Element를 사용하다보면 시간이 지날수록 TVOC 수치가 이전과 달라지는 것을 경험해 보셨을 겁니다. 심지어 같은 공간에 여러 대의 공기질 측정기를 놓았을 때 각각 다른 수치를 보여주는 경우도 많죠. 이렇게 TVOC 센서의 측정값이 일정하지 않은 이유와 가장 널리 사용되는 금속 산화물 반도체(MOS) 센서의 작동 원리에 대해 알아보겠습니다.

TVOC란 무엇인가?

먼저 TVOC가 무엇인지 간단히 설명하자면, Total Volatile Organic Compounds의 약자로, 실내 공기 중에 존재하는 다양한 휘발성 유기화합물의 총량을 의미합니다. 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔 등 수백 가지의 화합물이 TVOC에 포함됩니다. 이런 물질들은 새 가구, 페인트, 청소용품, 심지어 요리 과정에서도 발생할 수 있습니다.

TVOC를 어떻게 측정하는가?

다양한 계측방식들이 존재하지만 Element는 금속 산화물 반도체(Metal Oxide Semiconductor, MOS) 타입의 센서를 사용하고 있습니다.

MOS 타입 센서와 대표적으로 비교되는 계측방식으로는 광이온화 검출(PhotoIonization Detector, PID) 타입의 센서가 있습니다.

MOS 타입의 센서는 대표적으로 비교되는 PID 타입의 센서에 비해 절대적인 계측 정확도가 떨어지지만 내구성이 뛰어나 별도의 유지 관리가 필요하지 않고 그 크기가 작아서 소형화가 가능하며 가격 또한 아주 저렴합니다. 심지어 다양한 VOC 가스에 반응하기에 일반적인 가정 환경에 사용하기에 좋습니다.

MOS 타입 센서의 기본 구조와 작동 메커니즘

MOS 타입 센서의 핵심은 금속 산화물 층(주로 산화주석, 산화텅스텐, 산화아연 등)으로, 이 층이 감지부(sensing element)로 작동합니다.

1. 가열 단계: 센서가 VOC 가스에 반응하기 위해서 내부의 히터가 금속 산화물 층을 약 200~400°C로 가열합니다. 이 온도에서 산소 분자가 금속 산화물 표면에 흡착되어 전자를 끌어당깁니다.

2. 청정한 공기 반응: 청정한 공기 상태에서는 산소가 센서 표면에 흡착되어 산소 분자가 증가하고, 이로 인해 센서의 전기 저항이 높아집니다.

3. 가스 반응: VOC 가스가 존재하면, 이 가스 분자들이 센서 표면의 산소 분자와 반응하여 전기 저항이 감소합니다.

4. 신호 변환: 저항 변화가 전기 신호로 변환되어 마이크로프로세서로 전달됩니다.

5. 데이터 처리: 마이크로프로세서가 이 신호를 알고리즘으로 처리하여 ppb(parts per billion) 단위의 TVOC 농도로 변환합니다.

쉽게 말하자면, MOS 센서는 "공기 중 유기 화합물이 많을수록 전기가 더 잘 통하게 된다"는 원리를 이용합니다. 그리고 이 전기 저항의 변화를 측정하여 TVOC 농도를 추정하는 것이죠.

TVOC 수치가 서로 다른 주요 이유

1. 통합 감지 방식의 한계

다양한 가스에 반응을 할 수 있는 MOS 센서의 특성은 앞서 계측 방법에서 이야기한 것과 같이 정밀한 계측이 필요한 상황에서는 단점으로 작용할 수 있습니다.

MOS 센서는 가스를 개별적으로 구분하지 못합니다. 이런 특징으로 인해서 공기중에 존재하는 가스들의 종류에 따라서 이론값보다 계측값이 높거나 낮은 문제가 발생합니다.

예를 들어 포름알데히드: 100 ppb, 에탄올: 250 ppb, 톨루엔: 150ppb 가 공기중에 존재한다고 가정했을 때 TVOC 수치는 100 + 250 + 150  = 500ppb 가 되어야겠지만 실제 센서는 300ppb 로 계측할 수 있습니다.

왜냐하면 센서가 각각의 가스에 반응하는 정도가 다른데 어떤 종류의 가스가 존재하는지 센서는 모르고 반응한 후 변화한 전기적 신호만 가지고 계측을 하기 때문입니다. 이로 인해 센서 제조사마다 계측값이 크게 차이가 날 수 있습니다.

Element는 에탄올 가스를 기준으로 보정이 완료되어있는 상태이며 센서가 계측한 에탄올 가스 수치를 통해 TVOC 수치를 자체 알고리즘으로 계산하여 출력하고 있습니다.

2. 센서간 편차

앞서 Element는 에탄올 가스를 기준으로 보정이 진행된다고 했습니다. 하지만 동일한 에탄올 농도 안에서도 장치간 계측 오차가 발생합니다.

에탄올 가스 0.3 ppm = 300 ppb 기준으로 표준 ±15%의 오차가 발생합니다. 그리고 농도가 높아질 수록 장치간 계측 오차는 더 커질 수 있습니다.

이는 에탄올 가스에 한해서 보장하는 오차 범위이며 다른 가스와 혼합물로 존재하는 실내 환경에서는 더 큰 오차가 발생할 수 있습니다.

이러한 센서간 기본 오차를 줄이기 위해서 고객의 필요에 따라 A/S를 통해 추가적인 민감도 보정을 진행하고 있습니다.

3. 센서 드리프트

시간이 지남에 따라 센서의 기준점이 변하는 '드리프트' 현상이 발생합니다. 대표적으로 제로 드리프트가 있습니다.

이는 마치 아날로그 체중계의 영점이 시간이 지날수록 달라져 매번 체중을 측정할 때마다 새로 영점을 조정한 후 사용해야하는 것과 동일한 현상입니다.

Element는 제로 드리프트 현상을 해결하기 위해 자체적인 센서 캘리브레이션 알고리즘이 내장되어 있습니다.

센서 캘리브레이션 알고리즘

우리는 센서가 시간이 지나도 항상 일정하게 반응하길 원합니다. 앞서 설명드렸던 것 처럼 맑은 공기 상태에서는 저항값이 높게 유지되다가 VOC 가스를 감지하게 되면 저항값이 낮아집니다.

하지만 사용하면서 여러 요인들에 의해 맑은 공기일 때의 저항값(베이스라인)이 상승하게 됩니다. 이는 이전에 맑은 공기 상태에서 수치가 200이었다면 시간이 지나면서 동일한 맑은 공기 상태에서 300이 될 수 있다는 의미입니다. 이러한 변화는 사용환경에 따라 다르지만 빠르면 1달 이후에도 발생할 수 있습니다.

만약 베이스라인이 변경되었는데 이전의 베이스라인을 그대로 유지하게 되면 어떻게 될까요? 이전과 달리 점점 더 낮은 수치로 계산될 수밖에 없고 나중에는 VOC 가스를 감지할 수 없게 됩니다.

하지만 베이스라인을 자동으로 재조정하면 시간이 지나도 VOC 가스를 감지하는데 문제가 없습니다.

다만 이 과정을 통해서 장치들간에 수치가 차이가 나거나 단독으로 사용중일 때 수치가 점점 더 높게 나올 수 있습니다. 왜냐하면 현실의 다양한 환경요소들이 캘리브레이션 과정에 복합적인 영향을 미치기 때문입니다.

결론

TVOC 수치가 일정하지 않은 것은 실내 환경의 자연스러운 변화와 MOS 센서의 기술적 한계가 복합적으로 작용한 결과입니다. 센서가 어떤 원리로 작동하는지 이해하고 나면, 그 측정값의 변동성도 더 잘 이해할 수 있습니다.

완벽한 측정은 어렵더라도, 이러한 한계를 이해하고 적절히 해석한다면 여전히 실내 공기질 관리에 유용한 도구로 활용할 수 있습니다.

중요한 것은 단일 측정값에 너무 집착하지 말고, 전반적인 추세와 패턴을 관찰하는 것입니다. TVOC 센서는 우리 실내 환경의 '완벽한 측정기'가 아니라 '경향을 보여주는 지시계'로 이해하는 것이 좋겠습니다.