가습기의 원리 - 건조한 공기에 수분을

우리 주변 공기의 습도를 적당하게(55~60%)로 유지하는 것은 의식하지는 못하지만, 우리가 마시는 물 만큼이나 중요하다. 적당한 습도는 호흡기 질환을 예방하거나 치료하는 데 도움이 될 수 있으며 쾌적한 실내 환경도 만들 수 있기 때문이다. 그래서 겨울철처럼 건조한 계절이나 다른 요인으로 인해 적절한 습도가 필요할 때 인위적으로 원하는 습도를 유지시키는 기구가 가습기 이다. 가습기는 전기에 의해 물을 입자화하거나 혹은 수증기로 만들어 실내로 뿜어내는 장치이다. 가습기의 종류에는 ‘가열식’과 ‘초음파 방식’, 그리고 이 두 가지 방식이 합쳐진 ‘복합식’과 ‘원심분무식(흡입한 물을 원심력으로 날려 스크린에 부딪히게 해 작은 입자로 쪼개서 내 보내는 방식)’, ‘필터기화식(젖은 필터로 공기가 통하게 하여 물을 증발시켜 습기를 만드는 방식)’ 등이 있다. 가열식 가습기

물을 가열하면 김이 나오게 되고 자연히 방안에 습도가 높아지게 되는데, 이러한 원리를 이용한 것이 가열식 가습기이다. 전기 커피포트처럼 가습기 안에서 히터나 전극봉으로 물을 가열시켜 증기를 발생시키고 그것을 강제적으로 방안에 내뿜는 것이다. 이렇게 뿜어져 나온 증기가 방안의 찬 공기를 만나면 수증기가 응결되어 하얗게 보이게 된다. 뜨거운 물에서 나오는 김은, 이론적으로는 증류수이기 때문에 중금속 등이 섞여 있지 않아 깨끗하다는 장점이 있다. 그러나 물을 끓이기 때문에 세균살균효과는 우수하지만, 뜨거운 증기로 인해 유아들이 화상을 입을 가능성이 있다. 또한 수증기 발생량이 적어 충분한 가습이 이루어지지 않을 수 있으며 전력 소모가 많아 경제적 부담이 존재한다는 단점이 있다. 초음파 방식 가습기 초음파란 사람이 귀로 들을 수 있는 소리의 주파수 범위(20~20,000 Hz)보다 높은 주파수를 뜻하는데, 사람이 들을 수 없으며 소리의 성질도 가지고 있지만 전파나 빛의 성질도 가지고 있어 여러 가지 용도에 사용되고 있다. 초음파 방식 가습기도 이런 초음파를 이용하여 물을 안개처럼 만든 후, 작은 팬으로 방안에 불어 보내는 것이다.

초음파를 이용해 수증기를 공급하는 초음파 가습기. <출처: wikipedia>

가습기의 구조를 보면 진동판은 물의 바닥면에 설치되어 있는데 그 뒷면에는 초음파 진동자 (압전세라믹)가 붙어 있다. 초음파 진동자는 전류가 흐르면 형상이 변하는 물질로서 재료에 따라 그 진동수가 다르지만, 세라믹형은 보통 0.3~25MHz 정도(1초에 30만~2500만 번 진동)이다. 그런데 이 재료에 교류전류가 흐르면 주파수에 따라 진동자의 크기가 변하고 여기에 붙어있는 진동판이 따라서 진동하게 된다. 그 진동에 의해 초음파가 발생하고 물에 진동을 일으킨다. 가습기는 전자레인지와 달리 물 분자에 진동을 일으키는 것이 아니라 물 분자의 덩어리에 진동을 일으킨다. 이 초음파 진동자에 전원을 공급해주면 진동자가 물 밑바닥부터 진동을 일으킨다. 그렇게 되면 물속의 물 분자들이 서로 부딪히면서 분자들 사이에 진동을 전하고 그 진동이 물의 표면까지 닿으면, 물 표면에 있던 물 입자들이 미세한 알갱이 상태로 물표면 위로 튀어나온다. 이렇게 해서 발생한 작은 물방울들은 가습기내의 송풍기에서 나오는 바람을 따라서 관을 타고 밖으로 나오게 되는 것이다. 이런 방식으로는 물을 끓이지 않고도 실내를 가습시켜 줄 수가 있다. 이것이 초음파 가습기의 원리다.

전자회로에서 만들어진 초음파 신호를 특수한 초음파 진동자(압전 세라믹스 등)에 가하면 
주파수에 따라 진동자구성 물질의 길이가 달라지면서 진동하고 그에 따라 초음파가 발생한다.

초음파 가습기는 물을 가열하지 않으므로 뜨겁지 않아 화상을 입을 염려는 없지만 실내에서 기화되기 때문에 기화열에 의한 주변 온도 강하현상이 나타난다. 또한 물 속에 들어 있던 세균이 살균되지 않은 채로 습기와 함께 방안으로 분출되기도 하며 중금속이나 염소 같은 것도 분출되어 가구나 전자제품, 벽 등을 더럽히는 백화현상을 일으키기도 한다. 그래서 초음파 가습기 안에는 자외선 살균기와 정수 장치가 들어 있다. 가습기 사용 시에는 물을 매일 갈아주고 가능하면 끓였다 식힌 물을 사용하는 것이 좋다. 그리고 정수 필터도 청소해주어야 하는 번거로움이 있다. 그러나 이러한 여러 단점에도 불구하고 초음파가습기는 낮은 전력(약 45W) 소모로 운영비가 적게 들고 가습량은 가열식 가습기에 비해 풍부하다는 장점이 있다. 복합식 가습기 히터 가열방식의 장점인 살균기능과 초음파식의 여러 장점을 고루 이용한 방식이 복합식 가습기이다. 이 가습기의 핵심기술은 물의 표면 장력이 물의 온도가 상승함에 따라 약해지는 원리를 이용해서 가습량을 증가시키는 것이다. 데워진 물은 상온의 물에 비해 표면장력이 감소하기 때문에 물 입자들이 훨씬 쉽게 쪼개질 수 있다. 이런 원리를 이용해 기존의 가습기보다 최소 50%에서 최대 100% 이상의 가습량 향상을 얻을 수 있어 습도를 빠른 시간 내에 조절할 수 있을 뿐 아니라 여러 단계의 가습 조절양식을 설치할 수 있어 사용자들이  편리하게 원하는 습도를 유지할 수 있다. 또한 물을 섭씨 75∼80℃로 데운 후 초음파(1.525~1.74MHz)로 가습하도록 되어 있어 미생물 및 중 저온성 세균을 없애주며 가습기 내부의 불순물 침전도 적다. 분사되는 습기 온도도 섭씨 35℃ 정도로 체온과 비슷하기 때문에 화상의 위험이 없을 뿐 아니라 실내의 온도를 따뜻하게 유지시켜 주는 등 여러 가지 장점이 있다.

가습기 구조

참고문헌: 세드리크 레이·장클로드 푸아자, [일상속의 물리학], (에코리브르, 2009); 이정우, [가정생활기기론], (수학사, 1998); 이일수, [첨단 물리의 응용], (경북대출판부, 2003)