신세를 면치 못하고 있다.
산업통상자원부 센서산업발전전략에 따르면 대부분의 원천기반기술을 확보하고 있는 미국·일본·독일 등으로부터 수요의 대부분인 80% 이상을 수입에 의존하고 있는 실정이다.
이를 위해 낙후되어 있는 기초소재 및 부품 등 센서산업을 집중 육성하여 명실상부한 IT선진국답게 대응해 나가야 할 것이다.