맨위로가기

이산화 탄소 센서

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

이산화 탄소 센서는 이산화 탄소(CO₂)의 농도를 감지하는 장치이다. 광음향 분광법, 적외선 흡수, 전기 화학 반응, 반도체 등을 이용하여 작동하며, 광학식, 전기화학식, 반도체식 등 다양한 종류가 있다. 이산화 탄소 센서는 변형 대기, 실내 공기질, 의료, HVAC, 농업 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히 HVAC 시스템에서는 실내 이산화 탄소 농도를 통해 환기 제어를 위한 요구 제어 환기에 사용될 수 있다.

2. 작동 원리

이산화 탄소(CO₂)는 탄산 음료, 호흡, 연소 기구, 자동차 배기가스 등 다양한 곳에서 발생하지만 무색 무취이기 때문에 사람이 직접 감지하기 어렵다. 그러나 특정 농도 이상으로 높아지면 인체나 환경에 해로운 영향을 미칠 수 있으므로[15], 낮은 농도에서도 이를 감지할 수 있는 센서 기술이 중요하다.

이산화 탄소 센서는 주로 CO₂ 분자가 특정 파장의 적외선을 잘 흡수하는 성질이나, 특정 조건에서 전기화학 반응을 일으키는 특성을 이용하여 농도를 측정한다. 이러한 원리에 기반한 주요 센서 방식은 다음과 같다.


  • '''광학식 센서''': CO₂가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 정도를 측정하여 농도를 알아내는 방식이다. 대표적으로 비분산형 적외선(NDIR) 방식이 널리 쓰이며, 광음향 분광법을 이용하는 방식도 있다.[4][5]
  • '''전기화학식 센서''': CO₂가 특정 전극 물질과 반응할 때 발생하는 전기적 신호(전류 또는 전압)의 변화를 감지하여 농도를 측정하는 방식이다.
  • '''반도체식 센서''': 특정 반도체 소재 표면에 CO₂ 분자가 흡착될 때 발생하는 전기 전도도 변화를 측정하여 농도를 감지하는 방식이다.


이러한 센서 방식들은 각각 측정 정확도, 반응 속도, 감도, 내구성, 크기, 비용 등에서 장단점을 가지고 있어 사용 환경과 목적에 따라 적합한 방식이 선택된다.

2. 1. 광학식 센서

이산화 탄소(CO₂)가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 성질을 이용하여 농도를 감지하는 방식이다. 대표적인 예로 비분산형 적외선(NDIR: Non-Dispersive Infrared) 방식이 있으며[16][17][18], 광음향 분광법을 이용하는 방식도 존재한다.[4][5]

2. 1. 1. 광음향 방식

광음향 분광법을 이용하여 이산화 탄소(CO₂) 농도를 측정하는 방식이다. 이 방식은 CO₂가 특정 파장의 빛을 흡수하는 성질을 이용한다. 먼저, CO₂의 흡수 파장에 맞춰 조정된 분산 귀환 레이저[4]와 같은 장치에서 나온 전자기 에너지 펄스를 측정하려는 기체 샘플에 쏜다.

샘플 안의 CO₂ 분자는 이 에너지 펄스를 흡수하고, 흡수된 에너지는 광음향 효과를 통해 압력파, 즉 소리를 발생시킨다. 이 압력파는 음향 감지기(마이크로폰 등)로 감지되며, 감지된 신호는 컴퓨터나 마이크로프로세서를 통해 CO₂ 농도 값으로 변환되어 표시된다.[5]

이 방식은 비분산형 적외선(NDIR) 방식과 마찬가지로 적외선의 흡수 특성을 이용한다는 공통점이 있다.[16][17][18]

다만, 먼지 같은 오염 물질에 민감하여 센서 성능이 저하될 수 있다는 단점이 있다. 따라서 공장 굴뚝에서 나오는 연기처럼 오염이 심한 곳에서 CO2 배출량을 감시하는 데에는 적합하지 않다는 평가를 받는다.[19]

2. 2. 전기화학식 센서

전기 화학 반응을 이용하여 이산화 탄소 농도를 검출하는 방식이다.[19] 전기화학식 센서는 고온 작동형과 실온 작동형으로 나뉜다.

  • '''고온 작동형''': 항상 400°C~500°C의 고온 상태를 유지해야 하므로 소비 전력이 크다는 단점이 있다.[19]
  • '''실온 작동형''': 30% 미만의 낮은 습도 환경에서 작동시키는 데 기술적 과제가 있다.[19]


전기화학식 센서는 일반적으로 응답 속도가 느리며, 전원을 켠 후 센서가 정상적으로 작동하기까지 몇 분 정도의 시간이 걸릴 수 있다.

2. 3. 반도체식 센서

산화 주석과 같은 반도체를 사용하여 이산화 탄소를 감지한다.[20]

3. 활용 분야

이산화 탄소 센서는 다양한 분야에서 활용된다.


  • 변형 대기 포장
  • 실내 공기질 모니터링
  • 밀항자 감지
  • 지하실 및 가스 저장소 안전 관리
  • 선박 환경 제어
  • 온실 환경 제어
  • 매립지 가스 모니터링
  • 밀폐 공간 작업 안전
  • 항공우주 분야 생명 유지 시스템
  • 의료 분야 (예: 카프노그래피)
  • 원예 및 농업 환경 제어
  • 운송 수단 내 공기질 관리
  • 극저온 공학 응용
  • 환기 관리 시스템
  • 채광 작업 환경 안전
  • 재호흡기 (SCUBA)
  • 카페인 제거 공정
  • 실내 인간 점유 인원 계산[12][13]
  • HVAC 시스템에서는 CO2 센서가 공기 질과 신선한 공기 필요성을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. CO2 수준 측정은 간접적으로 실내 인원 수를 파악하여 환기를 조절하는 데 도움을 준다. (요구 제어 환기(DCV) 참고)[14]
  • 배기 가스 분석
  • 공조 시스템


탄산 음료, 호흡, 연소 기구, 자동차 배기가스 등에 포함된 이산화 탄소(CO2)는 무색 무취하여 감지하기 어렵지만, 농도가 높아지면 인체에 해로운 영향을 미칠 수 있다[15]。이 때문에 낮은 농도의 이산화 탄소도 감지할 수 있는 센서 개발이 요구되어 왔다.

4. 추가 정보

탄산 음료, 호흡, 연소 기구, 자동차 배기가스 등에 포함된 이산화 탄소(CO2)는 무색 무취이기 때문에 직접 감지하기 어렵지만, 농도가 높아지면 인체에 악영향을 줄 수 있다[15]。 따라서 낮은 농도의 이산화 탄소도 효과적으로 검출할 수 있는 센서 개발이 요구되어 왔다.

이산화 탄소는 특정 파장의 적외선을 흡수하거나 전기화학 반응을 일으키는 고유한 특성을 가지고 있으며, 센서는 이러한 특성을 이용하여 공기 중의 이산화 탄소 농도를 측정한다. 주요 이산화 탄소 센서 방식으로는 광학식, 전기 화학식, 반도체식 등이 있으며, 각 방식은 정확도, 감도, 비용 등에서 서로 다른 장단점을 가진다.


  • 비분산형 적외선(NDIR: Non-Dispersive Infrared) 방식: 이산화 탄소 분자가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 원리를 이용한다.[16][17][18] 이 방식은 비교적 정확도가 높지만, 먼지나 수증기와 같은 오염 물질에 민감하여 공장 굴뚝 주변과 같이 CO2 배출량이 많고 오염 가능성이 높은 환경에서의 사용에는 제약이 따를 수 있다.[19]

  • 전기 화학식: 이산화 탄소가 특정 전해질과 반응할 때 발생하는 전기화학적 변화를 감지하여 농도를 측정한다.[19] 작동 온도에 따라 고온 작동형과 실온 작동형으로 나뉜다.
  • 고온 작동형: 센서를 400°C에서 500°C 사이의 고온으로 계속 유지해야 하므로, 상대적으로 많은 전력을 소비한다는 단점이 있다.
  • 실온 작동형: 상온에서 작동 가능하지만, 습도가 30% 미만으로 매우 낮은 건조한 환경에서는 성능이 저하될 수 있다는 기술적 과제를 안고 있다.[19]

일반적으로 전기 화학식 센서는 반응 속도가 다른 방식에 비해 느린 편이며, 전원을 켠 후 안정적인 측정값을 얻기까지 수 분 정도의 예열 시간이 필요할 수 있다.

  • 반도체식: 산화 주석(SnO2)과 같은 금속 산화물 반도체 표면에 이산화 탄소 분자가 흡착될 때 발생하는 전기 전도도 변화를 감지하여 농도를 측정하는 방식이다.[20]


이산화 탄소 센서는 그 중요성으로 인해 다양한 분야에서 활용되고 있다. 주요 활용 분야는 다음과 같다.

  • 의료 기기: 환자의 호흡 상태 모니터링, 마취 가스 농도 측정 등
  • 배기 가스 분석: 자동차 및 산업 시설의 배출 가스 내 이산화 탄소 농도 측정 및 규제 준수 확인
  • 농업: 스마트팜이나 온실 내부의 이산화 탄소 농도를 조절하여 작물 생육 환경 최적화
  • 공조(HVAC): 건물 내부의 이산화 탄소 농도를 측정하여 환기 시스템을 제어하고 실내 공기질을 쾌적하게 유지

참조

[1] 논문 Real-time occupancy detection with physics-informed pattern-recognition machines based on limited CO2 and temperature sensors 2021-01-07
[2] 논문 Carbonate based CO2 sensors with high performance 1996
[3] 논문 A low cost MEMS based NDIR system for the monitoring of carbon dioxide in breath analysis at ppm levels https://www.research[...] 2016-11
[4] PhD NDIR Instrumentation Design for CO2 Gas Sensing Cranfield University 2010-03
[5] 웹사이트 CO2 Sensors - Infineon Technologies https://www.infineon[...] 2020-11-10
[6] 논문 Reliable CO2 sensors with silicon-based polymers on quartz microbalance transducers 1994
[7] 웹사이트 CO2 Auto-Calibration Guide http://sstsensing.co[...] 2014-08-19
[8] 논문 Seasonality of Respiratory Viral Infections 2020-09-29
[9] 논문 Exhaled CO 2 as a COVID-19 Infection Risk Proxy for Different Indoor Environments and Activities 2021-05-11
[10] 논문 New Digital Metal-Oxide (MOx) Sensor Platform. 2018-03-31
[11] 논문 MOS gas sensor technology for demand controlled ventilation https://www.aivc.org[...] 2009
[12] 논문 RUP: Large Room Utilisation Prediction with carbon dioxide sensor 2018-06-01
[13] 서적 Data Mining Springer 2018-04-14
[14] 웹사이트 Demand Control Ventilation Benefits for Your Building http://www.kmccontro[...] KMC Controls 2013
[15] 웹사이트 無色無臭の危険「一酸化炭素（CO）」の見える化 http://www.figaro.co[...]
[16] 웹사이트 CO2センサ https://www.hamamats[...]
[17] 웹사이트 NDIR式CO2（二酸化炭素）センサモジュール http://www.figaro.co[...]
[18] 논문 マイクロ光分析デバイスの開発と二酸化炭素濃度センサへの応用 https://doi.org/10.1[...] 電気学会
[19] 웹사이트 CO2濃度計測の現状 http://w3-chem.kct.a[...]
[20] 논문 半導体式二酸化炭素センサーの開発 https://doi.org/10.1[...] 日本化学会 2000


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com