온도센서

[재야의하수]

온도 센서

도체에 있어서 전기저항은 온도의 변화에 따라 변화한다. 이러한 특성을 이용, 단위온도 변화에 대한 저항 변동율을 안다면 변동되는 저항치 만으로 해당 온도를 측정할 수 있게 된다. 여기서 단위온도에 대한 저항 변동율은 온도계수라 하며, 온도 증가시 저항치가 증가하면 정의 온도계수 저항치가 감소하면 부의 온도계수라고 한다. 주로 온도측정에 사용하는 금속 재질은 정의 온도계수를 갖고 있으며 이중에서도 온도측정에 사용되는 재질은 백금, 니켈, 동 등이며 재질이 순수한 것일수록 온도계수는 커지고 그 값도 일정해진다.

온도 센서를 분류하는 방법으로는 감지원리에 따른 방법, 센서 종류에 따른 방법, 측정 방법에 따른 여러가지 방법이 있지만 일반적으로 측정방법에 의한 분류방법이 널리 쓰이고 있다. 측정방법으로는 접촉식 센서와 비접촉식 센서로 나눌 수 있다. 접촉식은 측정대상물에 직접 열적으로 접촉시켜 열평형상태에 도달한 뒤 온도를 측정하는 것이며 비접촉식은 측정 대상물에서 방사되는 자외선이나 주로 적외선을 검출하여 온도를 측정하는 방법이다. 접촉식은 측정 대상물의 열에너지가 온도 센서로 이동하므로 측정대상물의 온도변화를 야기시킬 수 있어 정확한 온도 측정이 어려울 수 있다. 따라서 측정 대상물의 열용량이 센서소자에 비해 충분히 커야 영향을 줄일 수 있다. 비접촉식은 측정 대상물과 직접 열접촉이 없으므로 이와같은 문제는 없으나 측정 원리상 고가이며 정확도 등이 접촉식에 비해 떨어진다.

         [접촉식과 비접촉식 온도 센서의 비교]

접촉 방식	비접촉 방식
필요 조건 측정대상과 센서를 잘 접촉시킬 것	측정대상에서의 방사가 충분히 센서에 도달할 것
측정 대상에 센서를 접촉시켰을 때 측정대상의  온도가 변화하지 않을 것	측정대상물의 실효 방사율이 명확하게 알려져  있거나 , 혹은 재현 가능할 것
특징 열용량이 적은 측정대상에서는 센서 접촉에  의한 측정대상 온도 변화가 쉬움	측정대상 온도가 변화하지 않음
움직이는 물체는 측정하기 어려움	움직이는 물체 측정 가능
물체의 표면 온도 측정	물체의 표면 온도 측정
정밀도 높음	접촉 방식에 비해 낮음
응답 속도 늦음	접촉 방식에 비해 빠름

기타 　 　

이상적인 온도 센서는 측정 범위가 넓고 정확하며, 소형이며, 값이 싸야 되지만, 이러한 모든 조건을 만족시키는

만능형 센서는 존재하지 않는다. 따라서 측정대상물의 종류 , 측정 범위 요구 정밀도 , 가격등을 잘 고려해

적합한 온도 센서를 선택하여 사용하여야 한다.

온도센서의 종류와 특성에 대해 알아보면

          [접촉식 온도 센서의 종류와 특성]

종 류	원 리	사 용 온 도	비 고
유리	온도계 열팽창	-50~500	저가격
백금저항	온도 센서 저항 변화	-200~500	고정밀도, 직진성 우수, 고가
써미스터	저항 변화	-150~1300	고감도, 직선성 나쁨, 응답속도 빠름
열전대	열기전력	-200~1600	직선성 우수,저감도, 응답 속도 빠름
IC온도계	반도체 물성	-200~1600	직선성 우수
방사(복사) 온도계	비접촉식

 백금저항온도센서 (자세히)

 온도에 따라 백금의 저항치가 변하는 원리를 이용한 것으로 현존하는 온도센서중 가장 정확도가 높아

 -260~630'C 영역에서는 표준온도센서로 사용된다.

 대부분 절연물질이 충진된 보호관에 넣어 사용하며 정밀한 측정이 요구되는 염색, 화학공업이나 프로세서 제어용으로

 많이 사용하고 있으나 가격이 다소 비싼 것이 흠이다.

 써미스터

금속산화물을 소결하여 만들며 온도에따라 저항치가 변하는 특성을 이용한 것으로

부특성(NTC) 서미스터, 정특성(PTC) 서미스터로 나눈다.

현재 온도센서로 가장 많이, 그리고 널리 사용되고 있으며 값이 싸고 소형이지만 직선성, 감도, 기준온도 등이 문제가 된다.

NTC 서미스터는 주로 온도감지, 온도보상, 액위/풍속/진공검출, 돌입전류방지, 지연소자등으로 사용되고 있으며

PTC 서미스터는 모터기동, 자기소거, 정온발열, 과전류보호용으로 사용된다.

최근에는 기술개발의 진보로 극저온, 저온, 고온용의 서미스터들이 개발되어 사용중에 있으며 응용범위도 폭넓게

확대되고 있다.　

 열전대 (Thermocouple) (자세히)

두 종류 금속선의 접합점양단에서 발생하는 기전력변화를 이용한 것으로 철강, 발전소, 중화학등 공업용으로 많이

사용되고 있으나 대체로 백금저항온도센서나 복사온도계에 비해 정확도가 떨어진다.

그러나, 열전대는 IPTS(국제실용온도측도)에서 630~1064.43'C 까지 표준온도측정기로 사용토록 규정되어 있으며

열전대의 백금선과 로듐선에 보호관을 씌워 산화되지 않도록 하여 사용한다.　

 방사(복사) 온도계

측정대상물의 표면에서 발생하는 열방사(복사)를 이용한 것으로 비접촉식이며

단색 파장대복사와 2개 파장대복사를 이용하는 방식이 있다.
철강, 요업에서 많이 사용하며 최근에는 저온복사온도계가 실용화되어 열전대들을 대체해가고 있다.　

 IC 온도센서

서미스터나 열전대의 단점인 직선성, 감도, 기준온도등을 보완한 것이 IC온도센서이다.
이것은 온도에 따라 P-N접합부의 전류전압특성이 변하는 것을 이용한 것으로 전압출력형과 전류출력형이 있다.　

 기타

바이메탈, 감온페라이트, 유리온도계, 수정온도계, NQR온도계등 많은 종류가 있으나 정밀도가 떨어지고 응용범위가

제한되어 있다.
다만, 수정온도계는 매우 고감도이므로 아직은 특수용도로 많이 사용되고 있다.

[온도센서의 용도]

 가전제품

 * 조리기기 : 전자렌지, 오븐렌지, 가스취반기, 전자조리기, 커피메이커, 핫플레이트, 토스터, 전기밥솥
 * 공조/냉난방기 : 히터, 솔라시스템, 냉/난방기, 에어컨, 온풍/환풍기, 급탕기
 * 건강/미용기 : 전자체온계, 온수세정변기, 아누스크리너, 미용정발기, 헤어드라이너, 전자모기향, 전기모포
 * 기타 : 냉장고, 급탕기, 다리미, 시계, 의류/이불/식기건조기, TV, AV기기, 세탁기

 사무기기

 복사기, FAX, 프린터, 카메라, 화재경보기, 출입감지컴퓨터, CTV, 모니터, 자동소등, 커텐 엘리베이터, 에스컬레이터 등

 산업용

 * 농업 : 담배건조기, 제차, 온실재배, 양돈, 보일러
 * 공업 : 제빙기, 현상액, 탱크유면계, 기름온도, 콘크리트레벨, 로봇, 공작기계, 자동검사, 모터
 * 어업 : 해수온도, 양어장 수온
 * 상업 : 냉동쇼케이스, 자동판매기, 융성설비

 의료, 계측

 * 의료 : 진단, 피부표면온도, 보육기, 링겔액
 * 계측 : 해류, 기상관측, 표면온도, 인공위성

 자동차

  흡기제어, 냉각수온, 엔진온도, 액면감지, 서스펜션, 안전운전장치, 4WD제어, 고장진단, 트랜스미션,

  연료분사,과급랍제어, 속도조절, 노킹제어 등

  기타

  * 통신기기 : CR발진기, AGE, 시간지연, 전화
  * 가스분석계, 진공계, 풍속계

[온도센서 시장동향]

 세계시장

온도센서의 시장은 가전제품, 보일러, 자동차, 철강, 섬유, 화학공업등 제조공정상의 온도를 모니터링하기 위한 요구에

의해 시장이 증가하여 왔다.1995년도 세계시장은 약 38억$로 추정되며 매년 6~7%의 성장을 하고 있다.

센서 형태로별로는 백금저항온도센서, 써미스터와 열전대가 전체시장의 27%로 가장 점유율이 높고 적외선이나 열복사를 이용한 비접촉식 온도센서가 15%, 반도체미세가공기술을 이용한 초소형, 고기능 스마트센서가 13%의 시장을 점유하고

있고 년 10%이상의 고성장을 하고 있어 향후 비접촉식과 스마트센서가 온도센서시장을 주도할 것으로 예상된다.

특히 에너지, 안전등에 대한 관심의 증가로 이분야의 시장이 급속히 확대될 것으로 보이며 온도센서시장 전체로는 꾸준한 성장세가 유지될 것으로 전망된다.

 국내시장

국내 온도센서시장은 가전제품, 보일러, 자동차분야의 수요가 90%이상을 차지하고 있다. 95년 수입은 약 250억원(3,117만$)으로 전체 수요의 50%정도를 수입에 의존하고 있으며 수입의 80%가 서미스터이다. 수출은 29억원(365만$)으로 동남아지역에 편중되어 있는 실정이다. 저항온도센서는 협성계공, 코닉스, 동국전자 등이 취급하고 있으며 최근에는

LG하니웰이 개발중에 있다.

NTC서미스터는 태평양시스템, 대우전자부품, 성현, 신호전자부품등이 소재를 수입하여 소자를 생산하고 있으며,

PTC서미스터는 동양산전, 쌍용양회, 동양시멘트 등이 소자를 국산화하여 생산중에 있다.

[기술동향]

 선진국의 기술동향

 현재 온도센서로 가장 널리 사용되고 있는 것은 써미스터와 열전대이다. 특히 써미스터는 고감도, 고응답성, 안정성 및

 회로가 간단한 장점등으로 그 사용이 크게 증가하고 있다. 써미스터의 기술개발동향은 고정밀의 서미스터를 개발하는데

 있다.

 벌크형 서미스터의 경우 세라믹칩형 및 DHT(double heatsink thermistor)형이 있으며 형으로는 SiC박막서미스터가

 있다. Sic박막서미스터는 측정온도범위가 넓고 고정밀도 및 고속인 특징을 갖고 있다.

 또한 실리콘 IC센서는 온도이외에 광, 압력, 위치, 자장 등을 측정할 수 있는 다기능의 집적화센서로서 개발과 실용화가

 진행되고 있다. 세계적인 서미스터 제조업체로는 일본의 Murata, 松下전자부품, TDK, Ishizuka, Unizon등이 있으며

 독일의 Siemens, 네델란드의 Philips, 미국의 Fenwal등이 있다.

  일본의 DTK와 Ishizuka는 최근 고정밀도, 저소비전력, 내열성등을 향상시킨 표면실자용 칩서미스터를 개발,

  판매에 주력하고 있다. 서미스터의 세계시장은 Murata외 일본업체들이 압도적인 시장점유율을 보이고 있다.

 국내 기술동향

 온도 센서중 중요한 위치를 차지하고 있는 써미스터의 국내업체는 약 10여개가 있다. 이들중에는 태평양시스템, 신호

 전자부품, 대우전자부품, 성현 등이 일본, 미국업체와 기술제휴로 NTC 서미스터소자를 생산하고 있다.

 또한 PTC제조업체로는 자화전자, 동양산전, 쌍용양회 등이 소자를 생산, 공급하고 있으며 그외의 업체들은 소자를

 수입, 조립하고 있다.

백금저항온도센서는 이전에 여러회사가 개발을 시도한 적이 있으나 상업화하지 못하였고 최근에 LG 하니웰이 상업화를 서두르고 있다. 산업용 열전대의 경우 국내업체의 거의 대부분이 일본, 미국으로부터 소자를 수입하여 단순 조립하는 형태이다.

♣온도 측정의 역사를 간단히 정리하여 보면,

1706년에 Farenheit가 수은 봉입형 유리온도계를 제작하였으며,

1742년에는 Celsius가 얼음이 녹는 온도를 0, 물이 끓는 온도를 100으로 하자는 제안을 하여,

          현재의 섭씨 온도 눈금을 제창하였고

1821년에 Seebeck에 의하여 열전효과가 발표되었으며,

1900년경 플랭크에 의하여 제안된 복사법칙을 이용한 복사 온도계도 현재는 전자 기술의 발달에 힘입어

사용이 증가 되고 있다.

[시나브로]

좋은 자료 감사합니다. ^^;

[죠셉]

감사합니다.