DIY Electronics : 공기질 센서

최근 Adafruit에서 공기질 센서에 대해서 소개하는 동영상이 올라왔습니다. 그래서 이번 글에서는 여기에 대해서 설명해 보겠습니다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=EdUcuorfPzc

 

이 동영상에서는 공기질 센서, ENS161과 사용법에 대해서 설명하고 있습니다. 동영상 하단의 제품 링크는 아래와 같습니다.

 

https://www.adafruit.com/product/6431

Adafruit ENS161 MOX Gas Sensor

 

이 페이지의 제품 설명을 한글로 번역하면 아래와 같습니다.

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킁킁… 냄새가 나나요? 이제 우유 상자에 코를 들이밀 필요가 없습니다! ENS161 가스 센서를 사용하면 디지털 코를 만들어 공기의 냄새와 관련된 가스를 감지할 수 있습니다. 이 센서는 완전히 통합된 금속 산화(MOX) 가스 센서로, 고급 공기질 센서 전문 업체인 ScioSense에서 제작한 고성능 센서를 기반으로 합니다.

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ENS161은 매우 훌륭한 공기질 센서로 설계되었으며, I2C 인터페이스를 통해 히터 제어나 아날로그 신호 해석을 직접 처리할 필요 없이 쉽게 마이크로컨트롤러와 연결해 사용할 수 있습니다. 이 센서는 여러 금속 산화 감지 요소와 히터 요소를 하나의 칩에 결합하여 보다 정밀한 공기질 신호를 제공합니다.

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ENS161은 인기 있었던 ENS160 센서의 업데이트 버전으로, 기존 센서와 동일하게 네 부분으로 구성된 가스 센서 및 I2C/SPI 인터페이스를 가지고 있지만, 새롭게 향상된 eCO2 및 TVOC 알고리즘과 공기질 지수(AQI) 출력 기능이 추가되었습니다.

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이 센서는 표준형 MOX 센서를 네 개의 섹션으로 나누고 있으며 작은 마이크로컨트롤러가 히터 전력 제어, 아날로그 전압 읽기 및 I2C를 통한 데이터 출력을 담당합니다. ScioSense는 Arduino용 라이브러리와 예제, 그리고 Python / CircuitPython용 라이브러리를 제공하여 Raspberry Pi나 CircuitPython 보드같은 시스템에서도 쉽게 사용할 수 있도록 지원합니다.

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주의할 점: 이 센서는 다른 VOC / 가스 센서와 마찬가지로 측정값의 변동성이 있으므로, 정밀한 측정이 필요할 때는 기준값에 대한 보정(캘리브레이션)이 필요합니다. 하지만 일반 환경 센싱 용도로는 추세와 비교 측정에 좋은 결과를 제공합니다.

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또한 이 센서의 또 다른 장점으로 온도 및 습도 보정 기능을 설정할 수 있어 센서 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 외부 습도 센서를 사용해 해당 값을 I2C로 ENS161에 전달하면, 상대습도/온도 기반 변동성을 줄여 더욱 정확한 읽기값을 얻을 수 있습니다.

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이제 여러분은 프로젝트에 쉽게 바로 적용할 수 있도록 제작된 이 센서를 이용해 보세요. 표면 실장형 센서는 사용자 맞춤 PCB에 미리 납땜되어 있으며, STEMMA QT 커넥터를 통해 솔더링 없이도 쉽게 개발 보드와 연결하거나 다른 센서 및 액세서리와 체인 연결하여 사용할 수 있습니다.

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또한 모든 핀들은 표준 헤더로 분리되어 있으며, 3.3V 전압 레귤레이터와 레벨 쉬프터가 추가되어 있어 3.3V 또는 5V 시스템 (예: Arduino Uno나 Feather M4)에서도 바로 사용할 수 있습니다.

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이 센서는 공기 중의 VOC 분자들을 감지합니다. VOC란 volatile organic compound 의 약자로 유기물 분자를 의미합니다. 구체적으로 에탄올, 아세톤, 톨루엔, 수소 등의 가스 분자를 감지합니다.

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아래의 그래프는 센서의 출력값 (eCO2값)과 사람이 느끼는 공기질의 상관관계입니다.

 

센서의 동작원리와 위의 표에 나타나는 eCO2 (환산 이산화탄소 농도)값이 나타내는 의미를 아래와 같이 정리했습니다.

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공기질 센서는 어떻게 냄새를 숫자로 바꿀까
— MOX 가스 센서의 물리 원리부터 eCO₂의 정체까지

실내 공기질 센서를 보면 항상 따라붙는 숫자가 있다.
TVOC, AQI, 그리고 eCO₂.

하지만 많은 사람들이 이렇게 묻는다.

“이 센서가 정말 CO₂를 측정하는 건가요?”
“냄새랑 CO₂는 다른 거 아닌가요?”

결론부터 말하면,
대부분의 저전력 공기질 센서는 CO₂를 직접 측정하지 않는다.
그럼에도 불구하고 우리는 꽤 정확하게 공기가 나빠졌다는 사실을 감지한다.

그 비밀은 금속 산화물(MOX) 가스 센서의 물리 원리에 있다.

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1. 센서는 ‘가스’가 아니라 ‘전자’를 본다

MOX 가스 센서는 가스를 직접 세는 장치가 아니다.
이 센서가 실제로 측정하는 것은 단 하나다.

센서 내부 반도체의 전기적 저항

센서의 핵심은 금속 산화물 반도체 표면이다.
이 표면은 작은 히터에 의해 수백 도로 가열된다.
이렇게 하는 이유는 단순하다.

• 화학 반응을 빠르고 안정적으로 만들기 위해서다.

가열된 표면에는 항상 공기 중의 산소가 흡착된다.
이 산소는 반도체에서 전자를 빼앗아 가며, 그 결과 센서의 저항은 커진다.

이 상태가 **‘깨끗한 공기 기준 상태’**다.

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2. 가스 밀도가 올라가면 저항은 왜 줄어들까?

이제 공기 중에 환원성 가스가 들어온다고 생각해보자.

• 사람의 체취
• 숨에서 나오는 수소(H₂)
• 요리 냄새
• 알코올, 아세톤 같은 VOC

이 가스 분자들은 센서 표면의 산소와 반응한다.

그 결과

• 표면에 붙어 있던 산소가 떨어져 나가고
• 산소가 빼앗아 갔던 전자가 다시 반도체로 돌아온다

즉,

가스 분자 수(= 가스 밀도)가 많아질수록
전자가 많아지고 → 저항은 낮아진다

여기서 중요한 점이 있다.

이 센서는

• “에탄올이 몇 ppm인지”
• “아세톤이 몇 ppb인지”

를 구분하지 않는다.

그냥 **‘전체 반응량의 합’**을 본다.

그래서 MOX 센서는 본질적으로
넓은 대역(broadband) 가스 센서다.

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3. 저항 값은 그대로 쓸 수 없다

문제는 여기서 시작된다.

센서 저항은

• 온도에 따라 바뀌고
• 습도에 따라 바뀌고
• 시간이 지나면 기준점이 이동한다

즉, 절대값으로 쓰기에는 너무 불안정하다.

그래서 현대의 가스 센서는 단순한 저항계를 넘어서,
**내부 알고리즘을 가진 ‘작은 시스템’**이 되었다.

센서 내부에서는 다음과 같은 일이 벌어진다.

1. 저항 값을 디지털 원시 값(raw signal)으로 변환
2. 로그 스케일로 정규화
3. 온도·습도 보정
4. 장기 기준선(baseline) 추적
5. 이상치 제거

이 과정을 거쳐서 비로소,
우리가 익숙한 가스 농도 지표가 만들어진다.

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4. 그런데 왜 eCO₂인가?

여기서 가장 많이 오해되는 개념이 등장한다.

• eCO₂ = 실제 CO₂ 농도 ❌
• eCO₂ = CO₂와 상관관계가 높은 상태 지표 ⭕

MOX 센서는 CO₂ 분자를 직접 감지할 수 없다.
CO₂는 화학적으로 너무 안정적이기 때문이다.

그런데 이상한 사실이 하나 있다.

사람이 많아질수록
CO₂도 증가하고,
냄새(VOC)도 함께 증가한다

이건 19세기부터 알려진 사실이다.
그래서 CO₂는 오랫동안 실내 공기질의 대리 지표로 사용돼 왔다.

현대의 센서는 이 관계를 거꾸로 이용한다.

• VOC + 수소 반응량을 측정하고
• “이 정도면 사람이 많을 때의 CO₂ 수준이겠구나”라고 환산한다

이렇게 나온 값이 바로 eCO₂ (equivalent CO₂) 다.

단위는 ppm이지만,
의미는 이렇게 바꿔서 이해해야 한다.

“이 공간의 공기 상태가
CO₂ 기준으로 보면 이 정도로 나쁘다”

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5. 왜 어떤 상황에서는 eCO₂가 더 잘 작동할까?

재미있는 점은 여기다.

• 요리할 때
• 화장실 사용 후
• 침실에서 사람이 잠잘 때
• 향수나 세정제를 썼을 때

실제 CO₂는 거의 변하지 않는다.
하지만 우리는 공기가 나빠졌다고 느낀다.

이때

• CO₂ 센서는 침묵하지만
• MOX 기반 센서는 즉각 반응한다

그래서 eCO₂는
**‘사람이 느끼는 공기질’**과 매우 잘 맞는다.

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6. 그래서 이 센서는 어디에 쓰일까?

MOX 기반 공기질 센서와 eCO₂는 다음 분야에서 강력하다.

• 실내 환기 제어(HVAC)
• 스마트 빌딩
• 공기청정기
• 주거·사무 공간 모니터링
• 에너지 절감형 환기 시스템

반대로, 다음에는 적합하지 않다.

• 법적 CO₂ 계측
• 산업 안전용 가스 경보
• 실험실 정량 분석

즉,

MOX 센서는 ‘사람 중심 센서’다.

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7. 마무리하며

공기질 센서는
가스를 “보는” 장치가 아니다.

가스가 만들어내는 전자의 움직임을 보고,
그 움직임을 인간의 언어로 번역하는 장치다.

eCO₂는 그 번역 결과다.

정확한 분자 수는 아닐지라도,
우리가 숨 쉬는 공간이 쾌적한지, 불쾌한지, 환기가 필요한지는
놀랄 만큼 잘 말해준다.

그리고 실내 환경에서는
그게 가장 중요한 정보일지도 모른다.