복합가스 모듈에서 CH4·CO2·CO·H2를 서로 다른 검지방식으로 조합한 이유

"가스 4종을 한 번에 측정하는 모듈을 만들어주세요"

이런 요청을 받으면, 흔히 하나의 센서 소자로 모든 가스를 다 측정할 수 있을 거라 생각하기 쉽습니다. 하지만 실제로는 가스마다 가장 적합한 검지 방식이 다르기 때문에, 하나의 통합 모듈 안에서도 여러 검지 원리를 함께 사용하는 것이 일반적입니다.

이번 글에서는 CH₄(메탄), CO₂(이산화탄소), CO(일산화탄소), H₂(수소) 4종 가스를 ESP32 기반 모듈 하나에 통합했던 프로젝트를 예로, 각 가스마다 왜 다른 검지방식을 선택했는지, 그리고 이종 센서를 하나의 시스템으로 통합할 때 어떤 점을 신경 써야 하는지 정리합니다.

프로젝트 개요

이 프로젝트의 목표는 4종 가스를 동시에 측정하고, RS-485 통신을 통해 상위 시스템에 데이터를 안정적으로 전달하는 것이었습니다. 가연성 가스 누출과 산소 결핍(밀폐 공간) 위험이 동시에 존재하는 산업 현장에서 자주 요구되는 조합입니다.

센스키랩은 각 가스의 측정 목적과 환경에 맞춰 아래와 같이 센서 소자를 다르게 선정했습니다.

CH₄ (메탄): 접촉연소식 (NAP-50A) 메탄의 주된 감시 목적은 '누출로 인한 폭발 위험 방지'입니다. 따라서 %LEL 단위의 넓은 농도 구간을 빠르고 직관적으로 감지해야 하므로 접촉연소식을 선택했습니다. 단, 접촉연소식은 정상 동작을 위해 일정량의 산소가 필수적이므로, 밀폐 공간 적용 시에는 별도의 산소 센서 데이터를 함께 연동하도록 시스템을 설계했습니다.

CO₂ (이산화탄소): NDIR 광학식 (SCD30) CO₂는 가연성도 아니고 전기화학식으로 측정하기도 어렵습니다. 특정 파장의 적외선을 흡수하는 분자 특성을 이용한 NDIR(비분산적외선) 방식을 채택했습니다. 내부식성 및 화학 반응이 없는 광학식이므로 촉매 피독이나 전해질 소모 등의 열화 요인이 없어 장기 안정성이 뛰어나고, 수백~수천 ppm의 넓은 범위를 정밀하게 커버합니다.

CO (일산화탄소) / H₂ (수소): 전기화학식 (LMP91000 기반 AFE) CO와 H₂는 대표적인 독성/위험 가스로 낮은 ppm 농도에서도 정밀 측정이 필요합니다. 특히 두 가스가 혼재된 환경에서는 CO 센서가 H₂에 반응해버리는 '교차 민감도(Cross-Sensitivity)' 문제가 자주 발생합니다. 이를 방지하기 위해 상호 간섭 보상 필터가 적용된 정밀 센서를 채택했으며, LMP91000 기반 아날로그 프론트엔드(AFE)로 나노 암페어(nA) 단위의 미세 전류 신호를 전압으로 변환한 뒤, 고분해능 ADS1115 ADC로 디지털화하는 구조를 적용했습니다

다중 센서를 하나의 시스템으로 통합할 때 고려한 것들

서로 다른 검지방식을 하나의 모듈에 모으면 설계 난이도가 단순히 "센서 개수 곱하기"로 늘어나지 않습니다. 실제로 신경 썼던 부분들은 다음과 같습니다.

아날로그와 디지털 출력의 동시 처리 접촉연소식은 휘트스톤 브리지 전압 출력, 전기화학식은 미세 전류 출력, NDIR(SCD30)은 I2C 디지털 통신을 사용합니다. 이를 하나의 ESP32에서 병목 없이 처리하기 위해 아날로그 채널(ADS1115) 제어와 I2C 디지털 채널 통신 주기를 최적화하는 RTOS 기반 펌웨어를 설계했습니다.

소비 전력 프로파일과 전원 분리 (Power Isolation) 가장 까다로운 부분입니다. 접촉연소식 히터는 수백 mA의 상시 전력을 소모하지만 전기화학식은 마이크로와트(μW) 수준의 전력만 필요합니다. 스위칭 노이즈가 발생하는 히터 구동용 전원(DC-DC)과 초미세 신호를 다루는 아날로그 프론트엔드용 고정밀 전원(LDO)을 철저히 분리하고 그라운드 레이아웃(GND Plane)을 격리하여 상호 노이즈 간섭을 원천 차단했습니다.

채널별 독립적인 캘리브레이션 관리 전기화학식은 전해질 소모로 인해 주기적인 영점/스팬 교정이 필수적이지만, NDIR은 드리프트가 적어 교정 주기가 깁니다. 소프트웨어 내부적으로 센서별 교정 주기와 보정(Offset/Gain) 계수를 독립적인 파라미터로 관리하여 유지보수의 편의성을 높였습니다.

산업 현장을 고려한 통신 및 배선 설계 RS-485 통신 라인과 DC 전원을 30~40m 구간에 함께 배선하는 현장 여건을 고려하여, 외부 노이즈 내성과 장거리 전압 강하를 방어할 수 있는 TFR-CVV-SB 1.5SQ×4C 실드 케이블 사양을 표준으로 선정했습니다.

스마트폰을 통한 펌웨어 업데이트(OTA) 기능

산업 현장에 이미 설치된 가스 감지기를 뜯어 PC와 유선으로 연결하는 것은 매우 고된 작업입니다. 특정 가스 센서의 보정 알고리즘을 개선하거나 펌웨어 버그를 수정해야 할 때를 대비해, 스마트폰 앱(BLE) 또는 Wi-Fi를 통해 펌웨어를 무선 업데이트할 수 있는 OTA(Over-The-Air) 기능을 탑재했습니다.

ESP32 칩셋을 메인 프로세서로 선택한 가장 실질적인 이유가 바로 이것입니다. 내부 플래시에 OTA 파티션과 BLE 스택이 기본 내장되어 있어, 별도의 부트로더나 통신 모듈 추가 없이도 원격 파라미터 갱신 및 유지보수 시스템을 완벽하게 구축할 수 있었습니다. 이를 통해 현장 작업자의 방문 점검 빈도와 유지보수 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다.

현장 유지보수를 획기적으로 줄여주는 스마트폰 무선 제어(OTA) 개념도. 출처: 헤럴드경제 - Heraldcorp.com

결론: 복합가스 시스템은 "센서 선택"이 아니라 "시스템 설계"입니다

복합가스 모듈 개발에서 가장 중요한 것은 스펙트럼에 맞는 센서 소자를 고르는 안목뿐만 아니라, 극단적으로 성격이 다른 센서들을 하나의 전원·신호처리·통신 아키텍처 안에 안정적으로 융합하는 설계 능력입니다. 센서 단품 스펙만 믿고 조합했다가는 실제 필드에서 노이즈 간섭, 베이스라인 흔들림, 교정 충돌 같은 문제가 뒤늦게 터져 나오기 일쑤입니다.

가스 원리에 대한 깊은 이해를 바탕으로 회로(Hardware)와 펌웨어(Software)를 유기적으로 설계할 때, 비로소 현장에서 신뢰받는 복합가스 감지 시스템이 완성됩니다.

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