KR19990045674A - 고주파 에너지 공급수단 및 고주파 무전극 방전램프 장치 - Google Patents

고주파 에너지 공급수단 및 고주파 무전극 방전램프 장치 Download PDF

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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

고주파 에너지 공급장치는 중앙부에 발생하는 공진 고주파 전자기장을 이용하여 고주파 에너지를 공급하는 전기적으로 대략 환상으로 결합된 측 공진기군과, 복수의 고주파 전파경로로부터 전파된 고주파 에너지를 상기 측 공진기군에 결합하기 위한 복수의 고주파 결합수단을 갖고, 상기 복수의 고주파 결합수단으로부터 상기 측 공진기군에 결합되는 상기 복수의 고주파는 위상 및/또는 주파수가 서로 다른 것을 특징으로 한다.

Description

고주파 에너지 공급수단 및 고주파 무전극 방전램프 장치
본 발명은 방전에 필요한 고주파 에너지 공급수단 및 고주파 무전극 방전램프 장치에 관한 것이다.
고주파 무전극 방전램프는 전극을 갖는 아크 방전램프에 비해 전자기 에너지(electromagnetic energy)를 충전물에 결합하기 쉽고, 방전발광을 위한 충전물로부터 수은을 제거할 수 있으며, 또한 전극의 손실이 없기 때문에 고발광 효율화를 기대할 수 있다는 이점이 있다. 또 방전공간 내부에 전극을 갖지 않기 때문에, 전극증발에 의한 밸브 내벽의 흑화가 발생하지 않는다. 이에 의해 램프수명을 크게 늘릴 수 있게 된다. 이러한 특징때문에 고주파 무전극 방전램프는 차세대 고휘도 방전램프로서 최근 연구가 최근 활발히 행해지고 있다.
또한 일반적인 방전램프 장치에 있어서는, 광원의 크기를 점광원에 근접하게 축소함으로써 배광설계를 보다 이상화할 수 있기 때문에, 광원인 플라즈마 아크의 크기를 축소하는 것이 강하게 요구된다. 예를 들면 표준 액정 비디오 프로젝트 등에 대한 응용을 고려하면, 방사광의 이용효율을 높이기 위한 광학 설계용으로 약 3mm 이하의 플라즈마 아크 크기가 요구되고 있다. 한편 무전극 방전램프에서는, 플라즈마 아크의 크기는 전구(bulb)의 내경에 의해 결정된다. 그러나 종래의 공진기를 사용하는 고주파 무전극 방전램프 장치는 파장에 의해 소형화가 제한되기 때문에, 고휘도의 점광원이 요구되는 응용분야에는 적합하지 않았다. 따라서 공진기보다도 작은 공간에 고주파 공진 전자기장을 집중하여 공급할 수 있는 고주파 에너지 공급수단이 최근 개발되고 있다.
이하, 일본국 특허공개공보 평10-189270호에 기재된 “고주파 에너지 공급수단 및 고주파 무전극 방전램프 장치”에 기초하여 종래의 기술을 도 10을 참조하여 설명하기로 한다.
일본국 특허공개공보 평10-189270호에 기재된 고주파 에너지 공급수단은 환상의 도전성 재료로 된 전자 유도 기능부와, 빈틈(gap)으로 이루어지는 전기 용량 기능부를 동시에 갖는 복수의 측 공진기를 포함하고, 복수의 환상으로 배열될 측 공진기로 구성되어 상기 전기 용량 기능부가 안쪽을 향하는 상기 측 공진기군의 중앙부에 공진 고주파 전자기장을 방전하기 위하여 필요한 고주파 에너지를 공급하는 구성으로 이루어진다.
도 10은 측 공진기군의 일례로서, 8장의 판 형상의 베인(105)을 동일한 도전성 재료로 된 실린더(104)의 내주로부터 중앙을 향하여 돌출시킨 8 베인형 공진기(102)를 도시한 도면이다. 실린더(104)와 인접하는 2개의 베인(105)의 내벽표면 및 그들이 이렇게 하여 형성하는 공간이 전자 유도 기능부로서 작용하며, 인접하는 2개의 베인 돌출부와 그 사이의 빈틈이 전기 용량 기능부로서 작용한다. 무전극 방전램프(101)는 8 베인형 공진기(102)의 중앙부에 배치되어 있다. 고주파 발진수단으로부터 전파된 고주파 에너지는 베인(105)의 하나로 코킹(caulking) 또는 용접에 의해 전기적으로 결합된 전기장 결합형 고주파 결합수단(103)에 의해 8 베인형 공진기(102)에 결합된다. 또 8 베인형 공진기(102)는 고주파 에너지가 결합되는 주파수에서 공진하도록 설계되어 있다. 이렇게 하여 8 베인형 공진기(102)의 중앙부에 발생된 공진 고주파 전기장(E)에 의해 고주파 방전에 필요한 에너지가 무전극 방전램프(101)에 공급된다.
특히 측 공진기의 수가 N개로 구성될 때, 고주파수의 주파수 또는 측 공진기의 형상은 인접하는 측 공진기의 위상이 2π/N씩 어긋난 모드로 측 공진기군을 구동하도록 설계되고, 돌출부에서의 전하는 대향하는 돌출부와는 반대의 극성을 갖는다. 이 전하에 의해 생성되는 공진 고주파 전기장(E)은 측 공진기군의 중앙부의 직경방향을 향하고 있고, 무전극 방전램프(101)를 교차하는 분포를 갖는다. 공진기가 2π/N 모드로 동작될 때 무전극 방전램프(101)가 배치된 중앙부에서 가장 강한 전기장을 얻을 수 있다.
또한 도 11에 도시된 바와 같이 고주파 결합수단은 자기장결합형으로 할 수도 있다. 도 11에서 루프 안테나(113)의 종단부는 8 베인형 공진기(112)의 실린더부에 전기적으로 접속되어 있다. 공진 고주파 전기장(E)은 루프 안테나(113)로부터 발진되는 고주파 자기장에 의해 8 베인형 공진기(112)의 중앙부에 발생된다. 이 공진 고주파 전기장(E)에 의해 무전극 방전램프(111)에 고주파 방전 에너지가 공급된다.
상기 일본국 특허출원 평8-291420호의 고주파 방전 에너지 공급수단에 의하면 2.45GHz의 고주파를 이용하더라도 10mm 이하의 비교적 작은 크기의 플라즈마 아크를 생성 유지할 수 있게 된다.
그러나 상기 구성에서는 2π/N 모드에서 강한 전기장을 얻기 위하여 동작시켰을 때 전기장의 방향이 일정하기 때문에, 열 대류에 의한 플라즈마의 위치 이동이 생겼을 때 모드가 혼란되고, 방전 플라즈마가 불안정하게 된다는 현상이 발생하기 쉽다는 문제점이 있었다. 또한 전기장이 특정한 방향으로 편향되어 있기 때문에, 무전극 방전램프의 방전관벽에 대한 열부하가 전기장방향으로 편향되어 증가된다는 문제점도 갖고 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 상기 문제점을 감안하여 공진기보다도 작은 공간에 고주파 공진 전자기장을 집중하여 공급할 수 있는 고주파 에너지 공급수단 및 그것을 이용한 고주파 무전극 방전램프 장치를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 2개의 전기장결합형 안테나를 갖는 8 베인형 공진기를 도시하는 도면
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 2개의 전기장결합형 안테나를 갖는 8 베인형 공진기를 이용하는 고주파 무전극 방전램프 장치의 개략도
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 전기장에서의 시간경과에 따른 변화를 도시한 도면
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 2개의 자기장결합형 안테나를 갖는 8 베인형 공진기를 도시하는 도면
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 3개의 전기장결합형 안테나를 갖는 6 베인형 공진기를 이용하는 고주파 무전극 방전램프 장치의 개략도
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 3개의 전기장결합형 안테나를 갖는 6 베인형 공진기를 도시하는 도면
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 3개의 전기장결합형 안테나를 갖는 6 베인형 공진기를 이용하는 고주파 무전극 방전램프 장치의 개략도
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 관한 2개의 고주파 전원을 이용하는 고주파 무전극 방전램프 장치의 개략도
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 관한 전기장에서의 시간경과에 따른 변화 궤적도
도 10은 종래의 전기장결합형 안테나를 갖는 8 베인형 공진기의 일례도
도 11은 종래의 자기장결합형 안테나를 갖는 8 베인형 공진기의 일례도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
11, 21, 41, 61 : 무전극 방전램프 12, 22, 42, 62 : 베인형 공진기
13, 63 : 전기장결합형 안테나 43 : 자기장결합형 안테나
본 발명에 의한 고주파 에너지 공급수단은 중앙부에 발생하는 공진 고주파 전자기장을 이용하여 고주파 에너지를 공급하는 전기적으로 대략 환상으로 결합된 측 공진기군과, 복수의 고주파 전파경로로부터 전파된 복수의 고주파 에너지를 상기 측 공진기군에 결합하기 위한 복수의 고주파 결합수단을 구비하고, 상기 복수의 고주파 결합수단으로부터 상기 측 공진기군에 결합되는 복수의 고주파는 위상 및/또는 주파수가 서로 다른 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단이다.
또 본 발명에 의한 고주파 에너지 공급수단은 중앙부에 발생하는 공진 고주파 전자기장을 이용하여 고주파 에너지를 공급하는 전기적으로 대략 환상으로 결합된 측 공진기군과, 고주파 발진수단과, 고주파 전파수단과, 상기 고주파 발진수단에 의해 발생되어 상기 고주파 전파수단에 의해 전파되는 상기 고주파 에너지를 복수의 전파경로로 분기하기 위한 고주파 분기수단과, 상기 복수의 전파경로상의 복수의 고주파 위상을 다른 위상으로 천이하기 위한 고주파 위상천이 수단과, 상기 다른 위상의 복수의 고주파 에너지를 상기 측 공진기군에 결합하기 위한 복수의 고주파 결합수단을 구비하고, 상기 고주파 결합수단의 수가 M이면, 상기 측 공진기군에 의해 형성되는 링의 중앙부에 대하여 서로 인접하는 상기 고주파 결합수단에 의해 생성되는 부다 작은 쪽의 각이 π/M이고, 또한 서로 인접하는 상기 고주파 결합수단에 의해 결합되는 고주파 에너지의 위상이 상기 고주파 위상천이 수단에 의해 각각 π/M씩 천이되는 고주파 에너지 공급수단이다.
고주파 에너지 공급수단은 중앙부에 발생하는 공진 고주파 전자기장을 이용하여 고주파 에너지를 공급하는 전기적으로 대략 환상으로 결합된 측 공진기군과, 고주파 발진수단과, 고주파 전파수단과, 상기 고주파 발진수단에 의해 발생되어 상기 고주파 전파수단에 의해 전파되는 상기 고주파 에너지를 복수의 전파경로로 분기하기 위한 고주파 분기수단과, 상기 복수의 전파경로상의 복수의 고주파 위상을 다른 위상으로 천이하기 위한 고주파 위상천이 수단과, 상기 다른 위상의 복수의 고주파 에너지를 상기 측 공진기군에 결합하기 위한 복수의 고주파 결합수단을 구비하고, 상기 고주파 결합수단의 수가 M이면, M은 적어도 3이고, 상기 측 공진기군에 의해 형성되는 링의 중앙부에 대하여 서로 인접하는 상기 고주파 결합수단에 의해 생성되는 보다 작은 쪽의 각이 2π/M이며, 또한 서로 인접하는 상기 고주파 결합수단에 의해 결합되는 고주파 에너지의 위상이 각각 상기 고주파 위상천이 수단에 의해 2π/M씩 천이되는 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단이다.
또 본 발명에 의한 고주파 에너지 공급수단은 중앙부에 발생하는 공진 고주파 전자기장을 이용하여 고주파 에너지를 공급하는 전기적으로 대략 환상으로 결합된 측 공진기군과, 복수의 고주파 발진수단과, 복수의 고주파 전파수단과, 상기 복수의 고주파 발진수단에 의해 발생되어 상기 복수의 고주파 전파수단에 의해 전파되는 상기 복수의 에너지를 상기 측 공진기군에 결합하기 위한 복수의 고주파 결합수단을 구비하고, 상기 복수의 고주파 발진수단은 상기 복수의 고주파 전파수단 의 수 및 상기 복수의 고주파 결합수단의 수와 같으며, 또한 상기 복수의 고주파 결합수단은 상기 측 공진기군을 형성하는 다른 측 공진기에 결합되어 있고, 상기 복수의 고주파 발진수단에 의해 발생되는 고주파의 주파수는 서로 다른 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단이다.
본 발명의 고주파 무전극 방전램프 장치는 본 발명에 의한 고주파 에너지 공급수단과, 무전극 방전램프를 구비하고, 상기 무전극 방전램프는 상기 고주파 에너지 공급수단의 링의 중앙부에 배치되며, 상기 고주파 에너지 공급수단으로부터 공급되는 고주파 에너지에 의해 상기 무전극 방전램프의 방전관 내부에 방전 플라즈마가 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 무전극 방전램프 장치이다.
상기 구성에 의하면, 전기장이 한 방향으로 편향되는 것이 제거되어 방전 플라즈마가 안정적으로 생성 유지되고, 또한 무전극 방전램프의 방전관벽에 대한 열부하가 평균화된다.
한편 본 명세서 내에서의 “고주파”란, 1MHz∼100GHz의 주파수의 전자파를 가리킨다. 특히 본 발명은 주파수 범위가 300MHz∼30GHz의 “마이크로파” 주파수에서 유리하게 적용될 수 있다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해 질 것이다.
( 실시예 )
( 제 1 실시예 )
이하 본 발명의 고주파 에너지 공급수단의 제 1 실시예에 관하여 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 8 베인형 공진기(12)에서 공진기의 주파수와 형상은 강한 전기장을 얻기 위하여 중앙부에 설치된 무전극 방전램프(11)를 공진 고주파 전기장이 통과하도록 설계된다. 즉 단일 고주파 결합수단에 의해 고주파 에너지가 공진기(12)에 결합되는 경우, 결합되는 고주파 에너지의 주파수에 의해 공진기가 측 공진기의 위상으로부터 π/4(2π/8) 씩 천이되는 위상 모드에서 동작하도록 주파수가 미리 설계되어 있다. 고주파 결합수단인 2개의 전기장 결합형 안테나(13)는 8 베인형 공진기(12)에 결합되어, 공진기의 중심부에 대한 각의 작은 쪽이 각이 90°(π/2)가 되고 있다. 제 1 전기장 결합형 안테나(13a)에 결합된 고주파 에너지에 의해, 8 베인형 공진기(12)의 중앙부에는 도 1상에 수평방향의 공진 고주파 전기장(Ex)이 생긴다. 마찬가지로 제 2 전기장 결합형 안테나(13b)에 결합된 고주파 에너지에 의해 8 베인형 공진기(12)의 중앙부에는 도 1상에 수직방향의 공진 고주파 전기장(Ey)이 생긴다.
다음으로 고주파 발진수단과, 고주파 분기 및 위상천이 수단을 포함한 구성에 대하여 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. 고주파 전원으로부터 발진된 고주파 에너지는 동축선이나 도파관 등으로 구성된 고주파 전파수단에 의해 분배기 및 위상 천이기(divider phase-shifter)에 전파된다. 고주파 분기수단인 상기 분배기에 의해 전파된 고주파 에너지는 2부분으로 분기된다. 또한 분기된 2개의 고주파 전파수단이 8 베인형 공진기(22)에 결합되는 제 1 전기장 결합형 안테나(13a)의 결합부(23a)와 제 2 전기장 결합형 안테나(l3b)의 결합부(23b)에서 고주파의 위상이 90°(π/2) 다르게 되도록 고주파 위상천이 수단인 상기 위상 천이기에 의해 설정되어 있다.
이 때의 상기 8 베인형 공진기 중앙부의 전기장(electric field)은 다음의 수학식 1로 나타난다.
여기에서, ω는 인가되는 고주파의 각 주파수, t는 시간, E0은 각각의 고주파 결합수단에 의해 결합되는 공진 전기장의 최대값을 나타낸다. 상기 수학식 1은 8 베인형 공진기 중앙부의 전기장이 인가되는 고주파의 각 주파수ω로 회전하는 것을 나타내고 있다.
도 1 및 도 2의 무전극 방전램프(11 및 21)가 설치된 8 베인형 공진기(12 및 22)의 중앙부에서의 공진 고주파 전기장의 시간경과에 따른 변화를 도 3에 도시한다.
고주파 발진수단은 2.45GHz의 정현파(正弦波)로 발진되고 있고, 제 1 전기장결합형 안테나(13a)에 의해 결합되는 x방향의 공진 고주파 전기장(Ex)의 시간경과에 따른 변화를 왼쪽 칼럼의 상부에 나타내고, 제 2 전기장결합형 안테나(13b)에 의해 결합되는 y방향의 공진 고주파 전기장(Ey)의 시간경과에 따른 변화를 왼쪽 칼럼의 하부에 나타내고 있다. 이와 같이 x방향의 공진 고주파 전기장(Ex)과 y방향의 공진 고주파 전기장(Ey)이 90° 어긋나게 인가될 때, 중앙부에서 서로 겹쳐지는 전기장은 오른쪽칼럼에 도시된 바와 같이 고주파의 주파수에 동기하여 회전하게 된다.
상기 고주파 결합수단은 도 1에 도시된 바와 같은 전기장결합형 안테나에 한정되는 것이 아니라, 도 4에 도시된 바와 같은 자기장결합형으로 할 수도 있다. 도 4에서 2개의 루프 안테나(43a 및 43b)의 종단부는 8 베인형 공진기(42)의 실린더 내벽부에 각각 전기적으로 접속되어 있다. 이 루프 안테나(43)로부터 발진되는 2개의 위상천이 고주파 자기장에 의해 8 베인형 공진기(42)의 중앙부에 공진 고주파 회전 전기장이 발생하여 무전극 방전램프(41)에 고주파 에너지가 공급된다.
상기의 효과를 얻을 수 있는 구성은 8 베인형 공진기 및 2개의 고주파 결합수단에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 도 5에 도시된 바와 같이, 6 베인형 공진기 및 3개의 고주파 결합수단으로 할 수도 있다.
현재 고주파 에너지가 단일의 고주파 결합수단에 의해 결합될 때, 결합되는 고주파 에너지의 주파수를 맞추기 위하여 공진 고주파 전기장이 중앙부에 설치되는 무전극 방전램프(51)를 교차하여 2π/3 모드에서 작동되도록 도 5에 도시된 6 베인형 공진기(52)가 설계되어 있다.
고주파 결합수단(52)은 6장의 베인으로 구성된 6 베인형 공진기에 결합되어, 6 베인형 공진기(52)의 중심부에 대하여 60°(π/3)의 각을 이루도록 3개 연결되어 있다. 고주파 전원으로부터 발진된 고주파 에너지는 동축선이나 도파관 등으로 된 고주파 전파수단에 의해 분배기 및 위상 천이기에 전파된다. 고주파 분기수단인 상기 분배기에 의해 전파된 고주파 에너지는 3개로 분기된다. 또한 분기된 3개의 고주파 전파수단이 6 베인형 공진기에 결합되는 3개의 결합부에서 각각 고주파의 위상이 60°(π/3)씩 다르도록 고주파 위상천이 수단인 상기 위상 천이기에 의해 설정되어 있다. 상기 구성으로 함으로써 상술한 8 베인형 공진기와 2개의 고주파 결합수단에 의한 구성과 마찬가지로, 베인형 공진기의 중앙부의 공진 고주파 전기장은 결합되는 고주파의 주파수에 동기하여 회전시킬 수 있어 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 실시예의 구성에서 고주파 결합수단의 수가 M개, 각각의 고주파 결합수단으로부터 결합되는 공진 전기장의 최대값이 E0일 때, 측 공진기군 중앙부의 전기장은 다음의 수학식 2로 나타난다.
상기 수학식 1과 같이 ω는 인가되는 고주파의 각 주파수, t는 시간을 나타낸다. 그러나 측 공진기군을 형성하는 측 공진기의 수를 N으로 할 때, M은 2보다 크고, N/2보다 작은 정수이다. 상기 수학식 2는 측 공진기군 중앙부의 전기장이 인가되는 고주파와 같은 각 주파수ω로 회전하는 것을 나타내고 있다.
이상과 같은 구성으로 함으로써, 전기장의 방향이 한 방향으로 편향되지 않고 회전하기 때문에 무전극 방전램프의 방전 플라즈마 및 관벽의 열분포가 균일화된다. 이에 따라 플라즈마의 열 대류에 의한 모드의 혼란이 생기기 어렵게 되며, 또한 무전극 방전램프의 내열성이 향상된다.
( 제 2 실시예 )
이하 본 발명의 고주파 에너지 공급수단의 제 2 실시예에 관하여 도 6과 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6의 6 베인형 공진기(62)는 단일 고주파 결합수단에 의해 고주파 에너지가 결합되는 경우, 중앙부에 배치된 무전극 방전램프(61)를 공진 고주파 전기장이 교차하는 2π/3모드에서 동작하도록, 결합되는 고주파 에너지의 주파수에 맞게 미리 설계되어 있다. 6 베인형 공진기(62)에는 고주파 결합수단인 3개의 전기장결합형 안테나(63)가 결합되도록 6 베인형 공진기(62)의 중심부에 대하여 각각 120°(2π/3)의 각을 이루도록 결합되어 있다.
다음으로 고주파 발진수단과, 고주파 분기 및 위상천이 수단을 포함시킨 구성에 대하여 도 7을 참조하여 설명하기로 한다. 고주파 전원으로부터 발진된 고주파 에너지는 동축선이나 도파관 등으로 된 고주파 전파수단에 의해 분배기 및 위상 천이기에 전파된다. 고주파 분기수단인 상기 분배기에 의해 전파된 고주파 에너지는 3개로 분기된다. 또한 분기된 3개의 고주파 전파수단이 6 베인형 공진기(72)에 결합되는 제 1 전기장결합형 안테나(63a)의 결합부(73a), 제 2 전기장결합형 안테나(63b)의 결합부(73b), 제 3 전기장결합형 안테나(63c)의 결합부(73c)에서, 각각 고주파의 위상이 120°(2π/3)씩 다르도록 고주파 위상천이 수단인 상기 위상 천이기에 의해 설정되어 있다.
이 때의 상기 6 베인형 공진기 중앙부의 전기장은 다음의 수학식 3으로 나타난다.
여기에서 ω는 인가되는 고주파의 각 주파수, t는 시간, E0은 각각의 고주파 결합수단에 의해 결합되는 공진 전기장의 최대값을 나타내고 있다. 상기 수학식 3은 상기 6 베인형 공진기 중앙부의 전기장이 인가되는 고주파와 마찬가지인 각 주파수ω로 회전하는 것을 나타내고 있다.
또한 상기의 효과를 얻을 수 있는 구성은 6 베인형 공진기 및 2개의 고주파 결합수단에 한정되는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같은 본 실시예의 구성에 있어서, 고주파 결합수단의 수가 M개, 각각의 고주파 결합수단으로부터 결합되는 공진 전기장의 최대값이 똑같이 E0일 때 측 공진기군 중앙부의 전기장은 다음의 수학식 4로 나타난다.
상기 수학식 3과 같이, ω는 인가되는 고주파의 각 주파수, t는 시간을 나타낸다. 단, 측 공진기군을 형성하는 측 공진기의 수를 N으로 할 때, M은 3보다 크고 N보다 작은 정수이다. 상기 수학식 4는 측 공진기군 중앙부의 전기장이 인가되는 고주파와 같은 각 주파수ω로 회전하는 것을 나타내고 있다.
이상과 같은 구성으로 함으로써, 제 1 실시예와 같이 전기장의 방향이 한 방향으로 편향되지 않고 회전하기 때문에, 무전극 방전램프의 방전 플라즈마 및 관벽의 열분포가 균일화된다. 이에 따라 플라즈마의 열 대류에 의한 모드의 혼란이 생기기 어렵게 되며, 또한 무전극 방전램프의 내열성이 향상된다. 더욱이 제 1 실시예와 비교하여 측 공진기군의 대향측으로부터도 전기장이 서로 겹쳐지기 때문에, 측 공진기군은 2π/N 모드에서 동작시키기 쉽게 할 수 있다.
( 제 3 실시예 )
이하 본 발명의 고주파 에너지 공급수단의 제 3 실시예에 대하여, 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.
각각 2개씩의 고주파 발진수단과 고주파 전파수단 및 고주파 결합수단을 갖는 8 베인형 공진기를 이용한 고주파 무전극 방전램프 장치의 구성에 대하여 도 8을 참조하여 설명하기로 한다. 또 여기에서 이용하는 8 베인형 공진기(82)와 고주파 결합수단인 2개의 안테나(83a와 83b)는 제 1 실시예에서 도 1 또는 도 4에 도시된 것과 같은 것이다.
고주파 전원(1)으로부터 발진한 고주파 에너지는 동축선이나 도파관 등으로 구성된 제 1 고주파 전파수단에 의해 전파되어 제 1 고주파 결합수단에 의해 8 베인형 공진기(82)의 부분(83a)에 결합된다. 또한 고주파 전원(2)으로부터 발진된 고주파 에너지는 동축선이나 도파관 등으로 구성된 제 2 고주파 전파수단에 의해 전파되어, 제 2 고주파 결합수단에 의해 8 베인형 공진기의 부분(83b)에 결합된다. 제 1 고주파 결합수단(83a)에 의해 결합된 고주파 에너지에 의해 8 베인형 공진기의 중앙부에는 도 8에 수평방향의 공진 고주파 전기장(Ex)이 생긴다. 마찬가지로 제 2 고주파 결합수단(83b)에 의해 결합된 고주파 에너지에 의해 도 8의 수직방향의 공진 고주파 전기장(Ey)이 생긴다.
이 때 고주파 전원(1)으로부터 발진되는 고주파의 각 주파수를 ω1, 고주파 전원(2)으로부터 발진되는 고주파의 각 주파수를 ω2로 하면, 8 베인형 공진기(82)의 중앙부에 생기는 전기장의 x성분과 y성분은 다음의 수학식 5와 같이 나타난다.
여기에서 t는 경과시간을 나타내고, E0은 각각의 고주파 결합수단으로부터 결합되는 공진 전기장의 최대값을 나타내고 있다. 예를 들면 고주파 전원(2)으로부터 발진되는 고주파의 각 주파수ω2가 고주파 전원(1)으로부터 발진되는 고주파의 각 주파수ω1보다 10% 큰 경우, 상기 수학식 5는 다음의 수학식 6으로 나타난다.
이 때 고주파 전원(1)으로부터 발진되는 고주파가 5주기 진행하기까지의 시간 t를 변화시켰을 때(0≤ω2t≤10π)의 8 베인형 공진기(82)의 중앙부에 생기는 전기장의 x, y 성분의 궤적을 기록한 결과가 도 9에 도시되어 있다.
t가 0일 때, 오른쪽 경사의 상부로부터 왼쪽 경사의 하부의 방향으로 향하고 있던 Ex와 Ey의 합성성분은 주파수의 천이에 따라 조금씩 천이되고 있고, 결국 오른쪽 경사 하부로부터 왼쪽 경사 상부의 방향으로 변화되고 있다.
상술한 바와 같이 고주파 전원(1)으로부터 발진되는 고주파의 주파수와 고주파 전원(2)으로부터 발진되는 고주파의 주파수를 다르게 함으로써 8 베인형 공진기(82)에 결합되는 고주파 전기장의 각각의 합성성분은 주파수차이로 인하여 회전을 반복하게 된다.
상기와 같은 구성에 의해 제 1 및 제 2 실시예와 마찬가지로, 전기장의 방향이 한 방향으로 편향되지 않고 변화되기 때문에, 무전극 방전램프(81)의 방전 플라즈마 및 관벽의 열분포가 균일화된다. 이에 따라 플라즈마의 열 대류에 의한 모드의 혼란이 생기기 어렵게 되며, 또한 무전극 방전램프(81)의 내열성이 향상된다. 또 제 1 및 제 2 실시예와 비교하여 위상차의 조정이라는 정밀한 작업을 행할 필요가 없게 된다.
여기에서는 10%의 주파수차를 이용한 예를 나타냈지만, 물론 주파수차는 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한 공업적으로 사용이 허용되는 고주파의 주파대인 ISM(Industrial Scientific & Medical) 주파수대는 각각 대역폭을 갖고 있기 때문에, 그 대역폭내에서 주파수차를 갖게 하는 것이 보다 바람직하다. 예를 들면 중심주파수 2.45GHz의 ISM 주파수대에서 허용되는 대역폭은 ±0.05GHz이다. 따라서 이 때 주파수차는 0.1GHz 이내로 변화시킬 수 있다. 실제적으로는 마그네트론 등의 고주파 발진기는 상술한 허용 대역폭내에서 항상 발진 주파수에 오차를 갖고 있기 때문에, 특히 주파수를 변화시키려고 하지 않더라도 복수의 고주파 발진기를 준비하면 주파수차는 자연스럽게 얻을 수 있다.
그러나 주파수차가 너무 크면 측 공진기군의 공진 주파수로부터 벗어나거나, 다른 공진모드가 발생될 우려가 있기 때문에 그다지 바람직한 것은 아니다. 따라서 주파수차는 동일한 공진모드가 발생될 수 있는 주파수폭 내에 들어갈 수 있는 것이 바람직하다.
상술한 효과를 얻을 수 있는 구성은 각각 2개씩의 고주파 발진수단과 고주파 전파수단 및 고주파 결합수단을 갖는 8 베인형 공진기에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면 도 5에 도시된 바와 같은 6 베인형 공진기와 3개의 고주파 결합수단을 이용하여 각각 3개씩의 고주파 발진수단과 고주파 전파수단 및 고주파 결합수단을 갖는 구성으로 할 수도 있다.
상기 제 1 내지 제 3 실시예에서는 측 공진기로서 베인형 공진기를 이용한 예를 나타냈지만, 홀·슬롯형(hole-slot) 공진기 등의 기타의 측 공진기군을 이용할 수도 있다.
또한 상기 제 1 내지 제 3 실시예에서는 본 발명의 측 공진기군을 이용한 고주파 에너지 공급수단을 고주파 무전극 방전램프 장치로 응용하는 형태로만 나타냈지만, 본 발명의 고주파 에너지 공급수단의 응용분야는 이것에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 본 발명의 고주파 에너지 공급수단은 플라즈마 CVD나 플라즈마 토오치, 혹은 가스방전 레이저 등의 고주파 방전을 이용하는 장치에 있어서, 비교적 작은 직경의 안정된 방전 플라즈마를 형성하기 위해, 집중되며 또한 편향되지 않는 공진 고주파 전기장에 의한 에너지의 공급이 필요한 경우에 유용하다.
또 고주파 에너지를 사용하는 상기 고주파 에너지 공급수단의 중앙부에 설치된 비교적 작은 직경을 갖는 제조중인 제품을 가열, 발광, 용해 및 증발시키기 위해, 균등한 공진 고주파 전기장을 집중시키거나 편향되지 않는 것이 필요하기 때문에, 방전 에너지를 공급할 경우에 본 발명의 고주파 에너지 공급수단은 유용하게 된다.
상기에 덧붙여, 본 발명에서는 복수의 고주파는 고주파 결합수단에 의해 결합되고, 위상차는 각각 다르게 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 종래의 측 공진기군을 이용한 마이크로파 에너지 공급수단에 비하여 전기장이 한 방향으로 편향되는 것이 제거되고, 전기장의 방향이 회전하거나 혹은 주기적으로 변화하기 때문에 균등한 고주파 에너지를 공급할 수 있게 된다.
이렇게 함으로써, 플라즈마의 열 대류에 의한 모드의 혼란이 작아지게 되어 방전 플라즈마가 안정적으로 점등 유지되게 된다. 또한 무전극 방전램프의 방전관벽에 대한 열부하가 평균화되어 무전극 방전램프의 내열성이 향상된다.
또한 가열, 발광, 용해 및 증발시키기 위한 에너지의 공급이 균등화될 수 있다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 사상과 범위를 통해 각종 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 중앙부에 발생하는 공진 고주파 전자기장을 이용하여 고주파 에너지를 공급하는 전기적으로 대략 환상으로 결합된 측 공진기군과,
    복수의 고주파 전파경로로부터 전파된 복수의 고주파 에너지를 상기 측 공진기군에 결합하기 위한 복수의 고주파 결합수단을 구비하고,
    상기 복수의 고주파 결합수단으로부터 상기 측 공진기군에 결합되는 복수의 고주파는 위상 및/또는 주파수가 서로 다른 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고주파 결합수단은 2개이며 상기 고주파 결합수단은 180˚의 공간각을 생성하지 않는 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  3. 중앙부에 발생하는 공진 고주파 전자기장을 이용하여 고주파 에너지를 공급하는 전기적으로 대략 환상으로 결합된 측 공진기군과, 고주파 발진수단과, 고주파 전파수단과, 상기 고주파 발진수단에 의해 발생되어 상기 고주파 전파수단에 의해 전파되는 상기 고주파 에너지를 복수의 전파경로로 분기하기 위한 고주파 분기수단과, 상기 복수의 전파경로상의 복수의 고주파 위상을 다른 위상으로 천이하기 위한 고주파 위상천이 수단과, 상기 다른 위상의 복수의 고주파 에너지를 상기 측 공진기군에 결합하기 위한 복수의 고주파 결합수단을 구비하고,
    상기 고주파 결합수단의 수가 M이면, 상기 측 공진기군에 의해 형성되는 링의 중앙부에 대하여 서로 인접하는 상기 고주파 결합수단에 의해 생성되는 보다 작은 쪽의 각이 π/M이고, 또한 서로 인접하는 상기 고주파 결합수단에 의해 결합되는 고주파 에너지의 위상이 각각 상기 고주파 위상천이 수단에 의해 π/M씩 천이되는 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  4. 중앙부에 발생하는 공진 고주파 전자기장을 이용하여 고주파 에너지를 공급하는 전기적으로 대략 환상으로 결합된 측 공진기군과, 고주파 발진수단과, 고주파 전파수단과, 상기 고주파 발진수단에 의해 발생되어 상기 고주파 전파수단에 의해 전파되는 상기 고주파 에너지를 복수의 전파경로로 분기하기 위한 고주파 분기수단과, 상기 복수의 전파경로상의 복수의 고주파 위상을 다른 위상으로 천이하기 위한 고주파 위상천이 수단과, 상기 다른 위상의 복수의 고주파 에너지를 상기 측 공진기군에 결합하기 위한 복수의 고주파 결합수단을 구비하고,
    상기 고주파 결합수단의 수가 M이면, M은 적어도 3이고, 상기 측 공진기군에 의해 형성되는 링의 중앙부에 대하여 서로 인접하는 상기 고주파 결합수단에 의해 생성되는 보다 작은 쪽의 각이 2π/M이고, 또한 서로 인접하는 상기 고주파 결합수단에 의해 결합되는 고주파 에너지의 위상이 각각 상기 고주파 위상천이 수단에 의해 2π/M씩 천이되는 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  5. 중앙부에 발생하는 공진 고주파 전자기장을 이용하여 고주파 에너지를 공급하는 전기적으로 대략 환상으로 결합된 측 공진기군과, 복수의 고주파 발진수단과, 복수의 고주파 전파수단과, 상기 복수의 발진수단에 의해 발생되어 상기 복수의 고주파 전파수단에 의해 전파되는 상기 복수의 고주파 에너지를 상기 측 공진기군에 결합하기 위한 복수의 고주파 결합수단을 구비하고,
    상기 복수의 고주파 발진수단은 상기 복수의 고주파 전파수단의 수 및 상기 복수의 고주파 결합수단의 수와 같으며, 또한 상기 복수의 고주파 결합수단은 상기 측 공진기군을 형성하는 다른 측 공진기에 결합되어 있고, 상기 복수의 고주파 발진수단에 의해 발생되는 고주파의 주파수는 서로 다른 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  6. 제 5항에 있어서,
    고주파 결합수단의 수가 M이면, 상기 측 공진기군에 의해 형성되는 링의 중앙부에 대하여 서로 인접하는 상기 고주파 결합수단에 의해 생성되는 보다 작은 쪽의 각이 π/M인 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측 공진기군의 수가 N이면, 상기 측 공동기군에 형성되는 링의 중앙부에 대하여 상기 각각의 측 공진기에 의해 생성되는 각이 2π/N인 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측 공진기군을 구성하는 측 공진기의 수가 N이면, 서로 인접한 상기 측 공진기 사이의 위상차는 2π/N인 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측 공진기군은 베인형 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고주파 결합수단은 전기장 결합형 또는 자기장 결합형인 것을 특징으로 하는 고주파 에너지 공급수단.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 의한 고주파 에너지 공급수단과, 무전극 방전램프를 구비하고, 상기 무전극 방전램프는 상기 고주파 에너지 공급수단의 링 중앙부에 배치되며, 상기 고주파 에너지 공급수단으로부터 공급되는 고주파 에너지에 의해 상기 무전극 방전램프의 방전관 내부에 방전 플라즈마가 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 무전극 방전램프 장치.
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