추운 겨울, 차가운 손발이나 꽁꽁 언 몸을 간편하게 녹여주는 손난로의 힘은 대단하다. 그 유용성 때문에 손난로는 날로 사랑을 받고 있다. 특히 등·하교 길, 야외활동 시, 수험생들이 시험을 치룰 때 하나의 필수품처럼 변해가고 있다. 과연 어떤 원리에 의해 손난로가 열을 낼 수 있는 것일까.

분말형 손난로는 철의 산화를 이용

손난로는 크게 분말형과 액체형으로 나뉜다. 분말형 손난로는 철의 산화를 이용한 제품이다. 철은 산소와 물을 만나면 수산화제이철(Fe(OH)₃)이 되는데 이 과정에서 열이 발생한다. 바로 이것이 분말형 손난로의 원리이다.

그렇다면 분말형 손난로가 열을 발생하는 과정은 어떻게 진행될까. 분말형 손난로 재료는 철가루, 톱밥, 활성탄, 식염수, 미세한 구멍이 많은 광물인 버미큘라이트이다. 또한 봉지도 부직포에 폴리에틸렌을 압축해 코팅한 것으로 표면에는 아주 미세한 구멍이 무수히 뚫려 있다.

손난로를 봉지에서 꺼내는 순간 활성탄이 작용을 시작한다. 이때 산소가 강제적으로 봉지 구멍에 밀려들어와 철의 산화를 하면서 열을 발생시킨다. 그런데 봉지 안에 철가루가 공기 중에 그대로 모두 노출되면 고온이 방출됨과 동시에 순식간에 산화가 된다.

그 결과 모든 철가루가 단번에 녹이 슬어버려 손난로는 쓸 수 없게 된다. 때문에 분말형 손난로에서는 산소를 조절하는 것이 중요한데 폴리에틸렌 표면의 미세한 구멍이 그 역할을 한다고 할 수 있다. 즉 산소 공급량을 제어하는 이 구멍들이 산화가 동시에 발생하는 것을 방지하고 철의 변화를 조절해 일정 시간·일정 온도에서 손난로가 지속적으로 발열할 수 있게 해주는 것이다.

철을 산화시키는 요인은 또 있다. 바로 식염수이다. 이는 소금물 안에서 녹이 훨씬 잘 스는 원리를 이용한 것이다. 톱밥과 버미큘라이트는 열을 오래 지속되도록 하는 단열제 역할을 한다. 산화 작용으로 온도가 올라간 식염수 속 수분을 톱밥과 버미큘라이트가 흡수해 열을 보존하는 것이다. 이 때문에 분말형 손난로는 오랜 시간 따뜻함을 유지하게 된다.

숨어있는 열을 이용한 액체형 손난로

액체형 손난로는 액체 안에 있는 단추를 누르면 액체가 하얀 고체로 변하면서 열을 발생시키는 제품이다. 이 액체에는 하이포라 불리는 티오황산나트륨이 사용되는데 때로는 아세트산나트륨이 이용되기도 한다. 티오황산나트륨의 특징은 식초냄새가 나는 물질로 상온에서는 하얀색을 띤 고체 상태가 된다는 특징을 갖고 있다.

그런데 시중에 나와 있는 액체형 손난로를 보면 상온에서도 고체로 변하지 않고 그대로 있는 것을 발견할 수 있다. 이는 티오황산나트륨이 액체로 변화할 때 받아들인 열에너지를 방출하지 않고 그대로 품는 독특한 성질 때문이다. 물에 중탕한 티오황산나트륨을 가열해 보면 쉽게 알 수 있다. 이때 액체로 변한 티오황산나트륨을 그대로 상온에 두면 다시 하얗게 변하는 것이 아니라 액체 상태가 계속 유지된다.

하지만 고체여야 할 물질이 액체이기 때문에 상온에 있는 티오황산나트륨의 상태는 불안정하다. 따라서 약간의 충격만 주어도 내부의 열을 방출하며 티오황산나트륨은 고체로 변하게 된다. 그렇다면 충격을 주는 역할을 하는 것은 뭘까. 우리가 액체형 손난로에서 똑딱거리는 금속 단추가 그 역할을 한다. 이 단추는 단순한 충격을 주기 위한 장치가 아니라 압전체이기 때문에 꼭 금속이어야 한다. 압전체란 전기적 에너지와 기계적 에너지를 서로 바꿔주는 물질이다. 한마디로 금속을 꺾는 행위는 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 주는 동작인 셈이다.

전기식 손난로 제품도 등장

이 외에도 기름식 손난로와 충전식 손난로가 있다. 기름식 손난로는 지포라이터 기름을 채워서 사용하는 손난로이다. 촉매심지에 불을 붙여 주머니 속에 넣어다닐 수 있다. 기름 손난로는 촉매심지부분에 붙여진 불씨로 겉을 둘러싼 금속에 온열이 발생하도록 한다. 기름 손난로는 하루 종일 촉매의 불씨가 죽지 않고 살아있어 적당한 온도로 장시간 사용할 수 있다. 반면 연료로 기름을 사용하기 때문에 기름 냄새가 자극이 될 수도 있다는 점이 단점으로 작용된다.

충전식 손난로는 컴퓨터나 전원에 연결해 사용하는 손난로이다. 장점은 ON/OFF가 가능하고 온도조절이 가능하다는 점이다. 그러나 충전 시간이 길고 크기가 소형이라 발열 부위가 작아 조금은 아쉬움이 있는 제품이다. 최근에는 기름식과 충전식의 장점을 모은 전기식 원터치 손난로 제품도 선보이고 있다.