불꽃 감지기 센서의 원리(2018, 고3, 7월)

'불꽃 감지기'로 구글에서 검색한 결과 화면

 

화재 시 불꽃에서 방사되는 복사 에너지는 자외선 영역, 가시 광선 영역, 적외선 영역에 ㉠걸쳐서 나타난다. 불꽃 감지기는 불꽃에서 발생하는 다양한 복사 에너지 중 자외선이나 적외선의 특정 파장을 검출하여 이를 전기 에너지로 변환한다. 탄소를 함유한 가연물이 연소할 경우 자외선은 약 0.2μm* 부근의 파장에서, 적외선은 약 2.7μm와 약 4.3μm 부근의 파장에서 최대 방사 강도를 나타내는데, 불꽃 감지기 내부의 센서는 최대 방사 강도에 해당하는 불꽃의 파장을 감지할 수 있게 설계되었다.

 

<그림 1> 광전자 증배관

 

자외선 불꽃 감지기의 센서는 광전자 증배관에서 전자를 증배하는 원리를 이용한다. 광전자 증배관은 진공 상태의 유리관 으로, 음극과 양극, 그리고 그 사이에서 2차 전자*를 방출하는 전극인 다이노드 등으로 구성되어 있다. 빛이 입사하여 광전면인 음극에 도달하면 음극 표면에서 광전자가 방출되는데, 이를 광전 효과라 한다. 방출된 광전자는 집속전극에 의해 가속된 후 제1 다이노드에 충돌한다. 제1 다이노드에서는 충돌에 의해 보다 많은 전자가 방출되며, 방출된 전자들은 다시 가속되어 제2 다이노드에 충돌한다. 이러한 과정이 반복되면 전자가 기하급수적으로 증배되어 양극에 도달하기 때문에 미약한 빛이 입사하여도 상당히 큰 신호 전류를 얻을 수 있다. 이러한 원리를 바탕으로 자외선 불꽃 감지기는 특정 파장에 해당하는 미세한 자외선의 발생 유무도 감지할 수 있어 화재 상황에 ㉡빠르게 대처할 수 있도록 해 준다.

 

<그림 2-1> 초전형 센서

 

<그림 2-2> 초전체의 분극 변화

 

적외선 불꽃 감지기에는 일반적으로 초전형 센서와 특정 적외선 파장대의 빛 에너지를 선택적으로 수용할 수 있는 광학 필터가 사용된다. 광학 필터를 통과한 적외선은 센서 표면의 열 흡수막인 흑화막에 의해 초전체의 온도를 상승시킨다. 초전체는 온도가 변하면 분극이 변하는 물질이다. 분극이란 <그림2-2>의 (a)와 같이 음전하와 양전하가 일정 거리를 유지하며 마주보고 있는 상태를 말하는데, 특히 외부의 압력이나 전기장의 영향 없이도 분극이 유지되는 현상을 가리켜 자발 분극이라고 한다. 초전형 센서의 초전체로는 자발 분극 특성을 ㉢가지는 물질인 강유전체가 주로 활용된다. 초전형 센서에 적외선이 입사하면 강유전체의 온도가 상승하여 자발 분극의 크기가 감소하고, 그 결과 <그림 2-2>의 (b)와 같이 전기적인 평형이 무너져 결합할 상대가 없는 부유 전하가 발생한다. 이러한 부유 전하가 이동함에 따라 전류를 흐르게 하는 힘인 기전력이 발생함으로써 센서는 초전체와 위아래로 맞닿아 있는 전극으로 전기적인 신호를 보내 화재가 일어난 것을 감지하게 된다.

 

한편 불꽃 감지기의 감지 가능 거리는 화염의 크기에 비례하는데, 화재원이 감지기로부터 더 멀리 ㉣떨어져 있으면 감지기가 감지할 수 있는 화염의 최소 크기 또한 그 거리의 제곱에 비례하여 커야 한다. 만약 어떤 불꽃 감지기가 20m 거리에 있는 0.1m² 크기의 화염을 감지한다고 했을 때, 화재원을 40m 위치에 ㉤두게 되면 감지기가 감지할 수 있는 최소 화염의 크기는 0.4m²이며, 화재원을 10m 위치에 두게 되면 0.025m²의 화염의 크기에도 경보를 울린다는 의미이다.

 

* μm: 마이크로미터. 100만 분의 1미터.
* 2차 전자: 매우 빠른 속도로 진행하는 전자가 기체 분자나 고체와 부딪힐 때 생기는 전자.

 

 

― (출전) 정용택, <사물인터넷, 스마트센서로 정복하다>
@ 2018학년도 7월 고3 전국연합학력평가, 24~28번.