산업분야의 에너지효율향상을 위한 원적외선 가열장치 현황

박효열 한국전기연구원 나노하이브리드소재연구그룹 책임연구원

1. 원적외선의 산업분야 도입
1800년 영국의 F.W. Herchel은 가시광선 스펙트럼의 장파장 영역 끝에서 열적 효과가 큰 부분이 있다는 부분을 발견하였고 1835년에는 그 적외선이 프랑스의 A. Ampere에 의하여 빛과 같은 전자기파인 것이 증명되었다. 이러한 적외선은 방사, 침투력 및 분자의 진동에 의한 공명흡수 현상 등의 특징을 나타낸다. 각종 물질을 구성하고 있는 여러 가지의 분자구조는 그 분자를 구성하는 원자와 원자의 질량, 구조상의 접합방법이나 결합력, 배열상태의 차이에 따라서 특유의 신축, 변각, 회전 등의 진동수를 갖게 되므로 원적외선은 이러한 물질에 공진에 의한 공명흡수현상을 일으켜 분자 내에 에너지를 발생, 분자를 활성화 시킨다. 대부분 분자나 원자의 진동에너지나 회전에너지로의 변환과정을 거쳐서 열에너지로 변환되고 흡수된 물질의 온도를 상승시키는 작용을 한다.
이러한 적외선을 산업에 이용하기 시작한 것은 1938년 자동차의 생산시스템에 컨베이어 시스템을 도입하여 자동차의 대량 생산시스템을 고안한 포드 자동차가 도장의 건조부터였다. 당시 원적외선 건조에 의하여 일반적으로 사용되어온 열풍의 대류건조에 비하여 경도가 높고 표면상태가 우수한 도막을 얻을 수 있었다. 이를 계기로 원적외선은 도장의 건조에 사용되게 되었고 원적외선 건조가 활성화되기 시작하였다.
1973년 석유파동이 발생하자 온 세계 사람들은 에너지에 대한 위기의식을 느끼게 되었고 모든 나라는 에너지의 소비절약에 큰 신경을 쓰게 되었다. 그러한 배경으로 에너지 절약을 달성하기 위해 원적외선 붐이 폭발적으로 일어나기 시작했다. 원적외선은 복사에너지에 의하여 직접 가열되므로 열풍가열과 같이 열 매체인 공기를 가열한 후에 공기로부터 전도열을 이용하는 간접 가열방식보다 가열효과가 높아 가열로의 설치면적이 적으므로 설비비 및 운전비 모두를 절감할 수 있어 경제적 효과가 매우 크다.

2. 국내의 산업용 원적외선 가열장치 연구개발 현황
국내에서는 원적외선이 난방 및 인체의 건강에 유용한 것으로 인식은 되어 있지만 원적외선이 산업에서 사용할 수 있는 가열장치에도 매우 유용하다는 것을 알고 있는 일반인은 그렇게 많지 않은 실정이다. 따라서 외국 선진국에 비하여 산업용 원적외선 가열장치의 연구개발 현황은 매우 미약하고 그 응용도 활발히 이루어지지  못하고 있다. 
2002년 한국전기연구원에서는 ‘고효율 적외선 가열 전열장치 개발’을 통하여 고효율 적외선 방사코팅제 및 적외선 가열 전열장치를 개발하였다. 이어서 시범적용을 통하여 유리위에 코팅한 페이스트 건조용 컨베이어 적외선 건조기를 제작하여 적용한 결과 종래의 열풍건조에 비하여 에너지 절약효과가 약 40%, 건조속도가 무려 7배나 향상되었다. 또한 고효율 적외선 방사코팅제를 제빵오븐기에 적용하여 제빵과정에 적외선 가열을 적용한 결과 종래의 과정과 대비하여 제빵 속도를 2배 이상 향상시키는 결과를 나타내었다.
그 외 일반기업에서도 원적외선을 이용한 복사난방 시스템을 개발하여 산업 및 주거용으로 공급이 활발히 이루어지고 있다. 최근 원적외선의 에너지 절감 및 생산성 향상 효과가 알려지면서 식재료의 건조, 음식물의 조리, 필름의 인쇄 및 건조 등 많은 분야에서 연구가 시작되고 있으며 아직까지는 국내에서의 원적외선 가열기술의 개발 및 적용은 초기단계로 정의할 수 있다.
 
3. 원적외선의 산업적 응용분야 및 현황
3.1 도장건조
도장건조분야는 원적외선 가열이 가장 먼저 도입된 산업분야로서, 응용사례가 가장 많으며 성과도 가장 큰 분야로서 도료건조와 수분건조로서 크게 나눌 수 있다.
일반적으로 이러한 도료에는 3~4㎛ 및 6~12㎛의 적외선 스펙트럼 영역에 에너지 흡수대가 있으므로 원적외선으로 가열하게 되면 원적외선이 잘 흡수되어 에너지 효율이 매우 높게 된다. 도료의 흡수특성과 원적외선의 침투특성이 양호하여 가열효율이 우수하고, 시간단축, 균일 가열 효과, 품질의 향상 등으로 종래에 많이 사용되어 온 열풍건조에 비하여 매우 효과적인 방법으로 알려져 있다. 열풍건조에서는 열풍이 잘 닿는 표면에서부터 건조가 진행되기 때문에 막 표면이 먼저 건조되어 내부 증기의 증발을 막으므로 가열속도를 높이기가 어렵고 막의 품질도 원적외선 가열에 비하여 떨어지게 된다. 그림 1에 도료로 많이 사용되어 지고 있는 에폭시 수지의 흡수 스펙트럼을 분석한 것을 나타내었다. 2.5~4㎛와 6~12㎛ 파장영역에서 에너지 흡수대가 존재하므로 원적외선 가열이 매우 효과적임을 알 수 있다.
그림 2에 물의 흡수스펙트럼을 나타내었다. 물의 분자운동이 일어나는 파장은 2.7㎛와 6.3㎛ 근처로 나타난다. 따라서 물분자의 진동이 원적외선 에너지를 잘 흡수하므로 원적외선 복사가 수분증발을 위하여 효율이 좋은 에너지원이 됨을 알 수 있다.

3.2 플라스틱 가공
열가소성 플라스틱 판재는 성형을 위한 가열연화 공정이 필요하다. 이 공정에서는 정밀한 온도분포와 안정성 및 짧은 시간의 가열이 요구된다.
플라스틱과 같은 고분자 화합물은 일반적으로 흡수대가 3~4㎛ 및 6~12㎛의 영역에 존재하므로 원적외선을 아주 잘 흡수하기 때문에 가열시간 단축의 효과가 아주 크게 나타난다. 플라스틱 판재와 같이 평면의 형태를 가열할 경우 그늘지는 부분이 생기지 않으므로 원적외선 가열이 매우 효과적이다. 특히, 플라스틱 판재의 가열은 경우에 따라서 히터장치를 치울 때 개방적인 상태로 되는 경우가 많으므로 대류손실이 커져서 열효율이 떨어지므로 원적외선 가열에 의한 복사효율이 중요한 요소가 된다.

3.3 유리공업
일반적으로 유리는 가시광선 및 근적외선 복사에 대해서는 투명하게 나타나지만 9㎛및 16㎛근처에서 적외선 복사의 흡수대가 존재하므로 원적외선 가열을 하게 되면 상당히 효과적이다. 현재 판유리공업에 이용되고 있는 공정은 2차 제품 이후의 공정이다.
판유리 위에 도료를 사용하여 그림이나 무늬도안의 스크린 인쇄를 하게 되는데 종래의 열풍건조 방식에서는 제품의 온도상승 속도가 느려 이상적인 건조가 어려웠다. 유리재료 자체에 원적외선 흡수대가 존재할 뿐만 아니라 유리위에 인쇄한 도료에도 원적외선 흡수대가 존재하므로 원적외선 가열을 할 경우 유리와 도료를 동시에 가열하므로 가열효과가 매우 크게 나타나게 된다. 종래의 열풍건조방식에서 적외선 가열형 컨베이어로 바꿈으로서 에너지 절약과 더불어 생산속도를 크게 증가시킬 수 있다.

3.4 인쇄공정
세라믹이나 고분자 절연기판 혹은 종이 및 고분자 필름 위에 페이스트로써 인쇄를 하는 공정은 매우 흔한 공정이므로 그에 따라서 시장 규모도 굉장히 크다.
일반페이스트는 일반적으로 금속분말, 세라믹분말, 유기바인더 및 휘발성 용제 등으로 구성되므로 이 중 금속재료를 제외하고는 일반적인 도료와 같이 원적외선 흡수특성이 상당히 우수하게 나타난다. 게다가 평면의 형태가 많기 때문에 원적외선 가열이 매우 효율적이다.
특히, 인쇄건조에서는 생산속도를 높이기 위하여 기판이나 필름이 빠른 속도로 컨베이어의 형태로 움직이고 또한 오염방지를 위하여 깨끗한 환경의 건조가 필요하므로 원적외선 가열이 최적의 건조공정이라 할 수 있다. 원적외선 가열방식을 사용하게 되면 열풍가열에 비하여 대폭적으로 시간단축이 이루어지고 건조 후의 인쇄품질도 훨씬 양호하게 나타난다.

3.5 식품 조리
식품류의 대부분이 고분자 재료로 되어 있어 원적외선의 흡수성과 침투성이 뛰어 나므로 육류, 수산물, 제빵, 과자류 등의 가열에 사용할 경우 매우 우수한 가열효과를 기대할 수 있다. 식품의 내외부의 온도차 없이 균일가열이 가능하여 조리시간 및 건조시간이 짧아지고, 열이 깊숙이 고루 전달되어 살균효과가 크고 저온가열이 가능하여 음식 고유의 맛을 간직하여 음식맛이 좋아지게 된다. 
최근 원적외선 가열을 이용한 오븐이 시장에 나타나게 되었다. 오래전부터 숯불로 육류나 생선을 굽게 되면 더 맛이 좋게 나타나는 것을 계기로 하여 숯불과 같은 형태의 에너지를 방사하는 원적외선을 오븐에 적용하게 된 것이다. 숯불구이가 맛이 좋은 것은 숯불에서 나오는 원적외선이 고기나 생선의 표면이 먼저 익어 마르는 현상을 억제하고 안, 바깥을 동시에 익히므로 부드럽고 맛있게 조리되는 것이다.
그와 마찬가지로 원적외선으로 음식물을 가열하게 되면 음식물이 분자진동에 의하여 가열되어 균일한 온도가열이 일어나고 불필요한 공기가열이 없으므로 열전달의 손실이 거의 나타나지 않게 된다. 또한 장파장인 원적외선 열선이 피가열물의 내부까지 침투하여 표면과 내부가 동시에 가열되므로 표면만 딱딱하게 익혀지는 것을 방지할 수 있다.

3.6 기타 응용분야
금속을 제외한 대부분의 세라믹, 고분자 재료, 수분 등의 가열에 원적외선이 매우 효과적이므로 많은 산업분야에 원적외선이 응용되고 있다. 디스플레이 및 반도체 등 첨단산업의 건조가열장치, 전기전자 기기 및 부품의 접착제, 소자 등의 경화, 고무 및 피혁의 가류 및 접착, 섬유 및 직물의 스크린 인쇄 소부, 목재의 건조 등 많은 분야에서 사용되고 있으며 앞으로도 많은 분야에서 새롭게 사용될 것으로 예상된다.

4. 원적외선 가열의 산업적 적용에 대한 기대 및 결언
최근 에너지 가격의 상승 및 온실가스 효과로 인하여 전 세계적으로 에너지 절약의 중요성이 부각되고 있어 에너지 절약은 국가의 현안 문제이다. 에너지 소비의 대부분은 산업계에서 이루어지고 있고 그 상당 부분이 건조가열에 의한 에너지 소비로 나타나고 있다. 원적외선 가열은 가열시간을 단축시킴은 물론 에너지 절약효과가 매우 크므로 경제적으로 매우 유리하다. 이미 국내에서도 원적외선 가열의 기초기술은 어느 정도 확보가 되어 있으므로 활발한 응용연구가 필요한 실정이다.
원적외선 가열기술을 산업계에 접목할 경우 폭발적 시장창출과 획기적인 에너지 절약효과가 기대되므로 국가적인 지원과 산업계의 자발적인 노력이 절실히 필요한 시점이라 할 수 있다.

그림 1. 에폭시 수지의 흡수 스펙트럼
그림 2. 물의 흡수 스펙트럼   

박효열
부산대학교 세라믹공학과 박사
현재 한국전기연구원 나노하이브리드소재연구그룹 책임연구원