KR20140026605A - 마이크로웨이브 공진 캐비티 - Google Patents

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KR20140026605A
KR20140026605A KR1020147000416A KR20147000416A KR20140026605A KR 20140026605 A KR20140026605 A KR 20140026605A KR 1020147000416 A KR1020147000416 A KR 1020147000416A KR 20147000416 A KR20147000416 A KR 20147000416A KR 20140026605 A KR20140026605 A KR 20140026605A
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이상훈
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아마란테 테크놀러지스 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 공진 캐비티에 관한 것으로, 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티는 일반적으로 원통형의 빈 공간을 가지는 측벽; 상기 측벽 내에 배치되고, 상기 측벽의 길이방향 축과 실질적으로 평행인 길이방향 축을 가지는 가스유동관; 각각이 상기 측벽의 길이방향 축과 실질적으로 수직인 길이방향 축을 가지고 상기 측벽에 고정되고 상기 측벽에 형성된 다수의 홀들 중 해당하는 하나에 정렬되게 배치되는 끝단을 가지는 다수의 웨이브가이드; 상기 측벽의 일단에 고정되는 상판; 및 상기 측벽과 상기 가스유동관 사이에 슬라이딩 장착되는 원판, 및 상기 측벽 내에 배치되고 상기 측벽의 길이방향 축과 평행하게 배열되는 적어도 하나의 바(bar)를 포함하는 슬라이딩 단락부를 포함한다.

Description

마이크로웨이브 공진 캐비티{MICROWAVE RESONANT CAVITY}
본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것으로, 특히, 플라즈마를 발생시키는 공진 캐비티를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
최근 몇 년에 걸쳐서, 마이크로웨이브(microwave) 기술은 다양한 형태의 플라즈마를 생성시키는 데 적용되어 왔다. 일부 어플리케이션에 있어서, 플라즈마를 점화시키고 유지하는 데에는 고출력 마이크로웨이브 생성기가 필요하다. 기존의 마이크로웨이브 기술들은 적절치 않거나, 기껏해야 다음과 같은 하나 이상의 결점으로 인해 매우 비효율적이다. 첫째, 기존의 시스템은 세련된 방법으로 마이크로웨이브 입력 전력의 변화량을 처리하는 시스템 능력 또는 입력 전력의 변화량을 수용하도록 확대/감소되는 능력을 의미하는 적절한 측정능력이 결핍되어 있다. 예를들어, 요구되는 마이크로웨이브 입력 전력은 플라즈마로 변환되는 가스의 형태, 압력 및 유량에 따라서 변할 수 있다. 둘째, 출력 전력이 증가함에 따라 전자관에 대한 규모의 경제적인 고려가 급속하게 증가된다. 예를 들어, 10KW 전자관의 가격이 10개의 1KW 전자관의 가격보다 훨씬 비싸다. 따라서, 높은 측정능력을 가지고 있으며 출력 전력의 절충 없이 현재 이용 가능한 플라즈마 생성 시스템보다 저렴한 플라즈마 생성시스템이 요구되고 있다.
실시예는 입력전력의 변화량 처리를 면밀하게 처리 할 수 있는 플라즈마 생성시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시의 예에 의하면, 마이크로웨이브 공진 캐비티는 일반적으로 원통형의 빈 공간을 가지며 마이크로웨이브가 통하지 않는 재질로 이루어진 측벽; 상기 측벽 내에 배치되고, 마이크로웨이브가 통하는 재질로 이루어지며, 상기 측벽의 길이방향 축과 실질적으로 평행인 길이방향 축을 가지는 가스유동관; 각각이 상기 측벽의 길이방향 축과 실질적으로 수직인 길이방향 축을 가지고 상기 측벽에 고정되고 상기 측벽에 형성된 다수의 홀들 중 해당하는 하나에 정렬되게 배치되는 끝단을 가지는 다수의 웨이브가이드; 마이크로웨이브가 통하지 않는 재질로 이루어지고 상기 측벽의 일단에 고정되는 상판; 및 마이크로웨이브가 통하지 않는 재질로 이루어지고 상기 측벽과 상기 가스유동관 사이에 슬라이딩 장착되며, 상기 측벽에 밀착되어 끼워진 바깥 테두리 및 상기 가스유동관이 밀착되어 끼워지는 홀을 포함하는 원판, 및 상기 측벽 내에 배치되고 상기 측벽의 길이방향 축과 평행하게 배열되는 적어도 하나의 바(bar)를 포함하는 슬라이딩 단락부를 포함한다. 상기 상판, 측벽 및 원판으로 정의되는 공간은 상기 바(bar)를 상기 측벽의 길이방향을 따라 움직여 상기 가스유동관내에 마이크로웨이브 공진 캐비티를 형성하도록 조정된다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 생성 시스템은 입력전력 변화량에 따른 시스템 처리 능력 향상과 경제적인 잇점을 가지고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시의 예에 따른 플라즈마 생성 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 마이크로웨이브 공진 캐비티의 분해사시도이다.
도 3A 내지 3B는 도 2의 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티의 다른 실시의 예의 상면도이다.
도 4A 내지 4C는 도 1의 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티의 다른 실시의 예의 사시도이다.
도 5는 도 2의 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티의 다른 실시의 예의 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 2의 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티의 다른 실시의 예의 개략적인 단면도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시의 예에 따른 마이크로웨이브 플라즈마를 생산하는 시스템(10)의 개략적인 다이어그램이다. 도시된 바와 같이, 상기 시스템(10)은 마이크로웨이브 공진 캐비티(26), 마이크로웨이브를 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티(26)제공하는 마이크로웨이브 공급부(11a 내지 11c), 및 마이크로웨이브를 상기 마이크로웨이브 공급부(11a 내지 11c)로부터, 가스 및/또는, 가스탱크(28) 또는 연도가스와 같은 다른 소스로부터의 가스혼합물을 수용하는 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티(26)로 전송하는 웨이브가이드(24a 내지 24c)를 포함할 수 있다.
상기 마이크로웨이브 공급부(11a)는 마이크로웨이브를 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티(26)에 제공하고, 마이크로웨이브를 생성하는 마이크로웨이브 생성부(12a), 상기 마이크로웨이브 생성부(12a)에 전원을 공급하는 전원공급부(13a), 상기 마이크로웨이브 생성부(12a)를 향해 전파하는 반사된 마이크로웨이브를 발산시키는 더미로드(16a)와 상기 반사된 마이크로웨이브를 상기 더미로드(16a)로 향하게 하는 순환부(18a)를 포함하는 절연체(15a)를 포함할 수 있다.
실시의 예에서, 상기 마이크로웨이브 공급부(11a)는 상기 마이크로웨이브의 유동량을 측정하는 결합부(20a), 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티(26)로부터 반사된 마이크로웨이브를 감소시키는 튜너(22a)를 더 포함한다. 도 1에 도시된 상기 마이크로웨이브 공급부(11a)의 구성요소는 잘 알려져 있으며 단지 예시적인 목적으로만 여기에 기재된다. 또한, 상기 마이크로웨이브 공급부(11a)를 본 발명에서 벗어남 없이 마이크로웨이브를 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티(26)로 제공할 수 있는 시스템으로 대체할 수 있다. 상기 절연체(15a)와 상기 결합부(20a)사이에는 위상천이기가 장착될 수 있다.
상기 마이크로웨이브 공급부(11b, 11c)는 상기 마이크로웨이브 공급부(11a)의 구성요소와 유사한 구성요소를 포함하도록 도시된다. 그러나, 상기 마이크로웨이브 공급부(11b, 11c)가 상기 웨이브가이드(24a 내지 24c)에 각각 마이크로웨이브를 생성하여 전달할 수 있는 한, 상기 마이크로웨이브 공급부(11b, 11c)는 상기 마이크로웨이브 공급부(11a)와 다른 구성요소를 가질 수 있음을 유의해야 한다.
도 2는 도 1의 마이크로웨이브 공진 캐비티(26)의 분해사시도이다. 도시된 바와 같이, 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티(간단히, 이하, 캐비티)(26)는 상기 가스탱크(28)로부터 가스(53)를 받기 위한 유입구(51)를 가지는 상판(41), 가스를 배출하기 위한 유출구(또는, 유출홀)(44)를 가지는 하판(43) 및 상기 웨이브가이드(24a 내지 24c)의 끝단에 연결된 측벽(42)를 포함한다. 상기 웨이브가이드(24a)의 끝단은 상기 측벽(42)에 고정되어 있어서, 상기 웨이브가이드(24a)의 근접단(40a)을 흐르는 마이크로웨이브 에너지가 상기 측벽(42)안으로 들어간다. 마찬가지로, 상기 웨이브가이드(24b, 24c)의 근접단(40b, 40c)을 흐르는 마이크로웨이브 에너지가 상기 측벽(42)안으로 들어간다. 상기 상판(41), 측벽(42) 및 하판(43)은 마이크로웨이브가 통하지 않는 금속과 같은 적절한 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 캐비티(26)는 마이크로웨이브가 통하며 바람직하게 석영으로 이루어진 가스유동관(46)을 포함한다.
상기 가스유동관(46)의 상단 및 하단은 상기 캐비티(26)의 상판(41) 및 하판(43)에 각각 밀폐되어 상기 유입구(51)를 통해 상기 가스유동관(46)으로 들어간 가스는 플라즈마로 여기되어 상기 하판(43)의 유출구(44)를 통해 배출된다. 상기 가스가 상기 가스유동관(46)을 흐를 때, 상기 웨이브가이드(24a 내지 24c)를 통해 수용된 마이크로웨이브 에너지는 상기 가스를 플라즈마로 여기시킨다.
또한, 상기 캐비티(26)는 원판(49)과 바(bar)(50)를 가지는 슬라이딩 단락부(48)를 포함할 수 있다. 상기 원판(49)은 상기 측벽(42)의 내면과 상기 가스유동관(46)의 외면 사이의 공간으로 슬라이딩 끼워지도록 치수가 정해지며, 상기 원판(49)은 상기 마이크로웨이브가 통하지 않는 재질, 바람직하게 금속으로 이루어진다. 작동하는 동안, 상기 웨이브가이드(24a 내지 24c)의 끝단으로부터 배출된 마이크로웨이브는 상기 가스유동관(46)에 간섭패턴을 형성한다. 사용자가 상기 캐비티(26)의 길이방향(56)을 따라 상기 바(bar)(50)를 위 아래로 움직임에 따라, 상기 원판(49)와 상기 상판(41)사이의 거리가 변하게 되어 상기 간섭은 상기 가스유동관(46)에 피크(peak)진폭영역을 생성하는바, 다시 말해서, 상기 상판(41)과 연관된 상기 원판(49)의 위치를 조정함으로써, 임피던스 매칭을 얻을 수 있다. 상기 바(bar)(50)는 상기 하판(43)의 외면에 고정된 마이크로미터(micrometer)와 같은 적절한 조정장치에 부착될 수 있어 사용자는 매우 정밀하게 임피던스를 조정할 수 있음을 유의해야 한다. 선택적으로, 상기 바(bar)(50)에 부착된 모터는 자동제어에 사용될 수 있다.
상기 3개의 마이크로웨이브 공급부(11a 내지 11c)에서 생성된 마이크로웨이브는 상기 가스유동관(46) 내에서 결합되는 것을 유의해야 한다. 이와 같이, 상기 마이크로웨이브 공급부들이 동일하다면, 상기 가스유동관(46) 내의 마이크로웨이브 장(場)의 최대 강도는 상기 마이크로웨이브 공급부(11a)의 3배의 출력 전력을 가지는 하나의 마이크로웨이브 공급부에서 생성된 강도와 동일할 것이다. 이러한 특징은 측정능력과 마이크로웨이브 공급부의 제작비 절감의 두 가지 장점이 있다. 상기 시스템(10)의 운영자는 상기 마이크로웨이브 공급부(11a 내지 11c)를 선택적으로 턴온시킬 수 있어서 상기 가스유동관(46)의 마이크로웨이브 장(場)의 강도가 변할 수 있다. 예를 들면, 상기 가스유동관(46) 내의 플라즈마를 점화시키기 위한 마이크로웨이브 강도는 가스(53)의 형태에 따라 달라질 수 있다. 상기 운영자는 상기 마이크로웨이브 공급부(11a 내지 11c)를 선택적으로 턴온함으로써 상기 가스유동관(46)의 마이크로웨이브 강도를 최적화할 수 있다. 상기 시스템(10)은 3개의 마이크로웨이브 공급부만 가지고 있음을 유의해야 한다. 그러나, 상기 시스템은 다른 적절한 개수의 마이크로웨이브 공급부를 포함할 수 있음이 당업자에게는 자명할 것이다.
상기 마이크로웨이브 생성부(12a), 특히, 전자관의 가격은 그 전원 출력이 증가함에 따라 급속히 증가한다. 예를 들면, 상업적으로 이용 가능한 전자 레인지의 10개의 전자관의 가격은 전자레인지의 10배 출력 전력을 가지는 하나의 고출력 전자관의 가격보다 현저하게 낮다. 따라서, 상기 시스템(10)의 다중 마이크로웨이브 생성부의 특징으로 인해, 설계자는 총 최대 전력에 대한 절충 없이 저비용 마이크로웨이브 생성 시스템을 구축할 수 있다.
도 3A 내지 3C는 도 2의 상기 캐비티 측벽(42)의 다른 실시의 예(60, 70, 80)의 상면도이다. 도시된 바와 같이, 상기 측벽은 웨이브가이드가 각 변에 고정될 수 있는, 직사각형, 육각형, 또는 팔각형과 같은 적절한 다각형 형상을 가질 수 있다. 2개의 인접한 웨이브가이드로부터 빠져 나오는 마이크로웨이브들의 위상들은 다를 수 있어서, 상기 마이크로웨이브들 사이의 간섭은 가스유동관(62, 72, 82)내의 최대 강도를 생성한다. 가스유동관(62, 72, 82)은 직사각형, 육각형 또는 팔각형과 같은 적절한 단면형상을 가질 수 있음을 알 수 있다. 2개의 인접한 웨이브가이드 사이의 각도 θ(도1 에 도시됨)는 두 마이크로웨이브의 간의 간섭을 최적화 하도록 조정될 수 있음을 또한 알 수 있다.
도 4A는 도 1의 상기 캐비티(26)의 다른 실시의 예(100)의 사시도이다. 간결함을 위해 상기 측벽과 웨이브가이드만 도 4a 에 도시된다. 도시된 바와 같이, 캐비티(100)는 도 1의 캐비티(26)와 유사하며, 웨이브가이드(102a내지 102c)가 e-plane웨이브가이드인 점이 다르다.
도 4B 및 4C는 도 1의 상기 캐비티(26)의 다른 실시의 예(114 및 124)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 캐비티(114 및 124)는 도 1의 캐비티(26)와 유사하며, 상기 캐비티(114 및 124)의 측벽과 연관된 웨이브가이드(112a 내지 112c 및 122a 내지 122c)의 위치들이 다르다. 상기 웨이브가이드들의 위치는 상기 캐비티(114 및 124)내에 배치된 가스유동관(간결함을 위해 도 4B 내지 4C에 미도시됨)의 간섭패턴을 최적화하도록 정해진다.
도 5는 도 2의 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티(26)의 다른 실시의 예(200)의 개략적인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 캐비티(200)는 상기 가스탱크(28)(도 5에는 미도시됨)로부터 가스를 수용하는 유입홀(243)을 포함하는 상판(241), 웨이브가이드(224a 내지 224b)의 끝단에 연결된 측벽(242), 가스를 배출하기 위한 하부홀(244)을 포함하는 가스유동관(246), 및 원판(249) 및 바(bar)(250)를 포함하는 슬라이딩 단락부(248)를 포함한다. 상기 캐비티(200)의 구성요소의 재질과 기능은 상기 캐비티(26)의 구성요소의 재질 및 기능과 유사하므로, 자세한 설명은 생략한다. 캐비티(26)와 캐비티(200)의 차이점은 캐비티(26)는 상기 하판(43)을 포함하는 반면, 캐비티(200)는 하판을 포함하지 않는다는 것이다.
도 6은 도 2의 상기 마이크로웨이브 공진 캐비티(26)의 다른 실시의 예(300)의 개략적인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 캐비티(300)는 상기 캐비티(26)와 유사하며, 가스유동관(346)의 상부 및 하부가 각각 상판(341) 및 하판(343)의 외부로 돌출된 점이 다르다. 상기 가스유동관(346)은 상기 가스를 수용하고 배출하기 위한 상부홀(343) 및 하부홀(344)을 포함한다. 대신에, 상기 가스유동관(346)은 상기 홀(343)을 대체하여 상기 가스유동관(346)의 길이방향 축에 대하여 기울어져서 주입된 가스에 소용돌이 움직임을 일게 하는 가스유입구(360)를 가질 수 있다.
물론, 상기 설명한 사항은 본 발명의 모범적인 실시의 예와 관련되어 있으며 여러 가지 변형들이 다음의 청구범위에 명시된 바와 같이 본 발명의 기술적 사상과 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 일반적으로 원통형의 빈 공간을 가지며 마이크로웨이브가 통하지 않는 재질로 이루어진 측벽;
    상기 측벽 내에 배치되고, 마이크로웨이브가 통하는 재질로 이루어지며, 상기 측벽의 길이방향 축과 실질적으로 평행인 길이방향 축을 가지는 가스유동관;
    각각이 상기 측벽의 길이방향 축과 실질적으로 수직인 길이방향 축을 가지고 상기 측벽에 고정되고 상기 측벽에 형성된 다수의 홀들 중 해당하는 하나에 정렬되게 배치되는 끝단을 가지는 다수의 웨이브가이드;
    마이크로웨이브가 통하지 않는 재질로 이루어지고 상기 측벽의 일단에 고정되는 상판; 및
    마이크로웨이브가 통하지 않는 재질로 이루어지고 상기 측벽과 상기 가스유동관 사이에 슬라이딩 장착되며, 상기 측벽에 밀착되어 끼워진 바깥 테두리 및 상기 가스유동관이 밀착되어 끼워지는 홀을 포함하는 원판, 및
    상기 측벽 내에 배치되고 상기 측벽의 길이방향 축과 평행하게 배열되는 적어도 하나의 바(bar)를 포함하는
    슬라이딩 단락부를 포함하며,
    상기 상판, 측벽 및 원판으로 정의되는 공간은 상기 바(bar)를 상기 측벽의 길이방향을 따라 움직여 상기 가스유동관내에 마이크로웨이브 공진 캐비티를 형성하도록 조정되는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스유동관의 일단은 상기 상판과 인접하며, 상기 상판은 상기 가스유동관을 흐르는 가스를 수용하기 위한 홀을 가지는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측벽의 타단에 고정되고 상기 바(bar)가 통과하는 적어도 하나의 홀을 가지는 하판을 더 포함하는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하판은 가스유출구를 가지는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스유동관은 상기 상판을 통과하는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 웨이브가이드의 끝단들은 상기 측벽의 길이방향 축을 따라 같은 높이로 배치되는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 웨이브가이드의 끝단들은 상기 측벽의 길이방향 축을 따라 서로 다른 높이로 배치되는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측벽의 단면 형상은 원, 직사각형, 육각형 및 팔각형으로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 웨이브가이드의 길이방향 축들은 상기 측벽의 길이방향 축과 평행한 동일 평면 상에 배치되는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 각 웨이브가이드의 근접단과 결합된 마이크로웨이브 공급부를 더 포함하는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 공급부는
    마이크로웨이브를 생성하는 마이크로웨이브 생성부; 및
    상기 마이크로웨이브 생성부를 향해 전파하는 마이크로웨이브를 발산시키는 더미로드와 상기 마이크로웨이브를 상기 더미로드로 향하게 하는 순환부를 포함하는 절연체를 포함하는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 공급부는
    마이크로웨이브의 유동량을 측정하는 결합부; 및
    마이크로웨이브의 반사를 감소시키는 튜너를 더 포함하는 마이크로웨이브 공진 캐비티.
KR1020147000416A 2011-06-24 2012-06-21 마이크로웨이브 공진 캐비티 KR20140026605A (ko)

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