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202005.13

전자레인지 문에 뚫린 동글동글 검은 점, 왜 있을까?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/kstar/1108

 가정의 필수 가전제품으로 자리 잡은, 전자레인지 

 

어느덧 가정의 필수 가전제품으로 자리 잡은, 전자레인지. 간편히 밥과 국을 데워먹기도, 즉석식품을 해 먹기에도, 간단한 조리를 하기에도, 편리해서 많은 분이 자주 사용하고 있을 텐데요. 혹시 전자레인지 문에 있는 창을 살펴보신 적 있으신가요? 자세히 들여다보면, 작고 검은 동그라미들이 뚫려있는 것을 발견할 수 있는데요. 이 동그라미의 정체는 무엇일까요?

 

 

|극초단파 막는 든든한 방패막, 동글동글 검은 점

 

사실 전자레인지 유리에 동글동글 맺혀있는 검은 동그라미의 정체는, 다름 아닌 금속망입니다. 이 구멍 뚫린 금속망이 도대체 전자레인지 문에 왜 필요한 걸까요? 그 이유는 전자기파의 파장에서 찾을 수 있습니다. 먼저, 전자레인지는 전자기파의 종류 중 하나인 마이크로파를 방출하여 음식을 데우는데요. 전자레인지에 사용되는 마이크로파는 전파 중에서도 파장이 짧고 진동수가 큰 극초단파입니다. 이렇게 전자레인지에서 극초단파를 사용하는 이유는, 극초단파는 공기, 종이, 사기, 유리, 플라스틱 등은 투과하고 금속에는 반사되기 때문이죠.

 

전자레인지의 모습 

 

전자레인지에서 발생하는 극초단파의 파장 길이는 약 12cm입니다. 하지만 전자레인지 문에 달려있는 금속망 구멍의 지름은 약 1~2mm로 아주 작습니다. 따라서 극초단파는 작은 구멍의 금속망을 통과하지 못하고 반사되는 것이죠. 반면 사람이 볼 수 있는 가시광선은 그 파장길이가 약 380~770㎚로, 금속망의 지름보다 그 길이가 훨씬 짧습니다. 그래서 전자레인지가 가동되는 동안 우리는 그 속 조리 과정을 지켜볼 수 있지만, 전자레인지에서 발생하는 극초단파는 반사되기 때문에 전자파 노출 위험을 막을 수 있습니다. 전자레인지 문에 있는 동그란 무늬들이 바로 전자파를 막아주는 역할을 하는 것이지요.

 

 

|전자레인지 가열의 비밀은 ‘진동’에 있다

 

이토록 편리한 전자레인지는 사실, 제품을 개발하던 중 아주 우연히 얻어진 산물입니다. 1945년, 미국의 무선장비회사의 레이더 장비를 개발하던 ’퍼시 스펜서’는 레이더 장비에 쓸 마그네트론을 연구하던 중 주머니 속 사탕이 녹은 것을 발견했습니다. 그는 사탕이 마이크로파에 의해 녹은 것인지 의문의 실마리를 풀기 위해 옥수수 알갱이를 이용했는데요. 옥수수 알갱이가 팝콘으로 변하는 것을 확인한 퍼시는 여러 번의 실험을 진행합니다. 그 실험 끝에 마그네트론에서 발생하는 극초단파인 마이크로파가 수분의 온도를 증가시킨다는 것을 발견하게 되었죠. 이 발견을 이용하여 세계 최초의 전자레인지인, ‘레이더레인지(Radarange)’를 선보이게 됩니다. 이때 등장한 레이더레인지는 높이 1.8m, 무게 340kg의 거대한 몸집을 자랑했습니다. 이후 지속적인 개발을 거듭한 끝에, 지금의 아담한 모습을 갖춘 전자레인지(Microwave)가 탄생하게 되었죠.

 

세계 최초의 전자레인지 ⓒPopular Mechanics 

ⓒPopular Mechanics

 

이처럼 전자레인지는 2.45GHz의 진동수를 가진 전자기파를 사용해 음식물을 가열시킵니다. 모든 분자들은 고유의 진동수를 가지고 있는데요. 물 분자의 고유진동수인 2.45GHz의 전자기파를 발생하여, 음식물 속 물 분자와의 공진현상을 통해 열이 발생됩니다. 여기서 공진현상은 고유진동수가 일치하여 압력이 계속 가해짐에 따라 진폭이 커지는 현상을 일컫는데요. 모든 물체는 탄성력을 갖고 있어 힘을 가하면 변형되었다가, 힘이 없어지면 다시 원래대로 돌아가려는 성질이 있습니다. 그리고 원래대로 돌아올 때까지 물체는 주기적으로 반복하며 움직입니다. 이때 발생하는 움직임을 ‘진동’이라 하는데, 자유진동과 강제진동 두 가지로 나뉘어집니다.

 

자유진동은 물체가 일시적으로 충격을 받았을 때 일어나며, 특정진동수에 따라 움직이게 되는데요. 이 특정진동수가 바로 물체의 고유진동수입니다. 반면 물체에 외력이 가해지면 강제진동이 발생하게 되는데, 그 힘이 주기적으로 주어지면 특이한 현상이 나타나게 됩니다. 물체가 진동하는 고유진동수와 강제로 진동시켰을 때의 진동수가 일치할 경우 발생하는 현상, 바로 공진현상이 일어나는 것이죠. 이렇게 공진현상이 일어나면 진동이 증폭되기 때문에, 물체는 점점 더 크게 진동합니다. 따라서 전자레인지에서 물 분자의 고유진동수에 해당하는 마이크로파를 쏜다면, 물 분자와의 공진현상이 발생하고 진동의 크기가 커지면서 물의 온도가 올라가는 것이죠. 이렇게 뜨겁게 달아오른 물 분자들의 에너지가 확산되어, 음식이 전반적으로 데워지게 되는 것입니다.

 

 

|1억도의 플라즈마 만드는 숨은 공신, KSTAR 가열장치

 

그런데 이 전자레인지 속의 원리가 핵융합 연구에도 사용된다는 놀라운 사실! 알고 계셨나요? 바로 한국의 인공태양이라 불리는 초전도핵융합연구장치 KSTAR의 ‘가열장치’가 그 주인공입니다. 태양 에너지인 ‘핵융합에너지’를 지구상에서 발생하기 위해서는 태양보다 더 뜨거운 초고온 플라즈마 상태의 환경을 만들어 주어야 합니다. 태양의 중심온도가 1500만℃에 달하는 것을 생각하면 엄청나게 높은 온도가 필요하겠죠. 핵융합 반응을 지구에서 일으키는 데 필요한 온도는 무려 1억℃에 달합니다.

 

KSTAR 장치 내부에서 발생하는 플라즈마는 전기장에 의해 전류가 발생하고, 주울 가열(Joule heating; 플라즈마 전류의 제곱과 저항의 곱에 의한 가열)에 의해 온도가 상승하게 됩니다. 하지만 플라즈마의 온도가 상승하면서 저항이 아주 작은 전도체가 되면, 플라즈마 가열 효율이 낮아지게 됩니다. 따라서 KSTAR의 플라즈마 온도를 높이기 위해 외부에서 에너지를 공급하는 여러 가지 방식의 가열장치가 필수적으로 사용되며, 그중 하나로 전자레인지와 비슷한 ‘공명가열’ 원리를 이용하고 있습니다. 이 장치는 외부에서 전자기파를 쏴 플라즈마 상태에서 공존하는 수소 이온과 전자를 진동시키는 방식으로 플라즈마를 가열합니다. 마치 전자레인지가 음식 속 물 분자에 공명현상을 일으킴으로써 가열하는 것처럼, 토카막에서도 플라즈마 전자나 이온과 공명현상을 일으킬 수 있는 주파수의 전자기파를 쏘아 온도를 높이는 것이죠.

 

KSTAR의 가열장치 모습

 

전자와 공명을 일으키는 전자기파의 주파수는 휴대폰 주파수보다 훨씬 더 높은 수십~수백 기가헤르츠(GHz) 대역이지만, 이온은 전자보다 훨씬 더 무겁기 때문에 이온과 공명을 일으키는 전자기파의 주파수는 FM라디오와 비슷한 수십 메가헤르츠(MHz) 대역입니다. 평소 주변 통신기기에 쓰이는 전자기파는 출력이 낮아 물체를 가열시킬 일이 없지만, KSTAR의 가열장치에서 사용되는 전자기파는 주파수가 통신용 전자기파의 수백만 배인 메가와트(MW)급에 달해 플라즈마를 높은 온도로 가열시킬 수 있는 것이죠. 특히 전자공명가열장치는 아주 작은 크기로 원하는 곳에 쏠 수 있기 때문에, 플라즈마를 점화하는 데 필요한 불쏘시개 역할을 하거나, 또는 불안정성이 발생한 부분의 치료제 역할을 하기도 합니다.

 

플라즈마를 가열하기 위한 또 다른 방법으로는 외부에서 고속으로 가속된 높은 에너지의 입자를 플라즈마 속으로 쏴주는 방법도 있습니다. NBI라고 부르는 ‘중성입자빔 주입(Neutral Beam Injection)’ 방식인데요. 자기장을 통과할 수 있도록 중성화한 고에너지의 입자는, KSTAR 토카막 안에서 운동하던 기존의 플라즈마 입자들과 충돌하면서 큰 에너지를 전달하고, 결과적으로 플라즈마의 온도와 밀도가 높아지는 것이죠. 이처럼 다양한 방식으로 KSTAR 안의 플라즈마 온도를 뜨겁게 달구고 있는데요. KSTAR의 가열파워는 오는 2025년 약 30메가와트를 달성하는 것을 목표로 연구를 지속하고 있습니다. 

 

아주 오래전 발견된 과학 원리도, 세월의 흐름에 따라 발전해오며 그 산물의 범위를 점점 넓혀가고 있습니다. 우연히 발명된 전자레인지의 원리가, 핵융합 연구에서 중요한 역할을 하고 있는 것처럼 말이죠. 과학의 진보가 켜켜이 쌓인 미래, 그 세상은 어떤 모습일지 기대됩니다.

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