6.온도에 의해 특성이 변화하는 전자재료, 전자부품

1.반도체 측온저항체

전자재료, 전자부품 등에는 온도에 의해 특성이 변화하는 것이 있다. 이 성질을 이용하면 온도 검출 소자로서 이용할 수 있다. 이러한 소자로서는 서미스터(Thermistors), 다이오드, 트랜지스터 등을 들 수 있다. 여기서는 가장 널리 사용되고 있는 서미스터에 관해 설명하기로 한다.

 

가) 서미스터 측온저항체

서미스터는 여러 가지 금속의 산화물(예컨대, 니켈, 망간, 몰리브덴, 코발트 및 Ge.Si 등의 산화물)의 분말을 가압 성형한 뒤 소결한 것으로서 전기적으로는 반도체이다.

엘리멘트의 크기가 작기(비드형(bead type) 서미스터의 경우 지름이 0.2~3 Φ 정도, 디스크형의 경우 지름이 2~30 Φ , 두께가 0.5~3 정도) 때문에 응답속도가 빠르며 저항값 변화율(즉, 감도)도 니켈의 10배 이상이다. 서미스터 측온저항체의 문제점은 일반적으로는 호환성이 없다는 점, 경년변화(관측값이 오랜 시간 동안 변하는 현상)가 있다는 점 등을 들 수 있다.

마. 열전대

2종의 금속 A, B를 접합하고 그 양쪽 접점에 각기 다른 온도 t1 • t2를 부여하면 그 폐회로에는 열기전력이 생긴다. (이러한 현상을 지벡 효과(Seebeck Effect)라 한다) 따라서, 온도와 열기전력의 관계를 알고 있으면 열기전력을 측정함으로써 온도를 알 수 있다.

열전대에 대해서는 일찍부터 KS에 의해 규격화되어 있으며 널리 사용되고 있다. 예컨대, 프로세스 제어 분야에서는 온도 측정의 60% 이상이 열전대로 되어 있으며, 표2-1에서도 알 수 있듯이 열전쌍의 온도측정 범위는 모두 상당한 고온성이기 때문에 공기조화설비 관계에서는 거의 사용되지 않고 있다.

각 제어 방식별 온도조절기 및 검출기의 일반적인 구성요소는 다음과 같다.

 

 

2.습도

일반적으로 우리나라 사람은 습도에 민감하여 공기조화설비에서 습도 대책은 구미에 비해 훨씬 높다고 할 수 있다. (예컨대, 미국에서는 "가습하고 있다"는 사실에 의해 빌딩의 수준이 1단계 높아지는 것으로 보인다)

습도를 측정하는 방법으로써는 크게 나누어 다음의 3가지를 들 수 있다.

상대습도를 검출하는 방법

건 • 습구 온도를 검출하는 방법

노점온도를 검출하는 방법

아래 표 2-3에 습도측정의 종류와 특징을 표시한 것을 참조하기를 바란다.

습도와 관련한 용어의 정의를 살펴보면 다음과 같다.

• 절대습도 x : 습공기에 포함되는 수증기의 중량과 건조공기의 중량과의 비(kg/kg[DA))

• 상대습도 Φ : 어느 습공기의 수증기 분 Dㅣp와 그것과 같은 온도 포화공기의 수증기 분압 Ps와의 비(%RH)

건구온도 t : 보통 온도계로 측정한 공기의 온도

습구온도 t’ : 보통 온도계의 감열 부를 가제 등으로 싸고 항상 수분으로 촉촉하게 해둔다.

습구 표면에서는 수분이 주위의 공기 중에 증발하기 때문에 증발열을 빼앗기며 어느 온도에서 안정된다. 이 온도계가 나타내는 온도를 습구온도라 한다.

• 노점온도 t” : 습공기 중의 수증기분 p와 같은 수증기분 Ps를 가진 포화수증기 온도

 

가. 상대습도 검출 방법

 

가) 엘리멘트의 신축에 의한 것

흡수성인 물체 중에는 습기를 흡수함으로써 늘어나는 것이 많이 있다. 이를 이용하여 엘리멘트 주위의 상대습도를 검출하려는 것으로써 모발, 목재 조각, 무명실, 골드 비토즈 스킨, 나일론 필름 등이 이에 해당한다. 이 중 잘 알려진 것이 모발이며 주위 상대습도 변화에 수반되는 모발신축의 메커니즘은 다음과 같다.

모발을 확대하여 조사해 보면 수많은 작은 구멍이 뚫린 세포로 이루어져 있으며 그 작은 구멍에 모세관 현상에 의해 주위 상대습도의 변화에 따라 수분을 흡수(흡습시) 또는 방출(탈습시)함으로써 신축한다.

하지만 질이 좋은 모발을 입수하기 어려운 점 또는 제작공정상의 제품 제조율이 나쁜 점 등으로 인해 나일론 필름이 모발 대용품으로 사용되고 있다.

그 원인으로서는 나일론 필름은

양산이 가능하기 때문에 균질인 것을 얻을 수 있으며 값이 싸다.

신축량이 모발에 비해 크기 때문에 사용하기 쉽다.

여러 차례의 개량으로 인하여 결점이었던 온도에 의한 영향과 시정 수 등도 거의 모발과 같은 정도까지 개선되었다는 점 등을 들 수 있다.

 

나) 전기저항식 습도 검출 엘리멘트

 

감습부의 함유 수분이 측정하는 기체의 습도와 평형을 유지했을 때의 전기저항을 측정하여 감습부의 저항 특성에 의해 상대습도를 구하는 방법이다. 그림 2-4는 현재 널 리 사용되고 있는 감습저항체의 한 예이다. 이는 플라스틱판 위에 순금의 박막(blind)을 빗살 모양으로 붙여 전극으로 하고 그 표면에 염화리튬의 희박성 수용액과 폴리 비닐알코올에 용해한 콜로이드상 물질을 바른 다음 다시 먼지, 물의 응결, 외상을 방지하기 위해 다공질인 보호 피막으로 덮은 것이다. 주위 공기의 상대습도 변화를 전극 사이의 저항치 변화로서 알 수 있다. 상대습도와 저항값은 대략 RO 1/RH의 관계이다. 또한, 염화리튬의 농도에 의해 상대습도의 검출 범위가 달라지며, 많은 종류로 나뉜다. 그림 2-5는 엘리멘트의 특성을 나타내고 있다.

 

 

 

검출단은 다수의 온도계수를 가지고 있고 실제로 제어용 또는 지시• 기록용으로 사용하는 경우에는 온도와 습도 조건에 따라 선택용 그래프에서 적당한 것을 선택한다. 만약 요구하는 제어 습도가 두 개의 검출단 특성곡선 중간 부근에 있는 경우에는 위쪽에 있는 특성곡선 또는 아래쪽에 있는 특성곡선의 어느 쪽이라도 사용할 수 있지만 검출단의 경년 변화를 고려해서 아래쪽에 있는 특성곡선(습도가 낮은 것)의 검출단을 사용하는 것이 바람직하다.

일반적으로 염화리튬 검출단의 저항은 상온, 청정공기 중에서 매년 1~2% RH 정도 변화한다. 이 경년변화는 낮은 습도 범위의 검출단일수록 크고 주위의 온도가 높을수록 빨리 진행되므로 보통의 수명을 유지하기 위해서는 55°C 이상에서 사용하는 것은 피하는 것이 바람직하다.

또한, 검출단은 전해질 조직이기 때문에 이온을 이행시키는 물질, 예를 들면 산성 증기, 아황산가스, 암모니 아, 기타 알칼리성 증기나 염분을 포함하는 공기에 노출하면 침식된다. 주변 사용 여건에 대해서는 메이커의 카탈로그를 참조하기를 바란다. 현장에서 주의해야 하

는 것은 앞에서도 설명했듯이 전해질 조직이기 때문에

테스터기 등에 의해서 직류를 걸면 분극 작용을 일으켜 특성이 달라진다는 점이다. 입력회로에 교류브리지를 사용하고 있는 것은 그 때문이다.

이상과 같이 취급에는 주의해야 할 점이 있지만 고감도의 감습소자로써 가장 널리 사용되고 있다.

 

나. 건 •습구 온도 검출 방법

 

건 •습구 온도계의 원리를 응용하여 건구온도와 습구온도를 전기적으로 측정하고 이를 계기로 연산하여 지시• 기록하는 것을 말한다.

건 •습구 온도계란 그림 2-6과 같이 2개의 같은 모양, 같은 크기인 온도계를 나란히 놓고 한쪽 감온부를 가제 등으로 싼 다음 깨끗한 물로 습기를 가지게 한 것이다. 가제 등으로 감온부에 습기를 준 쪽을 습구로 하며 건조되어 있는 쪽을 건구라 한다. 습도를 측정하려는 기체 안에서 건구의 온도와 습구가 충분히 젖어 일정해졌을 때의 온도를 측정하고 그 온도 차로부터 상대습도를 구한다. 통풍형 건 •습구 온도계를 사용하는 경우에는 공기선도를 통해 읽을 수가 있지만 수식을 사용하여 정확하게 산출할 수도 있다.