KR102280952B1 - 다공성 부재를 포함하는 유연한 정전 용량식 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정전 용량식 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서에 관한 것이다. 본 발명은 유연 소재의 기판, 하부 전극, 상부 전극, 상부 전극과 하부 전극의 사이에 끼워지며, 수분이 흡착될 수 있는 감습부를 포함하며 상부 전극, 하부 전극과 감습부 중 적어도 어느 하나는 다공성 부재인 다공성 부재를 포함한 정전 용량식 센서를 제안한다. 상기와 같은 구성에 의해 습도센서의 용량을 높이고 적은 값에서도 센싱이 가능하며 전체 형상의 변형이 용이하도록 하는 효과가 있다. 또한, 센싱 뿐 아니라 히팅도 가능하게 함으로써 반응성을 높이고, 센서 외부로 열이 전달되지 않도록 하는 효과가 있다.

Description

다공성 부재를 포함하는 유연한 정전 용량식 센서{Flexible capacitive humidity sensor including porous material}
본 발명은 정전 용량식 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서에 관한 것이다.
일반적으로 습도센서는 물 분자나 수증기가 가지는 고유한 물리적 성질을 이용하는 것과 흡습성 물질에 물 분자가 흡착되어 그 물질의 물리적 성질의 변화를 측정하는 방법으로 습도를 측정한다. 그 중에서도 정전 용량식 센서는 얇은 박막형 구조로 환경 저항성이 높아 측정값의 신뢰도가 높으며, 제작 비용도 합리적이기 때문에 범적으로 사용되어 오고 있다.
그러나 종래의 정전 용량식 습도 센서는 구조가 복잡하여 정전 용량의 값 관리가 엄격하여 대량 제조가 어려웠으며, 정전 용량의 변화량이 작아 약간의 용량 변화로 오차가 커지고, 정전 용량의 변화량이 작아 회로 부품의 분산이나 온도 특성에 영향을 쉽게 받으므로 회로부 선정 시 주의가 필요하다는 단점이 있었다.
이러한 종래의 정전 용량식 습도 센서의 문제점을 해결하기 위해 도 15에 도시된 종래기술은 얇은 폴리머 소재의 감습제의 상하부에 전극을 배치하고, 상부 전극에 홀이 다수 형성됨으로써 습도센서의 반응성을 높였다. 그러나, 전극에 홀을 형성한다 하여도 수분이 함유된 공기가 감습제로 유입되는 통로가 여전히 좁아 소자의 반응속도가 느리다는 단점이 있었다. 또한, 감습제에서 수분이 빠져나가는 속도도 느려 원래상태로 돌아오는데 수초 이상의 시간이 소요되어 효율도 나빴다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 밀도가 낮은 다공성 부재를 상부전극, 감습부, 하부 전극의 재료로 적용함으로써 습도센서의 용량을 높이고 적은 값에서도 센싱이 가능하며 전체 형상의 변형이 용이한 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서를 제공함에 있다.
보다 자세히, 상부전극, 감습부, 하부 전극을 나노파이버 형태로 구성하여 상하로 배치하거나, 각 나노파이버가 혼재되도록 하거나, 전극용 나노파이버의 내부에 감습재를 삽입한 이중 나노파이버로 하여 습도센서의 용량을 높이고 적은 값에서도 센싱이 가능하도록 하는 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서를 제공함에 있다.
또한, 상부전극, 하부 전극의 외부로 전력을 인가받을 수 있는 단자를 1쌍 이상 인출하여 센싱 뿐 아니라 히팅도 가능하게 함으로써 반응성을 높이는 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서를 제공함에 있다.
또한, 기판에 홈을 팜으로써 센서 외부로 열이 전달되지 않도록 하는 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서는 유연 소재의 기판, 상기 기판의 상부에 배치되는 하부 전극, 상기 하부 전극의 상부에 배치되는 상부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 끼워지며, 수분이 흡착될 수 있는 감습 나노파이버를 포함하며 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 어느 하나는 다공성 부재로 형성되어 상기 감습 나노파이버와 수분이 함유된 외기의 접촉 면적을 높이는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극이 전도성 나노파이버이며, 상기 하부 전극이 전도성 필름인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 모두 전도성 나노파이버인것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극은 표면에 홀이 다수 형성된 전도성 필름이고, 상기 하부 전극은 전도성 필름인 것을 특징으로 한다.
또한, 유연 소재의 기판, 상기 기판의 상부에 배치되는 하부 전극, 상기 하부 전극의 상부에 배치되는 상부 전극, 상기 상부 전극과 동일 위상에 위치하며 수분이 흡착될 수 있는 감습 나노파이버를 포함하며 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 어느 하나는 다공성 부재로 형성되어 상기 감습 나노파이버와 수분이 함유된 외기의 접촉 면적을 높이는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극은 전도성 나노파이버이며, 상기 하부 전극은 전도성 필름이고, 상기 상부 전극의 전도성 나노파이버와 상기 감습 나노파이버가 혼재되어 하나의 층을 이루는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 전극과 상기 감습부 및 상기 상부전극 사이에 절연 필름을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 전극과 상기 감습부 및 상기 상부전극 사이에 감습 나노파이버가 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 전극이 전도성 필름이고, 상기 상부 전극은 전도성 나노파이버이며, 상기 상부 전극 및 상기 감습 나노파이버는 상기 감습 나노파이버의 내부에상기 전도성 나노파이버가 삽입된 이중 나노파이버 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 전극에 전력을 인가하는 하부 전극 단자가 1쌍 이상 상기 기판의 외부로 인출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판의 상면으로부터 상기 하부 전극을 둘러싸는 위치에 홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 홈에 방열재료가 채워지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 홈이 진공상태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극에 전력을 인가하는 상부 전극 단자가 1쌍 이상 상기 기판의 외부로 인출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서는 밀도가 낮은 다공성 부재를 상부전극, 감습부, 하부 전극의 재료로 적용함으로써 습도센서의 용량을 높이고 적은 값에서도 센싱이 가능하며 전체 형상의 변형이 용이하도록 하는 효과가 있다.
보다 자세히, 상부전극, 감습부, 하부 전극을 나노파이버 형태로 구성하여 상하로 배치하거나, 각 나노파이버가 혼재되도록 하거나, 전극용 나노파이버의 내부에 감습재를 삽입한 이중 나노파이버로 하여 습도센서의 용량을 높이고 적은 값에서도 센싱이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 상부전극, 하부 전극의 외부로 전력을 인가받을 수 있는 단자를 1쌍 이상 인출하여 센싱 뿐 아니라 히팅도 가능하게 함으로써 반응성을 높이는 효과가 있다.
또한, 기판에 홈을 팜으로써 센서 외부로 열이 전달되지 않도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예의 하부 전극, 상부 전극 및 감습부의 측면을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예의 하부 전극, 상부 전극 및 감습부의 측면을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 예의 하부 전극, 상부 전극 및 감습부의 측면을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시 예의 하부 전극, 상부 전극 및 감습부의 측면을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제 5 실시 예의 하부 전극, 상부 전극 및 감습부의 상면을 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제 5 실시 예에서 상부 전극과 감습부를 이루는 이중 나노파이버의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시 예의 제작방법을 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제 6 실시 예의 하부 전극, 상부 전극 및 감습부의 측면을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 하부 전극과 하부 전극 단자의 상면을 도시한 개략도이다.
도 10은 본 발명의 하부 전극과 기판의 연결관계를 도시한 개략도이다.
도 11은 본 발명의 하부 전극 단자가 여러 쌍 인출된 측면도이다.
도 12는 본 발명의 하부 전극 단자와 상부 전극 단자가 여러 쌍 인출된 측면도이다.
도 13은 종래기술의 대표도이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서는 유연 소재의 기판을 포함할 수 있다. 기판(100)은 실리콘일 수 있으며, 도체가 아닌 형상의 변형이 용이한 소재인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)는 기판(100)의 상부에 배치되는 하부 전극(200)과, 하부 전극(200)의 위에 배치되는 상부 전극(300), 그리고 하부 전극(200)과 상부 전극(300)의 사이에 끼워지며 수분이 흡착될 수 있는 감습부(400)를 포함할 수 있다.
특히, 하부 전극(200)과 상부 전극(200) 및 감습부(400) 중 적어도 어느 하나는 다공성 부재인 것이 바람직하다. 이에 따라 유연하며 감지 성능이 높다는 효과가 있는 정전 용량식 습도센서를 제안할 수 있고, 정전 용량C는 접촉 면적 A에 비례하고, 거리 d에 반비례하다는 통상의 공식을 바탕으로 정전용량을 최대화하여 오차를 줄인다는 효과가 있는 정전 용량식 습도센서를 제안할 수 있다.
이하로, 본 발명의 제 1 실시 예 내지 제 5실시 예에 대해 설명한다. 본 발명의 제 1 실시 예 내지 제 5 실시 예에서 상부 전극(300) 및 하부 전극(200) 중 어느 하나는 나노파이버로 형성된다. 그리고 나노파이버가 촘촘히 얽혀 하나의 전극 층을 이루도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 이때의 나노파이버는 전극의 역할을 수행해야 하므로 전도성 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 따라 상부 전극(300) 또는 하부 전극(200) 층의 밀도가 대폭 감소하고, 크고 작은 불규칙한 홀이 다수 형성됨으로써 외기의 출입이 용이해 질 수 있다. 또한, 상부 전극(300)과 하부 전극(200) 사이에 외기와 접촉해야하는 감습제가 배치되는 것이 바람직한데, 이때의 감습제는 감습 나노파이버(400)인 것이 바람직하다. 감습제가 감습 나노파이버(400)형태로 존재하는 경우, 감습제 층의 밀도가 대폭 감소하고, 크고 작은 불규칙한 홀이 다수 형성됨으로써 외기의 출입이 용이해 질 수 있다. 즉, 감습 나노파이버(400)와 수분이 함유된 외기의 접촉 면적이 효과적으로 높아질 수 있다. 또한, 나노파이버가 얽혀 있음으로써 전체 전극 층의 형상 변형이 용이하여 웨어러블 장치에 적용될 수 있다.
[실시 예 1]
이하로, 도 1 을 참조하여 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 1 실시 예에 대해 설명한다.
다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 1 실시 예는 상부 전극(300)이 전도성 나노파이버로 이루어지고, 하부 전극(200)이 전도성 필름으로 이루어질 수 있음을 개시한다. 특히, 이 때의 감습 나노파이버(400)는 상부 전극(300)과 동일하게 감습 나노파이버가 얽혀 하나의 층을 이루도록 하는 것이 바람직하다. 감습제 층을 감습 나노파이버(400)로 형성할 경우, 외기와의 접촉 면적이 상승함에 따라 감습 나노파이버의 사이에 외기가 침투 및 흡습되기 용이해지기 때문에 반응속도가 빨라질 수 있다. 또한 감습 나노파이버(400)에서 수분이 빠르게 빠져나갈 수 있어 센싱 이후 원래 상태로 돌아오기 용이해 질 수 있다. 또한, 상부 전극(300) 및 감습제 층을 나노파이버가 얽힌 형태로 형성함으로써 외부로부터의 충격을 흡수 하여 안정성을 높일 수 있다.
[실시 예 2]
이하로, 도 2를 참조하여 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 2 실시 예에 대해 설명한다.
다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 2 실시 예는 상부 전극(300) 및 하부 전극(200)이 모두 전도성 나노파이버로 이루어질 수 있음을 개시한다. 제 2 실시 예에서는 감습 나노파이버(400)가 상하면 모두 외기와 접촉할 수 있으므로 외기와의 접촉 면적이 상승하고 외기가 감습 나노파이버(400)의 내부로 침투 및 흡습되기 용이해지기 때문에 반응속도가 빨라질 수 있다. 또한 감습 나노파이버(400)에서 수분이 빠르게 빠져나갈 수 있어 센싱 이후 원래 상태로 돌아오기 용이해 질 수 있다. 또한, 상부 전극(300) 및 감습부(400)를 나노파이버가 얽힌 형태로 형성함으로써 외부로부터의 충격을 흡수 하여 안정성을 높일 수 있다.
본 발명의 제 2 실시 예는 상술한 제 1 실시 예와 달리, 상부 전극(300) 과 하부 전극(200)은 모두 나노파이버로 형성된다. 제 2 실시 예는 상부 전극(300)과 하부 전극(200) 중 하나만 나노파이버로 형성된 제 1 실시 예의 경우보다 상부 전극(300) 또는 하부 전극 층의 밀도가 대폭 감소하고, 크고 작은 불규칙한 홀이 다수 형성됨으로써 외기의 출입이 용이해 질 수 있다. 즉, 감습부(400)가 수분이 함유된 외기와 상하로 접촉할 수 있으므로 센서의 민감도가 효과적으로 높아질 수 있다. 또한, 기판(100)을 제외한 모든 구성이 나노파이버가 얽혀 있음으로써 구성되기 때문에 전체 전극 층의 형상 변형이 매우 용이하여 웨어러블 장치에 적용될 수 있다.
[실시 예 3, 4]
이하로, 도 3 내지 4를 참조하여 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 3 내지 제 4 실시 예에 대해 설명한다.
다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 3 내지 제 4 실시 예는 하부 전극(200)이 전도성 필름으로 이루어지고, 상부 전극(300)이 전도성 나노파이버로 이루어지고, 감습 나노파이버(400)와 상부 전극(300)이 동일 위상에 위치하여 하부 전극(200)의 상면에 배치될 수 있음을 개시한다. 보다 자세히, 본 발명의 습도센서는 다수의 레이어를 포함하여 층상구조로 이루어지는데, 제 3 실시 예 및 제 4 실시 예는 상부 전극(300)과 감습 나노파이버(400)가 동일한 레이어에 위치하는 실시 예인 것이다.
이 때, 감습 나노파이버(400)와 상부 전극(300)을 이루는 전도성 나노파이버는 두 가닥의 나노파이버가 ??쳐져 한 가닥의 나노파이버와 같이 형성되는 것이 바람직하다. 이는 감습 나노파이버(400)와 상부 전극(300) 간의 접촉 면적을 최대화 하기 위함이다.
제 3 실시 예의 경우는 하부 전극(200)과 감습부(400) 및 상부전극 사이에 절연층(500)을 필름 형태로 도포한 것이고, 제 4 실시 예의 경우는 하부 전극(200)과 감습부(400) 및 상부전극 사이에 감습 나노파이버를 추가로 얇게 도포한 것이다.
제 3 실시 예 내지 제 4 실시 예는 상술한 제 1, 2 실시 예와 달리 감습 나노파이버(400)와 상부 전극(300)이 혼재되어 얽혀 있고 이에 따라 전도성 나노파이버와 감습 나노파이버(400) 간의 접촉 면적이 크게 상승하고 거리가 감소하여 정전용량이 기존의 센서에 비해 크게 상승할 수 있다. 이에 따라 높은 오차율을 교정할 수 있고, 정전용량의 값 관리가 엄격하지 않아 대량제조가 가능한 효과가 있다. 또한, 회로부 선정 시에도 큰 주의를 요하지 않아 높은 활용도를 지닐 수 있다.
추가로, 도 3 내지 도 4 에는 하부 전극(200)이 전도성 필름인 경우만 도시되어 있으나, 하부 전극(200)은 전도성 나노파이버일 수 있고, 전도성 필름일 수 있다. 하부 전극(200)이 전도성 나노파이버인 경우는 외기가 감습 나노파이버(400) 및 상부 전극(300)의 하면에서도 접촉할 수 있도록 하여 센서의 감도를 높일 수 있다. 반면에, 하부 전극(200)이 전도성 필름인 경우는 감습 나노파이버(400)와 기판(100) 간의 연결을 보다 단단히 지지할 수 있어 센서의 내구도를 높일 수 있다.
[실시 예 5]
이하로, 도 5 내지 도 7을 참조하여 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 5 실시 예에 대해 설명한다.
다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 5 실시 예는 상부 전극(300) 및 감습 나노파이버(400)가 감습 나노파이버의 내부에 전도성 부재가 삽입된 이중 나노파이버 형태로 이루어져 하부 전극(200)의 상면에 배치될 수 있음을 개시한다. 이는 도 5에 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 이중 나노파이버의 겉면은 감습제이고, 속은 전도성 부재임을 알 수 있다. 이는 감습제가 겉으로 드러남으로써 외기와의 접촉면적을 높여 센싱 민감도를 높인 것이고, 상부 전극(300)이 감습 나노파이버(400)와 전면접촉 하면서 감습 나노파이버(400)의 내부에 삽입된 것은 감습 나노파이버(400)와 상부 전극(300) 간의 접촉 면적을 높이고 거리를 극단적으로 줄여 정전용량을 극대화 하여 센서 사용에 용이함을 더하기 위한 것이다. 이 때, 이중 나노파이버와 하부 전극(200)의 사이에 절연층(500)이 필름 형태로 도포될 수 있다.
추가로, 도 5에는 하부 전극(200)이 전도성 필름인 경우만 도시되어 있으나, 하부 전극(200)은 전도성 나노파이버일 수 있고, 전도성 필름일 수 있다. 하부 전극(200)이 전도성 나노파이버인 경우는 외기가 감습 나노파이버(400) 및 상부 전극(300)의 하면에서도 접촉할 수 있도록 하여 센서의 감도를 높일 수 있다. 반면에, 하부 전극(200)이 전도성 필름인 경우는 감습 나노파이버(400)와 기판(100) 간의 연결을 보다 단단히 지지할 수 있어 센서의 내구도를 높일 수 있으며, 전도성 나노파이버 형태인 상부 전극(300)과의 접촉 면적을 넓힐 수 있다.
상술한 이중 나노파이버를 제작하기 위해서 전극 용액 삽입부(610), 감습제 용액 삽입부(620), 용액 출구(630)를 포함하는 이중구조 전기 방사 노즐(600)을 사용할 수 있다. 이러한 이중구조 전기 방사 노즐(600)은 도 7에 도시된 바와 같이 사용되는 것이 바람직하다. 도 7에 도시된 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제작 방법은 실린더의 일측에서 압축하여 실린더의 타측으로 재료가 압출되어 나올 때, 전기방사를 이용하여 재료가 섬유 형태로 성형되도록 하는 것이다. 이는 통상적으로 나노파이버를 제작할 때 사용되는 기법이나, 본 발명의 경우 이중 나노파이버를 제작하는 것이므로 상술했듯 전극 용액 삽입부(610), 감습제 용액 삽입부(620)와 같이 2개의 용액 삽입부를 가지고, 실린더 내부에 분리된 2개의 공간을 가지는 이중구조 전기 방사 노즐(600)을 포함하는 것이 특징이다.
제 5 실시 예는 상술한 실시 예들과 달리 감습부(400)와 상부 전극(300)이 일체로 형성되며, 이에 따라 감습부(400)와 상부 전극(300)간의 접촉 면적이 보다 높아지고 거리가 0에 수렴하도록 적어지므로 정전용량 값이 극대화 될 수 있다. 이에 따라 높은 오차율을 보다 용이하게 교정할 수 있고, 정전용량의 값 관리가 엄격하지 않아 대량제조가 가능한 효과가 있다. 또한, 회로부 선정 시에도 큰 주의를 요하지 않아 높은 활용도를 지닐 수 있다.
[실시 예 6]
이하로, 도 8을 참조하여 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 6 실시 예에 대해 설명한다.
본 발명의 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 6 실시 예는 상부 전극(300) 또는 하부 전극(200) 중 적어도 어느 하나가 다공성 전극으로 형성될 수 있음을 개시하고 있다. 이때의 다공성 전극의 밀도는 매우 낮으며 이에 따라 상부 전극(300) 또는 하부 전극(200)을 통해 외기가 감습 나노파이버(400)에 용이하게 접촉할 수 있다.
추가로, 도 8에는 상부 전극(300)이 다공성 전극, 하부 전극(200)이 전도성 필름인 경우만 도시되어 있으나, 상부 전극(300) 및 하부 전극(200) 모두가 다공성 전극일 수도 있다. 상부 전극 및 하부 전극(200)이 모두 다공성 전극인 경우는 외기가 감습 나노파이버(400)에 상하로 접촉할 수 있도록 하여 센서의 감도를 높일 수 있다. 반면에, 상부 전극(300) 및 하부 전극(200) 중 어느 하나만 다공성 전극인 경우는(이 때 상부 전극(300)쪽이 다공성 전극인 것이 보다 바람직하다.) 상부 전극(300), 하부 전극(200)과 감습 나노파이버(400), 기판(100) 간의 연결을 보다 단단히 지지할 수 있어 센서의 내구도를 높일 수 있다.
이하로, 상부 전극(300)과 하부 전극(200)과 접촉하는 감습제가 감습 나노파이버(400)가 아닌 감습 필름인 경우에 대해서 설명한다.
[실시 예 7]
다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 7 실시 예는 상부 전극(200)은 기판(100)과 맞닿아 있고, 상부 전극(300)은 외기와 맞닿아 있기 때문에 상부 전극(300)을 나노파이버로 구성할 경우, 감습 필름과 외기와의 접촉면적이 효과적으로 높아질 수 있다. 또한, 상부 전극(300)을 나노파이버가 얽힌 형태로 형성함으로써 전극으로서의 역할 이외에도 외부로부터의 충격을 어느정도 흡수 할 수 있게 할 수 있다. 이에 따라 상부 전극(300)의 하부에 위치한 감습 필름 및 하부 전극(200)으로의 충격을 최소화 할 수 있다.
제 7 실시 예에 따라 전도성 나노파이버 사이로 감습 필름과 외기가 감습 필름에서 맞닿기 용이해 지므로 접촉 면적이 상승하고 이에 따라 외기가 침투 및 흡습되기 용이해지기 때문에 반응속도가 빨라질 수 있다. 또한 감습제에서 수분이 빠르게 빠져나갈 수 있어 센싱 이후 원래 상태로 돌아오기 용이해 질 수 있다.
[실시 예 8]
다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 8 실시 예는 상부 전극(300) 및 하부 전극(200)이 모두 전도성 나노파이버로 이루어질 수 있음을 개시한다. 이 때, 상부 전극(300)과 하부 전극(200)이 모두 나노파이버로 이루어지므로 습도센서 전체의 내구성이 약해질 수 있는데. 감습 필름이 상부 전극(300)과 하부 전극(200)사이에 끼워짐으로써, 상부 전극(300)과 하부 전극(200)간의 연결을 지지하는 역할 또한 수행할 수 있다. 제 8 실시 예에 따라 전도성 나노파이버 사이로 감습 필름과 외기가 감습 필름에서 맞닿기 용이해 지므로 접촉 면적이 상승하고 이에 따라 외기가 침투 및 흡습되기 용이해지기 때문에 반응속도가 빨라질 수 있다. 또한 감습제에서 수분이 빠르게 빠져나갈 수 있어 센싱 이후 원래 상태로 돌아오기 용이해 질 수 있다. 또한, 상부 전극(300) 및 감습부(400)를 나노파이버가 얽힌 형태로 형성되므로 외부로부터의 충격을 흡수 하여 안정성을 높일 수 있다.
본 발명의 제 8 실시 예는 상술한 제 7 실시 예와 달리, 상부 전극(300) 과 하부 전극(200)은 모두 나노파이버로 형성된다. 제 8 실시 예는 상부 전극(300)과 하부 전극(200) 중 하나만 나노파이버로 형성된 제 7 실시 예의 경우보다 상부 전극(300) 또는 하부전극 층의 밀도가 대폭 감소하고, 크고 작은 불규칙한 홀이 다수 형성됨으로써 외기의 출입이 용이해 질 수 있다. 즉, 감습 필름이 수분이 함유된 외기와 상하로 접촉할 수 있으므로 센서의 민감도가 효과적으로 높아질 수 있다. 또한, 대부분의 구성이 나노파이버가 얽혀 있음으로써 구성되기 때문에 전체 전극 층의 형상 변형이 용이하여 웨어러블 장치에 적용성이 더 높아질 수 있다.
[실시 예 9]
다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 9 실시 예는 감습 필름 이외에도 감습 나노파이버가 별도로 추가되어 상부 전극(300)과 감습제가 별도로 접촉할 수 있음을 개시한다. 보다 자세히, 상부 전극(300)이 전도성 나노파이버로 이루어지고, 상부 전극(300)이 감습제로 이루어진 감습 나노파이버와 혼재되어 한 층을 이루도록 하여 하부 전극(200)의 상면에 배치될 수 있음을 개시한다. 특히, 감습 필름과 상부 전극(300)을 이루는 나노파이버는 두 가닥의 나노파이버가 동일한 형태로 ??쳐지도록 하여 얽히는 것이 바람직하다.
추가로, 하부 전극(200)은 전도성 나노파이버일 수 있고, 전도성 필름일 수 있다. 하부 전극(200)이 전도성 나노파이버인 경우는 외기가 감습 필름에 상하로 접촉할 수 있도록 하여 센서의 감도를 높일 수 있다. 반면에, 하부 전극(200)이 전도성 필름인 경우는 감습 필름과 기판(100) 간의 연결을 보다 단단히 지지할 수 있어 센서의 내구도를 높일 수 있다.
제 9 실시 예는 상술한 제 7, 8 실시 예와 달리 감습부(400)와 상부 전극(300)이 혼재되어 얽혀 있고 이에 따라 전도성 나노파이버와 감습 나노파이버 간의 접촉 면적이 크게 상승하고 거리가 감소하여 정전용량이 기존의 센서에 비해 크게 상승할 수 있다. 이에 따라 높은 오차율을 교정할 수 있고, 정전용량의 값 관리가 엄격하지 않아 대량제조가 가능한 효과가 있다. 또한, 회로부 선정 시에도 큰 주의를 요하지 않아 높은 활용도를 지닐 수 있다.
[실시 예 10]
본 발명의 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 제 10 실시 예는 상부 전극(300) 또는 하부 전극(200) 중 적어도 어느 하나가 다공성 전극으로 형성될 수 있음을 개시하고 있다. 이때의 다공성 전극의 밀도는 매우 낮으며 이에 따라 상부 전극(300) 또는 하부 전극(200)을 통해 외기가 감습 필름에 용이하게 접촉할 수 있다.
추가로, 상부 전극(300) 및 하부 전극(200) 모두가 다공성 전극일 수도 있다. 상부 전극 및 하부 전극(200)이 모두 다공성 전극인 경우는 외기가 감습 필름에 상하로 접촉할 수 있도록 하여 센서의 감도를 높일 수 있다. 반면에, 상부 전극(300) 및 하부 전극(200) 중 어느 하나만 다공성 전극인 경우는( 이 때 상부 전극(300)쪽이 다공성 전극인 것이 보다 바람직하다.) 상부 전극(300), 하부전극(200)과 감습 필름, 기판(100) 간의 연결을 보다 단단히 지지할 수 있어 센서의 내구도를 높일 수 있다.
추가로, 하부 전극(200) 및 상부전극(300)에 형성되는 단자의 개수 및 배치에 있어 다수의 실시 예가 존재할 수 있다. 이하로, 도 9 내지 도 12 를 참조하여 하부 전극(200) 및 상부 전극(300)의 실시 예와 그에 따른 기판의 형상 및 서로의 연결관계에 대해 설명한다.
하부 전극(200)에는 하부 전극 단자(210)가 기판(100)의 외부로 인출되어 존재하며, 하부 전극 단자(210)는 외부 전원과 연결되어 전력이 하부 전극(200)에 인가될 수 있다. 이러한 하부 전극 단자(210)는 1쌍 이상 존재할 수 있다. 특히, 하부 전극 단자(210) 1쌍은 센싱을 위한 전력을 인가받는 것이 바람직하고, 이를 포함하는 모든 하부 전극 단자(210) 쌍은 하부 전극(200)을 히팅하기 위한 전력을 인가받는 것이 바람직하다. 즉, 하부 전극 단자(210) 쌍 중 어느 것은 센싱을 위한 전력을 인가받을 수 있고, 하부 전극(200)을 히팅하기 위한 전력을 인가받을 수 있다.
이 때, 하부 전극(200)을 히팅하기 위한 하부 전극 단자(210) 쌍은 도 9에 도시된 위치 이외에도 하부 전극(200)을 둘러싸며 서로 마주보도록 배치되는 것이 바람직하다. 이에 따라 하부 전극(200)이 고르게 히팅될 수 있다. 또한, 하부 전극 단자(210)는 나노파이버 중합체일 수 있고, 평편한 판 형태일 수 있다. 이와 같이 전극이 히팅됨으로써 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 반응성을 높일 수 있다.
또한, 상부 전극(300)에는 상부 전극 단자(310)가 기판(100)의 외부로 인출되어 존재하며, 상부 전극 단자(310)는 외부 전원과 연결되어 전력이 상부 전극(300)에 인가될 수 있다. 이러한 상부 전극 단자(310)는 1쌍 이상 존재할 수 있다. 특히, 상부 전극 단자(310) 1쌍은 센싱을 위한 전력을 인가받는 것이 바람직하고, 이를 포함하는 모든 상부 전극 단자(310) 쌍은 상부 전극(300)을 히팅하기 위한 전력을 인가받는 것이 바람직하다. 즉, 상부 전극 단자(310) 쌍 중 어느 것은 센싱을 위한 전력을 인가받을 수 있고, 상부 전극(300)을 히팅하기 위한 전력을 인가받을 수 있다.
이 때, 상부 전극(300)을 히팅하기 위한 상부 전극 단자(310) 쌍은 상부 전극(300)을 둘러싸며 서로 마주보도록 배치되는 것이 바람직하다. 이에 따라 상부 전극(300)이 고르게 히팅될 수 있다. 또한, 상부 전극 단자(310)는 나노파이버 중합체일 수 있고, 평편한 판 형태일 수 있다. 이와 같이 전극이 히팅됨으로써 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서(1000)의 반응성을 높일 수 있다.
도 10을 참조하면, 기판(100)에는 하부 전극 단자(210)와 상응하는 위치를 제외한 상기 하부 전극(200)을 둘러싸는 위치에 홈(110)이 형성될 수 있다. 도 11은 하부 전극 단자(210)가 다수 인출되었을 때의 측면도이고, 도 12는 상부 전극 단자(310) 또한 다수 인출 되었을 때의 측면도이다. 홈(110)에는 방열재료가 채워질 수 있고, 또는 진공상태를 유지할 수 있다. 홈(110)이 형성됨으로써 센서의 외부로 열이 전달되지 않도록 방지하고, 센서를 제외한 회로에의 영향을 최소화 할 수 있다.
홈(110)에 진공을 형성하는 방법은 제일 먼저 홈 형성 패턴 트랜치 식각을 진행하고, 이후에 트랜치를 산화하고 Filling하며, 산화막을 증착하고 진공 홈 식각을 위한 홀을 형성하는 것이 바람직하다. 그리고 이후에, 동일 반응로(Chamber)내에서 진공 홈 형성을 위해 기판(100)을 식각하고 진공 홈 실링을 위해 증착하는 것이 바람직하다. 이 때의 진공은 절대 진공은 아니며 수십~수백mTorr 수준의 진공일 수 있다.
이상의 방법은 MEMS 공정을 이용하여 실리콘 기판 위에 진공상태의 홈을 형성하기 위한 방법이고, MEMS 공정을 진행하지 않는다면 진공 홈 형성을 위해 트랜치 식각을 진행하고, 진공 상태의 반응로에서 홈 실링을 하는 방식으로 진행하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 하나의 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1000 : 다공성 부재를 포함하는 정전 용량식 센서
100 : 기판
110 : 홈
200 : 하부 전극
210 : 하부 전극 단자
300 : 상부 전극
310 : 상부 전극 단자
400 : 감습 나노파이버
500 : 절연층
600 : 이중구조 전기 방사 노즐
610 : 전극 용액 삽입부
620 : 감습제 용액 삽입부
630 : 용액 출구

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 기판;
    상기 기판의 상면에 배치되는 하부 전극;
    상기 하부 전극의 상부에 배치되는 상부 전극;
    상기 상부 전극과 동일 위상에 위치하며 수분이 흡착될 수 있는 감습 나노파이버;
    를 포함하며 상기 감습 나노파이버와 수분이 함유된 외기의 접촉 면적을 높이도록 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 어느 하나는 다공성 부재로 형성되고,
    상기 상부 전극은 전도성 나노파이버이며,
    상기 하부 전극은 전도성 필름이고,
    상기 상부 전극의 전도성 나노파이버와 상기 감습 나노파이버가 혼재되어 하나의 층을 이루는 것을 특징으로 하는 다공성 부재를 포함한 정전 용량식 센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 하부 전극과 상기 감습 나노파이버 및 상기 상부전극 사이에 절연 필름을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 부재를 포함한 정전 용량식 센서.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 하부 전극과 상기 감습 나노파이버 및 상기 상부전극 사이에 감습 나노파이버가 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 부재를 포함한 정전 용량식 센서.
  9. 기판;
    상기 기판의 상면에 배치되는 하부 전극;
    상기 하부 전극의 상부에 배치되는 상부 전극;
    상기 상부 전극과 동일 위상에 위치하며 수분이 흡착될 수 있는 감습 나노파이버;
    를 포함하며 상기 감습 나노파이버와 수분이 함유된 외기의 접촉 면적을 높이도록 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 어느 하나는 다공성 부재로 형성되고,
    상기 하부 전극이 전도성 필름이고,
    상기 상부 전극은 전도성 나노파이버이며,
    상기 상부 전극 및 상기 감습 나노파이버는 상기 감습 나노파이버의 내부에상기 전도성 나노파이버가 삽입된 이중 나노파이버 형태인 것을 특징으로 하는 다공성 부재를 포함한 정전 용량식 센서.
  10. 삭제
  11. 기판;
    상기 기판의 상면에 배치되는 하부 전극;
    상기 하부 전극의 상부에 배치되는 상부 전극;
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 끼워지며, 수분이 흡착될 수 있는 감습 나노파이버;
    를 포함하며 상기 감습 나노파이버와 수분이 함유된 외기의 접촉 면적을 높이도록 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 어느 하나는 다공성 부재로 형성되고,
    상기 하부 전극에 전력을 인가하는 하부 전극 단자가 1쌍 이상 상기 기판의 외부로 인출되어 형성되며,
    상기 기판은 상기 하부 전극보다 넓게 형성되며, 상기 하부 전극이 부착되지 않은 면에 일정 두께로 홈이 형성되는 다공성 부재를 포함한 정전 용량식 센서.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 홈에 방열재료가 채워지는 것을 특징으로 하는 다공성 부재를 포함한 정전 용량식 센서.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 홈이 진공상태인 것을 특징으로 하는 다공성 부재를 포함한 정전 용량식 센서.
  14. 제 6항, 제 9항 또는 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 전극에 전력을 인가하는 상부 전극 단자가 1쌍 이상 상기 기판의 외부로 인출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 다공성 부재를 포함한 정전 용량식 센서.
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