KR101902067B1 - 습도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밴딩 측정이 가능한 온도센서에 관한 것으로, 기판(110); 상기 기판(110) 상에서 일정 간격을 두고 2개의 전극(121)(122)이 마주하도록 형성되며, 일단이 상기 2개의 전극(121)(122) 중 하나의 전극에 연결되는 복수개의 핑거 전극(123)들로 이루어진 전극부(120); 및 상기 복수개의 핑거 전극(123)들 상부에 적층되는 센싱 필름(130); 으로 이루어지고, 상기 센싱 필름(130)은 그래핀 및 메타일 레드 화합물로 이루어지되, 상기 핑거 전극(123)들 사이의 간격은 400㎛인 것을 특징으로 하고, 상기 그래핀 및 메타일 레드 화합물의 혼합비는 1:0.5인 것을 특징으로 한다.

Description

습도 센서{Humidity sensor}

본 발명은 습도 센서에 관한 것으로, 특히 빗(Comb) 타입의 전극 상부에 그래핀 및 메타일 레드 화합물을 도포시켜 전극에 물분자를 빠르게 흡착시키거나, 전극으로부터 물분자를 빠르게 제거시키면서 넓은 범위의 습도를 감지하는 습도 센서에 관한 것이다.

습도 모니터링은 의료, 음식 등 일상생활 및 산업 환경에서 중요한 환경 센싱 요소이다.

습도 센서는 저항, 정전 용량, 표면탄성파 및 압전을 포함하는 다양한 파라미터의 변화를 통해 공기 중의 수분을 검출한다. 특히, 저항 및 정전 용량 센서는 낮은 비용, 제조의 용이성, 그리고 직접 전기 판독 때문에 전기 회로의 집적 측면에서 관심을 얻었다.

중합체를 기반으로 하는 용량성 습도 센서는 낮고 높은 습도에 매우 민감하지만 복잡한 인터페이싱 회로를 필요로 한다.

저항식 습도 센서는 습도의 중간 범위 정도를 측정하는 경우에 성능이 좋은 센서이나, 임피던스가 매우 높기 때문에 낮은 습도 레벨에는 민감하지 않다.

이러한 이유로 감도를 높이기 위해 전도성 물질이 폴리비닐피롤리돈(PVP)/폴리비닐 알코올(PVA)과 같은 절연물질에 혼합된다. 폴리비닐피롤리돈의 임피던스는 전도성 물질이 첨가되는 것에 의해 감소된다.

그러나 이들 센서의 감도는 여전히 둔감하고, 응답 시간은 길다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다중벽 탄소 나노 튜브 및 폴리아미드 복합이 제안되었으나 습도 센싱을 위해 이용되나, 그것의 습도 측정의 전체 범위에서 단지 작은 저항 변화만을 제공하여 정확한 습도측정이 어렵다.

이 외에 중합 물질로부터, 금속 산화물, 카본 나노튜브, 카본 나노와이어, 그래핀 및 그래핀 산화물 등과 같은 다양한 다른 물질이 습도센서에 적용되고 있으며, 이들 중, 그래핀은 고유의 전기적 특성을 가진 2차원 물질의 새로운 클래스의 소재로서 각광을 받고 있으며, 최근에는 센서뿐만 아니라 다양한 분야에서 연구되어 지고 있다. 특히 그래핀의 p-orbital 전자들이 주위의 원자들과 pi-bond를 형성하기 때문에 환경 및 화학적 센서로 많은 사용 가능성이 제시되고 있다.

그러나 그래핀의 높은 전도도로 인해 습도에는 매우 민감하고 % RH에서 저항의 변화가 매우 낮으므로, 높은 습도(% RH)에서는 저항의 변화를 감지하기 어렵게 만든다는 문제점이 있다.

일본 공개특허 제 2015-518158 호

이와 같은 종래기술의 문제점을 해소시키기 위한 것으로, 본 발명은 넓은 범위의 습도를 빠르고 정확하게 측정하기 위해 빗(Comb) 타입의 전극 상부에 그래핀 및 메타일 레드 화합물을 도포시켜 전극에 물분자를 빠르게 흡착시키거나, 전극으로부터 물분자를 빠르게 제거시키면서 습도를 감지하는 습도 센서를 제공하는데, 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 기판이 폴리에스터 재질로 이루어져 유연성이 부여되고, 유연성이 부여되도록 하는 습도 센서를 제공하는데, 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 습도센서는 기판(110); 기판(110) 일정 간격을 두고 2개의 전극(121)(122)이 마주하도록 형성되며, 일단이 2개의 전극(121)(122) 중 하나의 전극에 연결되는 복수개의 핑거 전극(123)들로 이루어진 전극부(120); 및 복수개의 핑거 전극(123)들 상부에 적층되는 센싱 필름(130)으로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련된 실시예로서, 센싱 필름(130)은 그래핀 및 메타일 레드 화합물로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련된 실시예로서, 기판(110)은 폴리에스터(polyester) 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련된 실시예로서, 전극은 인터디지털 전극이며, 상기 전극은 순은으로 이루어질 수 있다.

본 발명은 빗(Comb) 타입의 전극 상부에 그래핀 및 메타일 레드 화합물을 도포시켜 전극에 물분자를 빠르게 흡착시키거나, 전극으로부터 물분자를 빠르게 제거시키면서 습도를 감지함으로써, 넓은 측정범위, 빠른 응답특성 및 빠른 복원 특성을 가질 수 있도록 하여 습도 센서로써 매우 우수한 특성을 가지도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기판이 폴리에스터 재질로 이루어져 유연성이 부여되고, 유연성이 부여된 습도센서는 웨어러블 전자 어플리케이션에 적용하기 용이하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 습도 센서의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a) 내지 (d)는 도 1의 습도센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 도 1의 습도 센서의 구조 및 응답속도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명이 적용된 습도 센서의 센싱 그래프이다.
도 5의 (a)는 핑거의 간격이 서로 다른 4개의 인터 디지털 전극을 도시한 도면이고, (b)는 (a)에 도시된 각 전극의 임피던스 응답특성 그래프이다.
도 6은 응답속도 관점에서의 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 최적의 혼합비를 나타낸 그래프이다.
도 7은 민감도 관점에서의 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 최적의 혼합비를 나타낸 그래프이다.
도 8은 측정범위 관점에서의 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 최적 혼합비를 나타낸 그래프이다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 습도 센서의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2의 (a) 내지 (d)는 도 1의 습도센서를 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (a) 및 (b)는 도 1의 습도 센서의 구조 및 응답속도를 나타낸 그래프이다. 도 4는 본 발명이 적용된 습도 센서의 센싱 그래프이다. 도 5의 (a)는 핑거의 간격이 서로 다른 4개의 인터 디지털 전극을 도시한 도면이고, (b)는 (a)에 도시된 각 전극의 임피던스 응답특성 그래프이다. 도 6은 응답속도 관점에서의 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 최적의 혼합비를 나타낸 그래프이다. 도 7은 민감도 관점에서의 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 최적의 혼합비를 나타낸 그래프이다. 도 8은 측정범위 관점에서의 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 최적 혼합비를 나타낸 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용된 습도센서(100)는 기판(110)과, 기판(110) 일정 간격을 두고 2개의 전극(121)(122)이 마주하도록 형성되며, 일단이 2개의 전극(121)(122) 중 하나의 전극에 연결되는 복수개의 핑거 전극들(123)로 이루어진 전극부(120)와, 복수개의 핑거 전극들(123) 상부에 적층되는 센싱 필름(130)으로 이루어진다.

센싱 필름(130)은 그래핀 및 메타일 레드 화합물로 이루어져 있으며, 기판(110)은 폴리에스터(polyester) 재질로 이루어져 유연하며, 웨어러블에 적합하게 된다.

여기서, 도 6 내지 도 8에 도시된 그래프를 통해 알 수 있는 바와 같이 그래핀 및 메타일 레드 화합물의 최적 혼합비는 1:0.5이다. 즉, 도 6은 응답속도 관점에서의 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 최적의 혼합비를 나타낸 그래프로서, 그래핀를 1로 보고 메타일 레드를 증가시킴에 따라 습도센서의 응답시간은 줄어드는 것을 알 수 있으며, 이에 따라 메타일 레드의 비율을 높일수록 좋다.

또한, 도 7은 민감도 관점에서의 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 최적의 혼합비를 나타낸 그래프로서, 도 6의 응답속도 관점에서의 그래프와 마찬가지로 메타일 레드의 혼합비를 높임에 따라 습도센서의 응답속도가 증가되는 것을 알 수 있으며, 이에 메타일 레드의 비율을 높일수록 좋으나, 그래프를 통해 알 수 있는 바와 같이 그래핀 : 메타일 레드의 혼합비가 1:0.5에서 수렴하는 듯한 커브 특성을 가진다.

마지막으로 도 8은 측정범위 관점에서의 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 최적 혼합비를 나타낸 그래프로서, RH Lower range와 RH upper range의 간격이 넓을수록 측정범위가 넓다는 것을 의미하는 것으로, 실험결과에 따라 그래핀과 메타일 레드의 혼합비가 1:0.5일 경우 가장 넓은 측정범위를 가지는 습도센서로 제작될 수 있음을 알 수 있다.

결론적으로 응답속도, 민감도, 측정범위를 모두 고려한 결과, 그래핀(G)과 메타일 레드(MR)의 혼합비가 1:0.5의 경우 가장 최적임을 알 수 있다.

전극(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 인터디지털 전극이며, 전극은 순은으로 이루어진다. 즉, 전극부(120)는 센서의 감도를 개선시키기 위해 누적 감지하는 다수의 핑거 전극(123)들로 이루어진 인터디지털 전극으로 구성되어 있다. 인터디지털 전극은 2전극과 비교하여 센싱감도가 더욱 민감하여 2전극보다 인터디지털 전극의 습도 감지 능력이 더 탁월하다. 즉 인터디지털 전극은 모든 핑거 전극(123)에서 수분으로 인해 발생되는 전기적 특성변화를 수집하여 습도를 감지하기 때문이다.

이렇게 구성된 습도센서(100)는 빠른 응답 특성을 가지며, 표준 온도 및 압력 하에 각각 0.35s와 0.251s의 복구 시간을 가진다.

또한, 본 발명이 적용된 습도 센서(100)는 5%에서 95%의 넓은 검출범위를 가지며, 민감도(△R/R)는 96.36%로 센싱 감도가 매우 정밀하다.

인터디지털 전극의 길이 및 폭은 도 1의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이 각각 4mm 그리고 200㎛이다. 인터디지털 전극의 핑거 전극(123) 사이의 간격은 실험적으로 습도 감지 효율이 가장 좋은 400㎛로 결정되었다. 즉, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 전극부(120)의 핑거 전극(123) 사이의 간격을 100㎛, 200㎛, 400㎛, 600㎛으로 형성시킨 후 습도 센싱 감도 실험을 진행한 결과 도 5의 (b)의 그래프와 같이 를 실험한 결과 핑거 전극(123)들 사이의 간격을 100㎛로 형성시킬 경우 0% RH에서부터 습도상태에 대해서 저항 변화를 초래하고 저임피던스를 초래하는 것으로 나타났지만, 70% RH에서 포화되는 것으로 나타났다.

그리고 핑거 전극(123) 사이의 간격을 증가시킴에 따라 습도 검출 범위가 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 핑거 전극(123)들 사이의 간격을 400㎛으로 형성시키면 5% RH에서 95% RH 에 대하여 11MΩ으로부터 0.4MΩ까지 효과적으로 저항을 변화시켜 최적의 결과를 제공하는 것으로 나타났다.

한편, 핑거 전극(123)들 사이의 간격을 600㎛로 형성시키면 30% RH에서 습도 검지가 시작됨을 알 수 있다. 이러한 실험 결과에서 볼 때, 핑거 전극(123)들의 간격을 400μm로 형성시키는 경우 습도센서(100)가 최적의 상태에서 습도 센싱동작을 수행함을 알 수 있다.

이렇게 핑거 전극(123)들의 간격이 결정되어, 잉크젯 인쇄방식에 따라 기판(110) 상부에 순은으로 프린팅 되고 나면, 그래핀과 메타일 레드 화합물로 이루어진 센싱 필름(130) 핑거 전극(123) 상부에 적층된다.

센싱 필름(130)은 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 습도센서(100)의 표면상에 낙하된 수증기의 물분자를 흡착하고, 물분자가 흡착됨으로써 센싱 필름(130)의 저항은 감소된다. 즉, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 그래핀과 메타일 레드 화합물로 이루어진 센싱 필름(130)의 표면상에 물분자가 떨어지게 되면, 그래핀 조각 사이의 갭에 물분자가 채워지고 그래핀 조각 사이에 전류 경로가 완성되게 된다. 이로써, 습도센서(100)는 공기 중의 습도를 감지하게 되며, 본 발명에 따른 습도센서는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 빠른 응답 특성을 가지며, 도 4에 도시된 바와 같이 5%~95%의 넓은 측정 범위를 가지는 것을 알 수 있다.

전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 습도센서
110 : 기판
120 : 전극부
121, 122 : 전극 123 : 핑거 전극
130 : 센싱 필름

Claims (4)

1. 기판(110);
   상기 기판(110) 상에서 일정 간격을 두고 2개의 전극(121)(122)이 마주하도록 형성되며, 일단이 상기 2개의 전극(121)(122) 중 하나의 전극에 연결되는 복수개의 핑거 전극(123)들로 이루어진 전극부(120); 및
   상기 복수개의 핑거 전극(123)들 상부에 적층되는 센싱 필름(130); 으로 이루어지고,
   상기 센싱 필름(130)은 그래핀 및 메타일 레드 화합물로 이루어지되,
   상기 핑거 전극(123)들 사이의 간격은 400㎛인 것을 특징으로 하고,
   상기 그래핀 및 메타일 레드 화합물의 혼합비는 1:0.5인 것을 특징으로 하는 습도센서.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판(110)은 폴리에스터(polyester) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 습도센서.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 전극은 인터디지털 전극이며, 상기 전극은 순은으로 이루어진 것을 특징으로 하는 습도센서.

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