PTC 히터 소자

목차
1.PTC 히터의 종류
2.PTC 히터의 발열 원리
3.PTC 히터 설계 시 주의 사항

1.PTC 히터의 종류

 
PTC를 히터로 사용하는 경우,
열을 내는 근원은 위 사진의 PTC 소자입니다.

*PTC를 온도센서로 사용하기도 합니다.

PTC 소자를 이용해서 제작하는 히터의 형태는 다양하지만,
소자에 전원을 인가하는 방식은 동일합니다.

 

 
위 사진과 같이 PTC 소자의 ‘A’ , ‘B’면에
DC의 경우 각각 다른 극을, AC의 경우 한 쪽씩 연결해 줍니다.

 

 
위 사진의 'C'는 PTC 소자에 Polyimide 필름으로 감싼 형태입니다.
Polyimide 필름은 260도의 고온을 견딜 수 있고, 절연성이 높습니다.
 
'D'는 'C'를 알루미늄 히트싱크겸 브라켓에 결합한 형태입니다.
필요한 곳에 부착하여 사용합니다.
사용 예시로, 추운 지역에 설치되는 ATM 내부 부품에 부착되어 일정 온도를 유지합니다.
 
'E'는 가장 많이 사용되는 타입으로
'C'에 물결무늬 히트싱크를 부착한 형태입니다.
이 형태는 쿨링팬과 같이 사용됩니다.
PTC 히터, 건조기 등은 대부분 이 형태를 사용합니다.
'E'는 다시 절연/비절연으로 분류가 됩니다.
 
 

 
위 사진의 F.비절연 PTC는 소자가 Polyimide 필름 없이 단자를 통해 직접 전도됩니다.(아래 사진 참고)
이 형태는 절연 PTC 대비 생산 단가를 낮출 수 있고,
열전도 시 Polyimide 필름을 통하지 않기 때문에 열효율은 더 높아집니다.

*Polyimide는 절연 성질을 갖는 동시에 열전도성도 금속 대비 떨어집니다.
 
 

 
안전성 측면에서 보면, 알루미늄 히트싱크 표면 전체에 전기가 통하고 있으니
설계시 주의를 해야 합니다.

*예를 들어 히터를 음식물 건조기에 사용할 경우, 시간이 지나 음식물 진액이 진득하게 고일 수 있습니다.
  그 부분을 절연 본드로 마감을 하면 단락 발생을 어느 정도 예방할 수 있습니다.
 
 

위 사진의 빨간 부분과 초록 부분은 결선을 통해 전위차가 발생합니다.
AC 220V 를 인가했다면 초록색과 빨간색의 전위차는 220V 입니다.
'F'로 음식물 건조기를 제작했다고 가정했을 때, 전도성을 갖는 이물질이
PTC에 닿아서 빨간색과 초록색을 연결한다면 단락이 됩니다.
비절연 PTC를 사용한다면 반드시 FUSE등 추가 안전장치를 사용해야 합니다.
 
 

 
 
'G' 절연 PTC는 사진의 'PTC소자 + Polyimide 필름'이 알루미늄 관 내부에 들어가 있어
외부 히트싱크는 절연이 되어 있습니다.
반려견 드라이룸 등 혹시라도 PTC를 만질 수 있는 구조에서는 절연 PTC를 사용해야 합니다.
 
 

 
'H'는 PTC 히터에 팬을 결합하기 좋은 형태로 케이스를 제작한 제품입니다.
PTC 히터를 이용한 최종 제품 설계를 편하게 해줍니다.
절연/비절연과는 무관합니다
 
 

 
PTC의 케이스는 위 사진의 'j'와 같이 사출물로 팬을 고정하기 쉽게 제작한 형태가 있고
‘k'와 같이 알루미늄 가공으로 제작한 형태도 있습니다.
’j'의 케이스는 120mm팬과 같이 사용할 수 있도록 제작된 케이스 입니다.
많이 사용되는 60, 90, 120mm팬 용 금형은 있지만
기타 형태는 보통 맞춤 제작을 해야 합니다.
금형비는 200~400만원 사이입니다.
수량이 적을 때는 위의 'k.알루미늄 브라켓'을 사용해서 제작하기도 합니다.
 
 

 
PTC의 길이는 위 사진의 'L1' 히트싱크를 커팅하여 제작하기 때문에 맞춤 제작이 가능합니다.
알루미늄 커팅이니, 금형 사출물에 비해 오차 범위가 큽니다.
PTC의 폭은 맞춤 제작은 안되고, L3단위로 커지게 됩니다.
L3가 3cm라면 두 개 붙여 6cm, 세 개 붙여 9cm 이런 식으로 제작 가능합니다.
위 사진의 케이스는 L2에 사이즈에 맞추어 제작된 금형입니다.
이 케이스를 사용하려면 L2는 고정이고 L1만 맞춤 제작이 가능합니다.
 
PTC 케이스 재질은, 사용된 PTC의 표면 온도에 따라 달라집니다.
고온을 견뎌야 하기 때문에 내열온도 220도인 PPS 재질을 많이 사용합니다.
표면 온도가 낮은 PTC를 사용할 경우 PA66(105도) / PBT(140도)를 사용하기도 합니다.
특수한 경우에 LCP 재질(260도)을 사용하기도 합니다.
PPS와 LCP는 엔지니어링 플라스틱으로 원자재가가 상대적으로 비쌉니다.
이 둘은 열 수축율이 PA66 , PBT와 다르기 때문에 같은 금형을 사용할 수 없습니다.
원자재가가 비싸지더라도 PTC 온도를 범용으로 사용하기 위해서 PPS용 금형을 제작하는 것이 좋습니다.
 
 

2.PTC 히터의 발열 원리

PTC 소자는 일정 온도(큐리온도)이하에서는 강유전성으로 저항이 낮은 상태입니다.
큐리온도 이하에서 전압 인가시 낮은 저항으로 전류가 흐르고, 저항에 의해 열이 발생하기 시작합니다.
이 열에 의해 온도가 높아지다가 큐리온도 이상으로 올라가면
PTC 소자의 결정 구조가 상유전체로 변경됩니다.
이로인해 저항이 급격히 상승하여 전류가 차단되고 이는 큐리온도 이하로 떨어질 때 까지 지속됩니다.
 
 

 
BaTiO3 을 원재료로 사용하면 큐리온도는 120도이고,
Ba대신 Sr이나 Ca을 사용하거나,
Ti대신 Zr이나 Nb를 사용하면 큐리 온도를 변경할 수 있습니다.
이는 PTC의 표면 온도를 결정하는 요소가 됩니다.
 
PTC 소자의 제작 과정은,
BaCO3와 TiO2분말을 고온(1200~1300도)에서 구우면 화학반응으로 BaTiO3가 형성됩니다.
이렇게 얻은 BaTiO3 분말을 틀에 넣어 다시 1300~1400도의 온도로 구우며 압력을 가하여
원하는 형태로 성형합니다.
냉각 및 후처리를 통해 원하는 형태의 PTC 소자가 제작됩니다.
 
 

3.PTC 히터 설계 시 주의 사항

PTC소자의 일정 온도 이하로 제어되는 특성 덕분에 안전한 히터로 여겨지고
항공, 차량용으로 사용됩니다.
반면 코일히터는 히터 자체로는 온도가 제어되지 않고 500도 이상에서 800도 이상까지 올라가는 경우도 있어
화재 위험이 높습니다.
에너지 효율 면에서도 코일히터와 PTC 히터는 큰 차이가 없습니다.
~100도까지의 환경 온도를 만들기 위한 조건에서는,
PTC 히터가 더 안전하고 균일한 온도를 만들기 좋습니다.
 
 

 
위 사진과 같이 PTC 히터는 바이메탈과 같이 사용되는 경우도 있습니다.
이때 바이메탈은 안전을 위한 용도로 사용됩니다.
PTC 히터가 어떤 이유로 설계 온도보다 상승할 경우
바이메탈이 전류를 차단하여 화재를 방지합니다.
 
 

 
PTC히터에 외부에서 원하는 온도를 입력하고 제어하기 위해서는
뜨거운 바람이 나오는 부분(위 사진의 초록색 점 부분)에
NTC 등의 온도센서를 부착하여 제작합니다.
이때 주의할 점은 외부 온도센서로 제품의 에러를 판별하는 건 지양해야 합니다.
PTC소자는 생산 Lot 별 온도 편차뿐 아니라
쿨링팬, 환경온도, 히트싱크 사이즈/재질 등의 영향으로 완제품에서는 동일한 설정을 하더라도,
온도센서로 측정되는 온도는 Lot 별 편차가 크게 발생합니다.
그래서 PTC 히터의 사양서에서는 히트싱크를 통해 나오는 공기 온도에 대한 값은 제공되지 않고,
PTC소자의 표면 온도와 전류값만을 규정합니다.
 
예를 들어, 표면온도 200도이고 소비전력이 1000W인 PTC 샘플을 이용하여 제품을 개발할 때
개발 시 사용된 PTC 샘플 기준, 온도센서를 통해 측정된 온도값이 60도를 넘지 않아서
펌웨어에 70도를 넘으면 에러가 출력되도록 개발을 했다고 가정하겠습니다.
이후 양산이 몇 차례 진행되면서 2~3년이 지나 입고된 PTC히터로 제작된 제품에서
만약 온도가 75도로 측정된다면 완제품은 에러를 출력할 것입니다.
하지만 PTC의 표면 온도를 측정했을 때 200도를 넘지 않고, 소비전력도 1000W를 넘지 않았다면
PTC 사양서 상 PTC는 불량이 아닙니다.
이런 상황은 PTC히터의 바람 온도가 여러 변수에 의해 편차가 큰 점을 고려하지 않은 문제입니다.
온도센서를 이용하여 에러를 출력하고 싶다면 반드시 중간 단계를 두어야 합니다.
 
 

 
예를 들어 60도가 넘으면 위 사진의 빨간 부분과 같이
히터 세 줄 중 두 줄에만 전원을 공급하여 온도가 조절되도록 설계하고,
이렇게 해도 70도를 넘는다면 에러를 출력하는 등의 장치가 필요합니다.
 
마지막으로 수명 관련하여,
PTC 히터는 대부분 전자부품이 그렇듯 시간이 지날수록 수명이 줄어듭니다.
보통 10,000시간 사용 시 새 제품의 80~90%로 성능이 떨어지게 됩니다.(10~20% 성능 하향)
성능이 떨어지는 원인은 큐리온도를 넘어서면 결정 구조가 변경되는데,
이 때 마다 미세하지만 화학적 손상을 입게 됩니다.
이 손실을 줄이기 위해서, PTC소자의 전원을 끈 이후에도 쿨링팬으로 30초간 바람을 불어 주는 게 좋습니다.
 
 
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