원적외선과 음이온 연구개발 현황과 산업 동향

원적외선과 음이온의 분석평가 기술동향

강 병 철 공학박사 한국건자재시험연구원 원적외선웰빙소재센터 팀장

1. 원적외선의 분석평가 기술
가. 개요
원적외선 관련제품으로서는 세라믹스분말, 성형체, 피복금속, 세라믹 가공섬유 등의 소재에서부터 히터 등의 부품, 상품, 장치시스템에 이르기까지 다양하다. 이들 제품을 원적외선에 의한 효과를 목적으로 하는 이상 원적외선 방사특성을 일반 재료와 제품에 비하여 특징화하는 것이 필요하며 이들을 검증하기 위한 수단으로서 원적외선의 측정기술이 중요한 의미를 갖는다. 원적외선의 응용분야는 가열작용과 비가열작용의 분야로 구분하지만 동일한 재료에 있어서도 고온으로 가열될 때와 상온에서는 방사되는 파장분포와 에너지 강도도 다를 것이며 이로 인해 발생되는 현상과 효과도 다를 것이다. 따라서 원적외선 방사특성은 각종 재료에 따라 정확한 측정기술로 확인하는 것이 필요하다. 그 외에 연구 또는 적용분야에 따라 재료에서의 적외선 방사측정 목적이 다를 수 있다. 각 국가별로 적외선 방사 측정 목적의 예를 표1에 나타내었다. 

나. 적외선 방사측정 관련규격 현황
원적외선 방사율 측정은 각 측정기관에서 개발된 방법을 이용하고 있다. 현재 국내에서는 6개의 연구기관, 대학교가 1개, 기업체 1곳에서 사내규격으로 제정하여 측정을 실시하고 있다. 요업기술원과 한국건자재시험연구원은 공동으로 ‘원적외선 분광방사율 측정방법 표준화’의 과제를 수행하여 KS 규격안을 제출하였으며 일본의 경우 일본통산성에서 원적외선세라믹스산업 대책조사연구위원회에 위탁하여 원적외선 세라믹스산업 대책조사연구를 1991년 실시하여 원적외선 관련산업에 있어서 기술적 제문제를 조사 분석하고 원적외선 세라믹스산업의 현황과 문제점을 파악하였으며 또한 일본원적외선협회에서 일본통산성으로부터 위탁을 받아 1997년, 1998년에 원적외선 세라믹스계 소재의 시험평가방법의 조사연구를 실시하였다. 이 자료(적외선/원적외선 방사스펙트럼 측정기술)를 토대로 JIS 규격 제정이 예상되고 있다. 유럽의 경우는 비접촉식에 의한 물체표면의 온도 측정분야에서 중요한 인자가 되는 물체표면의 적외선 방사율 측정기술에 관한 많은 연구논문들이 있다. 미국은 1960년대 우주항공과 군사용장비의 열방사 특성을 연구하기 위해 적외선 반사율 측정에 의해 방사율을 계산하였으며 주로 고온(600~1500K)에서의 적외선 방사율 측정을 대상으로 ASTM규격이 있다.

다. 원적외선 측정장치의 종류
원적외선 방사측정에는 CVF 분광방사계, 분산형분광방사계, 분광반사율계, 후리에 변환적 외분광계(FT-IR) 등을 개량하여 측정장치로 주로 이용하고 있으며, 현재는 FT-IR을 이용하여 원적외선 원료 및 제품에 대한 방사스펙트럼 측정에 가장 많이 사용하고 있다.
1) CVF형 분광방사계
CVF형 분광방사계는 적외선 검출기의 전면에 설치된 CVF(Circular Variable Filter)를 회전시키는 것에 의해 검출기에 입사한 적외선을 분광하는 타입의 방사계이다. 이 타입은 FT-IR과 분산형 분광광도계에 비교하여 측정시료의 형상과 특성에 대하여 제한이 된다. 측정원리는 물체에서의 방사에너지를 집광시켜 장치내부로 도입된다. 입사된 에너지는 CVF에 의해 단일파장의 에너지로서 초고감도 dualsand
wich형의 검출기에 입사된다. 이 검출기에 입사한 에너지는 InSb/HgCdTe 적외선소자에 의해 전압으로 변환되어 신크로나이져 신호로서 CVF의 위치신호 등과 아울러 신호처리되어 각 파장의 에너지양으로서 출력된다. 측정원리는 시료에서의 분광방사휘도와 흑체의 분광방사휘도의 비로서 방사율을 구한다. 
2) 분산형 분광방사계
분산형 분광방사계는 적외선 분광광도계에 흑체로, 시료가열로, 기록계 등으로 구성되어 있으며, 어느 온도에 있는 시료 및 동일 온도의 표준 흑체로에서 방사 적외광을 각각 적외선 분광광도계에 입사시켜 얻어진 측정 스펙트럼의 비를 계산하여 시료표면의 분광 방사율을 구한다. 더블빔 적외분광 광도계에서 사용하는 분산형 분광기는 모노크로메타이기 때문에 감도가 낮아 측정대상에서 방사광량이 충분한 고온에서는 사용하고 있지만 저온에서의 측정은 부적당하며 측정 파장영역이 짧고 측정시간이 길다.
3) 분광반사율계
물질표면의 원적외선 방사율을 직접법에 의해 구하는 경우 적외방사광을 지배하는 물질의 표면온도를 제어하는 것은 많은 노력을 필요로 하며 또한 측정기기 주변의 온도, 습도, 광입사 등의 영향을 고려해야 한다. 상온 근처 및 그 온도 이하의 물질에서 방사되는 적외광은 강도가 약해서 S/N비로 인해 직접법에 의해 방사율을 측정하는 것은 용이하지 않다. 이와 같은 때 적외광의 반사율을 측정하는 것에 의해 방사율을 구하는 것이 가능하다. 측정은 미리 절대 반사율을 알고 있는 참조시료를 측정하고 동일조건에서 대상 시료의 반사율을 측정하여 양자의 비를 구해서 반사율을 얻는다. 
4) 후리에 변환적외분광계(FT-IR)
비교적 온도가 낮은 시료에서 적외방사광을 측정하는 것은 최근에는 감도가 높은 FT-IR장치를 사용하는 것이 많다. FT-IR분광기는 시료 스테지 및 흑체로를 설치한 외부광 도입용 광학계를 부가한 것이다. FT-IR은 원리적으로 싱글빔광학계로 되어 있고 시료와 흑체를 각각 측정해서 2개의 파워스펙트럼을 내장컴퓨터의 메모리내로 저장한 후, 양 파워스펙트럼의 비를 산출해서 시료의 분광방사율을 얻는다. 현재 저온에서 고온의 시료까지 모두 측정이 가능하며 국내외에서 적외선 방사율 측정 및 연구 분석용으로 사용하고 있다. 그림1에 FT-IR을 이용한 원적외선 측정기의 기본구성을 보여주고 있으며 그림 2와 그림 3은 한국건자재시험연구원에 구축되어 있는 측정기를 보여주고 있다. 원적외선 측정기는 40∼80℃ 온도범위에서의 측정용과 80∼400℃ 온도범위에서의 측정기로 구분하여 측정을 실시하고 있다.  
 
라. 국내외의 원적외선 측정현황
국내에서의 원적외선 측정기관은 공인시험기관으로서는 6개의 기관이 있으며 이 기관들의 측정기기와 측정온도 조건을 표 3에 나타내었다. 대부분 FT-IR을 이용한 측정장비를 갖추고 있다. 측정기관에 따라 성적서를 발급하는 곳과 연구용으로만 사용하는 곳이 있다. 표 4는 일본과 중국의 원적외선 측정기관 및 측정기기를 나타내었으며 일본은 이 기관들 외에 더 많은 곳에서 자체적으로 개발한 원적외선 측정기를 가지고 원적외선 측정 및 재료들의 열물성 연구에 이용하고 있다. 미국의 아리조나 대학에서는 FT-IR을 개량한 장비로서 재료의 방사율 스펙트럼을 측정하여 재료의 분광분석에 이용하고 있다는 연구보고가 있다. 그 외에 산업현장 공정에서 생산품들의 온도측정에 사용하는 적외선온도계, Thermography 등의 중요 인자인 적외선 방사율을 측정하기 위해 현장 분위기에 맞춘 재료들에 대하여 FT-IR을 이용하여 방사율을 측정한다. 표5는 일본에서 사용되고 있는 원적외선 측정기의 종류와 특성을 나타내었다. 

2. 음이온 분석평가 기술
공기 중의 이온은 전기적으로 양이온과 음이온이 있고 입경은 대·중·소이온으로 분류되며 종류와 수량은 어느 장소의 공기환경에 따라 다르다. 공기 이온은 반세기 전부터 연구되어 왔고 공간 중에 존재하는 하전된 음이온 농도를 측정하는 음이온 측정장치는 주로 일본에서 개발되었으며 국내에서 많이 사용하고 있다. 국내에서는 한국건자재시험연구원, 요업기술원, 한국의류시험연구원 등의 일부 공인시험기관에서 측정기기의 특성에 맞는 시험방법을 제정하여 측정을 실시하고 있으며 일본의 경우는 2004년에 JIS 규격안으로 ‘공기중의 이온밀도 측정방법’을 제정하여 일본공업표준조사회에 심의 중이다. 다음은 대표적인 음이온 측정기술에 소개한다.  

가. 공기이온 측정법 1
공기 중에 이온갯수를 측정하는 것은 전기적으로 이온을 모으고 그 이온에 의한 전하량의 합을 측정하여 그 총전기량을 하전된 전체 흡입량과 1개의 전하량의 곱으로 나누어 이온수를 구한다. 전장내에 놓인 이온은 전장과의 사이에 쿨롱의 힘을 받아 이온자신의 전하와 반대부호의 전극으로 운동한다. 만일 기체분자와 충돌하면 이온은 차차 가속이 되지만 실제는 기체분자와 충돌하기 때문에 속도는 주행시간에 관계없고 전장의 강도만큼 생긴다. 그 비례상수를 이온의 이동도라 한다. 이 이동도의 크기에 의해 이온을 대이온, 소이온으로 구분한다.
측정기는 집전부 및 전기량을 측정하는 전기적 회로부로 이루어진다. 집전부는 보통 내통과 외통의 2개 원통으로 이루어지고 이것은 고절연물질으로 전기적으로 절연이 된다. 여기서 외통은 통상적으로 접지되어지고 내통은 일정의 전압이 가해지도록 되어 있다. 이 원통내를 일정의 속도로 공기를 흘리면 공기 중의 이온입자는 내통내에 포집된다. 그 때문에 이온의 전하에 의해 전위의 강하가 일어난다. 이것을 전위계 또는 진공관회로 등을 이용해서 측정하면 그 전기량이 구해진다. 원통내의 유속 및 인가전압의 크기에 의해 대이온과 소이온을 나누고 내통에 인가하는 전극(+·-)에 의해 양이온 및 음이온으로 나누어 측정된다.
여기서 공기이온의 측정법의 일례를 그림 4에 나타내고 있다.
이온의 한계이동도(mobility) K의 값은 다음식에 의해 구한다.
 

U : 공기의 유속(cm/sec),  R : 외통의 반경(cm)
γ : 내통의 반경(cm), V : 내통과 외통 사이의 전압(Volt),
ℓ: 내통의 길이(cm)
한계이동도는 집전극에 인가되는 전압에 의해 구해진다.
이온측정기에 유입하는 공기량은 다음식과 같다.
Q=π γ2 U
1초간 유입하는 이온 수 N과 단위체적당 이온수  n은 다음식들에 의해 구한다.
 

나. 공기이온 측정법 2
공기이온밀도를 측정하는 것은 공기를 전계내에서 전계와 직각하는 방향으로 흐르고, 극판에 보충된 전하를 측정하는 것이 좋다. 이 측정법은 그림 5에 표시한 동축원통형 콘덴서의 축방향을 x축, 그것과 직각한 방향을 y축으로 한다. x축 방향에 공기를 흘릴때 공기 중의 이온운동은 x=0에 있어서 y=R의 점에 있는 이온은 기류속도 및 전계에 의한 전기력에 의해    
 

   K 이동도 cm2/Volt.sec, U 유속 cm/sec
으로 표시된다. 따라서 외원통의 R부분에 있는 이동도 K보다 큰 이온은 L만큼의 거리에 도달하는 사이에 내원통에 부착하는 것이 있다. 따라서 내원통에 부착하는 이온의 이동도 한계는
                          
 
이 된다. 이때 내원통에 유입된 이온전류를 i(amp)라 하면 단위체적내의 이온수 n은 하전된 입자의 전하량을 e=1.6×10-19 쿨롱이라 하면
   개/cm3이 되고 어느 이동도 이상의 이온수를 측정하는 것이 가능하다. 단 이동도 0.4cm2/Volt.sec 이하의 중간, 대이온을 대량으로 존재하는 것이 인정되는 경우는 적당한 보정이 필요하다.

다. 음이온 측정장비의 예
한국건자재시험연구원은 위에서 설명한 원리를 이용한 음이온 측정장비 2대를 보유하고 있다. 먼저 그림 6은 공기흡입식으로 공기이온 측정법 1의 원리에 따라 측정이온 이동도범위가 0.5∼20cm2/V·sec 까지 가능하며 이온측정 농도범위는 1×107개/CC 까지 측정이 된다. 현재 이 장비는 반도체 제조라인에서 많이 사용하고 있으며 공기청정기, 에어콘, 냉온풍기, 음이온모듈 등의 전기전자제품에 대한 음이온 측정에 알맞다. 그림 7은 공기흡입식 음이온 측정장치로서 공기이온 측정법 2의 원리를 따르고 있으며 측정이온이동도범위는 0.4cm2/V·sec 이상이고 이온측정밀도범위는 1×106개/CC까지이다. 이 장비는 음이온 발생 원료, 건축자재, 생활용품 및 섬유류 등을 측정할 때 사용한다.

참고문헌
1. 원적외선 분광방사율 측정방법 표준화, 요업기술원 (2003)
2. 實用遠赤外線, 人間と歷史社 (1999) 
3. 無機新素材産業對策調査委託調査結果報告書, 遠赤外線産業
  協會 (1992)
4. 遠赤外線セラミックス系素材の試驗評價方法の調査硏究報告
   書, 遠赤外線協會 (1998)
5. 空氣マイナスイオン應用事典, 人間と歷史社 (2003)

 표 3. 국내 원적외선 측정기관
 기 관 명                        측정기기         측정조건
 한국표준과학연구원  분산형분광광도계  200℃부근
 한국에너지기술연구소       FT-IR          100℃부근
 포항산업과학연구원          FT-IR          40~400℃
 요업기술원                      FT-IR          40~400℃
 한국의류시험연구원          FT-IR          40℃부근 
 한국건자재시험연구원       FT-IR          40~400℃

 표 4. 국외 원적외선 측정기관
 기 관 명                                 국적            측정기기
 富山縣工業技術센터                 일본    회절격자형 분광광도계
 神奈川縣産業技術合硏究所        일본              FT-IR
 日本遠赤外線應用硏究會           일본              FT-IR
 中國科學院 上海技術物理硏究所 중국 회절격자형 분광광도계

그림 1. 원적외선 측정기 (40∼80℃온도범위)

그림 2. 원적외선 측정기의 구성도
그림 3. 원적외선 측정기 (80∼400℃온도밤위)

그림 4. 이온측정기의 구성도 1
그림 5. 이온농도측정원리
그림 6. 음이온 측정장비 1
그림 7. 음이온 측정장비 2

필자약력
·충북대학교 재료공학과 공학박사
·건자재시험연구원 원적외선웰빙소재센터 팀장

<본 사이트에는 표가 일부 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스 12월호 참조바람>