http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2018.27.3.199 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
저 농도 감지를 위한 NDIR 방식의 초소형 고정도 메탄센서 모듈
김동환+ · 이인 · 방일순 · 천동기 · 김일호
Development of the Smallest, High-accuracy NDIR Methane Sensor Module to Detect Low Concentration
Dong-Hwan Kim+, Ihn Lee, Il-Soon Bang, Dong-Gi Chun, and Il-Ho Kim
Abstract
In this study, we develop a methane sensor module that can detect low concentrations below 5,000 ppm and measure up to the detec- tion limit of 50 ppm with the NDIR method, with a long lifetime and high accuracy. Methane (CH
4) is one of a representative green- house gas, which is very explosive. Thus, it is important to quickly and accurately measure methane concentration in the air. To adjust the methane sensor for industrial field applications, a NDIR-based small sensor was implemented and characterized, where its volume was 4 cm × 4 cm × 2 cm and its response time (T
90) was less than 30 sec. These results demonstrate that the proposed sensor is com- mercially available for low-concentration measurement, low volume, and fast response application, such as IoT sensor nodes and por- table devices.
Keywords: Gas sensors, Methane Sensor, CH4 Sensor, NDIR, Low concentration, Smallest NDIR
1. 서 론
메탄가스는 천연가스(LNG) 주성분으로서 주택 및 산업분야 에서 연료가스로 사용되고 있는 탄소와 수소로 구성된 탄화수 소계 가스이다. 메탄가스는 공기중의 농도가 50,000 ppm (100%
LEL) 이상이 되었을 때 불꽃이 발생하면 폭발하는 폭발성 가스 이기 때문에 대형 화재나 많은 인명피해를 유발할 수 있어 항 상 관리를 필요로 한다[1]. (LEL이란 Lower Explosive Limit의 줄임 말로 폭발 하한 한계치를 의미) 따라서 여러 요인에 의해 발생하여 공기 중에 누출된 메탄가스 농도를 빠르게 감지하여 폭발 환경이 되지 않도록 관리하는 것은 가스 사고 방지를 위 해 매우 중요한 일이다.
현재까지 정밀한 정도의 메탄가스를 측정하기 위해서는 대부 분 고가의 NDIR 분석기를 이용하여 측정하고 있지만 최근 사 물인터넷 기술이 발전함에 따라 장기간 안정성과 정밀성을 가
진 소형 센서의 개발이 요구되고 있다. 메탄가스를 측정하는 작 은 센서 규모의 방식에는 NDIR 광학식, 접촉연소식, 전기화학 식, 반도체식 센서 등이 있다. 하지만 접촉연소식이나 전기화학 식 센서는 노출되는 농도 사용에 따라 2년 미만의 짧은 수명을 가지고 있고, 반도체식 센서는 메탄 이외에 타 가스에도 크게 반응한다는 단점을 가지고 있으며 모두 접촉식 센서로서 고농 도의 메탄에 노출되면 수명이 크게 단축된다[2]. 이에 반해 비 접촉식인 NDIR광학식 센서는 C-H분자구조에서 흡수하는 특정 파장의 광을(예, CH4 : 3.4 μm)을 이용하기 때문에 타 측정 원 리의 센서에 비해 다른 가스 간섭성이 적으며 메탄의 선택성이 좋고 정확성이 높으며 10년이상의 긴 수명의 장점을 가지고 있다.
최근까지 NDIR 방식의 메탄센서 제품은 주로 50,000 ppm (100% LEL) 범위를 측정하고 검출한계 500 ppm (1% LEL) 의 성능을 가진 제품들이 사용되고 있다. 이러한 고농도의 제품들 은 10,000~12,500 ppm(20~25% LEL) 지점에서 폭발 위험 사전 감지를 위한 디텍터 목적으로 많이 사용한다. 아직까지는 5000 ppm 이하의 저 농도가 측정 가능하면서 높은 분해능을 갖추기 위해서는 주로 분석기 수준의 크기와 정밀 부품을 사용한 고가 의 측정기만이 가능하였다. 또한 기존 메탄 분석 장비 및 센서 는 NDIR 방식임에도 타CH계열의 가스(프로판, 부탄 등)에 메 탄보다 크게는 3배 이상 높게 반응하여 메탄량 보다 적은 비율 임에도 불구하고 더 높게 반응하는 오류 현상이 발생한다[3].
Fig. 1은 현재 분석기에 사용 되고 있는 저농도 감지가능 한 NDIR 방식의 메탄 측정용 광 챔버 모듈의 예시들이며, 주 크기
㈜이엘티센서 (ELT SENSOR Corp.)
36, Bucheon-ro 198beon-gil, Bucheon-city, Gyeonggi-do, 14557, KOREA
+Corresponding author: [email protected]
(Received: Apr. 25, 2018, Revised: May. 25, 2018, Accepted: May. 28, 2018)
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는 20~40 cm로 주로 사용 되고 있다.
이에 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 작은 센서 모듈형태를 지 니고 있으며, 크기 4 cm × 4 cm × 2 cm로 매우 작은 센서 모듈 규모로 0~5,000 ppm (10% LEL) 저 농도를 50 ppm 검출한계 까지 측정이 가능한 NDIR 메탄 센서 모듈을 개발하였다. 이에 실제 현장 적용이 가능한 주요성능을 검증하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1 저 농도 감지를 위한 NDIR 방식의 초소형 고정도 메탄센서 모듈 제작
본 연구의 목표인 5000 ppm 이하에서 50 ppm저농도 감지가 가능한 NDIR 센서를 개발 제작하기 위해서 핵심부분인 광 검 출기 설계, 광 공동 설계, 안정된 저 노이즈 회로 설계, 가스 측 정 알고리즘 설계 등을 진행하였다.
NDIR 방식의 센서는 이론적으로 비어-람버트 법칙을 따른다 [4]. 비어-람버트 법칙의 기본원리는 식(1)과 같다.
( ε : 흡수계수, c : 농도, I : 광로길이, : 입사광) (1) 비어-람버트 법칙에 의하면 광로길이가 길수록 광의 흡수도 가 증가하는 것을 알 수 있다. 메탄가스는 상대적으로 흡수도가 낮은 편에 속하기 때문에 광 경로를 크게 증가시켜야 한다. 부 피가 큰 분석기가 아닌 작은 소형 센서에서 광로길이를 길게 만 들기 위해서 광이 지나가는 광 공동 내부의 다수 광 반사 설계 를 통해 광원에서 광 검출기까지 광로 길이를 증가시키도록 설 계하였다.
Fig. 3 은 포물선의 특성 중 포물선에 수직으로 입사하는 광은
초점으로 집광하고, 초점에서 집광 된 광은 수직으로 광이 발산 하는 성질을 이용하여 광 공동 내에서 5회 반사시켜 광로 길이 를 증가시키고, 광 손실을 최소화하는 본 연구의 메탄센서 광 설계 시뮬레이션 결과이다.
본 설계에서 구현된 가장 긴 광 경로 길이는 약 20 cm 이며, 초점 집광 방식으로 인하여 광량의 손실을 최소화 하였다. 이를 통해서 최종 회로내의 증폭도를 낮추며 노이즈를 감소시킬 수 있었다.
최종적으로 센서가 가스농도를 출력하기 위해서는 광 검출기 에서 검출 된 신호를 토대로 농도로 환산하는 교정 알고리즘을 개발하였다.
Fig. 4는 비어-람버트 법칙을 기본으로 하여 본 개발센서에 최적화 된 함수를 도출하여 교정 데이터를 피팅한 결과이다. 데 이터와 피팅 결과의 일치 정도를 나타내는 R
2값을 보면 0.99997 의 정확도로 자체 개발 함수의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
마지막으로 메탄가스는 일반적으로 3.3~3.4 um의 파장 에서 흡수가 크게 일어난다. 하지만 3.4 um의 파장 대 영역에서는 다 른 CH 계열 가스(에탄, 프로판, 부탄 등)의 광 흡수가 더욱 크 게 일어나기 때문에 메탄 농도측정에 오류가 발생한다. 이를 줄 이기 위해서 검출기의 적외선 필터를 별도 설계하여 타CH가스 의 간섭성을 감소시켰다.
I = I
0exp ( – εcl )
I
0Fig. 1. Example of optical chamber for methane measurement ana- lyzer.
Fig. 2. Developed methane sensor module.
Fig. 3. Methane sensor optical cavity design and simulation.
Fig. 4. Data fitting using the Beer-Lambert law and a self-developed
function.
2.2 메탄센서의 성능평가
개발된 센서는 가스 농도 및 온도, 습도 조절이 가능한 자체 쳄버 시스템 및 표준가스, 정밀 계측기를 이용한 복합 검증 방 법으로 측정 정확성(직선성), 최소검출한계, 재현성 (반복성), 응 답시간, 온도안정, CH계열 타 가스 간섭성의 6가지 테스트를 진 행하여 성능을 검증하였다
3. 결과 및 고찰
3.1 메탄 센서 모듈 성능평가 결과
3.1.1 정확성 (직선성) 테스트 결과
정확성 테스트는 제로가스 (0 ppm)와 Full Scale(이하 F.S)의 20% 의 가스(1,000 ppm), 40%의 가스 (2,000 ppm), 80%의 가스 를 (4,000 ppm) 각각 투입하여 투입 된 가스농도와 측정값을 비 교하여 산출하였다.
Fig. 5 는 각 투입농도에서의 정확성 데이터를 나타낸 그림이
다. 최대 편차는 F.S 3%이내 (150 ppm)의 오차율로 우수한 정 확도를 나타내었다. 또한 Fig. 6에서 보면 500 ppm 이하의 저 농도에서도 50 ppm 이하의 오차를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 본 센서를 한국산업기술시험원 (KTL)에서 측정하여 검 증한 결과 센서의 직선성결과는 오차율 4% 정도의 결과로 우 수함을 확인하였다.
3.1.2 최소검출한계 시험 결과
최소 검출 한계 시험은 실제 사용자가 확인할 수 있는 방법 으로 제로가스를 투입하고 10분 동안 데이터를 취득하여 센서 값이 흔들리는 정도를 확인하였다.
Fig. 7에서 보면 최소 검출한계 노이즈 레벨은 20 ppm 이하 로 나타남을 알 수 있다.
3.1.3 재현성(반복성) 시험 결과
재현성 테스트는 제로가스 (0 ppm)과 스팬가스 (4,000 ppm) 를 3회 번갈아 투입하여 그 농도를 측정하여 산출하였다.
Fig. 8의 테이터를 보면 제로가스를 투입하였을 경우 모두 0 ppm을 가리키고, 스팬가스를 투입하였을 때 4000 ppm에서 50 ppm 이하의 차이의 편차를 가지고 즉, F.S. 1% 이하로 정확하 게 재현이 되는 것을 확인 할 수 있었다.
Fig. 5. Result data of CH4-LD Accuracy (linearity) test at full scale.
Fig. 6. Methane sensor Accuracy (linearity) test at low concentration below 500 ppm.
Fig. 7. Result data of Methane sensor minimum detection limit test
Fig. 8. Result data of Methane sensor reproducibility test.
3.1.4 응답속도 시험 결과
응답속도 시험은 2000 ppm가스를 투입 후 측정 가스의 1/e 만큼 변화되는 지점의 시간(T
1/e) 과 90%만큼 변화 되는 지점의 시간 (T
90)을 측정하여 산출하였다.
Fig. 9 과 같이 센서에 가스를 투입했을 때와 가스를 배출했을 경우를 나누어서 산출하였는데 가스를 투입했을 때 T
1/e의 시 간은 15초이고, T
90의 시간은 24초이다.
센서에서 가스가 배출 될 때는 T
1/e의 시간은 30초이며, T
90은 80초이다. 가스가 투입 될 때는 가스투입 시 걸리는 압력에 의 해서 응답속도가 더 향상되고, 배출 시에는 자연대류에 의하여 가스가 빠져나가기 때문에 응답시간이 더 길다.
즉 외부에서 가스를 공급하여 광 공동 내에 가스 농도를 강 제로 변화시켰을 시에는 반응속도는 30초 내에서 이루어 진다.
하지만 일반적으로 대류에 의한 가스 농도 변화는 광 공동내의 가스 농도 변화 속도가 늦기 때문에 30초 이상의 응답속도를 가 지게 된다.
3.1.5 온도변화의 안정성 시험 결과
본 개발 센서에 대하여 5
oC~45
oC까지 온도의 변화를 주고, 0 ppm, 1000 ppm, 2000 ppm, 4000 ppm의 가스를 투입하여 온도 변화에 따른 안정성 시험을 검사하였다.
Fig. 10 를 보면1000 ppm 이하에서는 50 ppm 이하의 온도 안 정성으로 일치하고, 4000 ppm에서는 약 150 ppm 정도의 온도 에 따른 편차를 보인다.
3.1.6 타 CH계열의 가스와의 간섭성
메탄과 에틸렌, 프로판, 부탄의 적외선 흡수 파장영역이 비슷 하기 때문에 C-H 계열의 가스에 대하여 각각 영향을 받는다. 그 중에서 C-H 결합 수가 가장 많은 부탄, 프로판, 에틸렌, 메탄 순 으로 적외선 흡수를 더 많이 일어난다[5].
흡수 차이 정도는 부탄의 경우 메탄의 흡수 량에 비해 3배 이 상, 프로판은 2배 이상으로 적외선 흡수 량이 높다.
본 개발 센서는 광 검지기의 흡수 파장 대를 조절하여 메탄 과 프로판, 부탄, 에틸렌의 흡수 정도를 거의 대등하게 맞추었다.
Fig. 11의 데이터를 보면 에틸렌의 경우 메탄과 약 0.9배, 프 로판의 경우 메탄과 약 1배, 부탄의 경우 메탄과 약 1.2배 정도 의 정도 차이를 보이는 것을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구를 통해 5000 ppm 이하의 농도 측정범위의 F.S 3%
이하의 직선성으로, 목표한 50 ppm 이하의 최소 검출한계를 가 지며, 5~45
oC 에서 150 ppm 이하의 안정성을 가지고 온도보정 이 가능하며, 응답시간(T90)은 30초 이하의 성능을 가진 NDIR 방식의 초소형 고정도 메탄센서 모듈을 개발하게 되었다.
또한 본 메탄 센서는 타 CH계열 가스 (에틸렌, 프로판, 부탄) Fig. 9. Result data of Methane sensor response time test.
Fig. 10. Result data of Methane Sensor Accuracy according to tem- perature change.
Table 1. Methane Sensor test result table
항목 단위 측정값
정확성(직선성) ppm <F.S. 3%
최소검출한계 ppm <50 ppm
재현성(반복성) ppm < F.S 1%
응답시간 (T90) s 30 s
온도안정성
oC, ppm 5~45
oC, <150 ppm
Fig. 11. Methane sensor cross sensitivity.
에 대하여 기존 3배 이상 차이 나는 가스 농도차이를 1.2배 이 하로 낮추어 간섭성을 최소한으로 줄였다.
앞으로 대량 생산을 계획하고 있으며 이에 필수적인 품질 균 일성을 확보하기 위해 연구를 지속하고 있다.
긴 수명과 높은 정확성 등의 많은 장점을 가진 본 NDIR 저 농도용 소형 메탄센서의 보급은 현재 전세계의 감지기 등에 장 착된 연소식, 반도체식 센서가 가지고 있는 여러 가지 단점을 해소시킴으로써 센서발전에 큰 계기가 될 것이다.
본 연구에서 개발된 센서는 주택에서부터, 산업현장, 광산, 돈 사, 축사, 맨홀 내부 등의 다양한 측정장소에서 활용되어 가스 누출감지, 폭발환경감지, 질식 위험예방을 위해 실제적으로 사 용될 수 있을 것이다.
감사의 글
본 연구는2016년도 환경부의 ‘글로벌탑 환경기술 개발사업’
의 ‘그린패트롤 측정기술개발사업단’의 지원으로 수행하게 되었 으며 이에 감사 드립니다.
REFERENCES
