주전자의 물리학 : 플라토-레일리 이펙트가 브루잉 커피 추출에 미치는 영향

by Coffee Ad Astra

An illustration of the Plateau-Rayleigh effect, where an initially smooth stream of water (top) gradually becomes more sinuous and eventually breaks into droplets. Source: NIST.

하지만 Coffee Ad Astra에서는 플라토-레일리 이펙트(Plateau-Rayleigh Effect)라는 현상을 통해 추출의 효율에 대해 심도 있게 다룬다. 플라토-레일리 이펙트는 물줄기가 중력에 의해 떨어질 때, 표면 에너지가 감소하여 구형의 물방울로 분리되어 떨어지는 현상을 가리킨다. 이는 물 분자의 극성 때문인데 물 가운데 포함된 물 분자의 응집력이 표면으로 갈 수록 떨어지기 때문에 분리되는 현상이다. 따라서 드립 포트의 기울기, 드립포트의 구즈넥이라 불리는 마지막 끝 부분의 거칠기와 부드러움의 정도에 따라 플라토-레일리 이펙트로 인해 분리되는 시점이 달라질 수 있다는 것이다.

Illustration of flow regimes and breakup length for gradually increasing pour rates (left to right), based on a simulation by Bertola & Brenn (2019).

이 블로그에서 직접 삽입한 이미지를 참조해 보면, "L"이라 표기된 부분이 다양한 주변 요소에 따라 분리되는 시점이 다르다는 것을 보여주는 삽화이다. 위에 표기된 "L"을 우리는 "해체 길에(Breakup Length)"라 부른다. 즉, 다양한 요소들이 플라토-레일리 현상을 더 빠르게 할 수도 있다는 것이다. 이는 드립 포트의 구조나 설계 혹은 우리가 드립 포트를 기울이는 정도와 물줄기의 속도에 따라 이 해체 길이가 길어질 수도 짧아질 수도 있음을 의미한다.

Measured breakup length as a function of pour rate for the Stagg EKG 0.6L kettle and the Brewista Artisan 0.6L kettle, with and without a flow restrictor. Each kettle had a pour rate that maximizes breakup length at about 8 g/s, and the Stagg EKG has a longer breakup length at most pour rates due to its gooseneck being smoother. Adding a flow restrictor to the Brewista reduced its optimum pour rate, but also reduced its longest breakup length.

이 블로그에서는 펠로우의 EKG 0.6L 드립포트와 브뤼스타 0.6L 드립포트 그리고 브뤼스타의 구즈넥 부분에 유량 조절기(Restrictor)를 장착한 모델을 비교한다. 붓는 속도에 따라 다르긴 하나 펠로우 EKG 드립 포트가 8g/s의 유속에서 해체 길이가 가장 길다는 점을 볼 수 있다. 위 그래프에서 확인할 수 있는 점은 붓는 속도에 따라, 붓어지는 드립 포트의 종류에 따라서도 "해체 길이"가 짧아질 수도 혹은 길어질 수도 있다는 점을 보여준다. 

Illustration of different types of agitation imparted to the coffee slurry by different shapes of water streams.

그렇다면 "해체 길이가 긴 것과 짧은 것 가운데 어떤 방식이 추출에 있어 더 긍정적인가?"라는 질문이 생긴다. 물론 다양한 요소들이 추출에 영향을 미치기 때문에 좋고 나쁘다를 획일적으로 제단할 수는 없으나, "교반(Agitation)"의 관점에서는 해체 길이가 긴 물줄기가 커피 베드에 더 깊은 곳까지 도달해 물과 커피 입자의 난류를 발생시킬 수 있기 때문에 더 균일한 추출이 가능해진다고 추론해볼 수 있겠다. 위 사진에서 확인할 수 있는 것처럼 해제된 작은 물방울들은 커피 베드에 교반을 잘 일으키지 못할 수 있다.

그렇다면 우리가 가지고 있는 드립 포트 혹은 주전자의 해체 길이를 어떻게 길게 가져갈 수 있을까? 이는 물줄기를 떨어뜨리는 높이와도 관련이 있으며, 구즈넥 부분의 마감과도 관련이 있을 수 있다.

Depth of agitation and bubble entrainment as a function of pour rate. Choosing a pour rate that falls just below the slurry will maximize agitation; higher pours will cause only shallow agitation, and lower pours will cause laminar currents in the slurry. Based on experimental data from Qu et al. (2011).

위 그래프는 붓는 속도에 따른 교반의 깊이를 볼 수 있는 그래프이다. 위 그래프를 참조해보면 물을 붓는 높이(높이에 따라 중력 가속도의 영향으로 속도가 변하기 때문에 속도라고도 볼 수 있겠다.)에 따른 교반의 영향을 볼 수 있다. 위 그래프를 보면 특정 높이가 교반에 긍정적이라는 것을 이해할 수 있으며, 너무 높은 위치도 부정적일 수 있음을 보여준다. [위의 Bubble Entrainment는 물과 커피 입자가 충돌하게 되었을 때, 발생하여 뒤섞이는 현상을 의미한다.]

Depth of agitation and bubble entrainment as a function of nozzle roughness (i.e., gooseneck roughness in the context of coffee brewing) and the impact velocity of water. Based on experimental data from Baylar et al. (2016).

또 한가지 요소는 구즈넥 포트의 마지막 마감부분이 부드럽게 되어 있는지 거칠게 되어 있는지에 따라 교반의 영향이 달라질 수 있음을 보여준다. 부드러운 곡선과 마감의 노즐의 경우 훨씬 더 교반이 잘 일어날 수 있다는 점을 보여주며, 물의 속도가 증가할수록 교반이 더 잘 일어난다는 점도 읽을 수 있다.

따라서 해체 길이가 길어질 수록 응집된 양이 많은 물에 중력 가속도가 붙게 되어 물줄기의 속도가 더 빨라지고 이는 더 많은 교반을 일으킬 수 있다. 이것은 해체 길이가 더 긴 주전자 혹은 드립 포트를 선택할 경우, 더 강하게 깊은 교반이 일어나게 할 수 있음을 의미한다. 하지만 해체 길이가 긴 것이 또 무조건 좋다고 말할 수는 없다. 그 이유는 미분이 많은 커피 베드의 경우에 커피 베드에 너무 많은 교반을 일으키면 미분 때문에 종이 필터의 미세한 홀들이 더 빠르고 더 쉽게 막힐 수 있기 때문이다. 

따라서 필자는 자신이 사용하는 드립 포트에 따라 적당한 물줄기 높이와 속도를 찾는 것이 중요하다고 밝힌다. 물론 내가 사용하는 그라인더가 미분을 적게 발생시키는지, 많이 발생시키는지에 따라서도 생각해봐야 한다. 미분이 많이 발생하는 그라인더라면 위에서 설명한 것처럼 해체 길이가 짧은 것이 좋을 수도 있기 때문이다.

Illustration of the teapot effect, causing the stream of water to bend towards the kettle especially at slow pour rates. A hydrophobic coating completely eliminates the adhesion of water to the gooseneck surface and therefore eliminates the teapot effect completely. Source: phys.org.

해체 길이에 영향을 줄 수 있는 또 한가지 요소는 물이 구즈넥에서 떨어지는 각도이다. 일반적으로 수직으로 떨어지는 물줄기의 흐름이 제어하기 쉽고, 좋은 해체 길이를 유지하며, 커피 베드에서 물과 닿지 않는 부분을 적게 한다. 물줄기의 흐름을 수직으로 만들기 위해서는 드립 포트를 천천히 움직이면서 물줄기의 흐름이 방해를 받지 않으며, 추출하는 동안 안정적인 높이를 유지할 수 있도록 한다. 물론 최근 출시되고 있는 많은 고가의 드립 포트들은 이와 같은 노력을 적게 하면서 좋은 물줄기의 흐름을 얻을 수 있다.

위 사진의 상단 부분은 일반적인 주전자이며, 하단 부분의 사진은 소수성 코팅이 된 주전자이다. 위 이미지를 보면 소수성 코팅이 된 주전자가 훨씬 물 붓기가 편하다는 것을 확인할 수 있다.

Illustration of an agitation map based on different pour heights and pour rates. I normally aim for the “sweet spot” where agitation is turbulent and significant, i.e. when pour height is just below the breakup height that would cause a splattering sound. I select the highest pour rate that does not result in filter clogging, typically 5 g/s.

위 가이드 맵에서 필자는 최고의 물줄기 속도와 높이를 찾기 위해 위와 같은 가이드를 제시했다. 위 가이드를 보면 물줄기가 커피 베드의 표면에 닿았을 때, 물이 튀지 않을 정도의 높이에서 부어줌으로 교반을 극대화하는 유량 속도를 찾는 것을 목표로 할 수 있다는 점을 보여준다. 

Illustration of my pour strategy placed on top of the previous agitation map. I normally start at 5 g/s, and if a given coffee draws down very fast because it has a small amount of fines, I go to faster pour rates and pour from slightly higher to maintain a breakup length just below the surface of the slurry. If on the other hand a coffee generates an unusual amount of fines, I will pour slightly slower, and adjust the pour height lower so to avoid the splattering sound.

앞서 언급된 가이드 맵은 필자의 추출 환경에 적용된 가이드이며, 자신이 사용하는 그라인더가 미분을 얼마나 발생시키는지에 따라 그 적용되는 물줄기 높이와 속도가 달라질 수 있다.

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