세라믹 NTC 합성과정 결과레포트

1.     NTC

2.     NTC를 합성하고 그것의 물성을 측정할 수 있다.

3.     실험과정

 

(1)   Nickel Oxide, Trimanganese tetra oxide, Cobalt oxide. 다음 세개의 분말을 저울 평량 1:1:1로 30g을 담는다.

(2)   다음 세개의 분말과 에탄올, 지르코니아 볼을 사용하여 볼밀링 진행시킨다

(3)   그 후 100도씨 오븐에서 24시간 동안 건조를 시켜 에탄올을 제거한다

(4)   에탄올을 제거시킨 분말을 다시 볼밀링을 24시간 동안 진행시킨 후 건조시킨다.

(5)   또 PVA(접착제 역할)를 다시 섞은 후 건조하기를 반복한 후 분쇄 시켜 powder로 만든다

(6)   압축기에 넣어 성형한 후 550도 오븐에서 pva를 제거시킨다 그 후  전기로에서 1250도로 3시간 가열하여 분말끼리 접촉 시킨다.

(7)   아르키메데스 법칙으로 밀도를 측정하고 폴리싱을 통해 표면은 매끄럽게 만들어 준다

(8)   매끄러운 표면에 전극을 바르고 850도에서 전극을 굽는다

최종 NTC가 완성되어 여러가지 물성을 측정한다

 

4.     실험결과

[그림1] 세라믹 합성 소결체 물성

 

B정수 - 3023

수축률 - 26.7%

 

 

5.     Discussion

서미스터(thermistor)은 열에 민감한 저항체라는 의미로서, 열(thermal)과 저항(resistor)의 축약어이다. 서미스터는 온도에 따라 저항이 변하는 열저항센서의 일종이라 할 수 있긴 하지만 백금과 같은 단일 금속을 사용하는 열저항센서와는 달리 주로 Mi,Mn,Co등의 금속산화물을 열처리 하거나 반도체를 이용하여 만든 센서이기 때문에 서미스터는 반도체의 특성을 가진다.

 

[그림2] 실험과정(1)에 대한 그림이다

 

실제로 실험과정(1)에서 세라믹재료를 이용하여 NTC 열저항센서를 만든다. 세라믹 재료형태에는 분체, 다결정체, 단결정체, 박막 등이 있으므로 그에 대한 제조법도 여러가지 이다. 그러나 이번시간을 통해서는 가장 일반적인 다결정체 세라믹 제조법을 중심으로 이야기 하려고 한다. 원료> 성형> 소결

실험과정 (2)~(5)는 성형체를 만드는 법이다.

 

[그림3] 분말을 성형체(green body)로 만드는 과정

 

소성 전의 분말의 성형방법은 다양하다. 유입법, 압출법, 금형 프레스법 등이 있다.

이번 실험에서는 금형 프레스법으로 성형체 green body를 만든다.

[그림4] 성형체의 모습이다.

 

 

실험과정(6)번은 소결과정이다.  소결(sintering)이란 분말 성형체가 융점 이하의 온도로 가열됨으로써 분말 입자가 서로 응착하여 다결정체로 변하는 현상이다. 세라믹스 분야에서는 오래 전부터 가장 일반적인 방법이다. 다결정 소결체는 그 용도에 따른 요구를 충족하기 위해 다공질체, 보통 소결체, 치밀체 등으로 나누는데, 기계적 용도의 경우는 높은 기계적 강도를 필요로하고 전기적 용도의 경우에는 성능상 가급적 치밀하고 기공이 적은 소결체로 하지 않으면 안되는 경우가 많다. 특히 NTC처럼 불순물이 저항과 전도도에 영향을 주는 입자를 소결할 때에는 치밀체로 행해야 한다. 그 후 아르키메데스 법칙으로 밀도를 측정해, 성형압축과 소결이 잘 되었음을 확인 할 수 있다. 그 후 폴리싱을 진행한다. 이는 NTC의 표면 거칠기가 높으면 전극과의 접촉불량으로 전기저항이 증가하고 감도가 감소할 수 있기 때문이다.

 

[그림5] 전기 저항을 측정한다

 

[그림5]를 참고하여, 온도에 따른 전기저항을 측정 하여 ,NTC의 여러가지 물성을 측정할 수 있다.

앞서 언급했듯이, NTC란 온도가 증가함에 따라 저항이 지수 함수적으로 감소하는 부특성 온도계수를 가진 서미스터이다. NTC 서미스터의 기본 특성은 저항-온도 특성, 열방출 정수, 열시정수 등이 있다.  이들 서미스터와 저항 온도센서의 온도 특성을 나타낸다. NTC의 저항-온도 특성 비선형적이고, 임의의 온도 범위에서 무부하 저항과 온도 사이의 관계를 의미하며, 이를 다음과 같이 표현할 수 있다.

 

[그림6] 다음의 식으로 저항값을 계산할 수 있다.

 

이 때 [그림6]을 참고하여 , B는 B정수 혹은 서미스터 정수라고 부르며, 무부하 저항값의 온도에 대한 저항 변화 크기를 나타낸다. B는 정수라고 부르지만 실제로 서미스터의 저항 온도 특성에서 비직선성을 갖기 때문에 온도의 상승에 따라 약간 증가한다. 또한 저항 온도계수인 B정수는 온도에 따른 저항의 변화량을 나타내는 값으로서 저항 및 온도가 증가할수록 감소하게 되며, 임의의 온도에서 온도 구배를 평가하는 척도 이기도 하다. 그리고 B정수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

 

[그림7] 다음의 식으로 B정수를 계산할 수 있다.

 

 

일반적으로 NTC의 조성은 고유저항이 높으면 B정수도 높아지는 특성을 가지며, 단판형의 경우에 낮은 저항이면서 높은 B정수를 얻기가 쉽지 않고, 시리즈화 된 저항 값을 얻기 위해 고유저항이 다른 재료나 소자의 두께를 조절해야 하는 문제가 생긴다. 그러나 적측형 NTC에서는 저항 값은 전극사이의 거리, 전극 면적, 적층수와 고유저항으로 얻을 수 있다.

또한 각종 기기의 소형화 추세에 따라 칩 NTC의 크기도 소형화가 요구되고 있다. 칩 NTC가 소형이면서 낮은 저항 값을 갖기 위해서는 고유저항이 낮은 재료가 필요하다.

그런데, 적층형 에서는 낮은 저항 값을 가진 소자를 만드는 것이 용이하다. 더불어 높은 B정수로 고감도의 소자를 제조하는 것이 가능하다.

추가적으로 적층형 NTC는 저항을 설계할 때에 내부 전극으로 조절이 가능하므로 규격을 맞추기 용이하며 단판형과 비교하여 외부 크기를 조절할 필요가 없다. 이 또한 대량생산이 가능하며 비용을 절감할 수 있다.

 

이러한 이유로 최근 급격한 발전을 이룬 전자산업에서 적층형, 고도의 온도제어를 요구하고 있다. 이러한 NTC 재료로서 가장 널리 사용되고 있는 것이 Mn – Ni – Co계 이다.

 

 

6.    결론

위 와 같이 NTC를 합성하여 그물성을 활용하여 다음 같은 실생활에 적용할 수 있다.

과전류보호, 가전제품 온도센서, LED시간지연 효과 ,산업용 제어장치, 에어컨 냉 난방시스템

 

 

7.     참고 .

 

반노 히사오, 뉴 세라믹스(재료 제조에서 응용까지), 겸지사 과학 기술도서, pp193~201

윤기현외 2인, 전자재료 세라믹스 , 영광도서, pp90~100

김현후 외 4인, 반도체와 디스플레이공학을 위한 센서공학, 내하출판사, pp145~153