마이크로파 가열

왜 배우는가: 마이크로파 가열은 식품을 내부부터 빠르게 데우는 기술이라 해동, 건조, 살균 공정에서 널리 쓰인다. 이 개념은 3개 회차에 걸쳐 가열 원리와 영향 인자를 묻는 문항으로 출제되었으므로 원리를 정확한 용어로 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제123회 4교시 6번, 제120회 2교시 4번, 제98회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

마이크로파 가열은 마이크로파를 식품에 쏘여 극성 분자가 회전하며 생기는 마찰열로 식품 자체를 발열시키는 유전가열 방식이다.

• 유전가열: 전기장 안의 유전체가 전기 에너지를 열로 바꾸어 스스로 발열하는 가열 방식이다. 식품은 물과 염분을 포함한 유전체이므로 이 방식의 가열 대상이 된다.
• 극성 분자: 한쪽 끝은 양전하, 다른 쪽 끝은 음전하를 띠는 분자이다. 물 분자가 대표적이며 식품 가열의 주체가 된다.
• 쌍극자 회전: 전기장의 방향이 바뀔 때 극성 분자가 방향을 맞추려고 회전하는 운동이다. 이 회전이 주변 분자와의 마찰을 일으켜 열을 낸다.
• 마그네트론: 고압 전기를 받아 마이크로파를 발생시키는 발진관이다. 전자레인지와 산업용 가열 장치에 널리 쓰인다.
• 체적 가열: 열이 표면에서 내부로 전달되지 않고 식품 내부 여러 지점에서 동시에 발생하는 가열이다.
• 유전손실계수: 물질이 전기 에너지를 열로 흡수하는 능력을 나타내는 값이며 기호는 ε″이다.
• 침투깊이: 마이크로파가 식품 안으로 들어가 에너지를 전달할 수 있는 깊이이다. 주파수가 낮을수록 깊게 들어간다.

2. 개념 풀이

마이크로파 가열은 주파수 300MHz에서 300GHz 사이의 전자기파인 마이크로파를 식품에 조사하여 식품을 가열하는 방식이다. 열원은 외부의 뜨거운 표면이 아니라 전기장 안에서 식품 분자가 스스로 만드는 열이다. 이 점이 열전도와 열복사에 의존하는 전열가열과 근본적으로 다르다. 식품은 전기적으로 중성이지만 물 분자처럼 분자 구조가 한쪽은 양, 다른 쪽은 음으로 치우친 극성 분자를 포함한다. 전기장이 없을 때 이 분자들은 무작위로 배열되어 있다. 마이크로파의 전기장은 방향이 빠르게 바뀌므로 극성 분자는 그때마다 방향을 맞추려고 회전한다. 2450MHz 마이크로파에서는 전기장의 방향이 1초에 약 24억 5천만 번 바뀌므로 분자는 그만큼 빠르게 회전하고, 분자 사이의 마찰이 열로 바뀐다. 마이크로파 가열은 열이 표면에서 안으로 전달되는 것이 아니라 식품 내부에서 직접 발생하는 체적 가열이다. 단위 부피당 발열량은 다음 식으로 나타낸다. $Q = 2π f ε₀ ε″ E²$ 여기서 Q는 단위 부피당 발열량(W/m³), f는 마이크로파 주파수(Hz), ε₀는 진공의 유전율(F/m), ε″는 유전손실계수, E는 식품 내부 전기장의 세기(V/m)이다. 식은 발열량이 주파수와 유전손실계수에 비례하고 전기장 세기의 제곱에 비례함을 보여준다. 식품의 유전 특성은 조성과 수분, 염분에 따라 달라진다. 수분과 염분은 유전 특성을 결정하는 두 가지 주된 요인이며, 같은 출력이라도 수분과 염분 함량이 다르면 발열량이 달라진다. 한편 유전상수(ε′)는 식품 내부 전기장의 세기에 영향을 준다. 마이크로파는 식품 표면에서 열을 만들 뿐 아니라 식품 안쪽으로 들어가면서 에너지를 전달한다. 수분 함량에 따라 차이는 있지만 침투깊이는 몇 cm 이상이 되기도 한다. 이는 열이 표면에 얇게 쌓인 뒤 전도로 내부에 전달되는 적외선 굽기나 대류 가열과 대비되는 특징이다. 침투깊이는 식품 조성과 주파수에 따라 달라지며, 주파수가 낮을수록(파장이 길수록) 더 깊게 들어간다. 식품의 온도 상승은 가열 시간, 식품 내 위치, 표면에서의 대류 열전달, 표면과 내부에서 물이 증발하는 정도에 따라 결정된다. 따라서 체적 가열이라 해도 증발과 대류를 고려하지 않으면 온도 분포를 정확히 예측하기 어렵다. 마이크로파는 금속에서 반사되고 물과 식품에서는 흡수되는 성질이 있어 금속 용기를 쓰면 가열이 제대로 되지 않는다.