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가스센서
가스센서(gas sensor)는 가스를 검출하는 센서의 총칭이다. 각종 가스가 에너지원으로 이용되기 시작하면서 공업 분야는 물론, 가정용으로서도 요구가 높아진 센서의 하나이다. 가스의 성분을 측정한 후 그 결과에 따라 장치를 제어하거나 경보를 발신하기 위해서는 기체 속에 포함되어 있는 특정 가스 성분량에 의해 신호를 발신하는 가스 센서가 사용된다.
가스 센서의 검출 방법은 가스의 종류, 농도에 따라 다르기 때문에 종류가 매우 많다. 가연성 가스 센서로서는 접촉 연소식 센서, 반도체 센서, 세라믹 가스 센서 등이 있다. 산소 센서에는 ZrO₂, TiO₂, CoO, LaAlO₃ 물질을 사용한 것이 알려져 있다. 검출 방식으로 분류하면 전기 화학적 방법(용액 도전 방식, 정전위 전해 방식, 격막 전극법), 광학적 방법(적외선 흡수법, 가시부 흡수법, 광간섭법), 전기적 방법(수소 이온화법, 열전도법, 접촉 연소법, 반도체법) 등으로서 가스 크로마토그래피법이 있다.
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개요[편집]
가스센서는 화학센서의 일종으로서 인간이 갖고 있는 5감 중 후각의 불완전성을 보완하고 그 기능을 확장시키는 고성능 인조감각기관의 하나이다. 지상에 존재하거나 인간에 의해 개발된 무수한 센서들 중 가스센서가 기본이 되는 이유는 이는 모든 생명체를 유지하는데 필수 불가결의 요소인 공기를 대상으로 하기 때문이라 생각된다. 지금까지 가스센서의 계속적인 개발에 의해 보다 낮은 가격으로 보다 높은 성능의 소자와 시스템의 획득이 가능하게 되었다.
그러나 오늘날의 고성능 가스 검출장치의 원형이 출현한 역사는 비교적 짧은 편으로 예를 들면 반도체가스 센서의 경우 1972년 일본의 N. Taguchi에] 의해 각종 가연성가스에 대해 광범위하게 감지효과를 갖는 센서가 처음으로 실용화되었다. 이는 SnO₂를 주물질로 한 벌크형소자로 그 이후에 개발된 많은 가스센서의 본보기가 되고 있다. 표 1은 가스센서 개발연구의 주요사항을 간추린 것이다. 표 1에 나타낸 년도별 주요개발내용은 여러 가지 타입의 가스센서 중 반도체 가스센서에 관한 것이다. 이 표에서 보는 바와 같이 반도체가스센서는 그 형태로 볼 때 벌크형→후막형→박막형→마이크로형으로 점차 소형화 되어가고 있음을 알 수 있으며 최근에는 이들 센서를 여러 개 조합한 센서어레이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
표1. 가스센서의 개발 및 연구. 년 연구자 연구개발내용 1934 H. S. Taylor 수소와 ZnO의 화학흡착 1940 D. A. Dowden 등 접촉반응과 전자밀도 1957 K. Kiukkola 등 지르코니아 산소센서 1959 S. J. Elovich 고체표면흡착율 1960 S. R. Morrison SnO₂흡착과 표면장벽 효과 1965 J. E. Houston 등 SnO₂에서의 흡착현상 1971 Mizokawa, Nakamura SnO₂에서의 산·수소흡착 1972 N. Taguchi 가연성가스센서개발 1973 Sato and Tanabe SnO₂투명도전막 생성 1975 Lundstrom MOS형 수소가스센서 1977 K. N. U. 기체흡수효과반도체 1978 Nitta and Haradome 프로판가스 감지소자 1978 Nitta 등 후막형 CO가스센서 1980 G. N. Advani and A. G. Jordan SnO₂박막가스센서 1984 K. Dobos and Zimmer MOSFET형 가스감지소자 1986 A. Grisel and Demarne A. Grisel and Demarne
가스센서 기술[편집]
표 2. 가스 검지 방법 대분류 중분류 대상가스 전기화학적 방법 용액도전방식 CO, CO₂, SOx 정전위전해방식 NOx, CO, SOx, H₂S 격막갈바니방식 전량법 SOx, H₂S 광학적 방법 적외선흡수법 NOx, CO, CO₂, H₂S 광간섭법 NOx, H₂S, O₂ 화학발광법 NOx, CO, CO₂, SOx 시험지광전도법 O₂, O₃ 전기적 방법 수소염이온화법 열전도법 CO, CO₂ 접촉연소법 CO, CH 반도체법 CO, H₂S, H₂
가스를 검지하는 방법에는 표 2와 같이 여러가지 방법이 있으나 이 중 현재 많이 이용되는 방법으로는 정전위전해방식, 적외선 흡수법, 접촉연소법, 반도체법 등이 있다.
적외선 흡수법[편집]
실내외 환경 측정 특히 배기가스를 측정하는 방법 중 적외선 흡수법은 가스에 대한 선택성과 신뢰성이 높다는 점에서 관심을 모으고 있다. 적외선 흡수법에는 분산방식과 비분산방식이 있는데 분산 방식이 구조가 간단하고 사용이 간편하다.
기체분자들은 각기 진동에너지 양자에 해당하는 에너지만을 선택적으로 흡수하는 성질이 있는데 대체로 적외선 영역의 빛을 진동에너지로 흡수한다. 이와 같은 이유로 CO₂, CO, CH₄, C₃H₈ 등은 각각 독특한 적외선에 대한 흡수스펙트럼을 갖는데 예를 들면 CO₂는 4.25 Ռm, CO는 4.7 Ռm, CH4는 3.3 Ռm의 파장을 흡수한다. 빛을 흡수하는 정도는 농도에 따라 달라진다.
이때 어떤 파장에서 흡광도 A(λ)는 다음의 Beer-Lambert식에 의해 정해진다.
- A(λ) = E(λ)bC
- (λ) = -log[L(λ)L₀(λ)]
여기서 E(λ)는 흡광계수, b는 투과거리, C는 가스농도, I(λ)는 측정광의 세기, I0(λ)는 기준광의 세기를 각각 나타낸다. 이 식에서 알 수 있는 바와 같이 흡수도는 적외선을 통과시키는 셀의 길이와 농도에 비례하므로 흡수계수 E(λ)가 충분히 큰 단색광을 측정가스에 통과시켜 투과된 빛의 세기를 측정함으로써 다른 가스의 간섭이 없이 측정대상 가스만의 농도를 알 수가 있다. 비분산방식에서 단색광을 얻기 위해 방출된 넓은 파장범위의 적외선을 광학필터나 가스흡광형필터로 단색화시키는 방법을 이용한다. 그림 1은 각종 적외선 검출기의 스펙트럼응답특성을 사용 상한온도와 함께 나타낸 것이다. 이 그림에서 4∼5 Ռm 영역에서 탐지도(D*)가 높고 센서재료로서 InSb, PbSe, HgCdTe 등이 있으나 77 K 또는 196 K 정도의 낮은 온도에서 나타나는 특성이므로 이를 CO₂계측기에 이용하기에는 불편한 점이 있다. 그리고 HC 가스의 응용범위인 3∼4 Ռm에서 탐지도가 높은 재료란 InAs나 PbS 또는 PbSe 등이 있으나 이 경우 역시 낮은 온도구비조건을 만족해야 한다. 현재 비분산적외선법으로 CO₂, CO 또는 HC가스 등의 농도계측기용 적외선센서로서 탐지도는 낮으나 광범위한 적외선 파장영역을 감지하고 실온에서 사용가능한 단색광형성필터를 결합한 것을 이용하는 것이 가장 경제적인 것으로 알려져 있다. 다만 온도의존성을 회로적으로 보상해야 한다. 그림 2는 비분산 적외선식을 이용한 가스계측기의 하드웨어블록도이다. 이와 같은 구조의 계측기로서 CO₂, CO 또는 HC 가스의 농도를 측정함에 있어서 가스농도에 대한 출력전압이 1차비례관계를 가질 때 그 구조는 보다 간단해진다. Beer-Lambert의 법칙에 의하면 광의 흡수도는 가스농도와 광의 통과길이에 비례함을 알 수 있는데 흡수도를 높이기 위해 그 길이를 증가시켜야 한다. 그러나 이 경우 장치가 길어지게 되므로 간단한 실내환경측정용으로는 20 cm 정도의 길이로서 충분하다.
반도체법[편집]
반도체를 이용한 가스검지의 기본원리는 공기성분과 반도체표면의 화학적인 상호작용에 의해 그 표면의 전도전자의 밀도변화를 이용하는 것이다. 이와 같은 화학작용은 다음과 같은 4가지 단계로 이루어진다.
- (1) 반도체 표면에 산소의 사전흡착 (preadsorption)
- (2) 특정가스의 흡착
- (3) 흡착가스와 산소의 반응
- (4) 반응가스의 탈착
위의 4단계 중 세번째 단계에서 전자를 주고 받는 과정을 포함하며 이것이 센서의 감지효과로 나타나는 것이다. 센서가 가스에 대한 감지효과를 나타낼 때 그 전기전도도에 변화를 일으키게 되고 전기전도도는 흡착되는 공기입자가 억셉터로서 작용할 때 감소하고 도너로서 작용할 경우에는 증가한다. 즉 억셉터 흡착의 경우 전기전도도 변화 △σ는 다음 식으로 표시된다.
- △σ = -2qμnNDLD(α - ξSD)
- △σ = 2qqμnNDLD(ξSD - θ)
여기서 q는 캐리어의 전하, μn은 전자의 이동도, ND는 피흡착체의 다수캐리어 농도, LD는 Debye 길이, ξSD는 사전흡착의 경우 나타나는 밴드의 구부러짐, α는 (Eta-χ-δ)/KT (Eta: 흡착억셉터의 전자친화력의 값, χ: 진공준위, δ: Ec-Ef, K: Boltzman 상수, T: 절대온도)로 표시되는 양, 그리고 θ는 (Itd-χ-δ)/KT(Itd: 도너의 이온화 퍼텐셜)로 표시되는 양이다. 이들 식에서 보는 바와 같이 전기전도도는 다수캐리어 이동도, Debye 길이 및 캐리어농도에 주로 의존한다. 실제에 있어서 반도체가스센서의 전기전도도는 흡착가스종의 농도에 의존하고 그 의존성의 경향은 가스의 종류에 따라 달라진다. 기본적으로 피흡착체의 평형상태 전기전도도σ는 그 주위에 있는 산소압 PO2와 다음의 관계를 가진다.
- σ≅ Po₁⁻m
여기서 m은 보통 0∼0.5 사이의 값을 가지며 이는 센서표면의 기공률과 표면미세구조 등에 의존한다. 현재 반도체센서재료로서 많이 사용되고 있는 ZnO, TiO₂ 및 SnO₂ 등에 있어서 m의 값은 대략 0.5임이 알려져 있고 이와 같은 금속산화물에 산소가 흡착될 때 그 표면온도에 따라 O₂⁻, O⁻ 또는 O 등의 다른 이온상태를 가지게 된다. 이와 같은 산소는 사전흡착에 의해 항상 금속반도체 표면에 존재하고 CO나 CH계 가스 등이 흡착될 경우 산화반응을 일으켜 이들 가스의 탈착에 큰 기여를 한다. 예를 들면 CO가스가 사전흡착된 산소와 반응하여 CO₂가스로 탈착되는 과정을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- CO + 0₂⁻ → CO₂↑ + e⁻
그리고 도시가스의 주성분인 CH₄ 가스의 경우에도 표면 또는 격자 중의 산소와 다음의 반응을 나타내는 것으로 생각되고 있다.
- CH₄+ 2O → CH₃- O + H - O
- CH₃- O + 3O → O - CH - O + 2H - O
- O - CH - O + O → CO₂↑ + H - O + 2V₀
동시에
- CH₃- O + CH₃- O →H₂O + C₂H₄+ O + V₀
여기서 Vo는 산소의 탈착으로 인한 빈자리를 나타낸다. 산소의 경우에 대한 식인 (5)를 CO가스에 대해 나타내면
- σ= σ₀ + αPco m
으로 되는데 여기서 α는 σ와 PCO 관계 그래프에서 직선의 기울기이고 m은 보통 약 1/2이 된다.
반도체 가스센서의 감도(Sensitivity)는 소자의 저항변화율로 표시하는데 이에 못지 않게 중요한 인자로는 선택성(Selectivity), 안정도(Stability) 및 속도(Speed)가 있는데 이를 4S조건이라 한다. 이와 같은 구비조건을 완벽하게 모두 갖추고 있는 소자는 그리 많지 않으나 재료, 구조, 동작조건을 조절함으로써 상당히 향상된 특성을 얻고 있다. 그림 4는 대표적인 모물질인 SnO₂ 가스센서의 특성의 예를 보인 것이다. 이 그림에서 보는 바와 같이 SnO₂/Ca-Pt 센서는 부탄에 대해 상대적으로 높은 감도를 가지므로 이 경우 이 센서는 부탄감지용 센서로서의 기능을 다할 수가 있다. 그림 4의 결과는 동작온도를 350 ℃로 하였을 경우의 것으로 같은 재료의 소자라 할지라도 동작조건을 달리하면 감도특성이 달라지게 된다.
위에서 말한 반도체식 가스센서의 원리에 기초하여 여러가지 형태의 가스센서가 개발되고 있다. 이를 형태별로 분류해 보면 벌크형, 후막형, 박막형, MOS형 및 마이크로형 등이 있다. 최근 소자의 소형화·규격화에 대한 관심이 높아져 박막형과 마이크로형에 대한 개발연구가 활발히 진행되고 있다. 그림 5는 마이크로 가스센서의 단면도를 나타낸 것이다.
접촉연소법[편집]
접촉연소법에 의한 가스센서는 비분산적외선법 및 반도체법과 더불어 현재 가장 많이 사용되고 있는 소자이다. 접촉연소식 가스센서는 1923년경 미국의 J & W사가 모델 F를 내놓은 것이 실용화의 효시이며 그후 1958년 일본의 광명이화학공업에서 모델FM-1을 출시하여 이들이 오늘날 접촉연소식소자의 본보기가 되었다. 초기의 접촉연소식소자는 백금코일만으로 되어있어 장기안정성이 좋지 않았으나 1962년 Baker는 백금코일을 내화성의 산화물인 알루미나 담체와 함께 사용한 소자를 개발함으로써 안정성과 감도를 향상시켰다. 그 이후 CH₄, C₃H₈ 및 C₄H₁₀ 등 탄화수소계 가스모니터링에 대한 수요가 높아짐에 따라 이에 대한 개발연구가 매우 활발히 이루어져 현재감도와 안정도 면에서 많은 향상을 보이고 있다.
접촉연소식소자의 동작원리는 반도체식에 비해 단순하며 이는 백금선의 온도에 대한 저항변화를 이용하는 것으로 그 위에 형성하는 비드형 담체는 같은 온도에서 연소효과를 보다 높이고 백금코일의 수명을 연장시키는 구실을 한다.
그림 6에 비드형 접촉연소식소자의 외형을 나타내었으며 그림 7에서 보는 바와 같이 접촉연소식센서의 출력전압이 탄화수소계가스에 농도에 대해 매우 좋은 직선성을 보이고 있으며 알루미나 담지체에 적용하는 촉매의 종류에 따라 높은 선택성을 부여할 수가 있어 최근 이 형태의 가스센서에 대한 관심이 급격히 높아지고 있다. 접촉연소식센서의 출력을 얻을 때에는 가스에 대한 감지도가 거의 무시되는 기준소자와 촉매가 도입된 감지소자를 다른 두개의 저항과 연결하여 브릿지 회로를 만들고 이 회로에 가스를 주입할 때 생기는 전압변화를 읽는다.
접촉연소식 가스센서를 이와 같이 탄화수소계가스에 대해 매우 유용한 소자이며 그 상품성 때문에 국내에서도 경쟁적인 개발이 이루어지고 있다. 최근에는 보다 소형화·규격화를 위해 후막형이나 박막형으로 소자를 제조하려는 시도가 이루어지고 있으나 아직 개발단계에 있다.
차량용 가스센서[편집]
차량용 가스센서는 자동차 등에서 배출하는 가스를 측정하는 센서이다. 차량의 대수가 늘어남에 따라 차량에 의한 대기오염 문제 또한 주요한 문제로 대두되고 있다. 차량은 다양한 배기가스를 배출하고 있으며, 이 중에서 특히 이산화탄소와 이산화질소는 인체에 매우 유해한 가스로 알려져 있다. 이 때문에, 이러한 유독가스인 이산화탄소와 이산화질소를 차량에서 바로 감지하고 이를 제어하려는 요구가 급속히 높아지고 있다. 이를 위해서는, 차량의 가스를 직접 감지하기 위한 가스센서의 개발이 필수적이다. 또한 차량 실내 환경을 쾌적화하기 위한 자동 환기 센서로 활용되고 있다. 일반적으로 가스센서는 반도체식, 고체전해질식, 접촉연소식 등이 사용되고 있으며, 이 중에서 반도체식은 센서 제작이 용이하고, 다양한 범위의 가스검출이 가능하여 많이 연구되고 있는 센서이다.
차량용 가스 농도 센서는 산소 농도를 검출 하는 장치로, 산소농도와 미연가스농도로부터 연소공연비를 최적의 상태로 제어하는 A/F 센서나 전자제어식 연료분사장치에서 배기가스 중 산소농도를 검출하는 O₂ 센서 등이 있다.
활용[편집]
- 대기오염 : VOC 센서. VOC(Volatile Organic Compounds, 휘발성유기화합물)는 탄소기반 화학물질로 주변에서 흔히 볼 수 있는 도료 희석제, 네일 리무버나 각종 연료에 포함되어 있으며, 상온에서 쉽게 증발하는 특징을 가진다. 일부 VOC는 인체에 해로울 뿐만 아니라 환경에도 큰 피해를 줄 수 있어, 실내외에서의 공기질 모니터링에 대한 필요성이 증가하고 있다.
- 지하철, 지하상점, 주차장 등 실내와 실외에 존재하는 다종의 공기 오염원을 동시에 감지 및 모니터링
- 가스량 경보, 환경가스 감지 등
- 냉장고 : 냉장고 내부 제균 및 탈취
- 자동차 : 배기가스 규제, 유해가스 차단 등, 차량 실내 자동 환기 (AQS)
- 의료 : 인체호흡으로 발생되는 가스들을 분석. 당뇨·간질환·폐암 등의 질병 감지
- 공기청정기
- CO 가스 경보기
- 음주측정기 : 호흡을 통한 음주 측정
- 자동환기팬
- 식품 : 휘발성유기화합물(VOC: Volatile Organic Compounds)의 양을 감지하여 식품의 신선도 및 부패여부를 조기에 검출. 식중독 예방, 과일 숙성도 체크 등
- 군사 및 안전방재 : 재해 및 테러 시 발생하는 일산화탄소 등 생화화적 유독가스를 분석
동영상[편집]
참고자료[편집]
- 〈가스 센서〉, 《자동차용어사전》
- 이덕동 교수, 〈가스센서와 센서어레이〉, NASECDED1
- 함예솔, 〈어디서든 실시간 감지하는 유해가스 센서〉, 《이웃집과학자》, 2020-09-04
- 제프 비을라, 〈자동차용 센서를 통해 살펴보는 ‘자동차 인증 획득’의 의미〉, elec4, 2017-09-07
- 천동기, 〈60호 주목받는 비분산적외선 가스센서란 무엇인가〉, 《디바이스마트&엔티렉스 컨텐츠》, 2020-06-30
- 센서로세계로미래로, 〈반도체식 가스센서〉, 《네이버 블로그》, 2015-03-13
같이 보기[편집]
