에너지효율을 위한 원적외선 가열기술 개요

강동필  한국전기연구원 나노하이브리드소재연구그룹 그룹장

1. 에너지시각에서 본 적외선
1) 적외선의 열에너지 개념
전자기파의 종류는 파장의 크기에 따라 X-ray, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파 등이 있는데 우리생활에 다양하게 이용되고 있으며 태양광의 파장범위가 300~2,000nm에 걸쳐 분포하고 있어 우리는 자외선, 가시광선, 적외선에 직간접적인 영향을 받으며 살아가고 있다.
자외선과 가시광선은 생체를 구성하는 유기 고분자의 전자궤도 준위에 영향을 주는 에너지 크기인데, 전자의 π→π, n→π 전이가 여기에 해당된다.
즉 생체가 자외선이나 가시광선을 받으면 이중결합전자들 또는 그들과 연계된 산소, 질소 원자의 비공유 전자쌍의 전자들이 높은 에너지 준위상태로 올라가게 되는데 이와 같은 여기상태의 전자는 물, 산소와 반응하는 속도가 그라운드상태의 전자들보다 크게 증가하게 되므로 이들에 노출된 유기분자가 열화(변색)나 분해가 일어나게 만들기도 하고 열로 손실되면서 그라운드 상태로 되돌아오기도 한다. 흑체가 아닌 물질의 경우 가시광선의 흡수율도 낮고 열로의 변환율도 높지 않아 물질의 열에너지 상태에 크게 영향을 주지 않으므로 가열측면에서 가시광선을 크게 다루지는 않고 있다.
적외선은 세라믹/고분자 물질들의 진동준위에 영향을 주는 파장대 영역으로 그 중에서도 2.7~15㎛의 중적외선과 원적외선은 고분자에 의한 흡수효율이 아주 높아 가열에너지로써 중요한 의미를 갖는다(그림 1).  
온도로 표시되는 물질의 열적 상태는 분자 내 화학결합들의 진동정도나 이동 속도(액체, 기체)의 차이로 나타난다. 열전달이 전도, 대류, 복사를 통해서 이루어지는 것은 이론적으로 잘 정리되어 있다. 전도는 고체재료 내부를 통하여 전자의 이동이나 격자진동으로 에너지전달이 이루어지며, 대류는 액체/기체와 같은 유동성 매질분자가 직접 열에너지를 가지고 이동하여 열전달이 일어나며, 복사는 전자기파(주로 적외선)의 형태로 전달되는 것을 말한다.
대부분의 유기물질이나 세라믹은 열적 상태에 의존하는 적외선을 방사하는데 상온상태에 있는 물질도 대게 5~30㎛ 파장범위의 원적외선을 방사한다. 이들 물질들은 적외선을 잘 흡수/방사하여 자체의 온도를 상승/냉각시킬 수가 있으며 물질의 종류에 따라 특정파장을 선택적으로 잘 흡수하는 특징을 가지고 있다.
적외선의 수수가 에너지 전달수단으로 거론되어 왔을 뿐 물질의 열적 상태나 가열의 주요인자로서 다룬 예는 많지 않다. 그러나 전자기파의 반사/흡수 및 방사 등의 특성이 재료 종류에 따라 차이가 크고, 방사량도 절대온도 4승에 비례할 정도로 차이가 나며 흡수자체가 물질의 열적 상태인 진동준위에 영향을 직접 주기 때문에 에너지 상태 특히 가열을 논할 때 중요하게 다루어져야 될 것이다. 특히 장파장의 원적외선은 물질의 내부까지 깊숙이 침투하여 흡수되는 특성을 가지고 있어 열전도율이 나쁜 유기물질을 균일하게 가열하는데 아주 유익한 수단이 되고 있다.
자기파에 의한 열전달은 매체를 통한 전도/대류와는 달리 중간매질이 없이 이루어지며 피가열물의 분자에 직접 흡수되어 분자진동의 여기로 인하여 자체적으로 발열되므로 가열효율이 매우 우수하다.
더욱이 시간당의 에너지 전달량에 있어서는 대단히 크기 때문에 에너지를 피가열에 전달시켜야 하는 가열 기술에 있어서 적외선의 영향은 재조명되어야 한다(이론적으로 정립하기가 매우 어려워 가볍게 다루어져 왔을 뿐이다).
 
2) 지구의 열에너지와 적외선
우주계에서 지구는 전도와 대류라는 전달 측면에서 보면 독립된 에너지 계이다. 그러나 태양으로부터 전자기파 형태로 에너지를 받아서 지구의 온도가 유지되고 있다. 하루 중에 큰 일교차가 생기는데 지구 전체의 열용량을 감안하면 태양으로부터 받는 에너지량은 대단히 크며, 태양이 없는 12시간 정도에 10℃씩이나 온도가 내려가는 것을 보면 지구가 에너지를 잃는 속도나 량이 결코 적지 않는데, 외계로부터 전도/대류로는 독립되어 있는 지구의 냉각은 순수하게 적외선의 방사손실에 기인하고 있다.
지구를 구성하는 토양이나 동식물은 우수한 적외선 방사특성을 가지고 있다. 특히 토양이나 바위 등의 세라믹 소재는 방사율 0.8이상으로 상당히 높고 10℃에서 30℃ 정도의 열적 상태에서도 장파장의 원적외선(5~30㎛)을 효과적으로 방사한다. 이로 인해서 엄청난 규모의 열용량을 가진 지구는 태양이 기울어지면 빠른 속도로 온도가 떨어진다.
최근 화석에너지의 지나친 사용으로 공기 중에 CO2의 농도가 빠른 속도로 증가하고 있고, 메탄, 알콜, 프레온 같은 유기성 가스들의 농도도 늘고 있다.
그런데 이들 가스들은 적외선 중의 일부 파장대를 흡수하여 외계로 발산되는 것을 차단하게 된다. 흡수 후의 에너지는 이들 분자에서 열형태로 발산되거나 다소 장파장의 적외선으로 재 방사하게 되는데 그것이 지구를 항하면 열을 차단하는 결과를 낳게 되는 셈이다.
물분자는 적외선의 여러 파장대를 흡수하며 이것 또한 유사하게 지구온난화에 기여하는 결과를 낳게 되는데 물은 흡수파장대가 넓고 대기권에 존재하는 함량도 대단히 높으며, 작은 입자(구름)로 존재할 경우 굴절을 통해서 적외선을 반사시키는 효과를 낳기 때문에(흐린 날은 일교차가 훨씬 적어짐) 지구 온난화에 대한 영향이 매우 클 것으로 예상되고 있다.
더욱이 지구표면의 대부분이 물이고 해수온도와 대기권의 온도가 올라가면 갈수록 증발하는 수분량과 포화수증기에 도달하는 수증기량이 높아지기 때문에 지구온난화는 더욱 가속될 것으로 보인다.

2. 적외선 방사와 가열히터
1) 물질의 적외선 방사특성
적외선을 방사하는 재료로는 세라믹, 고분자, 카본재료 등이 있으나 고분자는 열에 약하고 열전도율도 낮아 고출력 방사체로는 사용하지 않는다.
세라믹 물질들은 장파장의 원적외선을 낮은 온도에서도 상당히 방출하는 것으로 알려져 있지만, 이들 물질들도 200℃ 이하의 낮은 온도에서는 가열수단으로 활용할만한 에너지량을 방사시키지는 못한다. 적외선 방사율, 내열성, 열전도율 등이 높고 열충격 특성이 우수한 특정세라믹 물질들이 대용량 히터용 적외선 방사물질로 선호되고 있다(표 1).
카본종류들은 우수한 적외선 흡수체이면서 우수한 적외선 방사체인데 내열성과 열전도율도 좋으며 특히 판상이나 섬유상의 구조제적 특징을 가지고 있어 세라믹 코팅막의 기계적 강도를 보강하는 효과가 있어 소량으로 복합처방이 되고 있다. 고효율 적외선 방사체라 하여도 온도별로 방사되는 적외선의 파장특성이 다소 차이가 있기 때문에 여러 물질을 혼합하여 방사코팅재로 사용하고 있다.
복합처방된 방사코팅재에 있어서는 보강입자의 형상, 입도, 바인딩성, 열팽창계수 등이 방사량과 재료물성에 영향을 주는 것으로 되어 있다. 온도 싸이클 조건에서 균열(크랙)이 발생하지 않으려면 코팅재료의 열팽창계수가 낮아 열싸이클에서 표면인장응력을 크게 받지 않아야 한다.
적외선 방사에 대한 물리적 이론은 아주 복잡하여 저자도 공부를 하다가 더 이상 진행이 어려웠으며 이런 이론을 독자들이 이해할 상황은 아닌 것 같다. 단지 물체가 진동하면서 음파를 방출하듯이 분자준위의 진동에너지가 전자기파로 방사된다고 이해해도 좋을 것 같다. 실제로 고온에서 진동하면 열전자가 방출되기도 하고 백열등이 빛을 발하고 쇠나 도자기 재료가 1000℃ 이상의 고온에서 눈으로 볼 수 있는 붉은 빛을 발하는 것이 전자기파 방출의 증거이다. 물질의 가열을 위해서 눈으로 볼 수 있는 가시광선은 의미가 없으며 실제로 근적외선도 효과가 떨어지므로 의미 있는 출력과 피가열물의 흡수 파장대와 흡수 효율을 고려하여 적절히 타협점을 찾아야 하는데 200~500℃ 정도의 방사체 표면온도를 유지함이 적절할 것으로 보인다(그림 2).
2) 고효율 방사코팅재     
가열용의 고출력 적외선 방사체는 어느 정도의 고온조건에서 운용할 수 밖에 없기 때문에 온도 사이클에 대한 열충격성, 열전도성, 세라믹 분말과의 결합성, 모재와의 접착력 등이 우수한 바인더를 사용해야 한다. 실리카/알루미나 졸의 방사특성은 세라믹 중에서 다소 떨어지지만 무기물이나 금속과의 계면접착성, 내열성, 열충격성 등이 우수하여 적외선 방출 세라믹의 코팅 시 바인더로서 주로 사용되며 점도가 낮아 분산과 코팅이 용이하다.
적외선 방사체는 코팅 후 열처리되는 동안에 경화수축을 하기 때문에 일정이상의 두께가 되면 균열이 발생하기도 하고 고온 싸이클이 반복되면 모재와의 계면에서 탈리가 발생하기 쉬우므로 바인더와 방사체분말의 최적처방이 매우 중요하다. 방사체 코팅재의 열충격에 대한 기계적 강도 유지를 위해 방사물질의 입자형상, 크기분포, 바인더와의 적정비, 균일분산 등이 중요하다. 또한 모재와의 접착력 향상을 위한 표면요철구조도 필요하며 코팅두께도 조절되어야 한다.
적외선 방사용 세라믹 입자들은 표면에너지가 큰 물질들이고 입자가 미세해질수록 엉킴 현상이 심각하여 균일하게 분산시키는데 어려움이 많다.
바인더 졸에 고방사 물질입자를  ball mill를 이용하여 분산시키는데 분산의 효율과 스프레이 분사작업에 맞도록 필요시 유기용매로 희석하기도 하며 방사체의 코팅두께는 10~20㎛ 정도가 적절한 것으로 보고 있다.

3) 방사체 표면구조
산업용의 가열수단으로 사용하기 위해서는 높은 power(에너지밀도)가 요구되므로 고온이나 대면적의 방사체가 필요하다. 동일한 절대면적에서 표면형상구조를 통하여 면적을 확대하는 것이 표면의 적절한 온도유지조건과 방사출력조건을 만족하게 하는데 크게 기여할 수 있는 수단이다.
적외선방사 히터에서 방사체표면 구조측면에서 보면 현재는 금속관이나 세라믹 파이프 표면에 방사재료를 코팅하여 사용하는 경우가 대부분이므로 곡면방사구조체라고 볼 수 있다.
표면이 평판일 경우도 방사되는 적외선은 방사방향이 일정하지 않은 산란성 난방사를 하게 되는데 단위면적당의 방사출력을 증대시키기 위하여 미세요철구조를 만든 뒤에 방사코팅재를 코팅하여 적외선 방사체를 제작하는 연구가 진행되고 있다. 이는 절대적 표면적을 확대시켜 적외선의 방사 효율을 높이고 동일방사출력에서 표면 온도를 낮게 유지함으로써 장파장의 적외선(원적외선과 유사)을 방사시킬 수가 있어 유리하기 때문이다(그림 3).

4) 적외선 히터
현재 적외선 가열히터로는 할로겐램프, 적외선 방사재료가 코팅된 시즈히터, 세라믹 소결관 히터 등이 상업화 되어 있다(그림 4). Quartz관에 발열선을 넣고 산화를 방지하기 위해 고온에서 안정한 할로겐가스를 채워놓은 램프타입을 제외하면 대게 세라믹히터들이다. 세라믹은 전기절연성과 내열성이 우수하여 다양한 형태의 히터제작이 가능하다.
그림 4에 제시된 것들과 같이 금속발열선을 세라믹 원료내부에 삽입하여 소결 성형한 히터와 세라믹 코팅관 (또는 석영관) 내부에 발열선을 삽입한 2가지가 주류를 이루고 있다. 피가열물 위치에서 보면 곡면에서 발생되는 적외선을 받게 되는데 이는 피가열물의 위치에 따라서 같은 량의 적외선을 받기가 힘들고 상업적 의미가 있는 적외선량을 방사할 수 있는 고출력 방사히터는 표면온도가 700℃ 전후로 운영되므로 대부분 근적외선을 방사하게 된다.
즉 기존의 적외선 방사체 히터는 유기물질에의 흡수효율이 우수한 5~12μm 대역의 파장을 갖는 원적외선을 고출력으로 방사시키기가 어려운 한계를 가지고 있다.    
최근 평판형의 적외선 방사히터의 필요성이 대두되고 있어 연구가 진행 중에 있지만 고온에서 자체강도를 갖는 평평한 절연지지판 소재가 개발되지 못 하고 있으며 특히 대면적으로 세라믹 구조물을 제조하기가 어려워 금속표면에 절연처리를 하여 히터의 지지판으로 사용하는 시도를 하고 있는데, 금속으로는 알루미늄, 스테인레스 또는 합금소재를 사용하는데 방사코팅재료보다 열팽창계수가 커서 고온조건에서 사용할 경우 비틀림 현상이 발생하는 한계를 보이고 있다.

3. 적외선의 가열 분야
열풍가열에서 매질인 공기는 분자밀도가 낮아 확산속도가 빠르고 자발적으로 평행상태로 저절로 가는 장점이 있지만 전달하는 에너지밀도가 너무 낮고 특히 기체에서 고체로의 열전달은 너무 느려 가열효율이 극히 나쁘지만 지금까지 생산현장에서는 주요가열수단으로 이용되어 왔다.
적외선은 유기물질에의 흡수 효율이 높고 파장이 길수록 내부 깊숙이 침투하여 흡수되는 분율이 높아지므로 균일가열에 유리한 특징을 가지고 있다.
이런 이유로 다양한 종류의 적외선 히터개발이 시도되어 왔고 이미 다양한 분야에 적용되고 있다. 적외선 가열은 현재 식품(발효) 건조, 섬유/제지/폐기물 건조, 페인트 경화 등에 사용되고 있으며 전기전자제품의 제조공정용의 첨단제품에도 적용이 시도되고 있다.
원적외선을 고출력으로 발생시키기도 어렵고 피가열물에 동일량을 조사시키기가 어려워 적용에 제한적이지만 에너지 절감효과(급속가열)가 크고 가열품질(균일가열)이 우수하여 다양한 분야에서 가열수단으로 부각되고 있다.
 
1) 산업공정가열응용
산업분야에서는 수분/용매 건조, 열처리(전처리/숙성), 경화반응 등을 위해 단계별로 열을 조절해야 하는 경우가 많은데 종래의 열풍이나 스팀 등의 방법보다는  적외선가열이 가열속도, 균일가열, 에너지 효율 면에서 장점이 많다. 현재 산업분야에서 적외선가열이 시도되고 있는 용처는 아래와 같다.  
- 인쇄/도장 건조 : 인쇄액/도료/코팅피막의 건조 및 경화(가전, 선박, 자동차)
- 접착 및 점착제의 용제 건조 및 경화
- 섬유 제조 및 염색공정 열처리/제지 및 인쇄 분야 건조
- 수지함침 prepreg 및 복합재료 제조
- 반도체/LCD/PDP 표면처리, 전자재료/세라믹 슬러리 공정재료 처리
- 환경폐기물(음식, 상하수/산업용 슬러지) 건조
- 고분자 압출물(전선, 고무hose, 쉬트, 파이프) 열처리 및 경화
- 식약재/농수산물/목재(펄프) 건조/발효
- 숙성발효 : 맥주, 와인, 과실주, 양조, 발효식품
- 화학착화 : 감열식사진, 토너정착, 탈색
- 보온 : 부화기, 식품보온, 식물재배

2) 조리
적외선 가열에서 늘 문제가 되는 균일조사가 가능하게 적외선 발생장치의 입체적 구조가 중요한데 조리의 경우 조리대상의 형상과 크기가 다양하고 그릇(용기)에 담겨져 있는 경우가 대부분이라 많은 어려움을 가지고 있다. 그리고 적외선 가열은 수분의 증발을 가속화시키는 특징이 있어 조리에 따라서는 너무 말라지면 조리품질이 떨어지는 경우도 특별한 대책이 필요하다.
기존의 조리기 중에서 광파조리기나 내부표면에 세라믹 도료가 코팅된 오븐기 등은 적외선 방사가 상당히 일어나 조리에 효과적으로 작용하고 있는 제품으로 볼 수 있으며 구조의 변화 없이 기존 제빵 오븐기에 적외선방사 코팅제를 적용했을 때 두께가 3~4cm의 빵의  조리시간이 거의 절반으로 줄어드는 결과를 확인 바가 있다.
고구마처럼 껍질이 있는 경우는 음식물 표면이 타거나(껍질만 탐) 지나치게 건조되는 것을 막아 준다. 물에서 삶는 것보다 훨씬 고온 조건에서 조리를 하기 때문에 전분의 열분해로 인한 당도증가가 일어나고 적절한 건조와 껍질내부표면 브라운닝이 효과적으로 일어나 권장할만한 조리 수단이 될 수 있다.
3) 생명활성과 난방
인간의 기본대사에너지는 어느 정도이고 어떤 형태의 에너지로 소모되고 있을까? 그 에너지의 일부를 원적외선으로 공급받는다면 식사량 축소는 어디까지 가능하며 생체대사에 어떤 변화가 가능할까? 소식을 통한 수명연장 가능성은 없는지? 생체의 부위별 열적 분포특성이 생명활동에 최적인 상태로 유지되고 있을까? 대사기능이 저하되는 노인들이나 환자의 경우 적외선 에너지를 이용하면 대사저하로 인한 문제점을 해결할 수 있는 방안은 없을까?
예로 상온 원적외선의 생체활성이란 시각에서 많은 주장들이 있어 왔지만 생체영향이 없거나 적다기 보다는 워낙 미미한 에너지량을 가지고 그 효과를 지나치게 주장해온 바가 없지 않다. 그러나 상기에 제기된 질문에 대한 답을 찾기 위한 노력은 에너지적인 측면에서도 필요하다.
즉 생체가 원적외선에 노출된 상태로 살아가고 있지만 대게는 받는 량보다 더 많은 원적외선을 계속 방사하여 에너지를 잃으면서 살아오고 있는데 반대의 상황을 만들면서 고민해 보면 많을 것을 얻을지도 모른다.
전통적으로 우리나라는 바닥난방을 해 왔으며 사무실은 중앙집중식의 열풍난방을 주로 선택하고 있다. 사람이 36.5℃라는 온도를 유지하면서 추워서 주택이나 사무실 내에서 난방을 하는 것은 주변 온도가 몇 도만 낮아져도 추위를 느끼기 때문이다. 이럴 경우 사람을 직접 가열한다면 일반 난방에 비해서 1%도 안 되는 소량의 에너지로도 추위를 피할 수 있을 것이다. 즉 대부분의 난방에너지는 그 공간을 구성하고 있는 건축재, 공기, 집기류 등을 가열하는데 사용되고 있다. 더욱이 주변의 공기흐름이 큰 공장에서 사람이 춥다고 공기를 가열시키는 것은 무모한 행위일 것이다.
전자기파는 스치라이트나 레이저와 같이 직진하여 어떤 공간에만 보낼 수가 있는데 적외선도 유사하게 사람에게만 조사하여 사람을 가열시킨다면 아주 적은 에너지로도 추위를 느끼지 않고 살 수 있을 것이다.
특히 근래 소득수준향상으로 삶의 공간이 커지고 소수의 가족들이 보편화되면서 이와 같은 난방의 필요성은 증대되고 있는데 이미 특정 공간에서의 국부난방은 적외선으로 시도되고 있다. 

4. 적외선 가열기술과 에너지절약 정책
지구온난화로 인한 온실가스 배출규제(기후변화협약)와 유가상승 등으로 신재생에너지의 개발이 요구되고 있지만 경제성이 확보된 기술의 출현은 상당히 긴 시간을 필요로 하고 있어 선진국을 중심으로 에너지 절약의 중요성이 새롭게 부각되고 있다. 우리나라는 제조업 비중이 높고 산업용의 에너지 효율이 낮은데 최근 원유가격 급등으로 에너지 효율개선에 기여할 수 있는 새로운 가열기술 확보가 필요하다.
원자력을 이용한 전력생산 단가가 저렴해지면서 단위 열량을 얻는데 필요한 에너지 원가는 전력이 가장 저렴한 단계에 와 있다. 더욱이 전열과 연계된 적외선 가열은 열풍가열과는 에너지 전달 방식이 근본적으로 달라 산업용 가열설비의 에너지 효율 개선이 가능한 것으로 평가되고 있다.
특히 유기물질의 가열은 수요도 많지만 대규모의 열설비가 요구되고 있어 생산성 향상과 에너지효율개선에 기대되는 바가 크므로 적외선 가열의 현장적용이 시급하다고 할 수 있다.

그림 1. 전자기파 중에서 적외선의 파장범위

 표 1. 무기물 방사체의 특성
그림 2. 온도별 방사특성과 물질별 전자기파 흡수 파장대
그림 3.  방사체의 표면 확대를 위한 전체적 요철구조
그림 4. 원적외선 히터류(Ceramic Heater)

강동필
부산대학교 고분자공학 박사
일본 전력중앙연구소 초빙연구원
창원대학교 겸임교수
특허청 신기술동향조사위원
인제대학교 겸임교수
현재 한국전기연구원 나노하이브리드소재연구그룹 그룹장

<본 사이트는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>