1. 가스 센서 개요
화학 센서는 특정 화학 물질의 종류, 농도, 성질 등을 감지하여 화학 에너지를 측정 가능한 전기 에너지로 변환하는 센서로 가스 센서 , 이온 센서, 습도 센서, 바이오 센서 와 같이 분석 대상에 따라 다양한 범주로 분류 할 수 있다.
우리가 호흡하는 공기는 대략 78%의 질소(N2), 21%의 산소(O2), 0.9%의 아르곤(Ar), 0.03%의 이산화탄소(CO2) 및 0.07%의 기타 가스로 구성되어 있다.
대기 오염의 주 원인은 미세먼지(PM), 일산화탄소(CO), 질소 산화물(NOx), 오존(O3), 이산화황(SO2)과 같은 오염 물질이다. 위험한 반응성 가스는 독성, 가연성, 산화성, 부식성, 발화성으로 구분될 수 있다.
가스 센서는 낮은 농도의 가연성, 폭발성 또는 독성 가스를 감지하고 환경 오염을 모니터링 하는데 널리 사용된다.
가스 센서의 핵심 성능 지표는 감도, 선택성(Selectivity), 안정성, 응답 및 복구 속도를 포함하며
주로 감지 재료, 구조, 동작 원리 등의 특성에 의해 결정된다.
가스센서는 작동 원리에 따라서 전기화학식, 반도체식, 접촉 연소식, 비분산 적외선식(NDIR)으로 나눌 수 있다.
2. 반도체식 가스 센서
반도체식 가스 센서는 빠른 응답속도, 작은 크기, 높은 안정성 및 저렴한 가격으로 사용된다.
반도체식 가스 센서의 치명적인 단점은 동작 온도가 150°C~450°C 범위에 있기 때문에 히터가 필요하고
감지하려는 가스 이외의 다른 가스에도 반응하는 특징 때문에 매우 낮은 선택성을 가지고 있다.
반도체식 가스 센서는 다시 두가지로 MEMS 기술 적용 여부로 나뉠 수 가 있다.
MEMS 기술은 저전력에 소형화되고 더 향상된 선택성과 높은 감도를 가진 다층 센서 어레이와 인공지능 기술이 적용된다. MEMS 기술이 적용된 반도체식 가스 센서는 원천적인 단점을 극복하고 개선되어 저전력 소모, 고감도, 소형화를 가능하게 한다.
3. 전기화학식 가스 센서
전기화학식 가스 센서는 산화 및 환원 반응으로 동작하는 전기화학 전지로 금속이나 반도체 같은 적극 표면에 접촉한 가스에 의해 이온이 액체 또는 고체 전해질을 따라서 화학 평형을 위해 이동하게 되어 이때 발생되는 전위차를 이용하여 대상 가스의 농도를 측정한다.
감지 대상의 가스 분자는 감지 적극에서 산화 반응을 일으켜 이온과 전자를 생성하고, 이온은 전해질을 통해 상대 적극으로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통해 상대 전극으로 이동하여 환원된다.
전기화학 반응을 통하여 외부 회로에 흐르는 전기 신호는 가스 농도에 비례하여 증가하므로 전륫값으로 가스 농도를 계산 할 수 있다.
특히 전기화학식 가스 센서는 특정 가스에 대한 반응으로 감지하려는 가스를 정확하게 감지 할 수 있다.
(CO, CO2, SO2 등) 일반적으로 열악한 환경에서도 안정적인 동작을 보장하고 대상 가스에 대해 우수한 선택성을 가진다. 소형화가 가능하며 낮은 전력을 소비하고 가스 농도에 대한 선형적인 출력을 얻을 수 있다.
산업현장에서 많이 쓰인다.
4. 접촉 연소식 가스센서
접촉 연소식 가스 센서는 초기에 탄광의 가스를 모니터링하는데 사용되었으며, 가연성 가스가 산소와 반응하면 반응열 또는 연소열을 이용하는 원리로 가스 접촉 시 발생하는 연소열로 인하여 상승한 소자의 온도와 소자 내부에 장착된 백금선 코일의 전기 저항값의 변화를 측정하여 가스 농도를 감지한다.
5. 비분산 적외선식 (NDIR) 가스센서
비분산 적외선은 적외선이 광원에서 방출될 때 광원과 검출기 사이의 물질에 의해 분산되거나 산란하지 않는다. 비분산 적외선 가스 센서는 가스분자가 2μm~20μm 사이의 적외선 스펙트럼에서 겹치지 않는 좁은 대역을 갖는 특직정인 진동,회전,흡수하는 특성을 이용하여 가스의농도를 검출한다.
비분산 적외선 가스 센서는 기본적으로 접촉 연소 가스 센서의 취약점 및 제한 사항을 보완하면서 더 많은 장점을 가진다. 피독에 취약하지 않으며, 고농도 가스에 노출되어도 타지않고, 수명이 매우 길고 저렴하다.
다만 비분산 적외선 가스 센서는 수소가 적외선을 흡수하지 않기 때문에 수소를 감지할 수 없다.
또한 메탄을 메탄을 감지할 때, 탄화수소 기반 가스가 여러 개 존재할 때는 제대로 작동하지 않는다.
이러한 상황에서는 잘못된 판독 값을 제공할 수 있다. 많은 산업현장에서 수소와 탄화수소를 감지하는 것은 안전한 작업 환경을 유지하는데 중요하다.
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