음주 측정기 속으로 내뱉은 공기 중 에탄올 분자가 센서와 반응하여 전기적 신호를 발생시키는 화학적 산화 반응과 정량화 과정을 설명해 주세요.

Question

음주 측정기 속으로 내뱉은 공기 중 에탄올 분자가 센서와 반응하여 전기적 신호를 발생시키는 화학적 산화 반응과 정량화 과정을 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

사람이 내뱉은 호흡 속에는 혈액 속 알코올 농도와 비례하는 양의 에탄올 분자가 포함되어 있습니다. 이 공기가 측정기 내부로 들어가면, 센서 표면에서 에탄올이 화학적 산화 반응을 일으킵니다. 전통적인 방식에서는 중크롬산칼륨과 같은 산화제가 사용되어 에탄올이 아세트산으로 산화되고, 동시에 크롬 이온이 환원되면서 용액의 색이 변합니다. 이 색 변화는 전기적 신호로 변환되어 알코올 농도를 추정하는 데 활용됩니다.

현대의 측정기는 주로 연료전지 센서를 사용합니다. 이 경우, 백금 촉매가 있는 전극 표면에서 에탄올이 산화되어 아세트산과 수소 이온, 그리고 전자를 방출합니다. 방출된 전자는 전극을 따라 이동하며 전류를 형성하고, 이 전류의 크기는 호흡 속 에탄올 농도에 비례합니다. 측정기는 이 전류를 디지털 신호로 변환하여 혈중 알코올 농도로 환산합니다. 일반적으로 호흡 중 에탄올 농도와 혈중 농도는 일정한 비율을 가지므로, 호흡만으로도 혈중 알코올 농도를 정량적으로 추정할 수 있습니다.

결국 음주 측정기의 핵심은 에탄올의 산화 반응을 통해 전자를 발생시키고, 그 전류를 정량화하여 혈중 알코올 농도로 환산하는 과정이라고 할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

음주 측정기는 사람이 내쉰 숨 속에 들어있는 에탄올을 감지해 혈중알코올농도를 추정하는 장치인데요, 술을 마시면 에탄올이 혈액으로 흡수되고, 폐의 폐포로부터 일부가 공기 중으로 이동합니다. 그래서 숨을 내쉴 때 혈액 농도와 비례한 에탄올이 포함됩니다.

정밀 음주 측정기는 주로 전기화학식 연료전지 센서를 사용하는데요, 사용자가 숨을 불면 에탄올 분자가 센서 전극 표면에 닿고, 백금 등의 도움으로 산화됩니다. 이 과정에서 중요한 것은 전자가 발생한다는 점인데요, 에탄올이 많이 함유되어 있을 수록 더 많은 전자가 방출되고 회로를 따라 흐르는 전류 역시 커집니다. 이때 기기는 전류의 세기를 측정하여 숨 속의 에탄올 농도를 계산하게 됩니다. 이때 센서 반대쪽 전극에서는 산소 환원 등 짝반응이 일어나 전체 회로가 완성되는데요, 즉 한쪽 전극에서 에탄올이 산화되어 전자를 내놓으며 다른 전극이 그 전자를 받아들이면서 전기적 균형을 맞추는 것입니다. 이때 정량화 과정은 분석화학적으로 매우 중요한데요, 예를 들어 특정 농도의 에탄올 가스를 넣었을 때 발생하는 전류값을 기록해 검량선을 만듭니다. 이후 실제 측정 시 센서 전류를 이 검량선에 대입하면 호기 중 에탄올 농도를 계산할 수 있습니다. 다음으로 호기 농도는 혈중 농도로 환산되는데요, 폐포 공기와 혈액 사이에는 혈액-호기 분배비가 있기 때문에, 일정 비율에 따라 혈중알코올농도를 추정하고, 화면에는 숨 속 농도 대신 법적 판단에 쓰기 쉬운 수치가 표시됩니다.

감사합니다.