KR20210017009A - 자율습도제어 시스템 및 이를 이용한 자율습도제어 방법 - Google Patents

자율습도제어 시스템 및 이를 이용한 자율습도제어 방법 Download PDF

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Abstract

흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 포함하는 습도센서; 상기 습도센서로부터 측정된 습도 정보를 수신한 후, 습도 제어 신호를 발생시키는 제어부; 및 상기 제어부로부터 발생한 신호를 수신하여 습도를 조절하는 습도 조절부;를 포함하는 자율습도제어 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 자율적으로 습도가 제어되는 시스템을 구축할 수 있으며, 습도에 민감한 피부, 제품과 원료, 그로 인해 발생되는 문제점을 다루기 위해 분위기 습도 및 표면 습도를 읽어낼 수 있다는 효과가 있다. 특히, 보통 습도계의 경우 주변 환경의 습도를 측정하는데 제한이 되므로, 피부자체나 표면의 습도를 측정하기는 쉽지가 않은 반면, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 나노섬유 메쉬 시트를 포함하는 습도센서를 포함하는 바, 피부 습도 측정이나 표면 습도 측정이 가능하며, 실시간 모니터링 가능하다는 장점이 있다. 이에 따라, 피부질병을 앓고 있는 환자를 헬스케어 하는데에 응용할 수 있다. 또한, 습도센서 자체가 나노파이버 메쉬구조이기 때문에, 투명하다는 장점이 있어 차량용 유리창 표면에 직접 부착함에도 운전 중 시야 방해를 받지 않을 수 있다.

Description

자율습도제어 시스템 및 이를 이용한 자율습도제어 방법{Autonomous humidity control system and autonomous humidity control method using the same}
자율습도제어 시스템 및 이를 이용한 자율습도제어 방법에 관한 것이다.
습도센서는 수분의 탈흡착에 의해 전기적 특성이 변하는 감습 재료를 사용하여 전기적 신호를 측정하는 소자로, 감습 재료에 따라 전해질계, 세라믹계, 반도체계 또는 유기재료계로 분류할 수 있다.
특히, 유기재료계 습도센서의 한 종류인 고분자 감습막을 이용한 전기저항식 습도센서는 빠른 응답속도, 넓은 측정 범위, 소형화 및 대량 생산 가능성, 저렴한 제조원가로 인하여 습도센서로 널리 응용되고 있다.
고분자 습도센서는 표준 특성, 온도 특성, 주파수 특성, 응답 특성, 히스테리시스 및 내수성 등의 특성을 만족하여야 하며, 사용 환경에 대한 내환경성과 고온고습 환경에서 장시간 사용해야 하기 때문에 신뢰성이 중요하다.
한편, 종래 개발된 습도센서는 대부분 평판형의 기판, 전극 및 감지층 등으로 이루어져 있어, 피부에 부착이 어려우며, 부착하더라도 이질감이 크거나 움직임에 의해 쉽게 탈착되는 문제가 있었다.
또한, 평판형의 구조를 가짐에 따라, 장기간 피부에 부착할 경우 땀이나 체액과 같은 액체에 대한 투과성이 좋지 않아 땀이 차게 되므로 피부 자체의 습도를 측정하는 것이 불가능하였다.
이에 습도 측정 능력이 우수하면서도, 피부에 부착이 용이하고 이질감이 적으며, 액체투과성이 우수한 습도센서에 대한 연구가 이루어지고 있다.
예를 들어, 유사 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0124140호가 제시될 수 있다.
다만, 최근 IoT 기반의 시스템들이 다양한 분야에서 연구되고 있으며, 습도에 관하여도, 관리자 및 사용자의 편의성을 위하여 습도를 손쉽게 모니터링하고, 자율제어할 수 있도록 습도자율제어 시스템에 대한 개발이 주목받고 있다.
특히, 이러한 습도자율제어 시스템은 환자들의 헬스케어 또는 스킨케어, 습도에 민감한 다양한 산업군의 제품 및 원료관리, 유리창 결로 방지 등 다양한 분야에 효율적으로 사용될 수 있을 것이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0124140호(2009.12.03.)
본 발명의 일 측면에서의 목적은 습도 측정 능력이 우수하면서도, 피부에 부착이 용이하고 이질감이 적으며, 액체투과성이 우수한 습도센서를 포함하며, 자율적으로 습도의 제어가 가능한 자율습도제어 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 포함하는 습도센서;
상기 습도센서로부터 측정된 습도 정보를 수신한 후, 습도 제어 신호를 발생시키는 제어부; 및
상기 제어부로부터 발생한 신호를 수신하여 습도를 조절하는 습도 조절부;
를 포함하는 자율습도제어 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
상기 자율습도제어 시스템을 이용한 자율습도제어 방법으로,
상기 습도센서로부터 습도를 측정하는 단계;
상기 제어부에서 상기 습도센서에서 측정된 습도 정보를 수신한 후, 습도 제어 신호를 발생시키는 단계; 및
상기 습도 조절부에서 상기 제어부로부터 발생한 신호를 수신하여 습도를 조절하는 단계;
를 포함하는 자율습도제어 방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 자율적으로 습도가 제어되는 시스템을 구축할 수 있으며, 습도에 민감한 피부, 제품과 원료, 그로 인해 발생되는 문제점을 다루기 위해 분위기 습도 및 표면 습도를 읽어낼 수 있다는 효과가 있다. 특히, 보통 습도계의 경우 주변 환경의 습도를 측정하는데 제한이 되므로, 피부자체나 표면의 습도를 측정하기는 쉽지가 않은 반면, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 나노섬유 메쉬 시트를 포함하는 습도센서를 포함하는 바, 피부 습도 측정이나 표면 습도 측정이 가능하며, 실시간 모니터링 가능하다는 장점이 있다. 이에 따라, 피부질병을 앓고 있는 환자를 헬스케어 하는데에 응용할 수 있다.
또한, 습도센서 자체가 나노파이버 메쉬구조이기 때문에, 투명하다는 장점이 있어 차량용 유리창 표면에 직접 부착함에도 운전 중 시야 방해를 받지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율습도제어 시스템의 알고리즘을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 피부 습도를 제어하는 자율습도제어 시스템을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제품 또는 원료의 습도를 제어하는 자율습도제어 시스템을 보여주는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 차량 습도를 제어하는 자율습도제어 시스템을 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서의 실사진이다.
도 6은 본 발명의 일 제조예에 따른 나노섬유 메쉬 습도센서에 있어, 전기방사로 제조되는 나노섬유 한 가닥의 주사전자현미경(SEM: scanning electron microscope)이미지이다(scale bar: 750 ㎚)
도 7은 본 발명의 일 제조예에 따른 나노섬유 메쉬 습도센서에 있어, 전기방사로 제조되는 나노섬유 메쉬 시트의 주사전자현미경(SEM: scanning electron microscope 이미지이다(scale bar: 10 ㎛)
도 8은 본 발명의 일 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서를 피부(손가락)에 전사시킨 실사진이다.
도 9는 도 8에서 전사된 나노섬유 메쉬 습도센서를 확대한 사진이다(scale bar: 350 ㎛)
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따라 기체투과성을 실험한 자료로, 가로축은 시간(시간)이며, 세로축은 무게(g)이다.
도 11은 본 발명의 일 제조예(감지층 Pt)에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서의 민감도를 실험한 자료로, 가로축은 상대습도(%)이며, 세로축은 저항변화율(%)이다.
도 12는 본 발명의 일 제조예(감지층 Au)에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서의 민감도를 실험한 자료로, 가로축은 상대습도(%)이며, 세로축은 저항변화율(%)이다.
도 13은 본 발명의 일 제조예(감지층 Ag)에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서의 민감도를 실험한 자료로, 가로축은 상대습도(%)이며, 세로축은 저항변화율(%)이다.
도 14는 본 발명의 일 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서의 사이클 테스트 자료로, 가로축은 시간(초)이며, 세로축은 저항(Ω)이다.
도 15는 본 발명의 일 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서의 상대습도에 따른 저항변화율을 함수로 나타낸 자료이다.
도 16은 본 발명의 일 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서에 있어, 흡습성 고분자 수용액의 양(15 ㎖)에 따른 민감도 실험 자료로, 가로축은 상대습도(%)이며, 세로축은 저항변화율(%)이다.
도 17은 본 발명의 일 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서에 있어, 흡습성 고분자 수용액의 양(0.3 ㎖)에 따른 민감도 실험 자료로, 가로축은 상대습도(%)이며, 세로축은 저항변화율(%)이다.
도 18은 본 발명의 일 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서에 있어, 흡습성 고분자 수용액의 양(0.1 ㎖)에 따른 민감도 실험 자료로, 가로축은 상대습도(%)이며, 세로축은 저항변화율(%)이다.
도 19는 본 발명의 일 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서에 있어, 감지층(Au)의 두께(100 ㎚)에 따른 민감도 실험 자료로, 가로축은 상대습도(%)이며, 세로축은 저항변화율(%)이다.
도 20은 본 발명의 일 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서에 있어, 감지층(Au)의 두께(200 ㎚)에 따른 민감도 실험 자료로, 가로축은 상대습도(%)이며, 세로축은 저항변화율(%)이다.
도 21은 본 발명의 제조예에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서에 있어, 감지층(Au)의 두께(300 ㎚)에 따른 민감도 실험 자료로, 가로축은 상대습도(%)이며, 세로축은 저항변화율(%)이다.
이하 본 발명에 따른 자율습도제어 시스템 및 이를 이용한 자율습도제어 방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
본 발명의 일 측면에서 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 포함하는 습도센서;
상기 습도센서로부터 측정된 습도 정보를 수신한 후, 습도 제어 신호를 발생시키는 제어부; 및
상기 제어부로부터 발생한 신호를 수신하여 습도를 조절하는 습도 조절부;
를 포함하는 자율습도제어 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 포함하는 습도센서를 포함한다.
종래 개발된 습도센서는 대부분 평판형의 기판, 전극 및 감지층 등으로 이루어져 있어, 피부에 부착이 어려우며, 부착하더라도 이질감이 크거나 움직임에 의해 쉽게 탈착되는 문제가 있었다.
또한, 평판형의 구조를 가짐에 따라, 장기간 피부에 부착할 경우 땀이나 체액과 같은 액체에 대한 투과성이 좋지 않아 땀이 차게 되므로 피부 자체의 습도를 측정하는 것이 불가능하였다.
섬유 가닥이 망상 형태로 얽힌 메쉬 구조로 습도센서를 제조할 경우 습도 측정 능력이 우수하면서도, 액체 및 기체에 대한 우수한 투과성 및 피부와 유사한 뛰어난 유연성을 가지는 습도센서를 제공할 수 있다.
상기 습도센서는 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트; 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅되며, 소수성 고분자를 포함하는 보호층; 및 상기 보호층 상에 코팅되며, 전도성 물질을 포함하는 전극층;을 포함할 수 있다.
이와 같은 상기 나노섬유 메쉬 습도센서는 이처럼, 섬유 가닥이 망 상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 구조를 가짐에 따라 액체 및 기체에 대한 우수한 투과성을 가질 수 있다. 이로 인하여 땀 등의 체액에 의해 오류가 잦았던 필름형 습도센서 대비 상기 습도센서는 땀이 나더라도 신속하게 증발하여 습도 측정에 오류가 적고, 습도센서가 부착된 부위와 부착되지 않은 부위의 습도 특성이 거의 동일하기 때문에 피부 상태를 정확하게 검진할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 섬유 가닥이 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 구조를 가짐에 따라 피부에 부착이 용이하고 이질감이 적어 장기간의 부착에도 불편하지 않으며, 피부와 유사한 유연성 및 신축성을 가짐에 따라 신체 움직임에도 쉽게 탈착되지 않을 수 있어 단기 측정뿐 아니라 장기간 모니터링에도 적합할 수 있다.
또한, 섬유 가닥이 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 구조를 가짐에 따라 체적 대비 표면적이 넓어 습도 측정 시간을 단축시킬 수 있으며, 피부 등 습도를 측정하고자 하는 부위에 나노섬유 메쉬 습도센서의 전극과 감지층이 직접적으로 닿기 때문에 그 자체의 습도를 읽어내는 것이 용이할 수 있다.
뿐만 아니라, 보호층으로 나노섬유 메쉬 시트를 코팅함에 따라 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 것 대비 물리적으로 더 강인해질 수 있으며, 내구성이 증가할 수 있다. 또한, 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 경우, 많은 양의 물을 흡수할 시 나노섬유 메쉬 시트의 구조가 변화하여 노이즈가 발생할 수 있으나, 상기 습도센서는 보호층에 의해 나노파이버 간 움직임이 일정 이상 제한되어 노이즈 발생을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
상기와 같은 특성으로 인하여 상기 습도센서는 피부 습도 측정용 습도센서 또는 체내 삽입형 습도센서로 응용이 가능할 수 있다. 구체적으로, 상기 피부 습도 측정용 습도센서의 경우, 건선이나 아토피 등 피부염 환자의 피부에 부착되어 실시간으로 피부 보습 특성을 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 지속적으로 피부 보습 상태를 모니터링할 수 있다는 장점이 있으며, 피부관리 등의 목적으로도 사용이 가능할 수 있다. 또한, 센서를 구성하는 모든 물질이 인체에 무해하기 때문에 체내 삽입형 습도센서로도 응용 가능하며, 습도와 관련된 질병의 진단에 공헌할 수 있다.
상기 습도센서는 물 분자가 흡착된 섬유 가닥의 팽윤 정도에 따라 나노섬유 메쉬 시트와 전극층 및 감지층의 구조가 달라지고, 이로부터 저항이 변화하는 것을 통해 습도를 읽어내는 원리임에 따라, 물의 흡착에 의해 팽윤성을 보이는 흡습성 고분자를 사용함으로써 용이하게 저항 변화를 읽어낼 수 있으며, 노이즈의 발생을 줄일 수 있다.
물의 흡착은 흡습성 고분자 내 빈 공간인 다공성 구조의 기공에서 일어나는 경향이 있으며, 흡착된 물의 양은 대부분 오픈된 기공의 부피, 기공의 반경 및 분포에 의존한다. 단순화를 위해 원통형(cylindrical)의 기공으로 가정하면, 반경은 하기 식 1을 기반으로 산출될 수 있다.
[식 1]
r = c/ln(ps/p)
상기 식 1에서, r은 기공의 반경(㎚)이며, p는 수증기압이고, ps는 포화율에서의 수증기압으로, p/ps의 비는 상대습도와 근사치로 상대습도 값으로 가정할 수 있다. c는 상수로 2γM/ρRT이며, 이때 γ는 물의 표면 장력(72.75 dyn/㎝ at 20℃)이며, M은 물의 분자량(18.01528 g/mol)이며, ρ는 물의 밀도(0.99823 g/㎤ at 20℃)이며, R은 기체상수이며, T는 절대온도(K)이다.
상기 식 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 상대습도에 따라 흡습성 고분자 내 기공의 크기, 즉 흡습성 고분자의 팽윤 정도가 달라질 수 있으며, 구체적으로 상대습도가 증가함에 따라 물의 흡착 양이 증가하여 흡습성 고분자 팽윤 정도가 커질 수 있다. 이와 같은 흡습성 고분자의 팽윤은 나노섬유 메쉬 시트가 팽윤되는 것을 의미하며, 나노섬유 메쉬 시트가 팽윤됨에 따라 교류파 전류를 가했을 시 측정되는 저항 값이 증가할 수 있다. 즉, 상대습도가 증가할수록 흡습성 고분자에 흡착되는 물의 양이 증가하며, 이에 따라 흡습성 고분자가 더욱 팽윤되어 기공의 크기가 더욱 커질 수 있으며, 교류파 전류를 가했을 시 측정되는 저항 값이 더욱 증가할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 흡습성 고분자는 물을 흡수하는 성질이 있는 고분자라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적이며 비 한정적인 일 예시로, 상기 흡습성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리프로필렌글리콜(PPG), 폴리아크릴산(PAA), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 전분(starch), 젤라틴, 히알루론산, 키틴, 키토산, 알긴산, 덱스트란, 피브린, 헤파린 및 이들의 염 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
바람직하게, 일 구체예에 따른 흡습성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA)일 수 있다. 폴리비닐알코올은 무독성(non-toxicity), 비발암성(noncarcinogenicity)으로 매우 우수한 생체적합성(biocompatibility)을 가질 뿐 아니라, 쉬운 가공성을 가져 목표하는 형태로 용이하게 가공을 할 수 있다는 장점이 있어 피부 습도 측정용 습도센서 또는 체내 삽입형 습도센서로의 활용성이 높을 수 있다.
일 구체예에서, 상기 흡습성 고분자의 분자량은 물에 녹을 수 있을 정도라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 흡습성 고분자의 중량평균 분자량은 10,000 내지 500,000 g/mol일 수 있고, 좋게는 30,000 내지 300,000 g/mol, 좋게는 50,000 내지 200,000 g/mol, 가장 좋게는 80,000 내지 150,000 g/mol일 수 있다.
일 구체예에서, 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버의 두께는 목표하는 습도센서의 형태에 따라 달리 조절할 수 있으며, 바람직한 일 예로, 나노파이버의 두께는 10 내지 990 ㎚일 수 있고, 좋게는 300 내지 800 ㎚, 가장 좋게는 400 내지 600 ㎚일 수 있다. 이와 같은 범위에서 전도성 물질 코팅 후에도 섬유 가닥이 망상 형태로 얽혀 나노섬유 메쉬 구조에 의해 액체 및 기체에 대한 우수한 투과성과 뛰어난 유연성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 일 구체예에서, 상기 나노섬유 메쉬 시트의 두께는 700 ㎚ 내지 3 ㎛일 수 있고, 좋게는 800 ㎚ 내지 2 ㎛, 가장 좋게는 1 ㎛ 내지 15 ㎛일 수 있다. 이와 같은 범위에서 피부와 유사한 정도의 뛰어난 유연성을 확보할 수 있으며, 피부 또는 생체 내 조직에 부착이 용이할 수 있다.
상기 습도센서는 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅되며, 소수성 고분자를 포함하는 보호층을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 보호층으로 나노섬유 메쉬 시트를 코팅함에 따라 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 것 대비 물리적으로 더 강인해질 수 있으며, 내구성이 증가할 수 있다. 또한, 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 경우, 많은 양의 물을 흡수할 시 나노섬유 메쉬 시트의 구조가 변화하여 노이즈가 발생할 수 있으나, 상기 습도센서는 보호층에 의해 나노파이버 간 움직임이 일정 이상 제한되어 노이즈 발생을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
일 구체예에서, 상기 소수성 고분자는 소수성 성질이 있는 고분자라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 상기 소수성 고분자는 파릴렌(parylene), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락트산(PLA) 및 폴리락트산-co-글리코릭산 공중합체(PLGA) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 바람직하게, 상기 소수성 고분자는 파릴렌일 수 있으며, 파릴렌은 소수성 및 생체적합성이 뛰어날 뿐 아니라, 후술하는 바와 같이, 증착 방식을 통해 나노섬유 메쉬 시트의 표면에 코팅될 수 있음에 따라 그 두께를 조절하는 것이 용이할 수 있으며, 진공 중에서 가스 상의 형태로 진공 증착되기 때문에 코팅되는 보호층 자체에 핀홀과 기공이 없고, 분자 구조가 매우 안정적이기 때문에 나노섬유 메쉬 시트의 표면에 코팅되어 나노섬유 메쉬 시트를 안정적으로 보호할 수 있다는 장점이 있다.
일 구체예에서, 소수성 고분자를 포함하는 보호층의 두께는 목표하는 습도센서의 형태에 따라 달리 조절할 수 있으며, 바람직한 일 예로, 보호층의 두께는 50 내지 1000 ㎚일 수 있고, 좋게는 100 내지 800 ㎚, 가장 좋게는 200 내지 500 ㎚일 수 있다. 이와 같은 범위에서 흡습성 고분자가 많은 양의 물을 흡수하더라도 나노섬유 메쉬 시트의 구조가 변화하는 것을 억제하여 노이즈가 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 습도센서의 물리적 강인성 및 내구성을 향상시키면서도 뛰어난 유연성을 확보할 수 있어 좋다.
상기 습도센서는 상기 보호층 상에 코팅되며, 전도성 물질을 포함하는 전극층을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 전도성 물질을 포함하는 전극층은 나노섬유 메쉬 습도센서의 전극층으로, 상기 전도성 물질을 포함하는 전극층은 상기 보호층 상에 코팅된 것일 수 있으며, 구체적으로 보호층 상의 일부 영역 또는 전체 영역에 코팅된 것일 수 있다. 바람직하게는 목표하는 디자인에 따라 전극층이 패턴화되어 보호층 상의 일부 영역에 코팅될 수 있으나, 언급한 바와 같이 습도센서의 필요 구조에 따라 코팅하는 영역을 달리 선택할 수 있다.
구체적인 일 예시로, 상기 습도센서는 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트; 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅되며, 소수성 고분자를 포함하는 보호층; 상기 보호층 상의 일부 영역에 코팅되며, 서로 이격 위치한 제1전도성 물질을 포함하는 제1전극층 및 제2전도성 물질을 포함하는 제2전극층; 및 상기 보호층 상의 일부 영역에 코팅되며, 상기 제1전극층과 제2전극층을 전기적으로 연결하는 감지층;을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 제1전도성 물질 및 제2전도성 물질은 우수한 전도성을 가지면서도 인체에 거부반응 또는 손상을 일으키지 않는 생체적합성을 가진 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로 예를 들면 상기 제1전도성 물질 및 제2전도성 물질은 서로 독립적으로 금(Au), 백금(Pt) 또는 은(Ag) 등일 수 있으며, 바람직하게는 금(Au)일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 전도성 물질을 포함하는 전극층의 두께는 목표하는 습도센서의 형태에 따라 달리 조절할 수 있으며, 바람직한 일 예로, 전극층의 두께는 1 내지 500 ㎚일 수 있고, 좋게는 5 내지 300 ㎚, 가장 좋게는 10 내지 100 ㎚일 수 있다. 이때, 상기 전극층은 제1전극층 및 제2전극층을 의미하는 것일 수 있으며, 제1전극층 및 제2전극층의 두께는 상기 범위를 만족하는 범주에서 서로 같거나 다를 수 있다. 이와 같은 범위에서 우수한 전기전도성을 가지면서도 피부와 유사한 정도의 뛰어난 유연성을 확보할 수 있어 좋으며, 이를 통해 인체의 움직임에도 나노섬유 메쉬 습도센서가 유연하게 굽혀지거나 늘어나 조직으로부터 쉽게 탈착되지 않을 수 있으며, 장기간 조직에서 쉽게 탈착되지 않음에 따라 장기간 습도를 측정 및 분석하는 것이 용이하다는 장점이 있다.
또한, 일 구체예에서, 상기 감지층은 당업계에서 통상적으로 사용되는 물질일 수 있으며, 구체적인 일 예시로 상기 감지층은 금속, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 및 알루미늄 옥사이드 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 금속은 전도성을 가진 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 바람직하게는 피부 부착 시 염증, 알레르기 등의 거부 반응을 방지하는 측면에서 금(Au), 백금(Pt) 또는 은(Ag) 등일 수 있으며, 바람직하게는 금(Au)일 수 있다. 이와 같이 표면 전도도가 변하는 감지층을 더 포함함으로써 전극층의 전하가 더욱 빠르게 감지층의 표면으로 방전될 수 있으며, 더욱 민감하게 습도를 측정할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 감지층의 두께는 목표하는 습도센서의 형태에 따라 달리 조절할 수 있으며, 바람직한 일 예로, 감지층의 두께는 1 내지 500 ㎚일 수 있고, 좋게는 5 내지 300 ㎚, 가장 좋게는 10 내지 100 ㎚일 수 있다. 이와 같은 범위에서 우수한 감지 능력을 가지면서도 피부와 유사한 정도의 뛰어난 유연성을 확보할 수 있어 좋으며, 이를 통해 인체의 움직임에도 나노섬유 메쉬 습도센서가 유연하게 굽혀지거나 늘어나 조직으로부터 쉽게 탈착되지 않을 수 있으며, 장기간 조직에서 쉽게 탈착되지 않음에 따라 장기간 습도를 측정 및 분석하는 것이 용이하다는 장점이 있다.
일 구체예에서, 상기 제1전극층, 제2전극층 및 감지층은 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅된 보호층 상의 일부 영역에 각각 코팅되는 것임에 따라, 동일 평면상에 코팅된 것일 수 있다.
아울러, 상기 나노섬유 메쉬 습도센서는 민감도를 더욱 향상시키는 측면에서, 상기 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버와 전극층 및 감지층의 두께비를 적절하게 조절하여 주는 것이 바람직하다.
구체적인 일 예시로, 상기 전극층 및 감지층 : 나노파이버의 두께비는 1 : 3 내지 100일 수 있으며, 보다 좋게는 1 : 4 내지 50, 더욱 좋게는 1 : 5 내지 20일 수 있다. 이와 같은 범위에서 우수한 민감도를 확보할 수 있다. 반면, 나노파이버의 두께 대비 전극층 및 감지층의 두께가 너무 얇을 경우, 민감성은 증가하나 정확성이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 나노파이버의 두께 대비 전극층 및 감지층의 두께가 너무 두꺼울 경우 나노섬유 메쉬 시트를 구성하는 흡습성 고분자 나노파이버에 물 분자가 접촉 및 흡착될 기회가 줄어들어 민감도가 오히려 저하될 수 있다.
상기 습도센서의 제조방법은 a) 전기방사를 이용하여 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 제조하는 단계; b) 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 소수성 고분자를 포함하는 보호층을 코팅하는 단계; 및 c) 상기 보호층 상에 전도성 물질을 포함하는 전극층을 코팅하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
이처럼 전기방사를 통해 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 먼저 제조한 후 보호층 및 전도성 물질을 코팅하는 방식으로 나노섬유 메쉬 습도센서를 제조함에 따라 미세 가공이 어렵지 않아 미세 크기의 습도센서 제조가 비교적 용이하다는 장점이 있다.
이하, 나노섬유 메쉬 습도센서 제조방법의 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명하나, 각 구성 물질의 종류 등은 나노섬유 메쉬 습도센서에서 설명한 바와 동일한 바 중복설명은 생략한다.
먼저, a) 전기방사를 이용하여 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 제조하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 전기방사는 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법에 의해 수행될 수 있으며, 구체적으로 설명하면, 흡습성 고분자의 수용액을 실린지에 채운 후 이를 니들팁으로 토출하면서 고전압을 가해주면, 고전압에서 발생하는 전기장을 통해 액상인 흡습성 고분자의 수용액이 나노사이즈의 파이버로 생성될 수 있다.
보다 구체적으로, 일 구체예에 따른 흡습성 고분자의 수용액은 흡습성 고분자를 물 등의 용매에 용해시켜 제조된 것으로, 흡습성 고분자 수용액의 흡습성 고분자 농도는 5 내지 30 중량%일 수 있으며, 좋게는 8 내지 20 중량%, 가장 좋게는 10 내지 15 중량%일 수 있다. 이와 같은 범위에서 나노파이버가 여러 필라멘트로 끊이지 않고 연속상 섬유를 형성할 수 있으며, 나노섬유 메쉬 습도 센서에 적합한 미세 두께의 나노파이버가 잘 제조될 수 있다.
아울러, 나노섬유 메쉬 시트를 효과적으로 제조하기 위해서는 니들팁과 컬렉터 간의 이격 거리, 전압의 세기 및 흡습성 고분자 수용액의 토출 속도 또한 중요한데, 일 구체예에 따른 니들팁과 컬렉터 간의 이격 거리는 5 내지 50 ㎝일 수 있으며, 좋게는 10 내지 40 ㎝, 가장 좋게는 15 내지 30 ㎝일 수 있다.
이격 거리가 너무 가까운 경우, 나노파이버 간 접착이 심하게 일어날 수 있으며, 이격 거리가 너무 먼 경우 용매의 증발로 인하여 연속상 섬유의 형성이 어려울 수 있다.
일 구체예에 따른 상기 전압 세기는 전기방사법으로 나노파이버를 형성하기 위해 인가되는 통상적인 세기라면 특별히 한정하지 않으며, 구체적으로 예를 들면 전압의 세기는 1 내지 30 ㎸일 수 있으며, 좋게는 5 내지 25 ㎸, 보다 좋게는 10 내지 20 ㎸일 수 있다. 상기 범위에서 전기방사가 효과적으로 수행될 수 있다.
일 구체예에 따른 토출 속도는 흡습성 고분자자 수용액의 농도와 함께 토출되는 흡습성 고분자 수용액의 양을 조절하여 끊이지 않으면서도 나노파이버의 두께를 목표하는 바에 따라 조절하기 위한 것으로, 구체적으로 예를 들면 상기 흡습성 고분자 수용액의 토출 속도는 0.5 내지 20 ㎖/시간(hr)일 수 있으며, 보다 좋게는 0.7 내지 15 ㎖/시간(hr), 가장 좋게는 1 내지 10 ㎖/시간(hr)일 수 있다. 이와 같은 범위에서 끊이지 않으면서도 목표하는 바의 두께를 가지는 나노파이버를 용이하게 제조할 수 있다.
다음으로, b) 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 소수성 고분자를 포함하는 보호층을 코팅하는 단계를 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 보호층으로 나노섬유 메쉬 시트를 코팅함에 따라 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 것 대비 물리적으로 더 강인해질 수 있으며, 내구성이 증가할 수 있다. 또한, 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 경우, 많은 양의 물을 흡수할 시 나노섬유 메쉬 시트의 구조가 변화하여 노이즈가 발생할 수 있으나, 상기 습도센서는 보호층에 의해 나노파이버 간 움직임이 일정 이상 제한되어 노이즈 발생을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
일 구체예에서, 상기 보호층은 통상적인 방법에 의해 나노섬유 메쉬 시트의 표면에 코팅될 수 있으며, 구체적인 일 예시로, 파릴렌을 포함하는 보호층을 나노섬유 메쉬 시트의 표면에 코팅하고자 하는 경우, 상기 보호층은 화학 기상 증착 방식(CVD)에 의해 코팅되는 것일 수 있다. 파릴렌의 CVD 코팅은 진공 중에서 가스 상의 형태로 진공 증착되기 때문에 코팅되는 보호층 자체에 핀홀과 기공이 없고, 분자 구조가 매우 안정적이기 때문에, 나노섬유 메쉬 시트의 표면에 코팅되어 나노섬유 메쉬 시트를 안정적으로 보호할 수 있다는 장점이 있으며, 증착 시간에 따라 그 두께를 조절하는 것이 용이하여 목표하는 바에 따라 보호층의 두께를 달리 조절할 수 있어 좋다.
다음으로, c) 상기 보호층 상에 전도성 물질을 포함하는 전극층을 코팅하는 단계를 수행할 수 있다.
구체적으로, 일 구체예에 따른 나노섬유 메쉬 습도센서의 제조방법에 있어, 전도성 물질의 코팅 방법은 보호층 상에 전도성 물질을 코팅할 영역만 노출하여 디자인된 바에 따라 보호층의 일부 영역 또는 전체 영역을 전도성 물질로 코팅할 수 있다. 보다 구체적인 일 예시로, 디자인된 쉐도우 마스크(shadow mask)를 보호층 상에 얹은 후, 쉐도우 마스크에 의해 가려지지 않은, 즉 외부로 노출된 영역에 전도성 물질을 코팅할 수 있다. 이때, 전도성 물질은 전술한 바와 같이, 금(Au), 백금(Pt) 또는 은(Ag) 등일 수 있으며, 바람직하게는 금(Au)일 수 있다.
구체적인 일 예시로, 일 구체예에 따른 상기 전극층은 서로 이격 위치한 제1전도성 물질을 포함하는 제1전극층 및 제2전도성 물질을 포함하는 제2전극층을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 제1전극층 및 제2전극층은 제1전극층 및 제2전극층이 코팅될 영역이 모두 노출된 쉐도우 마스크를 이용하여 단일 공정으로 코팅되거나, 또는 제1전극층이 코팅될 영역만이 노출된 쉐도우 마스크를 이용하여 제1전극층을 먼저 코팅한 후, 제2전극층이 코팅될 영역만이 노출된 쉐도우 마스크를 이용하여 제2전극층을 코팅할 수도 있다.
일 구체예에서, 상기 c)단계에서 코팅은 보호층 상에 전도성 물질을 코팅할 수 있는 방법이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 바람직하게는 화학적 증착 또는 물리적 증착을 통해 전도성 물질을 코팅할 수 있다.
보다 구체적인 일 예시로, 상기 c)단계에서 코팅은 스퍼터링 증착 방식, 열진공 증착 방식, 전자빔 증착 방식, 화학 기상 증착 방식(CVD) 또는 원자층 증착 방식(ALD)에 의해 수행되는 것일 수 있다.
또한, 일 구체예에 따른 나노섬유 메쉬 습소센서의 제조방법은 d) 상기 보호층 상에 감지층을 코팅하는 단계를 수행할 수 있으며, 상기 감지층은 상기 제1전극층과 제2전극층을 전기적으로 연결하도록 코팅될 수 있다. 즉, 상기 감지층은 서로 이격 위치한 제1전극층과 제2전극층의 사이에 위치하며, 제1전극층 및 제2전극층과 물리적으로 맞닿아 있을 수 있고, 동일 평면상에 코팅될 수 있다. 이를 위하여, 보호층 상에 감지층을 코팅할 영역만 노출하여, 디자인된 바에 따라 보호층의 일부 영역을 감지층으로 코팅할 수 있다. 보다 구체적인 일 예시로, 디자인된 쉐도우 마스크(shadow mask)를 보호층 상에 얹은 후, 쉐도우 마스크에 의해 가려지지 않은, 즉 외부로 노출된 영역에 감지층을 코팅할 수 있다.
상기 습도센서는 섬유 가닥이 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 구조를 가짐에 따라 액체 및 기체에 대한 우수한 투과성을 가질 수 있다. 이로 인하여 땀 등의 체액에 의해 오류가 잦았던 필름형 습도센서에 비하여, 땀이 나더라도 신속하게 증발하여 습도 측정에 오류가 적고, 습도센서가 부착된 부위와 부착되지 않은 부위의 습도 특성이 거의 동일하기 때문에 피부 상태를 정확하게 검진할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 섬유 가닥이 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 구조를 가짐에 따라 피부에 부착이 용이하고 이질감이 적어 장기간의 부착에도 불편하지 않으며, 피부와 유사한 유연성 및 신축성을 가짐에 따라 신체 움직임에도 쉽게 탈착되지 않을 수 있어 단기 측정뿐 아니라 장기간 모니터링에도 적합할 수 있다.
또한, 섬유 가닥이 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 구조를 가짐에 따라 체적 대비 표면적이 넓어 습도 측정 시간을 단축시킬 수 있으며, 피부 등 습도를 측정하고자 하는 부위에 나노섬유 메쉬 습도센서의 전극과 감지층이 직접적으로 닿기 때문에 그 자체의 습도를 읽어내는 것이 용이할 수 있다.
뿐만 아니라, 보호층으로 나노섬유 메쉬 시트를 코팅할 경우, 이에 따라 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 것 대비 물리적으로 더 강인해질 수 있으며, 내구성이 증가할 수 있다. 또한, 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 경우, 많은 양의 물을 흡수할 시 나노섬유 메쉬 시트의 구조가 변화하여 노이즈가 발생할 수 있으나, 상기 습도센서는 보호층에 의해 나노파이버 간 움직임이 일정 이상 제한되어 노이즈 발생을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
상기와 같은 특성으로 인하여 상기 나노섬유 메쉬 습도센서는 피부 습도 측정용 습도센서 또는 체내 삽입형 습도센서로 응용이 가능할 수 있으며, 상기 피부 습도 측정용 습도센서의 경우, 건선이나 아토피 등 피부염 환자의 피부에 부착되어 실시간으로 피부 보습 특성을 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 지속적으로 피부 보습 상태를 모니터링할 수 있다는 장점이 있으며, 피부관리 등의 목적으로도 사용이 가능할 수 있다. 또한, 센서를 구성하는 모든 물질이 인체에 무해하기 때문에 체내 삽입형 습도센서로도 응용 가능하며, 습도와 관련된 질병의 진단에 공헌할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 상기 습도센서로부터 측정된 습도 정보를 수신한 후, 습도 제어 신호를 발생시키는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 습도센서로부터 수신한 습도 정보가 설정된 습도범위를 초과할 경우에는 습도 하강 신호를 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 습도센서로부터 수신한 습도 정보가 설정된 습도범위 내일 경우 습도 유지 신호를 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 습도센서로부터 수신한 습도 정보가 설정된 습도범위 미만일 경우 습도 상승 신호를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 상기 제어부로부터 발생한 신호를 수신하여 습도를 조절하는 습도 조절부를 포함한다.
상기 습도 조절부는 습도를 조절할 수 있는 구성이면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 제어부로부터 습도 상승 신호를 수신할 경우 습도를 상승시키고, 습도 유지 신호를 수신할 경우 습도를 유지하며, 습도 하강 신호를 수신할 경우 습도를 하강시킬 수 있다.
일 구체예에서, 습도 조절부는 가습기 및 제습기를 포함할 수 있으며, 제어부로부터 습도 상승 신호를 수신한 경우 가습기를 가동하고, 제어부로부터 습도 하강 신호를 수신한 경우 제습기를 가동할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 상기 습도센서로부터 측정된 습도 정보를 시각적으로 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
상기 디스플레이부는 습도 정보를 시각적으로 표시하는 구성이면 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 핸드폰 또는 컴퓨터 같은 단말의 디스플레이를 통하여 습도 정보가 시각적으로 나타날 수 있다.
일 구체예에서, 상기 디스플레이부로 핸드폰이 사용된다면, 핸드폰과 휴대용 단말은 장소에 구애받지 않고 습도를 실시간으로 모니터링할 수 있다는 장점이 있다.
일 구체예에서, 차량 내부 운전자가 확인할 수 있는 위치에 별도의 디스플레이부가 설치되어, 차량 내부의 습도를 실시간으로 표시할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 피부 습도 제어용 또는 차량 습도 제어용일 수 있다. 또한, 습도에 민감한 제품 또는 원료의 습도 제어용일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 습도에 민감한 피부, 제품 또는 원료, 차량 내부 등의 분위기 습도 및 표면 습도를 모두 읽어낼 수 있으며, 이를 실시간으로 모니터링 할 수 있고, 읽어낸 습도 정보를 통하여 습도를 자동 제어할 수 있다.
특히, 습도에 민감한 질병을 앓는 영유아나 치매 노인의 경우 의사소통에 제한이 있으므로, 습한지 건조한지 등의 피부 습도 상태를 실시간으로 소통할 수 없다는 어려움이 있다. 이러한 경우, 부적합한 피부 습도 상태로 장시간 방치되어 피부 질환이 악화될 수 있는데, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템을 사용할 경우, 이러한 상황을 자율적으로 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 효율적으로 관리할 수 있다는 점에서 바람직하다.
또한, 습도에 민감한 식자재나 산업용 제품 등과 같은 경우, 정밀한 습도제어를 필요로 하는데, 기존의 습도센서는 주변 환경의 분위기 습도만을 측정하는데 제한이 되므로, 습도 제어에 어려움을 갖는다. 반면, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 표면의 습도를 모니터링 할 수 있는 바, 정밀한 습도 제어가 가능하며, 이를 통하여 자율 제어가 가능하기 때문에, 보다 정확하고 간편한 습도 제어가 가능하다.
또한, 차량 내부의 경우, 습도로 인하여 차량의 유리창에 결로가 발생할 수 있는데, 운전자가 운전 도중 습도를 직접 조절하기에는 번거로움이 있다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 습도를 자율적으로 제어함으로써 결로를 방지할 수 있으며, 운전자에게 쾌적함 및 편리함을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템에 포함된 습도센서는 나노파이버 메쉬구조이기 때문에 투명하므로, 차량용 유리창 표면에 직접 부착하더라도 운전 중 시야를 방해받지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서
상기 자율습도제어 시스템을 이용한 자율습도제어 방법으로,
상기 습도센서로부터 습도를 측정하는 단계;
상기 제어부에서 상기 습도센서에서 측정된 습도 정보를 수신한 후, 습도 제어 신호를 발생시키는 단계; 및
상기 습도 조절부에서 상기 제어부로부터 발생한 신호를 수신하여 습도를 조절하는 단계;
를 포함하는 자율습도제어 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 방법은 상술한 자율습도제어 시스템을 이용한다.
이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 방법은 상기 습도센서로부터 습도를 측정하는 단계를 포함한다.
상기 습도센서는 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 포함할 수 있다.
상기 습도센서는 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트; 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅되며, 소수성 고분자를 포함하는 보호층; 및 상기 보호층 상에 코팅되며, 전도성 물질을 포함하는 전극층;을 포함할 수 있다.
이와 같은 상기 나노섬유 메쉬 습도센서는 이처럼, 섬유 가닥이 망 상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 구조를 가짐에 따라 액체 및 기체에 대한 우수한 투과성을 가질 수 있다. 이로 인하여 땀 등의 체액에 의해 오류가 잦았던 필름형 습도센서 대비 상기 습도센서는 땀이 나더라도 신속하게 증발하여 습도 측정에 오류가 적고, 습도센서가 부착된 부위와 부착되지 않은 부위의 습도 특성이 거의 동일하기 때문에 피부 상태를 정확하게 검진할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 섬유 가닥이 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 구조를 가짐에 따라 피부에 부착이 용이하고 이질감이 적어 장기간의 부착에도 불편하지 않으며, 피부와 유사한 유연성 및 신축성을 가짐에 따라 신체 움직임에도 쉽게 탈착되지 않을 수 있어 단기 측정뿐 아니라 장기간 모니터링에도 적합할 수 있다.
또한, 섬유 가닥이 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 구조를 가짐에 따라 체적 대비 표면적이 넓어 습도 측정 시간을 단축시킬 수 있으며, 피부 등 습도를 측정하고자 하는 부위에 나노섬유 메쉬 습도센서의 전극과 감지층이 직접적으로 닿기 때문에 그 자체의 습도를 읽어내는 것이 용이할 수 있다.
뿐만 아니라, 보호층으로 나노섬유 메쉬 시트를 코팅함에 따라 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 것 대비 물리적으로 더 강인해질 수 있으며, 내구성이 증가할 수 있다. 또한, 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 경우, 많은 양의 물을 흡수할 시 나노섬유 메쉬 시트의 구조가 변화하여 노이즈가 발생할 수 있으나, 상기 나노섬유 메쉬 습도센서는 보호층에 의해 나노파이버 간 움직임이 일정 이상 제한되어 노이즈 발생을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
상기와 같은 특성으로 인하여 상기 습도센서는 피부 습도 측정용 습도센서 또는 체내 삽입형 습도센서로 응용이 가능할 수 있다. 구체적으로, 상기 피부 습도 측정용 습도센서의 경우, 건선이나 아토피 등 피부염 환자의 피부에 부착되어 실시간으로 피부 보습 특성을 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 지속적으로 피부 보습 상태를 모니터링할 수 있다는 장점이 있으며, 피부관리 등의 목적으로도 사용이 가능할 수 있다. 또한, 센서를 구성하는 모든 물질이 인체에 무해하기 때문에 체내 삽입형 습도센서로도 응용 가능하며, 습도와 관련된 질병의 진단에 공헌할 수 있다.
상기 습도센서는 물 분자가 흡착된 섬유 가닥의 팽윤 정도에 따라 나노섬유 메쉬 시트와 전극층 및 감지층의 구조가 달라지고, 이로부터 저항이 변화하는 것을 통해 습도를 읽어내는 원리임에 따라, 물의 흡착에 의해 팽윤성을 보이는 흡습성 고분자를 사용함으로써 용이하게 저항 변화를 읽어낼 수 있으며, 노이즈의 발생을 줄일 수 있다.
물의 흡착은 흡습성 고분자 내 빈 공간인 다공성 구조의 기공에서 일어나는 경향이 있으며, 흡착된 물의 양은 대부분 오픈된 기공의 부피, 기공의 반경 및 분포에 의존한다. 단순화를 위해 원통형(cylindrical)의 기공으로 가정하면, 반경은 하기 식 1을 기반으로 산출될 수 있다.
[식 1]
r = c/ln(ps/p)
상기 식 1에서, r은 기공의 반경(㎚)이며, p는 수증기압이고, ps는 포화율에서의 수증기압으로, p/ps의 비는 상대습도와 근사치로 상대습도 값으로 가정할 수 있다. c는 상수로 2γM/ρRT이며, 이때 γ는 물의 표면 장력(72.75 dyn/㎝ at 20℃)이며, M은 물의 분자량(18.01528 g/mol)이며, ρ는 물의 밀도(0.99823 g/㎤ at 20℃)이며, R은 기체상수이며, T는 절대온도(K)이다.
상기 식 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 상대습도에 따라 흡습성 고분자 내 기공의 크기, 즉 흡습성 고분자의 팽윤 정도가 달라질 수 있으며, 구체적으로 상대습도가 증가함에 따라 물의 흡착 양이 증가하여 흡습성 고분자 팽윤 정도가 커질 수 있다. 이와 같은 흡습성 고분자의 팽윤은 나노섬유 메쉬 시트가 팽윤되는 것을 의미하며, 나노섬유 메쉬 시트가 팽윤됨에 따라 교류파 전류를 가했을 시 측정되는 저항 값이 증가할 수 있다. 즉, 상대습도가 증가할수록 흡습성 고분자에 흡착되는 물의 양이 증가하며, 이에 따라 흡습성 고분자가 더욱 팽윤되어 기공의 크기가 더욱 커질 수 있으며, 교류파 전류를 가했을 시 측정되는 저항 값이 더욱 증가할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 흡습성 고분자는 물을 흡수하는 성질이 있는 고분자라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적이며 비 한정적인 일 예시로, 상기 흡습성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리프로필렌글리콜(PPG), 폴리아크릴산(PAA), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 전분(starch), 젤라틴, 히알루론산, 키틴, 키토산, 알긴산, 덱스트란, 피브린, 헤파린 및 이들의 염 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
바람직하게, 일 구체예에 따른 흡습성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA)일 수 있다. 폴리비닐알코올은 무독성(non-toxicity), 비발암성(noncarcinogenicity)으로 매우 우수한 생체적합성(biocompatibility)을 가질 뿐 아니라, 쉬운 가공성을 가져 목표하는 형태로 용이하게 가공을 할 수 있다는 장점이 있어 피부 습도 측정용 습도센서 또는 체내 삽입형 습도센서로의 활용성이 높을 수 있다.
일 구체예에서, 상기 흡습성 고분자의 분자량은 물에 녹을 수 있을 정도라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 흡습성 고분자의 중량평균 분자량은 10,000 내지 500,000 g/mol일 수 있고, 좋게는 30,000 내지 300,000 g/mol, 좋게는 50,000 내지 200,000 g/mol, 가장 좋게는 80,000 내지 150,000 g/mol일 수 있다.
일 구체예에서, 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버의 두께는 목표하는 습도센서의 형태에 따라 달리 조절할 수 있으며, 바람직한 일 예로, 나노파이버의 두께는 10 내지 990 ㎚일 수 있고, 좋게는 300 내지 800 ㎚, 가장 좋게는 400 내지 600 ㎚일 수 있다. 이와 같은 범위에서 전도성 물질 코팅 후에도 섬유 가닥이 망상 형태로 얽혀 나노섬유 메쉬 구조에 의해 액체 및 기체에 대한 우수한 투과성과 뛰어난 유연성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 일 구체예에서, 상기 나노섬유 메쉬 시트의 두께는 700 ㎚ 내지 3 ㎛일 수 있고, 좋게는 800 ㎚ 내지 2 ㎛, 가장 좋게는 1 ㎛ 내지 15 ㎛일 수 있다. 이와 같은 범위에서 피부와 유사한 정도의 뛰어난 유연성을 확보할 수 있으며, 피부 또는 생체 내 조직에 부착이 용이할 수 있다.
상기 습도센서는 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅되며, 소수성 고분자를 포함하는 보호층을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 보호층으로 나노섬유 메쉬 시트를 코팅함에 따라 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 것 대비 물리적으로 더 강인해질 수 있으며, 내구성이 증가할 수 있다. 또한, 나노섬유 메쉬 시트 상에 전도성 물질을 바로 코팅한 경우, 많은 양의 물을 흡수할 시 나노섬유 메쉬 시트의 구조가 변화하여 노이즈가 발생할 수 있으나, 상기 습도센서는 보호층에 의해 나노파이버 간 움직임이 일정 이상 제한되어 노이즈 발생을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
일 구체예에서, 상기 소수성 고분자는 소수성 성질이 있는 고분자라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 상기 소수성 고분자는 파릴렌(parylene), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락트산(PLA) 및 폴리락트산-co-글리코릭산 공중합체(PLGA) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 바람직하게, 상기 소수성 고분자는 파릴렌일 수 있으며, 파릴렌은 소수성 및 생체적합성이 뛰어날 뿐 아니라, 후술하는 바와 같이, 증착 방식을 통해 나노섬유 메쉬 시트의 표면에 코팅될 수 있음에 따라 그 두께를 조절하는 것이 용이할 수 있으며, 진공 중에서 가스 상의 형태로 진공 증착되기 때문에 코팅되는 보호층 자체에 핀홀과 기공이 없고, 분자 구조가 매우 안정적이기 때문에 나노섬유 메쉬 시트의 표면에 코팅되어 나노섬유 메쉬 시트를 안정적으로 보호할 수 있다는 장점이 있다.
일 구체예에서, 소수성 고분자를 포함하는 보호층의 두께는 목표하는 습도센서의 형태에 따라 달리 조절할 수 있으며, 바람직한 일 예로, 보호층의 두께는 50 내지 1000 ㎚일 수 있고, 좋게는 100 내지 800 ㎚, 가장 좋게는 200 내지 500 ㎚일 수 있다. 이와 같은 범위에서 흡습성 고분자가 많은 양의 물을 흡수하더라도 나노섬유 메쉬 시트의 구조가 변화하는 것을 억제하여 노이즈가 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 습도센서의 물리적 강인성 및 내구성을 향상시키면서도 뛰어난 유연성을 확보할 수 있어 좋다.
상기 습도센서는 상기 보호층 상에 코팅되며, 전도성 물질을 포함하는 전극층을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 전도성 물질을 포함하는 전극층은 나노섬유 메쉬 습도센서의 전극층으로, 상기 전도성 물질을 포함하는 전극층은 상기 보호층 상에 코팅된 것일 수 있으며, 구체적으로 보호층 상의 일부 영역 또는 전체 영역에 코팅된 것일 수 있다. 바람직하게는 목표하는 디자인에 따라 전극층이 패턴화되어 보호층 상의 일부 영역에 코팅될 수 있으나, 언급한 바와 같이 습도센서의 필요 구조에 따라 코팅하는 영역을 달리 선택할 수 있다.
구체적인 일 예시로, 상기 습도센서는 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트; 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅되며, 소수성 고분자를 포함하는 보호층; 상기 보호층 상의 일부 영역에 코팅되며, 서로 이격 위치한 제1전도성 물질을 포함하는 제1전극층 및 제2전도성 물질을 포함하는 제2전극층; 및 상기 보호층 상의 일부 영역에 코팅되며, 상기 제1전극층과 제2전극층을 전기적으로 연결하는 감지층;을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 제1전도성 물질 및 제2전도성 물질은 우수한 전도성을 가지면서도 인체에 거부반응 또는 손상을 일으키지 않는 생체적합성을 가진 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로 예를 들면 상기 제1전도성 물질 및 제2전도성 물질은 서로 독립적으로 금(Au), 백금(Pt) 또는 은(Ag) 등일 수 있으며, 바람직하게는 금(Au)일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 전도성 물질을 포함하는 전극층의 두께는 목표하는 습도센서의 형태에 따라 달리 조절할 수 있으며, 바람직한 일 예로, 전극층의 두께는 1 내지 500 ㎚일 수 있고, 좋게는 5 내지 300 ㎚, 가장 좋게는 10 내지 100 ㎚일 수 있다. 이때, 상기 전극층은 제1전극층 및 제2전극층을 의미하는 것일 수 있으며, 제1전극층 및 제2전극층의 두께는 상기 범위를 만족하는 범주에서 서로 같거나 다를 수 있다. 이와 같은 범위에서 우수한 전기전도성을 가지면서도 피부와 유사한 정도의 뛰어난 유연성을 확보할 수 있어 좋으며, 이를 통해 인체의 움직임에도 나노섬유 메쉬 습도센서가 유연하게 굽혀지거나 늘어나 조직으로부터 쉽게 탈착되지 않을 수 있으며, 장기간 조직에서 쉽게 탈착되지 않음에 따라 장기간 습도를 측정 및 분석하는 것이 용이하다는 장점이 있다.
또한, 일 구체예에서, 상기 감지층은 당업계에서 통상적으로 사용되는 물질일 수 있으며, 구체적인 일 예시로 상기 감지층은 금속, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 및 알루미늄 옥사이드 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 금속은 전도성을 가진 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 바람직하게는 피부 부착 시 염증, 알레르기 등의 거부 반응을 방지하는 측면에서 금(Au), 백금(Pt) 또는 은(Ag) 등일 수 있으며, 바람직하게는 금(Au)일 수 있다. 이와 같이 표면 전도도가 변하는 감지층을 더 포함함으로써 전극층의 전하가 더욱 빠르게 감지층의 표면으로 방전될 수 있으며, 더욱 민감하게 습도를 측정할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 감지층의 두께는 목표하는 습도센서의 형태에 따라 달리 조절할 수 있으며, 바람직한 일 예로, 감지층의 두께는 1 내지 500 ㎚일 수 있고, 좋게는 5 내지 300 ㎚, 가장 좋게는 10 내지 100 ㎚일 수 있다. 이와 같은 범위에서 우수한 감지 능력을 가지면서도 피부와 유사한 정도의 뛰어난 유연성을 확보할 수 있어 좋으며, 이를 통해 인체의 움직임에도 나노섬유 메쉬 습도센서가 유연하게 굽혀지거나 늘어나 조직으로부터 쉽게 탈착되지 않을 수 있으며, 장기간 조직에서 쉽게 탈착되지 않음에 따라 장기간 습도를 측정 및 분석하는 것이 용이하다는 장점이 있다.
일 구체예에서, 상기 제1전극층, 제2전극층 및 감지층은 상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅된 보호층 상의 일부 영역에 각각 코팅되는 것임에 따라, 동일 평면상에 코팅된 것일 수 있다.
아울러, 상기 습도센서는 민감도를 더욱 향상시키는 측면에서, 상기 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버와 전극층 및 감지층의 두께비를 적절하게 조절하여 주는 것이 바람직하다.
구체적인 일 예시로, 상기 전극층 및 감지층 : 나노파이버의 두께비는 1 : 3 내지 100일 수 있으며, 보다 좋게는 1 : 4 내지 50, 더욱 좋게는 1 : 5 내지 20일 수 있다. 이와 같은 범위에서 우수한 민감도를 확보할 수 있다. 반면, 나노파이버의 두께 대비 전극층 및 감지층의 두께가 너무 얇을 경우, 민감성은 증가하나 정확성이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 나노파이버의 두께 대비 전극층 및 감지층의 두께가 너무 두꺼울 경우 나노섬유 메쉬 시트를 구성하는 흡습성 고분자 나노파이버에 물 분자가 접촉 및 흡착될 기회가 줄어들어 민감도가 오히려 저하될 수 있다.
상기 습도센서로부터 습도를 측정하는 단계는 습도센서를 부착하는 단계 및 부착된 습도센서를 통해 감지된 임피던스 신호에 기초하여 습도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 습도센서를 단계는 상기 습도센서를 원하는 물질 및 위치에 부착할 수 있는 방법이라면 특별히 한정하지 않을 수 있으며, 구체적인 일 예시로, 피부에 부착하는 경우, 소량의 물을 사용자의 피부에 분무한 후 나노섬유 메쉬 습도센서를 전사하여 부착할 수 있다. 이 경우, 흡습성 고분자의 일부가 물에 녹아 접착 물질의 역할을 함으로써 나노섬유 메쉬 습도센서가 사용자의 피부에 접착되는 것으로, 별도의 접착제가 필요하지 않음에 따라 접착제에 의한 노이즈를 방지할 수 있으며, 피부염 등을 예방할 수 있다는 장점이 있다.
상기 습도센서를 통해 감지된 임피던스 신호에 기초하여 습도를 산출하는 단계는 습도를 실질적으로 산출하는 단계로, 나노 섬유 메쉬 시트를 구성하는 흡습성 고분자에 물 분자가 흡착되어 나노섬유 메쉬 시트가 팽윤됨에 따라 교류파 전류를 가했을 시 측정되는 저항 값이 증가할 수 있으며, 측정되는 저항 값을 토대로 사용자의 습도를 산출할 수 있다. 이 때, 측정되는 저항 값을 토대로 사용자 피부의 습도를 산출하기 위해서는 각 저항 값에 따른 습도 값을 미리 표준화한 데이터베이스를 구축하는 작업이 필히 선행되어야 하며, 구축된 데이터베이스는 정밀도 및 신뢰도가 있어야 한다. 아울러, 주변 온도 및 주변 습도에 의해 저항 값이 달라질 수 있음에 따라, 주변 온도 및 주변 습도에 따라 미리 설정된 대응값을 상기 습도 산출에 반영할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 방법은 상기 제어부에서 상기 습도센서에서 측정된 습도 정보를 수신한 후, 습도 제어 신호를 발생시키는 단계를 포함한다.
상기 단계에서 상기 습도 제어 신호는 상기 습도센서로부터 수신한 습도 정보가 설정된 습도범위를 초과할 경우에는 습도 하강 신호, 설정된 습도범위 내일 경우에는 습도 유지 신호, 설정된 습도범위 미만일 경우에는 습도 상승 신호일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 방법은 상기 습도 조절부에서 상기 제어부로부터 발생한 신호를 수신하여 습도를 조절하는 단계를 포함한다.
상기 단계에서, 제어부로부터 습도 상승 신호를 수신할 경우 습도 조절부가 습도를 상승시키고, 습도 유지 신호를 수신할 경우 습도 조절부가 습도를 유지하며, 습도 하강 신호를 수신할 경우 습도 조절부가 습도를 하강시킬 수 있다.
일 구체예에서, 상기 단계는 가습기 및 제습기를 통하여 수행될 수 있으며, 제어부로부터 습도 상승 신호를 수신한 경우 가습기를 가동하고, 제어부로부터 습도 하강 신호를 수신한 경우 제습기를 가동할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 방법은 상기 습도센서로부터 측정된 습도 정보를 디스플레이부에서 시각적으로 표시하여 모니터링 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계는 다양한 디스플레이를 통하여 수행될 수 있으며, 예를 들어, 핸드폰 또는 컴퓨터 같은 단말의 디스플레이를 통하여 수행될 수 있다.
일 구체예에서, 상기 단계가 핸드폰을 통하여 수행된다면, 핸드폰과 휴대용 단말은 장소에 구애받지 않고 습도를 실시간으로 모니터링할 수 있다는 장점이 있다.
일 구체예에서, 차량 내부 운전자가 확인할 수 있는 위치에 별도의 디스플레이부가 설치되어, 차량 내부의 습도를 실시간으로 표시함으로써 상기 단계가 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 방법은 피부 습도 제어용 또는 차량 습도 제어를 위한 방법일 수 있다.. 또한, 습도에 민감한 제품 또는 원료의 습도 제어를 위한 방법일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 방법은 습도에 민감한 피부, 제품 또는 원료, 차량 내부 등의 분위기 습도 및 표면 습도를 모두 읽어낼 수 있으며, 이를 실시간으로 모니터링 할 수 있고, 읽어낸 습도 정보를 통하여 습도를 자동 제어할 수 있는 방법일 수 있다.
특히, 습도에 민감한 질병을 앓는 영유아나 치매 노인의 경우 의사소통에 제한이 있으므로, 습한지 건조한지 등의 피부 습도 상태를 실시간으로 소통할 수 없다는 어려움이 있다. 이러한 경우, 부적합한 피부 습도 상태로 장시간 방치되어 피부 질환이 악화될 수 있는데, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 방법을 사용할 경우, 이러한 상황을 자율적으로 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 효율적으로 관리할 수 있다는 점에서 바람직하다.
또한, 습도에 민감한 식자재나 산업용 제품 등과 같은 경우, 정밀한 습도제어를 필요로 하는데, 기존의 습도센서는 주변 환경의 분위기 습도만을 측정하는데 제한이 되므로, 습도 제어에 어려움을 갖는다. 반면, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 표면의 습도를 모니터링 할 수 있는 바, 정밀한 습도 제어가 가능하며, 이를 통하여 자율 제어가 가능하기 때문에, 보다 정확하고 간편한 습도 제어가 가능하다.
또한, 차량 내부의 경우, 습도로 인하여 차량의 유리창에 결로가 발생할 수 있는데, 운전자가 운전 도중 습도를 직접 조절하기에는 번거로움이 있다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템은 습도를 자율적으로 제어함으로써 결로를 방지할 수 있으며, 운전자에게 쾌적함 및 편리함을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템에 포함된 습도센서는 나노파이버 메쉬구조이기 때문에 투명하므로, 차량용 유리창 표면에 직접 부착하더라도 운전 중 시야를 방해받지 않을 수 있다.
이하, 제조예 및 실시예를 통해 본 발명의 일 측면에서 제공되는 자율습도제어 시스템 및 자율습도제어 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
<제조예 1> 습도센서의 제조 1
폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, 98-99% hydrolyzed, 중량평균분자량 130,000 g/mol, CAS No 9002-89-5) 115 g을 고도로 정제된 정제수 885 ㎖에 넣고 70℃에서 2시간 동안 교반한 후 실온(약 25℃)에서 밤새(overnight) 교반하여 11.5 중량%의 PVA 수용액을 제조하였다.
상기 11.5 중량%의 PVA 수용액을 실린지에 채운 후 전기방사 기기(esprayer ES-2000S, Fuence)를 이용하여 전기방사하였다. 이때, 실린지 니들의 내경은 0.31 ㎜이었고, 실린지의 니들팁과 섬유 컬렉터 사이의 이격 거리는 20 ㎝이었으며, 15 ㎸의 전압 인가 하에 1.5 ㎖의 PVA 수용액을 6 ㎖/시간(hr)의 속도로 방사하여 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 제조하였다.
다음으로, 상기 나노섬유 메쉬 시트를 파릴렌(parylene) 코팅 시스템 기기(OBT-PC200, Obangtechnology)에 넣어 나노섬유 메쉬 시트의 나노파이버 표면을 파릴렌으로 코팅하였으며, 이때 파릴렌층의 두께는 약 200 ㎚이었다.
다음으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 파릴렌층이 코팅된 나노섬유 메쉬 시트 상에 전극층이 드러나도록 디자인된 쉐도우 마스크(shadow mask)를 얹고, 이를 통해 파릴렌층이 코팅된 나노섬유 메쉬 시트의 일부 영역에 금(Au)을 증착하여 파릴렌층의 표면에 금 전극층을 형성하였다. 이때, 증착은 스퍼터링 증착 방식으로 수행되었으며, 약 100 ㎚ 두께로 금을 증착하였다.
다음으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 파릴렌층 및 전극층이 코팅된 나노섬유 메쉬 시트 상에 감지층이 드러나도록 디자인된 쉐도우 마스크(shadow mask)를 얹고, 이를 통해 파릴렌층이 코팅된 나노섬유 메쉬 시트의 일부 영역에 백금(Pt)을 증착하여 파릴렌층의 표면에 백금 감지층을 형성하여 나노섬유 메쉬 습도센서를 제조하였다. 이때, 증착은 스퍼터링 증착 방식으로 수행되었으며, 약 100 ㎚ 두께로 백금을 증착하였다.
<제조예 2> 습도센서의 제조 2
감지층으로 백금(Pt) 대신 금(Au)을 약 100 ㎚ 두께로 증착한 것 외 모든 공정을 제조예 1과 동일하게 진행하였다.
<제조예 3> 습도센서의 제조 3
감지층으로 백금(Pt) 대신 은(Ag)을 약 100 ㎚ 두께로 증착한 것 외 모든 공정을 제조예 1과 동일하게 진행하였다.
<제조예 4> 습도센서의 제조 4
0.3 ㎖의 PVA 수용액을 6 ㎖/시간(hr)의 속도로 방사하여 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 제조한 것 외 모든 공정을 제조예 2와 동일하게 진행하였다.
<제조예 5> 습도센서의 제조 5
0.1 ㎖의 PVA 수용액을 6 ㎖/시간(hr)의 속도로 방사하여 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 제조한 것 외 모든 공정을 제조예 2와 동일하게 진행하였다.
<제조예 6> 습도센서의 제조 6
감지층으로 금(Au)을 약 200 ㎚ 두께로 증착한 것 외 모든 공정을 제조예 2와 동일하게 진행하였다.
<제조예 7> 습도센서의 제조 7
감지층으로 금(Au)을 약 300 ㎚ 두께로 증착한 것 외 모든 공정을 제조예 2와 동일하게 진행하였다.
<실시예 1> 피부 습도 제어
제조예 1 내지 제조예 7의 습도센서를 피부에 부착하여 습도를 측정하였고, 측정된 습도 정보를 제어부에서 수신한 후, 습도가 설정된 범위에 도달하는 경우 제어부가 습도 유지 신호를 발생시켜 습도 조절부가 습도를 유지하며, 습도가 설정된 범위를 초과하는 경우 제어부가 습도 하강 신호를 발생시켜 습도 조절부가 제습기를 가동하며, 습도가 설정된 범위 미만인 제어부가 습도 상승 신호를 발생시켜 경우 가습기를 가동하였다.
또한, 습도센서를 통하여 측정한 습도 정보를 핸드폰 및 모니터링 모듈을 이용하여 시각적으로 표시함으로써 모니터링하였다.
이에 대한 모식도를 도 1 및 도 2에 나타내었다.
<실시예 2> 습도에 민감한 제품 또는 원료의 습도 제어
피부가 아닌 습도에 민감한 제품 또는 원료에 습도센서를 부착한 점 외에는 실시예 1과 동일하게 자율습도제어를 실시하였다.
이에 대한 모식도를 도 1 및 도 3에 나타내었다.
<실시예 3> 차량 내부 습도 제어
피부가 아닌 차량 내부의 유리창에 습도센서를 부착한 점 외에는 실시예 1과 동일하게 자율습도제어를 실시하였다.
이에 대한 모식도를 도 1 및 도 4에 나타내었다.
<실험예 1> 피부 부착성 테스트
실시예 1과 같이 피부의 습도를 측정하기 위하여, 피부 부착성 테스트를 실시하였다.
도 8에 도시한 것과 같이, 피부(손가락)에 소량의 물을 분사한 후 상기 제조예 1에 따라 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서를 피부에 전사하였다.
도 9는 상기 전사된 나노섬유 메쉬 습도센서를 확대한 사진(scale bar: 350 ㎛)으로, 손가락 지문에 의한 굴곡에도 불구하고 나노섬유 메쉬 습도센서가 피부에 잘 부착된 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> 기체투과성 테스트
상기 제조예에 의하여 제조된 나노섬유 메쉬 습도센서의 기체투과성을 실험하기 위하여, 유리병(bial)에 물 10 g을 넣은 후, 유리병의 입구를 제조예 1의 나노섬유 메쉬 습도센서로 막고 시간(hours)에 따른 무게(g)의 변화를 측정하였다.
대조군으로, 유리병을 뚜껑으로 닫은 대조군 1(close)과, 유리병의 입구를 완전히 개방한 대조군 2(open), PVA 필름으로 입구를 막은 대조군 3(films) 및 나노섬유 메쉬 시트로 막은 대조군 4(nanofiber mesh)를 각각 준비하였다.
그 결과를 도 10에 나타내었다.
대조군 1과 3은 기체가 전혀 통과되지 않음에 따라 무게가 거의 줄어들지 않았으며, 대조군 2는 입구가 완전히 개방됨에 따라 가장 많은 무게 감소를 보였다.
제조예 1의 나노섬유 메쉬 습도센서와 대조군 4는 대조군 2보다는 무게 감소량이 다소 적었으나 그에 근접한 무게 감소량을 보였으며, 또한 제조예 1의 나노섬유 메쉬 습도센서와 대조군 4의 무게 감소 추세가 거의 동일함에 따라 보호층, 전극층 및 감지층으로 코팅됨에도 불구 우수한 기체투과성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 3> 감지층 물질 종류에 따른 민감도 테스트
제조예 1 내지 3에서 제조된 각각의 나노섬유 메쉬 습도센서를 이용하여 민감도를 테스트하였다. 이때, 감지층 물질은 제조예 1이 백금(Pt), 제조예 2가 금(Au), 제조예 3이 은(Ag)이었다.
민감도(%)는 저항 변화율(△R/R0×100, 이때 R0는 초기 저항값이며, △R는 상대습도에 따라 변화된 저항값이다.)로 확인할 수 있으며, 저항 변화율이 클수록 습기에 대한 민감도가 높다고 할 수 있다.
도 11 내지 13에 도시된 바와 같이, 상대습도 80 %에서는, 제조예 1의 습도센서는 약 10.5%의 저항 변화율을 보였으며, 제조예 2의 습도센서는 약 11.5%, 제조예 3의 습도센서는 약 8.5 %의 저항 변화율을 보였다. 상대습도 100 %에서는, 제조예 1의 습도센서는 약 28.5%의 저항 변화율을 보였으며, 제조예 2의 습도센서는 약 25 %, 제조예 3의 습도센서는 약 22.5 %의 저항 변화율을 보였다.
<실험예 4> 흡습성 고분자 수용액의 양에 따른 민감도
제조예 2, 4 및 5에서 제조된 각각의 나노섬유 메쉬 습도센서를 이용하여 민감도를 테스트하였다. 이때, 흡습성 고분자 수용액의 양은 제조예 2가 1.5 ㎖, 제조예 4가 0.3 ㎖, 제조예 5가 0.1 ㎖이었다.
흡습성 고분자 수용액의 양이 증가함에 따라, 나노섬유 메쉬 시트 내 나노섬유 가닥의 수가 증가(밀도 증가)하며, 한 가닥에 약 100 ㎚로 금(Au) 감지층을 코팅할 경우, 습도센서 내 감지층의 실질적인 표면적이 증가되었다. 즉, 흡습성 고분자 수용액의 양이 증가할수록 습도센서의 민감도 역시 증가하였다.
구체적으로, 도 16 내지 18에 도시된 바와 같이, 상대습도 80 %에서는, 제조예 2의 습도센서는 약 11.5 %의 저항 변화율을 보였으며, 제조예 4의 습도센서는 약 6.5 %, 제조예 5의 습도센서는 약 2 %의 저항 변화율을 보였다. 상대습도 100 %에서는, 제조예 2의 습도센서는 약 25 %의 저항 변화율을 보였으며, 제조예 4의 습도센서는 약 23 %, 제조예 5의 습도센서는 약 9 %의 저항 변화율을 보였다. 이처럼, 흡습성 고분자 수용액의 양이 증가할수록 습도센서의 민감도 역시 증가함을 확인할 수 있었다.
<실험예 5> 전극층 및 감지층 물질 증착 두께에 따른 민감도
제조예 2, 6 및 7에서 제조된 각각의 나노섬유 메쉬 습도센서를 이용하여 민감도를 테스트하였다. 이때, 전극층 및 감지층 물질 증착 두께는 제조예 2가 100 ㎚, 제조예 6이 200 ㎚, 제조예 7이 300 ㎚이었다.
이 경우, 증착되는 금(Au)의 두께가 증가함에 따라, 나노섬유 메쉬시트를 구성하는 흡습성 고분자에 물 분자가 접촉 및 흡착될 기회가 줄어들어 민감도가 줄어드는 결과를 보였다.
구체적으로, 도 19 내지 21에 도시된 바와 같이, 상대습도 80 %에서는, 제조예 2의 습도센서는 약 11.5 %의 저항 변화율을 보였으며, 제조예 6의 습도센서는 약 2.5 %, 제조예 7의 습도센서는 약 1.3 %의 저항 변화율을 보였다. 상대습도 100 %에서는, 제조예 2의 습도센서는 약 25 %의 저항 변화율을 보였으며, 제조예 6의 습도센서는 약 9 %, 제조예 7의 습도센서는 약 4.5 %의 저항 변화율을 보였다. 이처럼, 감지층의 두께가 증가할수록 습도센서의 민감도가 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 6> 사이클 테스트
도 14에 도시한 바와 같이, 제조예 2의 습도센서를 상대습도 35 %와 98 % 환경에 주기적으로 반복 노출하여 사이클 테스트를 진행하였다.
그 결과, 여러 번의 사이클 테스트에도 동일 상대습도 환경에서 유사한 저항값을 보이는 것을 확인할 수 있었으며, 이로부터 습도센서로의 응용이 가능할 것임을 예측할 수 있었다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트를 포함하는 습도센서;
    상기 습도센서로부터 측정된 습도 정보를 수신한 후, 습도 제어 신호를 발생시키는 제어부; 및
    상기 제어부로부터 발생한 신호를 수신하여 습도를 조절하는 습도 조절부;
    를 포함하는 자율습도제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 습도센서는
    흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트;
    상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅되며, 소수성 고분자를 포함하는 보호층; 및
    상기 보호층 상에 코팅되며, 전도성 물질을 포함하는 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자율습도제어 시스템
  3. 제1항에 있어서,
    상기 습도센서는
    상기 습도센서는 흡습성 고분자를 포함하는 나노파이버가 망상 형태로 얽힌 나노섬유 메쉬 시트;
    상기 나노섬유 메쉬 시트 상에 코팅되며, 소수성 고분자를 포함하는 보호층;
    상기 보호층 상의 일부 영역에 코팅되며, 서로 이격 위치한 제1전도성 물질을 포함하는 제1전극층 및 제2전도성 물질을 포함하는 제2전극층; 및
    상기 보호층 상의 일부 영역에 코팅되며, 상기 제1전극층과 제2전극층을 전기적으로 연결하는 감지층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자율습도제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 습도센서로부터 수신한 습도 정보가 설정된 습도범위를 초과할 경우에는 습도 하강 신호, 설정된 습도범위 내일 경우에는 습도 유지 신호, 설정된 습도범위 미만일 경우에는 습도 상승 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 자율습도제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 습도 조절부는 제어부로부터 습도 상승 신호를 수신한 경우 가습기를 가동하고, 제어부로부터 습도 하강 신호를 수신한 경우 제습기를 가동하는 것을 특징으로 하는 자율습도제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자율습도제어 시스템은 상기 습도센서로부터 측정된 습도 정보를 시각적으로 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율습도제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자율습도제어 시스템은 피부 습도 또는 차량 습도 제어용인 것을 특징으로 하는 자율습도제어 시스템.
  8. 제1항의 자율습도제어 시스템을 이용한 자율습도제어 방법으로,
    상기 습도센서로부터 습도를 측정하는 단계;
    상기 제어부에서 상기 습도센서에서 측정된 습도 정보를 수신한 후, 습도 제어 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 습도 조절부에서 상기 제어부로부터 발생한 신호를 수신하여 습도를 조절하는 단계;
    를 포함하는 자율습도제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 습도 제어 신호는
    상기 습도센서로부터 수신한 습도 정보가 설정된 습도범위를 초과할 경우에는 습도 하강 신호, 설정된 습도범위 내일 경우에는 습도 유지 신호, 설정된 습도범위 미만일 경우에는 습도 상승 신호인 것을 특징으로 하는 자율습도제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 자율습도제어 방법은
    상기 습도센서로부터 측정된 습도 정보를 디스플레이부에서 시각적으로 표시하여 모니터링 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자율습도제어 방법.
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