흔들면 따뜻해지는 핫팩의 원리

핫팩에서 찾을 수 있는 과학

응고열과 산화작용을 적용

 [객원 에디터 6기 / 이채은 기자] 겨울의 필수품인 핫팩은 흔들거나 똑딱이를 누르면 점점 따뜻해진다. 많은 사람이 핫팩은 필수품이라고 생각한다. 핫팩을 처음 발명한 사람은 일본의 니치 마토바이다. 당시 1912년의 핫팩도 현재와 비슷한 모습이다. 비닐 포장을 뜯고 핫팩을 꺼낸 뒤 흔들거나 주무르면 뜨거워지기 시작하고 최대 70도 가까이 올라가고 3~4시간 정도 열이 지속된다. 그렇다면 이 핫팩의 원리는 무엇일까?

먼저 흔들어 쓰는 핫팩의 원리부터 보자면 핫팩 내부에는 철가루가 들어가 있다. 쇳가루 외에도 염화나트륨, 질석, 그리고 소량의 물도 들어가 있다. 철은 공기와 접촉하면 산화하기 시작한다. 철이 산화되면 녹이 슬면서 철 1g당 1.69kcal의 열이 발생한다. 일반 철이라면 산화되는 데에 오랜 시간이 걸리겠지만 철 가루를 사용함으로써 산소와 접촉하는 표면적을 늘릴 수 있고, 이에 따라 짧은 시간에도 열을 올릴 수 있다. 빨리 흔들면 철 가루가 산소와 더 닿기 때문에 빠르게 온도가 올라간다. 하지만 한 번 산화된 철은 원래 상태로 되돌릴 수 없다. 따라서 핫팩은 한 번만 사용할 수 있다. 철 가루 외의 재료들은 산화 과정을 돕는다.

핫팩을 다시 사용할 수는 없지만, 과학적인 원리를 이용해 식어가는 핫팩을 다시 살리는 방법은 있다. 가장 중요한 것은 공기에 닿지 않도록 하는 것이다. 사용하는 핫팩이 완전히 식어버리기 전에 밀폐된 용기에 넣어 산소를 완벽하게 차단해 준다. 그다음 다시 사용하고 싶을 때 꺼내어서 흔들면 새 핫팩처럼 사용할 수 있다. 산소를 차단해서 산화를 중지시킨 다음 꺼내서 산소와 결합하면 다시 산화반응을 하면서 열을 내는 원리이다.

두 번째로는 똑딱이 핫팩이다. 똑딱이 핫팩은 핫팩 안에 들어있는 똑딱이 단추를 누르면 액체 핫팩이 점점 딱딱하게 변하면서 열을 낸다. 똑딱이 핫팩에는 아세트산나트륨이 들어있다. 아세트산나트륨은 융해열이 커서 보온재료로도 많이 사용된다. 똑딱이 핫팩은 액체 상태에서 고체 상태로 변하면서 열이 방출된다. 아세트산나트륨은 과포화 용액으로 상태가 매우 불안정해 똑딱이 단추를 누르는 작은 충격만으로도 상태가 변화된다. 그리고 쇳가루 핫팩과는 다르게 똑딱이 핫팩은 재사용이 가능하다. 뜨거운 물에 넣고 끓기만 하면 다시 사용할 수 있다. 그러나 가끔 터질 수도 있기 때문에 그 점을 유의해서 삶을 때는 얇은 천으로 감싸는 것이 좋다.

이런 대표적인 핫팩 외에도 여러 손난로 기술이 연구되고 있다. 그중 가장 독특한 기술은 1mm 손난로이다. 지난 2018년 한국에서 인쇄전자 기술을 사용해 만들었다. 1mm의 얇은 두께로 편리성이 좋고 1분 만에 40도까지 상승한다. 본체 내부의 필름 시트에 발열 잉크를 인쇄해 USB 전원으로 잉크가 발열한다. 전류가 열에너지로 바뀌는 원리를 사용했다.

이 외에도 여러 손난로와 핫팩들이 있다. 겨울의 추위를 이겨내기 위해 사용하지만, 화상의 위험을 조심해야 하기도 한다. 최대 70도, 평균 40도의 열을 내기 때문에, 주머니에 오래 넣고 있거나 피부에 장시간 노출하면 저온 화상의 위험이 있다. 이 점을 유의하면 핫팩과 함께 따뜻하고 안전한 겨울을 보낼 수 있을 것이다. 또한 미래에는 더욱 다양하고 독특한 기술을 적용한 핫팩과 손난로들이 나올 것이다.