[기고] 스마트 홈과 스마트 빌딩에서 CO₂ 센서를 활용한 공기 질 향상

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 오늘날 우리는 자동차, 기차, 비행기, 빌딩 같은 실내에서 거의 모든 시간을 지낸다. 이런 실내에서 이산화탄소(CO₂)농도는 사람의 건강과 업무 능력에 직접적으로 영향을 미친다. 이산화탄소 농도가 높으면 건강에 미치는 영향은 생산성 저하로 이어질 수 있는 두통이나 졸음, 집중력 저하에서부터 코로나19 같은 공기 매개 전파 바이러스의 감지되지 않은 축적에 이르기까지 다양하게 나타난다.

이에 실내 공기 감지 수요가 급증하고 있다. 시장조사업체 테크나비오(Technavio)가 지난 4월 발표한 CO₂ 센서 시장 조사 결과에 따르면 시장 규모가 2021년부터 2025년까지 매년 평균 약 7%씩 성장할 것으로 전망된다. 이 같은 성장을 견인할 가장 큰 동력은 건축 시장이 될 것으로 보인다.

시스템 디자이너는 자신이 설계하는 센서에 다양한 방식의 CO₂ 센싱 기술을 선택할 수 있다. 널리 사용되는 두 가지 방식 중 하나가 비분산 적외선(NDIR) 센서이고, 다른 하나는 이산화탄소 농도를 대략적으로 계산하는 eCO₂ 센서라고 부르는 것이다.

NDIR 센서는 IR(적외선) 광원, 샘플 챔버, 특수 필터, 레퍼런스, 흡수 IR 검출기로 이뤄진다. 그러므로 상대적으로 크기가 크고 비용이 많이 든다. 정확한 CO₂ 측정을 할 수 있는 대신에 큰 폼팩터 때문에 소형 IoT 디바이스나 스마트 홈 디바이스에 사용하기엔 적합하지 않다. NDIR 센서와 달리 eCO₂ 센서는 크기는 더 작은데 실시간 측정을 하지 못한다. 대신 이 센서는 알고리즘을 사용해서 상응하는 CO₂ 값을 계산한다. 여러가지 가정을 이용해 CO₂ 값을 계산하므로 적시에 공기 질을 향상시키기가 어려울 수 있으며 그럼으로써 환경기후 제어 시스템이 불필요하게 에너지를 낭비할 가능성이 있다.

이에 인피니언테크놀로지스(이하 인피니언)는 기존 CO₂ 센서들의 단점을 극복하기 위해 축적된 MEMS 기술과 전문성을 바탕으로 광음향 분광법(PAS)에 기반한 새로운 CO₂ 센서를 개발했다. PAS 센서의 작동 원리를 보면[그림 1], 적외선 광원으로부터 방출된 광 펄스가 λ=4.2㎛의 CO₂ 흡수 파장으로 튜닝된 광학 필터를 통과한다. 측정 챔버 내부의 CO₂ 분자는 필터링 된 빛을 흡수해 분자가 진동하게 하고 각 펄스에 압력파를 발생시킨다. 센서 내 공동에서 CO₂ 분자에 의해 발생되는 압력 변화를 감지하고, 마이크로컨트롤러(MCU)가 이 출력을 CO₂ 농도 측정값으로 변환한다.

14×13.8×7.5㎣ 크기의 센시브(XENSIV) CO₂ 센서는 소형 PCB로 광음향 트랜스듀서와 함께 검출기, 적외선 광원, 광학 필터를 통합했을뿐만 아니라, 온보드 신호 프로세싱을 위한 마이크로컨트롤러, 정교한 알고리즘, 적외선 광원을 구동하기 위한 MOSFET을 포함한다[그림 2].

또한 검출기로 최대의 성능을 달성하기 위해, 이 PAS 센서 디자인은 시스템 잡음을 최소화한다. MEMS 검출기를 외부적 잡음으로부터 차단해 챔버 내에서 CO₂ 분자들로부터 발생되는 압력 변화만을 감지하도록 한다. 즉, 흡수 챔버를 음향학적으로 외부 잡음으로부터 차단해 정확한 CO₂ 센싱 정보를 제공하고 잡음의 영향을 최소화하는 것이다. 그럼으로써 ±30ppm ±3%에 이르는 정확하고 견고한 성능을 달성한다.

또한 인피니언은 PAS CO₂ 키트를 제공한다. 이 키트는 이 센서의 사용 과정이 얼마나 빠르고 쉬운지 보여주는 것으로 실내 공기질 모니터링을 위해 플러그-앤-플레이로 CO₂를 측정하고 ppm 리드아웃을 제공한다. 뿐만 아니라 이들 키트와 함께 포괄적인 제품 평가 보드(PAS CO₂ 평가 보드, 아두이노 기반 Shield2Go 보드), 소프트웨어 라이브러리, 애플리케이션을 포함한 서류 일체를 제공한다.

CO₂는 무색무취한 기체지만 인피니언의 XENSIV PAS CO₂ 센서가 전자 코를 제공함으로써 잠재적인 공기 질 문제를 감지한다. 이 새로운 센서는 맞춤형 환기 시스템, 공기 정화 장치, 기상 관측 장치, 개인 비서 같이 가격에 민감한 대량수량 스마트 홈·빌딩 자동화 애플리케이션에 적합하다. 이 같은 시스템들로 CO₂ 측정 기능을 통합함으로써 자동 환기 시스템을 필요할 때만 가동하고 에너지를 절약할 수 있으며 실내 공기 질을 크게 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 에너지 요금을 절약할 수 있으며 실내 환경을 더 건강하게 만들 수 있다. 인피니언은 지능적이며 사용하기 편리하고 비용을 절약하는 방식으로 누구나 자신의 환경을 파악할 수 있도록 한다.

자료제공: 인피니언테크놀로지스(www.infineon.com)