전자레인지의 마그네트론은 곧 단종될까요?
전기 엔지니어(골동품 수집가 제외)에게 집에 진공관이 있냐고 묻는다면 대부분이 “당연히 있죠” 또는 “CRT TV를 없앤 이후로는 없어요”라고 대답할 겁니다. 하지만 다시 생각해 보세요. 집에 전자레인지가 있다면 마그네트론, 즉 진공관이 있는 셈입니다.
마그네트론이란 무엇일까요? 최초로 알려진 진공관으로, 1906년에 Lee De Forest가 발명한 최초의 증폭 진공관인 3극 진공관과 어깨를 나란히 합니다. 마그네트론의 물리학 및 전자기학 원리는 복잡합니다. 강력한 외부 자기장을 통해 공진형 원형 공동에서 전자의 흐름에 영향을 주어 수십 또는 수백 와트를 기가헤르츠(GHz) 주파수 범위로 발전시킵니다(그림 1). 마그네트론에 대한 다양한 관점은 참고 자료를 참조하세요.
제2차 세계대전 중 영국에서 개발된 마그네트론은 유의미한 분해능을 제공할 수 있을 정도로 높은 주파수 500MHz(당시에는 초고주파에 해당됨)로 작동하면서도 항공기에 장착할 수 있을 만큼 크기가 작은 레이더의 핵심 기술이었기 때문에 극비에 부쳐졌습니다.
그림 1: 마그네트론은 전도성 공동에서 전기장과 자기장의 상호작용을 통해 비교적 높은 전력 수준의 극초단파를 생성하는 데 특화된 진공관입니다. (이미지 출처: Hyperphysics/조지아 주립대학교)
스펙트럼의 GHz+ 부분에 도달할 수 있는 무접점 전력 증폭기(SSPA)의 발전으로 인해 마그네트론의 수요가 감소했고, 수킬로와트(kW) 수준의 출력(여기에서도 무접점 장치가 우세)을 제외하고는 전자 역사의 유물이 되었습니다.
그런데 여전히 마그네트론이 번성하는 분야가 하나 있습니다. 바로 소비자 가전 전자레인지와 베이킹 및 건조에 사용되는 많은 상용 오븐의 코어로서입니다. 이게 어떻게 가능할까요?
간단히 말해서, 마그네트론은 2.45GHz에서 수백와트를 제공하는 대량 생산, 저비용, 대중 시장 RF 출처의 역할을 비용 효율적으로 해냅니다(그림 2). 일급 비밀이었던 제2차 세계대전의 극초단파 에너지원이 이제 적게는 1대에 100달러, 더 크고 강력한 제품은 500달러 ~ 1000달러에 판매되는 전자레인지의 핵심으로서 대중 시장을 구성하는 요소가 되었다는 사실은 아이러니하면서도 대량 생산의 힘을 보여줍니다.
그림 2: 소비자 가전 전자레인지에서 2.45GHz 에너지를 생성하고 공급하는 단일 통합 조립품인 Panasonic의 마그네트론과 여기에 연결된 도파관 (이미지 출처: Encompass Supply Chain Solutions, Inc.)
하지만 마그네트론의 이러한 역할도 끝날지 모릅니다.
무접점 전력 증폭기(SSPA) 제조업체는 무접점 전력 증폭기를 잠재적으로 성장할 시장으로 보고 있지만 SSPA가 마그네트론의 기능을 대신할 수 있기 때문만은 아닙니다. 사실 마그네트론 기반 전자레인지에는 심각한 약점이 있는데, 마그네트론에 관해 자세히 알수록 명확히 보입니다.
예를 들어, 마그네트론은 출력 진폭을 조절하기가 어렵습니다. 전자레인지의 전력 레벨을 중간 단계로 맞추면 마그네트론의 펄스 폭이 변조(PWM)되어 중간 단계의 전력을 평균 전력으로 제공하지만 PWM 듀티 사이클이 약 수십초로 다소 길어 가열 시간이 짧은 경우에는 비효율적입니다. RF 출력을 유도하여 전자레인지 공동을 균일하게 꽉 채우는 데에도 문제가 있습니다. 가열 중에 멈춰서 음식을 저어주어야 하는 이유가 바로 이겁니다. 귀찮아서 하지 않는 사람이 대부분이지만요. 많은 전자레인지의 내장 회전판도 어떤 부분은 뜨겁고 어떤 부분은 차갑습니다.
무접점 PA를 선택하면 될까요?
이러한 의견이 마그네트론에 기반한 전자레인지의 그저 그런 성능에 대한 정성적 평가일 뿐이라고 생각한다면, 전자레인지에 대한 SSPA 사용을 주창하는 Ampleon의 ‘RF 무접점 요리 백서’에서 자세한 평가를 읽어보시기 바랍니다. 벤더이기 때문에 편견이 있을 수 있지만 이 보고서의 기술적인 세부사항과 테스트 이미지는 인상적이며 명확합니다.
Ampleon에서는 BLC2425M10LS500PZ(그림 3)와 같이 표준 전자레인지에 적합한 SSPA를 제공합니다. 500W급 LDMOS 전력 트랜지스터인 이 제품은 크기가 약 16mm × 32mm × 2mm이며 2.4GHz ~ 2.5GHz의 지속파(CW)로 작동하도록 설계되어 소비자 가전 전자레인지에 사용되는 기준인 2.45GHz 주파수를 아우르고 있습니다.
그림 3: 전자레인지의 2.4GHz ~ 2.5GHz 범위에서 최대 500W까지 공급할 수 있는 작은 크기의 BLC2425M10LS500PZ SSPA (이미지 출처: Ampleon)
왜 2.45GHz일까요? 이유를 파악하려면 Eric Bogatin의 ‘전자레인지가 2.45GHz로 작동하는 이유’ 블로그를 참고하시기 바랍니다. 말하려고 했던 그 답은 틀렸습니다. 물 분자의 공진 주파수이기 때문이 아닙니다. 흔히 있는 오해입니다. 많은 상용 전자레인지는 큰 내부 작업량을 효율적으로 채우기 위해 900MHz와 같이 더 낮은 주파수(그에 따른 긴 파장)로 작동합니다.
BLC2425M10LS500PZ SSPA의 주파수에 비교한 출력 전력을 더욱 명확하게 나타내면 그림 4와 같습니다.
그림 4: 출력 전력 기능으로서 전력 이득 및 드레인 효율성, BLC2425M10LS500P 전력 LDMOS 트랜지스터의 일반적인 값(이미지 출처: Ampleon)
Ampleon 이외에도 이러한 시장의 잠재력을 예상하는 RF SSPA 벤더는 많습니다. 예를 들어 MACOM Technology Solutions는 ‘GaN이 RF 에너지와 요리 관련 응용 제품을 어떻게 변혁하는가’라는 제목의 자체 기획물에서 이러한 시장 기회를 언급하고 있습니다. “아이스크림을 녹이지 않고 아이스크림과 스테이크를 같은 접시에서 요리하는 방법이 시연되어 방향성 RF 에너지의 정확성을 증명했다”는 부분은 꽤 인상적이었으며 에너지 레벨과 분배를 정확하게 제어하는 기능은 매력적인 이점입니다. 기획물에는 마그네트론 기반 전자레인지와 PA 기반 전자레인지의 속성을 비교한 유용한 표가 수록되어 있습니다(표 1).
표 1: 2.45GHz에서 무접점 전력 증폭기와 마그네트론 방식의 핵심 속성 비교 (이미지 출처: MACOM Technology Solutions)
전반적인 AC 라인에서 종단 효율, RF 효율, 출력 레벨 제어, 필요한 DC 전압(4kV가 아닌 28V)의 관점에서 기술적인 이점은 매우 명확합니다. 마그네트론은 진공관이므로 시간이 흐름에 따라 노후하고 탄다는 점에서 장기적인 신뢰성 문제도 있습니다. 실제로 사용량이 많은 상용 전자레인지는 표준 유지관리 관행으로 몇 주에 한 번씩 마그네트론을 교체합니다. 물론 SSPA 자체보다는 SSPA에 기반한 시스템에도 더 많은 문제가 있어 비용과 기타 설계 요인에게 영향을 줍니다(그림 5).
그림 5: PA 외에도 많은 추가적인 지원 회로망이 필요한 SSPA 기반 RF 에너지 요리 시스템 (이미지 출처: MACOM Technology Solutions)
결론
SSPA 기반 전자레인지가 곧 집에 있는 마그네트론 기반 전자레인지를 대신하게 될까요? 사람들은 500달러짜리 전자레인지보다는 100달러짜리 전자레인지에 만족하기 때문에 지금으로서는 SSPA의 높은 비용이 문제입니다. 사용 중인 전자레인지를 몇 년 후 못 쓰게 된다고 해도 대부분의 가정에서 이미 사용 후 버리는 가전으로 생각하고 있습니다. 남은 음식을 데우거나 팝콘을 튀기는 데만 전자레인지를 사용하는 사람들에게는 충분합니다.
SSPA의 훨씬 높은 효율, 낮은 가동 비용, 긴 수명이 높은 초기 비용을 능가하는 상업 환경이 마련되어야 처음으로 SSPA가 크게 도입될 것으로 보입니다. 장기적인 로드맵은 자동차와 같아서 기술적인 발전이 우선 고급 모델에 적용된 다음 단계적으로 중급과 보급형 모델에 적용될 것입니다. 결국 이전에 기화기 대신 최고급 자동차에만 적용되었던 연료 분사와 같은 기능이 이제는 모든 자동차의 표준이 된 것과 마찬가지죠.
초기 무접점 라디오에 소비자가 무슨 말인지도 모르는 ‘올 트랜지스터’ 라벨을 붙이거나 후기 CD 플레이어에 구매자(와 그 친구들)를 대상으로 ‘1비트 DAC 내장’이라고 명시되어 있던 것과 마찬가지로 최고급 전자레인지에는 전면 패널에 ‘무접점 전력 증폭기 내장’이라고 쓰인 라벨을 붙이게 될지도 모릅니다.
마그네트론 참고 자료
- Wikipedia, ‘Cavity Magnetron(공동 마그네트론)’(다량의 실증 참고 자료 링크 포함)
- Explain That Stuff, ‘How Magnetrons Work(마그네트론의 원리)’
- 조지아 주립대학, Hyperphysics, ‘The Magnetron(마그네트론)’
- 조지아 주립대학, Hyperphysics, ‘Microwave Ovens(전자레인지)’
- Microwaves101, ‘Magnetrons(마그네트론)’
- Engineering and Technology History Wiki, ‘Cavity Magnetron(공동 마그네트론)’
- The Valve Museum, ‘CV64’
- Lamps & Tubes, ‘CV64 Early British S-band Cavity Magnetron(CV64 초기 영국 S밴드 공동 마그네트론)’
- Radar Tutorial EU, ‘Magnetron(마그네트론)’
- Ampleon N.V., ‘RF Solid State Cooking(RF 무접점 요리)’
- ARMMS RF and Microwave Society, ‘Summary of Magnetron Development(마그네트론 발전 요약)’

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