[기고] 커넥티드 센서를 활용하여 코로나 바이러스 확산을 억제하는 실내 공기질 모니터링 센서
  • 2021-06-08
  • 글 / 카타리나 다우징어(Katharina Dausinger), 인피니언 테크놀로지스


CO2 측정기는 코로나 19 바이러스와의 싸움에서 쉽게 배치할 수 있는 중요한 무기이다. 장기적으로 잘 설계된 솔루션을 달성하기 위해서는 포괄적인 접근이 필요하다. 인피니언의 새로운 PAS CO2 센서가 바로 그러한 솔루션으로, IoT 커넥티비티를 사용해서 클라우드를 통한 효율적인 제어를 가능하게 할 것이다.



CO2 측정기를 찾는 수요가 빠르게 증가하고 있으며, 밀폐된 공간에 많은 사람들이 모이는 장소에서 특히 더 그렇다. CO2 측정기를 사용해서 공기 중에 CO2 농도가 증가하는 것을 조기에 경고할 수 있으며, 이를 통해서 공기 중의 에어로졸 농도가 증가하는 것도 알려줄 수 있다. 코로나 바이러스 팬데믹 상황에서 어느 때보다 실내 공기질에 대한 관심이 높아지고 있다. 팬데믹 전에도 우리는 집, 학교, 직장에서 90퍼센트 이상의 시간을 실내에서 보내왔다.

바이러스 확산을 억제하기 위한 록다운이 실시되면서 사람들이 실내에서 머무는 시간은 더 늘어나게 되었다. 이산화탄소(CO2) 측정기는 건물 안에서 감염 위험성을 모니터링하기 위한 손쉬운 방법으로 잘 알려져 있다. 이 측정기는 정해진 CO2 농도가 초과되면 알람 신호를 내보낸다. 공기 중의 CO2 농도는 에어로졸 농도와 연관성을 가지며, 에어로졸 입자는 코로나 19 바이러스(SARS-CoV-2)를 전파시킬 수 있다.

그러므로 이러한 경고 시스템은 코로나 바이러스와의 싸움에서 빠르고 효율적으로 사용할 수 있는 유용한 수단이다. 커넥티드 센서 시스템은 여기서 한 발 더 나아가서, 실내 공기질이 특정한 임계를 넘었을 때 경고가 트리거 될 뿐만 아니라 수집된 정보를 클라우드에 저장해서 추가적인 평가와 분석을 할 수 있다. 이 기술을 사용해서 학교나 쇼핑몰이나 헬스장 같은 공공 건물의 공기질을 최적화하고 사용자들의 건강을 지키고 생산성을 높일 수 있다. 또한 추가적인 이점으로서, 필요에 따른 환기 조절로 에너지를 효율적으로 절약할 수 있어 에너지 사용에도 유리하다.

CO2 측정과 코로나 19 바이러스

사람은 호흡을 하면서 에어로졸을 방출하며, 여기에는 코로나 바이러스가 들어 있는 에어로졸을 방출될 수 있음이 밝혀졌다. 코로나 19 바이러스의 에어로졸 전파에 관한 연구 논문[1]에 따르면, 실내 공간에서 환기를 적절히 하지 않으면 에어로졸 입자를 통해서 코로나 바이러스 비말이 전파될 가능성이 크게 높아진다고 한다. 이와 관련해서 CO2 농도를 측정하는 것이 좋은 지표가 될 수 있다. 이 측정은 에어로졸 농도와 연관성이 있기 때문이다(그림 1).



대기 중의 에어로졸 농도를 직접 측정할 수도 있다. 하지만 이 농도를 측정하기 위한 장비는 여전히 매우 복잡하고 가격이 비싸다. 따라서 CO2 농도의 측정은 코로나 바이러스와 싸움에서 감염 위험을 낮출 수 있는 유용한 지표로 사용될 수 있다. 특히 교실, 사무실, 회의장 같이 실내 공간에 여러 사람이 모이는 장소에서 CO2 “교통 신호등” 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다.

이 시스템은 사람들에게 CO2 농도와 에어로졸 농도가 정해진 기준을 초과하는 것을 알려줌으로써 바이러스 확산을 억제하는데 기여할 수 있다. 이 신호등 색깔이 노란색이 되거나 혹은 빨간색이 된다면 창문을 여는 것과 같은 환기 조치가 필요하다. 이보다 좀더 발전된 솔루션은 CO2 센서를 기반으로 스마트 환기 시스템을 가동하는 것이다. 센서 측정을 사용해서 지정된 기준을 초과하지 않도록 하기 위해서 환기를 언제 얼마만큼 실시해야 할지 판단할 수 있기 때문이다.

이것은 특히 기온이 내려가는 계절에 중요해진다. 기온이 내려가면 장시간 창문을 열어놓을 수 없기 때문이다. 커넥티드 솔루션의 또 다른 장점은, 환기 시스템이 실제 필요한 만큼만 신선한 공기를 공급하면 되므로 에너지를 절약할 수 있다는 것이다. 그러므로 첨단 빌딩 시스템 기술과 결합해서 CO2 센서가 에너지 효율을 높이도록 기여할 수 있다.

크기가 작고 정확한 CO2 센서

지금까지 빌딩 자동화에는 NDIR(비분산 적외선) 센서가 널리 사용되어 왔다. NDIR 센서는 IR 광원, 샘플 체임버, 스펙트럼 필터, 레퍼런스와 흡수 IR 검출기로 이루어진다. 광학 방식의 디자인이 복잡해서 크기가 크고 비싸다. CO2 측정이 정확하지만 크기가 너무 커서 IoT 디바이스나 스마트홈 디바이스처럼 소형 디바이스에 적용하기가 쉽지 않다. 이에 대한 대안은 eCO2 센서를 사용하는 것이나, 이 센서는 NDIR 센서와 달리 직접 측정 방식이 아니다.



이 센서는 알고리즘을 사용해서 등가 CO2 값을 예측한다. 그러므로 이 센서는 근사값만 제공한다. 그렇다면 어떻게 비용 효율적이고 정확한 CO2 측정기를 누구나 사용 가능하게 할 수 있을까? 인피니언은 전혀 새로운기술을 적용한 신뢰할 수 있는 센서를 개발했다. MEMS 마이크로폰 기술에 있어서 축적된 전문성을 바탕으로 광음향 분광법(PAS) 원리에 기반한 CO2 센서를 개발한 것이다. PAS 기법(그림 2)은 1880년에 알렉산더 그레이엄 벨이 발견한 광음향 효과를 활용한 것이다.

기본적인 원리는, 특정 기체 분자는 특정한 파장의 빛을 흡수하고 그에 따라 발생하는 진동을 활용한 것이다. 이산화탄소의 경우에 파장은 4.2μm이다. 적외선 광원이 빠른 광 펄스들을 만들게 되며 파장이 4.2μm인 빛만이 특수하게 설계된 광 필터를 통과해서 측정 체임버에 도달한다. 이 체임버 안에서 CO2 분자가 에너지를 흡수하고 빠르게 뜨거워졌다가 식음으로써 열 팽창과 수축이 일어난다.

이것이 진동파를 발생시키고, 이것을 매우 민감한 음향 검출기(마이크로폰)를 사용해서 검출한다. 이 체임버로 CO2 농도가 높을수록 높은 신호를 측정하게 되며, 마이크로컨트롤러가 마이크로폰 출력을 ppm(parts per million) 단위로 실시간 CO2 농도로 변환한다. 이와 같은 혁신적인 원리를 적용함으로써 CO2 센서를 소형화하면서도(그림 3) 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 할수 있게 된다. 따라서 소형 IoT 디바이스나 코로나 19 바이러스 측정 장소에서도 정확한 CO2 측정을 달성할 수 있다.



커넥티드 센서 시스템

CO2 측정기와 IoT 디바이스에 폼팩터가 소형화된 새로운 CO2 센서를 통합하여 감염 위험을 효과적으로 최소화할 수 있다. 하지만 장기적 솔루션을 위해서는 여기서 한 발 더 나아가는 것이 필요하다. 센서를 연결하여 수집된 데이터를 클라우드로 전송하고 대쉬보드 형식으로 알아보기 쉽게 표시해야 하는 것이다. 이 정보를 분석하고 적절한 조치를 취할 수 있다. 커넥티드 센서란 정확히 무엇을 말하는가?



그림 4에서는 XENSIV™ PAS CO2 센서가 어떻게 실시간으로 CO2 농도를 측정하는지 보여준다. 그런 다음 이 센서 데이터 리딩을 마이크로컨트롤러(이 예의 경우에 PSoC 6)가 처리하고 분석한다. PSoC 6의 특징은 2개 코어로 실행되므로 2개 파티션 사이에 컴퓨팅 작업을 분할할 수 있다는 것이다. Cortex-M4 코어는 센서 값을 읽는 부분을 처리하고, Cortex-M0+ 코어는 애플리케이션 코어와 WLAN 네트워크/라우터 사이에 통신을 처리한다.

이 네트워크 코어는 IEEE 802.11x 표준에 따라 보안적인 링크를 통해서 저전력 WLAN 컨트롤러와 통신한다. 커넥티드 센서 구성은 클라우드를 통해서 다중의 센서룰 제어할 수 있다. 가장 큰 이점은, 설치된 다수 센서의 상태를 중앙에서 모니터링하고 전체 센서 네트워크에 걸쳐서 공기질을 효율적으로 제어할 수 있다는 것이다. 헬스장은 커넥티드 IoT 센서 시스템을 사용해서 효율을 높일 수 있는 공간의 좋은 예이다.

피크 시간대에 헬스장에 사람이 몰릴 때 CO2 농도가 빠르게 상승할 수 있다. 특정 구역의 CO2 농도가 기준을 초과하면 트레이너에게 스마트폰이나 랩탑으로 경고를 보내 적절히 조치를 취하도록 할 수 있다. 이와 같은 접근법은 공간이 넓을수록 유용하다. 중앙의 대쉬보드로 알기 쉽게 경고를 표시할 수 있기 때문이다. 광범위한 센서 네트워크에 걸쳐서 센서를 연결하고 이 네트워크를 다른 체인점으로 확장할 수도 있다.

그러면 피트니스 체인 소유주가 헬스장 체인점의 필요에 따라 환기 시스템을 가동함으로써 공기질을 효율적으로 최적화할 수 있다. 한편으로 고객들은 사전에 온라인으로 자신이 원하는 헬스장 체인점의 공기질을 확인할 수 있다. 이 활용 사례는 사무실, 대학, 호텔, 학교 같은 다른 건물에도 손쉽게 적용할 수 있다.

공기질 향상

오늘날 사람들은 더 건강하게 먹고 더 많이 운동하기 위해서 애쓰고 있다. 하지만 우리가 호흡하는 공기질에 대해서도 신경을 써야 한다. 이것은 지금과 같은 팬데믹 상황에서만 그런 것이 아니다. 우리는 대부분의 삶을 실내 공간에서 지내고, 실내에서는 공기 질이 실외보다 2배에서 5배까지 더 나쁠 수 있기 때문이다. 이산화탄소 농도가 2.5vol%가 되면 사람에게 유독할 수 있으며, 농도가 0.1vol%(1000ppm)만 되더라도 업무 생산성, 주의력, 몸 상태를 나쁘게 한다.

실내 공간에 여러 사람이 모여 있고 환기가 제대로 되지 않으면 단 몇 분만에 이산화탄소 농도가 5000ppm 혹은 그 이상에 이를 수 있다. 실내 공기질이 양호하다고 말할 수 있으려면 CO2 농도가 1000ppm을 넘지 않아야 한다. 그런데 문제는, 첨단 빌딩이 에너지 효율요건을 충족하도록 설계됨으로써 종종 1000ppm의 기준을 달성하기가 어렵다는 것이다.

따라서 CO2 농도를 신뢰하게 측정하고 최적의 효율적인 방식으로 신선한 공기를 공급할 수 있는 정확하고 경제적이고 설치가 쉬운 센서가 요구된다. 새로운 세대의 센서는 필요에 따라서 환기를 조절할 수 있으므로 에너지를 절약하면서 스마트 빌딩 요건을 충족하는 시스템을 달성할 수 있다.

설계 지원과 전망

고객들의 평가작업을 위해서 XENSIV™ PAS CO2 센서 평가 보드를 제공한다. 이 센서의 출시 일정은 2021년 중반으로 예정되어 있다. 평가 보드(평가 키트, 아두이노 Shield2Go, 에이다푸르트 윙보드/페더보드)와 함께 소프트웨어 라이브러리와 애플리케이션 노트를 함께 제공한다. 신뢰할 수 있으며 장기적인 CO2 모니터링을 위해서는 포괄적인 접근이 필요하다. 인피니언의 새로운 PAS CO2 센서가 바로 그러한 솔루션으로, IoT 커넥티비티를 사용해서 클라우드를 통한 효율적인 제어를 가능하게 할 것이다.
 

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