가. Microwave의 발열 메커니즘
결론부터 말하자면, microwave oven 안을 진행하는 전자기파가
음식물 안의 물(또른 다른 극성 분자 및 이온들)을 '진동'시켜서
이 진동 에너지가 음식물에 고르게 퍼지게 되어 음식이 데워지게 됩니다.
그럼 microwave oven이 정확히 어떻게 물을 진동시켜 음식물을 데울 수 있는가? 를 이해하기 위해서는,
전기장과 전자기파, 그리고 물의 전기적 성질에 대해 알아야 합니다.
1. 전기장
전기장은 공간에 형성된 '전기적 기울기'를 의미합니다. 공이 비탈면을 따라 자연스럽게 중력을 받아 굴러가듯,
공간에 전기장이 형성되어 있다면 전하는 전기장이 형성된 방향을 따라 움직이게 됩니다.
공과 달리 전하는 +와 -가 구분되므로 두 가지의 성질이 다릅니다. + 전하는 전기장의 방향을 따라 움직이려고 하고, - 전하는 전기장의 방향과 반대로 움직이려 합니다.
2. 전자기파
전자기파는 공간을 진행하고 있는 '전기장과 자기장의 진동' 입니다.
그럼 전기장의 진행을 음식물 내의 고정된 한 '점' 에서 느낀다면,
전기장의 방향이 계속해서 위, 아래로 바뀌는 것과 같이 느낄 것입니다. 그 점에 전하가 놓여져 있다면, 전하는 전기장을 따라서 움직일 것입니다.
그러나 방향이 계속 바뀌고 있으므로, 위아래로 진동하는 움직임을 보일 것입니다.
공을 물 위에 띄워 놓고 물을 멀리서 쳐서 파동을 만들어내면, 공이 제자리에서 위아래로 진동하는 것과 같습니다.
3. 물의 전기적 성질
물 분자 내부의 전자 분포는 균일하지 않습니다. 산소가 수소보다 전자를 끌어당기는 힘이 더 크기 때문에, 산소 원자가 있는 부분은 부분적 - 전하를, 수소 원자가 있는 부분은 부분적 + 전하를 띄게 됩니다.
그렇기 때문에 물 분자에 전기장을 걸어 주면, - 전하는 전기장과 반대로 움직이고, + 전하는 전기장 방향으로 움직입니다.
그래서 물 분자에 특정 방향으로 전기장을 걸어 주면 물 분자는 양쪽으로 잡아늘여진 상태에서 정렬되게 됩니다. 반대 방향으로 전기장을 걸어 주면 반대 방향으로 정렬될 것입니다.
이제 전기장의 방향을 계속해서 바꿔 주면, 물 분자는 한쪽으로 정렬되었다가 다른 쪽으로 재정렬되었다가 하면서 위아래로 진동할 것입니다.
세 가지를 종합해 생각해 보면, 발열 메커니즘을 이해할 수 있습니다. microwave oven은 microwave를 발생하는 장치를 이용해 microwave를 전자레인지 공간 내부에 쬐어서, microwave가 음식물을 통과하게 만듭니다.
Microwave는 전자기파이기 때문에, 음식물을 통과하는 과정에서 음식물 내부의 전기장의 방향과 크기를 계속해서 바꾸게 됩니다.
음식물 안에는 물 분자, 이온, 기타 극성 분자들이 있으므로 전기장의 변화에 맞춰서 이 분자들이 움직입니다. 물 분자는 위아래로 정렬 방향을 바꿔 가면서 방향을 뒤집는 회전운동을 할 것이고, 자유 이온들은 위아래로 오르락내리락 할 것입니다. 다른 극성 분자들도 물과 비슷하게 정렬 방향을 바꾸면서 움직일 것입니다.
반면 극성을 띄지 않는 분자들은 가만히 있을 것이기 때문에, 극성 분자들에 주어진 운동량은 가만히 있는 분자들과의 충돌을 통해 열 에너지로 바뀔 것입니다. 그리고 이 열 에너지는 전도를 통해 퍼져 나가 결과적으로 음식의 모든 부분을 데우게 됩니다.
이렇게 물질을 데우는 과정을 dielectric heating이라고 합니다. 물 뿐 아니라 지방 분자 등의 경우에도 OH group 등을 포함해 부분적으로 극성이기 때문에 실제로 Microwave를 이용해 데울 수 있습니다.
또한 한 가지 더 생각해 볼 수 있는 것이 있는데, 이런 과정을 통해 음식을 데우는 경우 만일 똑같은 위상의 파동을 계속해서 쪼여 준다면,
파장의 node에 해당하는 부분은 아무 진동도 일어나지 않아 전혀 데워지지 않을 것입니다. (파장이 길기 때문에 열전도로 해결할 수 없는 문제가 됩니다)
이를 해결하기 위해서 많은 oven에서는 그릇을 돌림으로써 골고루 데워지도록 하며, 또한 그릇을 돌리지 않는 모델의 경우 Mode stirrer라고 하는 선풍기처럼 돌아가는 전자기파 반사판을 이용해 microwave가
Chamber 안쪽으로 골고루 퍼질 수 있도록 합니다.
나. Microwave oven에서 사용하는 진동수
작동 원리에 따르면, 사실 어떤 전자기파를 사용해도 물체를 데울 수 있습니다. 하지만 ovening에 사용할 수 있는 진동수는 한정되어 있는데, 이유는 다음과 같습니다.
1. 국제 통신 규약에 따른 규제
전자기파는 현대 사회에서 주로 통신용으로 사용합니다. 따라서 통신용이 아닌 다른 기기들이 발생하는 전자기파가 통신을 방해할 가능성을 줄이기 위해서 공업적, 과학적, 의학적 용도로 사용 가능한 주파수 대역을 미리 국제적으로 정해 놓았습니다. 이것을 ISM band라고 부르며 이 주파수 대역에서는 공업적, 과학적, 의학적 용도의 전자기파의 사용이 통신을 위한 전자기파의 사용보다 높은 우선권을 가집니다.
이 주파수에 해당하는 대역은 915, 2450, 5800 MHz 대역 등이 있습니다. (위아래로도 더 많은 대역들이 있습니다)
2. 공학적인 이유
Microwave oven의 목적은 음식물을 빨리, 균일하게 데우기 위한 것입니다. 이를 위해서는
첫째. 전자기파가 음식물 안쪽으로 충분히 침투할 수 있을 것.
둘째. 전자기파가 충분히 빠른 시간 내에 음식을 데울 만큼의 에너지를 전달할 수 있을 것.
두 가지 조건이 필요합니다. 진동수가 높아 에너지를 빠르게 전달할 수 있다면 좋겠지만, 그렇게 된다면 아마 음식 표면에서 대부분의 에너지가 흡수되어 표면은 새카맣게 타고 안은 설익을 것입니다.
반대로 진동수를 낮추게 된다면 투과력은 좋아지고 균일하게 익겠지만, 전자기파가 에너지를 음식에 전달하는 시간이 오래 걸려서 비효율적입니다.
이 두 가지 조건 사이에서 타협을 봐서 적당히 두 조건을 다 만족하는 진동수가 바로 915, 2450 MHz 대역인데,
915MHz는 투과력이 좋아 대량의 음식물을 익히는 데 유리하지만 상대적으로 소량의 음식물을 빠르게 익히기는 힘듭니다.
또한 2450MHz는 투과력은 조금 낮아 많은 음식물을 한꺼번에 익히기는 어렵지만 소량의 음식물을 빠르게 익히는 데 유리합니다.
따라서 공업적으로는 주로 915MHz의 Oven을 사용하고, 가정용으로는 2450MHz의 Oven을 사용합니다.
답변 1) 조현호 학생, 아주 훌륭합니다. 많이 배웠어요.
안동준 교수
답변 2) 감사합니다. 교수님!
조 현호 드림.
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