온도계(thermometer)의 원리에 대해서 알아보자

온도계(thermometer)의 원리에 대해서 알아보자.

 

온도계는 단순한 도구 같지만, 그 내부에는 물리학과 재료공학이 결합된 정밀한 원리가 숨어 있다. 이 글에서는 온도계가 온도를 어떻게 측정하는지, 어떤 종류의 센서 원리가 있는지 등등 한번 알아보자.

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1. 온도란 무엇인가?

온도(Temperature)는 물체를 구성하는 입자들의 평균 운동 에너지를 나타내는 물리량이다. 입자들이 활발히 움직일수록 온도가 높고, 움직임이 느릴수록 온도가 낮다.

온도는 기본적으로 에너지의 흐름 방향을 결정하며, 온도차가 존재할 때 열(heat)이 이동한다. 이 물리적 특성을 기반으로 온도계는 온도를 측정한다.

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2. 온도계의 기본 원리: 물리적 특성의 변화

온도계는 온도 변화에 따라 어떤 물리적 특성이 변화하는 물질을 이용하여 온도를 측정한다. 이때 활용되는 대표적인 물리적 특성은 다음과 같다:

• 열팽창: 온도에 따라 부피가 변하는 성질 (예: 액체온도계)
• 전기저항: 온도 변화에 따라 전기 저항이 달라짐 (예: RTD, 서미스터)
• 기전력(전압): 두 금속 간의 열차이로 발생 (예: 열전대)
• 복사에너지: 물체에서 방출되는 적외선의 세기 (예: 비접촉식 적외선 온도계)

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3. 온도계의 종류별 작동 원리

1) 액체 팽창식 온도계 (Liquid-in-glass thermometer)

• 원리: 온도에 따라 액체(수은, 알코올 등)의 부피가 달라짐
• 사용: 실내 온도, 기온 측정
• 기술 특징:
  • 열팽창 계수가 일정한 액체 사용
  • 모세관 내부에 눈금을 통해 직접 판독

P = ρgΔh 개념으로 간접적 압력 변화도 관련됨 (중력 영향 포함 시)

흔히 우리가 아는 온도계 1

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2) 열전대 (Thermocouple)

• 원리: 서로 다른 금속 2종을 접합하여 열차이가 생기면 기전력(전압)이 발생
• 기술 기반: 제백 효과(Seebeck effect)
• 사용: 고온 공정, 금속 가공, 배기 가스 온도 측정 등
• 특징:
  • 빠른 응답 속도
  • 넓은 온도 범위 측정 가능 (수백 ~ 수천 도)

V = α(T₁ - T₂) (α: 열전계수)

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3) RTD (저항 온도 검출기, Resistance Temperature Detector)

• 원리: 금속(주로 백금)의 저항이 온도에 따라 선형적으로 변화
• 기술 기반: 금속의 온도-저항 특성
• 사용: 정밀 온도 제어, 산업 자동화
• 특징:
  • 높은 정확도와 재현성
  • 고안정성, 반복 측정에 적합

R(T) = R₀(1 + αΔT) 형태로 사용됨 (R₀: 기준 저항값)

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4) 서미스터 (Thermistor)

• 원리: 반도체 재질의 저항이 온도에 따라 급격히 변함
• 종류:
  • NTC (Negative Temperature Coefficient): 온도 상승 → 저항 감소
  • PTC (Positive Temperature Coefficient): 온도 상승 → 저항 증가
• 특징:
  • 고감도
  • 비선형 응답 → 좁은 범위 정밀 측정에 적합

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5) 비접촉식 적외선 온도계 (Infrared Thermometer)

• 원리: 물체에서 방출되는 적외선 복사량을 감지하여 온도를 계산
• 기술 기반: 플랑크의 복사 법칙, 스테판-볼츠만 법칙
• 사용: 의료용 체온계, 고온 영역 비접촉 측정, 열화상 카메라

E = σεT⁴ (E: 복사 에너지, T: 절대온도, σ: 스테판-볼츠만 상수)

 

흔히 우리가 아는 온도계 2

 

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4. 온도 측정 시 주의할 기술 요소

항목	내용
반응 속도	열전대 > 서미스터 > RTD > 액체온도계
측정 범위	열전대가 가장 넓고, 서미스터는 좁지만 고정밀
오차 요인	열전달 지연, 보상 회로 부정확, 교정 상태 불량 등
보정 필요성	대부분 센서는 주기적인 보정 필요 (특히 정밀 기기)

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5. 정리

구분	원리	특징
액체온도계	열팽창	직관적, 저비용, 응답 느림
열전대	금속 간 기전력	고온, 내열성, 빠른 반응
RTD	금속 저항 변화	고정밀, 선형성, 산업용 적합
서미스터	반도체 저항 변화	고감도, 비선형, 좁은 범위
IR 온도계	적외선 복사	비접촉식, 안전, 빠름