[헬로티]

미국 환경보호국(EPA) 등에서 실시한 최근 통계에 따르면 사람들은 거의 90%의 시간을 실내에서 보내고 있으며, 실내의 일부 공기 오염물질의 농도는 일반적인 실외 농도보다 흔히 2-5배 높은 것으로 나타났다. 이산화탄소(CO2) 농도는 공기질을 나타내는 주요 지표중의 하나다. 

Hicham Riffi, 인피니언 테크놀로지스

실내에 존재하는 코로나19 바이러스

공기질과 관련된 현재의 규정은 약 140년 전 막스 폰 페텐코퍼(Max von Pettenkofer)가 발표한 CO2 수준에 대한 연구가 기초가 됐다. 

건물 내 CO2 수치가 높을수록 실내에 있는 사람들이 느끼는 불편함이 증가하며, 환기가 잘 되지 않는 실내에서 CO2 농도는 급격히 증가한다. 

예를 들어 한 사람만 있는 약 4평방미터의 공간에서 CO2 수치는 단 45분 만에 500ppm(0.05%)에서 1,000ppm(0.1%) 이상 증가한다. 이러한 수준에서 무색무취의 이 기체는 두통, 졸음, 집중력 저하를 유발하여 생산성 저하를 초래할 수 있다. 

2,000ppm(0.2%) 이상이 되면 인간의 인지 능력이 영향을 받고 보다 높은 수준에서는 건강에 중대한 위협이 된다. 또한, 실내 CO2 농도와 관련된 또 다른 건강 위험요소가 있다. 

▲CO2 수치가  2,000ppm 이상이 되면 인지 기능에 상당한 영향을 미친다. 

공기 중 호흡기에서 배출된 CO2 양이 많을수록 마찬가지로 함께 배출된 에어로졸 수치도 높아진다. 높은 농도의 에어로졸은 실내에 있는 다른 사람에게 감염 위험을 증가시킨다. 

특히 코로나바이러스(Covid-19) 시기에 사무실, 학교, 상점과 같은 곳에서 이는 매우 중요한 문제다. 코로나바이러스에 감염된 사람이 말을 하거나 기침이나 재채기를 하면, 비말과 에어로졸로 이루어진 작은 물방울이 분사되면서 실내 공기에 퍼져나가 확산된다. 

'SARS-CoV-2의 에어로졸 전파' 논문에서는 여러 연구자들이 환기가 잘 되지 않거나 아예 되지 않는 실내 공간은 코로나바이러스의 에어로졸 전파 가능성을 높일 수 있다고 밝혔다. 환기가 잘되지 않는 환경일수록 먼 거리에 걸쳐 바이러스의 공기를 통한 전파와 감염이 발생하기 쉽다. 

베를린 공대(TU Berlin) 연구에서는 병원체는 주거용 및 사무용 건물의 일반적인 환기 환경에서 수 시간 동안 생존하기 때문에 실내 환경이 건강을 보호하는 데 핵심적인 역할을 한다고 주장했다. 

입자가 침전하여 새롭게 공기로 바뀌는 과정은 상당한 시간이 걸린다. 따라서 신선한 공기의 공급을 늘려줘야 한다. 

인피니언에서 새롭게 출시한 XENSIVTM PAS CO2와 같은 혁신적인 CO2 센서는 공기질을 모니터링하고 조절하기 위한 정밀하고 비용 효율적인 공간 절약형 솔루션이다. 이들 센서는 더 건강하고 생산적인 실내 생활과 작업 환경을 위해 실내의 공기질을 최적화 할 수 있다.

▲쉬는 시간 1회를 포함한 2교시의 수업 동안 교실 내의 CO2 농도(왼쪽 축)와 에어로졸 농도(오른쪽 축)의 증가 상관관계

▲XENSIV PAS CO2 센서 크기는 단 13.8mm x 14mm x 7.5mm이다. 

코로나바이러스 대유행 시기에 교실 수업과 사무실 작업은 에어로졸에 대한 우려와 감염 위험을 증가시킨다. 한 공간에 많은 수의 사람이 있는 장소는 어디나 호흡기에서 배출되는 CO2가 포함된 상당한 양의 공기가 존재한다. 

독일 연방환경청(Federal Environment Agency)과 미국 냉난방공조기술자학회(ASHRAE)는 코로나바이러스가 발생하기 훨씬 전부터 교실과 사무실 CO2 농도는 1,000ppm을 초과해서는 안 된다는 권고안을 발표한 바 있다. 

참고로, 신선한 외부 공기에서 CO2 농도는 약 400ppm이다. 이러한 상황에서 교실과 사무실뿐 아니라 체육관, 주점, 식당과 같은 다른 실내 공공장소에 CO2 측정 장치를 설치하는 방안은 바이러스 확산을 막는 조치가 될 수 있다. 

물론 공기 중 에어로졸을 직접 측정해 수치가 과도하게 높으면 경고음을 울릴 수도 있지만, 이러한 측정 장치는 매우 복잡하고 비싸다. 

하지만, 이제 공기 중 고농도 CO2는 물론이고 이를 통해 높은 수준의 에어로졸에 대해서도 경고할 수 있는 저렴하고 작은 CO2 측정 장치를 사용할 수 있다. 이는 코로나바이러스의 잠재적 감염 위험 증가를 나타내는 데 사용할 수 있다.

신뢰할 수 있는 CO2 모니터링은 코로나바이러스와 관련해 중요할 뿐 아니라 실내에서 시간을 보낼 때 전반적인 건강과 생산성에도 유익하다. CO2 센서는 이산화탄소 농도와 실내 공기질을 측정하는 데 사용할 수 있다. 

그러나 주위 공기질을 향상시키고, 그에 따라 실내 쾌적함과 사람들의 생산성을 높이기 위해서는 보다 신뢰할 수 있고 저렴한 CO2 센서가 필요하다. 

▲인피니언의 회의실 중 한 곳의 이산화탄소 농도 수준 변화 추이

현재까지 선택할 수 있는 옵션은 정확하지만 부피가 크고 비싼 센서/장치이거나, 또는 작지만 부정확하여 적절한 조절에는 부적합한 개략적인 추정값을 제공하는 센서, 이 두 가지였다. 이에 반해 XENSIV PAS CO2 센서는 초소형으로 정밀한 결과를 제공하므로 광범위한 애플리케이션에 적합하다.

공기 조절을 통한 에너지와 비용 절감

환기 시스템은 인간의 건강에만 이로운 것이 아니다. 주거용 및 상업용 건물 내부의 효과적인 공기 조절은 에너지를 절약하며, 동시에 해당 비용과 CO2 배출을 줄인다. 

개별 가구 역시 향상된 환기 시스템으로 이익을 얻을 수 있다. 미국의 가구는 매년 평균 약 2천000달러를 에너지에 소비한다. 환기를 적절히 향상시킬 경우 매년 약 400달러를 절약할 수 있다. 

다른 부문 역시 신뢰할 수 있는 CO2 측정에 기초한 공기질 조절로 혜택을 얻을 수 있다. 학교, 병원, 식당, 상점은 에너지 사용량이 많아 관련 비용이 높다. 전체적으로 미국과 같은 국가에서는 모든 건물에 에너지를 공급하는 데 매년 4000억 달러 이상을 소비한다. 

이는 미국에서 생산되는 전기의 약 74%를 사용하며, 미국 전체 에너지 소비의 약 40%를 차지한다. 수요 기반 환기 제어(demand-controlled ventilation, DCV)로 알려진, 환기를 조절하는 효과적인 건물 자동화를 이용하면 미국 건물의 전력 소비를 최대 20%까지 줄여 연간 약 800억 달러의 에너지 비용을 절감할 수 있다. 

▲미국과 유럽에서 건물 에너지 소비는 전체 에너지 소비의 40%를 차지한다.

건물이 처음부터, 가령 DCV를 이용해 적절히 계획, 건축, 운영된다면 건물의 에너지 효율을 HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning) 에너지 요금의 30%까지 향상시킬 수 있다. 

이러한 향상은 전체 에너지 수요를 감소시켜, 한편으로는 전 세계적인 에너지 부족 문제를 해결하고 다른 한편으로 환경 위협을 줄여준다. 한 가지 대표적인 예를 들어보면, 평균 약 7,000m² 크기의 미국 학교의 연간 HVAC 에너지 소비는 약 5.6USD/m²이다. 

DCV에 기반한 에너지 효율이 20%라고 가정하면, 매년 약 8,000달러를 절감하는 것이다. 이 수치는 8만kWh를 절약하고(10센트/kWh), 35톤의 CO2 배출을 감소시키는 것과 같다. 이는 1천600그루의 나무가 있는 숲이 1년간 흡수하는 CO2에 해당한다.

CO2 센서가 적용 가능한 애플리케이션

CO2 센서에서 측정하는 데이터를 다양한 방식으로 이용할 수 있다. DCV에서 HVAC 시스템은 측정된 값을 사용하여 타겟 애플리케이션 요구사항에 따라 실내공기와 외부 공기와의 환기를 자동으로 조절한다. 

이렇게 하여 실내 CO2 농도를 특정 수준으로 유지시킬 수 있다. 예를 들면 주거용 건물의 환기 및 허용 실내 공기에 관한 ASHRAE 표준에 따라 1천ppm 미만으로 유지시킨다. 

사람들의 건강과 감염 위험의 완화와 관련하여 CO2 감지의 이점을 고려할 때 교실과 사무실, 체육관 및 주점과 같은 곳에 CO2 센서가 광범위하게 설치되어 센서가 나쁜 공기질을 감지하는 것을 기대할 수 있다. 

예를 들어 소위 CO2 신호등은 높은 이산화탄소 수준과 그에 따른 높은 에어로졸 농도(실내를 환기시켜야 할 뚜렷한 신호)가 감지되면 경고를 보낼 수 있다. 

이러한 센서는 클라우드 솔루션에 연결된 센서 네트워크에 통합돼 데이터 지능형 기능과 원격 액세스를 위해 사용할 수 있다. CO2 센서에는 다른 많은 잠재적 용도가 있다. 

소형 CO2 센서는 일례로 스마트홈 어시스턴스나 공기 청정기 또는 온도조절기와 같은 사물 인터넷 기기에 적합하다. 앞으로 유아 모니터링, 식품 품질 관리, 피트니스 트래킹 또는 농업 등과 같은 다양한 애플리케이션들이 뒤를 이을 것으로 보인다.

기존 CO2 센서 솔루션의 한계

요즘 건물 자동화에는 NDIR 센서(비분산형 적외선 센서)가 많이 사용된다. 이 센서는 IR 광원, 샘플 챔버, 스펙트럼 필터, 레퍼런스 및 흡수 IR 검출기로 구성되기에 비교적 크고 비싸다. NDIR 센서는 정확한 CO2 측정을 제공하지만 센서의 폼팩터는 통합을 어렵게 만들므로 소형 IoT 기기나 스마트홈 컴포넌트에 설치하기에 적합하지 않다.

이른바 eCO2 센서 또한 다양한 실내 오염물질을 검출할 수 있지만, NDIR 센서와 달리 실제 이산화탄소의 측정을 수행하지 않는다. 

대신 알고리즘을 사용하여 등가 CO2 값을 추정한다. 이 센서는 가령 CO2 농도를 증가시키는 요인으로 공간에 있는 사람 수 같은 여러 가지 가정을 기초로 추정한 값을 제공한다. 

이 방법으로는 공기질을 항상 필요한 시간에 향상시킬 수 없을 뿐더러, 실내 공기 조절기가 불필요하게 많은 양의 에너지를 소비한다는 것을 의미한다. 현재 시중에는 정확한 CO2 측정을 제공하면서 작고 비용 효율적인 비교할 만한 솔루션은 나와 있지 않다.

광음향 분광법을 이용한 CO2 센서

MEMS 기술에서 축적된 경험과 선도적 지위를 바탕으로 인피니언은 광음향 분광법(photoacoustic spectroscopy, PAS)(그림 6)에 기반한 새로운 CO2 센서를 개발하는 데 성공했다. PAS 방법은 1880년 알렉산더 그레이엄 벨이 최초로 발견한 광음향 효과를 기초로 한다. 

인피니언은 센서 설계에서부터 시스템 구현에 이르기까지 PAS 기술에 대한 포괄적이며 지속적으로 확장하는 특허 포트폴리오를 보유하고 있다. 이 방법은 기체 분자가 특정 파장을 갖는 빛만 흡수한다는 사실을 이용한다. 이산화탄소의 경우 4.2µm 파장의 빛을 흡수한다. 

빠르게 연속적으로 빛, 즉 에너지를 광학 필터가 있는 적외선 소스를 통해 정확히 목표하는 파장으로 기체에 공급하면, 빠른 가열과 냉각으로 열 팽창과 수축이 일어나 압력 변화가 발생하고, 이를 저주파수에 최적화된 음향 검출기로 기록한다. 

그런 다음 이 신호를 측정하여 CO2 양에 관한 결론을 도출하는 데 사용한다. 신호가 강할수록 CO2 농도가 높다. 압력 센서의 역할을 하는 고감도 MEMS 음향 검출기를 감지기로 사용해 대폭적인 소형화를 실현했다.

▲광음향 분광법(PAS) 원리

아키텍처와 과제

인피니언 CO2 센서는 소형 PCB에 검출기, 적외선 소스, 광학 필터와 함께 광음향 트랜스듀서를 통합했다. 센서는 온보드 신호 처리와 정교한 알고리즘을 위한 마이크로컨트롤러와, 적외선 소스 작동을 위한 MOSFET을 사용한다. 

PAS 기반 CO2 센서를 개발하는 데 있어 주요 과제는 검출기의 성능을 한계까지 끌어올리고 시스템 잡음을 최소화하는 것이었다. 따라서 MEMS 검출기를 외부 잡음으로부터 차단시켜 챔버내에서 CO2 분자로부터 발생하는 압력 변화만 검출되도록 했다. 

흡수 챔버는 정확한 CO2 측정읠 외부 잡음으로부터 음향적으로 절연되어있다. 그렇지 않으면 CO2 검출 기능이 상당한 방해를 받을 수 있기 때문이다. 

솔루션 개발에는 다년 간 축적된 인피니언의 음향 및 관련 애플리케이션 경험이 활용됐다. MEMS 마이크로폰 응답 모델링, 확산 포트의 특허 받은 음향 절연뿐 아니라 모델링 결과의 검증을 위한 신속한 프로토타이핑이 최적의 시스템 설계를 가능하게 했다.

CO2 센서의 이점

인피니언은 센서와 MEMS 마이크로폰의 첨단 기능을 활용하여 이산화탄소를 위한 혁신적 환경 감지 기술을 개발했다. XENSIV PAS CO2는 광음향 분광(PAS) 원리에 기반한 진정한 CO2 센서다. 

이 센서는 인피니언의 고감도 XENSIV MEMS 마이크로폰을 사용하여 외부 잡음 없이 센서 캐비티 내에서 CO2 분자에 의해 발생하는 압력 변화를 감지한다. 센서의 출력으로 CO2의 ppm 농도를 제공한다. 

데이터는 아무리 작은 압력 변동에도 고품질 결과를 보여준다. 따라서 소량의 기체만으로 정확한 결정에 충분하므로 샘플 챔버 크기를 적절히 작게 설계할 수 있다. 

▲PAS CO2 센서의 주요 규격

XENSIV PAS CO2는 일반적인 NDIR 센서보다 4배 작고(14mm x 13.8mm x 7.5mm), 3배 가벼운(2g) 극히 작은 폼팩터를 제공하므로 고객 시스템에서 75% 이상 공간을 절약할 수 있다. 

대부분의 상용 NDIR 센서는 대용량 어셈블리 표준과 호환되지 않는 커넥터가 제공돼 시간이 많이 소요되는 제조 공정을 거쳐야 한다. 반면 XENSIV PAS CO2는 대량 자동 생산을 염두에 두고 설계되어 제공되며(테이프 앤 릴 형태), SMT 형태로 손쉽게 조립하고 고객 시스템에 신속하게 통합할 수 있다. 

요약하면, 이 센서는 초소형 설계로 높은 정확도를 제공하므로 HVAC 제어(DCV) 애플리케이션에 적합하며, 에너지를 절약하고 주요 스마트 빌딩 표준(LEED, WELL 등)을 준수한다.

공급 및 전망

모든 센서 부품은 자체적인 고품질 표준에 따라 자체 개발되고 설계된다. 인피니언은 산업용 및 소비자용 시장의 다른 CO2 감지 애플리케이션에 대한 성능 적합화뿐 아니라 추가적인 크기 소형화와 비용 최적화를 위해 지속적으로 PAS 기술을 개발할 계획이다. 

다른 기체들도 잠재적으로 PAS 기술 플랫폼에서 다루어질 수 있다. 또한 인피니언/사이프레스 생태계를 통해 감지, 프로세싱, 액츄에이팅 및 연결을 포함하여 전체 시스템 제품을 시장에 제공할 예정이다. 

새로운 PAS CO2 센서의 프로토타입은 이미 주요 고객 애플리케이션에서 테스트되고 검증되었다. 현재 PAS CO2 평가 키트가 샘플 제공가능하다. 

고객 지원과 PAS CO2 센서의 신속한 DTM(design-to-market)을 위해 완벽한 제품 평가 보드 제품군(PAS CO2 평가 보드, 아두이노 기반 Shield2Go 보드, 인피니언/사이프레스 생태계에 기반한 Adafruit feather 기반 PAS CO2 윙 보드), 소프트웨어 라이브러리 및 애플리케이션 노트를 포함한 종합적인 문서가 곧 제공될 예정이다. 

궁극적으로 이 센서는 실내 공기질과 그에 따른 우리의 건강을 크게 향상시킬 것이다.