KR20140125904A - 다공성 형태의 감습구멍을 갖는 정전용량형 습도센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정전용량형 습도센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상부 전극과 감습층을 함께 관통하는 복수개의 감습구멍을 원형 격자 패턴으로 타공하고, 감습층의 감습구멍 내면에는 친수성 처리하여 습도변화에 매우 민감한 다공성 형태의 정전용량형 습도센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 정전용량형 습도센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상부 전극과 감습층을 함께 관통하는 복수개의 감습구멍을 원형 격자 패턴으로 타공하고, 감습층의 감습구멍 내면에는 친수성 처리하여 습도변화에 매우 민감한 다공성 형태의 감습구멍을 갖는 정전용량형 습도센서에 관한 것이다.
습도센서는 공공안전용, 의료용, 농업용, 공업용뿐만 아니라 다양한 산업분야에서 광범위하게 사용되는 화학센서의 일종이다.
습도센서 중에서도 고분자 습도센서는 오염에 대한 내구성 강하여 최근 각광받고 있는 기술로서, 습도의 측정원리에 따라 정전용량형 습도센서와 저항형 습도센서로 구분할 수 있다.
도 1은 종래의 정전용량형 습도센서를 보여주는 도면이고, 도 2는 종래의 저항형 습도센서를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 정전용량형 습도센서(10)는 습도에 따른 유전율의 변화로 정전용량의 차이를 감지하여 습도를 측정하는 센서로서 선형적으로 습도를 측정할 수 있는 장점이 있으나, 소형화에 한계가 있고, 응답속도가 느리며, 하부전극(11), 상부전극(12) 사이에 고분자 감습층(13)이 존재하므로 민감도를 높이기에 한계가 있다.
도 2를 참조하면, 종래의 저항형 습도센서(20)는 고분자 감습층(21) 상에 형성된 전극(22)이 습도에 따라 변화하는 전기저항의 변화를 이용하여 습도를 측정하는 센서로서, 소형화가 가능하고 응답속도가 빠른 장점이 있지만 선형적인 습도측정이 불안정한 단점이 있다.
도 3은 종래의 정전용량형 습도센서(10)의 문제점을 해결하기 위해 안출된 종래의 개선된 정전용량형 습도센서(30, 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법, 한국공개특허 제10-2006-0102236호)에 관한 것으로 상부전극(31)에 복수 개의 홀(hole)을 형성하여 감습층(32)의 감습면적을 크게 함으로써 감도 및 응답특성이 향상시킨 장점이 있다.
그러나 이러한 종래의 개선된 정전용량형 습도센서(30)의 경우에도 감습층(32)의 표면에만 습기가 감습되는 구조이므로 감도향상에 한계가 있다.
본 발명자들은 정정용량형 습도센서의 민감도를 향상시키고자 연구 노력한 결과, 감습층의 감습면적 및 감습감도를 매우 크게 하여 센서의 민감도 및 선형성을 높일 수 있는 정전용량형 습도센서의 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 민감도 및 측정의 선형성을 매우 향상시킬 수 있는 정전용량형 습도센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판, 하부 전극, 감습층 및 상부 전극이 순차로 적층되어 감습층의 유전율 변화에 따라 전극들 사이의 정전용량의 차이를 감지하여 습도를 측정하는 정전용량형 습도센서에 있어서, 상기 상부 전극과 상기 감습층에는 상기 상부 전극과 상기 감습층을 관통하는 타공되는 복수 개의 감습구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 감습층은 폴리이미드(polyimide)계 고분자 층으로 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판은 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane) 기판을 포함하는 유연성 기판이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 감습구멍들은 원형 격자 패턴(Hole grid pattern)으로 타공된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 감습층은 자외선 표면 개질 또는 플라즈마 표면 개질을 통해 친수성 처리된다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
본 발명의 정전용량형 습도센서에 의하면 마이크로 머시닝 공정을 통해 상부전극에서 감습층까지 감습구멍을 타공함으로서 감습구멍 내측의 거칠기를 향상시킬 수 있고, 감습면이 감습층의 표면이 아닌 내부에 형성할 수 있으므로 감습면의 비표면적을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 정전용량형 습도센서에 의하면, 감습층에 형성된 감습구멍의 감습면을 친수성 처리하여 수분의 접촉을 용이하게 함으로서 민감도가 매우 향상된 습도센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 정전용량형 습도센서를 보여주는 도면,
도 2는 종래의 저항형 습도센서를 보여주는 도면,
도 3은 종래의 개선된 정전용량형 습도센서를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 습도센서를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 수직 단면도,
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 친수성 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 저항형 습도센서를 보여주는 도면,
도 3은 종래의 개선된 정전용량형 습도센서를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 습도센서를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 수직 단면도,
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 습도센서의 친수성 처리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 4을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 습도센서(100)는 기판(110), 하부전극(120), 감습층(130) 및 상부전극(140)을 포함하여 이루어진다.
상기 기판(110)는 상기 하부전극(120), 상기 감습층(130) 및 상부전극(140)을 고정하고 지지하는 기판으로서 외부 충격에 강인한 유연성 기판으로 구성된다.
또한, 상기 기판(110)은 폴리우레탄 아크릴레이트(Polyurethane acrylate), 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Poly ethylene glycol diacrylate), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate), 폴리이미드(Polyimide), 폴리에테르이미드(Polyether imide), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에스터(Polyester) 및 폴리다이메틸실록산(PDMS:polydimethyl-siloxanes)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 두 개 이상의 복합체로 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 기판(110)을 내구성이 강한 탄성 중합체로 많은 사용에도 손상이 발생하지 않는 폴리다이메틸실록산(PDMS:polydimethyl-siloxanes) 기판으로 구성하였다.
상기 하부전극(120)은 상기 기판(110) 상에 형성되며, 아래에서 설명할 상부전극(140)과 함께 정전용량에 따른 전기신호를 출력한다.
또한, 상기 하부 전극(120)은 전자빔증착법(e-beam evaporator), 열증착법(thermal evaporation), 레이저분자빔증착법(laser molecular beam epitaxy), 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition) 또는 스퍼터링증착법(sputtering)을 이용하여 상기 기판(110) 상에 증착된다.
이 중, 스퍼터링 증착법은 거의 모든 종류의 금속박막을 양호하게 코팅할 수 있고, 스텝 커버리지(step coverage)도 높아 코팅막의 형상제한이 거의 없으므로 본 발명의 전극 증착법으로 사용하였다.
또한, 상기 하부 전극(120)은 알루미늄이나 금과 같은 전도성이 우수한 금속재료를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 감습층(130)은 흡착되는 물의 분자량에 따라 정전용량이 변화하는 고분자 층으로서, 0~100%RH 까지 측정범위가 넓고 습도에 따라 직선형의 선형적인 출력을 갖는다.
또한, 상기 감습층(130)은 친수성을 갖는 고분자 물질로 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA:Poly methyl methacrylate), 폴리비닐알코올(PVA:Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌글리콜(PEG:Poly ethylene glycol), 폴리이미드(Polyimide) 또는 셀룰로오스(cellulose)로 이루어질 수 있다.
이러한 고분자 물질은 재료자체에 흡습성을 존재하므로 센서특성을 재현하기 쉬운 장점이 있으나 내열성이 약해 고온의 장소에서 사용이 불가한 단점이 있다.
이 중, 폴리이미드는 비교적 내열성이 우수하고 화학적으로 안정하여 높은 온도에서도 사용이 가능하며, 약 친수성인 카르보닐기(carbonyl group)를 분자구조 내에 갖고 있어 습도변화에 따른 감습감도가 우수하고, 습도에 대한 선형적인 민감성, 화학물질에 대한 저항성 및 좋은 히스테리시스의 성질을 가지고 있다.
따라서, 본 발명에서는 폴리이미드계 고분자를 상기 하부전극(120) 상에 코팅하여 상기 감습층(130)을 형성하였다.
상기 상부 전극(140)은 상기 감습층(130) 상에 적층되며, 상기 하부 전극(120)과 함께 상기 감습층(140)의 유전률 변화에 따른 정전용량을 측정하기 위한 전극이다.
또한, 상기 상부 전극(140)은 상기 감습층(130) 상에 전자빔증착법, 열증착법, 레이저분자빔증착법, 펄스레이저 증착법 또는 스퍼터링증착법 등을 이용하여 상기 감습층(130) 상에 증착된다.
바람직하게는 상기 상부 전극(140)은 거의 모든 종류의 금속박막을 양호하게 코팅할 수 있고, 스텝 커버리지(step coverage)도 높아 코팅막의 형상제한이 거의 없는 스퍼터링증착법을 이용하여 증착된다.
또한, 상기 상부 전극(140)과 상기 감습층(130)에는 상기 상부 전극(140)과 상기 감습층(130)을 함께 관통하는 복수 개의 감습구멍(141)이 타공된다.
또한, 상기 감습구멍(141)은 상기 감습층(130)의 표면이 아니라 상기 감습층(130)의 내 측에 형성되므로 센서의 민감도를 매우 높일 수 있다.
또한, 상기 감습구멍(141)은 도 3에서 보인 종래의 개선된 정전용량형 습도센서(30)와 비교하여 수분이 상기 감습층(130)의 표면이 아니라 상기 감습층(130)의 내 측에서 접촉될 수 있으므로 센서의 민감도가 매우 향상되는 장점이 있다.
도 5를 참조하여 더욱 자세하게 설명하면, 도 5는 상기 정전용량형 습도센서(100)의 수직 단면도를 보여주는 것으로, 상기 감습층(130)의 감습면(141a)은 상기 상부전극(140)만을 식각하여 표면에서 수분을 감습하는 종래의 방법보다 감습면적이 매우 넓어지므로 민감도가 매우 우수한 습도센서를 제공할 수 있는 것이다.
또한, 상기 감습구멍(141)은 마이크로 머시닝(micro-machining) 공정을 통해 원형의 격자 패턴으로 타공된다. 그 이유는 상기 감습층(130)에서 수분이 접촉하는 면적을 최대가 되게 하기 위함이다.
또한, 상기 마이크로 머시닝 공정은 상기 상부 전극(140)과 상기 감습층(130)을 식각하기 위한 공정으로 레이저가공이나 DRIE(Deep Reactive Ion Etch) 공정을 이용한다. 레이저가공을 이용할 경우 DRIE 공정보다는 상대적으로 저렴하고 간단하게 구멍을 타공할 수 있으나 구멍의 거칠기나 형상의 균일도 등이 DRIE 공정보다 낮다.
따라서, 본 발명에서는 상기 마이크로 머시닝 공정으로 DRIE공정을 이용하여 상기 감습구멍(141) 내부의 거칠기를 향상시킴으로서 상기 감슴층(130)의 습기 접촉면이 넓어지게 하여 센서의 민감도를 향상시켰다.
또한, 상기 감습구멍(141)의 내부는 상기 감습층(130)의 수분 흡착성을 향상시키기 위해 친수성 처리되며, 도 6을 참조하면, 상기 감습층(130)의 감습구멍 표면에는 친수처리된 감습면(141a')이 형성된다.
또한, 상기 감습층(130)의 친수성 처리는 감습구멍 내부로 자외선을 조사하여 개질하는 자외선 표면 개질 또는 산소, 질소, 아르곤, 육불화황 플라즈마를 감습구멍 내부로 공급하는 플라즈마 표면 개질을 통해 이루어지며, 이러한 친수성 처리는 코로나 방전을 통한 개질과 같은 공지된 개질 방법을 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 정전용량형 습도센서(100)는 종래의 정전용량형 습도센서들(10,30)과 비교하여 마이크로 머시닝 공정을 통해 감습층(130)까지 감습구멍을 타공하므로 감습구멍 내측의 거칠기를 향상시킬 수 있고, 감습면이 감습층(130)의 표면이 아닌 내부에 있으므로 감습면의 비표면적을 최대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 정전용량형 습도센서(100)는 감습층(130)의 감습면을 친수성 처리하여 수분의 접촉을 용이하게 함으로서 민감도가 매우 향상된 습도센서를 제공할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:정전용량형 습도 센서 110:기판
120:하부 전극 130:감습층
140:상부 전극 141:감습구멍
120:하부 전극 130:감습층
140:상부 전극 141:감습구멍
Claims (5)
- 기판, 하부 전극, 감습층 및 상부 전극이 순차로 적층되어 감습층의 유전율 변화에 따라 전극들 사이의 정전용량의 차이를 감지하여 습도를 측정하는 정전용량형 습도센서에 있어서,
상기 상부 전극과 상기 감습층에는 상기 상부 전극과 상기 감습층을 관통하는 타공되는 복수 개의 감습구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 감습층은 폴리이미드(polyimide)계 고분자 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane) 기판을 포함하는 유연성 기판인 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
- 제 3 항에 있어서,
상기 감습구멍들은 원형 격자 패턴(Hole grid pattern)으로 타공되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감습층은 자외선 표면 개질 또는 플라즈마 표면 개질을 통해 친수성 처리되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
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