KR20020033181A - 자외선 복사 발생 장치 및 방법 - Google Patents

자외선 복사 발생 장치 및 방법 Download PDF

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KR20020033181A
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ultraviolet radiation
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슈미트콘스제임스더블유.
보르숙제임스엠.
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토마스 엘. 무어헤드
노드슨 코포레이션
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Abstract

본 발명의 자외선 복사(ultraviolet radiation) 발생 장치(10)는 챔버(14) 내부에 정상 마이크로파 에너지 파동(standing microwave energy waves)을 발생시키기 위해 종방향으로 연장되는 마이크로파 챔버(14)에 결합되는 한쌍의 마그네트론(12; magnetrons)을 포함한다. 마그네트론(12)으로부터의 마이크로파 에너지는 커플링 슬롯, 안테나 또는 다른 커플링 구조체를 사용하지 않고 마이크로파 챔버(14)에 직접적으로 결합된다. 종방향으로 연장되는 무전극 플라즈마 벌브(20: electrodeless plasma bulb)는 마이크로파 챔버(14) 내부에 장착되고 상기 마그네트론(12) 쌍에 의해 발생된 마이크로파 에너지에 의한 여기(excitation)에 따라 자외선 복사(24)를 방출하도록 작동될 수 있다. 상기 마이크로파 챔버(14)는 플라즈마 램프 벌브(20)를 중심으로 양측에 위치되어 일반적으로 플라즈마 벌브(20)의 종방향 길이를 따라 상기 정상 마이크로파 에너지 파동을 오버랩할 수 있는 종방향으로 연장되는 한쌍의 튜닝 벽(42)을 포함한다.

Description

자외선 복사 발생 장치 및 방법{Apparatus and method for generating ultraviolet radiation}
자외선 복사 발생기는 자외선 램프 시스템의 마이크로파 챔버 내부에 장착된 자외선(UV) 플라즈마 벌브와 같은 무전극 램프(electrodeless lamp)에 마이크로파 에너지를 결합시키기 위한 것으로 공지되어 있다. 자외선 램프의 건조(가열) 및 경화 적용에 있어서, 통상적으로, 마이크로파 챔버 내부에 장착된 플라즈마 벌브에 마이크로파 복사를 결합시키기 위해 하나 이상의 마그네트론(magnetrons)이 램프 시스템에 제공된다. 상기 마그네트론은 상기 챔버의 상단부에 연결되는 출력 포트를 포함하는 하나 이상의 광도파로(waveguides)를 통해 마이크로파 챔버에 결합된다. 마이크로파 챔버는 플라즈마 벌브에 마이크로파 복사를 결합하기 위해 광도파로의 출구 포트에 또는 그 근처에 위치되는 커플링 슬롯 또는 안테나를 구비한다. 플라즈마 벌브가 마이크로파 에너지에 의해 충분히 여기될 때, 플라즈마 벌브는 마이크로파 챔버의 바닥 단부를 통해 자외선 복사를 조사해야 할 기판을 향해 방출한다. 커플링 슬롯 또는 안테나는 마이크로파 챔버 내로 마이크로파 에너지를 결합시킬 수 있지만, 집중된 마이크로파 에너지의 전위적으로 손상된 구역을 상기 벌브의 단부 근처에 형성하는 프린지 에너지 필드(fringe energy fields)를 생성한다는 공지된 결점을 갖는다. 커플링 구조체 근처에서 발생된 프린지 에너지 필드는 상기 벌브의 단부 근처에서 벌브 외피의 국부 가열을 발생시키도록 플라즈마 벌브에 공격적으로 작용한다. 이러한 벌브 외피의 국부적인 가열은 일반적으로 벌브의 유효 수명을 단축시킨다.
통상적으로, UV 램프 시스템의 마이크로파 챔버는 자외선 복사에 대해서는 투과성이지만 마이크로파에 대해서는 불투과성인 상기 챔버의 바닥 단부에 장착된 메시 스크린을 포함한다. 접착제, 밀봉재 또는 코팅재의 경화에 사용되는 UV 램프 시스템은 예를 들어, 방출된 자외선 복사를 소정의 패턴으로 조사해야 할 기판을 향해 집점하도록 작동할 수 있는 마이크로파 챔버 내부에 장착된 반사기(reflector)를 통상적으로 포함한다. 상기 반사기는 금속성으로 이루어질 수 있고 마이크로파 챔버의 일부분을 형성하거나, 선택적으로 챔버 내부에 장착된 코팅된 유리 반사기를 포함할 수 있다. "상부 단부" 및 "바닥 단부"라는 용어는 도면에 도시된 바와 같이 챔버의 배향과 관련하여 마이크로파 챔버를 간략하게 설명하기 위해 본원에서 사용된다는 것이 이해될 것이다. 물론, 마이크로파 챔버의 배향은 마이크로파 챔버의 구조 또는 기능을 임의의 방식으로 변경시키지 않고 특정한 자외선 램프의 건조(가열) 또는 경화의 적용에 의존하여 변화시킬 수 있다.
UV 램프 시스템에 있어서, 플라즈마 벌브의 효능 및 신뢰도는 마이크로파 챔버에서 생성된 마이크로파 필드의 균일성에 의해 영향을 받는다. 벌브 내부의 플라즈마 영역이 마이크로파 에너지에 의해 충분하게 여기되지 않은 경우에는, 국부적인 최소 자외선 복사 영역은 플라즈마 벌브의 종방향 축선을 따라 형성될 수 있고, 그에 따라 일반적으로 플라즈마 벌브로부터 출력된 불균일한 광을 제공하게 된다. 한편, 마이크로파 에너지를 전달하는 경로에 형성되는 커플링 구조체에 의해 생성되는 바와 같이, 상기 벌브에서 넓은 로컬 필드 영역이 발생되면, 벌브 외피의 국부 가열이 발생하고, 그 결과로서 벌브 수명이 짧아지며 벌브 성능 및 신뢰도가 떨어진다.
따라서, 제어할 수 있는 효과적인 방식으로 마이크로파 에너지를 플라즈마 벌브에 결합하는 자외선 복사 발생기가 필요해진다. 또한, 그 종방향 길이를 따라 플라즈마 벌브의 광 출력 균일성을 개선한 자외선 복사 발생기도 필요해진다. 또한, 플라즈마 벌브의 길이를 따라 넓은 국부 필드의 전위적 손상 발생을 감소시킴으로써 벌브 수명을 개선한 자외선 복사 발생기도 필요해진다.
본 출원은 전체적으로 본원에 참조로서 합체되는 개시물인 1999년 9월 20일자로 출원된 미국특허 가출원 제60/155,028호의 이점을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 자외선 복사 발생기(ultraviolet radiation generators)에 관한 것으로서, 특히, 마이크로파 챔버(microwave chamber) 내부에 장착된 플라즈마 벌브(plasma bulb)의 여기(excitation)를 통해 자외선 복사를 발생시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 자외선 복사 발생기의 사시도.
도 2는 도 1의 2-2 선을 따라 취해진 자외선 복사 발생기의 단면도.
도 2a는 본 발명의 선택적인 실시예에 따른 자외선 복사 발생기를 도시하는 도 2와 유사한 부분 단면도.
도 3a는 한쌍의 마그네트론 중 단지 하나의 마그네트론에 의해 발생된 것으로서 플라즈마 벌브의 종방향 길이를 따라 발생된 에너지 분포 패턴을 개략적으로 도시한 도면.
도 3b는 상기 한쌍의 마그네트론 중 단지 다른 마그네트론에 의해 플라즈마 벌브의 종방향 길이를 따라 발생된 에너지 분포 패턴을 개략적으로 도시한 도면.
도 3c는 두개의 마그네트론의 동시 작동에 의해 플라즈마 벌브의 종방향 길이를 따라 발생된 에너지 분포 패턴을 개략적으로 도시한 도면.
본 발명은 상술된 자외선 복사 발생기 및 자외선 복사 발생 방법의 전술한 및 다른 결함 및 결점을 극복한다. 본 발명이 임의의 실시예들과 관련하여 이하에 설명되지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 국한되지 않는다는 것이 이해될 것이다.이에 반해, 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 변형, 변경 및 동등물을 포함한다.
본 발명의 양호한 실시예에 따른 자외선 복사 발생기 또는 광원은 종방향으로 연장되는 마이크로파 챔버에 광도파로를 통해 직접적으로 결합되는 한쌍의 마이크로파 발생기 또는 마그네트론을 포함한다. 마이크로파 에너지는 커플링 슬롯, 안테나 또는 다른 커플링 구조체를 사용하지 않고 마이크로파 챔버 내로 "덤핑(dump)" 즉, 제한 없이 직접적으로 결합된다. 마이크로파 챔버 내로의 마이크로파 에너지의 직접적인 "덤핑"은 광원의 스타팅 능력을 강화하고 플라즈마 벌브의 단부 근처에서의 집중된 마이크로파 에너지의 전위적으로 손상된 영역의 형성을 감소시킨다.
마이크로파 챔버는 그 종방향 길이를 따라 마그네트론 쌍에 의해 발생된 정상 마이크로파 에너지 파동(standing microwave energy wave)을 지지할 수 있다. 종방향으로 연장되는 무전극 플라즈마 벌브는 마이크로파 챔버 내부에 장착되고 상기 마그네트론 쌍에 의해 발생된 마이크로파 에너지에 의해 벌브의 여기에 따라 챔버로부터 자외선 복사를 방출하도록 작동할 수 있다. 유리 반사기는 마이크로파 챔버 내부에 장착되고 플라즈마 벌브로부터 방출되는 자외선 복사를 조사해야 할 기판을 향해 반사시키도록 구성된다.
마이크로파 챔버는 한쌍의 단부 벽과, 상기 쌍의 단부 벽들 사이에서 종방향으로 연장되는 한쌍의 측벽과, 상부 벽을 포함한다. 본 발명의 원리에 따르면, 마이크로파 챔버는 상기 측벽들로부터 상부 벽을 향해 내측 및 상향으로 연장되는 플라즈마 벌브의 대향 측부들상에 위치되는 종방향으로 연장되는 한쌍의 튜닝 벽을 추가로 포함한다. 상기 튜닝 벽의 내향 경사는 일반적으로 챔버 내부에서 정상 마이크로파 에너지 파동을 플라즈마 벌브의 종방향 길이를 따라 오버랩(overlap)시키도록 플라즈마 벌브에 인접한 마이크로파 챔버의 측벽을 효과적으로 좁힌다. 튜닝 벽의 내향 경사를 변경시킴으로써, 또는 튜닝 벽의 수평 및 수직 범위를 변경시킴으로써, 상기 정상 마이크로파 에너지 파동의 오버랩 범위는 마이크로파 챔버 내부에서 조절될 수 있다. 또한, 광도파로의 길이를 변화시킴으로써, 마그네트론에 의해 발생된 마이크로파 에너지의 최적량이 플라즈마 벌브에 의해 흡수되도록, 마그네트론과 마이크로파 챔버 사이의 임피던스 매칭이 조절될 수 있다.
상기 마이크로파 챔버의 튜닝 벽들은 플라즈마 벌브를 손상시킬 수 있는 마그네트론 쌍에 의해 발생된 개별적인 "고온 영역(hot zones)"의 직접적인 오버랩을 방지하기 위해 하나의 마그네트론에 의해 발생된 "고온 영역"을 다른 마그네트론에 의해 발생된 "고온 영역"에 대해서 위상 편이(phase shift)시킨다. 상기 벌브의 성능을 개선하기 위해, 상기 마그네트론 쌍에 의해 발생된 개별적인 "고온 영역"은 일반적으로, 벌브가 그 길이를 따라 균일하게 여기되도록 벌브의 길이를 따라 이격된다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 일반적으로, 하나의 마그네트론의 "고온 영역"은 플라즈마 벌브의 길이를 따라 이격된 일반적으로 균일한 일련의 "에너지 영역(energy zones)"을 발생시키기 위해 다른 마그네트론에 의해 발생된 "저온 영역(cool zones)"과 중복된다.
본 발명의 상기 및 다른 목적 및 장점은 첨부 도면과 상세한 설명으로부터분명해질 것이다.
본 명세서에 합체되어 명세서의 일부가 되는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 도시하고, 상술된 본 발명의 일반적인 설명과 함께 후술되는 실시예의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명하는 것이다.
도면을 참조하면, 자외선("UV") 복사 발생기 또는 광원(10)은 본 발명의 원리에 따라 도시된다. 광원(10)은 종방향으로 연장되는 마이크로파 챔버(14)에 각각의 광도파로(16)를 통해 결합되는 한쌍의 마그네트론(12)으로서 도시된 한쌍의 마이크로파 발생기를 포함한다. 각각의 광도파로(16)는 상기 쌍의 마이크로파 발생기(12)에 의해 발생된 마이크로파가 마이크로파 챔버(14)의 종방향으로 이격된 관계로 인접하여 대향된 상부 단부들에서 챔버(14)에 직접적으로 결합되도록 마이크로파 챔버(14)의 상부 단부에 결합된 출구 포트(18)를 구비한다. 각각의 광도파로(16)에 의해 한정된 마이크로파 에너지 도관은 마이크로파 챔버(14) 내로 자유롭게 진입되므로, 마이크로파는 "덤핑" 즉, 커플링 슬롯, 안테나 또는 다른 커플링 구조체를 사용하지 않고 챔버(14) 내로 제한 없이 직접 결합된다.
종방향으로 연장되는 밀봉된 플라즈마 벌브 형태의 무전극 플라즈마 벌브(20)는 마이크로파 챔버(14) 내부에 기계적으로 장착되고 종래 기술에 공지된 바와 같이 챔버(14)의 상단부에 인접하여 지지된다. 도시되지는 않았지만, 광원(10)이 광원(10)의 작동을 위해 필요한 가압된 냉각 공기 및 전기 접속부를 포함하는 당업자에게 공지된 캐비넷 또는 하우징 내부에 기계적으로 장착된다는 것이 이해될 것이다. 보다 상세하게 후술되는 바와 같이, 광원(10)은 상기 쌍의 마이크로파 발생기(12)로부터 마이크로파 챔버(14)에 결합된 마이크로파 에너지에 의해 플라즈마 벌브(20)의 충분한 여기시에 마이크로파 챔버(14)의 바닥 단부로부터 개략적으로 참조번호 24(도 2 참조)로 지시된 자외선 복사를 방출하도록 설계 및 구성된다.
특히, 광원(10)은 스타터 벌브(26)와, 당업자에게는 자명한 마그네트론(12)의 필라멘트를 통전시키기 위해 각각의 마그네트론(12)에 전기적으로 결합된 한쌍의 트랜스포머(28)를 포함한다. 마그네트론(12)은 광도파로(16)의 입구 포트(3)에기계적으로 장착되므로, 마그네트론(12)에 의해 발생된 마이크로파는 광도파로(16)의 종방향으로 이격된 출구 포트(18)를 통해 챔버(14) 내로 배출된다. 양호하게는, 두개의 마그네트론(12)의 주파수는 광원(10)의 작동 중에 주파수들 간의 내부 결합을 방지하기 위해 소량으로 분할 또는 오프셋된다. 예를 들어, 각각의 마그네트론(12)은 약 3 kW의 출력 정격용량을 가지며, 하나의 마그네트론(12)은 약 2443 MHz의 주파수에서 작동하고, 다른 마그네트론(12)은 약 2465 MHz의 주파수에서 작동한다. 물론, 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이, 다른 마그네트론 출력 정격용량 및 작동 주파수도 가능하다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 마이크로파 챔버(14)는 일반적으로, 그 종방향 길이를 따라 정상 마이크로파 에너지 파동을 지지하기 위한 직사각형 챔버로서 구성된다. 따라서, 본 발명의 원리에 따르면, 마이크로파 챔버(14) 내부에서 상기 쌍의 마그네트론(12)에 의해 발생된 정상 마이크로파 에너지 파동은 일반적으로 플라즈마 벌브(20)의 종방향 길이를 따라 정렬되고, 그에 따라 도 3a 내지 도 3c와 관련하여 보다 상세하게 후술되는 바와 같이 그 길이를 따라 벌브(20)를 균일하게 여기시키는 마이크로파 에너지 필드가 생성된다.
도 1 및 도 2를 참조로 가장 잘 이해되는 바와 같이, 마이크로파 챔버(14)는 일반적으로 수평한 상부 벽(32)과, 일반적으로 수직한 한쌍의 대향 단부 벽(34)과, 플라즈마 벌브(20)의 대향 측부상에서 단부 벽(34)들 사이로 종방향으로 연장되는 일반적으로 수직한 한쌍의 대향 측벽(36)을 포함한다. 일반적으로 수직한 두쌍의 내부 벽(38)은 단부 벽(34)으로부터 평행하게 이격된다. 단부 벽(34)들, 측벽(36)들 및 내부 벽(38)들은 광도파로(16)의 출구 포트(18)에 직접적으로 결합되어 정렬되는 마이크로파 챔버(14)의 상단부에 한쌍의 개구(40)를 형성한다. 각각의 개구(40)는 실질적으로 각각의 출구 포트(18)의 단면적과 동일한 단면적을 갖는다. 이러한 방식에서, 각각의 마그네트론(12)에 의해 발생된 마이크로파 에너지는 "덤핑" 즉, 커플링 슬롯, 안테나 또는 다른 커플링 구조체를 사용하지 않고 마이크로파 챔버(14)에 제한 없이 직접적으로 결합된다. 이러한 방식에서, 마이크로파 챔버(14) 내부로의 마이크로파 에너지의 직접적인 "덤핑"은 광원(10)의 스타팅 능력을 강화하고, 벌브를 손상시킬 수 있는 플라즈마 벌브(20)의 단부 근처에서 집중된 마이크로파 에너지의 전위적으로 손상된 영역의 형성을 감소시킨다. 도시되지는 않았지만, 본 발명의 선택적인 실시예에서, 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이 광도파로(16)의 출구 포트(18)가 마이크로파 챔버(14)의 대향 단부 벽(34)을 통해 마이크로파 챔버(14)에 진입할 수 있다는 것을 알 수 있다.
마이크로파 챔버(14)는 상부 벽(32)을 향해 측벽(36)으로부터 상향 및 내측으로 연장되며 수직한 내부 벽(38)의 대향 쌍들 사이에 위치되는 일반적으로 편평하고 종방향으로 연장되는 한쌍의 튜닝 벽(42)을 추가로 포함한다. 이러한 방식에서, 튜닝 벽(42)은 플라즈마 벌브(20)에 인접하는 챔버(14)의 측벽(36)들을 효과적으로 좁히기 위해 플라즈마 벌브(20)의 대향 측부상에서 마이크로파 챔버(14)의 개구(40)들 사이에 위치된다. 벌브(20)에 인접하는 측벽(36)들을 좁힘으로써, 튜닝 벽(42)은 상세하게 후술되는 바와 같이 상기 쌍의 마그네트론(12)에 의해 발생된 각각의 정상 파동을 오버랩 또는 중복시키도록 작동한다. 선택적으로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 플라즈마 벌브(20)의 대향 측부상의 각각의 튜닝 벽은 플라즈마 벌브(20)에 인접하는 챔버(14)의 측벽(36)들을 효과적으로 좁히기 위해 상부 벽(32)을 향해 측벽(36)들로부터 내측으로 경사지는 다중 벽 세그먼트(42a, 42b)를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 본 발명의 다른 선택적인 실시예에서, 플라즈마 벌브(20)의 대향 측부에 인접하는 마이크로파 챔버(14)의 효과적인 협소화를 제공하기 위해 튜닝 벽은 상부 벽(32)을 향해 측벽(36)으로부터 내측으로 연장되도록 만곡되어야 한다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로파 챔버(14)는 약 10 in(약 25.4 cm)의 종방향 길이와, 약 4.21 in(약 10.7 cm)의 폭과, 약 3.50 in(약 8.9 cm)의 높이를 갖는다. 튜닝 벽(42)은 일반적으로, 측벽(36)에 수직한 평면(44)에 대해 약 60°의 각도("α"; 도 2 참조)로 측벽(36)으로부터 내측으로 경사지지만, 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이 다른 크기의 챔버(14) 및 튜닝 벽(42)의 각도("α")도 가능하다. 튜닝 벽(42)의 내향 각도("α")를 변경시킴으로써, 또는 튜닝 벽(42)의 수평 및 수직 범위를 변경시킴으로써, 상기 마그네트론(12) 쌍에 의해 발생되는 정상 에너지 파동의 오버랩 범위는 후술되는 바와 같이 마이크로파 챔버(14) 내부에서 조절될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광원(10)은 종방향으로 이격된 리테이너(48)를 통해 마이크로파 챔버(14) 내부에 장착된 타원형 유리 반사기(46)를 포함하고, 일반적으로 수평하게 내측으로 배향된 광원(10)의 플랜지(50)상에 지지되는 하단부를 갖는다. 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이, 반사된 복사 패턴을 변화시키기 위한 반사기(46)의 다른 단면 구성도 가능하다는 것이 이해될 것이다. 반사기(46)는 마그네트론(12)에 의해 발생된 마이크로파 에너지에 대해서는 투과성이고, 당업자에게는 자명한 조사해야 할 기판(도시되지 않음)을 향해 플라즈마 벌브(20)로부터 방출된 자외선 복사(24)를 반사시킨다. 메시 스크린(54)은 방출된 자외선 복사(24)에 대해서는 투과성이지만 발생된 마이크로파에 대해서는 불투과성을 유지하는 마이크로파 챔버(14)의 바닥 단부에 장착된다. 광도파로(16)와 마이크로파 챔버(14)는 스타터 벌브(26), 필라멘트 트랜스포머(28) 및 마그네트론(12)을 지지하기 위한 일체형 유닛을 형성하기 위해 용접되거나 함께 연결된다. 광도파로(16), 상부 벽(32), 단부 벽(34), 측벽(36), 내부 벽(38) 및 튜닝 벽(42)은 금속성이고 마그네트론(12)에 의해 마이크로파 챔버(14)에 결합된 마이크로파 에너지에 대한 반사기로서 기능한다. 도면에 도시된 바와 같이, 각각의 광도파로(16), 상부 벽(32), 단부 벽(34), 측벽(36) 및 튜닝 벽(42)은 냉각 공기를 광원(10)을 통해 통과시키는 구멍(58)을 포함한다.
작동에 있어서, 일반적으로 플라즈마 벌브(20)의 종방향 길이를 따라 균일한 마이크로파 에너지 필드를 얻는 것이 바람직하다. 정상 파동 패턴이 마이크로파 챔버(14) 내부에서 발생될 때, 플라즈마 벌브(20)는 플라즈마 벌브(20)의 길이를 따라 종방향으로 이격되는 집중된 마이크로파 에너지 필드에 노출된다. 이러한 집중된 마이크로파 에너지 필드는 일반적으로, 정상 파동의 최대 진폭(즉, 반절점(antinodes))에 부합한다. 집중된 마이크로파 에너지의 구역들에서, 플라즈마의 집중 또는 "고온 영역"은 플라즈마 벌브(20) 내에서 생성되는데 반해, 집중되지 않은 마이크로파 에니지 구역들에서는, 플라즈마 벌브(20) 내부에 "저온 영역"이 생성된다. 일반적으로, "저온 영역"은 정상 파동의 절점(nodes)에 부합한다. 플라즈마 벌브(20) 내부의 교대의 "고온 영역" 및 "저온 영역"은 플라즈마 벌브(20)의 축선을 따라 불균일한 광출력과 상기 벌브 외피의 국부적인 가열을 초래할 수 있고, 그에 따라 벌브의 수명은 짧아지고 벌브의 성능 및 신뢰도는 감소한다.
도 3a 내지 도 3c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 마이크로파 챔버(14)는 플라즈마 벌브(20)의 축선을 따라 일반적으로 균일한 에너지 필드를 제공하기 위해 상기 마그네트론(12) 쌍에 의해 발생된 정상 마이크로파 에너지 필드의 장점을 취한다. 특히, 튜닝 벽(42)의 내향 경사를 통한 마이크로파 챔버(14)의 측벽(36)의 협소화는 마그네트론(12) 쌍에 의해 발생된 개별적인 정상 파동의 오버랩 또는 중복을 초래하므로, 벌브(20)를 손상시킬 수 있는 마그네트론(12) 쌍에 의해 생성되는 개별적인 "고온 영역"의 직접적인 오버랩을 방지하기 위해 마그네트론(12) 중 하나에 의해 생성된 "고온 영역"은 양호하게는 다른 마그네트론에 의해 생성된 "고온 영역"에 대해 위상 편이된다. 벌브의 성능을 개선하기 위해, 마그네트론 쌍에 의해 생성된 개별적인 "고온 영역"은 일반적으로 벌브가 그 길이를 따라 균일하게 여기되도록 벌브(20)의 길이를 따라 이격된다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 하나의 마그네트론(12)의 "고온 영역"은 일반적으로 벌브(20)의 길이를 따라 이격된 일련의 균일한 "에너지 영역"을 생성하기 위해 다른 마그네트론(12)에 의해 생성된 "저온 영역"에 중복된다. 즉, 마그네트론(12) 중 하나에 의해 발생된 정상 파동의 반절점은 다른 마그네트론(12)에 의해 발생된 정상 파동의 절점에 중복된다. 물론, 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이, 마그네트론(12) 쌍에 의해 발생된 "고온" 및 "저온" 영역의 다른 위상 관계도 가능하다. 그러나, 가장 중요하게는, 정상 파동의 반절점들이 서로에 직접적으로 중복되어 벌브를 손상시킬 수 있는 플라즈마 벌브(20)의 국부적인 영역에서 이중 마이크로파 에너지의 바람직하지 않은 "고온 영역"을 야기하는 것이 방지되도록 마이크로파 챔버(14)가 구성된다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 작동 중에 단지 제 1 마그네트론(12)에 의해 생성된 마이크로파 에너지 필드는 일반적으로, 단일의 제 1 마그네트론(12)에 의해 발생된 정상 파동의 각각의 반절점 및 절점에 대응하는 벌브(20)의 길이를 따르는 "고온 영역("H1")" 및 "저온 영역("L1")"을 교대로 생성한다. 유사하게, 도 3b에 도시된 바와 같이, 작동 중에 단지 제 2 마그네트론(12)에 의해 생성된 마이크로파 에너지 필드는 일반적으로, 단일의 제 2 마그네트론(12)에 의해 발생된 정상 파동의 각각의 절점 및 반절점에 대응하는 벌브(20)의 길이를 따르는 "저온 영역("L2")" 및 "고온 영역("H2")"을 교대로 생성한다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 두개의 마그네트론(12)이 작동 중인 경우에는, 마이크로파 챔버(14)는 일반적으로 제 1 마그네트론(12)의 "고온 영역("H1")"을 제 2 마그네트론(12)의 "저온 영역("L2")"에 중복시키고, 제 2 마그네트론(12)의 "고온 영역("H2")"을 제 1 마그네트론(12)의 "저온 영역("L1")"에 중복시키도록 내측으로경사진 튜닝 벽(42)에 의해 미리 튜닝된다. 이러한 방식에서, 일반적으로 균일한 "에너지 영역("H1/L2" 및 "H2/L1")"은 도 3c에 개략적으로 도시된 바와 같이 벌브(20)의 길이를 따라 발생된다. 튜닝 벽(42)의 각도("α")를 변경시킴으로써, 및/또는 튜닝 벽(42)의 수직 및 수평 범위를 변경시킴으로써, 정상 파동의 마그네트론(12) 쌍에 의해 발생된 정상 파동의 오버랩 범위는 플라즈마 벌브(20)의 길이를 따라 일반적으로 균일한 "에너지 영역"을 달성하도록 조절될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 정상 파동의 위상 관계는 각각의 광도파로(16)의 길이를 변화시킴으로써 추가로 튜닝 또는 조절될 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 각각의 광도파로(16)의 길이를 변화시킴으로써, 마그네트론(12)과 마이크로파 챔버(14) 사이의 임피던스 매칭은 마그네트론(12)에 의해 발생된 마이크로파 에너지의 최적량이 플라즈마 벌브(20)에 의해 흡수되도록 조절될 수 있다.
한쌍의 마그네트론(12)이 도시되어 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이 두개 이상의 마그네트론이 마이크로파 챔버(14)에 결합될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 본 발명의 선택적인 실시예(도시되지 않음)에서, 각각의 마그네트론에 의해 생성된 정상 마이크로파 에너지 파동은 각각의 마그네트론에 의해 생성된 "고온 영역"이 서로 직접적으로 오버랩되지 않고 일반적으로 벌브(20)의 길이를 따라 이격되도록 다른 마그네트론에 의해 생성된 정상 파동에 대해 위상 편이된다.
따라서, 본 발명의 마이크로파 챔버(14)는 제어가능한 효율적인 방식으로 마그네트론(12) 쌍으로부터 플라즈마 벌브(20)에 마이크로파 에너지를 결합시킨다.또한, 본 발명의 마이크로파 챔버(14)는 제한된 플라즈마 에너지의 "저온 영역"을 제거함으로써 그 길이를 따라 플라즈마 벌브(20)의 광출력 균일성을 개선한다. 또한, 본 발명의 마이크로파 챔버(14)는 벌브(20) 내의 "고온 영역"의 전위적 손상 발생을 감소시킴으로써 벌브 수명 및 신뢰도를 개선한다.
본 발명이 다양한 실시예들의 설명에 의해 도시되었고 이들 실시예가 매우 상세하게 설명되었지만, 본 발명을 제한하거나 상기 상세한 설명에 대해 임의의 방식으로 청구범위를 제한하는 것은 아니다. 추가의 장점 및 변형은 당업자에게는 자명한 것이다. 그러므로, 보다 넓은 범위의 양태는 상세한 설명, 대표적인 장치 및 방법과, 도시 및 설명된 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 본 출원인의 발명의 개념의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이 상기 설명으로부터 새로운 시도가 취해질 수 있다.

Claims (29)

  1. 정상 마이크로파 에너지 파동(standing microwave energy waves)을 내부에서 지지할 수 있는 종방향으로 연장되는 마이크로파 챔버와,
    상기 마이크로파 챔버 내부에 장착된 종방향으로 연장되는 플라즈마 벌브(plasma bulb)와,
    상기 챔버로부터 자외선 복사(ultraviolet radiation)를 방출하도록 상기 플라즈마 벌브를 여기시키기 위해 상기 챔버 내부에서 한쌍의 정상 마이크로파 에너지 파동을 발생시킬 수 있으며 상기 마이크로파 챔버에 결합되는 한쌍의 마이크로파 발생기를 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 벌브의 대향 측부들상에 위치되며 상기 플라즈마 벌브의 종방향 길이를 따라 상기 챔버 내부에서 상기 한쌍의 정상 마이크로파 에너지 파동을 오버랩(overlap)할 수 있는 종방향으로 연장되는 한쌍의 튜닝 벽(tuning walls)을 부가로 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 마이크로파 챔버는, 한쌍의 단부 벽과,
    상기 쌍을 이루는 단부 벽들 사이에서 종방향으로 연장되는 한쌍의 측벽과,
    상부 벽과,
    상기 쌍을 이루는 측벽들로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해연장되는 상기 쌍을 이루는 튜닝 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 각각의 튜닝 벽은 상기 측벽들 중 하나의 측벽으로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 편평한 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 각각의 튜닝 벽은 상기 측벽들 중 하나의 측벽으로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 적어도 두개의 편평한 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 벌브에 의해 방출된 자외선 복사를 반사시킬 수 있으며 상기 마이크로파 챔버 내부에 장착되는 종방향으로 연장되는 마이크로파 투과성 반사기와,
    상기 마이크로파 챔버에 마그네트론 쌍을 직접적으로 결합하는 한쌍의 광도파로(waveguides)를 부가로 포함하고,
    상기 마이크로파 챔버의 내부에는 한쌍의 개구가 형성되고, 상기 각각의 광도파로는 상기 마이크로파 챔버 내부의 상기 개구들 중 하나에 직접적으로 연통되는 출구 포트를 구비하는 자외선 복사 발생 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 각각의 개구는 상기 하나의 출구 포트의 단면적과동일한 단면적을 가지는 자외선 복사 발생 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 챔버 내부에서 상기 플라즈마 벌브의 종방향 길이를 따라 상기 쌍을 이루는 정상 마이크로파 에너지 파동을 오버랩할 수 있으며 상기 플라즈마 벌브의 대향 측부들상에 위치되는 종방향으로 연장되는 한쌍의 튜닝 벽을 부가로 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로파 챔버는, 한쌍의 단부 벽과,
    상기 쌍을 이루는 단부 벽들 사이에서 종방향으로 연장되는 한쌍의 측벽과,
    상부 벽과,
    상기 쌍을 이루는 측벽들로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 상기 쌍을 이루는 튜닝 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 각각의 튜닝 벽은 상기 측벽들 중 하나의 측벽으로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 편평한 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 각각의 튜닝 벽은 상기 측벽들 중 하나의 측벽으로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 적어도 두개의 편평한 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  12. 종방향으로 연장되는 마이크로파 챔버와,
    상기 마이크로파 챔버 내부에 장착되는 종방향으로 연장되는 플라즈마 벌브와,
    상기 챔버로부터 자외선 복사를 방출하도록 상기 플라즈마 벌브를 여기시키기 위해 상기 챔버 내부에서 마이크로파 에너지 파동을 발생시킬 수 있으며 상기 마이크로파 챔버에 결합되는 한쌍의 마이크로파 발생기와,
    상기 플라즈마 벌브에 대한 상기 마이크로파 에너지 파동의 결합을 최적화하기 위해 상기 마이크로파 챔버를 튜닝할 수 있으며 상기 플라즈마 벌브의 대향 측부들상에 위치되는 종방향으로 연장되는 한쌍의 튜닝 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 마이크로파 챔버는, 한쌍의 단부 벽과,
    상기 쌍을 이루는 단부 벽들 사이에서 종방향으로 연장되는 한쌍의 측벽과,
    상부 벽과,
    상기 쌍을 이루는 측벽들로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 상기 쌍을 이루는 튜닝 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 각각의 튜닝 벽은 상기 측벽들 중 하나의 측벽으로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 편평한 벽을 포함하는자외선 복사 발생 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 각각의 튜닝 벽은 상기 측벽들 중 하나의 측벽으로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 적어도 두개의 편평한 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 플라즈마 벌브에 의해 방출된 자외선 복사를 반사시킬 수 있으며 상기 마이크로파 챔버 내부에 장착되는 종방향으로 연장되는 마이크로파 투과성 반사기와,
    상기 마이크로파 챔버에 마그네트론 쌍을 직접적으로 결합하는 한쌍의 광도파로를 부가로 포함하고,
    상기 마이크로파 챔버의 내부에는 한쌍의 개구가 형성되고, 상기 각각의 광도파로는 상기 마이크로파 챔버 내부의 상기 개구들 중 하나에 직접적으로 연통되는 출구 포트를 구비하는 자외선 복사 발생 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 각각의 개구는 상기 하나의 출구 포트의 단면적과 동일한 단면적을 가지는 자외선 복사 발생 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 마이크로파 챔버는, 한쌍의 단부 벽과,
    상기 쌍을 이루는 단부 벽들 사이에서 종방향으로 연장되는 한쌍의 측벽과,
    상부 벽과,
    상기 쌍을 이루는 측벽들로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 상기 쌍을 이루는 튜닝 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 각각의 튜닝 벽은 상기 측벽들 중 하나의 측벽으로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 편평한 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 각각의 튜닝 벽은 상기 측벽들 중 하나의 측벽으로부터 내측으로 및 상향으로 상기 상부 벽을 향해 연장되는 적어도 두개의 편평한 벽을 포함하는 자외선 복사 발생 장치.
  21. 마이크로파 챔버 내부에 종방향으로 장착된 플라즈마 벌브로부터 자외선 복사를 발생시키는 방법에 있어서,
    적어도 두개의 광원으로부터 마이크로파 에너지 파동을 발생시키는 단계와,
    마이크로파 챔버로부터 자외선 복사를 방출하도록 플라즈마 벌브를 여기시키는 마이크로파 챔버 내부에서 정상 마이크로파 에너지 파동을 종방향으로 생성하는 마이크로파 챔버 내로 마이크로파 에너지 파동을 결합시키는 단계를 포함하는 자외선 복사 발생 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 결합 단계는 마이크로파 에너지 파동을 마이크로파 챔버 내로 직접적으로 결합시키는 단계를 부가로 포함하는 자외선 복사 발생 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 챔버 내부에서 정상 마이크로파 에너지 파동을 상기 플라즈마 벌브의 종방향 길이를 따라 오버랩시키는 단계를 부가로 포함하는 자외선 복사 발생 방법.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 마이크로파 챔버 내부에서 정상 마이크로파 에너지 파동의 위상 관계를 조절하는 단계를 부가로 포함하는 자외선 복사 발생 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 마이크로파 챔버 내부에서 정상 마이크로파 에너지 파동의 위상 관계를 조절하는 단계를 부가로 포함하는 자외선 복사 발생 방법.
  26. 제 21 항에 있어서, 상기 챔버 내부에서 정상 마이크로파 에너지 파동을 상기 플라즈마 벌브의 종방향 길이를 따라 오버랩시키는 단계를 부가로 포함하는 자외선 복사 발생 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 마이크로파 챔버 내부에서 정상 마이크로파 에너지 파동의 위상 관계를 조절하는 단계를 부가로 포함하는 자외선 복사 발생 방법.
  28. 제 21 항에 있어서, 상기 마이크로파 챔버 내부에서 정상 마이크로파 에너지 파동의 위상 관계를 조절하는 단계를 부가로 포함하는 자외선 복사 발생 방법.
  29. 마이크로파 챔버 내부에 종방향으로 장착된 플라즈마 벌브로부터 자외선 복사를 발생시키는 방법에 있어서,
    적어도 두개의 광원으로부터 마이크로파 에너지 파동을 발생시키는 단계와,
    마이크로파 챔버로부터 자외선 복사를 방출하도록 플라즈마 벌브를 여기시키는 마이크로파 챔버 내부에서 마이크로파 에너지 파동을 종방향으로 생성하기 위해 마이크로파 챔버 내로 마이크로파 에너지 파동을 직접적으로 결합시키는 단계를 포함하는 자외선 복사 발생 방법.
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