안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.
이번 글에서는 써미스터(Thermistor)에 대해 알아보겠습니다.
온도를 측정할 수 있는 센서 중 하나인 써미스터(Thermistor)는 앞서 포스팅한 RTD, Thermocouple과 함께 다방면으로 사용되고 있습니다. 온도 측정 범위가 다소 좁고, 온도변화시 출력이 비선형으로 나옵니다. 하지만 빠른 응답성과 저렴한 가격, 그리고 출력이 정밀하며 크기가 매우 작다는 장점이 있습니다.
그럼, 이번 포스팅에서는 Thermistor의 역사와 기본적인 원리, 구조, 종류 및 응용에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
Thermistor의 역사
Thermistor는 온도변화에 따른 반도체의 저항변화를 이용한 센서로, RTD와 비슷합니다.
(Thermistor는 Thermally Sensitive Resistor의 합성어 입니다.)
다만, 반도체 제조기술의 한계로 인해 T/C, RTD에 비해 상용화 되기까지 가장 오랜 기간이 걸렸습니다.
Thermistor를 가장 처음 발견한 사람은 Michael Faraday(그 패러데이 맞습니다.)로, 1833년 황화은(Ag2S)의 특성에 대한 보고서를 발표 했습니다. 이것이 바로 최초로 기록된 Thermistor입니다.
페러데이는 연구를 통해 황화은(Ag2S)은 온도가 증가함에 따라, 저항이 감소한다는 것을 발견 했습니다.
Thermistor는 1930년 Samuel Ruben이 최초의 상업용 서미스터를 발명할 때 까지 기술적 제약으로 인해 사용되지 못했습니다.
이후 1940년 초, Bell Laboratories가 본격적인 양산공정을 도입하여 상업용 온도센서로써 활발하게 적용되기 시작 했습니다.
Thermistor의 구조
Thermistor는 내부에 Ceramic Disc(Thermistor 소자)가 있고, 양면을 은으로 코팅하여 전극을 연결 하였습니다.
이후 겉 표면을 Epoxy 등으로 코팅하여 제조합니다. (Bead Type)
혹은 Thermistor 소자를 금속 보호관에 넣어 Probe Type으로 재조하거나, 소자가 소형이라는 특성을 활용하여 Ring-Terminal 등의 모양으로 가공하기도 합니다.
또는, 일부 Thermistor의 저항 특성을 활용하여, 여러개를 연결하여 히터로 사용하기도 합니다.
Thermistor의 종류
Thermistor는 크게 두가지 종류로 나눌 수 있으며, 용도에 따라 특이한 제품군도 있습니다.
NTC Thermistor : 온도가 상승하면 저항이 감소하는 제품입니다. 일반적으로 온도센서로 사용되거나, 회로의 돌입전류 제한기로 활용할 수 있습니다.
일반적으로 크롬, 망간, 코발트, 철 및 니켈 등의 금속들의 산화물로 제조됩니다. (Cr2O3, MnO, CoO, 산화철, NiO, Ni2O3 등)
NASA Sapce Qualified NTC Thermistor : NASA는 우주에서 사용하기 위해 Gas방출이 적은 제품을 사용해야 합니다.
Satellite에는 일반적으로 공간의 제약으로 인해 Bead Type의 NTC를 활용합니다. 이 때, NTC의 Epoxy Coating은 우주공간의 진공압력 조건으로 인해 Out Gassing이 발생하게 되는데, 이 가스배출은 주변 다른 모든 기판에 영향을 끼치게 됩니다.
따라서, NASA에서는 지정된 Out Gassing 조건을 통과한 제품들을 선별하여 Satellite용으로 인증된 제품들을 별도로 관리합니다.
PTC Thermistor : 온도가 상승하면 저항도 같이 상승하는 제품입니다. 일반적으로 특정 구간에서 저항이 급격하게 상승하는 온도-저항 특성을 가집니다.
이러한 저항특성으로 인해, 회로의 과전류 방지용 퓨즈로 사용되거나, 히터로 사용됩니다.
일반적으로 바륨, 스트론튬, 티탄산납 등으로 제조됩니다. (Ba, Sr, PbTiO3, etc)
PTC Silistor(Thermally Sensitive Silicon Resistor) : Silistor는 반도체 구성 요소로 실리콘을 사용합니다. Ceramic PTC Thermistor와 달리, Silistor는 저항-온도 특성이 거의 선형입니다. 그리고, Drift또한 훨씬 작습니다. 따라서, PTC Silistor는 정밀한 온도센서로 활용됩니다.
Thermistor 결선
Thermistor는 저항소자 이므로, 극성이 따로 없습니다.
항상 2가닥의 전선이 나와 있으며, 이 2가닥 사이의 저항을 측정하면 됩니다.
Thermistor 응용
Thermistor 온도센서는 아래와 같은 형태로 가공되며, 각각 모양에 맞는 Application에 적용됩니다.
Bead Type Thermistor : 거의 모든 Thermistor는 Bead Type으로 제조되며, 대표적인 Thermistor의 형상입니다.
Probe Type Thermistor : Thermistor를 금속성 보호관 내부에 삽입하여 제조하며, RTD, Thermocouple Probe에 비해 상당히 저렴합니다.
다만, Probe Type임에도 불구하고, RTD/Thermocouple에 비해 매우낮은 온도 범위를 가지고 있습니다. (~ 200 degC 정도)
Therminal Type Thermistor : Thermistor Bead를 Ring-Terminal 등에 물린 형상으로, 표면온도 등을 측정하기 위해 제작된 제품입니다.
Thermistor Temperature-Resistor Table
Thermistor는 그 제조사마다 온도-저항 테이블이 모두 다릅니다.
따라서, 사용하고자 하시는 제품의 제조사에서 제공하는 온도-저항 테이블을 참고하셔야 됩니다.
또는, Thermistor의 Beta값을 알고 있다면, 아래 계산식으로 온도 테이블을 제조할 수 있습니다.
예를들어, Beta값이 3455인 Thermistor의 25 degC 저항이 10K라고 한다면, 100 degC에서의 저항은 아래와 같이 계산할 수 있습니다.
(T1, T2는 Kelvin 온도입니다. 0 K = -273.15 degC)
(R1, R2는 각각 T1, T2 온도에서의 저항입니다.)
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