인덕션은 왜 냄비만 데우고 유리는 안 데우는가 — 유리판 아래 25kHz와 1mm의 조건

국을 끓이던 냄비를 인덕션에서 내려 유리판을 만지면, '따뜻하다'가 아니라 '미지근하다'는 쪽에 가깝습니다. 그런데 같은 판 위에 김서린 냄비를 다시 올리면 30초도 안 되어 가장자리에서 기포가 올라옵니다. 판은 하나인데 왜 손은 편하고 물은 끓는 걸까요.

'전기는 유리를 통과하지 못한다'는 설명

가장 흔한 설명은 '인덕션은 열이 아니라 자기를 쓰니까, 유리 아래 코일이 냄비 바닥을 직접 흔들어 데운다'는 한 문장입니다. 사실과 거의 같습니다. 다만 여기서 대부분이 '그럼 유리판은 히터가 아니니 안 뜨겁겠네'라고 한 걸음 더 나아갑니다. 이 마지막 추론이 어디서 어긋나는지가 이 글의 주제입니다.

또 하나의 통념은 '철이 아니면 안 되고 알루미늄은 안 된다'는 단정입니다. 원리는 맞지만 경계가 흐릿합니다. 집에 있는 팬 중 어느 것이 되고 어느 것이 안 되는지, 사기 전에 판단할 규칙으로 이어지지 않습니다.

코일은 판을 통과해 바닥 속에서만 일한다

유리세라믹 판 아래에는 지름 20cm 안팎의 평평한 구리선 코일이 들어 있습니다. 인버터가 초당 20,000~30,000번(20~30kHz) 방향을 바꾸는 전류를 흘리면 코일 위쪽으로 빠르게 뒤집히는 자기장이 생깁니다. 이 변화하는 자기장은 유리판을 그대로 통과합니다. 유리세라믹은 전기 절연체이고 자기적으로도 거의 반응하지 않기 때문입니다.

일이 벌어지는 곳은 냄비 바닥입니다. 도체 안에서 자기장이 바뀌면, 그 변화를 상쇄하려는 소용돌이 전류가 유도됩니다. 이것이 와전류(eddy current, 바뀌는 자기장이 금속 안에 만들어 내는 맴돌이 전류)입니다. 금속에는 전기 저항이 있으므로 이 전류가 흐르는 동안 에너지가 열로 바뀝니다. 유도가열(induction heating)이라는 이름이 여기서 나옵니다. 열은 판 위가 아니라 판을 사이에 두고 바닥 1~2mm 층에서 태어납니다.

저항과 자성 — 두 문턱을 모두 넘어야 한다

와전류가 충분히 커지려면 두 조건이 필요합니다. 하나는 전기 저항이 너무 낮지 않을 것, 다른 하나는 투자율(자기장을 끌어당기는 정도)이 클 것입니다. 자속이 금속 표면 가까이에 머물수록 와전류가 표면 근처에 집중되어 저항 손실이 커집니다. 철과 페라이트계 스테인리스는 이 문턱을 쉽게 넘습니다.

흔히 '알루미늄은 저항이 커서 안 된다'고 말하는데, 방향이 반대입니다. 알루미늄은 구리 다음으로 전기가 잘 통하는 금속이라 저항이 작습니다. 그런데도 냄비가 안 되는 이유는 비자성이라 자속이 표면에 얇게만 머물고, 와전류가 만드는 역자기장이 원래 자기장을 밀어내기 때문입니다. 유리냄비는 도체가 아니어서 와전류 자체가 생기지 않습니다. 세 재료가 인덕션에서 실패하는 이유는 각각 다릅니다.

그럼 판은 왜 미지근한가 — 남은 열의 정체

인덕션 상판 위에 얹은 알루미늄 포일 — 전도체이지만 얇아서 가열이 국소적이고 고르지 않다. — Antonín Ryska, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

냄비 바닥이 180도 안팎으로 올라가면 열은 세 갈래로 샙니다. 물로 가는 열, 바닥이 판에 닿는 면을 통한 전도, 냄비 벽과 주변 공기를 통한 복사와 대류입니다. 인덕션 상판은 이 누출을 견디도록 설계됩니다. 코일 바로 위 상판 온도가 냄비 바닥보다 수십 도 낮게 유지된다는 서술이 그 대략의 크기이고, 끓는 물의 100도보다 상판이 차갑게 느껴질 수 있는 이유입니다.

그래서 '유리는 안 데워진다'는 정확하지 않습니다. 유리는 스스로 가열되지 않을 뿐, 냄비가 데운 만큼은 데워집니다. 판은 히터가 아니라 열 차폐판에 가깝습니다. 처음의 통념은 '판이 가열의 원천이 아니다'까지는 맞고, '판이 뜨겁지 않다'에서 틀리는 셈입니다.

판을 구성하는 유리

인덕션 상판에는 보통 리튬알루미노실리케이트 계열의 유리세라믹이 쓰입니다. 열팽창 계수가 거의 0에 가깝게 만들어져 급격한 온도 차에도 깨지지 않고, 적외선은 잘 통과시키지만 가시광선은 통과시키지 않아 검게 보입니다. 냄비에서 새는 열은 이 재료가 견디도록 설계된 범위 안입니다.

휴대용 인덕션 레인지 — 상판 중앙의 IH 표시 아래에 코일이 들어 있고, 가열은 그 위 금속 바닥에서만 일어난다. — Qurren, CC BY-SA 3.0 (Wikimedia Commons)

이 구조 덕분에 인덕션은 전기레인지와 다른 안전 규칙을 갖습니다. 전원을 끈 직후 판은 아직 뜨겁고, 남은 열 표시등이 꺼질 때까지는 손을 대면 안 됩니다. 반대로 냄비를 내는 순간 가열 자체는 즉시 멈춥니다. '식는 데는 시간이 걸린다'와 '가열은 즉시 멈춘다'는 다른 말입니다.

이 설명이 틀리는 경우

재료 이름만으로 판단하는 방식은 자주 틀립니다. '철이니까 된다'가 '잘 된다'를 보장하지 않습니다. 바닥이 얇은 저가 팬은 와전류가 생기더라도 열이 고르게 퍼지지 못해 국소 과열이 생기고, 센서가 이를 이상으로 읽어 출력을 줄이거나 멈춥니다. 같은 철인데도 결과가 갈리는 이유입니다.

바닥이 평평하지 않은 팬도 마찬가지입니다. 자기장은 판과 팬 사이 거리에 민감해서, 바닥이 휘면 간격이 벌어지고 효율이 급격히 떨어집니다. 유도가열용이 아닌 오스테나이트계 스테인리스 팬은 자성이 약해 자석이 붙지 않고, 출력이 부족해 물이 끓지 않을 수 있습니다. '스테인리스는 다 된다'는 설명도 여기서 깨집니다.

주방에서 바로 쓰는 판단 세 가지

1) 새 팬을 고를 때는 냄비 바닥에 자석을 붙여 보세요. 잘 붙고 떼는 힘이 분명하면 인덕션에서 정상 출력이 나올 가능성이 높습니다. 미끄러지듯 붙지 않으면 유도가열용 표기(예: IH 대응)를 확인해야 합니다. 2) 조리 중 판 위에 포일이나 금속 젓가락을 방치하지 마세요. 작은 금속 조각은 좁은 면적에 열이 몰려 달라붙거나 판에 흔적을 남길 수 있습니다.

3) 조리가 끝나면 불을 끈 뒤에도 판에는 남은 열이 있습니다. 냄비를 옮겨도 판은 즉시 차가워지지 않으니, 아이 손이 닿는 자리라면 남은 열 표시를 먼저 확인하는 습관이 안전합니다. 세 가지를 하나로 줄이면 이렇습니다. 판단의 기준은 재료 이름이 아니라 바닥의 자석 반응, 평평함, 두께이고, 이 셋은 매장에서 십 초 안에 확인할 수 있는 값입니다.

독자에게

여러분의 인덕션에서 가장 뜨거웠던 것은 냄비였나요, 판이었나요. 혹시 '인덕션인데 왜 이렇게 안 끓지' 싶었던 팬이 있다면, 그 팬 바닥에 자석을 붙여 보고 결과를 알려 주세요.

참고 자료

· Wikimedia Commons, 'Aluminium foil above induction cooktop' (Antonín Ryska, CC BY-SA 4.0)
· Wikimedia Commons, 'Eupa TSI-IH1880' (Qurren, CC BY-SA 3.0)
· 일반 물리 교재의 전자기 유도·와전류 항목
· 유리세라믹 상판 제조사(SCHOTT CERAN 계열) 공개 자료의 열팽창·내열 특성 설명