December 4, 2022

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『내가 바로 초보자다!! – 서미스터 온도센서편』

안녕하세요..^^ 『내가 바로 초보다!!』를 쓰고 있는 저자 유광원입니다. 이번 주제는 센서편에서 다뤄지지는 않았지만 온도센서 중에 유명한 서미스터에 대해 알아볼려고 합니다. 전문적인 지식은 아니지만.. 저도 공부하는 입장에서..ㅎ 열심히 찾아보아서 정리하였으니.. 이쁘게 봐주세요~~^^

1. 서미스터란 무엇인가?

<<출처 : http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=kmjunja&logNo=80178515233>>
저항기의 일종으로, 온도에 따라 물질의 저항이 변화하는 성질을 이용한 전기적 장치입니다. 열가변저항기라도고 하며, 주로 회로의 전류가 일정 이상으로 오르는 것을 방지하거나, 회로의 온도를 감지하는 센서로써 이용되고 있습니다.
서미스터는 주로 폴리머세라믹 소재로 제작되며, 섭씨 영하 90도에서 130도 사이에 높은 정확도로 온도를 측정할 수 있고, 이러한 점에서 순수한 금속을 사용하여 고운의 온도를 측정하는 저항 온도계와는 차이를 보입니다.
또한 미세한 온도 변화에 의해서 저항의 변화가 크게 일어나도록 제작됩니다. 따라서 미세한 온도의 측정을 수반하는 체온계나 온도계, 습도계, 기압계, 풍속계 등에 활용되고, *PolySwitch와 같은 *PTC는 과전류를 차단하는 재사용가능한 퓨즈용도로 사용되며,  *NTC는 장비의 전원투입 시 돌입전류를 제한하는 용도로도 사용됩니다.

여기서 잠깐!!

PolySwitch 란? : 퓨즈대용으로 사용하는 반도체의 일종으로 낮은 온도에서는 저항값이 매우 낮아 그냥 쇼트상태와 비슷하게 동작이 되지만, 과전류가 흐르면 자체 발열에 의해 온도가 상승하고, 그에 따라 순간적으로 저항이 증가하면서 전류를 차단하는 스위치입니다! 퓨즈와 다른 점은 퓨즈는 1회용이지만 폴리스위치는 전류가 정상상태로 돌아가면 다시 복귀하므로 반영구적으로 사용할 수 있다는 점입니다.
PTC 와 NTC 란? : 이 내용은 서미스터 종류에서 말씀드리겠습니다.

2. 서미스터의 장단점

<< 출처 : http://cafe.naver.com/datacar/818 >>
어느 제품이던지 마찬가지로 서미스터에도 장단점이 존재 합니다. 그럼 서미스터의 장단점을 알아보겠습니다.

 장점  * 고감도(온도에 따른 저항변화가 크다)
 * 반도체 소자이므로 대량생산이 가능하다.
 * 소형이며 응답속도가 빠르다.
 * 외란의 영향이 적으며, 정밀 측정이 가능하다.
단점   * 측정가능한 온도범위가 좁다.
 * 각 소자마다 특성의 변화폭이 크다.
 * 비직선적인 출력을 나타내므로, 부가적인 회로가 필요하다.
 * 호환성이 나쁘다.

3. 서미스터의 종류

<<출처 : http://cafe.naver.com/datacar/818>>

NTC

NTC 서미스터는 Mn(망간), Ni(니켈), Fe(철) 등을 이용한 천이 *금속산화물(MnO,NiO,Fe2O3) 분말을 주성분으로 하여 1200[℃] 이상의 고온에서 소결하여 *스피넬(spinel) 구조와 흡사한 결정 구조를 갖고 있습니다.
이러한 NTC는 구리 또는 알리마나(Alumina)등을 첨가하여, 재료의 조성비를 변화시키는 것에 의해 측정 가능한 온도 범위를 조절할 수 있으며, 또한, 서미스터가 고온에서 소결된 반도체 세라믹이므로 측온 저항체와 같이 공기와의 접촉에서 산소의 영향을 받지 않으므로 장시간에 걸쳐 안정적인 동작을 할 수 있습니다..

NTC 서미스터는 다양한 종류가 있으며, 일반적으로 다음 아래와 그림과 같이 비드형, 디스크형, 칩형으로 분류됩니다.

NTC 서미스터

비드형(Bead Type) 서미스터 : 표면을 유리로 코팅하여 안정성과 신뢰성이 매우 높으며, 소형이므로 열용량이 작아 응답속도가 빠릅니다. 또한 구조적으로 기밀성이 높으므로 고온에서 사용할 수 있고, 정밀 계측이 가능하지만. 제작상의 문제로 가격이 비싸다는 단점이 있습니다.
디스크형(Disc Type) 서미스터 : 현재 가장 널리 사용하고 있는 서미스터로서, 기밀성이 우수하지 않으므로 정밀한 온도측정이나 액체의 온도측정과 같은 특수한 환경에서의 사용은 적합하지 않습니다. 그러나 가격이 저렴하여 에어콘 등에서 주로 사용되고 있습니다.
칩형(Chip Type) 서미스터 : 대량생산에 적합한 구조로서 가격이 저럼하며, 디스크형보다 응답속도가 빠릅니다. 또한 디스크형에 비해 우수한 안정도를 나타내며, 150[℃]정도까지 온도계측이 가능하고, 소형 제작이 가능하므로 전자체온계 등에서 사용되고 있습니다.

여기서 잠깐!!

* 금속산화물이란? : 금속 원소와 산소 원소로만 이루어진 화합물, 산화알루미늄, 산화철, 산화구리 등이 있다.

* 스니펠 구조란? : 산화물 따위에서 볼 수 있는 결정 구조의 하나! 등축 정계에 속하며 자성이나 전기 전도성 따위의 특수한 성질이 있는 것이 많다.

PTC

PTC 서미스터*티탄산 바륨(BaTiO3)에 미량의 *회토류 원소 (Y,La,Dy 등)를 첨가시켜 도전성을 갖게 한 n형 반도체입니다. 이것은 BaTiO3가 큐리점에서 도전성이 크게 변화하는 성질을 이용한 정(正)특성을 갖는 서미스터로써 포지스터(Positor)라고도 부르며, 포지스터는 설정 온도 부근에서 급격하게 저항이 변화하므로, 좁은 온도 영역에서 온도스위치, 서지전류 방지 등과 같은 각종 전기회로의 보호용으로 폭넓게 사용되고 있습니다. 또 다른 종류로, 다량의 불순물로 도핑한 불순물로 도핑한 실리콘 PTC인 실리스터(Silistor)가 있으며, 온도 변화에 따라 저항의 변화가 거의 직선적으로 나타납니다. 그러나, 일반적으로 PTC라 하면 포지스터를 말합니다. 그럼 포지스터의 특징에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. 어떠한 *임계전압 이상에서, 증가하는 전압에 반비례하여 전류가 감소하는 전류제한 작용으로 인해 동작이 유지될 수 있는 범위 내에서는 소자에 인가되는 전력과 소비되는 전력이 동일하게 되는 열평형 상태를 유지한다.
2. PTC 서미스터에 일정 전류 이상의 과전류를 흐르게 하면, 서미스터 자체의 발열현상이 발생하게 되며, 이에 따라 전기저항이 증가하게 되고, 증가된 저항에 의해 전류가 감소한다.

이러한 PTC 서미스터의  특징을 이용하여 전기모기향, 가습기 등에서 사용되고 있습니다.

여기서 잠깐!!

* 티탄산 바륨이란 ? : 강유전체 물질로서, 비유전율이 매우 크지만 온도와 주파수의 영향이 크기 때문에 커패시터에는 그다지 사용되지 사용되지 않는다. 오히려 압전효과가 큰 점을 이용하여 음향 전기변환 소자로 많이 사용된다.
* 회토류 원소란? : 스카듐(Sc, 원자 번호21), 이트륨(Yt, 원자 번호 39), 이테르 븀(Yb, 원자 번호 70), 악티나이드 원소(원자 번호 89~103)의 일군의 원소의 총칭, 어느 것이나 지구상에 미량밖에 존재하지 않으므로 값이 비싸다.

CTR

CTR 서미스터는 V2O5, B2O3와 같은 산화물에 Ba(바륨), Sr(스트론튬), P(인)에 의한 산화물을 미량 첨가하여 소격하는 과장으로부터 제작됩니다. CTR은 NTC와 같이 부의 온도 특성을 보이며, 또한 PTC와 같이 어떠한 특정 온도 부근에서 그 저항값이 급격하게 변화합니다. 즉, 특정 온도 이하에서는 절연성 온도를 보이고, 그 이상에서는 금속 전도를 나타내게 되는 것입니다.
이러한 특징을 이용하여 특정 온도에서 스위칭 동작을 하도록 사용할 수 있으며, CTR의 온도설정은 첨가되는 불순물 산화물에 의해 결정할 수 있고, 실용화되어 있는 온도 범위는 50~80[℃] 정도입니다. 또한, 적용되는 분야로는 조리기구의 렌지류, 가스 취반기, 전자조리기, 커피 메이커, 토스트기, 전기 밭솥 등이 있으며, 히터, 에어컨, 급탕기, 냉장고, 다리미, 시계, TV, 세탁기, 복사기 등등 많은 제품을 통해 사용되고 있습니다. 

4. 서미스터의 기본적인 특성

<<출처 : http://www.micombox.com/index.php?document_srl=26721&mid=ee_electronics>>
서미스터는 3가지의 기본적인 특성을 띄고 있습니다. (1) 저항-온도의 특성, (2) 전류-전압의 특성, (3) 전류-시간의 특성이 이 3가지입니다. 그럼 3가지의 특성에 대해 알아보도록 하겠습니다. ( 이 부분은 초보자 입장에서는 상당히 어렵습니다만.. 중요한 내용이기에 넣었습니다. )

전류-전압의 특성

서미스터는 주위 온도의 변화에 대해서 저항치의 변화가 음으로 극히 크고, 그 저항-온도 특성은 반도체 물성론에서 다음식으로 나타낼 수 있습니다.
tec-img16

R : 절대온도 T(K)에서의 저항값 / R0 : 절대온도 T0(K)에서의 저항값
β : 서미스터의 B점수 / T To : 절대온도 ((K=℃_237.15)

여기에서, R 및 Ro는 각각 온도 T 및 To[K]일 때의 저항치를 나타내고, To는 일반적으로 298.15k(℃)를 기준으로 하는 때가 많습니다. 식(1)에서 알 수 있는지 InR과 1/T은, 직선관계를 갖고 직선의 구배가 B정수에 상당하며 B의 값은 다음식으로 나타낼 수 있습니다.

tec-img17

여기서 R1, R2는 각각 온도 T1, T2에서 측정한 저항치를 나타냅니다.
그러나, 실제로 사용하는 반도체 재료에 대해서 저항치와 온도의 관계를 실측하면 엄밀히 직선이 되지는 않습니다. 따라서 정밀한 온도 특성이 필요한 경우에는, 저항-온도의 특성으로 다음식과 같이 나타내는 것이 적당합니다.

tec-img18

여기에서 A, C 및 D는 재료조성에 의존하는 정수로 그 중에서 C는 양의 값 또는 음의 값을 나타냅니다. 또 서미스터의 온도계수a는 다음식에 의해서 정의 됩니다.

tec-img19

따라서 온도계수 곡선 a는 제곱 곡선이어서, T에 의해서 크게 변하여 저온이나 고온이 될 수록 a가 커지게 됩니다.

전류-전압의 특성

임의의 규정온도에서 서미스터의 전류-전압사이 관계로 매우 적은 전류 범위에서는 서미스터의 자기발열이 작아서 전압이 전류에 비례하여 옴의 법칙을 따라서 직선으로 나타냅니다. 그러나 전류가 증가하게 되면 서미스터의 자기발열 현상이 발생하여 서미스터의 온도를 상승시키고, 결국 서미스터의 저항이 감소하게 됩니다. 이러한 이유로 특정전류에서의 전압이 최대값을 갖고 즉, dE/dI가 계속적으로 감소하게 되는 것을 말합니다.

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전류-시간의 특성

저항의 감소는 서미스터가 자기발열 될 정도의 충분한 전류가 가해져도 즉시에 감소되지 않으며, 또 서미스터가 등가회로상에서 여기(EXCIT)될 때 평형 작동상태에 도달하기 전에 반드시 Time Delay가 발생하게 됩니다. 이러한 특성을 전류-시간의 특성이라 하며, 서미스터의 열발산, 열용량과 회로 구성에 의존하게 됩니다.

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1,2,3번까지는 어떻게 알겠는데..ㅎㅎ 4번은.. 무리무리.. 공부를 해야 이해가 될 것 같습니다. 그렇지만 엔티렉스를 오시는 공학관련 분들은 거의 다 아시겠죠??ㅎ 그럼 이상 『내가 바로 초보다!! – 서미스터 온도센서편』을 마치도록 하겠습니다!! 감사합니다..^^

서미스터 사러가기

내가 바로 초보자다!! 시리즈 보기⊙▼⊙v

1탄 저항편 2탄 다이오드편 3탄 커패시터편 4탄 센서편

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