NTC- 서미스터 (Negative temperature coefficient)

1.     NTC 정의와 용도

2.     NTC를 효과적으로 이해할 수 있다.

3.     이론

 

[그림1] 해리포터의 영화 포스터이다.

해리포터 시리즈는 영국에서 출간된 이래로 현재까지 200개국 이상 80개의 언어로 번역되고 출간되어 5억부 이상 판매를 한 전 세계에서 유례없는 베스트 셀러이다. 어렸을 적 해리포터를 보면서 마치 영화 속 주인공이 된 것처럼 주문을 외우며 따라해 보곤 했던 기억이 떠오른다. 그런데, 우리가 사는 이 세상에서도 해리포터와 같이 마법이 존재하는, 그러한 세상 속에서 살아갈 순 없을까?

결론부터 말하면 ‘없다’이다. 세상의 모든 물질은 저항이 존재하기 때문이다. (실온에선)

물질안에 전자가 이동하면 그것의 이동방향 반대로 전류가 발생하고 그 전류를 이용함으로써 조명, 가전제품, 통신, 교통, 의료 등 수만은 부분에서 인류의 역사를 발전시켜왔다. 그러나 전자가 이동할 때는 불순물과 온도에 영향을 받아 저항이 발생해 전기 전도도가 떨어진다. 즉 저항에 영향을 주는 요소로는 크게 온도와 불순물이 존재하는데 이번 시간을 통해서 온도에 관한 이야기를 해보려고 한다.

[그림2] 대표적인 서미스터의 구조와 외형

 

서미스터(thermistor)는 열에 민감한 저항체라는 의미로서, 열(thermal)과 저항(resistor)의 축약어이다. 서미스터는 온도에 따라 저항이 변하는 열저항센서의 일종이라 할 수 있지만, 백금과 같은 단일 금속을 사용하는 열저항센서와 달리, 주로 Ni, Mn, Co등의 금속산화물을 열처리하거나 반도체를 이용하여 만든 센서이기 때문에 서미스터는 반도체의 특성을 가진다. 일반적으로 서미스터의 특성은 감도가 우수하고 형상과 저항값이 다양하며 전기적으로 다루기 쉽고 특히나 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있다.

 

[그림3] 각종 서미스터의 온도 특성

 

서미스터는 크게 NTC와 PTC로 분류할 수 있는데, 이번 시간을 통해서 NTC(Negative temperature coefficient)에 대해서 이야기해보려고 한다.  [그림3]을 참고하여, NTC란 온도가 증가함에 따라 저항이 지수 함수적으로 감소하는 부특성 온도계를 가진 서미스터이다. NTC 서미스터의 기본 특성은 저항-온도 특성, 열방출 정수, 열시정수 등이 있다.

 

[그림4] 저항과 온도사이의 관계식

 

NTC의 저항-온도 특성은 비선형적이고, 임의의 온도 범위에서 저항과 온도사이의 관계를 의미하며 이를 식으로 표현하면 [그림4]와 같이 나타낼 수 있다.  여기서 Ro과 To은 각각 기준 저항과 온도이다. 베타b는 온도 감도로서 서미스터의 온도 특성 혹은 서미스터 정수라고 부르며 무부하 저항 값의 온도에 대한 저항의 변화 크기를 나타낸다.

[그림5] 과전류 보호를 이용한 장치

 

NTC를 온도센서를 이용한 제품들은 의외로 실생활에서 많이 발견된다. 휴대폰 게임을 오래하다 보면 휴대폰이 뜨거워져 저절로 휴대폰 밝기가 어두워 짐을 확인 할 수 있다. 커피포트가 물이 다 끓어서 뜨거워지면 저절로 전원이 차단됨을 알 수 있다. 이는 다음과 같은 과정으로 설명할 수 있다.

1.     정상상태- NTC 서미스터는 주변온도에 따라 일정한 저항을 가지고 있다.

2.     과전류 발생 - 전류가 계속해서 흐르면 NTC 서미스터의 특성으로 저항이 감소한다.

3.     발열 증가- 저항 감소로 더 많은 전류가 흐르게 되어 '온도가 증가ㅡ>> 저항감소' 이러한 일이 반복된다.

4.     전류제한- 이에 따라 NTC 서미스터의 저항이 계속해서 감소하여, 회로의 전체적인 저항이 증가하게 된다. (옴의 법칙에 따르면 전류는 전압을 저항으로 나눈 값으로 계산된다)

 이러한 일련의 과정으로 과전류를 제한하여 전자기기를 보호하는데 NTC가 사용될 수 있다.

 

 

 

4.     참고

 

1.     김희제, 센서공학, 홍릉과학출판사, pp95~98

2.     정기철외 2인 , 센서응용공학, 복두출판사 ,pp428~462

3.     김현후외 3인, 반도체와 디스플리에공학을 위한 센서공학,  내하출판사, pp145~153