필름형 레벨센서의 민감도 향상을 위한 설계 방법

저항식 필름형 레벨센서는 얇고 유연한 필름에 저항체를 형성하여 수위 측정이 가능하도록 만들어 필름이 물에 닿으면 저항이 변하고 변화된 저항을 통해서 수위를 측정할 수 있다.

Fig. 1은 필름형 레벨센서가 물에 잠길 때의 단면을 표현한 그림으로 수압에 의해서 상하부 필름 사이(E₁-R₁)에 형성된 저항이 잠긴 깊이에 비례하여 감소한다. 필름형 레벨센서는 가변저항(R₁)과 고정저항(R₂)을 포함하고 있고, Fig. 2와 같이 회로를 구성하여 출력 전압의 변화를 확인할 수 있다. 출력 전압은 잠긴 깊이의 변화 즉, 수위 변화에 의해서 변화되기 때문에 전압신호를 센서가 잠긴 깊이인 수위로 환산이 가능하다.

Fig. 1.

Shape of an image under water pressure when the film-type level sensor is submerged.

Fig. 2.

Electrode pattern and circuit diagram of a conventional film-type level sensor.

필름형 레벨센서는 두께가 얇고 측정 반복성이 우수한 장점이 있지만 수위 측정에 대한 민감도가 높지 않아서 수위를 정밀하게 측정하기에는 적합성이 다소 낮다고 볼 수 있다.

저항식 필름형 레벨센서의 민감도를 개선하기 위해서 Fig. 3과 같이 센서 내에 4개의 저항을 하프 브릿지(Half bridge) [6]로 연결하여 센서 자체로 휘트스톤 브릿지 회로를 구성할 수 있도록 설계를 변경하였다.

Fig. 3.

Improved film-type level sensor involving Wheatstone bridge circuit.

센서는 전압 입출력단자(V_in, V_out)를 갖고 있고, U자 형의 독립된 4개의 저항패턴(R₁, R₂, R₃, R₄)으로 구성되어 있으며 결선에 의해 휘트스톤 브릿지를 형성할 수 있다. 가운데 2개 저항(R₂, R₃)은 마주보는 전극(E₁, E₂)과의 접촉으로 인하여 저항이 가변될 수 있고, 이는 저항과 전극이 한쌍으로 구성된 기존 저항식 필름형 레벨센서와 비교하여 동일한 수위에서 2배 높은 전위차를 얻을 수 있다.

개선형 레벨센서는 Table 1에서 볼 수 있듯이 출력(V_out)은 V_C와 V_D의 전위차에 의해서 결정되고 V_C와 V_D는 각각 R₁, R₂와 R₃, R₄의 비율에 의해 정의된다.

Table 1.

Comparison of circuits between conventional and improved film-type level sensors.

R₂와 R₃가 가변저항으로 물에 잠기는 깊이에 따라서 R₂와 R₃의 저항이 동시에 낮아져 출력(V_out)이 2배 더 커지는 특성으로 인하여 센서의 민감도를 높일 수 있다.

필름형 레벨센서가 수압에 의해 압착되면서 저항이 변화될 수 있도록 측정범위와 민감도의 조절이 가능한 압저항형(Piezoresistive-type) [7]의 센서 조성으로 Antimony, Silicon, Magnetite, Talc, Silica, Graphite, Molybenum, Carbon, Bentonite Sulfide 및 Oxide 화합물 등의 원료를 조합하였다.

Fig. 4.

Piezoresistive pastes that exhibit resistance changes due to external force and the process of making them.

인쇄성과 부착성 향상을 위해 Elastomers, Silicones, Polyester, Phenoxy, Polypropylenes, Epoxy, Acrylic, Polyethylenes, Vinyl, Polyamide Polymers 등의 고분자 재료를 유기 바인더로 사용하였다. 유전성, 반도성, 도전성 원료 분말과 유기 바인더의 혼합을 균일하게 하기 위해서 1차, 2차 분산 공정에서 2000 rpm의 페이스트 믹서를 2분간 구동하여 혼합하였다. 점도 조절 시에는 3-roll mill로 혼합하여 분산성을 유지하도록 하였다. 인쇄 후 85^oC에서 30분간 경화 후 상온에서 2시간의 aging을 거친 후 하중에 따른 저항변화의 조성별 전기적 특성 평가를 진행하였다(Fig. 5).

Fig. 5.

Example of the process from mixture compositions to evaluations.

다양한 재료를 조합한 조성물은 하중별 압저항 특성을 평가하였고, 원료분말의 함량(Solid loading)을 높여가면서 전기전도도를 함께 측정하여 반복성이 우수한 센서 조성을 도출하였다.

압저항 효과(Piezoresistive effect)는 외력에 의해 저항이 변화되는 현상으로 원료분말 간의 접촉 면적이 크거나 도전성이 높으면 접촉 저항이 낮아지고 접촉 면적이 작거나 도전성이 낮으면 접촉 저항이 높아진다.

접촉 저항을 낮도록 설계하면 Fig. 6의 압력과 전기전도도의 변화 그래프에서 A의 현상과 같이 낮은 압력 범위에서 최대 전기전도도에 빠르게 도달하게 되고, 접촉 저항을 높게 설계하면 B와 같이 넓은 압력 범위에서 전기전도도는 선형적으로 변화하게 된다. 필름형 레벨센서는 수 cm 이내의 낮은 수압에서도 빠른 저항 변화(Fig. 6 A-slope)가 요구되기 때문에 도출한 조성 중 수십~수백 옴(Ohm) 수준의 민감한 조성을 선정하여 필름형 레벨센서에 적용하였다.

Fig. 6.

The relationship between applied force (or pressure) and conductance of sensor materials.

기존 방식의 필름형 레벨센서를 개선하기 위해서 입출력 전압 단자를 갖는 독립된 4개의 저항(R₁, R₂, R₃, R₄)과 서로 이격된 전극 2개가 필요하고, 이러한 구성은 필름형 레벨센서가 자체적으로 휘트스톤 브릿지 회로가 되도록 구성할 수 있다.

Fig. 7과 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 4개의 저항 중 가운데 2개의 저항(R₂, R₃)은 2개의 전극(E₁, E₂)과 접촉하여 저항이 가변될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Fig. 7.

A schematic diagram of the configuration of the improved film-type level sensors.

Fig. 8.

Electrode connections forming the Wheatstone bridge circuit in the improved film-type level sensors.

하부필름에 인쇄된 저항부(R₁, R₂, R₃, R₄)와 상부필름에 인쇄된 전극부(E₁, E₂)가 맞닿을 수 있도록 마주보게 배치하고, 상부필름과 하부필름 사이의 공간이 0.15 mm가 이격되도록 필름 외곽부에 2 mm 폭으로 점착되도록 양면테이프를 재단하고 필름이 휘어지지 않고 텐션을 유지할 수 있도록 합지하였다.

Fig. 9는 Fig. 7과 Fig. 8의 저항부와 전극부를 맞닿도록 합지한 상태를 모식화한 것으로 저항부와 전극부가 양면 테이프에 의하여 이격되어 있음을 보여준다. 수위측정 시 수압에 의해서 이격된 저항부와 전극부는 붙게 되고, 전극에 의해서 R₂, R₃의 저항은 낮아지게 된다.

Fig. 9.

Description of a state where the resistive components and electrode components are laminated in contact with each other.

0.08 mm 두께의 PE/PP 재질의 혼합필름은 칼금형을 이용하여 정사각형 형태로 타발하였고, 사각의 외곽에 가이드 홀을 형성하여 인쇄 및 합지 공정에서 패턴이 유지되도록 하였다. 타발된 양면테이프도 인쇄 패턴과의 간격을 유지하도록 하부필름, 양면테이프, 상부필름 순서로 합지하였고 이러한 과정을 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 10.

Steps from the fabrication to the evaluation of the improved film-type level sensors.

길이에 대한 텐션 차이를 확인하기 위해서 28×150×0.36, 28×180×0.36과 28×210×0.36 (W×L×T, mm)의 3종의 필름형 레벨센서를 제작하였고, 길이와 상관없이 수압에 대한 저항 변화 특성이 동일함을 확인하였다.

필름 내부에 있는 저항부와 전극부를 외부 회로 커넥터와 연결하기 위해서 전극핀 8개를 crimping하였고, 수위 측정 시 필름 내부의 공기 흐름이 원활하도록 crimping한 부위에는 양면 테이프를 사용하지 않았다.

아날로그 데이터를 얻을 수 있도록 제작한 측정 회로(Sensing board)에 PC와 USB단자로 연결하여 시리얼 통신을 하였고, 센서의 반복성은 동일한 수위에서의 저항을 측정하여 편차로 계산하였다.

Fig. 11과 같이 물속에 L1 (50 mm)과 L2 (100 mm)의 깊이를 반복적으로 교차하여 해당 깊이에서의 저항을 확인하였다. R₂ 저항을 5회 평균하여 L1은 1062 Ω, L2는 740 Ω의 값을 얻었고 반복 평가에서의 저항의 편차는 1.0 % 수준으로 Fig. 12와 같은 그래프를 얻을 수 있었다.

Fig. 11.

Illustration representing a repeat test of the improved film-type level sensors.

Fig. 12.

Characteristics of R2 and R3 resistances in the improved film-type level sensors.

제작한 필름형 레벨센서의 저항 변화의 선형성을 확인했기 때문에 반복 평가에서 도출된 저항과 깊이의 관계를 통해서 함수를 도출할 수 있었다.

여기서 L은 물에 잠긴 깊이이고, R은 필름형 레벨센서가 L의 깊이만큼 잠겼을 때의 저항을 의미한다.

수식 (1)을 이용하여 센서를 물속으로 1 mm씩 이동하여 수위를 측정한 결과 1.5 mm 해상도로 측정이 가능하였다.

기존 제품(eTape, PN-12110215TC-8)의 경우 3 mm 수준으로, 본 연구에서 제작한 개선형 레벨센서는 민감도 향상으로 기존 제품과 비교하여 2배 높은 해상도의 결과를 얻었다. 다만 최소 감지 깊이는 두 샘플 모두 25 mm 이상으로 확인되었다. 이는 측면부와 하단부가 양면테이프로 둘러싸여 센서 하단부의 텐션이 상대적으로 높아서 낮은 수위의 수압에 대한 반응성이 없는 구조적인 문제로 판단되었다.