적외선(IR) 방식 가스 측정 원리

요약
적외선(IR) 방식 가스 센서는 가스 분자가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성을 이용하여 농도를 측정합니다. 센서 내부에서 측정 파장과 기준 파장의 광량을 비교하고, 흡수된 적외선의 양을 분석하여 ppm, %Vol 또는 %LEL 단위의 가스 농도로 변환합니다. 대표적인 방식은 NDIR(비분산 적외선)이며 CO2, CH4, 탄화수소계 가연성가스, CO 및 냉매가스 측정 등에 활용됩니다.

가스는 종류에 따라 고유한 적외선 흡수 파장대를 가지고 있습니다. 적외선 방식은 이러한 특성을 가스의 일종의 광학적 지문처럼 활용하여 측정 대상 가스의 존재 여부와 농도를 판단합니다.

적외선 센서는 가스와 전극 또는 촉매가 직접 반응하는 방식이 아니기 때문에 센서 소모가 비교적 적고 장기 안정성이 우수합니다. 하지만 모든 가스를 측정할 수 있는 것은 아니며, 광학부 오염과 수분 응축, 온도·압력 변화 및 다른 가스의 흡수 파장 간섭을 함께 고려해야 합니다.

1. 가스가 적외선을 흡수하는 이유

적외선은 가시광선보다 파장이 긴 전자기파입니다. 가스 분자에 적외선이 조사되면 특정 파장의 에너지가 분자의 진동 또는 회전 운동과 일치할 때 해당 에너지가 분자에 흡수됩니다.

가스 분자에서는 대표적으로 다음과 같은 진동이 발생합니다.

신축 진동 : 원자 사이의 결합 길이가 늘어나거나 줄어드는 운동
굽힘 진동 : 분자를 구성하는 원자 사이의 결합 각도가 변하는 운동
비대칭 진동 : 분자의 한쪽 결합은 늘어나고 다른 쪽은 줄어드는 운동
회전 운동 : 분자가 회전하면서 에너지 상태가 변하는 현상

가스마다 분자 구조와 결합 상태가 다르기 때문에 흡수하는 적외선 파장도 달라집니다. 센서는 측정 대상 가스가 강하게 흡수하는 파장대를 선택하여 농도를 분석합니다.

다만 일반적인 적외선 흡수 측정에서는 분자의 진동 과정에서 쌍극자 모멘트가 변해야 적외선 흡수가 나타납니다. 이 때문에 H2, O2, N2처럼 동일한 원자 두 개로 이루어진 기체는 일반적인 NDIR 센서로 직접 측정하기 어렵습니다.

2. 적외선 가스 센서의 주요 구성

일반적인 적외선 가스 센서는 적외선 광원, 가스 측정 공간, 광학 필터, 검출기 및 신호 처리 회로로 구성됩니다.

적외선 광원 : 측정에 필요한 적외선을 발생
가스 셀 또는 광학 경로 : 측정 대상 가스가 적외선을 통과하는 공간
광학 필터 : 특정 가스가 흡수하는 파장대만 선택
측정 검출기 : 가스에 의해 감소한 적외선 광량을 감지
기준 검출기 : 가스 흡수의 영향이 적은 기준 파장의 광량을 감지
온도·압력 센서 : 환경 변화에 따른 측정값 보정
연산 회로 : 측정 신호를 가스 농도로 변환

일부 센서는 하나의 검출기와 교체형 광학 필터를 사용하고, 다른 센서는 측정 채널과 기준 채널을 동시에 구성합니다. 제품 구조에 따라 광원, 필터 및 검출기의 수와 배치가 달라질 수 있습니다.

3. 적외선 가스 측정 과정

적외선 방식의 가스 측정은 일반적으로 다음과 같은 순서로 진행됩니다.

적외선 광원이 일정한 세기의 적외선을 방출합니다.
적외선이 가스 셀 또는 측정 경로를 통과합니다.
측정 대상 가스가 고유 파장대의 적외선을 흡수합니다.
광학 필터가 측정에 필요한 파장만 검출기로 전달합니다.
검출기가 통과한 적외선의 세기를 전기적 신호로 변환합니다.
측정 파장과 기준 파장의 광량 차이를 비교합니다.
내부 보정 알고리즘이 적외선 흡수량을 가스 농도로 환산합니다.

가스 농도가 높아질수록 측정 경로를 통과하는 적외선의 흡수량은 일반적으로 증가하고, 검출기에 도달하는 측정 파장의 광량은 감소합니다. 센서는 이 광량 변화를 미리 저장된 교정곡선과 비교하여 농도를 계산합니다.

4. 비어-람베르트 법칙

적외선 가스 측정의 기본 원리는 비어-람베르트 법칙으로 설명할 수 있습니다. 이 법칙은 빛이 특정 물질을 통과할 때 물질의 농도와 빛이 통과한 거리에 따라 광량이 감소하는 관계를 나타냅니다.

I = I0 × e^-kCL

I0 : 가스에 흡수되기 전의 적외선 세기
I : 가스를 통과한 후의 적외선 세기
k : 해당 가스와 파장에 따른 흡수계수
C : 측정 대상 가스의 농도
L : 적외선이 가스를 통과한 광학 경로 길이

동일한 가스에서는 농도가 높을수록 흡수되는 적외선의 양이 증가합니다. 또한 같은 농도라도 적외선이 가스 속을 통과하는 거리가 길어지면 더 많은 에너지가 흡수되어 측정 감도가 높아질 수 있습니다.

실제 센서는 광원의 특성, 검출기 감도, 온도, 압력 및 흡수 파장의 비선형성을 반영하기 위해 단순 계산식만 사용하지 않고 표준가스를 이용해 작성한 교정곡선과 보정 알고리즘을 함께 사용합니다.

5. 측정 파장과 기준 파장을 비교하는 이유

적외선 광원의 출력은 사용 시간과 주변 온도에 따라 변할 수 있습니다. 또한 렌즈나 반사면에 오염이 쌓이면 검출기에 도달하는 전체 광량이 감소할 수 있습니다.

이러한 변화만으로 가스 농도가 상승했다고 판단하면 측정 오류가 발생합니다. 따라서 많은 적외선 센서는 다음 두 가지 파장을 비교합니다.

측정 파장 : 대상 가스가 강하게 흡수하는 파장대
기준 파장 : 대상 가스의 흡수가 거의 발생하지 않는 파장대

가스 농도가 높아지면 측정 파장의 광량은 감소하지만 기준 파장의 광량은 상대적으로 유지됩니다. 반면 광원 출력 저하나 광학부 오염이 발생하면 두 채널의 광량이 함께 감소하는 경향을 보입니다. 센서는 두 신호의 비율을 분석하여 가스 흡수와 장비 상태 변화를 구분합니다.

기준 채널을 사용하면 광원 노화와 일부 광학 오염을 보상할 수 있지만, 모든 고장이나 오염을 완전히 제거할 수 있는 것은 아닙니다. 정기적인 기능 점검과 교정은 여전히 필요합니다.

6. NDIR 방식이란?

NDIR은 Non-Dispersive Infrared의 약자로, 비분산 적외선 방식이라고 합니다.

분광기처럼 프리즘이나 회절격자를 사용하여 넓은 적외선 영역을 세밀하게 분리하는 대신, 특정 가스의 흡수 파장에 맞춘 광학 필터를 사용하여 필요한 파장대만 선택합니다.

구조가 비교적 단순함
센서 소형화에 유리함
연속적인 가스 농도 측정 가능
특정 가스에 맞춘 선택적 측정 가능
산업용 고정식 감지기와 IoT 센서에 적용 가능

NDIR 방식은 실내공기질용 CO2 센서부터 산업용 가스 분석기, 탄화수소계 가연성가스 감지기까지 폭넓게 활용됩니다. 다만 측정 대상과 농도 범위에 따라 광학 경로 길이와 검출기 감도, 필터의 파장 특성 및 가스 셀 구조가 달라집니다.

7. 적외선 가스 측정기의 주요 형태

7-1. 확산식 포인트 센서

확산식 센서는 주변 공기가 자연 확산을 통해 센서의 광학 측정 공간으로 들어가는 방식입니다. 특정 위치의 가스 농도를 연속적으로 감시하는 고정식 가스 감지기에 많이 사용됩니다.

구조가 비교적 간단함
펌프와 샘플링 배관이 필요하지 않음
가스 누출 가능 지점의 국소 농도 감시에 적합

7-2. 흡입식 가스 분석기

흡입식은 펌프를 이용하여 외부 공기를 센서 내부의 가스 셀로 전달합니다. 원격 지점의 공기를 샘플링하거나 여러 지점의 가스를 하나의 분석기에서 측정할 때 활용됩니다.

센서와 측정 지점을 분리하여 설치 가능
샘플 가스의 필터링과 수분 처리 가능
배관 길이와 유량에 따라 응답시간이 증가할 수 있음

7-3. 오픈패스 적외선 방식

오픈패스 방식은 송신부와 수신부 사이의 개방된 공간으로 적외선을 전달하고, 측정 경로 전체에서 흡수된 적외선의 양을 분석합니다.

넓은 공간과 장거리 가스 누출 감시 가능
가스 구름이 이동하는 경로 감지에 유리
석유화학시설, 저장탱크 및 가스 처리시설에 활용

오픈패스 방식은 한 지점의 농도가 아니라 광학 경로 전체에 존재하는 가스량을 측정하므로 측정값이 ppm·m 또는 LEL·m와 같은 경로 적산농도로 표시될 수 있습니다. 따라서 포인트 센서의 ppm 또는 %LEL 값과 직접 비교할 때는 주의해야 합니다.

7-4. FTIR 및 광음향 방식

FTIR은 넓은 적외선 스펙트럼을 분석하여 여러 가스를 동시에 식별하는 방식입니다. 광음향 방식은 가스가 적외선을 흡수할 때 발생하는 미세한 압력 변화를 음향 신호로 검출합니다.

이러한 방식은 높은 선택성이나 다성분 분석에 활용할 수 있지만 일반적인 소형 NDIR 센서보다 장비 구조와 신호 처리가 복잡합니다.

8. 적외선 방식으로 측정할 수 있는 가스

적외선 방식은 적외선 영역에서 충분한 흡수 특성을 나타내는 가스에 적용할 수 있습니다. 대표적인 측정 대상은 다음과 같습니다.

이산화탄소(CO2) : 실내공기질, 농업, 배양기 및 공정 관리
메탄(CH4) : 도시가스, 바이오가스 및 가연성가스 감지
일산화탄소(CO) : 배출가스 및 연소공정 분석
탄화수소계 가스 : 프로판, 부탄 및 일부 가연성가스 측정
냉매가스 : 기계실과 냉동·공조설비 누출 감지
아산화질소(N2O) : 의료 및 공정가스 측정
일부 공정가스 : 가스별 흡수 파장과 센서 설계에 따라 측정

반면 H2, O2, N2와 같은 동핵 이원자 분자는 일반적인 적외선 흡수 방식으로 측정하기 어렵습니다. 수소 가스 누출 감지가 필요한 현장에서 탄화수소용 IR 가연성가스 센서를 사용하면 수소를 검출하지 못할 수 있으므로 측정 대상 가스를 반드시 확인해야 합니다.

적외선 흡수 특성이 있다고 해서 하나의 IR 센서로 모든 가스를 측정할 수 있는 것도 아닙니다. 센서의 광학 필터와 교정 알고리즘이 어떤 가스를 기준으로 설계되었는지 확인해야 합니다.

9. 적외선 방식의 장점

가스와 센서 소자가 직접 화학 반응하지 않음
장기 안정성과 반복성이 비교적 우수함
센서 수명이 비교적 긴 편임
산소가 없는 환경에서도 측정 가능한 제품이 있음
촉매독에 의한 감도 저하 위험이 상대적으로 낮음
고농도 가스에 노출된 후에도 회복성이 비교적 우수함
측정 채널과 기준 채널을 이용한 보정 가능
ppm, %Vol 및 %LEL 등 다양한 농도 범위에 적용 가능
연속 측정과 산업용 IoT 시스템 연동에 적합

특히 탄화수소계 가연성가스 측정에서는 촉매연소식 센서와 달리 연소 반응에 필요한 산소를 이용하지 않습니다. 따라서 불활성 분위기나 산소 농도가 낮은 환경에서도 사용할 수 있는 장점이 있습니다.

다만 실제 사용 가능 조건은 센서 모델과 인증 범위에 따라 달라지므로 산소가 부족한 환경에 설치할 때는 해당 제품의 성능 사양을 별도로 확인해야 합니다.

10. 측정 오차를 발생시키는 주요 요인

10-1. 온도와 압력 변화

가스 농도가 같더라도 온도와 압력이 변하면 측정 셀 내부의 가스 분자 밀도가 달라집니다. 이로 인해 적외선 흡수량이 변할 수 있으므로 정밀 측정에서는 온도와 압력 보정이 필요합니다.

10-2. 수분과 결로

수증기는 넓은 적외선 영역에서 흡수 특성을 나타내며 일부 가스 측정에 간섭할 수 있습니다. 또한 렌즈나 반사면에 결로가 발생하면 적외선이 차단되거나 산란되어 비정상적으로 높거나 낮은 측정값이 나타날 수 있습니다.

10-3. 다른 가스의 파장 간섭

측정 대상 가스와 다른 가스의 흡수 파장대가 일부 겹치면 교차간섭이 발생할 수 있습니다. 광학 필터의 선택성과 내부 보정 알고리즘이 충분하지 않으면 다른 가스를 측정 대상 가스로 잘못 판단할 가능성이 있습니다.

10-4. 광학부 오염

먼지, 오일 미스트, 염분 및 공정 부산물이 렌즈와 반사면에 쌓이면 검출기에 도달하는 적외선 광량이 감소합니다. 기준 채널이 일부 변화를 보상할 수 있지만 오염이 심해지면 감도 저하 또는 장비 고장이 발생합니다.

10-5. 광원과 검출기의 노화

적외선 광원과 검출기는 장기간 사용하면서 출력과 감도가 변할 수 있습니다. 기준 채널과 자체 진단 기능이 적용된 센서라도 정기적인 영점 점검과 표준가스 교정이 필요합니다.

10-6. 샘플링 계통의 문제

흡입식 분석기에서는 배관 누설, 필터 막힘, 펌프 성능 저하 및 유량 변화가 측정값과 응답시간에 영향을 줄 수 있습니다. 수용성 또는 흡착성이 강한 가스는 배관 재질과 응축수에 의해 일부 손실될 수 있습니다.

10-7. 측정 범위 초과

가스 농도가 센서의 측정 상한을 초과하면 대부분의 측정 파장대가 흡수되어 검출기에 도달하는 광량이 매우 낮아질 수 있습니다. 이 상태에서는 농도 변화 구분이 어려워지고 정확한 측정값을 제공하지 못할 수 있습니다.

11. 설치 및 유지관리 시 고려 사항

측정 대상 가스와 센서의 광학 필터 및 교정가스 일치 여부 확인
가스의 비중, 누출 위치 및 환기 방향을 고려하여 설치
렌즈에 수분과 오일 미스트가 직접 유입되는 위치는 피함
먼지가 많은 환경에서는 적절한 보호구조와 점검주기 적용
흡입식 장비는 배관 길이, 재질, 누설 및 유량 상태 확인
오픈패스 방식은 송신부와 수신부 사이의 광축 정렬 상태 확인
영점가스와 표준가스를 이용해 영점 및 스팬 상태 점검
제조사가 제시한 교정과 광학부 청소 주기 준수
알람 설정값과 출력 신호가 정상적으로 연동되는지 기능시험 실시

적외선 센서는 전기화학식 센서보다 장기간 안정적으로 동작하는 경우가 많지만 유지관리가 필요 없는 센서는 아닙니다. 광학 경로가 물리적으로 차단되거나 오염되면 가스를 정확히 측정할 수 없으므로 정기적인 외관 점검과 표준가스 시험이 필요합니다.

안전용 가스 감지기는 화면에 정상값이 표시되는지만 확인하지 말고, 실제 시험가스를 주입하여 센서 반응, 경보 출력, 경광등, 환기설비 및 관제 시스템까지 정상적으로 작동하는지 점검해야 합니다.

12. 산업 IoT 가스 모니터링에서의 활용

적외선 가스 센서를 데이터로거와 연결하면 측정값을 서버로 전송하여 시간대별 농도 변화와 가스 누출 패턴을 실시간으로 확인할 수 있습니다.

실내공기질 CO2 농도 모니터링
보일러실과 연소시설의 CO 및 CO2 측정
석유화학시설의 탄화수소계 가연성가스 감지
바이오가스와 매립가스의 CH4·CO2 측정
냉동기계실과 공조설비의 냉매 누출 감지
식품 저장고와 스마트팜의 CO2 농도 관리
배출가스 및 산업 공정의 연속 농도 분석

수집된 데이터는 PC와 모바일에서 그래프로 확인하고 설정한 기준을 초과하면 문자, 전화 또는 이메일 알림을 전송하도록 구성할 수 있습니다. 또한 경광등, 환기팬, 차단밸브 및 상위 제어 시스템과 연계하여 가스 농도 상승에 대응하는 시스템을 구축할 수 있습니다.

다만 원격 모니터링 시스템은 현장 가스 감지기를 보조하는 관리 수단입니다. 인명 안전과 방폭 설비에 사용되는 경우에는 센서의 방폭 인증, 안전 무결성, 측정 범위, 응답시간 및 관련 법규 적합성을 함께 검토해야 합니다.

가스 센서 측정 방식 비교

가스 센서는 측정 대상과 설치 환경에 따라 적절한 방식을 선택해야 합니다. 아래 표는 적외선 방식과 산업 현장에서 자주 사용되는 가스 센서 방식을 비교한 자료입니다.

측정 방식	주요 측정 대상	측정 원리	주요 장점	주요 제한사항
적외선(IR·NDIR)	CO2, CH4, CO, 탄화수소, 냉매	특정 파장의 적외선 흡수량 분석	장기 안정성, 산소 비의존, 촉매독 영향 적음	H2·O2 측정 곤란, 광학부 오염과 결로 영향
전기화학식	CO, H2S, SO2, NO2, O2 등	전극의 산화·환원 반응에서 발생한 전류 측정	저농도 측정, 높은 감도, 소형화	센서 수명 제한, 교차감도와 환경 영향
촉매연소식	가연성가스, 수소	촉매 표면의 연소열에 따른 저항 변화	다양한 가연성가스 검출, 구조와 운용 경험 풍부	산소 필요, 촉매독과 고농도 노출 영향
MOS	VOC, 가연성가스, 공기질	금속 산화물 표면 반응에 따른 저항 변화	소형화, 낮은 비용, 높은 감도	선택성 제한, 습도와 다른 가스의 영향
PID	VOC	자외선으로 가스를 이온화하여 전류 측정	저농도 VOC에 높은 감도	개별 VOC 식별 제한, 램프 유지관리 필요

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