산업용 전기히터 및 전열응용장치의 온도제어에 사용되는 TEMP. CONTROL PANEL, MCCB panel, graphic panel에 사용되는 온도제
어 SYSTEM의 용어,제어 동작의 원리,주의 사항을 종합적으로 아래와 같이 설명하고자 합니다.
1. 온도계란?
[1]온도측정법
온도가 다른 2개의 물건을 장기간 접속시키면 나중에는 같은 온도가 되며 이것을 열 평형이라고 한다.
열역학의 제 영 법칙(The Zeroth of Thermodynamics).
접속식 온도측정은 이 이론을 기초로 한 것으로 온도를 측정하고저 하는 물체에 하는 온도계의 측정부를 열 적으로 잘 접속하여 양자
가 같은 온도 가 된 상태에서 온도계의 눈금을 읽는다.
[2] 온도계의 종류
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2.온도제어란?
제어방식에는 피드 팩(Feed back)제어와 시퀸스 제어가 있고 온도제어는 피드 백제어의 하나 이다.
[1] 온도제어의 구성 예
온도를 제어하기 위한 기본적인 구성을 나타낸다.
측온체 : 온도를 전기신호로 변환하는 소자를 파이프관으로 보호한 구조 로 되어있고 이소자를 온도검출 하고져 하는 위치(검출부)에 설
치사용한다.
조작기 : 전기로 등을 가열 또는 냉각하는 기기로서 히타에 통전하는 전류를 단속하는 전자개폐기, 연료의 공급정지를 행하는 밸브등을
말한다.
전자온도 조절기 : 측온체의 전기신호를 받아 목표(설정)온도와 비교하여 조작기에 조절신호를 보재는 기기이다. 내부에 대용량의 전자
계전기를 갖고 조작기의 기능을 겸한것도 있다.
3.제어대상의 특성
온도제어에서 최적 제어를 하기위해서는 온도조절계와 측온체를 선정하기전에 제어대상이 열적으로 어떠한특성을 가지고 있는지를 충
분히 알고 있어야 한다.
*제어대상의 특성
열 용량 - 가열속도를 표현하고 로 용적의 대소가 관계한다.
정 특성-가열 능력을 표현하고, 히-타 용량의 대소를 결정한다.
동 특성- 가얼초기 돠도응답현상을 나타낸다.
히-타 용양, 로의 용적 대소가 복잡한 관계를 가진다.
외란- 온도변화의 원인이 되는 것이다.
예를 들면 항온조의 문을 개폐하는 등은 외란의 원인이 된다.
4.최적제어란?
제어계에서는 반듯이 소비 시간이 있고 온도를 곧 새로운 목표치에서 제어할 수는 없다. 일반적으로 응답을 빨리 하면 제어기의 오버슈
트와 헌팅이 발생하고 그것을 없게하면 응답이 늦어진다.
5. 온도제어의 종류와 특징
[1] ON-OFF동작
설정한 온도에 이르면 OFF되고 온도가 낮아지면 ON되는 방식.
온도가 안정되지 않고 설정온도를 중심으로 하여 고저의 물결이 생긴다.
온도가 높아져서 OFF되는 점과 낮아져서 ON되는 점을 동작간격 또는 조절감도라고 하는데 이것이 좁으면 물결치는 것이 작어지나 ON-
OFF의 주기가 짧아져서 전자개폐기 전자변등의 손상이 크다.
냉동기 또는 전자변(버너)을 사용할 때 이 방법을 사용한다.
[2] 헌팅(Hunting)과 오버슈트
ON/OFF 동작에는 설정치에 대하여 파형의 제어특성을 나타낸다.
이 파형을 헌팅이라고 말하고 헌팅폭은 다음 식으로 나타낼 수가 있다.
이 헌팅폭이 작을수록 좋은 제어를 할 수 있다.
또 전원 투입시의 행하여지는 때를 오버슈트라 말한다.
헌팅의 진폭은 아래의 식으로 표현된다.
L EmX : 헌팅 진폭의 최대값
EmX ---- G + D L : 지연시간
T D : 조절감도
T :
G : 히터 ON시 평형온도와 HEATERFF시 평형온도의 차
[3] 조절감도
1점으로 ON/OFF하면 출력이 채터링 하거나 노이즈의 영향을 받기쉽게 된다.
그 때문에 통상 ON/OFF에는 히스테리시스를 갖게 되는데 이폭을 조절감도(불감대)라고 말한다.
냉동기 콤푸레샤등 ON/OFF을 피하지 않으면 안되므로 조절감도를 크게 하여야 한다.
예)온도렌지 섭씨 0-400 도의 온도 조절기에 조절감도가 0.2%일 경우는
D=0.8% 이므로 설정값을 100도 C로 하면, 99.2 도C에서 ON합니다.
[4] 비례(Proportion)동작(P)
설정치에 대한 비례대를 갖고 그중에서 조작량(제어출력량)이 편차에 비례한 동작을 비례동작이라고 말한다.
현재온도가 비례대보다 낮으면 조적량은 100%, 비례대의 동작범위안에서의 조작량은 편차에 비례하고 설정치와 현재온도가 일치하면
조작량은 50%로 된다.
결국 ON/OFF동작에서 발생하는 헌팅 현상을 줄일수 있으며 순조로운 제어효과를 가질수 있다.
시분할 비례와 주기
* 릴레이 출력 및 SSR출력등 ON/OFF펄스형의 출력에서는 비례대 사이에서 출력은 일정한 주기로 ON/OFF를 되풀이하고 ON시간이 편
차에 비례한다.
* 설정치와 제어온도가 같을 때 ON/OFF의 시간비는
* 이 ON/OFF의 주기를 비례주기라 하고 이동작을 시분할비례 또는 시간 비례라 한다.
옵셋트(off-set)
* 비례동작에는 제어대상의 열용량, 히-타 용량 및 설정치등의 언발런스로부터 안정 상태에 도달하여도 설정치대하여 일정한 오차를
발생한다. 이 오차를 OFF-SET도 작게 되지만 너무 작게 하면 헌팅현상이 발생한다.
[5] 적분(Integral)동작(I)
비례동작에는 반드시 OFF-SET가 발생된다. 그래서 비례동작에 적분동작을 가하여 시간이 경과되면 OFF-SET가 소멸되어 설정치와 제
어온도가 일치하게 된다.
적분시간
적분동작의 강도를 나타내는 단위로, Step 상태의 편차에 도달할 때까지의 시간을 나타내며 적분시간이 짧으면 적분동작은 강하게 된
다. 그러나 적분시간을 너무 짧게 하면 정정 동작이 강하게 되어 헌팅이 생기는 원인이 될수도 있다.
[6] 미분(Differential)동작(D)
비례동작이나 적분동작은 제어결과에 대한 정정동작이므로 당연히 응답이 지연된다.미분동작은 그 문제를 해결하는 것으로, 편차가 발
생하는 경사(미분계수)에 비례한 조작량으로 정정동작을 하는 것을 미분동작이라 한다. 즉, 급격한 외란에 대하여 커다란 조작량을 가하
여 신속히 정정동작을 한다.
미분시간
미분동작의 강도를 나타내는 단위로 경사 상태의 편차에 대하여 미분조작량이 비례동작과 같은 조작량에 달할 때 까지의 시간, 실행하
는 미분시간이 길어지면 미분동작에 의한 정정이 강하게 나타난다.
[7] PID동작
PID동작은 비례도작, 적분동작, 미분동작을 조합한 것으로 지연시간이 있는 제어대상에도 뛰어난 제어결과를 가져온다.그것은 비례동
작으로 헌팅이 없이 매끄럽게 제어를 할 수 있고 적분동작으로 옵셋트를 자동적으로 수정하고 미분동작으로 외란에 대하여 응답이 빨리
될수가 있기 때문이다.
ARW기능
PID 또는 PI계의 제어로 일어나는 적분치는 스타-트시에 큰 편차로 적분 한다. 그러므로 온도가 설정치에 도달할 경우에는 상당히 큰 적
분치가 되므로 온도가 설정치에 도달하였을 때는 과대한 적분조작양에 의하여 오버 슈트가 발생하게 된다.
이 관계로 온도가 비례대의 하한 A점에 도달할 때까지의 편차는 적분에서 제외되고 A점부터 적분을 개시하고, 비례대내에 있어서도 적
분전체의 예측치를 적분 조작량에 가하는 것에 따라 오버슈트를 방지할 수 있는 기능이 설계되어 있다. 이것이 ARW 기능이다.
제어결과고 오버슈트가 큰 경우에는 ARW의 설정치를 작게 한다. ARW의 설정치를 작게 한다. ARW를 너무 작게 하면 설정치에 도달할
때까지의 시간이 길게 된다.
[8] 2자유도 PID 동작
지금까지의 PID 동작
지금까지의 PID제어에는 1오버슈트가 되는 것을 방지하면 외란이 있을 경우 안정이 지연된다.
또 2외란에 대하여 안정을 빨리 하면 오버슈트가 되어 목표치로의 응답이 나쁘게 되고 인위적인 동작이 된다. 2차유도 PID제어에는 3오
버슈트가 없고 응답시간이 빠르고 외란시에 빨리 안정이 된다.
6. PID 정수의 재조정
스텝응답법에 있어서 측정한 PID정수는 25%정도를 최적으로 하는 조정법이 있고 최적조정법의 최대공약수를 가지고 있다.
이와 같이 했을 경우, 측정한 PID정수도 문제는 없다. 그러나 용도에 따라서 측정한 PID정수가 불합리한 경우도 있다. 그때는 우측에 있
는 그림예를 참고로하여 PID의 재조정이 필요하다.
[1] 안정이 될 때까지 다소의 시간(조정시간)을 요하여도 문제가 없지만 오버슈트가 발생하여 곤란할 경우에는 비례대를 크게한다.
[2] 오버슈트는 문제삼지 않습니다만 빨리 안정된 제어상태호 되게하고 싶을 경우는 비례대를 작게한다. 다만 비례대를 작게하면 헌팅
이 발생한다.
[3] 완만한 헌팅이 발생할 경우나 오버슈트를 반복하여 발생할 경우에는 적분동작이 당한 경우가 원인이므로 적분시간을 크게 하든
가, 비례대를 크게 하면 헌팅이 작게 된다.
[4] 짧은 주기로 헌팅이 발생할 경우에는 제어계의 응답이 빠르고, 미분 동작을 강하게 할 경우이며 이때에는 D를 작게 설정한다.
7. 용어 설명
[1] 3위치동작
3개의 제어상태를 갖게한 조절동작을 말한다.
히-타의 ON상태
히-타와 냉각의 OFF상태, 냉각의 ON상태 등 3개의 제어상태가 있는 동작이다.
[2] 편차
목표치(설정치)에 대한 제어량의 차이를 말한다.
[3] 전지시
설정목표 범위 전체의 검출값을 지시하는 방식을 말한다.
[4] 편차지시
설정치에 대한 검출값의 차이를 표시하는 방식을 말한다.
[5] 번-아우트 기능
열전대 단선시 출력 릴레이를 OFF하는 기능을 말한다.
[6] 열응답
측온체의 열에대한 응답시간을 말하고 통상 63.2% 혹은 90% 값으로 표시된다.
[7] 냉접점 보상회로
열전대 입력의 계기에 있어서 온도조절계 열전대 접속단자의 온도를 검출 하여 0 C에 놓였을 경우와 동등의 열전대 신호가 조절계에 주
어지도록보상하는 회로이다. 이 회로가 고장나면 조절계 단자 부분의 온도(실내온도)가 실제의 측정온도에 가산된 상태로 된다.
[8] 보상도선
열전대와 거의 같은 전기적 특성을 갖고 있는 한쌍의 도선을 말하며 열전대의 단자와 냉접점과의 사이를 이것으로 접속하고 열전대 단
자부분의 온도변화에 있어서 발생하는 오차를 보상하기 위하여 사용한다.
보상도선을 사용하지않고 배선을 할경우는 열전대 단자부분의 온도와 온도조절계의 센서 단자부의 온도 차이가 오차로 된다.
[9] 3선식
측온저항체에 있어서 저항소자의 한단자에 2선, 다른 단자에 1선의 도선을 접속하고 리-드선을 연장할때의 도선 저항의 영향을 제거하
는 방식으로 당사 온도 조절기의 저항식은 전부 이 방식을 채용하고 있다.
[10] 시프트 셋트 동작
주설정온도에 대하여 이미 설정한 온도폭만큼 변경한 값으로 제어동작을 하는 것을 말한다.
[11] 전송출력
제어동작과는 전혀 무관한 독립된 전류출력 기능이 있다.
이것은 측정가능온도 범위내에서 센서로 부터의 입력량 혹은 설정치를 4-20mA 로 변환하여 아나로그량을 출력하는 것으로 기록계 등
에 접속할 수 있다.
[12] 전류출력
전류출력형은 ON/OFF펄스형(시분할비례)과는 달리 출력이 연속적인 것으로 연속출력형이라 불리워 집니다. 이동작은 비례대내에서 동
작하며 비례대 하한치일경우 20mA며 상한 치일 경우에는 4mA를 츨력하고 설정치와 제어치의 변화에 따라 비례하게 출력합니다.
이러한 출력은 전력조정기등과 조합하여 사용된다.
단4-20mA전류치는 부하저항이 600 이하에서만 정상으로 출력이 된다.
[13] 전압출력(SSR)
전압출력은 그 자채로 부하를 제어하는 것은 거의 없고 외부 SSR의 구동을 목적으로 하고 DC5-12V, 10-20mA가 주로 사용된다.
예를 들면 온도조절기 자체에 내부 공간이 큰용량의 SSR를 탑재할 수 없는 경우 이 전압출력을 사용하고 외부 SSR을 구동하여 큰 용량
의 제어가 실행된다.
SSR구동용 출력을 다른 용도로 사용하고자 할 경우에는 필히 사용하고자 하는 부하의 소비전력을 고려하여야 한다.
[14] 리니아라이즈(직선성보정)
열전대나 측온저항체등 온도의 입력은 일반적으로 비직선성 때문에 보정할 필요가 있습니다. 이것을 리니아라이즈라고 한다.
아나로그식의 온도조절기에서는 눈금간격을 변환하여 보정하고 디지탈식은 2차 관수곡선 으로 근사치를 계산하여 소트(Soft)처리 한
다.
[15] 경보모-드
상한경보 : 설정치보다도 입력이 높은 온도에 있을때, 상한경보 설정치 이상에서 ON동작이 된다.
하한경보 : 설정치보다도 입력이 낮은 온도에 있을때, 하한경보 설정치 이하에서 ON동작이 된다.
하한 대기경보 : 하한 경보에 대기신호 기능이 부과된 것이다.대기신호 기능이 부과된 것이다. 대기신호 기능은 전원 투입시에는 입력
이 하한경보
설정치에 한번 도달할 때까지 경보출력을 내지 않고, 대기하는 동작 이다.
상.하한경보 : 상한 경보와 하한 경보를 갖춘 것으로 상.하 어느 방향으로든 설정치 를 넘어서면 경보출력을 ON한다.
상.하한 대기경보 : 상한경보와 하한 대기경보를 갖춘 것으로 하한 경보쪽에 대기 신호기능이 부과되어 있다.
상하한 범위경보 : 설정치를 중심으로 상. 하한 설정치 범위내에서 동작하는 모-드 로 상.하한 경보의 역동작이 된다.
정. 역동작 절환 : 역동작은 설정치보다 온도가 낮을때 출력량이 크게 나타나는 동작 을 말한다.가열로에는 역동작으로 사용합니다.
정동작은 이것과는 반대의 동작을 행하고 냉각의 경우등에 사용한다.
히-타 단선 검출기능 : 히-타 단선 검출은 히-타에 흐르는 전류를 변류기로 일정한 값의 전류로 변환하여 검출한다. 온도조절기의 출력
이 ON 때에 히-타 단선 검출이 이루어진다.
따라서 온도조절기의 출력이 OFF때에 히-타 단선이 발생하여도 검출할 수 없다.
8. 온도조절계의 간단한 검사방법
온도조절계의 측정정도 등의 검사는 전용 설비가 필요하지만 다음과 같은 방법으로 기능 의 간단한 확인이 가능하다. 아래에 정상적인
경우의 동작을 예로 한다.
아래와 같이 동작을 하지않을 경우는 온도조절기의 불량으로 간주한다.
[1] 열전식 입력의 경우
센서의 입력 양단자를 연결-실온을 표시한다.
설정치를 실온으로 하여 출력이 ON/OFF 되는가를 확인하기 바란다.
센서의 양단자를 분리- 출력이 OFF.(최대지시치 표시)
[2] 저항식 입력의 경우
센서의 입력단자 A,B,B+을 도선으로 연결- 출력이 ON(최소지시치 표시).
고기능 온도조절계인 DX시리즈,AT96,P100은 출력이 OFF로 된다.
센서의 입력단자B,B+을 도선으로 연결하고 A단자와 B단자는 분리- 출력이 OFF.(최대 지시치 표시)
센서
1. 센서란
"sense"는 『느낀다』 『지각한다』 등의 의미를 갖는 라틴어에서 온 말이며 원래는 인간의 감각 작용을 가르치고 있다. 사람은 눈,귀,
코,피부,혀에 의해서 광,색,음,열,냄새,맛 등의 외계 자극을 느끼는 것이 가능하다. 고대인은 이들의 감각 기관에 의해서 자연계의 특성
을 원시적으로 어떤가 이해하고 얻어진 지식 하에 자연을 이용하는 기술을 습득해 왔다. 오래 전부터 '측정이 불가능한 현상은 이것을
이용하는 것도 불가능하다'고 말하고 있지만, 인류는 감각 기관에 의지할 뿐만 아니라 더욱 더 측정과 해석에 적합한 작용을 하는 각종
의 센서를 개발하여 인간의 감각 기능을 확대하고 보다 나은 과학 기술의 이용을 실현해 왔다.
최근의 센서는 기술의 진보와 더불어 복잡하게 걸쳐 있고 이것을 체계화하여 총괄적으로 파악하는 것은 곤란하다. 따라서 지금 단계로
서는 센서의 정의로서 일반화된 것은 없지만 구태여 센서의 정의를 내려보면 『센서라는 것은 인간의 오감(시각, 청각, 촉각, 후각, 미
각)을 대신해 대상의 물리량을 정량적으로 계측해 주므로 인간의 5감에서도 느낄 수 없는 현상(물리량)을 검출하는 장치라 말할 수 있
다』다음은 센서의 대상으로 되는 정보량의 분류를 나타낸 것으로 그 범위가 넓다는 것을 알 수 있다.
2. 센서의 정의
센서를 인간 5감과의 비교로서 분류하면 빛, 음, 자기, 습도, 압력, 가스, 습도 등의 센서가 있다. 이들 중에서 빛, 음, 자기, 습도, 압력
등의 센서는 "물리량"을 검지하는 센서이다. 이것에 대해서 가스나 습도를 검지하는 센서는 말하자면 "화학량"을 검지하는 센서이고, 우
리들의 후각과 미각에 대응하고 있다. 현재의 경우에 이들 화학량의 센서는 물리량 센서에 비해서 종류도 적고 그 성능도 불충분한 것
이 많은 것이 현재이다.
(1) 온도 센서
온도 센서는 사용 방법에서 접촉형과 비접촉형으로 나눌 수 있다. 접촉형은 고체ㅑ액체ㅑ기체 등에 센서를 직접 접촉시키는 것이고, 비
접촉형은 센서를 측정 대상에서 분리해 그것에서 방사되는 적외선을 검출해서 측온하는 것이며 그 종류로는 열전대, 바이메탈, 서미스
터, 보로미터(bolometer), 감온 페라이트 등이 있다.
(2) 압력 센서
압력 센서로서 이용되는 고체 소자에는 반도체 압전체 및 강자성체가 있다. 그 용도는 기상에 있어서 기압의 계측, 의료용에 있어서 혈
압, 공장에 있어서 유압, 가스압의 계측 등 다양하지만 압력 센서는 온도 센서 등에 비해 개발이 늦고 현재의 경우에 측정용으로 사용되
고 있는 것에 지나지 않는다.
(3) 자기 센서
어떤 종류의 물질은 자장 중에 놓이면 전기적인 성질이 변화하므로 자장의 유무나 강도의 변화를 전기 신호로서 인출할 수가 있다. 자
기 센서는 이와 같은 자기 효과를 이용해서 단순한 자기를 검출할 뿐만 아니라 근접 스위치나 회전 센서 또는 전류 센서나 온도 센서로
서 응용한 것이다.
(4) 광 센서
빛은 전기 신호로 변환하는 광센서는 일렉트로닉스의 발전 중에서 정보 입수의 한 가지 수단으로서 대단히 중요한 역할을 하고 있
다. 예를 들면, 컴퓨터의 입력 장치에 사용되는 테이프 리더, 카드 리더, 카메라의 노광계, 스토로보(strobo)의 발광량 제어 등 광센서가
중요한 역할을 하고 있다. 또한 역의 자동검찰기, 자동 도어에 있어서 사람의 검지,화재를 알리는 연기 감지기 등에도 광센서가 사용되
고 있다.
(5) 가스 센서
가스 센서는 원래 탄광이나 화학 공장 등의 방제용으로서 가연성 가스나 독성 가스의 검출이나 여러 가지 가스 분석, 계측기용을 목적
으로서 연구 개발이 진행되고 있으며, 최근에 일반 가정의 가스 누설에 기인하는 폭발 방지를 위한 경보기용으로서 널리 이용되고 있
다.
(6) 습도 센서
최근에 냉, 온방설비가 보급되므로서 습도 조절에 대한 요구도 높아지고 있다. 이것은 쾌적한 생활환경을 만드는데 온도만이 아니고 습
도도 중요한 요소인 것이 확인되었기 때문이다. 또한 공장의 생산 공정에 있어서도 습도관리를 필요로 하는 곳이 많고 습도제어는 중요
시 되어왔다.
3. 센서의 재료
(1) 반도체 재료
반도체 재료가 본격적으로 센서로 응용되기 시작한 것은 1900년대 말 부터이고 주로 광도전 재료, 예를 들면 Ag2S 등의 유화물,
ZnO 등의 산화물이나 ZnSe 등의 셀렌화물이 촬상관의 광전재료로서 또한 전자 감광 재료로서 증착기술을 중심으로 개발이 진행되어
왔다.
한편 금속 반도체로서는 Ge, Si, Se, Te 등이 광센서, 자기 센서, 온도 센서로서 또한 최초에는 압력센서로서는 이용되기 시작하고 그
중에서도 Si는 반도체 이론의 확립과 함께 응용이 확대되고 pn 접합 기술, 미세가공기술, 표면처리기술과 전극형성 조립기술 등의 급속
한 진보에 의해 포토다이오드를 비롯해 현재에는 2차원 어레이어에 의한 고체 촬상소자나 의용FET센서, 또한 자동차 탑재용 압력센서
등으로의 응용이 활발히 진행되고 있다. 센서에 응용되는 반도체 재료는 위의 표와 같이 주로 광센서에 집중되고 있다.
(2) 세라믹 재료
세라믹 재료를 센서로 응용하는 시도가 최근 급 피치로 진행되고 있다. 즉, 재료 기술의 발전에 의해서 많은 비금속 무기물질이 재료로
서 사용하게 되고 우수한 기능이 이용될 수 있도록 되었기 때문이다. 이 중 많은 것은 센서로서도 사용한다. 세라믹의 본래의 특성인 내
열, 내식, 내마모성이 이들의 우수한 센서 기능을 유감없이 살리고 있다. 검출되는 정보도 전기, 자기, 열, 위치(속도, 가속도를 포
함), 빛 이온, 가스, 습도 등 다양하다. 센서용 세라믹 재료는 다음과 같다.
(3) 유기 재료
센서에 이용되는 유기 재료를 기능 면에서 분리하면 아래와 같이 된다.
유기 센서 재료가 응답하는 자극은 물리적 자극과 화학적 자극의 2 종류이다. 이들의 자극에 대해서 전기적인 특성을 변화(전기적 변환)
하는 것이 센서 재료로서 바람직한 것이다. 그러나 전기적 변환 이외의 자극 응답도 충분히 센서 재료로 이용할 수 있다. 이하는 표의
분류에 따른 대표적인 유기 센서 재료의 기능을 설명한다.
① 전계감응기능
전계감응 기능을 분류하면 그림과 같이 압전효과, 전기광학효과, 전기화학반응 등이 포함된다. 압전효과를 나타내는 고분자에는 폴리불
화비닐덴(PVDF) 이외에 폴리아크릴 니트릴, 아크릴산 코토리아 등이 있다. 전기광학 효과로서 일렉트로루미네슨스(EL), 일렉트로다이
크로이즘, 전기 광학적 광산란 등이 유기 센서 재료의 기능으로서 중요하다.
② 자계감응기능
자계감응 효과로서는 제만 효과, 홀효과, 죠셉슨 효과 또는 자기공명 흡수 등이 있다. 유기재료로서 관계 깊은 것이 자기공명 흡수이고
유기재료 일반으로서 인정된다. 특히 안정한 유기 래디컬은 전자스핀 공명흡수의 스핀 프로브로서 널리 사용되고 있다.
③ 응력감응기능
압력과 왜형이 가해지면 여러 가지 효과가 나오지만 그들 중에서 유기 재료로서 흥미가 있는 것이 가압 도전성이다. 이것은 압력에 따
라 전기 저항이 절연 상태에서 수십Ω 이하로 급속하게 가역적으로 변화하는 현상이다. 가압도전성을 나타내는 고무가 주목되고 가압도
전성 고무, 가압도전성 에라스토머, 감압도전시트 또는 감압시트 등이라고 불린다.
④ 광감응기능
빛 조사되었을 때 발생하는 변화로서 이용되고 있다. 유기 반도체의 광도전 효과에는 폴리비닐+증감계가, 집전효과에는 PVDF, TGS가
또한 편광에는 PVA/I2 필름이 사용되고 있다.
⑤ 온도감응기능
유기 반도체는 세라믹 반도체와 같은 온도-저항 특성(NTC)을 나타낸다. 가역화폴리염화비닐 또는 폴리우레탄에 Na 테트라시아 노하라
키노 등을 분산시킨 유기 재료가 플라스틱 서미스터 재료로서 이용되고 있다.
(4) 금속재료
금속재료는 동질의 것이라도 그 사용 목적과 사용 방법에 따라서 개성화 되어 있다고 말할 수 있다. 최근에는 아몰포스 합금, 금속 초미
립자 등 재료의 새로운 질과 형태가 얻어지게 되고 센서용 금속 재료로서 응용의 가능성이 확대되고 있다. 아몰포스합금의 내식성과 자
성, 은 등 초미립자분의 촉매성 등이 주목되고 있으며, 형상기억합금, 금속수소화합물 등 신 기능의 응용도 진행되고 있다. 이와 같이
금속 재료의 센서 응용 범위는 점차로 확대 심화되고 있지만 재래의 금속 재료에 대한 적절한 이용이 역시 대세를 점하고 중요한 지위
를 유지하고 있는 것에는 변함이 없다고 생각된다. 센서의 구성상 중요한 역할을 맡는 금속재료로는 다음 표와 같다.
(5) 복합재료
복합 재료에는 여러 가지 정의가 있지만 보통은 넓은 의미로 해석해서 『다른 재료를 조합해서 만들어진 것이므로 만들어진 재료의 안
에서 원래 재료의 특성이 각각 충분히 살아있고 복합화 하는 것에 의해서 단일 재료에서는 전망할 수 없는 새로운 기능을 갖게 된 재
료』라고 말할 수 있다. 복합 재료에는 합체계와 생성 계로 구별되는 데, 합체 계라는 것은 복합 전후에 있어서 구성 소재의 재질, 분
율, 형태가 거의 변화하지 않는 것을 말하고, 생성 계는 복합 전후에 있어서 위의 3요소가 꽤 변화하는 것이다. 현재 실용화되고 있는 복
합 재료에는 대부분이 합체 계이고 생성 계에서는 일 방향 응고 합금 등 몇 개의 예 밖에 없다.
4. 센서의 예
(1) 힘 센서
힘을 검출하는 것(소자)이 힘 센서이다. 가장 많이 사용되고 있는 것에 변형 게이지 선(strain gauge wire)이 있다. 게이지 선은 가느다란
금속선으로 그것이 늘어났을 때 전기 저항이 크게 되고, 줄어들었을 때 전기 저항이 작게 된다. 반대로 전기 저항의 변화를 변화시키면
변형 량의 변화, 따라서 힘의 변화를 알 수 있다.
힘 ≒ 변형 ≒ 전기 저항
◈ 플레임 센서
불꽃(flame)도 전기를 통하는 성질이 있다. 이것을 이용하면 가스 난방기에 있어서 불이 타다 말고 꺼짐을 검지할 수가 있다. 불꽃의 중
심에 접촉하도록 2개의 금속 막대를 끼워 넣고 이 사이에 전압을 가해두면 전류가 흐르지만 불꽃이 꺼지면 전류가 흐르지 않게 되어 이
것을 검출하여 자동적으로 가스 밸브가 열리게 된다.
◈ 위치결정 센서
공작기계에서는 피공작물도 플레임(frame)에 정확히 고정할 필요가 있으나 바이트에 접촉 자를 조합시켜 접촉자의 위치를 설정하고 이
것이 피공작물에 접촉하였을 때 미소한 전류가 흐르게 한 위치결정 센서가 있다. 이것을 공작하면서 절삭 방법을 동시에 측정할 수가
있는 것이다.
◈ 거짓말 탐지기
몸의 어느 부분에 전극을 부착하여 전압을 가해두면 거짓말을 할 때마다 식은 땀이 나오기 때문에 피부 표면의 저항이 작게 되어 전류
가 많이 흐르는 것으로부터 거짓말을 탐지할 수가 있다.
◈ 누수 센서
2본의 전선을 병행하여 벽 등에 붙이고 전압을 가해둔다. 물이 흘러 전선사이의 저항이 감소하면 전류가 많이 흘러 경보를 낸다.
(2) 온도센서
온도 센서는 가전 제품에 있어서 룸 에어컨, 건조기, 냉장고, 레인지 및 자동차 엔진 제품에 있어서 수온, 흡기온의 측정에 쓰이고 있
다. 화학공장의 용액이나 기체의 온도를 검지하는 데에도 사용되고 있다. 금속선이나 반도체의 저항 값은 온도에 따라 변화하는 성질이
있으며, 종류가 다른 금속선의 결합 접점을 가열하면 기전력을 발생하는 현상도 있다. 여기서 반대로 저항이나 기전력을 측정하여 온도
를 구하는 방법이 온도 센서의 원리이다.
① 온도 ≒ 저항
② 온도 ≒ 기전력
◈ 전자 체온기
서미스터를 이용한 전자 체온계는 측정 시에 3(V)의 전압을 가해 전류의 온도에 의한 변화를 읽고 1분 동안에 측정된다.
◈ 거짓말 탐지기
식은 땀에 의한 저항의 변화 뿐만 아니라 땀 이외의 체내 반응을 조사하는 것도 조합시켜 거짓말을 발견하는 방법이 취해지고 있다. 거
짓말을 하면 호흡이 빨라지고 거칠어지거나, 숨의 내쉼과 들이마심의 간격이 변화하거나 하는 것을 서미스터를 사용하여 검지한다.
◈ 연료잔량경보
자동차의 가솔린이 10ℓ 밖에 남아 있지 않으면 10ℓ 액면 각각의 위치에 서미스터를 고정해 두면 가솔린이 10ℓ이상일 때는 서미스터가 냉각되어 있으나 10ℓ 이하로 되면
서미스터가 공기 중에 노출하게 되어 온도가 올라가서 전류가 많이 흘러 경고 등이 켜진다.
(3) 차동변압기
차동변압기는 기계적 변위를 전압으로 변환하는 기구이다.
기계적 변위 ≒ 교류전압
두께, 신장, 느슨해지는 것, 각도 등 이외의 압력, 하중, 토크, 유량 등의 공업량은 쉽게 변위로 변화하고 또한 차동 변압기를 사용하여
전압으로 변환하고 직류로 바꾸어 전위차계식 자동 평형 계기까지도 이용할 수 있게 된다.
◈ 防犯 센서
도어나 창문의 문지방과 틀의 한편에 리드 스위치, 다른 편에 자석을 붙여두면 도어나 창문이 닫혀 있으면 리드 스위치가 닫혀 있으
며, 억지로 열면 리드 스위치가 열려서 경보가 울리는 방범 센서가 된다.
◈ 위조지폐 검지기
지폐에는 자기(磁器)를 느끼는 특수한 잉크가 사용되고 있다. 자계 중에 자기저항소자를 두면 지폐의 이동에 의하여 차례로 저항이 변화
한다. 이 패턴을 조사하여 행하는 위조지폐 검지 기가 있다. 어음 등의 자동 판독도 이 원리에 의한다.
차동 변압기의 센서의 예
(4) 거리 센서
근접 스위치는 단순히 상대 금속편이 접근한 것만을 검지 하는 것이다. 이것에 대해서 상대와의 거리까지 알 수 있는 것이 거리 센서이
다.
◈ 차량 검지기
고속도로 교통량을 알기 위해서 노면 아래 5∼10㎝의 곳에 코일을 매입하여, 여기에 차체가 들어온 것을 검지한다.
(5) 레벨 센서
레벨을 전기 신호의 모양으로 얻어지는 레벨 센서로서 여러 가지의 형식의 것이 있다.
예를 들면 액면에 띄운 플로트 또는 디스플레이서의 변위를 검출하는 형식, 액면 밑면의 압력과 대기압과의 차압을 검출하는 형식, 초
음파를 충격적으로 보내고 액면에서의 반사 파가 되돌아올 때까지의 시간을 측정하는 형식, 그것에 정전용량의 변화를 검출하는 형식
등이 있다.
◈ 용광로의 광석 레벨계
용광로 중에는 정상 부에서 코크스와 철광석을 샌드위치 모양으로 교호로 투입한다. 그 표면의 형상이 선정한 바와 같이 원추 상을 하
고 있는가의 여부를 확인하는 데에 정상 부에서 10G㎐ 정도의 마이크로 파를 발사하고 반사 파를 받아서 행한다.
◈ 모발수분계
머기까락의 묶음을 2개의 전극 사이에 끼우고 수분 함유량을 측정하는 것이 있다. 건강한 상태의 머리카락은 보통 11∼13%의 수분을 함
유하고 있다. 피부의 수분 함유량을 측정하여 피부병의 진단이 되도록 하려는 연구도 계속되고 있다.
분말액체의 레벨
수분 함유량 정전 용량
(6) 광 센서
빛의 명암을 전기 신호의 모양으로 변환하여 인출하는 방법으로서 빛은 자외부, 가시부,적외부라는 넓은 파장을 가지고 있으므로 필요
한 파장에 있어서 감도가 좋고 또한 조사 개시에서 전기 신호가 발생할 때까지의 시간(응답시간)이 적당한 광센서를 선택하는 것이 필요
하다.
◈ 침입자 경보기
자동 도어에 있어서 사람의 검지, 실내로의 침입자 검지에 사용되는 적외선 센서는 수광 에너지의 변화로 작동하는 수동형 이지만 차
고문의 개폐를 검출하는 센서는 자동차가 자신이 적외선을 투광하고 반사광을 검출하는 능동형이다.
◈ 부드러운 플라스틱 필름의 온도분포 측정
플라스틱 팰릿을 압출
다. 필름상태 플라스틱의 온도 분포를 적외선 센서로 측정하여 보조 열원은 부족분 만큼을 보충하게 사용하면 에너지 절약이 가능하
다.
◈ 자동 選曲
레코드 상에서 곡이 녹음해 있는 장소는 빛이 난 반사하고 수광량이 감소하지만 곡과 곡 사이에는 1개의 홈이 있으므로 수광량이 증가
하는 것을 이용한 것이다.
◈ 연기 센서
화재 탐지 정보의 일환으로 빛 중의 연기 미립자에 의한 산란 광을 캐치하던가 연기를 통과하는 것에 의한 수광량의 감소를 검출하는
센서가 있다. 비화재시에 경보를 내지 않도록 여러 가지 방법이 조합되어 있다.
(7) 가스 센서
가스 센서는 원리상으로는 접촉 연소식과 반도체 식이 있는데 접촉 연소 식은 가연성 가스가 백금 상에 촉매와 작용하여 연소하고 온도
상승을 발생하여 백금선의 전기 저항이 증가하는 것을 측정하는 것이며, 반도체 식은 반도체에 가스가 접촉하면 그 전기 저항이 감소하
는 성질을 이용한 것이다. 가스 센서의 응용 면은 매우 넓다. 가까운 예를 들지라도 음주 운전자의 알콜량 센서, 자동차의 공연비 측정
을 위한 산소 센서, 가정이나 공장내의 가스누설 경보기, 화재 직후의 건축 재료로부터 나오는 유독가스의 센서, 항내 메탄가스 경보기
등이 있다.
① 산소 센서
산화 지르코늄(ZrO2)은 산소 이온을 자유롭게 통하는 고체 전해질로 알려져 있다. 그림과 같이 양면에 다공질의 백금 전극을 부착하였
을 때, 고산소측의 전극이 (+), 저산소측의 전극이 (-)라는 극성의 기전력을 발생한다. 액체 전해질을 사이에 두고 농도가 다른 기체를
둘 때, 기전력이 발생하는 농담전지(濃淡電池)라 불리는 것도 있다.
이것과 같은 원리를 이용한 것으로 산소의 농도비가 클수록 기전력은 크므로 이것은 산소 센서가 된다. 실제로 ZrO2 단독으로
는 1100℃ 부근에서 체적변화를 하므로 안정화를 위해서 미량의 CaO, Y2O3 등을 용해시킨 것이 사용된다. 이 산소 센서가 여러 가지
공업 목적에 쓰인다. 예를 들면 각종 노내의 산소 분석, 溶鋼 중의 산소 함유량 분석, 공장배수 오염 감시(산소 소비량 측정), 자동차 배
기가스 성분 조성(공연 비를 일정하게 유지) 등이다.
◈ 가스暖房機의 불완전연소 검지
산화지르코늄 산소 센서의 1개 전극을 염 중 (산소농도0%) 또 하나의 전극을 염보다 조금 위에 놓는다. 평상시는 산소 농도차가 있어 기
전력을 발생하지만 불완전 연소하여 염이 신장해 가면 산소의 농도 차가 없게 되어 기전력이 0이 된다. 이것을 감지하여 가스를 멈추게
한다.
② 습도 센서
습도 센서의 원리는 가스 센서의 원리와 마찬가지로 센서 부근의 재료에 수분이 흡착하여 전기 저항이 감소하는 것을 측정한다. 재료는
가스 센서와 달리 염화 리튬, 탄소막, 셀렌 박막, 알루마이트, 세라믹 등이다. 습도 센서는 철강, 화학, 식품 기타 많은 공업품 제조 프로
세스, 병원, 온실 등에 있어서 온도 제어, 전자 레인지의 조리제어(식품 내의 온도 센서를 삽입하는 것을 피하고 배기 수분을 대신에 측
정) 등에 쓰인다.
◈ 結露 센서
VTR에서는 결로가 있으면, 테이프가 회전 부에 꼭 달라 붙어서 고장의 원인이 된다. 결로 시에는 저항이 급격히 변화하는 감습막(感濕
膜)을 전극의 사이에 설치하고 이것에 의하여 모터의 스위치를 오프한다.
◈ 흐름 센서
자동차의 방담(防曇) 유리는 유리의 표면에 얇은 도전 막을 프린트하여 이것에 전류를 흘려서 가열하고 수분을 증발시키는 것이다. 유리
의 일부분에 별도의 전극을 구워 부착하고 이 위에 습도에 의하여 저항이 변하는 인화 아연의 막을 씌운 것이다. 습도가 95%를 초과하
면 이것에 전류가 흘러 방담 유리의 히터가 작동하게 되어 있다. 이 흐름 센서는 냉장 쇼케이스에도 응용되고 있다.
온,습도 센서
쾌적지표 측정기의 종류
1, 온도 센서
센서에 대한 중요성이 점차 커지고 있으나 센서의 오류도 많고 그 사용범위도 광범위하여 이에대한 이해가 부족한 상태이다.
2, 습도 센서
습도의 조절은 쾌적한 분위기 조성, 반도체, 정밀기기의 생산, 식품가공산업 등에서 매우 중요한 역할을 하고 있다.
Part 1. 온도센서
1. 서론
산업전반에 걸쳐 온도의 정확한 측정과 관리는 매우 중요하다. 온도를 검출하는 것은 온도센서로서, 이것은 공업, 의학, 우주, 자원탐
사,해양개발, 방재, 공해감시등 산업용에서부터 민생용까지 그 응용범위가 매우 넓고갈수록 확대되고 있다. 이상적인 온도센서는 측정
범위가 넓고 정확하며 소형으로 값이 싸야한다. 그러나 이러한 센서는 현실적으로 존재하지 않기 때문에 사용자는 용도에 맞는 것을 선
택하여 사용할 수밖에 없다. 최근의 경향은 비교적 정밀성이 크게 요구되지 않고 다량으로 사용되는 곳에는 접촉식 온도센서들이 사용
되고 있으나 비접촉식이고 다기능화된 온도센서들이 개발됨으로 인해 이들이 점차 시장을 확산해 가고 있는 추세이다.
2. 온도센서의 종류
온도센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 분류한다. 접촉식은 측정대상물과의 접촉을 통해 온도를 측정하는 방식으로 (백금)저항온도센
서, 서미스터, 열전대, 바이메탈등 대부분의 센서가 이에 해당하고 비접촉식에는 방사온도계, 광고온도계가 있다.
가. 백금저항온도센서
온도에 따라 백금의 저항치가 변하는 원리를 이용한 것으로 현존하는 온도센서중 가장 정확도가 높아 -260~630'C 영역에서는 표준온
도센서로 사용된다. 대부분 절연물질이 충진된 보호관에 넣어 사용하며 정밀한 측정이 요구되는 염색, 화학공업이나 프로세서제어용으
로 많이 사용하고 있으나 가격이 다소 비싼 것이 흠이다.
나. 서미스터
금속산화물을 소결하여 만들며 온도에따라 저항치가 변하는 특성을 이용한 것으로 부특성(NTC) 서미스터, 정특성(PTC) 서미스터로 나
눈다. 현재 온도센서로 가장 많이, 그리고 널리 사용되고 있으며 값이 싸고 소형이지만 직선성, 감도, 기준온도등이 문제가 된다.
NTC 서미스터는 주로 온도감지, 온도보상, 액위/풍속/진공검출, 돌입전류방지, 지연소자등으로 사용되고 있으며 PTC 서미스터는 모터
기동, 자기소거, 정온발열, 과전류보호용으로 사용된다. 최근에는 기술개발의 진보로 극저온, 저온, 고온용의 서미스터들이 개발되어
사용중에 있으며 응용범위도 폭넓게 확대되고 있다.
다. 열전대 (Thermocouple)
두종류 금속선의 접합점양단에서 발생하는 기전력변화를 이용한 것으로 철강, 발전소, 중화학등 공업용으로 많이 사용되고 있으나 대체
로 백금저항온도센서나 복사온도계에 비해 정확도가 떨어진다. 그러나, 열전대는 IPTS(국제실용온도측도)에서 630~1064.43'C까지 표
준온도측정기로 사용토록 규정되어 있으며 열전대의 백금선과 로듐선에 보호관을 씌워 산화되지 않도록 하여 사용한다.
라. 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.
마. IC 온도센서
서미스터나 열전대의 단점인 직선성, 감도, 기준온도등을 보완한 것이 IC온도센서이다. 이것은 온도에따라 P-N접합부의 전류전압특성
이 변하는 것을 이용한 것으로 전압출력형과 전류출력형이 있다.
바. 기타
바이메탈, 감온페라이트, 유리온도계, 수정온도계, NQR온도계등 많은 종류가 있으나 정밀도가 떨어지고 응용범위가 제한되어 있다. 다
만, 수정온도계는 매우 고감도이므로 아직은 특수용도로 많이 사용되고 있다.
3. 온도센서의 용도
가. 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
나. 사무기기
복사기, FAX, 프린터, 카메라, 화재경보기, 출입감지컴퓨터, CTV, 모니터, 자동소등, 커텐 엘리베이터, 에스컬레이터 등
다. 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
라. 의료, 계측
* 의료 : 진단, 피부표면온도, 보육기, 링겔액
* 계측 : 해류, 기상관측, 표면온도, 인공위성
마. 자동차
흡기제어, 냉각수온, 엔진온도, 액면감지, 서스펜션, 안전운전장치, 4WD제어, 고장진단,트랜스미션, 연료분사, 과급랍제어, 속도조
절, 노킹제어 등
바. 기타
* 통신기기 : CR발진기, AGE, 시간지연, 전화
* 가스분석계, 진공계, 풍속계
4. 온도센서 시장동향
가. 세계시장
온도센서의 시장은 가전제품, 보일러, 자동차, 철강, 섬유, 화학공업등 제조공정상의 온도를 모니터링하기 위한 요구에 의해 시장이 증
가하여 왔다. 1995년도 세계시장은 약 38억$로 추정되며 매년 6~7%의 성장을 하고 있다. 센서형태로별로는 백금저항온도센서, 서미스
터와 열전대가 전체시장의 27%로 가장 점유율이 높고 적외선이나 열복사를 이용한 비접촉식 온도센서가 15%, 반도체미세가공기술을
이용한 초소형, 고기능 스마트센서가 13%의 시장을 점유하고 있고 년 10%이상의 고성장을 하고 있어 향우 비접촉식과 스마트센서가
온도센서시장을 주도할 것으로 예상된다. 특히 에너지, 안전등에 대한 관심의 증가로 이분야의 시장이 급속히 확대될 것으로 보이며 온
도센서시장 전체로는 꾸준한 성장세가 유지될 것으로 전망된다.
나. 국내시장
국내 온도센서시장은 가전제품, 보일러, 자동차분야의 수요가 90%이상을 차지하고 있다. 95년 수입은 약 250억원(3,117만$)으로 전체
수요의 50%정도를 수입에 의존하고 있으며 수입의 80%가 서미스터이다. 수출은 29억원(365만$)으로 동남아지역에 편중되어 있는 실
정이다. 저항온도센서는 협성계공, 코닉스, 동국전자등이 취급하고 있으며 최근에는 LG하니웰이 개발중에 있다. NTC서미스터는 태평
양시스템, 대우전자부품, 성현, 신호전자부품등이 소재를 수입하여 소자를 생산하고 있으며 PTC서미스터는 동양산전, 쌍용양회, 동양
시멘트등이 소자를 국산화하여 생산중에 있다.
5. 기술동향
가. 선진국의 기술동향
현재 온도센서로 가장 널리 사용되고 있는 것은 서미스터와 열전대이다. 특히 서미스터는 고감도, 고응답성, 안정성 및 회로가 간단한
장점등으로 그 사용이 크게 증가하고 있다. 서미스터의 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, 자장등을 측정할 수 있는 다기능의 집적화센서
로서 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 향상시
킨 표면실자용 칩서미스터를 개발, 판매에 주력하고 있다. 서미스터의 세계시장은 Murata외 일본업체들이 압도적인 시장점유율을 보이
고 있다.
나. 국내 기술동향
온도센서중 중요한 위치를 차지하고 있는서미스터의 국내업체는 약 10여개가 있다. 이들중에는 태평양시스템, 신호전자부품, 대우전자
부품, 성현등이 일본, 미국업체와 기술제휴로 NTC서미스터소자를 생산하고 있다. 또한 PTC제조업체로는 자화전자, 동양산전,쌍용양회
등이 소자를 생산, 공급하고 있으며 그외의 업체들은 소자를 수입, 조립하고 있다. 백금저항온도센서는 이전에 여러회사가 개발을 시도
한 적이 있으나 상업화하지 못하였고 최근에 LG하니웰이 상업화를 서두르고 있다. 산업용 열전대의 경우 국내업체의 거의 대부분이 일
본, 미국으로부터 소자를 수입하여 단순조립하는 형태이다.
6. 결론
온도센서에 관한한 우리나라의 경쟁력은 일본의 30%, 미국의 40% 수준으로 이분야의 기초 기술확보가 선결해야할 과제이다. 더욱이
핵심소재의 대부분을 외국에 의존하고 있는 서미스터의 경우에는 앞으로도 수요증가 추세가 계속될 것으로 예상되어 원료배합 및 합성
기술의 확보가 매우 시급하다. 따라서 온도센서를 포함한 센서기술의 효율적인 개발을 위해서는 우선 가적으로 핵심기술개발을 위한 종
합적인 전략을 수립하여 적극적으로 추진해야 할 것으로 생각되며 센서소재 국산화를 비롯한 센서기반기술을 확립하는 것이 무엇보다
도 중요하다.
Part 2. 습도센서
습도의 조절은 쾌적한 분위기 조성, 반도체·정밀기기의 생산, 식품가공산업 등에서 매우 중요한 역할을 하고 있다.
1. 서론
습도란 습기의 정량적인 표현방법으로서, 기체 1m^2안에 포함되어 있는 수증기의 양을 g단위로 표시한 것이 절대 습도이고 우리가 흔
히 사용하고 있는 습도란 상대습도(%RH)로 공기중의 수증기분압 P와 이 온도에서의 포화수중 Ps화의 비를 백분율로 표시한 것이다. 전
자·정밀·식품·섬유공업에서 습도조절은 생산관리 및 품질의 향상을 위해서 필수적이나 조절해야할 수분의 양이 극히 미량이고 수분이 감지소자에 미치는 작용이 물리·화학적으
로 매우 복잡하기 ?문에 습도는 다른 분야보다 측정이 어렵다. 최근들어 습도의 계측과 조절은 일상생활이나 생산공정 및 제품관리등에
서 그 중요성이 증가되고 있다. 또한, 관련 산업의 발전으로 정확도를 (+-)1~2%Rh 이상 요구하고 있으며 사용온도범위도 -50'C 이하에
서부터 200'C 이상의 고온까지 그리고 수십 ppm에서 100%RH의 포화상태까지 측정을 필요로하고 있다.
2. 종류
습도의 측정원리는 물분자나 수증기가 가지는 고유한 물리적인 성질을 이용하는 것과 흡습성 물질에 물분자가 흡착되어 그 물질의 물리
적 성질변화를 측정하는 두가지 방법이 있다. 노점습도센서, 건습구습도계, 확산식 습도센서, 적외선습도센서등이 전자에 속하고 모발
습도계, 박막 또는 후막습도센서, 색습도계등이 후자에 속한다. 여기서는 과학기술과 여러 산업분야에서 광범위하게 응용되고 가장 많
이 사용되며 정확도가 3%RH 이하인 전자식 습도센서를 중점적으로 알아본다. 또한 적외선센서의 경우도 습도측정에 사용되고 있으나
추후 광센서분야에서 다루게 될 것이므로 본 설명에서는 제외키로 한다. 습도센서는 형태상으로 박막, 후막, 소굘체로 구분되며 재료별
로는 전해질체, 셀룰로즈나 폴리이미드같은 유기고분자재료의
Ge, Si의 반도체증착막 또는 금속산화물계의 4종류로 나눌 수 있다. 이외에도 이용하려는 전기적 성질에 따라서 저항변화형, 용량변화
형으로 구분하기도 하고 센서의 일부분에 가열가설차여부에 따라서 가열형, 비가열형으로 나누기도 한다. 이외에도 산화탄탈륨센서,
LD-Ta센서, BaF센서, TaN센서등이 새발되어 사용되고 있고 새로운 형태의 센서들이 개발되고 있다. 현재는 소분자센서나 전해질센서
가 주종을 이루고 있으며 이들은 제한된범위에서는 정확도를 유지하나 온도범위가 좁고 개발 및 생산에 많은 투자를 필요로 한다. 이에
비해 세라믹식은 그 특성이 온도변화에 대해서 비교적 안정하고 고온에서도 사용이 가능하여 향후 습도센서의 주종을 이룰 것으로 기대
된다. 한편 MISFET식 센서는 감지소자의 소형화, 집적화, Smart화의 추세에 따라 앞으로 집중적인 연구가 진행될 것으로 보인다.
3. 용도
수분은 공기나 다른 물질과 공존하며 그 물질들의 특성에 영향을 미티기 때문에 습도센서의 용도를 일일이 열거하기는 곤란하나 현재
사용되고 있는 주된 응용분야는 다음과 같다.
가. 가전제품
* 전자레인지의 조리제어
* 가습기, 냉난방기의 습도제어
* VTR 결로방지
나. 요업, 목재, 식품산업
* 식품진공포장 및 제조라인
* 요업, 목재, 시멘트의 제조
* 분체의 수분제거
* 펄프, 제지라인의 수분제거
다. 일반산업
* 자기헤드, LSI, IC 등 전자부품제조라인
* 생산리인의 공조기기
* 섬유, 제사라인의 습도조절
* 항온항습 및 의류전조기
라. 자동차, 운송
* 차내 공기정화
* 자동차 창 및 미러의 결로제어
마. 기타
* 습도제어 기록장치
* 호흡기등의 의료기기
4. 시장현황
가. 세계시장
습도센서의 세계시장규모는 1996년 현재 약 4억불로 추정되며 다른 센서에 비해 매우 작은 시장규모를 보이고 있다. 이중에서도 고분
자를 주재료로 한 유기재료계와 금속산화물을 주재료로 한 세라믹 복합재료가 전체시장의 60%이상을 차지하고 있으며 앞으로도 계속
적인 성장세가 기대된다. 습도센서의 시장이 다른 센서의 시장보다 상대적으로 작은 이유는 첫째로, 측정상대의 가치 또는 위험성이 없
으므로 절대적으로 필요로하는 적용분야가 극히 적다는 것이다. 둘째로, 기존의 습도센서들을 환경제어에 적용할 경우 재현성에 문제가
있었으며, 전범위에 걸쳐서 일정한 정밀도를 가지는 센서개발이 어렵다는 점이다. 현재 삼영전자공업에서 생산되고 있는 고분자식 습도
센서는 가습기, 전자렌지, 자동차용 공조시스템등에 적용되고 있으며, 중저가의 제품군으로 주로 가전제품을 대상으로 하고 있다. 또한
동양시멘트, 쌍용양회등에서 세라믹식 습도센서의 개발에 주력하고 있어 머지않아 환경제어용 센서의 생산이 가능해질 것으로 기대된
다. 향후의 시장수요는 이러한 결함을 보완하려는 노력과 보다 쾌적한 환경에 대한 소비자의 요구, 소형화, 집적화되어가는 전자부품의
기능향상을 위해 습도센서의 수요가 급신장하리라 기대된다. Coresi사의 습도센서는 실온근방에서 사용하는데 적절한 센서로 알려지고
있으며, 개당 국내에 수입되는 가격은 약 10만원정도이다. Vaisala사의 제품은 넒은 습도범위의 측정이 가능하여 고공기상계측
용 Radiosonde에 응용이 가장 많은 것으로 알려지고 있다. Matsushita사의 제품은 고온영역에서도 측정이 가능하다는 장점을 이용하여
건조로, 송풍로, 전자렌지등에 사용되고 있고 국내에 수입되는 가격은 개당 약 4,000원 정도이다.
나. 국내시장
국내 습고센서시장은 주로 가전제품과 식품, 환경 산업분야에 집중되어 있으며 '96년 현재 약 25~30억원정도의 시장규모를 보이고 있
으나 대부분을 수입에 의존하고 있다. 국내의 생산업체로는 삼영전자공업에서 고분자식습도센서를 생산하고 있을뿐, 초기에 개발을 주
도하였던 스마텔(구, 정풍물산), 유양정보통신등은 생산중단 또는 포기상태이다.그 이유로는 협소한 국내시장여건, 신뢰성이나 생산성
에 대한 기술개발노력부족등을 들수 있다. 국내에 공급되고 있는 외산제품은 4,000원에서 10만원대까지 매우 다양하며, 주로 중저가형
제품보다는 고가형으로 생산라인이나 환경등의 제어에 많이 사용되고 있다.
<출처:네이버오픈백과>
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