KR20150081087A - 정전 용량형 습도센서 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전 용량형 습도센서 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 수분 감지막의 상층부를 상부전극과 대응되는 형태로 식각함으로써, 식각된 두께만큼 수분 감지막의 수분에 대한 접촉 표면적이 증대됨으로써, 습도변화에 대한 민감도를 향상시킬 수 있도록 하는 정전 용량형 습도센서 제조방법에 관한 것이다.

Description

정전 용량형 습도센서 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF CAPACITANCE TYPE HUMIDITY SENSOR}

본 발명은 기판, 하부 전극, 수분 감지막 및 상부 전극 순으로 적층하여 이루어지는 정전 용량형 습도센서에 있어서, 수분 감지막의 수분에 대한 접촉 면적을 증대시켜 습도변화에 대한 민감도를 향상시킬 수 있도록 하는 정전 용량형 습도센서 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 센서(sensor)란, 온도·압력·소리·빛 등 여러 종류의 물리량을 검지·검출하거나 판별·측정하여 신호로 전달하는 기능을 갖춘 소자(素子), 또는 이러한 소자를 이용한 계측기를 일컫는 것으로, 특히 공기 중의 습도변화를 검지 또는 검출하는 센서를 습도 센서라 한다.

이러한 습도 센서는 다양한 구조로 제작되고 있으며, 특허문헌 1과 같이 습기를 검출하는 박막을 구성하고 이 박막이 수분에 노출되는 경우 전기 전도도가 변화하는 것을 이용하는 정전 용량형(capacitance type) 습도센서가 주로 사용되고 있다.

도 1은 가장 일반적으로 널리 이용되는 종래 정전 용량형 습도 센서의 구조를 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 상부전극이 패터닝된 상태의 종래 정전 용량형 습도 센서 구조를 나타낸 사시도로써, 종래 정전 용량형 습도 센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 하부 전극(120)을 증착한 후, 하부 전극(120) 위에 폴리머로 이루어진 수분 감지막(130)을 스핀 코팅하여 형성시키고 약 200 ~ 300℃ 사이의 온도에서 열처리한 후, 상기 수분 감지막(130) 상에 금(Au) 또는 백금(Pt)과 같은 재질의 금속막으로 이루어진 상부전극(140)을 증착한 커패시터(capacitor) 구조를 갖는다.

이후, 도 2에 도시된 바와 같이, 상부전극(140)을 패터닝(patterning)하여 습도센서를 이루게 되며, 수분 감지막(130)에 수분이 흡착되면, 수분 감지막(130)의 유전율 변화를 가져와 커패시터의 정전 용량의 변화를 유발함으로써, 습도의 변화를 감지하게 되는 것이다.

하지만, 상기와 같은 정전 용량형 습도센서는 폴리머로 이루어진 수분 감지막(130)의 고유한 특성(유전율 변화)에 의하여 민감도 등의 센서 특성이 결정되는데, 종래에 따른 정전 용량형 습도센서는 양 전극 사이에 폴리머로 이루어진 수분 감지막(130)이 삽입된 샌드위치 구조로써, 도 2에 도시된 바와 같이 상부전극(140)만 패터닝됨에 따라 수분 감지막(130)의 수분에 대한 노출면적이 협소하여 그 민감도가 미비한 문제점이 있었다.

특허문헌 1 : 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0041325호 "정전 용량형 습도센서 "

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수분 감지막의 상층부를 상부전극과 대응되는 형태로 식각함으로써, 식각된 두께만큼 수분 감지막의 수분에 대한 접촉 표면적이 증대됨으로써, 습도변화에 대한 민감도를 향상시킬 수 있도록 하는, 정전 용량형 습도센서 제조방법을 제공함을 과제로 한다.

본 발명은 정전 용량형 습도센서 제조방법에 있어서,

기판(10)의 상면에 하부 전극(20)을 형성하는 단계(S100);

상기 하부 전극(20)의 상면에 수분 감지막(30)을 형성하는 단계(S200);

상기 수분 감지막(30)의 상면에 상부 전극(40)을 형성하고 패터닝하는 단계(S300); 및

패터닝된 상기 상부 전극(40)과 대응되는 형태로 상기 수분 감지막(30)을 식각하는 단계(S400);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 습도센서 제조방법을 과제의 해결 수단으로 한다.

여기서 상기 S200 단계는,

상기 하부 전극(20)의 상면에 고분자 용액을 0.1 ~ 1.0㎛의 두께로 스핀코팅한 후,

진공 분위기에서 30 ~ 100분간 50 ~ 250℃의 온도로 열처리하여 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러 상기 S400 단계는, 수분 감지막(30) 총 두께의 50 ~ 90% 두께가 식각되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수분 감지막(30)은, 폴리이미드로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 S300 단계는, 상기 상부 전극(40)을 빗(comb) 또는 나뭇가지(branch) 모양으로 패터링하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하부 전극(20)은, 20 ~ 60nm 두께의 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)으로 이루어지며, 상기 상부 전극(40)은, 0.1 ~ 1.0mm 두께의 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은 수분 감지막의 상층부를 상부전극과 대응되는 형태로 식각함으로써, 식각된 두께만큼 수분 감지막의 수분에 대한 접촉 표면적이 증대됨으로써, 습도변화에 대한 민감도를 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 가장 일반적으로 널리 이용되는 종래 정전 용량형 습도 센서의 구조를 나타낸 분해사시도
도 2는 상부전극이 패터닝된 상태의 종래 정전 용량형 습도 센서 구조를 나타낸 사시도
도 3은 본 발명에 따른 정전 용량형 습도센서 제조방법을 나타낸 흐름도
도 4는 본 발명에 따른 정전 용량형 습도센서 제조방법을 나타낸 사시도
도 5는 본 발명에 따른 정전 용량형 습도센서의 수분 흡착과 탈착에 따른 커패시턴스 특성을 나타낸 그래프

상기의 효과를 달성하기 위한 본 발명은 정전 용량형 습도센서 제조방법에 관한 것으로, 각 도면 및 상세한 설명에서 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용과 그리고 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 간략히 하거나 생략하였다.

이하, 각 도면을 참조하여 본 발명에 따른 정전 용량형 습도센서 제조방법을 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 정전 용량형 습도센서의 제조방법을 나타낸 흐름도이고, 도 4는 본 발명에 따른 정전 용량형 습도센서 제조방법을 나타낸 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 정전 용량형 습도센서의 수분 흡착과 탈착에 따른 커패시턴스(capacitance) 특성을 나타낸 그래프이다.

먼저, 도 3 및 4를 참조하면, 본 발명에 따른 정전 용량형 습도센서 제조방법은 하부 전극 형성단계(S100), 수분 감지막 형성단계(S200), 상부 전극 형성 및 패터닝단계(S300) 및 수분 감지막 식각단계(S400)로 이루어진다.

상기 하부 전극 형성단계(S100)는, 도 4a에 도시된 바와 같이 기판(10)의 상면에 하부 전극(20)을 형성하는 단계로써, 기판(10) 전면에 진공증기증착법 또는 스퍼터링(sputtering)을 포함하는 물리적 증착법 중 어느 하나를 이용하여 하부 전극(20)을 형성시킨다.

여기서, 상기 진공증기증착법 또는 스퍼터링(sputtering)은 이 기술분야에서 이미 널리 알려진 공지된 증착법으로서 그 상세한 설명은 생략한다.

한편, 상기 하부 전극(20)은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 등과 같이 전도성이 우수한 금속 소재를 20 ~ 60nm의 두께를 갖는 박막으로 형성되며, 상기 하부 전극(20)의 두께가 20nm 미만일 경우 하부 전극(20)의 기능 미비로 인해 습도센서가 제대로 작동되지 않을 우려가 있으며, 60nm을 초과할 경우 습도센서의 전체적인 두께가 증가하여 습도센서를 소형화시키지 못할 우려가 있다.

한편. 상기 기판(10)은 실리콘 기판, 유리 기판 및 고분자 필름 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

상기 수분 감지막 형성단계(S200)는, 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 하부 전극(20)의 상면에 수분 감지막(30)을 형성하는 단계로써, 상기 하부 전극(20)의 상면에 고분자 용액을 0.1 ~ 1.0㎛의 두께로 스핀코팅(spincoating)한 후, 진공 분위기에서 30 ~ 100분간 50 ~ 250℃의 온도로 열처리하여 형성시킨다.

이때, 상기 고분자 용액의 코팅두께가 0.1㎛ 미만일 경우, 수분 감지기능이 미비할 우려가 있으며, 1.0㎛를 초과할 경우 또한 수분 감지기능이 미비할 우려가 있으며, 습도센서를 소형화시키지 못할 우려가 있다.

아울러 통상 열처리가 완료되면, 고분자 용액을 구성하는 용매의 증발로 인하여 수분 감지막(30)의 두께가 40%정도 줄어들고, 열적 및 화학적으로 매우 안정한 상태로 변화하게 되는데, 열처리 조건이 상기 범위를 벗어날 경우, 수분 감지막(30)이 열적 및 화학적으로 불안해지 우려가 있다.

한편, 수분 감지막(30)은 친수성 고분자인 폴리이미드(polyimide)로 이루어지는 것이 바람직한데, 폴리이미드는 실온에서 비유전율(relative dielectric constance)이 3 ~ 4 사이이며, 1kHz 주파수에서 유전손실(dissipation factor)값이 0.001 ~ 0.003 정도로 안정된 유전체 성질을 갖는다. 폴리이미드 박막이 커패시터의 유전체 역할을 하기 때문에 비유전율이 80인 물분자가 폴리이미드 박막 내부로 들어오면 폴리이미드 박막 내부에 물분자가 존재하여 각각 다른 유전상수를 갖는 유전체 혼합물이 형성된다. 따라서, 주위 습도 변화에 따라 유전체 혼합물의 비유전상수가 변하게 되어 습도변화를 검출할 수 있다.

이를 위해 상기 고분자 용액은 폴리이미드 용액을 사용한다. 아울러 상기 고분자 용액은 하부 전극(20)의 면적보다 넓은 면적으로 도포할 수 있다.

상기 상부 전극 형성 및 패터닝단계(S300)는, 상기 수분 감지막(30)의 상면에 상부 전극(40)을 형성하고 패터닝하는 단계로써, 도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이 수분 감지막(30)으로 코팅한 하부전극(20) 위에 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 등과 같이 전도성이 우수한 금속 소재를 사용하여 쉐도우 마스크(shadow mask)를 제작한 후 진공증기증착법 또는 스퍼터링(sputtering)을 포함하는 물리적 증착법 중 어느 하나를 적용하여 형성시키고 패터닝한다.

이때, 상기 상부 전극(40)은 0.1 ~ 1.0mm 두께로 형성되는데, 상기 상부 전극(20)의 두께가 0.1mm 미만일 경우 상부 전극(40)의 기능 미비로 인해 습도센서가 제대로 작동되지 않을 우려가 있으며, 1.0mm을 초과할 경우 습도센서의 전체적인 두께가 증가하여 습도센서를 소형화시키지 못할 우려가 있다.

이때, 상기 패터닝의 형태는 빗(comb) 또는 나뭇가지(branch) 모양으로 형성함으로써, 수분과 접촉하는 수분 감지막(30)의 표면적을 보다 많이 노출시키는 것이 바람직하다.

상기 수분 감지막 식각단계(S400)는, 도 4e에 도시된 바와 같이 패터닝된 상기 상부 전극(40)과 대응되는 형태로 상기 수분 감지막(30)을 식각하는 단계로써, 상부 전극(40)을 마스크(일종의 보호층)로 이용하여 노출된 수분 감지막(30)의 전면을 산소 플라즈마(O₂ plasma)로 식각하는 RIE(reactive ion etching) 공정을 진행하거나 또는 정전용량 측정장비를 사용하는 공정으로 진행하여 식각한다.

여기서, 상기 RIE 공정은 이 기술분야에서 이미 널리 알려진 식각방법으로서 그 상세한 설명은 생략한다.

이때, 상기 식각 두께는 수분 감지막(30) 총 두께의 50 ~ 90% 두께가 식각되도록 하는 것이 바람직하며, 수분 감지막(30)의 식각 두께가 총 두께의 50% 미만일 경우 식각을 통한 표면적 증대효과가 미비할 우려가 있으며, 90%를 초과할 경우 과도한 식각으로 인해 오히려 수분 감지막의 민감성이 저하될 우려가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같이 수분 감지막(30)의 상층부를 상부 전극(40)과 대응되는 형태로 식각함으로써, 식각된 두께(t)만큼 수분 감지막(30)의 수분에 대한 접촉 표면적이 증대됨으로써, 습도변화에 대한 민감도를 향상시킬 수 있게 되며, 더욱 구체적으로는 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 정전 용량형 습도센서는 정전용량 측정장비(모델명 : LCR HITESTER(3522-50), 제조사 : hioky)를 이용하여 4번 측정한 결과, 수분의 양의 증감에 따라 커패시턴스가 일정하게 증감하는 선형적 특성을 보이고 있으며, 이는 특정 상대습도를 기준으로 습도가 증가하거나 감소하거나 하는 경우, 동일한 커패시턴스를 보임으로써, 높은 민감도 및 이를 통한 신뢰성을 갖게 됨을 알 수 있다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 : 기판 20 : 하부 전극
30 : 수분 감지막 40 : 상부 전극

Claims (6)

1. 정전 용량형 습도센서 제조방법에 있어서,
   기판(10)의 상면에 하부 전극(20)을 형성하는 단계(S100);
   상기 하부 전극(20)의 상면에 수분 감지막(30)을 형성하는 단계(S200);
   상기 수분 감지막(30)의 상면에 상부 전극(40)을 형성하고 패터닝하는 단계(S300); 및
   패터닝된 상기 상부 전극(40)과 대응되는 형태로 상기 수분 감지막(30)을 식각하는 단계(S400);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 습도센서 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 S200 단계는,
   상기 하부 전극(20)의 상면에 고분자 용액을 0.1 ~ 1.0㎛의 두께로 스핀코팅한 후,
   진공 분위기에서 30 ~ 100분간 50 ~ 250℃의 온도로 열처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 습도센서 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 S400 단계는,
   수분 감지막(30) 총 두께의 50 ~ 90% 두께가 식각되는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 습도센서 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 수분 감지막(30)은,
   폴리이미드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 습도센서 제조방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 S300 단계는,
   상기 상부 전극(40)을 빗(comb) 또는 나뭇가지(branch) 모양으로 패터링하는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 습도센서 제조방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 하부 전극(20)은, 20 ~ 60nm 두께의 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)으로 이루어지며,
   상기 상부 전극(40)은, 0.1 ~ 1.0mm 두께의 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 습도센서 제조방법.

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