KR20150022819A - 그래핀 전극을 갖는 정전용량형 습도 센서 - Google Patents

그래핀 전극을 갖는 정전용량형 습도 센서 Download PDF

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압델카데르 알리안
장-마리 베릴아끄
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꼼미사리아 아 레네르지 아또미끄 에 오 에네르지 알떼르나띠브스
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Abstract

낮은 수분 투과성을 갖는 유전성 재료, 및 전극과 접촉하는 상기 유전 재료의 수분 투과성보다 큰 수분 투과성을 갖는 전극을 포함하는 정전용량형 습도 센서 장치의 제조 방법이 개시된다.

Description

그래핀 전극을 갖는 정전용량형 습도 센서{Capacitive moisture sensor having a graphene electrode}
본 발명은 정전용량 검출 또는 측정 장치의 분야에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 습도를 검출하고 및/또는 측정하는데 사용되는 정전용량 검출 또는 측정 장치의 분야에 관한 것이다.
본 발명은 낮은 수준의 습도를 검출 또는 측정하는데 적합한 개선된 습도 감지 장치; 높은 측정 빈도수로 측정하는 것을 가능하게 하는 그것의 구조; 및 그러한 센서를 제조하는 방법;에 관한 것이다.
임피던스 변화를 측정함으로써 상대 습도를 측정하는 것은 자주 사용되는 기술이다.
임피던스 변화를 측정함으로써 상대 습도를 측정하기 위한 장치 중에, 주변의 수분을 흡수하도록 설계된 민감성 유전 재료(sensitive dielectric material)의 층을 포함하는 정전용량형 센서를 사용하는 장치가 있다.
이러한 센서에 있어서, 유전 재료의 층이 두 개의 전극 사이에 위치되고, 그 전체는 축전기(capacitor)를 형성한다. 습도가 변화할 때, 유전 재료의 상기 층에 의해 흡수되는 물의 양 또한 변화하고, 그에 따라, 이 층의 유전 상수가 변화되고, 결국, 축전기의 정전용량이 변화되는데, 바로 이것이 측정된다. 약 80 정도인 물의 유전 상수의 높은 값 때문에 그 변화가 크게 일어날 수 있다.
『JUHASZ L et al “A simple humidity sensor with thin film porous alumina and heating”, Elsevier Vol. 5, 2010』 문헌은, 예를 들어, 수분이 알루미나의 층에 수용(housing)되는 습도 센서를 제공한다. 이러한 센서의 검출 빈도수는 이 알루미나 층의 건조 시간에 의해 제한된다.
센서의 건조는 실제로 문제를 일으킬 수 있고, 서로 가까이 있는 복수의 연속된 측정의 수행을 막는다.
이 문제는 낮은 수준의 습도를 검출하기 위하여 설계되고 향상된 감도(sensitivity)를 갖는 신규한 습도 센서를 찾는 것을 제기한다.
본 발명은 개선된 감도를 갖는 정전용량형 센서를 구비한 습도를 검출 및/또는 측정하기 위한 장치의 제조에 관한 것이다.
이 목적을 위해, 본 발명에서 제안하는 정전용량형 센서는 수분 투과성인 주어진 전도성 재료에 기초한 적어도 하나의 층으로 형성된 상부 전극을 포함하되, 상기 상부 전극은 전도성 재료의 상기 층보다 더 낮은 수분 투과성을 갖는 유전 영역과 접촉한다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 유전 영역과, 센서의 전극에 속하는 주어진 전도성 재료의 층 사이의 계면(interface)에 가까이 있는 수분의 검출이 선호된다.
센서의 층들의 스택(stack)에서, 검출된 수분은 평균적으로, 종래 기술에 따른 센서에서보다, 센서의 바깥쪽에 더 가깝게 위치되는데, 이는 더 좋은 건조를 달성하는 것을 가능하게 하고, 그에 따라, 다공성 유전체를 가진 정전용량형 센서보다, 주어진 시간 동안 더 많은 횟수의 측정을 수행할 수 있다.
유전 영역은, 유리하게는, 낮은 수분 투과성을 갖는다.
유전 영역은 유리하게는, 비다공성이거나 매우 낮은 공극률(예를 들어, 8% 미만의 최대 공극률)을 가질 수 있다.
유전 영역에는, 특히, 최대 치수(또는 직경으로 지칭됨)가 4nm 미만인 기공이 구비될 수 있다.
유전 영역은 또한 물 분자에 대한 낮은 친화성(affinity)를 갖는 재료에 기초될 수 있다.
유전 영역은, 유리하게는, 소수성일 수 있다.
유전 영역은 센서의 하부 전극 상에 놓여진다.
상부 전극의 재료는, 유리하게는, 그래핀일 수 있다. 그래핀에 의한 물 분자의 흡수가 그것의 갭(gap)을 조절한다.
그래핀은 전기적으로 전도성이고 습도에 대한 감도를 가지며, 그래핀 내의 물 분자의 존재는, 그것의 갭을 증가시킴으로써, 그것을 반도체성으로 만들 수 있다.
상부 전극은 여러개의 적층된 원자 서브층으로부터 형성된 그래핀의 층을 포함할 수 있다.
그래핀의 층은 예를 들어 100 nm 및 5 ㎛ 사이의 두께를 가질 수 있다.
물 분자는 용이하게 원자 서브층들 사이에 삽입될 수 있고, 그에 따라, 상부 전극의 재료의 갭을 조절할 수 있다.
상부 전극을 형성하는 층을 통과하는 홀(hole)은 수분 투과성을 향상시키기 위하여 유리하게 제공될 수 있다.
이러한 홀들은 또한 건조를 향상시킬 수 있다.
상기 홀들 중에서 적어도 하나의 홀은 또한 유전 재료 영역을 통과하고, 하부 전극을 드러낼 수 있다.
센서는 상부 전극을 드러내는 홀들 및 하부 전극을 드러내는 홀들을 교대로 포함할 수 있다.
검출 감도를 향상시키기 위하여, 소위 "자기조립" 친수성 단일층이, 주어진 전도성 재료의 상기 층에 형성된 홀에 의해 드러나고 상기 유전 영역 상에 남아있는 상부 전극의 영역(특히, 금속 영역) 상에 제공될 수 있다.
검출 감도를 향상시키기 위하여, 소위 "자기조립" 친수성 단일층이, 주어진 전도성 재료의 상기 층에 형성된 홀에 의해 드러나고 상기 유전 영역을 통과하는 하부 전극의 영역(특히, 금속 영역) 상에 제공될 수 있다.
센서의 구현의 한가지 가능성에 따르면, 상부 전극은 천공된 소수성 보호층으로 덮일 수 있다.
센서의 전극들은, 예를 들어 폴리머 재료에 기초하는, 유연한 지지체(flexible support) 상에 배치될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 정의된 바와 같은 센서가 구비된 온도 측정 또는 검출 장치에 관한 것이다.
다른 측면에 따라, 본 발명은 하기의 단계들로 이루어진 단계들을 포함하는 정전용량형 습도 센서 제조 방법에 관한 것이다:
- 지지체 상에 제1 전극의 적어도 하나의 전도성 층을 형성하는 단계,
- 상기 제1 전극의 상기 전도성 층 상에 적어도 하나의 유전 재료 영역을 형성하는 단계,
- 유전 재료의 상기 층 상에, 하기 주어진 전도성 재료의 층과 접촉하는 상기 유전 재료 영역의 수분 투과성보다 큰 수분 투과성을 갖는 주어진 전도성 재료의 층을 형성하는 단계.
주어진 재료는, 유리하게는 그래핀일 수 있다.
이 방법은 상기 유전 재료 영역의 형성 이후 및 주어진 전도성 재료의 상기 층의 형성 이전에, 하기의 단계들로 이루어진 단계들을 포함할 수 있다:
- 상기 유전 재료 영역 상에 희생 마스킹(sacrificial masking)을 형성하는 단계; 그 다음,
- 상기 유전 재료 영역을 드러내는 상기 희생 마스킹의 개구부를 통해 상기 유전 재료 영역 상에 적어도 하나의 금속 영역을 형성하는 단계; 및
- 상기 희생 마스킹을 제거하고, 이후에, 주어진 전도성 재료의 상기 층을, 상기 금속 영역 주변에, 상기 금속 영역을 드러내는 홀을 사용하여, 생성하는 단계.
희생 마스킹을 제거하는 단계 이후에, 상기 금속 영역 상에 친수성 SAM 층을 침착시키는 단계로 이루어진 단계가 제공될 수 있다.
본 발명은, 순전히 예시의 목적으로 제공되는 것일 뿐 어떠한 방식으로든 제한하는 것이 아닌 예시적인 구현예들의 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이고, 첨부된 도면을 참조한다:
- 도 1은 정전용량형 습도 센서의 배치의 제1 실시예를 도시하는 것으로, 이 때, 센서는 수분 투과성인 적어도 하나의 상부 전극을 가지며, 이 때, 상부 전극은, 수분 투과성이 없거나 수분 투과성이 약간 있는 유전 영역 상에 놓여져 있다.
- 도 2는 본 발명에 따른 정전용량형 습도 센서의 배치의 제2 실시예를 도시하는 것으로, 이 때, 센서는 수분 투과성인 적어도 하나의 상부 전극을 가지며, 이 때, 상부 전극은, 수분 투과성이 없거나 수분 투과성이 약간 있는 유전 영역 상에 놓여져 있다.
- 도 3은 본 발명에 따른 정전용량형 습도 센서의 배치의 제3 실시예를 도시하는 것으로, 이 때, 센서는 수분 투과성인 적어도 하나의 상부 전극을 가지며, 이 때, 상부 전극은, 수분 투과성이 없거나 수분 투과성이 약간 있는 유전 영역 상에 놓여져 있다.
- 도 4는 본 발명에 따른 정전용량형 습도 센서의 배치의 제4 실시예를 도시하는 것으로, 이 때, 센서는 수분 투과성인 적어도 하나의 상부 전극을 가지며, 이 때, 상부 전극은, 수분 투과성이 없거나 수분 투과성이 약간 있는 유전 영역 상에 놓여져 있다.
- 도 5 및 도 6은 본 발명에 따라 구현된 바와 같은 습도 센서에 의해 얻어진 측정 결과를 도시한다.
- 도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 정전용량형 습도 센서 제조 방법의 제1 실시예를 도시한다.
- 도 8a 내지 도 8g는 본 발명에 따른 습도 센서 제조 방법의 다른 실시예를 도시한다.
- 도 9는 온도 변화에 민감한 본 발명에 따른 정전용량형 습도 센서 제조를 위한 처리의 실시예를 도시한다.
- 도 10은 그래핀으로 이루어진 재료에 대한 Ag 입자의 첨가가 TCR 계수에 미치는 효과를 도시한다.
다양한 도면에서, 동일하거나 유사한, 또는 균등한 부분들은 동일한 참조 번호를 지정하여, 하나의 도면에서 다른 도면으로 넘어가는 것이 용이하도록 하였다.
도면에 도시된 다양한 부분들은 반드시 일정한 축척으로 도시되지 않으며, 이는 도면을 더 알아보기 쉽게 하기 위함이다.
본 발명에 따라 사용되는 정전용량형 습도 센서의 실시예는 도 1에 주어진다.
습도 센서는 지지체(100) 또는 판(100) 상에 형성되고, 이는 조성 및 두께 때문에 유연할 수 있다. 지지체(100)는 예를 들어 PET (폴리에틸렌 테레프탈레이트) 또는 PEN (폴리에틸렌 나프탈레이트) 또는 PI (폴리이미드)와 같은 폴리머 재료에 기초할 수 있다.
지지체(100)는 예를 들어 25 ㎛ 및 200 ㎛ 사이의 두께를 가질 수 있다.
센서는 제1 전극(104)(이를 또한 "하부 전극"이라 한다)을 포함하는데, 이것은 지지체(100) 위에 놓여있고, 예를 들어, 금 또는 백금 또는 은 또는 구리와 같은 금속에 기초한 전도성 층(102)의 형태일 수 있다. 이 전도성 층(102)은, 예를 들어, 30 nm 및 300 nm 사이의 두께를 가질 수 있다(두께는 도 1 내지 도 3에서 정의된 직교 기준 좌표계 [O;
Figure pct00001
;
Figure pct00002
;
Figure pct00003
] 의 벡터
Figure pct00004
에 평행한 방향으로 측정된 치수이다).
다른 가능성에 따르면, 전도성 층(102)는 그래핀에 기초할 수 있다.
유전 재료 상에 배치된 그래핀의 층(102)이 그래핀/유전 재료 계면에서 수분의 존재를 검출하는 것을 가능하게 할 수 있으며, 이 계면에서, 상기 그래핀은 H2O 분자와 접촉하여 반도체성이 될 수 있다.
유전 재료 영역(108)은 제1 전극(104) 상에 놓여있다. 유전 재료(108)는 약간의 수분 흡수성, 약간의 수분 투과성, 또는 심지어 수분 불투과성을 갖는 재료일 수 있다.
유전 재료(108)는 H2O 분자에 대한 임의의 친화성을 갖지 않도록 선택될 수 있고, 선택적으로는(optionally) 소수성일 수 있다.
유전 재료(108)는 수분과의 약한 친화성을 가질 수 있고, 이 목적을 위하여 예를 들어 약 4 nm의 최대 지름 또는 최대 크기를 갖는 기공을 가질 수 있다.
유전 재료(108)는 예를 들어, 폴리머 재료에 기초할 수 있는데, 이 폴리머 재료는, 예를 들면, 파릴렌 또는 폴리에스테르, 또는 폴리카보네이트 또는 폴리(퍼플루오로 부테닐 비닐 에테르) 유형(낮은 상대 유전율 εr (예를 들어 εr = 2.2)을 갖는 이름 Cytop®으로 알려짐)의 플루오로폴리머일 수 있다.
유전 영역(108)은 예를 들어 100 nm 및 2 ㎛ 사이의 두께를 가질 수 있다.
유전 재료 영역(108)은 "상부 전극"(114)로도 일컬어지는 제2 전극(114)으로 덮여있다. 제2 전극(114)는 전도성 물질(112)의 층으로 형성되고, 이것의 수분 투과성은 유전 재료(108)의 수분 투과성보다 높다.
전도성 재료(112)는 유리하게는 그래핀이다. 전도성 그래핀은 국부적으로, H2O 분자와 접촉할 때, 작은 갭을 가진 반도체의 특성을 가질 수 있다. 이러한 특성은 예를 들어 『Yavari et al “Tunable Bandgap in Graphene by the Controlled Absorption of Water Molecules”, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim, 2010』 문헌에 기술되어 있다.
전도성 재료(112)의 층은 예를 들어 100 nm 및 5 ㎛ 사이 (예를 들어, 약 1 ㎛)의 두께를 가질 수 있다.
제1 전극(104), 유전 영역(108) 및 제2 전극(114)은 습도에 따라 변화되는 정전용량을 형성한다.
제2 전극(114)의 수분 흡수 성질 및 유전 영역(108)의 약한 흡수성 또는 비흡수성 때문에, 그러한 센서에 의하여 검출될 수 있는 정전용량의 변화는, 제2 전극(114) 및 유전 영역(108) 사이의 계면에 가까이 있는 수분의 변화에 의존한다.
제2 전극(114)은 수분이 의도적으로 들어가게 하는 개구부(125)를 포함하는 천공된 소수성 보호 유전층(120)으로 덮여 있다.
소수성 보호 유전층(120)이 부유 정전용량(들)(stray capacitance(s))의 형성을 피하기 위하여 1 ㎛ 및 15 ㎛ 사이, 바람직하게는 5 ㎛ 초과의 두께로 제공된다.
도 2에는, 본 발명에 따른 정전용량형 습도 센서의 다른 실시 구현예가 주어진다.
이 실시예에 있어서, 소수성 보호 유전층(120)을 통과하는 개구부(125)를 따라, 홀들(115a)이 유전체 영역(108) 뿐만 아니라 제2 전극(114)의 전도성 재료(112)의 층을 통과하여 제공된다.
이러한 홀들(115a)은 수분을 포획하는 역할을 하고, 또한 이들이 통과하는 센서의 층들(112 및 108)의 대류에 의한 건조를 제공한다.
습도 센서의 감도를 최적화하기 위하여, 친수성 SAM 층 (SAM은 "자기조립 단일층(self-assembled monolayer)"을 의미함)이 제1 전극(104) 상에 홀들(115a)의 하단부에도 제공될 수 있다.
친수성 SAM 층(107)은, 예를 들어, 2,2'-(에틸렌디옥시) 디에탄티올, 또는 헥사(에틸렌 글리콜) 디티올, 또는 테트라(에틸렌 글리콜) 디티올, 또는 (11-머캅토운데실)테트라(에틸렌 글리콜), 또는 (11-머캅토운데실)헥사(에틸렌 글리콜), 또는 트리에틸렌 글리콜 모노-11-머캅토운데실 에테르에 기초될 수 있다.
개구부(125), 및 상기 개구부(125)와 정렬된 홀들(115a)이 50 ㎛ 및 200 ㎛ 사이(예를 들어, 약 100 ㎛)일 수 있는 임계 치수(critical dimension) Dc(도 1 내지 4에 정의된 직교 기준 프레임 [O;
Figure pct00005
;
Figure pct00006
;
Figure pct00007
] 의 평면 [O;
Figure pct00008
;
Figure pct00009
] 에 평행한 방향으로 측정된 치수)를 갖는다.
"임계 치수"는 얇은 층에 생성된 홀 또는 개구부와 같은 패턴의 가장 작은 치수를 의미하여, 상기 얇은 층의 두께를 의미하는 것은 아니다.
센서의 다른 예시적 구현예는 도 3에 주어져 있다.
이 실시예에 있어서, 소수성 유전층(120)을 통과하는 개구부(125)와 정렬되어, 친수성 SAM 층(117)에 의해 형성된 영역을 드러내는 홀들(115b)이 제공되어 있고, 상기 친수성 SAM 층(117)은 제2 전극(114)의 금속 영역(116) 위에 놓여 있으며, 제2 전극(114)은 축전기의 유전 영역(108) 상에 배치된다. 이러한 홀들(115b)은 수분을 잡기 위해 사용된다. 금속 영역(116)이 유전 영역(108) 상에 있는 제2 전극(114)의 영역을 형성한다. 친수성 SAM 층(117)이 센서의 감도를 향상시킨다. 홀들(115b)는 또한 전도성 재료(112)의 층의 대류에 의한 건조를 가능하게 한다.
상기 센서의 또 다른 예시적 구현예는 도 4에 주어져 있다.
이 실시예에 있어서, 센서는 제2 전극(114)의 전도성 재료(112)의 층 및 유전 영역(108)을 통과하는 홀들(115a), 및 제2 전극(114)의 전도성 재료(112)의 층만을 통과하는 다른 홀들(115b)을 교대로 포함한다.
홀들(115a)은 제1 전극(104)의 전도성 층(102) 위에 놓여 있는 친수성 SAM 층(107)을 드러낸다.
다른 홀들(115b)은, 그들 나름으로, 제2 전극(114)의 금속 영역(116) 위에 놓여 있는 친수성 SAM 층(117)을 드러낸다.
도 5는 그래핀에 기초한 전극을 포함하는 습도 센서에 의해 이루어진 측정 결과를, 커브 C1, C2, C3, C4, C5에 의하여 도시한다. 이 실시예에서, 그래핀-유전체 계면에서 수분의 검출은, 특히, 낮은 빈도수에서 일어난다. 검출 장치는 최대 감도를 갖기 위하여 매우 낮은 빈도수에서 기능하도록 설계될 수 있다.
도 6은 약 100Hz의 작동 빈도수를 갖는 본 발명에 따라 사용되는 센서에 대한 시간의 함수로서의 정전용량 변화 곡선의 실시예를 보여준다.
본 발명에 따른 정전용량형 습도 센서 제조 방법의 실시예는 이제 도 7A 내지 7D와 관련되어 주어질 것이다.
이 방법의 출발 재료는, 예를 들어 폴리머 재료(예를 들어 PEN 또는 PET 또는 PI에 기초한 폴리머 재료)에 기초한 기판의 형태를 갖는 지지체(100)일 수 있다. 이 지지체(100)는 또한 예를 들어 25 ㎛ 및 200 ㎛ 사이의 두께로 제공될 수 있고, 또한 유연할 수 있다.
다음으로 전도성 층(102)은 지지체(100)의 한쪽 면에 형성된다. 이 전도성 층(102)은 금속 재료(예를 들어, 금 또는 백금 또는 니켈 또는 구리 또는 은 또는 알루미늄)에 기초할 수 있고, 예를 들어, 30 nm 및 300 nm 사이의 두께를 가질 수 있으며, 또는, 침착된 전도성 층(112)이 패턴을 포함하는 경우, 수 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
전도성 층(102)은 PVD(물리 기상 증착) 또는 스크린 인쇄(screen printing) 또는 잉크젯에 의해 형성될 수 있다(도 7a).
그 다음, 전극 패턴(104)를 제조하기 위하여 전도성 층을 에칭한 후에, 유전 재료(108)의 층이 형성된다(도 7b).
유전 재료는 낮은 유전 상수를 가질 수 있으며, 그에 따라, 예를 들어 이 재료의 상대 유전율 εr 은 2와 3 사이일 수 있다.
유전 재료(108)는, 바람직하게는, 비다공성 재료이거나 또는 4 nm 미만의 최대 치수 또는 지름을 갖는 기공이 구비된 재료이며, 이는 유전 재료가 약간의 수분 투과성만을 갖게 하기 위함이다.
유전 재료(108)의 층은, 예를 들어 폴리스티렌 또는 파릴렌 또는 폴리에스테르 또는 폴리카보네이트 또는 심지어 폴리(퍼플루오로 부테닐 비닐 에테르) 유형(낮은 유전 상수 εr (예를 들어 εr = 약 2)을 가짐)의 플루오로폴리머에 기초할 수 있다. 유전 재료(108)의 층은 예를 들어 CVD (화학 기상 증착법) 또는 잉크젯 또는 스크린 인쇄에 의해 제조될 수 있고, 이어서, 예를 들어 약 10분 동안, 예를 들어 약 100℃에서, 선택적으로(optionally) 어닐링할 수 있다.
다음 또 다른 전도성 층(112)은 수분 투과성인 전도성 층(112)의 침착에 의하여 유전 영역(108) 상에 형성되고, 금지대(forbidden band)가 습도에 따라 변화될 수 있는 재료에 기초한다. 전도성 재료는 유리하게 그래핀일 수 있다. 전도성 층(112)은 센서의 제2 전극(114)을 형성하도록 의도된다.
전도성 층(112)은 또한, 예를 들어, 100 nm 및 5 ㎛ 사이의 두께를 가질 수 있다. 전도성 층(112)은 침착(deposition), 또는 스크린 인쇄 또는 잉크젯에 의해 형성될 수 있다(도 7c).
그 후, 소수성 보호층(120)은, 예를 들어, 스크린 인쇄 또는 잉크젯에 의해 제2 전극(114) 상에 형성된다.
보호층(120)은 소수성 유기 폴리머 재료에 기초할 수 있다. 소수성 보호층(120)은 예를 들어 1 ㎛ 및 15 ㎛ 사이의 두께를 가질 수 있고, 이는 부유 용량의 형성을 방지하기에 충분하다.
개구부(125)가 층(120)에 생성되어, 제2 전극(114)에 대한 접근을 허용하게 된다(도 7d).
상기 기술된 방법의 실시예의 변형예가 이제 주어질 것이다.
이 변형예의 경우, 제1 전극(104)을 형성하는 전도성 층(102)을 드러내는 홀들(115)이 유전 재료(108)의 층에 생성된다(도 8a).
다음으로 희생 마스킹(sacrificial masking)(109)은 유전 재료(108)의 층 위에 형성되고, 이는 유전 재료(108)을 드러내는 홀들(119)을 포함한다(도 8b). 희생 마스킹(109)은 예를 들어, 감광성 수지에 기초하거나, 또는 예를 들어 스크린 인쇄 또는 잉크젯에 의해 침착된 유전 재료에 기초할 수 있다.
다음으로 예를 들어 30 nm 내지 수백 나노미터 사이일 수 있는 두께를 가진 금속층(116)(예를 들어 Au 또는 Pt 또는 Ag 또는 Ti에 기초한)의 침착이 이루어진다. 금속층(116)은 희생 마스킹 층(109)을 통과하는 홀들(119)의 하단부 뿐만 아니라 유전층(108)에서 생성된 홀들(115)의 하단부에 형성되고, 희생 마스킹(109)에 의해 보호된 유전층(108)의 영역은, 그 나름으로는, 이 금속층(116)에 의해 덮이지 않는다(도 8c).
다음으로 희생 마스킹 층(109)이 제거된다(도 8d).
희생 층이 수지에 기초할 때 이것의 제거를 달성하기 위하여, 이것은 예를 들어, 아세톤에 기초한 용매에 용해될 수 있다. 이 희생 마스킹 층은 또한 선택적으로 적절한 플라즈마에 의해 제거될 수 있다.
다음으로 제2 전극(114)은 예를 들어, 스크린 인쇄에 의한 그래핀의 전도성 층(112)의 침착에 의해 유전 영역(108) 상에 형성된다.
전도성 층(112)이 홀들과 함께 선택적으로 형성될 수 있다. 전도성 층(112)에는 그래핀 층을 통과하는 홀들(115a)이 구비될 수 있고, 이는 유전 층(108)에 형성된 것들과 정렬되도록 위치되며, 뿐만 아니라 유전 층(108)에 형성된 금속 영역(107)을 드러내는 홀들(115b)이 구비될 수도 있다(도 8e).
그 후, 제2 전극(114)을 덮는 소수성 보호층(120)이 형성된다.
이 보호층(120)은, 그래핀 층을 통과하는 홀들(115b) 및 그래핀 층 및 전 재료(108) 층 모두를 통과하는 홀들(115a)과 정렬되는 개구부(125)를 포함한다(도 8f).
다음으로 친수성 극성 SAM 층(107)이 제1 전극(104)을 드러내는 홀들 및 유전 층(107) 위에 놓여 있는 금속 층(116)을 드러내는 홀들의 하단부에 형성된다(도 8g). 친수성 극성 SAM 층은 딥핑(dipping) 또는 증발에 의해 생성될 수 있다.
본 발명에 따라 구현된 습도 센서는 온도 측정 장치에도 제공될 수 있으며, 이는 정전용량의 변화를 측정함으로써 온도 측정을 하기 위함이다.
센서가 온도의 변화에 더 민감하도록 만들기 위하여, 금속 재료(212)가 센서의 상부 전극(114)를 형성하는 전도성 재료(112)의 층 위에 침착될 수 있다. 이 금속 재료(112)는 전도성 재료(112) 내부에 확산되도록 의도될 수 있다.
상부 전극(114)을 형성하는 전도성 재료(112)가 그래핀인 경우에, 금속 재료(212)는 예를 들어, 방울(drop)의 형태로 침착된 은일 수 있고, 이는, 예를 들어 잉크젯에 의하여, 보호 층(120)에 있는 개구부(125)를 통하여 침착될 수 있다(도 9). 그래핀에 은 입자와 같은 금속 입자를 첨가함으로써, 그것의 TCR(temperature coefficient of resistivity) 계수를 증가시킬 수 있는데, TCR 계수는 온도 1도당 저항률 변화 인자에 해당한다.
도10에서, 커브 C20, C30은 그래핀으로 이루어진 요소;와 그래핀 및 약 25 중량%의 은 입자로 이루어진 재료에 기초한 요소;의 각각의 TCR 계수의 변화를 도시한다.

Claims (21)

  1. 지지체(100) 상에 하기의 요소들을 포함하는 정전용량형 습도 센서:
    - 제1 전극(104); 및
    - 상기 제1 전극(104)과 제2 전극(114) 사이에 배치된 유전 재료 영역(107)으로서, 상기 제2 전극은, 상기 제2 전극과 접촉하는 상기 유전 재료 영역의 수분 투과성보다 큰 수분 투과성을 갖는 전도성 재료에 기초한 층으로 형성되어 있는, 유전 재료 영역.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전 재료 영역이 수분 불투과성인 정전용량형 습도 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유전 재료 영역이 비다공성이거나, 또는 상기 유전 재료 영역이 최대 치수(dimension)가 4 nm이고 및/또는 최대 공극률이 8% 미만인 기공을 포함하는 정전용량형 습도 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전 재료가 소수성인 정전용량형 습도 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전극이 그래핀에 기초한 정전용량형 습도 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 홀(hole)들(115a, 115b)이 상기 전도성 재료에 기초한 상기 층을 통과하는 정전용량형 습도 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 홀들 중에서 적어도 하나의 홀(115a)이 또한 상기 유전 재료 영역(108)을 통과하고, 상기 제1 전극(104)을 드러내는(revealing) 정전용량형 습도 센서.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 전극(104)을 드러내는 홀들(115a) 및 상기 제2 전극(114)을 드러내는 홀들(115b)을 교대로 포함하는 정전용량형 습도 센서.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 홀(115a)이 상기 제1 전극(104) 상에 친수성 자기조립 단일층(self-assembled monolayer)(117)을 드러내는 정전용량형 습도 센서.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 홀(115b)이 상기 제2 전극(114) 상에 친수성 자기조립 단일층(117)을 드러내는 정전용량형 습도 센서.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전극(114)의 상기 주어진 재료에 기초한 상기 층이 천공된 소수성 보호층(120)으로 덮인 정전용량형 습도 센서.
  12. 수분을 측정하거나 검출하는 장치로서, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 센서를 포함하는 장치.
  13. 온도를 측정하거나 검출하는 장치로서, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 센서를 포함하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 주어진 재료가 금속의, 특히 Ag의, 입자를 포함하는 그래핀인 장치.
  15. 하기의 단계들로 이루어진 단계들을 포함하는 정전용량형 습도 센서 제조 방법:
    - 지지체(100) 상에 제1 전극(104)의 적어도 하나의 전도성 층을 형성하는 단계,
    - 상기 제1 전극의 상기 전도성 층 상에 유전 재료의 적어도 하나의 영역을 형성하는 단계,
    - 유전 재료의 상기 층 상에, 하기 주어진 전도성 재료의 층과 접촉하는 상기 유전 재료 영역의 수분 투과성보다 큰 수분 투과성을 갖는 주어진 전도성 재료의 층을 형성하는 단계.
  16. 제15항에 있어서, 상기 유전 재료 영역이 수분 불투과성이거나, 또는 상기 유전 재료 영역이 약한 습기 흡수 특성을 갖는 재료에 기초하는, 정전용량형 습도 센서 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 유전 재료 영역이 비다공성이거나, 또는 상기 유전 재료 영역이 최대 치수가 4 nm이고 및/또는 최대 공극률이 8% 미만인 기공을 포함하는, 정전용량형 습도 센서 제조 방법.
  18. 제15항 내지 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전 재료가 소수성인 정전용량형 습도 센서 제조 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주어진 전도성 재료가 그래핀인 정전용량형 습도 센서 제조 방법.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전 재료 영역의 형성 이후 및 주어진 전도성 재료의 상기 층의 형성 이전에, 하기의 단계들로 이루어진 단계들을 포함하는 정전용량형 습도 센서 제조 방법:
    - 상기 유전 재료 영역 상에 희생 마스킹(sacrificial masking)을 형성하는 단계; 그 다음,
    - 상기 유전 재료 영역을 드러내는 상기 희생 마스킹의 개구부를 통해 상기 유전 재료 영역 상에 적어도 하나의 금속 영역을 형성하는 단계; 및
    - 상기 희생 마스킹을 제거하고, 이후에, 주어진 전도성 재료의 상기 층을, 상기 금속 영역 주변에, 상기 금속 영역을 드러내는 홀을 사용하여, 생성하는 단계.
  21. 제20항에 있어서, 상기 희생 마스킹을 제거하는 단계 이후에, 상기 금속 영역 상에 친수성 SAM 층을 침착시키는(depositing) 단계로 이루어진 단계를 더 포함하는 정전용량형 습도 센서 제조 방법.
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