KR102524148B1 - 정전용량형 습도센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

정전용량형 습도센서 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

우수한 성능의 신뢰성 높은 정전용량형 습도센서 및 그의 제조방법이 제안된다. 본 발명에 따른 정전용량형 습도센서는 기판; 기판 상의, 제1전극부; 제1전극부 상의, 습도감지물질을 포함하는 습도감지물질부; 및 습도감지물질부 상의, 무어(Moore)패턴 및 힐버트(Hilbert)패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴을 포함하는 제2전극부;를 포함한다.

Description

정전용량형 습도센서 및 그의 제조방법{Capacitive humidity sensor and manufacturing method thereof}
본 발명은 정전용량형 습도센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 우수한 성능의 신뢰성 높은 정전용량형 습도센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
습도센서는 습도의 변화에 따라 다른 값을 갖는 전기적 신호에 기초한 센서로서, 일반적으로 습기에 의한 감습 물질의 전기적 성질의 변화를 이용하여 습도를 측정하게 된다. 이러한 습도센서는 크게 저항형 습도센서와 정전용량형 습도센서로 구분할 수 있으며, 가전제품 및 모바일뿐만 아니라 자동차 및 의료기기, 공기 정화 시스템 및 자동 냉난방 시스템을 최적의 상태로 만들어 주기 위해 광범위하게 적용되고 있다.
저항형 습도센서는 습도에 의해 변화되는 저항의 변화를 이용하여 습도를 측정하는데, 정전용량형 습도센서에 비해 상대적으로 저렴하여 널리 사용된다. 그러나, 고가이던 정전용량형 습도센서도 최근에는 반도체 제조기술의 발전에 따라 저비용 제조가 가능하여 사용분야가 넓어지고 있다. 정전용량형 습도센서는 저항형 습도센서에 비하여 신뢰성이 우수하면서도 센서 특성이 선형적이고 온도의 영향이 적다는 장점이 있다.
이와 같은 정전용량형 습도센서는 습기가 흡수되면 유전율이 변하는 감습 물질을 유전체로 하는 캐패시터(Capacitor) 형태로 동작하게 된다. 즉 습도를 감지하는 감습층이 존재하고 이러한 감습층을 통해 습기가 유입되면서 유전율이 달라지고 이에 따라 정전용량이 변하는 것을 감지하는 원리이다. 정전용량은 전극 면적에 의존하므로 전극의 면적을 높여야 센서의 감도가 높아지는데, 전극에 의해 감습물질이 외부의 습기과 접촉할 수 있는 면적이 작아질 수 있으므로, 정전용량형 습도센서의 성능을 높이기 위하여 전극의 면적과 감습물질의 노출면적을 조절해야 할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 우수한 성능의 신뢰성 높은 정전용량형 습도센서 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 습도센서는 기판; 기판 상의, 제1전극부; 제1전극부 상의, 습도감지물질을 포함하는 습도감지물질부; 및 습도감지물질부 상의, 무어(Moore)패턴 및 힐버트(Hilbert)패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴을 포함하는 제2전극부;를 포함한다.
제1전극부는 플레이트형상일 수 있다.
제2전극부는 제1전극부 유효면적의 50% 미만의 유효면적을 가질 수 있다.
습도감지물질은 폴리이미드를 포함할 수 있다.
습도감지물질은 카본블랙을 더 포함할 수 있다.
카본블랙은 전체 습도감지물질의 중량을 기준으로 하여 0.05wt%로 포함할 수 있다.
습도감지물질은 분산제 및 첨가제를 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 제1전극부를 형성하는 단계; 제1전극부 상에 습도감지물질을 도포하여 습도감지물질부를 형성하는 단계; 및 습도감지물질부 상에 무어(Moore)패턴 및 힐버트(Hilbert)패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴을 포함하는 제2전극부를 형성하는 단계;를 포함하는 정전용량형 습도센서 제조방법이 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 본 발명에 따른 정전용량형 습도센서는 샌드위치구조의 정전용량형 습도센서에 비해 높은 유효면적을 갖게되어 반응속도와 센서감도가 향상되므로 우수한 성능의 정전용량형 습도센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 제2전극부의 무어(Moore)패턴이고, 도 3은 제2전극부가 무어패턴으로 제작된 정전용량형 습도센서의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 제2전극부의 힐버트(Hilbert)패턴이고, 도 5는 제2전극부가 힐버트패턴으로 제작된 정전용량형 습도센서의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 정전용량형 습도센서에 사용된 습도감지물질들의 이미지이다.
도 7a 내지 도 7d는 각각 제2전극부의 형상이 IDT, 홀, 무어패턴 및 힐버트 패턴인 경우의 센서의 감도를 도시한 그래프들이다.
도 8a 내지 도 8d는 각각 제2전극부의 형상이 IDT, 홀, 무어패턴 및 힐버트 패턴인 경우에 습도감지물질로서 폴리이미드 및 카본블랙을 사용한 센서의 감도를 도시한 그래프들이다.
도 9a 내지 도 9b는 각각 센시리온 습도센서 및 보쉬 습도센서의 감도를 도시한 그래프들이다.
도 10a 내지 도 10b는 각각 제2전극부의 형상이 힐버트패턴 및 무어패턴인 경우의 센서의 반응속도를 도시한 그래프들이다.
도 11a 내지 도 11b는 각각 제2전극부의 형상이 무어패턴 및 힐버트패턴인 경우의 장기 신뢰성 시험 결과를 도시한 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 단면도이다. 본 실시예에 따른 정전용량형 습도센서(100)는 기판(110); 기판(110) 상의, 제1전극부(120); 제1전극부(120) 상의, 습도감지물질을 포함하는 습도감지물질부(130); 및 습도감지물질부(130) 상의, 무어(Moore)패턴 및 힐버트(Hilbert)패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴을 포함하는 제2전극부(140);를 포함한다.
본 실시예에서 제1전극부(120)는 기판(110) 상에 위치한 전극으로서, 이후 형성될 제2전극부(140)와 함께 정전용량 변화를 측정하기 위한 전극이다. 제1전극부(120)는 기판(110)과 접촉하고 있기 때문에 습도감지물질부(130)에 습기침투가 불가능하므로, 형상의 제한이 없다. 따라서, 전극기능을 최대한 나타낼 수 있도록 플레이트 형상일 수 있다.
습도감지물질부(130)는 제1전극부(120) 상에 위치한다. 습도감지물질부(130)는 센서가 위치할 공간의 습도를 감지할 수 있는 물질인 습도감지물질을 포함한다. 습도감지물질로는 습도변화에 의해 정전용량이 변화할 수 있는 물질로서, 고분자 수지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 습도감지물질로 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다.
본 실시예에 따른 습도감지물질은 폴리이미드 이외에 카본블랙을 더 포함할 수 있다. 카본블랙은 전체 습도감지물질의 중량을 기준으로 하여 0.05wt%로 포함할 수 있다. 카본블랙을 폴리이미드에 첨가할 때, 카본블랙의 분산을 위한 분산제나 다른 첨가제를 포함하지 않을 수 있다. 폴리이미드에 첨가된 카본블랙입자와 폴리이미드 사이에 경계영역이 형성될 수 있는데 이러한 경계영역에 수분분자가 들어갈 수 있어, 폴리이미드의 습기에 대한 비표면적이 높아지는 효과를 나타낼 수 있다. 그런데, 분산제나 첨가제를 이용하여 카본블랙을 보다 균일하고 작은 분자 등으로 분산성을 높이게 되면 폴리이미드의 비표면적 상승효과가 낮아질 수 있기 때문에 분산제나 첨가제는 첨가하지 않는 것이 바람직하다.
제2전극부(140)는 습도감지물질부(130) 상에 위치하는데, 본 실시예에 따른 정전용량형 습도센서(100)는 제2전극부(140)가 무어(Moore)패턴 및 힐버트(Hilbert)패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴을 포함한다.
정전용량형 습도센서(100)의 커패시턴스는 유효면적과 거리(습도감지물질부(130)의 두께)에 의존한다. 유효면적은 습도감지물질부(130)의 상부전극 및 하부전극에 의존한다. 따라서, 상하부 전극을 평면으로 구성할 경우 유효면적이 최대이므로 정전용량형 습도센서(100)의 커패시턴스는 최대값일 수 있다.
그러나, 습도감지물질이 고습환경에서 공기 중의 습기를 흡수하고 저습환경으로 변할 경우, 흡수한 습기를 공기 중에 배출하는 데 넓은 면적의 전극에 의해 느리게 될 수 있다. 즉, 상하부 전극이 플레이트형인 경우, 정전용량형 습도센서(100)의 반응속도가 느려질 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 제2전극부의 무어(Moore)패턴이고, 도 3은 제2전극부가 무어패턴으로 제작된 정전용량형 습도센서의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 제2전극부의 힐버트(Hilbert)패턴이고, 도 5는 제2전극부가 힐버트패턴으로 제작된 정전용량형 습도센서의 평면도이다.
본 실시예에 따른 정전용량형 습도센서(100)는 제2전극부(140)가 무어(Moore)패턴 및 힐버트(Hilbert)패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴을 포함한다. 도 2 및 도 4의 무어패턴 및 힐버트패턴은 각각 충진율(fill factor)가 41% 및 42%을 나타낸다. 이에 따라, 무어패턴 및 힐버트패턴 중 적어도 하나의 패턴을 포함하는 제2전극부(140)는 제1전극부(120) 유효면적의 50% 미만의 유효면적을 가질 수 있다.
무어패턴 또는 힐버트패턴은 전극 내부에 빈공간과 전극부분이 효율적으로 배치되어 있어서, 하부의 습도감지물질부(130)로 습기의 흡수 및 방출이 효과적이다. 샌드위치 구조의 정전용량형 습도센서에서 무어패턴이나 힐버트패턴을 갖는 구조의 전극을 형성하면 충진율을 높여주면서 습도감지물질에 습기가 탈부착되는 것이 용이하여 정전용량형 습도센서의 성능이 높아진다. 이에 대하여는, 이하 도 7 내지 도 11을 참조하여 더 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 정전용량형 습도센서에 사용된 습도감지물질들의 이미지이다. 습도감지물질로 폴리이미드만 사용한 경우, 폴리이미드에 전체 습도감지물질의 중량을 기준으로 0.01wt%의 카본블랙을 포함시킨 경우, 폴리이미드에 전체 습도감지물질의 중량을 기준으로 0.05wt%의 카본블랙을 포함시킨 경우로 구분하여 정전용량형 습도센서를 제작하였다. 카본블랙을 첨가할 때는 분산제나 첨가제 첨가없이 초음파를 이용하여 폴리이미드와 혼합하였다.
정전용량형 습도센서는 제2전극부의 형상을 종래의 IDT형상, 홀(hole)형상, 무어패턴 및 힐버트패턴을 갖도록 제작하고, 습도감지물질로서 순수 폴리이미드만 포함시켜 제작하였다. 도 7a 내지 도 7d는 각각 제2전극부의 형상이 IDT, 홀, 무어패턴 및 힐버트 패턴인 경우의 센서의 감도를 도시한 그래프들이다. 도 7a의 IDT 형상 정전용량형 습도센서는 습도 전영역에 걸쳐 감도가 낮은 것을 알 수 있고, 도 7b의 홀형상 정전용량형 습도센서도 낮은 습도영역에서는 감도가 낮은 것을 알 수 있다. 이에 반해, 무어패턴형상 정전용량형 습도센서는 습도 전영역에 걸쳐 감도가 우수하였고, 힐버트패턴 정전용량형 습도센서는 낮은 습도영역 일부를 제외하고는 감도가 우수한 것을 알 수 있다(도 7c 및 도 7d).
도 8a 내지 도 8d는 각각 제2전극부의 형상이 IDT, 홀, 무어패턴 및 힐버트 패턴인 경우에 습도감지물질로서 폴리이미드 및 카본블랙을 사용한 센서의 감도를 도시한 그래프들이다. 습도감지물질로서 폴리이미드에 0.05wt%의 카본블랙이 첨가된 물질이 사용되었다. 도 8a의 IDT 형상 정전용량형 습도센서는 습도 전영역에 걸쳐 감도가 낮은 것을 알 수 있고, 도 8b의 홀형상 정전용량형 습도센서도 습도 전영역 걸쳐 감도가 낮은 것을 알 수 있다.
이에 반해, 무어패턴형상 정전용량형 습도센서 및 힐버트패턴 정전용량형 습도센서는 습도 전영역에 걸쳐 감도가 우수한 것을 알 수 있다(도 8c 및 도 8d). 특히, 도 7c 및 도 7d와 도 8c 및 도 8d를 비교하여 보면, 폴리이미드에 0.05wt%의 카본블랙이 첨가된 습도감지물질을 사용한 정전용량형 습도센서의 감도가 더 우수함을 알 수 있다.
도 9a 내지 도 9b는 각각 센시리온 습도센서 및 보쉬 습도센서의 감도를 도시한 그래프들이다. 센시리온 사의 상용 제품(도 9a) 및 보쉬 사의 상용 제품(도 9b)의 센서 감도결과를 비교하면 본 발명에 따라 폴리이미드에 0.05wt%의 카본블랙이 첨가된 습도감지물질을 사용한 정전용량형 습도센서의 감도가 상용제품의 감도와 유사하게 우수함을 알 수 있다.
도 10a 내지 도 10b는 각각 제2전극부의 형상이 힐버트패턴 및 무어패턴인 경우의 센서의 반응속도를 도시한 그래프들이고, 도 11a 내지 도 11b는 각각 제2전극부의 형상이 무어패턴 및 힐버트패턴인 경우의 장기 신뢰성 시험 결과를 도시한 그래프들이다. 제2전극부의 형상이 힐버트패턴 및 무어패턴이 경우, 센서의 반응속도가 매우 뛰어나고, 장기 신뢰성 시험에 있어서도 우수한 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 제1전극부를 형성하는 단계; 제1전극부 상에 습도감지물질을 도포하여 습도감지물질부를 형성하는 단계; 및 습도감지물질부 상에 무어(Moore)패턴 및 힐버트(Hilbert)패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴을 포함하는 제2전극부를 형성하는 단계;를 포함하는 정전용량형 습도센서 제조방법이 제공된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 정전용량형 습도센서
110 기판
120 제1전극부
130 습도감지물질부
140 제2전극부

Claims (8)

  1. 기판;
    기판 상의, 제1전극부;
    제1전극부 상의, 습도감지물질을 포함하는 습도감지물질부; 및
    습도감지물질부 상의, 무어(Moore)패턴 및 힐버트(Hilbert)패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴을 포함하는 제2전극부;를 포함하는 정전용량형 습도센서로서,
    습도감지물질은 폴리이미드 및 폴리이미드와의 사이에 경계영역이 형성되어 경계영역에 수분분자가 들어가 폴리이미드의 습기에 대한 비표면적이 높아지는 효과를 부여하기 위한 카본블랙을 포함하고,
    습도감지물질은 폴리이미드의 비표면적이 높아지는 효과를 낮추는 것을 방지하기 위하여 분산제 및 첨가제를 포함하지 않고,
    제1전극부는 플레이트형상이고,
    제2전극부는 제1전극부 유효면적의 50% 미만의 유효면적을 가지며,
    카본블랙은 전체 습도감지물질의 중량을 기준으로 하여 0.05wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 기판 상에 제1전극부를 형성하는 단계;
    제1전극부 상에 습도감지물질을 도포하여 습도감지물질부를 형성하는 단계; 및
    습도감지물질부 상에 무어(Moore)패턴 및 힐버트(Hilbert)패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴을 포함하는 제2전극부를 형성하는 단계;를 포함하는 정전용량형 습도센서 제조방법으로서,
    습도감지물질은 폴리이미드 및 폴리이미드와의 사이에 경계영역이 형성되어 경계영역에 수분분자가 들어가 폴리이미드의 습기에 대한 비표면적이 높아지는 효과를 부여하기 위한 카본블랙을 포함하고,
    습도감지물질은 폴리이미드의 비표면적이 높아지는 효과를 낮추는 것을 방지하기 위하여 분산제 및 첨가제를 포함하지 않고,
    제1전극부는 플레이트형상이고,
    제2전극부는 제1전극부 유효면적의 50% 미만의 유효면적을 가지며,
    카본블랙은 전체 습도감지물질의 중량을 기준으로 하여 0.05wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서 제조방법.
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