가스센서 | 가스센서의 원리와 응용 - KGS601
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작성자 키트 작성일17-08-29 14:21 조회2,959회 댓글0건본문
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http://newcera.co.kr/kgs601.html
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| 그림 2는 각 기체의 흡착반응 온도의 전형적인 예이다. CO는 100°C 이하에서, 온도가 올라감에 따라 수소, 알콜, 이소부탄, 산소, 메탄의 순서로 최대 흡착온도가 나타난다. | |||||
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| 촉매의 작용은 이들 기체의 흡착속도를 빠르게 하고 흡착온도와 양을 변화시키기 때문에 같은 동작온도에서 센서의 응답속도와 감도를 높게 하며 가스 선택성을 부여한다. 가장 많이 사용되는 촉매는 Pd 또는 PdO이고 촉매 양이 적으면 알콜감도가 높고 양이 많으면 메탄가스감도가 높다. 또한 센서의 온도가 낮으면 수소, 알콜 등에 대한 감도가 높고 메탄 감도가 낮다. 온도가 높으면 메탄 감도가 높아진다. 대상가스에 따라 센서의 히터저항을 조정하거나 히터에 인가되는 전압을 조절하면 적절한 가스감도를 얻을 수 있다. 센서의 수명과 신뢰성을 개선하기 위해 Pd촉매 외에 다른 첨가제를 혼용하여 사용한다. | |||||
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| 센서의 특성은 제작방법, 형상등에도 크게 영향을 받기 때문에 여러가지 형태의 센서가 제안되고 있다. 그림 4는 소결형 센서의 대표적인 형상이다. 그림 4의 (a)는 원통형 알루미나 기판을 사용하고 원통내에 소자가열용 열선을 내장한 것이고 (b)는 알루미나평판을 사용하여 Au(금)전극을 형성하여 그 위에 감가스재료를 인쇄하고 같은 면 또는 반대면에 RuO2 후막저항체를 인쇄하여 발열체로 사용한 것이다. (c)는 기판을 사용하지 않고 세라믹분말을 디스크상으로 가압 성형하여 소결하였다. | |||||
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| 전극과 가열용 히터로는 지름 0.1mm의 Pt(백금)선이 사용되며 성형시에 전극 및 히터가 내장된다. 소결형 가스센서에 사용되는 감가스 페이스트는 주원료인 SnO2분말에 Pt, Pd등의 귀금속촉매를 0.5 ~5wt% 혼합하고 알루미나 실리카와 물과 약간의 바인더를 가해서 만든다. 이들은 촉매의 분산성, 소자의 기계적강도, 경시특성 등의 개선에 중요한 역할을 한다. 감가스페이스트를 전극형성된 기판에 도포한 후의 소결온도도 센서특성에 큰 영향을 미친다. 소결온도는 대략 400 ~ 800°C 범위에 있으며 일반적으로 소결온도가 낮으면 소자의 기계적 강도가 낮아지고 너무 높으면 산화물의 소결이 너무 진행되고 촉매가 열화되어 가스의 검출감도가 낮아지거나 가스선택성이 바뀌는 일이 있다. 그림 4의 (a)는 간접가열형 센서, (c)는 직접가열형 센서의 대표적인 예이다. 박막형 가스센서는 sputtering 법이나 진공증착법으로 제작된다. 기판으로는 마찬가지로 알루미나가 사용되며 전극은 보통 0.5 mm에서 수mm 정도의 간격으로 Au를 증착한다. 감가스재료, 예를 들어 SnO2의 경우는 금속Sn을 증착한 후 산화시켜 SnO2로 하는 방법과 유기주석을 사용해서 제작하는 경우가 있다. | |||||
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| KGS 101, KGS 102는 원통형의 SnO2를 주원료로 하는 반도체식센서로서 바람의 영향, 온도, 습도의 영향, 경시변화 등을 최소화하면서 센서의 기계적, 화학적 내구성이 우수한 센서이다. 전자렌지의 자동조리용, 공기청정기, 자동환기, 가스경보기 등에 오랜 기간 다수의 업체에서 사용되고 있다. | |||||
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| 다음에 경보 방식에 대해 기술한다. 가스농도가 어떤 설정값을 넘었을 때 경보 또는 동작을 내는 방법에는 그림 9와 같이 (a)즉시경보형, (b) 지연경보형, (c)반한시경보형 등의 방식이 있다. 즉시경보형은 가스농도가 설정값 이상이 되면 즉시 경보하는 경우이며 접촉연소식의 경우에 많이 사용된다. 지연경보형은 지연시간을 두어 지연시간 이후에도 계속 가스농도가 나타날 경우만 경보하며 지연시간내에 잠시 설정값을 넘었더라도 경보를 내지 않는다. 즉시형보다 경보는 늦지만 가스렌지의 점화미스를 했을 때나 조리시의 일시적인 알콜증가등과 같이 가스누출이 아니고 일시적으로 높은 농도의 가스가 순간적으로 닿았을 때는 경보를 내지 않는 잇점이 있다. 반한시경보형은 지연시간을 두고 농도가 급격히 증가하면 즉시경보하고 농도증가가 느리면 지연경보하는 경우이다. 요즈음은 마이컴회로기술의 발달로 초기동작회피, 각종 보상, 경보방식의 설정 등을 자유로이 조절할 수 있어 여러가지 이용이 기대되며 오동작을 피할 수 있으리라 생각된다. | |||||
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| 기본동작회로는 그림에서 보듯이 브릿지 회로이다. 센서소자는 300 - 600°C 로 가열되고 있다. 센서의 온도, 습도에 따른 변화를 보상 하기 위해 거의 특성이 같지만 연소반응이 일어나지 않는 소자로 감지센서와 직렬로 연결한다. 가스가 접촉하면 감지센서만이 연소반응하여 저항이 커지게 되므로 브리지평형 전압이 깨지게 된다. 접촉연소식센서의 특성은 가스농도에 비례하여 출력전압이 직선적으로 증가하며 불연성가스인 잡가스에 영향을 받지 않는 잇점이 있지만 습도의 영향을 받고 또 너무 고농도인 가스는 검출할 수 없다. 접촉연소식센서 사용시 특히 유의할 점은 전압변동이 거의 없어야 한다는 것이다. 접촉연소식의 오동작, 부동작의 원인은 전압변동에 의한 브리지의 불평형에 기인하는 경우가 많다. 그림 11은 전압변동에 따른 가스감도변화를 보이고 있다. | ||||||||
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| 전압이 낮아지면 저농도에서, 전압이 높아지면 고농도에서 경보하게 된다. 접촉연소식센서는 기본적으로 연한 백금선의 저항변화를 이용하기 때문에 충격에 약하다. 또한 촉매의 연소를 이용하므로 장기간의 사용시 촉매의 열화로 인해 연소반응이 약해져 감도가 점차 저하된다. 라이타가스(부탄가스)의 고농도접촉은 촉매를 열화시키기 때문에 주의하여야 한다. 그렇지만 이들에 대한 문제를 최소화한 센서가 개발되었다. Sensing Element를 Glass Micro Fiber로 감싼 형태로 두드리거나 떨어뜨려도 백금선이 늘어나거나 끊어지는 일이 거의 없어 휴대용 가스감지기에 적합하다. KGS 601과 KGS 701이 이에 해당한다. 특히 KGS 701은 H2S로 인한 감도저하를 없앴으며 Silicone Poisoning에 강한 센서로서 소비전력이 0.23W(3V, 76mA)로 배터리로 장시간 사용이 가능하고 가스 폭발의 위험이 있는 곳에서 사용이 가능한 방폭형구조이다. 음식물조리시 발생하는 김도 센서를 쉽게 열화시킨다. 따라서 촉매의 열화요인이 많은 장소는 피해야 한다. 촉매담체의 기계적 강도가 약하기 때문에 진동에 약하다. 사용시 이러한 점에도 특히 유의하여야 한다. 감지부분과 보상부분의 온도차이 변화에 따른 저항변화를 이용하기 때문에 두 부분의 한부분만 바람, 수분등에 의해 온도가 변화하면 오동작 및 부동작이 일어날 수 있다. | ||||||||
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| 국내의 주방이나 거실 구조상 가스렌지와 싱크대가 나란히 한쪽면을 차지하기 때문에 이 면에서 뒤로, 또는 거실 쪽으로 2 - 4m 떨어진 위치가 바람직하다. 그러나, 현재 국내에서 설치된 가스경보기의 설치 위치는 대부분 상기 1, 3, 4, 5, 6등의 장소에 설치되어 있어 경보기가 제기능을 발휘하지 못하고 오동작을 일으키는 일이 많다. 국내 음식이 외국 음식과 달리 발효식품이어서 조리시 알콜성분이 많이 발생하여 오동작 요인이 많기는 하지만 상기 설치주의사항을 반드시 지킨다면 오동작을 크게 줄이면서도 장기간 신뢰성 있게 사용할 수 있다. 또 오동작을 회피하기 위해 고농도 영역에 경보값을 설정하여 사용하는데 센서 특성상 고농도 영역에서는 출력값이 포화되기 때문에 가스가 상당량 누설되어도 감지하기 어렵다. 접촉연소식센서를 채용하는 경보기는 수증기 또는 조리시의 잡가스에 대한 반응에는 강하지만 이러한 유해 가스가 센서의 촉매를 열화시키기 때문에 점차 감도가 둔해져 제 기능을 발휘하지 못한다. 이 문제를 개선하려면 외부전압변동시에도 정전압을 정확히 유지하고 설정농도치를 낮게하고 상기 설치 주의사항을 유의하여 경보기를 설치한다면 경보기수명을 보다 연장하고 보다 정밀하며 신뢰성 있게 가스누설을 감지할 수 있다. 안전을 위해서는 3년정도에 가스경보기를 교체하는 것이 좋다. 이제까지 반도체식 가스센서와 접촉연소식 가스센서의 원리와 동작특성에 대해 알아보았다. 센서를 원재료에서부터 최종제품까지 생산하면서 기존에 사용되고 있는 센서, 주로 일본에서 수입하는 센서의 문제점과 센서사용상의 문제점도 많이 알게 되었지만 이 글에서는 생략하기로 한다. 지금까지 10년 넘게 가스센서와 응용제품의 개발에 종사해 오면서 나름대로 깨달은 센서의 여러가지 특성과 문헌에 나온 내용, 그리고 센서를 판매하면서 각기 다른 많은 사용자들의 경험 등을 종합하여 정리해 보았지만 아직 미비한 점이 많다. 가스폭발사고뿐만 아니라 환경오염을 일으키는 유해한 잡가스의 자동환기, 일산화탄소중독사고의 예방등에 가스센서의 사용이 증가 일로에 있으나 정확한 센서특성을 모르고 사용하게 되면 제기능을 발휘하지 못하는 제품이 되고 만다. 그동안은 대부분의 센서를 고가로 수입하여 사용하여 왔으나 근년 품질이 우수하면서도 값이 비교적 저렴한 센서들이 국산화되어, 사용하는데 있어 기술적으로나 경제적으로나 많이 유리하다. 반도체식센서의 거동을 파악하여 실내의 오염을 감지하여 자동으로 환기하는 인공지능 자동환기시스템도 개발하여 현재 분양중인 대부분의 아파트에 채택되고 있다. 저전류 접촉연소식센서도 개발하였으며, 접촉연소식센서를 채용하는 가스누설경보기도 생산하기 시작하였다. 가스보일러 등에서 발생하는 폐가스 중독사고를 방지하는 CO 감지기도 개발하였으나 국내 여건상 보급이 활발하지 못하다. 이 글이 센서 사용자 또는 가스센서를 연구하는 분들께 조금이나마 도움이 되고 가스사고 예방과 쾌적한 생활환경을 만드는데 약간의 기여라도 되었으면 한다. | |||||||||
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