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공기질 측정 센서: 환경적 변수를 감지하는 기술을 재정의하다

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글/빌 슈베버(Bill Schweber), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

사람들은 빛, 압력, 소리 등 다양한 물리적 현상을 측정할 수 있는 센서를 항상 원했다. 가장 흔한 측정 대상인 온도도 마찬가지이다. 희소식이 있다면 고성능, 저비용, 간편한 사용 방법 등 여러 장점을 갖춘 제품이 개발되면서 MEMS(미세전자기계시스템) 기술도 발전하고 있다는 점이다. 덕분에 여러 물리적 요소들 중 상당수를 측정하는 기술이 발전했다. 예를 들어, 밀접한 물리적 속성인 위치와 동작은 전통적으로 측정하기 가장 어려운 요소였다. 하지만 드론의 항법 장치와 자동차 안전 유지를 목적으로 광범위하게 사용되는 실리콘 소재의 소형 가속도계, 자이로스코프 같은 소자들이 개발되면서 위치와 동작 측정은 사소한 기능이 되었다.
하지만 수증기와 기체(냄새)를 측정하는 고성능, 저비용, 저전력 센서의 개발은 아직 요원하다. 사냥개 비글의 예민한 후각의 성능을 갖춘 제품은 아직 개발되지 않았다. 심지어 인간의 코가 가진 성능도 갖추지 못했다. 기체와 VOC(휘발성 유기 화합물)는 고사하고 습도를 측정하는 센서도 개발하기 매우 어려웠고, 온도 센서보다 사용, 계산, 집적시키는 것이 더욱 어려웠다. 더욱이 기체 센서는 스케일링, 전압 대 전류 비교, 타이밍, 기타 편차 등 상이한 아날로그 출력 포맷을 종종 가지고 있다(그림 1).

[그림 1] 3선 전압, 4선 전압, 2선 4~20mA 전류 출력 등 센서에는 상이한 아날로그 인터페이스가 일반적으로 사용된다. 아날로그 I/O(입출력장치)에 상이한 센서를 집적시키는 일은 어려운 과제가 될 수 있다.(출처: TE Connectivity)

특히 상이한 여러 변수를 한 곳에서 측정해야 하는 경우 문제는 더욱 가중된다. 다양한 감지 솔루션을 간단하고 성공적으로 연결하려면 제한적으로 센서를 선택해야 하고 어댑터 회로를 추가해서 단일의 출력 포맷을 갖추거나, 다양한 출력 포맷에 연결되어야 하기 때문이다.
하지만 지난 10년간 MEMS 기술과 반도체 산업이 상황을 크게 개선시켰고 일부 기체를 측정할 수 있는 저전력, 저비용 센서가 개발되는 등 많은 발전이 있었다. 그러나 이러한 발전은 기체 센서가 아니라 에어백 작동에 필요한 주문형 충격 센서와 압력 센서에서 시작되었다. 이렇게 연구, 발전, 상용화가 이어지면서 압력, VOC, 이산화탄소와 관련된 MEMS 센서가 발전할 수 있는 문이 열렸다. 그 결과 기체와 액체를 기본적으로 감지하는 마이크로칩 기반의 장치들이 광범위하게 개발되었다. 보정, 집적으로 인한 추가 특성, 더 많은 내장형 기능들도 제공된다.

최신 추세: 단일 지점에서 다양한 변수 감지

기본 성능, 간편한 상호연결, 비용, 전력 요구량 같은 측면에서 센서가 발전하면서 한 지점에서 여러 매개변수를 측정할 수 있게 되었다. 이런 변화는 한 지점에서 온도(그리고 아마도 습도)만 측정하고 VOC와 이산화탄소는 다른 지점에서 측정하는 기존 구도에서 벗어난 것이다. 최신 센서를 이용하면 단일 경로(유선 또는 무선)로 제공되는 연결성을 바탕으로 많은 센서를 모두 집적시키는 것이 가능하며, 사실 합리적인 일이다.
이러한 방식은 다양한 매개변수로 측정한 센서 데이터가 필요한 여러 애플리케이션의 목적에 부합한다. 조명 제어, 건물 자동화, 보안, 동작 및 실내 인원 감지, 스마트홈, 커넥티드 홈, 대기질 모니터링, 에너지 관리 등이 여기에 해당된다. 더욱이 원하는 다수의 센서들을 1개 장치에 결합하면 시스템 설계자, 프로젝트, 심지어 최종 사용자까지 제품 출시 시간 감소, 설계상 ‘깜짝 요소’ 축소, 설치 비용 감소 등 여러 장점을 누릴 수 있다. 설계자는 (필요하거나 원하지 않는한) 개별 센서와 인터페이스를 신경 쓸 필요가 없기 때문이다. 따라서 산업, 상용, 기관, 주거 환경에서 다기능 환경 센서 노드를 저비용으로 편리하게 설치할 수 있다.
이렇듯 여러 센서를 결합할 수 있는 새로운 기회를 이용해서 제조사들은 소형 보드와 모듈을 개발해 왔다. 앞서 언급한 애플리케이션에서 완벽하고 집적도가 높으면서 간편하게 사용할 수 있는 보정된 솔루션은 일반적으로 필요한 감지 성능을 제공하기 때문이다. 기체성 변수 등 다수의 물리적 변수들을 집적된 센서들로 측정할 수 있게 되면서 기존의 어려움들이 해결되고 어떠한 새로운 기회가 생겼는지 다음에 소개하는 두 제품은 잘 보여준다.

TE Connectivity AmbiMate 센서 모듈 MS4 시리즈

TE Connectivity(TE)가 생산하는 AmbiMate 센서 모듈 MS4 시리즈는 건물처럼 고정된 공간에 설치되는 장치에 사용되며, PC 보드에 패키지로 포함된다. 크기는 16 × 30mm에 불과하다(그림 2). TE의 AmbiMate 센서 모듈 MS4 시리즈 제품은 PIR(수동 적외선) 감지기를 이용해서 잘 알려진 환경적 매개변수와 움직임을 감지하며, 빛, 온도, 습도도 감지한다. 또한 마이크를 이용해 소리를 감지하는 기능을 옵션으로 선택할 수 있으며, VOC를 감지해 주변 공기질과 위험 조건을 파악하며 이산화탄소도 감지한다(그림 3).

[그림 2] TE의 AmbiMate 센서 모듈은 고정된 장치에 사용하려고 개발된 소형 PC 보드에 실장된다.(출처: 마우저 일렉트로닉스)

[그림 3] AmbiMate 센서 모듈 보드는 사용자가 제공하는 외함에 하우징된다. 보드에는 ①온도 센서 ② 상대 습도 센서 ③ 동작 센서 ④ 조도 센서 ⑤ 오디오 마이크(옵션) ⑥ VOC 센서(옵션) ⑦ 이산화탄소 센서(옵션) 등 여러 센서가 실장된다.(출처: 마우저 일렉트로닉스)

AmbiMate 센서 모듈은 단일 3.3VDC(공칭) 전원 장치(최소 전압 3.1V)로 작동하며, 소비 전류 10mA(VOC/CO2 감지 옵션을 추가하는 경우 33mA)만으로 낮은 전력 손실, 높은 신뢰도, 적은 배터리로 긴 작동 수명 같은 장점을 제공한다. 온도 측정값의 정확도는 5~50℃ 범위에서 ±0.3℃이며, 5~95% 상대 습도 범위에서 습도 측정값의 정확도는 2%이다. 온도 센서와 습도 센서 모두 업데이트 속도 1초를 제공한다.
기체 감지 기능의 경우, 이 모듈은 0~1,187ppb(10억분의 1) 범위에서 VOC의 농도를 측정하며, CO2는 400~8,192 ppm(백만분의 1) 범위에서 측정한다. 기체와 관련된 두 측정값 모두 60초간 획득 기간을 갖는다.
이 모듈은 100k 보드 I2C 인터페이스를 통해 언제나 쿼리를 전달할 수 있으며, 동작과 오디오 수준에서 감지하기 위한 인터럽트 주도의 이벤트 핀(응답 시간 0.5초 미만)도 포함한다. 오디오 알람 출력의 감도는 100Hz~10kHz 주파수대에서 -25~-19dBV이다.

Bosch Sensortec BME680 집적식 환경 센서

AmbiMate 모듈과 달리 Bosch Sensortec의 BME680 집적식 환경 센서 장치는 모바일 애플리케이션과 웨어러블 장치에 맞게 개발된 패키지에 고선형성, 고정확도 기체, 압력, 습도, 온도 센서가 모두 통합되었다. 금속 소재의 소형 LGA(랜드 그리드 어레이) 외함은 설치 면적이 3 × 3mm, 높이는 0.95mm에 불과하다(그림 4). 다른 프로세서 설정에 맞도록 간편하게 연결할 수 있도록 I2C 1개, SPI(직렬 주변장치 인터페이스) I/O 포맷 2개를 지원한다(그림 5).

[그림 4] Bosch Sensortec의 BME680 집적식 환경 센서는 모바일 애플리케이션과 웨어러블 장치에 맞게 개발된 소자로, 3 × 3mm 금속 뚜껑으로 보호되어 거의 보이지 않지만 여러 센서, 보정 기능 및 I/O 기능까지 하나의 외함에 모두 포함시켰다.(출처: Bosch)

[그림 5] BME680과 호스트 프로세서 간 연결을 촉진시키기 위해 (a) I2C 인터페이스 (b) 4선 SPI (c) 3선 SPI 등 일반적으로 사용되는 저전력 옵션 3가지를 포함한다. (출처: 마우저 일렉트로닉스

BME680은 페인트, 래커, 페인트 제거제, 사무실 장비, 풀, 접착제, 알코올 등에 포함된 VOC를 감지하도록 설계되었다. 보정 기능이 내장되었으며, 에탄올 이외에도 사람의 날숨에 포함된 VOC와 중요한 혼합물을 측정할 수 있다(표 1).

[표 1] BME680의 데이터시트에는 가장 흔한 VOC를 감지했을 때 허용 오차와 정확도를 제공한다.(출처: Bosch)

BME680의 기체 감지 기능은 이 작은 소자에 내장된 집적도 및 발전 수준을 보여준다. 이 기능은 2단계를 거쳐 실행된다.
① 필수적인 기체-센서 열판이 목표 온도(보통 200~400 ℃)까지 가열된 후 필요한 시간 동안 온도가 유지된다.
② 센서에서 기체에 민감한 층에서 저항을 측정한 후 VOC 농도에서 해당하는 값이 표시된다.
개발자는 BME680을 개발하는 과정에서 전력 소비량을 최소화하는 데 모든 노력을 기울였다. 모바일 및 웨어러블 장치에서 반드시 고려해야 하는 매개변수이기 때문이다. 덕분에 이 모듈은 1.71~3.6V 공급 전압 범위에서 작동한다. 소비 전류와 관련된 현재 규격은 개별 센서에서 한 자릿수 μA 범위(업데이트 속도 1Hz)이며, 능동 기체-센서 모드에서 최대 12mA까지 증가하며, 초저 전력 모드에서 0.1mA 미만, 수면 모드에서 0.15μA이다.

결론

OEM(주문자 상표 부착 생산)은 더 이상 상이한 제조사에서 생산된 센서를 확인, 구매, 기계적 및 전자적으로 집적, 코드 다중화 같은 작업을 수행할 필요가 없다. 고도로 집적된 MEMS 및 반도체 소자를 이용하면 소형의 저전력 패키지 1개에 여러 센서를 통합해서 다양한 물리적 변수들을 측정할 수 있기 때문이다. 이렇듯 기술적으로 진보하면서 VOC와 CO2 감지와 관련된 어려움도 상당 부분 해소되었다. 센서와 시스템의 성능은 보장되며 알려져 있으며(구체적인 규격 정보 제공), 회로 연결이 대폭 간편해졌으며, 시스템 통합도 소프트웨어 드라이버와 도구를 통해 간략해졌다.