실내 공기질 모니터링 위한 새로운 소형, 저전력 MOX VOC 센서

  • 2017년 05월호
  • 노우드 브라운(Norwood Brown), ams


공기질에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데, 건물 내공기 조절 및 공기정화 장치에 우수한 반응의 동작을 구현하는 차세대 VOC 가스 센서가 출시됐다.

폭스바겐이 배기가스 검사 조작을 통해 인체에 유해한 자동차 배출가스를 다량으로 배출한 사실이 드러나면서 많은 이들의 분노를 샀다. 한편으로 이 사건은 실내외의 공기질에 대한 대중의 관심을 높이는 계기를 마련했다.

사람이 하루에 들이마시는 공기의 양은 평균 15 kg정도이며, 이 중 80%가 실내에서 소비된다. 실외 공기질은 공공기관에 의해 정기적으로 모니터링되지만, 실내 공기질(Indoor Air Quality: IAQ)은 모니터링을 한다면 건물 운영자나 입주자가 하게 된다. 이러한 요구에 부응하여 작고 저렴한 디바이스로 분산형 로컬 IAQ 모니터링 기능을 제공하고, 건물 내 공기 조절 및 공기 정화 장치에 보다 우수한 반응의 동작을 구현하는 차세대 소형, 표면 실장형, 저전력 휘발성 유기 화합물(VOC: Volatile Organic Compound) 가스 센서가 새롭게 출시됐다.

이 글에서는 새로 선보이는 VOC 센서의 동작을 설명하고, 새로운 센서와 절대 출력 단일 가스 센서(Absolute Single-Gas Sensor)의 차이점을 알아본다. 또한 공기관리 장치가 실내 공기질의 변화에 가장 효율적이고 효과적으로 반응할 수 있도록 새로운 센서가 어떻게 더욱 정확한 데이터를 제공하는지 살펴볼 것이다.

현재의 IAQ 모니터링 수행 방식 

오늘날 상용 건물의 전문 기술자는 보통 한 가지 또는 두 가지 종류의 공기질 데이터를 이용해 환기와 공기 정화 시스템의 동작을 제어한다. 가장 많이 사용되는 방법은 한 종류의 기체로 주로 이산화탄소(CO₂)에 대한 절대 측정을 수행한다. 이와 함께 공기질에 대한 거주자의 주관적 판단을 이용할 수 있다.

사람은 숨을 내쉴 때 CO₂를 배출하므로 사람이 거주하는 실내 공간은 시간이 지남에 따라 CO₂ 농도가 증가하는 것이 일반적이며, 공간에 사람이 많을수록 적절히 환기되지 않을 경우 CO₂ 농도는 증가한다.

실내 공기 중 CO₂ 농도가 너무 높으면 졸음, 집중력감소, 의사결정 능력 손상 등의 증상이 생기고 '답답함'을 느끼게 된다. 따라서 오늘날 CO₂ 센서를 탑재한 상용 건물 관리 시스템은 측정된 CO₂ 수준에 따라 정화 또는 환기 장치의 동작을 조절한다. 이러한 시스템의 목표는 실내 공기를 상쾌하고 쾌적하게 유지하는 동시에 인공적으로 가열되거나 냉각된 공기의 손실은 비용과 에너지 손실을 의미하므로 열 교환율을 최소화하는 데 있다.

실제로 CO₂ 농도는 특정 공간에 대한 사람의 점유밀도를 알아볼 수 있는 합리적 근사값(Poxy Masure)을 제공한다. 과학적이고 객관적인 용어를 빌리면 사람은 '생물학적 방출'을 통해 CO₂뿐 아니라 VOC를 생산하기 때문에 대부분의 건물 운영자는 CO₂ 농도를 조절하도록 구성된 공기 조절 장치가 실내 공기에 존재하는 많은 종류의 VOC 농도도 적절히 조절할 수 있을 것으로 가정한다.

실제적인 고려는 이러한 가정을 뒷받침한다. CO₂ 센서 부품의 패키징과 가격, 전력 소모 특성은 지난 수년간 충분히 강화되어 지금까지 거의 예외 없이 주류 건물 자동화 장치의 회로 보드에 탑재되고 있다.

이에 반해 VOC 농도 측정 방식은 최근까지 훨씬 더 제한적으로 사용되었다. 공기 중에 부유하는 VOC를 측정하고 분석하는 데에는 다양한 방법이 있는데, 광이온화, 불꽃 이온화, 비색튜브(Colorimetric Tube), 파장 흡수법은 휴대용으로 사용하기에도 그리 부담스럽지 않다. 실험실에서는 가스 크로마토그래프 질량 분석기(GC-MS)가 많이 이용된다.

유감스럽게도 이들 방법은 초소형 로컬 방식의 저전력 공기질 감지 장치에 사용하기에는 크기가 너무 크거나 너무 많은 전력을 사용한다.

최근에는 밀리와트에 불과한 전력을 소모하면서 표면 실장 IC 방식 패키지로 제공되는 차세대 금속산화물(MOX) VOC 센서들이 선보이고 있는데, 이는 IAQ모니터링 분야에 새로운 기대를 안겨주고 있다. 이들 저가의 초소형 저전력 VOC 감지 디바이스는 조명장치, 온도조절기, 팬 및 팬용 리모컨과 같은 일상의 사물들과 심지어 휴대전화기에도 쉽게 통합할 수 있다. 분산형 로컬 VOC 감지를 제공할 수 있는 가능성은 이제 현실이 된 것이다.

▲ 그림 1. 실내에서 주로 발견되는 VOC 종류와 오염원

오염원

방출원

실내공기 오염 물질

건축자재

접착제, 카페트, 시멘트, 바닥재, 용매

포름알데히드, 알칸, 알코올, 알데히드, 케톤

연소

엔진, 가전제품, 연기

탄화수소

세척제

가정용 세척제

아세톤, 알코올, 유기용제

가구

목재, PVC, 접착제

포름알데히드, 톨루엔, 크실렌, 데칸

사람

호흡

아세톤, 에탄올, 이소프렌

방귀

메탄, 수소

화장품

리모넨, 유칼립톨, 알코올

사무기기

프린터, 복사기, PC

오존, 벤젠, 스티렌, 페놀

 

이러한 VOC는 공기 조절 장치 사용자가 CO₂ 데이터에만 의존하는 방식에 대해 다시 한 번 생각하는 계기를 제공한다. 실제로 VOC 농도는 다음과 같은 두 가지 주요 이유로 CO₂ 농도에 정확히 비례해 상승하거나 하락하지 않는다.

- 첫째, 모든 VOC가 인체에서만 배출되는 것은 아니다(그림 1 참조).
- 둘째, 인체에서 배출되는 CO₂ 비율은 운동할 때를 제외하면 연속적이고 꽤 일정하지만, 인체에서 배출되는 VOC는 식사 후 일정 시간 동안 상승하는 등 변동적이다.

미국 국립 표준기술원(NIST)의 BFRL(Building and Fire Research Laboratory)에서 발표한 보고서에는 '많은 오염원은 건축자재로부터 방출되는 물질이나 외부에서 실내로 유입되는 오염물질과 같이, 점유에 비례하는 함수가 아니다. CO₂ 농도는 거주자와는 별개의 오염원에 의해 배출되는 오염물질의 농도에 어떠한 정보도 제공하지 않는다(A K Persily, 1996)'고 기술하고 있다.

일례로 새 가구와 카펫, 벽에 붙인 조명장치와 접착제를 붙인 마루로 새로 수리한 방 안에 한 사람이 있는 경우 CO₂ 센서는 실내 공기에서 낮은 수준의 CO₂를 검출한다. 이때 방 안의 공기 조절 장치가 그와 같은 환경에서 최소의 환기를 제공하도록 구성되어 있다면 방 안의 유일한 거주자는 VOC가 매우 높게 존재하는 공기를 들이마셔야 한다.

실내 공기에서 VOC 농도가 상승하면 가장 분명하게 드러나는 영향은 실내에 있는 사람이 불편함을 느끼게 된다는 점이다. CO₂는 냄새가 없지만 VOC는 냄새가 나는 것이 대표적인 특징이며, 많은 양이 존재할 경우 대부분 불쾌함을 느끼게 된다.

그러나 공기 중의 VOC가 인체에 미치는 영향은 불쾌함에 그치지 않는다. 미국 환경보호국(EPA) 웹사이트에는 실내 공기의 VOC에 노출되는 경우 나타날 '가능성'이 있는 단기적, 장기적, 신체적 영향에 대한 목록이 게재되어 있다. EPA 목록에는 다음과 같은 영향이 포함되어 있다.

- 눈, 코, 목의 자극
- 두통, 협응성 장애, 메스꺼움
- 간, 신장, 중앙 신경계 손상
- 일부 유기물질은 동물에게서 암을 유발하고, 일부는 사람에게 암을 발생시키는 것으로 의심되거나 알려져 있다.
(출처: www.epa.gov/indoor-air-quality-iaq)

위와 같은 예로 인해 OEM은 IAQ 모니터링 장치에 표면 실장 MOX VOC 센서의 사용을 검토하고 있다. MOX 가스 센서의 동작 원리는 〈그림 2〉와 같다.


▲ 그림 2. 칩 타입 MOX 가스 센서의 동작 

MOX VOC 디바이스는 광범위한 종류의 VOC를 탁월하게 감지하며, VOC 농도의 변화에 반응해 상대적인 출력을 제공한다. 온보드 프로세서를 탑재할 경우 센서는 VOC 범위에 대응하는 상대값을 계산할 수 있다. 이러한 디바이스는 상대 출력 디바이스로 동작하므로 교정을 필요로 하지 않는다. 

이와 별도로, 다른 종류의 절대 출력 가스 센서를 사용할 수 있다. 이러한 센서는 특정 가스의 과도한 농도가 생명 또는 건강을 직접적으로 위험하게 할 수 있는 환경에서 안전에 핵심적인 애플리케이션에 이상적이며 필수적이다. 이와 같은 절대 출력 디바이스는 보통 다음과 같은 특징을 갖는다. 

- 비교적 고가
- 한 종류의 가스만 감지
- 정확한 출력 데이터를 제공하기 위해 정기적인 교정 필요

이러한 특성은 IAQ 모니터링 애플리케이션에 전혀 바람직하지 않다. 이처럼 중요하지만 제한된 절대 측정 자원을 보완해 줄 수 있는 디바이스가 바로 VOC 센서다.

VOC 센서는 광범위한 종류의 VOC를 감지할 수 있으며, 따라서 다양한 종류의 VOC에서 하나 이상의 화합물에 의해 발생하고 건물 내부에 있는 사람들에게 영향을 미치는 실내 공기질의 변화를 감지할 수 있다.

IAQ 모니터링의 경우 ams의 CCS811(2.7×4×1.1mm, LGA 패키지) 또는 iAQ-CORE (15×18 mm 풋프린트로 제공되는 통합형 센서 모듈) 같은 광범위한 종류에 유효한 센서는 안전에 결정적인 애플리케이션을 위해 특정 가스에 대한 구체적인 절대값 ppm을 제공하지는 않지만, 대신 〈그림 1〉에 나와 있는 모든 환경을 포함해 다양한 환경에서 다양한 종류의 VOC에 대한 농도의 상대적 변화를 나타낼 수 있다.
IAQ 모니터링 애플리케이션에서 MOX VOC 센서는 절대 출력 CO₂ 센서와 함께 사용할 수 있으며, 이렇게 하면 항상 CO₂ 농도에 대한 알려진 기준선을 제공할 수 있다. VOC 센서는 통상 CO₂ 농도 증가의 일차적원인으로 간주되는 사람의 점유와 직접적인 상관관계를 갖거나 갖지 않을 수 있는 VOC 발생과 관련한 추가적인 정보를 수집함으로써 절대 O₂ 측정을 보완한다(그림 3 참조).


▲ 그림 3. 수 시간 동안 여러 명의 사람들이 이용하는 회의실에서 동시에 동작하는 VOC 센서와 CO₂ 센서로부터 수행된 측정 비교

〈그림 3〉에서 VOC 센서가 공기질의 저하를 나타내는 동안 CO₂ 센서는 전혀 특별한 반응을 보이지 않았다는 것을 알 수 있다. 공기질의 저하는 회의 휴식 중화학성분의 세척제 사용이나 복사기 또는 프린터와 같은 장비에서 나오는 물질로 인한 것일 수 있다. 이 경우 CO₂ 센서에 의해서는 표시되지 않았지만 VOC 센서의 출력에 반응해 환기 수준을 증가시켰다면 이러한 VOC 발생 동안 회의실에 있는 사람들에게 향상된 공기질을 제공할 수 있었을 것이다.

공기 조절 시스템을 위한 측정 데이터의 포맷 다음으로, CCS811 또는 iAQ-Core와 같은 VOC 센서는 시간에 따른 공기 중 VOC 농도의 변화를 탁월하게 감지할 수 있다. 하지만 공기 정화 또는 공기 조절장치의 동작을 관리하기 위해 이러한 정보를 어떻게 사용해야 할까?
오늘날 공기 관리 시스템은 일반적으로 CO₂ 농도에 대한 측정된 절대값에 대해 반응하도록 구성된다.

이러한 이유로 iAQ-Core 및 CCS811은 상대 eCO₂(등가 CO₂) 값과 상대 TVOC(Total Volatile Organic Compound) 값을 계산하는 알고리즘을 실행하는 프로세서를 포함한다. 이에 따라 공기질 관리 시스템 설계자는 센서의 입력을 적절한 명령으로 변환할 수 있는데, 예를 들어 환기 장치의 팬 속도를 높이거나 환기구를 더 넓게 개방하도록 지시하거나, 반대로 VOC 농도가 떨어진 경우 필터링과 공기 교환 속도를 늦춤으로써 에너지를 저감할 수 있다.

테스트는 반복적인 시행을 통해 eCO₂에 대한 계산된 상대 값이 적절한 기준선을 갖고 인체에서 배출되는 VOC가 주요 측정 요소일 때 절대 CO₂ 센서에 의해 측정된 실제 CO₂ 농도의 변화와 밀접하게 일치한다는 것을 보여준다(그림 4 참조).


그림 4. 7일 간 ams MOX 가스 센서에서 계산하고 스케일링해서 얻은 eCO₂ 값과 절대 CO₂ 센서에서 측정한 실제 값의 비교

IAQ 모니터링 통합을 위한 새로운 기회

현재 칩 타입 VOC 센서는 크기, 비용, 전력 소모 면에서 공기 조절 시스템에 의해 관리되는 영역에서 분산형 감지 자원으로 활용되는 수준까지 발전했으므로 향후 공기질 관리 시스템에 통합되는 것은 단지 시간문제다. 뿐만 아니라 이들 센서는 우리의 일상적인 환경을 더 건강하고 더 쾌적하게 만들 것이 틀림없다.

지금까지 공기질 감지 기능이 없었던 최종 제품에 소형의 표면실장 VOC 센서를 통합한다면 새로운 가치를 제공할 수 있다. 예를 들어 가스레인지 후드에 다양한 종류에 효과적인 VOC 센서를 통합하면 조리되지 않은 음식 재료와 조리된 음식의 냄새, 연기, 주방세제 등에서 발생하는 공기에서 VOC 농도 변화를 센서가 감지함에 따라 자동으로 공기 흐름을 관리할 수 있다. 이에따라 요리사는 수동으로 환기장치를 작동할 필요가 없어진다.

이 밖에 VOC 센서는 대중교통, 개인 차량은 물론 병원, 사무실, 상점과 같은 공공건물을 포함해 거의 모든 실내 공간에 매우 유용하게 활용될 수 있다. VOC 센서는 다른 전자 부품과 함께 PCB에 장착할 수 있을 정도로 충분히 작기 때문에 공기 관리 시스템에 인터페이싱하기 위해 거의 모든 종류의 커넥티드 디바이스에 손쉽게 통합할 수 있다.

요약 

언론에 보도된 충격적인 배기가스 조작 사건은 대기환경 문제에 대한 대중의 경각심을 불러일으켰다. 폭스바겐이 배기가스 검사 조작을 통해 인체에 유해한 자동차 배출가스를 다량으로 배출한 사실은 많은 이들의 공분을 샀지만, 다른 한편으로 이 사건은 실내외의 공기질에 대해 대중의 관심을 높이는 계기가 되기도 했다.

사람이 하루에 들이마시는 공기 양은 평균 15 kg 정도이며, 이 중 80%가 실내에서 소비된다. 실외 공기질은 공공기관에 의해 정기적으로 모니터링되지만, 실내 공기질은 모니터링을 한다면 건물 운영자나 입주자가 하게 된다. 이러한 요구에 부응해 작고 저렴한 디바이스로 분산형 로컬 IAQ 모니터링 기능을 제공하고, 건물 내 공기 조절 및 공기 정화 장치에 보다 우수한 반응의 동작을 구현하는 차세대 소형, 표면 실장형, 저전력 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compound: VOC) 가스 센서가 새롭게 출시됐다.

지금까지 이 글에서는 새로 선보인 VOC 센서의 동작을 설명하고, 새로운 센서와 절대 출력 단일 가스 센센서의 차이점을 알아보았다. 또한 새로운 센서가 공기관리 장치에서 더 쾌적하고 더 건강한 실내 공기를 제공할 수 있도록 새로운 센서가 어떻게 더욱 정확한 데이터를 제공하는지 살펴보았다.  

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