Microwave heating principles
물질을 가열할 경우, 이미 알려진 바와 같이 전기 히터, 연소열, 증기, 열풍, 레이저 등의 열원으로부터 방사되는 원적외선을 포함한 적외선을 "대류, 전도, 방사"의 3가지 열 이동 메커니즘을 통해 물질의 외부 표면으로부터 가열하는 것으로, 물질 자체의 열전도 및 대류(액체, 기체의 경우)에 의해 내부까지 온도를 상승시키는 이른바 외부 가열 방식이 일반적이다.
| 기존 가열방식과 마이크로웨이브 가열 방식의 차이 |
|---|
이에 반해 마이크로웨이브 가열은 유전 가열의 원리에 의해 피가열물(유전체) 자체가 발열체가 되는 내부가열방식이다. 일반적으로 재료의 분극기구는 전자분극, 원자분극, 쌍극자분극 또는 배향분극 및 공간전하분극의 네가지로 구분된다. 피가열물을 마이크로웨이브의 전기장 속에 두면 쌍극자 재배열에 의한 배향 분극이 발생하고, 쌍극자가 무질하게 배열된 유전체에 전자기장이 가해져 재료 내의 쌍극자들은 전자기장의 반대 방향으로 배향하려는 경향이 있고, 쌍극자들이 전자기장의 반대 방향으로 정렬되면 쌍극자에 의한 전자기장이 발생하므로 내부 전자기장이 감소된다. 외부 전자기장의 방향이 계속적으로 바뀌게 되면 쌍극자들이 계속 변하게 된다. 이 때, 마이크로웨이브와 같은 빠른 전자의 변화(2.45GHz의 경우 2십4억5천만회/초)가 유전체에 가해지면 질량과 관성을 가지는 물리적 실체인 쌍극자가 전기장이 변화하는 속도를 따르지 못하게 된다. 이로 인해 가해준 전기장에 대해서 위상 지연이 발생하게 되며, 지연되는 정도만큼 유전손실이 일어나 분자 내에서 쌍극자의 회전이나 진동이 발생하고, 그 내부 마찰에 의해서 열이 발생하여 유전체 전체가 발열 승온하는 것이 유전 가열의 개념이다.
Microwave heating calculation
마이크로웨이브가 재료에 인가되었을 때, 주어진 부피에 흡수되는 평균 마이크로웨이브 출력 P(w/m3)은 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.
P=2πfε0εr'tanδE2
P = 체적 에너지 밀도 [W/m3]
f = 주파수 [Hz]
ε0 = 자유공간에서의 유전율 8.85 x 10 -12 [F/m]
εr' = 복소 비유전율 상수
tanδ = 유전정접(유전 손실 각)
E = 전계 강도 [V/m]
Microwave penetration depth
마이크로웨이브는 유전체 내에 침투하여 전파되는 동안 전기장은 재료에 흡수되어 감쇄된다. 마이크로웨이브의 침투깊이는 재료에 침투하는 마이크로웨이브의 출력이 반으로 감소하는 깊이로 정의되며 아래의 식으로 표현된다.
D = 3.31 x 107/f√(εrtanδ)
| 각종 물질의 비유전율, 유전적 손실각, 침투깊이 |
|---|
| 물질 명칭 | 온도(℃) | 비유전율(epsilonr εr) | 유전적 손실각 tanδ (x10-4) | 침투깊이 (m) |
|---|---|---|---|---|
| 공기 | - | 1 | 0 | ∞ |
| 물 | 25 | 76.7 | 1570 | 0.007 |
| 얼음(915MHz) | -15 | 3.6 | 180 | 0.397 |
| 식염수(0.5%) | 25 | 67.5 | 4350 | 0.004 |
| 메틸알콜 | 25 | 23.9 | 6400 | 0.005 |
| 에틸알콜 | 25 | 6.5 | 2500 | 0.021 |
| 실리콘 | 25 | 2.26 | 14.5 | 6.22 |
| 폴리에틸렌(PE) | 25 | 2.25 | 5.8 | 29.1 |
| 폴리프로필렌(PP) | 25 | 2 | 2 | 47.9 |
| 테프론(PTFE) | 22 | 2.1 | 1.5 | 62.3 |
| 베크라이트 | 25 | 4.58 | 90 | 0.703 |
| 폴리스틸렌 | 25 | 2.55 | 3.3 | 25.7 |
| 나일론66 | 25 | 3 | 128 | 0.611 |
| 아크릴 | 23 | 2.6 | 35.4 | 2.37 |
| 폴리염화비닐 | 23 | 2.7 | 72 | 1.15 |
| 멜라민수지 | 25 | 4.67 | 410 | 0.153 |
| 우레아수지 | 27 | 4.57 | 555 | 0.114 |
| 에폭시수지 | 25 | 3.09 | 270 | 0.286 |
| 알루미나(Al2O3) | 24 | 4.9 | 9.7 | 6.31 |
| 질화규소(Si2N4) | 24 | 9 | 12 | 3.76 |
| 탄화규소(SiC) | 25 | 9.66 | 30 | 0.0143 |
| 페라이트 | 25 | 24.6 | 1.14 | 23.9 |
| 소다유리 | 25 | 5.6 | 200 | 0.286 |
| 파이렉스 유리 | 25 | 4.8 | 54 | 1.15 |
| 석영 | 25 | 3.78 | 0.6 | 116.2 |
| 도자기 | 25 | 6.4 | 280 | 0.191 |
| 사기 | 25 | 6.25 | 5.5 | 9.86 |
| 건조모래 | 25 | 2.55 | 62 | 1.37 |
| 천연고무 | 25 | 2.15 | 30 | 3.08 |
| SBR | 25 | 2.35 | 9 | 9.82 |
| NBR | 25 | 2.35 | 9 | 9.82 |
| CR | 25 | 4.0 | 339 | 0.2 |
| 네오프렌 | 25 | 2.84 | 480 | 0.168 |
| 니트릴고무 | 25 | 2.8 | 180 | 0.45 |
| 실리콘고무 | 25 | 3 | 83 | 0.94 |
| 모래(함수율 16.8%) | 25 | 20 | 1300 | 0.023 |
Microwave heating characteristics
마이크로웨이브 가열을 포함하는 유전 가열의 장점은 다음과 같다.
1. 고속 균일 가열
기존 가열 방식은 피가열물의 표면이 승온하고 피가열물 자체의 열전도에 의해 내부로 열이 전달되어 가열된다. 일반적으로 유전체의 열전도율은 작기 때문에 피가열물 전체를 가열하려면 상당한 시간이 필요로 한다. 급속 가열을 하기 위해서는 열원의 온도를 높게하여야 하는데 피가열물의 표면과 내부 온도 기울기가 커져 표층부 온도가 너무 상승하여 과전조나 탄화 등 품질에 영향이 발생하게 된다.
마이크로웨이브 가열은 피가열물 자체가 발열하는 내부 가열이기 때문에 피가열물 열전도가 높고 낮음에 거의 관계없이 가열이 가능하기 때문에 단시간에 비교적 균일하게 가열이 가능하다.
2. 고속 응답 및 온도 제어성
일반적으로 열풍 등의 기존 가열방식은 사전에 가열로를 예열해 둘 필요가 있고, 작업 종료 시에도 열원을 차단한 후 가열로가 냉각될 때까지 기다려야 하는 등 시간 및 에너지 낭비가 발생한다. 또한 온도를 단시간에 바꾸려해도 열원이나 가열로 등의 열적 관성이 매우 크고, 설정 온도 등이 순간적으로 변화하는 것도 불가능하다.
마이크로웨이브는 작업 시 순간 기동, 정지가 가능하여 온도 조절을 위한 출력 ON-OFF 및 출력 제어 등 간단한 전기제어 만으로 조절할 수 있어 작업성이 좋고 응답 속도도 빠르다.
3. 진공, 감압, 가압, 불활성분위기, 냉풍병용 조건에서도 가열가능
진공, 감압 조건에서는 연소에 의한 가열은 불가능하고 열복사와 열전도에 의한 가열만이 가능하여 에너지 공급 밀도가 올라가지 않아 처리시간이 길어진다. 마이크로웨이브 가열은 진공, 감압 중에도 에너지 전송이 가능하며, 피가열물을 진공도에 따른 끓는점에서 저온 가열이 가능하다.
기존 증기 등을 이용한 가압 조건은 처리에 필요한 온도 이상의 압력 증기가 필요해 높은 압력을 버티는 부대설비가 필요하기지만, 마이크로웨이브 가열은 피가열물에 포함된 수분이 증발하고 그에 따라 압력 용기 내의 압력도 증가해 끓는점 또한 높아지는 쪽으로 연동되게 된다. 이와 같이 가압 상태로 마이크로웨이브 에너지를 가하면 비점도 대기압의 끓는점 이상으로 가열할 수 있어 살균 등에 활용할 수 있게 된다.
4. 선택 가열
복합 물질의 손실 계수의 차이를 이용하여 부분적으로 선택 가열이 가능하다. 예를 들어 유리컵 속에 물을 넣고 가열하는 경우 유리컵인 붕규산 유리의 마이크로웨이브 흡수율은 물 대비 약 1/3000밖에 되지 않아, 유리컵은 거의 가열되지 않고 물만 가열된다.
5. 작업환경개선
마이크로웨이브는 전자기파를 에너지 전송 수단으로 사용하기에 불필요하게 작업환경을 오염시키지 않아 위생적이다. 또한 유해가스의 발생이 없고 마이크로웨이브 가열로가 거의 뜨거워지질 않아 작업장소로의 방열 또한 거의 없어 쾌적한 작업환경을 얻을 수 있다.