NTC Thermistor의 발전역사

- 1833년 Michael Faraday에 의하여 Ag2S의 Negative Temperature Coefficient 특성을 발견함.
- 1930년대초 Philips, Siemens등의 연구소에서 Fe3O4, UO2 등의 Oxide Material의 NTC 특성 연구시작
- 1930년대 말부터 1940년대에 이르러 NiO, CoO, Mn2O3 등의 Material을 채택
- 1940년대말 Bell Telphone Laboratories에서 초기 응용단계에서 이르렀으며 이후 Material Composition과 함께
개발, 응용이 확대되어 Co,Mn,Ni,Cu,Fe 등의 전이금속산화물을 2종류 또는 그 이상의 조성비율에 따라 Resistivity 와
Tmperature Cofficient를 조정할 수 있음이 증명되어 실용화 되기 시작하였음.

NTC Thermistor 란 ?

- Thermally Sensitive Resistor로서, 온도가 올라가면 저항값이 내려가는 부온도계수(Negative Temperature Coofficient)를
갖고 있으며 전이금속 산화물(Co,Mn,Ni,Cu,Fe)을 2종류 이상 혼합, 성형하여 1200℃~1400℃ 의 고온에서
소결한 반도체로 AB2O4의 Spinel 구조를 형성하며 전극은 주로 Ag, Pt등이 사용된다.
- 사용온도에 따라 저온용은 mn, Co, Ni, FE 계가 , 고온용은 Co, Mn계에 Al,Zn,Mg,Cr등을 첨가하거나 CeO2, ZrO2계가 사용되고 있다.

• 
• 

무부하 저항치(Ro@T)

임의의 규정 온도에서 전기적인 열방산이 없는 상태에서의 직류 저항치, 이 값을 측정하기 위하여 열이 발생하더라도 직류 저항치의 변화가 ±0.01% 이내가 되도록 Thermistor의 열방산을 제한하여야 한다.

저항비(Ro@T₁/Ro@T₂)

임의의 T₁, T₂ 온도에서의 무부하 저항치의 비

저항온도계수(α@T)

임의의 특정 온도 T에서 Thermistor의 저항이 온도 1℃당 어느 정도의 비율로 변화하는가를 나타내는 계수로서 단위는 %/℃ 임.

• α@T = 1/R@T ˚ Dr@T/Dt = - β/T
• α@T : 저항온도계수 (%/℃)
  R : 절대온도 T(K)에서의 저항값
  β : B정수

열시정수(τ)

Thermistor가 주위 온도의 급격한 변화에 대해 어느 정도의 빠르기로 저항값이 변화하는가를 나타내는 정수로써 주위 조건 변화에 대한 열용량이 작을수록 빨리 응답하여 τ는 짧아진다. Thermistor의 열시정수는 Thermistor의 열용량 C와 열방산 정수 δ와 관계가 있으며, Thermistor가 최초 온도(Ti)에서 최종 온도(Te)까지변화할 때 변화되는 Thermistor의 온도(T)와의 관계에서는 다음과 같은 관계가 성립된다.

-CdT = δ(T-Te)dt ---(1)
Dt/dt = -δ/C X (T-Te) ---(2)

위 공식(2)을 Newton의 냉각 법칙에 따라 미분방정식으로 풀면,

T - Te = (Ti -Te)exp(-t/τ) ---(3) 로 표시됨

여기서 t = 시간이고 τ를 열시정수라 하며, τ=C/δ의 관계가 있음. 식(3)에서의 t와 τ 가 같다고 하면

(T - Te)/(Ti - Te) = exp(-1) = 1/e = 1/2.718 = 1 - 0.632 임.

따라서

T - Te = (Ti -Te) X (1-0.632)
T = -0.632(Ti -Te) + Ti 로 표시됨.

일반적으로 열시정수는 최대값으로 표시되며, 측정시 열방산과 마찬가지로 주변과의 열전달 속도에 좌우되기 때문에 Thermistor가 위치하는 곳의 매체나 장착방법등이 지정되어야 한다.

주위온도변화후 경과 시간에 따른 Thermistor의 온도 변화에 대한 관계는 다음과 같음.

경과시간t	Thermistor의 온도 변화
τ	0.6321(Ti - Te)
2τ	0.8647(Ti - Te)
3τ	0.9502(Ti - Te)
4τ	0.9817(Ti - Te)
5τ	0.9933(Ti - Te)
6τ	0.9975(Ti - Te)
7τ	0.9991(Ti - Te)

Peak Voltage (Vp)

Thermistor의 전류-전압 특성에서 전류의 증가에 따라 전압이 최대를 갖고 감소하기 시작하는점, 즉 de/dI가 0이 되는 점을 말한다.

최대사용온도

최대사용온도란 Thermistor의 특성이 안정성을 가지고 장기간 사용할 수 있는 최대온도.

최대정격

Thermistor의 특성이 안정성을 가지고 장기간 사용할 수 있는 Thermistor의 최대전력.

B정수(β)

Thermistor의 재료 정수로서 저항-온도 특성에서 임의의 두 온도간(T1,T2)의 온도에 대한 저항 변화의 크기를 나타내는 정수로서 일반적으로 다음 식으로 표현된다.

B정수가 크다는 것은 온도에 대한 저항 변화가 크다는 것을 말하며 별도의 지정이 없는 한 β 값은 0℃와 50℃ 25℃와 85℃ 혹은 25℃와 125℃ 사이의 값을 규정한다. B정수값은 온도가 증가함에 따라 약간씩 증가하고 재료 및 온도 범위에 따라 차이가 있음.

열방산정수(δ)

임의의 특정 주변 온도에서 Thermistor로부터 발생하는 열과 이에 의한 Thermistor의 온도 변화량과의 비를 말하며 열평형 상태에 있어서 Thermistor 자체 온도를 자기 발열에 의해 1℃ 상승시키는데 필요한 전력값으로써 단위는 ㎽/℃ 이다. Δ값은 Thermistor의 형상, 취부상태, 주위 매체의 종류 등에 따라서 결정되며, 별도의 지정이 없는 한 열방산 정수값은 측정하고자 하는 Thermistor 부피의 1,000배 이상이 되는 항온조내에서 주위 온도 25℃에서 자기열화에 의해 75℃까지 온도상승시 필요한 전력량을 온도상승 (ΔT) 50℃로 나눈 값으로 정의하며, 다음 관계식에 의하여 산출된다. (열방산 정수는 최소값으로 표시된다)

W = V X I = δ(Ta - To), δ = W/(Ta - Yo) = I²R/(Ta - To) = P/ ΔT
(Ta : 주위온도, To :발열온도, W: 발열에 소비된 전력)

1. 용도에 따른 THERMISTOR 설계

- 기본적인 특성 저항값과 B정수값은 사용 온도 범위의 중심값 및 사용 온도 영역 기준으로 설정한다.
- 저온용은 비교적 낮은 저항값 및 B정수를 갖는 것이 좋으며, 고온용 및 정밀 측정용은 높은 저항값과 B정수를 가져야한다.
- 사용 부분은 승온 또는 감온 속도를 수령할 수 있는 Thermistor형태를 선정한다.

2. 열추종 특성의 고려

Thermistor를 이용한 Sensor Ass'y는 용도에 따라 금속관봉입 또는 수지봉합 등으로 그 형태가 다양하며 이것은 실제
사용 중의 열추종 특성에 많은 영향을 미친다. 다라서 사용하고자 하는 부분의 평균 승온 또는 감온 속도를 기준으로
하는 설계가 이루어져야 하며, 이때 실제 온도와 감지 온도 사이에 발생하는 지연 시간을 산출, 적용하여야 한다.

3. 직선화 작업

NTC Thermistor의 온도-저항 특성은 원칙적으로 비직선형 변화 곡선을 가지며, 비직선도가 최고 7℃까지 됨으로
반드시 직선화 되어야하며, 직선화후 비직선도는 0.3℃ 이하로 조정될 수 있다.

• 
• 

직선화 작업의 결과는 사용 온도범위가 직선화 영역과 정확히 상응되어야하며, 이러한 작업은 Thermistor의 F(t)특성에 의하여 구해질 수 있다. F(t)특성은 다음과 같은 방법에 의하여 산출된다.

4. 정격전력의 고려

직선화 작업후 회로상에 인가되는 전류 및 전압조건을 최고 사용온도 기준으로 확인하여 정격전력 이상의 전력인가에 의해 Thermistor 자기열화 현상을 억제하여야 한다.

5. 오차범위 선정

Thermistor의 허용 오차 범위 선정은 저항과 B정수 양값에서 규정되어야 하며, 이것은 한 지정온도상의 오차가 아닌 사용온도구간 내에서의 오차로 표현되어야 한다

1. 저항-온도 특성

Thermistor 자체에 주어지는 온도와 Thermistor의 무부하 저항치와의 관계 이 특성은 근사적으로 다음식으로 표시할수 있다.

• R@T = R@To exp β(1/T - 1/To)
• R@T : 절대온도 T(K)에서의 저항값
  R@To : 절대온도 To(K)에서의 저항값
  β: Thermistor 의 B정수
  T, To : 절대온도 ( K= ℃ +273.15)

2. 전류- 전압 특성

임의의 규정온도에서 Thermistor의 전류 - 전압 사이의 관계, 매우 적은 전류 범위에서는 Thermistor의 자기발열이 작아서 전압이 전류에 비례하여 Ohm의 법칙을 따라서 직선적으로 나타낸다. 그러나 전류가 증가하더라도 전압은 실제적으로 감소하기 시작한다. 즉 De/Di가 계속적으로 감소하게 되는 것을 말한다.

3. 전류-시간 특성

저항의 감소는 Thermistor가 자기발열 될 정도의 충분한 전류가 가해져도 즉시에 감소되지 않으며, 또 Thermistor가 등가회로상에서 여기(excit)될 때 평행작동 상태에 도달하기 전에는 반드시 Time Delay가 발생하게 된다. 이러한 특성을 전류-시간 특성이라 한다. 이러한 특성은 Thermistor의 열방산, 열용량과 회로구성에 의존한다.