열과 시간의 예술, 냄비와 프라이팬의 과학
과학이랑 산다-3
과학이랑 산다-3
열과 시간의 예술, 냄비와 프라이팬의 과학
박용기(KRISS 명예연구원, 맛있다 과학 때문에 저자)
라면을 어디에 끓여야 가장 맛있을까? 물론 개인 취향에 따라 다르겠지만, 많은 사람들은 ‘양은 냄비’를 최고로 꼽는다. 단순한 레트로적 감성 때문만일까? 실제로 양은 냄비는 물리적 특성과 조리 환경이 라면 맛에 최적화된 그릇이라는 과학적 근거가 있다고 알려져 있다.
양은 냄비와 라면
라면과 양은 냄비의 조합은 정말 과학적인 근거가 있는 것일까? 먼저 라면을 끓여 먹는 노란색 냄비의 정체에 대해 알아보기로 하자. 우리가 양은 냄비라고 부르는 노란색 냄비는 원래의 양은(洋銀) 냄비가 아니다. 이 냄비는 알루미늄에 노란색 산화알루미늄 피막을 입힌 냄비다. 양은(洋銀)이라는 이름은 구리에 아연과 니켈을 섞어 만든 은백색 합금으로 ‘서양에서 온 은(銀, silver)’이라는 뜻이었는데, 초기 알루미늄 용기 판매 업체들이 제품을 홍보하면서 흰색 알루미늄을 '양은'이라는 이름으로 불렀기 때문에 혼란이 생기게 되었다. 다시 말해 요즘 라면을 끓여 먹는 노란 냄비의 정확한 이름은 산화알루미늄 피막이 입혀진 알루미늄 냄비라 할 수 있다.
그렇다면 이 알루미늄 냄비에 라면을 끓이면 왜 맛있게 느낄까? 알루미늄은 열전도율이 매우 높은 금속으로 물이 빠르게 끓고 라면이 고르게 익는다. 한편 다 끓은 냄비를 불에서 내려놓으면 비교적 빠르게 온도가 내려간다. 그래서 라면 면발이 퍼지기 전에 먹을 수 있으며, 적당히 뜨거운 국물 마시기에도 좋은 온도가 된다. 여기에 더해 지난날의 감성이 어우러져 심리적인 맛이 더해지게 된다. 양은 냄비는 1970년대부터 분식집이나 기차역, 군대, 야외에서 많이 사용되었던 서민용 조리도구의 상징이었다. 그래서 ‘양은 냄비 = 라면’이라는 기억 연상 등식이 강하게 형성되어 있다고 할 수 있다. 즉 양은 냄비는 과학적으로도 라면에 최적화되어 있을 뿐만 아니라, ‘그때 그 맛’이라는 심리적인 효과까지 더해져 라면이 더 맛있고 진하게 느껴지게 만드는 것이다.
냄비와 프라이팬의 역사
냄비의 역사는 기원전 수천 년까지 거슬러 올라간다. 인류가 불을 사용하여 음식을 조리하기 시작하면서부터 등장한 가장 오래된 조리도구 중 하나이기 때문이다. 기원전 1만 년 전인 신석기시대에는 점토로 만든 토기 그릇을 불에 직접 올려 곡물 죽, 수프, 뿌리채소 등을 조리하는 데 사용했을 것으로 추정된다. 선사시대 사람들은 돌을 파서 만든 냄비에 물을 붓고, 뜨거운 돌을 그 안에 넣어 끓이는 방식으로 음식을 익혔다고 한다. 돌 냄비를 직접 불에 올리면 돌이 깨지는 경우가 많기 때문이다.
그 후 기원전 3,000년부터 500년까지의 고대 문명시대에는 지역에 따라 다른 재료의 냄비가 등장하였다. 메소포타미아 지역에서는 청동이나 구리 냄비가, 이집트에서는 구리 냄비에 손잡이가 부착된 형태가, 중국에서는 도자기나 청동 솥이 등장하였다. 그리스와 로마 지역에서는 철제 냄비나 삼발이 냄비 등이 등장하면서 찜, 끓임, 튀김 등의 용도로 분화하기 시작하였다. 중세에서 르네상스 시대에는 주철 냄비가 등장했는데, 난로나 벽난로 위에 올려놓기 좋은 바닥이 평평한 냄비가 보편화되었으며, 뚜껑이 있는 냄비도 시작되었다. 주철(鑄鐵, cast iron)은 무쇠라고도 불리며 1.7% 이상의 탄소를 함유하는 철 합금으로 녹여서 틀에 부어 그릇을 만들었다.
18세기 이후 산업혁명을 지나면서 철강 생산이 증가하여 철판 냄비나 주철 냄비가 대중화되기 시작하였으며 철의 녹 방지나 위생 개선을 위해 에나멜 코팅이 된 냄비도 등장하였다. 또한 19세기말에는 가볍고 열전도성이 좋은 알루미늄 냄비도 등장하게 되었다. 20세기에 들어서면서 1930년대에 스테인리스 스틸로 만든 가정용 냄비가 보편화되었으며, 1940년에서 1950년대에는 양은 냄비가 우리나라와 일본 등에서 인기를 얻었다. 1960년대 이후 테플론 코팅 기술이 발달하면서 눌어붙지 않는 냄비가 등장했다.
프라이팬(Flying pan)의 이름은 음식을 튀기거나 지지는 (fly) 주방용 도구라는 의미이지만, 그 기원은 평평한 조리 도구로부터 왔다고 할 수 있다. 냄비와 마찬가지로, 인류가 불을 사용하여 음식을 조리하기 시작한 선사 시대에 돌이나 진흙을 평평하게 다져 만든 판을 사용했을 것으로 추정된다. 기원전 3000년경 이후엔 메소포타미아와 이집트에서 청동이나 구리를 이용해 만든 납작한 조리 도구들이 등장해서 음식을 굽거나 지지는 용도로 사용되었다. 중세 유럽에서 용병들은 전쟁이 끝난 뒤 들고 다니던 작은 철제 방패를 모닥불에 얹어 고기를 구워 먹었는데, 이것이 지금의 프라이팬 원조가 되었다고도 한다.
로마인들은 "패텔라(patella)"라는 납작하고 넓은 냄비를 사용했는데, 이는 오늘날의 프라이팬과 유사한 형태였다. 다양한 재료를 볶거나 팬케이크를 만드는 데 사용되었으며, 철기가 발달하면서 철제 조리 도구도 만들어지기 시작했다. 철의 보급으로 중세 시대에는 주철로 만든 프라이팬이 뛰어난 열 보존력과 내구성 때문에 인기를 끌게 되었다. 주철뿐만 아니라 두드려 만든 단조 철 프라이팬도 사용되었다고 한다.
냄비와 마찬가지로 산업 혁명 이후 대량 생산과 재료의 다양화로 스테인리스 스틸과 알루미늄 등의 새로운 재료로 만든 프라이팬이 등장했다. 1938년에 듀폰(DuPont)의 화학자 로이 플런켓(Roy J. Plunkett)이 테프론(Teflon)으로 알려진 '폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)'을 발견했는데, 1956년 프랑스의 마르크 그레고아(Marc Gregoire)는 프라이팬에 이 PTFE를 코팅하여 "테팔(Tefal)"이라는 브랜드로 첫 논스틱(Non-stick) 프라이팬을 출시함으로써 논스틱 프라이팬 시대를 열었다.
냄비와 프라이팬의 과학
좋은 냄비와 프라이팬이 되려면 어떤 조건이 필요할까? 냄비의 경우에는 열전도율이 높아 열을 빠르게 전달해야 한다. 또한 열을 고르게 분산시켜 특정 부분만 타지 않고 고르게 음식이 조리되어야 한다. 위생적이면서도 내구성이 높고 뚜껑이 잘 밀폐되어 수증기 손실을 막고 빠르게 조리되어야 한다. 프라이팬의 경우 열 분산이 잘되어 음식을 고르게 가열하여야 하며, 조리 중 음식이 눌어붙지 않아야 하고 너무 무겁지 않으면서도 내구성이 있어야 한다.
이러한 조건들을 만족하기 위해 많은 과학적인 기술과 디자인이 등장하였다. 냄비에 사용될 수 있는 대표적인 재료는 구리, 알루미늄 및 스테인리스 강이다. 구리는 가장 높은 열전도율을 지닌 금속이지만 산화가 쉬워 위생과 관리에 문제가 있다. 알루미늄은 가볍고 열전도율도 좋지만 부식되기 쉬운 단점과 고온에서 조리 시 알루미늄 성분이 용출될 수 있다. 한편 스테인리스강은 위생적이고 내구성이 뛰어나지만 열전도율이 낮은 문제를 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 스테인리스 냄비의 바닥을 두껍게 하고 3층으로 만든 3중 바닥 기술을 적용한다. 즉 스테인리스강 + 알루미늄 또는 구리 + 스테인리스강으로 만든다. 이렇게 함으로써 열전달도 빠르게 하면서 열을 저장하는 능력인 열용량도 높여 음식이 쉽게 타지 않고 골고루 익을 수 있게 한다.
프라이팬의 경우 열전달은 주로 전도에 의해 일어난다. 즉 가스불이나 전기 히터와 프라이팬이 접촉된 면을 통해 열이 전달되고 그 위에 있는 음식으로 전달되는 방식이다. 그러므로 프라이팬 설계의 핵심은 열을 어떻게 빠르고 고르게 전도시킬 것인가에 집중된다. 이를 위해 냄비와 마찬가지로 바닥을 알루미늄이나 구리층을 함께 사용하여 만든 3층 구조나 구리나 알루미늄이 반복적으로 적층 된 5층 혹은 7층 구조의 프라이팬도 있다. 이 경우 다른 종류의 금속들의 열팽창률 차이 때문에 이음새가 갈라지지 않도록 하는 정밀 접합 기술이 필요하다. 이와 함께, 팬 바닥에 나선형이나 방사형 홈을 넣어 열에 접촉되는 표면적을 넓게 함으로써 고르고 빠른 열전달을 돕는 구조로 디자인하기도 한다.
5층 구조의 바닥: 자료 출처 https://blog.naver.com/hanilsts_corp/222362842899너무 무거우면 조리 중 불편하지만, 적당한 무게감이 열 보존에 유리하기 때문에 적절한 무게로 설계되며, 손잡이는 열전도율이 낮은 실리콘이나 속이 빈 스테인리스 소재를 사용한다. 주물 팬의 무게는 맛과 비례한다는 말이 있다. 주물 팬은 묵직해서 쓰기 힘들지만, 오히려 전문 셰프들이 즐겨 쓰는데, 그 이유는 열을 오래 머금고 골고루 전달해 주기 때문에 스테이크나 고기류를 구울 때 바삭한 겉면과 촉촉한 속살을 만들어 주기 때문이다.
어떤 냄비의 손잡이는 얼핏 보기에는 냄비와 동일한 스테인리스 강을 사용하는데도 음식을 조리하는 동안에 뜨겁지 않아 손으로 잡을 수 있는데, 이는 보이지 않는 곳에 열차단 구조의 설계가 숨어있기 때문이다. 즉 본체와 손잡이 사이에 미세한 공기층을 두거나, 열전도율이 낮은 절연 디스크를 삽입하기도 한다. 또한 스테인리스 스틸은 알루미늄이나 구리보다 열전도가 느릴 뿐만 아니라 속이 비어있는 튜브형으로 손잡이를 만들 경우 내부의 공기층이 단열재 역할을 해서 열전달을 막아준다.
조리 중 음식이 달라붙는 이유
코팅되지 않은 프라이팬에 음식이 달라붙는 현상은 표면장력, 분자 간의 인력, 그리고 열역학적 변화가 복합적으로 작용하는 결과다. 물질을 이루는 분자들 사이에는 기본적으로 서로 끌어당기는 힘이 존재하는데, 같은 종류의 분자끼리 당기는 힘을 응집력, 다른 종류의 분자끼리 당기는 힘을 접착력이라 부른다. 음식에는 단백질, 탄수화물, 지방, 수분 등 다양한 분자들이 포함되어 있고, 프라이팬의 표면은 철이나 크롬 등 금속 원자들로 이루어져 있다. 음식을 프라이팬에 올리고 열을 가하면, 음식 속의 분자들과 프라이팬 표면의 금속 원자들 사이의 거리가 매우 가까워지고, 이때 분자 간 접착력이 작용하여 서로 달라붙게 된다. 특히 단백질과 탄수화물은 프라이팬 표면에 있는 미세한 틈새로 파고들어 금속 원자들과 강하게 결합하는 경향이 있다.
달걀, 고기, 생선 등 단백질이 풍부한 음식을 가열하면, 단백질 분자들이 구조를 바꾸는 변성이 일어나는데, 변성된 단백질은 이전보다 훨씬 더 활동적이고 끈적끈적한 성질을 갖게 된다. 이 끈적해진 단백질 분자들이 뜨거운 프라이팬의 금속 표면과 강력한 화학적 결합을 형성하면서 음식은 표면에 달라붙게 된다. 코팅되지 않은 프라이팬의 표면은 맨눈으로 보기에는 매끄러워 보이지만, 현미경으로 확대하면 수많은 미세한 흠집과 요철(凹凸)이 존재한다. 음식 분자들이 이 흠집 사이로 파고들어 가 엉겨 붙으면, 음식이 표면에서 떨어져 나오기가 훨씬 더 어려워지게 된다.
그렇다면 코팅된 프라이팬에는 왜 음식이 달라붙지 않을까? 논스틱(non-stick) 코팅의 핵심은 낮은 표면 에너지다. 흔히 테플론(Teflon)이라 불리는 PTFE라는 물질은 표면 에너지가 극도로 낮다. 표면 에너지가 낮을수록 다른 물질과 화학적 결합을 하지 않게 된다. 즉 코팅은 음식에게 는 얼음판처럼 미끄러운 바닥이 되는 것이다. 미끄러운 정도는 마찰계수를 비교해 보면 알 수 있다. 강철의 마찰 계수는 약 0.6인데 PETT의 마찰계수는 약 0.05 이하다. 이는 눈의 마찰 계수(0.05~0.07)와 거의 같은 수준이다. 이 밖에도 티타늄과 다이아몬드 강화 코팅도 사용하는데, 금속과 광물 성분을 혼합해 단단하고 열전도성이 좋은 불활성 표면을 만들어 고온에서도 달라붙지 않는 코팅이 된다.
조리 시 사용하는 기름 또한 표면 에너지가 낮은 비극성 물질로, 음식이 팬에 들러붙는 걸 방지해 준다. 코팅이 되지 않은 팬도 팬을 충분히 뜨겁게 달구어 기름을 넣으면 기름이 팬 전체에 얇은 막을 형성하는 ‘라이덴프로스트 효과(Leidenfrost effect)'가 나타나게 된다. 이 상태에서 조리할 음식을 넣으면, 음식 속의 수분이 증발하면서 팬 표면에 미세한 수증기 층을 형성해서 음식이 팬 위에 미세하게 떠 있는 형태가 되어 단백질 변성으로 인한 결합을 억제할 수 있다. 기름은 음식 분자와 팬 표면 사이에 얇은 분리막을 형성하여 직접적인 접착을 막아주는 역할을 한다. 또한 기름은 팬의 미세한 흠집을 채워주어 음식이 달라붙을 틈을 줄여주게 된다.
오래된 주철 팬은 길이 들어 새 팬보다 달라붙는 현상이 줄어들게 되는데, 이는 ‘시즈닝’이라는 과정을 거쳤기 때문이다. 즉 고온에서 기름을 사용하다 보면 기름의 불포화지방산이 중합(polymerization) 과정을 거쳐 팬 표면에 단단하고 얇은 중합된 지방(polymerized fat) 막을 형성하여 팬 표면의 미세한 흠집을 메워서 자체로 논스틱 코팅 역할을 하게 되기 때문이다.
라이덴프로스트 효과(Leidenfrost effect), 자료 MIT Technology Review냄비와 프라이팬의 미래
미래의 팬은 어떤 모습일까? 미래의 냄비나 프라이팬도 과학기술에 따라 스마트하게 진화할 것으로 예측한다. 즉 온도를 스스로 판단하고, 조리법을 추천하며, 환경까지 생각하는 지능형 조리 파트너로 진화할 것이다. 몇 가지 예로는 팬 표면 온도를 실시간 측정하여 자동으로 불조절을 알려주고, 스마트폰 앱에서 팬의 온도, 조리 시간, 뒤집는 타이밍을 알려주며, 팬과 음식 종류에 따라 최적의 온도와 시간 및 기름양을 AI 알고리즘으로 알려주는 팬 등이 등장할 것이다. 또한 첨단 소재 코팅 기술이 적용된 무선 전기 조리 팬 등도 생각해 볼 수 있다. 그중 하나가 그래핀이라는 물질이다. 그래핀은 탄소원자가 벌집 모양의 육각형 격자를 이루는 구조를 가진 물질로 두께가 탄소원자 1개 수준으로 (약 0.335 나노미터) 매우 얇고 가벼울 뿐만 아니라, 강철보다 약 100 배 강한 인장강도를 가진다. 구리보다 뛰어난 전기 전도율과 어떠한 물질보다 우수한 열전도성을 가지고 있다. 또한 화학적으로 안정된 친환경 소재다. 그래핀이 코팅된 프라이팬의 장점으로는 빠른 열전달과, 스크래치에 강한 내마모성, 코팅이 매끄럽고 오염 물질이 달라붙지 않아 물로도 세척이 용이하고 인체에 안전한 점이다. 그래핀은 단독으로 코팅되기보다는 세라믹, 알루미늄, 탄소강 등의 재질과 복합적으로 혼합 코팅되어 사용된다. 이미 그래핀 코팅 팬은 Neoflam, GreenPan 및, 독일 WMF 등에서 상용화되었으며 국내에서도 해피콜 등에서 시판하고 있다.
그래핀 코팅된 프라이팬* 이 글은 한국표준과학연구원 사보 <KRISS> 2025 가을호에 실린 제 과학 칼럼입니다.
글을 실어준 '한국표준과학연구원'과 멋진 편집을 해준 '(주)홍커뮤니케이션즈'에 감사드립니다.
