원적외선｜기술논단

신기술 전략으로서의 음이온 응용과학(2)

최태섭 사단법인 한국원적외선협회 전무이사

3. 음이온 응용과학이란
음이온 응용과학이란, 여러 학문영역에서 다루어지고 있는 ‘이온’의 물리적, 화학적, 생리적인 특성을 폭넓은 공업 분야로 응용하고, 새로운 미래 산업과 경제발전에 기여하는 학문이다. 현재 이온은 충분하게 해명된 완성된 기술은 아니지만, 이미 가전분야에서 이온탑재제품은 표준사양이 되었고, 생활 속에 자연스럽게 이용되기 시작했다. 향후, 마이너스 이온을 응용한 기술은 다방면으로 확대될 것으로 생각되지만, 건전한 시장의 발전에는 적절한 근거가 필요하므로, 음이온 응용과학의 학문으로서 체계화가 불가결하다.

1) 이온의 이해와 인식
일반적으로 이온이란 물질의 원자나 원자단 또는 분자에 대전한 (+)와 (-)의 전하를 띤 아주 작은 미립자를 의미한다. 보통 물질은 고체상(固相), 액체상(液相), 기체상(氣相)의 3相이 있는데 이온은 프라즈마와 같이 제4상태의 크러스트이다.
대기중에서는 대기성분이 전리되어 전자(電子)와 플러스 초기이온이 발생한다. 그 틈으로부터 여러 종류의 대기미량성분과 반응하여, +·-의 핵이온이 된다. 핵이온은 수분자를 포함한 기타 분자와 결합하여 크러스트 이온이 된다. 이것이 일반적인 해석으로 본 대기이온이다.
<이온이란>
①우주와 지구에 존재하는 전하를 띤 원자, 원자단 또는 분자를 말한다.
②공기나 물 등에 떠있는 용해하는 양극의 전하를 가진 미립자이다.
③기능성을 가진 제4상태인 -고체·액체·기체·이온
④플러스(正·陽·Positive·cation)와 마이너스(負·陰·Negative·anion) 등 이라고 한다.
⑤공기이온에는 대이온과 중이온, 소이온, 또 중(重)이온과 경(經)이온이 있다.
⑥대기 중의 양이온이란 지표부근에서 암모늄이온이 되고, 또 수소이온(H+)이 수화(水和)된 옥시늄이온(H3O+)(H2O)n이다.
⑦마이너스이온이란 산소이온, 산소핵 radical ion, 히드록실이온이다.
⑧마이너스이온이란 지표부근에서 초산이온, 이외에 탄산핵, 유산핵 등의 이온이 있다.
⑨마이너스이온이란 전자 e- 이다.
지금까지 자연계에서의 양이온은 주로 수소이온(H+)이 물분자와 결합하여 옥시늄이온(H3O+)이 되고, 여기에 물분자가 부착되어, 수화(水和)된 옥시늄이온(H3O+)(H2O)m형으로 대기 속에 존재하고 있다.
한편, 마이너스이온은 산소이온(O2-), 탄소이온(CO3-), 초산이온(NO3-)으로 우주와 방사선으로부터 전자(電子)가 물분자 부착, 수화함으로서 안정된 각각의 핵이온으로 적외선효과와 전기분해로 생성된 OH-(H2O)히드록실이온의 존재가 오래전부터 알려져 왔다. 그밖에 CO4-(H2O)n, C3H3O4-(H2O)n, CH3SO3-(H2O)n 등도 후보에 올라있다.
최근에는 지표면의 마이너스이온은 주로 초산이온으로 양이온은 암모늄이온이라고 명명되기도 한다.
또 인공적인 코로나방전이나 전자방전식, 레너드방식 등에서는 O2-(H2O)n의 음이온이 생성되지만, 대개 산소이온, 산소핵 래디컬 이온, 히드록실이온인 것은 일반적으로 공통된 인식이다. 그러나 자연계에서는 생성된 공기이온과 인공적인 방식에 의해 생성된 이온의 핵종류와 작용기초가 공통이라는 보증은 어디에도 없다. 또 공기이온 이외의 음이온의 인식으로서 전자(e-) 그것이라는 보충방법도 있다.

2)각 영역에서의 이온해석
아래에서는 각각의 전문영역에서 이온의 보충방법을 참고로 나열하였다. 일반적으로 공기이온의 경우는 ⑥의 대기전기학으로부터 해석되는 경우가 많다. 수화이온에서의 보충방법은 거의 같아, 본질적으로는 공기와 물의 이온도 생체이온과의 생명·에너지 연쇄 속에서 존재하고 있으므로 원자의 시점에서는  공통된다.
<각각의 영역으로 본 이온해석>
①화학(용해, 수용액, 전해질, 미네랄)
②전기(전기 이동, 다이오드, 반도체, 정전기, 자기)
③물리(원자구조, 우주선, 암흑물질, 소립자, 전자파, 고체물리)
④의학(생체이온, 전해질, 생체미량원소, 방사선, 홀미시스)
⑤온천기후학(온천의 음양이온성분, 삼림욕, 사우나)
⑥대기전기학(뇌(雷) 연구, 에어로졸, 대기전장(電場))
⑦지구혹성과학(오로라, 태양코로나, 프라즈마, 해류, 자기폭풍)

3)이온발생의 원리와 계측법의 문제점
이온의 상태를 크게 3가지로 구분해 보면 ①방전·해리, ②용해·수화, ③대전·정전 등으로 분류할 수 있다. 이러한 어구와 상태는 명료하게 구분할 수는 없지만 주로 ①은 공기 등의 기체, ②는 물 등의 액체, ③은 금속·비금속 등의 고체 표면 등에서 관찰할 수 있는 현상이다.
그러나 이러한 이온은 모두 공기이온의 계측방법으로 관측할 수 있을 뿐만 아니라 개개의 전기 에너지 질·양에 따른 계측방법을 필요하게 된다. 위와 같은 오해가 최근 마이너스 이온을 정확하게 평가하는데 있어서의 문제점을 유발하고 있다.
 이온주위에는 전자계, 정전기, 방사선, 전자볼트, 분자량, 산화환원전위, 전기 등이 있고, 쿠룽, 쎄벨트, 몰, MeV, mV, 가우스 등의 단위가 있다. 이전부터 공기이온의 단위는 개/cc 또는 개/ cm3였으며, 때로는 이 단위로 정리하는 과정에서 에너지마다의 변환식, 환산식이 필요하게 된다.
지금까지 여러 종류의 이온계측장치라는 기계가 시중에 많이 나와 있지만, 연구계측용으로 만족할 수 있는 장치는 희박한 실정이다. 현재 실용이온농도계측에 근거한 것은 구 전기시험소에서 사용되어 왔던 2종류의 원통을 이용한 겔 디엔법 정도이다. 향후, 계측법의 표준화, 국가공업표준화는 매우 중요하지만, 앞에서도 설명한 바와 같이 다양성을 규명하고 각종 이온의 실체에 꼭 맞는 계측방법의 선택이나 고정이 필요하며, 따라서 더 많은 지식과 현장의 소리를 교환하는 의논이 매우 중요하다. 반대로 현실과 동떨어져 폭이 좁고, 실용성, 범용성이 결여된다면 불행한 결과를 초래할 것이다. 정밀계측, 간이계측을 불문하고, 이온계측법의 표준화는 마이너스 응용과학의 하나의 과제가 되고 있다.
4)이온 응용화 기술의 종류
지금까지 알려져 있는 이온화 발생방법을 나열해 보면 다음과 같다. 전기에 의해 정상적으로 발생시키는 것, 물과 불, 광석, 금속, 방사선 등으로 이온화하는 것 등 여러가지다.
<여러가지 이온발생방법>
①코로나방전 (2극 방전 : 공기청정기, 에어컨)
②레너드 방식 (물의 해리(解離) : 폭포수의 효과, 분무대전(帶電), 공기청정기)
③전자방사식 (단극방전(單極放電) : 공기활성기, 물과 기름의 分子帶電)
④연소식 (금속의 작열, 공기의 연소 : 가스, 양초, 목탄 등)
⑤정전유도식 (마이너스 전위부가 : 전위 치료기, 이종 귀금속, 마찰내전)
⑥광촉매식 (금속, 산화티탄, 공기청정기, 탈취)
⑦방사성물질 (라돈, 라듐, 온천광석 등)
⑧전기석 (토르말린, 수정, 호박 등)
⑨천연광석 (자철광, 의왕석, 맥반석, 장석, 흑요석 등)
⑩숯 (비장탄, 죽탄, 송과탄, 과실탄, 곡탄 등)
⑪미네랄소재 (산호, 조개, 화석, 규조토, 점토 등)

4. 신기술로 만들어가는 음이온의 미래 전략
2002년 현재, 일본의 음이온 응용시장의 규모는 약 5,000억엔으로 약 70%를 차지하고, 나머지 30%를 냉장고, 세탁기, 드라이어, 제습기, 건조기, 공기청정기, 청소기 등의 가전제품이 점유하고 있다. 최근 몇 년 음이온을 탑재한 각사의 여러 제품, 기종의 판매가 모두 급신장하여 일본 산업계의 불황, 특히 가전·의료·건강·미용·일회용품시장에 밝은 희망을 불러일으키고 있다.
그러면서도 음이온 응용상품에는 많은 상품들이 다른 제품에 편승되어 유행한 경우가 많아, 음이온이라고 명명되었어도, 그것들이 모두 충분한 음이온 상품으로서 적합한 것이 나닌 경우가 많다. 즉, 옥석혼효의 감을 부정할 수 없다.
한편, 이온의 활용기술은 정전기영역에서 이전부터 연구되고 있지만, 현대의 사회적수요의 시점에서 최신 과학기술을 응용함으로써, 더욱 새로운 분야를 개척할 수 있다. 실제로 이온·테크놀로지가 타업종의 산업분야에서 이미 활약하기 시작해, 공업적으로도 커다란 비즈니스의 찬스를 만들고 있다.
예를 들면 금속·비금속을 불문하고, 표면에 이온을 축적하여 완전히 이질적인 재료로 만들어 표면의 경화나 착색에 성공했다. 또, 진공기술을 이용하여 컴퓨터·칩의 생산을 효율화했으며, 태양전지, 반도체 제조기술에 이용되고 있다.
또는 섬유의 표면을 이온처리하여 세탁해도 줄어들지 않는 대전방지 섬유, 곰팡이가 피지 않는 섬유 등이 개발되어 있다. 게다가 의료·환경분야에서는 인공치골이나 형상기억합금에 응용, 안전한 프론 분해의 개발 등도 시험되고 있다.
DNA를 재료로 한 반도체회로의 초미세화기술에 의한 칩의 개발이 진행되고 있지만, DNA에 신호전류를 흐르게 하여, 나노 사이즈의 트랜지스터를 제작할 수 있다. 전자재료에 적합한 배열의 DNA를 만들고, 집적한 계산회로의 완성에 이온 응용기술이 사용된다.
또한, 세포막내외의 미약전류제어에 나노전극을 사용하여, 응용 정전기 공학의 연구로부터 세포·DNA조작이 가능하게 된다. 이것은 의학영역에 있어서 음이온과 나노테크놀로지의 새로운 제안이다. 그 외에 암치료 분야에서는 종양부위의 이온화 미립자의 타겟팅, 양자선과 중립자선(탄소이온 등)을 사용하는 ‘입자선 치료’, ‘3차원 반사선 조사’도 주목된다. 컴퓨터, CT, MRI화상을 조립한 침습(侵襲)이 적은 분자 표적치료에도 이온이 활용된다.
현재 음이온응용기술은 식품가공, 농업근대화가 진행되고 있는 가운데 바이오나 나노테크 등과 협력하여 광범위한 산업분야로의 개발이 진행되고 있다. 이온의 고부가가치성이 이해될 뿐 아니라, 건강지향 분야만이 아닌 일반 공업 분야에서도 급속한 발전과 보급이 예측된다.

5.음이온과 나노테크·하이테크 산업의 동향과 과제
21세기의 하이테크, IT정보화로의 돌파구로서, 재료·제품의 모두에 대하여 현 상태보다도 고정도로 보다 소형화, 보다 경량화의 요구가 강해지고 있다. 그래서 나노테크놀로지의 기반이 되는 미세가공기술은 이온과의 접점에 있어 큰 가능성을 간직하고 있다.
현재 나노테크놀로지의 응용은 Fullerens Carbon Nano tubes를 중심으로 세라믹스의 나노구조개질재, 광기능 코팅재, 전자부품재료, 자기기록재료, 연마재료, 화장품재료 등으로 확대되고 있다. 고기능·고성능·고도정밀화가 가능하여 21세기 재료로 주목받고 있다.
최근에는 나노입자에 관한 기초연구로부터 나노입자의 양자 사이즈효과에 의한 초고기능성이나 새로운 물성의 발현, 新물질의 합성 등 계속되고, 또한 응용연구로부터 응용온도·소성온도 등의 대폭적인 저하, 신합금의 합성, 광촉매의 고효율화 등이 가능하게 된 점이 보고되었다. 그러면서도 현재까지, 일본에서는 나노입자에 관한 과학연구는 상당히 성행하고 있지만, 나노입자의 양산화는 달성되지 않고 있다. 앞으로 나노입자의 필요성이 높아지므로 일본에 있어서도 고순도, 구상, 균일 입경의 나노입자(입경이 1~100nm)의 제조기술에 조속한 확립이 요구된다. 나노입자의 응용전개는 종래의 원료·머터리얼·디바이스라는 산업구조로부터, 그것들의 기술이 융합된 새로운 산업분야의 증대를 포함한 21세기를 향한 산업구조의 큰 전환으로 파급될 가능성이 지적되고 있다.

6. 공동연구와 고부가가치로 기대되는 이온응용시장
1)음이온의 새로운 기술전략
음이온이 새로운 기술전략으로서, 이온응용시장의 본격적인 전환을 맞이하게 되었다. 그 기점에는 공동연구와 고부가가치의 사상과 실현화이다.
또, 상품개발의 시점은
① 연구로 증명된 상품개발
② 사회요구에 부응한 상품 개발
③고부가가치를 가진 상품 개발의 3가지가 중요하다.
과열시장이 식은 후에는 시장전체의 신장은 둔화되는 것이 일반적이지만, 그 반면 특징이 있는 제품, 공동연구를 지향하는 특정기업이 독점적으로 성장할 가능성을 간직하고 있다. 또한 정책의 전환에 있어서도 기존의 4P정책 즉, Product, Price, Place, Promotion은 성장시장에 있어서 유효한 수단이지만, 성숙시장에 있어서는 또 다른 2개의 P, 즉 People과 Philosophy가 핵심이 된다. 그 사람·기업 나름대로의 상품철학, 즉 신뢰가 얼마나 얻을 수 있지가 중요 포인트가 된다.
 또 오늘의 새로운 시점이란, 필수품(必需品)에서 필욕품(必欲品)으로, 또 필실품(必實品)에서 필락품(必樂品)이다.
 필수품이란 기존 품의 잠재수요, 필욕품이란 기존품을 뛰어 넘는 욕구원망, 필실품이란 기존품의 보다 고기본가치화를 추구, 필락품이란 충실감·즐거움을 추구하는 신기본가치의 제안이다. 향후에는 환경·공기·물, 식품의 차별화가 일어나 새로운 발견, 새로운 법칙, 새로운 수요가 다음 테마 가운데서 환기될 것이다.
<새로운 차세대형 상품 아이템>
탈취, 소취, 제균, 살균, silent killer제거의 신세대공기청정기, 실내탈취오염방지장치, 자원리싸이클 지원장치, 전자재배농업, 특수 음이온수, 농약제거 장치, 무약품사육, 나노기술신소재, 탈농약재배, 하이테크 숯, 신이온 보존기술, 탈아토피, 식품의 안전가공기술, 마사지 화장품 소재, 애완동물의 쾌적한 환경, 온천 신형 순환식, 미생물발효기술, 재생의료, 정자보존, 인공수정, 전자영양학

2)공동 연구시대로 보는 음이온의 부가가치란
향후, 음이온의 폭넓은 분야에서의 기술전략 대상으로서는 다음고 같은 것들이 있으며, 항목과 대상을 서술하면,
① 바이오 테크놀로지
세포배양, 세포융합, 미생물이온공학, 품종개량, 생육제어
② 나노 테크놀로지
카본나노튜브, DNA회로, 반도체, 장수명배터리, 극세섬유, 세포수술, 유치형 소형센서, 생체이온제어, 세포막이온채널의 개폐, 나노미용기술
③ 미용 테크놀로지
음이온함유화장품, 항산화미용, 이발·미용 이온 마사지, 아로마 이온 세라피, 다기능드라이어, 타게팅 시술, 저온이온사우나, 미용 내의, 침구, 벼개, 섬유, 릴랙스 사롱
④ 식품 테크놀로지
제균, 살균, 멸균, 본존, 신선도유지, 탈취, 미각향상, 식품가공, 축산, 양계, 수산업, 산화방지, 주조, 건조, 사육
⑤ 농업 테크놀로지
토양개량, 품질개량, 재배, 활수기, 제농약, 생육, 화학분야
⑥ 환경 테크놀로지
대기오염, 배기가스, 제연, 화장실탈취, 세제, 클리너, 하이브리드 공기청정기, 제균 에어컨, 병원, 빌딩공조, 정원, 원예, 임업, 제충, 흰개미구제, 양잠, 축산, 가전매장, 백화점, 컴퓨터·오피스, 노인복지시설, 원자력발전, 동물병원, 화장터, 학원·학교, 방송국 스튜디오, 지하철, 요정, 자동차, 생선식료품, 야채 판매대, 약국화장품, 와인저장고, 비닐공장, 제지공장, 인쇄, 제본, 신간선, 비행기, 공항, 도료창고, 골프장, 핵 쉘터, 도살장, 애완 숍, 자위대기지, 슈퍼마켓, 잠수함, 체육관, 수영장, 건축·주택, 독거 노인집
⑦스포츠오락·레저 테크놀로지
파칭코 파라, 공중목욕탕, 슈퍼목욕탕, 온천, 노래방, 영화관, 게임센터, 리조트, 선수휴게실, 호텔, 축구장, 씨름장

7. 결론
마이너스응용기술은 많은 기대가 담겨진 미래기술이다. 그 응용분야는 확실히 확대되고 있다. 그것은 확실한 근거와 증거를 주장하는 지금의 과학적인 방법만으로는 검증하기 어렵다. 미답과학이 가진 불가사의한 매력이 있기 때문이다. 사실, 음이온 탑재기의 사용감, 편리성, 쾌적성 등 실제로 사용한 사람들의 체험이 그 시장수요를 환기하고 있으며, 바로 이점이 음이온인기의 배경이 되고 있다. 상품이 판매되면 그것만으로 그만이라는 것이 아니라, 역시 제품화에 이르기 위해서는 개발 필연성을 가미한 이론적 수단이 강구되어야 한다.
향후 가장 큰 문제가 되는 것은 중소기업이 가진 혁신적인 주변기술의 이노베이션이 급선무이다. 원래 오늘날 음이온상품개발의 기초가 된 것은 중소기업의 기술이다.
예를 들면, 이온발생 기계화, 전기회로소자, 광석의 물리·전기특성, 분쇄기술, 세라믹화, 물 처리 등등. 중소·영세기업의 경영자, 기술자가 주류상품의 그늘에서, 누구에게도 이해시키지 못하고 한걸음 한걸음 꾸준히 정열을 가지고 주력해 왔다는 상품사례가 많다.
신기술전략으로서 음이온응용과학이 건전한 시장을 형성해 가기 위해서는 이온의 기본적인 작용기서의 해명과 체계화, 특성평가, 그리고 일본의 90%를 차지하는 중소기업의 지혜와 기술을 살리는 유닉크한 상품화와 산업의 활성화가 필요하다. 이를 위해서도 향후, 자금력이나 개발력에 있어서 산관학(産官學)일체의 지원체제가 필요하다. 

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