1. 서 론

일본 지바현에서는 천연가스(메탄)가 생산되고 있다. 역사적으로 보면, 지바현 이스미군 오키타초에서 처음 발견된 것으로 전해진다.1) 1891년, 간장 제조업을 하던 야마자키야의 오타 우하치로가 좋은 물을 찾기 위해 우물을 팠을 때, 물 위로 거품이 일고 갈색을 띤 물이 솟아올랐다. 안타까워하며 피우던 담배를 거품 위에 던지자, 거품이 푸르스름한 불꽃으로 타올랐다. 1891년에 일어난 일이다. 이후 이 지역을 시작으로 민가에서도 가스 우물을 파는 계기가 되었다고 한다. 현재에도 동해안의 구주쿠리 해변을 따라 수제 가스관이 이용되고 있으며, 가스는 땅속에서 자연적으로 솟아난다.2)3) 2004년에는 구주쿠리 정어리 박물관에서 폭발 사고가 발생했는데, 자연 발생 천연가스가 원인으로 지목되었다.1) 또한 2011년 동관동 대지진으로 수제 가스 우물과 배관이 크게 손상되는 사태가 발생하였다.

천연가스뿐만 아니라 탄광 내 작업의 기류, 산소 확보 그리고 안전성 측면에서도 가스 발생 모니터링과 산소 측정 등 가스 계측의 수요는 높았다. 「탄광의 카나리아」라는 표현은 영어로 “Like a canary in a coal mine”이며, 아직 발생하지 않았거나 눈으로 감지할 수 없는 위험을 조기에 감지하는 상황을 가리킨다. 이는 카나리아가 기류나 공기의 변화에 민감하게 반응하는 습성을 이용한 것으로, 1900년대 초 탄광 노동자들이 일산화탄소 중독 위험으로부터 자신을 보호하기 위해 갱도에 카나리아를 데려온 데서 유래했다.

가스 종류를 선택적으로 감지하여 위험을 조기에 알려주는 경보기기는 가스 사용의 확산과 함께 보급되었다. 18세기 후반 영국에서 조명용 가스가 사용되기 시작했고, 일본에서도 메이지 시대에는 이미 도시가스 사업이 시작되었다.4) 메이지 5년(1872년)에는 요코하마에서 가스등이 점등되었으며, 메이지 시대 후반에는 열원으로 활용하기 위해 가스레인지와 가스 스토브가 보급되었다. 1959년에는 니가타현에서 대규모 천연가스전이 발견되어 도시가스의 원료로 활용되었다. 동시에 가스 이용은 가정뿐만 아니라 공장, 상업 시설 그리고 가스 열병합발전 시스템(발전 과정에서 발생하는 열을 회수해 급탕이나 냉난방에 재활용하는 기술과 장치) 등 다양한 분야로 확대되었다. 이러한 과정에서 가스의 종류 선별, 순도 평가, 농도 측정 그리고 위험이나 위기 상황을 예방하기 위해 가스 센서가 활용되기 시작하였다.
가스 센서는 대상 가스와 직접 접촉하여 측정하는 접촉형 센서와 원격으로 측정할 수 있는 광학식 원격형 센서로 크게 구분할 수 있다. 접촉형 가스 센서는 센서의 특성에 따라 개별식 센서, 전기화학식 센서, 적외선식 센서 등으로 나뉜다. 한편, 광학식 원격형 센서도 파장 스캐닝식 센서나 적외선식 카메라 등으로 구분할 수 있다. 가스 센서의 분류는 그림 1와 같다. 모든 가스 센서는 대상 가스의 종류와 센서 간의 반응 또는 흡수 특성을 이용하여, 그 변화량을 해당 가스의 농도로 환산하여 사용한다. 여기서 제시한 가스 종류와 센서 유형은 대표적인 예시이며, 이 외에도 다양한 센서와 측정 가능한 가스 종류가 존재한다.5)

2. 가스 농도와 폭발 한계

가스 농도의 표현은 주로 대상 가스의 순도를 나타낼 때와 폭발성, 치사량 등 위험 수준을 나타낼 때로 크게 나눌 수 있다. 가스 순도를 표시할 때는 백분율(%) 또는 부피 백분율(vol%)이 사용된다. 예를 들어 순도 99.9%는 불순물이 1,000분의 1 이하임을 의미하며, 이를 3N으로 표기한다. 순도는 용도에 따라 달리 적용되는데, 레이저 절단, 열처리, 반도체 제조, 분석 기기 교정 등에는 99.999% (5N)과 같이 매우 높은 순도의 가스가 필요하다. 반면, 화재나 폭발 방지 목적이라면 95~98% 정도의 순도로도 충분한 경우가 많다. 또한 질소나 아르곤과 같은 불활성 가스를 이용해 산소를 배제하고 화학 반응이나 산화를 방지하는 블랭킷 용도(불활성 가스화)에도 활용된다.

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⇒ 본고는 월간지 ‘計測技術’(일본, 일본공업출판주식회사 발행)
2026년 1월호(연재)를 번역·전재한 것입니다. 본 기사의 무단 전재 및 복사는 저작권법상 금지되어 있습니다.