KR101645213B1 - 용량형 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

용량형 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

용량형 센서가 개시된다. 상기 용량형 센서는 기판, 상기 기판 상에 형성된 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 형성된 상기 기판 상에 형성된 절연막, 및 상기 절연막 상에 형성되고 그래핀을 포함하는 감지막을 포함한다.

Description

용량형 센서 및 이의 제조 방법{CAPACITIVE SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 용량형 센서에 관한 것으로, 특히 그래핀을 포함하는 감지막을 이용하여 측정 대상의 전기적 특성 또는 전기적 특성의 변화를 측정할 수 있는 용량형 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
측정 대상, 예컨대 차량에 사용되는 엔진 오일의 열화는 다양한 물리적, 화학적 요인에 기인한다. 그러나, 대부분의 경우 엔진 오일의 점도나 색깔의 변화만을 측정한 후 엔진 오일의 교체 시기를 결정한다. 최근에 엔진 오일의 열화와 엔진 오일의 전기적 특성인 유전율 또는 전기 전도도의 변화가 밀접한 관계가 있음이 밝혀지면서 엔진 오일의 전기적 특성을 측정하여 엔진 오일의 상태를 감지하는 연구들이 진행 중이다. 일부 연구에서는 엔진 오일의 전기적인 특성 중에서 출력 전압, 교류 임피던스 또는 점도를 이용하였으나, 신뢰성, 장기 내구성 및 응답 속도 측면에서 사용자의 요구를 충족시키지 못하고 있는 상태이다.
엔진 오일의 유전 상수의 변화는 엔진 오일의 여러 가지 물리적, 화학적 변화에 기인하는 것으로 엔진 오일의 변화 정보를 쉽게 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만, 현재까지의 유전 상수를 이용한 측정 장치들은 부피가 큰 실린더 형태나 평행판 구조 형태를 포함하고 있어 대량 생산과 소형화에서 문제점을 가지고 있다.
대한민국 공개특허 제2011-0049593호 대한민국 공개특허 제2014-0061278호
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 측정 대상의 전기적 특성 또는 전기적 특성의 변화를 높은 감도로 측정할 수 있는 용량형 센서 및 용량형 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 용량형 센서는, 기판, 상기 기판 상에 형성된 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 형성된 상기 기판 상에 형성된 절연막, 및 상기 절연막 상에 형성되고 그래핀을 포함하는 감지막을 포함한다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 용량형 센서의 제조 방법은, 기판 상에 적어도 하나의 전극을 형성하는 단계, 상기 적어도 하나의 전극이 형성된 상기 기판 상에 절연막을 형성하는 단계, 및 상기 절연막 상에 그래핀을 포함하는 감지막을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 용량형 센서는 측정 대상의 전기적 특성 또는 전기적 특성의 변화를 높은 감도로 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용량형 센서를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 적어도 하나의 전극을 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 용량형 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 감지막의 전기적 특성이 변화하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5와 도 6은 도 1에 도시된 용량형 센서를 이용하여 측정한 측정 대상의 전기 용량의 변화를 도시하는 그래프이고, 도 7은 측정 대상의 전산가(Total Acid Number)의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시된 용량형 센서의 시제품을 도시한다.
도 9는 감지막의 면적에 따른 용량형 센서의 초기 용량값을 측정하기 위해 제작된 샘플을 도시한다.
도 10은 도 9에 도시된 샘플의 초기 용량값의 변화를 도시한 그래프이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용량형 센서를 도시한다.
도 1을 참조하면, 용량형 센서(10)는 기판(100), 적어도 하나의 전극(300), 절연막(500), 및 감지막(700)을 포함한다.
기판(100)은 유리 또는 실리콘을 포함할 수 있다. 실시 예에 따라, 기판(100)은 알루미나(alumina)를 포함하는 알루미나 기판으로 구현될 수도 있다. 기판(100)이 실리콘으로 구현된 경우, 기판(100)과 적어도 하나의 전극(300) 사이에는 추가적인 산화막 또는 절연막이 구현될 필요가 있다.
적어도 하나의 전극(300)은 기판(100) 상에 형성된다. 적어도 하나의 전극(300)은 소정의 패턴을 갖도록 구현될 수 있다. 적어도 하나의 전극(300)은 전도체(electric conductor), 예컨대 크롬(Cr), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 팔라듐(Pd) 등과 같은 금속 물질 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 실시 예에 따라, 적어도 하나의 전극(300)은 ITO(Indium Tin Oxide), 그래핀(graphene) 등을 포함하는 투명 전극으로 구현될 수도 있다. 적어도 하나의 전극(300)에는 100Hz 내지 10kHz의 주파수를 갖는 전원이 인가될 수 있으나, 본 발명이 적어도 하나의 전극(300)에 인가되는 전원의 주파수의 범위에 한정되는 것은 아니다.
절연막(500)은 적어도 하나의 전극(300)이 형성된 기판(100) 상에 형성된다. 즉, 절연막(500)은 적어도 하나의 전극(300)이 형성되지 않은 기판(100)의 일부와 적어도 하나의 전극(300) 위에 형성된다. 절연막(500)은 산화물 또는 질화물로 구현될 수 있다.
감지막(700)은 절연막(500) 상에 형성된다. 감지막(700)은 그래핀을 포함한다. 상기 그래핀은 탄소 원자들이 2차원 상에서 sp2 결합에 의한 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 갖는 물질로서, 구조적, 화학적으로 매우 안정할 뿐만 아니라, 그래핀 나노리본(graphene nanoribbons)의 가장자리 구조를 이용하면 고감도의 용량형 센서(10)를 제조할 수 있는 장점이 있다.
실시 예에 따라, 감지막(700)은 그래핀을 포함하는 그래핀 페이스트로 구현될 수도 있다. 감지막(700)은 감지막(700)과 접촉하는 측정 대상 물질, 예컨대 엔진 오일의 상태에 따라 전기적 특성이 변한다. 상기 전기적 특성은 캐피시턴스(capacitance)라고도 불리는 전기 용량(electric capacity), 유전율(permittivity), 또는 유전 상수(dielectric constant)일 수 있다. 상기 그래핀 페이스트의 두께는 5㎛ 내지 10㎛로 구현될 수 있으나, 본 발명의 권리범위가 상기 그래핀 페이스트의 두께에 한정되는 것은 아니며, 소결 후의 그래핀 페이스트의 두께는 4㎛ 내지 6㎛ 범위에 분포될 수도 있다.
상기와 같이, 용량형 센서(10)는 상기 측정 대상 물질의 상태에 따라 전기적 특성이 변화하는 감지막(700)을 이용하여 상기 측정 대상 물질의 상태를 판단할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 적어도 하나의 전극을 도시한다.
도 1과 도 2를 참조하면, 적어도 하나의 전극(300)은 제1 전극(310)과 제2 전극(320)을 포함한다. 제1 전극(310)과 제2 전극(320)은 빗살형 전극(interdigit electrode)으로 구현될 수 있다. 빗살형 전극으로 구현되는 제1 전극(310)과 제2 전극(320)이 갖는 패턴은 다음과 같은 실시 예를 통하여 설명될 수 있다. 다만, 본 발명에 의한 제1 전극(310)과 제2 전극(320)의 구성 및 형태가 아래의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 제1 전극(310)과 제2 전극(320)은 원형, 삼각형, 및 사각형 등을 포함하는 다각형 형태의 빗살형 전극으로 구현될 수도 있다.
제1 전극(310)은 제1 방향, 예컨대 기판(100)의 길이 방향(또는 폭 방향)으로 연장된 제1 연장부(311)와 제1 연장부(311)로부터 제2 방향, 예컨대 기판(100)의 폭 방향(또는 길이 방향)으로 돌출된 다수의 제1 가지(branch)부들(313)을 포함한다. 이때, 상기 제2 방향과 상기 제1 방향은 서로 직각을 형성하거나 미리 정해진 각도를 형성할 수 있다. 예컨대, 제1 전극(310)과 제2 전극(320)은 톱니 형의 빗살형 전극으로 구현될 수도 있다.
제2 전극(320)은 상기 제1 방향과 반대 방향 또는 상기 제1 방향으로 연장된 제2 연장부(321)와 제2 연장부(321)로부터 상기 제2 방향과는 반대 방향으로 돌출된 다수의 제2 가지부들(323)을 포함한다. 상기 제2 방향은 제2 전극(320)을 향하는 방향이므로, 제1 가지부들(313)과 제2 가지부들(323)은 서로 엇갈려서 배치될 수 있다.
또한, 제1 전극(310)의 폭과 제2 전극(320)의 폭, 특히 제1 가지부들(313)의 폭과 제2 가지부들(323)의 폭은 100㎛ 이하로, 제1 전극(310)과 제2 전극(320), 특히 제1 가지부들(313)과 제2 가지부들(323) 사이의 간격은 100㎛ 이하로 구현될 수 있으나, 본 발명이 전극의 폭이나 전극 사이의 간격에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같이 소정의 패턴을 제1 전극(310)과 제2 전극(320)에 구현함으로써, 마주보는 전극의 표면적이 증가하므로 용량형 센서(10)의 감도가 크게 향상될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 용량형 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 용량형 센서를 제조하기 위해 기판(100)이 준비된다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에는 적어도 하나의 전극(310, 320)이 형성된다. 적어도 하나의 전극(310, 320)을 형성하기 위해, 우선 기판(100) 상에 전극 물질이 증착된다. 상기 전극 물질은 크롬(Cr), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 철(Fe), 텅스텐(W), 및 팔라듐(Pd) 등과 같은 금속 물질 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전극 물질은 증발 증착(evaporation), 스퍼터링(sputtering) 등을 포함하는 PVD(Physical Vapor Deposition; 물리적 기상 증착) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학적 기상 증착)을 통하여 형성될 수 있다. 실시 예에 따라, 상기 전극 물질은 프린팅 기법에 의해 형성될 수도 있다.
상기 전극 물질로부터 소정의 패턴을 갖는 적어도 하나의 전극(310, 320)을 형성하기 위해서는 감광제 코팅, 노광 및 식각 공정을 포함하는 리소그라피(lithography) 공정이 수행될 수 있다. 기판(100) 상에 상기 전극 물질을 증착하고, 증착된 상기 전극 물질에 리소그라피 공정을 수행함으로써, 소정의 패턴을 갖는 적어도 하나의 전극(310, 320)이 형성될 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 전극(310, 320)이 형성된 기판(100) 상에는 절연막(500)이 형성된다. 질화물 또는 산화물로 구현될 수 있는 절연막(500)은 증발 증착, 스퍼터링 등을 포함하는 PVD 또는 CVD을 통하여 형성될 수 있다. 실시 예에 따라, 상기 전극 물질은 프린팅 기법에 의해 형성될 수도 있다.
이때, 절연막(500)은 기판(100)의 일부분에만 형성될 수도 있으나, 상기 일부분은 적어도 제1 전극(310)의 패턴, 즉 제1 연장부(311)와 제1 가지부들(313) 및 제2 전극(320)의 패턴, 즉 제2 연장부(321)와 제2 가지부들(323)이 형성된 부분을 포함한다.
절연막(500)의 두께와 관련하여, 절연막(500)이 1000Å보다 두꺼우면 용량형 센서(10)의 초기 용량값이 낮아지고, 절연막(500)의 두께가 2000Å일때는 두께가 1000Å일때와 비교하여 감도가 1/2로 감소하는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다. 또한, 절연막(500)의 두께가 500Å이하일 때, 절연막(500)이 전극을 충분히 덮지 못하여 절연막(500) 상에 형성되는 감지막(700)과 전극이 연결됨에 따라, 유전체를 사용하여 유전율을 측정할 수 있는 센서가 아니라 저항을 측정하는 센서로 작동할 수 있다. 따라서, 절연막은(500)은 500Å 내지 2000Å의 두께로 형성될 필요가 있으며, 보다 바람직하게는 1000Å 내지 2000Å의 두께로 형성될 필요가 있다. 다만, 본 발명이 절연막(500)의 두께에 의하여 그 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 절연막(500) 상에는 감지막(700)이 형성된다. 그래핀 페이스트로 구현될 수 있는 감지막(700)은 스크린 프린팅(screen printing) 기법 또는 코팅 기법을 통하여 형성될 수 있다. 또한, 절연막(500) 상에 형성된 감지막(700)의 면적에 따라 용량형 센서(10)의 감도(sensitivity)가 변화할 수 있으므로, 감지막(700)은 절연막(500)의 일부분 상에만 형성될 수도 있다.
상기 그래핀 페이스트는, 바인더와 알파-테피놀을 섞은 후 약 60℃의 온도로 가열하여 녹이는 단계, 그래핀을 글래스프릿과 알파-테피놀을 섞어 가열하여 녹인 물질에 섞는 단계, 및 그래핀 페이스트를 스크린 프린팅하여 소결시키는 단계를 통하여 제조할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 그래핀을 그래스프릿과 알파-테피놀을 섞어 가열하여 녹인 물질에 섞는 단계에서의 바인더와 글래스프릿의 비율을 4중량%(오차 범위 ±2%)일 수 있다. 상기와 같은 과정을 통하여 제조된 그래핀 페이스트를 포함하는 용량형 센서(10)는 높은 초기 용량값을 가질 수 있으며 별도의 보호막을 구비할 필요가 없다. 이는 상기 그래핀 페이스트가 보호막 기능을 하기 때문이다.
도 4는 도 1에 도시된 감지막의 전기적 특성이 변화하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 감지막(700)은 복수의 그래핀 입자들을 포함하나, 도 4에는 서로 이웃하는 2개의 그래핀 입자들(701, 702)만을 도시하고 있다.
제1 전극(310)과 제2 전극(320)에 전압이 인가되는 경우, 그래핀 입자들에 흡착되는 이온의 양이 변화하게 되고, 이에 따라 감지막(700)의 전기 용량(또는 유전율)이 변화하게 된다.
제1 그래핀 입자(701)와 제2 그래핀 입자(702)의 이격거리가 d일 때, 제1 그래핀 입자(701)와 제2 그래핀 입자(702) 간에는 미세한 전기 용량을 가지게 된다. 제1 그래핀 입자(701)는 제2 그래핀 입자(702) 이외의 복수의 그래핀 입자들과 인접할 수 있고, 제1 그래핀 입자(701)를 중심으로 얻을 수 있는 전기 용량은 제1 그래핀 입자(701)와 인접하는 복수의 그래핀 입자들 각각과의 사이에서 발생하는 미세한 전기 용량 또는 감지막(700)에 포함된 복수의 그래핀 입자들 각각과의 사이에서 발생하는 미세한 전기 용량의 총합으로 볼 수 있다.
이와 같이 방식으로, 감지막(700)에 포함된 복수의 그래핀 입자들 각각의 전기 용량이 고려될 수 있고, 감지막(700)의 전기 용량은 상기 복수의 그래핀 입자들 각각의 전기 용량을 모두 합산한 값이 될 수 있다.
감지막(700)은 그래핀 페이스트로 구현될 수 있고, 상기 그래핀 페이스트에는 수많은 그래핀 입자들이 포함되어 있어, 높은 초기 용량값을 갖는 용량형 센서(10)가 제작될 수 있다. 즉, 그래핀 페이스트를 사용하지 않을 경우, 전극 자체만의 초기 용량값은 수~수십㎊으로 초기 용량값이 낮아 센서의 감도가 매우 낮다. 반면에, 그래핀 페이스트를 사용할 경우, 초기 용량값이 수백㎊, 예컨대 300㎊ 이상이 되어 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 5와 도 6은 도 1에 도시된 용량형 센서를 이용하여 측정한 측정 대상의 전기 용량의 변화를 도시하는 그래프이고, 도 7은 측정 대상의 전산가(Total Acid Number)의 변화를 도시하는 그래프이다.
측정에 앞서, 도 1에 도시된 용량형 센서(10)는, 유리를 이용하여 기판(100)을 형성하고, 크롬(Cr) 500Å과 금(Au) 3000Å을 이용하여 15㎛의 전극폭과 15㎛의 전극간격을 갖는 전극(300)을 형성하고, 3000Å의 실리콘다이옥사이드(Silicon dioxide)를 이용하여 절연막(500)을 형성한 후, 스크린 프린팅 기법을 이용하여 그래핀 페이스트를 도포하고 소결하여 제작되었다. 위와 같은 과정으로 제작된 용량형 센서(10)의 대기중에서 상온의 초기 전기 용량은 약 300㎊ 이다.
도 5에 도시된 그래프는 측정 대상, 예컨대 엔진 오일의 주행 거리(Distance)에 따른 전기 용량의 변화를 도시하고 있다. 80℃의 엔진 오일을 대상으로 100Hz의 전원을 인가하여, 상기 엔진 오일의 전기 용량의 변화를 측정하였다. 각각의 주행 거리(0㎞, 3000㎞, 6000㎞, 12000㎞, 15000㎞) 별로 측정된 정전 용량은 490㎊, 523㎊, 545㎊, 565㎊, 552㎊으로 측정되었으며, 전체 변화는 75㎊임을 알 수 있다.
도 6에 도시된 그래프는 측정 대상, 예컨대 엔진 오일의 주행 거리에 따른 전기 용량의 변화를 도시하고 있다. 80℃의 엔진 오일을 대상으로 10kHz의 전원을 인가하여, 상기 엔진 오일의 전기 용량의 변화를 측정하였다. 각각의 주행 거리(0㎞, 3000㎞, 6000㎞, 12000㎞, 15000㎞) 별로 측정된 정전 용량은 187㎊, 190㎊, 192㎊, 194㎊, 193㎊으로 측정되었으며, 전체 변화는 6㎊임을 알 수 있다.
도 7에 도시된 그래프는 측정 대상, 예컨대 엔진 오일의 주행 거리에 따른 전산가의 변화를 도시하고 있다. 각각의 주행 거리(0㎞, 3000㎞, 6000㎞, 12000㎞, 15000㎞) 별로 측정된 전산가(단위 : mg KOH/g)는 1.24, 2.20, 2.66, 3.51, 4.12이며, 전체 변화는 2.88임을 알 수 있다.
도 5와 도 6에 도시된 전기 용량의 변화와 도 7에 도시된 전산가의 변화를 비교해 보면 엔진 오일의 주행 거리가 증가할수록 전산가가 증가함을 알 수 있고, 전기 용량 또한 증가함을 알 수 있다. 따라서, 엔진 오일의 특성 변화를 용량형 센서(10)를 이용하여 측정할 수 있음을 알 수 있다.
특히, 전산가가 4 이상 되었을 때, 정전 용량의 값이 줄어드는 현상을 확인할 수 있는데, 이는 엔진 오일 사용 한계를 측정하는 기준표에서 전산가의 값이 신유의 2.0이상 변할 때 엔진 오일을 교환해야 한다는 기준과 일치함을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 의한 용량형 센서를 이용할 경우, 용량형 센서(10)에 특정 장치나 프로그램을 장착하거나 설정하지 않아도 용량형 센서(10)의 출력 값을 측정하고, 측정된 출력 값이 하강하는 지점을 기준으로 엔진 오일을 교환할 수 있다는 장점을 가진다.
도 8은 도 1에 도시된 용량형 센서의 시제품을 도시한다. 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 용량형 센서를 제조하는 방법으로 용량형 센서를 제조할 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 응답 속도가 빠르고, 우수한 감도, 및 높은 신뢰성을 갖는 용량형 센서를 소형화할 수 있으며, 저비용으로 대량 생산할 수 있다.
상기 용량형 센서의 전극에 인가되는 전원의 주파수에 따른 초기 용량값의 변화를 관찰하기 위하여 3 개의 샘플을 제작하여 측정한 초기 용량값은 아래의 표 1과 같다.
주파수 100㎐ 1㎑ 10㎑ 100㎑
Sample 1 462㎊ 348㎊ 182㎊ 108㎊
Sample 2 453㎊ 338㎊ 178㎊ 113㎊
Sample 3 448㎊ 343㎊ 193㎊ 121㎊
표 1을 살펴보면, 전극에 인가되는 전원의 주파수가 높을수록 용량형 센서의 초기 용량값은 낮아짐을 알 수 있다. 또한, 상기 용량형 센서가 수백 ㎊의 초기 용량값을 갖기 위해서는 100 ㎑ 이하의 주파수, 바람직하게는 10 ㎑ 이하의 주파수를 갖는 전원이 인가되어야 함을 알 수 있다.
도 9는 감지막의 면적에 따른 용량형 센서의 초기 용량값을 측정하기 위해 제작된 샘플을 도시하고, 도 10은 도 9에 도시된 샘플의 초기 용량값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 9와 도 10을 참조하면, 용량형 센서의 초기 용량값을 측정하기 위해 총 5개의 샘플(11 내지 15)이 제작되었다. 도 9에 도시된 각 샘플에서 감지막의 면적(단위 : L ㎜ × W ㎜)을 제외한 구성은 동일하게 구현되었다. 즉, 제1 샘플(11)의 경우, 제1 전극(310)과 제2 전극(320) 상에 형성된 절연막(500) 상에 형성된 감지막(701)의 면적은 2㎜×2㎜로 구현되었다. 제2 샘플(12)의 경우, 감지막(702)의 면적은 2.5㎜×2.5㎜로 구현되었다. 제3 샘플(13)의 경우, 감지막(703)의 면적은 3㎜×3㎜로 구현되었다. 제4 샘플(14)의 경우, 감지막(704)의 면적은 3.5㎜×3.5㎜로 구현되었다. 제5 샘플(15)의 경우, 감지막(705)의 면적은 4㎜×4㎜로 구현되었다. 이때, 각각의 샘플에서 감지막을 구현하는 그래핀 페이스트는 스크린 프린팅 기법에 의해 형성되었으며, 상기 그래핀 페이스트의 두께는 4 ㎛이다.
상기와 같이 제작된 샘플 각각에 100㎐, 1㎑, 및 10㎑의 주파수를 갖는 전원을 인가한 후 측정한 초기 용량값은 도 10에 도시되어 있다.
도 10을 살펴보면, 용량형 센서에 포함된 감지막의 면적이 넓을수록 초기 용량값이 높음을 알 수 있다. 또한, 용량형 센서에 인가되는 전원의 주파수가 낮을수록 초기 용량값이 높음을 알 수 있으며, 이러한 경향은 표 1을 통하여 확인한 바 있다. 결국, 용량형 센서에 포함된 감지막의 면적이 넓을수록 인가되는 전원의 주파수가 낮을수록 용량형 센서의 초기 용량값이 높음을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 용량형 센서
100 : 기판
300 : 적어도 하나의 전극
310 : 제1 전극
311 : 제1 연장부
313 : 제1 가지부들
320 : 제2 전극
321 : 제2 연장부
323 : 제2 가지부들
500 : 절연막
700 : 감지막

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 전극과 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 덮는 형태로 상기 기판 상에 형성된 절연막; 및
    상기 절연막 상에 형성되고 그래핀을 포함하는 감지막을 포함하는 용량형 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 유리, 또는 알루미나(alumina)를 포함하는 용량형 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 감지막은 상기 그래핀을 포함하는 그래핀 페이스트인 용량형 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 크롬(Cr), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 철(Fe), 텅스텐(W), 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나를 포함하는 용량형 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 빗살형 전극(interdigit electrode)인 용량형 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 감지막에 접하는 측정 물질의 상태에 따라 상기 감지막의 전기 용량(capacitance) 또는 유전율(permittivity)이 변화하는 용량형 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 감지막의 두께는 4㎛ 내지 6㎛인, 용량형 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연막의 두께는 500Å 내지 2000Å인, 용량형 센서.
  9. 기판 상에 적어도 하나의 전극을 형성하는 단계;
    상기 적어도 하나의 전극을 덮는 형태의 절연막을 상기 기판 상에 형성하는 단계; 및
    상기 절연막 상에 그래핀을 포함하는 감지막을 형성하는 단계를 포함하는 용량형 센서의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전극을 형성하는 단계는,
    전극 물질을 증착하는 단계; 및
    감광제 코팅, 노광 및 식각 공정을 포함하는 리소그래피 단계를 포함하는 용량형 센서의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 감지막을 형성하는 단계는,
    상기 그래핀을 포함하는 그래핀 페이스트를 스크린 프린팅하는,
    용량형 센서의 제조 방법.
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