산업가스 안전의 척후병, ‘가스누설 감지기’

반도체·석화공정·터널·주차장 등 다방면에 적용

최근 산업의 급속한 발전에 따라 각종 가연성 가스와 유독성 가스, 산소 등이 생산, 저장, 운송, 사용, 폐기 되면서 가스의 누설사고가 많이 발생되고 있다. 이러한 사고를 미연에 방지할 수 있도록 하는 것이 가스누설 감지기다. 업체들은 각종 설비로부터 누출되는 가연성가스나 독성가스, 산소결핍을 조기에 감지해 재해를 미연에 방지함은 물론, 신속히 조치하기 위해 가스누설 감지기를 설치해 사용하고자 하는 요구가 급속히 높아지고 있다.

가스누설 감지시스템은 폭발성가스 및 유독성가스의 누설 위험장소에 설치돼 상시 감시하며 가스가 누설될 때 즉각적인 감지를 통한 경보 및 안전 차단 등의 조치로 인명이나 재산의 피해를 사전 예방하는데 목적을 두고 있다.

■산업체에서 주차장까지 적용되는 가스감지기
가스(Gas)라는 단어는 혼돈(Chaos)이라는 단어에서 유래한다. 가스는 임의적으로 무질서하게 움직이는 분자들의 무리인데, 분자들끼리 그리고 그 주변의 모든 것들과 끊임없이 충돌한다. 가스는 비어있는 공간을 메우려 하고, 몹시 빠른 움직임으로 가스가 방출된 곳의 대기와 섞인다.

가스는 우리 생활과 밀접하다. 우리가 숨쉬는 공기는 산소(O₂)와 질소(N₂)를 포함한 여러 종류의 가스로 구성돼 있다. 우리가 난방과 조리용으로 쓰는 천연가스는 메탄(CH₄)을 주 성분으로 하고 있으며 타고다니는 자동차의 엔진이 연료와 산소를 연소하면 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂)가 포함된 배기가스를 배출한다.

▲ ▲가스의 성질. ▲가스의 성질

가스 중에는 무색무취에다가 보이지 않고 가연성, 유독성, 질식성 등을 가지고 있는 물질도 있어 주의가 요구된다.

이에 다양한 분야에서 가연성가스, 유독성가스, 산소결핍을 사전에 인지하는 감지기가 필요하다. 위험한 물질, 특히 가연성 또는 유독성 가스와 같은 위험물질의 사용 및 제조가 포함되는 산업체 공정과정에서 불가피하게 가스가 누출되는 경우가 발생하는데. 이로 인해 산업 시설과 근로자, 그리고 주변에 거주하고 있는 사람들에게 질식이나 폭발 등의 인명 손실 및 재산 손실을 유발시키고 있다.

대부분의 산업 현장에서 인명이나 시설의 피해를 줄이기 위한 중요한 방법 중 하나는 가스 감지기와 같은 조기 경보장치를 이용하는 것이다. 이러한 방법은 구조 및 보호 활동을 취할 수 있는 시간을 확보해주게 되며, 동시에 산업 현장의 총괄적인 통합감시 및 안전시스템의 일부로 사용된다.

석유 및 가스탐사와 수송, 저장을 포함하는 석유 및 가스산업에서는 다량의 가연성 탄화수소(CNHM)가 다뤄지고 있으며 황화수소(H₂S)와 같은 유독성가스도 존재하고 있어 주의를 요구한다.

반도체 제조산업의 공정에서는 맹독성 물질들과 가연성 가스가 사용된다. 이중 인(P), 비소(As), 붕소(B), 갈륨(Ga)은 도핑 물질로, 수소(H₂)는 반응 물질인 동시에 환원성대기 운반기체로 사용된다. 에칭(etching)이나 세정을 위한 가스로는 과불화물(Perfluoro compounds) 등이 있다.

화학산업에서는 가연성을 지니는 탄화수소계와 황화수소(H₂S), 불화수소(HF), 암모니아(NH₃)를 포함한 다양한 유독가스가 빈번이 사용되는 동시에 부산물로도 가스가 생성돼 가스누설 탐지기가 가장 많이 사용되고 있다.

발전소에서는 기존 주요 원료였던 석탄, 석유가 천연가스로 대체되면서 천연가스, 수소, 일산화탄소, 황산화물(SOx), 질산화물(NOx) 등의 가스가 사용되고 있다.

도시 인근에서 쉽게 찾아볼 수 있는 폐수처리시설에서는 하수 처리 과정에서 메탄과 황화수소가 발생하는데 특히 썩은 달걀냄새가 나는 황화수소는 0.1ppm보다 적은 양이라도 후각으로 감지된다. 이밖에 솔벤트 증기, 이산화탄소(CO₂), 염소(Cl₂), 이산화황(SO₂), 오존(O₃) 등이 발생한다.

보일러 시설은 가스공급과정과 파이프배관에서의 누출로 일산화탄소와 메탄 등이 발생할 수 있다.

병원에서는 실험용과 기구 소독·세정용으로 메탄, 수소, 염소, 암모니아, 산화에틸렌(C₂H₄O) 등 가연성 및 유독가스가 쓰인다.

터널과 실내주차장에서는 메탄, 가솔린 증기, 일산화탄소, 이산화질소(NO₂) 등 자동차 유해배기가스들이 배출되는데 이를 환기팬을 통해 외부로 배출할 때 이를 제어하기 위한 가스누설 감지기가 필요하다.

▲ ▲가스종류별 열전도도 (공기와의 관계비). ▲가스종류별 열전도도 (공기와의 관계비)

■가스누설 감지기의 종류
가스누설 감지기는 측정원리에 따라 △열전도방식(Thermal Conductivity Type) △접촉연소식(Catalytic Type) △열선형 반도체식(Hot Semiconductor Type) △반도체식 (Semiconductor Type) △전기화학식(Electro-Chemical Type) △켐카세트식 (Chemcassette Type) △적외선식 (Infrared Type)으로 구분할 수 있다. 측정형태에 따라서는 △대기 확산식 (Diffusion Type) △자동 흡입식 (Sampling Type)으로, 전송방식에 따라서는 △비 전송기식 (Non-Transmitter Type) △전송기식 (Transmitter Type)으로 구분할 수 있다.

■열전도율 높은 혼합가스 감지, ‘열전도방식’
이 기술은 고농도(% volume)의 2성분 혼합 가스를 측정하는 경우에 적합한 방법이다. 이것은 메탄이나 수소와 같이 대기보다 열전도율이 높은 가스를 감지하는 용도에 주로 사용되며, 암모니아와 일산화탄소와 같이 대기와 비슷한 열전도율을 가진 가스는 감지가 어렵다. 이산화탄소나 부탄(C₄H10)과 같이 대기보다 낮은 열전도율을 가진 가스도 수증기의 방해로 인해 감지가 어렵다. 그러나 공기를 포함하지 않은 두 가지 가스의 혼합물도 이 방식의 센서를 이용하면 측정할 수 있다. 가열된 감지 엘리먼트는 시료에 노출돼 있고, 기준 엘리먼트는 밀봉된 공간에 들어있다. 만약 시료 가스의 열전도율이 기준 엘리먼트보다 높다면 감지 엘리먼트의 온도는 상대적으로 떨어진다. 반대로 시료 가스의 열전도율이 기준 엘리먼트보다 낮다면 감지 엘리먼트의 온도가 상대적으로 높아진다. 이때 온도의 변화양은 감지 엘리먼트에 존재하는 시료 가스의 농도에 비례한다.

▲ ▲열전도방식. ▲열전도방식

■반응열 발생 농도 측정, ‘열선형 반도체식’
후막구조의 경우 일반적으로 널리 사용되고 있는 접촉연소식 센서와 동일한 구조를 가지고 있으나 코팅된 물질이 다르다. 백금 코일에 알루미나성 촉매를 소결한 것으로 가연성가스를 포함한 공기가 촉매활성인 고온의 소자 표면에 접촉하면, 폭발하며 한계 이하의 농도일 때에도 가연성 가스와 산소가 반응해 반응열이 발생하는 것을 이용한다. 이때 발생한 열이 백금코일의 온도를 상승시키고, 그 저항치가 증가하게 된다. 이 저항의 증가분을 브릿지 회로를 통해 검출해 가스의 농도를 측정 할 수 있다. 박막 구조의 경우 절연 기판위에 히터를 형성하고 그 위에 직접 산화물 반도체막을 증착함으로써 소자의 크기를 마이크로미터(μm)정도의 단위로 소형화한 구조이다. 열선형 반도체식 센서는 히터와 감지전극을 한 쌍으로 해 리드선이 적고, 구조가 접촉연소식 이므로 주변회로도 간단하게 설계 할 수 있으며 열용량을 줄여 안정화 시간을 반도체식에 비해 상당히 짧게 할 수 있다. 또한 감지층이 알루미나 촉매층이 아닌 산화물 반도체를 사용함으로써 피독현상에 대해서도 강하다는 장점을 갖추고 있다.

<다음호에 계속>