KR100486497B1 - 히터 내장형 감습센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히터 내장형 감습센서에 관한 것으로, 종래 감습센서는 폴리머를 감습재료로 사용하여 사용온도 범위가 10~60℃ 정도로 제한되어 있어 그 사용범위가 제한되며, 감습막 표면상의 오염물이나 습기가 흡착되어 그 수명이 짧은 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 기판 상에 위치하는 면상의 하부전극과; 상기 하부전극을 전극 또는 히터로 사용할 수 있도록 하는 두 패드와; 상기 하부전극 상에 위치하는 다공성 산화물 감습막과; 상기 다공성 산화물 감습막의 상부에 위치하며, 패드에 연결되는 다공성 상부전극으로 구성되는 감습센서를, 기판의 상부에 제1 및 제2 패드를 형성하는 단계와; 상기 제 1 및 제2패드와 연결되는 면상의 하부전극을 형성하는 단계와; 상기 하부전극 상에 금속산화물계 세라믹 재료의 다공성 산화물 감습막을 형성하는 단계와; 상기 다공성 산화물 감습막 및 기판의 상부일부에 제3패드를 형성하는 단계와; 상기 다공성 산화물 감습막의 상부에서 상기 제3패드에 연결되는 도전성 산화물의 다공성 상부전극을 형성하는 단계를 통해 제조하여, 감습막에 침투한 수분 및 오염물질을 제거할 수 있어 감습센서의 수명을 연장시키는 효과와 아울러 열악한 환경하에서도 감습센서를 사용함이 가능한 효과가 있으며, 감습막으로 내열성이 강한 다공성 산화물 감습막을 사용하여 감습센서의 사용온도범위를 증가시키는 효과가 있다.

Description

히터 내장형 감습센서 및 그 제조방법{HUMIDITY SENSOR EQUIPPED WITH HEATER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 히터 내장형 감습센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 낮은 전력을 소모하며 넓은 온도대역에서 장기간 사용이 가능한 히터 내장형 감습센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

감습센서는 온실에서의 야채의 재배, 가습기나 건조기 및 자동조리기 등의 가전제품과, 자동차 및 빌딩내의 습도조절등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

이와 같은 감습센서는 그 동작원리에 따라서 써미스터형, 저항형, 커패시터형 등으로 분류된다.

써미스터형은 서로 분리된 두개의 써미스터 소자를 적절한 패키징에 의해 한 소자에는 습기가 들어가게 하고 다른 한쪽은 습기가 들어가지 못하도록 설계되어, 그 두 써미스터 소자 재료의 저항차에 의해 습도를 측정하게 된다.

이때 써미스터 소자의 재료는 부온도계수(NTC, NEGATIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)나 정온도계수(PTC, POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)의 온도 특성을 가지는 재료가 사용된다.

상기 부온도계수는 반도성을 가지는 세라믹이 주로 사용되며, 정온도계수를 가지는 재료로는 Pt 또는 Au등의 금속이 사용된다.

써미스터형의 동작원리는 소자양단에 인가전압을 가하여 소자의 온도를 약 200~300℃로 가열한 상태에서 주위 습도변화에 따라 습기에 노출된 써미스터 소자는 열을 빼앗기게 되어 저항값이 커지거나, 작아지게 되며, 밀폐된 소자는 저항의 변화가 없기 때문에 이들 소자간의 저항값 차이를 전기적 출력으로 변환하여 습도변화를 검출하게 된다.

또한, 저항형이나 커패시터형은 주로 폴리머 등을 감습재료로 사용하여, 폴리머 양단이나 상하측에 적절한 전극 배치를 통하여 폴리머 내부로의 습기 흡착에 따른 전극간 저항값 변화 또는 커패시턴스 변화를 이용하여 습도를 측정할 수 있게 되며, 이와 같은 종래 저항형 및 커패시터형 감습센서 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1a 및 도1b는 종래 저항형 폴리머 감습센서의 제조공정 수순 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1) 상에 두 저항패턴(2,3)을 형성하는 단계(도1a)와; 상기 두 저항패턴(2,3)의 상부측에 폴리머 센싱층(4)을 형성하는 단계(도1b)로 이루어진다.

이와 같은 구조의 감습센서는 폴리머 센싱층(4)의 내부로 습기가 흡착되면, 상기 두 저항패턴(2,3)의 저항성분이 변화되어 이를 검출하여 습도의 변화를 검출할 수 있게 된다.

그러나, 상기 감습재료인 폴리머 센싱층(4)을 폴리머로 사용함으로써, 그 폴리머가 유기물이기 때문에 사용온도가 60℃ 이상으로 상승하면 재료의 변형이 발생하며, 이와 같은 변형에 의해 감습의 기능이 저하될 수 있다.

또한, 오일이나 다른 오염물이 발생되는 환경에서 장시간 노출되면 센싱층(4)의 표면이 변질되거나, 표면이 막혀 습기가 침투할 수 없게 되어 그 감습특성이 저하된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 칸탈 와이어 히터를 감습소자 주위에 탑재하여 감습재료 표면에 흡착된 수분 또는 오염물질을 제거할 수 있는 무기재료 세라믹 벌크형 감습센서도 개발되었으나, 이는 열용량이 커서 전력소모가 크고, 응답속도가 느리며, 패키징에 어려움이 있는 것으로, 그 재현성이나 균일성에 문제가 있기 때문에 극히 제한적으로 응용되고 있다.

도2a 내지 도2c는 종래 커패시터형 폴리머 감습센서의 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(21) 상에 일정한 면적을 가지는 하부전극(22)을 형성하는 단계(도2a)와; 상기 하부전극(22)의 상부에 폴리머 센싱층(23)을 형성하는 단계(도2b)와; 상기 폴리머 센싱층(23)의 상부에 상부전극(24)을 형성하는 단계(도2c)로 제조된다.

상기 구조의 종래 커패시터형 폴리머 감습센서는 폴리머 센싱층(23)에 유입되는 습기의 양에 따라 변화되는 커패시턴스의 크기를 측정하여 습도변화를 검출하게 된다.

이때 역시 감습재료로서 폴리머를 사용하기 때문에 상기 설명한 바와 같이 오염문제 및 사용 온도범위의 제한 문제가 그대로 적용된다.

상기한 바와 같이 종래 폴리머를 감습재료로 사용하는 감습센서는 사용온도 범위가 10~60℃ 정도로 제한되어 있어 그 사용범위가 제한되며, 감습막 표면상의 오염물이나 습기가 흡착되어 그 수명이 짧은 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 사용 가능 온도의 범위를 넓히고, 감습막의 오염을 제거할 수 있는 히터 내장형 감습센서 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적은 하부전극을 전극의 역할뿐만 아니라 마이크로 히터의 역할도 수행하도록 구성하고, 감습막을 내열성이 강한 재료를 사용하여 형성함과 아울러 상부전극을 습기의 침투가 용이한 다공성 재질로 형성함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명 히터 내장형 감습센서의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(31)의 상부일부에 위치하는 면상의 하부전극(32)과; 상기 기판(31)의 일부에 위치하며 상기 면상의 하부전극(32)에 전압을 인가할 수 있는 한쌍의 패드(PAD1)와; 상기 면상의 하부전극(32) 상에 위치하는 다공성 산화물 감습막(33)과; 상기 다공성 산화물 감습막(33)의 상부에 위치하는 다공성 상부전극(34)과; 상기 다공성 상부전극(34)에 연결되는 패드(PAD2)로 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 히터 내장형 감습센서 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전기적 절연 기판(31)을 준비한다.

이때 기판(31)은 알루미나(Al₂O₃)와 같은 산화물 세라믹 기판을 예로 들 수 있다.

그 다음, 상기 기판(31)의 상부에 금(Au) 등의 비저항이 낮은 금속 전극막을 스크린 인쇄법등의 방법으로 인쇄하여 상호 소정거리 이격되는 한쌍의 패드(PAD1)를 형성한다.

그 다음, 상기 기판(31)의 상부 일부에 위치하며, 상기 형성한 한쌍의 패드(PAD1)와 각각 연결되는 면상의 하부전극(32)을 형성한다.

상기 하부전극(32)은 도전성 산화물이며, 그 예로는 RuO₂를 들 수 있다.

상기 하부전극(32)을 면상으로 형성하는 이유는 전극으로서의 역할 뿐만 아니라, 그 저항에 의해 열을 발생시켜 습기 또는 불순물을 제거하는 히터의 역할을 하도록 하기 위한 것이며, 가열시 가열하고자 하는 면적에 대하여 균일한 가열을 할 수 있다.

그 다음, 상기 면상의 하부전극(32)의 상부에 다공성 산화물 감습막(33)을 스핀코팅, 스크린 인쇄법등의 방법으로 형성한다.

상기 다공성 산화물 감습막(33)은 알루미나(Al₂O₃) 또는 실리카(SiO₂), 금속산화물계 세라믹과 같이 주위 온도 변화에 대한 저항 변화가 적고 300℃이상의 고온에서도 사용이 가능한 내열성을 가지며, 화학적으로 안정된 재료를 사용한다.

그 다음, 상기 감습막(33)의 상부일부와 기판(31)의 상부일부에 위치하는 상부전극 패드(PAD2)를 스크린 인쇄법 등의 인쇄법을 사용하여 형성한다.

그 다음, 상기 다공성 산화물 감습막(33)의 상부에 위치하며 상기 패드(PAD2)와 연결되는 다공성 상부전극(34)을 형성한다.

상기 다공성 상부전극(34)은 스크린 인쇄법 등의 가능한 인쇄법 또는 스퍼터링과 같은 증착법을 사용하여 형성할 수 있다.

상기 다공성 상부전극(34)은 다공성의 특성으로 습기의 침투가 용이하여, 상기 다공성 산화물 감습막(33)에 습기의 전달을 용이하게 할 수 있다.

상기 다공성 상부전극(34)의 예로는 금과 같은 금속 또는 RuO₂와 같은 도전성 산화물을 사용한다.

이와 같이 제조된 본 발명 히터 내장형 감습센서는 기판의 상부에 면상의 하부전극(32)을 배치하고, 그 상부에 다공성 산화물 감습막(33), 다공성 상부전극(34)을 순차 적층한 구조이며, 상기 하부전극(32)에는 두 패드(PAD1)를 연결하여 감습동작에서는 두 패드(PAD1)에 동일한 전압을 인가하고, 히터로 사용할때는 두 패드(PAD1) 각각에 서로 다른 전압을 인가하여 상기 하부전극(32)의 저항에 의해 열이 발생하도록 한다.

이와 같이 하나의 전극을 이용하여 감습센서의 일측 전극으로 사용함과 아울러 불순물과 누적된 습기를 제거하는 히터로 사용하여, 감습센서의 센싱특성에 대한 신뢰성을 향상시키고, 그 수명 또한 연장할 수 있게 된다.

이는 다공성 산화물 감습막(33) 내부에 위치하는 수분이나 표면의 오염물질을 별도의 장치를 사용하지 않고, 전극을 이용하여 제거할 수 있는 특징이 있다.

이처럼 오염물질을 제거함으로써 얻어지는 효과는 감습센서를 열악한 환경에서도 사용이 가능하도록 하며, 오염물질에 의해 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있게 된다.

그리고, 감습에 이용되는 감습막을 종래 열에 약한 폴리머를 사용하던 것을 내열성이 강하고 화학적으로 안정된 다공성 산화물 감습막(33)으로 대체하여 고온 고습한 환경에서도 사용이 가능하게 된다.

또한, 상기 다공성 상부전극(34)을 사용하여 습기가 원활하게 다공성 산화물 감습막(33)에 도달하도록 하여 정확한 습도의 측정이 이루어질 수 있도록 한다.

도4는 본 발명 히터 내장형 감습센서의 25℃ 온도 분위기에서 상대습도 변화에 대한 감습특성 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 습도의 변화에 대하여 큰 용량 변화를 나타내고, 그 변화가 비교적 선형화되어 정확한 센싱이 가능하게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 하부전극을 마이크로 히터로 사용할 수 있도록 하여, 감습막에 침투한 수분 및 오염물질을 제거할 수 있어 감습센서의 수명을 연장시키는 효과가 있다.

또한, 상기 하부전극의 형상을 면상으로 하여, 감습막에 균일하게 열을 전달하여 감습막의 전체에서 균일하게 감습막의 습기와 오염물질을 제거할 수 있어, 열악한 환경하에서도 감습센서를 사용함이 가능한 효과가 있다.

그리고, 감습막으로 내열성이 강한 다공성 산화물 감습막을 사용하여 감습센서의 사용온도범위를 증가시켜 그 이용 분야를 확대할 수 있는 효과가 있고, 다공성 상부전극을 사용하여 외부의 습기가 감습막에 용이하게 도달할 수 있도록 하여, 감습의 정확도를 향상시키는 효과가 있다.

도1a 및 도1b는 종래 감습센서의 일실시 제조공정 수순사시도.

도2a 내지 도2c는 종래 감습센서의 다른 실시 제조공정 수순사시도.

도3은 본 발명 히터 내장형 감습센서의 사시도.

도4는 본 발명 히터 내장형 감습센서의 25℃온도 분위기에서 감습특성을 나타낸 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

31:기판 32:하부전극

33:다공성 산화물 감습막 34:다공성 상부전극

Claims (7)

1. 기판 상에 위치하는 면상의 하부전극과; 상기 하부전극에 연결되어 그 하부전극을 전극 또는 히터로 사용할 수 있도록 하는 두 패드와; 상기 하부전극 상에 위치하는 다공성 산화물 감습막과; 상기 다공성 산화물 감습막의 상부에 위치하며, 패드에 연결되는 다공성 상부전극으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 히터 내장형 감습센서.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 산화물 감습막은 알루미나 또는 실리카 등의 내열성이 강하고, 화학적으로 안정된 금속산화물계 세라믹인 것을 특징으로 하는 히터 내장형 감습센서.
4. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 상부전극은 금 또는 RuO₂ 등의 금속산화물인 것을 특징으로 하는 히터 내장형 감습센서.
5. 기판의 상부에 제1 및 제2 패드를 형성하는 단계와; 상기 제 1 및 제2패드와 연결되는 면상의 하부전극을 형성하는 단계와; 상기 하부전극 상에 금속산화물계 세라믹 재료의 다공성 산화물 감습막을 형성하는 단계와; 상기 다공성 산화물 감습막 및 기판의 상부일부에 제3패드를 형성하는 단계와; 상기 다공성 산화물 감습막의 상부에서 상기 제3패드에 연결되는 도전성 산화물의 다공성 상부전극을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 히터 내장형 감습센서 제조방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 다공성 산화물 감습막은 스핀코팅 또는 스크린 인쇄법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 히터 내장형 감습센서 제조방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 다공성 상부전극은 스퍼터링 또는 스크린 인쇄법을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 히터 내장형 감습센서 제조방법.