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1. 고주파의 응용
고주파 유도전류에 의한 금속가열 및 용해방식은 1900년 초기부터 이용되기 시작하다. 1935년 비행기 크랭크 샤프트 열처리에 실용되면서 각종 기계부품 제조로 급속히 확대되어 지금은 핵 융합용 프라즈마 발생장치에 까지 확산되고 있다.
또한 절연물에 교류 고전압을 인가시키면 유전체 손실로 온도가 상승하는 원리가 알려지면서 1940년부터 비행기의 프로펠라를 목재의 얇은 판을 고주파로 접착 시키고 또한 비닐가공, 식료품 가공, 약품 분말의 건조, 박막증착등 새로운 방법의 가열 방식인 고주파 유전가열 장치가 탄생하게 되었다.
통상 주파수가 1GHz(파장 30㎝)이상의 전파를 마이크로 웨이브라하며 이러한 초고주파를 이용한 또 다른 가열방식인 마이크로파 가열 방식이 진공관 기술의 진보로 마그네트론 등이 양산되면서 현재는 가정용 전자렌지까지 이 기술이 실용화되고 있다.
2. 고주파 가열의 분류
고주파 가열은 피가열재의 물리적 성질에 따라 크게 유도가열과 유전자 가열로 나누어지며, 전자는 도전성 금속을 가열하는데 사용하며 후자는 유전손실이 있는 재료 즉, 물.종이.플라스틱 등을 가열하는데 주로 이용한다.
또한 가열하는 전원의 주파수에 따라 분류하면 (표)와 같다. 특히, 고주파유도가열에 이용되는 주파수는 더욱 세분화하여 저주파(사용주파수 50 ~ 60Hz) 및 중주파(100Hz~10KHz), 고주파(10KHz ~ 500KHz), 라디오주파수(100KHz ~ 500KHz)라 하며 특히 중주파, 고주파, 라디오주파수를 이용한 가열을 고주파 가열이라 한다.
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주파수(Hz)
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파장(m)
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주파수 호칭
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통신관련용도
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공업용의용도
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30K ~ 300K
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10⁴~ 10³
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LF
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중 파
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일반라디오
방 송
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고주파
유도가열
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300K ~ 3M
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10 ~ 10
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MF
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3M ~ 30M
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10 ~ 10
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HF
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단 파
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단파방송,
무선통신
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고주파
유도열
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30M ~ 300M
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10 ~ 1
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VHF
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초 단 파
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TV 방 송
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300M ~ 3G
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1 ~ 0.1
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UHF
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마이크로파
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TV 방 송
통 신
레 이 다
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마이크로파
가열
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3G ~ 30G
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0.1 ~ 0.01
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SHF
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30G ~ 300G
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0.01 ~ 0.001
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EHF
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3. 고주파 가열의 종류
고주파를 이용한 응용분야는 주로 열을 얻는데 쓰여지며 그 방법은 발열원리 및 용도에 의해 다음과 같은 네가지 종류로 구분되어 진다.
▶유도가열 : 금속과 같은 도체 및 반도체 가열 방식.
▶유전가열 : 목재,섬유,비닐,유리등 절연물 가열 방식.
▶통전가열 : 유리와 같은 부도체를 가열시켜 비저항을 낮게만든 다음 물체에 직접고주파 전류를 흘려 가열하는 방식.
▶마이크로파가열 : 가정용 전자렌지 같은 매우 높은 주파수의 전파를 직접 조사시켜 가열하는 방식.
[고주파 가열의 응용사례]
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내용 / 구분
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유도가열
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유전가열
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통전가열
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마이크로파 가열
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가열대상
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도 체
반도체
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절 연 체
플라스틱
목재섬유
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부 도 체
(예열시켜
통전)
비저항이
높은도체
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식품이나 약품과같은 불량도체
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주 파 수
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7KHz ~ 400KHz
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5MHz ~ 50MHz
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제한없음
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915MHz ~ 2450MHz
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발열원리
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유도에의한
전류손열
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쌍극 분자운동
마찰열
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저항손 가열
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쌍극자 분자운동
마찰열
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발열온도 분포
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부하표면부터
가열
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부하의 중심부터 가열
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비교적
균일가열
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부하의 중심부터
가열
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가열전극
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코일형
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콘덴서형
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접촉자형
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프로부에의한
조사
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용 도
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금속열처리,응용
브레이징
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목재의 성형
접착
건조비닐의 가공
섬유의 건조
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유리의 가공
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식품가공
약품건조
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4. 고주파 가열의 장점
모든 재료는 도전성과 유전성으로 크게 구분할 수 있다. 도전성이란 어떤 재료에 전기를 가한다면 그것은 주어진 곳에 머물지 않고 전압이 낮은 곳으로 이동하는데 어떤 재료는 이를 방해하는 저항이 존재하며 이것의 정도에 따라 저항이 적으면 도전체 혹은 도체라 하며 이와는 반대로 저항이 크면 부도체라 부른다. 또한 유전성이란 저항과는 달리 그 값을 유전율로 표시하지만 구태어 고유저항 값으로 표시한다면 유전체로 사용되는 물질의 고유저항은 대체로 큰 부도체이 것이다. 그러므로 모든 재료는 도체와 유전체로 구분될수 있는 것이다. 다음은 이렇게 구분한 재료를 고주파 가열의 대상으로 작을 지어보면 도체는 유도가열로, 유전체는 쌍극자 진동을 이용한 유전가열로 가열할 수 있으므로 결국 모든 재료는 고주파 가열의 대상이 될 수 있는 것이다.
또한 유도가열을 가열되는 원리로 다시 세분하면 히스테리시스손과 와전류에 의한 가열로 구분된다.
재료중 자성체는 이 두가지 손실을 이용한 가열이 가능하나 불행이도 비자성체는 히스테리시스손에 의한 가열은 불가능하여 가열효율이 상대적으로 낮아지나 우리는 이점을 역이용하여 고주파 가열에서 피가열물을 담는 그릇으로 이용하기도 한다.
고주파 가열은 전기나 연료와 같은 타방식에 비하여 다음과 같은 장점이 있어 최근에 급속히 넓은 분야로 확대되고 있다.
▶고주파 가열의 장점 요약
① 월등한 경제성 : 유도가열은 피가열체 자신에 의해 직접 가열됨으로 효율이 높아 설비 제작비용이 보다 비싸도 총 생산비용은 오히려 타 연료장치의 반 이하로 낮출수 있다.
② 고품위의 품질 확보 : 피가열체의 재질과 크기에 따른 적절한 주파수를 선택한다면 균일한 온도와 속도등을 임의적으로 제어할 수가 있어 대량생산에 따른 개별 부품의 제품 생산이 가능하다. (특히 국부가열이나 표면 소입처럼 선택가열이 가능한 점은 경제성뿐만 아니라 열처리 기술에는 절대적인 필요 조건이다.)
③ 비접촉 가열 : 피가열체를 가열원으로부터 완벽한 분리, 차단이 가능하여 각종오염을 방지 할 수 있다. 반도체 웨퍼용 실리콘 제조공정에 응용한다. (이 방법은 3000℃이상 초고온의 가열과 각종 가스 분위기나 진공상태에서의 가열도 가능하여 최근 첨단 기술의 응용분야에 쓰이고 있다.)
④ 초단위의 신속한 작업처리 : 열처리,금속접합,건조등 고주파 가열은 대부분 초단위의 작업처리가 가능하다. 이와같은 신속한 처리는 재료의 재질 변화를 방지함과 함께 자동화 부품과같은 대량생산이 요구될때 앞뒤공정(프레스와열처리)과의 생산속도를 맞출 수 있는 택 시스템의 도입이가능하게된다. 이는 타 연료장치에 의한 가열에서는 상상도할 수 없는 큰 장점인 것이다.
⑤ 재료의 절감 : 주석 도금시 이 방식을 이용하면 주석이 순간적으로 녹아 철판표면에 균일하게 밀착되어 종래의 주석 용융액에 적시는 방법에 소요되었던 주석양의 1/3만으로도 만족스럽게 피복시킬수 있다.
⑥ 무공해 : 완전 무공해 산업으로 위생적인 작업.
⑦ 가동효율 증가 : 예열서 냉동 예비시간이 필요 없어 설비의 가동율 증가.
⑧ 설치장소 : 출력에 비하여 설치면적이 좁다.
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