[첨단 헬로티]

전기화학식 가스 센서는 그 연원이 1950년대까지 거슬러 올라가는 검증된 기술이다. 당시에는 산소 감지 용도로 개발되었다. 이 기술이 맨 처음 적용된 애플리케이션 중하나는 글루코스 바이오센서로서, 이 센서를 사용해 글루 코스에서의 산소 결핍을 측정했다. 이후 수십 년이 지나 면서 기술은 점점 더 진화했고, 이제는 극소형 센서로 다양한 기체들을 측정할 수 있게 되었다.

센서 기술이 점점 더 보편적으로 사용되면서, 여러 분야 에서 다양한 방식의 새로운 가스 센싱 애플리케이션이 등장하고 있다. 자동차 실내 공기질 모니터링과 전자 코 같은 것들이 그러한 사례들이다. 관련 규정이나 안전성 요건이 갈수록 엄격해짐에 따라 새로운 애플리케이션이나 기존 애플리케이션 모두 요구사항이 점점 까다로워지고 있다. 향후에는 가스 센싱 시스템이 훨씬 더 낮은 농도를 정확히 측정할 수 있어야 하고, 목표 기체에 대한 선택도가 우수해야 하고, 배터리 전원을 사용해서 더 오래 작동할 수 있어야 하고, 장시간에 걸쳐 일관된 성능을 제공하 면서 또 안전하고 신뢰성 있게 작동해야 한다.

전기화학식 가스 센서의 장단점

전기화학식 가스 센서가 인기가 있는 이유는 출력 선형 성, 저전력 소모 특성, 우수한 분해능 때문이다. 또한 목표 기체에 대해 알려진 농도로 교정했을 때 측정의 반복정 밀도(repeatability)와 정확도도 뛰어나다. 수십 년에 걸쳐 기술이 발전함에 따라, 이들 센서들은 특정 목표 기체에 대해 매우 우수한 선택도를 제공할 수 있게 되었다. 이 같은 다양한 장점들 때문에 전기화학식 센서를 가장 먼저 채택한 애플리케이션은 산업용 분야로서, 용도는 작업자 안전을 보장하기 위한 독성 가스 탐지용이었다. 가격이 저렴해지면서 이들 센서를 경제적으로 사용할 수 있게 되자 광산, 화학 산업, 바이오가스 플랜트, 식품 제조, 제약 등과 같은 다양한 산업 분야에서도 유해 가스 모니터링 시스템을 구축해서 작업자들을 위한 안전한 환경 조건을 유지할 수 있게 되었다.

센싱 기술 자체는 계속해서 진화해 왔으나, 기본적인 작동 원리는 그리 크게 달라지지 않았으며 그에 따라 기존 단점들도 그대로 남아 있다. 통상적으로 전기화학식 센서는 보관 수명(shelf life)이 6개월에서 1년으로 제한적이 다. 센서의 노후화 역시 장기적 성능에 상당한 영향을 미친다. 센서 제조회사들은 센서 감도가 연간 최대 20%까지 변화될 수 있다고 명시하고 있다. 뿐만 아니라 목표 기체 선택도가 크게 향상되기는 했으나, 여전히 다른 기체들에 대한 교차 선택도 때문에 애를 먹고 있으며, 이 문제 때문에 측정 과정에서 간섭이나 오판독이 발생할 수 있다. 또한 센서들은 온도의 영향을 받을 수 있으므로 내부적으로 온도 보정을 해야 한다.

기술적 과제

첨단 가스 센싱 시스템을 설계할 때 해결해야 할 기술적 과제들은 시스템 수명 단계에 따라서 크게 세 가지로 분류할 수 있다.

첫째, 제조 반복정밀도, 센서 특성분석, 교정 등 센서 제조와 관련한 과제들이다. 고도로 자동화한다고 하더라도 제조 공정 자체에서 각 센서마다 불가피하게 차이가 발생할 수 있다. 따라서 제조 과정에서 센서에 대한 특성분석과 교정을 해야 한다.

둘째, 시스템을 사용하면서 해결해야 할 기술적 과제들이 있다. 시스템 아키텍처 최적화가 대표적인 사례다. 이것은 신호 체인 설계나 전력 소모 등과 관련된다. 특히 산업용 애플리케이션에서는 전자파 적합성(EMC)과 기능 안전성 요건을 충족해야 하므로, 이는 설계 비용과 시간에 불리하게 영향을 미칠 수 있다. 작동 조건 역시 중요한 역할을 하며, 요구되는 성능과 수명을 달성하는데 영향을줄 수 있다. 전기화학식 센서는 특성상 시간이 지날수록 노후화와 드리프트를 일으키므로, 자주 교정을 하거나 필요하면 센서를 교체해야 한다. 특히 열악한 환경에서 작동하면 이러한 성능 변화가 더 심해질 수 있다. 성능을 유지하면서 센서의 수명을 연장하는 것이 많은 애플리케이 션에서 중요한 요구사항이며, 시스템 유지비용을 절감하 고자 하는 경우에는 더욱 그럴 것이다.

셋째, 수명을 연장하기 위한 어떤 방법을 동원하더라도 모든 전기화학식 센서는 결국에는 성능이 떨어져 센서를 교체해야 하는 시점에 도달할 수밖에 없다. 따라서 이 센 서들의 실질적인 수명 종료 시점을 감지하는 것 또한 과제 이며, 이 과제를 해결하기만 한다면 불필요한 센서 교체를 줄임으로써 상당한 비용을 절감할 수 있을 것이다. 한발 더 나아가 센서가 언제쯤 고장이 날 것인지까지 정확하게 예측한다면 가스 센싱 시스템의 운용 비용을 절감할 수있다.

모든 유형의 가스 센싱 애플리케이션에서 전기화학식 가스 센서 사용이 증가하고 있으며, 이 때문에 이러한 시스 템의 조달, 커미셔닝, 유지보수와 관련한 과제들이 제기 되고 있다. 이는 곧 총 유지비용 증가로 이어진다. 따라서 진단 기능을 통합한 전문적인 아날로그 프론트 엔드를 사용하면, 제한적인 센서 수명을 비롯한 이 기술의 단점들을 완화하고 가스 센싱 시스템의 장기적인 지속가능성과 신뢰성을 달성할 수 있다.

신호 체인 통합으로 설계 복잡성 완화

기존 신호 체인은 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 증폭 기, 그 밖에 다른 빌딩 블록들을 개별적으로 사용하기 때문에 설계하기가 복잡하고 전력 효율, 측정 정밀도, 신호 체인이 차지하는 PCB 면적 등 여러 모로 불리했다.

일례로 여러 유형의 기체를 측정하기 위한 다중 기체 측정장비가 있다고 가정해 보자. 이 장비가 적절히 작동하기 위해서는 각 센서마다 서로 다른 바이어스 전압이 필요할 것이다. 게다가 각 센서마다 선택도가 다를 수도 있다. 그러니 신호 체인 성능을 극대화하려면 증폭기 이득을 조절 해야 한다. 설계자 관점에서는 이 두 가지만으로도 소자나 회로도를 변경하지 않고는 다른 센서들과 인터페이스할 수 있는 구성 가능한 측정 채널을 설계하기가 복잡해질 것이다. 그림 1은 단일 측정 채널의 블록 다이어그램을 보여준다.

다른 모든 전자 시스템들과 마찬가지로, 기능 집적도를 높이는 것이 자연스러운 진화의 과정이다. 이를 통해 더효율적이고 강력한 성능의 솔루션을 설계할 수 있다. 집적도 높은 단일 칩 가스 센싱 신호 체인을 사용함으로써 시스템 설계를 간소화할 수 있다. 예를 들어 트랜스임피 던스 증폭기(TIA) 이득 저항을 통합하거나 DAC를 센서 바이어스 전압 소스로 사용할 수 있다(그림 2). 신호 체인 통합 덕분에, 측정 채널이 다양한 유형의 전기화학식 센서들과 인터페이스 할 수 있도록 소프트웨어를 이용해 완벽하게 구성 가능하게 할 수 있으며, 그 결과 설계 복잡성을 낮출 수 있다. 뿐만 아니라 이러한 통합적인 신호 체인은 전력 소모가 눈에 띄게 줄어든다. 이 점은 배터리 사용 시간이 중시되는 애플리케이션에서 특히 유용한 특성이 다. 또한 신호 체인의 잡음 수준이 낮아지고 TIA나 ADC 같은 신호 처리 소자들을 활용해서 측정 정확도를 높일 수있다.

앞서 언급한 다중 기체 측정 장비의 경우, 신호 체인 통합 을 통해 다음과 같은 이점을 거둘 수 있다:

◇ 완벽하게 구성 가능한 측정 채널을 구현하여 신호 체인 복잡성을 낮출 수 있고, 이를 통해 단일 신호 체인 설계를 손쉽게 재사용할 수 있다.

◇ 신호 체인이 차지하는 PCB 면적을 줄일 수 있다.

◇ 전력 소모를 줄일 수 있다.

◇ 측정 정확도를 향상할 수 있다.

센서 성능 저하 및 진단

신호 체인 통합이 여러 면에서 장점을 제공하기는 하지 만, 그렇다고 전기화학식 가스 센서의 근본적인 약점을 해결하는 것은 아니다. 즉, 시간이 지날수록 센서 성능이 저하되는 것 말이다. 이는 센서의 작동 원리와 구조에 기인해서 발생하는 약점이다. 센서의 정확도가 점점 더 떨어지다가 어느 시점에 이르러서는 더 이상 신뢰할 수 없고 임무 수행에 부적합하게 된다. 이럴 때 기존의 관행은 장비 가동을 중단하고 수작업으로 센서를 검사하는 것인데, 이렇게 하면 시간과 비용이 많이 든다. 센서를 검사한 다음에는 센서를 교정해서 다시 사용하거나, 아니면 센서를 교체해야 할 수도 있는데, 이는 유지보수 비용을 증가시 킨다. 이럴 때 전기화학적 진단 기법을 사용해서 센서의 건전성 상태를 분석하고 달라진 성능을 효과적으로 보정할 수 있다.

그림 1. 전기화학식 가스 센서 신호 체인

그림 2. 통합적인 듀얼 채널 가스 센싱 신호 체인

그림 3. 낮은 상대 습도로 가속화 수명 테스트를 했을 때 센서 선택도(왼쪽)와 임피던스(오른쪽)의 상관관계

성능 저하를 일으키는 주된 요인들로는 극단적인 온도, 습도, 기체 농축, 전극 피독 현상(electrode poisoning) 등을 들 수 있다. 높은 온도(50°C 이상)에 짧은 시간 동안 노출되는 것은 허용될 수 있다. 하지만 센서에 반복적으로 고온이 가해지면 전해액이 기화해서 센서에 되돌릴 수없는 손상을 일으킬 수 있다. 예를 들어 베이스라인 판독에 오프셋이 일어나거나 반응 시간이 느려질 수 있다. 반면에 극단적인 저온(-30°C 미만)은 센서의 감도와 반응성을 현저히 떨어트릴 수 있다.

습도는 센서 수명에 심각한 영향을 미친다. 전기화학식 가스 센서의 이상적인 동작 조건은 20°C의 온도와 60%의 상대 습도이다. 주변 습도가 60% 이하이면 센서 내부의 전해액이 말라, 반응 시간에 영향을 미친다. 반면에 습도가 60% 이상이면 공기 중의 수분이 센서로 흡수되어서 전해액을 묽게 하고 센서 특성에 영향을 미친다. 또한 수분 흡수는 센서에서의 수분 누출을 유발해 핀들을 부식할 수도 있다.

이러한 성능 저하 메커니즘은 그 정도가 심하지 않더라도 센서에 영향을 미친다. 예컨대 자연적인 전해액 고갈을 일으켜 센서 노후화에 영향을 미칠 수 있다. 노후화는 동작 조건에 상관없이 센서 수명을 단축한다. 다만 일부 전기화학식 가스 센서는 작동 수명이 10년 이상에 이르기도 한다.

센서를 분석하기 위해서는 전기화학 임피던스 분광법 (EIS)이나 크로노암페로메트리(chronoamperomety), 즉바이어스 전압 펄스를 인가하여 센서 출력을 관찰하는 기법 등을 사용할 수 있다.

EIS는 전기화학식 시스템을 주로 전압인 사인파 신호를 이용해 여자함으로써 수행하는 주파수 도메인 분석 측정 이다. 각각의 주파수에서, 전기화학 셀을 통해서 흐르는 전류를 기록하고 이를 사용해서 셀의 임피던스를 계산할수 있다. 그런 다음 이 데이터를 나이퀴스트 플롯이나 보드 플롯의 형태로 제공할 수 있다. 나이퀴스트 플롯은 복소수 임피던스 데이터를 보여준다. x 축 상에 실수 부분과 y 축 상에 허수 부분으로 매 주파수 점을 표시한다. 이 데이터 표현 방식의 가장 큰 단점은, 주파수 정보를 잃는다는 것이다. 보데 플롯(Bode plot)은 주파수에 따른 임피 던스 크기와 위상각을 보여준다.

시험 결과를 보면, 센서 감도 저하와 EIS 테스트 결과 사이에 강한 상관관계가 있다는 것을 알 수 있다. 그림 3은 가속화 수명 테스트 결과를 나타낸 것으로, 테스트에서는 전기화학식 가스 센서에 낮은 습도(10% RH)와 높은 온도 (40°C) 조건을 인가했다. 센서는 주기적으로 환경 체임버 에서 꺼내어 한 시간씩 안정화시켰다. 그런 다음 알려진 목표 기체 농도로 베이스라인 감도 테스트와 EIS 테스트를 실시했다. 이 테스트 결과를 보면, 센서 감도와 임피던스 사이에 확실히 상관관계가 있다는 것을 알 수 있다. 이측정 방법의 단점은 시간이 걸린다는 것이다. 서브 Hz의 낮은 주파수로 측정 결과를 포착하는 데 시간이 많이 걸리기 때문이다.

크로노암페로메트리(펄스 테스트)는 센서 건전성 분석을할 수 있는 또 다른 방법이다. 이 측정 방법은 센서 바이어스 전압과 함께 전압 펄스를 인가하고 전기화학 셀을 통해서 흐르는 전류를 관찰하는 것이다. 펄스 진폭이 대체로 매우 낮고(가령 1mV) 순간적이므로(가령 200ms), 센서를 방해하지 않는다. 따라서 가스 센싱 장비를 정상적으로 가동하면서 테스트를 빈번하게 실시할 수 있다. 크로 노암페로메트리를 사용해서 센서가 물리적으로 디바이스에 연결되어 있는지 확인할 수 있고, 이를 통해 센서 성능이 변화되는 것을 감지하고, 그에 따라 좀더 시간 소모적인 EIS 측정을 할 수 있다. 그림 4는 전압 펄스에 대한 센서 응답을 예시한 것이다.

그림 4. 크로노암페로메트리 테스트 결과

종전의 센서 질의 기법은 전기화학 분야에서 수십 년 동안 사용되어 온 것이다. 그런데 이 측정에 필요한 장비는 가격이 비싸고 크기도 크다. 실용적 관점에서나 비용적 관점에서나 현장에 설치되어 있는 대량의 가스 센서들을 테스트하기 위해서 이러한 장비를 사용하는 것은 현실적이지 않다. 신호 체인에 진단 기능을 직접 내장하면 센서에 대한 건전성 분석을 원격으로 할 수 있다.

진단 기능을 통합하면 사람이 개입하지 않고도 자율적으로 가스 센서를 테스트할 수 있다. 생산 과정에서 가스 센서에 대한 특성을 분석을 하면 센서가 수집한 데이터를 이특성분석 데이터와 비교해서 현재의 센서의 상태에 관한 통찰을 얻을 수 있다. 그런 다음 스마트 알고리즘을 사용 해서 센서 감도를 보정할 수 있다. 뿐만 아니라 센서 이력을 기록함으로써 교체 시점도 예측할 수 있어, 센서 교체 시기를 사용자에게 알려줄 수 있다. 진단 기능을 통합하면 궁극적으로 가스 센싱 시스템의 유지보수를 줄이고 센서의 작동 수명을 길게 할 수 있다.

산업용 애플리케이션의 시스템 설계 과제

산업용으로는 안전성과 신뢰성이 중요하기 때문에 산업용 애플리케이션에는 엄격한 규정들이 적용된다. 화학 공장 같은 열악한 산업용 환경에서 가스 센싱 시스템이 신뢰성 높게 작동하기 위해서는 이러한 규정들을 충족해야 한다.

EMC는 다양한 전자 장비들이 공통적인 전자기 환경에서 상호 간섭을 일으키지 않고 적절히 동작할 수 있는 능력을 말한다. EMC와 관련해서 복사 방사나 복사 내성 같은 것들을 테스트한다. 방사 테스트는 어떤 시스템이 원치 않는 방사를 얼마나 발생하는지를 테스트하는 것이고, 복사 내성 테스트는 다른 시스템들로부터 간섭이 존재하는 가운데 자신의 기능성을 얼마나 유지할 수 있는가를 테스트 하는 것이다.

전기화학식 가스 센서는 구조 자체가 EMC 성능에 부정적인 영향을 미친다. 센서 전극이 안테나로서 작용함으로써 인근의 전자 시스템으로부터 간섭을 끌어들일 수 있다. 작업자 안전을 위한 휴대용 기기 같은 무선 연결 가스 센싱 디바이스는 이 영향이 더 심해질 수 있다.

EMC 테스트는 대체로 시간이 많이 걸리며, 최종 시험을 통과하기까지 시스템을 여러 번 수정해야 할 수 있기 때문에 제품 개발에 상당한 비용과 시간이 걸릴 수 있다. 따라서 EMC 시험을 이미 통과한 통합적인 신호 체인 솔루션을 사용한다면 이 시간과 비용을 크게 단축할수 있다.

또 다른 중요한 고려사항이자 기술적 과제는 기능 안전성 (functional safety)이다. 기능 안전성은 위험을 일으킬 가능성이 있는 조건들을 감지하고 보호 조치나 교정 조치를 취해서 위험한 상황이 발생하지 않도록 하는 것을 말한 다. 이러한 안전 기능이 제공하는 위험 저감 능력을 판단할 수 있게 한 것이 SIL(safety integrity level) 등급이 다. 산업용 표준들은 당연히 이러한 기능 안전성 요건을 조건으로 명시하고 있다.

산업용 가스 센싱 애플리케이션에서 기능 안전성은 주로 특정한 환경에서 안전하게 작동하는 것과 관련된다. 산업용 환경에는 폭발성 가스나 가연성 기체가 존재할 수 있기 때문이다. 화학 공장이나 광산 등이 그러한 예이다. 기능 안전성 표준을 충족하려면, 해당 시스템은 요구되는 SIL 등급에서 안전하게 작동하는지를 확인받아야 한다.

아나로그디바이스의 단일 칩 전기화학 측정 시스템

앞서 열거한 요건들을 충족하고, 고객들이 보다 지능적이고 정확하며 경쟁력 있는 가스 센싱 시스템을 설계할 수있도록 하기 위해 아나로그디바이스는 가스 센싱 및 물 분석 애플리케이션을 위한 단일 칩 전기화학 측정 시스템 ADuCM355를 출시했다.

ADuCM355는 2개의 전기화학 측정 채널, 센서 진단용 임피던스 측정 엔진, 사용자 애플리케이션과 센서 진단및 보정 알고리즘을 실행하기 위한 초저전력 혼성신호 ARM®Cortex®-M3마이크로컨트롤러를 포함한다. 그림 5는 ADuCM355의 기능 블록 다이어그램이다.

그림 5. ADuCM355의 기능 블록 다이어그램

아나로그디바이스는 시장의 동향과 고객들의 요구를 반영해서 다음과 같은 기능들을 통합한 고집적 온칩 측정 시스템을 개발했다. ◇ 16비트 400kSPS ADC

◇ 2개의 듀얼 출력 DAC(전기화학 셀에 바이어스 전압 제공)

◇ TIA 증폭기를 포함하는 2개의 초저전력 저잡음 정전 위기(potentiostat)

◇ 고속 TIA를 내장한 고속 12비트 DAC

◇ 진단 기능을 위한 아날로그 하드웨어 가속기(파형 생성기, 디지털 퓨리에 변환 블록, 디지털 필터)

◇ 내장형 온도 센서

◇ 26MHz ARM Cortex-M3 마이크로컨트롤러 ADuCM355를 사용함으로써 전기화학식 가스 센싱의 기술 과제들을 해결할 수 있다. 2개의 측정 채널은 널리 사용 되고 있는 3전극 가스 센서뿐 아니라 4전극 센서 구성도 지원한다. 네 번째 전극은 진단용으로 사용하거나, 듀얼 가스 센서의 경우에 두 번째 기체에 대한 작업 전극으로 사용할 수 있다. 또한 어떤 정전위기든 동면하도록 구성해서 센서 바이어스 전압을 유지하면서 전력 소모를 낮출 수있다. 따라서 센서가 적절히 동작하도록 안정화하는데 걸리는 시간을 단축할 수 있다.

아날로그 하드웨어 가속기 블록은 EIS나 크로노암페로메트리 같은 센서 진단 측정을할 수 있다. 또한 마이크로컨트롤러를 통합하고 있어 보상 알고리즘을 실행하고, 교정 파라미터를 저장하며, 사용자 애플리케이션을 실행할 수 있다. ADuCM355는 EMC를 수월하게 충족하도록 설계되었으며, EN 50270 표준 충족에 관한 사전 시험을 받았다.

한편, 아나로그디바이스는 마이크로컨트롤러가 필요 없는 애플리케이션을 위해 프론트 엔드만을 포함하는 AD5940도 제공한다.

맺음말

지속적인 기술 혁신 덕분에, 전기화학식 가스 센서가 보편적으로 활용되는 데 걸림돌이 되었던 기술적 과제들을 극복할 수 있게 되었다. 저렴한 가격대의 무선 공기질 모니터링에서부터 공정 제어와 작업자의 안전을 보장하기 위한 애플리케이션에 이르기까지, 진단 기능을 내장한 통합적인 신호 체인을 사용함으로써 이러한 센서들을 좀더 보편적으로 사용해서 유지보수를 줄이고, 정확도를 높이 고, 센서 수명을 길게 하고, 비용을 절감할 수 있다.

글 / 미칼 라니넥(Michal Raninec) 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.) 시스템 애플리케이션 엔지니어