웹캠 이미지 빛의 밝기 분석에 기반한 가스 센서 개발: 가스가 충전된 고분자 소재의 가스 충전량과 확산도 측정에 활용 = Development of Gas Sensor Based on a Light Intensity Analysis of a Webcam Image: Application to Gas Uptake and Diffusivity Measurements in Gas-Charged Polymer Materials

국문 초록 (Abstract)

기체가 충전된 시료와 물이 담긴 밀폐된 눈금 실린더에서 수위 변화를 모니터링하여 기체 농도와 확산도를 정량적으로 분석하기 위한 가스 센서가 개발되었다. 시료에서 기체가 방출되면, 물과 방출된 기체의 경계에서 초승달 모양의 밝은 경계선이 형성되며, 이는 디지털 웹캠을 사용하여 시간에 따라 기록된다. 캡처된 이미지에서 픽셀 밝기의 시간에 따른 변화를 분석함으로써, 이 센서는 이상기체 방정식을 기반으로 한 계산과 결합하여 기체 농도와 확산도를 정밀하게 측정할 수 있다. 개발된 센서는 1초 이내에 즉각적으로 반응하며, 1 wt·ppm (무게 백만분율)에서 1,000 wt·ppm 범위의 기체 농도를 측정할 수 있으며, 감도와 측정범위도 조정 가능하다. 이 저비용 센서는H₂, He, N₂, O₂, Ar 등의 다양한 기체의 정량 분석뿐만 아니라, 다양한 재료에서의 기체 확산 및 투과 연구에도 활용될 수 있다. 본 방법은 간단하고 비용 효율적인 접근 방식을 제공함으로써 실시간 기체 분석 및 모니터링을 가능하게 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright © 2025 Korean Society of Remote Sensing Abstract: A gas sensor was developed to quantitatively analyze gas concentration and diffusivity by monitoring water level changes in a sealed graduated cylinder containing water and a gas-charged sample. As gas is released from the sample, a crescent-shaped bright boundary forms at the interface between the water and the released gas, which is recorded over time using a digital webcam. By analyzing the sequential time variation in pixel brightness from the captured images, the sensor enables precise measurement of gas concentration and diffusivity, combined with calculations based on the ideal gas equation. The developed sensor responds instantly within one second and can measure gas concentrations ranging from 1 wt·ppm (weight parts per million) to 1,000 wt·ppm, with adjustable sensitivity and measurement range. This low-cost sensor applies to the quantitative analysis of gases such as H₂, He, N₂, O₂, and Ar, as well as studies on gas diffusion and permeability in various materials. This method offers a simple and costeffective approach and facilitates real-time gas analysis and monitoring.