http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2016.25.5.377 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
White-Cell 구조를 응용한 비분산 적외선 이산화탄소 센서의 온도특성
이승환1,+ · 박영환2 · 이재경2
Temperature Dependency of Non-dispersive Infrared Carbon Dioxide Gas Sensor by Using White-Cell Structure
SeungHwan Yi1+, YoungHwan Park2, and JaeKyung Lee2
Abstract
NDIR CO
2gas sensor was prototyped with ASIC implemented thermopile sensor which included temperature sensor and White-Cell structure in this paper. The temperature dependency of dual infrared sensors (CO
2and reference IR sensors) has been characterized and their output voltage ratios according to the temperature and gas concentration were presented in this paper for achieving temperature compensation algorithm. The initial output voltages of NDIR CO
2gas and reference IR sensors showed 3
rdorder polynomial and linear output voltages according to the variation of ambient temperatures from 253 K to 333 K, respectively. The output voltages of tem- perature sensor presented a linear dependency according to the ambient temperature and could be described with . The characteristics of output voltage ratios could be modeled with five parameters which are dependent upon the ambient temperatures and gas concentration. The estimated CO
2concentrations showed relatively high error below 300 ppm (maximum 572 % at 7 ppm CO
2concentration), however, as the concentration increased from 500 ppm to 2,000 ppm, the overall esti- mated errors of CO
2concentrations were less than ±10% in this research.
Keywords: Dual-infrared sensors, Non-dispersive infrared gas sensor, Carbon dioxide sensor, Temperature compensation, White-Cell
1. 서 론
최근 상수원으로서 하천과 호수의 물 관리를 위해 총 탄소 (TC, total carbon) 혹은 총 유기 탄소(TOC, total organic carbon) 의 측정 및 관리가 요구되고 있고, 물의 광분해 또는 연소산화 에 의해 발생되는 이산화탄소 가스량 분석을 통해 수중 유기 탄 소량을 역산하고, 이를 통해 상수원의 수질 관리를 전세계적으 로 진행하고 있으며[1], 국내에서도 이에 대한 중요성 인식 및 법제화를 통한 관리를 강화하고 있다.
일반적으로 공기 질 관리를 위한 이산화탄소 센서로 비분산
적외선 방식과 고체전해질 방식[2]을 사용하고 있으나, 고체 전 해질 방식은 외부 가스와 화학반응을 통해 농도를 검출하기에 선택성과 장기 안정성이 광학식에 비해 취약한 단점을 지니고 있어, 공기 질 관리시스템에서 비분산 적외선 방식을 선호하고 있다. 또한 상수원 관리를 위한 이산화탄소 측정용 가스센서 및 시스템으로서 비분산 적외선(Non-dispersive infrared rays) 방식 [3] 과 선택적 이산화탄소 가스투과 멤브레인 방식[4,5]이 사용되 고 있으나, 시료의 채취 및 분석의 용이성 측면에서 NDIR 방 식이 TOC 측정시스템에 직접 연결되므로, 실시간 분석이 용이 한 것으로 알려져 있다.
NDIR 방식의 가스센서는 적외선의 방출과 광 경로상 측정대 상 가스의 적외선 흡수 및 이로 인한 적외선 검출기에서의 출 력전압 변화를 증폭하여 그 농도를 산출하는 방식이고, 광학적 구조물을 제외한 관련소자가 반도체 공정을 통해 제작되기에 고 체 전해질 방식의 센서에 비해 선택성과 장기 신뢰성이 우수하 고, 온도변화에 따른 이산화탄소 가스농도의 보정을 초기에 정 확히 수행하면, 장시간 별도의 보정절차가 필요하지 않다는 장 점을 지니고 있어, 이산화탄소 가스를 비롯하여 호흡기 알코올 [6], 과일의 신선도 판단을 위한 에틸렌[7] 가스 측정용 센서 모 듈의 제작을 위해 연구 개발이 진행되어 왔다. 그러나 적외선 V T ( ) = – 3.0069 + 0.0145T V ( )
1
Department of Mechanical Engineering, Korea National Unversity of Transportation, 50 Daehakro, Chungjushi, Chungbuk 27469, Korea
2
Department of Control and Instrumentation, Korea National Unversity of Transportation, 50 Daehakro, Chungjushi, Chungbuk 27469, Korea
+
Corresponding author: [email protected] (Received: Sep. 26, 2016, Accepted: Sep. 30, 2016)
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광원에서 방사되고, 협대역 필터(Narrow bandpass filter)를 통과 하여 서모파일 적외선 검출기에 도달하여 출력되는 전압은 수 십에서 수백 µV의 낮은 전압이기에 이를 증폭하고, 증폭된 전 압의 변화에 따른 농도검출 방식을 취하고 있기에 외부잡음에 취약한 특성을 갖고 있으므로, 소신호 증폭과 잡음제거 기술이 절대적으로 필요한 사항이다.
따라서 본 연구에서는 소신호 증폭회로와 온도센서를 ASIC 화하여 서모파일과 동일 금속 패키지에 내장한 적외선 검출기 와 독자적으로 개발된 광학적 구조물을 사용하여 이산화탄소 가 스센서 모듈을 제작하고, 이의 온도 의존성을 살피고, 온도보상 법을 적용하여 실제 농도와 추정 농도의 오차관계를 살펴보았다.
2. 모의해석, 센서제작 및 실험방법
2.1 모의해석
대 광경로의 광학적 도파관은 White-Cell의 원리[8] 를 응용 하여 확보하고자 하였으며, 사용된 광원과 반사경, 적외선 검출 부에서의 입사 적외선의 에너지 밀도와 광 경로는 광학적 기구 물의 설계에 적용되고 있는 TracePro
®설계 소프트 웨어를 사 용하여 해석하였으며, 그 해석과정은 이미 발표된 논문에서 자 세하게 다루고 있으므로 구조와 해석 결과에 대해서만 설명하 기로 한다[9,10].
대 광경로를 갖는 적외선 가스센서용 광학적 도파관에 대한 모의해석은 1,2 차로 나누어 진행하였는데, 최종 결과를 나타내 면 Fig. 1과 같고, 그 광학적 도파관은 적외선 광원, 기준 적외 선 센서(detector1)와 이산화탄소 측정용 적외선 센서(detector2), 대 광경로를 확보하기 위한 두 쌍(reflector1과 reflector2: 총 3 개의 반사경)의 반사경과 적외선 광원에서 조사되는 적외선의
일부를 기준 적외선 센서(detector1)에 조사시키기 위한 반사경 (reflector3) 으로 구성되어 있다.
Fig. 1에서와 같이 적외선 광원에서 조사된 적외선의 일부는 반사경(reflector3)에 의해 기준 적외선 센서(detector1)에 도달하 고, 임계각 이상의 적외선은 한 쌍으로 구성된 반사경(reflector2) 을 벗어나 금속 구조물에서 반사됨으로써 적외선 센서의 출력 에 영향을 미치지 못하거나, 설계된 목적에 부합하게 이산화탄 소 센서(detector2)에 도달함을 확인할 수 있었고, 이를 바탕으 로 회로를 설계하고, 센서를 제작하여 연구개발을 진행하였다.
2.2 센서의 제작 및 실험 방법
본 연구에서는 서모파일 미세전압을 회로 기판상에서 증폭하 는 대신 증폭 부와 온도센서 및 관련 회로가 ASIC화 되어 있 는 서모파일 센서들(HIS A21 F4.26-180 G5600, HIS A21 F3.91- 90 G5600, Heimann, Germany)과 적외선 광원으로는 MEMS 기 술에 의해 제작된 MIRL 17-900(IMPRTEC, Italy)을 사용하였 고, 반사경(그린광학, Korea)은 Fused-Silica를 설계사양에 따라 가공한 후, 반사 방지막으로 SiO
2를 Au/Ti 박막 위에 증착함으 로써 광화학적 안정성을 확보하고자 하였다. 또한 TOC측정용 센서로 사용시, 측정 대상가스에 함유되어 있는 미량의 산성 가 스에 의한 회로부에의 영향을 최소화하고, 외부 전자기파의 간 섭에 의한 외란 발생을 최소화하기 위해 Fig. 2에 제시된 것과 같이 광학적 도파관 부분과 전자회로부를 완전히 격리시킬 수 있도록 하였다. 즉, 광학적 부품들이 존재하는 공간하부(Fig. 2 의 왼쪽 사진의 하부)에 회로기판을 장착할 수 있도록 알루미늄 을 가공하여 TOC 측정용 가스센서의 하우징을 제작하였다. 한 편 적외선 센서에서의 출력전압과 이를 통한 이산화탄소 측정 용 회로부는 Fig. 2의 오른쪽에 나타내었다.
주변 온도변화와 이산화탄소 가스농도에 따른 센서모듈의 출 력 특성확인을 위해 진행된 실험은 기존에 발표된 논문에서의
Fig. 1. Simulation result of optical waveguide structure (B-type) for long optical paths.
Fig. 2. Photo of prototyped NDIR CO
2gas sensor module: optical
waveguide structure(left) and electronic circuitry(right).
실험방법과 동일[10,11] 하게 진행되었으나, 온도보상에 대한 알 고리즘을 확보하기 위해 수증기가 가스 챔버에 포함되지 않도 록 버블러(Bubbler)는 사용하지 않았다. 그러나 제작된 센서모 듈을 가스 챔버에 삽입 후, 253K에서 333K까지 20K간격으로 온도변화에 따른 출력전압 특성실험(순환 반복실험)을 2개월간 진행하였고, 온도 설정 후 가스챔버 내에 존재하는 센서모듈을 열적으로 평형상태에 도달시키기 위해 2시간 이상 대기하였으 며, 최종적으로 온도센서의 출력전압이 이전 실험값의 ±5 mV이 하일 때, 각 센서들에서 측정된 전압을 저장하였다.
또한 가스반응 실험은 가스챔버에 존재하는 모든 가스를 고 순도 질소(99.99%)로 배출시키고, 항온·항습조의 온도를 설정하 여 이산화탄소 센서를 측정 온도에 도달하도록 조절하였으며, 미세한 누설에 의한 대기 중 이산화탄소 가스증가를 온도 설정 중 재배출시키고, 1 시간 이상 대기함으로써 초기 가스농도를 0 ppm 근처에 도달하도록 하였다. 이때 가스반응 실험의 온도조 건은 본 시작품의 응용이 예상되는 온도 구간을 설정하여 253K 에서 333K까지 20K 간격으로 온도를 증가시켜 초기 조건을 설 정한 후, 0에서 약 2,000 ppm까지 이산화탄소 가스를 증가시키 며 가스 농도에 따른 센서모듈의 출력특성을 확인하였으며, 각 온도조건에서의 초기 전압과 평균값을 구하고 그 값을 기준으 로 온도와 가스농도에 따른 센서모듈의 출력특성 해석을 실시하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 실험 결과
이산화탄소 센서모듈을 포함하고 있는 가스챔버의 온도변화 에 따라 이산화탄소의 농도가 0 ppm일때, 이산화탄소 가스센서, 기준 적외선 센서와 두 적외선 센서의 금속 하우징에 포함된 온 도센서의 출력전압을 나타내면 Fig. 3과 같다. 기준 적외선센서 와 온도센서의 출력전압은 선형적인 특성을 나타내었으나, 이산
화탄소 가스센서는 온도에 따라 3차함수 형태의 출력특성을 나 타내었다. 특히 기준 적외선센서의 출력전압은 측정 온도 구간 에서 최대 40 mV 정도 변하는 특성을 나타내었다.
한편 이산화탄소 가스농도에 따라 298K를 중심으로 253K에 서 333K까지 20K 간격으로 이산화탄소 가스센서의 출력전압과 기준 적외선센서의 전압비를 계산하여 제시하면 Fig. 4와 같다 . 출력 전압비는 저농도(0~1000 ppm)에서 약 2 이상의 변화폭 을 보였으며, 가스 농도가 증가함에 따라 Fig.4에 나타난 바와 같이 완만한 감소를 나타내었고, 가스 농도의 증가에 따른 전압 비는 아래의 식 (1)과 같은 추세선으로 나타낼 수 있었고, 각 계 수들의 온도의존성을 나타내면 Fig. 5와 Fig. 6과 같다.
(1) 단, 이때 는 0 ppm에서 온도에 따른 출력 전압비를 결 정하는 함수의 계수, 는 온도의 변화에 따른 흡수계수와 광 경로 곱의 함수, x는 가스농도 (ppm)를 나타낸다.
Fig. 5 는 이산화탄소 가스가 0 ppm일 때 초기 전압비의 온도 의존성을 나타낸 것이고, Fig. 6 이산화탄소 흡수계수와 광경로 의 곱의 온도 의존성을 나타낸 것이다. 초기 전압비는 Fig. 3에 언급된 이산화탄소 가스센서 출력전압의 온도 의존성에 의한 특 성이 반영되어 3차함수 형태가 주도적으로 나타난 것으로 사료 되고, 가스의 흡수 계수항은 293K를 기준으로 온도의 감소와 증가에 따라 흡수계수가 감소하는 항과 온도의 변화에 거의 무 관한 값을 갖는 두 개의 계수를 갖는 것으로 Fig. 6과 같이 나타났다.
식(1)의 계수들의 온도 의존성 함수를 Fig. 5와 Fig. 6에서 도 출하여 대입한 후, 온도와 이산화탄소 가스농도의 변화에 따른 추정 이산화탄소 가스농도를 측정하여 제시하면 Fig. 7과 같다.
300 ppm 이하의 저농도에서 최대 572 %(실제 농도 7 ppm에 대 해 약 54 ppm의 추정농도) 정도의 오차를 나타내었으나, 500 ppm 에서 1000ppm 농도구간에서는 ±10%, 1000ppm이상에서는 ±7%
R T x ( , ) y =
0+ a ⋅ exp ( – bx ) c + ⋅ exp ( – dx ) y
0, , a c
b d ,
Fig. 3. Output voltages of CO
2& reference IR, and temperature sen- sors at zero ppm CO
2concentration.
Fig. 4. Temperature dependency of output voltage ratios between
CO
2and reference IR sensors as a function of carbon dioxide
concentrations.
이하의 추정 오차를 나타내었다.
3.2 결과 고찰
저자에 의해 발표된 타원형 광 도파관을 갖는 구조의 경우[12], 기준 적외선과 이산화탄소 센서의 0 ppm에서의 출력전압은 온도 의 증가에 따라 선형적인 출력특성을 나타내었으나, 본 연구에서 제시된 White-Cell형 구조의 초기 전압은 1차함수와 3차함수 형 태를 나타내었고, 이산화탄소 가스센서용 적외선 센서의 출력전 압의 온도에 따른 예측이 다소 오차를 갖고 대응됨을 Fig. 3을 통해 알 수 있었다. 이러한 사항은 Fig. 5와 Fig. 7에 반영되어 가 스농도 구간에 따라 상이한 오차 특성을 나타내었는데, 이는 0 ppm에서 가스챔버가 약 3 mg/m
3이하의 수증기를 함유했을 때 특정 임계치 전후의 가스농도와 수증기에 따라 추정 오차에 영 향을 미치고 있음을 결과의 분석과정에서 확인할 수 있었다. 또 한 내부증폭기를 포함한 서모파일 적외선 센서를 사용하였지만, 설정온도에서 약 10~20 mV의 전압변동을 나타내는 특성을 고 려하고, 약 68 cm의 광 경로와 별도의 집속 렌즈등을 구비하지 않은 White-Cell을 고려할 때 실제 이산화탄소 가스농도를 비교 적 정확하게 예측한 온도보상 알고리즘을 도출하였다고 사료된다.
또한 수증기를 거의 포함하지 않는 가스챔버에서 센서모듈의 가스농도 변화에 따른 출력전압 특성이 제시된 식(1)과 같이 두 개의 지수함수적인 변화양상을 나타내는 것은 중심파장(4.26 µm) 을 갖는 협대역 광학필터의 온도특성을 반영한 결과로 사료 된다. 즉, 중심파장의 이산화탄소 가스의 흡수계수와 협대역 통 과파장의 간섭성분에 의한 결과로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 온도센서의 전압변화가 5 mV 이내(약 0.3 K 의 온도차)일 때, 기준 적외선 센서와 이산화탄소 센서의 출력 전압비를 온도와 가스농도의 변화에 따른 함수를 도출하여 온 도보상된 이산화탄소 가스농도 추정 알고리즘을 도출하고자 하 였다. 제안된 White-Cell 구조와 도출된 알고리즘에 기반한 추 정 이산화탄소 가스농도는 저농도에서 실제 농도와 비교하여 약 50 ppm 정도의 추정오차, 500 ppm에서 2000 ppm에서 최대 ±10%
의 추정 오차를 나타내었고, 500 ppm에서 2000 ppm영역에서 평 균적으로 ±5% 이내의 추정오차를 나타냄으로써 TOC 분석용 가스센서의 개발에 적용될 수 있음을 보였다. 실제 TOC 분석 에서는 습도와 온도의 복합외란에 의한 영향이 지배적인 상황 이기에 이에 대한 종합적인 보상 알고리즘의 도출에 의한 개발 이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
감사의 글
This research was supported by R&D Center for Green Patrol Fig. 5. Temperature dependency of initial output voltage ratios at
zero carbon dioxide concentration.
Fig. 6. Gas absorption related coefficients as a function of ambient temperature variations.
Fig. 7. Temperature compensated concentrations of carbon dioxide
gas as a function of monitored concentration of CO
2gas.
Technologies through the R&D for Global Top Environmental Technologies funded by Ministry of Environment, Republic of Korea (MOE) and the authors would like to thank Mr. Jin-Ho Kim and Sang-Ho Shin for the experiments and modeling of sensor structures.
REFERENCES
