Microwave 개요
우리가 사는 지구를 포함한 우주 공간에는 매우 다양한 주파수를 지닌 전자기파들이 뒤섞여 존재합니다.
-
Electromagnetic wave spectrum
고주파/고에너지 대역
-
γ선, x선, 자외선, 가시광선, 적외선 등 (높은 에너지 준위로 인체에 영향이 크거나, 있을 수 있음)
통신/방송/의료 대역
-
통신, 라디오, TV 방송, 위성 레이더, 휴대전화, 의료 기기 등에 이용되는 전자기파 (Microwave 포함)
저주파/노이즈 대역
-
OA 기기, 고압 송전선, 우주 노이즈 등 불필요한 복사.
Microwave의
정의
주파수 대역
-
Microwave는 전자기파 중 주파수가 300MHz ~ 300 GHz 사이의 대역을 지니는 전자기파 에너지입니다.
Microwave의 활용분야
-
유전 가열, Wi-Fi 등의 무선통신, 레이더, 인공위성 통신, 무인차(AGV) 장애물 감지 등 다양한 분야에 응용됩니다.
유전가열에 주로 사용되는 주파수
-
915MHz와 2.45GHz 대역이 주로 사용됩니다.
Microwave
흡수 매커니즘
마이크로웨이브 에너지가 물질에 부딪히면 다음과 같은 현상이 발생합니다.
반사 (Reflection)
-
에너지가 물질 표면에서 튕겨져 나옵니다. 대표적으로 금속(도체)의 경우 이런 현상이 있습니다.
투과 (Transmission)
-
에너지가 물질을 통과하여 반대편으로 나갑니다. 대표적으로 약유전체(테프론 등)의 경우가 해당됩니다.
흡수 (Absorption)
-
에너지가 물질 내부에서 소모, 열 에너지로 변환되어 물질을 가열합니다. 유전가열 현상이 발생됩니다.
유전체의 마이크로웨이브 손실 계수(Loss Factor, εr)는 물질이 마이크로웨이브 에너지를 얼마나 잘 흡수하여 열로 변환하는지를 나타내는 지표입니다.
약유전체 (Low Loss)
-
마이크로웨이브 에너지를 거의 대부분 투과시키며, 물질 자체의 온도는 거의 변하지 않습니다. (대표적 : 테프론, PP, Quartz 등)
강유전체 (High Loss)
-
마이크로웨이브 에너지를 효율적으로 흡수하여 물질 자신을 가열합니다. 흡수되지 않은 잔여 에너지만 투과됩니다. (대표적 물질 : 물, SiC 등)
-
마이크로웨이브 3가지 현상
-
마이크로웨이브 흡수 매커니즘
Microwave
유전가열
마이크로웨이브 가열은 유전 가열(Dielectric Heating) 원리를 이용합니다.
극성 분자의 회전
-
대상물 속에 포함된 물(H₂O)과 같은 극성 분자들이 마이크로웨이브(극초단파, 보통 2.45GHz)의 고주파 전자기장에 노출되면 전자기장의 +, - 교번으로 인해 주파수의 변화에 맞추어 회전하게 됩니다.
열 발생
-
이 극성 분자들이 빠르게 변하는 전자기장의 방향을 따라 초당 수십억 번(약 24억 5천만 번) 회전하거나 진동하면서, 분자간의 마찰이 발생하고 이 마찰이 열 에너지로 변환되어 대상물을 가열합니다.
내부 가열
-
에너지가 대상물 내부로 직접 침투하여 가열이 이루어져, 가열속도가 빠른 특징이 있습니다.
-
외부가열과 마이크로웨이브 가열 비교
-
쌍극자 변화에 의한 유전가열 원리
Microwave
가열 계산
마이크로웨이브가 재료에 인가되었을 때, 주어진 부피에 흡수되는 평균 마이크로웨이브 출력 P는
P = 2 π f ε0 εr' tanδ E2 [w/m3]
-
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 손실각)
-
E = 전계 강도 [V/m]
Microwave
침투 깊이
마이크로웨이브의 침투깊이는 재료에 침투하는 마이크로웨이브의 출력이 반으로 감소하는 깊이로 정의되며 아래의 식으로 표현됩니다.
D = 3.31 x 107/f√(εrtanδ) [m]
-
D = 침투깊이 [m]
-
f = 주파수 [Hz]
-
εr' = 복소 비유전율 상수
-
tanδ = 유전정접 (유전 손실각)
Microwave
가열 특징
Microwave 가열은 다음과 같은 특징이 있습니다.
급속가열
-
내부에서 동시에 열이 발생하므로, 외부 가열에 비해 매우 짧은 시간 내에 고온 도달이 가능하며 공정 시간이 단축됩니다. (예열 불필요)
균일 가열
-
이론적으로는 내부 전체가 발열하여 균일하지만, 실제로는 마이크로파의 파장이나 침투 깊이 (물체의 표면 2.5~3.8cm 정도) 및 대상물의 조성(수분, 밀도)에 따라 가열 편차가 발생할 수 있습니다.
높은 열효율
-
열이 외부로 손실되는 정도가 적고 피가열물 자체에 집중되어, 기존 방식에 비해 에너지 효율이 높습니다. (인가 전력의 약 80%)
선택적 가열
-
Microwave는 극성 분자를 가진 물질(유전체)에만 에너지를 효과적으로 전달할 수 있어, 수분 함량이 높거나 강유전물질을 집중적으로 빠르게 가열할 수 있습니다.
쉬운 제어 및 빠른 응답
-
전기적 제어(출력 ON/OFF, 출력 조절)를 통해 가열 속도 및 온도를 정밀하고 신속하게 조절할 수 있습니다.
청결한 작업 환경
-
가열로 자체가 거의 뜨거워지지 않고, 유해가스가 발생하지 않아 작업 환경이 개선됩니다.
Microwave
적용유형
마이크로웨이브 적용가능한 유형은 다음과 같습니다.
-
Batch type
-
Conveyor type
-
Slot waveguide type
-
Shutter type
-
Microwave Plasma
-
Continuous liquid reactor
-
Batch type reactor
-
Vacuum type dryer/reactor
-
Continous vacuum type