원적외선과 음이온소재를 응용한 에너지 절감 효과(1)

이상훈 공학박사 한양대학교 공학대학원 환경공학과

이 논문은 제11회 한일원적외선 심포지엄에서 발표된 것입니다. 

 자료제공 : 한국원적외선협회    - 편집자주 -

Ⅰ. 서 론
원시시대부터 사람들은 어두운 밤을 밝히고 추운 날 따뜻하게 지내기 위해서 불을 이용했다. 농경사회로 넘어오면 소나 말과 같은 가축이 농사짓는 데 이용되기 시작된다. 원시시대의 불이나 농경사회의 가축은 모두 사람들에게 에너지를 제공한 것인데, 이와 같이 인류는 오랜 옛날부터 일상생활에서 에너지를 사용해 왔다. 인류 문명은 과거부터 오늘날까지 에너지의 개발과 이용을 통해서 발달되어 온 것이다.
일상생활에서 에너지를 사용하는 예는 수없이 많다. 식사를 하기 위해 음식을 준비할 때, 교통수단을 이용할 때, TV를 시청할 때, 여름에 에어컨이나 선풍기를 사용하거나 겨울에 난방을 할 때 그리고 어두운 곳을 밝히기 위해 전등을 켤 때 우리는 모두 에너지를 쓴다. 우리가 하는 일도 에너지와 떼어놓고 생각할 수 없다. 음식을 먹어서 체온과 체중을 유지하고 활동하는 것도 음식 속의 에너지를 이용하기 때문에 가능하다. 가정에서 뿐만이 아니라 공장을 돌리기 위해서도 많은 에너지가 필요하다.
현재 우리는 에너지를 사용하지 않고는 단 하루도 살기 힘들 정도로 일상생활 곳곳에서 다양한 종류의 에너지를 사용하고 있다.
여러 가지 에너지 중에서 인류의 삶에 가장 큰 영향을 미친 것은 전기에너지일 것이다. 만약 인류가 전기에너지를 사용하지 못했다면 우리의 삶은 어떠했을까? 전기에너지가 없다면 단순히 컴퓨터를 사용하지 못하거나 TV를 보지 못하는 것은 말할 것도 없고, 돌도끼로 멧돼지를 잡아먹고, 그 가죽으로 옷을 해 입는 원시시대보다 조금 나은 생활로 만족해야 할지 모른다. 그런데 우리가 사용하는 에너지의 대부분은 석유, 석탄, 천연가스를 태워서 얻거나 원자력 발전소로부터 얻는다. 석유, 석탄, 천연가스는 수백만 년 전에 지구에서 살았던 식물이나 작은 바다 생물 화석에서 만들어졌기 때문에 화석연료라고 부른다. 현재 전 세계의 인류가 소비하는 에너지의 약 80%가 화석연료로부터 온다. 화석연료는 지질시대의 생물이 죽어 땅 속에 묻힌 후 높은 압력과 열, 지형적 특성 등의 요인으로 만들어진 것으로서, 무한정 공급받을 수 있는 것이 아니라 그 양이 한정되어 있다. 그러나 아직까지 대부분의 에너지를 화석연료에 의존하고 있으며, 화석연료 대신 사용하는 원자력도 우라늄의 매장량이 한정되어 있기 때문에 새로운 에너지 자원을 개발하는 것이 시급하다.
또한, 우리나라에서 사용하는 에너지의 97%는 해외에서 들어오고 있다. 에너지 수입에 사용하는 돈도 일년에 수십조 원이나 된다. 과학기술이 발달하고 산업화됨에 따라 에너지 소비는 더 늘어나게 되었다. 그러나 인류는 현재 에너지 자원 부족으로 곤란을 겪고 있다. 석유나 천연가스와 같은 화석연료는 점점 사라져가고 있다. 에너지 공급에 문제가 생기면 우리 생활은 혼란에 빠질 것이다. 그러므로 에너지의 소중함에 대해서 올바로 알고 적당하게 사용하는 것이 중요하다.
인류가 에너지 고갈 문제에 대해 관심을 가지고 그 해결책을 강구하기 시작한 것은 중동지역의 석유 수출국들이 원유의 가격을 인상함과 동시에 원유생산을 제한하여 세계 여러 나라의 경제적인 혼란을 가져왔던 1973년의 석유파동 이후부터이다. 게다가 1991년에 이라크가 쿠웨이트를 침공함으로써 일어난 걸프 전쟁과 동구권의 정치·경제의 변화로 인하여 에너지 문제는 점점 더 중요한 문제로 부각되었다. 오늘날 인류가 해결해야 할 가장 중요한 문제가 바로 에너지 수급 조절과 그것을 둘러싼 문제라고 할 수 있을 것이다.
한편, 2005년 2월 16일 교토의정서가 발효되면서 그 어느 때보다도 많은 사람들이 기후변화에 관심을 갖게 됐다. 일반인에게 지구의 평균기온이 1~2℃ 정도 상승한다는 사실은 중요하지 않고 무시할 수 있는 것으로 여겨질 수 있다. 그러나 이러한 생각은 앞으로 큰 낭패를 초래할 수 있으며, 간과되어서는 안 된다. 단 1℃의 차이로도 생태계파괴, 이상기후, 사막화 등 큰 변화를 야기할 수 있기 때문이다. 교토의정서의 발효가 우리에게 가져다 줄 영향은 단순히 ‘지구를 살리자’라는 선언에 대한 동참을 뛰어넘어 신 국가경쟁력 체계에 걸맞은 새로운 국제 무역질서라는 소용돌이에서 살아남아야 하는 절박함을 던져 준다.
이러한 범지구적인 환경문제의 해결을 위한 공동노력이라고 포장된 새로운 국가경쟁력의 개편은 이미 시작됐다. 교토의정서가 정식으로 발효되고 난 이후 예상되는 파급효과로는 첫째, 환경비용이 추가되어 생산현장에서의 자본재 투자 우선순위가 변하게 될 것이다. 둘째, 온실가스 감축을 위한 비용 상승으로 생산량이 감소되고 경제성장이 저하됨으로써 실업률이 증대될 것이다. 셋째, 온실가스 저감기술 및 신·재생에너지기술의 역할이 더욱 중요하게 될 것이다. 특히 신규투자 설비에 대한 청정기술의 수요가 높아질 것이다.
따라서, EU 및 일본 등 선진국에서는 이미 이들 기술에 대해 상당한 투자와 노하우를 가진 것으로 알려지고 있다. 선진국의 이러한 기술경쟁력 우위는 결국 선진국의 국가경쟁력의 우위를 지속화하는데 적절히 이용하려 할 것이다. 이미 이것은 현실로 나타나, 온실가스 감축의무를 통한 자국의 경쟁력 저하를 보상하기 위해 감축의무가 없는 국가로부터의 수입품에 대한 무역규제를 하고 있다. 만약 이러한 규제가 강화 된다면 국가 경제의 상당부분을 수출에 의지하고 있으며, 온실가스 저감 기술경쟁력이 높지 않은 우리나라의 경우 큰 부담이 될 수밖에 없는 상황이다.
우리도 이제는 그동안 지속해 온 에너지절약을 꾸준히 진행하면서 온실가스 감축을 위한 체계적인 준비에 박차를 가할 때이다. 특히 다량의 온실가스를 배출하는 에너지 부문은 지속적인 에너지절약과 이용효율 개선, 온실가스 저 배출형으로의 연료전환 및 장기적으로는 온실가스 배출이 거의 없는 신·재생에너지의 공급을 확대해야 한다. 당장 온실가스 감축의무부담이 없다고 여유부리기 보다 지금부터 의무부담에 대비하여 착실히 준비한다면 위기를 기회로 바꿀 수 있는 계기가 될 수도 있다. 향후에는 온실가스관련 첨단기술의 보유여부가 국가와 기업의 경쟁력을 좌우하게 될 것이다.
따라서, 본 고에서는 최근에 이러한 문제점들을 보다 더 적극적으로 해결하고 동시에 또 다른 기능성을 부가시킬 수 있도록 고안되어 출시되고 있는 에너지 절감형 원적외선, 음이온 기능성 제품 개발 사례 몇 가지를 살펴보고 그 가능성을 평가하여, 이러한 제품들이 향후 ECO-생활환경 조성 및 에너지절감 역할의 한 축을 담당할 수 있을지에 대하여 고찰해 보고자 하였다.

Ⅱ. 원적외선, 음이온 방사 소재의 개발
   : 원적외선, 음이온 방사 복합 기능성 유리의
    제조 및 특성
본 연구는 널리 알려진 소다석회 유리조성물에 상온에서의 음이온 방사특성이 우수한 천연 원료광물 분말과 함께 원적외선 방사 특성이 특별하게 높은 천연 맥반석, 자철광(Fe3O4, Magnetite) 또는 티탄철광(FeTiO3, Ilmenite) 등과 함께 배합하여 별도의 에너지원 공급처리 없이도 매우 탁월한 음이온 방사특성과 원적외선 방사특성을 동시에 갖는 복합 기능성 유리조성물을 제조하고자 하는 것이다.
유리는 우리의 주변에 쉽게 널리 사용되어지고 있는 대표적인 환경친화형 소재이며 또한 가공성과 예술성이 뛰어난 소재이다. 따라서, 항상 사람과 가까이 있고, 많이 사용하고 있는 유리제품에 이러한 원적외선 및 음이온을 방사시키는 기능을 갖는 기능성 유리를 개발하여 실생활에 적용시킨다면, 원적외선이 갖고 있는 고유의 생체활성 효과와 더불어, 현대문명의 이기로부터 나오고 있는 유해 전자파, 건자재로부터 뿜어져 나오는 유해 가스 등의 인체에 해로운 양이온들을 효과적으로 제거할 수 있는 복합 기능성유리로서, 비교적 손쉽게 사용할 수 있는 다양한 건강상품 즉, 실내 장식품 및 사무용품, 전기용품뿐만 아니라, 앞서 서론에서 밝힌 바와 같이, 주요 에너지원으로 사용되고 있는 화석연료의 에너지 제공 반응이 이 연료들의 화학적 산화반응이 기초가 되는 연소공정이 그 근간을 이루고 있는 점에 착안하여 본 화석연료들의 완전 연소를 구현함이 바로 연료들의 효율 극대화 및 에너지 절감에 절대적인 영향을 미칠 것은 자명한 사실이다.
위와 같은 배경으로, 최고 92%까지의 원적외선을 방사하며 동시에 최소 100개/cc에서 5000개/cc 사이에서 자유로이 조절이 가능한 음이온 방사 유리를 개발함으로써, 기능성유리의 새로운 개념을 세울 수 있으리라 사료된다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 연구에서는 SiO2, Al2O3, R2O 및 RO를 기본적으로 함유하는 소다석회 유리조성물 75 내지 99.9 중량%와 음이온 방사 기능성 광물 원료 분말 0.1 내지 25 중량%로 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 음이온 방사특성을 가진 기능성 유리조성물을 제조할 수 있었다. 이 때, 음이온 방사 기능성 광물 원료 분말은 미량의 첨가만으로도 그 기능성을 발현할 수 있음을 알 수 있었으며, 그 함량이 기능성 조성물 총중량의 25 중량%를 초과하는 경우 과다한 음이온의 방사로 인해 이온 밸런스에 악영향을 끼칠 수 있고 원자재 값의 상승을 초래하게 됨도 알 수 있었다. 또한, 상기 소다석회 유리조성물은 앞서 밝힌 바와 같이 원적외선 방사 특성까지도 복합적으로 발현함이 주 목적인 바, 기본적으로 천연 맥반석, 자철광(Fe3O4, Magnetite) 및 티탄철광(FeTiO3) 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분이 배합되어 조성되어진 것이 바람직하며, 이 때, 상기 천연 맥반석, 자철광(Fe3O4, Magnetite) 및 티탄철광(FeTiO3)으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분은 상기와 같이 조성된 소다석회 유리조성물 총 중량에 1~50 중량%로 배합되어 이루어지는 것이 가장 효과적임을 알 수 있었다.
또한, 상기한 유리조성물들은 통상의 소다석회 유리 제조공정을 통해 음이온 및 원적외선 방사특성을 갖는 유리제품으로 제조되어지는데, 상기한 제조공정은 유리조성물은 균일하게 혼합하는 단계와, 그 혼합된 유리조성물을 소정온도에서 용융하여 유리화시키는 단계와, 그 용융물을 서냉 하여 고화시키는 단계를 포함한다.
아래의 Table-1에는 본 연구결과에 따른 대표적인 복합 기능성 유리조성물의 원료배합비를 나타내었다. 본 복합 기능성 유리조성물은, 통상의 소다석회 유리조성물 에 맥반석이 25 중량%로 함유되어 이루어진 원적외선 방사 기능을 갖는 유리조성물 90 중량%와, 음이온 방사 광물 원료 분말 10 중량%를 균일하게 배합하여 이루어진 것이다. 본 연구에서는 이와 같은 기능성 조성물을 약 1400~1500℃ 정도에서 용융하여 유리화시킨 후, 이를 서냉하여 음이온 및 원적외선의 방사특성을 갖는 유리제품을 얻었다. 본 유리제품의 제조과정에 있어서, 비교 예에서 청징제로 사용된 As2O3 및 Sb2O3를 청징제로 사용하지 않고도 청징이 가능함을 확인할 수 있었다.
본 실험에서 얻어진 유리제품과 비교예의 일반 소다석회 유리제품에 대해, KS 표준의 유리제품 알칼리 용출시험을 수행한 결과, 일반 소다석회 유리제품은 2mg의 알칼리가 용출되었으며, 본 실험에 따른 유리제품은 0.1mg 이하의 알칼리가 용출됨을 확인할 수 있었다. 이러한 실험결과를 통해, 상기한 실험 결과로 얻어진 유리제품은 그 표면구조의 안정성이 상당히 향상되었음을 알 수 있었다. 이는 본 복합 기능성 유리조성물에 함유된 맥반석 중의 Al2O3 성분이 전체 기능성 유리조성물 중의 Al2O3 함량을 증가시켜 유리 내부에 존재하는 비가교 산소를 가교산소로 변환시켜주고, 이를 통해, 유리화 과정 중에 유리구조 내의 Na+, Ca+이온 등이 표면으로부터 용출되는 현상이 방지되고, 유리화 이후에도 계속적으로 안정화구조를 유지하고 있기 때문이라 사료된다.
상기 복합 기능성 유리조성물로 이루어진 유리제품에 대해 37℃ 온도조건하에서 FT-IR 스펙트로미터를 이용해 흑체(black body) 대비값으로 원적외선 방사특성을 측정하였으며, 그 결과를 다음 Fig.-1에 나타내었다. Fig.-1의 결과로부터도 알 수 있는 바와 같이, 본 복합 기능성 유리제품은 각종 생체에 유익한 원적외선의 방사 파장범위인 2.5~30㎛의 파장범위에서 전방사율 0.925, 방사에너지 3.57×102W/m2을 나타내어, 일반 소다석회 유리 등에서 측정되는 전방사율 범위인 0.60~0.80에 비해 상당히 높은 방사효율을 보였다.
또한, 본 유리제품을 50×50×5mm 크기의 시험편으로 제작한 후, 실내온도 22℃, 습도 49% 조건 하에서 전하 입자 측정 장치를 이용해 상기 시험편에서 방사되는 음이온의 수를 측정하였으며, 그 결과, 약 1000~1400개/cc의 음이온이 상기의 시험편에서 방출됨을 알 수 있었다.                 (다음호에 계속)

Table-1. 복합 기능성 유리조성물 및 통상의 소다석회유리 조성물의 배합비 비교

          복합 기능성 유리조성물            통상의 소다석회 유리조성물
       성 분                배합량(Kg)             성 분           배합량(Kg)
      SiO2                   48.11                   SiO2              100
     Na2CO3               30                     Na2CO3             43
      CaCO3                 6.33                  CaCO3             12.9

NaB2O7ㆍ5H2O            2.18              NaB2O7ㆍ5H2O      3.62
     NaNO3                   1.35                   NaNO3             3.60
    Al(OH)3                   1.35                  Al(OH)3            3.00
       TiO2                    1.11                     TiO2               2.00
        ZnO                   1.11                      ZnO              2.00
     As2O3                     -                       s2O3              0.52
     Sb2O3                     -                       Sb2O3            0.10
    Na2SO4                    -                      Na2SO4           0.50
    Na2SiF8                  0.21                    Na2SiF8          0.40
      Er2O3                     -                       Er2O3            0.0048
      Nd2O3                    -                       Nd2O3            0.002
       맥반석                35.3                     맥반석              -
 음이온방사광물원료    14.12         음이온방사광물원료       -

Fig-1. 복합 기능성 유리조성물의 원적외선 방사 특성