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양식 5 작품 설명서 표지 작품번호 38 제55회 경기도과학전람회 시온 물감의 특징과 활용방법에 대한 연구 출품분야 학생 출품부문 화학 2009. 5. 13 시 군 학 교 (소 속) 학 년 (직 위) 성 명 성남시 서현고등학교 2 송채현, 노수현 지도교사 안산동산고등학교 교 사 반은기

목 차 목 차... ⅰ 표 목 차... ⅱ 그림목차... ⅲ 1. 서론 가. 연구의 필요성 및 목적... 1 나. 연구 문제... 1 2. 이론적 배경 가. 시온 물질 (카멜레온 물질)의 특징 연구... 2 나. 시온 물질의 기본원리와 종류... 3 다. 시온 물질의 역사... 4 라. 시온 물질의 활용분야... 5 마. 시온물질의 특성 및 사용상의 주의사항... 6 3. 연구 방법 및 절차 가. 시온물감의 민감도에 대한 실험... 7 나. 시온물감의 안정성에 대한 실험... 9 다. 실험에 사용한 여러 가지 장비... 15 4. 연구 결과 가. 시온물감의 민감도에 대한 실험... 16 나. 시온물감의 안정성에 대한 실험... 24 5. 결론... 31 6. 참고 자료... 32 i

[Table Contents] Table 1 Electron Donor Compound... 3 2 Electron Acceptor Compound... 3 3 Undiluted color when cooling... 16 4 Diluted color when cooling... 17 5 Undiluted color when heating... 18 6 Diluted color when heating... 18 7 Rapid heating... 19 8 Rapid cooling... 20 9 Slowly heating... 21 10 Slowly cooling... 21 11 Sensitivity... 22 12 Stability in heat... 25 13 Stability in ultrasonic wave... 26 14 Stability in acid and base... 29 15 Stability in scratch... 30 ii

[Figure Contents] Figure 1 Electro donor & Electro acceptor... 4 2 Liquid Crystal Technology... 4 3 Sensitivity... 8 4 Stability in Heat... 10 5 Stability in Microwave... 11 6 Stability in ultrasonic wave... 12 7 Stability in acid and base... 13 8 Stability in pressure... 13 9 Discoloration by thickness... 16 10 Undiluted color when cooling... 16 11 Diluted color when cooling... 17 12 Undiluted color when heating... 17 13 Diluted color when heating... 18 14 Discoloration by temperature change rate... 19 15 Rapid heating... 19 16 Rapid cooling... 20 17 Slowly heating... 20 18 Slowly cooling... 21 19 Sensitivity... 22 20 Temperature change when heating... 24 21 Temperature change when cooling... 24 22 Stability in heat... 25 23 20KHz, 3min... 27 24 Spectrum... 27 25 Color change rate by ultrasonic wave and time... 28 26 Stability in acid and base... 29 27 Stability in pressure... 30 iii

1. 서 론 가. 연구의 필요성 및 목적 많은 종류의 물질들은 온도에 따라 그 색상이 변화한다. 이러한 물질들을 실생활 에서 사용하기 위해서는, 변색이 깨끗하여야 하고, 상변화(Phase Change)가 작아야 한다. 시온물감(Thermocolor)은 1940년에 발명되었고, 독일 화학회사인 BASF는 이 것을 세계 2차 대전 이후 생산하여 판매하기 시작하였다. 일본 또한 지금으로부터 60년 전부터 시온색상에 대한 관심과 연구를 진행하기 시작하였다. 많은 물리, 화학 분야의 선진 연구기관들이 1937년에 군사용 목적으로 시온색상에 대한 연구를 시작 하였고, 최근에야 영구적인 시온색상이 개발되어 시장에 나타나기 시작하였다. 그 응용분야는 패션, 스포츠 등의 의류로부터, 최근에는 휴대폰의 Cover에 이르기까지 다양한 응용분야에서 사용되고 있으며, 앞으로도 더욱 다양한 분야에서 활용될 것 으로 예상된다(J. H. Park, 2008). 최근 인터넷상에서 검색어 순위를 기록하였고, 텔레비전방송에서도 소개된 바가 있 는 등 시온색상, 물감에 대한 관심과 흥미를 느끼게 되어 인터넷으로 구입한 시온 물감으로 시온안료의 원리와 활용법에 대한 궁금증을 해소하기 위해 본 연구를 계 획하게 되었다. 본 연구에서는 카멜레온 물감 중 온도에 따라 색이 변하는 감온변색성 물감인 시온 물감에 대하여 조사하고 다양한 조건에서의 특성을 실험하며 시온물감 외 다른 카 멜레온물감의 특징 및 활용되는 예를 찾아 우리 생활에 이용 할 수 있는 방법을 모 색해 본다. 나. 연구 문제 1). 시온물질의 특성 인터넷, 기존 논문, 전문서적을 이용하여, 시온물감의 특성과 활용방법에 대한 조 사를 하였고, 시온 물감은 마이크로캡슐에 변환 물질이 담겨져 있어서 고온, 고주 파. 등에 취약하다고 알려져 있다. 2). 시온물질의 특성실험 따라서 시온물질을 우리 실생활에서 활용하기 위해 물감이 온도에 어느 정도 민감 하게 반응하는지와 고온, 고주파와 같은 외부 조건 따른 한계를 측정한다. 1

2. 이론적 배경 가. 시온 물질(카멜레온 물질)의 특징 연구 1). 카멜레온 물질의 기본원리와 종류 카멜레온 물감이란 외부 자극에 반응하여 색이 나타나거나 색이 사라지거나 혹은 변색하는 변색성 물감을 말한다. 대표적으로 감온변색성물감과 감광변색성 물감으 로 나뉘는데 감온변색성물감이란 온도에 따라 고유한 색이 변하는 물감을 말하며 대표적으로 시온물감을 예로 들 수 있다. 감광변색성물감이란 빛에 따라 고유한 색 이 변하는 물감을 말한다. 물질의 온도가 변하면 물질의 에너지 상태가 변하고 분자의 배열도 바뀐다. 모든 물질은 에너지 상태에 따라 방출하는 빛의 파장이 달라지고 분자의 배열상태에 따 라 방출하는 빛의 파장이 다르다. 대부분의 물질은 인간이 눈으로 느낄 수 있을 만 큼 분자배열이나 빛의 파장이 바뀌지 않아 고유한 색을 띠고 있지만 카멜레온염료 는 외부자극이 조금만 변해도 사람이 인지할 수 있을 정도로 반사하는 빛의 파장이 달라진다. 변색의 원리는 변색물질을 마이크로캡슐에 봉입하고 캡슐 속의 변색 물질(기준온도 나 자극을 결정)이 외부자극에 의해 반응하여 색채성분(색을 결정)과 발색제(색의 농도를 결정)가 접촉하면 순식간에 발색된다. 크로믹 재료는 빛, 열, 액체, 압력, 전기, 전자선 등. 외적 자극에 감응하여 발색이나 소색 혹은 변색하는 재료의 총칭이며 크로믹은 색을 나타내는 접미어이다. (발색 : 색이 나타남, 소색: 색이 사라짐, 변색: 색이 변함) 가). 감광색소 어떤 물질에 빛을 쪼이면 색깔이 없는 듯이 색깔이 나타나기도 하고 어떤 것은 가 역적으로 변화하는 현상을 Photochromism이라 하고 Photochromism을 나타내는 물 질을 감광색소라 한다. 이들은 화학적 구조가 빛 에너지에 의하여 다른 구조로 바 꾸어지고 이들 화학적 구조에 따라 가시부의 흡수 스펙트럼이 달라지기 때문에 색 상이 변하게 되는 것이다. 감광색소는 Spiropyrane계 화합물을 비롯하여 Dihydroindolyzin류 Thi-oindigo류 Azo 색소 등이 있으며 이를 섬유에 처리한 것이 감광성 섬유로 빛에 따라 색상이 변화하므로 카멜레온 섬유라고도 부른다. 나). 감온색소 온도 변화에 따라 가역적으로 물질의 화학구조가 달라지고 따라서 색상이 변화하 는 현상은 Thermochromism이라 하며 Thermochromism을 나타내는 물질을 감온색 소라 한다. 감온색소 중에는 단일 물질인 것도 있지만 이의 효과를 크게 하기 위하 2

여 복합물질을 사용하는 경우가 많다. 즉, 색소 또는 색원체라 부르는 Color for-mer에 발색조제 (현색제)를 혼합하거나 나아가서 제3의 조제를 포함하는 경우 가 많다. 이 색소는 처음에는 온도 변화를 알려주는 온도계 대신 시온색소로 개발 되었으며 무기 화합물과 유기화합물이 있다. 무기 화합물로써는 Ag 2 Hg 14, Ca 2 Hg 14 등이 실용화 되어 있으나 최근 액정기술의 발달과 함께 종류가 많은 유기 화합물들 이 이용되고 있다. 비가역적인 것은 감열기록지에 이용되고 있다. 최근 개발된 성능이 우수한 시온색 소의 조성은 색을 결정하는 역할을 하는 전자공여성 화합물(Electron Donor), 농도 를 결정해 주는 역할을 하는 전자수용성 화합물(Electron Acceptor) 및 변색온도를 결정해 주는 역할을 하는 알코올류로 구성되어 있다. Table 1.은 전자공여성 화합물에 대한 색상 테이블을 보여주고 있으며, Table 2.는 온도의 변화점을 결정하는 알코올 타입을 나타내고 있다("Zoom In-high teck ink", 2007). Yellow Orange Red Orange-Red Blue Green Black 3,6-Dimethoxyfluorane 3-Cyclohexylamino-6-Chlorofluorane 3-Dlethylaminobenfraorane Rhodamine B lactone Crystal violet Lactone 3-Diethylamino-7-Dibenzylaminofluorane 3-Diethylamino-6-Methyl-Aminofluorane Table 1. Electron Donor Compound Alcohol type The number of carbons Color changing temperature N-Octyl Alcohol 8-40 N-Dectyl Alcohol 10-13 N-Lauryl Alcohol 12 16 N-Myristil Alcohol 14 35 N-Cetyl Alcohol 16 45 N-Stearyl Alcohol 18 53 Table 2. Electron Acceptor Compound 나. 시온 물질의 기본원리와 종류 시온물감은 특정온도에서 변색되는 감온변색물질을 배합하여 만든 물감을 말한다. 시온물감에는 온도의 변화로 변색되었다가 다시 복색 가능한 복색 가역성 물감과 3

다시 복색 되지 않는 비가역성 물감이 있으며 주로 복색 가역성 물감이 실용화 되 고 있으며 금소착염, 코레스텔릭액정, 메타모컬러 등이 있다. 가역성 물감은 기준 온도가 -15 ~ 70 이며 컵, 온도계, 팬시, 판촉물 등 일상용품에 사용되며, 비가 역성 물감은 기준온도가 40 ~ 450 이며 전기, 전자, 제조 공정 등 주로 산업용 에 응용 된다(기준온도 : 온도가 변색되는 온도). 시온물감에 쓰이는 물질은 큰 온도 차이가 아닌데도 색상이 나타났다가 다시 되돌 아갈 수 있는 능력( 可 逆 性 )을 갖추고 있다는 점에서, 유기화합물인 스틸벤 유도체를 원료로 제작된 것으로 추정되고 있다. 시온물감은 기본적으로 Microcapsule 물질로 이루어져 있으며 그 크기는 약1-10μm이며 이 캡슐이 파괴되면 그 성질을 잃게 됨으 로 사용시 고압 고진공 전자렌지 등의 고주파 가열에 등에는 사용하지 말아야 한 다. 캡슐 안에는 Electro donor(전자공여체)와 Electro acceptor(전자수용체)를 구성 물질로 되어 온도 상승시 물질들이 결합하여 색상을 나타내고 온도 하강 시 분리되 어 투명하게 된다[Fig. 1]. 다른 방법으로는 액정 기술과 같이 기준 온도를 기점으 로 분자의 배열 달리하여 유색과 투명을 나타낸다[Fig. 2]. Figure 1. Electro donor & Electro acceptor Figure 2. Liquid Crystal Technology 다. 시온물질의 역사 1). 카멜레온 잉크의 발전 포토크로미즘 현상은 이미 19세기말부터 알려졌으나, 이런 현상을 실제로 이용하 려는 시도는 최근에 이루어졌다. 포토크로미즘의 발현은 빛에 의해 화합물이 광해 4

열 반응을 일으키거나, 에너지 상태가 변화하거나, 분자가 유리거나 이온으로 해리 를 일으키거나, 산화환원반응을 일으키는데 기안한다. 포토크로미즘을 나타내는 대 표적인 화합물에는 스피로피란례와 아조벤젠계의 화합물이 있는데 이들 화합물은 반응이 빠르고, 색채가 선명한 장점이 있다. 그러나 구조가 불안정하고, 반복 조사 에 약한 결점이 있다. 온도변화에 따라 색을 변화시키는 온감변색성의 섬유 제품도 개발이 되고 있는데 감성이 요구되는 현재 색채효과가 상품가치에 중요한 역할을 하고 있다. 최근 개발 된 서모크로믹 재료는 감온 변색성색소, 색소와 결합하면 다른 색이 되는 발색제 및 일정한 온도를 경계로 하여 색소와 발색제의 결합을 끊어 색을 지우는 소색제를 캡슐 속에 봉한 것이다. 이 세 종류의 반응성과 용해성을 온도에 의해 변화 시키게 끔 한 것이다. 빛이나 온도에 의한 변색 이외에 액체에 따라 변색하는 솔벤트 크로미즘을 이용한 섬유 제품도 개발되었다. 예를 들면 빛을 반사하여 발색하는 채광펄을 실리카에 혼 합해 직물위에 도포한 것이 있다. 1937~1941년에 비가역성 시온재료가 수많이 발견되어 텔모컬러로 명명하여 발매 되었고 제2차 대전 후는 더욱 품질개량을 가하여 독일의 바스프(BASF) 社 에서 발 매하였다. 일본에서는 약 60년 전 옥화수은착염을 사용한 도료가 카멜레온의 명칭 으로 발매되어 1937년부터 이화학연구소에서 주로 군수용으로 연구되어 전후에 연 구를 계속, 도료용 전색제의 개량에 의하여 내구성 있는 시온도료가 개발이 되어 텔모페인트의 명칭으로 발매되어 현재에 이르고 있다(J. H. Park, 2008). 1972년 전 자공여체와 전자수용체의 유극성 화합물 중에 열평형에 의한 전자수수기구에도 기 초가 되는 시온 물감의 연구가 시작되어 처음으로 염료계의 컬러풀하고 변색이 명 료한 시온물감이 개발되었다. 1977년 종이컵, 완구 등 변색하는 재미있는 상품들이 기획되어 1982년 시온기능을 사용하여 PET용기의 맥주의 냉각 상태를 나타내는 표 식을 상품화하여 마실 때 먹을 때, 사용할 때의 온도 인디케이터가 붙은 각종 포장 재의 개발이 시작되었다. 현재는 영국과 일본이 기술적으로 앞선 생산국으로 알려져 있으며 산업용으로는 많은 용도로 개발되어 있으나 프라이팬이나 드라이기, 고데기등 실생활에 응용된 예는 상대적으로 적어 이 분야의 활성화가 요구된다. 라. 시온물질의 활용분야 1). 실생활 분야 온도계 등 온도계측용, 맥주병, 소주병, 와인 음료용, 머그컵 등 팬시용, 의류, 프 라이팬, 드라이기, 눈썹 고데기등 온도 측정용으로 사용되고 있으며 최근에는 핸드 폰에도 사용하고자 하는 연구가 진행 중이다. 향후에는 모든 가전제품 등에 많은 활용이 있을 것으로 기대하고 있다. 5

2). 기계설비 분야 과학측정기, 각종기기장치의과열 개소의 초기발견 고장의 예지, 절삭 공구류의 발 열 온도의 측정, 합성수지의 성형, 금형, 주형, 합판프레스 등 적온지시 3). 전기 및 전자기기의 유지보수 발/변전소, 빌딩, 공장 등의 전력설비의 전동기, 변압기, 저항기, 개폐기, 배전 판, 도선 터미널 접속 부, 전등기구 등의 발열 개소의 점검, 안전 한계의 지시. 가). 변전/배전 설비 : 장치의 주 터미널 연결 부위의 불규칙한 온도 확인, 접속 단자 외측, 전류 변압기 터미널의 고정 부위. 극도의 높은 압력을 받는 지역의 불 규칙한 온도 감시. 나). 제어/회전기기 : 전자기 스위치, 전자기 계전기, 나이프 스위치, 고압 부하 스위치, 전력 콘덴서(병렬의 고압 회로 시리즈)의 온도 감시. 모터의 온도 관리, 회 전 부위의 온도 감시. 고정 권선 절연된 회전자 권선. 정류단자가 붙은 전기자선. 저항계자 권선 또는 보상권선, 노출된 단상 계자 권선 다). 전자부품 : 회로 부품(콘덴서, 저항기, 코일 변성기, 집적회로)의 온도 감시, 진동 부품 수정 진동자, 기계 필터, 납 분리기 등의 온도 감시. 마. 시온물질의 특성 및 사용상의 주의사항 시온안료는 차갑고 어두운 곳에 보관하는 것이 좋으나 특별히 지정되어 있지 않은 제품은 습도가 없는 실내 온도에서 어두운 곳에 보관한다. 특히 자외선에 약하므로 직사광선을 피하도록 한다. 안료의 수명은 약 2-3년이나 실제 상품은 1~2년 짧게 는 몇 개월~1년 정도이다. 이 수명을 길게 하기 위하여 한 번 더 코팅을 한다거나 자외선 차단 코팅을 한다. 시온안료의 온도 한계점은 가역성 시온 안료는 280 로 되어 있다. 그러나 실제 현장에서 사용 시에는 순간적인 온도는 150 (머그컵을 가마에 굽는 정도의 온도와 시간), 지속 온도는 100 (끓는물)을 권장한다. 특히 고압, 고진공, 전자렌지 등의 고주파 가열 등에는 캡슐이 파괴되어 물성을 잃게 된다. 시온안료는 솔벤트에 저항 력이 좋고 잘 분산된다. 대부분의 안료는 무독성이나 수은등이 포함된 독성이 있는 것도 있다. 6

3. 연구 방법 및 절차 1. 시온물감의 민감도(sensitivity) 측정 (1) 색의 두께에 따른 변색범위 측정 시온물감을 진하게 칠한 코팅지 시온물감을 묽게 칠한 코팅지 가열시 변색범위 측정 변색범위 측정 냉각시 변색범위 측정 변색범위 측정 l 4회 반복실험, 표 작성 (2) 온도변화율에 따른 변색범위 측정 l 빠른 온도변화 l 느린 온도변화 l 4회 반복실험, 표 작성 2. 시온물감의 안정성(stability) 측정 (1) 고온에서의 안정성 (2) microwave에서의 안정성 (3) 초음파에서의 안정성 (4) 산성도에 대한 안정성 (5) 고압과 저압에서의 안정성 (6) 마찰에 대한 강도 (7) 싸이클노화 가. 시온물감의 민감도에 대한 실험 시온 물감은 온도에 따른 변색성물감이다. 따라서 온도변화에 민감한 정도에 따라 오차가 달라짐으로 사용방법이 달라질 것이다. 만약 온도변화에 민감하다면 빠른 온도변화와 느린 온도변화에서 색상변화 시 온도의 차이가 작고 변환되는 시간도 7

빠를 것이고, 반응에 둔감하다면 색상변화 시 온도차이가 크며 변환되는 시간도 늦 을 것이다. 또한 물감의 진하기에 따라서 달라질 것이다. 1). 색의 두께에 따른 변색범위 측정 가). 준비물 : 시온물감(붉은색) 1), 톨루엔, 코팅용 비닐, 항온수조, 전자온도계, 컴퓨터, 시험관, 샤 알레, 40 의 물, 20 의 물 나). 실험방법 : 1 2cm 15cm로 코팅지를 2개 준비한다. 2 샤알레에 톨루엔:시온물감=1:2(v/v)로 섞는다. 3 묽힌 시온물감에 준비한 코팅지를 담근 후 꺼내어 말린다. 4 시온물감 원액에 준비한 코팅지를 담근 후 꺼내어 말린다. 5 15cm 폭을 1cm 폭으로 나누어 자른다. 6 시온물감이 입혀진 코팅지를 접착면을 이용하여 전자온도계에 고정시킨 후 시험 관에 담아 40 의 물을 코팅지가 충분히 잠기도록 넣는다. 7 20 로 셋팅된 항온수조에 시험관을 넣고 온도변화에 따른 색의 변화를 관찰한 다.(냉각시) 8 20 의 물을 넣은 시험관을 40 의 항온수조에 넣어 반복한다.(가열시) 9 묽은 시온물감을 칠한 코팅지로 7~8의 과정을 반복한다. Figure 3. Sensitivity 1) 인터넷(세원과학사)을 통해 빨강, 파랑, 노랑의 3색 구입 기준온도는 30 8

2). 온도변화율에 따른 변색범위 측정 가). 준비물 및 방법 : 시온물감(붉은색), 코팅용 비닐, 항온수조, 전자온도계, 컴퓨터, 시험관, 40, 20, 35, 25 의 물 나). 실험방법 : 1 2cm 15cm로 코팅지를 2개 준비한다. 2 시온물감 원액에 준비한 코팅지를 담근 후 꺼내어 말린다. 5 15cm 폭을 1cm 폭으로 나누어 자른다. 6 시온물감이 입혀진 코팅지를 접착면을 이용하여 전자온도계에 고정시킨 후 시험 관에 담아 40 의 물을 코팅지가 충분히 잠기도록 넣는다. 7 20 로 셋팅된 항온수조에 시험관을 넣고 온도변화에 따른 색의 변화를 관찰한 다(빠른 냉각). 8 20 의 물을 넣은 시험관을 40 의 항온수조에 넣어 반복한다(빠른 가열). 9 25 로 세팅된 항온수조에 35 의 물을 넣은 시험관을 넣고 온도변화에 따른 색 의 변화를 관찰한다(느린 냉각). 10 35 로 세팅된 항온수조에 25 의 물을 넣은 시험관을 넣고 온도변화에 따른 색 의 변화를 관찰한다(느린 가열). 나. 시온물감의 안정성에 대한 실험 1). 시온물감의 온도에 대한 안정성 실험 가). 가설 및 목적 : 시온 염료가 사용되는 곳은 일상생활뿐 아니라 산업현장에서도 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 그러나 산업현장은 상황에 따라 아주 열악한 환경이 많고 특히 고 온에 노출되는 위험도 많을 것이다. 만약 물감이 고열에 약하다면 고열에 노출되었 을 때 변성이 일어나고 색이 변하는 온도가 달라지거나 변색이 일어나지 않을 것이 다. 앞선 실험에서 시온물감을 칠한 금속판을 끓는 물에 5분 이상 가열하여도 아무 런 이상은 발생하지 않았다. 하지만 포도씨유를 이용하여 가열한 경우 거품이 생길 정도에는 변질되는 것을 알 수 있었다. 그래서 이번실험에는 실제 튀김온도로 사용 하는 180 전후에서의 변성유무를 알아보고자 한다. 나). 준비물 : 가열장치, 2cm 15cm 철판, 시온물감, 식용유(포도씨유), 물, 편평한 돌, 냄비 다). 실험방법 : 1 철판에 시온물감을 칠하고 2cm 1cm로 자른다. 9

2 냄비에 편평한 돌을 올리고 식용유(포도씨유)를 돌이 1/2 정도 잠기도록 넣는다. 3 시온물감을 칠한 철판조각을 1개 남겨놓고 나머지는 돌 위에 올려 약한 불로 가 열한다. 4 식용유를 100 까지 가열한 후 10 간격으로 하나씩 꺼낸다. 5 가열하지 않은 철판조각과 비교하여 변색온도와 시간을 확인한다. Figure 4. Stability in Heat 2). 시온물감의 파동에너지(마이크로파)에 대한 안정성 실험 가). 가설 및 목적 : 우리주변에서 열의 변화 중에는 전자렌지를 이용하여 음식물을 데우는 경우가 많 이 있다. 전자렌지는 일반적인 가열방법과 다르게 고주파를 이용하여 분자를 진동 시켜 발생되는 에너지를 이용한다. 만약 시온물감이 고주파에 약하다면 전자렌지를 사용한 후에는 변색성에 차이가 생길 것이다. 나). 준비물 : 전자렌지, 유리컵, 시온물감, 붓, 자(30cm) 다). 실험방법 : 1 유리컵 옆면 높이 1.5cm인 곳에 지름 1cm인 원모양으로 시온물감을 붓으로 칠한 다. 2 28 의 물로 컵의 절반을 채운다. 3 전자레인지 2) 에 넣고 2분 동안 작동시킨다. 4 동일한 방법으로 4분, 6분, 8분 동안 작동시킨다. 2) 700W, 2450MHz 10

5 마이크로웨이브에 노출시킨 시온물감의 변색범위를 측정한다. Figure 5. Stability in Microwave 3). 시온물감의 초음파에 대한 안정성 실험 가). 가설 또는 목적 : 전자렌지를 이용한 고주파 실험에서 시온물감의 비가역성을 확인한 후 전자기파가 아닌 초음파에서의 시온물감의 안정성에 대해 알아보았다. 고주파인 전자기파가 주 로 방송이나 통신에 주로 사용되고 비파괴 검사와 같은 특수한 환경에서 사용된다 면 초음파는 전자, 의료, 정밀기계, 자동차, 식품살균, 오염물제거 등 우리 주변에 서 아주 다양하게 활용되므로 초음파에 대한 시온물감의 안정성을 조사 하였다. 나). 준비물 : 초음파분쇄기(Ultrasonicator). 20ml 시약병. 시온물감, 분광기(스펙트로스코프 다이 렉트 리딩 장비), DMSO(Dimethyl Sulfoxide), 전자온도계, 비커50ml, 디지털 카메라 다). 실험방법 : 1 50ml 비커에 시온물감10ml와 DMSO 10ml를 넣고 섞는다. 2 희석시킨 시온물감을 20ml 시약병 9개에 2ml씩 나누어 담는다. 3 10kHz의 초음파를 1, 2, 3분 동안 가한다. 4 같은 방법으로 15kHz, 20kHz의 초음파를 각각 1,2,3분씩 가한다. 5 시약병에 백색광을 쪼여준다. 6 반사되는 빛을 스펙트로스코프 리딩기계로 확인한다. 7 디지털 카메라로 3.5초동안 노출시켜서 찍는다. 11

Figure 6. Stability in ultrasonic wave 4). 시온물감의 산성도(pH)에 대한 안정성 실험 가). 가설 및 목적 : 일상생활에서는 항상 여러 가지 용액을 접하면서 살고 있다. 이런 환경에서 용액 에 대한 안정성이 보장되지 않는다면 사용에 제한을 받을 것이다. 이번에는 대표적 인 산성용액인 염산과 염기성용액인 수산화 나트륨용액에서의 변화를 살펴본다. 나). 준비물 : 진한염산(36%), 수산화나트륨, 시온물감, 코팅용 비닐, 비커, 피펫, ph미터기 다). 실험 방법 : 1 2cm 15cm 코팅지 2개 준비한다. 2 시온물감 원액에 준비한 코팅지를 담근 후 꺼내어 말린다. 3 15cm 폭을 1cm 폭으로 나누어 자른다. 4 비커에 물과 염산을 총 부피 50ml가 되도록 하여 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8% 묽은 염산 용액을 만든다. 5 각 비커마다 빨간색, 노란색, 파란색 시온물감 코팅지를 1개씩 집어넣고 1시간 후에 꺼낸다. 6 비커에 물과 수산화나트륨을 총 부피 50ml가 되도록 하여 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8% 묽은 수산화나트륨 용액을 만든다. 7 각 비커마다 빨간색, 노란색, 파란색 시온물감 코팅지를 1개씩 집어넣고 1시간 후에 꺼낸다. 8 각각의 시온물감의 변색범위를 측정한다. 12

Figure 7. Stability in acid and base 5). 시온물감의 압력 및 진공에 대한 안정성 실험 가). 가설 및 목적 : 시온물감은 마이크로캡슐에 변색물질이 담겨 있으므로 만약 캡슐이 진공상태나 고 압에 취약하여 마이크로캡슐이 터진다면 변색반응은 일어나지 않을 것이다. 이번에 는 압축기를 이용한 고압상태와 진공펌프를 통한 고진공 상태에서의 안정성 테스트 를 해보았다. 나). 준비물 : 압축기, 진공펌프, 시온물감, 코팅용 비닐, 다). 실험 방법 : 로 코팅지를 2개 준비한다. ② 시온물감 원액에 준비한 코팅지를 담근 후 꺼내어 말린다. ③ 15 폭을 1 폭으로 나누어 자른다. ④ 빨간색, 노란색, 파란색 시온물감 코팅지를 1개씩 감압기에 넣고 2 Hg로 1분 동안 감압시킨 후 꺼낸다. ⑤ 빨간색, 노란색, 파란색 시온물감 코팅지를 1개씩 압축기에 넣고 압축시킨다. ⑥ 각각 처리된 시온물감의 변색범위를 측정한다. ① 2 15 Figure 8. Stability in pressure 13

6). 시온물감의 강도(스크래치)에 대한 안정성 실험 가). 가설 및 목적 : 추가 실험으로 사포를 통해 물감의 강도를 알아보았다. 시온물감이 스크래치에 약하다면 자주 사용하거나 다른 물체와의 접촉이 빈번한 물체에는 코팅을 하거나 추가적인 효과를 더 해주어야 할 것이다. 나). 준비물 : 시온물감, 코팅용 비닐, 5cm 유리판,사포 10장 양면테이프, 유리판 크기와 같은 바닥의 상자, 저울, 5cm 다). 실험 방법 : 1 2cm 15cm로 코팅지를 2개 준비한다. 2 시온물감 원액에 준비한 코팅지를 담근 후 꺼내어 말린다. 3 15cm 폭을 1cm 폭으로 나누어 자른다. 4 슬라이드글라스 밑쪽에 양면테이프로 시온물감 코팅지를 붙인다. 5 슬라이드글라스 위쪽에는 양면테이프를 이용하여 상자를 붙인다. 6 상자에 분동을 넣어 상자의 전체무게(유리판과 상자의 합)를 500g에 맞춘다. 7 상자에 실을 묶어 사포 위를 10cm이동 시킨다. 8 10회, 20, 30, 40, 50회 반복한다. 9 상자의 전체무게를 1kg의로 바꾸어 위 실험을 반복한다. 7). 시온물감의 반복성에 대한 실험 가). 가설 및 목적 : 추가 실험으로 시온물감의 반복성에 대하여 실험해보았다. 나). 준비물 : 시온물감, 미지근한 물(40 ), 차가운 물(20 ), 코팅용 비닐 다). 실험방법 : 1 2cm 15cm로 코팅지를 2개 준비한다. 2 시온물감 원액에 준비한 코팅지를 담근 후 꺼내어 말린다. 3 15cm 폭을 1cm 폭으로 나누어 자른다. 4 전자온도계에 코팅지를 고정시킨 후 20 의 물과 40 의 물에 번갈아 담근 것을 1회로 한다. 5 하루에 50번씩 5일 동안 250회 실시한다. 6 위 코팅지의 변색 범위를 측정한다. 14

다. 실험에 사용한 여러 가지 장비 전자온도계 : 디지털 온도계라고도 한다. 망가니즈 니켈 코발트 등의 산화물을 주 체로 한 세라믹저항체(서미스터라고 한다)의 전기저항이 온도가 상승됨에 따라 현 저하게 감소하는 경향을 이용한 것인데, 민감하고 응답이 빠르다. 감온부( 感 溫 部 )의 형상에 따라 비드형 로드형 데스크형 와셔형 등이 있다. 실험에 사용한 온도계는 컴퓨터와 연결되어 1초단위로 온도를 기록하는 장치이다. 항온수조 : 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 물탱크. 토양침출이나 침강, 발색 등 분석조작 중 일정한 온도를 유지시킬 때 사용됨. ph 미터기 : ph 미터기는 수소이온 선택성 지시전극인 유리막전극과 은-염화은 기 준전극을 시료 용액에 담그고 두 전극 사이의 전위차를 측정하여 ph를 측정하는 장치이다. ph 미터기 에는 ph값을 정확하게 읽을 수 있도록 전위차에 해당하는 ph 척도가 그려져 있다. 수소이온 선택성 유리막전극은 막전극 중에 가장 널리 알 려져 있는 것으로 중요한 부분은 밑바닥에 붙어있는 대단히 얇은 유리막이다. 이 속에는 일정 농도의 표준 염산용액이 채워져 있고 은-염화은 전극이 꽂혀 있는데 이것은 일정한 전위를 가지는 기준전극의 역할을 한다. 진공펌프 : 대기압 이하의 압력에서 기체를 흡입하여 대기압에서 배출하는 데 사용 되는 압축기. 압축기[press] : 압축 가공기계의 한 가지 압축력을 발생시키는 구조에 따라 기계식 프레스와 유압식 프레스로 구별된다. 기계식 프레스는 전동기의 동력을 기어 크랭 크 등의 기구로 압축력을 발생시켜 가공작업을 하는 것이며, 그 중에서 많이 사용 되는 것은 크랭크 프레스이다. 이 프레스는 전동기로 큰 플라이휠을 회전시켜 회전 에너지의 일부를 이용해서 가공작업을 한다. 이 밖에 마찰 프레스 토글 프레스 등 많은 종류가 있다. 액압( 液 壓 ) 프레스는 유압을 이용해서 압축동작을 하는 것이다. 이 밖에도 수압식 유압식 기압식( 氣 壓 式 )이 있다. 분광기[spectroscope] : 물질이 방출 또는 흡수하는 빛의 스펙트럼을 측정하는 장 치로 프리즘을 이용하는 프리즘 분광기, 회절격자를 이용하는 격자 분광기, 빛의 간 섭을 이용하는 간섭분광기, 적외선을 이용하는 적외선 분광기, 자외선을 이용하는 자외선 반사측정용 분광광도계등이 있다. 초음파 분쇄기 [Ultrasonicator]: 물체를 강하게 진동시켜 진동을 액체에 전달시키면 물질의 분자결합이 파괴된다. 15

4. 연구 결과 가. 시온물감의 민감도에 대한 실험 1). 색의 두께에 따른 변색범위 Figure 9. Discoloration by thickness 가). 진한 시온물감(냉각시) : Figure 10. Undiluted color when cooling test time(s) temperature( ) scope( ) 1 32 29.26~26.80 2.46 2 33 29.11~26.75 2.36 3 33 29.16~26.73 2.43 Average 32.6 29.18~26.76 2.42 Table 3. Undiluted color when cooling 16

나). 묽은 시온물감(냉각시) : Figure 11. Diluted color when cooling test time(s) temperature( ) scope( ) 1 28 29.09~26.93 2.16 2 30 29.17~26.85 2.32 3 30 29.15~26.95 2.20 Average 29.3 29.14~26.91 2.23 Table 4. Diluted color when cooling 다). 진한 시온물감(가열시) : Figure 12. Undiluted color when heating 17

test time(s) temperature( ) scope( ) 1 30 29.50~31.74 2.24 2 32 29.43~31.64 2.21 3 31 29.60~31.89 2.29 Average 31 29.51~31.76 2.25 Table 5. Undiluted color when heating 라). 묽은 시온물감(가열시) : Figure 13. Diluted color when heating test time(s) temperature( ) scope( ) 1 27 29.02~30.86 1.84 2 27 29.12~30.94 1.82 3 29 29.00~31.15 2.15 Average 27.6 29.05~30.99 1.94 Table 6. Diluted color when heating 진한 물감과 묽은 물감의 실험에서는 매 반복 실험마다 하나의 코팅지(시온물감) 로 실시하였다. 가열시 진한 시온물감의 변색 중심온도는 30.6, 묽은 시온물감의 변색 중심온도 는 30 로 측정되었으며, 냉각시 진한 시온물감의 변색 중심온도는 28, 묽은 시온 물감의 변색 중심온도는 28 로 측정되었다. 진한 시온물감의 변색온도 범위가 2.42, 2.25 인 반면, 묽은 시온물감의 변색온 18

도 범위는 2.23, 1.94 로 매우 작은 차이지만 묽은 시온물감의 변색 범위가 더 작게 측정되었다. 2). 온도 변화율에 따른 변색범위 Figure 14. Discoloration by temperature change rate 가). 빠른 가열 : Figure 15. Rapid heating test time(s) temperature( ) scope( ) 1 27 29.13~31.52 2.39 2 27 29.26~31.68 2.42 3 26 29.86~31.77 1.91 4 29 29.97~32.03 2.06 5 28 30.01~32.05 2.04 Average 27.4 29.65~31.81 2.16 Table 7. Rapid heating 19

나). 빠른 냉각 : Figure 16. Rapid cooling test time(s) temperature( ) scope( ) 1 28 28.85~26.85 2 2 31 29.04~26.62 2.42 3 32 29.03~26.7 2.27 4 31 29.16~26.87 2.29 5 30 29.09~26.87 2.22 Average 30.4 29.03~26.78 2.24 Table 8. Rapid cooling 다). 느린 가열 : Figure 17. Slowly heating 20

test time(s) temperature( ) scope( ) 1 38 30.12~31.39 1.27 2 36 30.25~31.51 1.26 3 35 30.25~31.60 1.35 Average 36.6 30.21~31.5 1.30 Table 9. Slowly heating 라). 느린 냉각 : Figure 18. Slowly cooling test time(s) temperature( ) scope( ) 1 41 28.99~27.45 1.54 2 41 28.89~27.38 1.51 3 42 28.81~27.38 1.43 Average 41.3 28.90~27.40 1.5 Table 10. Slowly cooling 온도 변화율에 따른 변색범위를 측정하는 실험은 매회 실험마다 각각 다른 실험용 코팅지(시온물감)로 사용하였다. 빠른, 느린 온도변화 각각의 실험결과를 표시한 그 래프는 유사한 모양을 보였다. 빠른 온도변화의 평균 기울기는 가열시 0.08, 냉각시 0.074이고 느린 온도변화에서의 기울기는 가열시 0.035, 냉각시는 0.036으로 나타났 다. 가열시 빠른 온도변화의 중심온도는 30.73, 느린 온도변화는 30.86 이고, 냉 각시 빠른 온도변화의 중심온도는 27.90, 느린 온도변화는 28.15 이다. 21

3). 시온물감의 민감성 종합 Condition Heating Cooling time(s) temperature( ) scope( ) time(s) temperature( ) scope( ) Undiluted 31 29.51~31.76 2.25 32.6 29.18~26.76 2.42 Diluted 27.6 29.05~30.99 1.94 29.3 29.14~26.91 2.23 Rapid 27.4 29.65~31.81 2.16 30.4 29.03~26.78 2.24 Slowly 36.6 30.21~31.5 1.3 41.3 28.90~27.40 1.5 Table 11. Sensitivity Figure 19. Sensitivity 실험은 빨강색의 시온물감을 기준으로 작성한 표이고 파란색과 노란색도 비슷한 결과를 얻을 수 있었지만 파랑과 노랑은 색의 변화를 정확하게 기록하기가 힘이 들 었다(눈으로 변화를 관찰할 때 두 사람의 의견이 서로 조금씩의 시차가 발생하는 경우가 있었다)따라서 비교적 구별이 확실하고 정확한 기록이 가능한 빨강색을 실 험한 데이터 이다. 실험 1에서 매회 다른 시온물감 코팅지를 이용한 결과 변화시간, 변색온도, 온도차 이 등이 비교적 규칙적임을 알 수 있다. 그래서 나머지 실험은 실험실 사용 시간 때문에 3회 반복 실험을 하는 것으로 하였다. 또한 색의 진하기와 연하기 실험은 경우에는 냉각과 가열시 각각 한 장의 시온물감 코팅지를 이용하여 3회 반복 실험 하였다. 22

실험 1의 결과를 보면 가열시 시온물감의 온도는 약 29 후반에서 에서 색이 변하 고 냉각시에는 약 29 초반에서 색이 변하는 것을 볼 수 있다. 이것을 보면 시온물 감의 기준온도가 29 정도 이고 29 부터 변하면서 변색되는 시간이 몇 초정도로 오래 걸리는 것처럼 보이지만. 온도차이가 큰물에 직접 코팅용 비닐을 담근 경우 순간적인 변색현상을 볼 수 있으므로 위의 생각이 틀린 것임을 알 수 있다. 시온물 감의 변색온도는 대략 가열시 30.5 정도로 추정하고 냉각시 약 28 정도로 추정할 수 있는데 그 이유는 우리가 실험에 사용한 전자온도계는 한 지점의 온도만 측정한 다. 그리고 시험관의 물은 항온수조에 의해 데워지거나 식는 경우 위부터 온도가 올라가고 아래쪽부터 온도가 내려간다. 이것은 물의 대류현상으로 설명 할 수 있을 것이다. 즉 우리가 전자온도계에 코팅용 비닐을 세로로 부쳤기 때문에 가열시 전자 온도계의 온도 측정위치 보다 위쪽의 물이 더 따뜻함으로 위쪽부터 색의 변화가 시 작 되고 전자 온도계의 온도 측정 위치의 색변화는 이후에 발생한다. 우리가 측정 용 코팅 비닐을 붙인 위치는 가운데 이므로 중간정도의 온도가 변색되는 실제 온도 일 것이다. 반대로 식히는 경우에는 아래쪽부터 온도가 낮아짐으로 시온물감의 색 변화가 일어나기 시작하는 온도인 29 초반의 온도는 시험관 아래쪽인 색의 변화가 일어나는 위치의 온도가 아니라 그것보다 조금 온도가 높은 위쪽의 온도일 것이다. 따라서 가열시 시온물감의 변색온도는 측정범위의 중간정도 값인 30.5 식을 때의 변색온도는 28 정도로 추정 할 수 있을 것이다. 이 사실을 보면 실험1의 가열시 발생한 오차는 실험별로 서로 다른 코팅용 비닐을 사용하는 과정에서 코팅용 비닐의 부착 위치가 달라서 생긴 오차로 추정된다. 그 이유로는 각각의 데이터에서 고온에서 시작한 데이터는 고온에서 종료되었고 저온 에서 시작한 데이터는 저온으로 끝나며 시간이 비슷한 것으로 예측 할 수 있다. 또 한 실험 2에서의 3번 칠한 시온물감과 희석시킨 시온물감의 실험에서 하나의 시온 물감 코팅비닐을 온도계에 부착하여 실험한 경우 온도변화가 시작되는 오차와 끝나 는 온도의 오차가 많이 줄어든 것을 보고 알 수 있다. 가열시간에 따른(온도변화시간이 다른 경우) 온도변화를 하기 위해서 물의 양을 다르게 해보았지만 시험관의 크기를 조절하지 않고 물의 양을 조절한 경우 시험관 이 물에 잠기면서 열의 교환 면적이 넓어져서 큰 변화가 없었고 시험관의 크기를 너무 작게 하면 준비한 실험용 코팅비닐이 시험관 벽에 닿아서 변화가 불규칙적이 었다.(가급적 시험관 중앙에 위치하도록 설정해야 좋은 실험 결과를 얻을 수 있었 다) 그래서 온도 변화를 줄이기 위해 항온수조의 기준온도를25 와 35 로 변경 온 도 차이를 줄여서 실험하였다(온도차이가 클수록 열의 전달이 빠르다). 실험 1의 빠 른 온도변화와 느린 온도변화를 비교해보면 빠른 온도변화에서는 평균 27초(가열 시)와 30초(냉각시)이던 시간이 36초(가열시), 41초(냉각시)늘어난 것을 확인 할 수 있다 하지만 변화되는 시간동안의 온도변화를 보면 오히려 1 정도의 온도차이가 줄어든 것을 확인 할 수 있고 이것을 기울기로 표시하면 빠른 온도변화는 기울기가 0.08이고 느린 온도변화에서의 기울기는 0.036으로 대략 2배정도 차이가 남을 알 수 23

있었다. 이렇게 비교한 경우 느린 온도변화에서도 그 중심 온도가 약 30.9 와 28. 1 인 것을 확인 할 수 있는데 이것은 시온불감이 빠르게 변화 하거나 느리게 변화 하거나 변화온도가 일정함을 알 수 있다. 진한 시온물감과 연한시온물감의 경우에서도 실험1의 결과와 큰 차이가 없는 것으 로 보아 시온물감의 온도변화는 항상 일정함을 알 수 있다. 나. 시온물감의 안정성에 대한 실험 1). 시온물감의 온도에 대한 안정성 실험 가열하지 않은 철판조각을 대조군으로 하여 각각 110 ~190 에서 꺼낸 철판조 각과 비교한 결과이다. 가열하지 않은 철판조각을 항온수조 40 에서 가열한 경우 29.6 ~32.2 에서 색상이 변하였고 29초가 걸렸다. 항온수조 온도 20 에서 냉각 한 경우 29.1 ~26.8 에서 색상이 변하였고 30초 정도 걸렸다. Figure 20. Temperature change when heating Figure 21. Temperature change when cooling 24

Condition Heating Cooling time(s) temperature( ) scope( ) time(s) temperature( ) scope( ) 110 29 29.3~32.1 2.8 32 29.1~26.8 2.7 120 28 29.7~31.9 2.2 33 29.0~26.6 2.6 130 31 29.8~32.4 2.6 32 29.0~26.7 2.7 140 29 29.2~32.1 2.9 31 28.8~26.7 2.9 150 29 29.1~32.0 2.9 31 28.9~26.6 2.5 160 30 30.1~32.6 2.5 32 29.0~26.8 2.8 170 30 30.0~32.4 2.4 33 29.0~26.6 2.6 180 29 29.2~32.0 2.8 33 29.1~26.6 2.5 190 28 29.5~32.1 2.6 30 28.9~26.8 2.9 Table 12. Stability in heat Figure 22. Stability in heat 결과를 살펴보면 시온물감을 칠한 철판을 식용유에 넣고 가열하여 우리가 흔히 사 용하는 온도인 160 ~180 전후(튀김옷을 넣었을 때 금방 떠오르는 정도)인 경우 물감은 특별한 변화가 일어나지 않았다. 그러나 포도씨유에 넣고 높은 온도(전자온 도계의 온도는 200 까지 측정 가능하여 포도씨유의 끓는점(360 )을 기준으로 생 각함)로 가열해본 결과 포도씨유에서 약간의 기포가 발생할 때쯤 철판근처에서 기 25

포가 여럿 발생하고 그 후 10~20초 정도가 지나가면 철판에 칠한 시온물감은 검붉 게 변화한다. 변색된 시온물감은 식힌 후에도 변화가 일어나지 않는다. 이것으로 보아 시온물감은 일반 튀김용기의 그릇으로는 사용할 수 있지만 튀김용 냄비, 난로의 화덕과 같은 직접 아주 고온에 직접 사용하는 것에서는 주의를 해야 한다. 2). 시온물감의 파동에너지(마이크로파)에 대한 안정성 실험 시온물감의 캡슐이 고주파에 약하다고 조사했었다. 실험결과, 대조군과의 비교하여 2분과 4분에서는 이상이 없었지만 6분 가열한 경우와 8분정도 가열한 경우 색의 변 화에 이상이 온 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 6분의 경우에는 매우 유사하여 칠 할 때 묽어진 것인지 처음 칠하는 과정에서 생긴 차이인지 구분하기 힘들었지만 8 분의 경우는 붉은색의 변화에서 비가역 변색반응이 발생하여 대조군과 많은 차이를 보였다. 전자렌지에서 꺼냈을 때 물의 온도가 89 ~91 로 처치 시간에 따른 온도 의 변화가 거의 없었다는 것을 감안하면 비가역변색반응의 원인은 마이크로파에 오 랜 시간 노출된 것으로 볼 수 있다. 3). 시온물감의 초음파에 대한 안정성 실험 시온물감을 초음파에 노출시킨 실험에서는 아래 사진과 같이 변성되었다. 가해준 두 가지 변수(고주파 진동수<kHz>, 시간<분>)와 색 변화 결과를 그래프 로 만들기 위해 정량화를 시도했다. time 0 10kHz 15kHz 20kHz 1min 46.4 63.9 78.9 2min 61.4 79.5 103.1 3min 75 84.7 117.4 Table 13. Stability in ultrasonic wave 26

Figure 23. 20KHz, 3min 진동수와 반응시간에 따른 스펙트럼 사진을 디지털카메라를 접안부에 대고 3.5초 간 동일한 노출을 줘서 다음과 같이 얻었다. Figure 24. Spectrum 위의 다섯 개의 스펙트럼은 원래의 붉은 물감에서 시작되어 붉은 색이 거의 사라 진 흰색 물감까지 다섯 단계로 구분하여 스펙트럼을 얻은 것이다. 백열전구로 샘플의 색상을 반사시켰을 때 스펙트로미터 상에 금속 연소 스펙트럼 처럼 선스펙트럼이 나타나 정확한 파장 눈금을 읽을 수 있기를 기대했으나 대신 붉 은 색 파장 인 640nm 근처에서 어느 정도 연속된 스펙트럼이 시작되어 붉은 색이 옅어질수록 백색광의 연속스펙트럼에 가까워지는 것을 확인 하는 것으로 만족해야 되었다. 나아가서 스펙트럼 정규분포의 최대 파장을 읽어서 그 수치를 분석하는 방 법을 생각해 볼 수 있으나 시료 처리의 어려움으로 다음의 방법을 택하였다. 27

간단히 단계를 10~1(원형 샘플의 붉은 색: 10 ~ 가장 파괴가 많이 된 흰색 : 1) 까지 총 10단계로 나누어서 y축 결과 데이터를 수치로 표현하여 그래프를 그려보았 다. Figure 25. Color change rate by ultrasonic wave and time 시료에 10KHz의 주파수를 가했을 경우, 1분씩 시간이 늘어날수록 점진적으로 시 료의 색 변형이 각각 대략 10%, 20%, 40% 정도까지 발생했음을 알 수 있다. 시료에 15KHz의 주파수가 가했을 경우, 1분씩 시간이 늘어날수록 점진적으로 시 료의 색 변형이 각각 대략 30%, 50%, 70% 정도까지 발생했음을 알 수 있다. 시료에 20KHz의 주파수가 가했을 경우, 1분씩 시간이 늘어날수록 점진적으로 시 료의 색 변형이 각각 대략 60%, 80%, 90% 정도까지 발생했음을 알 수 있다.(변색 단계를 나누고 변형의 퍼센트를 산정하는 경우에 있어서 오차는 각 샘플 간의 붉은 색의 짙은 정도가 눈으로 구분되어서 10단계로 배열이 가능하였으므로 샘플의 변색 단계가 2단계 이상 차이나지 않는 이상 10% 이내의 오차를 갖는다고 할 수 있다.) 위 결과는 시료에 초음파를 가해준 시간이 길어질수록, 또한 초음파의 진동수가 커질수록 붉은 시온 물감의 변형이 크게 일어났음을 보여준다. 나아가서 10KHZ에 서 2분 이상 노출 시키는 경우(변색 정도 20~40%)보다 20KHz에서 1분간 노출 시 킨 시료의 변형(변색 정도 약 60%)이 더 많이 일어난 점을 근거로 노출 시간이 2 28

배가 되는 것보다 진동수가 2배가 커질수록 시료에 더 큰 영향(시온캡슐의 파괴)을 미친다는 것도 확인이 되었다. 4). 시온물감의 산성도(pH)에 대한 안정성 실험 양쪽모두 특별한 변화는 일어나지 않았고 정상적으로 변색반응이 나타났다. ph Heating Cooling time(s) temperature( ) scope( ) time(s) temperature( ) scope( ) 0.025 26 29.3~31.8 2.5 29 29.1~26.6 2.5-0.033 25 29.7~31.9 2.2 28 29.0~26.5 2.5 13.27 27 29.8~32.1 2.3 27 29.0~26.5 2.5 13.33 28 29.2~31.8 2.6 28 28.8~26.4 2.6 Table 14. Stability in acid and base Figure 26. Stability in acid and base ph농도가 가장 높은 염화수소 8%용액과 수산화나트륨20% 용액에서 회수한 코팅 용 비닐을 가지고 민감성 테스트한 결과 대조군과 같았다. 그래서 다른 시험지는 색의 선명도만을 테스트하였고 모두 이상이 없었다. 이것은 시온물감이 산성과 염 기성에는 아주 강하다는 것을 알 수 있다. 5). 시온물감의 진공과 압력에 대한 안정성 실험 양쪽모두 특별한 변화는 일어나지 않았고 정상적으로 변색반응이 나타났다. 압력은 10Mpa에서 3회 반복 실험하였으나 아무런 이상이 발생하지 않았고 진공상 태애서도 2cmHg까지 감압해서 3회 반복 실험했지만 처음과 차이가 생기지 않았다. 29

Figure 27. Stability in pressure 6). 시온물감의 강도(마찰)에 대한 안정성 실험 시온물감의 스크래치에 대한 강도는 아주 약해서 쉽게 스크래치가 나는 것을 확인 할 수 있었다. 우리가 사용한 유성용 시온물감은 물감을 칠한 후 마른표면을 살펴 보면 합성수지 같은 피막이 형성되고 이 피막으로 시온물감의 마이크로캡슐이 색상 을 가지는 염료와 안정적으로 흡착되는데 이 피막은 날카로운 것에 쉽게 긁힘을 볼 수 있고 또한 쉽게 떨어져 나가면서 다음과 같은 결과를 보이게 되었다. pressure 20g cm 40g cm times 10times 20times 30times 40times 50times Table 15. Stability in scratch 7). 시온물감의 반복성데 대한 실험(싸이클노화) 시온물감을 250회 반복한 후 실험한 결과 초기 실험 데이터와 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 이것은 시온물감이 변화가 많은 현장에서도 충분히 사용가능하다는 것 을 나타낸다. 30

5. 결 론 시온물감의 민감성 실험에서 색의 두께에 따른 변색온도는 거의 차이가 없었으나 변색온도의 범위를 보면 진한 시온물감보다는 묽은 시온물감이 변색온도 범위가 작 은 것을 볼 수 있다. 이는 물감의 열전도율의 차이에서 나타나는 현상으로 사료된 다. 그러나 그 차이가 매우 작으므로 매우 민감한 온도변화가 요구되는 경우가 아 니라면 확실한 색 변화를 확인하는 용도로는 물감을 진하게 칠하는 것이 더 좋을 것이다. 온도변화는 빠른 온도변화가 느린 온도변화에서보다 더 민감한 것으로 나 타났다. 온도의 차이가 크면 시간당 열 전달량이 커지기 때문이며 변색 온도의 범 위는 느린 온도변화에서 더 작게 나타났는데 온도의 느린 변화로 시온물감의 열전 도 시간을 충분히 확보할 수 있는 것이다. 즉, 민감성은 시온물감의 열전도율이 핵 심이다. 시온물감을 여러 가지 특수한 상황에 노출시킨 후 변식온도를 측정한 결과, 열에 대하여 200 부근까지는 안정성이 유지되지만 포도씨유의 끓는점인 360 에 접근 하여서 시온물감의 변색성을 잃어버렸다. 따라서 시온물감을 일반 튀김용기의 그릇 으로는 사용할 수 있지만 튀김용 냄비나 난로의 화덕과 같이 직접 고온에 사용하기 에는 어렵다는 것을 알 수 있다. 마이크로파에서는 일반 전자레인지에 8분 이상 가 열했을 경우 비가역 변색반응이 나타났으며 초음파에 대하여 10kHz, 15kHz, 20kHz 등 주파수를 증가시켰을 때 비가역 변색반응의 정도가 더욱 심하게 나타나 고주파 에 의한 시온물감 캡슐의 파괴 및 캡슐 안의 시온물질의 파괴를 집작할 수 있다. 울트라 소니케이터는 음파(sound wave;종파)발생기로서 전자레인지보다 상대적으로 매우 작은 최대 20KHz( 전자레인지의 약 10만분의 1)의 진동수를 발생시킨다. 하지 만 샘플에 음파를 가해 준 경우 진동수에 따라 전자레인지보다 짧은 시간인 2, 3분 이하에서 상당한 영구 변형이 일어났다. 이는 음파의 특성인 매질(ex. 공기, 액체, 고체 등)을 통한 운동 에너지의 직접적인 전달로 시료 안의 캡슐이 좀 더 쉽게 파 괴된다고 생각해 볼 수 있다. 다시 말해서 본 시료는 복사와 공명현상이 따르는 고 주파의 전자기파에 의한 비가역 변형보다 매질의 직접적인 진동이 전달되는 초음파 에 의한 비가역 변형에 더욱 크게 영향(손상)을 받는다고 추론해 볼 수 있다. 따라 서 전자전기, 섬유, 정밀기계공고, 자동차, 병원, 식품분쇄, 광학기계, 보석 먼지제거 및 청소, 도금, 인쇄 등 다양하게 사용되는 초음파에 대한 안정성은 앞으로의 연구 를 통해 보완되어야 한다. 그밖에 산과 염기, 고진공과 고압의 경우에서는 일상생활 에 적용 될 수 있는 정도의 환경에서는 아무런 이상이 없다. 특히 매우 강한산과 강한염기 용액의 실험에서도 정상적으로 변색을 나타내었으며 우려했던 진공실험 (마이크로캡슐이 고진공에서 약하다는 조사 결과)에서도 고진공까지는 실험할 수 없었지만 2cmHg까지 정상이었던 것을 확인하여 산업현장과 같은 매우 특수한 상 황이 아니라면 안정하다. 물리적인 자극에는 매우 약하다. 본 연구에서 사용한 재료는 유성 시온물감으로서 31

사포에 작은 힘을 주어서 밀어도 쉽게 긁혔는데, 시온물감에 섞인 마이크로캡슐을 보호하기 위해 물감이 마를 때 용매가 증발하면서 합성수지와 같은 막을 만들며 굳 는다. 그 막의 내마모성이 작아서 사포나 책상모서리와 같은 곳에 쉽게 긁혀 스크 래치가 나는 것을 확인 할 수 있었다. 아직 시온염료나 안료처럼 섬유에 사용하는 물질을 구해 실험해보지 못했지만. 접촉이 빈번한 곳에 시온물감을 사용 할 때는 물감을 칠하고 코팅을 하거나 스크래치에 강한 물질을 덧칠해서 시온물감이 직접적 으로 노출되지 않도록 해야 한다. 음료수의 온도 표기를 위해 쓰이면서 우리에게 친숙해진 시온물감은 공업용으로는 많이 사용되고 있지만 아직까지 우리 생활에서는 많이 활용되고 있지 않고 있다. 하지만 실험을 통해 알아본 시온물감은 온도반응의 민감성과 외부 실생활에서의 외 부자극에 대한 안정성이 충분하다고 보인다. 따라서 시온물감이 다른 저렴한 물감 에 비해서는 아직 고가이긴 하지만 다양한 방법으로 활용될 요소가 충분하다고 생 각된다. 가스 순간온수기의 물 온도 탐지, 프라이 팬, 기름에 튀기는 팬 등의 손잡 이 온도 확인, 온 열 장치의 온도 확인, 냉장고 내부의 온도 감시와 측정, 실내온도 의 감시 및 측정, 전기 뜸 치료기의 온도 탐지, 체온의 온도 측정, 머리 고데기와 머리 세팅기의 온도 확인, 전기 진공청소기의 온도 표시등 아직 많은 부분에서 활 용이 가능할 것이다. 텔레비전 에서 나온 신기한 물감을 보고 시온물감에 대해 연구해가는 과정에서 그 동안 생각하지 못한 수많은 물감, 염료, 안료 등이 있다는 것을 알게 되었고. 또한 다양하게 사용되는 이런 물감을 접할 수 있었다. 오늘날 산업 기술의 발달로 인해 다양한 성질을 가진 잉크나 물질이 많이 개발되고 있다. 빛을 받으면 발광하는 형 광 잉크, 향료캡슐을 봉입한 향료잉크, 인쇄한곳이 발포되어 부풀어 오르는 발포잉 크, 빛에 따라 달라지는 감광성잉크, 감온성잉크인 시온잉크 등등 이러한 색의 발전 은 섬유 산업, 인쇄업의 발전으로 연결되어 지기 때문에 고부가가치의 산업이라고 할 수 있을 것이다. 우리나라는 아직 이런 색소물질연구에 있어서 다른 선진국에 비교해 뒤떨어져 있지만 이런 특수잉크의 활용도는 점점 다양해질 전망이므로 지금 부터 연구에 투자를 아끼지 않아야 할 것이다. 6. 참조 자료 [1] J. H. Park, "Trends and proposals of user-designable mobile phone cover", INDIN 2008, Daejeon, Korea, July 13-16, 2008. [2] Zoom In -high tech ink", The tech times(tech.sbc.or.kr), November 2007. [3] Cotton Knit http://www.dyenet.co.kr/mania/cottonnit/cottonknitbook/tex199-2.htm 32