1. 서론 : 가스 사업의 보급과
반도체식 센서 개발

1900년대에 접어들면서 전국에 약 70개의 가스 회사가 우후죽순처럼 생겨났다. 이는 1872년 요코하마에서 가스등이 처음 켜지며 조명용으로 사용되기 시작한 데서 비롯되었다. 이후 20세기 중반에 이르러 일본에서도 가스 사업이 본격적으로 전개되었는데, 이는 가스의 용도가 조명에서 열원으로 확대된 데 따른 것이다. 그전까지 부엌에서는 숯을 사용해 요리를 했으나 스위치로 간편하게 켜고 끌 수 있고, 불꽃의 세기를 조절할 수 있는 가스가 등장하면서 상황이 크게 달라졌다. 가스는 그을음과 연기가 적게 발생해 훨씬 편리한 에너지원으로 자리 잡았다.(1)

한편, 환경 가스에 의해 산화물 반도체인 ZnO와 ZnO₂의 전기 저항이 변화한다는 사실은 해외에서는 1950년대, 일본에서는 1960년대에 들어서야 밝혀졌다.(1)~(4) Bell Labs의 Walter Brattain과 John Bardeen은 1953년, 게르마늄 반도체의 저항값이 접촉하는 공기의 상태에 따라 변한다는 사실을 보고했다. 이어 1954년에는 Heinz Heiland가 ZnO와 같은 금속 산화물이 산소 및 기타 가스 분위기에서 반도체적 특성을 나타낸다는 점을 밝혔다. 일본에서는 산화 촉매 연구를 수행하던 Kyushu University의 Kiyoyama Tetsuro 교수가 1962년에 약 485℃로 가열한 ZnO 박막을 가스 센서로 활용할 수 있음을 제안하였다. 이는 당시 사용되던 열전도도 검출기(Thermal Conductivity Detector, TC D)에 비해 프로판 가스에 대한 반응 속도가 약 100배 빠른 수준이었다.(5) 이러한 연구를 바탕으로 반도체식 가스 센서의 기반이 마련되었다.

또한 같은 시기, 가스 업계의 유서 깊은 기업 Iwatani Corporation의 창립자 Naoji Iwatani은 1953년 가정용 프로판 가스 판매를 시작하였다.(6) 한편, 가스 감지기 분야의 대표적인 기업 New Cosmos Electric Co., Ltd. 역시 그 전신인 후쿠시마 전기 제작소 시절부터 가스 센서 사업에 착수하였다. 이는 작업 중이던 부품의 저항값이 사용 중이던 톨루엔의 기화에 의해 변화한 현상에서 비롯된 것으로 알려져 있다.(7) 이 회사의 가스 센서는 이후 세계 최초의 가정용 가연성 가스 경보기(1964년)와 가정용 프로판 가스 경보기(1969년)로 발전하였다.(8) 같은 시기, Figaro Engineering Inc.에서도 반도체식 가스 센서가 개발되었다(1968년).(9) 창업자인 Naoyoshi Taguchi는 1960년 Lake Yamanaka 인근에서 발생한 프로판 가스 폭발 사고를 계기로 제품  와 LP가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG)는 모두 프로판과 부탄을 주성분으로 하는 반면, 도시가스는 메탄을 주성분으로 하는 천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)로 구성된다. 따라서 도시가스를 효과적으로 감지하기 위해서는 메탄 검지가 필수적이며, 1980년에 이르러서야 실용화되었다. 한편 불완전 연소 가스는 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하며, 일산화탄소 감지의 필요성이 크게 대두되었다. 관련 기술은 1983년에 실용화되었으나, 본격적인 보급은 1990년대에 들어서면서 이루어졌다.

2. 반도체식 가스 센서의 구조와 특징

수백 도로 가열된 산화아연(ZnO)은 산소에 노출되면, 산소가 산화아연의 전자를 포획하여 표면에 음전하로 흡착된다.(11) 이로 인해 표면에는 공핍층(결핍층)이 형성되고, 전자 밀도 분포의 변화에 따라 페르미 준위가 이동한다. 공핍층이 두꺼워질수록 페르미 준위의 이동 폭도 커지며, 반대로 공핍층이 얇아지면 그 이동은 작아진다. 이러한 상태에서 가열된 금속 산화물 반도체는 전도 전자의 감소로 인해 전기 저항이 증가한다. 이와 같은 조건에서 가연성 가스와 같은 환원성 가스에 노출되면, 표면에 흡착된 산소와 가스 사이에 반응이 일어나면서 가스가 산화되고, 흡착되어 있던 전자가 다시 방출된다. 그 결과 전기 저항은 감소한다. 이후 환원성 가스가 제거되면, 다시 산소가 흡착되면서 저항값은 원래 상태로 회복된다.

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⇒ 본고는 월간지 ‘計測技術’(일본, 일본공업출판주식회사 발행)2026년 2월호(연재)를 번역·전재한 것입니다. 본 기사의
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