nel, Battery Pack]
2. Computer related Equipment
3. Video Camcorder, Car Audio related Equipment
4. Optical communication related Equipment
2. PTC Thermistor
PTC(Positive Temperature Coefficient)의 특징은 특정한 온도(Curie temperature, TC)에서 저항이 급격하게 증가한다는 것이다. PTC Thermistor는 BaTiO3에 소량의 dopant를 첨가해서 전도성을 갖게 한 일종의 N형 산화물 반도체이다. BaTiO3의 결정구조는 Curie 온도 이하에서는 정방정계(tetragonal) 이지만 그 이상의 온도에서는 입방정계(cubic)로 변하므로, Curie 온도 이상에서 저항값이 급격히 증가하는 성질을 갖는다. 세라믹스의 성분을 조절해 Curie 온도의 이동이 가능하며, 소결 온도 및 시간 등을 달리하여 그 특성을 제어할 수도 있다. 상업적으로 사용되고 있는 PTC Thermistor의 저항률은 상온에서 10Ω㎝과 20Ω㎝ 사이의 값을 가지고, Curie 온도는 80℃에서 300℃ 사이의 값을 가진다.
또한 PTC Thermistor 소자는 저항-온도 특성 이외에도, 전압-전류 특성과 전류-시간 특성의 3대 특성을 가진다. 따라서 이를 이용하여 degaussing 소자, 과전류 및 과열 보호용 소자, 자기 발열 소자 등의 제품에 폭 넓게 사용되고 있다.
1) PTC thermistor 재료
PTC Thermistor 재료로는 BaTiO3계 세라믹스나 ZnTiNiO계 세라믹스 및 탄소분말과 유기 binder로 이루어진 polymer계 등 몇 가지가 있지만, 공업적으로 가장 많이 사용되는 것은 BaTiO3계 세라믹스로, 본 페이퍼에서는 이를 중심으로 설명할 것이다. 아래 표는 BaTiO3계의 Thermistor의 조성의 구성을 보여준다.
구성요소
역할
대표 물질
주성분
PTC 소자의 모체 형성
BaTiO3
반도체화 원소
원자가 제어에 의한 반도체화 실현
La, Y, Gd, Nb
Curie 온도이동
Switching 온도 이동
Pb, Sr, Sn, Zr
특성개선
PTC 성능 중대
Mn
소결촉진
소결 촉진, 결정입경제어
Al2O3, SiO2, TiO3
불순물
반도체화 방해, 특성 및 신뢰성 저하
Fe, Cr, Mg, K
Perovskite 구조를 가지는 BaTiO3를 기본 조성으로 하여 La2O3, Nb2O5, Y2O3 등을 첨가하면 반도체화(n-type)하며, <그림-1>와 같은 PTC 효과를 나타낸다. BaTiO3계 PTC Thermistor가 단독으로 사용될 경우 Curie 온도는 약 120℃ 부근에 존재하지만, 필요에 따라 세라믹스의 성분을 약간만 변화시키면 고온과 저온 양쪽으로 Curie 온도를 조절할 수 있다. Ba의 일부를 Pb로 바꾸면 고온 쪽으로 이동하며, Ba을 Sr으로 치환하거나 Ti의 일부를 Sn 또는 Zr으로 치환하면 저온 쪽으로 이동한다. <그림1>는 Ba을 Pb와 Sr로 치환했을 때 Curie 온도의 변화를 보여준다. PTC 성능을 향상시키기 위해 Mn을 첨가하기도 하며, 미세 구조를 조절하기 위해 입성장 억제제나 소결촉진제로 Al2O3, SiO2, TiO3 등을 첨가하기도 한다.
3. 실험결과
실험 1. 소자의 저항값 측정
손으로 잡기 전
저항
손으로 잡은 후
저항
10kOhm 저항
9.89kOhm
10kOhm 저항
9.77kOhm
Thermistor
9.64kOhm
Thermistor
7.16kOhm
실험 2. 가변 전원 공급장치 (VPS, Variable Power Supply)의 조작
1V 인가
0V 인가
실험 3. DAQ 조작을 위한 Thermistor 회로
손으로 잡기 전
손으로 잡은 후
입력전압 (V)
출력전압 (V)
입력전압 (V)
출력전압 (V)
0
0.177
3
1.42
1
0.671
2
1.222
3
1.713
4
2.259
5
2.808
실험 4. Thermistor의 Calibration
내 손 온도
실험 5. NI ELVIS 가상 디지털 온도계의 제작
DT-Logger 손 잡은 후
손 잡기 전
손 잡은 후
4. 실험에 대한 고찰
이번 실험은 Thermistor의 특성을 이용해 디지털 온도계를 만드는 실험이었다.
첫 번째 실험에서는 저항과 Thermistor의 차이를 알아보았다. 저항은 손으로 잡기 전이나 후나 측정값의 차이가 작았는데 반해 Thermistor는 많은 차이를 보였다. 이로써 Thermistor가 온도에 민감한 소자라는 것을 확인할 수 있었다.
두 번째 실험에서는 가변 전원 공급장치(VPS)의 사용법을 알아보았다. 1V와 0V를 인가해 보았는데 인가한 값과 측정값이 달랐는데, NI ELVIS는 컴퓨터와 연결되어 있기 때문에 컴퓨터에 있는 여러 소자들 때문에 오차가 난 것 같다.
세 번째 실험에서는 Thermistor 회로를 연결하고 Thermistor의 단자전압을 측정해 보았다. 0~5V의 전압을 인가하고 측정 해보니 인가한 전압의 반보다 높았다. 그것은 Thermistor 앞에 연결한 10kOhm의 저항보다 저항값이 낮다는 것인데, 이것은 주위 온도가 25°보다 낮다는 것이다. Thermistor를 손으로 잡고 3V를 인가한 경우에는 손으로 잡지 않은 것보다 단자전압이 낮고, 인가한 전압의 반보다 낮게 나왔다. 이것은 저항값이 10kOhm보다 높다는 것이고 손의 온도가 25°보다 높다는 것이다.
네 번째 실험에서는 LabVIEW로 Thermistor 회로의 회로도를 만들어 보았다. 실험 3의 손으로 잡은 후와 같은 조건으로 실험을 해보니 손으로 잡은 온도가 27°가 나왔는데 실험 3에서 손의 온도가 25°보다 높다고 예상한 것과 일치했다.
실험 5에서는 앞의 실험들을 토대로 디지털 온도계를 만들어보는 실험이었는데 DT-Logger는 실수로 데이터 저장을 잘못하여 그래프가 다 나오지 않았다. LabVIEW에서 회로도를 실행 시키고 나서 보니 손으로 Thermistor를 잡기 전에는 17.9°가 나왔고, 손으로 잡은 후에는 26°가 나왔다.