서미스터
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1. 개요
서미스터는 온도 변화에 따라 저항이 변하는 반도체 소자이다. 저항의 온도 계수에 따라 온도가 증가하면 저항이 증가하는 정특성 서미스터(PTC)와 온도가 증가하면 저항이 감소하는 부특성 서미스터(NTC)로 구분된다. NTC 서미스터는 온도 센서, 돌입 전류 제한 등에 사용되며, PTC 서미스터는 재설정 가능한 퓨즈, 전류 제한 소자, 히터 등에 활용된다. 서미스터는 금속 산화물을 사용하여 제작되며, 온도계, 습도계, 기압계 등 다양한 측정 장비에 응용된다. 최초의 NTC 서미스터는 1833년 마이클 패러데이에 의해 발견되었고, 1930년 사무엘 루벤이 상업적으로 사용 가능한 서미스터를 발명했다.
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서미스터 | |
---|---|
기본 정보 | |
![]() | |
유형 | 수동 소자 |
작동 원리 | 전기 저항 |
명칭 | |
영어 | thermistor |
일본어 | サーミスタ |
한국어 | 서미스터 |
추가 정보 | |
온도 범위 | -100 ~ 300 °C |
기호 | |
![]() |
2. 종류
서미스터는 사용되는 재료와 온도 변화에 따른 저항값 변화 특성에 따라 크게 세 가지 유형으로 분류할 수 있다.
- NTC (Negative Temperature Coefficient, 부특성) 서미스터는 온도가 올라가면 저항이 내려간다. 이는 열적 요동으로 인해 전자가 원자가띠에서 전도띠로 이동하기 때문이다. NTC 서미스터는 주로 온도 센서나 회로와 직렬로 연결하여 돌입 전류 제한기로 사용된다.[3]
- PTC (Positive Temperature Coefficient, 정특성) 서미스터는 온도가 올라가면 저항도 올라간다. 이는 불순물과 결함의 열적 격자 요동이 증가하기 때문이다. PTC 서미스터는 보통 회로와 직렬로 연결하여 재설정 가능한 퓨즈로 사용되어 과전류 상태를 막는다.[3]
- CTR (Critical Temperature Resistor, 임계 온도 저항기) 서미스터는 특정 온도를 넘으면 저항이 급격히 감소한다. 바나듐 산화물에 첨가물을 넣어 소결한 재료를 사용한다.
서미스터는 저항 온도 검출기(RTD)와는 다르다. 서미스터는 세라믹이나 폴리머를 사용하는 반면, RTD는 순수 금속을 사용한다. 온도 반응도 다른데, RTD는 더 넓은 온도 범위에서 사용 가능하지만, 서미스터는 보통 −90°C~130°C의 제한된 온도 범위에서 더 높은 정밀도를 보인다.[5]
2. 1. NTC (Negative Temperature Coefficient, 부특성) 서미스터
NTC(Negative Temperature Coefficient, 부특성) 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항이 감소하는 특성을 가지고 있다.[3] 이러한 현상은 일반적으로 열적 요동에 의해 전자가 원자가띠에서 전도띠로 이동하기 때문에 발생한다.[3]NTC 서미스터는 니켈, 망간, 코발트, 철 등의 산화물을 소결한 반도체 재료로 만들어진다.[3] 온도가 상승하면 전자가 전도대로 이동하여 활성 전하 운반자의 수가 증가하고, 이에 따라 더 많은 전류를 전도할 수 있게 된다.[14]
주로 온도 센서나 회로와 직렬로 연결되어 돌입 전류를 제한하는 용도로 사용된다.[3] 최근 기술 발전을 통해 NTC 서미스터는 0°C~70°C에서 ±0.1 °C 또는 ±0.2 °C의 정확도를 달성하고, 우수한 장기 안정성을 제공한다.[4]
축 방향 리드 유리 캡슐형, 유리 코팅 칩, 에폭시 코팅 및 표면 실장형, 박막형 등 다양한 형태로 제공되며,[4] 일반적인 작동 온도 범위는 −55°C~+150°C이고, 일부 유리 바디 서미스터는 최대 +300°C까지 작동한다.
IEC 표준 기호에서 NTC 서미스터는 직사각형 아래에 "−t°"를 포함한다.[16] NTC 서미스터는 온도 감지 센서 외에도 전원 회로의 돌입 전류 감소용으로도 사용된다.
2. 2. PTC (Positive Temperature Coefficient, 정특성) 서미스터
k>0 인 경우, 온도가 증가함에 따라 저항이 증가하는 서미스터를 정특성 서미스터(PTC, Positive Temperature Coefficient thermistor)라고 한다. 일반적으로 불순물과 결함의 열적 격자 요동이 증가하기 때문이다.[3] PTC 서미스터는 회로와 직렬로 연결하여 과전류 상태를 방지하는 재설정 가능 퓨즈로 활용된다.[3]PTC 서미스터는 크게 바륨 티타네이트를 포함한 세라믹 PTC와 실리콘을 이용한 실리스터, 폴리머 PTC로 나뉜다. 바륨 티타네이트 기반 세라믹 PTC는 퀴리 온도 이하에서는 낮은 저항을 가지며, 퀴리 온도 이상에서는 저항이 급격하게 증가한다. 실리스터는 거의 선형적인 저항-온도 특성을 가지며, NTC 서미스터보다 안정적이다.[17][18] 폴리머 PTC는 플라스틱에 탄소 입자가 포함된 구조로, 온도가 올라가면 플라스틱이 팽창하여 저항이 증가한다.
바륨 티타네이트 서미스터는 자체 제어 히터로 사용될 수 있다. 주어진 전압에서 세라믹은 특정 온도까지 가열되지만, 전력은 열 손실에 따라 달라진다. PTC 서미스터의 전류 제한 효과는 퓨즈를 대체할 수 있으며, CRT 모니터와 텔레비전의 탈자 회로에 사용되어 전류를 부드럽게 감소시킨다.

PTC 서미스터는 특정 온도를 넘으면 온도 상승에 따라 저항이 급격하게 증가한다. 전류를 흘리면 자체 발열로 저항이 증가하여 전류를 제한하는 소자로 사용되며, 퓨즈를 대체하는 회로 보호 소자로도 사용된다. 또한, 자체 온도 제어 기능으로 히터에 사용하면 써모스탯 없이 가열을 방지하고 절전 효과를 얻을 수 있다. IEC 표준 기호는 PTC 서미스터에 직사각형 아래에 "+t°"를 포함한다.[20]
2. 2. 1. 세라믹 PTC
바륨 티타네이트에 첨가물을 첨가한 세라믹스를 사용한다. 바륨 티타네이트의 퀴리 온도 부근에서 전기 저항이 급격히 증가하는 성질을 이용한다.2. 2. 2. 폴리머 PTC
낮은 융점의 폴리머에 카본블랙, 니켈 등의 도전성 입자를 분산시킨 것이다. 폴리머가 용융됨에 따라 도전성 분말의 접촉이 끊어져 전기 저항이 증가한다. 폴리에틸렌과 같은 결정성 폴리머에 카본블랙 등의 도전성 입자를 균일하게 분산시킴으로써 양호한 PTC 특성을 얻을 수 있다. 폴리스위치로서 전기제품의 보호회로나 리튬이온전지 등의 보호 소자로 사용된다. 또한, 전기카펫 등에서 과열을 방지하고 온도를 일정하게 유지하는 목적으로도 사용된다.2. 3. CTR (Critical Temperature Resistor, 임계 온도 저항기) 서미스터
CTR(임계 온도 저항기) 서미스터는 PTC 서미스터와 반대로, 특정 온도를 넘으면 저항이 급격히 감소하는 서미스터이다. 바나듐 산화물에 첨가물을 넣어 소결한 재료를 사용한다.3. 원리
서미스터의 저항이 온도 변화에 따라 선형으로 변한다고 가정하면, 저항과 온도의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
:
여기서,
- : 저항의 변화량
- : 온도의 변화량
- : 1차 저항온도계수
값의 부호에 따라 서미스터는 두 종류로 나뉜다. 가 양수이면 온도가 증가할 때 저항도 증가하며, 이를 양의 온도 계수(PTC) 서미스터, 또는 포지스터라고 부른다. 반대로 가 음수이면 온도가 증가할 때 저항은 감소하며, 이를 음의 온도 계수(NTC) 서미스터라고 한다. 서미스터가 아닌 일반적인 저항기는 온도에 따른 저항 변화가 거의 없도록 값을 0에 가깝게 만든다.[6]
3. 1. 전기 전도 메커니즘
NTC 서미스터는 주로 소결된 금속 산화물과 같은 반도체 재료로 만들어진다. 반도체 온도가 상승하면 전도대(conduction band)로 전자가 이동하여 활성 전하 운반자 수가 증가한다. 전하 운반자가 많을수록 재료의 전류 전도도가 높아진다. 산화티탄(Ti)이 도핑된 산화철(Fe₂O₃)은 ''n형'' 반도체로 전자가 전하 운반자이고, 리튬(Li)이 도핑된 산화니켈(NiO)은 ''p형'' 반도체로 정공이 전하 운반자이다.[14]
전류 ()는 다음 공식으로 설명된다.
:
- = 전류 (암페어)
- = 전하 운반자 밀도 (개/m3)
- = 재료의 단면적 (m2)
- = 전자의 표류 속도 (m/s)
- = 전자의 전하 ( 쿨롱)
큰 온도 변화에는 보정이 필요하지만, 작은 온도 변화에서는 재료 저항이 온도에 선형적으로 비례한다. 다양한 반도체 서미스터가 약 0.01 켈빈에서 2,000 켈빈(-273.14 °C ~ 1,700 °C) 범위를 갖는다.[15]
PTC 서미스터는 대부분 도핑된 다결정 세라믹(바륨 티타네이트(BaTiO3) 등)으로 만들어지며, 특정 온도에서 저항이 급격히 상승한다. 바륨 티타네이트는 강유전체로, 유전율이 온도에 따라 변한다. 퀴리 온도 이하에서는 높은 유전율로 저항이 낮고, 퀴리 온도에서는 유전율 감소로 저항이 급증한다. 더 높은 온도에서는 NTC 거동으로 되돌아간다.
실리스터는 실리콘을 사용하며, 세라믹 PTC 서미스터와 달리 거의 선형적인 저항-온도 특성을 갖는다.[17] 실리콘 PTC 서미스터는 NTC 서미스터보다 드리프트가 훨씬 작다.[18]
바륨 티타네이트 서미스터는 자체 제어 히터로 사용될 수 있다. PTC 서미스터는 CRT 모니터와 텔레비전의 탈자 회로 등에 응용된다. 폴리머 PTC는 플라스틱에 탄소 입자를 포함하며, 가열 시 플라스틱 팽창으로 저항이 증가한다. PTC 서미스터는 고온/고저항 상태로 "래치"되는 특성이 있다.
3. 1. 1. NTC 서미스터의 특성
NTC 서미스터는 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하는 특성을 가진다. 이러한 특성은 온도 저항 계수 ()로 표현되는데, 다음 식으로 정의된다.[6]:
넓은 온도 범위에서 NTC 서미스터의 특성을 더 정확하게 나타내기 위해 슈타인하르트-하트 방정식이 사용된다. 이 방정식은 3차 근사식으로, 다음과 같다.
:
여기서 ''a'', ''b'', ''c''는 슈타인하르트-하트 매개변수이며, 각 서미스터마다 다른 값을 가진다. ''T''는 절대 온도, ''R''은 저항을 나타낸다. 이 방정식은 옴 또는 kΩ 단위로 표현된 저항에 대해 좋은 결과를 제공한다.[11]
슈타인하르트-하트 방정식의 오차는 200°C 범위에서 0.02°C 미만이다.[12] 예를 들어, 실온(25°C = 298.15 K)에서 3 kΩ의 저항을 갖는 서미스터의 경우, 일반적인 매개변수 값은 다음과 같다.
:
NTC 서미스터는 B(또는 β) 매개변수 방정식으로도 표현할 수 있다. 이는 슈타인하르트-하트 방정식에서 a = 1/T₀ - (1/B) ln R₀, b = 1/B, c = 0을 대입한 형태이다.
:
여기서 온도와 B 매개변수는 켈빈 단위이고, R₀는 온도 T₀(25°C = 298.15 K)에서 서미스터의 저항이다.[13] 이 식을 저항 ''R''에 대해 풀면 다음과 같다.
:
이 식은 다음과 같이 표현할 수도 있다.
:
여기서 이다.
B 매개변수 방정식은 로도 쓸 수 있으며, 이는 서미스터의 저항 대 온도 함수를 대 의 선형 함수로 변환하는 데 사용된다.
온도 ''T''0[K]일 때 저항을 ''R''0라고 하면, 온도 ''T''[K]일 때 저항 ''R''은 다음 식으로 나타낼 수 있다.[32]
:
''B''는 서미스터의 B 상수라고 하며, 각 서미스터마다 고유한 값을 가진다.
3. 1. 2. 스타인하르트-하트 방정식 (Steinhart–Hart equation)
NTC 서미스터의 온도-저항 특성을 더 정밀하게 근사하는 식으로, 스타인하르트-하트 방정식[33]이 있다. 이 방정식은 널리 사용되는 3차 근사식이다.:
여기서 ''a'', ''b'', ''c''는 스타인하르트-하트 매개변수라고 하며, 각 서미스터마다 지정해야 한다. ''T''는 절대 온도이고, ''R''은 저항이다. R의 단위를 변경하면 항을 포함하는 다른 형태의 방정식이 생성되므로 이 방정식은 차원적으로 정확하지 않다.
온도의 함수로 저항을 나타내려면, 에 대한 위의 3차 방정식을 풀면 실근은 다음과 같이 주어진다.
:
여기서
:
스타인하르트-하트 방정식의 오차는 일반적으로 200°C 범위의 온도 측정에서 0.02°C 미만이다.[12] 예를 들어, 실온(25°C = 298.15 K, R은 Ω 단위)에서 저항이 3 kΩ인 서미스터의 일반적인 값은 다음과 같다.
:
4. 구조 및 재료
서미스터는 주로 금속 산화물을 사용하여 제작된다.[7] 일반적으로 구슬, 원반 또는 원통형으로 성형한 다음 에폭시 수지나 유리와 같은 불침투성 재료로 캡슐화한다.[8]
NTC 서미스터는 크로뮴(CrO, Cr2O3), 망가니즈(MnO), 코발트(CoO), 철(산화철) , 니켈(NiO, Ni2O3)과 같은 철족 원소 금속의 산화물로 제조된다.[9][10] 이 산화물들은 은, 니켈, 주석과 같은 전도성 금속으로 구성된 단자를 가진 세라믹 본체를 형성한다.
PTC 서미스터는 주로 바륨(Ba), 스트론튬 또는 티탄산납(PbTiO3)으로 제조된다.[9][10]
5. 응용
서미스터는 미세한 온도 변화에도 저항 변화가 크게 일어나도록 제작된다.[34] 따라서 체온계, 온도계, 습도계, 기압계, 풍속계 등 미세한 온도를 측정하는 기기에 활용된다. 폴리스위치와 같은 PPTC는 과전류를 차단하는 재사용 가능한 퓨즈로, NTC는 장비 전원 투입 시 돌입 전류를 제한하는 용도로 사용된다.
서미스터에 전류가 흐르면 열이 발생하여 온도가 주변보다 높아진다. 이를 주변 온도 측정에 사용하면, 보정하지 않을 경우 오차가 발생할 수 있다. 반대로 이 효과를 이용하여 글라이더의 상승률 계기인 전자식 바리오미터나 릴레이 타이머를 만들 수 있다.
서미스터의 소산 상수는 서미스터와 주변 환경의 열적 연결을 나타내는 척도이다. 이 값을 통해 유체의 유량을 측정할 수 있어, 유량 센서로도 활용 가능하다.
일반적으로 서미스터에서 소산되는 전력은 자체 발열로 인한 온도 측정 오차가 무시할 만큼 낮게 유지된다. 그러나 액체 레벨 감지, 액체 유량 측정, 기류 측정 등[6]과 같이 의도적으로 상당한 자체 발열을 이용하는 경우도 있다.
5. 1. NTC 서미스터 응용
NTC 서미스터는 체온계, 온도계, 3D 프린터 핫엔드, 가전제품 등에서 미세한 온도 변화를 감지하는 온도 센서로 활용된다.[34] 또한, 전원 공급 장치나 자동차 엔진 등에 초기 전원 투입 시 발생하는 돌입 전류를 제한하는 용도로도 사용된다.[24]NTC 서미스터의 주요 응용 분야는 다음과 같다:
- 온도 측정:
- 체온계, 디지털 온도계[34]
- 3D 프린터 핫엔드[34]
- 가전 제품 (토스터, 커피 메이커, 냉장고, 냉동고, 헤어드라이어 등)[34]
- 자동차 엔진 냉각수, 실내/외 공기, 엔진 오일 온도 측정[24]
- 배양기 온도 모니터링[24]
- 식품 저장 시스템 및 식품 준비 과정[34]
- 돌입 전류 제한:
- 전원 공급 장치[24]
- 기타:
- 식품 산업: 식품의 보관, 준비 과정[34]
- XGPU2 범주 UL 인증 NTC 서미스터[28]
- 서미스터 프로브 어셈블리[27]
5. 2. PTC 서미스터 응용
PTC 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항이 증가하는 특성을 활용하여 다양한 분야에 응용된다.- 과전류 보호: 폴리스위치 등의 브랜드명으로 판매되는 폴리머 PTC 서미스터는 전류 제한 소자로 사용되어 퓨즈를 대체한다. 소자를 통과하는 전류가 커지면 자체 발열로 인해 저항이 증가하여 전류를 제한하는 원리이다. 이러한 특성은 재사용 가능한 퓨즈 역할을 수행하여 회로를 보호한다.[19]
- 히터: 자체 온도 제어 기능을 가지고 있어, 써모스탯이나 특별한 제어 회로 없이 가열을 방지할 수 있다. 온도 상승에 따라 발열량이 줄어들어 절전 효과도 있다.
- 자동차 실내 난방: 열 펌프 또는 내연 기관의 폐열에 추가하여 객실 난방을 제공한다.
- 디젤 연료 예열: 엔진 분사 전에 저온 조건에서 디젤 연료를 가열한다.
- 왁스 모터: 전기적으로 작동되는 왁스 모터에서 왁스를 팽창시키는 데 필요한 열을 제공한다.
- 납땜 인두
- CRT 디스플레이 탈자 회로 타이머: CRT 디스플레이가 처음 켜질 때, PTC 서미스터와 탈자 코일을 통해 전류가 흐른다. 서미스터의 가열로 인해 전류가 부드럽게 감소하면서 탈자 효과를 낸다. 이러한 회로는 단순하고 신뢰성이 높으며 저렴하다.[20]
- 전기 모터 및 변압기 과열 보호: 권선에 PTC 서미스터를 통합하여 절연 손상을 방지한다. 감시 릴레이와 함께 사용하면 과열 시 릴레이 작동을 유발하여 장비를 보호한다.
- 전자 회로 열 폭주 및 전류 독점 방지:
- 열 폭주 방지: 바이폴라 접합 트랜지스터와 같이 온도가 높아짐에 따라 더 많은 전력을 소비하는 전자 장치의 과열을 방지한다. PTC 서미스터는 전류를 제한하여 이러한 현상을 막는다.
- 전류 독점 방지: 병렬로 연결된 전자 장치에서 발생할 수 있는 전류 독점을 방지한다. 각 장치와 직렬로 연결된 PTC 서미스터는 전류를 고르게 분배하여 연쇄적인 고장을 예방한다.
- 온도 보상: 수정 발진기의 온도 보상에 사용되어 안정적인 주파수를 유지하도록 돕는다. 실리콘 PTC 서미스터는 거의 선형적인 양의 온도 계수를 가지며, 선형화 저항을 추가하여 더욱 선형화할 수 있다.[23]
6. 한국의 서미스터 제조업체
한국의 서미스터 제조업체는 다음과 같다.
회사명 | 주요 제품 |
---|---|
무라타 제작소 | 서미스터 (온도 센서) |
시바우라 전자 | 서미스터 소자 |
다테야마 과학 센서 테크놀로지 | NTC 서미스터, 가전제품 및 차량용 온도 센서 |
다테야마 과학 디바이스 테크놀로지 | 저항기, 칩 서미스터 |
오이즈미 제작소 | 서미스터 소자 |
SEMITEC | 온도 센서 |
미쓰비시 머티리얼 | NTC 서미스터 소자 |
7. 역사
최초의 NTC 서미스터는 1833년 마이클 패러데이가 발견했는데, 그는 황화은의 반도체적 거동에 대해 보고했다. 패러데이는 은 황화물의 저항이 온도가 증가함에 따라 극적으로 감소한다는 것을 알아챘다. (이것은 또한 반도체 물질에 대한 최초로 기록된 관찰이었다.)[29]
초기 서미스터는 생산이 어렵고 기술에 대한 응용이 제한적이었기 때문에, 1930년대까지 상업적 생산은 시작되지 않았다.[30] 상업적으로 실행 가능한 서미스터는 1930년 사무엘 루벤이 발명했다.[31]
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