가속기 발진기

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가속기 발진기

마그네트론 발진기 (Magnetron Oscillator)는 전기장과 자기장이 수직으로 인가되어 형성되는 교차장의 고진공에서 발생한 전자빔(Electron Beam)의 전기에너지를 고출력 전자기파 에너지로 변환하여 방사하는 전자기파(Electromagnetic wave) 발생장치이다. 1930년대에 최초로 발명되었고, 가속기 발진기 2차 세계대전을 기점으로 레이더 영역에서의 응용을 위해 영국과 미국을 중심으로 본격적으로 연구되기 시작하면서 현대에 이르러 다양한 분야에 사용되고 있다.

마그네트론 발진기는 크게 전자빔을 발생시키는 전자빔을 발생시키는 음극, 일정한 동작주파수를 가지는 공진회로, 공진회로에서 발생된 전자기파를 외부로 방출하기 위한 안테나 구조의 출력부로 구성되어 있다. 음극과 양극에서 인가된 DC전압에 의한 전기장과 축 방향으로 인가된 자기장에 의하여 , 음극에서 발생된 전자빔은 가속기 발진기 로렌츠 힘의 작용에 의해 각 방향으로 회전운동을 하게 된다. 이 때 회전운동하는 전자빔은 공진회로와 특정 주파수에서 공진이 발생하게 되고, 이를 통해 공간적으로 뭉치게 되어 AC성분을 가지게 된다. 이 때의 AC성분에 의하여 공진회로 안에서 동작주파수를 갖는 전자기파가 발생되고, 형성된 전자기파는 출력부를 통해 외부로 방사된다. 마크네트론 발진기에서 발상되는 전자기파는 마이크로파 부터 테라헤르츠 대역까지의 전자기파를 발생시킬 수 있다.

마그네트론 발진기는 동작 수파수와 출력에 따라 915 MHz 를 이용한 산업용 해동/가열 시스템, 마이크로파 플라즈마 토치, 2.45 Ghz 대역의 전자레인지, 플라즈마 조명장치, 반도체 공정장비, 의료용 가속기, 선박, 기상, 항공용 레이더 응용을 위해 9.5 Ghz 와 35 Ghz 대역의 마그네트론 발진기가 활용되고 있다. 또한 최근에는 Pulsed DNP 를 위한 전자스핀 공명 응용과 테라페르츠파 대역을 활용하여 보안검색용 이미징을 위한 개발과 연구가 활발히 이루어지고 있다.

우리 일상생활과 밀접한 전자레인지는 1940년대 레이더 연구개발을 위해 발진기 실험을 하던 중, 실험에 참가한 연구원의 주머니에 있던 초콜렛 바가 녹아 있는 것을 우연히 발견하여, 옥수수와 달걀 등의 다양한 식품을 가열하는 실험을 하게되면서, 전자레인지에 대한 개발이 시작되었다. 초기에는 레이더에 사용되는 전파를 활용하였기 때문에 "Radarange" 라고 불리기도 하였다. 전자레인지는 마이크로파 에너지를 유전체 가열에 사용하는 원리를 적용했다. 유전체는 외부의 전기작ㅇ에 노출되면 가속기 발진기 평형사태가 교란되게 된다. 2.45 GHz의 전자기파가 인가되면 초당 2.45 x 109 정도의 전기장 방향이 변화되고, 이러하 변화에 의해 마이크로파를 이용하 가열방식은 물체 내부를 균일하게 가열하게 된다.

마이크로파는 무선전력전송 영역에도 활용되는데, 이는 전기에너지를 마이크로파로 전환하여 무선으로 전송하고 이를 다시 전기에너지로 변환하여 사용하는 것이다. 이러한 원리로 태양광 에너지를 우주에서 모아 지구로 보내는 우주 태양광 발전 사업이 1960년대에 제안되었으나, 경제성의 문제로 잊혀졌다. 하지만 최근 미국/일본 등에서 청정에너지원으로 다시 주목받으면서 실행계획이 구체화 되고 활발한 연구가 진행되고 있다.

가장 많이 활용되는 분야는 레이더 분야이다. 레이더는 전자기파를 방사한 후 반사되어 되돌아오는 신호를 분석하여 물체의 위치를 파악하는 장치이다. 해상 장해물, 타선박, 해안등을 탐지하기 위해 선박에 탑재된 레이더는 9.5 GHz 주파수를 사용하고 있다. 반면 항공, 기상관측, 공항 가속기 발진기 검색용 레이더는 보다 높은 해상도를 요구하기 때문에 35 GHz, 95 GHz 등의 밀리미터파 대역의 발진기가 활용된다.

마그네트론 발진기는 산업용 및 가정용 등의 다양한 분야에서 915 MHz 와 2.45 GHz ISM 주파수 대역으로 활용되고 있다. 최근에는 통신기기의 발달로 전자파 잡음에 대한 규제가 강화되고 있고, 이에 따라 발진기에서 발생하는 잡음을 저감하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 음극 수명을 증가시켜 마그네트론 발진기의 수명을 개선하려는 연구가 이루어지면서, 냉음극을 적용한 발진기 기술도 연구되오 있다.

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한국전기연구원 Logo

전자레인지 40대 분량 마이크로파 발생장치 국내 최초 개발

정순신ㆍ김대호 박사팀이 최근 개발한 고출력ㆍ고효율 마그네트론 발진기. 가정용 전자레인지 30~40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파(microwave)를 한꺼번에 출력할 수 있다.

창원--(뉴스와이어) 2008년 06월 23일 -- 가정용 전자레인지 가속기 발진기 30~40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파를 한꺼번에 출력할 수 있는 고출력ㆍ고효율 마그네트론 발진기가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

전기전문 출연연구기관인 한국전기연구원(원장 박동욱 www.keri.re.kr) 테라헤르츠파전문연구랩 정순신ㆍ김대호 박사팀은 최근 지식경제부 산하 에너지관리공단과 전기연구원 자체 지원을 통해 (주)스펙, 서울대학교(위탁) 등과 공동으로 연속출력 30kW, 효율 약 80%의 고출력ㆍ고효율 마그네트론 발진기 기술을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

마그네트론 발진기는 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리 및 해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용되고 있는 고출력ㆍ고효율의 마이크로파 발생 장치이다. 나노물질 합성, 다이아몬드 코팅, 폐타이어 자원화, 바이오디젤 합성, 신약 합성, 무선전력전송 등 다양한 분야에도 적용할 수 있다. 이번에 가속기 발진기 개발된 발진기의 연속 출력 30kW는 가정용 전자레인지 30~40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파(microwave)의 출력에 해당한다.

현재 가전제품에 사용되는 1kW급 마그네트론 발진기는 국내 가전회사가 세계적으로 높은 시장점유율을 보이고 있다. 그러나 5kW급 이상의 산업용 고출력 마그네트론 발진기나 구동전원의 경우 몇몇 선진국에서만 확보하고 있는 기술로서 에너지·환경, 화학, 제약, 재료, 식품, 고무 등 다양한 산업에서 활용되고 있음에도 불구하고 국내 기술 개발이 전무하여 선진국에서 전량 고가에 수입하고 있는 실정이다.

이번에 한국전기연구원이 30kW급 마그네트론 발진기 기술을 개발함으로써 전기융합기술 분야에서 가속기 발진기 △고출력 마이크로파 기술 △전자빔 기술 △고전압 기술 △고진공 기술 △정밀 접합 기술 등이 융합한 고출력 마이크로파 기술을 자체적으로 확보했다는 점에서 기술적 의의가 크다.

특히 이번에 개발된 마그네트론 발진기는 3차원 컴퓨터 프로토타이핑 기술을 이용하여 개발 비용과 시간을 줄이고 가속기 발진기 설계 정밀도를 높였다. 또한 마그네트론 발진기의 수명을 결정하는 음극을 쉽고 빠르며 값싸게 교체할 수 있는 기술과 마그네트론 발진기의 전극을 통해 방사되는 고조파(harmonic) 노이즈를 1/10 이하로 줄일 수 있는 기술을 개발해 적용했다. 이와 관련, 2건의 특허가 등록되었고 2건의 특허가 출원되었다.

지난 3월 42kW급 인버터방식 마그네트론 구동전원 개발에 성공한 한국전기연구원은 이번에 30kW급 마그네트론 발진기 기술까지 확보하게 됨으로써 고출력 마이크로파 기술의 전문연구기관으로 자리매김할 것으로 기대된다. 아울러 전량 수입에 의존해 오던 고출력 산업용 마그네트론을 국산화함으로써 연간 80억 원의 수입대체 효과가 기대된다.

한편, 한국전기연구원은 이번에 확보한 고출력 마그네트론 발진기의 핵심기술을 이용하여 미국과 일본 등에서 미래 10대 기술로 선정한 바 있는 테라헤르츠(terahertz) 기술로 발전시켜 관련 업계 최대 이슈인 고출력 테라헤르츠 소스 및 시스템의 핵심기술을 개발해 나갈 계획이다.

※보충설명 - 마그네트론 발진기 설명 및 작동원리

마그네트론(Magnetron)은 자기장 속에서 마이크로파(Microwave, 주파수 300MHz~300GHz)를 발진하는 2극 진공관으로 자전관(磁電管)이라고도 한다. 고주파가열ㆍ입자가속기ㆍ레이더 등의 산업응용을 비롯하여 전자레인지와 같은 가정용 기기에도 널리 사용되는 고효율ㆍ고출력의 마이크로파 에너지원이다.

마그네트론의 단계별 동작원리는 다음과 같다.

1. 외부에서 DC 자기장을 가해준다.
2. 음극을 고온으로 가열하여 열전자가 방출될 수 있는 준비 상태로 만들어 준다.
3. 양극과 음극 사이에 DC 고전압이 가해진다.
4. 음극 표면에서 방출된 열전자가 양극 쪽으로 가속된다.
5. 양극 쪽으로 가속되는 열전자가 자기장에 의해 휘어져 음극 주변을 회전한다.
6. 음극 주변을 회전하는 열전자와 마그네트론 회로가 공진(共振 : 진동계가 그 고유진동수와 같은 진동수를 가진 외력[外力]을 주기적으로 받아 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상을 가리킨다. 이를 이용하면 세기가 약한 파동을 큰 세기로 증폭시킬 수 있다)하면서 마이크로파가 강하게 발생한다.


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