KR101401493B1

KR101401493B1 - 탄소 섬유 와이어를 이용한 가변 인덕터 장치

Info

Publication number: KR101401493B1
Application number: KR1020120072187A
Authority: KR
Inventors: 최대규
Original assignee: 최대규
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-06-27
Also published as: KR20140004474A

Abstract

본 발명의 탄소 섬유 와이어를 이용한 가변 인덕터 장치는 복수 가닥의 탄소 섬유 와이어로 구성되며 일정 권수를 갖는 코일, 상기 코일 일단이 고정된 제1 부재, 상기 코일의 타단이 고정된 제2 부재, 및 상기 코일의 일단과 타단 사이의 거리가 가변되도록 상기 제1 부재 또는 제2 부재를 작동시켜 상기 코일의 인덕턴스를 가변시키는 작동 유닛을 포함한다. 본 발명의 탄소 섬유 와이어를 이용한 가변 인덕터 장치는 탄소 섬유 와이어를 이용하여 코일을 구성함으로 고주파수에서 발생되는 표피효과를 회피할 수 있다. 더욱이 이러한 탄소 섬유 와이어를 복수 가닥으로 구성하기 때문에 고주파수에서 발생되는 표피효과를 더욱 회피할 수 있다. 이와 더불어, 종래의 가변 인덕터에 비하여 탄소 섬유 코어를 사용기 때문에 경량화 및 고강도화를 이룰 수 있다. 또한 발열에 따른 가변 인덕터 장치의 열화에 의한 손상을 방지할 수 있다.

Description

탄소 섬유 와이어를 이용한 가변 인덕터 장치{ADJUSTABLE INDUCTOR DEVICE USING CARBON FIBER WIRE}

본 발명은 가변 인덕터에 관한 것으로, 구체적으로는 인덕턴스의 가변 제어가 용이하고 고주파수나 고전력을 사용하는 장치에 적합한 탄소 섬유 와이어를 이용한 가변 인덕터 장치에 관한 것이다.

가변 인덕터는 가변 콘덴서(variable condenser)와 더불어 전기 전자 회로에 널리 사용되고 있다. 가변 인덕터에 관한 기술로서 Jack C. Thornton 등에게 허여된 미국특허 4,415,873 "감소된 아크 경향을 갖는 가변 인덕터(VARIABLE INDUCTOR HAVING REDUCED ARCING TENDENCY)"와 Hideo Fujiwara 등에게 허여된 미국특허 4,031,496 "가변 인덕터(VARIABLE INDUCTOR)"등이 있다. 미국 특허 4,415,873은 코일의 권선 수를 가변 하는 것에 의해 인덕턴스를 조절하며, 미국 특허 4,031,496은 마그네틱 코어(magnetic core)를 이용하여 인덕턴스를 조절하는 기술에 관한 것을 각각 개시하고 있다.

그러나 멀티 탭을 이용하여 코일의 권선 수를 변경함으로 인덕턴스를 가변시키는 방식의 가변 인덕터는 인덕턴스의 연속적인 가변이 어려우며 고주파수용이나 고전력용에서는 아크 발생에 따른 장치의 손상이나 동작 오류 등의 문제가 발생될 수 있어서 적합하지 않다. 또한 마그네틱 코어를 이용하여 자속을 강화하는 방식으로는 필요한 범위의 인덕턴스 조절이 용이하지 않다.

한편, 전원 공급 장치와 부하 사이에서 최적의 에너지 전송을 위해 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합기가 사용된다. 임피던스 정합기는 가변 콘덴서 또는 가변 인덕터를 이용하여 구성할 수 있다. 그러나 고주파수나 고전력을 사용하는 장치들의 경우 아크 발생이나 동작 오류 등의 문제로 고가의 가변 콘덴서를 사용하여 구성하고 있다.

도 1은 플라즈마 처리 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하여, 반도체 제조 공정에서 다양하게 사용되고 있는 플라즈마 처리 시스템은 전원 공급원(10)과 플라즈마 챔버(30) 사이에 임피던스 정합기(20)가 사용되고 있다. 플라즈마 챔버(30)의 내부로 공정 가스가 공급되고 상하 전극(31, 32)로 전원 공급원(10)에서 고주파수의 고전력이 공급되면, 플라즈마 챔버(30)의 내부에 플라즈마가 발생된다. 임피던스 정합기(20)는 플라즈마 챔버의 내부 부하의 변동에 따라 임피던스 정합을 위해 동작한다. 이러한 플라즈마 챔버에 사용되는 임피던스 정합기는 고가의 가변 콘덴서를 사용하여 구성되고 있다.

본 발명자는 2003년 4월 2일자로 등록된 국내특허 10-0380233호에서 고주파수 또는 고전력에 사용하기에 적합한 가변 인덕터를 제안한 바 있다. 본 발명자에 의해 제안된 가변 인덕터는 코일의 권선수를 멀티탭으로 가변하는 구조가 아니기 때문에 고주파수 또는 고전력을 이용하는 장치에서도 인덕턴스를 가변 시키는 과정에서 아크가 발생되지 않는다.

도 2는 고주파수가 인가되는 도선에서의 표피 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하여, 고주파수가 인가되는 도선(40)은 내부에 흐르는 전류에 의해서 만들어진 자기장이 도선의 가장 중심에 가장 큰 역기전력을 유도하는데 이 역기전력으로 역전류가 유도된다. 이에 인가된 전류와 상쇄되어 중심부는 전류가 적게 흐르게 되는데 이를 표피 효과(skin effect)라 한다.

본 발명자는 고주파수 또는 고전력을 사용하는 장치에서 가변 인덕터가 사용되는 경우 코일을 구성하는 도선에서 발생되는 표피 효과에 의해 가변 인덕터의 효율이 낮아지는 문제점을 발견하게 되었다. 그럼으로 고주파수 또는 고전력을 사용하는 장치에서 가변 인덕터가 효과적으로 사용될 수 있기 위해서는 표피 효과를 극복할 수 있어야 한다.

본 발명의 목적은 인덕턴스의 연속적인 가변 제어가 용이하면서도 가변 인덕터의 코일을 구성하는 도선에서 발생되는 표피 효과를 극복하고 고주파수 또는 고전력 장치에 사용될 수 있는 가변 인덕터 장치를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변 인덕터는 복수 가닥의 탄소 섬유 와이어로 구성되며 일정 권수를 갖는 코일; 상기 코일의 일단이 고정된 제1 부재; 상기 코일의 타단이 고정된 제2 부재; 및 상기 코일의 일단과 타단 사이의 거리가 가변되도록 상기 제1 부재 또는 상기 제2 부재를 작동시켜 상기 코일의 인덕턴스를 가변시키는 작동 유닛을 포함하고, 상기 탄소 섬유 와이어는 중심부를 구성하는 탄소 섬유 코어와 상기 탄소 섬유 코어에 코팅된 절연층을 포함한다.
여기서, 상기 탄소 섬유 코어와 상기 절연층 사이에 메탈층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 작동 유닛은 상기 코일의 일단과 타단 사이의 거리를 가변하도록 상기 제1 부재 또는 상기 제2 부재를 작동시키는 작동 메커니즘; 및 상기 작동 메커니즘을 제어하여 상기 코일의 인덕턴스를 가변시키는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 자속 투과성 재료를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이에 절접 가능하게 연결되며 상기 코일을 가이드 하는 코일 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.

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본 발명의 탄소 섬유 와이어를 이용한 가변 인덕터 장치는 탄소 섬유 와이어를 이용하여 코일을 구성함으로 고주파수에서 발생되는 표피효과를 회피할 수 있다. 더욱이 이러한 탄소 섬유 와이어를 복수 가닥으로 구성하기 때문에 고주파수에서 발생되는 표피효과를 더욱 회피할 수 있다. 이와 더불어, 종래의 가변 인덕터에 비하여 탄소 섬유 코어를 사용기 때문에 경량화 및 고강도화를 이룰 수 있다. 또한 발열에 따른 가변 인덕터 장치의 열화에 의한 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 플라즈마 처리 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 고주파수가 인가되는 도선에서의 표피 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 가변 인덕터 장치의 코일을 제작하기 위한 탄소 섬유 와이어의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 인덕터 장치의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 인덕터 장치의 동작 특징으로 설명하기 위한 인덕턴스 변화 특성 그래프이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 3은 본 발명의 가변 인덕터 장치에 사용되는 코일을 제작하기 위한 탄소 섬유 와이어의 일 예를 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 가변 인덕터 장치는 고주파수를 사용하는 장치에 적용시 표피효과를 극복할 수 있도록 탄소 섬유 와이어(50)를 복수 가닥으로 구성하여 가변 인덕터의 코일로 사용한다. 탄소 섬유 와이어(50)는 중심부를 구성하는 탄소 섬유 코어(51)와 탄소 섬유 코어(51)를 코팅하는 절연층(53)으로 구성된다. 탄소 섬유 코어(51)와 절연층(53) 사이에는 선택적으로 메탈층(52)이 더 포함될 수도 있다. 이렇게 구성되는 탄소 섬유 와이어(50)를 복수 가닥으로 구성하여 가변 인덕터 장치의 코일을 구성하는데 이용된다.

탄소 섬유 코어(50)는 여러 가닥의 탄소 섬유로 구성되기 때문에 이 것만으로도 고주파수에서 발생되는 표피효과를 회피할 수 있다. 더욱이 이러한 탄소 섬유 와이어(50)를 복수 가닥으로 구성하기 때문에 고주파수에서 발생되는 표피효과를 더욱 회피할 수 있다. 이와 더불어, 탄소 섬유 코어(50)를 사용기 때문에 탄소 섬유 특징에 따른 효과를 가변 인턱터 장치가 얻을 수 있다. 예를 들어, 종래에 비하여 경량화 및 고강도화를 이룰 수 있다. 또한 발열에 따른 가변 인덕터 장치의 열화에 의한 손상을 방지할 수 있다.

후술되는 본 발명의 가변 인덕터 장치는 탄소 섬유 와이어로 구성되는 코일과 코일의 양단간의 거리를 변화시킴으로서 코일에서 발생되는 자속의 크기를 가변시켜서 인덕턴스를 가변하는 구조를 갖는다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 인덕터 장치의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 인덕터 장치의 동작 특징으로 설명하기 위한 인덕턴스 변화 특성 그래프이다.

도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 인덕터 장치(60)는 복수로 권선된 원통 나선형 구조의 코일(64)을 구비한다. 코일(64)의 일단은 제1 부재(63)에 연결되고 타단은 제2 부재(66)에 연결된다. 제1 부재(63)는 원반형 구조를 갖고 일측이 제1 축(62)에 연결된다. 제1 부재(66)는 원반형 구조를 갖고 일측이 제2 축(62)에 연결된다. 제1 축(62)과 제2 축(65)은 마주 대향된 벽을 갖는 고정 프레임(61)의 양 벽면에 대향되어 장착된다. 제1 축(62)과 제2 축(65)은 동일 선상에 정렬되어 있다. 제1 부재(63)와 제2 부재(66)는 자속 투과성 재료, 예를 들어 불소수지 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)(일명 테프론(Teflon))을 사용하는 것이 바람직하다. 제1 부재(63)와 제2 부재(66) 사이에는 절첩 가능하게 연결되어 코일(64)을 가이드하는 코일 가이드 부재(68)가 하나 이상 구비된다. 코일 가이드 부재(68)는 코일(64)이 신장되거나 수축될 때 형상을 유지하도록 가이드 한다.

가변 인덕터 장치(60)는 작동 유닛(70)을 구비한다. 작동 유닛(70)은 코일(64)의 양단간의 거리를 가변 시키기 위하여 제1 부재(63)와 제2 부재(66)를 작동 시키는 작동 메커니즘(71)과 이를 제어하기 위한 제어부(72)를 구비한다. 작동 메커니즘(71)은 제1 부재(63)와 제2 부재(66)를 작동시키기 위한 기계적 메커니즘 구성과 전기적 메커니즘 구성을 포함한다. 코일(64)의 양단간의 거리를 가변시키기 위해서 제1 축(62)이나 제2 축(65) 중 어느 하나만 전후로 동작하거나 둘 모두가 서로 반대 방향으로 동시에 동작할 수도 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 코일(64)이 최소 거리(Dmin)를 갖고 신축되어 있는 경우에는 코일(64)에 의해서 발생된 자속이 최대값을 갖게 되어 코일(64)의 인덕턴스는 최대값(Lmax)이 된다. 이 상태에서 제2 축(65)이 후진을 하게 되면 코일(64)의 길이가 연장되면서 점차적으로 자속의 크기가 감소함으로 코일(64)의 인덕턴스가 감소한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 코일(64)이 허용된 범위에서 최대로 후진하면 코일(64)의 양단간의 거리가 최대값(Dmax)이 되고 이때 코일(64)의 인덕턴스 값도 최소값(Lmin)이 된다. 도 6에는 코일(64)의 양단간의 상대적 거리 변화에 따른 코일(64)의 인덕턴스 값의 변화율을 그래프로 보여주는 도면이 도시되어 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 탄소 섬유 와이어를 이용한 가변 인덕터 장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 전원 공급원 20: 임피던스 정합기
30: 플라즈마 챔버 31: 상부 전극
32: 하부 전극 40: 도선
50: 탄소 섬유 와이어 51: 탄소 섬유 코어
52: 메탈층 53: 절연층
60: 가변 인덕터 장치 61: 고정 프레임
62: 제1 축 63: 제1 부재
64: 코일 65: 제2 축
66: 제2 부재 68: 코일 가이드 부재
70: 작동 유닛 71: 작동 메커니즘
72: 제어부

Claims

복수 가닥의 탄소 섬유 와이어로 구성되며 일정 권수를 갖는 코일;
상기 코일의 일단이 고정된 제1 부재;
상기 코일의 타단이 고정된 제2 부재; 및
상기 코일의 일단과 타단 사이의 거리가 가변되도록 상기 제1 부재 또는 상기 제2 부재를 작동시켜 상기 코일의 인덕턴스를 가변시키는 작동 유닛을 포함하고,
상기 탄소 섬유 와이어는 중심부를 구성하는 탄소 섬유 코어와 상기 탄소 섬유 코어에 코팅된 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 인덕터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 탄소 섬유 코어와 상기 절연층 사이에 메탈층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 작동 유닛은
상기 코일의 일단과 타단 사이의 거리를 가변하도록 상기 제1 부재 또는 상기 제2 부재를 작동시키는 작동 메커니즘; 및
상기 작동 메커니즘을 제어하여 상기 코일의 인덕턴스를 가변시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 자속 투과성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이에 절접 가능하게 연결되며 상기 코일을 가이드 하는 코일 가이드 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 인덕터.