미분이란 무엇인지 정의하는 데서 출발해, "미분은 표면적이 넓어서 나쁘다"는 통념이 뒤집혀온 과정을 따라가고, 그 물리적 메커니즘과 재현성 문제, 그라인더·로스팅과의 관계까지 정리한다.
✍ 제가 공부했을때 미분은 미신과 같은 영역이었습니다. 그때보다 많은 시간이 지난 지금은 미신의 영역이 아닌 현실의 영역에서 다뤄지고 있습니다. 최근 몇개의 기사와 블로그 그리고 논문을 찾아보고 알게된 점을 정리했습니다. 많은 도움 되셨으면 합니다. 이 글은 그 다음 포스팅인 '터보샷'과 연결됩니다.
— 씸팍미분(微粉)이란 무엇인가
원두를 그라인더로 갈면 입자 크기 분포가 하나의 봉우리가 아니라 이봉분포(bimodal distribution)를 이룬다. 큰 입자군("boulders")과 작은 입자군("fines" = 미분)인데, 이 둘은 생성 메커니즘 자체가 다르다.
- 큰 입자(boulders) — 크기가 버(burr) 간격으로 결정된다. 그라인더를 가늘게 돌리면 이 봉우리 자체가 작아진다.
- 미분(fines) — 원두가 깨질 때 파쇄 계면(fracture interface)에서 부수적으로 생성된다. 그라인더 세팅을 바꿔도 미분 입자 하나하나의 절대 크기는 거의 변하지 않는다. 세팅을 조절하면 변하는 건 미분의 "비율"이지 미분의 "크기"가 아니다.
Hendon 외(2020)은 이 현상을 화산 폭발로 생긴 암석 파편이 큰 덩어리와 미세먼지로 따로 갈라지는 파쇄 물리학에 비유한다.
직접 조절되는 것 — 굵은 입자(boulders)의 크기. 버 간격이 결정한다. 간접적으로 딸려오는 것 — 미분의 "양(비율)". 원두를 더 잘게 부수려면 파쇄가 더 많이 일어나야 하고, 그 과정에서 부수적으로 미분이 함께 생긴다. 즉 미분은 목표가 아니라 부산물(副産物)이다. 조절되지 않는 것 — 미분 입자 하나하나의 크기. 이건 원두라는 재료 자체의 파괴역학이 정하는 값에 가깝다.
어디까지를 미분으로 볼 것인가는 논문마다 다르다.
| 출처 | 미분 정의 방식 | 컷오프 |
|---|---|---|
| Smrke 외(2020) | Camsizer X2 입도분석기, 부피 기준 Q100µm | 100µm |
| Hendon 외(2020) | boulders/fines 경계 | 100µm |
| Smrke 외(2024) 조작실험 | 체(sieve)로 물리적 분리 후 첨가 | 120µm |
| Smrke 외(2024) PLSR 분석 | 추출시간에 양(+)의 계수를 갖는 구간 | 약 150µm 이하 |
| Mo 외(2023) | 이봉분포의 작은 쪽 봉우리 위치 | 약 25~50µm(세포 파편 크기) |
100µm은 물리법칙이 그은 절대적 경계가 아니라 연구자가 고른 편의상의 컷오프다. 미분은 딱 떨어지는 "제2의 입자군"이라기보다, 작아질수록 연속적으로 영향력이 커지는 스펙트럼에 가깝다.
미분을 이해해온 순서 — 뒤집힌 통념
지금까지 모인 자료를 하나의 흐름으로 놓고 보면, 미분의 역할에 대한 이해가 네 단계로 뒤집혀 왔다.
| 단계 | 주장 | 근거 |
|---|---|---|
| 통념 | 미분은 표면적이 커서 그 자체로 용해물을 많이 뽑아낸다 | 오래된 업계 상식 — "미분=쓴맛" |
| 1차 반박 | 미분은 표면적으로 직접 기여하는 게 아니라, 베드의 투과성(permeability)을 조절해 물길만 늦춘다 | Smrke 2020·2024 |
| 물리적 뒷받침 | 그 "물길이 늦어지는" 현상 자체가 관성 효과와 침식이라는 유체역학으로 설명됨 | Mo 외 2023 (X선 CT + SPH 시뮬레이션) |
| 재현성 축 | 미분 비율이 일정 수준을 넘으면 부분 클로깅으로 베드 일부가 아예 추출되지 않아, 오히려 EY가 꺾인다 | Hendon 2020 |
표면적 가설은 사실상 폐기된 셈이다. 미분이 "나빠서" 쓴 게 아니라, 미분이 유로를 막아 물이 특정 구역을 지나치게 오래 혹은 아예 안 지나가게 만드는 것이 문제라는 쪽으로 결론이 수렴한다.
미분의 진짜 역할 — 표면적이 아니라 투과성
Smrke 외(2024)는 코스타리카 아라비카 원두를 그라인더 세팅(160~250µm 버 간격)만 바꿔가며 갈고, 120µm 체로 걸러낸 미분 분획을 1g·2g·4g씩 인위적으로 첨가하는 조작 실험으로 이를 직접 검증했다.
편중최소제곱회귀(PLSR)로 전체 입도분포 곡선 자체를 변수로 넣어 분석한 결과, 150µm 이하 구간의 입자 비율은 추출시간과 양(+)의 관계, 250µm 이상 구간은 음(-)의 관계를 보였다. 그런데 미분을 첨가해도 "수율(EY)-시간" 관계 곡선 자체를 벗어나게 하지는 않았다 — 미분을 넣어도 그 시간-수율 곡선 위 어딘가에 위치할 뿐, 곡선의 모양 자체는 바뀌지 않았다.
기존 통념은 "미분이 작아서 표면적이 크고, 그래서 용해물을 빨리·많이 뽑아낸다"는 것이었다. 실측 결과는 이걸 뒤집는다 — 미분은 추출효율 자체를 높이는 게 아니라, 베드의 투과성(permeability)만 조절한다. 물이 얼마나 오래·천천히 지나가게 만드는지를 바꿀 뿐, 미분 자체가 용해물을 더 많이 내놓는 건 아니다.
천체물리학자이자 커피 데이터 분석가인 Jonathan Gagné는 이를 다음과 같이 표현했다.
"우리가 에스프레소를 다이얼인할 때 조절하는 건 사실 미분의 양이지, 굵은 입자의 평균 크기가 아니다."
— Jonathan Gagné, Coffee ad Astra에서 재인용
Smrke 2024의 실측이 이 발상을 실험적으로 확인해준 셈이다.
물리적 메커니즘 — 관성 효과와 침식 모델
Mo, Johnston, Navarini, Suggi Liverani, Ellero(2023)는 일리(illycaffè) 하이퍼에스프레소 캡슐 4종(E=에스프레소용~F=드립필터용, 분쇄도가 굵어지는 순서)을 X선 마이크로CT로 스캔해 3D 미세구조를 얻고, 스무스드 파티클 유체역학(SPH) 시뮬레이션으로 물이 흐르는 양상을 재현했다. 실험이 아니라 디지털 트윈에 가까운 접근이다.
관성 효과 — 압력을 세게 건다고 유량이 비례해서 늘지 않는다
낮은 압력 구배에서는 다르시의 법칙(유량∝압력)이 잘 맞았지만, 실제 에스프레소 압력(9bar) 수준으로 올리면 유량 증가폭이 선형보다 완만해졌다. 시뮬레이션 속 베드는 압축되지 않는 정적 구조였는데도 같은 현상이 나타나, 원인이 베드 압축이 아니라 순수한 유체 관성(레이놀즈수 0.84~3.86 구간)임을 확인했다. 그래서 단순 다르시 법칙 대신 포르히하이머(Forchheimer) 보정식을 적용해야 정확하다는 결론이다.
침식(erosion) 모델 — 추출 후 하단이 상단보다 더 성글어진다
추출 전에는 균일했던 커피층의 다공성이, 추출 후에는 항상 물이 나가는 쪽(하단)이 물이 들어오는 쪽(상단)보다 더 성글어졌다. 직관과는 반대되는 결과다. 원문은 두 가지 물리적 시나리오를 제시한다.
- 물에 완전히 젖지 않은 입자 내부에 기체가 갇혀 부서지기 쉬운(brittle) 상태로 남고, 취성재료의 파괴 기준은 압력 의존적이라 이 입자들이 압력차에 의해 부서지며 미분이 하단으로 씻겨 내려간다.
- 개별 미분이 굵은 입자 표면에 정전기적으로(electrostatically) 들러붙어 있다가, 그 부착력을 흐름의 유체력이 넘어서는 순간 떨어져 나가 씻겨 내려간다.
저자들은 두 메커니즘이 공존할 수 있다고 본다.
실측 데이터 — 굵을수록 평균 투과율도, 편차도 함께 커진다
4단계 분쇄도별로 6개 표본 위치에서 측정한 다르시 투과율(kD, 단위 10⁻¹³m²)이다.
| Type | 6개 표본 kD 값 | 평균 | 최소~최대 |
|---|---|---|---|
| E (가장 가늠) | 1.34, 27.6, 13.4, 0.27, 0, 4.59 | ≈7.9 | 0 ~ 27.6 |
| H (캡슐용) | 5.59, 2.58, 35.1, 7.99, 14.3, 18.6 | ≈14.0 | 2.58 ~ 35.1 |
| M (모카포트용) | 38.5, 1.74, 29.4, 10.3, 7.81, 13.0 | ≈16.8 | 1.74 ~ 38.5 |
| F (가장 굵음) | 66.6, 27.4, 1.38, 20.7, 32.1, 1.19 | ≈24.9 | 1.19 ~ 66.6 |
가장 눈에 띄는 지점 — Type E(가장 가는 분쇄)의 표본 하나는 kD=0이다. 원문 각주는 "Type E powder is the finest powder, therefore in some regions the flow is nearly clogged"라고 밝힌다. 같은 퍽 안의 한 지점이 사실상 완전히 막혀 물이 거의 안 지나갔다는 뜻이다. 논문의 결론은 다음과 같다.
"같은 베드 안에서도 위치별 투과율의 편차가 상당히 크며, 분쇄가 굵어질수록 그 편차도 함께 커진다. 그럼에도 평균 투과율은 분쇄가 굵어질수록 꾸준히 증가한다."
— Mo 외(2023), Summary and conclusions
즉 굵게 갈수록 평균적으로는 물이 더 잘 통하지만, 동시에 베드 안 위치마다 투과율이 들쭉날쭉해지는 정도도 커진다. 다만 타입당 표본이 6개뿐이라, 원문도 "표본이 적지만 정성적 차이는 보여준다"고 스스로 유보를 붙인다.
재현성의 문제 — 부분 클로깅
Hendon 외(2020, Matter)는 균일한 흐름을 가정하면 "그라인더를 가늘게 할수록 추출수율(EY)이 단조 증가한다"고 모델이 예측하지만, 실제 카페 실험(San Remo Opera 머신, Mahlkönig EK43 그라인더, 20g 투입→40g 추출, 92°C)에서는 그라인드세팅(GS) 1.7 근방을 기준으로 그보다 가늘게 갈면 오히려 EY가 감소하는 정점(peak) 형태가 나타났다고 보고한다.
저자들은 이를 "부분 클로깅(partially clogged flow)" — 베드 일부 영역의 물길이 막혀 사실상 추출되지 않는 현상 — 으로 해석한다. 극단적 가정(일부 영역이 완전히 건조 상태로 남는다고 가정)으로 역산하면, GS 1.1/1.3/1.5에서 각각 예측 대비 13.1%/6.1%/2.6%의 EY 손실이 클로깅으로 설명된다.
같은 22% EY라도 "미세하게 갈아 부분적으로 막힌 상태에서 도달한 22%"와 "굵게 갈아 균일하게 도달한 22%"는 분자 조성이 다르다 — 소비자가 같은 샷을 "쓰면서 동시에 시다"고 묘사하는 경험(서로 다른 화학적 기원을 가진 두 맛의 공존)과 연결된다.
이 논문의 그라인드세팅(GS)은 미크론(µm) 절대값이 아니라 EK43 그라인더 다이얼의 임의단위(a.u.)다. Smrke 2024의 160~250µm 버 간격이나 Camsizer 기반 X50/Q100µm 지표와는 척도 자체가 달라, GS 수치를 그대로 미크론 값과 비교할 수 없다.
실험 장비: San Remo Opera 3그룹 머신, Puqpress 자동 탬퍼(98N 고정압), Acaia Lunar 저울. 베드 충전율 φs=0.8272, 확산계수 Ds=6.25×10⁻¹⁰ m²/s, 반응속도상수 k=6×10⁻⁷ m⁷·kg⁻²·s⁻¹를 모델 피팅으로 얻었다. SCA 권장 EY 범위는 17~23%다.
그라인더와 미분 — 코니컬 vs 플랫
이론을 세운 뒤에는 실제 도구로 넘어가게 된다. 처음 세운 직관은 두 갈래로 갈렸다 — "플랫버는 다단 전단 구조라 재절삭이 많아 미분이 많다"는 가설과 "코니컬버는 절삭보다 압착파쇄에 가까워 미분이 많다"는 가설. 둘 다 서로 다른 메커니즘(재절삭 횟수 vs 파쇄 방식)에 근거한 정반대 결론이었고, 어느 쪽도 캡처한 학술 논문(모두 플랫버 그라인더인 EK43·Bentwood Vertical 63만 사용)으로는 검증되지 않았다.
실측 데이터가 답에 가장 가까이 다가간 자료는 Jonathan Gagné가 Kaffeemacher/ZHAW 팀의 24종 그라인더·300개 입도분포 데이터를 분석한 글이다.
- 코니컬 버는 평균적으로 플랫 버보다 덜 단봉형(=미분이 더 많음)이고 덜 균일함(=boulders 변이가 큼). 다만 개별 그라인더 간 겹침이 커서 "평균적으로만 참"이다.
- 통념과 반대로, 미분이 적을수록(단봉형) boulders 변이도 함께 적다(균일) — 재절삭을 많이 하면 균일해지지만 미분도 는다는 예상은 데이터에서 틀렸다.
- RPM은 단봉성·균일성과 뚜렷한 상관관계가 없다.
- 버 지름이 클수록 균일해진다는 통념도 이 데이터셋에서는 뚜렷하지 않다 — 버 톱니 형상·코팅이 지름보다 중요한 변수로 보인다.
- 다이얼인은 사실상 그램당 미분량을 안정된 값으로 맞추는 작업에 가깝다. 그런데 반직관적으로, 원래 미분이 적게 나오는 그라인더일수록 에스프레소로 다이얼인하려면 더 가늘게 갈아야 해서, 다이얼인된 상태의 그램당 미분량은 오히려 더 많아지는 "오버슈팅" 현상이 관찰됐다.
— Jonathan Gagné, Coffee ad Astra(2023)
독립 저자 Ryan Hill은 다른 각도의 가설을 제기한다 — "코니컬=이봉분포, 플랫=단봉분포"라는 차이가 실은 파쇄량의 차이가 아니라 배출(retention) 방식의 차이일 수 있다는 것이다. 코니컬버는 중력으로 낙하시켜 만든 미분을 거의 다 내보내는 반면, 기울어지지 않은 플랫버는 원심력으로 밀어내는 구조라 미분이 홈에 걸려 그라인더 안에 남을 수 있다. 즉 플랫버가 "미분을 덜 만드는" 게 아니라 "만든 미분의 일부를 밖으로 안 내보내는" 것일 수 있다는 것이다 — 아직 검증되지 않은 대안 가설이다.
그라인더 제조사(QIKA)가 발행한 "64mm 플랫버가 미분 58% 적다"는 자료도 있으나 신뢰도 낮음 — 벤더 마케팅 콘텐츠로, 방향성은 Gagné의 데이터와 얼추 부합하지만 구체적 수치의 출처가 불분명하다.
결정적 변수는 "코니컬이냐 플랫이냐"라는 카테고리 자체가 아니라, 개별 제품의 톱니 설계·버 지름·RPM일 가능성이 크다. 두 형태 모두 내부적으로 "굵은 파쇄용 이빨 → 가는 절삭용 이빨" 구조를 함께 갖고 있어, 형태만으로 미분량을 예측하는 것 자체가 지나친 단순화다.
로스팅과 미분 — 미해결로 남는 지점
로스팅이 진행될수록(라이트→다크) 밀도는 낮아진다. 두 효과가 겹치기 때문이다.
- 질량 감소 — 수분(생두 10~12% → 원두 1~3%)이 빠지고, 마이야르 반응·캐러멜화 과정에서 유기물이 분해되며 휘발성분이 빠져나간다.
- 부피 증가 — 1차 크랙 전후로 내부 CO₂ 가스 압력이 원두를 부풀린다.
밀도는 질량/부피이니 두 효과가 같은 방향(밀도 감소)으로 겹친다. 라이트 로스팅은 상대적으로 고밀도·단단하고, 다크 로스팅은 저밀도·다공질이다.
이 밀도 차이가 미분량에 어떻게 영향을 미치는가는, 서로 반대 방향을 가리키는 두 메커니즘이 경쟁한다.
| 메커니즘 | 논리 | 예측 |
|---|---|---|
| 단단함(경도) | 같은 굵기까지 가는 데 더 많은 파쇄 에너지가 필요하다 | 라이트 로스팅(단단함) → 미분 多 |
| 취성(brittleness) | 부서지기 시작하면 깨끗이 갈라지기보다 한 번에 조각난다. 취성재료는 파쇄 사건 하나당 더 많은 미세 파편을 만든다 | 다크 로스팅(다공질·취성) → 미분 多 |
이 자리에 캡처한 학술 논문(Smrke 2020/2024, Hendon 2020, Mo 외 2023, Schmieder 외 2023) 중 로스팅 정도별 미분량을 직접 비교한 것은 하나도 없다. Mo 외(2023)가 medium/dark 로스팅 캡슐을 함께 스캔했지만, 이는 침식(추출 후 다공성 패턴) 확인용이지 미분 발생량 비교가 아니었다. 어느 메커니즘이 우세한지는 현재로선 미해결이다.
관통하는 흐름
- 미분은 표면적이 아니라 투과성의 문제다 — 이 전환 하나가 이후 모든 논의의 축이 된다.
- 그 투과성 문제는 관성 효과(압력)와 침식(추출 중 미분 재배치)이라는 유체역학으로 물리적 근거를 얻는다.
- 같은 논리가 재현성 문제(부분 클로깅)로 이어지고, 그라인더 설계(카테고리보다 개별 제품)로 이어지고, 로스팅(미해결)으로 이어진다 — 매번 단순한 설명이 더 정교한 불확실성으로 바뀌어 온 과정 자체가 이 자료의 줄기다.
참고 자료
| # | 자료 | 신뢰도 |
|---|---|---|
| 1 | Smrke, Eiermann, Yeretzian 외(2020) — nature.com/articles/s41598-020-74138-1 | 학술논문 |
| 2 | Smrke 외(2024) — nature.com/articles/s41598-024-55831-x | 학술논문 |
| 3 | Mo, Johnston, Navarini, Suggi Liverani, Ellero(2023) — nature.com/articles/s41598-023-42380-y | 학술논문 |
| 9·10 | Cameron, Hendon 외(2020), Matter — cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30410-2 | 학술논문 |
| 12 | Jonathan Gagné, Coffee ad Astra(2023) — coffeeadastra.com | 실측 데이터 |
| 13 | Ryan Hill, 개인 블로그 — ryanjhill.com/posts/conical-vs-flat-burrs | 중간(탐구형) |
| 14 | QIKA(그라인더 제조사) — qikacoffee.com | 낮음(벤더) |
| 15 | Naderlou, Mashhadi, Mim Coffee Lab — mimcoffeelab.com | 실측(주제 일부만 겹침) |
| 16 | Robert McKeon Aloe, Coffee Data Science(2021) — medium.com | 중간(2차 재분석) |
폐기: beanbrewdigest.com에 게재된 자료 2건은 검증 불가능한 인용과 조작으로 보이는 수치가 반복돼 이 정리에서 제외했다.
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