NTC 서미스터(Thermistor) 전기적 특성

전자기기에서 온도를 측정하기 위해 Thermistor를 사용합니다.

Thermistor는 Thermally Sensitive Resistor의 합성어이며 뜻 그대로 온도에 민감한 저항입니다.

온도에 따라 저항값이 바뀌며 이 바뀌는 저항값을 읽은 뒤 역산하여 온도를 알아내는 것이죠.

 

온도 디텍팅, 온도 보상, 과열 보호 등 온도와 관계된 정보가 필요한 전자기기에는 모두 Thermistor가 실장 되어 있습니다.

Thermistor는 PTC, NTC로 나눠지며, 이 중 NTC Thermistor에 대해 알아보겠습니다.

 

1. PTC vs NTC

NTC 서미스터에 대해 알아보기 전에 간략하게 PTC와 NTC 서미스터의 차이에 대해 알아보겠습니다.

PTC는 온도가 증가하면 저항값도 같이 커지지만, NTC는 온도가 증가할수록 저항값이 작아집니다.

이는 PTC와 NTC 구성물질의 전기적 특성 차이 때문입니다.

알래 그래프를 보면 알 수 있듯이 NTC는 그래프 변화 양상이 얌전(?)하지만

PTC는 큐리 포인트를 기준으로 저항이 급증합니다.

따라서 PTC는 과전류, 과열 보호용으로 마치 안전 퓨즈처럼 사용되며,

NTC는 온도 제어, 온도 보상 등 대부분의 일반적인 상황에 사용합니다.

[그림1] PTC vs NTC (출처 : https://amwei.com/ptc-ntc-thermistor-comparison/)

 

2. NTC 서미스터 Consturction 및 재료

 칩 타입 NTC 서미스터의 경우 다른 칩 타입과 마찬가지로 Body가 있고 이 Body 양끝에 전극부가 둘러싸고 있습니다.

내부에는 멀티레이어 구조로 다양한 저항값을 가지도록 되어있습니다.

[그림2] NTC Thermistor Construction (출처 : https://industrial.panasonic.com/)

그런데 어떻게 NTC Thermistor는 온도가 높아지면 저항이 낮아질까요?

Mn, Ni, Co 산화물을 소결하여 만든 ceramic의 전기적 특성 때문입니다.

Mn, Ni, Co 산화물은 AB₂O₄의 스피넬 구조 (ex.NiMn₂O₄)를 가지며

8면체 B-자리에 있는 Mn³⁺, Mn⁴⁺ 사이의 전하 호핑으로 인해

온도가 높아질수록 전기 전도도가 높아(=저항값이 낮아)집니다.

 

3. NTC 서미스터 저항-온도 특성

온도에 따른 NTC Thermistor 저항식은 아래와 같습니다.

T₀ : 상온 25°C의 절대온도 298.15K (25+273.15) [단위 : K]

R₀ : 상온 25°C의 저항값 [단위 : Ω]

B : 서미스터 상수 [단위 : K] 

 

위 식은 아래 그림3과 같이 지수적으로 감소하는 그래프입니다.

[그림3] 저항-온도 그래프 (출처 : https://www.newport.com/)

예를 들어 R₀가 100KΩ, B가 4250K인 NTC 서미스터의 0°C, 50°C일 때 저항값은 아래와 같습니다.

(계산할 때 B의 K는 절대온도를 나타내는 단위이지 10³으로 계산하시면 안 됩니다.)

서미스터 상수 B는 Ni, Mn, Co, Fe의 성분 비율과 열처리 방식에 따라 결정되는 서미스터 각각의 고유값입니다.

이러한 B값은 어떻게 구할까요?

아래 그래프는 가로축이 1/T 세로축이 로그 눈금의 저항값입니다.

기울기가 일정해 보이지 않나요?

1/T와 ln(R)이 선형적이라는 것을 알 수 있습니다.

(정확하게는 선형에 거의 가까운 것이지 완벽한 선형은 아닙니다.)

[그림4] 1/T vs ln(R) 그래프 (출처 : https://manualzz.com/)

따라서 B는 아래식으로 구해집니다.

여기서 T₁, T₂의 온도는 일반적으로 0~25°C, 25~85°C, 25~125°C 중에서 사용합니다.

 

T₁, T₂ 선택 온도에 따라 미세하게 B값이 바뀌기도 하니 이 경우 온도 구간에 맞게 B값을 사용해야 합니다.

(ex. 25~50°C B값이 4250K, 25~85°C B값이 4310K인 경우)

 

B값이 큰 서미스터일수록 온도 변화에 따른 저항값 변화율이 크다는 것을 알 수 있습니다.

[그림5] 온도-저항비 그래프 (출처 : https://manualzz.com/)

자 이제 전자 기기 입장에서 읽어드린 저항값에 대해 역산해서 온도를 알아내야 하는데요,

t(°C) 기준으로 식을 정리하면 아래와 같습니다.

예시로 이번에도 R₀가 100KΩ, B가 4250K인 NTC 서미스터의 저항값이 50KΩ일 때 위 식을 통해 온도를 계산해보겠습니다.

 

4. NTC 서미스터 Spec Item

 NTC 서미스터 선정 시 체크해야 할 Spec Item들에 대해서 알아보겠습니다.

(저항-온도 특성에서 말씀드린 내용과 중복되는 것도 있습니다.)

 

1) Resistance [Ω]

 25°C에서 전압, 전류가 인가되지 않은 상태의 (zero-power) 서미스터가 가지는 저항값입니다.

기준이 되는 저항값이라서 R₀로 표기하기도 하고 25°C에서의 저항값이라서 R₂₅로도 표기합니다.

 

2) B-Constant (또는 B-value) [K]

 서미스터 각각의 고유 상수로 B값이 클수록 온도 변화에 따른 저항값 변화가 큽니다.

보통 B값은 2000~5000K 사이의 값을 가집니다.

(여기서 K는 절대온도 단위이지 10³이 아닙니다.)

 

3) Maximum Operating Current [mA]

 서미스터에 전류가 흐르면 서미스터는 저항이므로 당연히 열이 납니다.

이때 이 열로 25°C 상온에 있는 서미스터가 0.1°C만큼 더 오르게 하는 전류량을 Maximum Operating Current라고 합니다.

(= 서미스터가 25.1°C가 되게 하는 전류량)

R₂₅ 저항값이 큰 서미스터일수록 동일한 전류에서 열이 더 많이 나겠죠.

따라서 R₂₅ 저항값이 클수록 Maximum Operating Current는 줄어들게 됩니다.

 

4) Maximum Voltage [V]

 서미스터에 전압이 인가되면 당연히 서미스터에 전류가 흐르고 열이 발생합니다.

만약 서미스터가 허용하는 Maximum Voltage 이상의 전압이 인가된다면

아래와 같은 Thermal runaway가 발생할 수 있습니다.

→ 서미스터 전압 인가되면서 전류가 흐름 → 서미스터 열받음 → 열로인해 서미스터 저항값이 작아짐 → 이 작아진 저항으로 인해 서미스터에 걸린 전력은 (V2/R)은 더 커짐 → 더 커진 전력은 서미스터를 더 열나게함 → 위 과정 반복되면서 Thermal runaway 발생

따라서 서미스터 인가전압은 Maximum Voltage를 넘지 않아야 합니다.

 

5) Thermal Dissipation Constant (δ_TH) [mW/°C]

 Dissipation Constant (δ_TH)는 열평형에서 self-heating을 통해 서미스터 소자의 온도를

1°C 증가시키는데 필요한 전력을 나타내며 그 식은 아래와 같습니다.

역으로 δ_TH와 변화한 온도 변화를 알면 서미스터의 self heating 전력을 계산할 수 있습니다.

 

6) Thermal Time Constant τ_a [S]

 여름날 시원하게 23°C로 에어컨 켜놓은 차 안에 있다가 갑자기 차문 열고 33°C의 더운 땡볕 아래로 갔다고 생각해봅시다.

이때 주머니 안 휴대폰에 실장된 서미스터 온도가 23°C에서 바로 33°C로 바뀔까요?

온도는 23°C, 24°C, 25°C...33°C로 서서히 바뀌겠죠.

여기서 23°C에서 29.32°C(=23°C+(33°C-23°C)·63.2%) 까지 바뀌는데 걸리는 시간을 Thermal Time Constant(τ_a)라고하며

Thermal Time Constant(τ_a)는 서미스터마다 다릅니다.

T₁ 온도의 서미스터가 주변 온도 T₂인 환경에 놓일 때 이 서미스터의 시간에 따른 온도는 아래와 같습니다.

시간이 τ_a일 때 서미스터의 온도 T(τ_a)=T₁+(T₂-T₁) · (1-1/e)입니다.

1-1/e=63.2%이므로 τ_a는 온도 변화가 63.2%가량 이뤄지기까지의 시간입니다.

거꾸로 말하면 온도변화가 63.2%가량 바뀌기까지 걸리는 시간이 τ_a입니다.

τ_a는 짧을수록 온도 변화에 더 빠르게 따라간다는 것이므로 τ_a는 짧을수록 좋습니다.