습도 센서 종류와 원리 완벽 정리! 정전 용량식부터 열전대 습도센서까지 한눈에 이해하기

습도 센서의 종류에 대해 알아보기 전에 먼저 습도의 개념에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 습도란 무엇인가? 

습도(humidity)란 공기 중에 포함되어 있는 수증기의 질량 또는 비율입니다.

 

🕐습도의 표시 방법

• 절대 습도(Absolute Humidity, g/ m³): 1m³의 기체 중에 포함되어 있는 수증기의 질량
• 상대 습도(Relative Humidity, %): 동일 온도에서의 포화 수증기와의 비율
• 노점(이슬점, Dew Point, ℃): 기체 중의 수증기 분압이 포화 수증기압과 같은 온도
• 수증기 함유량(ppm): 용적비

✅습도 센서에 요구되는 조건

• 정확한 재현성
• 빠른 응답성
• 실용 측정 범위의 저항값 변화
• 온도 의존성이 없는 것
• 제작이 쉬운 것
• 광범위한 측정
• 장수명
• 다른 가스의 영향을 받지 않는 것
• 오염에 대한 내구성
• 저가격

2. 과거 습도 측정 방식

고대 습도계: 숯 한 조각과 흙덩이

CHAT GPT생성

 

중국 상나라 시기, 날씨를 연구할 목적으로 원초적인 습도계가 고안되었습니다.

바로 숯과 흙덩이를 이용한 방법인데요. 숯이 건조하면 가볍고 습하면 무거워지는 원리를 이용해 지렛대의 한 쪽 끝에 흙덩이, 다른 쪽에 숯을 매달고 중심에 끈을 달아 수평이 되도록 조정하여 습도를 파악했다고 합니다.

머리카락 장력식 습도계(Hair Tension Hygrometers)

Hair tension Hygrometer와 Weather House(출처: 위키피디아)

비가 오면 머리카락이 부풀고 길어지며 곱슬거리는 걸 다들 경험해 보셨을 텐데요. 1783년 스위스 과학자 호라스 드 소쉬르는 사람 또는 동물의 머리카락이 습도 변화에 따라 길이가 변하는 것을 이용, 이 길이 변화를 눈금으로 표시한 습도계를 개발했습니다.

 

독일, 오스트리아 등 중부 유럽 지역의 전통 민속품인 Weather House도 이 원리를 이용한 습도계로 날씨에 따라 한 인형이 앞으로 나와 날씨를 알려줍니다. 

Psychrometer, Wet and Dry bulb Thermometer

Psychrometer 출처: 위키피디아

학창 시절 물에 적신 척을 감싼 습구 온도계를 다들 한 번쯤은 보셨을 겁니다. 심리습도계는 습구의 물이 증발하면서 온도가 내려가고 이때 건구 온도계와 습구 온도계의 온도 차를 이용해 상대 습도를 계산합니다. 주로 기상 관측이나 HVAC 시스템에 사용됩니다.

 

3. 현대 습도 측정 방식 종류와 원리

고분자 습도 센서

고분자 재료를 이용한 습도 센서는 전기 저항식과 정전용량식이 있습니다.

 

1) 저항성 고분자 습도 센서 (Polymer Resistive)

• 이온 전도에 따라 전기 전도도가 변화하는 것을 이용하는 방식
• 흡습성 고분자 소재가 습도 증가에 따라 전기저항이 감소하는 성질을 이용
• 아주 작은 습도 변화도 잘 감지하긴 하지만 측정값과 출력값 사이의 비례 관계가 일정하지 않음
• 결로(Condensation)에 취약

Sentrion사의 Resistive Humidity Sensor

2) 정전용량형 고분자 습도 센서 (Polymer Capacitive)👈E+E 센서가 여기에 해당

• 상대 습도(RH)의 변화에 따라 정전용량(capacitance)이 달라지는 고분자 재질의 특성을 이용해 습도를 측정
• 습도가 변하면 센서 내부의 고분자 막이 수분을 흡수하거나 방출하게 되고 이로 인해 유전율(정전용량)이 변함→이런 정전용량의 변화를 전기 신호로 변환하여 %로 환산함

E+E 센서 코팅

<특징>

• 넓은 습도 측정 범위: 0...100%
• 강한 내구성: 일시적 결로에도 센서에 큰 영향을 주지 않음
• 선형성이 뛰어남: 상대 습도가 낮을 때와 높을 때 모두 출력 값이 일정하게 비례하여 변화함→보정이 쉽고 정확한 습도 측정이 가능

세라믹 습도 센서 (Ceramic)

• 세라믹: 고온 소결하여 제조된 비금속의 무기질 고체
• 시간이 흐름에 따라 표면에 흡착된 H₂O₂가 화학적으로 변하여 저항값이 변화되므로 감도 특성이 감소. 이러한 단점을 없애기 위해 소자를 약 500℃로 가열하여 수분을 반사시켜 측정하는 방법을 이용

세라믹 습도 센서 구조 (출처: Humidity Sensors Principle, Mechanism, and Fabrication Technologies: A Comprehensive Review, Hamid Farahani)

 

<특징>

• 고온에서 사용 가능: 일부는 150℃까지
• 높은 내구성: 고온 소결된 구조로 내화학성, 내습성, 기계적 강도 우
• 감도(작은 변화를 감지하는 능력)가 비교적 낮을 수 있음

열전도 습도 센서(Thermal Conductivity Humidity Sensor)

• 공기 중 수증기 함량에 따라 열전도율이 달라지는 특성을 이용
• 보통 두 개의 열전도 센서를 사용: 하나는 습한 공기, 다른 하나는 건조 공기 또는 기준 가스
• 두 센서 간의 열전도율 차이를 측정하여 절대 수분량(g/m³ 또는 ppm 등)으로 환산
• 절대 습도 또는 수증기 농도 측정

열전대 습도 센서 구조

 

<특징>

• 일반 상대습도 측정보다는 저수분 환경에 적합
• 온도 보정 필요: 온도 변화가 크면 정확도에 영향
• 비교적 단순한 구조
• 상대적으로 낮은 정확도(±3~5% 범위)

4. 센서 종류별 비교표

	원리	측정값	장점	단점	적용 환경
저항성 고분자 (Polymer Resistive)	습도에 따른 고분자 전기저항 변화 측정	상대 습도 (RH, %)	감도 높음 소형화 가능	선형성 낮음 결로에 취약	가전제품, 실내용 공기질 모니터링
정전용량형 고분자 (Polymer Capacitive)	습도에 따른 고분자 유전율(정전용량) 변화 측정	상대 습도 (RH, %)	선형성 우수 결로에 강함	오염에 민감할 수 있음	HVAC, 제약, 산업용 모니터링
세라믹 (Ceramic)	세라믹 표면의 저항 변화 측정	상대 습도 (RH, %)	고온,  내성, 내화학성이 강함	감도 낮음	고온, 고습, 화학  공정 환경
열전대 (Thermal Conductivity)	공기의 열전도율 변화 측정	절대 습도 (g/m³, ppm)	단순한 구조 빠른 응답	정확도 낮음, 온도 보정 필요	압축공기, 드라이룸, 산업용 건조 공정

 

5. 어떤 센서를 선택해야 할까?

습도 센서를 선택할 땐 단순히 가격이나 브랜드보다 어떤 환경에서 어떤 정확도로 측정해야 하는지 먼저 고려해야 합니다.

또한 센서의 특성이 곧 센서를 판별하는 기준이므로 각 센서의 특성에 대해서도 알아야 합니다. 이에 기초하여 각 센서에 대한 Data Sheet들을 분석하여 비교하면 선택하는 데 드는 시간과 고민을 많이 줄이실 수 있습니다.

 

6. 정확한 습도 측정을 위한 팁!

✅온도 보정은 필수

대부분의 습도 센서는 온도의 영향을 받기 때문에 반드시 온도 센서가 있는 모델을 선택하거나 별도의 온도 센서를 함께 설치해 온습도를 동시에 측정해야 정확한 RH 계산이 가능합니다.

 

✅일시적으로 결로가 생기는 고습환경이라면?

E+E HTS801 제품과 같이 Condensation Guard 기능이 있는 제품을 선택하시면 결로가 있는 환경에서도 안정적인 측정이 가능합니다. 

 

❓Condensation Guard란

사전에 사용자가 설정한 상대습도(RH) 기준값에 도달하면 센서 소자를 약 10초간 집중 가열(고열)하여 발생한 결로를 증발시켜 주는 기능입니다. 가열 후에도 약 3분 내외로 빠르게 냉각되어 원래 측정 기능으로 돌아옵니다.

고습과 화학적으로 오염된 환경을 위한 산업용 온습도 센서

✅지속적인 고습환경이라면? 

지속적으로 다습(상시 90% 이상)한 환경에서는 센서 헤드와 주변 공기 사이에 발생하는 아주 미세한 온도만으로도 센서 표면에 결로가 생길 수 있습니다. 소자에 결로가 발생하면 측정 정확도에 영향을 줄 뿐만 아니라 센서 표면에 이물질이 쌓이면서 드리프트가 발생할 수 있습니다. 

 

이러한 환경에서는 E+E HTS801 모델 중 듀얼 히팅 기능이 있는 모델이 큰 도움이 될 수 있습니다. 

❓Dual Heating System이란

습도와 온도를 측정하는 소자가 붙어있는 일체형 구조(monolithic sensing element)로 습도 소자에 결로가 발생하지 않도록 온도 소자가 지속적으로 히팅하여 수분을 제거합니다. 또한 결로 직전 상태의 상대 습도는 추가 온도 센서를 통해 보정됩니다.

 

고습과 화학적으로 오염된 환경을 위한 산업용 온습도 센서

✅주기적인 교정(Calibration)은 필수

습도 센서는 시간이 지나면 감도가 떨어지거나 오차가 발생할 수 있습니다. 따라서 주기적으로 교정 서비스를 받으면 장기적으로 정확도를 유지할 수 있습니다. 

 

E+E 한국 지사는 국제 기준에 부합하는 습도 기준기를 기반으로 추가 비용으로 습도 교정 서비스를 제공합니다.

센서와 교정 서비스를 함께 제공함으로써 편리성은 물론 구매 즉시 신뢰할 수 있는 정밀한 측정을 구현하실 수 있습니다. 

정확한 습도 측정을 위한 기준기, E+E Humor 20 캘리브레이터의 모든 것!

✅사용 설명서를 꼭 확인하세요

센서 모델마다 응답 속도, 작동 온도 범위, 설치 조건이 다르므로 제조사에서 제공하는 사양서 또는 매뉴얼을 꼼꼼히 확인하는 것이 중요합니다.

---

습도 센서의 종류와 원리, 각각의 특징에 대해 알아보았습니다. 

 

E+E의 습도 센서는 정전용량(Polymer Capacitive) 방식으로 장기 안정성과 높은 정확도로 여러 분야에서 많이 사용되어지고 있습니다.

E+E의 습도 센서 라인업이 궁금하시다면 아래 페이지를 확인해 주세요! 

E+E 습도센서를 이용한 습도측정, 상대습도와 다른 습도 값 측정

어떤 습도 센서를 선택할지 고민이시라면 먼저 E+E 센서 전문가와 상담해 보세요! 다양한 센서 설치 경험을 바탕으로 정전 용량식 습도 센서가 설치 환경에 적합한지 아닌지 종합적인 센서 솔루션을 제공해 드립니다. 

 

센서 상담, 데모 요청 및 견적 상담은 

🔗홈페이지 문의 또는 아래로 연락 주시면 바로 회신드리겠습니다.

☎️전화 문의: 031-8065-6230

📤메일 문의: info.kr@epluse.com

참고 문헌: <센서의 이해 Part 1>, <센서 기초공학>