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칩 단위 공기 질 모니터링의 미래향상된 가스 센서로 실내 공기 질 향상
양대규 기자 | 승인 2018.10.26 17:36

[EPNC=양대규 기자] 20세기에는 가스 감지와 분석 작업이 주로 실험실에서나 사용하는 연구용 계측 장비를 활용해 이뤄졌다. 21세기 들어서 다양한 가스를 감지할 수 있는 정교한 센서들이 소형화되고 가격도 저렴해지면서 가스 센서 IC의 대량생산이 가능해졌다.

오늘날 가스 센서 칩의 대표적인 애플리케이션으로는 공기 질 모니터링, 홈 오토메이션·빌딩 자동화(Home And Building Automation, HABA) 시스템, 공기 청정기, 스마트폰 같은 컨슈머 기기 상에서 구동되는 라이프스타일과 주거 환경 애플리케이션을 들 수 있다.

이런 애플리케이션에 사용되는 가스 센서 칩은 대개 금속산화물(Metal-Oxide, MOX) 소재로 만들어진 마이크로 가공 센싱 소자를 사용한다. 동작 모드일 때 센싱 소자는 150~450℃ 로 뜨거워진다. 이처럼 고온 상태일 때 센싱 소자가 다양한 유형의 환원 또는 산화 가스에 노출되면 센싱 소자의 저항이 달라진다. 이렇게 저항이 달라지는 것을 측정함으로써 공기 중의 가스 농도 상대값을 계산할 수 있다.

이런 단일 소자 가스 센서는 공기 질 모니터링 애플리케이션에 중요한 기능들을 제공한다. 자동차·HABA 시장용 공기 질 센서 공급기업인 ams의 MOX 기반 CCS811 가스 센서[그림 1]는 다음과 같은 두 가지 중요한 기능을 제공한다.

▲ 공기 중의 상대적인 농도를 ppb(Parts per billion) 단위로 측정해서 등가의 총 휘발성 유기 화합물(Equivalent total volatile organic compounds, eTVOC) 값을 산출

▲ 공기 중의 상대적인 농도를 ppm(Parts per million) 단위로 측정해서 등가의 이산화탄소(eCO2) 값을 산출

[그림 1] 센서 보드(오른쪽)와 USB-대-I2C 브리지 보드(왼쪽)를 결합하고 있는 ams의 CCS811 평가 보드

공기 청정기나 스마트 서모스탯 같은 디바이스에 소프트웨어 알고리즘을 적용함으로써 다양한 환원 가스들에 대한 eTVOC 측정으로부터 공기 질 지수나 전반적인 공기 질 점수를 도출할 수 있다. 또한 eCO₂ 측정은 특정 공간 안에 사람이 존재하는지를 신뢰성 있게 감지할 수 있다. 사람이 호흡을 하면, 외부에서 신선한 공기가 유입되지 않는 한, 실내 공기중의 CO₂ 농도가 증가하기 때문이다.

이런 상대적 가스 농도 측정은 환기량 제어 시스템(Demand-Controlled Ventilation, DCV)이나 공기 청정 시스템에 성공적으로 사용되고 있다. 이런 것들이 공기 질 모니터링 기술이 유용하게 활용되고 있는 대표적인 애플리케이션이다. 이 기술은 이 외에도 다양한 분야에 유용하게 활용될 수 있다.

이 기술이 계속 발전하려면 4가지 측면에서 가스 감지 센싱 기술이 향상돼야 한다. 이 글에서는 오늘날 가스 센서 공급사들이 어떻게 연구개발을 하고 있으며, 미래에는 어떤 새로운 향상된 애플리케이션들이 가능할지 살펴본다.

고객의 요구가 시장을 견인

센서 회사들이 연구개발에 박차를 가하도록 하는 주된 동력은 보다 우수한 성능과 자동으로 동작할 수 있는 환기·공기 청정 시스템에 대한 고객들의 요구다. 이런 요구를 충족하기 위해서는 가스 감지 센싱 기술이 다음과 같은 측면에서 향상될 필요가 있다.

▲ 더 많은 선택도

▲ 더욱 향상된 정확도와 정밀도

▲ 더 뛰어난 감도

더 많은 선택도에 대한 수요는 인체가 가스마다 다르게 반응하기 때문이다. 광범위하게 설치해 성공적으로 사용 중인 ams의 CCS811 가스 센서는 특정 VOC가 아니라 전체 VOC를 측정할 수 있다. VOC라고 하는 용어에는 넓은 범주의 가스들이 포함된다. VOC는 불쾌하기는 하나 건강에는 해롭지 않은 것일 수 있다. 예컨대, 입냄새처럼 사람이 발생하는 불쾌한 냄새도 여기에 포함될 수 있다.

이와 달리, 발암 물질로 알려진 벤젠이나 담배 연기 성분, 자동차 엔진의 배기 가스처럼 유해한 화학물질도 VOC 범주에 포함될 수 있다[그림 2].

[그림 2] 자동차 배기 가스는 도시 공기를 오염시키는 주범이다.

몸에는 해롭지 않고 냄새만 나는 VOC와 유독한 VOC를 구분할 수 있는 가스 센서를 사용한다면, 공기의 상대적인 유해성이 긴급하거나 심각한 정도에 이르렀을 때 사용자에게 알려줄 수 있는 향상된 공기 질 모니터링 시스템이나 사용자가 개입할 필요 없이 실내로부터 유해한 가스를 자동으로 배출하는 향상된 HABA 시스템을 개발할 수 있을 것이다.

가스 센서 측정의 정확도와 정밀도는 공기 질 모니터링 디바이스가 제공하는 정보에 대한 사용자의 신뢰도에 영향을 미친다. 오늘날 가스 센서 IC는 공기 질을 좋음, 보통, 나쁨으로 구분하는 것처럼 넓은 구간에 걸친 지표를 제공할 수 있다. 이런 VOC와 CO2 농도 측정 정확도는 시간이나 주변 온도와 습도 변화에 대한 좋음, 보통, 나쁨의 세 구간에 걸친 지표의 일관성과 정확성을 보장할 수 있을 만큼 충분히 정확하다.

하지만 사용자가 이런 지표에 대해 어떻게 대응해야 할지는 명확하지 않다. 공기 질이 ‘보통’일 때 사용자는 어떻게 대응해야 할까? ‘좋음’일 경우에는 아무런 조치를 할 필요가 없는가? 공기가 ‘나쁨’으로 표시되면 즉시 환기를 해야 할까? 따라서 더 정확하고 정밀한 측정은 최종 사용자에게 더 유용한 지표를 제공할 수 있다.

더 많은 선택도가 제공된다면, 모니터링 장비가 유해하거나 불쾌한 가스를 아주 낮은 농도까지도 잡아낼 수 있으므로 최종 사용자에게는 더욱 유용할 것이다. 이런 목표를 달성하기 위해서는 몇 가지 과제들을 해결해야 한다.

가스 센서 개발을 위한 과제

선택도, 정확도와 정밀도, 감도를 향상하기 위해서는 가스 센서의 4가지 측면에서 연구개발이 이뤄져야 한다.

첫째, 소재 과학 측면에서 전문성이 요구된다. 가스 센서 칩의 핵심 소재로서 기존의 MOX 소재를 대체하거나 보완하기 위해서는 보다 향상된 센싱 소재가 필요하다. 새로운 센싱 소재는 특정 가스에 반응함으로써 선택도를 늘리고, 잡음이나 오염으로부터 영향을 덜 받음으로써 정확도를 높일 뿐 아니라, 더 낮은 농도에 반응할 수 있으므로 감도도 향상시킬 수 있다.

두 번째 과제는 반도체 회사들에게 너무나 익숙한 과제인 크기 소형화이다. 오늘날의 단일 소자 센서를 다중 가스 센서 어레이로 교체하면 더 많은 선택도를 달성할 수 있다.

스마트폰, 스마트 스피커, LED 조명 기구처럼 가스 센서를 내장하기 위한 호스트 기기들은 공간이 제한적이다. 가스 센싱 칩이나 모듈에 할당할 수 있는 공간을 지금보다 더 늘리기가 힘들다. 오늘날 단일 센싱 소자는 표면적이 대략 1mm2이다. 센서 칩 제조회사의 과제는 이와 동일한 풋프린트에 다중 센서 어레이를 탑재하는 것이다.

세 번째 과제는, 다중 가스 센싱 소자와 동일한 다이 또는 패키지에 상대 습도 센싱 기능을 통합하는 것이다. 습도 변화는 가스 센서 측정에 현저한 영향을 미친다. 따라서 출력 정확도를 높이려면 보정 알고리즘이 필요하다. 습도 샘플을 가스 샘플과 동일한 지점에서 수집한다면 이런 알고리즘의 효과를 향상시킬 수 있고, 그럼으로써 고객이 중요하게 요구하는 정확도도 높일 수 있다. 뿐만 아니라 다중 가스 센싱 패키지에 습도 센싱을 통합하면 가스 센싱 회로의 총 풋프린트와 부품 수도 줄일 수 있다.

마지막으로, 가스 센서 제조회사들이 센싱 소자에서의 원시 저항 측정을 공기 중의 가스 농도에 대한 디지털 값으로 변환하고 교정하는 데 사용되는 일련의 알고리즘의 범위와 성능을 지속적으로 향상시킬 필요가 있다. 차세대 가스 센서에서는 이런 알고리즘들이 다중 가스 센서 어레이와 상대 습도 센서로부터 확보한 입력값들을 합성해야 할 것이다. 이처럼 갈수록 복잡해지는 알고리즘을 실행하기 위해서는 이전의 가스 센서 시스템에 사용된 것보다 훨씬 더 높은 프로세싱 성능이 요구될 것이다.

실내 공기 질에 대한 정밀 제어

이 글에서 설명한 연구개발 과제들은 실제로 센서 제조회사들에서 진행되고 있다. 이것을 상용 가스 센서 칩이나 모듈에 적용함으로써 다음과 같은 향상된 성능을 제공하는 새로운 공기 질 시스템을 개발할 수 있다.

▲ 공기 질 변화에 대한 보다 정확한 반응

▲ 오염이나 그밖에 다른 공기 질 악화를 보다 정확히 측정해 사용자에게 보다 일관된 실내 환경 경험을 제공

▲ 현재의 가스 센서로는 단독으로 감지하지 못하는 위험하거나 유독한 가스를 즉시 배출함으로써 더 건강하고 안전한 실내 공기 유지

지금까지 우리는 현재 출시된 MOX 가스 센서와 이를 사용한 공기 질 관리 애플리케이션에 대해서 살펴보았다. 이를 통해 더 깨끗하고 쾌적한 실내 공기 환경을 제공하는 자동화, 모니터링 솔루션용 컨슈머, 상업과 산업용 시장에서는 고성능 가스 센서 기술과 공기 질 관리 애플리케이션에 대한 강력한 수요가 존재한다는 것을 알 수 있었다.

앞으로 더 많은 연구 개발을 통해 보다 정확하고 정밀하며 감도와 선택도가 향상된 센서 칩, 모듈을 제공할 수 있는 가스 센싱 기술이 되면 공기 질 관리에 대한 수요는 더욱 커질 것이다.

 

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양대규 기자  yangdae@epnc.co.kr

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