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습도센서
습도센서(humidity sensor)는 대기 중의 수증기로 인하여 유기 고분자나 세라믹의 저항 값 유전율 등이 변화하는 성질을 이용하여 습도를 전기적으로 검출하는 센서를 이른다. 두 개의 전극 상에 도전(導電) 성분과 고분자로 만들어진 막(膜)이 겹쳐지면, 습도가 높을 때는 고분자가 팽창함에 따라 도전 성분 간의 간극이 넓어져 전극 간의 전기 저항이 증가한다. 리어 윈도(rear window)의 흐림 방지 제어 등에 이용되고 있다.
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개요
습도센서는 공기 중의 수분에 관련된 여러 가지 현상(물리·화학현상)을 이용하여 습도를 검출하기 위해서 사용되는 센서의 총칭이다. 다공질 세라믹스나 고분자막으로 흡수됨으로써 일어나는 전기저항이나 정전용량의 변화를 이용하는 것이라든가, 진동자에 설치한 흡수 물질의 중량변화에 의한 진동자의 공진주파수의 변화를 이용하는 것 등 여러 가지 품종의 센서가 개발되어 있다.
구체적인 습도센서는 건습구 습도계, 모발 습도계, 염화 리튬 습도센서, 전해 습도센서 (P2O5 습도센서), 고분자막 습도 센서, 수정진동식 습도센서, 산화알루미늄 습도센서, 세라믹 습도센서, 서미스터 습도센서, 마이크로파 습도센서, 결로센서, 노점센서 등이다. 습도센서 소자와 신호처리 전자회로를 집적화한 IC화 습도센서도 개발되어 있다.
원리 및 종류
공기 주위에 있는 수분의 양은 인간과 동물의 건강에 매우 중요한 요소이다. 주위 환경이 인체에 영향을 주는 안락함의 정도는 주로 두 가지 요인이 있는데, 하나는 온도이고, 다른 하나는 바로 상대습도이다. 시베리아에서 겨울철 온도는 –30℃ 정도이고 공기는 매우 건조하여 안락함을 느낀다. 반면, 호수 근처인 클리브랜드는 0℃ 정도의 온도에서 상당량의 수분을 포함하고 있어 매우 불편하다고 느낀다. 또한 습도는 정밀 전기회로와 정전기에 민감한 장비들에 중요한 영향을 미친다. 습도는 여러 가지 방법으로 표현이 가능하다. 가스 내의 수분은 가스의 백만 입방체당 수분의 파운드로 표시하고, 액체나 고체 내의 수분은 총 질량당 물의 함량으로 표시한다. 만약 액체 내에 낮은 수분 함량이 있는 경우는 백만 질량당 함량을 의미하는 ppm 단위로 표현하기도 한다. 수분을 뜻하는 영어에는 두 가지가 있는데, 하나는 'Moisture'이고, 다른 하나는 'Humidity'이다. 두 가지 모두 한국말로 '수분'으로 번역이 되어 둘 사이에 구분이 없으나, 영어에서는 두 가지를 다음과 같이 구분해서 사용한다. Moisture는 액체와 고체 물질이 함유하고 있는 물의 양을 의미하며, Humidity는 기체 내에 포함된 물의 양을 의미한다. 우리말로 번역하면 일부 혼돈이 있을 수 있으므로, 이를 구분하기 위해 Moisture는 '수분'으로 번역하고, Humidity는 '습도'로 번역한다. 따라서 습도와 수분에 관련된 용어의 정리를 하면 다음과 같다.
- ① 수분(Moisture) : 액체나 고체의 화학적 특성의 변화없이 단순히 흡착 또는 흡수에 의해 포함된 물의 양이다.
- ② 혼합률(Mixing Ratio) : 건조한 가스의 단위 질량당 수증기의 질량이다.
- ③ 절대습도(Absolute Humidity) : 가스의 단위 체적당 함유된 수증기의 질량이며, 절대습도는 수증기 함량의 밀도를 의미한다. 절대습도는 입방체 미터당 그램의 단위 또는 입방체 피트당 파운드를 사용한다. 이 값은 대기압에 따라 변하므로 공학적인 분야에서는 잘 사용하지 않는다.
- ④ 상대습도(Relative Humidity) : 줄여서 RH로 표시하며, 임의의 온도에서 공기의 실제 증기압 값에 동일한 온도에서 포화된 최대 증기압으로 백분율(100×수증기의 부분압력/수증기의 포화압력)로 정의되며, 단위는 %를 사용한다. 끓는점 이상의 온도에서는 수압이 폐공간 내에서 모든 다른 가스의 압력을 대체하기 때문에 대기압은 수분의 증기압과 같게 된다. 따라서 100℃ 이상의 온도에서 상대습도는 100%를 넘을 수 없기 때문에 포화압력은 대기압보다 큰 값을 가질 수 없다. 그러므로 일반적인 대기압 하에서 100℃ 온도에서는 상대습도가 100%가 되고, 200℃에서는 오직 6%가 된다.
- ⑤ 이슬점 온도(Dewpoint Temperature) : 수증기의 압력이 최대가 되거나 또는 포화된 증기 상태일 때의 온도이다. 다른 표현으로 가스-수증기의 혼합물이 일정 압력 하에서 냉각을 시킬 때 성에 또는 얼음이 생성되는 온도로 정의된다. 즉 이슬점은 상대습도가 100%가 되는 온도를 의미한다. 온도를 이슬점까지 낮추게 되면, 공기는 포화되어 안개, 이슬 또는 성에가 생긴다.
습도센서를 보정하기 위해서는 습도에 대한 표준이 필요하다. 직관적으로 이런 표준은 건조한 공기(0% 습도)와 수분이 함유된 스팀공기(100% 상대습도)를 이용해서 이를 알고 있는 비율로 혼합하면 된다. 그러나 이런 방법보다는 일반적으로 물속에 포화된 소금 용액을 주로 사용한다. 포화된 용액이 있는 그릇을 대기압과 분리된 공간에 위치시키고, 온도를 조절하면 매우 정밀한 상대습도 값을 얻을 수 있다. 공간의 온도를 0.5℃ 정도의 정밀도를 유지한다면 상대습도는 ±2% 내의 정밀도로 표준이 가능하다. 용액의 종류와 온도에 따른 상대습도 표준은 아래 표와 같다.
온도(℃) LiCl+H₂O MgCl+6H₂O NaCl+6H₂O K₂SO₄ 5 13 33.6±0.3 75.7±0.3 98.5±0.9 15 12 33.3±0.2 76.6±0.2 97.9±0.6 25 11.3±0.3 32.8±0.3 75.3±0.1 97.3±0.5 35 11.3±0.2 32.1±0.1 74.9±0.1 96.7±0.4 45 11.2±0.2 31.1±0.1 74.5±0.2 96.1±0.4 55 11.0±0.2 29.9±0.2 74.5±0.9 -
습도측정의 원리는 물 분자나 수증기가 가지는 고유한 물리적 성질을 이용하는 것과 흡습성 물질에 물 분자가 흡착되어 그 물질의 물리적 성질의 변화를 측정하는 방법이 있다. 노점습도계, 건습구습도계, 확산식습도계, 적외선습도계 등이 전자에 속하고, 모발습도계, 박막 또는 후막 습도계, 색습도계 등이 후자에 속한다. 습도측정 방법에 따른 분류는 아래 표와 같다.
대분류 중분류 측정방법 측정원리 직접측정 포화에 의한 방법 노점습도계 노점의 측정 연화리튬노점습도계 변이점 온도측정 흡수에 의한 방법 부피식습도계 수증기 부피의 측정 전기분해식 습도계 흡수된 물의 전해전류 측정 중량식 습도계 흡착체의 무게변화 측정 증발에 의한 방법 건습구 습도계 증발에 의한 냉각의 측정 간접 측정 수분흡착에 의한 방법 모발습도계 모발의 길이변화 측정 탄소피막 습도계 전기전도도의 변화 측정 전기저항식 습도계 표면전도도의 변화 측정 전기용량식 습도계 유전상수의 변화 측정 색습도계 변색의 측정 분광학적 방법 근적외선 습도계 근적외선 흡수의 측정 마이크로파 습도계 유전성의 측정 기타 방법 확산식 습도계 확산속도 차에 의한 압력차 방전식 습도계 이온화 전위의 변화측정
흡수성 물질의 수축이나 팽창을 이용하여 습도를 측정하는 방법을 역학적 습도계라고 하며, 특히 모발은 습도에 따라서 신축성이 우수하여 오랫동안 사용되어 왔던 습도계 중의 하나이다. 사용되는 모발은 탈지를 한 후 감습특성을 향상시키기 위하여 압연처리하고 화학처리하여 사용한다. 모발의 성질 중 가장 중요한 것은 습도에 따라 신축하는 관계인데, 사람의 모발은 상대습도 0%RH에서 100%RH까지 변할 때, 0%RH 보다 약 2.5% 길이가 늘어난다. 모발의 신축과 상대습도와의 관계는 1845년경 Regnault의 구체적 실험을 통하여 밝혔는데, 상대습도가 0%RH 일 때, 모발의 길이를 일정하다고 보고 공기 중에 방치하면 상대습도에 따라 일정한 값을 갖는다. 또한 모발습도계가 20%RH 이하의 습도에서는 정확한 측정이 어려우며, 습도가 높으면 모발의 길이가 늘어나고, 습도가 낮으면 모발의 길이가 줄어드는 원리이다. 이런 장치를 이용해서 상대습도 100% RH 일 때 늘어난 길이를 100으로 할 때, 상관관계는 아래 표와 같다.
습도(%) 100 80 60 40 20 10 0 신장률(%) 100 90.5 79.2 63.7 38.8 20.9 0
스마트 디바이스에 사용할 수 있는 습도센서로는 습도에 따라 전기적인 신호를 출력할 수 있는 전기저항식과 전기용량식을 들 수 있다. 물질에 따라서 수증기를 흡수하면 전기저항이 변하는 것이 있는데, 이러한 물질의 전기저항 변화를 이용한 것이 전기저항식 습도센서이다. 저항과 상대습도와의 관계는 실험으로 결정되며, 이 결과로 저항을 측정하여 상대습도를 얻을 수 있다. 전기저항식 습도센서는 1927년 Bridge와 Alexander가 전극사이에 순면이 촘촘히 쌓여 있을 때 전기저항이 상대습도에 따라 변하는 것을 이용하여 전기식 습도계를 만든 것이 계기가 되어, 1935년에 F.W. Dunmore가 염화리튬(LiCl)을 이용하여 습도계를 만든 후부터 다방면에서 응용되고 있는 센서이다. 순수한 물은 전기적으로 절연체이나 실제로 공기 중의 물은 어느 정도의 전해질 수용액 상태이므로 전기적으로 도체의 성질을 가지고 있다. 목면 등은 흡수성이 매우 강하며 이러한 흡수성은 일정한 온도에서 상대습도가 높을 때 수분흡수가 크게 일어나는데, 이때 전기저항은 감소하게 되고 이러한 성질은 약간의 온도 의존성을 가지고 있다. 상대습도에 따른 저항변화의 측정은 직류로는 분극작용 때문에 정확하게 측정할 수 없고 반드시 교류로 측정해야 한다. 전기저항식 습도센서로 습도 측정을 할 때, 센서 부분이 측정 기체와 평형상태를 이룬 후에 측정해야 하며, 온도와 습도가 변하는 상태에서는 정확한 측정을 할 수 없다. 대표적인 전기저항식 습도센서의 내부 구조와 전기저항 변화는 아래 그림과 같다. 감습재는 주위의 수분을 흡수하는 재료로 만드는데, 보통 도전성 고분자를 사용한다. Dunmore는 염화리튬(LiCl)을 사용하였고, 최근에는 물을 잘 흡수하는 산화알루미늄(Al₂O₂) 재료를 많이 사용한다. 그리고 습도가 증가함에 따라 저항은 줄어드는 특성이 있다. 전기저항형 습도센서는 1㎑에서 사용할 때 임피던스는 10㏁에서 100Ω까지 변하며, 이 경우 습도는 0 ~ 90%까지 측정이 가능하다.
전기용량식 습도센서는 커패시터 사이에 수분에 잘 반응하는 유전물질로 채워두면, 습도에 따라 유전율이 변하여 전극 양단의 전기용량이 변하게 되는데, 이로부터 습도를 유추할 수 있다. 이와 같은 센서는 통상적으로 0~90%RH 범위에서 ±2%RH 정도의 정밀도와 90~100%RH 범위에서는 ±3%RH 정밀도를 가진다. CMOS 공정으로 제조된 정전용량 습도센서의 단면도 및 위에서 본 그림은 아래와 같다. Si 기판을 이용해서 전극판 사이에 유전체로 divinyl siloxane benzocyclobutene (BCB) 박막을 사용한 예이다. 이 소자는 반응속도가 약 650㎳ 정도이며, 최소 측정시간은 400㎳ 이며, 한번 측정 후 수초만에 수분이 빠져 나간 원래 상태로 돌아올 수 있어 의학용으로 많이 사용되고 있다.
이 방법은 주로 고온에서의 절대습도를 측정하기 위해 사용하는 센서이며, 열전도도를 이용한 습도를 측정하기 위해서는 서미스터에 기반을 둔 센서를 사용해야 한다. 이 센서는 아래 그림과 같이 두 개의 서미스터를 사용한다. 하나의 센서는 대기 중에 노출되어 있으며, 다른 하나는 건조한 공기 중에 설치되어 있는데, 일반적으로 건조된 질소가스를 주로 사용한다. 두 개의 서미스터는 저항이 다른 브릿지 회로에 연결되어 있다. 전류를 서미스터에 흘리면, 자기가열(self heating)에 의해 서미스터의 온도가 약 200℃까지 상승한다. 질소가스에 봉합된 서미스터 쪽이 수분을 함유하고 있는 대기 중에 노출된 서미스터보다 훨씬 더 빨리 열적손실이 발생한다. 그 이유는 수분을 함유한 공기와 건조한 질소가스의 열전도도 차이 때문이다. 열손실로 인해 서로 다른 온도를 나타내게 되고, 서미스터의 온도차에 의한 저항의 차이로부터 출력값이 0~13㎷까지 나오게 되는데, 이로부터 절대습도를 계산할 수 있다. 그 결과는 그림과 같다. 일반적으로 절대습도 센서는 앞서의 정전용량과 전기전도도 센서에 비해 170℃ 이상의 온도에서 보다 높은 정밀도를 제공하며, 일반적인 정밀도는 ±3g/㎥인데, 이것을 상대습도로 환산하면 대략 40℃에서는 ±5% RH 정밀도, 100℃에서는 ±0.5% RH 정밀도를 제공한다.
활용
- 자동차 실내 습도 조절 : 차량 습도센서는 냉난방 시스템과 연계되어 습도제어 및 차테 내부에 습기가 많아져 김서림 방지
- 자동차 연료 연소시 황화물질 배출절감 : 에어필터와 엔진의 흡기다기관 사이에 설치하여 연료 분사량 제어. 질소산화물 및 화화물질 배출 감소
- 자동차 유리, 미러의 결로 제어 : 방담유리 사용. 전류를 흘려서 가열하고 수분을 증발. 습도가 95%를 초과하면 전류가 흘러 유리의 히터가 작동.
- 도로결빙 방지 시스템 : 도로가 스스로 쌓인 눈을 제거. 결빙감지센서와 기상관측장비, 융액 분사펌프로 구성. 노면에 결빙감지센서와 온, 습도센서가 도로에 쌓인 눈이 얼어붙을 조짐을 감지하면 염화칼슘 용액 분사. 모래, 소금, 염화칼슘 가루 보다 제빙효율 증가. 주로 터널 입·출구, 대형교량, 험준한 산악도로 등에 설치.
- 펄프, 제지 공장의 습도제어
- 온실에서 농작물 재배시 온, 습도 제어
- 시멘트 보관창고의 습도제어.
- 의료분야
- 계측기분야
- 가전제품
동영상
참고자료
- 〈습도 센서〉, 《자동차용어사전》
- 〈습도 센서〉, 《센서용어사전》
- 센서로세계로미래로, 〈습도센서의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2017-12-12
- 〈습도센서〉, TREM Trading
같이 보기
