KR102222803B1 - Humidity sensing film for humidity sensor including carbon doped with nano metal and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노금속이 도핑된 탄소 5~20중량%, 친수성 유기 고분자 10~40중량%, 가교제 0.01~10중량%, 및 전도성 고분자 30~50중량%를 포함하는 습도센서용 감습막을 제공한다.
본 발명의 습도센서용 감습막은 나노금속이 도핑된 탄소를 포함함으로써 표면에 수산기의 물리흡착과 화학흡착이 원활하여 감도, 선형성, 및 반응속도를 개선할 수 있으며, 감습막의 전기저항을 낮출 수 있어 전자회로 등에 적용 가능한 이점이 있다.
The present invention provides a moisture sensor for a humidity sensor comprising 5 to 20% by weight of carbon doped with nanometals, 10 to 40% by weight of a hydrophilic organic polymer, 0.01 to 10% by weight of a crosslinking agent, and 30 to 50% by weight of a conductive polymer.
The moisture sensor for a humidity sensor of the present invention includes carbon doped with nanometals, so that the physical adsorption and chemical adsorption of hydroxyl groups on the surface is smooth, so that sensitivity, linearity, and reaction speed can be improved, and the electrical resistance of the moisture sensitive film can be lowered. There is an advantage applicable to electronic circuits and the like.

Description

나노금속이 도핑된 탄소를 포함하는 습도센서용 감습막 및 그 제조방법 {HUMIDITY SENSING FILM FOR HUMIDITY SENSOR INCLUDING CARBON DOPED WITH NANO METAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Moisture sensor for humidity sensor containing carbon doped with nano metal and its manufacturing method {HUMIDITY SENSING FILM FOR HUMIDITY SENSOR INCLUDING CARBON DOPED WITH NANO METAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 나노금속이 도핑된 탄소를 포함하는 습도센서용 감습막 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a moisture-sensitive film for a humidity sensor containing carbon doped with a nano-metal and a method of manufacturing the same.

일반적으로 센서는 온도, 압력, 소리, 빛 등의 물리량을 검출하거나 측정하여 신호로 전달하는 기능을 갖춘 소자 또는 이러한 소자를 이용한 계측기를 지칭하며, 특히, 공기 중의 습도변화를 감지 또는 검출하는 센서를 습도센서라고 한다. In general, a sensor refers to an element with a function of detecting or measuring physical quantities such as temperature, pressure, sound, and light, and transmitting them as a signal, or a measuring instrument using such elements, and in particular, a sensor that detects or detects changes in humidity in the air. It is called a humidity sensor.

이러한 습도센서에서는 습도에 반응하는 감습막이 특히 핵심부품이다. 금속산화물을 포함하는 세라믹이 주재료로 사용되는 세라믹 습도센서는 주위의 습도변화에 따라 세라믹 표면에 수분이 흡착 또는 탈착됨에 따른 세라믹의 저항값 변화정도를 측정하여 대기 중의 습도변화를 감지한다. In such a humidity sensor, a moisture-sensitive membrane that responds to humidity is a particularly key component. The ceramic humidity sensor, which is mainly made of ceramic containing metal oxides, detects changes in humidity in the atmosphere by measuring the degree of change in resistance value of ceramics as moisture is adsorbed or desorbed on the ceramic surface according to changes in ambient humidity.

이러한 금속산화물 재료를 이용한 습도센서는 많은 문제점들이 있었다. 구체적으로는, 제조공정이 진공증착공정이나 고온 소결공정에서 이루어지며, 센서기판의 유연성이 없고, 일반적으로 습도센서는 주기적인 재현성을 필요로 하는데 금속산화물을 이용한 습도센서의 경우 외부환경에 장시간 노출되었을 때 센서 표면에 화학적으로 안정한 수산화물(hyroxides)이 형성되어 원상태로 되돌아가지 않는 문제점이 있다. 또한, 기공에 흡착된 수분을 제거하기 위하여 정기적으로 탈착과정을 거쳐야 하며 기공에 먼지 등이 흡착된 경우 제거하기가 어려워 센서로서의 재현성을 기대하기 어렵다. 따라서, 최근에는 수분에 대한 친화력이 우수한 친수성 중합고분자 물질을 사용한 습도센서 개발에 박차를 가하고 있다. 고분자는 값이 싸고, 제조공정이 저온에서 간단히 처리 가능하며, 특히, PVA (polyvinyl alcohol)는 값이 싸고 화학구조면에서 탄소원자 사이에 -OH기를 갖고 있어 수분에 대해 민감한 전형적인 범용 친수성 고분자이다. PVA는 물분자에 대한 높은 친화력으로 인하여 센서의 전기적 물성은 물분자의 흡착과 탈착으로 변화를 일으키게 되지만, 물에 대한 용해성 또한 높기 때문에 필름형태로 습도센서에 적용하면 수분에 의해 쉽게 공격을 받아 내구성이 부족하고 매우 높은 임피던스를 보이는 단점이 있다. 또한, 약간의 개량된 유기 고분자 물질이라도 낮은 강도와 내구성, 그리고 금속산화물 반도체 물질에 비해 낮은 전도성, 이온전도특성에 따른 교류고주파 회로구성이 복잡성 등과 같은 고유의 특성 때문에 그 사용이 일반적으로 제한적이다. 이처럼 물질들은 응답 속도가 느리고, 히스테리시스가 크며, 수명이 짧으며, 이러한 단점들은 높은 온도와 상대 습도에 노출되면 특히 심해진다.The humidity sensor using such a metal oxide material has many problems. Specifically, the manufacturing process is performed in a vacuum deposition process or a high-temperature sintering process, and there is no flexibility of the sensor substrate, and in general, a humidity sensor requires periodic reproducibility. In the case of a humidity sensor using a metal oxide, it is exposed to the external environment for a long time. When this occurs, chemically stable hydroxides are formed on the sensor surface, and there is a problem that it does not return to its original state. In addition, in order to remove moisture adsorbed in the pores, a desorption process must be regularly performed, and when dust or the like is adsorbed in the pores, it is difficult to remove it, making it difficult to expect reproducibility as a sensor. Therefore, in recent years, the development of a humidity sensor using a hydrophilic polymeric polymer material having excellent affinity for moisture has been spurred. Polymers are inexpensive, and the manufacturing process can be easily processed at low temperatures. In particular, PVA (polyvinyl alcohol) is a typical general-purpose hydrophilic polymer that is sensitive to moisture because it is inexpensive and has -OH groups between carbon atoms in terms of chemical structure. PVA's high affinity for water molecules causes changes in the electrical properties of the sensor due to the adsorption and desorption of water molecules, but its solubility in water is also high, so when applied to a humidity sensor in the form of a film, it is easily attacked by moisture and is durable. There is a drawback of this lack and showing very high impedance. In addition, even a slightly improved organic polymer material is generally limited in its use due to inherent characteristics such as low strength and durability, low conductivity compared to metal oxide semiconductor materials, and complexity of AC high frequency circuit configuration according to ion conduction properties. These materials have low response speed, high hysteresis, and short lifespan, and these drawbacks are particularly exacerbated when exposed to high temperatures and relative humidity.

이런 단점의 보완방법으로 PVA와 같은 친수성 고분자에 다양한 특성의 유기, 무기 및 금속물질을 첨가하는 방법이 있는데, 특히 중합고분자 전해질 습도센서는 센서 특성 개선에 필요한 화학적 유/무기 원소를 그룹으로 적절하게 첨가, 혼합조절함으로써 고분자 중합체 전해질형 감습재료를 제조할 수 있으며, 센서의 물성에 변화를 줄 수 있다는 점에서도 우수하다. 그러나 전해질형은 전기저항이 크며, 이온전도도를 이용하기 때문에 1KHz이상의 고주파를 사용함으로 회로가 복잡하고 재현성이 부족하는 단점이 있다.To compensate for these shortcomings, there is a method of adding organic, inorganic, and metallic substances of various characteristics to a hydrophilic polymer such as PVA.In particular, the polymerized polymer electrolyte humidity sensor is appropriately grouped with chemical organic/inorganic elements required to improve sensor characteristics. It is excellent in that it is possible to manufacture a polymer electrolyte-type moisture-sensitive material by adding and controlling the mixing, and that it can change the physical properties of the sensor. However, the electrolytic type has a high electrical resistance and uses an ionic conductivity, so the circuit is complicated and reproducibility is insufficient due to the use of a high frequency of 1KHz or more.

이상과 같이 제조하여도 이온전도성 감습재료의 범위을 벗어나기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 나노 금속 또는 나노금속산화물이 함침된 비표면적이 큰 탄소분말과 전기전도성 고분자재료를 함께 사용하여 친수성 고분자와 가교로 중합하는 과제를 통해 전자전도식 감습복합재료를 제조, 이용하는 기술을 개발했다.Even if prepared as described above, it is difficult to deviate from the range of the ion conductive moisture sensitive material. Therefore, in the present invention, a technology for producing and using an electron conductive moisture sensitive composite material through the task of polymerizing by crosslinking with a hydrophilic polymer by using a carbon powder with a large specific surface area impregnated with a nano metal or a nano metal oxide together with an electrically conductive polymer material. Developed.

한편, 종래의 특허문헌 1은 친수성 고분자가 아니고 금속염이 첨가되지 않은 것으로 감습특성 중 감도와 선형성이 부족하고, 특허문헌 2는 암모늄염류 공중합체를 사용함으로 30시간의 긴 반응시간을 갖는 제조공정을 갖으며, 특허문헌 3은 비닐단량체에 실란기를 이용한 가교화 감스막을 제조했고, 특허문헌 4는 폴리이미드(polyimide)를 모물질로서 특별히 첨가 원소 없이 이루어진 감습재료이다. 상술한 특허문헌들은 감습재료가 이온전도특성을 갖는 재료로서 저항이 높으며, 반드시 1KHz의 교류전원을 사용하여야 함으로 검출회로가 복잡하며, 검출특성에 여러 가지 문제점들이 있어 사용에 제한적이다.On the other hand, the conventional patent document 1 is not a hydrophilic polymer and does not contain a metal salt, which lacks sensitivity and linearity among the moisture-reducing properties, and patent document 2 uses an ammonium salt copolymer, which provides a manufacturing process having a long reaction time of 30 hours. Patent Literature 3 is a crosslinked sensitizing film using a silane group on a vinyl monomer, and Patent Literature 4 is a moisture-sensitive material composed of polyimide as a parent material without any additional elements. The above-described patent documents have a high resistance as a material having an ion-conducting property, and the detection circuit is complicated because an AC power source of 1KHz must be used, and there are various problems in the detection property, so the use thereof is limited.

이러한 방식과 달리 전자전도성 고분자에 금속 담지 활성탄소분말이 첨가된 친수성 고분자와 가교형 고분자를 혼합 제조하는 복합소재를 감습재료로 사용하는 것이 보다 효과적이다. 이와 같은 전자전도형 고분자 기반 감습재료는 낮은 저항 때문에 5불트 직류전원공급으로 전압분할형 센서신호 검출이 가능하고, 감도가 좋으며, 검출신화의 직선성과 재현성이 우수하다. Unlike this method, it is more effective to use a composite material prepared by mixing a crosslinked polymer and a hydrophilic polymer in which a metal-supported activated carbon powder is added to an electron conductive polymer as a moisture-sensitive material. Such an electron-conducting polymer-based moisture-sensitive material can detect a voltage-divided sensor signal with a 5-bult DC power supply because of its low resistance, has good sensitivity, and has excellent linearity and reproducibility of the detection myth.

대한민국 등록특허 제10-0539392호Korean Patent Registration No. 10-0539392 대한민국 등록특허 제10-0548785호Korean Patent Registration No. 10-0548785 대한민국 등록특허 제10-0529537호Korean Patent Registration No. 10-0529537 대한민국 등록특허 제10-0753801호Korean Patent Registration No. 10-0753801

본 발명은 친수성 고분자의 습도감지물성 및 가공용이성을 유지하면서 전기전도 특성, 수분에 대한 검출특성과 내구성이 향상된 습도센서용 감습막을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a moisture-sensitive membrane for a humidity sensor with improved electrical conductivity, moisture detection, and durability while maintaining the humidity sensing properties and processing ease of a hydrophilic polymer.

발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the invention is not limited to the object mentioned above. The object of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by the means described in the claims and combinations thereof.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 습도센서용 감습막은 나노금속이 도핑된 탄소 5~20중량%, 친수성 고분자 10~40중량%, 가교제 0.01~10중량%, 및 전도성 고분자 30~50중량%를 포함한다.The humidity sensor for a humidity sensor according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is nano-metal-doped carbon 5 to 20% by weight, hydrophilic polymer 10 to 40% by weight, crosslinking agent 0.01 to 10% by weight, and It contains 30-50% by weight of a conductive polymer.

여기서, 상기 나노금속이 도핑된 탄소에서 나노금속은 탄소의 다수의 기공 내에 침착 또는 담지된 형태로 존재하며, 상기 나노금속은 주석(Sn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 인듐(In), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 은(Ag), 바나듐(V) 및 이들의 산화물로부터 선택되는 1종일 수 있다.Here, in the nanometal-doped carbon, the nanometal exists in a form deposited or supported in a plurality of pores of the carbon, and the nanometal is tin (Sn), zinc (Zn), titanium (Ti), tungsten (W ), indium (In), nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co), silver (Ag), vanadium (V), and oxides thereof.

그리고, 상기 친수성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있다. In addition, the hydrophilic polymer may be one selected from polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO), and combinations thereof.

또, 상기 가교제는 m-벤젠디술폰산의 나트륨염, p-스티렌술폰산의 나트륨염, 폴리아크릴산 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있다.In addition, the crosslinking agent may be one selected from a sodium salt of m-benzenedisulfonic acid, a sodium salt of p-styrenesulfonic acid, polyacrylic acid, and combinations thereof.

또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있다.In addition, the conductive polymer may be one selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and combinations thereof.

본 발명의 다른 실시예에 따른 습도센서용 감습막의 제조방법은 (a) 물에 나노금속과 탄소를 혼합한 후 분쇄 및 건조하여 나노금속이 도핑된 탄소를 제조하는 단계; (b) 물에 친수성 고분자를 팽창 및 용해시키는 단계; (c) 상기 (a)단계의 나노금속이 도핑된 탄소 및 상기 (b)단계의 친수성 고분자 용액을 혼합하는 단계; (d) 상기 (c) 단계의 혼합물에 가교제를 첨가하여 혼합 및 반응시켜 고분자 중합체를 제조하는 단계; (e) 상기 고분자 중합체에 전도성 용액을 첨가 및 반응시켜 전도성 전해질을 제조하는 단계; 및 (f) 상기 전도성 전해질을 건조하여 페이스트화한 후 전극 기판 상에 도포하여 경화 및 코팅하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a moisture sensor for a humidity sensor according to another embodiment of the present invention includes the steps of: (a) mixing nanometals and carbon in water, pulverizing and drying them to prepare nanometal-doped carbon; (b) swelling and dissolving the hydrophilic polymer in water; (c) mixing the nanometal-doped carbon of step (a) and the hydrophilic polymer solution of step (b); (d) adding a crosslinking agent to the mixture of step (c), mixing, and reacting to prepare a polymer polymer; (e) preparing a conductive electrolyte by adding and reacting a conductive solution to the polymer polymer; And (f) drying the conductive electrolyte to form a paste, and then coating it on an electrode substrate, curing and coating it.

여기서, 상기 (a)단계에서 분쇄는 25~30℃의 실온에서 8~16시간 동안 실시되고, 건조는 10~100℃의 온도에서 10~24시간 실시될 수 있다.Here, in the step (a), the pulverization may be performed for 8 to 16 hours at room temperature of 25 to 30°C, and drying may be performed at a temperature of 10 to 100°C for 10 to 24 hours.

그리고, 상기 (a)단계에서 나노금속 및 탄소는 1 : 1~10의 중량비로 혼합될 수 있다.And, in the step (a), the nanometal and carbon may be mixed in a weight ratio of 1:1 to 10.

또한, 상기 나노금속은 주석(Sn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 인듐(In), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 은(Ag), 바나듐(V) 및 이들의 산화물로부터 선택되는 1종일 수 있다.In addition, the nanometals are tin (Sn), zinc (Zn), titanium (Ti), tungsten (W), indium (In), nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co) , Silver (Ag), vanadium (V), and may be one selected from oxides thereof.

더욱이, 상기 (b)단계에서 팽창 및 용해는 20~60℃의 온도에서 12~36시간 동안 실시될 수 있다.Moreover, the expansion and dissolution in step (b) may be carried out for 12 to 36 hours at a temperature of 20 to 60°C.

그리고, 상기 친수성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있다.In addition, the hydrophilic polymer may be one selected from polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO), and combinations thereof.

또한, 상기 (c)단계에서 혼합은 20~60℃의 온도에서 10~24시간 동안 실시될 수 있다.In addition, the mixing in step (c) may be carried out for 10 to 24 hours at a temperature of 20 to 60 ℃.

그리고, 상기 (d)단계에서 혼합 및 반응은 20~60℃의 온도에서 10~24시간 동안 실시되고, 가교제는 m-벤젠디술폰산의 나트륨염, p-스티렌술폰산의 나트륨염, 폴리아크릴산 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있다.And, the mixing and reaction in the step (d) is carried out for 10 to 24 hours at a temperature of 20 to 60 °C, and the crosslinking agent is sodium salt of m-benzenedisulfonic acid, sodium salt of p-styrenesulfonic acid, polyacrylic acid and these It may be one type selected from a combination of.

또한, 상기 (e)단계에서 고분자 중합체 및 전도성 용액은 5~7 : 3~5의 중량비로 혼합될 수 있다.In addition, in step (e), the polymer polymer and the conductive solution may be mixed in a weight ratio of 5 to 7: 3 to 5.

그리고, 상기 전도성 용액은 용제 및 전도성 고분자를 포함하고, 상기 용제 및 전도성 고분자는 1~20 : 0.05~1의 중량비 배합될 수 있다.In addition, the conductive solution may contain a solvent and a conductive polymer, and the solvent and the conductive polymer may be blended in a weight ratio of 1 to 20: 0.05 to 1.

이때, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종이고, 상기 용제는 메틸에틸케톤(methyl ethyl keton), 클로로포름(chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane), 메틸피롤리디논(Nmethylpyrrolidinone, NMP), 디메틸술폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 디메틸포름아아미드(dimethylformamide, DMF), t-부틸알코올(t-butyl alcohol), 이소프로필알코올(isopropylalcohol, iPA, 2-propanol), 벤질알코올(benzyl alcohol), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 부틸아세테이트(butyl acetate), 프로필렌글리콜디아세테이트(propylene glycol diacetate), 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate, PGMEA), 아세토니트릴(acetonitrile), 트리플루오로아세토나이트릴(trifluoroacetonitrile), 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAC), 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있다.At this time, the conductive polymer is one selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and combinations thereof, and the solvent is methyl ethyl keton, chloroform, Dichloromethane, Nmethylpyrrolidinone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), t-butyl alcohol, isopropyl alcohol (isopropylalcohol, iPA, 2-propanol), benzyl alcohol, tetrahydrofuran (THF), ethyl acetate, butyl acetate, propylene glycol diacetate, A number of days selected from propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA), acetonitrile, trifluoroacetonitrile, dimethylacetamide (DMAC), and combinations thereof have.

또한, 상기 (f)단계에서 건조는 30~60℃의 온도에서 1~3시간 동안 실시되고, 경화는 100~200℃의 온도에서 10~200분 동안 실시될 수 있다.In addition, in the step (f), drying may be performed at a temperature of 30 to 60°C for 1 to 3 hours, and curing may be performed at a temperature of 100 to 200°C for 10 to 200 minutes.

본 발명의 습도센서용 감습막은 센서의 특성 개선에 필요한 화학적 유/무기 원소를 적절하게 첨가, 및 혼합 조절함으로써 고분자 중합체 전해질형의 감습막을 제조할 수 있으며, 센서의 물성에 변화를 줄 수 있다는 점에서도 우수하다.The moisture sensitive membrane for a humidity sensor of the present invention can produce a polymer electrolyte type moisture sensitive membrane by appropriately adding and mixing chemical organic/inorganic elements necessary for improving the properties of the sensor, and changing the physical properties of the sensor. It is also excellent.

본 발명에 따른 습도센서용 감습막은 나노금속이 도핑된 탄소를 포함함으로써 표면에 수산기의 물리흡착과 화학흡착이 원활하여 감도, 선형성, 및 반응속도를 개선할 수 있으며, 감습막의 전기저항을 낮출 수 있어 전자회로 등에 적용 가능한 이점이 있다. The moisture sensitive film for a humidity sensor according to the present invention includes carbon doped with nanometals, so that the physical and chemical adsorption of hydroxyl groups on the surface is smooth, so that sensitivity, linearity, and reaction speed can be improved, and the electrical resistance of the moisture sensitive film can be reduced. There is an advantage that can be applied to electronic circuits and the like.

또한, 본 발명에 따른 습도센서용 감습막은 친수성 고분자와 나노금속이 도핑된 탄소 및 전도성 고분자를 함께 적용함으로써 가공이 용이할 뿐 아니라 수분에 대한 검출특성과 내구성이 우수한 이점이 있다.In addition, the moisture-sensitive film for a humidity sensor according to the present invention has advantages in that it is easy to process, as well as excellent in moisture detection characteristics and durability by applying a hydrophilic polymer and a nanometal-doped carbon and a conductive polymer together.

도 1은 본 발명에 따른 습도센서용 감습막의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 습도센서의 전극 기판 및 검지층의 구성예를 도시한 평면도이다.
도 3은 금속 또는 금속산화물의 표면에서 물분자가 흡착하는 상태를 도식적으로 나타낸 그림이다.
도 4는 감습막이 구비된 습도센서에서 습도에 따른 임피던스 특성을 나타낸 도이다.
1 is a process chart showing a method of manufacturing a humidity sensor for a humidity sensor according to the present invention.
2 is a plan view showing a configuration example of an electrode substrate and a detection layer of the humidity sensor of the present invention.
3 is a diagram schematically showing a state in which water molecules are adsorbed on the surface of a metal or metal oxide.
4 is a diagram showing impedance characteristics according to humidity in a humidity sensor equipped with a moisture-sensitive membrane.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.The above objects, other objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be implemented in various different forms. In addition, parts not related to the present invention in the drawings are omitted to clarify the description of the present invention, and like reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본 발명에 따른 습도센서용 감습막은 나노금속이 도핑된 탄소 5~20중량%, 친수성 고분자 10~40중량%, 가교제 0.01~10중량%, 및 전도성 고분자 30~50중량%를 포함한다. The moisture sensitive film for a humidity sensor according to the present invention includes 5 to 20% by weight of carbon doped with nanometals, 10 to 40% by weight of a hydrophilic polymer, 0.01 to 10% by weight of a crosslinking agent, and 30 to 50% by weight of a conductive polymer.

상기 나노금속이 도핑된 탄소에서 나노금속은 탄소의 다수의 기공 내에 침착 또는 담지된 형태로 존재하며, 상기 나노금속은 주석(Sn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 인듐(In), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 은(Ag), 바나듐(V) 및 이들의 산화물로부터 선택되는 1종, 바람직하게는 산화주석(SnO2), 인듐(In), 주석(Sn) 및 이들의 산화물로부터 선택되는 1종일 수 있다.In the nanometal-doped carbon, the nanometal exists in a form deposited or supported in a plurality of pores of the carbon, and the nanometal is tin (Sn), zinc (Zn), titanium (Ti), tungsten (W), One selected from indium (In), nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co), silver (Ag), vanadium (V) and oxides thereof, preferably tin oxide ( It may be one selected from SnO 2 ), indium (In), tin (Sn), and oxides thereof.

상기 친수성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종, 바람직하게는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA)일 수 있다. 일예로, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA)은 습도센서에 적용하면 수분에 의해 쉽게 공격을 받아 내구성이 부족하고 매우 높은 임피던스를 보이는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 나노금속이 도핑된 비표면적이 큰 탄소와 전도성 고분자를 함께 적용하였다. The hydrophilic polymer is one selected from polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO), and combinations thereof, preferably polyvinyl alcohol. , PVA). For example, when applied to a humidity sensor, polyvinyl alcohol (PVA) is easily attacked by moisture, resulting in poor durability and very high impedance. Therefore, in the present invention, a conductive polymer and carbon with a large specific surface area doped with a nanometal were applied together.

상기 가교제는 m-벤젠디술폰산(MBDS)의 나트륨염, p-스티렌술폰산(PSSA)의 나트륨염, 폴리아크릴산(PA) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있다.The crosslinking agent may be one selected from the sodium salt of m-benzenedisulfonic acid (MBDS), the sodium salt of p-styrenesulfonic acid (PSSA), polyacrylic acid (PA), and combinations thereof.

상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종, 바람직하게는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있다.The conductive polymer is 1 selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and combinations thereof, preferably polyaniline, polypyrrole, and combinations thereof. It can be a bell.

본 발명에서는 나노금속 또는 나노금속이 도핑된 탄소와 친수성 고분자의 혼합물에 m-벤젠디술폰산(MBDS)의 나트륨염, p-스티렌술폰산(PSSA)의 나트륨염, 폴리아크릴산(PA) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종이 중합하면서 전도성 고분자와 혼합되는 것을 특징으로 한다. 이러한 습도센서용 감습막은 친수성 고분자와 나노금속이 도핑된 탄소 및 전도성 고분자를 함께 적용함으로써 친수성 고분자의 습도감지물성 및 가공용이성을 유지하면서 수분에 대한 검출특성과 내구성이 우수한 이점이 있다. 나노금속이 도핑된 탄소를 포함함으로써 표면에 수산기의 물리흡착과 화학흡착이 원활하여 감도, 선형성, 및 반응속도를 개선할 수 있으며, 감습막의 전기저항을 낮출 수 있어 전자회로 등에 아주 적합할 수 있다. 또한, 수분에 대한 내구성이 향상되고, 검출회로를 전압분할 방식으로 간단하게 적용할 수 있다. In the present invention, sodium salt of m-benzenedisulfonic acid (MBDS), sodium salt of p-styrenesulfonic acid (PSSA), polyacrylic acid (PA), and combinations thereof in a mixture of nanometal or nanometal-doped carbon and hydrophilic polymer It is characterized in that one selected from is mixed with a conductive polymer while being polymerized. Such a moisture-sensitive membrane for a humidity sensor has an advantage of excellent moisture detection characteristics and durability while maintaining the humidity sensing properties and processing ease of the hydrophilic polymer by applying a hydrophilic polymer and a nanometal-doped carbon and a conductive polymer together. By including nanometal-doped carbon, the physical and chemical adsorption of hydroxyl groups on the surface is smooth, so that sensitivity, linearity, and reaction speed can be improved, and the electrical resistance of the moisture sensitive film can be lowered, making it very suitable for electronic circuits. . In addition, durability against moisture is improved, and the detection circuit can be applied simply by a voltage division method.

이하, 본 발명의 실시예들 및 이를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명의 습도센서용 감습막의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a humidity sensor for a humidity sensor according to the present invention will be described in detail with reference to embodiments of the present invention and drawings for explaining the same.

도 1은 본 발명의 습도센서용 감습막의 제조방법을 나타낸 공정도이다. 1 is a process chart showing a method of manufacturing a humidity sensor for a humidity sensor of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 습도센서용 감습막의 제조방법은 우선, 물에 나노금속과 탄소를 혼합한 후 분쇄 및 건조하여 나노금속이 도핑된 탄소를 제조한다(S10).In the method of manufacturing a moisture-sensitive film for a humidity sensor according to an embodiment of the present invention, first, nanometals and carbon are mixed in water, and then pulverized and dried to produce nanometal-doped carbon (S10).

물에 나노금속 및 탄소를 1 : 1~10중량비로 혼합 및 분산한 후 25~30℃의 실온에서 볼 밀(Ball mill), 아크리션 밀(Attrition mill), 제트 밀(Jet mill), 회전밀(Rotary mill) 및 진동 밀(Vibration mill) 중 선택되는 어느 하나의 장비를 이용하여 8~16시간, 바람직하게는 10~14시간 동안 분쇄를 실시한 다음 10~100℃, 바람직하게는 30~70℃의 온도에서 10~24시간 동안 건조를 실시할 수 있다. 상술한 바와 같은 분쇄 및 건조에 의해 탄소의 다수의 기공 내에 나노금속이 침착 또는 담지됨으로써 도핑될 수 있으며, 이에 수분 흡탈착 특성이 더욱 개선될 수 있는 효과가 유도될 수 있다. After mixing and dispersing nanometals and carbon in water at a 1:1 to 10 weight ratio, Ball mill, Attrition mill, Jet mill, rotating at room temperature at 25 to 30℃ Grinding for 8 to 16 hours, preferably 10 to 14 hours using any one of a rotary mill and a vibration mill, and then 10 to 100°C, preferably 30 to 70 Drying can be carried out for 10 to 24 hours at a temperature of °C. The nano-metal may be deposited or supported in a plurality of pores of carbon by the pulverization and drying as described above, thereby leading to an effect of further improving the moisture adsorption and desorption properties.

상기 나노금속은 주석(Sn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 인듐(In), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 은(Ag), 바나듐(V) 및 이들의 산화물로부터 선택되는 1종, 바람직하게는 산화주석(SnO2), 인듐(In), 주석(Sn) 및 이들의 산화물로부터 선택되는 1종일 수 있고, 상기 탄소는 탄화수소를 제거하고 흡착력을 증가시킨 활성화된 목탄, 즉 활성탄으로 다수의 기공을 포함할 수 있다. 탄소는 활성탄, 활성탄분말 상태일 수도 있으며, 비표면적이 500m2/g이상이고, 입도가 10μm 이하일 수 있다. 이러한 탄소는 비율이 10미만이면, 전기저항이 크고, 감도, 재현성 등 감습특성이 불량할 수 있고, 50을 초과하면 전기저항이 너무 낮으며, 재료의 내구성이 부족할 뿐만 아니라 감습특성이 나빠질 수 있다.The nanometals are tin (Sn), zinc (Zn), titanium (Ti), tungsten (W), indium (In), nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co), and silver. (Ag), vanadium (V) and one selected from oxides thereof, preferably tin oxide (SnO 2 ), indium (In), tin (Sn), and may be one selected from oxides thereof, the Carbon is activated charcoal, ie activated carbon, which removes hydrocarbons and increases adsorption capacity, and may contain a large number of pores. Carbon may be in the form of activated carbon or activated carbon powder, and may have a specific surface area of 500 m 2 /g or more, and a particle size of 10 μm or less. If the ratio of such carbon is less than 10, the electric resistance is large, and the moisture-sensitive characteristics such as sensitivity and reproducibility may be poor, and if it exceeds 50, the electric resistance is too low, the durability of the material is insufficient, and the moisture-sensitive characteristics may be deteriorated. .

상기 분쇄시간이 8시간 미만이면, 나노금속 및 탄소가 고르게 분산되기 어렵고, 16시간을 초과하면, 세쇄되어 취급이 어려울 뿐만 아니라 공기 중으로 분산되는 손실량이 증가될 수 있다. 상기 건조온도가 10℃미만이면, 건조하는데 소요되는 시간이 길어져 작업효율이 저조할 수 있고, 100℃를 초과하면, 필요이상의 높은 온도에 따른 상승효과는 그다지 크지 않으며, 금속의 물리적 특성에 악영향을 줄 수 있으므로 바람직하지 못하다.If the pulverization time is less than 8 hours, it is difficult to evenly disperse the nanometals and carbon, and if it exceeds 16 hours, it is difficult to handle due to being crushed, and the amount of loss dispersed in the air may increase. If the drying temperature is less than 10°C, the time required for drying may be lengthened, resulting in poor work efficiency. If it exceeds 100°C, the synergistic effect due to higher temperatures than necessary is not very large, and adversely affects the physical properties of the metal. It is not desirable because it can give.

분쇄 및 건조가 완료된 이후에 체를 이용하여 1~10μm의 입도범위를 갖는 나노금속이 도핑된 탄소만을 선별하는 단계를 더 실시할 수 있으며, 10μm의 범위를 초과하는 나노금속이 도핑된 탄소는 1~10μm의 입도범위를 갖도록 더 분쇄하는 추가 작업을 실시할 수 있다. 이와 같이 선별단계를 더 실시함에 따라 하기 후술할 전도성 용액과의 반응 또는 수분 흡탈착 특성이 더욱 향상될 수 있다.After the pulverization and drying are completed, the step of selecting only carbon doped with nanometals having a particle size range of 1 to 10 μm using a sieve may be further performed, and carbon doped with nano metals exceeding the range of 10 μm may be 1 Further grinding can be carried out to have a particle size range of ~10 μm. As the screening step is further performed as described above, the reaction with the conductive solution to be described later or moisture adsorption and desorption properties may be further improved.

그 다음 물에 친수성 고분자를 팽창 및 용해시킨다(S20).Then, the hydrophilic polymer is expanded and dissolved in water (S20).

물 100중량부에 대하여 친수성 고분자를 5~15중량부, 바람직하게는 7~12중량부 첨가하여 20~60℃, 바람직하게는 25~30℃의 온도에서 12~36시간, 바람직하게는 10~25시간 동안 용해시켜 친수성 고분자 용액을 제조할 수 있다.5 to 15 parts by weight, preferably 7 to 12 parts by weight of a hydrophilic polymer is added to 100 parts by weight of water at a temperature of 20 to 60°C, preferably 25 to 30°C for 12 to 36 hours, preferably 10 to It can be dissolved for 25 hours to prepare a hydrophilic polymer solution.

친수성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종, 바람직하게는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA)일 수 있다. The hydrophilic polymer is one selected from polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO), and combinations thereof, preferably polyvinyl alcohol, PVA).

그리고, 나노금속이 도핑된 탄소 및 친수성 고분자 용액을 혼합한다(S30).Then, the nano-metal-doped carbon and the hydrophilic polymer solution are mixed (S30).

상기 S10단계에서 제조된 나노금속이 도핑된 탄소를 상기 S20단계에서 제조된 친수성 고분자 용액 100중량부에 대하여, 5~30중량부를 가한 후 교반기를 이용하여 20~60℃, 바람직하게는 25~30℃의 실온 조건에서 10~24시간 동안 교반하여 혼합을 실시할 수 있다. After adding 5 to 30 parts by weight of the nanometal-doped carbon prepared in step S10 to 100 parts by weight of the hydrophilic polymer solution prepared in step S20, 20 to 60°C, preferably 25 to 30, using a stirrer. Mixing may be carried out by stirring for 10 to 24 hours under room temperature conditions of °C.

그 후, 혼합물에 가교제를 첨가하여 혼합 및 반응시켜 고분자 중합체를 제조한다(S40).Thereafter, a crosslinking agent is added to the mixture, mixed and reacted to prepare a polymer polymer (S40).

상기 S30단계의 나노금속이 도핑된 탄소 및 친수성 고분자 용액이 혼합된 혼합물에 가교제를 첨가한 후 20~60℃, 바람직하게는 25~30℃의 실온 조건에서 10~24시간 동안 교반하여 가교제가 고분자 혼합물에 가교 결합될 수 있도록 한다. 상기 온도가 20℃미만이면, 중합 속도가 느려 반응이 오래 걸릴 수 있고, 60℃를 초과하면, 반응속도는 빠르나 중합이 균일하게 이루어지기 어려울 수 있다.After adding a crosslinking agent to the mixture of the nanometal-doped carbon and hydrophilic polymer solution in step S30, the crosslinking agent is stirred for 10 to 24 hours at room temperature conditions of 20 to 60°C, preferably 25 to 30°C. Allows the mixture to be crosslinked. If the temperature is less than 20° C., the polymerization rate may be slow and the reaction may take a long time. If it exceeds 60° C., the reaction rate may be high, but it may be difficult to uniformly perform polymerization.

상기 가교제는 m-벤젠디술폰산(MBDS)의 나트륨염, p-스티렌술폰산(PSSA)의 나트륨염, 폴리아크릴산(PA) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있으며, 예를 들어, 가교제로 m-벤젠디술폰산(MBDS)의 나트륨염 또는 p-스티렌술폰산(PSSA)의 나트륨염을 사용하는 경우, 고분자 혼합물 100중량부에 대하여, 0.06~1중량부, 바람직하게는 0.1~0.2중량부로 첨가될 수 있고, 폴리아크릴산(PA)을 사용하는 경우, 고분자 혼합물 100중량부에 대하여 0.1~0.5중량부, 바람직하게는 0.2~0.3중량부로 첨가될 수 있으며, 이러한 함량범위는 가교제의 종류에 따른 가교반응의 최적 조건이다.The crosslinking agent may be one selected from the sodium salt of m-benzenedisulfonic acid (MBDS), the sodium salt of p-styrenesulfonic acid (PSSA), polyacrylic acid (PA), and combinations thereof, for example, m -When using the sodium salt of benzenedisulfonic acid (MBDS) or the sodium salt of p-styrenesulfonic acid (PSSA), 0.06 to 1 parts by weight, preferably 0.1 to 0.2 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer mixture In the case of using polyacrylic acid (PA), 0.1 to 0.5 parts by weight, preferably 0.2 to 0.3 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polymer mixture may be added, and this content range is a crosslinking reaction according to the type of crosslinking agent. Is the optimal condition.

그 다음, 고분자 중합체에 전도성 용액을 첨가 및 반응시켜 전도성 전해질을 제조한다(S50).Then, a conductive solution is added and reacted to the polymer polymer to prepare a conductive electrolyte (S50).

상기 S40단계에서 제조된 고분자 중합체 및 전도성 용액을 5~7 : 3~5, 바람직하게는 6 : 4의 중량비로 혼합한 후, 40~60℃의 온도에서 10~24시간 동안 반응시켜 전도성 복합고분자인 전도성 전해질을 제조할 수 있다. 전도성 용액의 비율이 3미만이면, 감습재료의 전기저항이 너무 높아질 수 있고, 6을 초과하면, 반대로 전기저항이 너무 커서 감습특성에 불리할 수 있다.After mixing the polymer polymer and the conductive solution prepared in step S40 in a weight ratio of 5 to 7: 3 to 5, preferably 6: 4, and reacting at a temperature of 40 to 60 °C for 10 to 24 hours, a conductive composite polymer Phosphorus conductive electrolytes can be prepared. If the ratio of the conductive solution is less than 3, the electrical resistance of the moisture-sensitive material may be too high, and if it exceeds 6, the electrical resistance is too high, which may be detrimental to the moisture-sensitive property.

본 발명에서 전도성 용액은 용제 및 전도성 고분자의 혼합물일 수 있으며, 이때, 용제 및 전도성 고분자는 1~20 : 0.05~1의 중량비로 배합될 수 있다. 이는 용제의 함량비율이 1미만이면, 혼합성과 물성의 균일성이 나빠질 수 있고, 20을 초과하면, 제조에 소요되는 시간이 길고, 여러 재료의 낭비가 일어 날 수 있으므로 바람직하지 못하다.In the present invention, the conductive solution may be a mixture of a solvent and a conductive polymer, and in this case, the solvent and the conductive polymer may be blended in a weight ratio of 1 to 20: 0.05 to 1. This is not preferable because if the content ratio of the solvent is less than 1, the blendability and uniformity of physical properties may deteriorate, and if it exceeds 20, the time required for manufacturing may be long and waste of various materials may occur.

상기 용제는 메틸에틸케톤(methyl ethyl keton), 클로로포름(chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane), 메틸피롤리디논(Nmethylpyrrolidinone, NMP), 디메틸술폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 디메틸포름아아미드(dimethylformamide, DMF), t-부틸알코올(t-butyl alcohol), 이소프로필알코올(isopropylalcohol, iPA, 2-propanol), 벤질알코올(benzyl alcohol), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 부틸아세테이트(butyl acetate), 프로필렌글리콜디아세테이트(propylene glycol diacetate), 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate, PGMEA), 아세토니트릴(acetonitrile), 트리플루오로아세토나이트릴(trifluoroacetonitrile), 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAC), 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종, 바람직하게는 클로로포름(chloroform)일 수 있다. The solvent is methyl ethyl keton, chloroform, dichloromethane, methylpyrrolidinone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide, DMF), t-butyl alcohol, isopropylalcohol (iPA, 2-propanol), benzyl alcohol, tetrahydrofuran (THF), ethyl acetate, Butyl acetate, propylene glycol diacetate, propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA), acetonitrile, trifluoroacetonitrile, dimethylacetate It may be one selected from amide (dimethylacetamide, DMAC), and combinations thereof, preferably chloroform.

상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종, 바람직하게는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 전도성을 가진 물질이라면 그 사용에 크게 제한을 두지 않는다.The conductive polymer is 1 selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and combinations thereof, preferably polyaniline, polypyrrole, and combinations thereof. It may be a species, but is not limited thereto, and any material having conductivity is not limited to its use.

마지막으로 전도성 전해질을 건조하여 페이스트화한 후 전극 기판 상에 도포하여 경화 및 코팅한다(S60).Finally, the conductive electrolyte is dried and pasted, and then cured and coated by coating it on the electrode substrate (S60).

상기 S50단계에서 제조된 전도성 전해질을 30~60℃, 바람직하게는 35~50℃의 온도에서 1~3시간 동안 건조 및 증발시켜 제형을 페이스트화하고, 이를 페인팅, 딥, 스프레이 또는 스핀 코팅법 중 어느 하나의 방법을 선택하여 도 2에 도시된 바와 같이 한쌍의 빗모양의 금 또는 백금의 전극(2)이 형성된 알루미늄 절연기판(1) 상에 도포하여 100~200℃, 바람직하게는 140~160℃의 온도에서 10분~200분, 바람직하게는 120분~180분 동안 경화 및 코팅하여 감습막(3)을 형성할 수 있다. 건조온도가 30℃미만이면, 용액이 건조되기 어려워 페이스트 제형을 제조하는데 시간이 오래 걸릴 수 있고, 60℃를 초과하면, 필요이상의 가온으로 이에 따른 상승효과는 그다지 크지 않을 수 있다. 상기 경화온도가 100℃ 미만이면, 경화가 충분히 되지 않거나 시간이 오래 걸릴 수 있고, 200℃를 초과하면, 결정이 거칠고 커질 수 있으며, 충분한 경도를 확보하기 어려울 수 있다.The conductive electrolyte prepared in step S50 is dried and evaporated at a temperature of 30 to 60° C., preferably 35 to 50° C. for 1 to 3 hours to form a paste, which is then subjected to painting, dip, spray, or spin coating. Select any one method and apply it on the aluminum insulating substrate 1 on which the pair of comb-shaped gold or platinum electrodes 2 is formed as shown in FIG. 2 to 100 to 200°C, preferably 140 to 160 Curing and coating for 10 minutes to 200 minutes, preferably 120 minutes to 180 minutes at a temperature of ℃ to form the moisture-sensitive film (3). If the drying temperature is less than 30°C, the solution is difficult to dry, so it may take a long time to prepare the paste formulation. If it exceeds 60°C, the synergistic effect may not be so great due to heating more than necessary. When the curing temperature is less than 100° C., curing may not be sufficient or it may take a long time, and when it exceeds 200° C., crystals may become coarse and large, and it may be difficult to secure sufficient hardness.

상술한 바와 같은 경화 및 코팅하는 단계(S60)가 완료되면, 감습막이 구비된 습도센서(S70)가 수득된다. 습도센서는 절연기판(1) 상에 한 쌍의 빗모양의 전극(2)을 갖고, 한 쌍의 빗모양의 전극(2)은 일정거리의 갭에 의해 맞물리도록 하여 절연기판(1) 상에 배치되며, 절연기판(1) 및 상기 전극(2) 상에는 감습막(3)이 설치될 수 있다.When the curing and coating step (S60) as described above is completed, a humidity sensor (S70) provided with a moisture-sensitive film is obtained. The humidity sensor has a pair of comb-shaped electrodes 2 on the insulating substrate 1, and the pair of comb-shaped electrodes 2 are engaged by a gap of a predetermined distance so that the humidity sensor is placed on the insulating substrate 1. It is disposed, and a moisture-sensitive film 3 may be installed on the insulating substrate 1 and the electrode 2.

본 발명에서 절연기판의 재료 및 크기는 통상 사용되는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 일예로 절연기판은 크기 2.5×2.5mm, 두께 0.25 내지 0.42mm의 알루미나 혹은 실리콘일 수 있다. 상기 전극의 재료 및 크기도 통상 사용되는 것이라면 특별한 제한은 없으나 전기를 잘 통하는 금이나 백금으로 하여 스크린 프린팅, 포토리소그래피 등 통상의 방법에 의해 형성될 수 있고, 상기 감습막과의 접촉면적을 최대로 하기 위해 0.2mm 간격으로 서로 교차되고 4개 이상 형성하는 것이 바람직하고, 각각의 폭은 0.2~0.3mm로 설정하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같은 구성으로 양 전극 간에 전원을 인가하면, 감습막의 습도에 따른 저항 및 임피던스변화에 의해 출력전압이 변화하여 습도가 검출될 수 있다.In the present invention, the material and size of the insulating substrate is not particularly limited as long as it is commonly used, but as an example, the insulating substrate may be alumina or silicon having a size of 2.5×2.5 mm and a thickness of 0.25 to 0.42 mm. There is no particular limitation as long as the material and size of the electrode are also commonly used, but may be formed of gold or platinum that conducts electricity well by conventional methods such as screen printing and photolithography, and the contact area with the moisture sensitive film is maximized. In order to intersect with each other at intervals of 0.2 mm, it is preferable to form four or more, and each width is preferably set to 0.2 to 0.3 mm. When power is applied between both electrodes in the above-described configuration, the humidity can be detected by changing the output voltage due to the change in resistance and impedance according to the humidity of the moisture sensitive film.

이러한 본 발명의 습도센서에는 친수성 고분자 외에 나노금속이 도핑된 탄소를 더 포함하는 감습막이 구비됨으로써 도 3에 도시된 바와 같이 감습막의 고분자 중합체에 흡수된 수분은 이온물질의 분해를 도와 사용 가능한 이온의 수를 증가시키므로 결국, 감습막의 저항률을 크게 감소시킬 수 있다. 다시 말하자면, 습기가 감습막의 표면에 화학흡착되면, 재료의 전도이온이나 전자가 더욱 자유롭게 되어 습도센서의 저항이 감소될 수 있다.The humidity sensor of the present invention is provided with a moisture-sensitive membrane further including carbon doped with nanometals in addition to the hydrophilic polymer. As shown in FIG. 3, moisture absorbed by the polymer polymer of the moisture-sensitive membrane helps decomposition of the ionic material and prevents usable ions. As the number is increased, in the end, the resistivity of the moisture sensitive film can be greatly reduced. In other words, when moisture is chemically adsorbed on the surface of the moisture-sensitive film, conductive ions or electrons of the material become more free and the resistance of the humidity sensor may be reduced.

실시예 1. 습도센서 제조Example 1. Manufacture of humidity sensor

물 100ml에 평균입경이 0.1μm인 SnO2 10mg과 탄소 50mg을 혼합하고, 롤밀로 12시간 분쇄시킨 후 50℃에서 건조시켜 탄소분말을 제조하였다. 그리고 물 10ml에 PVA 1g을 넣고 24시간 동안 상온에서 팽창시킨 다음 익일 PVA가 완전히 용해되면 탄소분말과 혼합하였다. 물 2ml에 MBDS를 150mg을 용해하고, 이를 상기 혼합물에 첨가하여 중합반응시켜 중합체를 제조하였다. 그 다음, 클로로폼 20ml에 폴리아닐닌 20mg을 완전히 용해시키고, 이를 중합체에 가하여 50℃에서 5시간 동안 롤밀로 완전히 혼합하였다. 그리고, 페이스트 상태로 건조한 다음 금 또는 백금으로 형성된 전극이 구비된 알루미나 및 실리콘 기판(size 2.5mm×2.2mm ×0.381mm)상에 도포하여 150℃로 3시간 동안 경화 및 코팅하여 감습막이 구비된 습도센서를 수득하였다. In 100 ml of water, 10 mg of SnO 2 having an average particle diameter of 0.1 μm and 50 mg of carbon were mixed, pulverized for 12 hours with a roll mill, and dried at 50° C. to prepare carbon powder. Then, 1 g of PVA was added to 10 ml of water and expanded at room temperature for 24 hours. When the PVA was completely dissolved the next day, it was mixed with the carbon powder. 150 mg of MBDS was dissolved in 2 ml of water, and this was added to the mixture for polymerization to prepare a polymer. Then, 20 mg of polyaniline was completely dissolved in 20 ml of chloroform, and this was added to the polymer, followed by mixing thoroughly with a roll mill at 50° C. for 5 hours. Then, after drying in a paste state, it is applied on alumina and silicon substrates (size 2.5mm×2.2mm×0.381mm) with electrodes formed of gold or platinum, and cured and coated at 150℃ for 3 hours to provide humidity with a moisture-sensitive film. A sensor was obtained.

실시예 2. 습도센서 제조Example 2. Manufacture of humidity sensor

나노금속으로 SnO2 대신에 Fe, 및 전도성 고분자로 폴리아닐린 대신에 폴리피롤을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 제조방법과 동일한 방법으로 실시예 2의 습도센서를 수득하였다.A humidity sensor of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that Fe instead of SnO 2 as a nano metal and polypyrrole instead of polyaniline as a conductive polymer was used.

실시예 3. 습도센서 제조Example 3. Manufacture of humidity sensor

나노금속으로 SnO2 대신에 In을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 제조방법과 동일한 방법으로 실시예 3의 습도센서를 수득하였다.A humidity sensor of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1, except that In was used instead of SnO 2 as a nanometal.

실험예 1. 감습특성Experimental Example 1. Moisture Characteristics

본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 습도센서의 감습특성을 확인하기 위하여 하기와 같이 실험을 실시하였다. Experiments were conducted as follows in order to confirm the humidity-sensitive characteristics of the humidity sensors manufactured according to Examples 1 to 3 according to the present invention.

항온항습조를 사용하여 실험을 실시하였으며, 30%이하의 습도에서는 습도 5%의 드라이 에어(dry air)와 가습기를 혼합사용하여 습도를 조절하였고, 30%이상의 습도에서는 가습기를 사용하여 습도를 조절하였다. 검교정된 디지털 습도계의 습도지시에 상응하는 정밀 저항측정기로 각 10% 습도마다 습도센서의 저항값을 측정하였다.Experiments were conducted using a constant temperature and humidity tank, and humidity was controlled by mixing dry air with a humidity of 5% and a humidifier at a humidity of less than 30%, and a humidifier was used to control the humidity at a humidity of 30% or less. I did. The resistance value of the humidity sensor was measured for each 10% humidity with a precision resistance meter corresponding to the humidity indication of the calibrated digital hygrometer.

그 결과를 도 4에 나타내었다.The results are shown in FIG. 4.

도 4를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3의 측정치는 비슷하였으나 특히, 나노금속으로 SnO2를 사용한 실시예 1의 저항값, 감습특성 및 저항변화가 실시예 2, 실시예 3에 비해 전반적으로 우수함을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 4, the measured values of Examples 1 to 3 were similar, but in particular, the resistance value, moisture-sensitive property, and resistance change of Example 1 using SnO 2 as a nanometal were generally compared to those of Examples 2 and 3. It was able to confirm the excellence.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다. Although the invention made by the present inventor has been described in detail according to the above embodiment, the invention is not limited to the above embodiment, and it goes without saying that the invention can be changed in various ways without departing from the gist.

1: 기판
2: 전극
3: 감습막
1: substrate
2: electrode
3: moisture barrier

Claims (17)

나노금속이 도핑된 다수의 기공을 갖는 탄소 5~20중량%, 친수성 고분자 10~40중량%, 가교제 0.01~10중량%, 및 전도성 고분자 30~50중량%를 포함하고,
상기 나노금속이 탄소의 다수의 기공 내에 침착 또는 담지된 형태로 존재하는 습도센서용 감습막.
Including 5 to 20% by weight of carbon having a plurality of pores doped with a nanometal, 10 to 40% by weight of a hydrophilic polymer, 0.01 to 10% by weight of a crosslinking agent, and 30 to 50% by weight of a conductive polymer,
The moisture sensor for a humidity sensor in which the nanometal is deposited or supported in a plurality of pores of carbon.
제1항에 있어서,
상기 나노금속은 주석(Sn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 인듐(In), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 은(Ag), 바나듐(V) 및 이들의 산화물로부터 선택되는 1종인 습도센서용 감습막.
The method of claim 1,
The nanometals are tin (Sn), zinc (Zn), titanium (Ti), tungsten (W), indium (In), nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co), and silver. (Ag), vanadium (V), and a moisture-sensitive film for a humidity sensor that is one type selected from oxides thereof.
제1항에 있어서,
상기 친수성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종인 습도센서용 감습막.
The method of claim 1,
The hydrophilic polymer is one selected from polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO), and a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 가교제는 m-벤젠디술폰산의 나트륨염, p-스티렌술폰산의 나트륨염, 폴리아크릴산 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종인 습도센서용 감습막.
The method of claim 1,
The crosslinking agent is one selected from the sodium salt of m-benzenedisulfonic acid, the sodium salt of p-styrenesulfonic acid, polyacrylic acid, and a humidity sensor for a humidity sensor.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종인 습도센서용 감습막.
The method of claim 1,
The conductive polymer is one selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and a combination thereof, for a humidity sensor.
(a) 물에 나노금속과 다수의 기공을 갖는 탄소를 혼합한 후 분쇄 및 건조하여 나노금속이 탄소의 다수의 기공 내에 침착 또는 담지되도록 도핑하는 단계;
(b) 물에 친수성 고분자를 팽창 및 용해시키는 단계;
(c) 상기 (a)단계의 나노금속이 도핑된 다수의 기공을 갖는 탄소 및 상기 (b)단계의 친수성 고분자 용액을 혼합하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계의 혼합물에 가교제를 첨가하여 혼합 및 반응시켜 고분자 중합체를 제조하는 단계;
(e) 상기 고분자 중합체에 전도성 용액을 첨가 및 반응시켜 전도성 전해질을 제조하는 단계; 및
(f) 상기 전도성 전해질을 건조하여 페이스트화한 후 전극 기판 상에 도포하여 경화 및 코팅하는 단계를 포함하는 습도센서용 감습막의 제조방법.
(a) mixing the nanometal and carbon having a plurality of pores in water, pulverizing and drying, and doping so that the nanometal is deposited or supported in the plurality of pores of the carbon;
(b) swelling and dissolving the hydrophilic polymer in water;
(c) mixing the carbon having a plurality of pores doped with the nanometal of the step (a) and the hydrophilic polymer solution of the step (b);
(d) adding a crosslinking agent to the mixture in step (c), mixing, and reacting to prepare a polymer polymer;
(e) preparing a conductive electrolyte by adding and reacting a conductive solution to the polymer polymer; And
(f) drying the conductive electrolyte, forming a paste, and then coating it on an electrode substrate, curing and coating it.
제6항에 있어서,
상기 (a)단계에서 분쇄는 25~30℃의 실온에서 8~16시간 동안 실시되고, 건조는 10~100℃의 온도에서 10~24시간 실시되는 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 6,
In the step (a), the pulverization is carried out at room temperature of 25 to 30° C. for 8 to 16 hours, and drying is performed at a temperature of 10 to 100° C. for 10 to 24 hours.
제6항에 있어서,
상기 (a)단계에서 나노금속 및 다수의 기공을 갖는 탄소는 1 : 1~10의 중량비로 혼합되는 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 6,
In the step (a), the nano-metal and the carbon having a plurality of pores are mixed in a weight ratio of 1:1 to 10. A method of manufacturing a moisture-sensitive membrane for a humidity sensor.
제6항에 있어서,
상기 나노금속은 주석(Sn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 인듐(In), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 은(Ag), 바나듐(V) 및 이들의 산화물로부터 선택되는 1종인 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 6,
The nanometals are tin (Sn), zinc (Zn), titanium (Ti), tungsten (W), indium (In), nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), cobalt (Co), and silver. (Ag), vanadium (V), and a method for producing a moisture-sensitive film for a humidity sensor, which is one selected from oxides thereof.
제6항에 있어서,
상기 (b)단계에서 팽창 및 용해는 20~60℃의 온도에서 12~36시간 동안 실시되는 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 6,
In the step (b), the expansion and dissolution are carried out at a temperature of 20 to 60°C for 12 to 36 hours.
제6항에 있어서,
상기 친수성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 6,
The hydrophilic polymer is selected from polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO), and a combination thereof.
제6항에 있어서,
상기 (c)단계에서 혼합은 20~60℃의 온도에서 10~24시간 동안 실시되는 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 6,
The mixing in step (c) is a method of manufacturing a moisture-sensitive membrane for a humidity sensor that is carried out for 10 to 24 hours at a temperature of 20 to 60 °C.
제6항에 있어서,
상기 (d)단계에서 혼합 및 반응은 20~60℃의 온도에서 10~24시간 동안 실시되고, 가교제는 m-벤젠디술폰산의 나트륨염, p-스티렌술폰산의 나트륨염, 폴리아크릴산 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종인 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 6,
The mixing and reaction in the step (d) is carried out for 10 to 24 hours at a temperature of 20 to 60°C, and the crosslinking agent is sodium salt of m-benzenedisulfonic acid, sodium salt of p-styrenesulfonic acid, polyacrylic acid, and combinations thereof. Method for producing a moisture-sensitive film for a humidity sensor, which is one type selected from.
제6항에 있어서,
상기 (e)단계에서 고분자 중합체 및 전도성 용액은 5~7 : 3~5의 중량비로 혼합되는 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 6,
In the step (e), the polymer polymer and the conductive solution are mixed in a weight ratio of 5 to 7: 3 to 5;
제14항에 있어서,
상기 전도성 용액은 용제 및 전도성 고분자를 포함하고, 상기 용제 및 전도성 고분자는 1~20 : 0.05~1의 중량비로 배합되는 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 14,
The conductive solution contains a solvent and a conductive polymer, and the solvent and the conductive polymer are blended in a weight ratio of 1-20: 0.05-1.
제15항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종이고,
상기 용제는 메틸에틸케톤(methyl ethyl keton), 클로로포름(chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane), 메틸피롤리디논(Nmethylpyrrolidinone, NMP), 디메틸술폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 디메틸포름아아미드(dimethylformamide, DMF), t-부틸알코올(t-butyl alcohol), 이소프로필알코올(isopropylalcohol, iPA, 2-propanol), 벤질알코올(benzyl alcohol), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 부틸아세테이트(butyl acetate), 프로필렌글리콜디아세테이트(propylene glycol diacetate), 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate, PGMEA), 아세토니트릴(acetonitrile), 트리플루오로아세토나이트릴(trifluoroacetonitrile), 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAC), 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종인 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 15,
The conductive polymer is one selected from polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and combinations thereof,
The solvent is methyl ethyl keton, chloroform, dichloromethane, methylpyrrolidinone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide, DMF), t-butyl alcohol, isopropylalcohol (iPA, 2-propanol), benzyl alcohol, tetrahydrofuran (THF), ethyl acetate, Butyl acetate, propylene glycol diacetate, propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA), acetonitrile, trifluoroacetonitrile, dimethylacetate Amide (dimethylacetamide, DMAC), and a method for producing a moisture-sensitive membrane for a humidity sensor that is one kind selected from a combination thereof.
제6항에 있어서,
상기 (f)단계에서 건조는 30~60℃의 온도에서 1~3시간 동안 실시되고, 경화는 100~200℃의 온도에서 10~200분 동안 실시되는 습도센서용 감습막의 제조방법.
The method of claim 6,
In the step (f), drying is performed at a temperature of 30 to 60°C for 1 to 3 hours, and curing is performed at a temperature of 100 to 200°C for 10 to 200 minutes.
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