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쌀쌀해진 날씨, 적외선 무릎 워머로 훈훈하게

베뉴와 셀토스에 적용된 적외선 무릎 워머(온열장치)에는 난방용 신소재로 떠오르고 있는 탄소섬유 발열체가 국내 최초로 적용됐다. 간접 난방으로 보다 쾌적한 실내 환경을 조성하는 무릎 워머에 담긴 기술을 살펴봤다.

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적외선 무릎 워머는 간접 난방 방식으로, 운전자의 하반신에 온기를 전달한다

따뜻한 공기는 위로 올라가고 차가운 공기는 아래로 낮게 깔린다는 것은 과학적 상식이다. 이런 현상은 겨울철 자동차 실내 난방 환경을 까다롭게 만든다. 기본적인 공조장치를 통한 난방은 효과가 높지만 공기를 건조하게 만든다는 단점이 있다. 최근 현대·기아차가 이런 문제를 해결하는데 도움을 주는 신개념 난방 장치를 선보였다. 바로 베뉴와 셀토스에 세계 최초로 장착된 적외선 무릎 워머다.


적외선 무릎 워머 기술의 핵심은 발열체를 탄소섬유로 사용한 것이다. 탄소섬유 발열체는 열전도율이 우수하고 열용량(어떤 물질의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량)이 낮아 난방 효율이 높다. 현대·기아차는 적외선 무릎 워머의 구조와 제어방식에 대해 국내를 비롯한 미국, 중국, 독일에 특허를 출원했다. 이 기술을 개발한 통합열관리리서치랩 소속 정소라 책임연구원을 만나 개발 배경과 기술 원리에 대해 이야기를 들어봤다.

정소라 책임연구원은 실내의 습도를 유지하면서 탑승객의 하반신을 효과적으로 따뜻하게 만들기 위해 새로운 장치의 적용이 필요했다고 말한다

Q. 적외선 무릎 워머의 개발 배경에 대해 설명 부탁드립니다.


기존의 공기 가열식 히터만으로는 하체 보온력이 미흡하다는 소비자 의견이 꾸준히 제기되어 왔습니다. 또한 난방 효과가 더디게 나타난다는 문제도 있었고요. 우리나라도 그렇지만 특히 러시아와 같은 추운 국가에서 새로운 난방 장치에 대한 요구가 컸습니다. 춥고 눈이 많이 내리는 날씨 탓에 발이 항상 젖어 있기 때문이죠. 물론 차에는 발 쪽으로 송풍구가 있어 히터를 작동하면 따뜻한 바람이 아래로 나오기는 합니다. 하지만 뜨거운 공기가 위로 올라가는 성질 때문에 보온력이 지속되지 못하죠.


이 문제를 해결하기 위해선 근본적으로 다른 난방 방식이 필요했습니다. 후보로 제시되었던 것 중 하나가 바로 복사열을 활용한 워머였습니다. 하지만 기존의 난방 시스템을 활용하는 것이 아닌, 장비를 추가로 장착해야 하는 탓에 제조 원가가 높아진다는 문제점이 있었습니다. 고온으로 발열하는 원리라서 이에 적합한 소재 탐색과 개발도 필요했죠. 이런 문제점들을 하나하나 해결해 나가면서 적외선 무릎 워머 양산에 이르렀습니다. 현재 적외선 무릎 워머는 현대차 베뉴와 기아차 셀토스에 적용됐는데요, 소비자 반응을 꾸준히 참고해 향후 적용 모델을 넓혀나갈 예정입니다.

적외선 무릎 워머를 작동하면 2분 30초 만에 훈훈한 온기를 느낄 수 있다

Q. 적외선 무릎 워머의 난방 효과는 어떤가요?


외기 온도 0℃를 기준으로 난방 효과를 테스트해봤는데, 기존의 공조장치만 작동했을 때의 초기 무릎 부위 온도는 23℃였습니다. 워머를 작동하지 않으면 무릎 온도는 15분이 경과해도 25℃ 이상으로 올라가지 않았고요. 반면 워머를 켜면 2분 30초 만에 무릎 온도가 35℃까지 상승했습니다(워머와 무릎 간의 거리 6cm 기준). 사람마다 조금씩 다르지만, 일반적으로 34℃ 이상이면 온열감을 느끼기 때문에 충분한 난방 효과를 누릴 수 있습니다. 구조상 실내 공기를 건조하게 하지 않기 때문에 특히 피부에 민감한 여성들과 감기에 걸리기 쉬운 유아에게 도움이 될 것 같다는 생각을 했습니다.



Q. 난방 효과 대비 전력 효율은 어느 정도인가요?


적외선 워머를 적용했을 때 가장 기대가 되는 것은 전기차 난방입니다. 엔진 열을 활용하는 내연기관 자동차와 달리 일정 온도 이상으로 올라가면 자체적으로 전류의 양을 줄여 적정 온도를 유지시키는 PTC 히터를 메인 난방 기구로 사용합니다. 그런데 전기차는 겨울철에 난방을 강하게 하면 주행 가능 거리가 20% 이상 줄어들 정도로 효율이 좋지 못합니다. 특히 국내에서는 난방 장치 작동 시 주행거리 감소량에 따라 전기차 보조금 지급에 차등을 두기도 해서 난방 효율을 높이는 것이 상당히 중요합니다.


적외선 워머를 전기차 실내 7곳에 설치한 이후 PTC 히터와 병행해 사용해보니, PTC 히터의 사용량을 줄이고도 실내를 따뜻하게 유지할 수 있었습니다. 결과적으로 영하 7℃에서 난방으로 소모되는 에너지는 17% 감소했고, 시뮬레이션 기준 주행거리가 15% 이상 향상되었습니다.

탄소섬유 발열체는 적외선 워머의 핵심이다

Q. 워머의 발열체에 탄소섬유가 와이어 형태로 적용되어 있습니다. 탄소섬유가 갖는 이점은 무엇인가요?


탄소섬유는 열용량이 낮아 열을 가하면 온도가 빠르게 상승합니다. 한마디로 빠른 난방이 가능하다는 얘깁니다. 아울러 에너지 효율도 기존 난방 기기보다 우수하고 에너지를 머금는 양 자체가 적어 화상 방지 측면에서도 더 유리합니다.



Q. 발열 와이어가 구불구불한 모양으로 배치되어 있는 건 어떤 이유에서인가요?


구불구불한 형식의 와이어 배치는 여러 측면에서 이점이 있습니다. 우선 같은 면적에 발열 와이어가 많이 들어갈 수 있어 발열 효율을 높일 수 있습니다. 또한 발열 와이어 사이에 신체 접촉을 감지해 화상의 위험을 막는 센싱 와이어가 위치하여 있는데, 센싱 와이어의 수도 늘어나 신체 접촉을 더 효율적으로 감지할 수 있습니다.

적외선 워머 발열체는 커버, 터치 센서부, 전극부, 발열층(탄소섬유), 베이스 등 다섯 가지 요소로 구성된다

Q. 적외선 워머의 발열체는 어떤 구조로 이뤄져 있나요?


적외선 워머의 발열체는 크게 다섯 가지 요소로 구성됩니다. 여러 와이어가 차례로 배치되는 베이스, 열을 발생시키는 탄소섬유 발열 와이어, 전력을 공급하는 전극부, 터치 센서 역할을 하는 센싱 와이어, 발열체 구조를 깔끔하게 마무리하는 커버가 있죠. 워머 안쪽에는 워머 작동을 위한 제어기가 마련되어 있습니다. 외기 온도를 측정하는 센서도 포함하고 있어 온도에 따라 워머의 적정 온도를 설정합니다.



Q. 워머를 쓸 때 가장 걱정스러운 부분이 바로 화상 위험입니다. 이 문제를 방지하기 위한 장치가 별도로 마련되어 있나요?


발열체에 장착된 터치 센서가 바로 화상 방지를 위한 장치입니다. 워머에 신체가 닿으면 화상 방지 시스템이 작동하는 원리인데요. 워머의 온도는 최대 110℃까지 오르도록 설계되어 있으나, 열용량이 작아 머금고 있는 열 에너지가 적은 탄소섬유의 특성상 워머에 신체가 닿더라도 화상의 위험이 그리 크지 않습니다. 더군다나 신체 접촉 직후 3분 이내에 45℃ 이하로 발열체 온도가 하락하는 화상방지 시스템도 적용되어 있어 화상을 효과적으로 방지합니다. 또한 외기 온도가 올라갈수록 발열 온도가 낮아지도록 설계해 저온 화상의 염려도 크지 않습니다.

적외선 무릎 워머는 신체와 접촉 즉시 온도를 떨어뜨리기 때문에 화상 위험이 적다

Q. 발열체와 와이어류를 감싸고 있는 커버는 어떤 소재가 쓰이나요?


PET 계열의 소재가 쓰입니다. 페트병을 만들 때 쓰는 소재인데 고온에 사용할 수 있는 직물 형태로 가공했습니다. 이 소재를 선택하기 전까지 여러 가지 평가를 진행했는데요, 소재의 필요조건 중 하나가 열용량이 낮아야 한다는 것이었습니다. 가죽의 경우 열용량이 높기 때문에 열을 잘 간직하고 있죠. 이런 이유로 열이 전달된 가죽에 손을 대면 쉽게 화상을 입을 수 있습니다. 반대로 부직포 소재는 열용량이 낮아 화상의 위험이 상당히 적습니다. 또한 지나치게 얇은 소재를 사용하면 전극부가 드러나 심미적으로도 좋지 않습니다. 화상의 위험성을 줄이고, 디자인적인 측면도 만족시키기 위해 부직포 소재를 사용한 것이었죠.

탄소섬유 발열체는 난방 효과가 빠르고 효율이 우수해 쓰임새가 점차 넓어질 것으로 보인다

Q. 탄소섬유 발열체가 실내의 다른 부분에도 적용될 가능성이 있을까요?


탄소섬유 발열 방식은 기존 열선에 비해 응답성과 효율이 뛰어납니다. 이런 이유로 해외 일부 업체의 경우, 시트에도 탄소섬유 발열체를 사용하고 있죠. 내부 개발 중 선행 평가 때 탄소섬유 발열체를 센터콘솔 측면부나 도어 트림 등에 적용해 범위 확대 가능성을 확인해보기도 했습니다. 탄소섬유 발열체의 가격 경쟁력이 점점 더 좋아지고 있는 만큼, 사용 범위도 더 넓어질 것으로 예상하고 있습니다.



Q. 탄소섬유 발열체 외에 다른 발열 방식도 연구하고 있나요?


탄소섬유 발열체 외에도 탄소발열필름도 연구 중입니다. 이 필름 타입은 디자인 자유도를 높여주는 좋은 소재이기 때문에 적극적으로 개발하고 있습니다. 난방 속도와 효율성, 내구성 등이 보장되고, 화상 위험성이 적다고 판단되면 별 무리 없이 후속 차종에 적용할 수 있을 것으로 보입니다. 현재 저온 필름 소재는 개발이 완료된 상태이나 고온에 대응하는 필름 소재는 제작 난이도가 높아 지속적인 개발이 필요할 것으로 생각합니다.



Q. 적외선 워머가 향후 메인 난방 장치로 활용될 가능성이 있을까요?


앞으로 자동차가 변화하면 실내 공간도 지금과는 많이 달라질 것으로 예상됩니다. 그 시나리오에 맞춰 적외선 워머의 적용 콘셉트를 구상하고 있는 중입니다. 다만, 현재로선 공조식 난방 시스템을 중심으로 적외선 워머를 보조 난방 장치로 활용하는 것이 가장 효과적인 방법입니다.

정소라 책임연구원은 “미래의 자동차 난방 장치는 우리가 상상했던 것과는 전혀 다른 형태로 진화할지도 모른다”고 말한다

Q. 실내공간은 물론 승차 환경이 완전히 바뀔 수 있는 자율주행 시대가 되면 공조와 관련된 편의장비들이 어떻게 변할 것으로 예상하시나요?


개인적으로 천장에 공조장치를 장착하면 실내에 고루 공기가 퍼질 수 있어 가장 이상적이라고 생각합니다. 다만 자율주행 시대에는 기존 전면과 측면 외에 루프와 도어 하단까지 유리 소재를 사용하는 자동차가 많아질 것으로 예상됩니다. 이렇게 되면 천장에 공조장치를 넣기가 쉽지 않죠. 이 문제를 해결하기 위해 루프에 십자 프레임을 배치하고 그 위에 공조장치를 배치하면 디자인을 크게 해치지 않으면서도 효과적으로 실내 온도 관리를 할 수 있지 않을까 하는 생각합니다.


공조장치가 시트에 장착이 되는 것도 충분히 생각해볼 수 있는 부분입니다. 지금 흔히 쓰이는 통풍 시트처럼 말이죠. 사실 시트야말로 신체와 가장 가깝게 맞닿는 부위라 체온 관리 측면에서 가장 유리합니다. 다만 시트에 많은 기능이 들어가게 되면 디자인 자유도가 떨어지기 때문에 쉬운 과제는 아닐 듯합니다. 하지만 고객들을 위해서 안 되는 것도 해내는 것이 우리의 임무라고 생각합니다.

사진. 김윤식


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