가스감지기 선택의 기준: 저가형 반도체 센서의 치명적 한계와 정확한 측정 원리

저가형 가스감지기의 데이터 시트를 보면 **'정확도(Accuracy)'** 항목이 명시되지 않은 경우가 많습니다. 이는 센서 자체가 불량이라기보다는, 반도체식 가스 센서가 가진 고유의 기술적 특성과 환경 민감성 때문입니다. 고정된 값을 갖는 저항 소자와는 달리, 가스 센서는 살아있는 유기체처럼 반응하기 때문입니다.

반도체식 센서를 탑재한 가스감지기는 제조 공정의 미세한 차이로 인해 개별 센서마다 감도 편차가 존재합니다. 또한 사용 시간이 지남에 따라 센서의 화학적 성질이 변하는 경년 변화(Drift) 현상이 뚜렷하게 나타납니다.

이러한 이유로 제조사는 고정된 정확도 수치를 제공하는 대신, 가변 저항을 통해 현장 상황에 맞춰 가스감지기를 교정(Calibration)하여 사용하도록 권장합니다. 즉, 꾸준한 유지보수 없이는 신뢰성을 담보하기 어렵습니다.

시중의 저렴한 가스감지기는 대량 생산에 유리한 간단한 공정의 센서를 사용하므로 정밀도가 떨어져 단순 누설 확인용으로 적합합니다. 반면, 수십만 원 이상의 산업용 고정밀 가스감지기는 엄격한 공정과 보상 회로를 갖춘 고가의 반도체 센서나 전기화학식 센서를 채택하여, 유독가스 환경에서도 높은 신뢰성과 안정성을 제공합니다.

O 반도체식 가스감지기 센서의 원리

반도체식 가스감지기는 세라믹 반도체 표면에 특정 가스가 닿았을 때 발생하는 전기 전도도의 변화를 측정합니다. 센서의 안정적인 동작을 위해 고온 가열이 필요하므로, 열적으로 안정한 금속산화물(세라믹스)이 주재료로 사용됩니다.

금속 산화물은 산소 결핍 상태에 따라 n형 또는 p형 반도체 성질을 띱니다.
전기 전도도가 우수하고 융점이 높은 세라믹 반도체야말로 가스감지기 센서로서 최적의 조건을 갖추고 있습니다.

반도체식 가스감지기의 장점은 1) 유독가스 및 가연성 가스 등 다양한 가스에 반응하여 범용성이 넓고, 2) 회로 구성이 간단하여 소형화가 쉽다는 점입니다. 하지만 특정 가스만 골라내는 '선택성'이 부족하여, 알코올이나 습기 등 잡가스에 오작동할 수 있다는 단점이 있어 지속적인 연구가 진행 중입니다.

이를 개선하기 위해 최신 가스감지기는 촉매를 첨가하거나 동작 온도를 제어하여 선택성을 높이고 있습니다.

가장 널리 연구된 재료는 SnO2, ZnO, Fe2O3 등이 있으며, 본문에서는 가스감지기에 가장 많이 쓰이는 SnO2(이산화주석)계 센서의 원리를 심층 분석합니다.

O SnO2계 가스감지 센서의 작동 메커니즘

SnO2 세라믹스가 가스감지기 센서로 작동하는 원리는 결정 구조의 불완전성(Nonstoichiometry)에 있습니다. 결함(Defect)에는 크게 세 가지 유형이 있습니다.

1) 격자 사이에 여분의 원자가 끼어 있는 형태 (Interstitial)
2) 원자가 있어야 할 자리가 비어 있는 형태 (Vacancy)
3) 다른 원자가 치환되어 들어간 형태 (Substitutional)

가스감지기에 쓰이는 SnO2는 2번, 즉 산소 원자가 부족한 '산소 공공(Oxygen Vacancy)' 형태입니다.

열에너지가 가해지면 산소 공공의 전자가 전도대(Conduction Band)로 이동하여 전기가 흐르는 n형 반도체가 됩니다.

이때 온도 변화는 전자의 이동량과 가스 흡착 반응을 변화시키므로, 가스감지기의 감도에 결정적인 영향을 미칩니다.

세라믹 반도체 가스감지기는 고체 표면과 기체의 화학 반응을 이용합니다. 따라서 가스 흡착 속도와 선택성은 센서의 온도, 촉매의 종류, 그리고 주변 환경(습도 등)에 민감하게 반응합니다.

그림 1은 가스감지기 내부 SnO2 입자 경계면에서 일어나는 전기 전도도 변화 과정입니다.

가열된 SnO2 입자 내에는 자유 전자가 풍부하지만, 공기 중 산소(O2)가 표면에 흡착되면 이 전자들을 포획해버립니다.

이로 인해 입자 사이에 높은 전위 장벽이 생겨 전기가 잘 흐르지 않게 됩니다. (평상시 저항 높음)

하지만 가연성 가스(환원성 가스)가 유입되면 표면의 산소와 반응하여 산소를 제거합니다. 이때 포획되었던 전자들이 다시 자유로워지며 전위 장벽이 낮아지고, 전기가 잘 흐르게 됩니다. 가스감지기는 바로 이 급격한 저항 감소를 감지하여 경보를 울립니다.

결국 산소의 흡착과 탈착 양이 가스감지기의 성능을 좌우합니다.

감도를 높이기 위해 SnO2 분말을 미세하게(비표면적 증대) 만들고, 산소 흡착이 가장 잘 되는 350~400°C로 센서를 가열합니다. 나노 기술이 가스감지기 성능 향상의 핵심인 이유입니다.

그림 2는 가스 종류별 최대 흡착 온도를 보여줍니다.

일산화탄소(CO)는 저온에서, 메탄(CH4)은 고온에서 반응성이 좋습니다. 가스감지기가 특정 가스만 잘 잡도록 하려면 온도를 조절해야 합니다.

여기에 팔라듐(Pd) 같은 촉매를 첨가하면 가스감지기의 반응 속도와 선택성을 획기적으로 개선할 수 있습니다.

촉매의 양이 적으면 알코올 감도가, 많으면 메탄 감도가 높아집니다. 이처럼 히터 온도와 촉매 배합 기술이 고성능 가스감지기를 만드는 노하우입니다.

O 가스감지기 센서의 구조와 제조

센서는 소결형과 박막형, 가열 방식에 따라 직접 가열형과 간접 가열형으로 나뉩니다.

대부분의 상용 가스감지기는 내구성이 좋은 소결형 센서를 채택하고 있습니다.

소결형 센서는 산화물 분말을 페이스트 형태로 만들어 알루미나 기판에 바른 뒤, 고온에서 구워내는 방식으로 제작됩니다. 이는 도자기를 굽는 과정과 유사합니다.

다양한 가스감지기 센서의 형태입니다.

(a)는 원통형 기판 안에 히터 코일을 넣은 구조, (b)는 평판형 기판 위에 감지 물질을 인쇄한 구조, (c)는 기판 없이 가압 성형한 비드(Bead) 형태입니다.

히터와 전극으로는 백금(Pt)선이 사용됩니다. 감지 물질에는 SnO2 외에도 귀금속 촉매와 바인더가 혼합되어 가스감지기의 내구성과 감도를 결정짓습니다.

소결 온도 역시 중요합니다. 너무 낮으면 센서가 부서지기 쉽고, 너무 높으면 촉매가 망가져 가스감지기로서의 성능을 잃게 됩니다. 적정 온도(400~800°C) 제어가 제조사의 핵심 기술력입니다.

최근에는 박막형 센서도 개발되고 있습니다. 진공 증착법으로 만들어지며 더욱 정밀한 가스감지기 제작이 가능합니다.

O 가스감지기 유지보수: 경년 변화와 신뢰성

모든 가스감지기는 시간이 지날수록 성능이 변합니다(경년 변화). 고온에서 작동하는 센서의 특성상 피할 수 없는 현상입니다.

다행히 SnO2 센서는 다른 재질에 비해 수명이 길고 신뢰성이 높아 산업용 가스감지기의 주류를 이루고 있습니다.

하지만 촉매의 열화나 오염물질 피독으로 인해 점차 저항이 낮아지고 감도가 예민해져 오작동(False Alarm)을 일으킬 수 있습니다.

센서 열화의 원인은 다양합니다. 열충격, 화학적 오염, 장기적인 가스 노출 등이 있으며, 이는 가스감지기의 주기적인 교정과 센서 교체가 필요한 이유입니다.

일반적으로 SnO2 가스감지기는 초기 3개월 동안 저항이 30~50% 감소하며 안정화됩니다. 특히 알코올 감도가 급격히 증가할 수 있어 초기 설정 시 주의가 필요합니다.

고농도 가스에 노출된 가스감지기는 일시적으로 성능이 저하될 수 있으므로 회복 시간을 주어야 합니다.

따라서 가스감지기 회로 설계 시 경년 변화를 고려하여 감지 전압(Threshold)을 설정해야 합니다.

가스 누출 경보용은 오작동 방지를 위해 감지 레벨을 높게 잡고, 공기청정기 등 미세 감지용은 낮게 잡습니다. 마이컴(MCU)을 이용해 저항 변화율을 실시간으로 분석하는 스마트 가스감지기가 가장 이상적입니다.

O 가스감지기의 초기 워밍업 (Aging)

가스감지기를 켰을 때 바로 작동하지 않고 준비 시간이 필요한 이유입니다.

전원을 켜면 센서 온도가 급상승하며 저항이 낮아졌다가, 산소가 흡착되면서 다시 저항이 높아져 안정화됩니다. 이를 과도 특성이라고 합니다.

장기간 꺼져 있던 가스감지기는 수분이 화학적으로 흡착되어 있어 안정화(Aging)에 더 많은 시간이 걸릴 수 있습니다.

정확한 측정을 위해 가스감지기는 전원 인가 후 최소 1~5분의 초기 지연 시간이 필요하며, 정밀 세팅 전에는 2일 이상의 충분한 에이징(Aging)이 권장됩니다.

O 환경 요인: 온도, 습도, 바람이 가스감지기에 미치는 영향

가스감지기는 주변 환경에 매우 민감합니다. 온도와 습도 변화는 센서의 저항값을 흔들어 오작동의 주원인이 됩니다.

그림 6은 환경 변화에 따른 가스감지기 센서 저항 변화를 보여줍니다.

고온다습한 여름철에는 수분의 영향으로 센서가 예민해져(저항 감소) 오작동하기 쉽고, 저온건조한 겨울철에는 센서가 둔해집니다(저항 증가).

특히 고온고습 상태가 지속되면 센서 내부에 수산화 이온(OH-)이 축적되어 특성이 변할 수 있습니다.

바람 역시 가스감지기의 적입니다. 센서 표면 온도를 떨어뜨려 저항을 급격히 변화시키기 때문입니다.

비바람이 불거나 기압골이 통과할 때 가스감지기 수치가 불안정해지는 것은 이러한 이유 때문입니다. 따라서 실외 설치 시에는 반드시 방풍 커버가 필요합니다.

O 가스감지기의 감도 특성

그림 7은 SnO2 반도체 가스감지기의 가스 농도별 감도 변화를 나타냅니다.

가스에 노출되면 수 초 내에 반응하여 저항이 뚝 떨어집니다. 이 저항 변화율을 이용해 가스 농도를 계산합니다.

가연성 가스(LPG, LNG) 감지용은 높은 저항 변화율을, 공기청정기용은 낮은 변화율을 기준으로 설계됩니다.

산업용으로 널리 쓰이는 KGS 101, 102 센서는 이러한 환경 영향과 경년 변화를 최소화하도록 설계된 고성능 반도체식 가스감지기 센서입니다.

전자레인지, 공기청정기부터 산업용 가스경보기까지 다양한 분야에서 신뢰성을 입증받았습니다.

O 가스감지기 회로의 핵심: 보상 및 경보 시스템

단순한 센서만으로는 정확한 가스감지기가 될 수 없습니다. 정밀한 보상 회로가 필수적입니다.

(b) 초기 동작 회피 회로: 가스감지기 전원을 켤 때 발생하는 오작동(부저 울림)을 막기 위한 지연 회로입니다.

(c) 가열 클리닝 회로: 휴대용 가스감지기에서 측정 전 고전압으로 센서를 가열하여 잡가스를 태워 없애는 클리닝 기능입니다.

(d) 온도 보상 회로: 서미스터(Thermistor)를 사용하여 온도 변화에 따른 가스감지기의 출력 오차를 자동으로 보정해 줍니다. 고성능 제품에는 필수입니다.

마지막으로 가스감지기의 경보 방식입니다.

(a) 즉시 경보형: 가스 누출 시 바로 알람을 울립니다. 위험도가 높은 가연성 가스 감지에 쓰입니다.

(b) 지연 경보형: 일시적인 잡가스(요리 중 발생하는 알코올 등)에 의한 가스감지기 오작동을 막기 위해 일정 시간 이상 감지될 때만 경보를 울립니다.

(c) 반한시 경보형: 농도가 급격히 오르면 즉시 경보, 천천히 오르면 지연 경보를 하는 지능형 방식입니다.

최근의 스마트 가스감지기는 마이컴(Micro-computer) 제어를 통해 이러한 모든 변수를 분석하여 오작동 없는 최적의 안전을 제공합니다.