[테마특강] 전기 가습 기술

사람이 생활하기 위해선 온도, 습도, 풍토 등 여러가지 환경조건이 알맞아야 한다. 우리나라 환경은 여름에 습도가 높고 후텁지근하며 겨울에는 춥고 습도가 낮다. 따라서 추울 때 난방하는 것과 마찬가지로 습기가 모자라 건조할 때엔 가습하여 적당한 습도를 유지시켜 주어야 쾌적한 생활을 할 수 있다.

일반적으로 상대습도가 60% 정도일 때 가장 생활하기 좋다. 여름 장마철의 경우 상대습도가 70∼90%까지 올라가 실내가 덥고 누기가 차서 불편함을 느끼고 불쾌 지수가 올라간다. 반대로 겨울철에는 대기온도가 떨어지고 습기도 내려가 감기의 원인이 되는등 생활에 불편함을 느끼게 된다. 이때 생활공간에 습기를 보충하여 주는 것이 가습기이다.

70년대 이전 가습기는 주로 히터 가열방식이었다. 히터 가열방식은 물을 주전자에 넣어 끓이면 수증기가 발생해 습기가 배출되는 것과 같이 전기 히터를 설치, 물을 끓여 실내의 습기를 보충해 주는 것이다. 히터 가열방식에서 분무되는 습기는 눈에 보이지 않을 정도이고 습기가 뜨겁기 때문에 습기 분출구에 인체가 닿으면 화상의 우려가 있다. 뿐만 아니라 가습기는 주로 습도가 낮은 겨울철에는 하루 종일 동작시키기 때문에 물을 전기적 히터로 완전히 끓여서 분무하는 히터 가열방식은 운영비가 매우 높다.

초음파식이 보급되면서 요즘 가정용으로 판매되고 있는 가습기가 초음파 가습기다. 최근 유통되고 있는 가습기의 대부분은 초음파식과 히터 가열방식이 주류를 이루고 있다.

음파는 크게 가청음파, 초음파, 초저주파 등 세가지로 구분된다. 가청 음파는 사람이 들을 수 있는 음으로 주파수 20∼2만 사이의 음이다. 2만보다 높아 사람의 귀에 들리지 않는 음을 초음파(Ultrasonic)라고 부른다. 최근 산업의 다방면에서 초음파 기술이 활용되고 있는데 초음파 가습기는 초음파를 이용해 물을 진동시켜 발생한 작은 습기 알갱이를 송풍기로 불어 배출하는 장치이다.

초음파 가습방식은 약 45W로 동작되기 때문에 운영비가 낮고 여러 가지 장점이 있으나 가장 큰 단점은 살균력이 없어 감기 등을 유발하는 미생물이 습기 알갱이와 함께 실내로 분무되어 병실이나 노약자의 생활공간에는 적합하지 않다. 특히 수중의 불순물(, ) 성분이 침전되지 않고 배출되어 가구나 오디오 등 전자제품, 벽 등을 더럽히는 백화현상을 일으키기도 한다. 또 습기가 배출되어 실내에서 기화되기 때문에 기화열에 의한 주변 온도 강화현상이 나타난다.

최근 초음파 가습기의 장점을 살리면서 히터를 이용하여 살균력을 보강한 초음파 히터 가습방식이 채용한 가습기가 등장했다. 초음파 히터 가습방식은 히터 가열방식의 장점인 살균기능과 초음파식의 여러 장점을 골고루 수용한 방식이다. 무엇보다 수온이 증가함에 따라 가습량이 증가하는 원리를 이용해 기존의 가습기보다 최소 50%에서 최대 1백% 이상의 가습량 향상을 얻을 수 있어 단시간내 실내를 희망하는 습도로 유지할 수 있는 게 특징이다. 또 분사되는 습기 온도가 섭씨 35도 정도로 체온과 비슷하기 때문에 화상의 위험이 없을 뿐 아니라 실내의 온도를 따뜻하게 유지시켜 준다. 이와함께 물을 섭씨 75∼80도로 데운후 초음파로 가습하도록 설계돼 미생물 및 중저온성 세균을 없애주며 가습기 내부의 불순물 침전이 적다.

가습기는 습기를 만들어 내는 방식에 따라 여러가지로 분류된다. 우리가 일상 생활에서 가장 쉽게 생각할 수 있는 것이 히터 가열 가습방식이다. 이것은 물을 끓어서 기화시키는 방식이다. 또 물을 흡입한 후 원심력으로 날려 스크린에 부딪히게 하여 안개 크기 정도로 세분시켜 내보내는 원심 분리방식이 있다.

요사이 가정에 크게 보급된 것은 초음파식은 압전 현상을 이용한 것이다. 압전 현상이란 어떤 물질에 전압을 가하면 그것에 뒤틀리는 현상을 말한다. 따라서 교류전압을 가하면 그 주파수만큼 반복 뒤틀림 현상이 생긴다.

초음파 발생 진동자는 1.63로 진동한다. 즉 1초 동안에 1백63만번 상하 진동하기 때문에 물이 조그마한 미립자로 분해되고 분해된 물 미립자가 서로 부딪히면서 뽀얀 안개 모양이 되어 공중으로 뿜어나오게 된다.

초음파 히터 가습기는 초음파 가습기와 히터 가습기의 장점만을 결합시킨 형태로 이 가습기의 핵심기술은 물의 표면 장력이 물의 온도가 상승함에 따라 낮아지는 원리를 이용한 것이다. 다시말해 데워진 물은 표면장력 감소로 물입자들이 분리될 때 상온의 물이 분해 되는 것보다 훨씬 쉽게 쪼개질 수 있다. 따라서 기존 초음파 가습기 보다 더 많은 습기를 외부로 배출시킬 수 있으므로 빠른 시간 내에 실내의 습도를 희망하고자 하는 습도로 유지가 가능할 뿐 아니라 부수적으로 물을 가열함으로써 살균효과를 동시에 얻을 수 있는 가습기이다.

초음파 히터 가습기의 동작 원리를 보면 물통의 물이 열려진 밸브와 물 유입구를 통과하여 유로를 지나 살균조로 유입된다. 살균조에 유입된 물은 히터에 의해 섭씨 75도 정도로 가열되어 살균과정을 거친다.

물에 함유되어 있는 세균은 호냉성균, 저온성균, 중온성균, 고온성균 등 4가지로 구분된다. 이들 미생물은 최적 증식 온도를 벗어남에 따라 증식 속도는 저하되고 특히 고온도측에서는 그 저하가 급격히 일어나는 경향이 있다. 중온성 세균과 저온성 세균은 각각 30도와 50도 이상에서는 증식 시간이 거의 무한대에 가깝기 때문에 증식이 불가능하다. 따라서 초음파 히터 방식에서 물이 살균조내로 유입되면서 호냉성균, 저온성균, 중온성균은 모두 살균된다.

살균조에 의해 살균된 물은 초음파 가습조로 공급되어 초음파 진동자에 의해 분무된다. 이때 송풍기를 통해 송풍구에서 나오는 30도의 바람과 분무되는 40∼50도의 물입자가 혼합되는 35도 정도의 습기 알갱이들이 바람에 의해 강제적으로 습기 배출구로 빠져나간다.

초음파 히터 가습기는 가습조의 물의 온도가 초음파 가습기의 가습조의 물의 온도보다 20도 이상 높기 때문에 물의 표면장력 감소에 의해 가습량이 초음파 가습기에 비해 50% 이상 증가하여 시간당 6백의 습기를 실내로 배출할 수 있다.

초음파 히터 가습기에서 높은 가습량은 실내의 습도를 빠른 시간 내에 조절할 수 있을 뿐 아니라 여러 단계의 가습 조절모드(Mode)를 채용할 수 있어 사용자들이 매우 편리하게 생활 공간을 원하는 습도로 맞추어 쾌적한 생활을 할 수 있다.

가습기의 가장 핵심이 되는 부분은 가습부로 콜피츠 발진 회로를 구성하여 진동자를 1.63 진동시켜 가습한다. 따라서 여기에 부과되는 요소들은 대부분 부수 장치이다. 살균 목적인 히터 구동부와 자동 제어수단의 기능을 갖추도록 하는 습도 센서부와 가습부에서 무화되어진 작은 물방울을 공기 중으로 배출하도록 하는 모터 구동부로 구성되고, 모든 현상을 볼 수 있도록 하는 표시부로 구성되어 진다.

AC 전원 2백20V/60를 인가하게 되면 제어부은 이때부터 활동(Active) 상태로 존재하게 된다. 이때 전원 켜면 제어부는 갈수 상태, 즉 가습시킬 물이 존재하는지 파악하여 가습을 할 것인지를 결정하게 된다. 갈수 상태 확인 후 제어부는 현재 습도와 희망습도(설정 습도)를 비교하여 현재습도<희망습도인 상태를 인식, 다시 말해 주변의 습도가 낮은 상태가 되면 비로소 가습을 실시하게 된다.

현재 시중에 판매되고 있는 가습기들이 대부분 퍼지형이라고 하지만 기본 원리는 현재 습도와 희망 습도를 단순히 비교하여 가습하는 방식을 취하는 것이 대부분이다. 따라서 엄밀히 말해 퍼지 방식이라기보다는 자동 제어쪽이 가까울 것이다.

일반적으로 퍼지라 함은 주변환경에 스스로 반응하여 가습 방식을 선택하여야 진정한 퍼지라고 할 수 있다. 즉 가습하는 장소의 크기 (평수)와 주변 습도상태 등에 따라 스스로 반응하여 가습의 강, 약을 조절하는 것이 되야 퍼지 가습이라 할 수 있다. 최근 초음파 히터 가습기는 실내의 주거 평수를 2∼6평까지 가습 공간을 설정하고 그 면적에 따라 습도를 고정밀 IC회로가 자동으로 감지하여 최적의 습도를 유지시켜 주는 퍼지형 가습방식이다. 또한 취침시 과다한 가습량과 실내의 온도 저하를 방지해주는 취침 가습기능과 가습량이 크기 때문에 최대로 6 단계 가습량 제어기능(약, 중, 강, 터보, 퍼지, 취침)이 있다.

현재의 가습기는 송풍기의 소음뿐 아니라 히터 가습기에서는 물이 끓는 소리, 초음파 가습기에서는 초음파 진동자에 의해 물 알갱이들이 튀는 소리와 무거운 물 입자가 다시 떨어지는 낙수음 때문에 거의 25∼30 정도의 소음이 발생해 신경이 예민한 사람은 숙면에 방해가 될 수 있다. 소리 없는 가습기를 만들기 위해서는 소음 방지 대책을 더 연구하여 적용해야 할 것이다.

무엇보다도 가습기는 습기를 실내에 보충시켜 주는 기기이므로 위생적이어야 한다. 이를 위해서는 정수기 물이나 증류수로 가습하는 것이 가장 이상적이지만 정수된 물이나 증류수를 사용하기 위해서는 매우 번거롭고 불편하여 대부분 사용자들은 수돗물을 이용하거나 지하수를 이용한다. 따라서 가습기 내의 물을 가습시키지 않은 상태에서 오래 동안 방치하였을 경우 가습기 내에서 미생물이 번식하거나 물 속의 불순물들이 침전하여 가습기 내부를 오염시킬 우려가 있다. 오염된 물에서 발생되어진 습기 알갱이가 실내로 배출되어 사람의 호흡기로 들어가면 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있으므로 사용자들은 항상 청결하게 가습기를 사용할 수 있도록 주기적인 청소를 할 필요가 있다. 가습기 연구분야에서는 스케일 방지 기술과 미생물 번식 억제 기술뿐 아니라 진동자 불량등 기본적인 연구를 계속적으로 추진해야 할 것이다.

林茂生

1973년 2월 한양대 공대 기계공학과 졸업

1978년 11월 수출진흥 발전과 수출시장 개척 유공자대통령 표창.

1992년 4월 과학기술진흥과 산업발전 유공자-석탑산업훈장.

1994년 6월 서울대 공대 최고 산업전략과정 수료

현재 대우전자(주) 생활가전사업부 이사

주요저서: 「플라스틱 제품설계」 기전연구사(1990), 「플라스틱 사출가공과 금형」 기전연구사(1990), 「CAE & CAD & CAM」, 기전연구사(1991), 「프레스 부품설계」 기전연구사(1993), 「한국적 슬기가 세계를 이긴다」 신구미디어(1993)