서미스터란? NTC·PTC의 작동 원리와 용도, 회로 설계 실무 가이드

서미스터는 온도에 따라 저항이 변하는 저항기의 일종입니다. 이름은 “thermally sensitive resistor”, 즉 감온 저항에서 유래했습니다. 대표적인 종류는 NTC와 PTC입니다. NTC 서미스터는 온도가 올라가면 저항이 낮아지고, PTC 서미스터는 저항이 높아집니다.

이 가이드에서는 다음 내용을 살펴봅니다.

• 서미스터의 정의와 NTC·PTC 서미스터의 작동 원리
• 서미스터의 용도와 중요한 종류 및 사양
• 분압 회로와 ADC로 서미스터를 측정하는 방법
• 서미스터 회로 기호를 구분하는 방법

서미스터란 무엇일까요?

서미스터는 세라믹이나 폴리머 소재로 만든 감온 저항으로, 온도에 따라 저항이 크고 예측 가능한 폭으로 변합니다. 서미스터는 비선형 저항 소자에 속합니다. 일반적인 후막 칩 저항은 온도 1 °C당 저항이 약 0.01%(100 ppm/°C) 변합니다.

예를 들어, 흔히 사용하는 10 kΩ, 3950 K NTC 서미스터는 25 °C 부근에서 온도 1 °C당 저항이 약 4.4% 변하므로, 변화율이 수백 배 더 큽니다.

서미스터는 자체 온도를 측정하며, 이 온도는 접촉한 물체나 주변 공기의 온도에 따라 달라집니다. 서미스터에 흐르는 전류도 소자를 약간 가열해 측정값에 영향을 줄 수 있습니다.

서미스터는 어떻게 작동할까요?

서미스터는 온도에 따라 소재 내부에서 전류가 흐르기 쉬운 정도가 달라지는 성질을 이용합니다.

NTC 서미스터는 온도가 올라가면 전도성이 높아져 저항이 낮아집니다.

PTC 서미스터는 열을 받으면 전류가 흐르기 어려워져 저항이 높아지며, 스위칭 온도를 넘으면 급격히 증가하는 경우가 많습니다.

그림: NTC의 금속 산화물 결정립과 PTC의 결정립계를 나란히 비교한 모습.

NTC 서미스터의 작동 원리

NTC 서미스터는 주로 망간·니켈·코발트의 금속 산화물을 소결해 만든 반도체 세라믹으로 제작합니다. 이러한 산화물에서는 열에 의해 전도가 활성화됩니다. 온도가 올라가면 금속 이온 사이를 이동할 수 있는 전하 운반자가 많아져 전도성이 높아지고, 저항은 지수적으로 낮아집니다.

PTC 서미스터의 작동 원리

스위칭형 PTC 서미스터는 크게 다음 두 가지 형태로 제작합니다.

• 세라믹 PTC: 도핑한 티탄산바륨은 퀴리 온도보다 낮은 온도에서 낮은 저항을 보입니다. 퀴리 온도를 넘으면 세라믹 결정립계의 전위 장벽이 급격히 높아지면서 좁은 온도 구간에서 저항이 수 자릿수 규모로 증가합니다.
• 폴리머 PTC(PPTC): 결정성 폴리머 내부의 탄소 입자가 전도 경로를 형성합니다. 과전류로 폴리머가 가열되면 팽창하면서 입자가 서로 떨어지고 저항이 급격히 높아집니다. 냉각되면 전도 경로가 다시 형성되므로 PPTC 소자를 복귀형 퓨즈라고 부릅니다.

그림: NTC와 PTC 서미스터의 온도에 따른 저항 변화 곡선.

NTC와 PTC 서미스터의 주요 차이점

두 종류의 차이는 저항이 변하는 방향에 있습니다. 온도가 올라가면 NTC 서미스터의 저항은 낮아지고 PTC 서미스터의 저항은 높아지므로, 각각 다른 역할에 사용됩니다.

NTC 서미스터는 주로 온도 측정에, 스위칭형 PTC 서미스터는 주로 회로 보호에 사용됩니다.

서미스터의 용도: 어디에 사용될까요?

서미스터는 배터리 팩부터 3D 프린터까지, 낮은 비용으로 온도를 측정하거나 전원 투입 시 전류를 제한하고 과전류·과열로부터 회로를 보호해야 하는 곳에 사용됩니다.

그림: 배터리 충전기, 전원 입력부, 3D 프린터 핫엔드에서 서미스터가 사용되는 위치.

다음 두 용도에서는 서미스터를 온도 측정보다 전류 제어에 사용합니다.

• NTC를 이용한 돌입 전류 제한: 전원 입력부에 직렬로 연결한 전력용 NTC는 차가운 상태에서 일반적으로 수 Ω의 저항을 보여, 전원을 켤 때 벌크 커패시터의 충전 전류를 제한합니다. 이후 부하 전류가 소자를 가열하면 저항이 냉간 저항값의 작은 일부 수준으로 낮아집니다.
• PPTC 복귀형 퓨즈: 유지 전류 이하에서는 PPTC가 추가하는 직렬 저항이 작습니다. 트립 전류를 넘으면 가열되어 고저항 상태로 전환되고, 전원을 차단해 냉각될 때까지 고장 전류를 제한합니다.

3D 프린터에서는 펌웨어 설정을 정확한 서미스터 모델에 맞춰야 합니다. 서로 다른 특성 곡선을 가진 100 kΩ 서미스터는 출력 온도에서 측정값이 10~20 °C 차이 날 수 있습니다. 자세한 내용은 3D 프린터 히팅 베드 업그레이드 가이드에서 확인하실 수 있습니다.

구조에 따른 서미스터 종류

서미스터는 다양한 물리적 형태로 제작됩니다. 구조는 완성된 부품의 온도 범위, 응답 속도, 장착 방식을 결정하는 중요한 요소입니다.

그림: 유리 비드, 에폭시 디스크, SMD 칩, 금속 프로브, 전력용 NTC 디스크, 래디얼형 PPTC 등 서미스터의 종류.

SMD 서미스터는 SMD 저항에도 널리 쓰이는 0402, 0603 등의 표준 칩 패키지로 제공됩니다. 패키지 치수와 크기 코드에 관한 내용은 SMD 저항 패키지 크기 가이드를 참고하세요.

서미스터 사양: 데이터시트 읽는 방법

NTC 서미스터의 특성을 결정하는 주요 수치는 두 가지입니다. 25 °C에서의 저항인 R25와 저항-온도 곡선의 기울기를 결정하는 B값입니다. 허용오차, 방열 정수, 열 시정수는 정확도와 응답 속도에 영향을 줍니다.

아래 예시는 널리 사용되는 0603 패키지의 10 kΩ NTC인 Murata NCP18XH103F03RB의 사양입니다.

https://jlcpcb.com/kr/partdetail/MurataElectronics-NCP18XH103F03RB/C13564?from=naverblog1

서미스터 회로 구성: 분압 회로와 ADC

NTC 서미스터를 읽는 가장 일반적인 방법은 분압 회로입니다. 서미스터와 고정 저항을 전원 양단에 직렬로 연결하고, 두 소자 사이의 접점을 ADC 입력에 연결합니다. 펌웨어는 측정값을 저항으로 변환한 다음 온도로 변환합니다.

그림: 10 kΩ NTC 서미스터와 10 kΩ 저항을 마이크로컨트롤러의 ADC 핀에 연결한 회로도.

1. 고정 저항 선택: 필요한 온도 범위의 중간 온도에서 서미스터가 보이는 저항과 같은 값을 선택하세요. 실온 측정에서는 10 kΩ 저항과 10 kΩ NTC를 사용하면 25 °C에서 전원 전압의 절반이 출력됩니다.
2. 분압 회로 연결:NTC는 ADC 핀과 접지 사이에, 고정 저항은 ADC 핀과 전원 사이에 연결하세요. 그러면 온도가 올라갈수록 핀 전압이 낮아집니다.
3. ADC 기준 전압으로 분압 회로에 전원 공급: 분압 회로와 ADC가 같은 기준 전압을 사용하면 전원 변동의 영향이 대부분 상쇄됩니다. 이를 비율 계량 방식의 측정(ratiometric measurement)이라고 합니다.
4. 측정값을 저항으로 변환: 12비트 ADC에서는 R_NTC ≈ R_fixed × ADC / (4096 − ADC)입니다.
5. 저항을 온도로 변환: 베타 방정식, Steinhart-Hart 방정식 또는 데이터시트의 저항-온도(R-T) 표로 만든 조회 테이블을 적용하세요.

3.3 V 전원에서 10 kΩ, 3950 K NTC와 10 kΩ 고정 저항을 사용할 때 베타 방정식으로 계산한 값은 다음과 같습니다.

서미스터·RTD·열전대·IC 온도 센서 비교

서미스터는 일반적으로 중간 온도 범위에서 가장 낮은 비용으로 가장 높은 감도를 제공합니다. RTD는 선형성과 안정성이 더 좋고, 열전대는 가장 높은 온도까지 측정할 수 있습니다. IC 센서는 곡선 근사 계산 없이 선형 출력이나 디지털 출력을 제공합니다.

그림: NTC 서미스터, RTD, 열전대, IC 온도 센서의 온도 범위 비교.

서미스터는 대표적인 전자식 온도 센서의 네 가지 제품군 중 하나입니다.

서미스터 기호: 회로도에서의 NTC와 PTC

서미스터 기호는 저항 기호를 가로지르는 사선과 그 끝의 짧은 수평선으로 구성됩니다. 이는 저항이 물리량에 따라 비선형적으로 변한다는 뜻입니다. “−t°”는 NTC 서미스터를, “+t°”는 PTC 서미스터를 나타냅니다.

그림: IEC 직사각형 기호와 ANSI 기호로 나타낸 서미스터 기호 비교.

PCB에 서미스터를 배치하는 방법

서미스터는 감시할 열원 가까이에 배치하고, 측정에 영향을 주면 안 되는 다른 열원과는 떨어뜨리세요. 주변 구리 영역이 측정 온도에 영향을 주기 때문입니다.

그림: 배터리 커넥터 옆에 SMD NTC 서미스터를 배치한 PCB 레이아웃.

• 측정 대상과 열적으로 연결: 감시할 배터리, MOSFET 또는 커넥터 옆에 서미스터를 배치하세요. 회로 구성이 허용한다면 서미스터의 한쪽 패드를 측정 대상 부품 아래의 접지면 등 동일한 구리 영역에 연결하세요.
• 다른 열원에서 분리: 부하가 걸리면 뜨거워지는 레귤레이터, 전력 저항, 돌입 전류 제한용 NTC와 거리를 두세요. 간격을 늘리거나 기판에 슬롯을 가공하면 기판을 통해 전달되는 열을 줄일 수 있습니다.
• 공기 온도 측정에는 가는 연결 배선 사용: 공기 온도를 측정하려면 좁은 배선을 사용하고, 서미스터를 넓은 구리면과 분리하세요.
• ADC 입력 필터링: 긴 센서 배선에 유입되는 잡음을 줄이기 위해 마이크로컨트롤러 가까이에서 ADC 핀과 접지 사이에 작은 커패시터를 배치하세요.

결론

서미스터는 온도에 민감한 저항입니다. NTC 서미스터는 온도가 올라가면 저항이 낮아지고, PTC 서미스터는 저항이 높아집니다.

온도 측정이나 돌입 전류 제한에는 NTC 서미스터를, 과전류나 과열로부터 회로를 보호할 때는 PTC 서미스터를 사용하세요. R25와 B값을 측정 온도 범위에 맞추고, 유지 전류와 트립 전류를 보호할 부하에 맞추며, 열원과의 위치 관계를 고려해 기판을 설계하면 정확한 측정과 신뢰성 있는 보호에 도움이 됩니다.

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서미스터 자주 묻는 질문