실내환경 - 정전기

정전기(static electricity)는 말 그대로 '정지된 또는 움직이지 못하는 전기이다. 정전기 시간적인 변화가 없는 전하(電荷) 또는 그와 같은 전하 분포에 수반되는는 전기적인 현상으로 설명되고 있는데, 정전기는 옛날부터 마찰 전기(電氣)로서 알려져 있었으며, 18세기 후반부터 정량적 연구가 이루어져 전기의 응용과 전자기학 발전의 기반이 되었다.
하늘의 번개와 겨울철에 스웨터를 벗을 때, '짜르륵'하며 튀는 불꽃현상이 생기는 공통점이 있으니, 이는 둘 다 정전기에 의한 방전현상(discharge)이다. 정전기는 우리 생활 주위에서 아주 흔하게 볼 수 있는데 털모자를 벗을 때, 머리카락들이 모자를 따라 주뼛 서는 것, 텔레비전 브라운관 앞에 먼지가 유난히 많이 붙어 있는 것, 자동차 문을 열다가 찌릿하고 놀라는 것들도 다 정전기 때문에 일어나는 현상이다.
다시 말하면, 정전기는 마찰전기처럼 물체 위에 정지하고 있는 전기를 말한다. 이 경우의 전기 현상은 자극에 의한 자기 현상과 비슷하다. 예를 들어 유리 막대를 비단천으로 문지르면 유리 막대에 양전기가 생기고 에보나이트 103)(ebonite) 막대를 털로 문지르면 에보나이트 막대에 음전기가 생긴다.
정전기 현상에 대한 가장 오래된 기록은 고대 그리스의 철학자 탈레스104)(Thales)가 양의 가죽으로 호박(송진이 굳어서 된 보석)을 닦을 때 생긴 현상을 적어 놓은 것이라고 한다. 이 때문에 영어로 '전기'를 뜻하는 'electric'이라는 말은 그리스어로 '호박(electron)'에서 유래한 것이라 한다.
마찰에 의해 전기가 일어나는 이유는 원자구조를 보면 알 수 있는데, 원자(atom)는 전자 질량의 1,860배나 되는 원자핵(nucleus)과 그 주위를 돌고 있는 전자(electron)들로 이뤄져 있다. 일반적으로 물체들이 전기를 띠지 않는 이유는 전자 수와 양성자(proton) 수가 같기 때문이다. 이것을 전기적으로 중성이라고 한다. 그러나 마찰을 시키면 질량이 가벼운 전자는 영향을 받아 마찰시킨 다른 물체로 이동하지만, 반대로 질량이 큰 원자핵은 거의 영향을 받지 않는다.
따라서 전자가 나가버린 쪽은 (+)전하를 띠고 전자가 이동해 간 쪽은 (-) 전하를 띤다. 즉 머리카락과 플라스틱 빗을 마찰하면 전자가 튀어나간 머리카락은 (+)가 되고 플라스틱 빗은 (-)가 되는 것이다. 이때 (+)인 머리카락과 (-)인 플라스틱 빗 사이에는 인력이 작용해 서로 잡아당긴다. 전자를 이동시키는 원인은 아직 제대로 밝혀져 있지 않지만, 마찰로 인해 발생하는 전기는 전하가 흐르지 않기 때문에 정(靜) 전기라고 한다.
한쪽으로 몰려 있던 정전기의 전하가 도체와 접촉하거나 전하가 쌓여 더 이상 견딜 수 없는 상황이 되면, 물체와 물체 사이의 공기들이 전(기성을 띠고 번개처럼 빠르게 한쪽으로 흐르게 된다. 이 때 번개처럼 불꽃이 튀는 것을 코로나 방전 105)(corona discharge)이라고 한다. 스웨터를 벗을 때 따끔하면서 불꽃이 반짝이는 것이나, 하늘에서 번개가 땅으로 떨어지는 것도 이런 정전기의 방전현상이다. 번개는 구름 속에 있는 매우 작은 얼음 알갱이와 물방울이 심하게 움직이면서 서로 부딪히기 때문에 생기는 강력한 정전기가 방전되는 것이다.
정전기가 발생하는 메커니즘은 크게 접촉성 대전(triboelectric charging)과 유도성 대선(induction charging)으로 나누어 볼 수 있는데, 접촉성 대전방식(性帶電方式)의 대전이 가장 흔하고 또 가장 중요한데, 접촉 즉, 두 물체가 서로 비비는 효과에 의해 발생하는 대전으로, 접촉이나 분리로 인한 대전도 포함된다. 발생되는 정전기의 양은 재질 종류, 근접도, 표면 거칠기, 접촉 압력, 문지름이나 분리되는 속도 등 여러 변수에 의하여 결정된다.
대전되지 않는 물체가 대전체의 전기장에 노출되면 극이 나뉘게(分) 되어, 가까운 쪽에는 반대 극성의 전하가 생기고 가장 먼 쪽에는 같은 극성의 전하가 모이게 되는데, 이때 한쪽에서 전하를 끌어내면 그 물체는 대전체가 되는데, 이런 대전을 유도성 대전한다. 
정전기는 사실 일상생활 속에서는 그저 피부를 따끔거리게 하거나 기분을 나쁘게 하는 것 이외에는 아무 쓸모가 없다. 가끔은 방전된 불꽃이 화재를 일으키기도 하고, 반도체 제조공장에서는 정밀한 회로들을 망쳐 놓기도 하며, 정밀기기의 오작동 등 아주 큰 문제를 일으키는 말썽꾸러기이다. 반면 정전기를 이용하는 분야도 많다. 가장 대표적인 것이 공기 중의 먼지를 없애는 집진기이며, 가정용 먼지 청소기나 전자인쇄, 복사기 등에도 정전기가 활용된다. 최근에는 정전기를 이용하여 발자국 흔적이나 타이어 흔적을 채취하여 경찰의 사건 현장 감식을 돕는 기계도 만들어졌다.
요즈음 사무실과 학교에서 많이 사용하는 복사기는 정전기의 특성을 이용해 토너를 OHP(overhead projector) 필름에 부착시키는 것으로, 복사기의 드럼은 정전기를 띠고 있으며, 실리콘 분말(Silicon powder)과 같은 물질로 얇게 코팅되어 있다. 복사가 되는 원리는 원본의 빈 공간, 즉 흰 부분은 밑에서 쏘아올린 빛을 드럼에 반사시켜 정전기를 제거하고, 반면에 원본의 검은 부분은 빛을 반사하지 않기 때문에 드럼의 정전기는 그대로 남는다. 이렇게 정전기가 남아 있는 부분은 토너 (toner)라는 검은 분말을 흡인해 복사지 위에 영상을 만들어내는 것이 복사되는 과정이다.
또 굴곡이 심한 복잡한 면이나 넓은 면적에 고루 도료를 칠하는 정전도장(靜電塗裝)도 정전기를 이용한 방법이며, 전기기구나 가스기구, 기계부품, 완구 등을 도장하기 위해서 100,000V의 직류 전압을 걸어 정전기를 유도해 놓은 상태에서 도료를 내뿜으면 고루 흡착된다. 이렇듯 정전기는 불쾌감을 주기도 하지만 생활에 도움이 되는 야누스적인 얼굴을 지니고 있다.
정전기는 우리 몸에 항상 생기지만, 습기가 있으면 수분이 전기가 흘러갈 수 있는 도체 구실을 해서 정전기를 수시로 방전하게 된다. 이 때문에 습도가 높은 여름에는 정전기를 거의 느끼지 못하게 되지만, 반대로 습도가 낮은 겨울이 되면 유난히 우리 몸에 정전기가 많이 생기는 이유가 여기에 있다.
면으로 만든 옷보다는 털로 만든 옷과 자연섬유보다는 인공섬유가 습기를 머금는 성질이 적기 때문에 정전기를 더 많이 발생시킨다. 겨울철에 옷을 보관할 때, 신문지를 옷 사이에 끼워두거나 털옷과 옷을 교대 교대로 걸어 놓으면 정전기 발생을 조금은 방지할 수 있다.
정전기 쇼크는 사람의 몸속에 있던 정전기가 다른 물체로 빠져나가는 일종의 방전현상으로 습도가 낮을수록 자주 발생한다. 습도가 낮으면 정전기가 공기 중에 흡수되지 못하고 모여 있다 한꺼번에 방전되기 때문이다. 정전기는 특히 몸이 허약하거나 과로한 사람의 경우에 민감하게 반응할 수 있으며, 아토피(atopy) 환자의 피부에 가려움증을 심화시키고 혈액 중에 산이나 알칼리의 농도를 높이므로, 당뇨병이나 심장병 환자에게는 좋지 않은 영향을 준다고 한다.
정전기 현상은 번개는 물론, 신선하고 건조한 날씨에 문손잡이나 금속체를 접촉할 때의 스파크, 그리고 의복이 서로 붙는 현상으로 우리에게 잘 알려져 있다. 정전기는 우리의 생활 주위에 항상 존재하고 있으나, 3,000V(3kV) 미만의 정전기는 색깔이나 냄새, 맛이 없어 인체에 아무런 느낌도 주지 않는다. 그러나 이보다 높은 전압에서는 방전 시 스파크(spark)나 코로나(corona)가 보이며, 스파크를 통한 방전 시 공기 중에 오존이 형성되므로 특별한 냄새가 나게 된다. 4kV 정도로 대전된 작업자가 도체(문손잡이, 스웨터, 섬유제품 등)를 만지면, 스파크 형태로 방전이 발생하여 약간의 전기적 쇼크(electric shock)를 느끼게 된다.
전기적 쇼크를 느끼는 정도는 개인차가 있어, 나이가 들면서 피부가 건조해지는 노인들은 정전기의 피해를 더 많이 호소한다. 전기쇼크(electric shock)의 감도는 남녀에 따라서 다르게 나타나는데, 남자는 약 4,000V 이상이 되어야 느낄 수 있지만, 여자는 남자보다 훨씬 민감하여 약 2,500V만 되어도 전기적 방전을 느낄 수 있다. 따라서 정전기에는 여자가 남자보다 반응정도가 높다. 특히 피부질환이 있는 환자는 정전기를 주의해야 하는데 수만 볼트의 전압으로 인해 염증이 악화될 소지가 있기 때문이다.
정전기가 실제 일상생활에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려져 있지 않으나, 그 피해는 최근 급격히 대두되고 있으며, 특히, 제품의 품질관리(品管理), 안전(安全), 품질보증보관(保管), 운반(運) 등의 모든 분야에서 그 대책이 절실히 요구되고 있다.