저항의 모든 것 8편 | 온도, 광량 감지용 저항(NTC, PTC, CDS등등)

똑같은 회로인데 겨울에는 멀쩡하다가 여름철 옥외 설치 장비에서만 오작동이 났던 적이 있습니다. 원인을 추적해보니 온도보상용으로 넣은 NTC 서미스터를 일반 고정저항과 똑같이 취급해서 자기발열 여유를 전혀 계산하지 않았던 게 문제였습니다. 저항값이 온도에 따라 변하는 부품은 일반 고정저항과 설계 접근 자체가 달라야 한다는 걸 그때 제대로 배웠습니다. 오늘은 온도와 빛을 감지하는 NTC, PTC, CDS 저항을 정의부터 내부구조, 사용시 주의사항까지 정리해보겠습니다.

온도·광량 감지용 저항을 쓰는 이유와 원리

일반 저항은 값이 최대한 변하지 않도록 설계되지만, 이 계열 부품들은 반대로 외부 환경에 반응해서 저항값이 크게 바뀌도록 만들어진 센서형 저항입니다. 이름을 그대로 풀어보면 서미스터(Thermistor)는 열(Thermal)과 저항기(Resistor)를 합친 말로, 온도 변화에 대응해 저항값을 바꾸는 소형 전자소자입니다(출처: DigiKey, NTC 및 PTC 서미스터의 기초).

NTC(Negative Temperature Coefficient, 부온도계수) 서미스터는 온도가 올라가면 저항값이 내려가고, PTC(Positive Temperature Coefficient, 정온도계수) 서미스터는 반대로 온도가 올라가면 저항값이 올라갑니다(출처: 위키백과, 서미스터).

CDS(Cadmium Sulfide, 황화카드뮴) 광저항은 원리가 조금 다릅니다. 빛이 닿으면 반도체 내부의 전자가 들뜬 상태가 되어 전류가 더 잘 흐르게 되는 광전도(Photoconductive) 현상을 이용한 소자로, 주변이 밝아지면 저항값이 낮아지고 어두워지면 저항값이 높아집니다. 실제로 CDS를 일반 저항 자리에 그대로 교체해 넣으면, 주변이 밝아질 때 저항값이 낮아지면서 더 센 전류가 흘러 LED가 켜지는 회로를 간단하게 구현할 수 있습니다(출처: 자바실험실, 빛에 의해 저항값이 작아지는 CdS).

저는 이 세 부품을 처음 다룰 때 "일반 저항의 반대말"이라고 생각하면 이해가 빠르다고 설명합니다. 값이 고정되어야 좋은 게 일반 저항이라면, 이 부품들은 값이 얼마나 예민하게 잘 바뀌는지가 성능입니다.

요약 — NTC는 온도가 오르면 저항이 낮아지고, PTC는 온도가 오르면 저항이 높아지며, CDS는 빛이 강해지면 저항이 낮아지는 센서형 저항입니다. 값이 변하는 특성 자체가 이 부품들의 존재 이유입니다.

온도·광량 감지용 저항의 종류와 특성

같은 "감지용 저항"이라도 용도별로 성격이 완전히 다릅니다. 현장에서 자주 쓰는 세 가지를 비교하면 아래와 같습니다.

종류	특성	주 용도
NTC 서미스터	온도↑ → 저항↓, 완만한 변화	온도측정, 온도보상, 돌입전류 억제
PTC 서미스터	퀴리점에서 저항 급격히 증가	자기복구형 퓨즈, 과열보호
CDS 광저항	빛↑ → 저항↓, 응답속도 느림	가로등 자동점등, 조도감지

PTC 서미스터는 특정 온도(퀴리점)까지는 저항이 낮게 유지되다가, 이 임계값을 넘는 순간 저항이 급격히 증가하는 방식으로 동작하는데, 일반적으로 티탄산바륨 같은 다결정질 세라믹 소재로 만들어져 이런 급변 특성을 갖습니다(출처: Tritek Battery, PTC 서미스터와 NTC 서미스터).

CDS는 저비용에 구조가 단순하고 신뢰성이 높다는 장점 덕분에 여전히 다양한 저가형 아날로그 감지 응용에서 쓰이고 있지만, 카드뮴이라는 독성 원소를 포함하고 있어 최근에는 포토다이오드나 포토트랜지스터 같은 대안 소자로 점차 대체되는 흐름도 있습니다(출처: Winsen, 광전도 센서 원리와 응용).

저는 온도 감지가 목적이면 NTC, 과열 보호가 목적이면 PTC, 조도 감지가 목적이면 CDS로 용도를 먼저 나눠서 접근합니다. 세 부품 모두 "저항"이라는 이름이 붙지만 실제로는 서로 대체할 수 없는 완전히 다른 소자라는 걸 항상 강조합니다.

현장 팁 — 최근 환경규제가 강화되는 추세라, 신규 설계에서는 CDS 대신 포토다이오드나 포토트랜지스터로 대체 가능한지 먼저 검토하는 걸 권장합니다.

대표적인 NTC 서미스터의 내부 구조

NTC 서미스터는 반도체 세라믹 소결체(Sintered Body)로 만들어집니다. 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe) 등 전이금속 산화물을 2종류 이상 혼합하고, 소결성을 높이기 위한 첨가물과 저항값을 조정하기 위한 첨가물을 함께 넣어 1200~1400도의 고온에서 구워냅니다(출처: DK Sensor, NTC 써미스터란).

이 고온 소결 과정에서 안정적인 스피넬(Spinel) 구조나 록솔트(Rock Salt) 결정구조가 형성되는데, 이 결정구조 안에서 온도가 올라갈수록 전자가 더 쉽게 이동할 수 있게 되면서 저항값이 낮아지는 부(-)의 온도계수 특성이 나타납니다. 완성된 소결체는 리드선을 붙이고 에폭시나 유리로 코팅해서 외부 습기와 충격으로부터 보호합니다.

이 소결체의 재료 조성에 따라 사용 가능한 온도 영역이 달라지는데, 저온용으로는 망간-코발트-니켈-철 계열이, 고온용으로는 코발트-망간 계열에 알루미늄이나 아연, 마그네슘, 크롬 등을 첨가한 조성이 쓰인다는 게 오랜 연구를 통해 정립된 기준입니다(출처: DK Sensor, NTC 써미스터란).

제가 예전에 온도보상 회로에 쓸 NTC를 선정할 때, 데이터시트의 사용온도 범위만 보고 조성을 신경 쓰지 않았다가 고온 환경에서 예상보다 저항값 드리프트가 커지는 걸 겪은 적이 있습니다. 이후로는 사용 환경의 온도 범위에 맞는 조성 계열까지 확인하는 습관이 생겼습니다.

[NTC, PTC 내부 구조]

요약 — NTC 서미스터는 전이금속 산화물을 고온 소결해 만든 세라믹 소자로, 결정구조 안에서 전자 이동성이 온도에 따라 달라지며 저항값이 변합니다. 조성 계열에 따라 적합한 사용 온도 범위가 달라집니다.

온도·광량 감지용 저항 사용시 주의사항

첫째, NTC의 B정수(B-Constant)를 반드시 확인해야 합니다. B정수는 특별한 언급이 없다면 25도와 85도 두 온도에서의 저항값으로 계산되는 재료 고유의 물성값으로, 재료 조성과 소결 조건에 따라 결정되며 이 값의 공차가 표준 온도 상하에서 서미스터의 저항 공차에 그대로 영향을 미칩니다(출처: DK Sensor, NTC 써미스터의 관련 용어와 기본 특성). 같은 저항값이라도 B정수가 다르면 온도에 따른 변화 곡선 자체가 달라진다는 뜻입니다.

둘째, 자기발열(Self-heating)을 계산에 넣어야 합니다. NTC와 PTC 모두 측정을 위해 전류를 흘리는 순간 그 자체로 발열이 생기고, 이 열이 실제 주변 온도값을 왜곡시킬 수 있습니다. 제가 겪은 옥외 설치 장비 오작동도 결국 이 자기발열 여유를 계산에서 빠뜨린 게 원인이었습니다.

셋째, CDS는 응답속도가 느리다는 점을 감안해야 합니다. CDS는 빛의 변화에 반응하는 데 수십에서 수백 밀리초가 걸릴 수 있어서, 빠른 광신호 검출이 필요한 자리에는 적합하지 않습니다. 저는 단순 조도 감지용에는 CDS를 쓰지만, 빠른 응답이 필요한 광센서 자리는 포토다이오드나 포토트랜지스터로 넘어갑니다.

넷째, PTC의 정상동작 전류를 정격 내로 유지해야 합니다. PTC를 온도 감지용이 아닌 인라인 유입전류 제한기로 쓸 경우, 정상 동작 중 낮은 전력손실 수준을 유지하도록 회로에 적합한 정격을 가진 제품을 선택해야 하며, 이렇게 하면 저항값이 고정된 일반 저항보다 전력손실을 낮게 유지할 수 있는 장점을 살릴 수 있습니다(출처: DigiKey, NTC 및 PTC 서미스터의 기초).

현장 팁 — NTC를 정밀 온도측정용으로 쓸 때는 측정 전류를 최소한으로 흘려서 자기발열을 억제하고, 가능하면 펄스 방식으로 짧게 측정하는 방법도 함께 검토해보세요.

온도·광량 감지용 저항에 얽힌 부수적인 이야기

서미스터는 언제부터 쓰였을까요?
NTC 특성 자체는 18세기 말 패러데이(Faraday)가 처음 발견했지만, 실제 상용화는 1939년 벨 연구소가 망간-니켈-철 산화물 관련 특허를 출원한 이후 트랜지스터 수신기 회로의 온도보상용으로 시작됐습니다(출처: DK Sensor, NTC 써미스터란). 거의 100년 가까이 된 소자가 지금도 현역으로 쓰이고 있는 셈입니다.

PTC 퓨즈는 진짜 퓨즈와 뭐가 다른가요?
일반 퓨즈는 한 번 끊어지면 교체해야 하지만, PTC는 과전류로 온도가 오르면 저항이 급증해 전류를 스스로 차단했다가, 원인이 사라지고 온도가 내려가면 다시 저항이 낮아져 자동으로 복구됩니다. 그래서 자기복구형(Resettable) 퓨즈라고도 부릅니다.

CDS 대신 요즘은 뭘 많이 쓰나요?
독성 원소인 카드뮴 규제 이슈로 최근 설계에서는 포토다이오드나 포토트랜지스터로 대체되는 경우가 늘고 있지만, 저비용·단순구조라는 CDS의 장점 때문에 여전히 저가형 조도감지 회로에서는 명맥을 유지하고 있습니다.

온도·광량 감지용 저항 관련 자주 묻는 질문 Q&A

Q1. NTC와 PTC를 겉모습만 보고 구분할 수 있나요?
대부분 어렵습니다. 패키지 외형이 비슷한 경우가 많아서, 저는 항상 부품 표면 인쇄 코드나 데이터시트로 확인하고 육안 구분에 의존하지 않습니다.

Q2. NTC 서미스터로 정밀 온도측정이 가능한가요?
네, 다만 저항값과 온도 사이가 비선형이라 소프트웨어에서 별도의 보정식이나 룩업테이블을 적용해야 정확한 값을 얻을 수 있습니다.

Q3. CDS는 야간에도 계속 저항값이 최대인가요?
대체로 그렇지만 완전한 암실이 아니면 미세한 잔광에도 반응합니다. 정밀한 온오프 기준이 필요하면 별도의 히스테리시스 회로를 함께 설계하는 걸 권합니다.

Q4. PTC 자기복구형 퓨즈는 몇 번이나 반복 사용할 수 있나요?
반복 동작이 가능하도록 설계되긴 했지만, 과전류 상황이 반복될수록 특성이 서서히 열화될 수 있어 완전한 무한 반복을 보장하지는 않습니다.

Q5. 온도보상 회로에 NTC 대신 일반 저항을 쓰면 안 되나요?
안 됩니다. 온도보상은 다른 부품의 온도 특성을 상쇄시키는 게 목적이라, 값이 고정된 일반 저항으로는 그 역할을 할 수 없습니다.

정리하며

NTC, PTC, CDS는 이름에 저항이 붙어있지만 일반 저항과는 존재 목적 자체가 다른 센서형 부품입니다. B정수, 자기발열, 응답속도, 그리고 재료 조성에 따른 사용온도 범위까지 함께 이해해야 온도와 빛에 반응하는 회로를 안정적으로 설계할 수 있습니다. 저항의 모든 것 시리즈는 이번 8편으로 전류 제한부터 온도·광량 감지까지 회로 설계에서 만나는 주요 용도를 모두 다뤘습니다.

오늘 확인해볼 것 3가지
1. 온도보상 회로에 쓴 NTC의 B정수가 실제 사용 온도범위에 맞는지 확인해보기
2. NTC/PTC 측정 전류로 인한 자기발열이 계산에 반영되어 있는지 점검하기
3. 빠른 응답이 필요한 광감지 자리라면 CDS 대신 포토다이오드 적용을 검토하기