1. 서론 : 가스 사업의 보급과 반도체식 센서 개발

적외선식 가스 센서는 일반적으로 적외선 흡수식 가스 센서를 의미한다. 이 센서는 대상 가스에 적외선을 조사한 뒤, 특정 파장의 적외선이 흡수되는 정도를  분석하여 가스의 성분과 농도를 측정한다. 특히 비분산형 적외선 방식(NDIR, Non-Dispersive Infrared)은 광원에서 방출되는 다양한 파장의 적외선을 분광하지 않고 그대로 사용하는 측정 방식이다. 이 때문에 ‘비분산형 적외선식 가스 센서’ 또는 ‘NDIR 방식’이라고 부른다. 가스 농도를 측정하는 방법에는 앞서 소개한 다양한 방식이 있지만, 대부분은 화학 반응을 이용하거나 센서 자체의 물리·화학적 변화를 통해 농도를 측정한다. 따라서 측정 과정에서 대상 가스에도 일정한 변화가 발생할 수 있다. 반면 적외선식 가스 센서는 NDIR 방식으로 가스의 흡광도를 측정하므로, 대상 가스의 성질을 변화시키지 않고도 농도를 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

적외선은 1800년 윌리엄 허셜에 의해 발견되었다. 허셜은 흰색 태양광을 프리즘으로 분해해 무지개색을 만든 뒤, 빨간색·초록색·보라색 영역에 각각 온도계를 놓고 온도 변화를 측정했다. 그 결과 동일한 조건에서 보라색 영역은 약 2도, 초록색 영역은 약 3.3도, 빨간색 영역은 약 6.9도 온도가 상승하는 것을 확인하였고, 색상에 따라 열을 전달하는 정도가 다르다는 사실을 발견하였다. 또한 무지개의 붉은색 바깥쪽에 온도계를 놓고 측정한 결과에서도 실온보다 높은 온도가 관측되었다. 이를 통해 허셜은 눈에는 보이지 않지만 열을 전달하는 광선이 존재하며, 이 광선이 프리즘에 의해 굴절되어 붉은색 바깥쪽에 도달한다고 결론지었다. 이것이 오늘날 적외선의 발견으로 알려져 있다.(1)(2) 1835년에는 앙드레마리 앙페르가 적외선이 가시광선과 같은 전자기파의 일종임을 밝혔다.(3)(4) 적외선의 관측 및 검출 기술은 초기에는 주로 열전대와 볼로미터를 이용해 열의 형태로 검출하는 방식이 사용되었다. 볼로미터는 입사한 적외선의 에너지를 열로 변환한 뒤, 이에 따른 저항체의 온도 변화를 전기 신호로 변환하여 검출하는 장치이다. 이후 20세기 초에는 적외선에 감광하는 사진 필름이 개발되면서 적외선 촬영 기술이 가능해졌다. 같은 시기 분광학이 발전하면서 물질마다 특정 파장의 적외선을 선택적으로 흡수하는 특성이 밝혀졌고, 이를 이용한 적외선 분광법이 유기 화합물의 동정 기술로 확립되었다.(5)~(7) 프리즘이나 회절격자를 이용하는 분광법은 빛을 파장별로 분산시켜 분석하기 때문에 분산형 분광법이라고 한다. 반면 널리 사용되는 적외선 분광광도계는 대부분 마이컬슨 간섭계 또는 이를 발전시킨 광학계를 사용하며, 이러한 측정 방식을 간섭형 분광법이라고 한다. 1960년대 중반 이후에는 간섭파(Interferogram)를 푸리에 변환하여 스펙트럼을 얻는 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR)이 실용화되기 시작하였다. 이는 컴퓨터의 연산 성능이 향상되면서 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 이용한 데이터 처리가 가능해진 데 힘입은 것이다. 본고에서는 적외선식 가스 센서 가운데 가스 흡입형(샘플링형) 센서를 중심으로 설명하며, 원격 측정 방식의 적외선 가스 센서는 별도로 다루기로 한다.

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⇒ 본고는 월간지 ‘計測技術’(일본, 일본공업출판주식회사 발행)

2026년 5월호(연재)를 번역·전재한 것입니다. 본 기사의 무단 전재 및 복사는 저작권법상 금지되어 있습니다.