Development of Dielectric Constant Sensor for Measurementof Lubricant Properties

윤활유 물성 측정을 위한 유전상수 센서 개발

Abstract

This study presents the development of dielectric constant sensors to measure lubricant properties. The lubricant oil sensor is used to measure oil properties and machine conditions. Various condition monitoring methods are applied to diagnose machine conditions. Machine condition monitoring using oil sensors has advantage over other machine condition monitoring methods. The fault conditions can be noticed at the early stages by the detection of wear particles using oil sensors. Therefore, it provides an early warning in the failure procedure. A variety of oil sensors are applied to check the machine condition. Among all oil sensors, only one sensor can measure the tendency of several properties such as acidity and water content. A dielectric constant sensor is also used to measure various oil properties; therefore, it is very useful. The dielectric constant is the ratio of the capacitance of a capacitor using that material as a dielectric to that of a similar capacitor using vacuum as its dielectric. The dielectric constant has an effect on water content, contaminants, base oil, additive, and so forth. In this study, the dielectric constant sensor is fabricated using MEMS process. In the fabrication process, the shape, gap of the electrode array, and thickness of the insulation material are considered to improve the sensitivity of the sensor.

Nomenclature

C': Capacitance of the material (F) (물질의 전기용량)

C₀ : Capacitance of vacuum (F) (진공의 전기용량)

ε_m : Permittivity of the material (F/m) (물질의 유전율)

ε₀ : Permittivity of vacuum (F/m) (진공의 유전율)

ε_r : Relative permittivity (−) (비유전율)

κ : Dielectric constant(−) (유전상수)

1. 서론

다양한 기계시스템에서 윤활유 분석을 이용하여 윤활유의 물성뿐만 아니라 기계의 상태를 진단하는 기술이 점차 확대되고 있다. Fig. 1와 같이 각종 기계장치에서 윤활유를 분석하는 방법은 크게 3가지로 나눈다. 샘플링 도구를 이용하여 오일 샘플링(oil sampling)을 한 뒤 실험실에서 윤활유를 분석하는 방법을 오프라인(off-line) 방법이라 하고 주된 흐름에 직접적으로 분석을 하는 방법을 인라인(in-line) 방법이라고 한다. 이 방법 외에 대표성이 확보된 우회로를 활용하여 분석을 하는 방법으로 온라인(on-line) 방법이 있다. 오프라인 방법으로 윤활유를 분석할 경우 가장 큰 단점은 실시간으로 분석이 가능하지 않다는 것이다. 이를 보완하는 방법이 윤활유 센서를 기반으로 하는 온라인 방법이다. 인라인 방법은 주요 흐름에 직접 관측을 하는 방법으로 정확한 측정은 가능하나 측정이 흐름에 방해가 되거나 높은 압력 같은 작동 조건에 측정부위에서 누설 등과 같이 부작용이 발생할 수 있다. 온라인 방법은 오프라인 방법에 비해 사람에 의한 오염이나 실수를 줄일 수 있고 윤활유 센서를 통해 조기 진단이 가능하여 큰 고장을 방지할 수 있으며 시간, 비용적인 측면에서 경제적이며 또한 분석을 위한 숙련된 기술이 필요하지 않다. 이런 장점으로 인해 오프라인 방법보다는 윤활유 센서를 활용하는 온라인 방법이 선호된다[1-5].

Fig. 1. Methods of oil analysis[3-4].

윤활유의 상태를 파악하기 위해서는 각각의 윤활유 물성을 파악하기 위해 여러 종류의 윤활유 센서들이 활용된다. 그 외에도 몇가지 윤활유의 물성을 하나의 센서로 측정할 수 있는 복합형 센서(integrated sensor)도 많이 사용되고 있다. 또한 유전상수나 전기전도도 등을 측정하여 다른 물성값의 변화 등을 추정할 수 있다. 즉 Fig. 2와 같이 유전상수의 변화경향과 산가의 변화경향이 유사하여 유전상수의 측정으로 산가의 변화를 유추할 수 있다[6]. 유전상수는 비유전율(relative permittivity)라는 용어로도 사용되며 오염물의 의한 물성 변화에 대한 정보를 제공하며 산화나 첨가제의 고갈(depletion) 같은 윤활유의 화학적 변화에 대한 정보도 제공한다. 유전상수 (κ, kappa)는 식 (1)과 같이 유전율(permittivity)의 비 또는 전기용량(capacitance)의 비로 나타낸다. 여기서 유전율은 전기장을 전달하는 물질의 정도를 나타내며 전기용량은 축전기 등이 전하를 저장할 수 능력을 나타낸다. 즉 유전상수는 진공상태일때의 전기용량 또는 유전율에 대한 어떤 물질에서의 전기용량 또는 유전율의 비를 나타낸다[7].

Fig. 2. Interrelation of dielectric constant and acid number with variation of time[6].

\(\kappa=\varepsilon_{\mathrm{r}}=\varepsilon_{\mathrm{m}} / \varepsilon_{0}=C^{\prime} / C_{0}\)       (1)

Figure 3과 같은 유전상수를 측정하는 복합형 센서들은 실제 산업에 적용되고 있다. TE FPS 2800 은 유전 상수 외에도 온도, 밀도, 절대점도를 측정하는 복합형 센서로 유전상수의 측정 오차는 ± 1% 이내이고 HYDAC HLB 1400은 유전상수외에 온도, 상대습도, 전기전도도가 측정가능하고 유전상수의 측정오차는 ± 5%이다.

Fig. 3. Integrated oil sensor for measuring of dielectric constant[8]. (a) TE FPS 2800 (b) HYDAC HLB 1400

본 논문에서는 기계시스템의 상태진단에 사용할 유전 상수 센서를 개발한 내용을 다룬다. 아직 상용화를 위해서는 패키징(packaging) 등 추가적인 작업이 더 필요하지만 지금까지 연구가 진행된 사항을 소개하고자 한다.

2. 본론

유전상수를 측정하기 위해 MEMS 공정을 이용하여 센서를 개발하였다. 전기용량을 측정할 수 있는 작은 전극 구조물을 제작하여 전기용량과 유전상수와의 상관관계를 파악하여 유전상수 센서를 제작하였다.

2.1 센서의 개발과정

센서의 개발 과정은 Fig. 4와 같이 진행되었다. 먼저 전기용량을 측정할 수 있는 구조물 설계를 위해 MEMS 설계방안에 대해서 수립한 뒤, 다음으로는 전체적인 설계 절차를 수립하였다.

Fig. 4. Development process of dielectric constant sensor.

MEMS 공정을 통해 전기용량을 측정할 수 있는 전극은 측정 감도를 높이기 위하여 교차전극(IDE, Interdigitated Electrode)으로 제작을 하였다. 교차 전극은 빗 모양(comb-like)의 전극구조로 표면적을 넓여 감지 능력이 뛰어난 전극 형태이다. 전극을 만드는 MEMS 공정 과정은 Fig. 5와 같다. 실리콘(Si)의 기판에 산화를 통해 SiO² 층을 형성한다. 다음으로 금속 전극을 증착하기 위한 Via 전극을 형성하고 그 위에 백금(Pt)의 전극을 증착한다. 증착된 전극을 원하는 형태로 패터닝을 한 뒤, Si³N⁴ 절연막을 증착하고 패터닝하면 Fig. 6와 같은 전극이 완성된다. 다양한 산가, 염기가를 가지는 윤활유에 대한 유전상수를 측정하는 센서이므로 Si³N⁴ 절연막을 사용하여 내화학성과 전기화학적 안정성을 확보하였다. MEMS 공정을 통해 제작된 전극을 Fig. 7과 같이 회로 기판에 연결하였다. 회로기판에서 빨간색 점선 부분이 유전 상수를 측정할 수 있는 센서부분을 나타낸다. 나머지 부분은 점도와 산가 등 윤활유의 다른 물성을 측정하는 센서 부분이 설치될 공간이다. 최종적으로 3가지 이상의 윤활유 물성 측정이 가능한 복합형 센서를 개발하고자 하므로 패캐징을 하지 않은 상태이다.

Fig. 5. MEMS process for IDE electrode formation.

Fig. 6. Cross-sectional view of IDE electrode.

Fig. 7. Integrated circuit of sensor.

2.2 센서의 변환식 및 검증

개발된 센서는 유체의 전기용량을 측정하여 이미 알고 있는 진공의 전기용량과의 비를 통하여 유전 상수를 알아내는 방식이다. 그래서 우선 유전상수 값을 알고 있는 윤활유들을 이용하여 전기용량을 측정하여 전기용량과 유전상수의 관계식을 파악하였다. 4가지 조건에 대한 실험을 상온에서 수행하였다. 우선 기준이 되는 진공상태의 전기용량은 Fig. 8과 같은 장치에서 측정되었다. 그리고 유전상수 값을 알고 있는 3가지 윤활유에 대해서도 전기용량을 측정하였다. 개발된 센서에서 측정된 전기용량과 유전상수의 관계는 Fig. 9와 같으며 이때 관계식은 식 (2)와 같다. 여기서 C(pF)는 전기용량을 나타내고 DC는 유전상수를 나타낸다.

\(\mathrm{C}=0.965 \times \mathrm{DC}+4.256\)       (2)

Fig. 8. Test device of capacitance measurement in vacuum condition.

Fig. 9. Relationship between capacitance and dielectric constant.

4가지 경우에 대한 결과들로 유전상수와 전기용량의 관계를 나타내는 식을 도출하는 데는 경우의 수가 부족한 면이 있어 앞으로 다양한 윤활유에 대한 실험을 추가적으로 수행하여 보완할 것이다. 같은 윤활유에 대하여 세척하고 자연 건조하는 방식으로 5회 이상을 반복 실험한 결과, 전기용량의 변화는 작게 나타났다. 그리고 표 1과 같이 빛에 의한 오차 및 약간의 습도에 의한 오차를 확인하기 위한 실험에서도 1% 미만으로 아주 작은 오차를 가진다. 하지만 신뢰성 있는 유전상수 센서를 개발하기 위해서는 다양한 산가, 염기가, 점도 조건의 윤활유에 대해서 추가적인 검증 실험이 필요하다. 그리고 패키징을 하고 난 뒤, 패키징에 의한 변환식의 변화 및 감도에 대한 추가적인 평가 및 개선 작업이 필요하다.

Table 1. Variation of capacitance measurement

3. 결론

윤활유 센서 기반의 기계상태진단을 효과적으로 수행하기 위해서는 가격 경쟁력과 신뢰성 있는 윤활유 센서의 개발이 필요하다. 그 일환으로 MEMS 공정을 이용하여 윤활유의 유전상수를 측정할 수 있는 센서를 개발하였다. 전기용량을 측정하는 전극의 제작에서 IDE 전극 구조와 적절한 두께의 Si³N⁴ 절연막을 이용하여 측정 감도와 신뢰성을 개선하고자 하였다. 앞으로 다른 물성값 측정을 위한 센서들과의 조합과 패키징 및 추가적인 검증 실험을 통해 복합형 윤활유 센서 개발을 완성하고자 한다.