접촉연소식 센서, 중금속 저항성 높여야


반도체식 센서, 수시점검 필수

■접촉연소식(Catalytic Type)
현재 거의 모든 가연성 가스 센서들은 접촉연소식(catalytic type)을 사용하고 있다. 이것은 비드(Bead)라고 하는 작은 구슬형 검출 소자로 만들어진다. 이 센서는 전기에 의해 가열되는 백금선 코일로 만들어지는데, 그 위를 알루미나(Al₂O₃)와 같은 세라믹 베이스로 감싸고, 최종 코팅 물질로는 산화토륨(ThO₂)지지층에 분산된 파라듐(Pd)또는 로듐(Rh)촉매를 사용한다.

접촉연소식 센서는 가연성 가스와 공기(산소) 혼합물이 뜨거운 촉매 표면을 지나갈 때 연소되면서 열을 방출하여 비드의 온도를 증가시키는 원리에 의해 작동한다. 연소되면서 비드의 온도가 상승하면 백금 코일의 전기적 저항이 증가하게 된다. 센서를 휘스톤 브리지 회로를 이용해 저항의 변화를 측정한다. 저항의 변화는 주변 대기에 있는 가스 농도에 직접적으로 연관되며, 이 값은 미터기 또는 그 외 유사한 지시장치에 의해 표시될 수 있다.

촉매 물질이 도포된 ‘감응(sensitive)’센서는 주로 가연성가스의 농도에 따라 전기 저항이 달라지지만 온도, 습도 등 주변 환경에 따라서 약간의 변화가 발생한다. 주변 환경의 변화에 대한 측정의 안정성을 향상시키기 위하여 접촉연소식 센서에서는 열적으로 쌍을 이루는 또 하나의 비드를 사용한다. 이 새로운 비드는 휘트스톤 브리지(Wheat-stone bridge)의 마주보는 곳에 위치하는 ‘비감응(non-sensitive)’센서다. 비감응 센서는 비드릴 유리 필름으로 코팅하거나 촉매의 비활성화를 통하여 가스 농도에는 상관없이 단지 외부 온도나 습도 변화에만 반응하도록 만든 것이다. 이 비드는 감응 센서의 온도나 습도에 의한 영향을 보상한다는 의미에서 ‘보상(compensation)’센서라고도 하는데, 상용화된 대부분의 접촉연소식 센서는 감응 센서와 보상 센서가 한 쌍으로 구성된다.

접촉연소식 센서는 촉매를 비활성화(de-activate)또는 피독(poison)시키는 실리콘(Si), 황(S), 납(Pb), 비소(As), 카드뮴(cd), 게르마늄(GeH₄), 불소(F)와 같은 중금속 물질에 의해 급속하게 손상돼 성능을 잃을 수 있다. 따라서 촉매식 센서의 안정적인 작동을 위한 향후의 개선 방향은 이러한 피독 물질들에 대한 저항성을 향상시키는 것이다.

▲ ▲접촉연소식 비드(Bead) 구조. ▲접촉연소식 비드(Bead) 구조

■반도체식(Semiconductor Type) 센서
반도체식 센서는 가열된 산화물 표면의 가스 흡착 작용에 의해 작동한다. 이 센서는 일반적으로 전이금속이나 주석과 같은 중금속의 산화물인 SnO₂, ZnO, Fe₂O₃ 등의 재질로 만들어진다. 촉매에 의한 산화에 이어서 산화물 표면에서 가스의 흡착 작용이 일어나면 산화금속의 전기저항이 낮아지는데, 해당 가스의 농도와 저항치의 변화량 사이에 일정한 관계를 갖는다. 반응 비율을 높이거나 주변 온도의 변화에 따른 영향을 줄이기 위하여 센서 표면을 200~250℃의 일정한 온도로 가열한다.

반도체식 센서는 고체의 표면과 기체와의 반응을 이용하는 것으로 기체가 흡착되는 속도와 흡착되는 기체의 선택성은 센서의 동작 온도, 촉매 성분과 양, 센서 주위의 분위기에 따라 크게 영향을 받는다.

반도체식 센서는 단순하고, 기계적으로 견고하며, 매우 민감하다. 이 센서는 황화수소를 감지하는 데 사용되었으며, 저렴한 가정용 가연성 가스 감지기의 생산에 폭넓게 적용됐다. 하지만 원하는 가스에만 선택적으로 반응하지 못하고 대기 온도나 습도 변화에 의한 영향이 크기 때문에 산업용으로 사용하기에 신뢰성이 떨어지는 것으로 판명된바 있다.

또한 반도체식 센서는 자주 점검하지 않으면 감도가 급격히 떨어져 작동정지 현상이 발생하고, 높은 농도의 가스에 노출된 후에는 반응과 회복이 느려지는 등의 문제점이 있기 때문에 다른 센서에 비해 사용상 많은 주의가 필요하다.
                                                                                <다음호에 계속>