KR20090025007A

KR20090025007A - 감광성 폴리머를 이용한 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20090025007A
Application number: KR1020070090027A
Authority: KR
Inventors: 이용성; 나대석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-10

Abstract

본 발명은 엔진오일의 열화 상태를 감지할 수 있도록 하는 엔진오일 열화 감지 센서에 관한 것으로,

종래의 엔진오일 센서는 회로의 크기 및 단가가 높아져 상업적으로 가치성이 많이 떨어지게 되고 오일의 유전율 변화를 감지할 수 있는 감지막이 개발되지 않아 특정적인 감도를 찾기 어려우며, 내열성과 내화학성이 떨어지게 되는 등의 문제가 있었던 바,

유리기판(11) 위에 증착된 크롬(Cr)으로 사진 식각 공정을 통해 빗살형 전극(12)을 형성하고, 그 위에 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브(CNT)의 복합물(13)을 스핀 코팅하여 소결한 것 등을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 센서 특성을 향상시킬 수 있게 됨은 물론 전체 제작공정을 최소화하여 생산원가를 절감할 수 있게 되고, 내열성, 내화학성, 내구성이 우수한 엔진오일 열화 감지 센서를 제공할 수 있게 된다.

엔진오일, 열화 감지 센서, 감광성 폴리머, 탄소 나노튜브, 유리기판, 빗살형 전극

Description

감광성 폴리머를 이용한 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서 및 그의 제조방법{an engine oil condition sensor and the manufacturing method thereof}

도 1은 델파이사의 가솔린용 엔진오일 센서의 사시도

도 2는 델파이사의 디젤용 엔진오일 센서의 사시도

도 3은 보쉬사의 오일상태센서의 사시도

도 4는 본 발명의 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서의 구성도

도 5는 본 발명의 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서의 등가회로도

도 6은 본 발명이 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서의 제작공정도

도 7은 혼합물을 섞는 장비의 원리도

도 8은 본 발명의 한 실시예의 ZIC-A 오일에서의 주파수 10kHz대의 센서 출력값 그래프

도 9는 본 발명의 한 실시예의 ZIC-XQ 오일에서의 주파수 10kHz대의 센서 출력값 그래프

도 10은 본 발명의 한 실시예의 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브의 감지막을 이용한 센서의 고온특성 평가 그래프

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

10 : 엔진오일 열화 감지 센서 11 : 유리기판

12 : 빗살형 크롬 전극

13 : 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브 합성물

본 발명은 엔진오일의 열화 상태를 감지할 수 있도록 하는 엔진오일 열화 감지 센서에 관한 것으로, 더 자세하게는 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브의 혼합물로 센서 감지막을 형성한 것에 관한 것이다.

차량 엔진의 윤활을 위한 엔진오일의 열화에 대하여 국외에서는 델파이(Delphi)사에서 1994년도부터 연구를 시작하였고 2003년도까지 그에 대한 논문을 계속 내고 있는 실정이다.

델파이사는 1994년도에는 전산가와 센서 출력전압을 측정하여 엔진오일의 열화를 측정하였고, 1997년도에는 제조사가 다른 두가지 종류 오일의 교류 임피던스(AC Impedance)를 측정방법을 이용하여 오일내의 글리콜(glycol)의 농도에 따라 저항값의 변화를 측정하여 글리콜(glycol)의 누출(leakage)을 초기에 감지할 수 있는 방법을 제시하였으며, 2001년도부터 알루미나판(alumina plate)에 납(Pt) 전극을 올려 엔진오일의 열화에 따른 센서 출력전압을 측정하여 엔진오일 교환주기를 판단하는 센서를 제작하고 이를 실험하였다.

그리고 그 결과 도 1 및 도 2와 같은 가솔린용 엔진오일 센서와 디젤용 엔진오일센서를 제품으로 출시한다는 보고는 있으나 그에 따른 실제적인 성능 및 규격은 나타나지 않았다.

또한 보쉬(Bosh)사에서는 도 3과 같이 압전물질을 사용한 마이크로 어코스틱(micro acoustic) 센서를 이용하여 엔진오일의 점도, 유전율, 전도도를 측정하는 센서를 개발했다는 보고가 있다.

그리고 아래 표와 같이 센서회사들도 각각의 모델로 시제품을 출시하고 자동차 회사와 연계하여 엔진오일 상태센서를 연구하고 있다.

회사	센서명칭	측정원리
지엠(GM)	Oil Life System	Capacitive measuring
크라이슬러(DaimlerChrysler)	Flexible Service System	Dielectric measuring
델파이(Delphi)	INTELLEK	Capacitive measuring
씨티엠(CTM)	QLT	Capacitive measuring
Voelker sensors	Oil Insyte	Conductive measuring
Lubrigard	OCMS	Dielectric measuring
Symyx Technology	SSOCS	Frequency measuring
이튼(Eaton Corporation)	FCM	Impendance measuring

오일센서의 초기모델은 ① 전극을 사용하여 오일의 저항을 측정하는 방법, ② 오일의 탁도를 광센서를 이용하여 측정하는 방법, ③ 오일의 점도를 측정하는 방법, ④ 감응물질 없이 전극만을 사용하여 오일의 유전율을 측정하는 방법, ⑤ 감응물질 없이 전극만을 사용하여 오일의 임피던스를 측정하는 방법 등이 있다.

상기에서 첫 번째 방법은 저항 측정치의 변화율이 매우 낮아 그 효용성을 검증하기가 쉽지 않고, 두 번째 방법은 주행 방법(저속주행, 고속주행, 단거리 주행, 장거리 주행)에 따라 엔진오일의 탁도가 달라져 정량적인 측정 결과를 얻기 어렵 다.

그리고 세 번째 방법은 외부적인 영향(부동액의 유입 등)으로 인해 점도가 낮아질 수도 있고 높아질 수도 있어 주행거리에 따른 점도의 기준값을 정하기 어려운 단점이 있고, 네 번째 및 다섯 번째 방법은 반도체 및 기계 가공을 이용하여 만든 센서의 제작 한계성 때문에 기본적으로 가진 센서의 용량 증가에 한계가 있고 외부의 영향(진동, 주파수, 수분, 온도)에 따라 그 값의 측정에 영향을 많이 받는다.

특히 용량형 센서의 경우 반도체 공정이나 기계 가공을 하여 만든 센서가 초기 용량값이 매우 낮아 외란에 의한 영향이 크고 이를 보상하기 위한 회로가 추가되더라도 그 외란의 영향을 없애기 어려울 뿐 아니라 회로의 크기 및 단가가 높아져 상업적으로 가치성이 많이 떨어지게 된다.

또한 오일의 유전율 변화를 감지할 수 있는 감지막이 개발되지 않아 특정적인 감도를 찾기 어렵다.

그리고 엔진오일 상태 감지센서는 측정시 일정온도(예를 들면 80~130℃) 및 화학적인 변화과정이 가해지는 상태에서 측정하기 때문에 감지막과 전극을 보호할 수 있는 구조가 요구되지만 아직 그런 제품이 나온 것이 없다.

센서 전극의 손상 및 산화에 의한 측정치의 부정확성도 이런 방법의 단점이라 볼 수 있다.

최근 실리콘을 기반으로 하는 반도체 공정이 활성화되고 그 기술이 높아짐에 따라 소형 센서의 제작이 가능하지만 그 공정 조건이 복잡해짐에 따라 수㎛이하의 공정에서는 그 수율이 매우 낮고 공정비용이 매우 높아져 제품화하기에 어려운 점이 많다.

그리고 폴리머 형태의 박막물질을 이용해 감지막으로 사용하였지만 용량값의 증가가 아주 미소하게 보였고, 그 값 또한 초기값이 수~수십㎊ 정도이며, 변화값 또한 수㎊ 정도여서 그렇게 신뢰할 수 없는 값이라 보여진다.

이런 초기값과 변화값을 보상하기 위한 회로만 복잡해지고 그 단가가 높아 문제점이 많다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 보다 간편하고 저렴하게 제작할 수 있도록 하여 생산원가를 절감할 수 있고, 뛰어난 센싱능력을 발휘할 수 있으며, 내열성과 내화학성, 내구성 등의 기능성이 우수한 감광성 폴리머를 이용한 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

감광성 폴리머와 혼합하여 센서 감지막으로 제작할 경우 반도체 일괄 공정이 가능할 뿐만 아니라 폴리머가 가진 내열, 내화학적 특성을 모두 가질 수 있다.

특히 용량형 센서의 경우 이전의 방법으로 구현한 한계(초기용량값: 수~수십㎊, 변화값: 수㎊)를 탄소 나노튜브(CNT)를 이용한 폴리머 복합물을 이용하여 센서 특성(초기용량값: 수백pF~수십㎋, 변화값: 수십~수백㎊)을 높여 예전 공정의 문제를 해결하고 전체 공정을 최소화하며 그 생산 단가를 줄일 수 있다.

도 4에는 본 발명의 한 실시예의 구성도가 도시되어 있는 바, 본 발명의 감광성 폴리머를 이용한 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서(10)는 유리기판(11) 위에 증착된 크롬(Cr)으로 사진 식각 공정을 통해 빗살형 전극(12)을 형성하고, 그 위에 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브(CNT)의 복합물(13)을 스핀 코팅하여 소결하여서 되는 것이다.

본 발명에 있어서 빗살형 전극(12) 위의 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브(CNT)의 복합물(13)은 엔진오일 내부에 생성되는 산(Acid)으로부터 빗살형 전극(12)을 보호하고, 좁은(15㎛) 빗살형 전극 사이가 엔진 마모에 의해 생긴 금속입자 등에 인해 서로 연결되는 것을 방지하는 방지함과 동시에 센서의 초기값을 증가시키고 그 감도를 높이는 역할을 하며, 또한 노광 공정을 이용하여 쉽게 패턴을 할 수 있게 한다.

본 발명에 있어서 전체 센서의 크기는 4×6 ㎟으로 할 수 있고, 빗살형 전극의 폭은 15㎛m, 빗살형 전극 사이의 간격은 15㎛ 정도로 할 수 있다.

도 5에는 본 발명의 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서의 등가회로가 도시되어 있다.

본 발명에 있어서 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서의 등가회로는 병렬로 연결된 커패시터(Cp)와 저항(Rp)으로 나타낼 수 있으며, 센서와 직렬로 부하저항(R)을 연결하고 여기에 교류전압(Vac)을 인가한다.

이렇게 하면 센서와 부하저항(R)에 의해 인가된 교류전압이 분배가 되는데, 이때 센서와 부하저항 양단의 등가회로의 정전용량과 저항값을 구할 수 있게 된다.

여기서 센서 등가회로의 정전용량과 저항값의 변화는 엔진오일의 열화에 의한 엔진오일의 유전율의 변화와 전기 전도도의 변화에 의한 것이다.

도 6에는 본 발명의 탄소 나노튜브를 이용한 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서의 제작 공정도가 도시되어 있다.

본 발명의 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서의 제조방법은 세척한 유리기판에 크롬층을 증착하는 단계; 크롬층에 포토레지스트층을 코팅하는 단계; 소프트 베이킹하고, 자외선에 노출시키는 단계; 자외선에 노출된 포토레지스트층을 현상하고 크롬층을 식각하여 전극을 형성하는 단계; 포토레지스트층을 제거하고 전극을 완성하는 단계; 전극에 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브의 합성물을 코팅하는 단계; 소프트 베이킹하고 자외선에 노출시키는 단계; 자외선에 노출된 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브의 합성물을 현상하고 린스(rinse)하는 단계; 소결하는 단계;로 이루어진 것이다.

<실시예>

유리기판(Pyrex 7740)을 표준 세척 공정에 따라 세척하였다.

먼저 트리클로에틸렌(TCE; Trichloro-ethylene)에서 5분간 초음파장비를 이용하여 세척하고, 아세톤과 메탄올에서도 각각 5분간 초음파 장비를 이용하여 세척하였다.

이 세척으로 슬라이드 유리 표면에 잔재하고 있는 유기 용매를 제거하고 초 순수 물로 세척 후 질소 가스로 건조시킨 후 다시 70℃ 오븐에서 30분간 건조시켰다.

오븐에서 건조하는 이유는 표면에 미량으로 잔재해 있을 가능성이 있는 수분을 없애기 위함이다.

표준 세척 공정 후 선 폭 15㎛ 선 간격 15㎛ 센서 전극 형성을 위하여 증착기(E-beam evaporator)를 사용하여 크롬 두께 3000Å 진공 증착을 한 후 기초전극을 형성하기 위한 패턴을 형성하기 위해 포지티브 포토레지스트(positive photoresist)인 AZ1512를 초기 스핀 속도를 1500rpm으로 5초간 두께조절 스핀 속도를 3000rpm으로 30초간 코팅하였다.

포토레지스트 코팅 후 핫플레이트(hot plate)에서 95℃ 온도로 소프트 베이킹을 하고, 전극의 폭과 간격이 각각 15㎛로 제작된 마스크를 이용하여 자외선에 8초간 노출을 시켰다.

자외선에 노출된 포토레지스트를 현상액(AZ300MIF)으로 15초간 현상하고 초순수 물(DI-water)로 세척하였다.

다시 핫플레이트(hot plate)에서 115℃ 온도로 1분간 하드 베이킹(hard-baking)을 하고, 크롬 식각 용액인 Cr-7에 크롬을 식각하고 초순수물로 세척하여 전극을 완성하였다.

그리고 현상액 제거기(AZ remover)를 이용하여 포토레지스트를 제거하고 초순수 물로 세척하고 질소로 건조 후 전극을 완성하였다.

센서 전극이 완성된 후 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브 합성 물질을 만들기 위하여 폴리이미드(Polyimide)인 PI-2771을 10g 준비하고 여기에 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)를 0.15g 섞었다.

이렇게 섞인 복합물을 도 7과 같이 자전과 공전의 원리를 가진 장비에서 2000rpm의 속도로 5분간 혼합하였다.

그 혼합이 끝난 복합물을 다시 음파(sonic) 장비로 10~30분간 분산하였다.

이렇게 완성된 폴리머와 탄소 나노튜브 합성물을 센서 전극에 위에 붓고 스핀코팅 장비를 이용하여 스핀코팅을 하였다.

스핀 속도는 첫번째 스탭에서 500rpm에서 5초간, 두번째 스탭은 2500rpm에서 7초간, 5000rpm에서 60초간 스핀코팅을 하였다.

이렇게 코팅된 기판을 핫플레이트에서 105℃ 90초간 소프트 베이킹을 하고 마스크를 이용하여 자외선에 8초간 노출시켰다.

자외선에 노출된 폴리머와 탄소 나노튜브 합성물을 현상액(E-6180)으로 6분간 현상하고 초순수 RI-9180으로 린스(rinse)하였다.

다시 오븐(oven)에서 250℃온도로 30분간 질소 분위기에서 소결하여 센서를 제작하였다.

예비 실험 시스템을 제작하여 상기 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서의 특성 테스트를 하였다.

실험하는 동안 핫플레이트를 이용하여 엔진오일의 온도가 조절되도록 하였다.

온도를 조절하는 이유는 엔진오일 내에 포함하고 있는 미량의 수분이 유전율 을 측정하는데 장애가 됨으로 온도를 80℃이상 높여야만 그 영향을 받지 않을 수 있기 때문이다.

엔진오일은 ZIC-A(SAE-5W 30) 오일의 주행거리가 0km, 2193km, 3934km, 6088km, 8131km를 각각 측정하였다.

그리고 비교 테스트를 위하여 ZIC-XQ(SAE-5W 40) 오일의 주행거리가 0km, 2507km, 4090km, 6493km, 8079km, 11727km를 각각 측정하였다.

또한 주행한 엔진오일에 대한 각각의 센서 출력의 비교뿐만 아니라 각각의 엔진오일의 온도에 따른 센서의 출력을 함께 측정하였다.

감광성 폴리머와 탄소 나노튜브를 합성한 감지막을 이용한 센서의 경우 엔진오일 주행거리에 따라 센서 출력값(capacitance)을 온도구간 80±2℃에서 측정하였다.

제작된 센서는 도 8 및 도 9와 같이 모두 초기값이 224pF, 2.18pF로 매우 높음을 볼 수 있다.

도 8과 같이 ZIC-A 오일의 경우 새 오일과 최대 변위를 보이는 오일의 주행거리는 6088km이며, 그 변위는 18pF 이다.

6088km보다 더 주행한 8131km인 새 오일의 출력값과 비교할 때 6088km 주행한 오일보다 더 많은 변위를 보여야 정상이지만 6088km보다 낮은 16pF의 변위치를 보이고 있다.

다음으로 도 9와 같이 ZIC-XQ오일의 경우 새오일과 최대변위를 보이는 오일의 주행거리는 11727km이며, 그 변위는 24pF이다.

ZIC-A 오일의 결과와 다르게 6493km 주행한 오일과 8079km 주행한 오일의 출력값이 겹치는 현상을 보였으며, 11727km오일이 6493km 주행한 오일보다 더 많은 변위를 보이고 있다.

6493km와 8079km 모두 새 오일과 20pF의 변위치를 보이고 있다.

이러한 결과로 볼 때 엔진오일의 교환 시기는 ZIC-A, ZIC-XQ 모두 주행 거리가6000km 근방에서 센서의 캐패시던트(capacitance) 출력값이 그 값에서 수렴을 하는 것을 볼 수 있다.

위의 결과에서 주파수를 10kHz로 고정하여 측정한 이유는 차량 내부에서 발생하는 외란이 5~7kHz이므로 그 외란으로 인한 센서 출력값이 변하는 것을 최소화하기 위함이다.

센서 출력값을 볼 때 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브 복합물을 이용한 센서는 초기값이 200pF 이상이고, 그 변위도 20~24pF 정도이어서 엔진 오일의 열화를 측정하는데 매우 적합함을 볼 수 있다.

그리고 도 10과 같이 센서가 고온의 환경에서 내구성을 가질 수 있는지에 대해서 130±2℃에서 240시간 동안 센서를 두고 측정을 하였다.

이 실험에서 측정된 주파수는 10kHz이며, 사용된 오일은 ZIC-A(주행거리 6000km)이다.

도 10과 같이 고온 상태에도 안정된 출력값을 내는 것을 볼 수 있으며, 이는 장기 내구성이 우수하다는 것을 보여준다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브로 감지막을 형성한 것으로, 본 발명에 의하면 센서 특성을 향상시킬 수 있게 됨은 물론 전체 제작공정을 최소화하여 생산원가를 절감할 수 있게 되고, 내열성, 내화학성, 내구성이 우수한 엔진오일 열화 감지 센서를 제공할 수 있게 된다.

Claims

유리기판(11) 위에 증착된 크롬(Cr)으로 사진 식각 공정을 통해 빗살형 전극(12)을 형성하고, 그 위에 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브(CNT)의 복합물(13)을 스핀 코팅하여 소결한 것을 특징으로 하는 감광성 폴리머를 이용한 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서.
세척한 유리기판에 크롬층을 증착하는 단계; 크롬층에 포토레지스트층을 코팅하는 단계; 소프트 베이킹하고, 자외선에 노출시키는 단계; 자외선에 노출된 포토레지스트층을 현상하고 크롬층을 식각하여 전극을 형성하는 단계; 포토레지스트층을 제거하고 전극을 완성하는 단계; 전극에 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브의 합성물을 코팅하는 단계; 소프트 베이킹하고 자외선에 노출시키는 단계; 자외선에 노출된 감광성 폴리머와 탄소 나노튜브의 합성물을 현상하고 린스(rinse)하는 단계; 소결하는 단계;로 이루어지는 감광성 폴리머를 이용한 빗살형 엔진오일 열화 감지 센서의 제조방법.