[60호]주목받는 비분산적외선 가스센서란 무엇인가

이엘티센서

주목받는 비분산적외선 가스센서란 무엇인가

글 | 이엘티센서 천동기

광학식 가스센서인 비분산적외선 가스센서(NDIR)의 원리 및 이를 이용한 가스센서를 소개하고자 한다.

1. 가스 센서의 정의 및 종류

가스 센서는 가스의 농도(concentration)를 측정하는 센서이다. 여기서 농도는 전체 가스 중에 특정 가스가 차지하는 비율을 의미하며 그 단위로는 ppm, %, %LEL 등이 있다.
가스 센서의 측정방식(원리)은 다양한 분류가 있으나 가스를 검출하는 원리에 따라 분류해 보면 광학식, 접촉식, 복합식으로 나눌 수 있다. 광학식은 가스분자의 화학반응이 일어나지 않는 비접촉식이며 접촉식은 가스분자와 반응물질간에 직접 접촉되는 방식, 복합식은 광과 화학반응이 발생하는 원리이다. 다음 표1은 각 방식의 가스 센서에 대한 간략하게 비교 정리한 것이다.

(1) 가스 선택성(Gas Selectivity) : 측정 목표 가스(target gas) 외의 다른 가스의 간섭없이 측정하는 특성
(2) 재현성(Repeatability) : 동일 환경 조건에서 가스 농도 변화 시 동일 농도 조건에서 측정되는 농도 오차
(3) 수명(Life Time) : 재교정(recalibration)을 포함하여 센서가 사양을 충족시키는 성능이 유지되는 시간
(4) 측정 한도(Lowest Detection Limit) : 0 영역에서 센서가 구분할 수 있는 최소 농도 변화 값

앞의 센서 대표 원리별로 간략히 특징과 장단점을 비교해 본다.

2. 접촉식 센서
2.1 반도체식 센서
접촉식센서의 대표적인 반도체식 가스센서는 감지 물질 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도의 변화를 이용하는 것이 많으며 대부분 대기 중에서 가열하여 사용하여 고온에서 안정한 금속 산화물이 주로 사용된다. 금속 산화물은 반도체의 성질을 나타내는 것이 많고, 이중 금속원자가 과잉 (산소 결핍)인 경우에는 n형 반도체, 금속원자가 결핍인 경우에는 p형 반도체가 된다. 이러한 금속 산화물 반도체 중 전기전도도가 크고 융점이 높아서 사용온도 영역에서 열적으로 안정한 성질을 가진 물질이 감지 소재로 센서에 이용되고 있다.
또한 검출회로의 구성이 간단한 편이고 가격이 저렴한 편이나 표면의 금속산화물 반도체에 의해서 전기전도도가 변하기 때문에 여러 종류의 가스에 영향을 많이 받고 습도에도 반응하여 정확한 가스농도 측정에는 단점이 있으나 MEMS의 소형화가 가능하고 상대적으로 가격이 저렴하여 정확도가 크게 중요하지 않는 대량 수요처에 많이 활용되고 있다.
생활속의 많이 사용되는 반도체 방식 센서는 온습도 센서가 있으며, 가스측정에는 휘발성 유기화합물(VOCs), 일산화탄소, 수소계등을 측정할 때 많이 사용된다. 다른 가스에 영향이 크고 고농도에 노출되면 수명과 측정오차가 커진다는 단점이 극복하기 쉽지 않은 과제이기도 하다.

2.2 전기화학식 센서
접촉식 센서의 또다른 대표적인 방식으로 전기화학식 센서가 있다. 전기화학식은 내장된 전극의 작용에 의해 측정 대상 가스가 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 발생하는 전류를 측정함으로써 가스의 농도를 검지한다. 내부에 보통 3개의 전극이 있으며 산화(환원) 반응이 일어나는 검지 전극(working electrode)과 이와 동시에 환원(산화) 반응이 일어나는 대항전극(counter electrode), 그리고 산화환원 반응과 함께 변화하는 전위를 감지하고 전위를 일정하게 유지하기 위한 참조 전극(Reference electrode)이다. 사용자는 센서 외부로 노출된 3개의 전극을 회로에 연결하여 사용한다.
사용자가 전기화학식의 정상작동 또는 성능평가를 위해서는 산소가 필요하기 때문에 공기중에서 실시해야 한다. 또한 표준가스를 주문할 때도 질소베이스가 아닌 공기베이스의 표준가스를 주문하여 시험해야 한다. 질소베이스의 표준가스에서 실시하면 반응량이 적어 측정치가 낮게 표시된다. 경험에 의하면 질소 환경에서 시험시 초기 실험에서는 약 10 ~20%정도 수치가 낮게 나온다.
통상 산업분야에서 사용하는 전기화학식 센서의 사용은 2년 정도이나 생활속에서 사용하는 센서는 대기중에 해당가스가 거의 없기 때문에 수명이 길게는 5년이상까지도 사용 가능한 센서도 판매되고 있다.
장점으로는 빠른 응답시간, 안정성, 낮은 농도도 감지 가능하고, 재현성이 우수하다. 반면 접촉식 센서의 단점인 다른 가스에 대한 반응성, 그리고 고농도에 노출시 수명이 빨리 단축된다는 단점은 원리상 나타나는 현상이다.
주로 전기화학식 센서로는 일산화탄소, 산소, 황화수소, 암모니아가스등을 측정할 때 유리한 성능을 갖는다.

3. 복합식 센서
VOCs를 측정할 때 반도체방식은 정확성에서 타방식에 비해 어려움이 있으나 광이온화(PID Photoionization detector)방식으로 측정할 때 우수한 정확성과 재현성을 가진다.
PID 원리는 자외선(UV) 빛을 가스분자에 조사하여 양이온과 음이온화시키고 이를 전극으로 집전시켜 가스농도에 비례한 전류를 감지하며 광 조사와 화학적 반응을 동반한다.
현재 PID 센서를 장착한 측정기로 VOCs를 ppm 이하 ppb 저농도까지 재현성있게 측정하고 있다. 하지만 경제적인 부담 없이 사용하기에는 가격이 타 방식에 비해 상대적으로 많이 고가이기 때문에 아직까지 타 방식의 센서처럼 확대되지 못하고 있고 VOC측정에는 주로 반도체방식을 많이 사용하고 있다.
PID 특성으로 습도에 간섭이 적고 감도가 우수한 장점이 있다.

4. 광학식 가스 센서
비분산적외선(NDIR Non-Dispersive Infrared)식은 여러 종류의 가스 측정 원리중에서 비접촉식의 대표적 방식으로 가장 정확성과 신뢰성, 안정성, 긴 수명등의 장점을 많이 가지고 있다. 하지만 광학계 부품의 고가로 인해 타 방식에 비해 상대적으로 가격이 높았다. 따라서 NDIR식은 기존에는 주로 고가의 분석기에 사용되어 왔으나 지속적으로 광학센서의 사용량이 크게 늘어나면서 광학계 부품들의 가격이 낮아져 일상 생활속에서도 사용할 수 있게 되었다. 예로서 가장 대중화된 NDIR 이산화탄소센서의 경우는 전기화학식이나 반도체식에 비해서도 가격의 차이가 없어졌다. 이로 인해 시장에서 이산화탄소 센서는 거의 90%이상을 NDIR식을 사용하고 있다. 최근 코로나바이러스로 인해 음주 측정용 알콜 센서 방식도 기존에 주로 사용하는 반도체식, 전기화학식 방식에서 비접촉식인 비분산 적외선식이 확대되고 있는 것도 정확성이 높고 비접촉으로 감지하기 때문이다. 이산화탄소 센서의 경우처럼 광학식의 장점이 많아 가격이 낮아지면 기존 접촉식 센서들의 상당부분이 광학식으로 확대될 것으로 예상된다. 그리고 기존까지는 광학식 기술은 선진국에서 앞서 있었으나 국내 기술의 발전으로 상당부분 대등한 기술수준까지 오게 되었다.
다음은 이엘티센서의 중점 사업 기술 분야인 NDIR센서에 대해서 구체적인 핵심 기술과 대표 신제품을 알아본다.

4.1. 광학식 가스 센서의 기본 구성
광학식 비분산적외선(NDIR) 가스 센서는 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하여 가스 농도에 대한 광 흡수율을 측정하는 방식이다. 검지부의 중요 부품은 광원(Light Source)과 광 검출기(Light Detector), 그리고 광이 지나가는 경로와 광 효율을 결정하는 광 도파관(Optical Wave Guide 또는 Cavity – 아래 금색 부)이 있고, 광신호를 처리하는 회로부와 제어를 담당하는 펌웨어 부가 있다.

이 중에서 광 도파관은 각 회사의 고유한 기술이며 광경로, 길이, 집광도 등의 광 효율성을 결정는 핵심기술로서 회사의 주요 특허 대상이다. 이엘티센서는 국내, 미국, 일본, 중국, 유럽등에 20여건의 특허를 등록하여 국내에서 가장 많은 비분산적외선 센서 관련 기술특허를 보유중이다.
아래 그림들은 특허로 등록된 광 도파관의 광 이동 구조의 예시 들이다.
통상의 타 회사의 간단한 직선형구조 보다 더 긴 광경로를 이루도록 기하학적 구조를 배치하여 정확성과 정밀성을 높일 수 있다.

NDIR 센서 모듈의 구성 흐름을 간단히 보이면 아래 그림과 같이 광 검출기에서 출력되는 전기 신호는 증폭 회로와 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 거쳐 처리 장치(CPU, Micro Processor)에서 가스 농도를 계산하여 출력해준다. 농도 산출은 기본적으로 비어-램버트 함수를 이용하지만 각 설계환경에 맞추어 적정하게 변형 도출되어야 한다.

4.2. NDIR로 측정하는 가스의 광학적 특징
측정기의 크기에 제한 없이 수 미터 이상 광 경로를 길게 할 수 있다면 매우 더 낮은 농도를 측정할 수 있다. 하지만 분석기가 아닌 센서류는 크기와 관련되기 때문에 수 센티미터 크기에서는 낮은 농도를 측정할 수 있는 한계성이 있다. 현재 이산화탄소와 메탄은 수 센티 크기의 모듈로도 제작 가능한 기술이 개발 되었고 지속적으로 소형화되고 있으나 일산화탄소, 이산화질소등의 대기중에 낮은 농도까지 측정해야 하는 가스는 소형화하는데 많은 어려움이 있어 아직 정밀하게 측정할 수 있는 광학식 센서로는 연구개발 단계에 있다. 수년 안에 상품화될 것이다. 아래 표2는 대기중의 주요 가스와 흡수파장, 그리고 가스분자의 광 흡수특성에 따른 간략비교를 보여준 것이다.

모든 분자는 광을 흡수하면 열 진동(Thermal Vibration)을 하게 되는데 흡수하는 광은 원자 간 결합의 세기에 따라 그 파장(또는 진동수)이 달라진다. 예를 들어 이산화탄소의 경우 3종의 열 진동 모드(Thermal Vibration Mode)를 갖는데 표3과 같다.

일반적으로 단원자 분자의 결합력이 강하여 흡수하는 에너지가 더 높은 단 파장대의 광을 흡수하고 다원자 분자의 경우 결합력이 약하여 에너지가 낮은 장 파장대의 광을 흡수한다. CO2의 경우 가장 에너지가 높은 4.26㎛ 파장대를 이용하여 센서를 만들고 있다.
하지만 산소와 질소 같은 단원자 분자로 되어 있는 것은 적외선 흡수율이 적어서 NDIR 센서는 만들기 어려운 한계성이 있다.

5. 가스 센서의 개발 및 시장의 요구 동향
기술의 발전에 따라 타 산업과 마찬가지로 가스센서도 시장에서는 지속적으로 더 작은 센서, 더 낮은 소비전류 센서, 더 낮은 가격의 센서를 요구하고 있다. 정확도 또한 유지하면서 이러한 성능을 요구하기 때문에 센서 제조사들은 지속적으로 제품개발과 연구에 더 많은 비용과 시간을 투입해서 대응하고 있지만, 기술발전의 속도가 느리고 기초과학에서 출발하는 센서기술의 특성상 원천 소재와 광 부품등의 동반 발전과 지원이 반드시 필요하다.
다음에는 현재 개발되어 판매되고 있는 대표적인 NDIR 가스센서(CO2, CH4)의 센서모듈의 사양과 특징을 소개한다.
아래 소개한 신제품 가스센서는 디바이스마트 사이트에서 손쉽게 구입할 수 있어 편리하다.

6. 대표적인 CO2, CH4, CO 센서 모듈, 제품

7. 마무리
가스센서의 개발은 원천기술 확보를 통해 선진국으로부터 기술 독립이 가능하며 센서의 신뢰성을 검증받는데 최소 10년 이상 센서 개발 경력이 있어야 한다. 또한 전세계 수출을 위해 독자적인 센서로 인정받기 위해 국내외 다수 특허 확보가 필요하고 다양한 신모델 개발이 필요하다. 이러한 노력을 계속하고 있는 이엘티센서는 국내 센서기술이 선진국과 대등한 기술수준으로 인정받을 수 있도록 견고한 기초를 다져가고 있다.