★..한국실내환경학회 KOSIE

http://dx.doi.org/10.15250/joie.2016.15.1.14 ISSN 2288-923X (Online)

암모니아, 황화수소 및 복합악취 악취센서 측정기의 온·습도 조건별 반응특성 평가

공부주¹*·한진석²·봉춘근³·홍유덕¹·이상보¹·홍지형¹

1

국립환경과학원,

안양대학교 환경에너지공학과,

(주)그린솔루스

Assessment of NH ₃ , H ₂ S and complex odor sensor reaction according to the temperature and humidity

Bu Ju Gong¹*·Jin Seok Han²·Chun Geun Bong³·You Deog Hong¹ Sang Bo Lee¹·Ji Hyung Hong¹

1

National Institute of Environmental Research

2

Department of Environmental and Energy Engineering, Anyang University

3

Green Solus Corporation

(Received 9 November, 2015; Revised 28 January, 2016; Accepted 21 March, 2016)

Abstract

The study analyzed performance assessment factors of odor sensors from 4 different manufacturers, including minimum detection limit, humidity stability and temperature stability. In the minimum detection limit assessment, only one electrochemical gas sensor was able to detect ammonia and hydrogen sulfide at the concentration of 5 ppb. The standard deviation ratio was over 10%, and it increased as humidity rose. The range of temperatures in which the electrochemical and photoionization gas sensors could function well was between 25

C and 40

C, and the sensor output values were unstable at low temperatures. Regarding the temperature stability of the metal oxide semiconductor sensor for measuring complex odors, the sensor output values dropped considerably to 0~10

C, and were similar to the concentrations of odor gases generated at 25

C. The results of the test of odor sensor outputs after temperature and humidity pre-treatment revealed that the respective stable output values at 50% humidity and 25

C were similar to the concentrations of manufactured odors. In terms of temperature and humidity stability of the NH

, H

S and Complex odor sensors, all target substances had stable output values at 25~40

C and 50~65%

relative humidity, and unstable values at low temperatures and high humidity. Therefore, implementing pre- treatment systems including temperature and humidity correction (25~40

C, 50~65% RH) is necessary for the stable use of odor sensors.

Keywords : Ammonia, Complex odor, Hydrogen sulfide, Minimum detection limit of odor sensor, Temperature and humidity stability of odor sensor

1. 서 론

국내에서 많이 발생하는 악취문제는 배출원이 다양 하고, 그 피해범위가 광범위하다. 환경부에서 우리나라

전국을 대상으로 악취민원 현황을 분석한 결과에 의하 면 쾌적한 생활환경에 대한 요구 증대로 악취민원은

’05년 4,302건, ’10년 7,247건, ’14년 14,816건으로 증 가하고 있으며, 특히 ’14년도 악취민원 건수의 경우 악 취방지법이 시작된 ’05년도 대비 약 3.4배 증가한 것으 로 제시하고 있다(ME, 2015).

악취는 평균농도가 아닌 고농도에서 순간적으로 발

*Corresponding author

Tel : +82-32-560-7333 E-mail : [email protected]

생하는 감각적인 공해이며, 악취를 유발하는 원인물질 이 매우 다양하고, 지역마다 국지적인 특성이 있기 때 문에 그 해결이 어려운 실정이다.

현재 우리나라의 악취 측정방법은 악취공정시험기준 에서 제시하고 있는 기기분석법과 공기희석관능법이 있는데, 기기분석법으로는 흡광광도법, 분광분석방법 과 GC, LC, GC/MS 방법 등이 있으며, 공기희석관능 법은 다수의 악취판정인이 단계적인 희석배수와 판정 인별 냄새감지 유무를 통해 최종적인 복합악취 희석배 수의 결과를 도출하는 방법이다(ME, 2014). 기기분석 법의 경우 고가이며 고도의 분석기술을 필요로 하며, 공기희석관능법의 경우 재현성 및 정도관리의 문제점 을 안고 있다. 가장 큰 문제는 악취자동측정시스템이 없는 지역의 경우 두 방법 모두 오프라인 방법으로 시 료를 채취하여 분석하는 방법이기 때문에 악취 민원이 발생한 시점의 시료는 채취하기가 쉽지 않고 또한, 분 석에 많은 시간이 소요되므로, 짧은 시간 내에 광범위 하게 악취 민원의 문제점을 실시간으로 대처하기가 어 렵다.

최근 악취 측정기기의 기술개발 동향을 살펴보면 악 취 측정기기는 분석기기를 이용하는 방식(UV 방법 등 을 이용하여 H

S, NH

, VOCs 등 개별물질 측정, 반도 체를 이용한 복합악취 측정)으로 개발되고 있다.

전 세계적으로 환경모니터링 분야에서 악취모니터링 기술은 인간의 후각을 대신할 만한 완성도 높은 기술 을 개발하지 못하고 있는 상황이나 캐나다 Odotech사 의 “Odowatch”, 일본 FUTABA사의 “e-station”, NEW COSMOS ELECTRIC사의 “V-819”, 프랑스 Alpha M.O.S 사의 “Air Quality Monitoring system” 등이 최 근에 소개되는 기술/제품 정도이다. 그러나 이들 제품 의 경우 매우 고가이며, 유지보수의 문제 및 A/S 문제 에 따른 원인으로 국내의 경우 적용한 사례가 없는 상 황이다.

따라서 본 연구에서는 암모니아, 황화수소 및 복합 악취 악취센서 측정기의 온도 및 습도 안정성 실험을 통하여 악취를 실시간으로 측정할 수 있는 악취센서의 현장 적용성과 성능의 신뢰성을 평가하고자 하였다.

2. 연구내용 및 방법

2.1 악취센서의 종류 및 특성

악취측정 센서의 작동원리는 악취물질이 센서에 흡 착되어 산화되는 과정 또는 흡·탈착 되는 과정에서 전 기전도도, 전기용량, 전류, 전압, 온도 등의 차이가 발 생하는데 악취센서는 이들 signal 값의 변화를 이용하

여 악취의 강도와 물질의 양을 측정하는 것으로 sensor 의 signal pattern 변화로부터 악취지문을 분류하고 그 세기를 측정함으로서 악취의 종류와 농도를 측정할 수 있다.

악취측정 센서는 금속산화물반도체, 전도성 고분자, Schottky 다이오드, MOSFET, Thermistor, ECM 등의 다양한 소자들을 사용하며 대부분의 악취센서들은 ppm 수준의 악취물질 분석에 적합하다(NIER, 2015).

금속산화물반도체 센서(Metal Oxide Semiconductor) 는 금속산화물에 가스가 접촉되면 전기전도도 값이 변 화하는 원리를 이용하는 것으로 전기전도도 형성 방법 에 따라 소결체형, 후막형, 박막형, 커패시터형 및 MOSFET 형으로 구분되며, 가스흡착에 따른 부하저항 양단의 전압을 측정하는 것으로 검출된다. 커패시터형 및 MOSFET형 센서는 비전기저항식 가스센서의 구조 로 게이트 감지게이트 물질을 사용한다(Heo et al., 2006).

전기화학식 센서(Electro Chemical)는 검지 대상가스 를 전기화학적으로 산화 또는 환원하여 그 때 외부회 로에 흐르는 전류를 측정하는 장치이며 선택적 환원반 응으로 황화수소, 암모니아, 메틸머캅탄, 일산화탄소, 이산화황 등 개별가스에 선택 반응이 높다(NIER, 2014). 고체 전해질식 가스센서는 높은 온도에서 이온 의 이동에 따른 전도성으로 보이는 물질이 이용되며 광이온화 센서(Photo Ionization Detector)는 선택적 광 반응 센서로 자외선 조사에 의한 가스분자의 공진을 흡수 또는 산란 량으로 취하는 원리를 이용하고 TVOCs (BTEXs) 모니터링에 사용하며, 일부 VOC 개 별물질 농도에 선택적으로 반응하므로 ppm 단위의 정 량적 분석이 가능하다(NIER, 2014).

복합악취 측정을 위한 반도체식 가스센서의 특성은 악취성분에 대한 감도 및 반응속도는 탁월하나 선택성 은 부족하여 후각에 의한 관능평가를 대신할 목적으로 활용되고 있다.

암모니아 및 황화수소 측정을 위한 전기화학식 및 광 이온화식 가스센서의 특성은 악취물질의 개별 성분에 대한 선택성 및 감도가 우수하고 모든 악취성분의 측정 을 대변할 수 없어, 개별 성분이 배출되는 지점에서 개 별 악취농도 측정을 위한 목적으로 활용되고 있다.

현재 우리나라에서 사용되고 있는 악취센서의 종류는

3 가지가 있으며, 암모니아, 황화수소 등의 단일물질군에

선택적 반응을 나타내는 전기화학식 센서, TVOC에 반

응하는 광이온화 센서, 사람의 후각과 유사하게 반응하

는 복합악취 측정용으로 금속산화물반도체 센서가 가

장 많이 사용되고 있다(Kim et al., 2010; NIER, 2014).

악취센서를 이용한 복합악취의 측정은 암모니아, 황 화수소, TVOC 센서 출력값을 이용하여 복합악취를 측 정하는 방법과, 복합악취 가스센서인 금속산화물반도 체 센서를 이용하는 방법이 있다.

최근 악취 측정기기는 분석기기를 이용하는 방식 (UV 방법 등을 이용하여 개별물질인 H

S, NH

, VOCs 등 주로 측정, 반도체를 이용한 복합악취 측정)으로 개 발되고 있다.

Table 1. Properties of odor sensor in Korea

Corp. Odor sensor Measuring item Reaction time (sec)

Measuring cycle (sec)

Proper injection flow (LPM)

A Complex odor intensity 10 120 1

C NH

, H

S, TVOC ≤ 30 10 0.1

D NH

, H

S, TVOC,

Complex odor intensity

NH

: 40 H

S : 35 TVOC : 3

3 0.5

H NH

, H

S, TVOC,

Complex odor intensity 30 3 0.3

Table 2. Test method of odor sensor-specific performance

Item Contents Test method

Minimum detection limit

Testing the minimum detection concentration by selected the best three sensors.

- H

S, NH

, Complex odor (3 species)

- Test using each manufacturer's specific sensors - Test temperature: room temperature (around 25

C)

- Based on the predetermined minimum level detected by the manufacturer to present increased scale repeat test

- 3 times of the detection limit of the repeat test stability test

Temperature stability

Temperature stability is tested in the air, and hold the impact.

- Test using the manufacturer-specific sensors with respect to the four species of stink substance

- Temperature : 0, 25, 40

C

- Relative humidity : 50% RH outside

- Concentration : low, middle and high concentrations (depending on the sensor type)

Humidity stability

Humidity stability is tested in the air, and hold the impact.

- Test using the manufacturer-specific sensors with respect to the four species of stink substance

- Temperature : 25

C

- Relative humidity : 50, 65, 75% RH

- Concentration : low, middle and high concentrations (depending on the sensor type)

- Concentration of a compound odor and that the use of two materials(toluene and m-xylene) the mixed sample on the basis of previous studies, also the dilution factor data presented in previous studies by reference.

- The sensor module is tested by making the sensor module separately but if you use the instrument provided by the

manufacturer, not supplied by the manufacturer.

본 연구에서는 악취물질 중 암모니아, 황화수소는 전기화학식 가스센서, 복합악취는 금속산화물반도체 센서 방식을 이용하여 실험하였으며, 악취센서 측정기 의 교정 수행은 주기적으로 황화수소, 암모니아 등으로 교정을 실시하였으며, 성능평가에 사용된 센서 측정기 현황은 Table 1과 같다. 또한, 악취가스가 센서 측정기 에 잘 공급되도록 가스유도 캡을 자체 제작하여 외부 가스의 방해 없이 센서에 악취가스가 일정한 유량으로 주입될 수 있도록 하였다.

2.2 악취센서 측정기의 온·습도 감지특성 분석 본 연구에서는 악취센서의 감지특성 분석을 위해서 악취센서별 최소감지농도 평가와 감지농도 및 신호체 계의 온·습도 영향에 대한 성능평가를 수행하였으며, 성능지표 항목별 평가요소와 방법은 Table 2와 같다.

2.3 악취센서 측정기의 온·습도 안정성 실험

본 연구에서는 악취센서의 온·습도 안정성 실험을 위해서 악취센서 측정기 제조업체의 현황조사를 통해 선정된 악취센서 측정기 및 자체 제작된 센서모듈을 온·습도 조건을 맞추고 주사기로 악취가스를 주입하 여 농도 셋팅 후 5번 반복실험을 수행하였다. 또한, 악 취가스 주입유량에 따른 센서 출력값이 달라질 수 있 으므로, 각 제조사별 센서 사양을 참고하여 적정 악취 가스량을 주입하였다.

악취센서의 온도 및 습도 안정성 실험은 Table 3 및 Table 4 와 같이 무취백에 임핀저, 실리카겔, atomizer를 이용하여 습도를 조절하고 환경챔버를 이용하여 온도 를 조절하였다.

악취센서 측정기의 성능평가 실험은 Fig. 1에서와 같 이 유량조절, 습도조절, 온도조절 부분 등으로 구성되 어 있다. 온·습도 조건이 맞춰진 무취백을 챔버에 넣

Table 3. Humidity control method Temperature

(

C)

Humidity

(%) Method

25

75

I) Impinger also connect two of distilled water into 150 mL in parallel.

II) Impinger succeed ultra-high purity nitrogen gas (99.9999%) by 0.8 LPM.

III) Ultra-high purity nitrogen gas passed through the impinger 6 L filling the 10 L bag to capacity and odorless.

IV) Finally verify the final humidity by hygrometer to the odorless bag.

65

I) Humidity 75% gas : same as the above method.

II) Humidity 30% gas

- 0.8 LPM of ultra pure nitrogen gas passed the silicagel.

- Ultra-high purity nitrogen gas passed through a silicagel capacity 10 L 6 L filled in the odorless bag.

- Check the final odorless bag inside humidity hygrometer should.

III) Humidity 65% gas: ① 6 L + ② 1.8 L = ③ 7.8 L

50 Humidity 65% Gas (6 L) + Humidity 30% gas (4 L) = Humidity 50% gas

Table 4. Temperature control method Temperature

(

C)

Humidity

(%) Method

0

50

Setting temperature 0

C, humidity 50% alignment. using temperature and humidity controlled environment chamber.

25 Humidity 65% gas (6 L) + Humidity 30% gas (4 L) = Humidity 50% gas

40

I) Room temperature (25

C) of distilled water and placing the Atomizer.

II) Ultra high purity nitrogen gas in the suction box Atomizer with 1.8 LPM.

III) Ultra-high purity nitrogen gas through the Atomizer 10 L 6 L filling the bag to capacity and odorless.

IV) back into the environment, the chamber is filled with the odor 6 L also the temperature was adjusted to 40

C

V) Temperature by using a hygrometer according to the 40

C when the check box for the

final humidity.

고 온·습도센서를 이용하여 무취백의 온·습도를 최 종 확인한 후 악취센서 측정기 주입구에 캡을 장착하 여 악취가스를 일정한 유량으로 측정기에 주입하여 악 취센서의 성능평가를 진행하였다.

최소검출한도 실험조건은 온도 25

C 에서 습도 변화 (50%, 65%, 75%)에 따라 암모니아와 황화수소의 경우 는 최소감지농도보다 낮은 5 ppb에 대하여, 복합악취 의 경우는 두 종류의 악취물질(toluene, m-xylene)을 이 용하여 부지경계용으로 희석배수는 10배로 하여 업체 별 센서 측정기를 대상으로 5회 반복실험을 수행하였 다(Han et al., 2012).

악취센서 측정기의 감지 특성을 분석하기 위하여 초 고순도 질소가스(99.9999%)를 이용하여 온·습도 조절 실험을 각각 3회씩 진행하였다. 온도 셋팅 실험 결과

상대습도 50%에서 온도가 0

C, 25

C, 40

C 일때 평균 상대습도는 Table 5에서와 같이 각각 45%, 53%, 50.2%로 나타났으며, 습도 셋팅 실험 결과 온도 25

C 에서 상대습도 50%, 65%, 75% 일때 평균 상대습도는 Table 6 에서와 같이 각각 53%, 63.3%, 74.4%로 나타 났다.

온도의 안정성 실험조건은 습도 50%에서 온도 0

C, 10

C, 25

C, 40

C에서, 습도의 안정성 실험조건은 온도 25

C 에서 습도 50%, 65%, 70%, 75%에서 실험하였으 며, 암모니아와 황화수소의 경우 악취농도를 5 ppb, 50 ppb, 200 ppb, 500 ppb 로 구분하고, 복합악취는 희석배 수를 10배, 30배, 66.9배, 100배로 구분하여 센서 측정 기를 대상으로 5회 반복실험을 수행하였다(NIER, 2011).

Fig. 1. Overview of odor sensors measuring performance evaluation experiments.

Table 5. Result of temperature setting test Condition of

temperature and humidity Result

Temp. Hum. Temp. Hum. (1st) Hum. (2nd) Hum. (3rd) Mean 0

C

50%

0

C 45% 44.7% 44.7% 45%

25

C 25

C 53.2% 52.7% 53% 53%

40

C 40

C 51.6% 51.3% 51% 50.2%

Table 6. Result of humidity setting test Condition of

temperature and humidity Result

Temp. Hum. Temp. Hum.(1st) Hum.(2nd) Hum.(3rd) Mean

25

C

50%

25

C

53.2% 52.7% 53% 53%

65% 63% 61.8% 65% 63.3%

75% 72.9% 75.4% 75% 74.4%

2.4 악취센서 측정기의 온·습도 전처리 실험

악취센서의 감지능력 향상 및 적정 온·습도 조건에 서의 악취센서 출력특성 평가를 위해 온·습도 조절 후 악취센서 출력값 테스트를 수행하였다. 온·습도 조절 에 따른 악취센서 출력값 테스트는 수분의 영향을 받는 암모니아 가스를 대상으로 온도 25

C, 습도 75% 조건 에서 암모니아 가스 농도를 5 ppb ~ 로 조제한 후 1차 로 실험한 후 습도를 50%로 조절하여 재 실험하였다.

3. 연구결과 및 고찰

3.1 악취 가스센서의 최소검출한도

습도에 따른 악취물질 가스센서의 최소검출한도를

Fig. 2에 나타내었다. 전기화학식 가스센서 방식을 이 용하는 최소검출한도는 암모니아는 5 ppb에서 3개 제 조사 중 1개 제조사에서만 검출되었으며, 표준편차율 은 습도 50%일 때 14.4%, 습도 65%일 때 18.8%, 습 도 75%일 때 53.5%로 나타났으며, 황화수소의 경우도 5 ppb에서 3개 제조사 중 1개 제조사에서만 검출되었 으며, 표준편차율은 습도 50%일 때 13.1%, 습도 65%

일 때 14.2%, 습도 75%일 때 23.9%로 나타났다.

전기화학식 가스센서 방식의 경우 5 ppb에서 1개 제 조사에서만 감지가 가능한 것으로 나타났고, 표준편차 율이 10% 이상으로 나타나 향후 보완할 필요가 있다 고 판단되며 또한 습도가 높아질수록 표준편차율이 증 가하는 경향을 보였다.

Fig. 2. Minimum detection limit of odor sensors.

Table 7. Temperature stability of NH

gas sensor

Corp. Temp.

(

C)

Conc. (ppb)

S.D.

Setting

Conc. 1st 2nd 3rd 4th 5th Mean

C 0 5 2 1 2 2 3 2.0 0.6

50 34 32 42 48 33 37.8 6.2

200 44 49 53 57 48 50.2 4.4

500 78 51 69 61 73 66.4 9.5

10 5 4 3 3 3 3 3.2 0.4

50 39 41 44 43 43 42.0 1.8

200 70 73 72 73 73 72.2 1.2

500 215 220 211 222 224 218.4 4.8

25 5 4 6 6 5 5 5.2 0.7

50 55 52 58 56 53 54.8 2.1

200 210 194 210 194 210 203.6 7.8

500 460 462 455 457 458 458.4 2.4

40 5 4 8 3 6 5 5.2 1.7

50 18 33 65 69 51 47.2 19.3

200 199 213 203 212 231 211.6 11.1

500 497 485 478 511 520 498.2 15.6

D 0 5 0 0 0 0 0 0 0

50 0 0 0 0 0 0 0

200 0 0 0 0 0 0 0

500 0 0 0 0 0 0 0

10 5 0 0 0 0 0 0 0

50 0 0 0 0 0 0 0

200 68 68 68 67 68 67.8 0.4

500 182 183 183 185 184 183.4 1.0

25 5 0 0 0 0 0 0 0

50 0 0 0 0 0 0 0

200 205 214 200 205 205 206 4.5

500 503 501 500 522 515 508 8.8

40 5 0 0 0 0 0 0 0

50 0 0 0 0 0 0 0

200 196 197 197 196 197 196.6 0.5

500 483 483 483 485 483 483.4 0.8

H 0 5 0 0 0 0 0 0 0

50 32 31 31 32 31 31.4 0.5

200 63 64 62 63 65 63.4 1.1

500 78 75 77 77 76 76.6 1.1

10 5 0 0 0 0 0 0 0

50 35 35 35 35 36 35.2 0.4

200 110 111 111 120 110 112.4 4.3

500 198 199 199 198 199 198.6 0.5

25 5 0 0 0 0 0 0 0

50 55 54 54 52 53 53.6 1.0

200 212 213 211 211 213 212.0 0.9

500 489 487 490 491 490 489.4 1.4

40 5 0 0 0 0 0 0 0

50 52 55 51 51 53 52.4 1.7

200 208 207 207 206 205 206.6 1.1

500 485 484 484 486 486 485.0 1.0

Table 8. Temperature stability of H

S gas sensor

Corp. Temp.

(

C)

Conc. (ppb) Setting S.D.

conc. 1st 2nd 3rd 4th 5th Mean

C 0 5 1 2 6 5 4 3.6 1.9

50 37 20 37 35 36 33.0 6.5

200 132 147 138 144 152 142.6 7.0

500 209 249 226 235 222 228.2 13.3

10 5 3 3 3 7 3 3.8 1.6

50 35 35 37 35 34 35.2 1.0

200 162 165 165 167 167 165.2 1.8

500 320 311 325 325 325 321.2 5.5

25 5 4 6 5 5 6 5.2 0.7

50 54 52 50 56 62 54.8 3.8

200 213 213 231 194 221 214.4 11.1

500 495 452 452 457 458 462.8 14.9

40 5 10 8 8 6 6 7.6 1.5

50 53 65 57 61 65 60.2 4.7

200 225 230 230 227 230 228.4 2.1

500 474 508 426 512 498 483.6 31.7

D 0 5 0 0 0 0 0 0 0

50 0 0 0 0 0 0 0

200 0 0 0 0 0 0 0

500 0 0 0 0 0 0 0

10 5 0 0 0 0 0 0 0

50 0 0 0 0 0 0 0

200 75 74 75 75 75 74.8 0.4

500 230 232 232 231 232 231.4 0.8

25 5 0 0 0 0 0 0 0

50 51 53 50 52 51 51.4 1.0

200 206 206 205 203 200 204.0 2.0

500 500 522 523 523 529 519.6 9.2

40 5 0 0 0 0 0 0 0

50 55 56 56 54 55 55 1.0

200 356 277 258 228 202 264.0 52.7

500 509 601 605 598 595 581.8 36.4

H 0 5 0 0 0 0 0 0 0

50 37 35 37 37 37 36.6 0.8

200 128 129 127 128 129 128.2 0.7

500 253 255 255 254 254 254.2 0.7

10 5 0 0 0 0 0 0 0

50 37 37 37 38 38 37.4 0.5

200 131 133 132 132 135 132.6 1.4

500 301 302 302 298 299 300.4 1.6

25 5 0 0 0 0 0 0 0

50 55 55 55 56 55 55.2 0.4

200 201 198 199 203 204 201.0 2.1

500 512 512 511 510 512 511.4 0.7

40 5 0 0 0 0 0 0 0

50 43 41 41 43 45 42.6 1.5

200 195 199 199 197 198 197.6 1.5

500 498 495 494 494 493 494.8 1.7

금속산화물 반도체 센서 방식을 이용하는 복합악취 의 최소검출한도는 습도가 50%일 때 희석배수 10배에 서 표준편차율은 1.5%, 10.3%로 나타났고, 습도가 65%일 때 4.1%, 8.0%로 나타났으며, 습도가 75%일 때의 표준편차율은 3.8%, 21.9%로 나타나 희석배수 10 배에서 감지가 가능한 것으로 나타났으나, 습도가 75%일 때는 센서 출력값이 불안정하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

3.2 악취센서의 온도 안정성

악취 가스센서의 온도의 안정성 실험결과를 Table 7~9 및 Fig. 3에 나타내었다. 전기화학식 가스센서의 온도의 안정성 실험은 3개사의 센서 측정기를 대상으 로 실험을 수행하였다. 암모니아 센서의 온도 안정성은 0

C 에서는 센서 출력값이 낮게 출력되었으며, 10

C 실 험에서는 0

C보다 센서 출력값이 다소 높게 나타났으 나, 제조된 악취가스 농도값보다 낮게 출력되는 것을 Table 9. Temperature stability of complex odor sensor

Corp. Temp.

(

C)

Dilution times Setting S.D.

dilution times

1st 2nd 3rd 4th 5th Mean

A 0 10 87 83 81 77 76 80.8 4.0

30 93 97 89 102 91 94.4 4.6

66.9 134 139 145 146 151 143.0 5.9

100 158 167 169 171 168 166.6 4.5

10 10 92 90 92 93 92 91.8 1.0

30 124 124 125 126 126 125.0 0.9

66.9 168 169 167 168 167 167.8 0.7

100 211 212 211 213 211 211.6 0.8

25 10 162 159 163 165 167 163.2 2.7

30 198 197 201 204 199 199.8 2.5

66.9 253 251 249 245 255 250.6 3.4

100 278 277 274 275 275 275.8 1.5

40 10 145 149 142 137 142 143.0 3.9

30 179 181 193 188 179 184.0 5.6

66.9 237 254 241 237 248 243.4 6.7

100 259 266 264 258 253 260.0 4.6

D 0 10 4 2 3 2 2 2.6 0.8

30 5 8 7 8 9 7.4 1.4

66.9 7 12 11 9 10 9.8 1.7

100 16 15 16 16 16 15.8 0.5

10 10 4 3 4 5 5 4.2 0.7

30 12 11 12 12 11 11.6 0.5

66.9 24 23 23 25 24 23.8 0.7

100 58 59 59 58 58 58.4 0.5

25 10 11 9 12 12 11 11.0 1.1

30 35 39 27 32 29 32.4 4.3

66.9 54 67 69 69 68 65.4 5.7

100 111 115 130 105 116 115.4 8.3

40 10 13 8 13 6 12 10.3 2.7

30 34 27 32 36 27 31.0 3.5

66.9 47 43 44 45 46 45.2 1.5

100 108 128 136 136 136 128.7 10.9

확인할 수 있었고, 25~40

C 에서는 제조된 암모니아 악 취가스 농도값과 비교적 근사한 값으로 나타났다. 암모 니아 농도가 100 ppb 이하에서 실시한 기존 악취센서 연구에서는 악취센서의 반응성이 낮게 나타나(Gong et al., 2015) 온도의 안정성 등을 평가하기가 어려웠으나 본 연구에서는 암모니아 농도를 500 ppb 이하 농도 범 위에서 실험하여 악취센서의 반응이 잘 나타나 센서의 안정성 등을 평가할 수 있었다.

황화수소 센서의 온도 안정성은 0~10

C에서는 센서 출력값이 제조된 악취가스 농도값보다 낮게 출력되었 고, 25~40

C 에서 제조된 악취가스 농도값과 비교적 근

사한 값으로 나타났다. 따라서 전기화학식 가스센서의 센싱 가능한 온도 범위는 25~40

C 이며, 온도가 낮을 때는 센서 출력값이 불안정한 것을 확인할 수 있었다.

복합악취 측정의 금속산화물반도체 센서의 온도의 안정성은 0~10

C에서는 센서 출력값이 상당히 떨어지 는 경향을 나타냈었는데 이는 낮은 온도에서 사람이 감지하는 냄새수준이 낮아지는 일반적인 현상을 센서 가 재현한 것으로 판단되며, 온도 25

C에서는 복합악 취 센서의 출력값이 제조된 악취가스 농도값과 비교적 근사한 값으로 나타났다.

Fig. 3. Temperature stability of gas sensor.

Table 10. Humidity stability of NH

gas sensor

Corp. Humidity (%RH)

Conc. (ppb) Setting S.D.

Conc. 1st 2nd 3rd 4th 5th Mean

C 50 4 6 5 5 6 5.2 0.7 0.7

54 52 50 56 62 54.8 3.8 2.1

213 213 231 194 221 214.4 11.1 7.8

495 452 452 457 458 462.8 14.9 2.4

65 4 5 6 4 5 4.8 0.7 1.2

41 60 60 62 64 57.4 7.6 7.6

217 219 220 213 220 217.8 2.4 21.0

482 441 487 483 481 474.8 15.5 21.5

70 2 15 3 3 10 6.6 4.6 0.8

61 62 62 65 65 63.0 1.5 7.1

289 291 291 294 293 291.6 1.6 0.8

536 536 537 537 538 536.8 0.7 2.6

75 16 24 18 22 33 22.6 5.4 4.7

79 75 74 78 75 76.2 1.8 15.5

325 296 333 298 271 304.6 20.3 18.5

547 612 571 619 579 585.6 24.4 51.1

D 50 0 0 0 0 0 0 0 0

51 53 50 52 51 51.4 1.0 0

206 206 205 203 200 204.0 2.0 4.5

500 522 523 523 529 519.6 9.2 8.8

65 0 0 0 0 0 0 0 0

56 53 44 58 53 53.1 4.7 0

226 236 213 218 205 219.8 10.6 17.6

506 589 559 559 535 549.5 27.8 24.3

70 0 0 0 0 0 0 0 0

65 65 64 67 69 66.0 1.8 0

324 331 225 268 194 268.4 53.7 9.4

564 422 599 610 588 556.6 69.0 12.1

75 0 0 0 0 0 0 0 0

71 57 42 79 62 62.3 12.5 0

256 294 298 277 284 281.8 14.9 47.1

487 591 599 599 598 574.9 43.8 15.9

H 50 0 0 0 0 0 0 0 0

55 55 55 56 55 55.2 0.4 1.0

201 198 199 203 204 201.0 2.1 0.9

512 512 511 510 512 511.4 0.7 1.4

65 0 0 0 0 0 0 0 0

51 52 51 53 53 52.0 0.9 0.9

212 214 220 218 219 216.6 3.1 1.5

511 520 519 517 515 516.4 3.2 1.7

70 0 0 0 0 0 0 0 0.0

68 69 68 68 68 68.2 0.4 1.0

267 265 265 267 265 265.8 1.0 0.7

564 499 582 572 589 561.2 32.2 0.9

75 0 0 0 0 0 0 0 0

72 72 70 71 71 71.2 0.7 0.7

325 294 293 291 291 298.8 13.2 1.0

584 591 592 595 594 591.2 3.9 1.2

3.3 악취센서의 습도 안정성

악취 가스센서의 습도의 안정성 실험결과를 Table 10~12 및 Fig. 4에 나타내었다. 전기화학식 방식을 이

용하는 암모니아 및 황화수소의 가스센서의 습도의 안 정성은 3개사 센서 측정기를 대상으로 실험하였다. 악 취센서 출력값은 습도 50~65%에서 제조된 악취가스 Table 11. Humidity stability of H

S gas sensor

Corp. Humidity (%RH)

Conc. (ppb) Setting S.D.

conc. 1st 2nd 3rd 4th 5th Mean

C 50 4 4 6 5 5 6 5.2 0.7

54 54 52 50 56 62 54.8 3.8

213 213 213 231 194 221 214.4 11.1

495 495 452 452 457 458 462.8 14.9

65 4 4 5 6 4 5 4.8 0.7

41 41 60 60 62 64 57.4 7.6

217 217 219 220 213 220 217.8 2.4

482 482 441 487 483 481 474.8 15.5

70 2 2 15 3 3 10 6.6 4.6

61 61 62 62 65 65 63.0 1.5

289 289 291 291 294 293 291.6 1.6

536 536 536 537 537 538 536.8 0.7

75 16 16 24 18 22 33 22.6 5.4

79 79 75 74 78 75 76.2 1.8

325 325 296 333 298 271 304.6 20.3

547 547 612 571 619 579 585.6 24.4

D 50 0 0 0 0 0 0 0 0

51 51 53 50 52 51 51.4 1.0

206 206 206 205 203 200 204.0 2.0

500 500 522 523 523 529 519.6 9.2

65 0 0 0 0 0 0 0 0

56 56 53 44 58 53 53.1 4.7

226 226 236 213 218 205 219.8 10.6

506 506 589 559 559 535 549.5 27.8

70 0 0 0 0 0 0 0 0

65 65 65 64 67 69 66.0 1.8

324 324 331 225 268 194 268.4 53.7

564 564 422 599 610 588 556.6 69.0

75 0 0 0 0 0 0 0 0

71 71 57 42 79 62 62.3 12.5

256 256 294 298 277 284 281.8 14.9

487 487 591 599 599 598 574.9 43.8

H 50 0 0 0 0 0 0 0 0

55 55 55 55 56 55 55.2 0.4

201 201 198 199 203 204 201.0 2.1

512 512 512 511 510 512 511.4 0.7

65 0 0 0 0 0 0 0 0

51 51 52 51 53 53 52.0 0.9

212 212 214 220 218 219 216.6 3.1

511 511 520 519 517 515 516.4 3.2

70 0 0 0 0 0 0 0 0

68 68 69 68 68 68 68.2 0.4

267 267 265 265 267 265 265.8 1.0

564 564 499 582 572 589 561.2 32.2

75 0 0 0 0 0 0 0 0

72 72 72 70 71 71 71.2 0.7

325 325 294 293 291 291 298.8 13.2

584 584 591 592 595 594 591.2 3.9

농도값과 근사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

그러나 습도 70~75%에서는 센서 출력값이 제조된 악 취가스 농도값보다 높거나 낮게 나타났다. 따라서 센싱 가능한 습도 범위는 50~65%이며, 습도가 65% 이상일 때 센서 출력값은 불안정함을 확인할 수 있었다.

VOCs 물질 중 Isobutylene, Toluene, Xylene, Sty- lene을 측정하는 광이온화식 가스센서의 습도 안정성은 4개사 악취 가스센서 측정기의 출력값은 습도 50~65%

에서 제조된 악취가스 농도값과 근사하게 나타나는 것 을 확인할 수 있었다. 그러나 습도 70~75%에서는 센 서 출력값이 제조된 악취가스 농도값보다 높거나 또는 낮게 나타나는 경향으로 보였다. 따라서 센싱 가능한 습도 범위는 50~65%이며, 습도가 65% 이상일 때 센 서 출력값은 불안정함을 확인할 수 있었다.

금속산화물 반도체 센서를 이용하는 2개사의 복합악 취의 습도 안정성 분석 결과 악취센서 출력값은 습도 Table 12. Humidity stability of complex odor sensor

Corp. Humidity (%RH)

Conc. (ppb) Setting S.D.

dilution times

1st 2nd 3rd 4th 5th Mean

A 50 10 162 159 163 165 167 163.2 2.5

30 198 197 201 204 199 199.8 2.3

66.9 253 251 249 245 255 250.6 3.1

100 278 277 274 275 275 275.8 1.3

65 10 142 161 147 153 157 152.0 6.2

30 203 211 206 213 215 209.6 4.1

66.9 260 252 247 253 249 252.2 4.1

100 265 264 261 263 266 263.8 1.6

70 10 141 141 143 143 144 142.4 1.1

30 131 131 130 131 130 130.6 0.4

66.9 114 113 114 115 114 114.0 0.6

100 99 98 97 99 99 98.4 0.7

75 10 110 124 115 117 121 117.4 4.4

30 96 88 111 131 109 107.0 13.4

66.9 85 79 83 76 81 80.8 2.9

100 79 73 78 77 78 77.0 1.9

D 50 10 11 9 12 12 11 11.0 1.0

30 35 39 27 32 29 32.4 3.9

66.9 54 67 69 69 68 65.4 5.2

100 111 115 130 105 116 115.4 7.5

65 10 16 18 15 19 18 17.1 1.4

30 35 46 48 43 45 43.5 4.2

66.9 70 77 72 70 72 72.1 2.6

100 111 133 165 135 145 137.9 16.1

70 10 6 7 10 11 2 7.2 2.9

30 13 13 14 13 13 13.2 0.4

66.9 19 18 18 19 20 18.8 0.7

100 42 41 43 41 43 42.0 0.8

75 10 6 3 5 5 7 5.4 1.2

30 10 11 11 13 11 11.1 0.8

66.9 15 16 15 16 16 15.5 0.4

100 30 32 31 30 31 30.6 0.5

50~65% 에서 제조된 악취가스 농도값과 근사하게 나타 나는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 습도 70~75%에 서는 센서 출력값이 제조된 악취가스 농도값보다 낮게 나타났다.

3.4 악취센서의 온·습도 전처리 실험

적정 온·습도 조건에서의 안정적인 악취센서 출력 값의 출력을 위해 온·습도 전처리 후 악취센서 출력값 테스트를 수행한 결과는 다음과 같다.

수분의 영향을 많이 받는 암모니아 가스를 이용하여

온도 25

C, 습도 75%에서의 암모니아 가스 농도 5 ppb, 50 ppb, 200 ppb, 500 ppb 로 구분하여 시료 제조 후 습도를 50%로 조절하여 악취센서를 실험한 결과를 Fig. 5 에 나타내었다.

습도 75%에서는 악취센서 출력값이 불안정하고 각 실험횟수마다 편차가 심한 반면, 습도를 50%로 조절 한 후의 센서 출력값은 제조된 악취 농도값과 유사하 게 출력되는 것을 확인할 수 있었으며, 5회 반복실험에 서의 재현성도 확인할 수 있었다.

암모니아 가스를 이용하여 온도 0

C, 습도 50%에서

Fig. 4. Humidity stability of gas sensor.

의 5 ppb, 50 ppb, 200 ppb, 500 ppb로 구분하여 가스시 료 제조 후 온도를 25

C로 조절하여 실험한 결과를 Fig. 6에 나타내었다.

온도 0

C 에서는 악취센서 출력값이 불안정하고 비교 적 낮게 나타나는 반면, 온도를 25

C 로 가열 후의 센서 출력값은 제조된 악취 농도값과 유사하게 출력되는 것 을 확인할 수 있었으며, 5회 반복실험에서의 재현성도 확인할 수 있었다. 온·습도 전처리를 통한 암모니아 센서 출력값 테스트를 통해 센서의 안정적인 반응 및 신뢰성 있는 데이터 생산을 위해 적정 온·습도(25

C, 50~65%RH) 보정 등의 전처리시스템의 필요성을 확인 할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 4개 업체의 악취센서 측정기의 성능 평가 항목인 최소검출한도, 습도 안정성, 온도 안정성 분석을 실시하였다.

악취센서 측정기의 최소 검출한도 성능평가 결과 전

기화학식 가스센서 방식을 이용하는 암모니아, 황화수 소의 경우는 농도 5 ppb에서 1개 제조사에서만 감지가 가능한 것으로 나타났고, 표준편차율이 10% 이상으로 나타났으며, 습도가 높아질수록 표준편차율이 증가하 는 경향을 보였다.

전기화학식 가스센서의 센싱 가능한 온도 범위는 25~40

C였으며, 온도가 낮을 때는 센서 출력값이 불안 정한 것을 확인할 수 있었으며, 복합악취 측정의 금속 산화물반도체 센서의 온도의 안정성은 0~10

C 에서는 센서 출력값이 상당히 떨어지는 경향을 나타냈으며, 25

C에서 센서 출력값은 제조된 악취가스 농도값과 비 교적 근사한 값으로 나타났다.

적정 온·습도에서의 안정적인 악취센서 출력값의 출력을 위해 온·습도 전처리 후 악취센서 출력값 테스 트를 수행한 결과 습도를 50%로 조절한 후의 악취센 서 출력값은 제조된 악취 농도값과 유사하게 출력되는 것을 확인할 수 있었으며, 온도를 25

C로 가열 후의 센 서 출력값은 제조된 악취 농도값과 유사하게 출력되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. Pretreatment temperature and humidity–humidity change.

Fig. 6. Pretreatment temperature and humidity–temperature change.

악취센서 측정기의 온·습도 안정성은 측정대상 물 질 모두 온도 25~40

C, 상대습도 50~65%에서 센서 출 력값이 안정적으로 나타났으며, 온도가 낮거나 습도가 높은 경우 악취센서 출력값이 불안정하게 나타났다. 따 라서 악취센서 측정기의 안정적인 운영을 위해서는 온·습도 보정 등의 악취센서 전처리시스템 도입을 통 해 악취 측정시 적정 온·습도(25~40

C, 50~65%RH) 를 유지하면서 악취센서 측정기를 운영할 필요가 있는 것으로 판단된다.

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