열역학과 난연 내열

제품 개발할 때 열역학을 고려해야 한다면 난연 과 내열 개념을 꼭 필요합니다.

우리 주변에서 흔히 볼 수 있고 사용하는 제품이라면 열역학적 고려가 필요합니다.

왜냐하면 대부분 제품들은 전기로 구동을 합니다. 전기를 에너지로 사용한다는 의미입니다.

전기 자체를 변환하지 않고 사용할 수는 없습니다. 전기 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환해서 사용을 하게 됩니다. 그렇다면 부수적으로 열이 발생할 수밖에 없습니다. 에너지 변환해서 백 퍼센트 효율을 가질 수 없기 때문입니다. 의도하지 않은 열이 발생하는 것은 자연스러운 현상입니다. 오히려 백 퍼센트 전환 효율을 갖는 것이 비정상적인 일입니다. 에너지 변환해서 열이 발생하는 간단한 원리를 설명드리겠습니다. 고등학교 때 물리를 기억하신다면 간단한 계산도 가능합니다. 어떤 물체가 특정 높이에 위치해 있다고 한다면 위치 에너지를 갖고 있는 것입니다. 그 물체가 바닥 이동한다면 위치 에너지가 높이만큼 감소된 것입니다. 그렇다면 감소된 위치 에너지는 어떻게 될까요? 운동 에너지로 변환되었다고 볼 수 있습니다. 그렇다면 미끄럼틀이 있다고 가정하겠습니다. 일정 높이를 가진 미끄럼틀에서 공을 굴린다고 가정하겠습니다. 그렇다면 초기에는 높이만큼의 위치 에너지를 가지고 있습니다. 높이에 따른 위치 에너지를 구할 수 있습니다. 그 공이 미끄럼틀을 타고 내려와서 가장 낮은 위치로 이동했다고 가정하겠습니다. 그러면 위치 에너지는 사라졌습니다. 공이 특정 속도로 이동하고 있을 겁니다. 이 속도로 운동 에너지를 계산할 수 있습니다. 그렇다면 위치 에너지는 모두 사라지고 운동 에너지만 남아 있습니다. 운동 에너지를 계산했습니다. 그렇다면 열역학 제1법칙 에너지 보존 법칙에 의해서 초기 위치 에너지 값과 마지막에 운동 에너지 값은 동일해야 합니다. 이론적인 이야기입니다. 하지만 실제에서는 그럴까요? 그렇지 않습니다. 왜냐하면 에너지가 변환되는 과정에서 부수적인 에너지 소모가 있었습니다. 예를 들면 미끄럼틀을 타고 내려오면서 공은 바닥면과 마찰을 일으켰습니다. 그 마찰로 인해 열이 발생하였습니다. 따라서 그 마찰열과 운동 에너지를 더한 값이 위치 에너지가 되는 것입니다. 이렇듯 에너지 변환 과정에서 주변 환경과 다른 요인들로 인해서 열이 발생하게 됩니다. 이러한 열들이 에너지 변환율을 백퍼센트로 만들지 못하는 요인들입니다. 그렇다면 이렇게 부수적인 발열이 많이 일어나거나 제품 자체에 열을 이용해야 하는 제품이 있다고 가정하겠습니다. 그 제품들은 열역학적 고려가 필요합니다. 그런 제품들은 반드시 난연 과 내열 개념을 가지고 설계를 해야 합니다. 난연 과 내열 개념에 대해서 먼저 설명드리겠습니다. 난연은 어려울 난에 탈 연이라는 뜻입니다. 즉 타기 어렵다는 의미입니다. 타기 위해 세 가지 조건이 필요합니다. 일정 정도 이상의 온도와 탈 것 그리고 공기입니다. 열이 많이 나는 제품은 일정 정도 이상의 온도는 갖추었을 것입니다. 공기도 당연히 존재하고 있습니다. 탈 것은 발열부 주변 부품들이 모두 탈 것이 될 수 있습니다. 하지만 이 부품이 잘 타지 않는 부품이라면 불이 날 가능성을 줄여줍니다. 따라서 제품 개발 과정에서 발열부 주변에 난연 부품을 설계해야 할 수 있습니다. 이것은 제품 개발을 오랫동안 한 회사라면 회사에 노하우가 쌓여 있을 겁니다. 그래서 선배들의 조언을 받아서 난연 부품을 설계하면 됩니다. 몰드라고 불리는 플라스틱을 설계할 때는 난연 플라스틱이 있습니다. 그 플라스틱을 이용해서 설계하시면 됩니다. 플라스틱 종류를 마음대로 선택하시면 안 되고 회사 내부 규정 혹은 특정 등급 이상의 플라스틱을 사용하셔야 합니다. 플라스틱에는 난연 등급이 있습니다. 그 기준을 제시하는 곳이 어디인지 어떤 등급이 있는지는 나중에 별도 포스팅으로 작성하겠습니다. 이렇게 난연 등급을 충족하는 부품으로 주변을 설계했다고 가정하겠습니다. 특정 부위는 내열 부품을 써야 할 수도 있습니다. 내열은 견딜 내 더울 열로 구성되어 있습니다. 즉 열을 견딘다는 의미입니다. 어떻게 보면 난연 과 비슷하다고 생각하실 수 있는데 열과 관련된 것은 맞지만 같은 개념은 아닙니다. 내열은 뜨거운 열에서도 형태 변형이 없이 버틸 수 있는 것을 의미합니다. 내열은 높은 온도가 매우 높아서 웬만한 온도에서는 변형이 일어나면 안 됩니다. 높은 온도 환경에서 동작하는 부품이 이 내열성을 가지고 있어야 합니다. 물론 부품에 따라 난연 과 내열을 모두 충족시켜야 하는 경우도 있습니다. 그럴 경우에는 난연 과 내열을 충족시키는 재료를 사용하시면 됩니다. 사실 난연 과 내열 개념을 고려한다는 것 자체가 소비자가 사용할 때 굉장히 높은 온도에 노출될 수 있다는 의미입니다. 따라서 신중한 제품 개발이 필요합니다. 열 관련으로 실사용 조건에서 큰 문제를 발생할 수 있기 때문입니다. 사실 작은 문제라고 한다면 제대로 동작하지 않는 문제일 것입니다. 이것은 소비자가 불만을 제기하고 환불 아니면 제품 교체로 끝날 수 있습니다. 하지만 불이 난다면 이것은 그냥 지나갈 수 있는 문제가 아닙니다. 회사, 제품 이미지에 큰 해를 입힐 수 있습니다. 사실 이것은 부수적인 것이라고 할 수 있습니다. 인명 피해가 발생한다면 정말로 돌이킬 수 없습니다. 우리가 쉽게 접하고 편하게 사용하는 전기가 큰 문제를 만들 수 있는 것이죠. 따라서 제품 개발하는 엔지니어들은 항상 이 점을 명심해서 주의해야 합니다. 이런 점들을 고려해서 좋은 제품 편리한 제품 훌륭한 제품들이 많이 만들어졌으면 합니다.