습도센서

개요

습도센서는 자동제어. 계측장소 전기 전자, 농업용, 공업용 및 각종 특정용 등 광범위한 응용 분야를 갖고 있는 화학 센서의 일종입니다. 현재 전자부품으로써 이용되고 있는 습도센서는 열전도식으로 서미스터방식과 금속산화물 세라믹계 등을 이용한 흡착식이 대부분입니다. 습도센서를 재료에 따라 분류하면 전해질계센서, 염화리튬 센 사 유기고분자계센서, 세라믹센서, 마이크로파 수분센서, 방사선센서 등으로 나눌 수 있습니다.

종류별

습도센서의 종류에는 염화리튬 습도센서로 일염화 리튬(LITHIUM MONOCHLORIDE), 염화리튬 LICL.LITHIUM CHLORIDE LICL, LICL 클로르 KU LITU(CHLORKU LITU) LiCl로 O.HS12885; RTECS OJ5950000등이 있으며 원 리로 전해질의 흡습성과 전기 저항의 변화 이용의 역사는 1938년 경입니다. 구조는 절연체 표면에 LiCl을 함침 시킨 다공질 지지체를 부착한 물체와 백금 전극으로 구성 한 개의 LiCl센서로 측정할 수 있는 상대습도 범위는 30% RH로 여러 개의 센서를 적당 히 접속시키면 10~99% RH의 습도 측정이 가능합니다. Accuracy는 2 % RH. 응답성에서는 저습에서 고습으로 변화할 경우 수분이 걸리며, 고습에서 저습으로 변화할 경우에는 상기 방법보다 2배 늦습니다. 사용상 문제점으로는 고습 상태에서 장시간 방치할 경우 결로시에 LiCl이 유출하여 사용 불능 장시간 사용할 경우 반드시 교정이 필요합니다. 염화리튬의 안전관리상 위험성 응급상황을 위한 내용으로 색상은 무채색에서 흰색까지 물리적 상태: 결정체, 주요한 건강위험성으로 호흡기도 화상, 피부 화상, 눈 화상, 점막 화상, 신장 이상. 잠재적 건강영향이 있습니다. 그리고 전해습도센서는 습도 센서로서 가장 오래된 것이 염화리튬을 이용한 것으로서 1938년 Dunmore가 발표한 것을 시작으로 특성 개성을 위한 연구가 계속되어 오늘에 이르고 있습니다. 염화리튬은 전해질이기 때문에 농도가 차차 엷어져서 수명이 길지 않습니다. 동작 원리는 P2O5에 흡착한 수분을 전기 분해 할 때의 전기량으로부터 수분량을 측정합니다.

 

 

제품 구성 예

DUCT형 온도컨트롤러

고분자 습도센서의 원리는 도전성 고분자의 전기적 특성이 물의 흡탈착에 따라 변하는 성질 이용. 저항형으로 전기 저항의 변화를 검출합니다. 용량으로는 정전 용량의 변화를 검출 하명구 조는 저항형의 경우 스틸렌, 아크릴계 화합물에 도전성이 있는 암모니윰이나 유황산기를 결합한 고분자 중합체를 감습재료로 사용하며 흡습에 의해 고분자 물질의 전해질이 이동하여 저항값이 감소됨을 이용합니다. 용량형은 셀롤로즈나 폴리 이미드등의 친수성 고분자를 감습 재료로 이용 물의 유전율이 고분자에 비해 크므로 수분의 흡착 시 고분자의 유전율이 커지는 현상을 이용합니다. 습도센서 제품 오토닉스 제품의 예를 들면 아래 링크로 접속합니다.

THD-R-PT

설명

고분자막 습도 SENSOR의 감습 메커니즘으로 이 센서는 오염에 대한 내구성이 비교적 강하고 사용온도는 60'C 이하입니다. 고분자계 습도센서에는 저항형과 용량형이 있으며, 전자는 제4급 암모늄염 폴리머나 폴리스텔렌 술폰산염이 이용되며 후자는 셀룰로오스를 베이스로 하고 있습니다. 아래 그림은 고분자막 습도 센서의 사진입니다.

고분자막 습도센서

고분자형 습도센서를 제조하는 회사는 한주사의 제품으로 제품 품번은 C10-M53R으로 SHINYEI TECHNOLOGY의 고분자저항형 습도센서를 Pb Free화한 제품입니다. SHINYEI에서는 환경을 배려한 친환경적인 제품의 개발을 전개하고 있습니다. 그 한 가지로 에어컨, 가습기, 제습기등에서 사용되고 있는 고분자습도센서를 Pb Free화 했습니다. 제조업 현장에서 Pb Free 제품을 대응할 수 있는 제품입니다. 장점으로는 소자의 저가격화 및 소형화 가능하여 다양한 습도 센서의 소자로 적합하며 습도 측정의 응답속도가 빠른 편입니다. 이런 습도 센서 소자는 넓은 습도의 영역에서 사용이 가능합니다. 단점으로는 고온 고습에서 안정한 특성을 얻기 힘든 편이며. 재료가 Alcohol, Thinner 등 유기 용제 재료에는 약한 편입니다. 가습과 제습과정에 있어서 습도 편차 Hysteresis가 있습니다.

수정진동자식 습도센서 원 리로 수정 진동자를 polyamide계 흡습성 수지를 이용하여 코팅하여 흡습에 따른 고분자막의 중량 변화로 진동자의 공진 주파수가 변화함을 이용. 구 조로 흡습성 막의 두께 2㎛.이며 특 징으로는 0 ~ 100 % RH의 광범위한 영역의 공진 주파수가 상대습도에 따라 변화하므로 온도 의존성이 낮은 편입니다. 0 ~ 50 ℃ 에 동작한다. Accuracy : ± 5 % RH. 사용상 문제점으로는 먼지, 기름방울등에 의해 흡습막의 오염에 의해 감도가 약해지게 됩니다. 저습도 영역에서는 감도 또한 좋지 않습니다. 감습 재료로는 에폭시 수지, 황화 Polystyrene 등이 있습니다.

산화알루미늄 습도센서. 원 리로는 다공성 산화알루미늄(Al2O3)에 물을 흡착할 경우 유전율의 변화를 용량의 변화로써 검출하거나 인덕턴스의 변화로 보완하는 것을 이용. 구조는 Aluminum을 수산이나 황산 중에서 전해시킬 때, 양극 산화에 따라 Al2O3막을 형성하고 그 위에 금을 증착시켜 제작. 특 징으로는 저습에서의 감도가 좋은 편입니다. 감습막이 얇아 응답성이 좋다. 사용상 문제점으로 일반적으로 수분에 약한 편입니다. 고온, 고습에서 hysteresis가 생겨 편차가 큰 편입니다. 따라서 일정 시간 변화에 따른 교정이 필요합니다. 부식성 가스를 사용할 경우 Oilmist 나 Dust 등이 부착하여 감도가 저하되는 점을 주의합니다.

세라믹재질의 습도센서 소자

세라믹 습도센서로 세라믹스는 물리적, 화학적 및 열적으로 안정한 재질이기 때문에 습도센서 재료로 적합합니다. 감습기구는 다공질 세라믹인 금속산화물, 예를 들면 Al2O3의 미립자 표면에 수증기가 흡착과 탈착함에 따라 세라믹의 전기저항이 변화하게 됩니다. 센서를 지지하는 베이스는 센서 세라믹과 같이 오염되기 쉽습니다. 베이스에 전해질이 부착될 경우 센서 단자 간에 전기적 누설이 생길 가능성이 있다. 이 리크를 방지하기 위해 베이스에 가드링을 설치해야 한다. 원리로는 세라믹 표면에 수분이 흡착함에 따라 전기 저항이 감소하는 데, 이것은 결정 표면의 흡착수 증가가 전도 Carrier인 프로톤 proton의 농도를 증대시켜 프로톤을 안정화시키게 되고, 세라믹 중에 첨가된 알칼리 금속 이온을 이동하기 쉽게 하는 것을 응용. 구 조로는 열적 그리고 물리 화학적으로 안정한 금속 산화물을 주체로 한 다공질 소결체. 특 징은 사용온도 범위가 넓다. 150℃ 사용가능 응답 속도가 빠릅니다. 재료가 저렴합니다. 사용상 문제점으로는 경년 변화와 열화. 가열 히터 사용하면 구조가 복잡하고 부속회로가 필요하게 됩니다. 비가열형 센서는 시간이 경과하면 내수성이 약해지고 응답성 안 좋습니다. 써미스터 습도센서로 열전도라고 하는 물리적 현상을 이용한 절대 습도센서가 상용화되고 있습니다. 이 타입의 센서는 2개의 서미스터를 사용하는데 1개는 건조공기를 밀봉하고 1개는 환경에 노출시킵니다. 2개의 서미스터와 저항 2개로 브리지회로를 구성한다 건조공기 중에서 평형을 유지시키고 서미스터에 전류를 흘려 약 200'C로 가열합니다.

이 상태에서 수증기를 함유한 분위기에 누출시키면 건조공기와 수증기의 열전도도차에 의해 불평형 전압이 발생하게 됩니다. 원 리로는 물을 함유한 공기와 건조공기의 열전도율의 차이를 이용하여 습도를 측정. 구 조로는 계측용 bead형 서미스터 1개는 습공기 중에, 다른 1개는 건조공기 중에 설치하여 온도보상 용 서미스터로 사용하며 Bridge회로를 구성하여 사용. 특 징으로는 사용온도 영역이 넓습니다. 0 ~ 200℃ 응답이 빠릅니다. 환경 90% RH의 응답이 수십 초 내에 가능함며 습도의 증감에 따른 hysteresis가 없는 편입니다. 절대습도에 비례해서 출력을 얻을 수 있습니다. 사용상 문제점으로 열전도는 선택성이 아니므로 다른 가스의 영향을 받는다. 압력의 영향을 받는다. 또한 대기압 상태에서는 문제가 없으나 고압이나 저압에서는 측정이 좋지 않습니다. 기계적 진동 및 충격에 약합니다. 절대습도가 150g/㎥이상은 원리적으로 측정이 곤란합니다. 초음파 습도센서는 최근 초음파를 이용한 고속도 습도측정이 가능한 제품들이 있습니다. 이는 초음파 기온계와 저항온도계의 조합에 의한 것으로서 초음파의 전달속도가 기온에 의해 변화하는 것을 이용합니다.. 이때 측정결과가 습도의 영향을 받는 원리는 이용하여 온도제어기와 습도측정을 함께 하는 방법이기도 합니다.