KR102260024B1 - 마이크로파 시스템의 전반사 메커니즘 이용 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템 - Google Patents

마이크로파 시스템의 전반사 메커니즘 이용 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템 Download PDF

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김중현
김경우
전현진
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

마이크로파 시스템의 전반사 메커니즘 이용 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템이 제시된다. 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈은, 마이크로파 시스템의 도파관 내부에 배치되어, 마이크로파가 마그네트론으로부터 캐비티 방향으로의 단일 방향으로 조사되도록 하는 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 절연체를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

마이크로파 시스템의 전반사 메커니즘 이용 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템{REFLECTED WAVE RECYCLING MODULE USING TOTAL REFLECTION MECHANISM OF MICROWAVE SYSTEM AND ITS MANUFACTURING METHOD AND MICROWAVE SYSTEM REPLACE ISOLATOR WITH REFLECTED WAVE RECIRCULATION MODULE}
아래의 실시예들은 마이크로파(microwave) 시스템의 전반사 메커니즘을 이용하는 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터(isolator)를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템에 관한 것이다.
마이크로파 시스템은 선택적, 비접촉, 체적, 순간 가열의 특징을 지녀 식품, 건조, 소결, 열분해, 수처리, 폐기물 처리, 바이오 에너지 분야 등 다양한 가열 공정에서 기존의 전도 가열이 지닌 한계를 해소할 수 있는 대안으로서 세계적으로 각광 받고 있다.
그러나 마이크로파 시스템에 전기 에너지를 사용하며, 마이크로파 에너지로 전환되었다가 타겟 재료에 열에너지로 흡수되는 에너지 전환 과정에서 발생하는 에너지 손실이 발생한다. 특히, 마이크로파가 타겟 재료에 조사되었을 때 열에너지로 모두 흡수되지 않고 반사되는 경우가 발생하는데, 이를 반사파라고 한다. 반사파는 마이크로파 시스템의 캐비티(cavity) 외벽에 의해 타겟 재료로 다시 되돌아가기도 하지만 마이크로파 발진부(예컨대, 마그네트론(magnetron) 등)로 되돌아 갈 경우 주요 부품을 손상시키게 된다. 이에, 마그네트론과 같은 주요 부품을 보호하기 위해서 서큘레이터(circulator), 아이솔레이터 등이 설치되어 반사파를 마그네트론이 아닌 더미 로드로 우회시켜 물, 공기, 전자석 등으로 소진시킬 수 있다.
그러나, 기존 마이크로파 시스템에서 서큘레이터(circulator), 아이솔레이터 등을 설치하는 경우 에너지 효율이 떨어지고 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
한국공개특허 10-2014-0129301호는 이러한 마이크로파 가열 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것으로, 마이크로파를 처리 용기에 도입하여 소정의 처리를 행하는 마이크로파 가열 처리 장치 및 이 마이크로파 가열 처리 장치를 이용하여 피처리체를 가열 처리하는 처리 방법에 관한 기술을 기재하고 있다.
한국공개특허 10-2014-0129301호
실시예들은 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 마이크로파가 타겟 재료에 조사 후 반사되는 반사파를 아크릴(acrylic), 테플론(teflon), 폴리카보네이트(polycarbonate) 등의 절연체를 통해 굴절 및 전반사시켜 시료로 순환 및 재조사시킴으로써 마이크로파 시스템의 전반사 메커니즘 이용 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템을 제공한다.
실시예들은 반사파 재순환 모듈을 통해 ‘단일 방향’으로 마이크로파를 조사시킴으로써 기존 마그네트론에서 캐비티로 향하는 마이크로파는 진행에 방해 받지 않고 타겟 재료에 조사되고, 발생한 반사파는 전반사되어 타겟 재료로 재조사되는, 마이크로파 시스템의 전반사 메커니즘 이용 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 실시예들은 도파관 내부에 반사파 재순환 모듈을 설치하여 마이크로파와 반사파를 ‘단일 방향’으로 조사시킴으로써, 별도의 서큘레이터, 아이솔레이터 등의 설치가 불필요하며, 이를 통해 마이크로파 시스템의 에너지 효율이 향상되고, 서큘레이터, 아이솔레이터 등에 소요되는 비용 문제를 해결할 수 있는, 마이크로파 시스템의 전반사 메커니즘 이용 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈은, 마이크로파 시스템의 도파관 내부에 배치되어, 마이크로파가 마그네트론으로부터 캐비티 방향으로의 단일 방향으로 조사되도록 하는 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 절연체를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 절연체는, 서로 다른 굴절률을 가진 복수 개의 물질로 이루어지며, 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로 배치되어, 상기 마이크로파가 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티로 조사되고, 상기 캐비티에서 상기 마그네트론으로 되돌아가는 반사파를 굴절 또는 전반사시켜 타겟 재료로 되돌아가도록 할 수 있다.
상기 절연체는, 테플론, 아크릴 및 폴리카보네이트 순서로 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로 단계적 배열하여 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티로의 단일 방향으로 마이크로파를 조사할 수 있다.
상기 절연체는, 임계각보다 큰 입사각의 범위를 조절하기 위해, 배열되는 물질의 굴절률의 크기, 개수 및 곡률의 크기 중 적어도 어느 하나 이상이 결정될 수 있다.
상기 절연체는, 상기 마이크로파의 진행 방향에 수직으로 배치되며, 단면을 곡면으로 구성하여 마이크로파의 굴절각을 조절할 수 있다.
상기 절연체는, 마지막으로 배열된 물질과 공기가 접하는 단면은 전반사가 일어나도록 평면으로 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 제조 방법은, 마이크로파 시스템의 도파관 내부에 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 절연체가 배치되어, 마이크로파가 마그네트론으로부터 캐비티로 조사되는 단계; 및 상기 절연체에 의해 상기 캐비티에서 상기 마그네트론으로 되돌아가는 반사파를 굴절 또는 전반사시켜 타겟 재료로 되돌아가도록 하는 단계를 포함하고, 상기 절연체는, 상기 마이크로파가 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로의 단일 방향으로 조사되도록 할 수 있다.
상기 절연체는, 서로 다른 굴절률을 가진 복수 개의 물질로 이루어져, 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로 배치될 수 있다.
상기 절연체는, 임계각보다 큰 입사각의 범위를 조절하기 위해, 배열되는 물질의 굴절률의 크기, 개수 및 곡률의 크기 중 적어도 어느 하나 이상이 결정될 수 있다.
상기 절연체는, 상기 마이크로파의 진행 방향에 수직으로 배치되며, 단면을 곡면으로 구성하여 마이크로파의 굴절각을 조절하고, 마지막으로 배열된 물질과 공기가 접하는 단면은 전반사가 일어나도록 평면으로 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 마이크로파 시스템은, 마이크로파를 발생시키는 마그네트론; 내부의 타겟 재료에 상기 마이크로파가 조사되는 캐비티; 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티를 연결시켜, 상기 마그네트론으로부터 출력된 상기 마이크로파를 상기 캐비티로 전달하는 도파관; 및 상기 도파관 내부에 배치되어, 상기 마이크로파가 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로의 단일 방향으로 조사되도록 하는 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 절연체를 포함하는 반사파 재순환 모듈을 포함하고, 아이솔레이터를 상기 반사파 재순환 모듈로 대체할 수 있다.
실시예들에 따르면 반사파 재순환 모듈을 통해 ‘단일 방향’으로 마이크로파를 조사시킴으로써 기존 마그네트론에서 캐비티로 향하는 마이크로파는 진행에 방해 받지 않고 타겟 재료에 조사되고, 발생한 반사파는 전반사되어 타겟 재료로 재조사되는, 마이크로파 시스템의 전반사 메커니즘 이용 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 도파관 내부에 반사파 재순환 모듈을 설치하여 마이크로파와 반사파를 ‘단일 방향’으로 조사시킴으로써, 별도의 서큘레이터, 아이솔레이터 등의 설치가 불필요하며, 이를 통해 마이크로파 시스템의 에너지 효율이 향상되고, 서큘레이터, 아이솔레이터 등에 소요되는 비용 문제를 해결할 수 있는, 마이크로파 시스템의 전반사 메커니즘 이용 반사파 재순환 모듈과 그 제조 방법 및 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈로 대체한 마이크로파 시스템을 제공할 수 있다.
상기 반사파 재순환 모듈의 상기 절연체는, 서로 다른 굴절률을 가진 복수 개의 물질로 이루어지며, 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로 배치되어, 상기 마이크로파가 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티로 조사되고, 상기 캐비티에서 상기 마그네트론으로 되돌아가는 반사파를 굴절 또는 전반사시켜 타겟 재료로 되돌아가도록 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 제작 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도파관 내부에 배치되는 반사파 재순환 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈을 포함하는 마이크로파 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 적용에 따른 마이크로파의 진행 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 적용에 따른 마이크로파의 반사파의 진행 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 굴절의 법칙 또는 스넬의 법칙을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 전반사의 법칙을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 마이크로파의 입사각 범위 조절을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 굴절률 조절을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈에 사용되는 절연체 물질의 개수를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈에 사용되는 절연체 물질의 곡률을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
마이크로파 시스템은 서큘레이터, 아이솔레이터 등에 의해 소진된 반사파 에너지만큼 마이크로파 시스템의 에너지 효율 감소가 발생한다. 또한 서큘레이터, 아이솔레이터 등에 사용되는 페라이트(ferrite)와 같은 연성 물질은 크기에 따라 비용이 급격하게 증가하여 마이크로파 시스템의 실공정 적용의 걸림돌이 될 뿐만 아니라, 마이크로파 시스템의 고정 자본비와 운영비의 부담을 증대시킨다.
이에 따라 서큘레이터, 아이솔레이터 등을 대체함과 동시에 반사파를 타겟 재료로 되돌려 재조사시킴으로써 마이크로파 시스템의 비용 문제와 에너지 효율 저하 문제를 동시에 해결할 수 있다.
상기의 문제를 해결하기 위해 마그네트론에서 캐비티로 조사되는 마이크로파는 그대로 진행하고, 캐비티에서 마그네트론으로 되돌아가는 반사파는 타겟 재료로 되돌릴 수 있는 ‘단일 방향’의 마이크로파 투과성 장치가 필요하다.
이 장치에 의해서 마이크로파는 마그네트론에서 캐비티 방향의 한 가지 방향으로만 조사될 수 있다. 그러면 마그네트론에서 발진되어 조사된 마이크로파는 정상적으로 타겟 재료에 조사될 뿐만 아니라, 반사파도 타겟 재료로 재조사됨으로써 마이크로파 전계 강도의 향상을 통해 열에너지로 전환되는 정도를 높일 수 있어 마이크로파 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 제작 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈(110)의 제작 예시를 나타내며, 반사파 재순환 모듈(110)은 절연체를 통해 단일 방향의 마이크로파 조사를 달성할 수 있다.
반사파 재순환 모듈(110)은 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140) 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들어 반사파 재순환 모듈(110)은 테플론(111), 아크릴(112) 및 폴리카보네이트(113)를 단계적 배열하여 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140)로의 단일 방향으로 마이크로파를 조사할 수 있다.
마이크로파를 흡수하지 않고 투과성인 물질들을 서로 다른 굴절률을 가지며, 단계적으로 배치할 경우 한쪽 방향에서는 정상적으로 마이크로파가 진행 가능하고, 다른 한쪽에서는 마이크로파가 전반사될 수 있는데, 이 때 물질의 배열, 형상, 두께, 개수 등을 적절히 조절하여 전반사될 수 있는 조건을 극대화시켜 반사파를 순환시킬 수 있다. 따라서 마이크로파의 반사파가 순환되도록 절연체의 종류를 선택하고, 배치하며, 형태 등을 결정할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 도파관 내부에 배치되는 반사파 재순환 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반사파 재순환 모듈(110)은 도파관(120) 내부에 배치될 수 있다. 예컨대, 반사파 재순환 모듈(110)이 테플론, 아크릴 및 폴리카보네이트로 구성되는 경우 마그네트론(130) 측의 도파관(120)에 테플론이 배치되며, 캐비티(140) 측의 도파관(120)에 폴리카보네이트가 배치될 수 있다.
이러한 반사파 재순환 모듈(110)은 도파관(120) 내부에 적절한 방향으로 장착되어 반사파 순환 효과를 나타낼 수 있다.
한편, 기존의 마이크로파 시스템의 경우 캐비티(140)에서 발생된 반사파를 거꾸로 캐비티(140)-튜너-서큘레이터-더미로드로 안내하여 물과 같은 흡수체에서 열 에너지로 모두 소진된다. 반면, 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈(110)을 포함하는 마이크로파 시스템에서는 아이솔레이터 역할을 하는 더미로드를 제거하고, 절연체로 이루어지는 반사파 재순환 모듈(110)을 통해 마이크로파의 반사파를 굴절 및 전반사시켜 타겟 재료(시료)로 순환 및 재조사하여 아이솔레이터의 사용을 배제할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 마이크로파 시스템 내에서 도파관(120) 내부에 반사파 재순환 모듈(110)이 설치될 수 있다. 반사파 재순환 모듈(110)은 절연체로 이루어져 단일 방향으로 마이크로파를 조사하도록 할 수 있다.
보다 구체적으로, 반사파 재순환 모듈(110)은 복수 개의 물질로 이루어져 단일 방향으로 마이크로파를 조사할 수 있으며, 특히 서로 다른 굴절률을 가진 물질을 굴절률 크기 순으로 배열하여 구성될 수 있다. 이 때, 반사파 재순환 모듈(110)은 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140) 방향으로 배치될 수 있다. 예컨대, 테플론, 아크릴 및 폴리카보네이트 순서로 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140) 방향으로 배치될 수 있다.
그리고 반사파 재순환 모듈(110)을 구성하는 물질이 임계각보다 큰 입사각의 범위를 조절하기 위해, 배열되는 물질의 굴절률의 크기, 개수, 곡률의 크기 등을 결정할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈을 포함하는 마이크로파 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈(110)을 포함하는 마이크로파 시스템은 반사파 재순환 모듈(110), 도파관(120), 마그네트론(130) 및 캐비티(140)를 포함할 수 있으며, 캐비티(140) 내에 타겟 재료(150)가 구성될 수 있다. 이 때, 타켓 재료는 캐비티(140) 내의 컨테이너(container)(160)에 구성될 수 있다.
먼저, 마그네트론(130)은 마이크로파를 발생시킬 수 있는 마이크로파 발진부이다.
그리고 캐비티(140)는 내부의 타겟 재료(150)에 마이크로파가 조사되는 공간이 될 수 있다. 마그네트론(130)에 입력된 전기 에너지는 마이크로파를 발생시키는데 사용되고, 발생된 마이크로파 출력 에너지는 캐비티(140) 내부의 타겟 물질에 조사될 수 있다. 여기서 타겟 재료(150)의 성질에 따라 세 가지의 양상이 나타나는데, 마이크로파를 흡수하는 물질, 투과하는 물질 및 반사하는 물질이다.
도파관(120)은 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140)를 연결시켜, 마그네트론(130)으로부터 출력된 마이크로파를 캐비티(140)로 전달할 수 있다. 도파관(120)은 마이크로파를 흡수하지 않고 반사시키며 캐비티(140) 방향으로 마이크로파를 송신할 수 있도록 그 재질을 알루미늄이나 스테인레스 금속 등의 금속성 물질로 구성할 수 있다.
반사파 재순환 모듈(110)은 캐비티(140) 내의 마이크로파의 반사파를 순환시켜 다시 캐비티(140)로 안내하여 타겟 재료(150)에 조사되도록 할 수 있다. 특히, 반사파 재순환 모듈(110)은 절연체로 이루어져 단일 방향으로 마이크로파를 조사하도록 할 수 있다. 이에 따라 기존의 마이크로파 시스템에 사용되는 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈(110)로 대체할 수 있다.
반사파 재순환 모듈(110)에서는 가열체, 용기(용기를 사용했을 경우), 캐비티(140)를 구성하는 금속성 물질로 나뉘며 용기를 투과한 에너지는 캐비티(140)에서 다시 반사되므로 타겟 물질로 재조사될 수 있다. 에너지는 발생하거나 소멸하는 일 없이 열, 전기, 자기, 빛, 역학적 에너지 등 서로 형태만 바뀌고 총량은 일정하다는 에너지 보존의 법칙에 따라 반사파 에너지 또한 타겟 물질에 재조사 및 흡수되어 열 에너지로 전환되거나 최종적으로 빛 에너지, 역학적 에너지 등으로 전환될 수 있다.
아래에서 절연체를 포함하는 반사파 재순환 모듈(110)을 보다 상세히 설명한다.
일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈(110)은 마이크로파 시스템의 도파관(120) 내부에 배치되는 절연체를 포함하여 이루어질 수 있다.
절연체는 마이크로파가 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140) 방향으로의 단일 방향으로 조사되도록 하는 적어도 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 절연체는 서로 다른 굴절률을 가진 복수 개의 물질로 이루어지며, 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140) 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 절연체는 테플론, 아크릴 및 폴리카보네이트 순서로 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140) 방향으로 단계적 배열하여 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140)로의 단일 방향으로 마이크로파를 조사할 수 있다.
이에 따라 마이크로파가 마그네트론(130)으로부터 캐비티(140)로 조사되고, 캐비티(140)에서 마그네트론(130)으로 되돌아가는 반사파를 굴절 또는 전반사시켜 타겟 재료(150)로 되돌아가도록 할 수 있다.
절연체는 임계각보다 큰 입사각의 범위를 조절하기 위해, 배열되는 물질의 굴절률의 크기, 개수 및 곡률의 크기 중 적어도 어느 하나 이상이 결정될 수 있다. 또한, 절연체는 마이크로파의 진행 방향에 수직으로 배치되며, 단면을 곡면으로 구성하여 마이크로파의 굴절각을 조절할 수 있고, 마지막으로 배열된 물질과 공기가 접하는 단면은 전반사가 일어나도록 평면으로 구성될 수 있다.
반사파 재순환 모듈(110)을 통해 ‘단일 방향’으로 마이크로파를 조사시킴으로써 기존 마그네트론(130)에서 캐비티(140)로 향하는 마이크로파는 진행에 방해 받지 않고 타겟 재료(150)에 조사되고, 발생한 반사파는 전반사되어 타겟 재료(150)로 재조사될 수 있다.
반사파 재순환 모듈(110)은 도파관(120) 내부에 설치되어 마이크로파와 반사파를 ‘단일 방향’으로 조사시킬 수 있으므로 별도의 서큘레이터, 아이솔레이터 등의 설치가 불필요하게 된다. 즉, 마이크로파 시스템에서 기존의 아이솔레이터를 반사파 재순환 모듈(110)로 대체할 수 있다. 이를 통해 마이크로파 시스템의 에너지 효율이 향상되고, 별도의 서큘레이터, 아이솔레이터 등의 설치에 소요되는 비용 문제를 해결할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 제조 방법은, 마이크로파 시스템의 도파관 내부에 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 절연체가 배치되어, 마이크로파가 마그네트론으로부터 캐비티로 조사되는 단계(S110), 및 절연체에 의해 캐비티에서 마그네트론으로 되돌아가는 반사파를 굴절 또는 전반사시켜 타겟 재료로 되돌아가도록 하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 절연체는 마이크로파가 마그네트론으로부터 캐비티 방향으로의 단일 방향으로 조사되도록 할 수 있다.
절연체는 서로 다른 굴절률을 가진 복수 개의 물질로 이루어져, 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 마그네트론으로부터 캐비티 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 절연체는 임계각보다 큰 입사각의 범위를 조절하기 위해, 배열되는 물질의 굴절률의 크기, 개수 및 곡률의 크기 중 적어도 어느 하나 이상이 결정될 수 있다.
그리고, 절연체는 마이크로파의 진행 방향에 수직으로 배치되며, 단면을 곡면으로 구성하여 마이크로파의 굴절각을 조절하고, 마지막으로 배열된 물질과 공기가 접하는 단면은 전반사가 일어나도록 평면으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 제조 방법은 상술한 반사파 재순환 모듈의 설명과 중복되어 간략히 설명하기로 한다.
도 6은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 적용에 따른 마이크로파의 진행 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로파 시스템에 반사파 재순환 모듈을 적용함으로써 마그네트론으로부터 캐비티로 마이크로파가 조사될 수 있다. 즉, 마이크로파 시스템에 반사파 재순환 모듈에 의해 진행하는 마이크로파의 진행 경로는 마그네트론으로부터 캐비티 방향이며, 이를 통해 ‘단일 방향’의 마이크로파 조사가 달성될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈의 적용에 따른 마이크로파의 반사파의 진행 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 마이크로파 시스템에 반사파 재순환 모듈을 적용함으로써 마이크로파의 반사파의 진행 경로는 캐비티에서 마그네트론으로 이동하지만, 캐비티로 되돌아 올 수 있다. 이를 통해 ‘단일 방향’의 마이크로파 조사가 달성될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 굴절의 법칙 또는 스넬의 법칙을 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 반사파 재순환 모듈의 기술원리 이해를 돕기 위해 참조된 굴절의 법칙 또는 스넬의 법칙을 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 전반사의 법칙을 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, 반사파 재순환 모듈의 기술원리 이해를 돕기 위해 참조된 전반사의 법칙을 나타낸다.
반사파 재순환 모듈은 ‘단일 방향’으로 마이크로파를 조사하기 위해 굴절률이 서로 다른 물질을 굴절률의 크기 순으로 단계적으로 배열할 수 있다. 이를 통해 두 가지 진행 방향에 따라 마이크로파의 진행 양상이 달라지게 된다. 여기서, 물질은 반사파 재순환 모듈의 절연체를 의미할 수 있다. 첫 번째 경우에는 마이크로파가 굴절률이 작은 물질에서 굴절률이 큰 물질로 진행할 때, 굴절각은 입사각보다 항상 작아지면서 진행을 한다. 두 번째 경우에는 반대 방향에서 굴절각이 입사각보다 항상 커지게 되는데, 배열된 반사파 재순환 모듈의 물질을 지날 때마다 초기 입사각 대비 굴절각은 커지게 된다.
이 때, 마지막으로 배열된 물질과 공기가 접한 단면에 입사된 마이크로파가 임계각보다 클 경우, 굴절각이 90°를 초과하여 전반사가 발생할 수 있다. 전반사된 마이크로파는 첫 번째 경우와 마찬가지로 굴절각이 입사각보다 항상 작아지면서 진행하게 된다. 굴절률의 크기 순으로 단계적 배열된 물질을 통해 첫 번째 경우에는 마이크로파가 정상 진행하고, 반대의 경우에는 전반사된 후 첫 번째 경우와 같이 정상 진행함으로써 ‘단일 방향’의 마이크로파 조사를 달성할 수 있다.
상기 두 번째 경우, 임계각보다 큰 입사각의 마이크로파만이 전반사되므로 이 효과를 증대시키기 위해 마이크로파 진행 방향에 수직인 물질의 단면을 곡면으로 구성할 수 있다.
구체적으로는, 곡면의 중심부를 굴절률이 큰 물질에서 작은 물질로 진행하는 방향에 치우치도록 구성하면 물질의 형상이 일측면은 오목하게 들어가고, 나머지 타측면은 볼록하게 튀어나온 형태가 된다. 그러면 오목하게 들어간 면으로 진행된 마이크로파의 굴절각은 평면에 비해 더욱 커지게 되어 마지막 배열된 물질에서 임계각보다 더 큰 입사각으로 진행하는 마이크로파를 증가시킬 수 있다. 이 때, 마지막으로 배열된 물질과 공기가 접한 단면은 전반사가 일어날 수 있도록 평면으로 구성할 수 있다.
따라서 두 번째 경우에서 반사파 재순환 모듈의 물질의 굴절률과 개수, 곡면의 곡률 크기에 따라 전반사되는 마이크로파의 입사각 범위를 조절할 수 있다. 도 10은 일 실시예에 따른 마이크로파의 입사각 범위 조절을 설명하기 위한 도면이다. 도 10을 참조하면, 극적인 가정으로 반사파 재순환 모듈의 물질의 굴절률이 클수록, 배열된 물질의 개수가 많을수록, 그리고 곡률의 크기가 클수록 두 번째 경우에서 직선에 가깝게 진행하는 마이크로파 또한 전반사될 수 있다. 여기서, 핵심 조건은 최종 매질에서 입사각(
Figure 112020016202232-pat00001
)이 임계각(
Figure 112020016202232-pat00002
)보다 큰 각으로 입사하는 것이다.
도 11은 일 실시예에 따른 굴절률 조절을 설명하기 위한 도면이다. 도 11을 참조하면, 물질의 굴절률을 조절하기 위해 첫 번째 물질(n1)을 더 큰 굴절률의 물질로 변경할 수 있다. 여기에서는 도 10에 도시된 첫 번째 물질(n1)을 굴절률이 더 큰 물질로 변경함으로써, 굴절각(
Figure 112020016202232-pat00003
)이 증가되며, 이에 따라 굴절각(
Figure 112020016202232-pat00004
)도 증가된다.
보다 구체적으로, n2
Figure 112020016202232-pat00005
(즉, 동일하게 입사함을 의미함.)가 일정하므로, n1이 증가하면 sin
Figure 112020016202232-pat00006
가 증가하여 굴절각(
Figure 112020016202232-pat00007
)이 증가된다. 이 때, 예각의 범위 내에서 증가되며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020016202232-pat00008
또한, 굴절각(
Figure 112020016202232-pat00009
)은 다음 매질계면에서의 입사각과 동위각이며, 입사각(
Figure 112020016202232-pat00010
)이 증가하면 굴절각(
Figure 112020016202232-pat00011
)도 증가되며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020016202232-pat00012
굴절각(
Figure 112020016202232-pat00013
)이 증가함에 따라 동위각인 최종 매질계면에서의 입사각(
Figure 112020016202232-pat00014
)도 증가하여 임계각(
Figure 112020016202232-pat00015
)보다 커질 수 있게 된다.
도 12는 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈에 사용되는 절연체 물질의 개수를 설명하기 위한 도면이다. 도 12를 참조하면, 반사파 재순환 모듈에 사용되는 절연체 물질이 4개인 경우를 나타낸다. 즉, 도 10에서 설명한 반사파 재순환 모듈에 사용되는 절연체 물질(3개)보다 절연체 물질이 1개 많은 경우를 나타낸다.
반사파 재순환 모듈의 매질을 지날 때마다 굴절각이 커지고 그 굴절각은 동위각인 입사각이 되어 다음 매질을 통과하므로, 통과하는 매질이 많아질수록 최종 매질계면에서의 입사각이 커질 수 있다. 즉, 반사파 재순환 모듈에 사용되는 절연체 물질의 개수를 늘림으로써 최종 매질계면에서의 입사각을 커지게 할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 반사파 재순환 모듈에 사용되는 절연체 물질의 곡률을 설명하기 위한 도면이다. 도 13을 참조하면, 절연체 물질의 곡률 반경의 크기가 작아지면 곡률이 커져 더 오목/볼록해지며, 렌즈에서 빛이 퍼지는 현상과 같이 이전보다 굴절각이 더 커지게 된다. 즉, 절연체 물질의 곡률 반경을 축소하는 경우 굴절각이 더 커지게 된다.
이상과 같이, 반사파 재순환 모듈은 이러한 원리가 적용되어 구성될 수 있다. 그리고 반사파 재순환 모듈은 마그네트론과 캐비티 사이에서 마이크로파를 전달하는 도파관 내부에 설치될 수 있다. 특히, 테플론, 아크릴 및 폴리카보네이트의 유전상수는 각각 2.1, 3.0 및 2.9로 마이크로파 투과성 물질이고, 굴절률이 순서대로 1.38, 1.49 및 1.60으로 단계적 배열이 가능해진다. 핵심적으로, 전반사는 항상 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 이동할 때 발생할 수 있으므로 상술한 바와 같이 단일 방향의 마이크로파 조사가 가능하다.
아래에서는 이러한 반사파 재순환 모듈을 적용하여 실험한 결과를 설명한다.
초기온도 21℃의 200 g의 증류수를 2분 동안 1,000 W의 동일한 조건에서 가열하였을 때, 반사파 재순환 모듈의 미적용 시 42℃이고, 반사파 재순환 모듈의 적용 시 71℃의 최종온도가 나타난다. 이와 같이 반사파 순환에 의해 온도 변화가 21℃에서 49℃로 두 배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다.
실용적 측면의 슬러지 가용화 실험 결과에서도 반사파 재순환 모듈의 적용의 효과가 SCOD(Soluble Chemical Oxygen Demand) 변화량의 증가로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 실시예들에 따르면 전기 에너지의 마이크로파 에너지를 거쳐 유효 열 에너지까지의 두 단계 에너지 전환 과정에서 발생하는 에너지 손실 및 아이솔레이터에 의해 제거되는 반사파로 인한 에너지 손실을 개선하여 에너지 효율을 향상시키는 동시에 아이솔레이터의 설치 비용을 절감할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 반사파 순환의 효과는 저용량의 타겟 물질에도 마이크로파 상호작용의 기회를 높여, 재료의 부피가 커질수록 더 많은 양의 재료에 더 많은 마이크로파가 흡수되어 에너지 효율이 향상된다는 종래의 기술과 달리, 저용량·소규모 마이크로파 장치의 산업화에 이점을 제공할 수 있다. 이에 따라 대량처리가 필요한 폐기물 분야뿐 아니라, 고부가가치의 미량물질 처리 분야에서도 경제성 있는 마이크로파 장치 운전의 가능성을 의미하여 높은 산업상 이용 가능성을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 반사파 재순환 모듈이 도입된 고효율 마이크로파 장치를 전도가열 장치 및 기존 마이크로파 장치를 대체하여 건조, 가열 공정뿐만 아니라, 화학물질 합성, 의약품 합성, 플라즈마 응용, 오염물질 제거, 바이오 연료 생산 등 산업 전반적인 가열 공정에 적용한다면 에너지 향상을 통한 경제성 확보를 제공할 수 있다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 마이크로파 시스템의 도파관 내부에 배치되어, 마이크로파가 마그네트론으로부터 캐비티 방향으로의 단일 방향으로 조사되도록 하는 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 절연체
    를 포함하고,
    상기 절연체는,
    서로 다른 굴절률을 가진 복수 개의 물질로 이루어지며, 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로 배치되어, 상기 마이크로파가 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티로 조사되고, 상기 캐비티에서 상기 마그네트론으로 되돌아가는 반사파를 굴절 또는 전반사시켜 타겟 재료로 되돌아가도록 하며, 임계각보다 큰 입사각의 범위를 조절하기 위해 배열되는 물질의 굴절률의 크기, 개수 및 곡률의 크기 중 적어도 어느 하나 이상이 결정되고, 상기 마이크로파의 진행 방향에 수직으로 배치되며 단면을 곡면으로 구성하여 마이크로파의 굴절각을 조절하는 것
    을 특징으로 하는, 반사파 재순환 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는,
    테플론, 아크릴 및 폴리카보네이트 순서로 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로 단계적 배열하여 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티로의 단일 방향으로 마이크로파를 조사하는 것
    을 특징으로 하는, 반사파 재순환 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는,
    마지막으로 배열된 물질과 공기가 접하는 단면은 전반사가 일어나도록 평면으로 구성되는 것
    을 특징으로 하는, 반사파 재순환 모듈.
  7. 마이크로파 시스템의 도파관 내부에 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 절연체가 배치되어, 마이크로파가 마그네트론으로부터 캐비티로 조사되는 단계; 및
    상기 절연체에 의해 상기 캐비티에서 상기 마그네트론으로 되돌아가는 반사파를 굴절 또는 전반사시켜 타겟 재료로 되돌아가도록 하는 단계
    를 포함하고,
    상기 절연체는,
    상기 마이크로파가 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로의 단일 방향으로 조사되도록 하되, 서로 다른 굴절률을 가진 복수 개의 물질로 이루어지며, 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로 배치되어, 상기 마이크로파가 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티로 조사되고, 상기 캐비티에서 상기 마그네트론으로 되돌아가는 반사파를 굴절 또는 전반사시켜 타겟 재료로 되돌아가도록 하며, 임계각보다 큰 입사각의 범위를 조절하기 위해 배열되는 물질의 굴절률의 크기, 개수 및 곡률의 크기 중 적어도 어느 하나 이상이 결정되고, 상기 마이크로파의 진행 방향에 수직으로 배치되며 단면을 곡면으로 구성하여 마이크로파의 굴절각을 조절하는 것
    을 특징으로 하는, 반사파 재순환 모듈의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 절연체는,
    마지막으로 배열된 물질과 공기가 접하는 단면은 전반사가 일어나도록 평면으로 구성되는 것
    을 특징으로 하는, 반사파 재순환 모듈의 제조 방법.
  11. 마이크로파를 발생시키는 마그네트론;
    내부의 타겟 재료에 상기 마이크로파가 조사되는 캐비티;
    상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티를 연결시켜, 상기 마그네트론으로부터 출력된 상기 마이크로파를 상기 캐비티로 전달하는 도파관; 및
    상기 도파관 내부에 배치되어, 상기 마이크로파가 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로의 단일 방향으로 조사되도록 하는 적어도 하나 이상의 물질로 이루어지는 절연체를 포함하는 반사파 재순환 모듈
    을 포함하고,
    상기 절연체는,
    서로 다른 굴절률을 가진 복수 개의 물질로 이루어지며, 굴절률이 작은 물질부터 큰 물질 순서로 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티 방향으로 배치되어, 상기 마이크로파가 상기 마그네트론으로부터 상기 캐비티로 조사되고, 상기 캐비티에서 상기 마그네트론으로 되돌아가는 반사파를 굴절 또는 전반사시켜 타겟 재료로 되돌아가도록 하며, 임계각보다 큰 입사각의 범위를 조절하기 위해 배열되는 물질의 굴절률의 크기, 개수 및 곡률의 크기 중 적어도 어느 하나 이상이 결정되고, 상기 마이크로파의 진행 방향에 수직으로 배치되며 단면을 곡면으로 구성하여 마이크로파의 굴절각을 조절하며,
    아이솔레이터를 상기 반사파 재순환 모듈로 대체하는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 시스템.
  12. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140129301A (ko) 2012-02-27 2014-11-06 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 마이크로파 가열 처리 장치 및 처리 방법
JP2016170971A (ja) * 2015-03-12 2016-09-23 富士通株式会社 マイクロ波加熱装置

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