최근 전원 등의 파워 회로나 LED 조명, 고성능 CPU 등에서 발열이 문제되고 있으며 센서에 의한 온도 측정의 중요성이 증가하고 있다. 이와 관련, 본지에서는 온도 센서로 많이 사용되는 서미스터의 기초 지식에 대해 해설하고, 서미스터와 마이컴을 조합시킴으로써 간단하게 리니어라이즈를 실행하거나 온도를 예측하는 방법에 대해 소개한다.

온도 센서에 요구되는 성능

온도 센서에는 다음과 같은 성능이 요구된다. 대표적인 온도 센서의 특징을 표 1에 나타낸다.

▲표 1. 온도 센서 비교

① 신뢰성이 높고 튼튼하며 견고할 것
② 감도가 높고 증폭 회로 등이 없어도 기능하는 성능을 갖고 있을 것
③ 소형이며 응답성이 빨라 온도를 재빨리 검지하는 성능을 갖고 있을 것
④ 진동, 충격에 강할 것
⑤ 종류가 풍부하여 다양한 개소의 온도 센서로 가공할 수 있을 것
⑥ 저가일 것
열전쌍이나 측온 저항체(백금)는 고온까지 온도를 계측할 수 있는 우수한 온도 센서이다. 그러나 온도 계수가 작고 증폭회로 등의 부가 회로가 필요하며 고가이다. 열전쌍은 서미스터로는 대응할 수 없는 높은 온도를 검지하기 위한 온도 센서로 이용되고 있다.
바이메탈이나 고온 페라이트는 접점이 있으므로 진동이나 충격에 따라 오동작할 가능성이 있다. 또 소형화가 어렵고 응답성이 나쁘다는 등의 문제도 있다. 바이메탈, 감온 페라이트는 그 자체에서 전류를 ON/OFF할 수 있다는 특징이있으므로 이 기능을 사용하는 용도에 응용되고 있다.
반도체 온도 센서는 그 패키지에 트랜지스터나 IC 패키지를 사용하므로 다른 센서와 비교했을 때 커진다. 응답성이 나쁘며 다양한 장소에서 사용되는 온도 센서로 가공하기가 어렵다는 등의 문제가 있다.
NTC 서미스터(마이너스 온도 계수 서미스터, 상세한 내용은 후술한다)는 상기 ①∼⑥까지의 성능을 갖추고 있으며 다양한 검지 대상에 대해 여러 가지 형상으로 가공된 온도 센서가 있을 뿐만 아니라 소형이며 재빨리 온도를 검지할 수 있다.
그 용도는 자동차, 가전제품, OA 기기, 의료, 산업기기로 매우 폭넓으며 현재 가장 많이 이용되고 있다.
여기서는 많이 사용되는 NTC 서미스터의 기본적인 사용법에 대해 해설한다.

서미스터의 분류와 특징

1. 온도 계수에 의한 서미스터의 분류
서미스터는 전술한 바와 같이 현재 가장 널리 이용되고 있는 온도 센서이다. 서미스터에는 일반적인 세라믹 소결형의 마이너스 온도 계수(NTC) 서미스터, 티탄산 바륨계, 산화아연계로 대표되는 플러스 온도 계수(PTC) 서미스터, 어떤 온도에서 급격하게 저항값이 바뀌는 급변 온도(CTR) 서미스터 등이 있다.
다양한 장소의 온도를 계측하는 온도 센서로는 NTC 서미스터가 이용되고 있다. 또 PTC 서미스터는 소형 모터의 과전류 보호 소자로 이용되고 있다. CTR 서미스터에 관해서는 일부 특수한 용도로 이용되고 있다.
어떤 서미스터든 전기 저항이 온도에 따라 변화하는 성질을 갖고 있다(그림 1). 다음에는 각각의 특징을 소개한다.

▲그림 1. 각종 서미스터의 특성

(1) NTC 서미스터
NTC 서미스터는 Mn, Co, Ni, Fe 등의 천이 금속을 혼합하고 1,000℃ 이상의 고온에서 소결하여 만든다. 200℃ 이상의 고온 계측에는 글라스로 봉입한 타입이, 150℃까지의 계측에는 수지로 봉입한 타입이 사용된다. 측정 대상에 따라 다양한 형상으로 가공되고 있다.
NEC 서미스터의 저항 R과 온도(절대 온도) T의 특성은 다음과 같은 관계식으로 나타낼 수 있다.
R＝R₀exp{B(1/T－1/T₀)}
R, R₀는 주위 온도 T, T₀에서의 저항값이다. B는 서미스터 상수라 불리는 양이며 반도체 재료의 활성화 에너지 ΔE와 볼츠만 상수 k를 이용하여, B＝ΔE/2k로 나타낸다.
(2) PTC 서미스터
PTC 서미스터는 온도와 함께 저항값이 증대되는 플러스 온도 계수를 가진 플러스 특성의 서미스터이다. 사용하는 재료는 티탄산 바륨계(BaTiO₃), 산화아연계(ZnO-NiO), 산화염[Pb(Fe_1/2Nb_1/2)O₃] 등이 있다.
티탄산 바륨계 반도체의 비저항은 어떤 온도에서 급격히 증가하는 특성을 갖고 있다. 그 변화율은 매우 크며 100℃에서의 온도 계수가 30∼60%/℃를 나타낸다. 20∼30℃의 온도차에서 그 저항값이 103∼104배나 되는 것도 있다.
(3) CTR 서미스터
CTR 서미스터는 Critical Temperature Resistor의 약자로, 급변 온도 서미스터를 말한다. 어떤 온도에서 급격하게 저항값이 감소하는 특성을 갖고 있다.
산화 바나듐계와 황화은계가 있으며, 산화 바나듐계는 군사용 적외선 카메라에 응용 되고 있다. 또한 저항이 급격히 변화되는 특징을 이용한 적외선 암시 장치가 자동차 용도로 연구되고 있다.

2. 제조 방법과 형상에 따른 서미스터의 분류
NTC 서미스터 등의 온도 센서는 그 용도에 따라 다양한 형상을 갖고 있다(사진 1).

▲사진 1. 각종 온도 센서의 외관

이에 대응하기 위해 다양한 타입의 서미스터 소자가 개발되고 있다(표 2).

▲표 2. 서미스터의 분류

서미스터는 그 제조 방법에 따라 칩과 박막으로 분류된다.
칩은 세라믹 소결 기술을 이용하여 소결체를 만들고 서미스터를 사이클로 형태의 칩으로 한 것이다. 또한 박막은 반도체 제조 등에 사용되는 박막 생성 기술을 이용하여 세라믹 기판 위에 서미스터 박막을 형성한 것이다.
봉지 구조로는 크게 글라스 봉지, 수지 봉지로 분류할 수 있다. 글라스 봉지의 특징은 고내열과 고내습성을 갖고 있다는 점인데, 글라스로 봉지할 때에는 고온에서 제조하므로 고정밀도 서미스터를 실현하는 것이 힘들다. 수지 봉지는 글라스 봉지에 비해 고온인 글라스 봉지 공정이 없으므로 고정밀도로 할 수 있다. 또한 실장 방법은 리드선 타입과 면 실장 타입으로 나눌 수 있다.

저항을 이용한 온도 특성의 리니어라이즈

마이컴이 없는 시대에는 서미스터의 전기적 특성의 직선성이 나쁘다는 것이 결점이었으며, 직선화하는 회로가 중요했다. 그러나 마이컴이 발달함과 동시에 다른 온도 센서보다 서미스터 온도 센서를 이용하는 경우가 많아졌다.
그것은 마이컴에 내장되어 있는 메모리에 보정 데이터를 기억시킴으로써 특성의 직선성이 나빠도 고정밀도 온도 계측을 용이하게 실현할 수 있기 때문이다. 이에 따라 서미스터의 결점이 커버됐으며 다른 온도 센서와 비교했을 때 가장 사용하기 쉬운 센서가 되었다.
AT 서미스터나 JT 서미스터 등, 저항값 정밀도가 ±1%인 일반적인 서미스터에서 온도 정밀도 약 ±0.3℃가 쉽게 실현된다. 전자 체온계용으로는 더욱 고정밀도인 서미스터가 체온계 메이커에게 공급되고 있으며 약 ±0.1℃의 고정밀도가 실현되고 있다.

1. 저항기 분압에 의한 온도 검지 방법

정전압을 인가하고 저항기로 분압하여 온도를 검지하는 방법을 그림 2에 나타낸다.

▲그림 2. 저항 분압에 의한 온도 측정 원리

인가하는 전압 V_CC는 3∼10V이며 일반적으로는 5V가 많이 사용된다. 서미스터는 전압 인가에 따라 전류가 흘러 자기 발열하므로 자기 발열을 충분히 무시할 수 있는 전압을 선정한다. 불안하다면 V_CC가 가급적 작은 3∼5V로 한다.
서미스터의 단자간 전압 V_th는 다음 식과 같다. 서미스터 저항값 R_th는 부품 메이커에서 입수할 수 있는 저항-온도 특성표(RT 표)에서 판독한다.
V_th＝V_CC×R_th/(R＋R_th)
서미스터로 온도를 검지할 경우, 서미스터의 단자간 전압을 A-D 컨버터로 입력하여 디지털 신호로 변환하고 마이컴에서 온도로 환산한다.
노이즈의 영향을 적게 하기 위해서는 서미스터와 병렬로 콘덴서 C를 넣어 대책을 세운다. 콘덴서의 용량은 0.1μ∼수㎌이다.

2. 마이컴의 메모리에 리니어라니즈 후의 전압을 기억시킨다
그림 3은 서미스터의 특성 예를 나타낸 것인데, 온도에 대해 리니어로 변화하지 않는다. 전자 체온계 등 측정하는 온도 범위가 좁을 경우에는 리니어라이즈가 필요 없다. 그러나 측정하는 온도 범위가 비교적 넓을 경우에는 리니어라이즈가 필요해진다.

▲그림 3. 서미스터의 온도 특성 예

다음에 간단한 리니어라이즈 방법을 설명한다. 온도를 계측할 경우, 측정하는 계측 온도 범위를 결정하고 리니어라이즈하는 저항 R을 구한다

최저 온도의 저항값 R_L＝27.12

중간 온도의 저항값 R_M＝8.354
최고 온도의 저항값 R_H＝3.182

R＝6.326kΩ
마이컴의 메모리에 리니어라이즈 후의 전압 데이터를 기억시킴으로써 정확한 온도 검지가 가능해진다(그림 3). 온도 범위 0℃∼60℃ 등 60℃ 정도의 온도 범위를 계측하는 데에는 저항 하나로 리니어라이즈가 가능하다.

마이컴을 이용한 온도 측정 예 : 전자 체온계

1. 전자 온도계의 구성
마이컴을 이용한 온도 측정 예로서 전자 체온계를 소개한다.
전자 체온계의 경우, 32℃∼42℃로 비교적 좁은 온도 범위를 고정밀도로 계측한다. 때문에 리니어라이즈에 의한 오차가 나오지 않도록 리니어라이즈 없이 고정밀도로 온도를 검지했다.
구성 부품은 서미스터, 콘덴서, 마이컴, 액정 표시기, 버저, 전지의 5점으로 사실 심플하다. 그림 4에 간단한 전자 체온계의 구성을 나타낸다.

▲그림 4. 전자 체온계의 구성

전자 체온계에서 사용되는 마이컴은, 대만 등의 전자 체온계 메이커가 전용 마이컴을 개발함에 따라 그것을 사용하고 있다. 같은 기능을 가진 마이컴으로는 OKI 세미컨덕터가 제조한 4비트 마이컴 MSM64162 시리즈가 있다. 서미스터나 습도 센서 등에 대응하며 온습도계에 사용하기 쉬운 마이컴으로 되어 있다.

마이컴 속에서 어떠한 처리가 실행되고 있는가에 대해 그림 5를 보며 설명한다.

▲그림 5. 전자 체온계에서 사용되는 마이컴의 기능 블록

전자 체온계의 전지는 1.5V 1개로 장시간 동작이 요구된다. 때문에 로우 파워 동작의 마이컴이 선정되며 소비 전력을 억제하기 위해 저항값이 높은 서미스터가 선정된다.

2. 마이컴을 활용하면 온도를 예측할 수도 있다
전자 체온계에서는 서미스터와 콘덴서를 이용하여 CR(서미스터의 저항값) 발진시키고 시 상수 τ＝CR을 카운터로 카운트한다. 그 카운트 값과 카운트 메모리에 저장된 데이터를 비교하여 CPU로 연산 처리를 실행함으로써 온도를 검지한다.
검지한 온도는 LCD 드라이버를 통해 액정에 표시되며, 전자 체온계는 서미스터의 저항값이 변화되는 것을 검지하여 측정을 시작 한다.
수은 체온계의 경우, 정확한 온도를 검지하기 위해서는 10분 정도 기다려야만 정확한 온도를 알 수 있다. 그러나 전자 체온계에는 실측식과 예측식의 두 가지 측정 방식이 있다. 실측식은 수은 체온계와 마찬가지로 겨드랑이 아래에서 계측하며 10분 정도 걸린다. 예측식은 마이컴의 메모리에 있는 온도 상승 데이터에서 온도를 예측하므로 30초에서 1분 정도의 짧은 시간에 온도를 계측할 수 있다. 이와 같이 마이컴과 센싱을 조합시킴에 따라 더욱 고속이며 고도의 계측을 실행할 수 있게 된다.

野尻俊幸

本 記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.