1. 서 론

습도센서는 가전, 자동차, 항공, 도시 환경 등 다양한 분야에서 대기 중 수분 측정이라는 일반적인 목적으로 널리 사용되고 있다 ^{(1), (2)}. 그러나 최근 변압기 오일 내 수분량 측정과 같은 특정분야에서 습도센서의 필요성 또한 증대되고 있다. 변압기 절연오일 내 수분은 절연물의 내구성 전압을 감소시키고, 절연열화를 가속시켜 변압기의 수명을 단축시키고, 결과로써 변압기의 급격한 성능저하의 원인으로 이어진다. 유입 변압기 절연오일 내 수분의 생성원인으로는 변압기 제작 시 수분의 유입, 변압기 내부 압력 저하로 인한 수분의 침투, 변압기 온도 증가로 인한 절연지의 가수분해 등이 있으며 이중 절연지의 가수분해로 인한 원인이 일반적 원인으로 알려져 있다 ^{(3), (4)}. 생성된 수분들은 절연유에 용해되거나 절연지에 흡착된다. 절연유속에 포화된 수분의 증가는 절연유의 전도성을 높이며, 절연내력을 감소시킨다. 위의 이유들로 절연유 내 수분에 의한 변압기의 성능 저하를 막기 위해서 수분관리 기준 지표가 필요하다 ⁽⁵⁾. 수분기준 농도는 기본적으로 변압기 정격전압에 따라 달라지며 기관마다 약간의 차이가 있는데 표 1은 IEEE의 기준으로 ppm 단위를 상대수분 (relative humidity) 개념으로 바꿔보면 50℃에서는 포화 가능한 수분의 양이 173ppm이므로 ~69kV 구간에서는 15.6%RH, 69~230kV 구간에서는 6.9%RH, 230kV 이상의 영역에서는 5.8%RH로써 변압기 절연유내 수분의 최대 허용범위를 가진다. 이처럼 절연유에서 수분의 존재는 변압기의 수명과 직결된 요소이므로 상시 모니터링 및 관리가 필요하다. 현재의 기술에서 변압기 내 절연유의 수분 검사는 오프라인 방식으로 진행된다. 절연유를 직접 채취하여 그 안의 수분 함유량을 측정하는데, 측정 시 외부로부터의 오염이 개입될 수 있으며, 결과로써 실제 값과의 오차가 발생하며, 오랜 측정시간 소요 및 과정이 번거로워 전문가의 개입이 필요하다. 이에 변압기 절연유 내 수분의 실시간 측정 및 모니터링을 위한 센서시스템의 필요성이 대두되고 있다. 절연유 내에서는 수분의 확산 속도는 기중에 비해 급격히 느려지므로 따라서 고감도의 빠른 응답속도 및 오일 환경에서도 견딜 수 있는 안정적인 센서가 요구된다 ^{(6), (7)}. 습도센서의 종류로는 크게 정전용량식과 전기저항식 센서가 있다 ⁽⁸⁾. 정전용량식 센서의 경우 일반적으로 저습도 구간에서 사용 가능하며 저습도 구간에서 비교적 선형적인 특성을 가지며 온도에 따른 센서 변화분이 전기 저항 식에 비교하여 작아서 온도보상이 거의 필요 없다는 장점을 가진다. 하지만 구조가 복잡하여 대량 제조가 힘들며, 변화량이 작아 공정오차나 사용 환경요소에 따라 오차가 매우 커질 수 있고, 다른 회로부품에 대해 영향을 받을 수 있다. 전기저항식의 경우에는 대량생산에 용이하며 정밀한 측정이 가능하다. 또한 전기 용량을 고려할 필요가 없다는 점에서 설계의 용이성을 가진다. 또한 정전용량식에 비하여 저항 값의 변화량이 크기 때문에 측정에 용이하다. 반면 온도에 대한 영향이 크므로 온도 보상이 필요하며, 저습도 구간 측정이 어렵다. 또한 저습 측정이 어려운 특성을 가져 명확한 한계점을 보인다.

본 논문에서는 전기저항식 습도센서의 한계를 보완하기 위해 휘트스톤 브릿지 구조와 ZnO 나노로드(Nanorods):MoS2 (ZnO NRs:MoS2) 감지물질을 사용한 센서를 채택하였다. 휘트스톤 브릿지 회로는 4개의 동일한 저항체를 제작하여 브릿지 구조의 형태에서 양 단의 전압을 측정하는 방식이다 ^{(9), (10)}. 그림 1은 본 연구에서 제안하는 센서시스템을 보인다. 센서는 유입 변압기 드레인 부근의 좁은 영역에 직접 삽입되어 절연유내 함유된 수분의 변화를 실시간 모니터링하는 토탈 센서시스템 구현을 목표로 한다. 센서 감지물질 저항은 수분과의 접촉이 가능하도록 SiO2 박막을 오픈시켜 주었고, 레퍼런스 저항들은 SiO2 박막으로 커버되어 수분과의 접촉을 막을 수 있다. 수분과 접촉하는 감지물질은 수분의 흡착으로 저항이 변화하고, 측정부의 양 단에는 전압차의 변화가 발생하게 된다. 또한 휘트스톤 브릿지 구조는 온도 변화에 대해 모든 저항체가 동일하게 저항이 변화하므로 온도에 대한 보상효과를 얻을 수 있다. 사용한 ZnO NRs:MoS2는 원기둥 형태의 ZnO에 MoS2를 증착한 형태로써 수분에 접촉 시 저항이 감소하는 형태이다 ^(11)-(14). 본 연구에서는 전기 저항식 센서의 단점을 보완하여 저습에서 측정 가능하고, 휘트스톤 브릿지 구조를 채택하여 온도보상이 가능한 센서를 제작하였다. 또한 오일 내에서 측정하기 위해 FPCB(flexible printed circuit board)와 센서를 와이어본딩 및 액상형 에폭시 몰딩을 진행하여 측정에 용이성을 향상시켰다.

2. 동작원리 및 시스템 구성도

휘트스톤 브릿지 구조의 센서는 그림 １의 형태로 제작되었다. 총 4개의 전극이 존재하며, 전극 a, b에는 power supply를 이용하여 5V의 정전압을 인가하고, 전극 c, d에는 디지털 멀티미터를 연결하여 양단의 전압차를 측정하였다. 휘트스톤 브릿지 구조는 총 4개의 저항체를 가지고 있으며 4개의 저항체는 모두 동일하게 제작되었다. 맨 아래 부분의 저항체를 제외한 모든 저항체는 SiO2로 커버되어 수분과의 접촉을 피하며 감지부분은 수분에 노출되어 노출 시 저항의 변화로 전극 c, d의 전위차를 이용하여 측정하는 원리이다. 휘트스톤 브릿지 구조의 전압은 다음 식으로 계산된다.

RX는 감지부분으로 레퍼런스 저항과 저항값이 같을 때 VG는 0으로 측정되며, 습도를 감지했을 때 VG가 변화하게 된다. 센서는 휘트스톤 브릿지 구조로 온도보상효과를 준다. 동일하게 제작된 4개의 저항체가 온도에 변화가 생기면 온도 효과는 4개의 저항체 모두에 적용되어 온도효과를 상쇄시켜 줄 수 있다. 4개의 저항체는 IDE (interdigital electrode) 전극 사이에 감지물질을 증착 및 도포한 형태이다. IDE 금속으로는 platinum을 선택하였으며 접착력 문제를 해결하기 위해 titanium을 미리 증착하였다. IDE 전극 구조는 금속간 거리를 짧아지게 하므로 감지물질 내 이온의 포화 속도를 빠르게 하며, 반응속도 및 전력 밀도 향상에 도움을 준다 ⁽¹⁵⁾. 감지 물질로는 ZnO NRs와 MoS2를 사용하였다. ZnO NRs 주변에 MoS2 물질을 증착하여 IDE 위에 도포되었으며, 반응 원리는 그림 2와 같다. N-type 특성을 가지는 ZnO NRs 및 MoS2은 접합(junction)을 이루고, 측정 환경에서 수분이 감지물질에 흡착되면 수증기가 전자 도너(electron donor)를 ZnO NRs 및 MoS2에 제공하여 전류를 증가시키고 저항은 감소하는 원리를 가진다. 또한 긴 금속 연결선과 레퍼런스 저항체 위에는 SiO2를 증착하여 절연유내 수분이 원치 아니한 영역에 영향을 미치는 것을 제거하였고, 레퍼런스 저항에 수분접촉을 차단하였다. 전극 패드와 FPCB는 aluminium 와이어를 이용하여 본딩하였으며, 이후 액형 에폭시로 몰딩하여 절연유가 전극과 FPCB에 주는 영향을 제거하였다.

3. 솔루션 방법을 이용한 ZnO 나노로드 (nanorod) 성장 공정 최적화

본 논문에서는 휘스트톤 브릿지 구조의 센서의 감지물질로써 ZnO NR와 MoS2를 사용하였다. 감지물질의 대면적이 증가할수록 수분과의 접촉면적이 넓어지며 그로 인하여 감도가 향상된다. 본 연구에서는 ZnO의 대면적을 증가시키기 위해 솔루션 방법을 이용하여 원기둥 형태의 NR을 성장시키는 방법을 채택하였다. ZnO NRs을 성장시키기 위해서 RF 스퍼터링을 이용하여 시드 층(seed layer)으로 50nm ZnO를 증착하여 사용하였다. NR 성장에 사용한 물질은 Zn(NO3)2․6H2O(98%)와 (CH2)6N4(99%)의 두 가지 물질이다. 각 물질의 혼합비율 및 성장시간을 고려하여 공정을 최적화 시켰다.

표 2는 각 물질의 혼합비율 및 성장시간에 따른 NR 성장 길이의 비교이다. Zn(NO3)2․6H2O(98%)는 189.36g/mol이며 2.74mmol을 사용하였다. 그리고 (CH2)6N4(99%)는 140.186g/mol이며, 2.22mmol, 3.92mmol, 4.44mmol을 사용하였다. 또한 NR의 성장시간을 3-5시간으로 변화시키며 성장 시켰다. 측정은 SEM을 통하여 윗면 뷰와 측면 뷰를 확인하여 NR의 직경 및 높이를 측정하였다. 그림 3은 Zn(NO3)2․6H2O(98%)의 비율과 성장시간을 고정시키고 (CH2)6N4의 비율을 변화시키며 성장시킨 SEM 사진이다. 그림 3(a)는 (CH2)6N4를 3.92mmol을 사용하여 성장시킨 NR의 측면 뷰이다. 직경은 약 278nm이고, 높이는 3.14um이였다. 전체적으로 깔끔하게 성장되었으며 대부분의 NR의 직경과 높이가 일정했다. 그림 3(b)는 (CH2)6N4를 2.22mmol을 사용하였다. 전체적으로 고르지 못하며 군데군데 NR이 부러져 있거나 뭉쳐 있는 것을 확인할 수 있다. 그림 3(c)는 (CH2)6N4를 4.44mmol을 사용하였다. NR이 고르게 성장되지 않았으며 전체적인 길이가 짧은 것을 확인할 수 있다. 또한 앞서 제작한 그림 3(a, b)와는 다르게 여러 NR이 하나로 뭉쳐져 성장한 것을 확인할 수 있다. 이후 그림 3(a) 비율대로 성장시간을 3-5시간으로 변화시키며 실험을 진행했다. 그림 4는 ZnO 성장 시간에 따른 NR의 길이 변화와 (CH2)6N4의 몰량에 따른 길이 변화이다. 전체적으로 시간이 길어짐에 따라 NR의 길이 또한 비례적으로 성장하는 것을 볼 수 있다. 또한 (CH2)6N4가 3.92mmol일 때 ZnO NRs의 길이가 최대인 것을 확인했다.

4. 제 작

센서는 반도체 공정 기술을 이용하여 제작하였다. 그림 5는 전체 공정 순서도이다. 먼저 4 인치 쿼츠 웨이퍼를 아세톤에서 10분간 초음파 세척 하였다. 이후 isopropyl alcohol(IPA)에서 5분간 린스 이후, DI water에서 헹굼을 진행하였다. 휘트스톤 브릿지 구조를 형성시키기 위하여 AZ5214E (Negative photoresist)를 도포한 뒤 UV에 노광시켜 주었다. 이후 MIF300 현상용액에서 20초간 develop 후 DI water에 세척하였다. 패터닝된 웨이퍼를 electro beam evaporator를 이용하여 Ti/Pt를 20/100nm 증착한 뒤, 아세톤에서 liftoff 시켜주고 IPA와 DI water를 이용하여 세척하였다. 제작된 Ti/Pt 휘트스톤 브릿지 구조의 전극 위에 4개의 저항체를 제작하기 위해 다시 AZ4620(Positive photoresist)을 도포한 뒤, UV에 노광시켰다. 이후 MIF300 용액에서 약 5분간 develop 후 DI water에 세척해 주었다. 4개의 ZnO가 위치해야할 부분이 오픈된 샘플을 RF 스퍼터에 로딩하였다. 사용된 타겟은 3mm의 ZnO(99.98%)의 타겟을 이용하였으며 구리 백플레이팅을 하였다. RF 스퍼터 공정 조건은 다음과 같다. Base 진공은 5×10-6torr의 고진공에서 진행하였고, 이후 7.5×10-6torr에서 증착을 진행하였다. 사용한 가스는 Ar, O2이며 각각 40sccm, 3sccm 조건에서 250W를 인가하여 100nm/hr의 속도로 증착하였다. 증착된 샘플은 아세톤에서 2시간 가량 두어 lift off 시켜주고 IPA와 DI water를 이용하여 세척하였다. 50nm의 ZnO 시드층 위에 ZnO NR를 성장시키기 위하여 솔루션을 제작하였다. 75mL의 DI water에 Zn(NO3)2․6H2O 2.74mmol과 (CH2)6N4 3.92mmol을 넣어준 뒤, 1100rpm의 교반기에서 30분가량 교반해준다. 이후 샘플을 뒤집어 넣은 채로 병을 밀봉한다. 샘플은 100℃로 셋팅된 오븐에서 약 5시간동안 놓여진다. 5시간 이후 성장된 샘플은 DI water에서 세정된다. 성장 이후 전극과 센서부 외에 SiO2를 커버해주기 위하여 PECVD를 이용하여 SiO2 1μm를 증착하고, 리소 공정을 이용하여 전극과 센서부분을 노출시킨다. 이후 RIE에서 O2, SF6 가스를 주입하여 SiO2가 드러난 부분을 에칭한다.

이후 세정공정을 진행한다. 성장된 ZnO NRs 위에 MoS2를 증착하기 위해 다시 RF 스퍼터를 진행했다. 감지물질 부분에만 증착하기 위하여 shadow 마스크를 제작하고 샘플에 부착하여 사용하였다 ^(16)-(18). 사용된 타겟은 3mm의 MoS2(99.9%)의 타겟을 이용했으며 구리 백플레이팅을 하였다. RF 스퍼터링 조건은 다음과 같다. Base 진공은 5×10-6torr의 고진공에서 진행하였고, 이후 2.2×10-2torr에서 증착을 진행하였다. 사용한 가스는 Ar이며 40sccm 조건에서 80W를 인가하여 0.6nm/min의 속도로 증착하였다. 약 5nm의 MoS2를 증착하였으며 NR 표면에 일정하게 도포되었다. 센서 제작이 완료된 후, 전극패드와 FPCB와의 알루미늄 와이어 본딩을 진행하였다. 이후 액형 에폭시를 이용하여 본딩해 주었다.

5. 테스팅 셋업

제작된 센서는 공기중에서 먼저 측정 이후 오일 내 측정 두 가지 방법으로 진행되었다. 그림 6(a)는 항온항습 챔버를 이용한 기중 실험 셋팅 사진이다. 항온항습 챔버는 20~90%RH까지 습도 조절이 가능하며 온도는 20~150℃까지 조절 가능하다. 측정에는 전압 인가를 위한 power supply와 습도센서의 출력 전압을 측정하기 위한 DMM(34450A) 그리고 Bench view 프로그램을 이용하였다. Bench view 프로그램은 PC를 통해 실시간 출력전압의 기록을 가능케 한다. 또한 항온항습 챔버 및 오일내의 상대습도의 값을 정밀히 확인하기 위해 Vaisala MMT162 상업용 습도센서를 구입하여 설치하였다. 기중 측정을 위해 45℃로 고정된 항온항습 챔버에서 습도를 20%RH에서 10%RH씩 증가시킨 뒤 출력 전압값이 포화될 때, 다시 10%RH씩 습도를 증가시키며 선형성을 측정하였다. 이후 온도 영향을 확인하기 위해 항온항습 챔버의 온도 55℃, 65℃로 변화시키며 상대습도 변화에 따른 센서의 출력 전압 변화를 측정하였다. 이후 오일에서 측정을 진행하였다. 그림 6(b)는 오일 내 측정 셋팅 사진이며, 대기중에서와 동일하게 항온항습 챔버에서 측정하였다. 측정 이전에 수분이 용해된 오일 샘플의 준비는 다음과 같이 진행하였다. 챔버의 온도를 45℃에 유지한 상태에서 5개의 병을 준비하고 오일 500mL를 채웠다. 이후 항온항습 챔버 내의 상대습도를 증가시키며 각각의 시료마다 5시간동안 오픈시켜 두어 오일 시료(45, 50, 65, 80%RH)를 미리 준비하였다. 준비된 시료의 정확한 상대습도의 값은 +/- 0.5%RH 정확도를 가진 Vaisala MMT162 상업용 센서를 이용하여 확인하였다. 45℃로 유지된 항온항습 챔버 내에 센서 삽입 이후 밀봉된 오일 bottle을 넣고 power supply 및 디지털 멀티미터를 이용하여 센서의 성능을 분석하였다. 그림 6(c)는 Bench View 프로그램을 이용한 오일내 센서의 실시간 측정 모습이다.

6. 측정 결과

그림 7(a)는 약 3μm의 길이의 제작한 ZnO NR의 SEM 사진을 보인다. 그림 7(b)는 ZnO NR:MoS2의 TEM 촬영 사진이며, 약 5nm의 MoS2가 NRs의 표면에 고루 증착되어있다. 그림 7(c)는 제작한 센서의 전극 부분과 FPCB의 패드 부분을 알루미늄 와이어를 이용하여 와이어 본딩된 광학사진이다. 그림 7(d)는 일액형 에폭시를 이용하여 몰딩 함으로써 오일의 영향을 제거하였다. 디지털 미터기(34450A)를 이용하여 상대습도에 대한 센서의 출력 전압의 변화를 측정하였고, Bench view 프로그램을 이용하여 실시간 측정값을 기록하였다. 센서의 출력 전압값이 안정적으로 포화가 된 시점에서의 값을 측정값으로 설정하였다. 먼저 기중 측정을 위해 항온항습 챔버의 온도를 45℃로 고정한 후, 초기 상대습도를 20%로 설정하고 항온항습 챔버의 상대습도를 10%씩 증가시키는 실험을 진행하였다. 그림 8(a)은 상대습도 증가에 따른 습도센서의 출력 전압 변화량을 실시간으로 확인한 그래프이다. 습도에 따른 출력전압의 선형적 증가를 확인하였다. 이후 측정된 값을 이용하여 그림 8(b)의 calibration plot을 얻었다. 센서의 감도(S)는 다음과 같은 식으로 계산된다.

항온항습 챔버의 특성상 20%RH 이하의 상대습도 환경을 만들 수 없기 때문에 기준 전압은 20%RH일 때의 값으로 지정해 주었다. 얻어진 센서의 감도는 15 mV/%RH 이였다. 그림 9(a)는 상대습도 20%에서 40%로 증가했을 때, 상대습도 20%에서 60%로 증가했을 때, 상대습도 20%에서 70%로 증가했을 때의 반응측정 그래프이다. 전 구간에서 약 20분 이내에 출력 전압 값이 포화되는 것을 확인할 수 있다. 높은 상대습도 구간으로 이동 할 때, 흡착되는 수분량이 증가하여 반응시간이 더 빠른 것을 확인할 수 있다. 그림 9(b)는 각각의 상대습도에서 6시간 이상 측정한 그래프이다. 모든 측정 구간에서 오차율 1% 이내의 출력전압 변화량을 확인할 수 있다. 그림 10은 온도를 변화시키며 측정한 그래프이다 (45℃, 55℃, 65℃). 휘트스톤 브릿지 구조의 온도보상 효과로 외부 온도를 변화시켰을 때, 센서의 측정값에 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다. 제작한 센서는 휘트스톤 브릿지 구조를 채택하여 외부 온도가 변함에 따라 자동으로 온도보상이 이루어져 보다 정확한 측정이 가능하였다.

기중테스트를 진행 한 뒤, 동일한 센서로 오일 내 습도를 측정하였다. 항온항습 챔버를 이용하여 45℃를 유지한 상태에서 5개의 오일 샘플을 순차적으로 측정하였다. 이때 오일내 습도의 값은 상업용 습도센서를 이용하여 확인하였다. 가장 낮은 오일 시료 20%RH를 기준으로 하여 각각의 오일(45%RH, 55%RH, 65%RH, 80%RH)로 이동시키며 측정을 진행했다. 오일에서의 측정 시 상대습도가 다른 시료로 센서가 이동할 때 공기와의 접촉으로 순간적으로 센서 출력값이 튀는 현상이 생겨 5분 간격으로 측정한 뒤 기록하였다. 그림 11은 기중에서 측정 데이터와 오일에서 측정한 값을 비교한 그래프이다. 공기중에서는 15 mV/%RH의 감도를 보인 반면 오일 내에서는 6.8 mV/%RH의 감도를 확인할 수 있었는데, 이는 오일 내에서는 공기중에서에 비해 포화될 수 있는 수분량이 상대적으로 적기 때문에 감도가 떨어진 것으로 확인할 수 있다. 또한 오일 내에서는 공기중에서와 비교해서 수분의 확산속도가 상대적으로 느리므로 감도가 떨어지고, 센서에 수분이 흡착, 탈착하는데 걸리는 시간이 늘어나게 된다.

7. 결 론

본 논문에서는 변압기 오일에 사용되는 1종 4호 오일에 대해 실시간 모니터링이 가능하고, 높은 감도, 장기간의 안정성 그리고 온도보상효과를 가진 휘트스톤 브릿지 습도센서를 제시하였다. 센서는 RF 스퍼터를 이용하여 ZnO seed layer를 증착하고, Zn(NO3)2․6H2O 2.74mmol과 (CH2)6N4 3.92mmol을 이용하여 약 5시간정도 ZnO nanorod를 성장시킨 뒤, 5nm의 MoS2를 증착하였다. 센서 측정은 항온항습 챔버에서 진행했으며, 최저로 측정한 환경은 약 20%RH였다. 공기중에서의 측정 감도는 15mV/%RH였고 오일 내에서는 6.8mV/%RH의 감도를 확인하였다. 외부 온도변화에 따른 센서의 특성은 휘트스톤 구조의 특성상 자동으로 온도 보상이 이루어지므로 온도변화에 따른 감도의 변화는 거의 관찰되지 아니했다. 오일에서는 기중에서보다 낮은 감도를 보였는데 이는 오일속에서 수분이 상대적으로 확산하는 속도가 느리기 때문에 수분의 흡탈착 시간이 더 길기 때문이다. 측정된 결과에 기반하여 본 센서는 변압기 절연오일 내 용존하는 습도의 변화를 실시간 관측할 수 있을 것으로 사료되며, 또한 개발된 센서의 특성은 3D ZnO:MoS2 구조를 사용함으로써 높은감도, 고선형성, 오랜기간 안정한 센서 특성의 유지 등을 확인하였다.