Pyroelectric 적외선 검출기를 사용하여 NDIR 분석기의 기기구조를 구현하였으며 적외선 검출기에 가스셀이 미치는 영향을 알아보기 위한 실험구성은 다음 그림 1과 같다. 실험구성은 측정가스를 주입하는 가스셀, 신호를 검출하는 적외선 검출기, 적외선을 발생하는 광원, 신호를 구분하는 초퍼, 가스셀 내부에서 광경로의 길이를 조절하는 반사경으로 구성하였다. 가스셀은 화이트셀 (White cell) 방식으로 적외선 광원에서 조사된 적외선을 가스셀 내부에 설치된 반사경을 통해 반복 반사하여 광경로를 조절할 수 있는 방식이다 (White, 1942). 구성된 요소들의 설계에 따라 NDIR 분석기의 성능 (정확도, 정밀도, 검출한계)은 크게 차이가 나타난다. 본 연구에서는 물리적 특징 (유량, 온도)에 따른 변화정도와 광경로 변경 시 발생되는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 연구를 수행함에 있어 기본적인 NDIR 기술에 적용된 이론적 근거는 Beer-Lambert 법칙이 이용되었고 그 수식은 다음 수식 (1)과 같다 (Wong and Anderson, 2012).

Fig. 1. 
NDIR experiment configuration based on white gas cell chamber.

수식에서 제시하는 각 변수는 최종광원의 세기 (I), 초기광원의 세기 (I₀), 흡광계수 (k), 물질의 농도 (C), 광경로 (L)를 나타낸다. 이는 NDIR 기술의 기초적인 변량을 나타낸 것이며, NDIR 분석기의 성능향상을 위해서는 광원의 세기 증가, 높은 흡광계수 선정 및 광경로 증가 등의 방법을 고려할 수 있다. 본 연구의 실험에 사용된 구성요소는 다음과 같다.

2. 1. 1 가스셀 (Gas Cell)

가스셀은 그림 2와 같이 화이트셀 (White cell) 구조를 적용하여, 내부 광경로를 충분히 확보할 수 있도록 제작하였다. 내부 반사경 조절을 통해 광경로의 길이를 조절 가능하도록 구성하였다. 또한 화학적 안정성 확보를 위한 테프론코팅을 가스셀 내부에 증착하였다. 적외선이 유입 및 유출되는 홀 (hole)에는 가스셀을 밀폐시키고, 적외선을 투과시키는 CaF₂ 재질의 Window를 설치하였다. 가스셀 내부 온도를 조절하기 위하여 열전대 (Thermal couple) 센서를 사용하여 가스 유입부, 가스 유출부, 적외선 검출기의 세 요소부를 측정하였다. 가스셀 내부의 열적 평형상태를 점검하기 위하여 가스셀 가열 및 고순도 질소가스 유입을 2시간 이상 유지하여 가스셀 내부 온도의 안정성을 확인한 이후 실험을 진행하였다.

Fig. 2. 
Inside view of a gas cell with white cell pathway.

상기 실험구성을 설정하여 NDIR 측정장치의 물리적 영향인자 실험을 진행하였으며 그 조건들은 다음 표 1과 같다. 그리고 신호 감소율을 비교하기 위해 질소 (N₂) 가스를 주입한 신호 측정값을 배경 값으로 설정하였다.

MFC를 사용하여 일정한 유량의 SO₂ 가스를 가스셀로 주입하였으며, 내부압력은 1013.0±2 hPa로 유지하였다. 그림 3과 같이 유량변화에 따른 SO₂ 농도 신호 변화가 나타남을 알 수 있었다. 질소가스를 사용한 배경 값을 기준으로 각 농도별 신호 감소율은 모든 유량에서 10 ppm SO₂는 5% 이내의 검출기 신호 감소율을 보였으며, 50 ppm은 20%, 100 ppm은 35∼40% 그리고 200 ppm의 경우 60%의 감소율을 보였다. 그러나 Wang et al. (2021)의 실험결과에서는 권장유량보다 적은 유량 조건에서는 유속측정이 불안정해짐과 동시에 상대 정확도 오차가 크게 발생하였으며, Zhu et al. (2012)은 가스셀 내부의 유량이 기준유량에 비하여 2배 증가하였을 때 간섭영향이 유의미하였다는 것을 보고한 바 있다. Jahnke (2000)와 Wong and Anderson (2012)의 연구에서는 직접적인 유량의 변화로 인해 압력이 변동되어 적외선 검출기에 간섭영향을 미친다는 결과를 발표한 바 있다. 그러나 본 연구에서는 유입 가스의 유량이 1 L/min의 10배 적거나 많을 때에도 각 신호의 오차율이 1.0% 이내로 나타났다. 이를 확인하기 위해 각 유량에 대한 유의성 검정을 50 ppm SO₂의 분산분석 결과를 사용하여 다중범위 검정을 실시하였으며, 그 결과는 그림 4와 같다. 여기에서 각 Col_1, Col_2, Col_3, Col_4, Col_5, Col_6은 유량 0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10 L/min을 나타낸다. ANOVA 테스트를 통하여 P-value가 0.05보다 크기 때문에 95% 신뢰 수준에서 통계적으로 유의한 차이가 없음을 알 수 있었다. 즉 통계적 처리를 통한 검출신호의 동일성을 확인하였고, 피셔의 최소유의차 검정을 통하여 표 2와 같이 각 그룹 (유량별) 간 동질 그룹으로 추측되는 그룹은 X로 표기하였다.

Fig. 3. 
Variations of infrared detector signals with respect to various flow rates.

Fig. 4. 
ANOVA test results for various flow rates experiments at 50 ppm SO₂.

결과적으로 유량변화에 따른 검출 신호의 차이는 미미하였으며, 검출신호의 동일성을 통계적으로 검증한 결과, NDIR 시스템에서 유량변화에 따른 검출신호 특성 변화는 거의 없는 것으로 확인되었다.

기존 적외선 검출기의 온도변화 영향 연구들은 검출기 자체의 온도를 조절하여 실험을 진행한 바 있다 (Zhao et al., 2021; Kinch, 2000; Yi, 2017; Hossain and Rashid, 1991; Roundy and Byer, 1973). 그러나 본 연구에서는 검출기의 온도를 일정하게 유지하면서 외부 열원인 가스셀 온도변화가 검출기 신호에 끼치는 영향요소를 확인하고자 하였다. 이러한 가스셀 온도 변화에 따른 SO₂의 검출신호 (Detection signal)는 그림 5와 같다. 결과값은 가스셀을 통과한 광 에너지가 검출기 (Detector)에 열적 변화를 줌으로써 발생한 미세 전류 (V)값을 컨버터를 통해 일련의 신호처리를 한 결과값이다. 일반적으로 가스셀 온도가 상승할 때 검출신호의 크기가 감소하는 경향이 나타났다. 40℃ 조건에서의 검출신호를 기준으로 했을 때 50℃에서 약 3~15% 감소현상이 나타났으며, 60℃와 70℃에서 40℃ 신호 대비 각각 9~25%, 13~37% 감소현상이 나타났다. 결과적으로 가스셀 내부 온도가 상승함에 따라 검출신호 감소율이 높아지는 경향이 나타났다. 각 농도별 신호에 대해서도 비슷한 경향을 보였으나, 특히 1,000 ppm SO₂ 농도에서만 온도가 변하여도 비슷한 신호 값이 나타났다. 이는 고농도의 SO₂가 IR 흡수파장을 모두 흡수하여 적외선 검출기가 반응하지 않고 일반 노이즈 (Noise) 값만 출력됨을 시사하고 있다 (Wong and Anderson, 2012).

Fig. 5. 
Variations of infrared detector signals with respect to various gas cell temperatures.

가스셀 온도변화에 따른 검출신호에 대한 통계적인 경향을 보기 위해, 상관분석을 실시하였으며 도출된 결과는 표 3과 같다. 상관계수는 농도별 각 -0.997, -0.992, -0.999, -0.992, -0.978, -0.998, 0.631로 1,000 ppm을 제외하고 가열온도 증가에 따른 신호의 변화가 음의 상관관계로서 높게 작용한다는 것을 알 수 있었다. Zhao et al. (2021)의 적외선 검출기에 대한 온도 영향 실험에서는 온도가 상승할 때 신호의 크기도 같이 증가하는 경향을 보였다.

Zhao et al. (2021)의 실험은 -10~40℃ 범위로 진행하여 본 연구의 실험 온도 범위인 40~70℃ 범위에 비해 낮은 온도이지만 상관관계에서 반대의 결과가 나타났다. 그러나 해당 결과를 좀 더 고찰하면 온도가 상승할 때 offset의 신호 증가율이 상대적으로 크기 때문에 본 실험과 같은 음의 상관관계가 나타났음을 알 수 있다. Yi (2017)의 실험에서도 -20~60℃ 구간에 대한 온도영향 실험결과 검출신호의 크기가 증가하는 결과가 나타났다. 이와 같이 Thermal type의 적외선 검출기는 주변온도가 상승하면 검출신호가 증가하는 경향을 보이므로 온도변화에 따른 검출신호 보정을 고려해야 할 것이다.

광경로는 특정파장을 측정하는 NDIR의 특성상 포화되는 신호포화 현상이 발생할 수 있으므로 적합한 광경로를 설정하는 것이 매우 중요하다 (Akram et al., 2020; Hodgkinson et al., 2013; Wong and Schell, 2011). 광경로 변화에 따른 SO₂에 대한 적외선 검출기의 결과값은 그림 6과 같다. 즉 광경로의 길이가 짧은 5.6, 7.2, 10.4 m 순으로 적외선 검출기의 세기가 강하게 나타나는 것을 확인하였다. 화이트셀 (White cell) 구조의 가스셀 내부의 반사경으로 인하여 적외선이 반복적으로 반사되며 그림 6의 결과와 같이 광경로가 길어짐에 따라 적외선 검출기에 감지되는 신호세기는 상대적으로 낮게 나타났다. 그리고 N₂ 가스 신호 대비 각 농도에 따른 신호 감소율은 그림 7과 같다. 광경로 길이 10.4 m에서 10, 50, 100, 200 ppm 순으로 농도변화가 나타났을 때 각각 14.06%, 29.61%, 40.73%, 52.64%의 신호 값 감소율을 보였으며, 7.2 m에서는 2.30%, 21.40%, 42.41%, 62.80% 그리고 5.6 m에서는 1.53%, 18.37%, 35.83%, 57.71%의 감소율이 나타냈다. 저 농도에서 10.4 m 광경로가 상대적으로 높은 적외선 흡수율을 보였지만, 100 ppm 이후 7.2 m의 농도 가스를 분석하기 위해서 광경로를 길게 하여 검출 한계 값을 낮추는 것이 중요하다는 것을 암시해주고 있다. Akram et al. (2020)은 광경로 길이에 따라 포화되는 가스의 농도차이를 설명하였으며, Hodgkinson et al. (2013) 또한 가스 성상과 농도에 따라 포화되는 결과값이 다르므로 다양한 실험을 통한 경로 설정이 중요하다고 언급하였다. 따라서 광경로가 길 경우 상대적으로 고농도의 가스에서는 흡수율이 낮아지는 경향을 보였기 때문에 분석 가스의 농도 범위에 따른 NDIR 광경로 설계가 필요함을 알 수 있다.

Fig. 6. 
Infrared detector signal change according to variations of path length and SO₂ concentration inside a gas cell.

Fig. 7. 
Signal reduction rate by path length (Compared to N₂).