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영하로 떨어지는 기온은 우리를 움츠리게 하고 사람들은 난방기구 옆으로 모이게 마련이다. 기온이 저하되면 우리 몸이 열을 밖으로 발산하게 되어 신체는 도망가는 열을 지키거나 보충하기 위해 다른 열원을 찾아야 하기 때문이다. 요즘 일상생활에서 가장 흔히 사용하는 난방기구로 히터를 꼽을 수 있는데, 그 원리에 대해 아는 사람은 많지 않다. 우리가 무심코 지나쳤던 히터에는 어떤 원리와 종류가 있는지 한번 알아보도록 하자.

히터의 원리를 이해하기 위해서는 열의 이동에 대해 간단한 기본 지식이 필요하다. 열이 이동하는 방식은 크게 세 가지이다. 열전도, 대류, 복사가 그것이다. 열전도는 가열된 금속에서 흔히 볼 수 있다. 뜨거운 커피에 차가운 수저를 담그면 반대편 끝까지 달아오르는 것이 전도 현상의 예이다. 하지만 열전도 자체는 곧바로 난방에 이용하기에 적합하지 않다.

대류는 주로 기체나 액체에서 열이 이동하는 방식이다. 기체와 액체처럼 분자운동이 활발한 물질은 열을 받을 경우 운동이 더욱 거세지면서 부피가 팽창한다. 질량의 변화 없이 부피가 늘어나면 결국 단위부피당 질량이 줄어들면서 가벼워진다. 그리고 부력을 얻는다. 위로 올라간 기체 (또는 액체)는 상승하다가 열원으로부터 멀어지면서 뜨는 힘을 상실하고 아래로 떨어진다. 이 과정에서 얻은 열을 주변에 전달하는 현상이 대류이다. 대류는 전통적인 난방 방법이다. 한복판에 놓고 방 전체를 데우는 난로나, 금속관에 뜨거운 물 또는 증기를 통과시켜서 대류열을 만드는 이른바 스팀이 대류 현상을 이용하고 있다. 대류 현상은 실내 전체의 온도를 높이는 효과가 있는 반면 효과를 얻기까지 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다.

히터는 열전달의 면에서 볼 때 인류가 가장 오랫동안 열의 혜택을 받아왔던 태양과 기본적으로는 같다. 즉 열복사 현상을 이용한다. 절대 영도보다 온도가 높은 모든 물체는 외부로 전자기파를 발산한다. 이 전자기파를 받은 물체는 그 에너지의 일부를 얻는다. 이것이 복사이다. 앞서 언급한 난로도 대류 현상만을 이용하는 것은 아니다. 난로 가까이에 손을 대보면 아직 실내가 추워도 열을 느낄 수 있는데 이것 역시 열복사의 결과이다. 히터는 열복사의 효율을 최대한 높이기 위해 특별히 고안된 난방장치이다.

히터는 전자기파 중 적외선을 인공적으로 발생시켜 가열 대상에게 쏘아 보내는 장치라고 보면 된다. 가시광선을 분해해보면 빨간색에서 보라색까지 걸친 스펙트럼을 볼 수 있는데 빨간색에 가까울수록 파장이 길다. 적외선은 한자어의 뜻 그대로 빨강보다 더 파장이 긴 전자기파를 말한다. 가시광선의 영역을 벗어나므로 눈에 보이지는 않지만 열을 그만큼 잘 전달한다. 적외선 중에서 파장이 짧은 것을 근적외선, 긴 것을 원적외선으로 구분하고 있다. 전자기파는 파장이 길면 흡수가 잘 되는 성질이 있다. 따라서 적외선은 열전달 능력이 뛰어나며 이 원리를 히터에서 그대로 이용한다. 전기 히터의 뒷면에 반사판이 달려있는 것도 복사되는 적외선을 한 방향으로 집중시켜 난방 효율을 높이기 위해서이다.

시중에 판매되고 있는 히터들은 동일하게 전기를 에너지원으로 사용하면서도 종류가 다양하다. 이 중 할로겐램프 히터, 석영관 히터는 전기에너지를 받아 가열되면서 적외선을 발사하는 발열 방식의 종류에 따른 구분이다. 기본적으로 전열기구들은 특정 도체의 물성을 활용한다. 즉 이상적인 초전도체가 아니라면 전기회로상에서 도체는 저항을 가질 수밖에 없는데, 손실되는 전류는 곧 에너지의 형태로 변환된다. 빛을 강하게 발하는 물질은 조명기구에, 열의 비중이 높은 물질은 전열기에 사용하는 것이다. 난방이 목적인 히터의 경우 당연히 유입된 전기 에너지에 비해 더 강한 적외선을 내뿜는 물질을 사용한다. 하지만 효율과 동시에 내구성을 고려하지 않을 수 없으므로 그에 맞는 적절한 조치가 필요하다.

할로겐램프 히터는 필라멘트의 수명과 효율을 높이기 위해 전구 안에 할로겐 기체를 채운 램프를 이용한다. 석영관 히터는 석영관 안에 전열선을 통과시키는 형태이다. 석영관이란 무수규산의 순도를 높인 제품으로, 고온에서 내구성이 강하고 열팽창성이 작으며 적외선의 투과성이 높다. 일반적으로 할로겐램프 히터는 전원을 넣고 열이 나오기까지 걸리는 시간이 짧으며 전력 소모가 상대적으로 적은 편이다. 대신 초기 구입비용이 석영관 히터에 비해 높다. 석영관 히터는 가격이 약간 낮은 대신 전력 소모가 많은데, 어디까지나 기본적인 수준의 비교이므로 제품을 구입할 때는 특성을 꼼꼼히 살펴보는 것이 좋다.

그 외에 원적외선, 근적외선 히터라는 구분도 있다. 이런 특성을 강조하는 제품들의 경우 치료 기능까지 있다고 선전하는 경우가 많은데 단순히 ‘원적외선’이라는 단어 하나만으로 의료 효과가 확실하다고 믿는 것은 자중하는 편이 좋겠다. 물론 원적외선과 근적외선 사이에 상식적인 차이는 있다. 앞서 말한 바와 같이 전자기파는 일반적으로 파장이 길수록 침투력이 강하다. 따라서 원적외선은 물체의 표면뿐 아니라 내부까지 침투할 수 있다. 하지만 발열체의 온도는 근적외선이 높고, 따라서 더 많은 열을 전달한다. 그러나 전기제품이라는 것은 부분적인 개선에 따라 효율이 크게 차이 나므로 본인이 중점을 두는 히터의 용도를 염두에 두고 제품을 고르는 편이 좋다.

전기 히터는 빠른 난방 효과라는 장점이 있지만 구매 시 그만큼 고려해야 할 점도 많다. 히터가 실내 공기를 빠르게 건조시킨다는 점은 잘 알려졌으니 겨울철 건강과 직결되는 습도에 신경을 써야 할 것이다. 또한 모든 전열기구가 가지는 위험성, 즉 화재 예방도 잊으면 안 된다. 비정상적으로 과열될 경우의 대비책은 있는지, 히터가 넘어졌을 경우 어떤 차단장치가 돼 있는지 등은 반드시 따져봐야 할 요소이다. 근래의 제품들은 회전기능이나 송풍기능을 첨가하기도 하므로 편의성도 무시할 수는 없을 것이다.

차가운 겨울을 난방기구 없이 지내기는 어렵다. 소규모 인원이라면 역시 히터가 제격이다. 지혜롭게 고른 히터로 추위를 이기고 건강하게 겨울을 보내는 것은 어떨까.

글 : 김창규 과학칼럼니스트