KR102499392B1 - 센서 및 센서 장치 - Google Patents

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장재혁
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Abstract

서로 마주하는 제1 금속층과 제2 금속층, 그리고 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 위치하고 물질을 흡수하여 두께가 변할 수 있는 부피변화층을 포함하고, 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 중 적어도 하나는 반투과층이고, 상기 부피변화층의 두께 변화에 따라 상기 반투과층을 통해 투과된 광의 공진 파장을 변경시켜 색 변화를 나타내는 센서, 이를 포함하는 센서 장치, 전자 장치, 스마트 윈도우 및 사물인터넷 시스템에 관한 것이다.

Description

센서 및 센서 장치{SENSOR AND SENSOR DEVICE}
센서 및 센서 장치에 관한 것이다.
구조색(structural color)은 구조체와 빛의 상호작용으로 발생하는 회절이나 간섭과 같은 광학적 현상에 기인하여 나타나는 색이다. 이러한 구조색을 이용한 다양한 디바이스가 제안되었으나, 이러한 디바이스는 구조체의 크기나 형상에 의해 발현되는 색이 고정되므로 일단 제작된 디바이스의 색 조절이 불가능하다.
일 구현예는 색 변화를 통해 소정 물질 또는 그 함유량을 실시간 감지할 수 있는 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 센서를 포함하는 센서 장치를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 센서 또는 상기 센서 장치를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 센서 또는 상기 센서 장치를 포함하는 스마트 윈도우를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 센서 또는 상기 센서 장치를 포함하는 사물인터넷 시스템을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 서로 마주하는 제1 금속층과 제2 금속층, 그리고 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 위치하고 물질을 흡수하여 두께가 변할 수 있는 부피변화층을 포함하고, 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 중 적어도 하나는 반투과층이고, 상기 부피변화층의 두께 변화에 따라 상기 반투과층을 통해 투과된 광의 공진 파장을 변경시켜 색 변화를 나타내는 센서를 제공한다.
상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층은 각각 제1 반투과층과 제2 반투과층일 수 있고, 상기 제1 반투과층은 가시광선 파장 스펙트럼을 포함한 외부 광이 입사되는 층일 수 있고, 상기 제2 반투과층은 상기 제1 반투과층과 상기 제2 반투과층 사이에서 반복적으로 반사되어 강화된 상기 공진 파장의 광을 투과시키는 층일 수 있고, 상기 제1 반투과층과 상기 제2 반투과층의 서로 마주하는 표면들은 가시광선 파장 스펙트럼의 광 중 적어도 일부를 반사시키는 거울면을 가질 수 있다.
상기 제2 반투과층을 투과한 광의 투과 스펙트럼의 피크는 가시광선 파장 스펙트럼에 속할 수 있다.
상기 부피변화층이 팽창할수록 상기 제2 반투과층을 투과한 광의 투과 스펙트럼의 피크는 장파장 스펙트럼으로 이동할 수 있다.
상기 제1 반투과층과 상기 제2 반투과층은 각각 약 2nm 내지 50nm 두께를 가진 반투과 금속층을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속층은 다공성 반투과층일 수 있다.
상기 다공성 반투과층은 금속 나노파티클을 포함할 수 있다.
상기 부피변화층은 상기 물질의 흡수에 의해 팽창하고 상기 물질의 배출 또는 소실에 의해 수축할 수 있다.
상기 물질은 수분을 포함할 수 있다.
상기 부피변화층의 두께는 약 50nm 내지 800nm 범위에서 변할 수 있다.
상기 부피변화층은 절연성 고분자 네트워크를 포함할 수 있다.
상기 절연성 고분자 네트워크는 하이드로겔을 포함할 수 있다.
상기 부피변화층은 수분 흡수 고분자를 포함할 수 있고, 상기 센서는 습도 센서일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 센서, 그리고 상기 센서를 투과한 광을 전기적 신호로 변환하는 광전지 셀을 포함하는 센서 장치를 제공한다.
상기 광전지 셀은 약 400nm 내지 700nm 중 적어도 일부 파장 스펙트럼의 광을 흡수하는 흡광층을 포함할 수 있다.
상기 광전지 셀의 흡수 스펙트럼은 상기 센서를 투과한 광의 투과 스펙트럼과 적어도 일부 중첩할 수 있다.
상기 광전지 셀의 흡수 스펙트럼 중 흡수율의 변화량이 약 50% 이상인 파장 스펙트럼은 상기 센서의 투과 스펙트럼과 적어도 일부 중첩할 수 있다.
상기 부피변화층의 두께가 두꺼울수록 상기 광전지 셀의 흡수율은 감소할 수 있다.
상기 센서 장치는 상기 광전지 셀에 의해 흡수된 광량을 측정하는 측정부, 그리고 상기 측정부에서 측정된 광량을 수치화하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 센서는 습도 센서일 수 있고, 상기 제어부는 상기 광량을 상대습도로 수치화할 수 있다.
상기 센서 장치는 상기 센서를 투과한 광으로부터 전력을 얻는 자가발전 장치일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 센서 장치를 포함하는 표시 장치를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 센서 장치를 포함하는 스마트 윈도우를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 센서 장치를 포함하는 사물인터넷 시스템을 제공한다.
색 변화를 통해 소정 물질 또는 그 함유량을 실시간 손쉽게 감지할 수 있고 외부 전원 없이도 스스로 작동할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 센서의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 2는 도 1의 센서의 공진 원리를 보여주는 개략도이고,
도 3은 도 1의 센서의 물질 흡수에 따른 두께 변화를 보여주는 개략도이고,
도 4는 일 구현예에 따른 센서의 다른 예를 도시한 개략도이고,
도 5는 도 4의 센서의 금속 나노파티클 층의 투과전자현미경 사진이고,
도 6은 일 구현예에 따른 센서 장치의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 7은 일 구현예에 따른 표시 장치의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 8은 일 구현예에 따른 스마트 윈도우의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 9는 일 구현예에 따른 사물인터넷 시스템의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 10은 실시예 1에 따른 센서에서 부피팽창층의 두께에 따른 CIE 1931 색도도이고,
도 11은 실시예 1에 따른 센서에서 부피팽창층의 두께에 따른 투과 스펙트럼이고,
도 12는 실시예 2 내지 7에서 하이드로겔 용액의 스핀 코팅의 부피팽창층의 두께와 실시예 2 내지 7에 따른 센서에서 표현되는 색으로부터 추론한 두께를 보여주는 그래프이고,
도 13은 실시예 2 내지 7에 따른 센서에서 부피팽창층의 두께에 따른 투과 스펙트럼이고,
도 14는 실시예 9에서 사용한 습도측정용 모사 장치의 개략도이고,
도 15는 실시예 9에서 사용한 습도측정용 모사 장치에 포함된 광전지 셀의 흡수 스펙트럼이고,
도 16은 실시예 9에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치에서 상대습도에 따른 부피팽창층의 두께 변화 및 센서를 투과된 색을 보여주는 그래프이고,
도 17은 실시예 9에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치에서 광전지 셀의 흡수율을 보여주는 그래프이고,
도 18은 실시예 9에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치에서 광전지 셀의 경시적 전류 변화를 보여주는 그래프이고,
도 19는 실시예 9에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치에서 센서 장치에서 측정되는 응답과 상대습도 사이의 상관관계를 보여주는 그래프이고,
도 20은 실시예 10에서 사용한 습도측정용 모사 장치의 개략도이고,
도 21은 실시예 10에서 사용한 습도측정용 모사 장치에서 상대습도에 따라 센서에서 반사된 색을 보여주는 사진이고,
도 22는 실시예 10에서 사용한 습도측정용 모사 장치에서 상대습도에 따라 센서에서 표현되는 색의 CIE 1931 색도도이고,
도 23은 실시예 10에서 사용한 습도측정용 모사 장치에서 센서의 감지 속도를 보여주는 그래프이다.
이하, 구현예에 대하여 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 실제 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
이하에서 '하부' 및 '상부' 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 위치 관계를 한정하는 것은 아니다.
이하 일 구현예에 따른 센서에 대하여 도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 센서의 일 예를 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1의 센서의 공진 원리를 보여주는 개략도이고, 도 3은 도 1의 센서의 물질 흡수에 따른 두께 변화를 보여주는 개략도이다.
일 구현예에 따른 센서는 소정 물질 및 그 함량 또는 물성 등을 감지할 수 있는 화학 센서일 수 있다. 센서가 감지할 수 있는 물질은 기체, 액체 및/또는 고체 상태의 물질일 수 있으며, 예컨대 공기 중의 수분을 감지하는 습도 센서, 화학 물질을 감지하는 가스 센서 또는 온도, pH와 같은 물질의 물성을 평가하는 물성 측정 센서일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 센서는 습도 센서일 수 있다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 센서(10)는 서로 마주하는 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120), 그리고 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이에 위치하는 부피변화층(200)을 포함한다.
기판(300)은 센서(10)를 지지하는 지지기판일 수 있으며, 투명 기판일 수 있다. 기판(300)은 예컨대 유리와 같은 무기 물질; 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질; 또는 실리콘웨이퍼 등으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도면에서는 기판(300)이 제2 금속층(120) 아래에 위치하는 예를 도시하였으나 이에 한정되지 않고 제1 금속층(110)의 일면에 위치할 수도 있다. 경우에 따라 기판(300)은 생략될 수 있다.
제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 중 적어도 하나는 반투과층일 수 있으며, 반투과층은 각각 소정 파장 스펙트럼의 광을 투과시키고 소정 파장 스펙트럼의 광을 반사시킬 수 있으며, 예컨대 가시광선 파장 스펙트럼에서의 평균 투과율은 예컨대 약 10% 내지 70% 또는 약 20% 내지 60%일 수 있다.
일 예로, 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120)은 각각 반투과층일 수 있다. 즉, 제1 금속층(110)은 제1 반투과층일 수 있고 제2 금속층(120)은 제2 반투과층일 수 있다.
제1 금속층(110)과 제2 금속층(120)이 각각 반투과층일 때, 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120)은 각각 수 내지 수십 나노미터의 매우 얇은 두께의 금속층을 포함할 수 있으며, 예컨대 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 이들의 합금 또는 이들의 조합으로 이루어진 금속층을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120)의 두께(t1, t2)는 예컨대 약 2nm 내지 50nm 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 45nm, 약 10nm 내지 40nm, 약 15nm 내지 35nm, 약 20nm 내지 30nm 또는 약 25nm일 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 효과적인 반투과 특성을 나타낼 수 있다. 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120)은 각각 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
제1 금속층(110)과 제2 금속층(120)이 각각 반투과층일 때, 제1 금속층(110)은 가시광선 파장 스펙트럼을 포함한 외부 광(external light)이 입사되는 층일 수 있고, 제2 금속층(120)은 센서(10)를 통과한 광이 빠져나가는 층일 수 있다. 여기서 외부 광은 자연 광일 수도 있고 별도의 광원에 의해 조사된 광일 수도 있다. 즉, 외부로부터 입사된 광은 센서(10)의 일면(제1 금속층(110))으로 입사되어 센서(10)의 다른 면(제2 금속층(120))으로 빠져나갈 수 있다.
도 2를 참고하면, 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120)의 마주하는 내부 표면들(110s, 120s)은 거울면(mirror surfaces)일 수 있다. 거울면은 광을 반사시킬 수 있으며, 예컨대 가시광선 파장 스펙트럼의 광 중 적어도 일부를 반사시킬 수 있다.
제1 금속층(110)을 통해 입사된 광(L1)은 소정의 광로 길이(optical length, OL) 만큼 떨어져 있는 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이에서 반복적으로 반사되어 공진을 일으킬 수 있으며 이러한 공진에 의해 소정 파장 스펙트럼의 광을 강화시키고 이외의 파장 스펙트럼의 광을 약화시킬 수 있다. 여기서 공진은 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진과 동일한 거동을 나타낼 수 있으며 공진이 일어나는 파장(이하 '공진 파장'이라 한다)은 파브리-페로 공진 파장으로 이해될 수 있다. 이러한 공진에 의해 강화된 파장 스펙트럼의 광, 즉 공진 파장에 해당하는 파장 스펙트럼의 광(L2)만 제2 금속층(120)을 투과하여 빠져나올 수 있다. 즉, 제1 금속층(110)을 통해 입사된 광(L1)은 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이에서 반복적으로 반사되어 개질될 수 있고 개질된 광 중 공진 파장에 해당하는 파장 스펙트럼의 광은 강화되어 제2 금속층(120)을 통해 빠져나올 수 있고 이외의 파장 스펙트럼의 광은 억제 또는 소멸될 수 있다. 제2 금속층(120)을 투과한 광의 투과 스펙트럼은 가시광선 파장 스펙트럼에서 파장 선택성을 가질 수 있으며 가시광선 파장 스펙트럼에 속한 피크(peak)를 가질 수 있다.
공진 파장은 전술한 광로 길이(OL)에 따라 변경될 수 있으며, 예컨대 광로 길이(OL)가 길어지면 공진 파장은 장파장 스펙트럼으로 이동할 수 있으며 광로 길이(OL)가 짧아지면 공진 파장은 단파장 스펙트럼으로 이동할 수 있다. 광로 길이(OL)는 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이의 간격*부피변화층(200)을 이루는 물질의 굴절률로 표현될 수 있으며, 부피변화층(200)의 두께(t3)에 비례할 수 있다.
부피변화층(200)은 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이에서 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120)에 각각 맞닿아 있을 수 있다. 부피변화층(200)은 특정 물질을 흡수하여 부피(두께)가 변할 수 있으며, 예컨대 특정 물질의 흡수에 의해 팽창하고 특정 물질의 배출 또는 소실에 의해 수축할 수 있다. 특정 물질은 예컨대 수분(예컨대 공기 중의 수분) 또는 가스 성분일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
부피변화층(200)은 특정 물질을 가역적으로 흡수 또는 배출하여 팽창 및/또는 수축할 수 있는 고분자를 포함할 수 있다. 고분자는 예컨대 다공성 고분자일 수 있으며, 예컨대 높게 가교된 3차원 구조의 고분자 네트워크일 수 있다. 일 예로, 고분자는 절연성 고분자 네트워크일 수 있다. 부피변화층(200)은 예컨대 친수성 고분자를 포함할 수 있으며 예컨대 수분을 흡수하여 팽창할 수 있는 하이드로겔(hydrogel)을 포함할 수 있다. 하이드로겔은 예컨대 키토산(chitosan), 콜라겐(collagen), 카르복시메틸 셀룰로오즈(carboxyethyl cellulose), 젤라틴(gelatin), 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 고분자의 특정 물질(예컨대 수분)의 흡수에 의해 부피변화층(200)은 팽창하여 두께가 두꺼워질 수 있고 특정 물질(예컨대 수분)의 배출 또는 소실에 의해 부피변화층(200)은 수축하여 두께가 얇아질 수 있다. 이러한 부피변화층(200)의 두께 변화에 따라 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이의 간격, 즉 광로 길이(OL)가 변할 수 있고 이에 따라 공진 파장이 변경될 수 있다.
일 예로, 부피변화층(200)이 수분을 흡수하여 팽창하는 고분자를 포함할 때, 부피변화층(200)의 두께는 습도에 따라 변할 수 있다. 예컨대 습도가 높을 때 부피변화층(200)은 팽창하여 두꺼워질 수 있고 습도가 낮을 때 부피변화층(200)은 다시 수축할 수 있다. 습도에 따라 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이의 간격, 즉 광로 길이(OL)가 변함에 따라 공진 파장이 달라지며, 그에 따라 센서(10)의 색 변화가 나타날 수 있다.
예컨대 부피변화층(200)의 두께가 두꺼워질수록 광로 길이(OL)가 길어져서 공진 파장은 장파장 스펙트럼으로 이동하여 상대적으로 장파장 스펙트럼의 색을 표현할 수 있으며 부피변화층(200)의 두께가 줄어들수록 광로 길이(OL)가 짧아져서 공진 파장은 단파장 스펙트럼으로 이동하여 상대적으로 단파장 스펙트럼의 색을 표현할 수 있다. 이에 따라 부피변화층(200)의 두께 변화에 따라 센서(10)에서 표현하는 색은 달라질 수 있으며, 예컨대 색도 다이아그램(chromaticity diagram)에서 시계 방향 또는 반시계 방향을 따라 색이 달라질 수 있다.
예컨대 부피변화층(200)의 두께는 약 50nm 내지 800nm 범위에서 변할 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 50nm 내지 500nm, 약 80nm 내지 500nm, 약 80nm 내지 400nm, 약 80nm 내지 350nm, 약 100nm 내지 500nm, 약 100nm 내지 400nm, 약 100nm 내지 350nm 또는 약 100nm 내지 250nm 범위에서 변할 수 있다. 부피 변화층(200)의 팽창 후 두께는 초기 두께 대비 약 1% 내지 300% 범위로 두꺼워질 수 있으며, 상기 범위에서 예컨대 약 5% 내지 200% 또는 약 10% 내지 100% 범위로 두꺼워질 수 있다. 일 예로, 부피변화층(200)의 초기 두께(t3)는 부피변화층(200)의 굴절률과 후술하는 광전지 셀(20)의 흡수 스펙트럼에 따라 결정될 수 있으며, 예컨대 약 50nm 내지 500nm 일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 80nm 내지 450nm, 약 100nm 내지 400nm, 약 100nm 내지 300nm 또는 약 100nm 내지 250nm 일 수 있다. 부피변화층(200)의 초기 두께(t3)는 예컨대 25℃, 상대습도 20%일 때를 기준으로 할 수 있다.
도 3의 (a)를 참고하면, 센서(10)가 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이에 제1 두께(t3-1)의 부피변화층(200)을 포함할 때, 제1 금속층(110)을 통하여 입사된 광(L1)은 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이의 공진에 의해 개질되어 제2 금속층(120)을 통하여 공진 파장에 해당하는 제1 파장(λ1)에 대응하는 제1 색을 표현할 수 있다.
도 3의 (b)를 참고하면, 부피변화층(200)이 수분(물 분자)과 같은 물질을 흡수하여 팽창함에 따라 부피변화층(200)의 두께가 제1 두께(t3-1)보다 두꺼운 제2 두께(t3-2)로 변하고 이에 따라 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이의 광로 길이(OL)가 길어져 제2 금속층(120)을 통하여 제1 파장(λ1)보다 장파장 스펙트럼으로 이동한 제2 파장(λ2)에 대응하는 제2 색을 표현할 수 있다. 반대로, 수분과 같은 물질을 배출 또는 소실하여 부피변화층(200)이 수축하여 두께가 얇아지는 경우, 다시 도 3의 (a)와 같이 제1 파장(λ1)에 대응하는 제1 색을 표현할 수 있다.
이러한 팽창/수축은 주위 환경에 따라 실시간 발생할 수 있으며, 이에 따라 센서(10)는 색 변화를 통하여 실시간 물질의 함량 또는 물성 등을 효과적으로 감지할 수 있다. 예컨대 물질이 수분인 경우 센서(10)는 색 변화를 통하여 실시간 습도를 직관적으로 감지할 수 있다.
이하 다른 예에 따른 센서를 설명한다.
도 4는 일 구현예에 따른 센서의 다른 예를 도시한 개략도이고, 도 5는 도 4의 센서의 금속 나노파티클 층의 투과전자현미경 사진이다.
도 4를 참고하면, 본 구현예에 따른 센서(10)는 전술한 구현예와 마찬가지로 서로 마주하는 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120), 그리고 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 사이에 위치하는 부피변화층(200)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 센서(10)는 전술한 구현예와 달리 제1 금속층(110)과 제2 금속층(120) 중 적어도 하나가 다공성 반투과층일 수 있으며, 예컨대 제1 금속층(110)은 다공성 반투과층일 수 있다.
다공성 반투과층은 복수의 금속 나노파티클(110a)을 포함할 수 있으며, 복수의 금속 나노파티클(110a)은 단층 또는 수개 층을 형성할 수 있다. 금속 나노파티클(110a)의 평균입경은 예컨대 약 30nm 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1nm 내지 30nm, 약 2nm 내지 20nm, 약 3nm 내지 15nm 또는 약 3nm 내지 10nm일 수 있다. 금속 나노파티클(110a)은 예컨대 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 이들의 합금 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
금속 나노파티클(110a)을 포함하는 다공성 반투과층의 두께는 예컨대 약 2nm 내지 50nm 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 45nm, 약 10nm 내지 40nm, 약 15nm 내지 35nm, 약 20nm 내지 30nm 또는 약 25nm일 수 있다. 반투과층으로서 금속 나노파티클 층을 포함함으로써 금속 나노파티클들(110a) 사이의 간격(공극)을 통해 수분 또는 가스 분자들이 효과적으로 통과하여 부피변화층(200)에 도달할 수 있어서 부피변화층(200)에서의 수분 또는 가스 분자의 흡수 속도를 높여 전술한 색 변화의 속도를 높일 수 있다. 따라서 고속 감지 성능의 센서를 구현할 수 있다.
금속 나노파티클들(110a) 사이의 간격은 전술한 공진을 효과적으로 구현하면서도 수분 또는 가스 분자의 통과가 용이할 수 있도록 적절히 제어하는 것이 중요하며, 예컨대 금속 나노파티클의 합성시 리간드(ligands)의 길이 및/또는 함량 등의 조절을 통하여 구현할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 금속층(110)이 다공성 반투과층일 때, 제2 금속층(120)은 반투과층이거나 반사층일 수 있다. 반투과층은 전술한 구현예의 얇은 두께의 금속층이거나 본 구현예의 다공성 반투과층일 수 있고, 반사층은 예컨대 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 이들의 합금 또는 이들의 조합과 같은 금속을 포함한 약 60nm 이상의 비교적 두꺼운 두께의 금속층일 수 있다. 반사층의 두께는 약 60nm 내지 500nm, 약 70nm 내지 400nm 또는 약 80nm 내지 300nm 일 수 있다. 제2 금속층(120)이 반사층일 때, 다공성 반투과층인 제1 금속층(110)은 외부 광이 입사되는 층인 동시에 센서(10)를 통과한 광이 빠져나가는 층일 수 있다.
부피변화층(200)은 전술한 바와 같다.
전술한 센서(10)는 광전지 셀(photovoltaic cell)과 결합하여 센서 장치를 형성할 수 있다. 광전지 셀은 센서(10)로부터 얻은 광학적 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다.
도 6은 일 구현예에 따른 센서 장치의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 6을 참고하면, 일 구현예에 따른 센서 장치(1)는 전술한 센서(10), 광전지 셀(20), 측정부(50) 및 제어부(60)를 포함한다.
센서(10)는 전술한 바와 같이 물질의 흡수에 의한 두께 변화에 따라 공진 파장을 변경시켜 색 변화를 나타낼 수 있으며, 이에 따라 물질의 함량 또는 물성 등을 감지할 수 있다.
광전지 셀(20)은 센서(10)에서 광이 투과하는 측, 즉 제2 금속층(120)의 일면에 배치되어 있으며, 센서(10)의 제2 금속층(120)을 투과한 광, 즉 공진 파장에 해당하는 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환할 수 있다.
구체적으로, 광전지 셀(20)은 서로 마주하는 한 쌍의 전극(애노드, 캐소드)(도시하지 않음)과 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 흡광층(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 흡광층은 소정 파장 스펙트럼의 광을 흡수할 수 있고, 예컨대 약 400nm 내지 700nm 중 적어도 일부 파장 스펙트럼의 광을 흡수할 수 있다. 흡광층에서 광을 흡수하면 엑시톤이 생성될 수 있고 생성된 엑시톤은 정공과 전자로 분리되어 분리된 정공은 한 쌍의 전극 중 하나인 애노드로 이동하고 분리된 전자는 한 쌍의 전극 중 다른 하나인 캐소드로 이동하여 전기적 신호를 얻을 수 있다. 광전지 셀(20)은 흡광량에 따라 전류 변화를 나타낼 수 있으며 이러한 전류 변화로부터 물질의 함량 또는 물성을 확인할 수 있다. 예컨대 센서(10)는 습도 센서이고 광전지 셀(20)의 전류 변화로부터 주위 환경의 습도 변화를 확인할 수 있다.
광전지 셀(20)의 흡수 스펙트럼은 센서(10)를 투과한 광의 투과 스펙트럼과 적어도 일부 중첩할 수 있다. 예컨대 광전지 셀(20)의 흡수 스펙트럼은 센서(10)를 투과한 광의 투과 스펙트럼과 약 20% 이상, 약 30% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상 또는 약 70% 이상 중첩할 수 있다.
광전지 셀(20)의 흡수 스펙트럼 중 흡수율이 급격히 변하는 파장 영역은 센서(10)를 투과한 광의 투과 스펙트럼과 적어도 일부 중첩할 수 있으며, 예컨대 광전지 셀(20)의 흡수 스펙트럼 중 흡수율의 변화량이 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상 또는 약 80% 이상인 파장 영역은 센서(10)의 투과 스펙트럼과 적어도 일부 중첩할 수 있다. 즉, 센서(10)의 투과 스펙트럼, 즉 센서(10)의 공진 파장에 해당하는 파장 영역의 광이 광전지 셀(20)에 흡수되는 경우, 광전지 셀(20)의 흡수율은 급격히 변할 수 있고 이에 따라 전류 변화를 확인할 수 있다. 예컨대 센서(10)의 공진 파장에 해당하는 파장 영역이 약 600nm 내지 700nm일 때, 광전지 셀(20)의 흡수 스펙트럼의 흡수율은 약 600nm 내지 700nm 파장 영역 중 적어도 일부에서 급격히 감소할 수 있다. 예컨대 흡수율의 변화량은 (흡수율의 차이/흡수되는 파장 영역) x 100으로 정의될 수 있으며, 광전지 셀(20)에 600nm 이하의 파장 영역의 광이 흡수되는 경우 흡수율은 약 80% 이상이고 광전지 셀(20)에 700nm 이상의 파장 영역의 광이 흡수되는 경우 흡수율은 약 3% 이하일 수 있다.
광전지 셀(20)의 흡수율은 센서(10)의 두께에 따라 변할 수 있다. 예컨대 물질의 흡수에 의해 센서(10)의 두께가 두꺼워짐에 따라 센서(10)의 공진 파장은 약 600nm로부터 700nm 방향으로 이동(장파장 스펙트럼으로 이동)할 수 있으며 광전지 셀(20)의 흡수 스펙트럼이 약 600nm 내지 700nm 사이에서 급격한 기울기로 변함에 따라 광전지 셀(20)의 흡수율은 감소할 수 있다.
측정부(50)는 광전지 셀에 의해 흡수된 광량을 측정할 수 있으며 측정된 광량은 전류 변화로 표현될 수 있다.
제어부(60)는 측정부(50)의 전류 변화를 기초로 물질의 함량 또는 물성을 연산할 수 있다. 일 예로, 센서(10)가 습도 센서일 때, 제어부(60)는 측정부(50)의 광량에 의한 전류 변화를 기초로 상대 습도(relative humidity, RH)로 수치화할 수 있다.
센서 장치(1)는 센서(10)를 투과하여 광전지 셀(20)에서 흡수된 광을 이용하여 제어부(60)를 구동하기 위한 전력을 얻을 수 있으므로 별도의 외부 전원 없이도 동작할 수 있는 자가발전 장치일 수 있다.
센서 장치(1)는 광원(40)을 구비할 수도 있으나 별도의 광원 없이 자연광, 실내등으로도 작동할 수 있으므로 어느 환경에서나 사용할 수 있다. 또한 센서(10)의 색 변화에 따라 물질의 함량 또는 물성을 실시간으로 손쉽게 예측하고 측정할 수 있어서 유용할 수 있다.
전술한 센서(10) 또는 센서 장치(1)는 색 변화 또는 색 변화로부터 얻은 전기적 신호로부터 소정 물질의 함량 또는 물성 등을 감지할 수 있으며, 예컨대 공기 중의 수분의 함량을 감지하는 습도 센서 또는 습도 센서 장치로 효과적으로 사용될 수 있다. 이러한 습도 센서 또는 습도 센서 장치는 밀폐된 공간, 사무실 및 저장장소와 같은 공간의 습도를 실시간 손쉽게 확인할 수 있다.
전술한 센서(10) 또는 센서 장치(1)는 다양한 분야의 전자 장치에 적용되거나 포함될 수 있다. 일 예로, 센서(10) 또는 센서 장치(1)는 표시 장치에 적용될 수 있다.
도 7은 일 구현예에 따른 표시 장치의 일 예를 도시한 개략도이다.
일 구현예에 따른 표시 장치(1000)는 전술한 바와 같이 두께 변화에 따른 센서(10)의 색 변화를 표현하거나 센서 장치(1)에서 전기적 신호로 변환된 정보를 문자 및/또는 그림으로 도식화하여 표시할 수 있다. 예컨대 센서(10)가 습도 센서인 경우, 표시 장치(1000)는 주위 환경의 습도에 따라 색을 표현하거나 전술한 측정부(50) 및 제어부(60)에서 얻은 상대습도를 숫자 및/또는 그림으로 표시할 수 있다.
표시 장치(1000)는 전술한 센서 장치(1) 외에 표시 패널(display panel)을 더 포함할 수 있으며, 표시 패널은 액정 표시 패널, 유기 발광 표시 패널, 무기 발광 표시 패널 또는 마이크로 발광 표시 패널 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 표시 패널은 센서 장치(1)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있으며, 사용자에 가까운 위치에 배치될 수 있다. 일 예로, 표시 장치(1000)는 전술한 센서 장치(1) 외에 다른 기능을 가진 하나 이상의 센서를 더 포함할 수 있으며, 다양한 정보를 동시에 또는 순차적으로 표시할 수 있다.
일 예로, 센서(10) 또는 센서 장치(1)는 스마트 윈도우(smart window)에 적용될 수 있다.
도 8은 일 구현예에 따른 스마트 윈도우의 일 예를 도시한 개략도이다.
일 구현예에 따른 스마트 윈도우(2000)는 전술한 센서 장치(1)를 적용할 수 있다. 일 예로, 전술한 센서(10)는 습도 센서일 수 있고, 스마트 윈도우(2000)는 주위 환경의 습도에 따른 색 변화로부터 실시간 습도를 손쉽게 감지하고 확인할 수 있다. 예컨대 습도가 높아짐에 따라 전술한 센서(10)의 두께는 두꺼워지고 비교적 장파장 스펙트럼의 색을 표현할 수 있고 습도가 낮아짐에 따라 전술한 센서(10)의 두께는 얇아지고 비교적 단파장 스펙트럼의 색을 표현할 수 있다.
일 예로, 센서(10) 또는 센서 장치(1)는 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 시스템에 적용될 수 있다.
도 9는 일 구현예에 따른 사물인터넷 시스템의 일 예를 도시한 개략도이다.
사물인터넷 시스템(3000)은 사물에 센서를 부착해 실시간으로 데이터를 인터넷으로 주고받는 기술로, 전술한 센서(10) 또는 센서 장치(1)를 적용하여 얻은 정보(예컨대 습도)를 유형 또는 무형으로 연결된 사물과 조합하여 새로운 기능의 서비스를 제공할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
광학 모의 실험
실시예 1
도 1에 도시된 구조의 센서를 가정하고 Transfer-Matrix Method (TMM)을 사용하여 색 특성 및 투과 스펙트럼을 계산한다.
- 기판: 유리 기판
- 하부 금속층(반투과층): Ag (25nm)
- 부피 팽창층: 키토산 하이드로겔 층(80nm ~ 350nm)
- 상부 금속층(반투과층): Ag (25nm)
그 결과는 도 10, 11과 같다.
도 10은 실시예 1에 따른 센서에서 부피팽창층의 두께에 따른 CIE 1931 색도도이고, 도 11은 실시예 1에 따른 센서에서 부피팽창층의 두께에 따른 투과 스펙트럼이다.
도 10 및 11을 참고하면, 실시예 1에 따른 센서는 부피팽창층의 두께 변화에 따라 광범위한 색 스펙트럼을 나타내는 것을 확인할 수 있고 부피팽창층의 두께가 두꺼워짐에 따라 투과 스펙트럼의 피크가 장파장 스펙트럼으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 부피팽창층의 두께가 약 200nm를 초과하는 경우 UV 파장 스펙트럼에 존재하는 피크가 다시 가시광선 파장 스펙트럼으로 이동하여 2nd 모드가 시작되고, 부피팽창층의 두께가 약 320nm를 초과하는 경우 UV 파장 스펙트럼에 존재하는 피크가 다시 가시광선 파장 스펙트럼으로 이동하여 3rd 모드가 시작되는 것을 확인할 수 있다. 이때 더 높은 모드로 진행될수록 피크의 반치폭은 더 좁아져 파장 선택성이 높아지는 것을 확인할 수 있다.
상기 광학 모의 실험을 기초로 도 1에 도시된 구조의 센서를 하기와 같이 제조한다.
센서의 제조 I
제조예 1: 하이드로겔 용액의 준비
40ml의 탈이온수에 0.6g의 키토산(Sigma-Aldrich, CAS No. 9012-76-4)과 0.6ml의 아세트산을 넣어 하이드로겔 용액을 준비한다. 이어서 하이드로겔 용액에 마그네틱 바를 넣고 교반기 위에 올려두고 60-65℃의 온도에서 20시간 놓아둔 후 원심분리하여 상층액을 분리한다. 이어서 분리된 상층액을 65℃에서 30분 동안 가열하고 여과하여 하이드로겔 용액을 준비한다.
실시예 2
탈이온수(deionized water), 아세톤 및 이소프로판올로 차례로 세정한 유리 기판 위에 5x10-6 Torr 하에서 전자빔 증착 시스템(KVE-C30010, Korea Vacuum Tech)을 사용하여 은(Ag)을 증착하여 25nm 두께의 하부 금속층(반투과층)을 형성한다. 이어서 하부 금속층 위에 제조예 1에서 얻은 하이드로겔 용액을 1500rpm의 속도로 스핀 코팅하고 산 제거 처리(deprotonation)한 후 19시간 동안 대기 중에 건조하여 부피팽창층을 형성한다. 이어서 부피팽창층 위에 5x10-6 Torr 하에서 전자빔 증착 시스템(KVE-C30010, Korea Vacuum Tech)을 사용하여 은(Ag)을 증착하여 25nm 두께의 상부 금속층(반투과층)을 형성하여 센서를 제조한다.
실시예 3
하이드로겔 용액을 2000rpm의 속도로 스핀 코팅한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 센서를 제조한다.
실시예 4
하이드로겔 용액을 2500rpm의 속도로 스핀 코팅한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 센서를 제조한다.
실시예 5
하이드로겔 용액을 3000rpm의 속도로 스핀 코팅한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 센서를 제조한다.
실시예 6
하이드로겔 용액을 3500rpm의 속도로 스핀 코팅한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 센서를 제조한다.
실시예 7
하이드로겔 용액을 4000rpm의 속도로 스핀 코팅한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 센서를 제조한다.
평가 I
실시예 2 내지 7에 따른 센서의 부피팽창층의 두께를 원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 사용하여 측정하고 상기 센서에서 표현되는 색으로부터 추론된 두께와 비교한다. 상기 센서에서 표현되는 색은 광학 현미경으로 평가한다.
그 결과는 도 12와 같다.
도 12는 실시예 2 내지 7에서 하이드로겔 용액의 스핀 코팅의 부피팽창층의 두께와 실시예 2 내지 7에 따른 센서에서 표현되는 색으로부터 추론한 두께를 보여주는 그래프이다.
도 12를 참고하면, 하이드로겔 용액의 스핀 코팅의 속도(RPM)가 높을수록 부피팽창층의 두께가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 도 12에서, 센서에서 표현되는 색(colors)으로부터 추론된 두께가 원자력 현미경(AFM)으로 측정한 두께보다 다소 두껍게 관찰되는 이유는 중앙부의 두께가 주변부보다 상대적으로 두껍게 형성되었기 때문으로 예상된다.
평가 II
실시예 2 내지 7에 따른 센서에서 부피팽창층의 두께에 따른 투과 스펙트럼을 평가한다.
도 13은 실시예 2 내지 7에 따른 센서에서 부피팽창층의 두께에 따른 투과 스펙트럼이다.
도 13에는 실시예 2 내지 7에 따른 센서에서 TMM을 사용하여 계산된 투과 스펙트럼(실선)과 UV-vis/IR 분광기를 사용하여 측정된 투과 스펙트럼(점선)이 도시되어 있으며, 부피팽창층의 두께 변화에 따라 광의 투과 스펙트럼의 피크가 이동하여 색 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 센서는 약 165nm 내지 200nm 두께 범위(1st 모드) 및 약 200nm 초과 285nm의 두께 범위(2nd 모드)에서 각각 부피팽창층의 두께가 두꺼워질수록 투과 스펙트럼의 피크는 장파장 스펙트럼으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.
센서의 제조 II
제조예 2: 은 나노입자 분산액의 준비
50mL의 톨루엔에 0.5mmol의 질산은과 2mL의 올레일아민을 넣어 용액을 준비한다. 이어서 용액을 질소 분위기 하에서 110℃의 온도로 6시간 동안 가열한다. 가열된 용액에 에탄올을 첨가하고 원심분리하여 펠렛(pellet)을 분리하고 상기 펠렛을 옥탄에 분산시켜 7wt%의 Ag 나노파티클 분산액을 준비한다.
실시예 8
탈이온수, 아세톤 및 이소프로판올로 차례로 세정한 유리 기판 위에 5x10-6 Torr 하에서 전자빔 증착 시스템(KVE-C30010, Korea Vacuum Tech)을 사용하여 은(Ag)을 증착하여 100nm 두께의 하부 금속층(반사층)을 형성한다. 이어서 하부 금속층 위에 제조예 1에서 얻은 하이드로겔 용액을 스핀 코팅하고 산 제거 처리한 후 19시간 동안 대기 중에 건조하여 145nm 두께의 부피팽창층(@상대습도 20%)을 형성한다. 이어서 부피팽창층 위에 제조예 2에서 얻은 Ag 나노파티클 분산액을 스핀 코팅하고 샘플을 1% 티오시안산암모늄 아세톤 용액에 1분간 담그어 50nm 두께의 상부 금속층(반투과층)을 형성하여 센서를 제조한다.
센서 장치의 제조 I
실시예 9
도 14에 도시된 습도측정용 모사 장치(2A)를 설치한다. 구체적으로, 습도측정용 모사 장치(2A)는 광원(40)에서 나오는 빛이 투과할 수 있는 투명창(32), 수분이 들어올 수 있는 입구(34)와 수분이 빠져나갈 수 있는 출구(36)를 포함하는 챔버(30); 챔버(30)에 투입되는 수분을 저장하는 수분 저장부(70); 수분 저장부(70)에 저장된 수분과 혼합되는 질소를 저장하는 질소 저장부(80); 및 하우징(30)에 들어오는 수분의 양을 조절할 수 있는 제어부(60)를 포함한다.
센서(10)는 실시예 2에 기재된 방법에 따라 Ag 반투과층(25nm)/키토산 부피팽창층(145nm)(공진파장: 650nm)/Ag 반투과층(25nm) 구조로 제작한다. 센서(10)는 광전지 셀(흡광층: poly-3-hexylthiophene, P3HT PV cell)(20)과 적층되어 챔버(30) 내에 밀폐되어 설치되어 있다. 광전지 셀(20)은 도 15에 도시된 바와 같이 약 400nm 내지 700nm 파장 스펙트럼에서 흡광 특성을 나타내며 약 400nm 내지 600nm에서는 약 80% 이상의 흡수율을 나타내고 약 600nm 내지 700nm에서는 흡수율이 급격히 변화되는 흡광 특성을 가질 수 있다.
측정부(50)는 광전지 셀(20)에 연결되어 있으며 광전지 셀(20)에 흡수된 빛의 흡수량을 측정할 수 있고, 제어부(60)는 측정부(50)에서 측정된 빛의 흡수량을 습도로 변환할 수 있다. 표시부(도시하지 않음)는 제어부(60)에 의해 계산된 습도를 문자 및/또는 그림으로 표시할 수 있다.
수분 저장부(70)와 질소 저장부(80)는 파이프 또는 라인으로 연결되어 있다. 제어부(60)는 또한 수분 저장부(70)와 질소 저장부(80) 사이에 제공된 밸브(92, 94)를 제어할 수 있으며, 밸브(92, 94)의 제어에 의해 하우징(30)에 도달하는 수분량을 조절할 수 있다. 수분 저장부(70)에 저장된 수분과 질소 저장부(80)에 저장된 질소의 양 또는 수분과 질소의 비율은 제어부(60)에 의해 제어되어 하우징(30)으로 투입될 수 있다.
평가 III
실시예 9에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치(2A)에 수분을 공급하면서 상대습도의 변화에 따른 센서의 부피팽창층의 두께 및 색 변화를 평가한다.
도 16은 실시예 9에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치(2A)에서 상대습도에 따른 부피팽창층의 두께 변화 및 센서를 투과된 색을 보여주는 그래프이고, 도 17은 실시예 9에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치(2A)에서 광전지 셀의 흡수율을 보여주는 그래프이고, 도 18은 실시예 9에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치(2A)에서 광전지 셀의 경시적 전류 변화를 보여주는 그래프이고, 도 19는 실시예 9에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치(2A)에서 센서 장치에서 측정되는 응답과 상대습도 사이의 상관관계를 보여주는 그래프이다.
도 16을 참고하면, 상대습도가 높아질수록 부피팽창층의 두께가 선형적으로 두꺼워지고 색 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 17을 참고하면, 광전지 셀(20)의 흡수율은 상대습도에 따라 변하는 것을 확인할 수 있으며, 상대습도가 7.5%에서 83.70%로 변할 때 광전지 셀(20)의 흡수율은 감소하는 것을 확인할 수 있다. 광전지 셀(20)의 흡수율의 변화는 출력전류에 직접 영향을 미칠 수 있다.
도 18을 참고하면, 센싱 구간(수분 공급 구간, 회색 구간)에서는 챔버(30) 내에 상대습도가 높아짐에 따라 측정부(50)에서 측정된 광전지 셀(20)의 전류가 감소하는 것을 확인할 수 있고 회복 구간(수분 배출 구간, 백색 구간)에서는 다시 전류가 회복되는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 상대습도에 따라 부피팽창층의 두께가 변하는 것을 확인할 수 있다.
도 19를 참고하면, 측정부(50)에서 측정된 광전지 셀(20)의 전류를 기초로 소정의 알고리즘을 통해 상대습도가 측정될 수 있으며, 상대습도를 정량화하기 위한 응답(Response)이 ΔI/I0로 정의될 수 있다. 여기서 ΔI는 수분 공급 전후의 측정부(50)에 의해 측정된 광전지 셀(20)의 전류변화이고 I0는 건조 상태(상대습도 약 5%)일 때의 초기 전류이다. 이러한 응답과 상대습도의 관계는 관계식 1에 의해 표현될 수 있다.
[관계식 1]
S = -0.00002 x h2 + 0.0046 x h - 0.0238
상기 관계식 1에서, S는 응답이고 h는 상대습도이다.
이로부터 센서 장치(1)의 광전지 셀(20)의 전류변화로부터 응답이 구해질 수 있고 그로부터 상대습도를 구할 수 있다. 또한, 습도변화에 따라 센서(10)를 투과하는 색이 변하므로 실시간 습도 변화를 확인할 수 있다.
센서 장치의 제조 II
실시예 10
도 20에 도시된 습도측정용 모사 장치(2B)를 설치한다. 도 20에 도시된 습도측정용 모사 장치(2B)는 도 14에 도시된 습도측정용 모사 장치(2A)와 달리, 센서(10)로서 실시예 8에 따른 센서를 사용하고, 광전지 셀(20)을 포함하지 않는 대신 자외선-가시광 분광기(UV-Vis spectrometer)(38)를 포함한다. 자외선-가시광 분광기(38)는 센서(10)로부터 나오는 빛의 반사도를 측정할 수 있다.
평가 IV
실시예 10에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치(2B)에 수분을 공급하면서 상대습도의 변화에 따른 센서의 색 변화 및 반응 속도를 평가한다.
반응 속도는 550nm 파장(공진 파장)에서 실시간 Peak Intensity를 측정하면서 수분 공급 후 평형에 다다른 시간으로부터 평가한다.
도 21은 실시예 10에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치(2B)에서 상대습도에 따라 센서에서 반사된 색을 보여주는 사진이고, 도 22는 실시예 10에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치(2B)에서 상대습도에 따라 센서에서 표현되는 색의 CIE 1931 색도도이고, 도 23은 실시예 10에 따라 제작된 습도측정용 모사 장치(2B)에서 센서의 감지 속도를 보여주는 그래프이다.
도 21 및 22를 참고하면, 상대습도의 변화에 따라 센서는 광범위한 색 스펙트럼을 표현하는 것을 확인할 수 있다. 도 23을 참고하면, 수분 공급에 따라 매우 빠른 시간(약 0.5초 이내)에 평형에 도달하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
1: 센서 장치 2A, 2B: 습도측정용 모사 장치
10: 센서 20: 광전지 셀
50: 측정부 60: 제어부
110: 제1 금속층 120: 제2 금속층
110S: 제1 금속층의 내부면 120S: 제2 금속층의 내부면
200: 부피팽창층 300: 기판

Claims (24)

  1. 서로 마주하는 제1 금속층과 제2 금속층, 그리고
    상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 사이에 위치하고 물질을 흡수하여 두께가 변할 수 있는 부피변화층
    을 포함하고,
    상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 중 적어도 하나는 반투과층이고,
    상기 부피변화층은 상기 물질의 흡수에 의해 팽창하고 상기 물질의 배출 또는 소실에 의해 수축하며,
    상기 팽창 또는 상기 수축에 의한 상기 부피변화층의 두께 변화에 따라 상기 반투과층을 통해 투과된 광의 공진 파장을 변경시켜 색 변화를 나타내는 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층은 각각 제1 반투과층과 제2 반투과층이고,
    상기 제1 반투과층은 가시광선 파장 스펙트럼을 포함한 외부 광이 입사되는 층이고,
    상기 제2 반투과층은 상기 제1 반투과층과 상기 제2 반투과층 사이에서 반복적으로 반사되어 강화된 상기 공진 파장의 광을 투과시키는 층이고,
    상기 제1 반투과층과 상기 제2 반투과층의 서로 마주하는 표면들은 가시광선 파장 스펙트럼의 광 중 적어도 일부를 반사시키는 거울면을 가지는 센서.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 반투과층을 투과한 광의 투과 스펙트럼의 피크는 가시광선 파장 스펙트럼에 속하는 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 부피변화층이 팽창할수록 상기 제2 반투과층을 투과한 광의 투과 스펙트럼의 피크는 장파장 스펙트럼으로 이동하는 센서.
  5. 제2항에서,
    상기 제1 반투과층과 상기 제2 반투과층은 각각 2nm 내지 50nm 두께를 가진 반투과 금속층을 포함하는 센서.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 금속층은 다공성 반투과층인 센서.
  7. 제6항에서,
    상기 다공성 반투과층은 금속 나노파티클을 포함하는 센서.
  8. 삭제
  9. 제1항에서,
    상기 물질은 수분을 포함하는 센서.
  10. 제1항에서,
    상기 부피변화층의 두께는 50nm 내지 800nm 범위에서 변하는 센서.
  11. 제1항에서,
    상기 부피변화층은 절연성 고분자 네트워크를 포함하는 센서.
  12. 제11항에서,
    상기 절연성 고분자 네트워크는 하이드로겔을 포함하는 센서.
  13. 제1항에서,
    상기 부피변화층은 수분 흡수 고분자를 포함하고,
    상기 센서는 습도 센서인
    센서.
  14. 제1항 내지 제7항 및 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 센서, 그리고
    상기 센서를 투과한 광을 전기적 신호로 변환하는 광전지 셀
    을 포함하는 센서 장치.
  15. 제14항에서,
    상기 광전지 셀은 400nm 내지 700nm 중 적어도 일부 파장 스펙트럼의 광을 흡수하는 흡광층을 포함하는 센서 장치.
  16. 제15항에서,
    상기 광전지 셀의 흡수 스펙트럼은 상기 센서를 투과한 광의 투과 스펙트럼과 적어도 일부 중첩하는 센서 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 광전지 셀의 흡수 스펙트럼 중 흡수율의 변화량이 50% 이상인 파장 스펙트럼은 상기 센서의 투과 스펙트럼과 적어도 일부 중첩하는 센서 장치.
  18. 제14항에서,
    상기 부피변화층의 두께가 두꺼울수록 상기 광전지 셀의 흡수율은 감소하는 센서 장치.
  19. 제14항에서,
    상기 광전지 셀에 의해 흡수된 광량을 측정하는 측정부, 그리고
    상기 측정부에서 측정된 광량을 수치화하는 제어부
    를 더 포함하는 센서 장치.
  20. 제19항에서,
    상기 센서는 습도 센서이고,
    상기 제어부는 상기 광량을 상대습도로 수치화하는 센서 장치.
  21. 제14항에서,
    상기 센서 장치는 상기 센서를 투과한 광으로부터 전력을 얻는 자가발전 장치인 센서 장치.
  22. 제14항에 따른 센서 장치를 포함하는 전자 장치.
  23. 제14항에 따른 센서 장치를 포함하는 스마트 윈도우.
  24. 제14항에 따른 센서 장치를 포함하는 사물인터넷 시스템.
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