유도가열 및 유전가열

왜 배우는가: 유도가열과 유전가열은 고주파 가열의 두 축으로, 금속과 비금속 가열 방식을 구분하는 기본 개념이다. 전기응용 실무에서 공정 선택과 설비 설계의 출발점이 되며, 기술사 시험에서 2회 이상 반복 출제된 대표 주제다.

출제 이력: 제126회 4교시 2번, 제121회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유도가열은 교번자계 속 도체에 유도되는 와전류와 히스테리시스 손실로 피가열물을 가열하고, 유전가열은 고주파 전계 속 유전체의 유전손실로 가열하는 방식이다.

• 키워드: 유도가열(Induction Heating), 유전가열(Dielectric Heating), 와전류(Eddy Current), 히스테리시스 손실(Hysteresis Loss), 표피효과(Skin Effect), 유전손실(Dielectric Loss), 고주파 가열(High-Frequency Heating)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 유도가열은 코일에 고주파 전류를 흘려 그 자계 안에 놓인 금속 자체에 전류를 만들어 열을 내는 방식이다. 금속 바깥에서 불을 대는 것이 아니라 금속 내부에서 열이 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 유도가열은 전자기 유도 작용으로 피가열 도체에 유도된 와전류가 저항을 통과하며 발생하는 줄열과, 자성체에서 생기는 히스테리시스 손실로 가열하는 방법이다. 고주파 전류를 쓰면 표피효과와 근접효과에 의해 전류와 자속이 피가열물 표면층에 집중되어 급속 가열이 가능하다.

유전가열은 금속이 아닌 절연성 재료, 즉 유전체를 가열한다. 정식 정의는 고주파 교번 전계 속에서 유전체 내부의 분극이 주기적으로 변하면서 생기는 유전손실로 가열하는 방법이다. 유전손실은 전계 에너지가 열로 바뀌는 양이며, 그 크기는 유전체의 손실각 δ와 손실 탄젠트 tanδ로 나타낸다. 손실 탄젠트가 클수록 열로 바뀌는 비율이 크다.

두 방식의 핵심 차이는 가열 대상과 열이 생기는 원리다. 유도가열은 도체의 전류·자성체의 자화 손실을, 유전가열은 유전체의 분극 손실을 이용한다. 두 방식 모두 전기를 직접 에너지원으로 쓰므로 열원이 피가열물 내부에 있다는 공통점이 있다.

3. 등장 배경과 필요성

전자기 유도 법칙은 1831년 Faraday가 밝혔으며, 이후 전동기와 변압기 등 여러 전기기기에 응용되었다. 고주파 가열은 이 원리를 열 공정에 적용한 것으로, 1차 코일의 교번 전류가 근접한 도체에 2차 전류를 유도하고 그 전류가 열을 만든다는 원리에 바탕을 둔다.

산업 현장에서 가열 방식이 필요해진 이유는 가열 시간 단축과 국부 가열 요구 때문이다. 연료 연소 가열은 열이 표면에서 내부로 전달되므로 시간이 길고 열효율이 낮다. 유도가열은 열이 피가열물 내부에서 바로 발생하므로 가열 속도가 빠르고 필요한 부위만 선택적으로 가열할 수 있다. 이 때문에 금속 열처리, 용접 전 예열, 용해 공정에서 채택이 늘었다.

유전가열은 목재, 플라스틱, 식품처럼 전기 전도로는 가열하기 어려운 비금속 재료를 가열할 필요에서 발전했다. 고주파 전계를 이용하면 재료 내부 전체를 균일하게 가열할 수 있어 접착, 건조, 용접 공정에 쓰인다.

고주파 가열 장치의 전력 범위는 수백 W에서 수 MW까지 넓으며, 용도에 따라 주파수와 출력을 선택한다. 유도가열 전원은 60Hz에서 1MHz 정도의 주파수를 쓰고, 유전가열은 관련 기준이 정한 고주파 대역을 쓰는 것이 일반적이다. 주파수 선택 기준은 피가열물의 크기와 재질이며, 이는 4절에서 다룬다.

유도가열 주파수 60Hz~1MHz 와 유전가열 주파수 대역은 뒤에서 설비 구성과 함께 비교한다.

4. 구성요소·원리·절차

유도가열 장치는 가열코일부, 고주파 전원부(인버터), 제어부로 구성된다. 전원부는 상용 교류를 정류해 직류로 바꾼 뒤 고주파 교류로 변환하며, 시스템의 고주파 인버터가 가열 성능을 좌우한다.

60Hz~1MHz 범위의 주파수가 유도가열에 쓰이며, 유전가열은 관련 기준이 정한 고주파 대역을 쓴다. 두 방식의 구성요소를 비교하면 다음과 같다.

표는 두 방식의 구성 차이를 보여 준다. 유도가열은 코일이 에너지를 공급하고, 유전가열은 두 전극 사이의 전계가 에너지를 공급한다.

와전류는 코일이 만든 교번 자속이 도체에 유도 기전력을 만들어 생긴다. 와전류가 도체의 저항을 지나며 줄열을 내는 것이 줄열(Joule heating) 작용이다. 강자성체에서는 여기에 히스테리시스 손실이 더해진다. 이 두 손실이 피가열물을 직접 데운다는 점이 유도가열의 핵심이다.

유도가열은 열이 피가열물 내부에서 직접 발생하므로 급속 가열이 가능하다.

고주파 전류는 표피효과(skin effect) 때문에 피가열물 표면층에 집중된다. 표피깊이는 주파수가 높을수록 얕아지며, 표피깊이 δ는 다음 식으로 주어진다.

$\delta = \sqrt{\frac{2\rho}{\omega\mu}}$

여기서 δ는 표피깊이(m), ρ는 전기저항률(Ω·m), ω는 각주파수(rad/s), μ는 투자율(H/m)이다. 표피깊이는 주파수의 제곱근에 반비례하므로, 두꺼운 물체는 낮은 주파수를 써야 내부까지 가열된다.

가열 효율은 코일전류와 코일권수의 제곱에 비례하고, 주파수·유효투자율·고유저항의 제곱근에 비례한다. 이 관계로 주파수를 높이면 효율이 오르지만 가열 깊이는 얕아진다.

유도가열의 절차는 다음과 같다.

• 피가열물의 재질과 크기를 정하고 필요한 가열 깊이를 정한다.
• 깊이에 맞춰 주파수를 선정하고 인버터 출력을 맞춘다.
• 피가열물을 코일 내부(또는 근처)에 놓고 고주파 교류를 인가한다.
• 와전류·히스테리시스 손실로 표면층이 가열된다.
• 열이 내부로 전도되어 목표 온도에 도달하면 전원을 차단하고 온도를 제어한다.

유전가열은 전극 사이에 고주파 전계를 걸고, 유전체 내부의 유전손실로 발열한다. 전계 안의 쌍극자 분자가 주파수에 맞춰 회전·진동하며 손실을 만든다. 발생 전력밀도는 다음과 같다.

$P = \omega \varepsilon_0 \varepsilon_r'' E^2$

여기서 P는 단위체적당 발열 전력밀도(W/m³), ω는 각주파수(rad/s), ε₀는 진공의 유전율(F/m), ε_r''는 복소비유전율의 허수부(유전손실 계수), E는 전계의 세기(V/m)이다. 발열은 전계 세기의 제곱에 비례하므로 전압을 높이면 발열이 크게 늘어난다.

5. 관련 법령·기준·표준

유도가열과 유전가열은 특정 법령이 가열 방식을 직접 규정하지 않는다. 설비의 안전과 전자파 방해는 전파 관련 기준과 전기설비 기준을 따른다. 주파수 대역은 산업·과학·의료용(ISM) 주파수 할당을 기준으로 쓴다.

기준값 정리는 다음 표와 같다.

주파수 선정은 표피깊이 계산으로 정하고, 표의 범위는 용도 판단의 출발점으로 쓴다.

6. 유형과 비교

유도가열과 유전가열은 같은 고주파 가열이지만 가열 원리, 대상 물질, 사용 주파수가 다르다. 먼저 두 방식의 구분 기준을 표로 정리한다.

유도가열은 금속 내부에 와전류가 흐르며 열이 나고, 유전가열은 절연체 내부 분자가 전계를 따라 회전하며 열이 난다. 열이 발생하는 원리가 근본적으로 다르므로 대상 물질에 따라 방식을 고른다.