[재료공학실험] NTC 제조 및 경시변화 측정
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- 목차
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1. 설계 제목
2. 설계 목적
3. 서 론
3-1. NTC Thermistor의 기본 물성
3-2. Thermistor의 분류
3-3. NTC Thermistor의 전기온도 특성
1) 저항의 온도 의존성
2) B 정수(Thermister 정수)
3) 경시변화와 안정성
4) Thermistor의 도전기구
3-4. Thermistor의 응용
1) 온도 측정
2) 온도 보상
3) 액위 센서
4) 유량 및 진공도 측정
4. 설계 구상
4-1. 볼밀
4-2. 건조
4-3. 하소
4-4. XRD측정
4-5. 성형
4-6. 소결
4-7. 수축률과 소결 밀도 측정
4-8. 저항측정
5. 문제 해결
6. 설계 과정
6-1. 시료준비 / 배합
6-2. Ball mill
6-3. 건 조
6-4. 하소 및 하소 후 무게측정
6-5. 분 쇄 및 결합제 첨가
6-5. 시 빙
6-6. XRD 측정 (소결 전)
6-7. 성 형
6-8. 소 결
6-9. XRD측정 (소결 후)
6-10. 전극인쇄 / 열처리 / 납땜
6-11. 저항측정 / 경시변화 측정
7. 실험 결과
7-1. 수축률계산
7-2. XRD 분석
7-3. 경시변화측정 / 분석 온도-저항 곡선
7-4. 상용제품의 구조와 온도-저항 곡선
7-5. B정수 계산
8. 비고 및 고찰
- 본문내용
-
1. 설계 제목
NTC thermistor 제조실험
2. 설계 목적
Bell lab에서 초기에 개발하였던, NTC특성을 갖는 Mn-Ni계 스피넬 세라믹스를, 설계를 통하여 제조해보고, 완성된 세라믹스를 온도에 따른 저항측정 및 경시변화 측정, 수축율 측정 등을 이용해 특성을 파악하도록 한다.
특히, Thermistor(Thermally sensitive resistor)의 한 종류인 NTC서미스터 (negative temperature coefficient thermistor)를 만드는 공정과정을 익히고, 경시변화를 측정함으로써 온도 저항 곡선을 얻어 상용제품에 필요한 성능을 이해하는 데 중점을 두도록 한다.
3. 서 론
NTC thermistor는 단위온도당 저항변화량을 나타내는 온도계수 (temperature coeffcient)가 음의 값을 갖는 thermally-sensitive-resister를 말한다. NTC thermistor의 상업적 이용은 1930 - 1940에 Bell laboratories, Philips, Siemens에서 spinel material을 이용한 제품이 개발된 것을 시발로 그 중요한 응용분야는 온도측정과 원거리 통신 보상회로 등이다. NTC thermistors의 재료로는 천이금속산화물(TMO, transition-metal oxide)을 2-4종 혼합하여 소정의 형상으로 성형한 후 1200∼1500℃의 고온에서 소결한 복합산화물 세라믹스이고 또한 재료의 조성을 변화시켜 어느 정도 넓은 범위에 걸쳐 그 특성을 임의로 제어할 수 있다. 대부분의 NTC thermistor들은 spinel 구조를 갖는 금속산화물이며 또한 중고온 영역에서 사용되는 thermistor는 천이금속 산화물에 지르코니아 등을 고용시킨 것들과 SiC계 비산화물 재료 등이 쓰여지고 있다, 일반적인 Mn-Ni-Co-Cu-Fe계 등의 재료특성은 조성계 소성방법등의 조건에 주로 의존된다. 서미스터(Thermistor)는 Thermally sensitive resistor의 합성어로서 온도변화 에 의해 소자의 전기 저항이 큰 폭으로 변화하는 금속산화물 반도체의 감온소자를 말한다. 원래 미국 웨스턴사의 상품명이었으나 근래에는 온도검출용 반도체 소자의 대명사로 일반화 되었다.
서미스터를 기본적 특성에 따라 분류하면 온도가 상승하면 전기저항이 감소하는 부온도특성(NTC:Negative Temperature Coefficient)서미스터와 이와 반대로 온도가 상승함에 따라 저항 값이 증가하는 온도특성 Thermistor가 있다. 또 NTC와 같은 특성이긴 하나 어떤 온도범위에서 전기저항이 급격히 감소하는 CTR서미스터도 있다. 일반적으로 서미스터라 하면 NTC를 가리키며 니켈(NiO)․코발트(CoO)․망간(MnO) 등의 산화물을 적당한 비율로 혼합하여 소결(산화물가루를 어떤 형태로 압축․가열하여 굳힘)한 반도체로 주위의 온도상승에 민감하게 반응하여 전기저항이 감소하는 전자회로용 소자다. 온도가 높아지면 저항값이 증가하는 PTC는 티탄산바륨(BaTiO3)을 주성분으로 하여 만들며 CTR는 산화바라듐(VO2)을 주성분으로 하여 만든다. 구조적으로는 직접 열을 감온하는 직열형과 좀 떨어져서 열을 감온하는 방열형, 서서히 열을 감온하는 지연형으로 분류되며 크기는 깨알만한 것에서부터 드롭스(사탕) 크기만 한 것까지 여러 가지가 있다.
그림 1. 온도에 따른 서미스터의 특성
그림 2. Thermistor의 형태
NTC Thermistor의 용도로는 Bell 연구소에서 최초로 개발한 이래, 온도센서, 온도보상용 소자, 레벨센서 등으로 쓰여 왔는데, 주로 공업계측용으로 사용되어오다가 소자의 소형화, 고성능화에 힘입어 최근에는 가전제품, 통신 기기, 계측 기기, 자동차, 의료용 기기 등 그 용도가 다양해졌다. 근래의 전기/전자 산업은 IC화 LSI화가 급격히 진전되면서 소형화, 기능화등을 요구하게 되었다. 이는 전가산업 모든 분야에 있어서 제품의 소형화를 촉진시켰다. 이에 따라 수동소자들도 소형화, 고기능화, 복합기능화, 고밀도 집적화 등의 추세에 있다.
특히, 고도정보화 세계 속에서 개인휴대 정보단말기기(예:휴대폰 전화, 노트북PC, 호출기, 캠코더, 등)의 종류가 매우 다양하게 개발 보급되어 가고 있으며 이에 따라 세라믹 캐패시터로 대표되는 대부분의 수동소자들 또한 초소형화(칩화), 복합기능화, 고정밀화의 요구에 직면해 있는 가운데 자동차전화, 각종 셀룰러폰, PHS, 트랜시버에 사용되는 온도보상형 수정발진기(TCXO), 또는 RF모듈, 액정판 넬의 온도보상회로 등 발진주파주변동이 엄격한 제품규격에 대응하기 위해 회로에 채택하는, 없어서는 않 될 핵심품중의 하나로서 NTC 서미스터 역시 중요한 자리를 잡아가고 있다.
이러한 요구에 부응하기 위해서 요구되는 NTC소자의 특성은 저 저항화와 높은 B정수의 양립이 필수적이다. 그러나 이러한 요구에 대응하기 위해서 기존의 단일층 벌크용으로 쓰이는 소재를 적용하여 극소형 적층칩을 제조하게 되면 소형화에 따라 저항값이 상승하기 때문에 비저항이 더욱 낮은 소재를 적용해야한다. 그런데, NTC서미스터의 중요특성의 하나인 B정수는, 반도체세라믹스의 비저항값과 물성적으로 밀접한 관계가 있어서, 비저항값이 낮아지면 그에따라 B정수도 낮아지는 특성을 가지게 된다. 현재까지의 기술수준으로는 저 저항(30-50수준) 규격의 서미스터의 B정수의 수준은 3250K(저온용)내지 4100(고온용)으로서 이제까지의 소재와는 다른 새로운 소재의 가발 필요성이 대두되고 있다.
한편 이동체 통신기기의 고주파화 추세에 따라 사용주파수 대역도 높아지고 있어서 이제까지의 작은 정전용량도 회로내에서 불필요한 간섭의 요인으로 작용하게 되는데 더욱이 1005크기등 소자의 소형화는 필연적으로 전극판 간의 거리를 짧게 해서 정전용량이 높아지는 부작용이 나타나게 된다. 이러한 문제점은 소자의 형상이나 제조 공정상에서 해결할 수도 있지만 이는 보조적인 해결수단이 될 뿐이며, 사용 소재의 전기적 특성 제어를 통해 근본적으로 해결해야 할 필요성이 있어 아직도 활발하게 연구되어지고 있는 분야이다.
우리나라의 전자산업 중에서 부품산업의 비중은 대략 50%정도로 상당히 큰 비중을 차지하고 있으나 그 대부분은 메모리 반도체가 차지하고 있어서 수동부품의 경쟁력은 상당히 취약
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