온도 센서의 이해
센서는 기본적으로 측정대상의 물리량이나 화학량을 전기 신호로 변환하는 기능을 가지고 있다. 그런데 많은 센서들 중 온도센서에 대해 적당히 '정특성이니 부특성이니'하는 서미스터를 사용한다고들 하지만, 이 소자와 원리에 대해서는 많은 사람들이 무심코 넘어가는 경우가 많다. 따라서 이번 호에는 온도 센서에 대해 알아본다
김인옥 【경기 오산 그린카프라자 대표】
센서는 기본적으로 측정대상의 물리량이나 화학량을 전기 신호로 변환하는 기능을 가지고 있다. 물론 사람이 할 수 없는 정밀한 일들을 기계라는 것을 이용하려다보니 센서가 필요하게 되었다. 우리들의 일상 생활이나 자동차 부품들의 제반 특성은 많든 적든 온도에 의해 변화되고 있는 것들이라고 볼 수 있다.
그런데 많은 센서들 중에서 이 온도센서에 대해 적당히 ‘정특성이니 부특성이니’하는 서미스터를 사용한다고들 하지만 이 소자와 원리에 대해서는 많은 사람들이 무심코 넘어가는 경우가 많다. 따라서 이번 호에는 온도 센서에 대해 알아본다.
금속선이나 반도체의 저항 값은 온도에 따라 변화한다는 성질이 있다. 또 서로 다른 금속선의 매듭을 가열하면 기전력이 발생한다는 현상도 있다. 그래서 반대로 저항이라든가 기전력을 측정해 온도를 구하려고 하는 것이 온도 센서의 원리이다.
온도나 열을 검출하는 소자인 온도 센서는 각종 센서 중에서도 가장 일반적이고 광범위하게 이용되고 있다. 온도 센서에 응용되는 물리 효과는 물질의 열팽창, 제벡 효과, 전기 저항의 온도 특성, PN 접합의 온도 특성, 열방사, 광전 효과, 초전 효과 등등 여러 가지가 있다.
이 중에서 일반적인 것 몇 가지만 알아보자.
온도 센서의 종류
● 백금 측온 저항체
일반적으로 금속은 온도가 높을수록 저항이 커진다고 한다. 저항은 자유전자의 수가 많고 또 움직이기 쉬울수록 저항은 작아지는데, 금속의 경우는 온도가 높을수록 결정격자의 열진동이 격렬해져 자유전자의 움직임을 방해하므로 저항이 커진다.(반도체의 경우는 온도가 낮으면 자유전자가 결정격자에 붙잡혀 있으나 온도가 높으면 해방되어 움직일 수 있는 자유전자의 수가 많아지면서 저항이 작아진다)
금속의 저항이 온도 변화에 대한 변화율 즉, ‘저항-온도계수’를 이용해 온도를 가름한다. 금속의 저항을 측정해 온도를 구하는 측온 온도 센서를 ‘저항체’라고 한다. 측온 저항체의 실제 구조는 가느다란 백금선(순 금속의 전기 저항의 온도 계수는 0.3∼0.6%/℃의 값을 가지고 있다고 한다. 이 저항 변화를 브리지 회로로 검출한다. 순 금속의 저항률은 아주 작기 때문에 길고 가느다란 선으로 이용해야 할 필요가 있고 기계적, 화학적으로 강해야만 한다. 따라서 백금을 많이 이용하는 모양이다)을 운모나 글라스에 감아 보호관에 넣는 것이고, 이것을 액체나 기체 속에 닿게 해 사용하는데 보통은 휘스톤 브리지 회로를 이용한다.
백금 측온 저항체는 실험실 이외에서는 벗긴 상태로 사용되는 일은 적고 일반적으로 보호관에 봉입해 사용한다. 이것은 기계적으로 보호하는 것만이 아니라 백금선 및 인출선이 유해가스에 의해 열화되는 것을 방지하기 위해서이다. 따라서 보호관 내부도 청정해야 한다.
모든 센서가 그렇듯이 백금 측온 저항체도 어느 정도 측정 오차를 포함하고 있으나 넓은 온도 범위에서 가장 측정 오차가 작은 것은 백금 측온 저항체라 한다. 따라서 정밀도를 요하는 온도 계측에서는 이 센서를 사용한다.
● 열전 효과를 이용한 온도 센서
다음으로 온도센서에 많이 이용하는 물리적 성질이 바로 열전 효과인데, 2개의 다른 도체로 구성된 폐회로에 있어 그 접촉부에 온도차를 주면 이 폐회로에 열전류가 흐른다. 이는 그 폐회로에 열기전력(Thermoelectromotive force)이 발생한 때문이다. 이 현상을 열전 효과(Thermoelectric effect)라 한다. 이 열전효과에는 Seebeck효과, Peltier효과 및 Thomson효과 등 3종류가 있다.
① 제벡 효과(Seebeck effect)
2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되게 접속하고, 접속한 두 점 사이에 온도차를 주면 기전력이 발생해 전류를 흘리는 현상으로 접속점 1과 2에 각각 다른 온도 T1(저온)과 T2(고온)을 유지시키면 회로 내에 기전력이 발생하는 효과를 ‘Seebeck 효과’라 하고 유기전압은 온도차에 비례한다.(그림 1 참조)
② 펠티어 효과(Peltier effect)
금속 또는 반도체를 접속한 두 점 사
