초전형적외선센서를 이용한 화재감지 솔루션

최근 상업용 건물 화재와 전기차 화재로 개인의 안전과 재산 보호를 위한 화재 감지 기술의 중요성이 증가하고 있다. 기존의 연기 감지 기반 화재 경보 시스템은 반응 속도가 느리고 제품의 신뢰성 문제로 화재발생 시 큰 인명피해까지 발생할 가능성이 있다. 최근 각광받고 있는 초전형적외선센서를 이용한 새로운 화재 감지 시스템을 설계하고, 기존 기술보다 발전된 화재감지 기술동향과 최신기술을 살펴보고자 한다.

글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실
주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
강철민 (고려대학교 전기전자공학부 석사 과정)



목 차
1. 서론
    1-1. 연구의 배경 및 목적
    1-2. 화재감지 기술동향 및 분류

2. 초전형적외선(Pyroelectric IR)센서의 이론적 배경
    2-1. 초전효과(Pyroelectric Effect)
    2-2. 초전형적외선(Pyroelectric IR)센서
    2-3. PZT (Lead Zirconate Titanate) 소재
    2-4. 스펙트럼물질분석 (Spectral Fingerprinting)
    2-5. 전압모드센싱(Voltage Mode Sensing)와 전류모드센싱(Current Mode Sensing) 비교

3. 화재감지기 오탐지
    3-1. 화재감지기 오탐지 문제
    3-2. 화재감지기 오탐지로 인한 해결방안
    3-3. 화재감지기 오탐지에 따른 IR3 적용 방안

4. 결론 
5.  참고문헌



1. 서론

1-1. 연구의 배경 및 목적  
 
소방청 통계에 따르면 2023년 38,857건의 화재가 발생하였으며 총 2,477명(사망284, 부상2,204명)의 사상자가 발생, 9529억의 재산상 피해가 발생하였으며, 매년 화재로 인한 인명과 재산상의 피해는 줄지 않고 있다.


표 1. 연도별 화재발생현황(2019~2023)^[1] 



표 1에서 최근 5년간 화재발생에 따른 인명 및 재산상의 피해 상황을 볼 수 있다. 

2024년 8월 발생한 인천 청라 지하주차장 전기차화재 사고는 100억대가 넘는 차량 피해액이 발생하였고 7명의 인명을 앗아간 부천의 호텔화재 사고는 빠른 화재 감지와 대처가 얼마만큼 중요한지 보여주는 사례이다. 이러한 이유로 전기차보급과 공동주택에서 발생하는 화재가 큰 사고로 이어지는 부분에 대해 화재감지기의 역할이 더욱 더 중요하게 되었다. 

화재감지기 중에서 초전효과(Pyroelectric effect)를 이용해 비교적 먼 거리에서도 빠르고 정확하게 화재의 인식이 가능한 초전형적외선센서(焦電形赤外線, Pyroelectric Infrared Sensor)를 이용하여 화재감지기 설계에 대해 알아보고자 한다. 화재가 발생하면서 화재로 인해 특정 CO2의 적외선 파장대역을 감지하여 빠른 응답시간을 통해 화재의 알림을 줄 수 있고 추가적인 솔루션을 통하여 오탐지 문제를 해결하여 최고의 화재감지기 설계기술을 알아볼 것이다. 

1-2. 화재감지 기술동향 및 분류

화재감지시스템은 화재의 조기 감지와 빠른 대처를 가능하게 하여 인명과 재산 피해를 최소화하는 데 중요한 역할을 한다. 각 감지기는 특정 화재 조건에 더 적합하므로, 설치 환경과 예상되는 화재 유형에 따라 적절한 감지기를 설치하는 것이 중요하여 화재감지기의 종류와 동작방식은 다음과 같다. 

1-2-1. 연기 감지기 (Smoke Detectors)

광전식 감지기(Photoelectric Smoke Detector)는 연기 입자가 광전식 감지기 내부의 빛 경로를 방해하면, 감지기가 이를 감지한다. 이 방식은 느리게 타는 화재에서 발생하는 큰 연기 입자를 효과적으로 감지할 수 있다.

이온화 감지기(Ionization Smoke Detector)는 이온화 감지기는 방사성 물질을 사용하여 공기를 이온화 한다. 연기 입자가 이온화된 공기 흐름을 방해하면, 감지기가 이를 감지한다. 이 방식은 빠르게 타는 화재에서 발생하는 작은 연기 입자를 잘 감지할 수 있다.

1-2-2. 열 감지기 (Heat Detectors)

고정 온도식 감지기(Fixed Temperature Heat Detector)는 주변 온도가 감지기의 설정된 임계값을 초과하면 경보를 발동한다. 일반적으로 58°C 또는 70°C에 설정되어 있다.

차동식 감지기(Rate-of-Rise Heat Detector)는 짧은 시간 내에 급격한 온도 상승을 감지하여 경보를 울린다. 일정한 시간 내에 온도가 빠르게 올라가면 작동하는 방식이다.

1-2-3. 가스 감지기 (Gas Detectors)
연소 가스 감지기는 연소 과정에서 발생하는 CO2와 같은 특정 가스를 감지하여 화재를 알린다. 가스 감지기는 특정 화학 물질을 감지하는 센서를 사용한다.
산소 농도 감지기는 주변 공기의 산소 농도가 급격히 감소하는 경우 경보를 발동하며, 산소 농도 감소는 화재 초기 단계에서 나타날 수 있다.

1-2-4. 복합 감지기 (Multi-sensor Detectors)
연기, 열, 가스 등의 여러 감지 방식을 하나의 장치에 결합한 감지기이며, 이 시스템은 단일 감지기보다 더욱 정확하고 신속한 화재 감지가 가능하다. 

1-2-5. 불꽃 감지기 (Flame Detectors)
자외선(UV) 감지기는 불꽃에서 방출되는 자외선(UV)을 감지하여 작동된다. 자외선 감지기는 불꽃의 초기 단계에서 빠르게 반응한다. 적외선(IR) 감지기는 불꽃에서 방출되는 적외선(IR) 빛을 감지하여 작동된다. 적외선 감지기는 자외선 감지기보다 특정 화재에 대해 더 강한 내구성을 가진다. UV/IR 감지기는 자외선과 적외선 감지를 동시에 사용하여 화재를 더욱 정확하게 감지할 수 있다.

2. 초전형적외선(Pyroelectric IR)센서의 이론적 배경

2-1. 초전효과(Pyroelectric Effect)

초전(焦電, Pyroelectric)은 열을 뜻하는 Pyro와 전기를 뜻하는 Electricity가 합쳐진 단어로 열을 받게 되면 전기적으로 변화가 된다는 의미이다. 열은 온도를 의미하며 열의 변화는 것은 온도의 변화를 뜻하는 것이며, 초전사이에 (+), (-)를 붙여 놓고 외부에서 온도를 변화시키면 초전체내부의 극성이 변하게 되고, 그에 따라 전극의 고정 전하량이 변하게 되어 결국 전류의 크기가 변하게 된다. 그림 1을 통해 초전효과의 동작원리를 이해할 수 있다.^[2] 
 


초전효과(Pyro-electric Effect)란, 특정 물질이 온도 변화를 겪을 때 그 물질의 분극이 변하고, 이로 인해 전압이 발생하는 현상을 말하며, 피로전기 센서의 주요 구성 요소인 초전소자는 주로 PZT (지르콘산티탄산연)계와 LiTaO₃ (탄탈산리튬)계가 사용된다. 초전소자는 자발 분극하고 있어 항상 표면에 전하가 대전되어 있지만, 열적으로 평행 상태일 때 공기 중 이온과 중화되어 출력이 나타나지 않는다. 여기서 적외선이 들어가면, 소자의 표면에 온도 상승이 발생하고 소자의 평행상태가 무너지면서 초전효과가 나타나며, 이상태의 전압변화를 이용하여 센서가 동작을 하게 된다.

2-2. 초전형적외선(Pyroelectric IR) 센서

2-2-1. 초전형적외선(Pyroelectric IR) 센서 동작원리 

Pyroelectric IR센서는 다음과 같은 동작원리와 순서로 작동된다.
적외선감지: 적외선(IR)이 Sensor에 도달하면, 이는 pyroelectric 물질의 온도 변화를 유발한다.
전하생성: 이 온도 변화는 pyroelectric 효과에 의해 표면 전하를 생성하게 되며, 이것이 결국 검출기의 출력 신호를 형성한다.
신호처리: 이렇게 생성된 전하는 증폭 및 처리 과정을 거쳐 최종적으로 적외선(IR) 감지 정보로 변환된다.

2-2-2. 초전형적외선(Pyroelectric IR) 센서 구조
Pyroelectric IR센서의 Cavity, Membrane, Si, PZT, Thin Film PZT 등으로 구성되어 있으며 IR Radiation 통하여 서로 상호작용하여 정밀하고 민감한 MEMS 기반 센서를 동작 시킨다. Cavity와 Membrane의 조합은 센서의 민감도를 향상시키며, Thin Film PZT는 이를 전기 신호로 변환하는 중요한 역할을 하며 이러한 구조는 고감도의 IR 센서 및 압전 소자에서 핵심적인 역할을 하고 있다. 

2-3. PZT (Lead Zirconate Titanate) 소재

PZT는 납 지르콘산 티탄산염(Lead Zirconate Titanate) 의 약자로, 화학식은 Pb(Zr,Ti)O₃이다. PZT는 강유전성(Ferroelectric), 압전성(Piezoelectric), 및 유전성(Dielectric) 특성을 가지는 세라믹 재료로, 다양한 전자 및 센서 응용 분야에서 널리 사용된다. 압전 효과가 뛰어나 압력, 진동, 힘 등의 기계적 변화를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 특히, PZT의 박막(Thin Film) 형태는 마이크로일렉트로닉스 및 MEMS(미세 전자 기계 시스템) 기술에서 중요한 역할을 한다.

PZT는 압전특성, 유전특성, 피로전 특성을 가지고 있다. 압전특성은 외부 전기장에 의해 기계적 변형이 발생하거나, 기계적 변형에 의해 전기장이 유도되는 특성을 가지며, 이로 인해 센서, 액추에이터, 에너지하베스팅 장치 등에 사용된다. 유전특성은 높은 유전율을 가지며, 다양한 전자기기에서 커패시터 재료로 사용된다. 피로전특성은 온도 변화에 따라 전기 신호를 발생시키는 특성을 가지고 있어, 적외선 센서 등에 사용된다.

2-4. 스펙트럼물질분석 (Spectral Fingerprinting)^[4]

불꽃 감지 센서에서 스펙트럼물질분석(Spectral Fingerprinting)기술은 특정 파장의 빛을 분석하여 불꽃의 존재를 감지하는 데 사용되며, 불꽃은 특정 파장에서 고유한 스펙트럼을 방출하는데, 이 스펙트럼을 분석하여 불꽃을 다른 빛이나 발광 현상과 구분하는 것이 Spectral Fingerprinting의 핵심기술이다. 이산화탄소(CO₂)에서 Spectral Fingerprinting는 주로 4.2~4.4 마이크로미터(μm) 대역의 적외선(IR) 파장에서 강한 흡수 특성을 보인다.

이 대역은 이산화탄소 분자가 고유하게 흡수하거나 방출하는 파장이기 때문에, 불꽃 감지 센서에서는 이 파장 대역을 활용하여 CO₂를 감지하거나 불꽃을 확인할 수 있다. 이 파장대역은 연소 과정에서 방출하는 주요 스펙트럼으로 중요한 지표로 사용되며, 불꽃 감지 센서는 이러한 특성을 활용해 배경 잡음이나 비슷한 파장대의 신호를 구별하여 불꽃을 정확히 감지한다.

 


그림 2는 화재발생 시 검출되는 CO₂의 파장대역에서 그림으로 표시하였다.  

스펙트럼물질분석(Spectral Fingerprinting)은 물질, 데이터, 또는 신호의 고유한 특성을 분석하여 특정 패턴을 식별하고 분류하는 방법으로 주로 화학 분석, 데이터 분석, 생물학 등 다양한 분야에서 사용한다. 이 과정은 대개 물질이나 신호가 다양한 파장 또는 주파수 대역에서 나타내는 특성을 기반으로 이루어진다. 스펙트럼(Spectrum)은 특정 물질이나 신호가 여러 파장이나 주파수에서 반응하는 정도를 나타내는 그래프이며 이 그래프는 해당 물질의 "지문(fingerprint)"처럼 고유한 패턴을 가지며, 이를 통해 물질을 식별하거나 특성을 분석할 수 있다.

Spectral Fingerprinting가 사용되는 원리는 다음과 같다 

불꽃의 스펙트럼 분석: 불꽃은 특정한 파장에서 빛을 방출한다. 예를 들어, 탄화수소 연료가 타는 동안 방출되는 빛은 자외선(UV), 가시광선, 그리고 적외선(IR) 영역에서 특정한 스펙트럼 패턴을 나타낸다. 
고유한 스펙트럼 패턴: Spectral Fingerprinting은 불꽃의 고유한 스펙트럼 패턴을 "지문"처럼 인식한다. 이는 특정 물질이 연소할 때 생성되는 파장의 조합과 강도에 기반한다.
신호 분석: 센서는 다양한 파장대의 빛을 감지할 수 있는 필터와 광센서를 통해 특정 스펙트럼을 감지한다. 이를 통해 배경 노이즈나 다른 광원에서 발생한 빛과 불꽃을 구별한다.
데이터 비교 및 판별: 감지된 스펙트럼 데이터는 미리 정의된 불꽃의 스펙트럼 지문과 비교되며, 일치하는 경우 불꽃이 존재한다고 판단하여 신호를 보낸다.

2-5. 전압모드센싱(Voltage Mode Sensing)와 전류모드센싱(Current Mode Sensing) 비교

Pyroelectric IR 센서방식에는 전압모드센싱 방식과 전류모드센싱 방식의 제품이 있다. 각각의 장단점에 대해 비교해보고 응답속도와 정확성이 높은 전류모드센싱이 적용된 센서를 알아보고자 한다. 
 

표 2는 전압모드센싱과 전류모드센싱을 비교한 내용으로 각각의 장단점이 있다. 

2-5-1. 전압모드센싱 (VMS, Voltage Mode Sensing)

전압 모드 센싱은 전압을 측정하고 처리하는 방식이며 입력 신호는 전압으로 전달되고, 회로는 이 전압을 처리하여 원하는 출력 신호를 생성한다. 전압 모드에서는 센서나 소자의 전압 차이를 기반으로 신호를 증폭하거나 변환하여 전압을 기준으로 동작하는 센서나 소자에 적합하다. 전압 모드 센싱 회로는 보통 전압 분배기, 연산 증폭기(Op-Amp) 등을 사용하여 입력 전압 신호를 처리하고 입력 전압은 회로에서 저항, 커패시터 등을 통해 분배되며, 증폭기를 통해 필요한 출력 전압을 생성한다. 

2-5-2. 전류모드센싱 (CMS, Current Mode Sensing)

전류 모드 센싱은 전류를 측정하고 처리하는 방식이며 입력 신호는 전류로 전달되며, 회로는 이 전류 신호를 증폭하거나 전압으로 변환한다. 전류 모드에서는 주로 센서나 소자에서 발생하는 전류를 감지하고 이를 전압으로 변환하여 후속 처리하여 전류를 기준으로 동작하는 센서나 소자에 적합하다. 보통 포토다이오드 같은 소자는 전류 모드로 동작하며 전류 모드 센싱 회로는 보통 트랜스임피던스 증폭기(TIA) 또는 전류 미러(Current Mirror)와 같은 회로로 구성된다. 

3. 화재감지기 오탐지

3-1. 화재감지기 오탐지 문제

PIR센서는 특정 파장대역을 검출하는 센서특성 상 오탐지가 있을 수 있다. 주로 화재가 감지되는 파장대역에서 햇빛의 영향이나 사람의 동작이 비슷한 적외선 파형을 일으킬 때 화재로 오탐지 되는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하고자 다양한 추가 솔루션을 알아보고 오탐지 문제에 대한 가장 적합한 솔루션을 추가하고자 한다. 

3-2. 화재감지기 오탐지를 줄일 수 있는 다양한 솔루션

PIR센서는 특정 파장대역을 검출하는 센서특성 상 오탐지가 있을 수 있어 다양한 추가 솔루션을 통해 오탐지 문제에 대한 솔루션을 알아보고자 한다. 두 파장의 IR을 비교하여 신뢰도를 높인 방식으로 IR/IR 방식과 자외선과 적외선을 동시에 감지하여 다양한 환경에서 높은 정확도 제공 IR/UV 방식, 세 파장의 적외선을 정밀하게 분석하여 최고 수준의 감지 신뢰도를 제공하는 IR3 방식이 있다. 이 네 가지 방식은 각각의 감지 환경과 필요에 맞게 선택되어 사용되며, 복잡한 산업 현장이나 실외 환경에서는 주로 IR/UV 또는 IR3 방식이 많이 사용되어 각각의 방식들에 대해 장단점을 조사해보았다. 

3-2-1. IR(적외선) 검출 방식

검출원리는 불꽃이 연소할 때 방출하는 적외선(IR) 신호를 감지하고 대부분의 불꽃은 4.2~4.4 마이크로미터(μm) 대역에서 강한 적외선 신호를 방출한다. 단일 IR 센서를 사용하여 적외선 파장을 감지한다. 비교적 간단한 방식으로, 비용이 저렴하고 설치가 용이하나 태양광, 열복사, 기타 적외선 소스 등으로 인해 오탐지가 발생할 가능성이 있다. 이런 이유로 주로 실내 환경이나 오염원이 적은 곳에서 사용되고 있다. 

3-2-2. IR/IR(듀얼 IR) 검출 방식

검출원리는 두 개의 IR 센서를 사용하여 서로 다른 적외선 파장을 동시에 감지하고 일반적으로 하나의 센서는 4.2-4.4 μm 대역을, 다른 센서는 고온의 23 μm 대역을 감지한다. 두 파장의 신호를 비교하여 불꽃 특유의 신호 패턴을 확인하고 오탐지를 줄이기 위해 두 신호의 상호 연관성을 분석한다. 단일 IR 방식보다 오탐지 가능성은 낮으며, 태양광이나 주변 열 복사에 대한 오탐지 가능성이 높다. 따라서 상대적으로 더 까다로운 산업 환경이나 대형 시설에서 사용된다.

3-2-3. IR/UV(적외선/자외선) 검출 방식

검출원리는 IR 센서와 UV(자외선) 센서를 함께 사용하여 불꽃의 자외선과 적외선 신호를 동시에 감지한다. 불꽃은 자외선과 적외선 모두를 방출하므로, 두 대역을 동시에 감지하여 정확도를 높이고 자외선 센서로 초기 불꽃을 감지하고, IR 센서로 이를 확인하여 오탐지를 줄이는 구조이기 때문에 태양광, 반사광 등의 간섭에 강하며, 복잡한 환경에서도 신뢰성이 높다. 실외 환경이나 강한 배경광이 존재하는 환경, 다양한 유형의 불꽃을 감지해야 하는 장소에서 널리 사용된다. 

3-2-4. IR3(트리플 IR) 검출 방식

검출원리는 세 개의 서로 다른 파장의 적외선(IR) 센서를 사용하여 불꽃을 감지한다. 주로 4.2 μm 대역의 강한 불꽃 신호와, 두 개의 다른 파장을 동시에 감지하여 비교한다. 세 파장의 신호를 정교하게 비교하여 불꽃 특유의 주파수 변동을 분석하기 때문에 오탐지에 매우 강하며, 다른 광원이나 열복사로 인한 간섭을 거의 배제할 수 있다. 최신 기술로 가장 높은 수준의 신뢰성을 제공하므로, 가장 정교한 불꽃 감지 방식이다. 정유 공장, 화학 플랜트, 군사 시설 등 안전성이 최우선인 고위험 산업 현장에서 많이 사용된다. 

3-3. 화재감지기 오탐지에 따른 IR3 적용 방안

이 네 가지 방식은 각각의 감지 환경과 필요에 맞게 선택되어 사용되며, 복잡한 산업 현장이나 실외 환경에서는 주로 IR/UV 또는 IR3 방식이 많이 사용된다. 실외환경이나 외부 환경의 변화에 민감한 IR센서의 특성상 오탐지 문제 해결방안에 IR3 방식을 적용, 태양감지센서와 인체감지센서를 추가로 적용하여 오탐지를 줄이고자 IR3 방식에 대해 추가로 알아보고자 하였다. 특히 외부 환경에서 테스트 진행 시 태양과 사람의 동작에 따른 오탐지 문제 해결을 위하여 태양감지센서(AFBR-S6PY0575)와 인체감지센서(AFBR-S6PY1601)를 추가 적용하여 오탐지문제를 해결하고자 한다. 
 

표 3은 Pyroelectric IR센서들의 파장대역별 다양한 종류가 있다. 

AFBR-S6PY0575 : CWL = 3.91um, 태양감지
AFBR-S6PY0573 : CWL = 4.35um, 불꽃감지
AFBR-S6PY1601 : CWL = 5.0um, 인체감지

태양감지센서와 인체감지센서를 이용하여 오탐지에 대한 문제를 해결할 수 있다. 태양감지센서와 인체감지 센서의 임계값을 설정하여 화재인지 비화재인지 판별이 가능한 솔루션이다. 

4. 결론

기술발전과 함께 화재의 종류도 다양하게 진화하고 있으며 곳곳에서 발생하는 화재는 빠른 대처만이 재산과 인명피해를 최소화 할 수 있는 최고의 방법이다. 초전형적외선(Pyroelectric IR)센서를 이용한 화재감지기는 다른 화재감지센서보다 빠른 응답속도와 높은 신뢰성으로 화재를 빠르게 확인 할 수 있는 최적의 화재감지솔루션이라고 할 수 있다.

주변의 환경변화가 적은 장소에는 단채널 화재감지솔루션이 적합한 솔루션이나 외부환경에서는 환경변화 인해 다채널 화재감지솔루션이 더 적합하다고 할 수 있다. 채널설정과 임계값 설정을 통해 효과적인 알고리즘으로 화재와 비화재를 판별하는 것이 중요하다고 볼 수 있다. 

이외에 화재감지기의 오탐지 문제를 줄이기 위해 다중센서 융합기법 또는 카메라를 이용한 솔루션 등 추가적인 감지방법을 통하여 최고의 화재감지기가 만들어져 향후 화재로 인한 재산 및 인명피해가 없는 날이 오기를 기대한다.


5. 참고문헌

[1] 소방청, “2024 소방청 통계연보”, 소방청 장비기술국 정보통신과, 2023. 12. 31
[2] Ashim Kumar Bain, Prem Chand [2004] “Pyroelectric Materials: Physics and Applications”
[3] Murata, "Operational principles of a pyroelectric infrared sensor", 10 Sep 2024, https://www.murata.com/en-global/products/sensor/infrared/overview/basic/about
[4] Brittany Handzo, Jeremy Peters [2022] “Fingerprint in a Fingerprint: A Raman Spectral Analysis of Pharmaceutical Ingredients”
[5] Broadcom, "A Guide to Choosing Sensor Technologies for Gas and Flame Detection and Analysis", Broadcom, 10 Sep 2024, https://www.broadcom.com/products/optical-sensors/pyroelectric/analog-pyroelectric-single-channel-detectors/afbr-s6py0573
[6] Rohm, "Control Methods (Voltage Mode, Current Mode, Hysteresis Control", 10 Sep 2024, https://techweb.rohm.com/product/power-ic/dcdc/97/
[7] Broadcom, “Thin Film Pyroelectric Flame Sensor Data Sheet“, 10 Sep 2024, https://www.broadcom.com/products/optical-sensors/pyroelectric