KR101876942B1 - 이산화티탄 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도 저 히스테리시스 다공성 ｍｉｍ 타입 용량성 습도 센서 - Google Patents

이산화티탄 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도 저 히스테리시스 다공성 ｍｉｍ 타입 용량성 습도 센서 Download PDF

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왕종
김남영
류명경
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머와 다공성 상부 전극을 사용한 다공성 금속-절연체-금속(MIM) 타입 용량성 습도 센서의 특성을 향상시키고, 고감도, 저-히스테리시스, 빠른 응답 시간 및 넓은 습도 감지 범위를 실현하는, TiO2 미립자와 혼합된 기능성 폴리머(functional polymer)를 이용한 고감도(high-sensivity), 저-히스테리시스(low-hysteresis) 다공성 MIM-타입 용량성 습도 센서(porous MIM-type capacitive humidity sensor)에 관한 것이다. 습도 센서는 최적으로 설계된 다공성 상부 전극, 기능성 폴리머 습기 감지층, 하부 전극 및 유리 기판으로 구성된다. 다공성 상부 전극은 감지층과 수증기 사이의 접촉 면적을 증가시키도록 설계되어 고감도 및 빠른 응답 시간을 제공한다. TiO2 미립자와 혼합된 기능성 폴리머는 넓은 습도 감지 범위에서 우수한 저-히스테리시스 특성을 가지며, 장기 안정성이 우수하다. 습도 센서는 상대 습도가 10 %RH에서 90 %RH에 이르면, 0.85pF/% RH의 고감도와 35 초 미만의 빠른 응답 시간을 제공한다. 또한, 이 습도 센서는 60 %RH에서 0.95 %RH의 초저 히스테리시스, 양호한 온도 의존성 및 120 시간의 연속 테스트 동안 최대 0.17 % 오류율의 안정된 커패시턴스 값을 갖는다.

Description

이산화티탄 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도 저 히스테리시스 다공성 ＭＩＭ 타입 용량성 습도 센서 { High-Sensitivity and Low-Hysteresis Porous MIM-Type Capacitive Humidity Sensor Using Functional Polymer Mixed with titanium dioxide Microparticles }
본 발명은 용량성 습도 센서(capacitive humidity sensor)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TiO2 미립자(TiO2 microparticles, 이산화 티탄 미립자)가 혼합된 기능성 폴리머(functional polymer)와 다공성 상부 전극(porous top electrodes)을 사용한 금속-절연체-금속(MIM, metal-insulator-metal) 타입 용량성 습도 센서를 제공하여 고감도(high-sensivity), 저-히스테리시스(low-hysteresis), 빠른 응답 시간(fast response time) 및 넓은 습도 감지 범위(wide humidity sensing range)를 실현하여 습도 센서의 특성을 향상시킨, TiO2 미립자와 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM-타입 용량성 습도 센서(High-Sensitivity and Low-Hysteresis Porous MIM-Type Capacitive Humidity Sensor)에 관한 것이다.
본 연구는 과학 기술부, 미래 창조 과학부(2011-0030079)가 후원하는 한국 연구 재단(NRF)을 통해 기초 과학 연구 프로그램의 지원을 받았다. 본 연구는 한국 정부가 후원하는 한국 연구 재단(NRF)의 보조금 MSIP No. 2015R1D1A1A09057081의 지원을 받았다. 이 작품은 2016년 광운대학교로부터 연구 승인에 의해 지원되었다.
1. Introduction
습도 센서들(Humidity Sensors)은 일상 생활에서 널리 사용되어 왔으며 기상학, 농업, 스마트 주택, 의료 장비 및 생명 공학(biotechnology)[1-5]과 같은 다양한 응용 분야에서 점점 중요 해지고 있다. 다양한 종류의 습도 센서가 저항(resistive), 용량성(capacitive), 습도측정의(hygrometric), 중량 측정의(gravimetric) 및 열 기술과 같은 다양한 측정 원리에 근거하여 사용한다. 이러한 몇 가지 유형들의 습도 센서들 중에서 용량성 장치가 높은 감도, 선형성, 정확도, 빠른 응답 시간 및 무시할 수 있는 온도[6-9]를 제공하기 때문에 선호된다. 이러한 대부분의 정전용량형 센서들은 수증기(water vapor)의 함유량을 측정함으로써 수증기 흡수시 감지 층의 유전체 변화(dielectric changes)를 기반으로 한다.
용량성 습도 센서들(capacitive humidity sensors)에서, 습도 감지층(humidity sensing layer)의 재료는 가장 중요한 구성 요소 중 하나이다. 전해질[10, 11], 세라믹 [12-14] 및 폴리머[15-17]와 같은 많은 유형의 물질이 습도 센서에 대해 전기 파라미터들(electrical parameters)의 변화를 이용하여 제안되었다. 특히, 폴리머(polymer, 중합체)는 우수한 흡습성 및 유전 특성(hygroscopic and dielectric properties) 때문에 용량성 습도 센서(capacitive humidity sensors)의 감지 재료로써 사용되기 위해 광범위하게 연구되어 왔다.
기능성 폴리머들은 또한 감광성 때문에 코팅하기와 패턴이 매우 쉽다. 그러나, 전형적인 폴리머-기반의 습도 센서는 수분 흡수와 탈착(absorption and desorption of moisture) 및 한정된 습도 감지 범위 사이에서 큰 히스테리시스(hysteresis)를 겪고 있다.
현재의 논문은 잘 설계된 다공성 상단 전극들(porous top electrodes)과 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머(functional polymer, 기능성 중합체)를 사용하여 고감도, 저 히스테리시스(high-sensitivity and low-hysteresis) 금속-절연체-금속(MIM) 용량성 습도 센서를 제시한다. 다공성 상단 전극은 기능성 폴리머-감지층(functional polymer-sensing layer)과 환경 사이의 접촉 면적(contact area)을 증가시켜 고감도(high sensitivity) 및 빠른 응답 시간(fast response time)을 제공하도록 제작하고 있다. 그러나, 우리가 알고 있는 바와 같이, 전형적인 폴리머(typical polymer)의 습도 감지 범위는 중-고 습도 환경(medium- and high-humidity environment)에서 단지 수증기에만 민감하기 때문에 제한적이다. 따라서, 습도 감지를 낮추기에는 부적합하다. 그러므로, 전형적인 폴리머(typical polymer)와 TiO2 세라믹 기반의 미립자(TiO2 ceramic-based microparticles)를 혼합하여 습도 감지 범위를 넓히고 히스테리시스 특성(hysteresis property)을 향상시키는 기능성 폴리머를 제안한다. TiO2 미립자의 기능적 역할은 이온 전도 모델(ionic conduction model)[18]을 사용하여 설명할 수 있다. 낮은 습도에서, 소수의 물 분자가 흡착되어 TiO2 미세 입자의 표면에 흡착되어 수산기를 형성한다. 더 많은 물이 추가로 흡착되면, 물 분자(water molecules)의 클러스터링이 일어나서, 수소 결합된 물 분자(hydrogen-bonded water molecules)의 액체와 같은 층(liquid-like layer )을 형성하며, 여기서 각 물 분자는 하이드록실 그룹(hydroxyl group)에 단독으로 결합된다. 이 공정(process)은 저-히스테리시스와 넓은 습도 감지 범위를 초래한다. 무엇보다도 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머와 다공성 상부 전극을 사용하면 습도 센서의 특성을 향상시키고 고감도, 저-히스테리시스, 빠른 응답 시간 및 넓은 습도 감지 범위를 실현할 수 있다.
(비특허문헌 1) Z. Chen and C. Lu, Sensor Lett., 2005, 3, 274. (비특허문헌 2) C. W. Lee, S. J. Lee, M. Kim, Y. Kyung and K. Eom, Int. J. Adv. Sci. Technol., 2011, 36, 15. (비특허문헌 3) H. Farahani, R. Wagiran and M. N. Hamidon, Sensors, 2014, 14, 7881. (비특허문헌 4) S. A. Kolpakov, N. T. Gordon, C. Mou and K. Zhou, Sensors, 2014, 14, 3986. (비특허문헌 5) Y. Feng, L. Xie, Q. Chen and L. R. Zheng, IEEE Sens. J., 2015, 15, 3201. (비특허문헌 6) M. Matsuguchi, S. Umeda, Y. Sadaoka and Y. Sakai, Sens. Actuator B-Chem., 1998, 49, 179. (비특허문헌 7) A. Tetelin, C. Pellet, C. Laville and G. N. Kaoua, Sens. Actuator B-Chem., 2003, 91, 211. (비특허문헌 8) L. Gu, Q. A. Huang and M. Qin, Sens. Actuator B-Chem., 2004, 99, 491. (비특허문헌 9) T. Wagner, S. Krotzky, A. WeiB, T. Sauerwald, C. D. Kohl, J. Roggenbuck and M. Tiemann, Sensors, 2011, 11, 3135. (비특허문헌 10) K. Nagata, M. Nishino and K. S. Goto, J. Electrochem. Soc., 1987, 134, 1850. (비특허문헌 11) M. R. Yang and K. S. Chen, Sens. Actuator B-Chem., 1998, 49, 240. (비특허문헌 12) J. Wang, B. Xu, G. Liu, J. Zhang and T. Zhang, Sens. Actuator B-Chem., 2000, 66, 159. (비특허문헌 13) G. Q. Li, P. T. Lai, M. Q. Huang, S. H. Zeng, B. Li and Y. C. Cheng, J. Appl. Phys., 2000, 87, 8716. (비특허문헌 14) Q. Kuang, C. Lao, Z. L. Wang, Z. Xie and L. Zheng, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 6070. (비특허문헌 15) Y. Sakai, Y. Sadaoka and M. Matsuguchi, Sens. Actuator B-Chem., 1996, 35, 85. (비특허문헌 16) T. Suzuki, P. Tanner and D. V. Thiel, Analyst, 2002, 127, 1342. (비특허문헌 17) J. H. Kim, S. M. Hong, B. M. Moon and K. Kim, Microsyst. Technol., 2010, 16, 2017. (비특허문헌 18) J. Yuk and T. Troczynski, Sens. Actuator B-Chem., 2003, 94, 290. (비특허문헌 19) M. Q. Liu, C. Wang, Z. Yao and N. Y. Kim, RSC Adv., 2016, 6, 41580. (비특허문헌 20) J. Wang, X. Wang and X. Wang, Sens. Actuator B-Chem., 2005, 108, 445.
종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 TiO2 미립자(TiO2 microparticles, 이산화 티탄 미립자)가 혼합된 기능성 폴리머(functional polymer)와 다공성 상부 전극(porous top electrodes)을 사용한 금속-절연체-금속(MIM, metal-insulator-metal) 타입 용량성 습도 센서를 제공하여 고감도(high-sensivity), 저-히스테리시스(low-hysteresis), 빠른 응답 시간(fast response time) 및 넓은 습도 감지 범위(wide humidity sensing range)를 실현하여 습도 센서의 특성을 향상시킨, TiO2 미립자와 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM-타입 용량성 습도 센서(porous MIM-type capacitive humidity sensor)를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서는, 유리 기판; 상기 유리 기판 위에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 기능성 폴리머 습기 감지층; 및 상기 기능성 폴리머 습기 감지층 상에 형성되고 복수의 구멍들(holes)이 있는 다공성 상부 전극(porous top electrodes)을 포함하는 다공성 금속-절연체-금속(MIM, metal-insulator-metal) 타입 용량성 습도 센서를 구비하며,
상기 다공성 상부 전극들과 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 사용하며, 상기 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머는 습도 센서의 저-히스테리시스 특성을 가지며, 상기 다공성 상부 전극은 상기 다공성 상부 전극은 홀 직경이 20 ㎛이며 인접한 홀들 사이의 공간이 10 ㎛인 센서를 사용하며, 이는 기존 습도 센서의 홀 직경 보다 더 작은 홀 직경(smaller hole diameter)을 가지며 인접한 홀들 사이의 공간이 더 작으며,
상기 다공성 상부 전극들과 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머(functional polymer)를 사용하여 기존 용량성 습도 센서보다 0.85pF/% RH의 고감도, 저-히스테리시스(high-sensitivity and low-hysteresis) 다공성 MIM-타입 용량성 습도 센서의 특성을 향상시키고, 상기 다공성 상부 전극은 상기 기능성 폴리머 습기 감지층과 수증기들 사이의 접촉 면적을 증가시키도록 설계되며, 고감도 및 기존 용량성 습도 센서의 응답 시간 보다 더 빠른 응답 시간을 제공한다.
본 발명에 따른 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서는 유리 기판, 하부 전극, 기능성 폴리머 습기 감지층, 다공성 상부 전극으로 구성된 MIM 타입 용량성 습도 센서를 제조하였으며, TiO2 미립자(TiO2 microparticles)가 혼합된 기능성 폴리머(functional polymer)와 다공성 상부 전극(porous top electrodes)을 사용하여 기존 용량성 습도 센서(capacitive humidity sensor)의 특성을 향상시키고 고감도(high-sensivity), 저-히스테리시스(low-hysteresis), 빠른 응답 시간(fast response time) 및 넓은 습도 감지 범위(wide humidity sensing range)를 구현하여 습도 센서의 특성이 향상된 상업적으로 이용 가능한 습도 센서로 사용이 가능하다.
도 1은 (a) 구현된 다공성 MIM-타입 용량성 습도 센서(porous MIM-type capacitive humidity sensor)의 현미경 사진들, (b) 용량성 습도 센서(capacitive humidity sensor)의 확대 그림, (c) 확대된 홀들의 SEM 이미지들, 및 (d) MIM-타입 용량성 습도의 단면도 센서, 및 (e) 단면도의 확대도이다.
도 2는 다공성 MIM 타입 정전 용량식 습도 센서의 제작 공정 : (a) 하부 금속 증착, (b) 폴리머 코팅, (c) 폴리머 형성 포토 레지스트 코팅, (d) 폴리머 형성 포토 레지스트 패터닝, (e) 폴리머 에칭, (f) 포토 레지스트 제거 (g) 상부 금속 포토 레지스트 코팅, (h) 상부 금속 포토 레지스트 패터닝, (i) 상부 금속 증착, 및 (j) 포토 레지스트 제거 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 습도 센서 측정 셋업, (a) 다이어그램 및 (b) 습도 센서를 측정 보드 상에 고정하고 습도 발생 챔버(humidity generator chamber)에 넣고 동축 라인들을 사용하여 LCR 미터에 연결하여 노이즈를 최소화하고 측정된 커패시턴스 획득하는 사진이다.
도 4는 상대 습도(% RH)가 (a) 다른 홀 직경들과 (b) 인접한 홀들 사이의 다른 공간으로 10 % RH에서 90 % RH로 변경되는 동안 습도 센서들의 측정 커패시턴스(pF)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 상대 습도 변화(relative humidity variation)가 10 % RH에서 90 % RH 사이 인 습도 센서들의 커패시턴스(pF)와 히스테리시스 특성(Hysteresis characteristic, %RH)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 시간(sec)에 따른 커패시턴스(pF)를 실내 환경으로부터 90 % RH까지 습도 센서의 응답 시간 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 상대 습도(% RH)에 대한 커패시턴스(pF)를 10℃, 23℃ 및 50℃에서 측정된 습도 센서의 온도 의존성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 120 시간 연속 시험 동안에 10% RH, 50 %RH 및 90 %RH에서 습도 센서의 안정성 특성[시간(hour)에 대한 커패시턴스(pF)]을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
2. 구조 및 제조
크기가 4mm x 5mm 인 다공성 MIM 타입 정전 용량식 습도 센서( porous MIM-type capacitive humidity sensor)는 유리 기판(glass substrate), 하부 전극(bottom electrode), 감지층으로써 기능성 폴리머 필름(functional polymer film) 및 다수의 구멍들(holes)이 있는 다공성 상부 전극(top electrode with holes)으로 구성된다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 TiO2 미립자(TiO2 microparticles)가 혼합된 기능성 폴리머(functional polymer)를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서는, 유리 기판(10); 상기 유리 기판(10) 위에 형성된 하부 전극(bottom electrode)(11); 상기 하부 전극(11) 상에 형성된 기능성 폴리머 습기 감지층(functional polymer-sensing layer)(12); 및 상기 기능성 폴리머 습기 감지층(12) 상에 형성되고 복수의 구멍들(holes)이 있는 다공성 상부 전극(porous top electrodes)(14)을 포함하는 다공성 금속-절연체-금속(MIM, metal-insulator-metal) 타입 용량성 습도 센서(capacitive humidity sensors)를 구비하며,
상기 다공성 상부 전극들(14)과 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 사용하며, 상기 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머는 습도 센서의 저-히스테리시스 특성을 가지며, 상기 다공성 상부 전극(14)은 기존 습도 센서의 홀 직경 보다 더 작은 홀 직경(smaller hole diameter)을 가지며 인접한 홀들 사이의 공간이 더 작으며,
상기 다공성 상부 전극들(14)과 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머(functional polymer)를 사용하여 기존 용량성 습도 센서보다 고감도, 저-히스테리시스(high-sensitivity and low-hysteresis) 다공성 MIM-타입(porous MIM-type capacitive humidity sensor) 용량성 습도 센서의 특성을 향상시키며,
상기 다공성 상부 전극(14)은 상기 기능성 폴리머 습기 감지층(12)과 수증기들 사이의 접촉 면적(contact area)을 증가시키도록 설계되어 고감도 및 기존 용량성 습도 센서의 응답 시간(response time) 보다 빠른 응답 시간(fast response time)을 제공한다.
상기 다공성 상부 전극(14)과 상기 하부 전극(11)은 금속(metal)을 사용한다.
상기 기능성 폴리머 습기 감지층(12)은 기능성 폴리머 필름(functional polymer film)를 사용한다.
상기 기능성 폴리머는 PMDA의 폴리 아미드 산 전구체와 TiO2 미립자가 혼합된 ODA로 형성된 pyromellitic dianhydride(PMDA) - oxydianiline(ODA)로 구성되어 있으며, 이산화 티탄(Titanium dioxide, TiO2)은 습도 검출을 위한 폴리머(polymer)의 히스테리시스 동작(hysteresis behavior) 및 습도 감지 범위(humidity sensing range)를 향상시킬 수 있는 첨가제(additive) 인 것을 특징으로 한다.
상기 TiO2 미립자와 혼합된 기능성 폴리머는 넓은 습도 감지 범위에서 습도 센서의 저-히스테리시스를 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 용량성 습도 센서의 히스테리시스 값을 감소시키기 위해 TiO2 미립자와 혼합 된 기능성 폴리머를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 상부 전극(14)은 다수의 구멍들(holes)이 있는 다공성 상부 전극(top electrode with holes)으로써, 기존 습도 센서의 홀 직경 보다 더 작은 홀 직경(smaller hole diameter)을 가지며 인접한 홀들 사이의 공간이 작으면(smaller space) 동일한 면적을 가진 상기 다공성 상부 전극 상에 더 많은 홀들(holes)이 존재하기 때문에 다공성 상부 전극의 집약적인 홀 구조를 통해 기능성 폴리머(polymer)와 수증기들(water vapors) 사이의 접촉 면적이 커지고, 수증기가 습도 감지를 위한 기능성 폴리머 습기 감지 필름으로의 빠르게 확산하여 기존 습도 센서의 감도 보다 높은 감도(high sensitivity)를 가진다.
상기 기존 습도 센서의 홀 직경 보다 더 작은 홀 직경(smaller hole diameter)을 가진 습도 센서는 동일한 면적을 가진 상부 전극(top electrode) 상에 더 많은 홀들(holes)이 존재하기 때문에 다공성 상부 전극의 집약적인 홀 구조를 통해 기능성 폴리머(polymer)와 수증기들(water vapors) 사이의 접촉 면적이 커지고, 수증기의 양호한 흡착과 연이어 수증기가 습도 감지를 위한 기능성 폴리머 습기 감지 필름(humidity-sensing film)으로의 빠르게 확산하여 기존 습도 센서의 감도 보다 높은 감도(high sensitivity)를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 상부 전극은 상기 기능성 폴리머 습기 감지층과 수증기들 사이의 접촉 면적(contact area)을 증가시키도록 설계되며, 상기 다공성 상부 전극은 홀 직경이 20 ㎛이며 인접한 홀들 사이의 공간이 10 ㎛인 센서를 사용하며, 상기 용량성 습도 센서는 상대 습도가 10 %RH에서90 %RH에 이르면, 0.85pF/% RH의 고감도(high sensitivity)와 35 초 미만의 기존 용량성 습도 센서 보다 빠른 응답 시간(fast response time)을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 용량성 습도 센서는 60 %RH에서 0.95 %RH의 초저 히스테리시스, 온도가 증가함에 따라 커패시턴스 값이 증가하지 않으며 온도 증감에 따라 거의 변하지 않는 온도에 독립적인 습도 센서를 제공하며, 120 시간의 연속 테스트 동안 최대 0.17 % 오류율의 안정된 커패시턴스 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
도 1 (a)와 (b)는 구현된 용량성 습도 센서의 현미경 사진을 보여준다.
도 1은 (a) 구현된 다공성 MIM-타입 용량성 습도 센서(porous MIM-type capacitive humidity sensor)의 현미경 사진들, (b) 용량성 습도 센서(capacitive humidity sensor)의 확대 그림, (c) 확대된 구멍들의 SEM 이미지들, 및 (d) MIM-타입 용량성 습도의 단면도 센서, 및 (e) 단면도의 확대도이다.
상부 전극의 구멍들(holes in the top electrode)은 표면적을 증가시켜 기능성 폴리머-감지층(functional polymer-sensing layer)으로의 수증기들의 확산을 향상시킨다. 서로 다른 홀 직경과 인접한 홀들 사이의 공간은 고감도(high-sensivity)와 짧은 응답 시간(fast response time)을 구현하도록 설계되었다. 저-히스테리시스(low-hysteresis)와 습도에 대한 우수한 선형성(good linearity to humidity)을 가진 습도-감지층(humidity-sensing layer)에 TiO2 미립자(TiO2 microparticles)가 혼합된 새로운 기능성 폴리머(functional polymer)가 제안되었다. 제안된 기능성 폴리머는 PMDA의 폴리 아미드 산 전구체와 TiO2 미립자가 혼합된 ODA로 형성된 pyromellitic dianhydride(PMDA) - oxydianiline(ODA)로 구성되어 있다. 이산화 티탄(Titanium dioxide)은 습도 검출을 위한 폴리머(polymer)의 히스테리시스 동작(hysteresis behavior) 및 습도 감지 범위(humidity sensing range)를 향상시킬 수 있는 매우 유용한 첨가제(additive)이다.
제조에 사용된 기판은 6 인치 유리 웨이퍼(6-inch glass wafer)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 다공성 MIM-타입 용량성 습도 센서의 제조 공정은: (a) 전자빔-증착된 Ti/Pt층(e-beam-evaporated Ti/Pt layer)은 1000/2000 Å에서 증착되어 하부 전극(bottom electrode)을 얻는다. (b) 1.8 μm 두께의 기능성 폴리머(1.8-μm-thick polymer)가 하부 전극 표면에 스핀-코팅된다(spin-coated). 100 ℃에서 10 분간, 210 ℃에서 30 분간 하드 베이크(hard baking)를 수행하여 기능성 폴리머에서 물의 95%을 제거함으로써 감도를 향상시킬 수 있다. (c) 네거티브 포토 레지스트(negative photoresist), 구체적으로 두께 4.8㎛의 DNR-L300-40(Dongjin Semichem Co., Ltd., Seoul, Korea)을 40초 동안 3000rpm 속도로 폴리머 층(polymer layer)의 표면 상에 회전시킨다(spun). (d) 크롬 마스크(chrome mask)에 의한 노광(exposure) 후에, 패턴들(patterns)은 AZ300MIF 현상액(AZ Electronic Materials USA Corp., NJ, USA)에 의해 현상되고, O2/N2H2 plasma descum 단계에 의해 세정된 포토 레지스트(photoresist)로 전달된다. (e) 폴리머는 81 ℃의 챔버 온도와 3 분 동안 900W의 ICP 전력을 갖는 BMR 유도 결합 플라스마 애셔[BMR inductively coupled plasma(ICP) asher] 내에서 CF4/O2에 의해 에칭된다.
에칭 공정 후에 일부 TiO2 잔류물(TiO2 residues)이 남아있게 된다. (f) TiO2 잔류물 제거 방법은 이전에 우리 팀에 의해 제안되었다[19]. 우리는 초음파 처리된 아세톤 액(ultrasonic-treated acetone liquid)이 같은 시간에 TiO2 잔류물(TiO2 residues)과 포토 레지스트(photoresist)를 완전히 제거하는데 사용될 수 있다. (g) 2μm 두께의 GXR601(2-μm-thick GXR601) 인 포지티브 포토 레지스트(positive photoresist)를 40초 동안 4500rpm 속도로 폴리머 층(polymer layer)의 표면 상으로 회전시킨다(spun). (h) 포토 레지스트는 TMSH 2.38% 현상액(TMSH 2.38% developer)에서 현상하고 O2/N2H2 plasma descum 단계로 세정된 홀들(holes)을 만드는 패터닝을 한다(patterned to create holes).
(i) 다공성 상부 전극(top electrode)으로 사용된 1000/1000/3000 Å 두께의 Ti/Pt/Au 금속층이 전자빔 증착(e-beam evaporation)에 의해 형성된다. (j) 마지막으로, 사용한 리프트-오프 공정(lift-off process)은 패턴화 된 포토 레지스트 층(patterned photoresist layer) 상에 상부 전극을 생성하는데 사용되었다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제작된 다공성 MIM-타입 용량성 습도 센서들은 도 1(c)-(e)에 도시된 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)(S-4300SE, Hitachi Co., Ltd, 도쿄, 일본) 관찰을 사용하여 습도 센서 패턴 및 상부 전극상의 확대된 홀(enlaged hole)의 단면도를 조사하였다.
3. 측정 결과
도 3은 용량성 습도 센서(capacitive humidity sensor)의 측정 설정 다이어그램과 사진을 보여준다. 습도 발생 챔버(Humidity generator chamber)의 측정 보드(measurement board)와 동축 라인(coaxial line)으로 연결된 LCR 미터(LCR meter)와 실시간 기록계(real-time recorder)에 의해 습도 센서의 커패시턴스(capacitance)가 측정된다. 용량성 습도 센서들의 커패시턴스(capacitances)는 23℃에서 10 %로부터 90 %까지 변경되는 상대 습도(RH, relative humidity)를 갖는 습도 발생 챔버(PDL-3J, ESPEC Corp., 일본)에서 1 kHz 속도로 LCR 미터(IM3536, HIOKI EE Corp., 일본)를 사용하여 측정된다. 첫째로, 습도 센서들을 습도 발생 챔버 안의 측정 보드 상에 고정시키고, 습도 발생 챔버(humidity generator chamber) 안으로 습도 센서들을 놓는다. 그런 다음, 품질 좋은 실런트(sealant)를 사용하여 챔버 측벽의 홀(hole)을 통해 LCR 미터로 측정 보드를 연결하도록 낮은 온라인 손실(low online losses)을 갖는 동축 선로들(coaxial lines)을 사용한다. 변화하는 커패시턴스는 LCR 미터와의 연결된 USB를 통해 컴퓨터에서 실시간으로 기록될 수 있다.
3.1 감도(Sensitivity)
습도 센서의 히스테리시스 동작(hysteresis behavior)을 조사하기 위해 습도가 증가 및 감소함에 따라 습도 센서의 커패시턴스 변화(capacitance variation)가 측정되며, MIM 용량성 습도 센서의 이상적인 커패시턴스 C는 식(1)과 같이 표현된다.
Figure 112016129860737-pat00001
(1)
여기서, ε0는 진공의 유전율(permittivity of vacuum), εr은 TiO2 미립자(TiO2 microparticles)와 혼합된 기능성 폴리머의 비유전율(relative permittivity), A는 습도 센서의 유효 감지 면적(effective sensing area)이며, d는 감지층의 두께(thickness of the sensing layer)이다.
도 4는 상이한 홀 직경들(D) 및 인접한 홀들(L) 사이의 공간을 갖는 습도 센서의 커패시턴스를 보여준다. 용량성 습도 센서는 TiO2 미립자와 혼합된 기능성 폴리머를 사용하여 고감도(high sensitivity)의 선형 출력을 도시하였다. 습도 센서들의 감도 S(Sensitivity S of the humidity sensors)는 식(2)와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016129860737-pat00002
(pF/%RH) (2)
여기서, C90 및 C10은 각각 90 %RH 및 10 %RH에서 얻어진 정전 용량(capacitance)이다. 90 및 10 값은 변동 범위(variation range)에서 가장 높은 RH 값과 가장 낮은 RH 값이다. 20 μm에서 100 μm까지 다른 홀 직경을 가진 습도 센서의 감도(sensitivity)는 도 4에 도시하였다.
다른 모든 조건은 모두 같으며, 홀들 사이의 간격은 40μm로 고정되어 있다. 기존 습도 센서의 홀 직경보다 더 작은 홀 직경(smaller hole diameter)을 가진 센서는 동일한 면적을 가진 상부 전극(top electrode) 상에 더 많은 홀들(holes)이 존재하기 때문에 높은 감도(high sensitivity)를 얻을 수 있다. 그러므로, 폴리머(polymer)와 수증기들(water vapors) 사이의 접촉 면적이 커지고, 높은 감도(high sensitivity )가 획득될 것이다. 10μm ~ 50μm까지의 인접한 홀들 사이에 다른 공간을 가진 습도 센서의 감도(sensitivity)는 도 4 (b)에 도시하였다; 다른 모든 조건들은 20 μm로 고정된 홀 직경(hole diameter)과 동일하게 유지된다. 동일한 이유로, 인접한 홀들(adjacent holes) 사이의 더 작은 공간(smaller space)을 가진 습도 센서는 높은 감도(high sensitivity)를 얻을 수 있다. 요약하면, 더 작은 홀 직경(smaller hole diameter)과 인접한 홀들 사이의 공간이 작으면(smaller space) 전극 상단에서 구멍 밀도의 분포(distribution of hole density)가 더 많이 분포하고, 수증기들에 접근하는 더 많은 표면적이 있음을 의미한다.
이 조건은 더 많은 물 분자(water molecules)가 무작위로 흡착되어 응축수의 다층 구조(multi-layer structure of condensed water)를 형성하고 습도 센서들의 감도(sensitivity)를 향상시킨다. 마지막으로, 홀 직경이 20 μm이며 인접한 홀들 사이의 공간이 10 μm인 센서를 선택하여 0.85 pF/%RH의 고감도(high sensitivity)를 구현할 수 있다.
3.2 히스테리시스(Hysteresis)
도 5에 도시된 습도 센서의 히스테리시스 동작(hysteresis behavior)을 조사하기 위해 습도가 증가 및 감소함에 따라 커패시턴스 변화(capacitance variation)가 측정된다. 20 μm의 홀 직경과 10 μm의 인접한 홀들 사이의 공간을 갖는 최고 감도 습도 센서의 히스테리시스(hysteresis of the highest sensitivity humidity sensor)는 23 ℃에서 평가된다. 습도 센서(humidity sensor)들을 습도 발생 챔버(humidity generator chamber) 안에 측정 보드(measurement board) 상에 넣고 습도를 10 %RH에서 90 %RH로 증가시킨 다음 10 %RH의 단계로 10 %RH로 다시 감소시킨다. 습도 발생 챔버(Humidity generator chamber)의 측정 보드(measurement board)와 동축 라인(coaxial line)으로 연결된 LCR 미터와 실시간 기록계(real-time recorder)에 의해 용량성 습도 센서의 커패시턴스(capacitance)가 측정되며, 30 분 간격으로 측정하여 물의 수증기가 완전히 흡착되도록 한다. 습도 센서는 60 %RH에서 0.95 %RH의 최대 히스테리시스(maximum hysteresis) H는 식(3)에 의해 계산된다.
Figure 112016129860737-pat00003
(%RH) (3)
여기서, CD60과 CA60은 탈착 및 흡수 과정에서 60 %RH에서 측정된 커패시턴스 값이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 히스테리시스는 초기에 증가하고, 60 %RH에서 최대 값에 도달한 다음, 상대 습도 RH에서 더 증가함에 따라 감소한다. 0.95 %RH의 최대 히스테리시스는 2 %RH ± 0.3 %RH의 최고 상업 회사 인 Vaisala의 표준 값보다 훨씬 낮다. 이 결과는 히스테리시스 값을 감소시키기 위해 TiO2 미립자와 혼합 된 기능성 폴리머를 입증하는 좋은 증거이다.
3.3 반응 시간(response time)
반응 시간을 검증하기 위해 습도 환경이 갑자기 변경될 때 습도 센서의 정전용량 변화(capacitance variation of the humidity sensor)가 측정된다. 첫째, 습도 챔버(humidity chamber)를 90 %RH로 유지한 다음 실내 환경의 홀(hole)을 통해 습도 센서를 챔버 안에 넣어야 한다. LCR 미터는 전체 프로세스 전반에 걸쳐 측정 보드를 통해 습도 센서에 연결되며, 급격한 커패시턴스 변화(abrupt capacitance change) 후에 최종 정상 커패시턴스 값(steady-state capacitance value)의 90 % RH 지점에서 응답 시간을 측정한다. 도 6은 반응 시간이 35 s보다 짧다는 것을 보여 주며, 다공성 상부 전극의 집약적인 홀 구조를 통해 폴리머와 물 수증기들 사이의 접촉 면적이 넓어지기 때문에 수증기의 양호한 흡착과 연이어 수증기가 습도-감지 필름(humidity-sensing film)으로의 빠르게 확산된다.
3.4 온도 의존성(Temperature dependence)
온도가 습도 센서에 영향을 미치는지를 결정하기 위해 10 ℃, 23 ℃ 및 50 ℃의 3 가지 온도에서 변화하는 커패시턴스의 변화(capacitances changes)가 측정된다. 도 7은 온도가 증가함에 따라 센서의 커패시턴스가 증가함을 보여준다. 이는 온도가 상승함에 따라 분자의 열 이동(thermal movement of the molecule)이 강해지고, 분극(polarization)이 증가하면 커패시턴스 값이 증가하기 때문이다[20]. 그러나, 곡선들의 기울기는 온도에 따라 거의 변하지 않으므로 온도는 습도 센서의 감도(sensitivity)에 영향을 주지 않는다. 이 결과는 온도에 독립적인 센서 응용 프로그램(temperature-independence independent sensor application)에 대한 좋은 가능성을 나타낸다.
3.5 안정성(Stability)
안정성을 테스트하여 습도 센서의 실제 값을 조사하도록 시험한다. 습도 센서는 각각 10 % H, 50 %RH 및 90 %RH에서 120 시간 동안 주변 챔버에 보관된다.
도 8은 유지된 습도 센서가 최대 0.17 %의 에러율로 안정한 커패시턴스 값을 유지하여 TiO2 미립자와 혼합된 기능성 폴리머의 양호한 장기 안정성(good long-term stability of the functional polymer mixed with TiO2 microparticles)을 입증하였다. 실용적인 관점에서 볼 때, 그러므로, 습도 센서는 눈에 띄는 안정성을 달성했으며 상업적으로 이용 가능한 습도 센서로서 매우 유망하다.
[결론]
TiO2 미립자(TiO2 microparticles)와 혼합된 기능성 폴리머(functional polymer)와 다공성 상부 전극 구조(porous top electrode structure)로 구성된 새로운 습기 감지 층(novel humidity sensitive layer)은 MIM-타입 용량성 습도 센서의 성능을 향상시키도록 설계되었다. 본 발명의 연구 결과는 0.85 pF/%RH의 고감도(high-sensivity)와 35 초 미만의 빠른 응답 시간(fast response time)을 입증했으며, 이는 다공성 상부 전극의 홀 구조(hole structure on top electrode)에 의해 달성될 수 있다. 또한, 이 연구는 0.95 %RH의 초저 히스테리시스와 10 %RH ~90 %RH의 넓은 습도 감지 범위를 제공하며, 이는 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머로 구현될 수 있다. 최종적으로, 0.17 %의 에러율(error rate)로 온도에 독립적이며 안정적인 커패시턴스 값(good temperature-independence independent and stable capacitance value)을 얻을 수 있기 때문에 다양한 애플리케이션에서 신뢰할 수 있는 습도 센서로 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 기판(glass substrate) 11: 하부 전극(bottom metal)
12: 폴리머(Polymer) 13: 포토 레지스트(photoresist)
14: 상부 전극(top metal)

Claims (13)

  1. 유리 기판;
    상기 유리 기판 위에 형성된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성된 기능성 폴리머 습기 감지층; 및
    상기 기능성 폴리머 습기 감지층 상에 형성되고 복수의 구멍들(holes)이 있는 다공성 상부 전극을 포함하는 다공성 금속-절연체-금속(MIM, metal-insulator-metal) 타입 용량성 습도 센서를 구비하며,
    상기 다공성 상부 전극들과 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 사용하며, 상기 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머는 습도 센서의 저-히스테리시스 특성을 가지며, 상기 다공성 상부 전극은 기존 습도 센서의 홀 직경 보다 더 작은 홀 직경이 20 ㎛이며 인접한 홀들 사이의 공간이 10 ㎛인 센서를 사용하며, 이는 기존 습도 센서의 홀 직경 보다 더 작은 홀 직경(smaller hole diameter)을 가지며 인접한 홀들 사이의 공간이 더 작으며,
    상기 다공성 상부 전극들과 TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 사용하여 기존 용량성 습도 센서보다 0.85pF/% RH의 고감도, 저-히스테리시 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서의 특성을 향상시키는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 상부 전극과 상기 하부 전극은 금속(metal)을 사용하는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 폴리머 습기 감지층은 기능성 폴리머 필름(functional polymer film)를 사용하는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 폴리머는 PMDA의 폴리 아미드 산 전구체와 TiO2 미립자가 혼합된 ODA로 형성된 pyromellitic dianhydride(PMDA) - oxydianiline(ODA)로 구성되어 있으며, 이산화 티탄(Titanium dioxide, TiO2)은 습도 검출을 위한 폴리머(polymer)의 히스테리시스 동작(hysteresis behavior) 및 습도 감지 범위(humidity sensing range)를 향상시킬 수 있는 첨가제(additive) 인, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용량성 습도 센서의 히스테리시스 값을 감소시키기 위해 TiO2 미립자와 혼합된 기능성 폴리머를 사용하는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 상부 전극은 다수의 구멍들(holes)이 있는 다공성 상부 전극(top electrode with holes)으로써,
    기존 습도 센서의 홀 직경 보다 더 작은 홀 직경이 20 ㎛이며 인접한 홀들 사이의 공간이 10 ㎛인 센서를 사용하며, 이는 기존 습도 센서의 홀 직경 보다 더 작은 홀 직경(smaller hole diameter)을 가지며 인접한 홀들 사이의 공간이 작으면(smaller space) 동일한 면적을 가진 상기 다공성 상부 전극 상에 더 많은 홀들(holes)이 존재하기 때문에 다공성 상부 전극의 집약적인 홀 구조를 통해 기능성 폴리머와 수증기들 사이의 접촉 면적이 커지고, 수증기가 습도 감지를 위한 기능성 폴리머 습기 감지 필름으로의 빠르게 확산하여 기존 습도 센서의 감도 보다 높은 감도(high sensitivity)를 가지는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 상부 전극은 상기 기능성 폴리머 습기 감지층과 수증기들 사이의 접촉 면적을 증가시키도록 설계되며,
    상기 용량성 습도 센서는 상대 습도가 10 %RH에서 90 %RH에 이르면, 0.85pF/% RH의 고감도(high sensitivity)와 35 초 미만의 기존 용량성 습도 센서 보다 빠른 응답 시간을 제공하는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용량성 습도 센서는 60 %RH에서 0.95 %RH의 초저 히스테리시스, 온도가 증가함에 따라 커패시턴스 값이 증가하지 않으며 온도에 독립적인 습도 센서를 제공하며, 120 시간의 연속 테스트 동안 최대 0.17 % 오류율의 안정된 커패시턴스 값을 가지는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 용량성 습도 센서의 커패시턴스의 측정은 습도 발생 챔버의 측정 보드와 동축 라인(coaxial line)으로 연결된 LCR 미터와 실시간 기록계(real-time recorder)에 의해 용량성 습도 센서의 커패시턴스가 측정되는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 용량성 습도 센서의 히스테리시스 동작(hysteresis behavior)을 조사하기 위해 습도가 증가 및 감소함에 따라 커패시턴스 변화(capacitance variation)가 측정되며, 상기 용량성 습도 센서의 이상적인 커패시턴스 C는
    Figure 112018036547110-pat00004
    식(1)에 의해 계산되며,
    ε0는 진공의 유전율, εr은 TiO2 미립자(TiO2 microparticles)와 혼합된 기능성 폴리머의 비유전율, A는 습도 센서의 유효 감지 면적이며, d는 상기 기능성 폴리머 습도 감지층의 두께이며, 상이한 홀 직경들(D) 및 인접한 홀들(L) 사이의 공간을 갖는 습도 센서의 커패시턴스를 계산하는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용량성 습도 센서들의 감도 S(Sensitivity)는
    Figure 112018036547110-pat00005
    (pF/%RH) 식(2)에 의해 계산되며,
    C90 및 C10은 각각 90 %RH 및 10 %RH에서 얻어진 커패시턴스(capacitance) 값이며, 90 및 10 값은 변동 범위(variation range)에서 가장 높은 RH 값과 가장 낮은 RH 값 인, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 용량성 습도 센서의 반응 시간(response time)을 검증하기 위해 습도 환경이 갑자기 변경될 때 습도 센서의 정전용량 변화가 측정되며, 첫째, 습도 발생 챔버를 90 %RH로 유지한 다음 실내 환경의 홀(hole)을 통해 습도 센서를 챔버 안에 넣은 후에, LCR 미터가 전체 프로세스 전반에 걸쳐 측정 보드를 통해 습도 센서에 연결되며, 습도 센서의 급격한 정전용량 변화(abrupt capacitance change) 후에 최종 정상 정전용량 값(steady-state capacitance value)의 90 % RH 지점에서 응답 시간을 측정하는, TiO2 미립자가 혼합된 기능성 폴리머를 이용한 고감도, 저-히스테리시스 다공성 MIM 타입 용량성 습도 센서.
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