JPH11345551A - 湿度スイッチング素子 - Google Patents
湿度スイッチング素子Info
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- JPH11345551A JPH11345551A JP17063798A JP17063798A JPH11345551A JP H11345551 A JPH11345551 A JP H11345551A JP 17063798 A JP17063798 A JP 17063798A JP 17063798 A JP17063798 A JP 17063798A JP H11345551 A JPH11345551 A JP H11345551A
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Abstract
動作が可能であり、しかもある程度応答範囲の調整を行
うことのできる湿度スイッチング素子を実現する。 【解決手段】 絶縁基板2上にギャップを介して配置さ
れている一対の電極4と、少なくともこのギャップ5の
周囲に形成されている感湿層3とを有し、かつ非直線性
湿度特性を有する湿度スイッチング素子1であって、前
記感湿層3は、高分子樹脂と、この高分子樹脂中に分散
されている導電性物質および第2の物質とを有し、前記
第2の物質は、メソ空間を有する吸湿性物質である湿度
スイッチング素子とした。
Description
検知するための湿度スイッチング素子に関する。
する倉庫や、事務室を初め、一般家庭等において多数使
用されている。これらの中で、湿度の影響を強く受ける
品物の保管の場合には、別途湿度センサを設けて湿度を
測定し、必要に応じて換気を行ったり、除湿したりして
いる。
ト高を避けるため、特に湿度のコントロールを行うこと
はない。これは、一般に湿度センサが直線的な応答を示
し、しかも抵抗変化以外の測定原理を用いていることが
多いからである。すなわち、直線的に変化する応答に対
し、特定の値、あるいは領域を検出してスイッチさせた
り、いわゆるチャタリングやハンチングを防止したり除
去する回路等が必要であったりして余分な回路や装置を
必要とする。また、抵抗以外の変化を電気信号に変換す
るための特別な工夫が必要である場合には、さらに、余
分な回路や装置を必要とし、その分装置が複雑となり、
コスト高を招く結果になる。なお、特殊な例として、結
露センサが非線径応答を示すが、特定の用途に限られて
しまう。
として、熱応答に関するものでは、いわゆるPTC素子
が知られている。このPTC素子は、その抵抗値が温度
上昇により5桁以上も非直線的に上昇することからその
まま可逆的なスイッチ素子として使用されている。この
ため、直接エアコン等の温度制御装置内に組み込み、動
作をスイッチさせることができ、安価な装置での制御を
可能としている。
の98%RH結露センサを除いて、このような非直線動
作特性を示すものは全く知られていない。
線応答型の素子であって、スイッチング動作が可能であ
り、しかもある程度応答範囲の調整を行うことのできる
湿度スイッチング素子を実現することである。
以下の本発明により達成される。 (1) 絶縁基板上にギャップを介して配置されている
一対の電極と、少なくともこのギャップの周囲に形成さ
れている感湿層とを有し、かつ非直線性湿度特性を有す
る湿度スイッチング素子であって、前記感湿層は、高分
子樹脂と、この高分子樹脂中に分散されている導電性物
質および第2の物質とを有し、前記第2の物質は、メソ
空間を有する吸湿性物質である湿度スイッチング素子。 (2) 前記メソ空間は、円換算の直径が1〜30nmの
空隙である上記(1)の湿度スイッチング素子。 (3) 前記第2の物質は、液晶または両親媒性化合物
を鋳型として形成された上記(1)または(2)の湿度
スイッチング素子。 (4) 前記高分子樹脂は、非晶質部分の吸水率が1%
(23℃24時間)以下である上記(1)〜(3)のい
ずれかの湿度スイッチング素子。 (5) 前記導電性物質と第2の物質の含有量は、前記
感湿層全体に対してそれぞれ、 導電性物質:5〜90wt%、 第2の物質:5〜90wt% の範囲である上記(1)〜(4)のいずれかの湿度スイ
ッチング素子。
る毛細管により、周囲の湿度が高くなると水蒸気を凝縮
液化し、湿度が高くなると凝縮水を気化する機能を有す
る。毛細管現象は、Kelvin式に従い、Young LapLace の
式から導かれることが知られている。
圧力差(単位面積当たりの力)をP”−P’とし、表面
曲率をγとすると、Young とLapLace の式が得られる。 P”−P’=2γ/r (1) 曲率1/rの液体の球滴がその蒸気と平衡になっている
場合、(1)式から以下の(2)式が得られる。 dP”−dP’=d(2γ/r) (2)
が等しいから、dμ’=dμ”であり、一方、dμ=−
SdT+VdPであるから、一定温度ではdμ=VdP
となり、上の平衡条件はV’dP’=V”dP”とな
る。(ここで、μ:化学ポテンシャル、V:モル体積、
S:エントロピー、T:絶対温度である)これを(2)
式と組み合わせると、 d(2γ/r)=〔(V’−V”)/V”〕dP’ (3) となる。
体積V’と比較して無視し、V’を理想気体のモル体積
V’=RT/P’として取り扱うと、 d(2γ/r)=RTdP’/(V”P’) (4) となる(R:気体定数)。
P0 すなわち、正常な蒸気圧に等しくなる曲率ゼロ(1
/r=0)から、蒸気圧がPになる曲率1/rまで積分
すると、次のケルビンの式が得られる。 In(P/P0 )=2γV”/(rRT)=2γM/(rRTρ) (5) ここで、V”=M/ρで、M:はモル質量、ρ:は液体
の密度である。
的な表面は、2つの曲率半径r1 とr2 によって表現さ
れ、上式は、 In(P/P0 )=γM/(RTρ)(1/r1 +1/r2 ) (6) と書ける。
1 =rad 、r2 =∞のメニスカスが生じるので、
(1/r1 +1/r2 )=1/rad ,一方、脱着時には
半径rの半球メニスカスが安定するので、r1 =r2 =
rde とおいて、(1/r1 +1/r2 )=2/rde と
なる。この関係から、細孔での吸脱着にヒステリシスが
生じる。
包まれた細孔に凝集した水の蒸気圧」と思えるが、上記
のように平衡を仮定しているので、Pは液滴の周辺の蒸
気圧であると同時に空気中の蒸気圧に等しいと考えられ
る。 P(液滴周辺蒸気圧)=P(空気中蒸気圧)≦P(平面飽和蒸気圧) つまり、相対湿度=P(空気中蒸気圧)/P(平面飽和蒸気圧) =P(液滴周辺蒸気圧)/P(平面飽和蒸気圧) と考えられる。
の吸着層があると考えられるので、実際の細孔半径は、
r=rk +tで与えられる。ここで、rk はKelvin式で
求めた細孔半径である。水蒸気吸着の場合のtの値につ
いては、荒井らの式t2.3 =[−0.132/〔In
(P/P0 )−0.08〕]により計算することがで
き、相対湿度40%での細孔径は3.2nm、相対湿度7
0%では細孔径7.4nmとなる。従って、この範囲の細
孔径を有する材料であれば、湿度スイッチング素子の第
2の成分として用いることができる。
か、機能材料、Vol.17,No.2,22〜30,1997 や、小川、化
学と工業、第50巻、第2号、155,1997や、大橋ほか、
第40回粘度材料科学討論会予稿集、184,1996等に記載
されているように、室内の湿度調節を行う目的の調湿材
料として検討された例が知られている。また、機能性分
子のホスト材料としても研究されているが、電子部品へ
の応用例はなく、湿度スイッチング素子へ応用した例も
ない。
は、絶縁基板上にギャップを介して配置されている一対
の電極と、少なくともこのギャップの周囲に形成されて
いる感湿層とを有し、かつ非直線性湿度特性を有する湿
度スイッチング素子であって、前記感湿層は、高分子樹
脂と、この高分子樹脂中に分散されている導電性物質お
よび第2の物質とを有し、前記第2の物質は、メソ空間
を有する吸湿性物質である。
を有する第2の物質を分散させ、電極ギャップ間に形成
される導電性物質の導通パスを第2の物質でコントロー
ルし、非直線性の湿度応答特性を得ることができる。
質は水蒸気を凝縮していないので、樹脂中に分散されて
いる導電性物質同士により形成される導通パスが確保さ
れ、低抵抗状態となる。一方、湿度が高くなるにつれ第
2の物質は水蒸気を凝縮し、これにより膨潤した第2の
物質が導電性物質の導通パスを遮断ないし切断するよう
になる。これにより抵抗が急激に増加し、電極間の電流
を制限して非直線応答のスイッチング素子として機能す
る。
された状態で存在し、所定の導電率を確保でき、しかも
第2の物質が膨潤したときには導通パスが切断されやす
いものが好ましい。通常、ストラクチャの発達したカー
ボンブラックが多く使用されるが、異形ニッケル粉等の
金属微粒子や、炭化タングステン等の金属化合物等であ
ってもよい。
ラックで5〜200nm、特に10〜50nmの範囲が好ま
しい。また、金属ないし金属化合物では0.1〜50μ
m 、特に1〜10μm の範囲が好ましい。感湿層全体に
対する導電性物質の含有量は、導電性物質の種類によっ
ても異なるが、5〜90wt%程度が好ましい。特に、カ
ーボンブラックで5〜70wt%、さらには、20〜40
wt%の範囲が好ましい。また、金属ないし金属化合物で
は50〜90wt%、特に70〜90wt%の範囲が好まし
い。
間を有する物質であれば特に限定されるものではない。
メソ空間としては、円換算の直径が1〜30nm、特に
1.5〜25nm、さらには2〜10nmの範囲であること
が好ましい。メソ空間は通常、管形状となっている。具
体的にはシリカアエロゲル、Tiを含むシリカ乾燥ゲル
や、スメクタイト、ゼオライト、セピオライト、カネマ
イト、アロフェン、ピラードクレー等の粘土鉱物、アル
コキシシラン、あるいはアルコキシチタン等の金属アル
コキシドの加水分解物などの層間化合物形成材料、さら
には1000℃で1時間焼成した後90℃の0.1N−
KOHで1時間シリカ分の溶出処理を行い多孔質化した
カオリナイト、ディッカイト、パイロフィライト、セリ
サイト等から調整されたものを挙げることができる。
型としては、上記範囲のメソ空間を形成可能な大きさの
ものであって、成形後に除去可能なものであれば特に限
定されるものではないが、液晶または両親媒性化合物が
好ましい。例えば、炭素数が5〜30、特に10〜18
のアルキル鎖を有する炭素化合物、特にアルキルアンモ
ニウム塩等の界面活性剤等が好ましい。鋳型物質の分子
の大きさを選択することにより、所望のメソ空間を得る
ことができる。
有する第2の物質を形成する方法としては、例えばシリ
カアエロゲルを用いる場合、上記鋳型物質として第4級
アンモニウム塩を用い、加圧下で加熱反応させ、空気中
で好ましくは500〜1000℃前後で加熱処理して鋳
型を除去する方法が挙げられる。また、スメクタイト、
ゼオライト等の粘土鉱物を長鎖アルキルアンモニウム塩
で処理する方法、界面活性剤存在下でアルコキシシラン
を加水分解重合した溶液を乾燥させる方法、Tiを含む
シリカ乾燥ゲルを、オートクレープ中水蒸気存在下で加
熱し、ゼオライト化するドライコンバージョン法におい
て、テトラエチルアンモニウムイオンを鋳型とする方法
等がある。第2の物質構成材料と鋳型材との混合比は、
それぞれ使用する材料や、製造方法により適宜必要な量
比とすればよいが、例えば、シリカアエロゲル:第4級
アンモニウム塩で、重量比が1〜50:20〜1程度で
ある。
は、例えば、渡村ほか、機能材料、Vol.17,No.2,22〜3
0,1997 や、小川、化学と工業、第50巻、第2号、15
5,1997や、大橋ほか、第40回粘度材料科学討論会予稿
集、184,1996等に記載されている。
シリカ充填剤を使用することができる。充填剤は、5〜
15μm の均一な粒子径と、6〜10μm の揃ったポア
サイズを有しており、本発明の第2の物質として最適で
ある。例えば、マイクロボンダスフェアー(5μm 径−
10nm細孔:(株)ワイエムシー社製)、ノバパック
(6μm 径−6nm細孔:(株)ワイエムシー社製)等が
挙げられる。
きさとしては、通常、平均径で4μm 〜50μm 程度で
ある。前記高分子樹脂に対する第2の物質の含有量は、
5〜90wt%、特に20〜80wt%の範囲が好ましい。
2の物質を保持し、かつ雰囲気中と第2の物質のメソ空
間との間の水蒸気の移動を妨げないものが好ましい。具
体的には、応答性のよい動作を得るため、吸水率は小さ
い方がよい。吸水率(23℃×24時間)は、好ましく
は1%以下、特に0.1%以下である。
レン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン等の結晶
性ポリマーが好ましい。さらには、ポリ塩化ビニル、ポ
リスチレン、ABS(アセトニトリル・ブタジエン・ス
チレン共重合体)、PC(ポリカーボネート)、ナイロ
ン6、ポリエステル、ビニロン等を好ましいものとして
挙げることができる。
アセトン、エチルブチルケトン、シクロヘキサノン等の
ケトン系溶剤、酢酸ブチル、酪酸イソブチル等のエステ
ル系溶剤、エチレングリコールモノメチルエーテル、ブ
チルカルビトール等のヒドロキシエステル系溶剤、ブト
キシ酢酸メチル、酢酸カルビトール等のアルコキシエス
テル系溶剤、ジクロロエタン等のハロゲン系溶剤、クレ
ゾール、エチルフェノール等のフェノール系溶剤、N,
N−ジメチルフォルムアミド、N,N−ジメチルアセト
アミド、N−メチルピロリドン等のアミド系溶剤、トル
エン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶剤等の有機溶剤
中に溶解され、上記導電性物質、および第2の物質を所
定量添加し、混合・攪拌した後、電極が配置されている
絶縁基板上に塗布等されて乾湿層が形成される。
えてもよい。塗布方法としては、例えば浸漬(ディッピ
ング)法、刷毛塗り法、グラビア印刷法、スクリーン印
刷法、スピナー塗布法等種々の方法が使用でき、工程や
製品の用途・種類等により選択すればよい。塗布後に高
分子樹脂の架橋工程を設けてもよい。
好ましくは0.1μm 〜500μm程度、特に10μm
〜200μm 程度である。膜が厚すぎると、湿度に対す
る膜の電気抵抗値の応答速度すなわちレスポンスが遅く
なり、膜が薄すぎると、特に低湿度領域での出力が低下
し、さらに耐水性なども低下することになり、好ましく
ない。
着性が良好で、かつ電気絶縁性を有するものであればど
のようなものでもよく、例えばガラス、プラスチック、
セラミックまたは絶縁被覆した金属等が用いられる。
に制限はなく、例えばAuないしはRuO2 等を含有
し、さらに、必要に応じガラスフリットを含有する低抵
抗ペースト等をスクリーン印刷し高温焼結したものなど
が使用できる。また電極端子は半田との相溶性のあるも
のであればどのようなものでもよく、例えばAg−Pd
合金等を用い、これらを通常の方法で印刷して高温で焼
付等すればよい。さらに、例えば電極にAuを用いる場
合は、半田付け処理時のAu拡散防止のためにレジスト
またはガラスよりなるレジスト膜を設けることが好まし
い。レジスト膜の厚さおよび形状には制限はなく、半田
付け処理時のAu拡散防止の効果を有すればよい。
構成例を図1および図2に示す。図示例の湿度スイッチ
ング素子は、絶縁基板2上に一対の櫛形電極4を有し、
一対の櫛形電極4は、一定距離のギャップ5を介し、か
つ噛み合うようにして絶縁基板2上に配置されている。
そして、絶縁基板2および櫛形電極4上には図示のよう
に感湿層3が設けられている。また、櫛形電極4の各々
の一端には電極端子6が取り付けられており、電極端子
6の各々にはリード線7が半田付等により接続されてい
る。
よびギャップ5の周囲に形成された乾湿層3内には、導
電物質3aおよび第2の物質3bが分散されている。こ
こで図2は図1のA−A’断面矢視図である。
れる抵抗値は、好ましくは3桁以上、特に6桁以上変化
し、導体から絶縁体、絶縁体から導体へと変化すること
が好ましい。このように抵抗値が変化することにより、
スイッチング動作が可能となり、複雑な回路を用いるこ
となく湿度制御を行うことができる。
40%以上から結露域まで、特に40%RH〜90%R
Hの範囲が好ましい。このように広い範囲での調整が可
能となることで、幅広い応用範囲を有することができ
る。
ン等の空調機器の他、冷蔵庫、保管庫、自動車、換気装
置、暖房装置、食品製造装置、農作物管理装置等の幅広
い用途に使用することができる。
明する。 <実施例1>シリカアエロジル200(日本アエロジル
株式会社製)の粉末1g を、1N−水酸化ナトリウム水
溶液に分散させた。鋳型用有機化合物として、炭素数1
6のアルキル基を有する第4級アンモニウムブロマイド
を添加して室温で十分に攪拌した。この混合物を、密閉
型加圧容器中に封入し、100℃で7日間反応させた。
反応後、生成物を取り出し、蒸留水10mlで6回洗浄
し、乾燥させた。次いで、鋳型を除去するために、空気
中で600℃で6時間加熱処理し、第2の物質とした。
このときの第2の物質の平均細孔径は4.5nm程度、大
きさは、平均径で12μm 程度であった。
化ビニリデンに、カーボンブラック(平均1次粒径:1
0nm)、および上記第2の物質を、それぞれ30wt%、
40wt%となるように添加してよく攪拌・混合してペス
トを作成した。これを、厚さ0.8mmのアルミナ基板上
に形成した1対の櫛形電極(材質:酸化ルテニウム、厚
さ20μm )上に、乾燥時の厚さ0.1mmとなるよう塗
布して乾湿層とし、図1に示すような構造の湿度スイッ
チング素子を得た。なお、ポリフッ化ビニリデンの吸水
率は極めて小さい。
抵抗値を、湿度を変化させながら測定した。結果を図3
に示す。
で、抵抗値が急激に6桁程度上昇し、スイッチング素子
として十分な動作が行われていることがわかる。また、
このことから、湿度70%RHでの湿度制御が容易に行
えることがわかる。
質の鋳型有機化合物として、炭素数12のアルキル基を
有する第4級アンモニウムブロマイドを用いた他は実施
例1と同様にして湿度スイッチング素子を得た。このと
きの第2の物質の平均細孔径は2.8nm程度、大きさ
は、平均径で12μm 程度であった。実施例1と同様に
して抵抗を測定したところ図4に示すような特性が得ら
れた。
で、抵抗値が急激に6桁程度上昇し、スイッチング素子
として十分な動作が行われていることがわかる。また、
このことから、比較的低湿度である湿度50%RHでの
湿度制御が容易に行えることがわかる。
(株)ワイエムシー社製カラムクロマト用シリカ充填
剤:ナバパックHR6μm を用いた他は実施例1と同様
にして湿度スイッチング素子を得た。このときの第2の
物質の平均細孔径は6nm程度、大きさは、平均径で6μ
m 程度であった。実施例1と同様にして抵抗を測定した
ところ実施例1とほぼ同様な特性が得られた。
有するシリカ乾燥ゲルと、鋳型としてテトラエチルアン
モニウムブロマイドを用い、オートクレープ中、水蒸気
存在下で120℃で10時間加熱してゼオライト化を行
ったものを用いた。このときの第2の物質の平均細孔径
は10nm程度、大きさは、平均径で16μm 程度であっ
た。その他は実施例1と同様にして湿度スイッチング素
子を得た。実施例1と同様にして抵抗を測定したところ
実施例1とほぼ同様な特性が得られた。
答型の素子であって、スイッチング動作が可能であり、
しかもある程度応答範囲の調整を行うことのできる湿度
スイッチング素子を実現することができる。
平面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 絶縁基板上にギャップを介して配置され
ている一対の電極と、少なくともこのギャップの周囲に
形成されている感湿層とを有し、かつ非直線性湿度特性
を有する湿度スイッチング素子であって、 前記感湿層は、高分子樹脂と、この高分子樹脂中に分散
されている導電性物質および第2の物質とを有し、 前記第2の物質は、メソ空間を有する吸湿性物質である
湿度スイッチング素子。 - 【請求項2】 前記メソ空間は、円換算の直径が1〜3
0nmの空隙である請求項1の湿度スイッチング素子。 - 【請求項3】 前記第2の物質は、液晶または両親媒性
化合物を鋳型として形成された請求項1または2の湿度
スイッチング素子。 - 【請求項4】 前記高分子樹脂は、非晶質部分の吸水率
が1%(23℃24時間)以下である請求項1〜3のい
ずれかの湿度スイッチング素子。 - 【請求項5】 前記導電性物質と第2の物質の含有量
は、前記感湿層全体に対してそれぞれ、 導電性物質:5〜90wt%、 第2の物質:5〜90wt% の範囲である請求項1〜4のいずれかの湿度スイッチン
グ素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17063798A JPH11345551A (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 湿度スイッチング素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17063798A JPH11345551A (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 湿度スイッチング素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11345551A true JPH11345551A (ja) | 1999-12-14 |
Family
ID=15908576
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17063798A Pending JPH11345551A (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 湿度スイッチング素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11345551A (ja) |
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-
1998
- 1998-06-03 JP JP17063798A patent/JPH11345551A/ja active Pending
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