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문제 정의
- 본 연구에서는 상용 전도성 카본 잉크를 이용하여 습도센서를 제작하고 그 특성을 평가하였다. 스크린 기법을 이용하여 별도의 측정전극(금속전극) 없이 전도성 카본 필름을 제작하였으며, 과포화 염 수용액과 실제 환경에서 습도에 따른 저항변화를 측정하였다.
- 본 연구에서는 상용으로 판매되고 있는 전도성 카본 잉크의 습도에 따른 저항특성을 분석하고 인쇄기반 저항형 습도센서를 제작하였다. 전도성 카본 잉크는 우수한 전기적 특성(낮은 저항)을 가지고 있으며, 습도 반응성이 뛰어나 습도센서 감응 물질로 적합하다.
제안 방법
- 본 연구에서는 상용 전도성 카본 잉크를 이용하여 습도센서를 제작하고 그 특성을 평가하였다. 스크린 기법을 이용하여 별도의 측정전극(금속전극) 없이 전도성 카본 필름을 제작하였으며, 과포화 염 수용액과 실제 환경에서 습도에 따른 저항변화를 측정하였다. 전도성 카본 필름은 건조상태에서 약 수 kΩ의 저항값을 가지도록 디자인 하였으며, 습도에 따라 최대 수십 kΩ까지 저항이 증가하였다.
- 전도성 카본 필름의 습도 반응성을 확인하기 위하여 다양한 상대습도를 가지는 과포화 염 수용액 환경에서DC 저항변화를 관찰하였다. Fig.
- 제작된 습도센서는 다양한 상대습도에서 DC 저항변화를 측정하였다. DC 저항을 측정하기 위해 FLUKE 289 TRUE RMS MULTIMETER를 사용하였다(Fig.
대상 데이터
- 전도성 카본잉크는 상용제품인Electric Paint(Bare Conductive, 영국)를 사용하였다. Electric Paint 제품은 카본 입자를 기반으로 한 전도성 잉크 제품으로 물을 용매로 사용하여 독성이 없는 제품이다.
데이터처리
- 모든 염화합물은 대정화금에서 구매하였다. 실제 환경에서 습도 변화를 측정하기 위해 Testo 605-H1 온습도계를 사용하여 비교 측정하였다.
- 제작된 센서의 실제 환경에서의 반응특성 및 성능을 평가하기 위하여, 약 6평의 사무실 공간에서 가습기를 사용하여 습도환경을 변화시키면서 상용 습도센서(Testo 605-H, 정전용량형습도센서)와 비교 측정하였다. Fig.
- 전도성 카본 필름의 습도 반응성은 3회의 습도변화 사이클 동안 반복적으로 동일한 저항변화 패턴을 보이며 안정적으로 동작하는 것을 볼 수 있다. 제작된 습도 센서의 민감도를 평가하기 위해 11 %RH 에서의 저항(R0, 약 2.7 kΩ)을 기준으로 각각의 습도에 따른 저항변화율(ΔR/R0)을 계산하였다. 상대습도 94 %RH 에서 저항변화율이 약 1700% 이상으로 매우 높게 나타났으며, 33 %RH 의 낮은 상대습도에서도 약 10% 의 저항변화율을 나타내었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Fig. 1에서 보는 것과 같이, 저항형 습도센서 패턴을 제작하기 위해 스크린 프린팅 기법을 사용하였다. 탈부착이 용이한 웨이퍼 다이싱 필름을 원하는 패턴으로 절단하여 제작한 Shadow Mask를 기판에 부착하고, 전도성 카본 잉크를 유리기판에 선택적으로 도포하여 패턴을 제작하였다.
성능/효과
- 기존의 저항형 습도센서들이 대부분 AC 임피던스 변화를 측정하여 복잡한 측정장비 및 회로를 필요로 한 것에 비해, 전도성 카본 필름의 경우 습도 변화에 따라 안정적이 DC 저항 변화를 보임으로써 센서시스템의 간편화를 기할 수 있을 것이다. 또한 페인팅을 통해 표면에 직접 습도센서를 형성할 수 있기 때문에 사물인터넷 기반에 습도센서 제작에 매우 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
- 다만, 상대습도가 낮아질수록 센서의 안정화 시간이 길어지고, 습도에 따른 반복 특성이 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 특성은 주로 폴리머 기반 습도센서에서 나타나는 특성으로[2], 본 연구에서 사용된 상용 카본 잉크에 첨가된 습윤제 및 천연수지가 습도에 반응하여 폴리머 기반 센서와 같은 특성을 나타내는 것을 보여준다.
- 다만, 상대습도가 낮아질수록 센서의 안정화 시간이 길어지고, 습도에 따른 반복 특성이 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 특성은 주로 폴리머 기반 습도센서에서 나타나는 특성으로[2], 본 연구에서 사용된 상용 카본 잉크에 첨가된 습윤제 및 천연수지가 습도에 반응하여 폴리머 기반 센서와 같은 특성을 나타내는 것을 보여준다.
- 제작된 센서는 습도변화에 따라 지수적으로 선형적인 저항변화 특성을 가지며, 실제 환경에서도 상용 습도센서와 대등한 성능을 나타냈다. 비록 낮은 습도영역에서 반복 측정 특성이 일정하지 않았으나 50% 이상의 습도영역에서는 반복 측정에서도 안정적 특성을 나타내었다. 이러한 습도센서는 특정 사물 또는 표면에 일체형으로 제작가능하며, DC저항변화를 이용한 간단한 측정방식 및 저전력, 실시간 습도를 모니터링 할 수 있기 때문에 사물인터넷 분야에 적용할 수 있다.
- 7 kΩ)을 기준으로 각각의 습도에 따른 저항변화율(ΔR/R0)을 계산하였다. 상대습도 94 %RH 에서 저항변화율이 약 1700% 이상으로 매우 높게 나타났으며, 33 %RH 의 낮은 상대습도에서도 약 10% 의 저항변화율을 나타내었다. 이는 기존에 발표된 폴리머 기반에 센서가 MΩ 수준에 저항 수준과 수십 %의 저항변화율을 가지는 것에 비해 매우 우수한 성능을 나타낸다[6-7].
- 5는 제작된 센서의 저항 변화(실선)와 상용 습도센서로 측정한 습도변화(점, 50초간격으로 측정)를 보여준다. 상용 습도센서로 측정한 실내 공간의 습도는 가습기의 작동여부에 따라 약 55%에서부터 65%까지 10% 내외에서 변화하였다.
- 상대습도 94 %RH 에서 저항변화율이 약 1700% 이상으로 매우 높게 나타났으며, 33 %RH 의 낮은 상대습도에서도 약 10% 의 저항변화율을 나타내었다. 이는 기존에 발표된 폴리머 기반에 센서가 MΩ 수준에 저항 수준과 수십 %의 저항변화율을 가지는 것에 비해 매우 우수한 성능을 나타낸다[6-7].
- 이때, 제작된 센서의 저항변화는 측정된 습도와 거의 동일한 양상과 변화 속도를 가지고 변화한 것을 확인 할 수 있다. 이러한 결과는 제작된 저항형 습도센서가 실제 사용 환경에서도 안정적으로 작동 가능함을 보여준다.
- 본 연구에서는 상용으로 판매되고 있는 전도성 카본 잉크의 습도에 따른 저항특성을 분석하고 인쇄기반 저항형 습도센서를 제작하였다. 전도성 카본 잉크는 우수한 전기적 특성(낮은 저항)을 가지고 있으며, 습도 반응성이 뛰어나 습도센서 감응 물질로 적합하다. 또한 스크린 프린팅 기법을 사용하여 제작 가능하고 별도의 측정용 금속 전극의 제작이 필요하지 않기 때문에 다양한 표면에 일체형으로 손쉽게 제작할 수 있어 사물인터넷 분야의 적용에 매우 유리하다.
- 스크린 기법을 이용하여 별도의 측정전극(금속전극) 없이 전도성 카본 필름을 제작하였으며, 과포화 염 수용액과 실제 환경에서 습도에 따른 저항변화를 측정하였다. 전도성 카본 필름은 건조상태에서 약 수 kΩ의 저항값을 가지도록 디자인 하였으며, 습도에 따라 최대 수십 kΩ까지 저항이 증가하였다. 제작된 센서는 습도변화에 따라 지수적으로 선형적인 저항변화 특성을 가지며, 실제 환경에서도 상용 습도센서와 대등한 성능을 나타냈다.
- 3은 온도 25℃, 습도 11 %RH (과포화 LiCl 수용액) 환경을 기준으로 94, 84, 75, 53, 43, 33 %RH 환경으로 각각 변화할 때 5분간격으로 3회 사이클 변화를 측정한 결과를 나타낸다. 전도성 카본 필름의 습도 반응성은 3회의 습도변화 사이클 동안 반복적으로 동일한 저항변화 패턴을 보이며 안정적으로 동작하는 것을 볼 수 있다. 제작된 습도 센서의 민감도를 평가하기 위해 11 %RH 에서의 저항(R0, 약 2.
- 4는 각각의 습도에서 안정화된 저항을 측정하여 상대습도에 따른 저항변화를 나타내었다. 제작된 센서 저항의 대수(logarithm)값이 상대습도 증가에 따라 선형적으로 증가하는 결과를 보였다. 습도변화에 따른 저항 추세선의 R2 값 (coefficient of determination)이 0.
- 전도성 카본 필름은 건조상태에서 약 수 kΩ의 저항값을 가지도록 디자인 하였으며, 습도에 따라 최대 수십 kΩ까지 저항이 증가하였다. 제작된 센서는 습도변화에 따라 지수적으로 선형적인 저항변화 특성을 가지며, 실제 환경에서도 상용 습도센서와 대등한 성능을 나타냈다. 비록 낮은 습도영역에서 반복 측정 특성이 일정하지 않았으나 50% 이상의 습도영역에서는 반복 측정에서도 안정적 특성을 나타내었다.
- 또한 스크린 프린팅 기법을 사용하여 제작 가능하고 별도의 측정용 금속 전극의 제작이 필요하지 않기 때문에 다양한 표면에 일체형으로 손쉽게 제작할 수 있어 사물인터넷 분야의 적용에 매우 유리하다. 제작된 센서는 최대 수십 kΩ 수준의 낮은 저항을 가지고 있으며, DC 저항변화로 습도 측정이 가능할 뿐만 아니라 높은 감도를 나타내었다.
- 제작된 센서의 반응속도는 습도가 감소하는 구간 보다 증가하는 구간에서 더 빠르게 나타났다. 특히 상대습도가 약 50% 이하로 감소하는 구간에서는 그래프의 기울기가 급격히 감소하면서 반응 시간이 길어졌다.
후속연구
- 특히 높은 습도에서 우수한 특성을 가지고 있어, 스크린 페인팅 기법으로 사물의 표면에 직접 습도 센서를 제작하여 건축물 벽면의 결로 모니터링, 목조 문화재의 습도 관리, 고미술품 및 서적의 습도관리 등의 분야에 매우 유용할 것으로 기대된다. 다만 상용 전도성 카본 잉크를 사용하여 경제적으로 일정한 특성과 안정적인 습도센서의 제작이 가능하지만, 향후 첨가된 습윤제 및 천연수지의 규명을 통해 습도 반응 원리 및 최적화 연구가 필요하다.
- 습도센서의 응용분야는 농업분야의 토양 습도측정, 공학 분야에서 부식 모니터링, 공정 환경 모니터링, 건축분야의 결로 모니터링, 주거환경 모니터링, 문화제 및 미술품 등의 보존을 위한 습도조절 등 매우 광범위 하다[2-3]. 따라서 다양한 응용분야에 적합한 습도센서의 개발과 적용이 필요하다.
- 상대습도의 변화가 거의 없는 약 20℃에서 30℃ 구간에서 센서의 저항이 온도 증가와 함께 다소 감소하여 온도 영향이 존재하는 것을 확인 할 수 있지만, 그 변화율이 습도에 의한 변화율 보다 미미한 수준을 보인다. 따라서, 향후 온도에 의한 습도센서의 저항변화를 보정하기 위하여 차동모드(difference mode)의 측정이 필요하다.
- 기존의 저항형 습도센서들이 대부분 AC 임피던스 변화를 측정하여 복잡한 측정장비 및 회로를 필요로 한 것에 비해, 전도성 카본 필름의 경우 습도 변화에 따라 안정적이 DC 저항 변화를 보임으로써 센서시스템의 간편화를 기할 수 있을 것이다. 또한 페인팅을 통해 표면에 직접 습도센서를 형성할 수 있기 때문에 사물인터넷 기반에 습도센서 제작에 매우 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
- 9613으로 1에 근접한 선형성을 가지고 있다. 비록 습도에 따라 저항이 지수적으로 변화하여 대수 변환과정이 필요하지만, 높은 습도에서 큰 저항변화는 적용 분야에 따라 활용도가 높다고 할 수 있다.
- 이러한 습도센서는 특정 사물 또는 표면에 일체형으로 제작가능하며, DC저항변화를 이용한 간단한 측정방식 및 저전력, 실시간 습도를 모니터링 할 수 있기 때문에 사물인터넷 분야에 적용할 수 있다. 특히 높은 습도에서 우수한 특성을 가지고 있어, 스크린 페인팅 기법으로 사물의 표면에 직접 습도 센서를 제작하여 건축물 벽면의 결로 모니터링, 목조 문화재의 습도 관리, 고미술품 및 서적의 습도관리 등의 분야에 매우 유용할 것으로 기대된다. 다만 상용 전도성 카본 잉크를 사용하여 경제적으로 일정한 특성과 안정적인 습도센서의 제작이 가능하지만, 향후 첨가된 습윤제 및 천연수지의 규명을 통해 습도 반응 원리 및 최적화 연구가 필요하다.
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