전극이 물에 닿지 않아도 감지할 수 있습니다
연성 인쇄회로(Flexible Printed Circuit, FPC)는 구리 회로를 휘어지는 절연 기재 위에 만든 기판입니다. 빗살형 전극(interdigitated electrode)은 두 도체의 긴 손가락을 서로 맞물리게 놓되 전기적으로는 분리한 구조입니다. 한쪽을 감지 전극, 다른 쪽을 짝 전극으로 사용하면 손가락 사이와 바깥쪽 공간에 전기장이 퍼집니다. 이를 가장자리 전기장(fringe field)이라고 합니다.
긴 전극을 수위가 바뀌는 방향으로 고정하면, 물이 올라갈수록 전극 주변의 공기와 물이 차지하는 범위가 달라집니다. 이때 용기 벽은 제자리에 있어도 두 전극 사이의 정전용량(capacitance)이 달라질 수 있습니다. 정전용량은 같은 전압에서 전하를 얼마나 저장하는지 나타내는 양입니다. 따라서 밀봉 시험관 안의 전극도 바깥쪽 물 높이를 감지할 수 있습니다. 다만 절연 필름과 용기 벽의 재료·두께, 액체의 성질, 전극과 용기 사이 틈에 따라 변화량이 달라집니다. 설치할 때 전극의 높이와 방향을 기록하고, 절연층을 통한 감지를 액체에 금속을 직접 담가 전도도를 재는 방식과 구분합니다.
0.1 mm 간격을 그렸다면 완성된 구리를 확인합니다
전극 도면에 L=40 mm, S=0.1 mm, 1 oz처럼 적혀 있다면, 각각 패턴 길이, 설계 간격, 면적당 구리 무게를 나타냅니다. 1 oz 표기는 보통 제곱피트당 구리 1온스(1 oz/ft²)를 뜻합니다. 특히 0.1 mm 간격은 완성품의 실측값이 아니라 설계 목표입니다. 그 간격으로 제조할 수 있는지부터 제작사와 확인하고, 가장 좁은 곳의 실제 구리 간격(finished copper clearance)과 손가락 가장자리를 확대해 봅니다. 커버레이가 구리를 덮었다면 완성품 표면만 보고 간격을 잴 수 없으므로 노출된 검사 시편이나 제작 중 검사 기록으로 확인합니다. 현미경에서 가장자리가 거칠게 보이거나 가는 구리 찌꺼기가 남았다면 도면의 0.1 mm 표시만으로 간격이 유지됐다고 판단하지 않습니다. 옆 손가락과 전기적으로 이어진 곳이 없는지도 전기 검사로 확인합니다.
전극의 길이와 손가락 수, 간격을 바꾸면 물 높이에 따른 신호뿐 아니라 물탱크가 비어 있을 때의 기본 정전용량도 달라집니다. 한 치수를 바꾼 전극끼리 비교할 때는 같은 용기, 같은 액체와 같은 측정 회로를 사용합니다. S=0.1 mm는 한 설계의 예시이며 모든 FPC 센서의 권장 간격이나 보증 분해능, 즉 구별 가능한 최소 수위 변화량이 아닙니다.
커버레이와 방수 밀봉은 서로 다른 역할을 합니다
커버레이(coverlay)는 FPC의 구리를 덮는 절연 필름입니다. 전극 위에 남아 있다면 액체와 구리의 직접 접촉은 막지만, 그것만으로 센서 전체가 방수됐다고 볼 수는 없습니다. 커버레이 가장자리, 커넥터, 케이블과 용기 마개 사이에는 별도의 물 유입 경로가 남습니다. 반대로 전극을 노출했다면 부식·오염과, 절연되어야 할 두 전극 사이로 흐르는 누설 전류(leakage current)가 측정값을 바꿀 수 있습니다. 커버레이가 열려 구리가 드러나는 개구(opening)를 도면과 완성품에서 대조해, 노출된 부위를 먼저 확인합니다.
전극을 시험관 같은 절연 용기 안에 넣고 물은 그 바깥에 두는 경우, 용기와 마개가 밀봉 경계(sealing boundary)입니다. 케이블이 마개를 통과하는 구멍까지 포함해 밀봉 방법을 정하고, 물에 잠기는 케이블 구간의 피복과 밀봉재가 장기 침수를 견디는지 확인합니다. 동축 케이블(coaxial cable)은 신호용 중심 도체를 차폐 도체가 둘러싼 선입니다. 마개 둘레만 젖지 않았다고 이 케이블의 장기 침수 적합성이 증명되지는 않습니다. RG178이라는 동축 케이블 형식을 쓰는 경우에도 장기 침수 허용 여부는 제품 사양과 실제 설치 조건으로 따로 판단합니다.
연결선과 읽기 회로를 포함해 기준값을 잡습니다
전극에서 읽기 회로로 가는 선도 정전용량을 더합니다. 작은 동축 커넥터(coaxial connector)와 케이블을 쓰더라도 전극 쪽과 회로 쪽 커넥터 형식이 서로 맞는지, 케이블을 움직였을 때 물탱크가 빈 상태의 기준값이 얼마나 변하는지 확인합니다. 전극 쪽 단자에 SE, WE 같은 표기가 있으면 약어만으로 연결을 추측하지 말고, 회로도와 도통 검사로 각각 어느 전극에 이어지는지 확인합니다. 케이블의 차폐 도체(shield conductor)를 어느 기준에 연결할지는 사용한 정전용량 측정 칩의 입력 방식에 맞춥니다. 차폐 도체를 임의로 바꾸면 케이블과 주변 구조가 더하는 기생 정전용량(parasitic capacitance)이나 누설 경로가 달라질 수 있습니다.
정전용량을 디지털 값으로 바꾸는 정전용량-디지털 변환기(capacitance-to-digital converter, CDC)를 쓴다면, 두 전극이 서로 절연되고 각각 올바른 입력에 연결됐는지 도통 검사를 한 뒤 전극과 연결선의 정전용량이 칩의 입력 범위 안에 있는지 확인합니다. 먼저 물탱크를 비운 상태의 값을 기록하고, 수위를 알고 있는 몇 지점에서 채우고 비우기를 반복합니다. 그다음 온도와 케이블 위치를 바꾸어 다시 측정하고, 마지막으로 마개를 밀봉한 조립 상태에서 같은 시험을 되풀이합니다. 별도 기준 채널(reference channel)을 두면 공통 환경 변화를 비교할 수 있지만, 기준 전극이 감지 전극과 다른 온도·습도 조건에 놓이면 두 값을 비교해도 환경 영향이 남습니다.
측정값이 흔들릴 때는 전극 간 단락, 커버레이 개구, 용기와 전극 사이 들뜸, 케이블 움직임, 마개와 케이블 통과부의 수분을 차례로 분리해 봅니다. 전극 형상과 물탱크가 빈 상태의 기준값이 안정적인데 수위 변화에 따른 값의 차이만 작다면 실제 용기 벽과 절연층을 포함한 감도를 다시 평가합니다. 한 용기에서 얻은 보정값이나 방수 결과를 다른 액체·케이블·용기에 그대로 옮기지 않습니다.