WATCH Waterproof - 시계 습기 차는 이유 2. 기체 투과성 Gas Permeability

2. 기체 투과성 Gas Permeability




ㄱ. 이론

이론적으로 기체의 투과과정은 3단계로 나눌 수 있다.
고압 측의 기체가 고체 표면에 용해(dissolve) -> 고체 내부에서 확산(diffuse) ->  저압 측으로 확산

노출면적과 시간, 내 외부 압력차이, 온도, 오링의 두께와 재료, 기체의 종류 등의 변수에 따라 투과성의 정도에는 차이가 발생할 것이다.

자세한 것은 아래링크 참조.

https://en.wikipedia.org/wiki/Permeation

http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/22/jresv22n1p71_A1b.pdf

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ie50195a002

http://rubberchemtechnol.org/doi/abs/10.5254/1.3547534?journalCode=rcat

http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=5178



ㄴ. O-ring 재료와 기체에 따른 투과성

O-ring 재료와 기체에 따른 투과계수
Permeation Coefficients for Various Polymer Materials and Gases

ftp://ftp.bgc-jena.mpg.de/pub/outgoing/athuille/Publications/2004/Sturm_JoGR_2004.pdf





a. 재료에 따라 살펴보면,

1) 니트릴 고무 (NBR)

니트릴 고무 (NBR) 오링
Nitrile Rubber (NBR) O-ring

기계적 강도가 좋아 실링 소재로 역사가 깊고, 시계 오링 소재로도 사용된다.


https://www.sinn.de/en/Ar-dehumidifying_Technology.htm

http://timeseoul.com/bbs/board.php?bo_table=sub02_01&wr_id=18

http://snt.sendpage.co.kr/sub.asp?maincode=495&sub_sequence=502&sub_sub_sequence=&mskin=&exec=view&strBoardID=kui_502&intPage=1&intCategory=0&strSearchCategory=%7Cs_name%7Cs_subject%7C&strSearchWord=&intSeq=14

http://www.easternseals.co.uk/shop/nitrile-nbr-buna-bs425-bs475/


2) 테프론 (PTFE)

PTFE(테프론)의 방수와 투습
Waterproof and Breathable PTFE (Teflon)

PTFE(테프론)을 변형한 다공성 ePTFE는 고어텍스 소재가 된다.
공기의 대부분을 차지하는 질소와 산소의 투과성이 낮은 반면, 수증기는 투과성이 높다.
따라서, 고어텍스는 방풍이 되는 동시에 투습성을 가진다.

https://ko.wikipedia.org/wiki/고어텍스
http://www.gcsescience.com/o66.htm


3) 실리콘 (Silicone)

콘택트 렌즈 소재 시장 점유율
Market Share of Contact Lens Material

기체 투과성이 높은 실리콘은 콘택트 렌즈 소재로 사용되고 있다.

http://blog.naver.com/lenspiacokr/220842607763

https://www.cheric.org/PDF/PIC/PC18/PC18-6-0021.pdf



b. 기체에 따라 살펴보면,

1) 질소 (N2)

타이어 충전 가스로써 산소와 질소의 투과성 차이
Differences in permeability of oxygen and nitrogen as a tire filling gas

투과성이 낮은 질소의 성질을 이용하여 타이어 충전가스로 공기 대신 사용하기도 한다.

http://www.kcmb.co.kr/html/menu42.html

http://dwarfs.tistory.com/182

https://www.contimotousablog.com/is-inflating-tires-nitrogen-worth-it/

http://www.tyrefinder.co.za/what-benefits-are-there-to-using-nitrogen-to-fill-up-tyres/


2) 헬륨 (He)

포화잠수 개략도
Schematic of Saturation Diving

http://static.rolex.com/flipboard/mastering-pressure.html

잠수기법 비교
Comparison of diving techniques

포화잠수 관련 기사참조
http://www.edaily.co.kr/news/news_detail.asp?newsId=02748646612613496

롤렉스 헬륨 이스케이프 밸브
ROLEX Helium Escape Valve

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Deep sea divers in the 1960s experienced a troublesome phenomenon during their decompression in hyperbaric chambers, where they breathed a gas mixture composed of around 95% helium: the crystal of their watch would often pop off, rather like a champagne cork. To address this issue, Rolex invented and patented the gas escape valve for the Sea-Dweller in 1967. This one-way valve safely allows the helium trapped in the watch to be released at a given pressure during decompression, while preserving the tight waterproofness of the Oyster case. #Rolex #SeaDweller

A post shared by ROLEX (@rolex) on Nov 10, 2017 at 7:30am PST

롤렉스 헬륨 이스케이프 밸브 시뮬레이션
Simulation of ROLEX Helium Escape Valve

https://www.instagram.com/p/BbUdecWB9r5/


포화잠수 과정 중, 로렉스의 헬륨 이스케이프 밸브 작동과정을 간단히 설명하면,

포화잠수 전 가압 과정 중, 수소분자(H2)보다 작은 단원자분자인 헬륨은 오링을 투과하여 시계 내부는 결국 챔버와 같은 고압이 된다.

포화잠수 후 감압 과정 중, 챔버보다 고압인 시계 내부의 헬륨 가스는 이스케이프 밸브를 통해 자연스럽게 배출되어 유리가 분리되어 파손되는 것을 방지한다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Kinetic_diameter

https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_blending_for_scuba_diving

https://www.reddit.com/r/chemistry/comments/2hphyw/rolex_thinks_helium_has_the_smallest_molecules_on/ 

https://www.quora.com/Does-helium-diffuse-faster-than-hydrogen


3) 수증기 (H2O)

온도에 따른 포화 수증기압표
Saturated Water Vapor Pressure Table

http://heater.heat-tech.biz/ko/air-blow-heater/science-of-the-drying/basic-knowledge-of-the-drying/property-of-the-humid-air/8927.html


위에 시뮬레이션 동영상의 헬륨처럼 기체 물 분자도 오링을 투과할 수 있다.
다만, 일상생활에서 만날 수 있는 수증기압은 기껏해야 최대 1기압(끓는 물) 정도이기 때문에 우습게 볼 수도 있다.

O-ring 재료와 기체에 따른 투과계수
Permeation Coefficients for Various Polymer Materials and Gases

하지만, 물 분자 특성상 수증기는 헬륨보다도 투과성이 약 100배정도 크기 때문에 가압 챔버의 헬륨처럼 고압이 아닌 경우에도 투과될 수 있다.
단순히 산술적으로 계산해보면, 수증기 1기압(101.325kPa)은 헬륨 100기압과 비슷한 투과성을 가진다.

예를 들면,

섭씨 25도, 상대습도 100%에 해당하는 포화 수증기압은 대기압의 약 3% 에 불과하지만,
PTFE을 변형한 고어텍스(ePTFE)는 이 압력에서도 증발된 땀을 방출한다.
이러한 특성 때문에 고어텍스는 착용 중 쾌적함을 제공한다.

물론, 시계 오링에 주로 사용되는 니트릴 고무(NBR)와 고어텍스는 투습성에서 다소 차이가 있기 때문에,
같은 시간 안에 투과되는 양에는 차이 있을 것이다.

게다가, 장마철이 아닌 이상 실내 상대습도는 90%을 넘기 힘들다는 점에서 오링에 대한 수증기 투과성을 실제로 체감하기에는 더욱 어렵다.


하지만, 섭씨 70도 상대습도 100%인 습식 사우나실의 경우는 어떨까?
이 상태에서 수증기압은 섭씨 70도의 포화 수증기압에 해당하는 대기압의 약 30% 수준이다.
산술적으로, 수증기 투과성은 상온 포화상태에 비해 약 10배가 커진다.

이 때문에, 1965년 나사(NASA)의 상대습도 테스트에서 롤렉스의 데이토나는 시계가 멈추는 굴욕을 맛본다.
참고로, 나사(NASA)는 섭씨 20~71도, 상대습도 95%이상에서 240시간동안 상대습도 테스트를 진행했다.

Relative humidity: 240 hours in relative humidity of at least 95% and at temperatures varying between 20º C and 71º C. The steam had a pH value of between 6,5 and 7,5.
Rolex Daytona : stopped running on two occasions during the relative humidity test and during the high pressure test when the sweep second hand wraped and press against the other hands

http://www.network54.com/Forum/207593/thread/1324598310


http://heater.heat-tech.biz/ko/air-blow-heater/science-of-the-drying/basic-knowledge-of-the-drying/property-of-the-humid-air/8927.html
http://www.kjorl.org/upload/pdf/0011999217.pdf



하지만, 사우나에 방수시계를 차고 가도 문제 없었다는 경험 글을 자주 볼 수 있다.

과연 문제가 없었을까?

간과하고 있는 점을 수증기 응결 통해 살펴보자.


3. 응결 Condensation
https://www.tudorolex.com/2018/10/watch-condensation.html



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