원적외선｜기술논단
신기술 전략으로서의 음이온 응용과학(1)
최태섭 사단법인 한국원적외선협회 전무이사

1. 서론
최근 이슈가 되고 있는 뉴트리노(neutrino)(중성전기를 띠지 않는 소립자)와 달리, 음이온은 대기중에서 지표면에 가깝게 떠다니는 전하입자의 하나이다. 현재 ‘이온’의 정의에 대한 기본적인 인식은 개별 전문영역에서 미소한 차이로 다른 이론이 정착된 상태이며, 이로 인하여 아직 이 분야에서는 합의점을 도출해 내지 못하고 있다. 그러나 근래에는 방송매체로의 전파와 다양한 기획에 의해 사회의 이슈로 부각되었으며, 점차적으로 응용확대 영역이 광범위해지고 있다.
이러한 가운데 음이온이 가진 물리적 및 의학적인 특성을 적용하여 음이온 기능탑재 에어컨과 공기청정기, 헤어드라이기, 이온전동칫솔 등 많은 연구 성과를 학회에 발표함으로써 세계응용과학분야에 제안하여 시장수요가 활발히 성장하는 결과를 이룩하였다. 또한, 여러 가지 테마에 관하여 기술도입과 이전을 진행하고 있지만, 요즘과 같은 발전적인 기술혁신 시대를 고려하여 판단한다면 이온의 다양성을 응용과학이라는 관점에서 미래의 새로운 기술전력으로서의 가능성에 대하여 고찰한다.

2. 공기이온이란 무엇인가?
‘공기이온’이란 공기 중의 원자 또는 분자가 + 또는 -로 대전한 상태를 말한다. 공기이온에는 양이온 및 음이온이 포함되고, ‘양이온’은 원자 또는 분자가 전자를 잃어 +로 대전한 것이며, ‘음이온’이란 원자 또는 분자가 전하를 얻어 마이너스로 대전한 것을 나타낸다.
‘양이온’은 ‘Positive ion’이라고 표시하고, 기호로서 ‘+Ion’이 이용된다. ‘음이온’은 ‘Negative ion’이라고 표시하고 ‘-Ion’이 기호로 이용된다. ‘공기(대기)’에 대해서 각종 사전에는 다음과 같이 해설하고 있다.

【대기이온】
대기는 질소, 산소가 주성분이며, 이 외에도 수증기, 탄소가스와 미량의 가스가 섞여 있다. 이들 분자는 지구에 기원을 두는 방사능과 지구 밖으로부터 들어오는 우주선에 의해서 끊임없이 전리되고 있다. 그 결과, 몇몇 분자가 송이모양으로 결합하여 전자 1개분의 양 또는 음으로 대전한 입자가 만들어져 대기 속에 안정된 형태로 존재한다. 이것이 소(小)이온이며, 소이온은 전리로 인해 발생되는 한편, 이 음·양 이온이 중화하여 원래의 중성분자로 되돌아가는 작용과 대기 중에 떠다니는 미립자에 부착하여 대이온으로 변하는 작용에 의해서 소실되며, 발생·소실의 평형관계로 대기 속의 농도가 정해진다.
대기 중의 떠다니는 입자는 에어로졸(aerosol : 煙霧質) 이라고 총칭되며, 그 최소는 소이온의 1,000배 정도의 크기를 가진다. 소이온이 부착되어 대전한 에어로졸을 대(大)이온이라고 한다. 대기의 전도율 즉 ‘재기전도율’은 소이온 농도로 정하므로, 에어로졸 농도가 높은 대기 즉 오염된 대기는 소이온 농도가 낮아, 대기전도율은 낮아진다.
(「기상사전」 증보(增補) 平凡社版, 1999)

【대기이온】
대기 중에 떠다니고 있는 대전 미립자를 말한다. 소이온과 대이온이 있는데 두 이온 모두 크기도 원인도 다르다. 우주선 등에 의해 전리된 공기분자가 계속해서 발생되는 일련의 화학반응과 수화반응의 결과, 비교적 안정된 대전 분자단으로 변한다. 이것이 소이온이다. 양의 소이온 대표 예는 H3O+(H2O)n, 음의 소이온은 O2(H2O)n, CO4(H2O)n, NO3(H2O)n 등이다. 대기이온은 대기 중의 전장(電場)에 의해 이동하여 전류를 형성한다. 다시 말하면 대기이온은 대기에 전기의 전도성을 줌으로, 크기(전기전도율)는 거의 소이온 농도에 의해서 결정된다.
 (「기후학·기상학사전」 二宮書店, 1985)

【Langevinion】
대이온의 별칭. 프랑스의 Langevin의 이름을 따서 명명하였다. 전하를 띤 에어로졸 입자의 이온, 입자의 대전은 양 또는 음의 소이온과의 충돌부착에 의해 발생한다. 확률은 입경이 클수록 높다. 평형 상태의 에어로졸 입자 속 대이온의 존재비율은 반경 0.01㎛으로 음·양 합해서 약 30%지만, 0.1㎛에서는 70% 이상에 달한다. 0.05㎛ 이상의 대이온에는 소전하를 2개 가진 것도 무시할 수 없게 된다.
(「기후학·기상학사전좦 二宮書店, 1985)

【대기이온】
공기분자가 방사선이나 우주선을 받아 전리된 것을 소이온이라고 한다. 보통 수분(원)자로부터 되어 있다. 소이온이 Altken입자에 부착하여 대이온이 된다. 대기 중의 소이온 발생량은 음·양 이온의 결합, 대이온의 이동 등의 감소량과 적합하다. 대기 이온의 이동은 대기전기학 이 외에 뇌운(雷雲)의 전하분리기구, 인체로의 영향 등과 관련하여, 그름 물리학, 생기상학에서도 문제가 많다.
(「과학대사전」 丸善, 1985)

【대기이온】
‘지구’대기 중에 존재하는 양 또는 음의 전하를 띤 원자와 분자 및 이들의 집합체를 말한다. 저층대기에서는 상대적으로 물질이 크고 전기적 이동도의 값이 작은 이온이 존재하는데, 에어로졸 입자가 대전한 것을 포함하여 대기이온이라고 불리는 경우가 많다.
(「理工學辭典」 일간공업신문사, 1996)

【대기이온】
대기 중에 존재하는 이온, 크기, 또는 이동도(移動度)에 의해서 소이온·중이온·대이온등으로 분류된다. 전자(電子)를 음이온으로 포함하는 경우도 많다. 소이온은 분자 1개 정도, 지표에 가까운 공기 중의 수는 600~700개/cm3 정도로, 양이온이 조금 많다. 중이온은 분자가 1,000개 대이온은 Lange
vinion이라고도 불리며, 전하를 띠지 않은 중성핵(中性核)과 함게 응결핵의 활동을 한다.
매연이나 먼지가 많은 대도시에 많고, 1cm3 속에 수 만개가 있다. 대이온이 이와 같이 많아지면, 소이온은 훨씬 줄어져서 100개 이하가 된다.
대기의 전기유도율에는 이온수와 동시에 이동온도도 관련되어, 소이온이 많은 쪽이 전도율은 높다. 대기이온은 방사선 외 각종 원인에 의한 전리(電離)로 생성된다.
(좥岩彼理化學辭典」 w5판, 岩彼書店, 1998)
【공기이온】
공기 중의 미립자의 양 또는 음으로 대전한 것이다. 기체분자정도의 크기가 경(經)이온, 큰 것을 중(重)이온이라고 한다. 이온의 변화는 인체에 생리적 영향을 미치는데 그 발생원인은 자외선, 물질의 미립자화, 열작용, 복사선, 우주선 등이다.
(「建築大辭典」 제2판, 彰國社, 1993)

【대기이온화】
‘물리’높은 에너지 입자와의 충돌에 의해서, 대기중의 전기적으로 중성입자가 전하를 가지게 되는 과정이다.
(「매크로빌 기술용어대사전」 개정 제3판, 일간공업신문사, 2000)

【대기전기】
자연현상으로서의 대기 중에 나타나는 전기현상을 총칭하여 대기전기라고 하고, 이 현상을 다루는 과학을 대기전기학, 영어로는 atmospheric electricity라고 한다. 대기전기현상은 전기현상과 밀접하게 연관되어 있다. 번개가 대표적 예로 직접 눈과 귀로 감지할 수 있지만, 일반적으로 대기전기현상을 관측하려면, 보통 기상관측기라는 다른 측정장치가 필요하다.
번개를 일으키지 않을 경우라도 심한 비, 눈·우박 등을 내리게 하는 구름 속에서는 음·양 전하의 분리·축척이 이루어진다. 또 대기는 완전한 절연체가 아니라, 아주 극히 작은 전류를 통하는 성질을 가져, 청천무풍일 때 지표는 음으로 대전되고, 상층 대기에는 양전하가 분포하여, 대기 중에서는 수직으로 위쪽이 높고 아래쪽이 낮은 전위분포가 생기게 된다.
이것을 ‘대기전기장’이라 부르며, 이 때문에 상층에서 지표를 향해 흐르는 전류(1cm3당 3×10-13A)를 ‘공지전류’라고 한다. 대기가 매우 미약하지만 전도율을 갖는 것은 대기이온이라고 불리는 전하입자가 대기 중에 존재하고, 전위차에 따라서 이동하기 때문이다. 청천영역에서는 공지전류에 의해서 상층에서 지표로 양전하가 운반되지만 악천영역 특히, 뇌운(雷雲)하에서는 빗방울이나 우박으로 운반된다. 또 뇌 방전 전류로 되어 음전하가 지표로 운반되어, 지구 전체로 보면 전하의 평형이 이루어진다. 지구와 이것을 둘러싼 고층의 혹성 공간(전리권)은 금속과 같이 전하가 자유로이 이동할 수 있는 도체이지만 지표로부터 높이 65km까지는 지표 부근과 같은 대기로 채워져 있기 때문에 전하를 이동시키는 성질 즉 전도율은 매우 낮다. 바꿔 말하면 지구도체와 혹성공간도체의 전립을 극히 높은 양의 값으로 유지한 결과, 위에서 동시에 활동하고 있는 뇌운의 총 수에 비례하며, 이 수는 1,800개라고 하는 평균값을 중심으로 유럽·아프리카대륙이 태양에 마주 대하는 시각에 극대로 되고, 반대쪽인 태평양 중심부가 태양에 인접할 때 극소가 된다.
극지나 태양의 위치 등에서 국지적인 기상의 영향을 받지 않을 때 대기전기장을 연속기록하면, 지구상의 모든 뇌운(雷雲)수의 증감과 같은 24시간 주기의 변화가 관측되고 이 평균은 수직거리 1m당 120V라는 값이 된다.

【이온】
중성의 원자 또는 원자단이 1개 또는 몇 개의 전자(電子)를 잃거나, 1개 또는 몇 개의 전자를 얻어 발생하는 입자를 말한다. 예를 들면 나트륨이온 Na+, 염화물이온 CI-, 염산이온 CIO3- 등이 그것이다.  
어떤 종류의 물질(고체 전해질)을 가열하고 융해하여 그 전기저항을 측정하여 보면, 융해액의 전기저항은 작고, 전기를 통하는 성질을 가지고 있다. 또 이러한 종류의 물질에 대한 성질요소를 조사해 보면  융해액의 전기저항은 작고, 전기를 통하는 성질을 가지고 있다. 또 이러한 종류의 물질에 대한 성질요소를 조사해 보면 최소단위의 크기는 원자와 분자의 크기와 같은 정도(1Å=10-10m정도)지만, 전기적으로 중성원자나 분자와는 다른, 양 또는 음의 전하를 가지고 있다. 역사적으로 거슬러 올라가 보면, 전해질 용액에 전류를 흐르게 하여 전기분해를 할 때에 anode(양극)로 향해 이동하는 입자와 cathode(음극)로 향해 이동하는 입자가 있다는 점에서 M,Faraday가 ‘이동한다’라는 뜻의 그리스어 ionai에서 따와 이온이라 명명했으며 캐소드로 향하는 입자를 cation, 어노드로 향하는 입자를 anion이라고 한다.
이온의 대전 원인이 한 개 또는 여러 개의 전자 수수에 의한 것으로 알 수 있듯이 이온이 가진 전하의 양은 전기소량 e(=1.6021892×10-19C)의 정수(정 또는 부)배와 같다.
이 정수의 값은 이온가(valency), 이온의 가수, 이온의 전가 등으로 말하며 이온을 표시할 때에는 이 이온가와 전하의 부호를 화학식의 오른쪽 위에 붙여서 예를 들면, H+, Ca2+(또는 Ca++), SO42-(또는 SO4--)등과 같이 쓴다. H+는 1가의 양이온, Ca2+는 2가의 양이온, SO42-는 2가의 음이온이다.
이온은 전해질의 용해액(응융염)이나 용액 속에서 생설될 뿐 아니라 기체방전이나 기체의 방사선조사, 분자 속에서의 전자이동 등에 의해서도 생성된다. 이와 같은 이온생성현상을 이온화 또는 전리라고 한다. 특히 해리(解離) 또는 방사선으로 인해 이온이 발생할 경우 전리라고 부르는 것이 보통이다.

【수용액 속의 이온】
평상시(상온, 대기압)에 이온이 존재하기 쉬운 곳은, 수용액과 같은 극성액체 속에서이다. 대기에서는 고온, 저압의 상태에서만 어느 정도의 이온이 존재할 수 있다. 또 용약염도 고온의 용해 상태를 유지함으로써 처음으로 이온의 특성(예를 들면, 전기분해 등)을 확인할 수 있다.
수용액 속에서 이온이 쉽게 존재할 수 있는 것은 이온과 용매인 물과의 상호작용, 즉 수화(水和)라고 불리는 용매화 현상 때문이다. 이온은 대전하기 때문에 다른 부호의 이온끼리 강하게 끌어당기고, 같은 부호의 이온끼리는 강하게 서로 밀어낸다. 그런데 수용액 속에서는 수화작용 때문에 이온끼리의 정전적인 상호작용이 약해질 수 있어, 이온으로서 존재하기 쉬워진다.
(「세계대백과사전·년감·편람·지도」), 日立 Digital 平凡社, 1998)
(다음호에 계속)

필자약력
국립공업시험원 화학시험부 유기화학과 연구원
중소기업청 요업기술원 제품과 공업연구사
한국건자재시험연구원  부설 원적외선응용평가센터  센터장
사단법인 한국원적외선협회  전무이사
산업자원부 기술표준원 원적외선전문위원회 전문위원
동아시아기능성이온협회 서울사무국 사무국장