온도 측정방식 총정리 | 바이메탈 열전대 서모파일 RTD NTC PTC IC센서

안녕하세요.
오늘날 기술진보에 따라 많은 온도 측정에 대한 방식이 있습니다.

이번 포스팅에선 온도 측정방식에 관한 이야기를 해볼까합니다.

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온도를 측정하는 방식은 여러가지가 있습니다.

측정 방식은 샘플이 가지고 있는 크기나, 특성 등에 따라 달라지며, 열전도도를 직접 측정하는 방식과 열확산율과 비열, 밀도 등을 추가로 측정하여 열전도도를 계산하는 방식 등이 존재합니다.

 

	온도센서의 종류	사용 온도 범위
열팽창	바이메탈
열기전력	열전대	-200~1600℃
	서모파일	-40~100℃
전기저항변화	RTD(Pt)	-200~850℃
	NTC	-50~300℃
	PTC (BaTiO3)	<300℃
	PTC(Si)	-50~150℃
실리콘 다이오드 트렌지스터의 온도특성	IC 센서	-50~150℃

 

이번 포스팅에서는 실생활에서 활용되는 열전도도 활용 사례부터
연구실에서 사용하는 열전도도 측정방식까지 포스팅해보도록 하겠습니다.

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우리 주변에서 열팽창을 이용한 온도 센서의 이용 사례는 무엇이 있을까요?

   

온도에 따라 액체나 고체의 부피가 변하는 원리를 이용한 온도계부터
에어컨, 전기장판, 전기 밥솥, 커피포트까지 다양합니다.

 

온도 측정 센서란?

온도(열)를 감지하여 전압이나 저항 변화와 같은 전기신호로 변화하는 것을 의미합니다.

 

온도 측정 센서의 종류는 크게 접촉 방식에 따라 접촉식과 비접촉식으로 분류하거나, 측정 방식에 따라 열전대

(Thermocouple), 저항센서(PT100, PT1000), 써미스터(Thermistor)로 나눕니다.

 

접촉식은 말 그대로 측정 대상과 센서를 접촉시키는 방식이며, 비접촉식은 접촉이 어려운 경우 사용되는 방식으로 광학 장치를 이용하여 물체로부터 방사되는 열선을 측정하는 방식입니다. 

 

접촉식 센서로는 열전대, 금속 온도 측정 저항체, 서미스터, IC온도 센서, 자기온도센서, 바이메탈과 같은 종류가 있습니다.

 

비접촉식 센서로는 서모파일, 초전형 온도센서 등이 있으며 적외선 온도계가 대표적 입니다. 이는 물리적 특성에 있어서의 변화를 감지하려 온도를 추론합니다.

 

측정원리	접촉식 온도센서	비접촉식 온도센서
정밀도	높음	느림
응답속도	접촉식에 비해 낮음	접촉식에 비해 느림

 

바이메탈(bimetal)

 

그 중 일상생활에서 쉽게 찾아볼 수 있는 바이메탈(bimetal)방식에 대해 먼저 이야기해보고자 합니다.

바이메탈을 이해하면 우리 주위 대다수의 발열 전기제품에 대한 설명이 가능합니다.

 

바이메탈(bimetal)은 서로 다른 성질을 가진 두 금속을 붙여서 만든 재질로 열팽창계수(CTE, Coefficient of thermal expansion)가 다른 두 물질이 접합된 자동 온도 조절 방식입니다.

 

아래는 열팽창계수에 대한 이론적 설명입니다. 열팽창계수 응용은 반도체 패키징에서도 응용되는 기술 중 하나로 우리 주위에서도 많이 활용되고 있는 개념입니다.

 

 

 

아래 그림과 같이 일정 온도에 도달하기 전에는 전기연결단자에 전기적으로 접촉되어 있다가 온도가 상승함에 따라 두 금속의 열팽창계수 차이로 인해 바이메탈이 휘게되고, 이로인해 스위치 구조의 접점이 ON→ OFF로 차단되며 전기적 연결이 끊어지는 원리입니다.

 

 

가장 대표적인 바이메탈 온도계의 예시는 커피포트입니다.

커피포트 받침대 내부엔 금속 스프링 형태의 가열 요소와 온도제어 장치(바이메탈)가 있으며,
스위치 부분에도 바이메탈 판이 들어가 있습니다.

 

 

커피포트에 전원을 넣으면 처음엔 전류가 많이 흐르는 것처럼 보이지만, 이후 점차 전류가 작아지는 듯 보입니다.

 

이는 스위치로 인해 전류가 흐르게 되고, 내부에 열팽창 계수가 다른 두 물질(Ni-Fe)이 용접되어 있는 바이메탈에 전류가 닿게 됩니다. 점차 증가하는 전류에 의해 바이메탈이 느끼는 저항이 커지며, 열에 의해 열팽창계수 차이로 바이메탈이 휘면서 전류가 차단됩니다. 스위치 부분 역시 스팀 등에 의해 외부 온도가 상승하며 바이메탈이 작동하는 원리입니다.

 

저항을 이용한 온도 측정방법

 

다음은 저항을 이용해 온도를 조절하는 방식에 대해 알아보겠습니다.

일반적으로 금속은 고유한 저항 값을 가지고 있으며, 온도에 따라 저항이 변화합니다.

 

겨울 철 사용하는 전기장판, 라디에이터, 오븐과 같은 온도 조절이 가능한 전자제품들이 이에 해당합니다. 대다수 전자제품들은 전원부와 온도조절기, 발열부로 이루어지며, 발열부는 제품에 따라 선이나 판과 같이
다양한 형태로 이루어 질 수 있습니다.

온도조절기에서 발열부의 온도를 감지한 후 발열부에 공급되는 전력을 제어하는 것으로

전기저항과 온도의 상관관계에 대해 이해해야 합니다.

이는 재료에 따라 다른 특성을 가지고 아래 그래프와 같습니다.

 

 

이처럼 금속과 금속에서 저항의 흐름은 온도가 상승함에 따라 증가하나,
반도체의 경우 금속과 다른 경향성을 띄고 있습니다.

 

도체(금속) 저항률 : 온도 상승 시 저항 상승

→ 온도가 증가하면 원자의 진동이 격렬해져 전자가 이동할 때, 원자와의 접촉이 심해져 전자 운동에 방해를 받는다.

반도체 저항률 : 온도 상승 시 저항 감소

→ 전자가 풍부하지 않은 물질로 온도 증가는 원자핵의 핵력이 감소하는 결과를 가져온다.

 

전자기기 내부에서 전자는 불규칙적으로 움직이며 특정 방향 없이 존재합니다.

단면적 형태, 균질성 여부에 관계없이 여러 단면적을 통과하는 전류는 주어진 전기장하에서 항상 일정하게 존재하며,
이는 파이프 내부에 흐르는 물로 설명되곤 합니다.

 

전자는 새롭게 생성되거나 소멸되지 않으며 전하 보존의 법칙으로 설명이 가능합니다.

전자는 소멸되거나 새로 생성되지 않으며, 동일한 단면적에서 단위 시간 당 통과하는 전자의 양은 항상 동일합니다.

또한, 전자는 강한 전기력에 의해 서로 구속되어 있으며 끊임없이 진동하고 있습니다.

전자가 전기장의 방향에 따라 움직이며 서로 충돌하기도 합니다.

결과적으로 이는 발열부의 온도를 올리는 역할을 하게 되며 Jolie열이 발생하게 되는 원리입니다.

 

앞서 언급된 바와 같이 전기저항에 따른 온도의 특성은 다양하게 나타날 수 있으며 아래와 같습니다.

 

Thermocouple	RTD	Thermistor	IC sensor

 

 

열전대, 써모커플(Thermocouple)

 

 두 개의 막대와 서로 다른 금속으로 만들어지고 끝에서 이들이 만나게 되는 전선으로 구성되어있는 온도센서로 제백효과를 통해 온도 차이를 측정하는 방식입니다.

 

응답속도가 빠르고, 고온에서 측정이 가능하며 경제적인 가격 때문에 산업분야에서 가장 많이 쓰이는 온도 센서입니다.

어떤 금속을 사용하느냐 따라 J, K, T, E, N, R, S, B, C 타입으로 분류되며, 이에 따라 온도 범위가 결정됩니다. 또한, 협소한 공간에 설치가 용이하고 응답속도가 비교적 빠르며 오차가 비교적 적다는 특징을 지닙니다. 다만, 액체나 습한 환경에서 부식의 우려가 있으며, 변화율 적고, 온도 차 검출방식으로 냉접점 온도의 보정이 필요하다는 단점을 가지고 있습니다.

 

 

 

RTD(측온저항체, Resistance temperature detector)

 

RTD는 기본적으로 두 개의 끝 단자가 있는 코일/권선/박막 형태의 저항입니다.

원하는 정확도 정도와 가격에 따라 2선, 3선 또는 4선 측정 시스템이 있습니다. 2선 시스템은 리드선(양쪽) 저항이 예측할 수 없이 변화하여 정확성이 떨어지며, 선의 개수가 많을수록 주변 온도 변화 제어가 우수하여 높은 정확성을 가집니다.

 

대표적인 재료로는 Pt, Cu, Ni 등이 있으며 그 중 가장 흔하게 볼 수 있는 RTD 센서는 백금(Pt)온도 센서입니다.
이는 Pt가 가장 온도 범위가 넓고(linear range) 재현성, 안정성, 내화학성, 내부식성이 우수하며 정밀한 측정이 가능하다고 알려져 있습니다.

Cu의 경우 산화가 되기 쉬우며 Ni의 경우 감도가 우수하지만, 온도 범위가 좁다는 단점을 가집니다

열전대와 비교하여 보다 정확한 측정이 가능한 온도 변화 측정이 가능합니다. 다만, 측정 가능 온도 범위가 약 850℃로 낮고, 주위 온도와 평형 상태로 되는데 시간이 걸려 응답속도가 느리며, 기계적 충격이나 진동에 약하다는 특징이 있습니다.

 

 

 

써미스터(Thermistor, thermally sensitive resistor)

 

온도의 작은 변화에 비례하여 저항에 있어서 큰 변화를 보여주는 소결 반도체물질(세라믹+Ni, Mg, Co, Fe etc.) 입니다. 저항 온도 특성에 따라 다음과 같이 분류되며 통상 써미스터라고 부르는 방식은 NTC 방식을 의미합니다.

NTC방식: 일반적인 금속과 달리 온도가 높아지면 저항 값 감소

PTC방식: 온도가 높아지면 저항 값 증가

CTR 방식: NTC와 유사하나 특정 온도 범위에서 저항 치 감소

 

아래 수식은 써미스터에서 저항-온도 특성을 표현한 것으로 이의 특성 이해를 돕습니다.

R0: T0에서의 저항

T: 서미스터 온도

T0: 보정온도

β: 단위의 재료 온도특성[K] (상온용2000~6000K, 고온용6000~12000K)

β에 의해서 써미스터의 특성이 결정됨

 

써미스터의 장점은 정밀 측정이 가능하고 구조가 단순하여 소형화가 가능하다는 특징을 가집니다. 다만 RTD나 열전대보다 저항 변화가 커 훨씬 제한된 온도범위를 가지고, 고온에서 사용이 어렵다는 단점을 가지고 있습니다.

 

써미스터를 활용하는 예시

NTC방식: 온도 조절이 가능한 각종 난방기구, 체온계, 풍속계 등

PTC방식: 모터기동, 정온발열, 과전류 보호용

CTR방식: 온도 경보, 적외선 검출

 

 

 

IC센서

 

반도체 관련하여 집적회로라는 말을 들어보셨을 겁니다. IC는 집적회로를 의미하며,

트렌지스터 베이스로 제작되어 이미터 전압이 온도에 따라 변하는 것을 이용하여 증폭회로와 함께 만든 하나의 칩입니다.

 

이는 열전대나 써미스터의 단점인 감도, 온도 범위 등을 보완한 센서라고 볼 수 있습니다.

신호 회로와 감온 소자가 일체화되어 있기 때문에 추가적인 회로망이 필요 없고 직접적인 전압, 전류를 출력할 수 있어 많은 인터페이스 유형에 사용이 가능합니다.

또한, 크기가 작고 정확성이 우수하여 컴퓨터, 통시장비(휴대 전화)와 같은 제품에 용이합니다.

제조사 마다 규격이나 정확도에 차이가 있지만, RTD와 써미스터보다 정밀도가 낮고, 온도 범위가 좁은 편입니다.

 

IC 센서 종류 

1.    아날로그 방식 (연속신호)

전압출력센서, 전류출력센서가 있으며 온도 변화에 따른 반도체 채널 내부의 공핍층 폭 변화를 이용한 방식입니다.

 

2.    디지털 방식(이산신호)
일정 시간 동안 내보내는 펄스의 폭 혹은 개수 변화 이용한 방식입니다.

 

집적회로 내에서 이루어지는 펄스를 이해하고 싶다면H. B. Bakoglu, “Circuits, Interconnections, and Packaging for Vlsi:  chapter6 (1990)” 을 추천드립니다.