원적외선   R&D
원적외선과 음이온소재를 응용한 에너지 절감 효과(2)

 

이상훈 공학박사 한양대학교 공학대학원 환경공학과

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이 논문은 제11회 한일원적외선 심포지엄에서 발표된 것입니다. 

자료제공 : 한국원적외선협회     - 편집자주 -

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Ⅲ. 원적외선, 음이온 방사 복합 기능성 유리
    소재의 에너지 절감효과로의 응용

1. 자동차 연비 향상 시스템에의 응용
최근 정부에서는 자동차의 연비 향상으로 에너지절약을 유도하기 위한 ‘평균 에너지 소비효율 제도’가 2개 배기군 별로 나눠 기준연비를 정하고 이에 미달할 경우, 자동차메이커에 재제를 가하는 정책을 확립하여 시행하고자 하고 있다. 즉, 규제개혁위원회는 산업자원부가 제출한 ‘자동차의 에너지소비 효율 및 등급표시에 관한 규정개정안’을 심의, 의결했다. 이 개정안에 따르면 자동차의 평균 연비를 1,500cc 이하 급은 리터당 12.4km, 1,500cc 초과 차량은 9.6km로 정하고 이에 미달할 경우, 제조업체에 일정기간동안 연비를 개선할 수 있도록 개선명령을 내린 후 개선 기간 중에도 연비에 미달할 경우 언론에 공표하도록 했다. 한편, 연비측정방식을 놓고 논란이 일었던 LPG자동차는 대상에서 제외됐으며 자동차제작사는 연비가 높은 경차를 판매, 일반 자동차의 연비 부족분을 대신할 수 있도록 했다. 이에 따라, 산자부는 본 개정안이 규개위를 통과함에 따라 빠르면 2005년 5월중에 정식으로 고시하고 국산차는 내년 1월부터, 수입차는 2010년 1월부터 본 제도를 시행키로 했다.
상기한 최근의 정책변화에 부응하여, 이미 오래 전부터 본인 등이 개발한 원적외선, 음이온 방사 복합 기능성 유리 소재를 이용하여, 일본의 (유)소우세이(創生)사, 구루메 공업대학 와따나베 연구실 등과 공동으로 본 자동차 연비 향상 연구를 수행해 왔는바, 그 결과를 본고에서 간략하게 보고하고자 한다.

 

1-1. 자동차 연비 향상 시스템의 구성
본 자동차 연비 향상 시스템은, 승용차 중심의 중·소형 자동차의 경우는 다음 Fig.-2에 나타낸 바와 같이 상기한 복합 기능성 유리 소재 볼들을 소형 원통 개구형 SUS case에 충진하여, Fig.-3과 같이 자동차 라디에터 냉각수용 보조탱크에 장착함으로써 이루어지는 대단히 간편하고 단순한 적용 방법과, 트럭류의 대형 자동차의 경우는 Fig.-4에 나타낸 바와 같이 보다 큰 filter형 SUS 원통에 기능성 유리 소재를 충전하여, 연료탱크에 직접 연결함으로써 연료를 활성화시키는 방식의 2가지로 이루어져 있다. 그러나 본 고에서는 주로 전자인 순환식 라디에터 보조탱크 방식의 자동차에 적용할 경우의 효과를 소개하고자 한다.
한편, 본 시스템은 일본의 공동연구자들의 그동안의 부단한 노력으로 일본 시장에서는 이미 실용화 단계 직전까지 도달 하였는바, 그 동안의 일본 측에서 수집한 적용 실험 자료들을 중심으로 그 효과 및 원리를 설명하고자 한다.

 

1-2. 자동차 연비 향상 및 배기가스 개선 효과
본 자동차 연비 향상 시스템은, 자동차의 라디에터 보조탱크에 복합 기능성 유리소재 볼들이 들어 있는 SUS case를 장착하는 것 만으로, 연비의 향상 및 배기가스의 개선효과가 있음을 알 수 있었다. 이때 기대되는 기타 효과들을 종합해 보면 다음과 같았다.
① 연비절감 효과
② 엔진의 회전소음 감소
③ 마력(馬力)의 향상
④ 배기가스중 CO, HC 함유량의 획기적인 개선
⑤ 엔진오일의 사용주기 연장 가능
한편, 이러한 실험결과에 대한 종합 자료들은 다음 Table-2, Table-3 및 Fig.-5에 나타내었다.
본 실험 결과에 의하면, 실험 대상 자동차의 배기량, 연식, 제조사 등 조건에 따라 약간의 차이가 있었으나, 연식이 오래된 중고차일수록 그 효과가 크게 나타났으며, 대부분의 자동차가 11%이상의 연비 향상효과를 보여주었고, 특히 1990년도에 출고된 2,400cc형 스웨덴 볼보 자동차의 경우 45.7%라는 극단적인 비교치를 보여주는 경우도 측정되었다.
그러나 대부분의 실험 대상 차량들의 경우에는 평균적으로 20% 내외의 연비 향상 효과를 얻을 수 있었다. 한편, 지난달에 방송된 일본 아사히 계열 RKB 방송사의 고속도로 공인 실험결과에 의하면, 동일조건(동일 제조사, 동일 배기량, 동일 연식, 비슷한 주행거리 등)의 2대 차량에 대한 동시 동일 속도로의 동일 거리 주행실험 결과 약 15%의 연비향상 효과를 입증하여 일본에서 방송에 객관적으로 소개된 바가 있다. 이러한 연비 향상 효과에 근거하여, 배기가스 중의 CO, HC가스의 개선효과를 살펴보면, 먼저 27.2%의 연비향상 효과를 보여 주었던 1993년산 일본 도요타사의 2,000cc 클래스터 자동차의 경우, 본 시스템 장착 전 0.3%의 CO가스 배출량이 장착 후 0.15%로, HC가스가 200ppm에서 22ppm으로 매우 획기적으로 저감되었음을 알 수 있었다.
기타 다른 차종에서도 상호간의 차이는 있으나, 이 역시 연비 향상 효과치와 관련하여 매우 우수한 성능을 보여주고 있음을 실증할 수 있었다. 
 
1-3. 자동차 연비 향상 및 배기가스 개선 효과의 원리    
본 자동차 연비 향상 및 배기가스 개선 시스템의 원리를 설명함에 있어서는 이미 공지의 사실이 되어 있는 학설인 ‘불꽃 주변에 전자기장이 형성되면, 그 불꽃의 연소속도가 빨라진다’라는 이론에 기초하여 설명하는 것이 가장 타당하리라 사료된다. 예를 들면, 다음 Fig.-6에 나타낸 바와 같이 타고 있는 양초 주변에 전자기장을 만들어 주면, 반자성체로 밝혀진 양초 불꽃이 급격하게 반응하여 그 연소 속도가 빨라지는 것을 이미 우리는 상식적으로 알고 있다.
한편, 이와 유사한 실험을 다음 Fig.-7 실험결과 사진에 나타낸 바와 같이 시행하였다. 즉, 일반 유리재질로 만들어진 원통 속과 본 복합 기능성 유리소재로 만들어진 동일 규격의 원통 속에 동일한 양초를 동시에 연소시켰을 때 그 연소속도가 현저하게 다름을 쉽게 알 수 있었다. 이는 앞서 밝힌 원리에 의하면, 각 유리 원통주변에 인위적인 전자기장을 형성시키지 않았다는 점에서, 역시 본 복합 기능성 유리 소재로부터 음이온 발생에 따른 매우 약한 전자기장 형성 효과가 수반되었다는 것을 우리는 예측할 수 있다.
따라서, 이러한 실험결과 및 학설을 기초로, 본 자동차 연비 향상 및 배기가스 개선 시스템의 원리를 설명한다면, 보조탱크 내에 장착된 유리소재가 갖는 높은 원적외선 방사효과에 의해 보조탱크 내의 냉각수는 응집되어 있는 물분자수를 적게 갖는 활성수로 개질이 될 것이며, 원래부터 갖고 있던 음이온 방사기능이 이 활성수에 부가될 수 있을 것이다. 한편, 자동차 엔진이 가동되면서 높아진 엔진 열에 의한 라디에터 냉각수의 온도도 동반 상승하게 될 것이고 결국에는 보조탱크 속 활성수와도 순환하게 될 것이다. 이때, 결국 모든 냉각수는 활성수로 변환되면서, 동시에 온도효과를 받게된 본 유리 소재로부터의 원적외선 및 음이온 방사효과 또한 극대화 될 것은 너무도 자명한 사실이다. 이후에는 이 냉각수가 자동차 엔진 실린더 주위를 순환하면서, 자연스럽게 실린더 주변에 다량의 음이온 효과에 의한 전자기장을 형성하게 되어, 앞서 밝힌 양초 실험과 같은 원리로 실린더 내의 연소속도를 증진시킴으로써 완전연소에 가까운 산화반응을 일으킬 수 있다고 판단할 수 있을 것이다. 이상의 각 단계별 반응 모식도를 다음 Fig.-8에 나타내었다.
상기한 반응 원리에 의해 본 시스템 효과를 설명하는 것이 가능하다면, 부수적으로 수반되고 있는 배기가스내의 CO, HC 성분 등의 감소효과 또한 너무도 명확하게 설명이 된다. 즉, 모든 연소반응 후 수반물인 배기가스류(연기류)의 구성 성분들은 그 연소반응의 완전연소 진행여부에 따라 결정되기 때문이다.

 

2. 복합 기능성 절수용 샤워기에의 응용
우리가 추구해야 할 에너지 절감의 대상 중에 앞서 밝힌 자동차용 화석연료 이외에도 우리 인간들이 가장 많이 낭비하고 있는 수자원에 대한 절수 또한 매우 중요한 과제라 할 수 있을 것이다. 왜냐하면 수자원은 본래 그 자원자체로서의 중요성이 있음과 동시에, 우리들이 손쉽게 사용하고 있는 수도수를 중심으로 한 모든 정수 처리 수들은 그 처리 공정에 상상하기 어려울 정도의 다량의 화석에너지원이 부수적으로 사용되고 있다는 점이 더욱 더 그 중요성을 주지시키고 있다.
따라서, 이 분야 또한 이미 오래 전부터 본인 등이 개발한 원적외선, 음이온 방사 복합 기능성 유리 소재를 이용하여, 신아 AT(주) 및 (주)성진 유리 등과 공동으로 본 복합 기능성 절수용 샤워기 개발 연구에 매진해 왔는바, 그 결과를 본고에서 간략하게 보고하고자 한다.

 

2-1 복합 기능성 절수용 샤워기 시스템의
    구성 및 기능
본 복합 기능성 절수용 샤워기 시스템은, 다음 Fig.-9에 나타낸 바와 같이, 상기한 복합 기능성 유리 소재 볼들을 샤워기 수로 중에 내장시켜 소재 자체가 갖는 원적외선 및 음이온 방사 복합 기능성에 의해 샤워기에 유입되는 사용수를 원천적으로 활성화 시킨 뒤, 최종 토출부 헤드를 수㎛의 미세 직경을 갖는 초미세형 토출구(Fig.-10)로 설계하여 약한 수압조건하에서도 매우 미세한 수적(水滴)들로 이루어진 천연 폭포수와 같은 부드러우면서도 강한 물줄기를 형성시킴과 함께, 부수적으로 수반되는 이들 수적들 간의 자체 충돌 등에 의한 음이온 방사효과를 극대화 시킨 절수용 기능성 샤워기 구조로 이루어져 있다. 한편, 본 샤워기에는 사용수의 부유물 제거를 위한 부유물 제거용 부직포 필터와 수돗물 속의 잔류 염소 제거 및 피부 보호 그리고 아로마테라피 효과 등을 선택적으로 구현할 수 있는 비타민 C 필터와 아로마향 필터 등이 장착될 수 있는 여유 공간도 같이 설계하였다.
상기한 본 시스템의 특징 및 효과를 종합해 보면 다음 Table-4와 같다.

 

2-2. 복합 기능성 절수용 샤워기 시스템의 절수
기능에 의한 에너지 절감 효과
본 복합 기능성 절수용 샤워기 시스템의 다양한 기능 중, 본 고에서 중점적으로 살펴보고자 하는 절수기능에 대한 실험방법은 다음과 같고, 그 실험결과는 Table-5에 나타낸 바와 같다.
·이 실험 방법은 KSB23319(수도꼭지) 8.2토수성응 시험법에 준하여 실험
1. 실험 장치
1)샤워기 사용전
압력원 → 밸브 → 압력계 → 토출구
2)샤워기 사용후
압력원 → 밸브 → 압력계 → 토출구 → 샤워기
2. 검체(샤워기)
1)아이라 샤워기
2)시중 판매용 일반 샤워기 2종
3. 실험 방법
1)항의 실험장치에 따라 SETTING 한다.
2)각각의 토수량에서 샤워기 사용전과 사용후의 분당 토출량을 측정한다.
상기한 실험결과를 기초로 성인 1인의 평균 샤워시간 10분을 기준으로 수압 3kgf/cm2의 가정에서 4인가족이 1년간 샤워용으로 사용하게 되는 수돗물의 가격계산 비교를 해본 결과는 다음 Table-6와 같다. 이 때 수돗물 가격은 2001년 전국 평균 수돗물 가격인 489.1원/톤(한국수자원공사)을 기준으로 하였다. 그 결과, 통상의 일반 샤워기들에 비해 약 65% 정도의 절수효과가 있음을 알 수 있었으며, 이를 에너지비용으로 환산했을 때 연간 각 가정 당 약 70,000원 이상의 비용절약이 가능함을 알 수 있었다.

 

2-3. 복합 기능성 절수용 샤워기 시스템의 절수 기능 원리
본 복합 기능성 절수용 샤워기 시스템은 상기한 바와 같이, 복합 기능성 유리 소재 볼들을 샤워기 수로 중에 내장시켜 소재 자체가 갖는 원적외선 및 음이온 방사 복합 기능성에 의해 샤워기에 유입되는 사용수를 원천적으로 활성화시킴으로써, 본 샤워기에 유입된 물분자들의 응집 분자수를 적게 만들어 원수의 엔트로피를 최대한 높여준 뒤, 최종 토출부 헤드를 수㎛의 미세 직경을 갖는 초미세형 토출구로 설계하여 약한 수압조건하에서도 매우 미세한 수적(水滴)들로 이루어진 천연 폭포수와 같은 부드러우면서도 강한 물줄기를 자연스럽게 형성시킴과 함께, 부수적으로 수반되는 이들 높은 활성을 갖는 미세한 수적들 간의 자체 충돌 등에 의한 음이온 방사효과(레너드 효과)를 극대화 시킨 기능성 샤워기 구조로 이루어져 있다. 따라서, 작은 수압조건에서도 비교적 적은 양의 수량이 효과적으로 강하게 토출될 수 있는 구조에 의해 기본적인 절수효과를 구현할 수 있으리라 사료된다. 한편, 본 샤워기의 토출 수 물줄기는 극단적으로 활성화된 미세 수적들의 집합체인 부드러우면서도 강한 물줄기로 이루어져 있다는 점과 상기한 레너드 효과에 의한 수십만 개의 음이온 파에 둘러 쌓여진 특성들에 의해 매우 우수한 세정력 등이 예상되는 바, 실제 사용자가 보다 짧은 시간 내에 사용목적 달성이 가능하여, 이로 인한 전체 물 사용량 절감 효과도 무시할 수는 없을 것이다.

 

Ⅳ.결 론
본 연구는 원적외선 및 음이온 방사 복합 기능성 유리소재를 사용하여 에너지 절감형 제품으로의 적용 가능성 평가를 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 순환식 라디에터 보조탱크 방식 자동차의 라디에터 보조탱크에 복합 기능성 유리소재 볼들이 들어 있는 SUS case를 장착하여, 연비의 향상 및 배기가스의 개선효과 여부를 실험해 본 결과, 실험 대상 자동차의 배기량, 연식, 제조사 등 제반 조건 등에 따라 약간의 차이가 있었으나, 연식이 오래된 중고차일수록 그 효과가 크게 나타났으며, 대부분의 자동차가 11%이상의 연비 향상효과를 보여주었다. 한편, 이러한 연비 향상 효과에 근거하여 배기가스 중의 CO, HC가스의 개선효과를 살펴보면, 이 역시 연비 향상 효과치와 관련하여 매우 우수한 성능을 보여주고 있음을 실증할 수 있었다. 이 때 부수적으로 기대되는 기타 효과들 모두를 종합해 보면 다음과 같았다.
① 연비절감 효과
② 엔진의 회전소음 감소
③ 마력(馬力)의 향상
④ 배기가스중 CO, HC 함유량의 획기적인 개선
⑤ 엔진오일의 사용주기 연장 가능
2. 복합 기능성 유리 소재 볼들을 샤워기 수로 중에 내장시켜 소재 자체가 갖는 원적외선 및 음이온 방사 복합 기능성에 의해 샤워기에 유입되는 사용수를 원천적으로 활성화시킨 뒤, 최종 토출부 헤드를 수㎛의 미세 직경을 갖는 초미세형 토출구로 설계하여 약한 수압조건하에서도 매우 미세한 수적(水滴)들로 이루어진 천연 폭포수와 같은 부드러우면서도 강한 물줄기를 형성시킴과 함께, 부수적으로 수반되는 이들 수적들 간의 자체 충돌 등에 의한 음이온 방사효과를 극대화시킨 절수용 기능성 샤워기 시스템에 의한 절수효과를 살펴보면, 통상의 일반 샤워기들에 비해 약 65% 정도의 절수효과가 있음을 알 수 있었으며, 이를 에너지비용으로 환산했을 때 연간 각 가정 당 약 70,000원 이상의 비용절약이 가능함을 알 수 있었다.

Fig-2. 복합 기능성 유리 볼 소재의 장착도

Fig-3. 순환식 라디에터 보조탱크 방식 자동차의 연비 향상 시스템 구성
Fig-4. 대형 자동차의 연비 향상 시스템 구성

Table-2. 각 시험 대상 차종별 연비 향상 결과 비교표
 Model  Gisplace   Year   Maker      Average Distance Fuel   Tested by
  (cc)     Before   After  Saved(%)
 Volvo 240  2400  1900  Volvo  7.0km/ℓ  10.2km/ℓ  45.7  Kunitama
 Lancer  1500  2003  Mitsubishi  10.6  12.8  20.8  〃
 Granvia  3400  1996  Toyota  5.8  7.1  22.4  〃
 bB  1500  2001  Toyota  12.8  14.5  13.3  〃
 L. Cruiser  4200  1992  Toyota  5.8  6.6  13.8  〃
 Harrier  3000  1998  Toyota  8.9  9.9  11.2  〃
 L. Wagon  660  1995  Fuji  10  12  20  Fukase Farm
 Fulltime  660  1996  Daihatsu  8  9  12.5  〃
 Nissan 180   1901  Nissan     Driving distance is increased   〃
 L. Cruiser    Toyota     by 2km/ℓ   〃
 Cappella Wagon  1600  1994  Mazda  10.7  12.1  13.1  Meikodo
 Insight  1000  2001  Honda  18.7  21.8  16.6  〃
 Blazer  4200  2000  Chevrolet  5  6  20  Mr. Takahashi
 Attley  660  2000  Daihatsu  8  10  33.3  Eco·Net
 Crown  2000  1992  Toyota  8  10  25  〃
 Cresta  2400  1993  Toyota  11  14  27.2  Mr. Matsuo

 

Table-3. 각 시험 대상 차종별 배기가스 개선 효과 비교표
 Model/  Year   Maker Distance Gas   Before After Measured by    Type     (km)
 Cresta/ 1995  Toyota  161,100  CO  0.3%  0.15%  Fukuoka Toyota
 2000cc     HC  200ppm  22ppm
 Nissan/  2003  Nissan  23,378  CO  0.03%  0.01%  Autobacks
 UA-J31     HC  37ppm  4ppm  Kooriyama
 Toyota/ 2000  Toyota  63,554  CO  0.5%  0.02%  〃
 GF-GX     HC  240ppm  27ppm
 Town Ace/  1988  Toyota  120,000  CO  0.02%  0.01%  Toyota Collora
 1800cc     HC  40ppm  0ppm  Fukuoka
 Nissan/  1992  Nissan  177,478  CO  0.77%  0.01%  Fukuoka Nissan
 Gloria     HC  312ppm  69ppm   Prince
 Subaru Forester/       CO  0.76%  0.01%
 Sf5D57R-VAC-1  2003  Fuji  65,353 HC  205ppm  13ppm   Fukuoka Subaru
 G20

Fig-5. 시험 대상 자동차의 연비 향상 및 배기가스 개선효과 전자기장 발생전   전자기장 발생후
Fig.-6 주변 전자기장에 의한 양초의 연소속도 변화

 

                                                           (A)        (B)

Fig.-7 복합 기능성 유리소재로부터의 음이온 전자기장에 의한 양초의 연소속도 변화
      (A:일반 유리원통, B:복합 기능성 유리 원통 )

Fig.-8 본 시스템 적용 전·후의 엔진 실린더 내의 연소반응 비교 모식도

Table-4. 복합 기능성 절수형 샤워기 시스템의 특징 및 효과
        시스템의 구성 특징                        기대 효과
 복합 기능성 유리 소재 볼의 내장  원적외선 방사에 의한 환원 활성수로의 수질개선 효과
  항균, 소취 효과, 음이온 방사
 초미세공 토출구  음이온 방사 극대화
 부직포 필터  원수중의 부유물질 제거
 비타민 C 필터  잔류염소 제거, 피부보습 효과
 아로마향 필터  아로마테라피 효과
 분해조립의 용이성  부품교체 용이

 

Fig.-9 복합 기능성 절수형 샤워기 시스템의 구성도
Fig.-10 복합 기능성 절수형 샤워기 헤드의 구조

 

Table-5. 복합 기능성 절수형 샤워기 시스템의 절수 효과
 토수량(MPs)  수압(kgf/cm2)  샤워기 사용전  본 시스템  비교 A  비교 B
 0.098  1  10.1  4.0  9.5  9.2
 0.196  2  14.0  5.1  13.8  12.9
 0.294  3  18.1  6.2  17.0  16.1
 0.392  4  21.2  7.3  19.7  18.5
 0.490  5  23.5  8.3  22.0  21.0

Table-6. 복합 기능성 절수형 샤워기 시스템의 절수비용 비교
  인입수  본 시스템  비교 A  비교 B
 1인 사용량  181ℓ  62ℓ  170ℓ  161ℓ
 4인가족 1일 사용량  724ℓ  248ℓ  680ℓ  644ℓ
 4인가족 1개월 사용량  21,720ℓ  7,440ℓ  20,400ℓ  19,320ℓ
 4인가족 1년 사용량  260,640ℓ  89,280ℓ  244,800ℓ  231,840ℓ
 1년사용 수돗물 가격  127,479원       43,666원       119,732원      113,392원