KR20150014061A - 수분센서 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오일 내에 직접 접촉하여 오일 내의 미세수분을 검출하여 오일의 상태정보를 실시간 측정하는 수분센서 제조방법에 관한 것으로, 기판 위에 소정의 면적으로 전극을 형성하는 단계, 상기 전극 위에 전기전도도의 변화를 측정하기 위한 전자전달부를 형성하는 단계, 및 상기 기판 및 전자전달부의 상부의 일부 내지는 전체에 오일 내의 미세수분이 흡착 및 탈착되는 수분감지부를 형성하는 단계를포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수분센서 제조방법{A method for manufacturing moisture sensor}

본 발명은 오일 내에 직접 접촉되어 오일 내에 포함되어 있는 수분의 양을 검출하기 위한 수분센서 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 전력용 변압기는 유입식 변압기로서 절연과 냉각을 위하여 절연유를 사용한다. 어떠한 원인에 의해서 절연유의 성능이 저하되면 절연과 냉각효과가 저하되어 변압기에 전기적 열적 고장을 초래한다. 특히 절연유 중의 수분은 절연유의 절연파괴전압을 저하시킬 뿐만 아니라 동 및 기타 금속의 부식에도 영향을 미친다. 따라서 절연유에 수분침입을 방지하기 위하여 저용량 변압기에는 흡습호흡기를 대용량변압기에는 질소 봉입 방식을 사용한다. 이 중 질소봉입방식은 외함을 밀봉하고 유면 상에 질소가스를 봉입하기 때문에 외기와의 접촉이 완전히 차단되므로 흡습 및 산화에 의한 열화가 적다.

이와 같이 유입식 변압기는 흡습을 방지하기 위하여 여러 가지 방법을 사용하지만, 외부에서 들어오는 수분 외에 절연지나 혹은 절연유의 열열화 등에 의하여 절연유 중 수분농도가 상승할 수 있으므로 절연유의 절연강도에 중대한 영향을 미치는 수분의 철저한 감시가 필요하다. 또한 수분농도 상승에 의한 변압기의 고장은 곧바로 광역정전을 수반하게 되어 산업 현장에 막대한 영향을 미치게 되므로 전력의 정상 공급여부는 곧 변압기의 정상운전 여부와 직결된다고 할 수 있으며, 이에 따라 변전용 변압기의 이상 징후를 실시간으로 진단, 분석하여 예방 정비를 실시함으로써 고장 확대에 따른 불시정지를 예방하기 위한 센서 기술이 필요시 되고 있다.

위와 같은 문제를 해결하기 위해 전력 시스템의 이상 유무 및 수명을 판단할 수 있는 실시간 점검을 위해 변압기 수분 흡습 정도의 전기화학적 측정 능력이 있는 수분 센서의 개발이 필요하다.

또 다른 적용분야로 엔진오일이나 미션 오일과 같은 종류의 윤활유는 사용환경이 가혹한 고온동작조건에서 사용되고 있으며, 특히 사용조건에 따라 오일은 수분에 의한 기능성 저하로 직결되기도 한다. 엔진오일의 경우 이러한 원인은 연료에 첨가된 수분과 같은 미세가스가 오일 내부에 포함되어 다양한 형태의 불순물이 혼재하게 되어 엔진윤활 작용시 미끄러짐 현상이 발생하게 되며, 미션오일이나 브레이크 오일의 경우도 역시 정상적인 윤활작용을 하지 못하여 사고로 직결되는 경우가 종종 발생하기도 한다.

종래의 관련된 센서는 오일내의 수분의 양을 정확히 판단하기 어렵거나, 혹은 수분 이외의 불순물의 영향에 의해 오일 내에서 직접적인 측정방법으로 수분의 양의 정확한 파악이 불가능한 문제점이 제기되어 왔다.

즉, 기존 종래의 센서는 오일 내에 혼재되어 있는 미세수분의 양을 오일의 종류별로 선택적 검출이 불가하였으며, 오일의 사용환경 및 종류(절연유, 윤활유 등)에 따라 선택적으로 필요한 수분의 양을 검출하기 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 이러한 오일 내의 미세수분에 대한 검출과 이에 따른 오일의 관리는 관련된 응용분야에서 정확한 수분의 양에 대한 판단으로 오일을 사용하는 기기 동작의 오동작을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 최근 유비쿼터스 시대를 맞아 최적화된 오일내의 수분감지를 위한 센서를 통하여 다양한 사용환경 내에서의 오일상태 정보를 확보하는 것이 요구되고 있으며, 또한 다양한 조건에서 사용이 가능한 오일 내의 수분의 양의 변화를 보다 정확히 판단을 할 수 있는 센서 및 이들의 최적화된 제조방법의 필요성이 요구되고 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명의 목적은 오일 내의 미세수분을 검출하여 오일 내의 상태정보를 정확히 제공하는 수분센서 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수분센서 제조방법은, 오일 내에 직접 접촉하여 오일 내의 미세수분을 검출하여 오일의 상태정보를 실시간 측정하는 수분센서 제조방법에 있어서, 기판 위에 소정의 면적으로 전극을 형성하는 단계; 상기 전극 위에 전기전도도의 변화를 측정하기 위한 전자전달부를 형성하는 단계; 및 상기 기판 및 전자전달부의 상부의 일부 내지는 전체에 오일 내의 미세수분이 흡착 및 탈착되는 수분감지부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전극은 Au, Pt, Al, Ni, Cu 중 어느 하나를 열, E-beam, 스퍼터 중 어느 하나의 방법으로 증착하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전자전달부는 스크린프린팅 또는 스프레이 분사방식으로 형성한 후, 약 350℃ 내지 450℃에서 소결시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 수분감지부는 NaCl, K2SO4, Mg(N03)2·6H20, MgCl2, LiCl, Na-셀룰로오스 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 수분감지부는 코팅막에 사용되는 코팅용액을 Na-셀룰로오스/물=x의 질량비로 구성하며, x는 100 내지 1로 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 수분감지부는 100℃ 내지 120℃에서 약 10분 내지 1시간 동안 건조하여 수분을 제거하는 것을 특징으로 한다.

위에서와 같이, 본 발명의 수분센서 제조방법으로 절연유, 윤활유 등 다양한 종류의 오일에서 미세수분 검출이 가능하여 오일의 미세수분의 정보를 정확히 판단할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 수분센서의 제조방법으로 오일의 변화정보와 오일을 사용하는 기계장치 및 기구장치의 이상 발생을 미연에 방지하여 장치 내구성을 증대시키고 관리 효율성을 제고시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수분센서 제조공정을 나타낸 단면도
도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제조공정으로 제조된 수분센서의 평면도 및 단면도
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수분센서 제조공정을 나타낸 단면도
도 4(a) 및 4(b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제조공정으로 제조된 수분센서의 평면도 및 단면도
도 5는 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 수분센서의 수분반응성을 나타내는 그래프

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 수분센서의 제조공정을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수분센서의 제조공정을 나타낸 것이다.

먼저, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 오일 내에 직접 접촉하여 오일 내의 미세수분을 검출하여 오일의 상태정보를 실시간 측정하는 수분센서(20)는 기판(200)을 세척한다. 여기서, 상기 기판(200)은 고유저항 10⁴Ωm 이상의 절연재료인 유리, 알루미나 또는 실리콘기판을 사용한다.

이어서, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 기판(200) 위에 Au, Pt, Al, Ni, Cu 중 어느 하나를 열증착, E-beam증착 또는 스퍼터증착 방법으로 형성한 후 소정의 면적으로 전극(210)을 패터링한다.

이어서, 도 1(c)에 나타낸 바와 같이, 전극(210) 위에 전자전달부(220)을 형성한다.

상기 전자전달부(220)의 제조방법은 바인더와 알파-테피놀을 섞어 가열하여 녹이는 단계, 즉 Ethyl Cellulose와 알파-테피놀을 일정 비율로 섞어 가열하여 녹이는 단계를 수행한다. 이어서, 상기의 재료와 전자전달부 재료(예, 탄소나노튜브)를 섞어 일정 점도를 유지할 수 있는 단계를 수행한 후 전극이 패터닝된 상기 기판 위에 상기 재료를 스크린프린팅 또는 스프레이 분사방식으로 형성한 후, 도 1(d)와 같이 전기로에서 약 350℃ 내지 450℃에서 소결(100)시키는 단계를 수행한다.

상기 수분센서(20)의 전자전달부(220)는 비표면적이 큰 물질을 사용하며, 전자전달부(220)의 전기전도도 변화는 표면의 계면에서 전기적으로 (+)로 대전되는 경우 전기전도도가 증가하며, 전기적으로 (-)로 대전되는 경우 전기전도도가 감소된다.

상기 전자전달부(220)의 구성물질은 탄소나노튜브, 활성탄소, 활성탄소섬유, 카본에어로젤, 탄소나노섬유와 같은 탄소계열 재료 중 어느 하나를 사용하며, 박막의 표면적이 매우 크며 표면에 접촉되는 물질이 쉽게 흡착 및 탈착됨과 동시에 전자전달반응이 발생하여 박막의 전기전도도의 변화가 발생한다.

이어서, 도 1(e)에 나타낸 바와 같이, 전자전달부(220)를 포함하는 센서 기판(200)을 수분이 쉽게 흡습되는 물질인 NaCl, K2SO4, Mg(N03)2·6H20, MgCl2, LiCl, Na-셀룰로오스 중 어느 하나를 사용하며, 코팅용액(110) 제조이 용이한 Na-셀룰로오스를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 수분감지부(230)의 제조단계는 코팅막에 사용되는 코팅용액(110)을 Na-셀룰로오스/물=x의 질량비로 구성하며, x는 100 내지 1이 바람직하고, x는 40이 더욱 바람직하다.

이어서, 도 1(f)에 나타낸 바와 같이, 코팅막 형성 후에는 100℃ 내지 120℃에서 약 10분 내지 1시간 동안 수분 건조(120)를 수행한다. 이때, 건조 시간은 120℃에서 30분간 건조하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 도 1(g)에 나타낸 바와 같이, 수분감지부(230)는 상기 코팅막 구성과 건조반응의 반응시간과 반응온도에 따라 상기 전극(210)과 전자전달부(220)를 포함하는 기판(200) 상부의 일부 내지 전체에 형성되어 본 발명에 의한 수분센서(20)를 구성할 수 있다.

도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 제1실시예에 따른 제조공정으로 제조된 수분센서의 평면도 및 단면도 를 나타낸 것이다.

도 2(a)를 참조하면, 오일 내에 직접 접촉되어 오일 내에 포함되어 있는 수분의 양을 검출하는 수분센서(20)는 기판(200) 위에 소정의 면적으로 형성된 전극(210), 상기 전극(210) 위에 오일 내에서 흡착된 수분의 양에 따라 전자전달반응이 발생하며, 이때의 전기전도도의 변화를 측정하기 위한 전자전달부(220)를 구성한다.

이후 상기 전자전달부(220)의 상부에 오일 내의 미세수분이 흡착 및 탈착되는 특성을 가지는 수분감지부(230)을 구성한다.

도 2(b)를 참조하면, 수분센서(20)의 측정 방식은 오일 내에 상기 수분센서(20)의 수분감지부(230)가 접촉되고 오일내의 수분이 상기 수분감지부(230)로 흡착 및 탈착되는 변화가 발생된다. 이때 흡수된 수분은 수분감지부(230)와 전자전달부(220)의 계면을 통해 전자전달반응이 생성되어 전기전도도의 변화를 발생시키며, 이때의 전기전도도의 변화를 상기 수분센서의 양단 전극(210)을 통해 측정하여 오일 내의 수분함유량을 판단할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 수분센서 제조공정을 나타낸 것이다.

도 3은 도 1에서 수분센서(20) 제조공정을 변형하여 기판(200) 위에 전자전달부(220)를 먼저 형성한 후 전극(210)을 형성한 후 소결하는 단계(100)와 수분감지부(230)를 제조하는 단계의 코팅용액(110)의 반응시간과 반응온도를 유지하여 건조단계를 진행함으로써 상기 전극(210)과 전자전달부(220)를 포함하는 기판(200) 상부의 일부 내지 전체를 수분감지막(230)으로 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 4(a) 및 4(b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제조공정으로 제조된 수분센서의 평면도 및 단면도를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 의해 제시된 제조공정으로 제조된 경우 전자전달부(220)를 전극(210)이 감싼구조로 형성되어 전자전달부(220)의 반응면적을 정확히 구현하기 용이하며, 형성된 전자전달부(220)의 노출 표면적에 따라 전기전도도의 오차가 적어지며, 특히 전자절달부(220)와 전극(210)의 접촉면적이 커져 보다 접촉저항이 적은 내구성이 우수한 수분센서(20)를 제조할 수 있는 특징이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 수분센서의 수분반응성을 나타내는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에서 제안된 제조방법으로 제조된 수분센서(20)는 전자전달부(220)를 탄소나노튜브로 수분감지부(230)를 Na-셀룰로오스로 사용하여 구성하였다. 테스트에 사용된 절연유에는 수분이 약 52ppm을 포함한 시료를 사용하여 상온에서 시간에 따른 수분반응성을 확인하였다.

도 5에서 절연유 오일 내에서 미세수분의 변화는 종래의 수분센서는 거의 반응이 나타나지 않았으나, 상기 본 발명으로 구성된 수분센서(20)의 변화는 약 수분 내에 빠르게 전기전도도의 변화를 확인할 수 있었다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 다양한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 기술하였으나 본 발명의 기술적 범위가 상기 기술된 사항에 국한되지 않는 것은 너무도 자명하다. 즉, 본 발명의 기술적 사상에 따라 상술한 바와 같은 구체적인 실시예 및 첨부한 도면에 특별히 한정된다 할 수 없으며, 본 특허등록 청구범위의 기술적 사상에 유사한 범주 내에서의 다양한 변형 실시는 본 특허에 귀속될 수 있다 할 것이다.

20: 수분센서 200: 기판
210: 전극 220: 전자전달부
230: 수분감지부 100: 소결
110: 코팅용액 120: 수분건조

Claims (6)

1. 오일 내에 직접 접촉하여 오일 내의 미세수분을 검출하여 오일의 상태정보를 실시간 측정하는 수분센서 제조방법에 있어서,
   기판 위에 소정의 면적으로 전극을 형성하는 단계;
   상기 전극 위에 전기전도도의 변화를 측정하기 위한 전자전달부를 형성하는 단계; 및
   상기 기판 및 전자전달부의 상부의 일부 내지는 전체에 오일 내의 미세수분이 흡착 및 탈착되는 수분감지부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수분센서 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전극은 Au, Pt, Al, Ni, Cu 중 어느 하나를 열, E-beam, 스퍼터 중 어느 하나의 방법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 수분센서 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전자전달부는 스크린프린팅 또는 스프레이 분사방식으로 형성한 후, 약 350℃ 내지 450℃에서 소결시키는 것을 특징으로 하는 수분센서 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 수분감지부는 NaCl, K2SO4, Mg(N03)2·6H20, MgCl2, LiCl, Na-셀룰로오스 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 수분센서 제조방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 수분감지부는 코팅막에 사용되는 코팅용액을 Na-셀룰로오스/물=x의 질량비로 구성하며, x는 100 내지 1로 구성하는 것을 특징으로 하는 수분센서 제조방법.
   
6. 제 4항 또는 5항에 있어서,
   상기 수분감지부는 100℃ 내지 120℃에서 약 10분 내지 1시간 동안 건조하여 수분을 제거하는 것을 특징으로 하는 수분센서 제조방법.

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