KR20090029383A

KR20090029383A - 용량형 고분자 습도센서 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20090029383A
Application number: KR1020070094574A
Authority: KR
Inventors: 홍성민; 김건년
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2009-03-23
Also published as: KR100965835B1

Abstract

본 발명은 수분 감지층으로 고분자 소재를 이용한 습도센서에 관한 것으로 보다 자세하게는 하부전극과 상부전극 사이에 표면적이 증대된 고분자 소재의 수분 감지층을 포함하는 고분자 용량형 습도센서에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 하부 전극층; 상기 하부 전극층 상에 표면적 증대를 위하여 식각된 표면을 갖는 고분자 소재의 수분 감지층; 및 상기 수분 감지층상에 형성된 상부 전극층을 포함하는 용량형 고분자 습도센서에 의하여 달성된다.

본 발명의 다른 목적은 기판상에 하부 전극층을 형성하는 단계; 상기 하부 전극층상에 수분 감지층을 형성하는 단계; 상기 수분 감지층상에 상부 전극층을 형성하고 패터닝하는 단계; 및 상기 상부 전극층을 마스크로 이용하여 상기 수분 감지층을 식각하는 단계를 포함하는 용량형 고분자 습도센서의 제조방법에 의하여 달성된다.

습도, 고분자, 용량형, 폴리이미드, 센서

Description

용량형 고분자 습도센서 및 그 제조방법{Fabricating method for capacitor type polymer sensor for measuring humidity and the same}

본 발명은 수분 감지층으로 고분자 소재를 이용한 습도센서에 관한 것으로 보다 자세하게는 하부전극과 상부전극 사이에 표면적이 증대된 고분자 필름을 포함하는 용량형 고분자 습도센서 및 그 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 수증기를 검지·검출하는 센서를 습도 센서라 한다.

이러한 습도 센서는 다양한 구조로 제작되고 있으며, 습기를 검출하는 박막을 구성하고 이 박막이 습기에 노출되는 경우 전기 전도도가 변화하는 것을 이용하는 구조가 주로 사용되고 있다.

이때, 감습막으로서 폴리이미드(polyimide) 등의 폴리머(polymer) 박막이 이 용되는 경우가 있으며, 이는 최근에 기존의 박막을 대체하기 위한 재료로 사용되고 있다. 다만, 폴리머 박막은 그 자체로는 전기적 특성을 얻기가 어려우므로, 또 다른 박막 위에 폴리머 박막을 형성하고 폴리머 박막의 변형에 의하여 아랫 부분의 박막의 형상이 변화하게 되어 전기적 특성이 변화하는 현상을 이용하고 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 정전용량형(capacitance type) 절대습도센서의 구조를 보여주는 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(11) 위에 SiO₂ , Si₃N₄, SiO_xN_y 등으로 이루어진 절연막(12)을 형성하고, 절연막(12) 위에 Al 또는 Pt과 같은 금속막을 증착 및 패터닝하여 감습소자용 하부전극(13)과 보상소자용 하부전극(13')을 형성한다. 이어, 하부전극(13,13') 위에 폴리이미드 박막을 스핀 코팅 및 패터닝하여 감습소자용 감습막(14)과 보상소자용 감습막(14')을 형성하고, 약 200∼300℃ 사이의 온도에서 열처리한다.

그리고, 폴리이미드 감습막(14,14') 위에 상기 하부전극(13,13')과 같은 재질의 금속막을 증착 및 패터닝하여 콤(comb) 형태의 감습소자용 상부전극(15)과 보상소자용 상부전극(15')을 형성함으로써, 상부전극과 하부전극 사이에 폴리이미드 감습막이 형성된 평행판 커패시터 구조를 갖도록 한다.

여기서, 상부전극(15,15')을 하부전극(13,13')과 달리 콤 형태로 형성하는 이유는 물분자가 원활히 폴리이미드 감습막 내부로 통과할 수 있도록 하기 위하여 폴리이미드 박막이 부분적으로 노출되기 위함이다.

따라서, 수증기는 상부전극 사이에 노출된 폴리이미드 감습막과 직접 접촉하여 박막 내부로 침투하게 된다. 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 감습막이 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.

마지막으로, 보상소자 감습막(14')과 상부전극(15') 상부에 수분이 감습막(14') 내부로 침투하지 못하도록 SiO₂, Si₃N₄, SiOxNy 와 같은 세라믹 박막을 증착 및 패터닝하여 보호막(16)을 형성한다.

종래의 용량형 고분자 습도 센서는 폴리머의 고유한 특성에 의하여 민감도 등의 센서 특성이 결정된다. 그러나, 양 전극 사이에 감습막인 폴리머가 삽입된 샌드위치 구조로 되어 있어, 감습막의 민감도를 향상시키기 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 수분 감지층으로 도포된 고분자층을 식각함으로써, 고분자 층의 표면적을 증대시켜 습도에 대한 감지도를 향상시킨 용량형 고분자 습도센서 및 그 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 용량형 고분자 습도센서 및 그 제조방법은 수분 감지층의 표면적이 증가함으로써, 습도를 감지할 수 있는 센서의 감도가 향상되는 현저하고도 유리한 효과가 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 고분자 용량형 습도센서의 공정 흐름도이다.

먼저, 기판(310) 전면에 하부 금속층(320)을 형성한다(도 3, 도4). 본 발명에 따른 기판(310)은 실리콘 기판, 유리 기판 및 고분자 필름 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

하부 금속층(320)은 진공증기증착법 또는 스퍼터링을 포함하는 물리적 증착법 중 어느 하나를 이용하여 형성한다.

하부 금속층(320)이 형성되면, 수분 감지층(330)으로 감광성 고분자 용액을 하부 금속층(320) 전면에 마이크로 두께로 스핀코팅을 이용하여 도포한다(도 5).

본 발명에 따른 감광성 고분자 용액으로는 폴리이미드 용액 또는 묽은 감광성 폴리이미드(DH4000, HD Microsystems)를 사용하는 것이 바람직하며, 하부 전극층의 면적보다 넓은 면적으로 도포할 수 있다.

수분 감지층(330)이 도포되면, 진공내에서 약 100℃ 내지 120℃에서 100초 내지 150초 동안 전 열처리를 하여 필름내에 포함된 공기를 제거한다.

전 열처리가 완료되면, 후 열처리를 진행한다. 질소 분위기에서 100분 내지 120분 동안 200℃ 내지 250℃까지 온도를 상승시킨다. 다음으로 30분 내지 40분 동안 200℃ 내지 250℃로 온도를 유지시킨 다음, 60분 내지 80분 동안 300℃ 내지 350℃까지 온도를 상승시키는 후 열처리를 한다. 후 열처리가 완료되면, 용매의 증발로 인하여 고분자 필름은 두께가 40%정도 줄어들고, 열적 및 화학적으로 매우 안정한 상태로 변환된다.

후 열처리가 완료된 수분 감지층(330)인 폴리이미드 필름상에 상부 금속층(340)을 형성한다(도 6). 상부 금속층은 하부 금속층과 동일한 공정을 이용하여 형성한다.

상부 금속층(340)이 형성되면, 사진식각 공정을 한다(도 7). 이때, 패터닝의 형태는 빗(comb)의 형태 또는 가지 모양을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상부 금속층은 패터닝을 이용하여 복수로 형성함으로써, 수분 감지층의 면적을 보다 많이 노출시키는 것이 바람직하다.

패터닝된 상부 금속층(340)이 형성되면, 이를 마스크로 이용하여 노출된 수 분 감지층(330)의 전면을 산소 플라즈마로 식각하는 RIE 공정을 진행한다(도 8). RIE는 상부 금속층(340)의 사진식각공정을 통하여 노출된 수분 감지층, 일예로서, 폴리이미드 필름 전면을 식각한다. 식각 깊이는 폴리이미드 필름 전체 두께의 20% 내지 80& 정도가 바람직하다.

도 9는 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 전자주사현미경 이미지이다.

도 10 내지 도 14는 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 특성을 나타낸 그래프이다.

먼저 도 10은 일실시예로서, 수분 감지층으로 사용한 폴리이미드(PI) 층의 식각 유무에 따른 습도센서의 상대습도 대비 커패시터 용량을 나타낸 것이다.

수분 감지층을 식각하기 전의 습도센서는 도 7에서 도시된 바와 같이 상부 전극층만이 패터닝된 습도센서를 나타내며, 수분 감지층을 식각한 후의 습도센서는 도 8에서 도시된 바와 같이 패터닝된 상부 금속층을 마스크로 이용하여 수분 감지층을 소정의 두께로 식각한 것을 나타낸 것이다.

수분 감지층을 식각하면, 식각된 면이 외부 대기에 더 노출된다. 따라서, 보다 많은 양의 대기 중의 수분이 수분 감지층에 흡착됨으로써, 커패시턴스가 증가하게 된다.

즉, 수분 감지층의 식각 유무에 따라 대기중에 동일한 양의 수분이 존재하더라도, 이를 감지하는 감도 변하게 되는데, 수분 감지층을 식각할 경우, 보다 습도 감지도가 우수한 습도센서를 형성할 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 온도에 따른 커패시턴스를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 온도에 의한 커패시턴스의 영향은 적고 상태습도에 따라 커패시턴스가 변하는 것을 알 수 있다. 폴리이미드 필름은 앞서 개시한 바와 같이 전 열처리와 후 열처리를 거쳐 열적으로 화학적으로 안정화되었기 때문이다.

도 12는 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 수분의 흡착과 탈착에 따른 커패시턴스를 나타낸 것이다.

수분의 양의 증감에 따라 커패시턴스가 일정하게 증감하는 선형적 특성을 보이고 있다. 즉, 특정 상대습도를 기준으로 습도가 증가하거나 감소하거나 하는 경우, 동일한 커패시턴스를 보임으로써, 본 발명의 용량형 습도센서가 높은 신뢰성을 갖고 있음을 알 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 수분에 대한 반응속도를 나타낸 것이다.

수분 감지층이 식각되면, 더 많은 수분에 노출되므로, 수분 감지층을 식각하지 않은 습도센서보다 보다 빠른 시간내에 수분의 존재를 감지하게 된다.

도 14는 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 상대습도에 따른 소자의 재현성을 나타낸 것이다.

시간이 지남에 따라 특정 상대습도에서 오차범위가 최대 0.17%에 불과한 일정한 커패시턴스를 보이고 있어, 매우 신뢰성이 우수한 습도 센서임을 알 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설 명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1 및 도 2는 종래에 따른 습도센서,

도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 공정 흐름도,

도 9는 본 발명에 다른 용량형 고분자 습도센서의 전자주사현미경 이미지,

도 10은 일실시예로서, 수분 감지층의 식각 유무에 따른 습도센서의 상대습도 대비 커패시터 용량을 나타낸 그래프,

도 11은 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 온도에 따른 커패시턴스를 나타낸 그래프,

도 12는 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 수분의 흡착과 탈착에 따른 커패시턴스를 나타낸 그래프,

도 13은 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 수분에 대한 반응속도를 나타낸 그래프,

도 14는 본 발명에 따른 용량형 고분자 습도센서의 상대습도에 따른 소자의 재현성을 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

310 : 기판 320 : 하부 전극층

330 : 수분 감지층 340 : 상부 전극층

Claims

하부 전극층;

상기 하부 전극층 상에 표면적 증대를 위하여 식각된 고분자 소재의 수분 감지층; 및

상기 수분 감지층상에 형성된 상부 전극층

을 포함하는 용량형 고분자 습도센서.
제1항에 있어서,

상기 상부 전극층은 상기 수분 감지층에서 식각되지 않은 영역에 형성된 용량형 고분자 습도센서.
제2항에 있어서,

상기 수분 감지층과 상기 상부 전극층은 나무가지 또는 빗(comb)의 형태로 패터닝된 용량형 고분자 습도센서.
제1항에 있어서,

상기 수분 감지층의 고분자 소재는 폴리이미드 또는 묽은 감광성 폴리이미드인 용량형 고분자 습도센서.
제1항에 있어서,

상기 상부 전극층은 복수의 패턴으로 형성된 용량형 고분자 습도센서.
기판상에 하부 전극층을 형성하는 단계;

상기 하부 전극층상에 수분 감지층을 형성하는 단계;

상기 수분 감지층상에 상부 전극층을 형성하고 패터닝하는 단계; 및

상기 상부 전극층을 마스크로 이용하여 상기 수분 감지층을 식각하는 단계

를 포함하는 용량형 고분자 습도센서의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 수분 감지층을 형성하는 단계는,

100℃ 내지 120℃에서 100초 내지 150초 동안 전 열처리 단계와,

100분 내지 120분 동안 200℃ 내지 250℃까지 온도를 상승시키는 단계;

30분 내지 40분 동안 200℃ 내지 250℃로 유지시킨 단계; 및

60분 내지 80분 동안 300℃ 내지 350℃까지 온도를 상승시키는 단계를 포함 하는 후 열처리 단계

를 더 포함하는 용량형 고분자 습도센서의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 수분 감지층은 스핀코팅을 이용하여 형성하는 용량형 고분자 습도센서의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 수분 감지층을 식각하는 깊이는 상기 수분 감지층의 전체 두께 중 20% 내지 80%인 용량형 고분자 습도센서의 제조방법.