KR20210136744A - 정밀하게 주파수를 제어하기 위한 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 주파수 제어 장치 - Google Patents

정밀하게 주파수를 제어하기 위한 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 주파수 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서, 직류 전원을 구동 주파수를 가지는 교류 전원으로 변환하여 부하에 인가하는 인버터, 복수의 시점에서 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간을 획득하는 센서, 부하에 제1 지연 시간에 기초하여 제1 구동 주파수로부터 미리 설정된 주파수만큼 차이 나는 제2 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 인버터에 제공하는 PWM 발생기, 및 부하에 제2 지연 시간에 기초하여, 제2 구동 주파수를 가지는 제2 교류 전원으로부터 미리 설정된 위상만큼 차이 나는 제3 교류 전원에 대응되는 스위치 신호를 인버터에 제공함으로써 부하에 제2 교류 전원을 인가하는 경우보다 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 감소시키는 시간 지연부를 포함하는 주파수 제어 장치에 관한 것이다.

Description

정밀하게 주파수를 제어하기 위한 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 주파수 제어 장치{A METHOD OF PRECISELY CONTROLING FREQUENCY AND RF GENERATOR USING THE SAME}
본 발명은 정밀하게 주파수를 제어하기 위한 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 주파수 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부하에 교류 전원을 인가함에 있어서 부하의 전류 및 전압의 위상차를 감지하여 부하의 가변적인 공진 주파수에 대응하도록 구동 주파수를 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
플라즈마를 활용하는 기술은 반도체, 디스플레이, 의료 장비 기술 분야뿐만 아니라 공기, 물, 토양 정화 등의 환경 기술 분야 및 태양 전지, 수소 에너지 등의 에너지 기술 분야 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있다.
이러한 플라즈마를 발생시키는 방법은 코로나 방전, 글로우 방전, 아크 방전 등의 직류 방전, 축전 결합 방전, 유도 결합 방전 등의 교류 방전, 충격파, 고에너지 빔 등 매우 다양하며, 그 중 간단한 구조를 이용함으로써 활용도가 높은 유도 결합 방식이 각광 받고 있다.
한편, 플라즈마 발생을 위해서는 플라즈마를 발생시키는 부하에 적절한 주파수, 예를 들어 부하의 공진 주파수를 가지는 전원을 인가하는 것이 바람직하다. 그러나, 플라즈마 발생에 따라 부하의 공진 주파수가 지속적으로 변경될 수 있는데, 이러한 주파수 변화에 실시간으로 대응하여 구동 주파수를 제어하기 어려운 문제점이 있다. 따라서, 안정적인 플라즈마 발생 및 유지를 위한 구동 주파수 제어, 나아가 보다 정밀하게 공진 주파수에 근접하도록 구동 주파수를 제어하는 방안이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 안테나 구조체에 실시간으로 변경 되는 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 제공하는 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 부하의 전류 및 전압 위상차에 기초하여 부하의 공진 주파수에 대응하는 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 제공하는 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 복수의 주파수 제어 방법을 이용하여 부하에 인가되는 교류 전원의 구동 주파수를 조절하는 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 부하의 전기적 신호의 위상, 크기를 고려하여 부하에 인가되는 교류 전원의 구동 주파수를 조절하는 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 스위치에 신호 전달 시 전달하는 신호를 증폭시켜 송신하고 감쇠시켜 수신하는 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서의 일 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서, 직류 전원을 제1 구동 주파수를 가지는 제1 교류 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터; 제1 시점 및 제2 시점에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 제1 및 제2 지연 시간을 획득하는 센서; 상기 부하에 상기 제1 지연 시간에 기초하여 상기 제1 구동 주파수로부터 미리 설정된 주파수만큼 차이 나는 제2 구동 주파수에 대응되는 제1 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 PWM 발생기; 및 상기 부하에 상기 제2 지연 시간에 기초하여, 상기 제2 구동 주파수를 가지는 제2 교류 전원으로부터 미리 설정된 위상만큼 차이 나는 제3 교류 전원에 대응되는 제2 스위치 신호를 상기 인버터에 제공함으로써 상기 부하에 상기 제2 교류 전원을 인가하는 경우보다 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 감소시키는 시간 지연부;를 포함하는 주파수 제어 장치가 제공될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 방법에 있어서, 인버터를 이용하여, 상기 부하에 제1 구동 주파수를 가지는 제1 교류 전원을 인가하고; 센서를 이용하여, 제1 시점에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 제1 지연 시간을 획득하고; 상기 부하에 상기 제1 지연 시간에 기초하여 상기 제1 구동 주파수로부터 미리 설정된 주파수만큼 차이 나는 제2 구동 주파수를 가지는 제2 교류 전원을 인가하고; 상기 센서를 이용하여 제2 시점에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 제2 지연 시간을 획득하고; 상기 부하에 상기 제2 지연 시간에 기초하여 상기 제2 교류 전원과 미리 설정된 위상만큼 차이 나는 제3 교류 전원을 인가하여, 상기 부하에 상기 제2 교류 전원을 인가하는 경우보다 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 감소시키는 주파수 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터; 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간 -상기 지연 시간은 제1 시점에서의 제1 지연 시간, 제2 시점에서의 제2 지연 시간 및 제3 시점에서의 제3 지연 시간을 포함함- 을 검출하는 위상 검출기; 상기 위상 검출기로부터 획득한 상기 제1 지연 시간에 기초하여 설정된 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 PWM(Pulse Width Modulation) 발생기; 상기 위상 검출기로부터 상기 제3 지연 시간을 획득하고, 상기 부하에 흐르는 전류 위상 신호를 획득하며, 획득한 상기 제3 지연 시간에 기초하여 상기 전류 위상 신호를 미리 설정된 시간만큼 지연시켜 상기 인버터에 제공하는 시간 지연부; 및 상기 PWM 발생기 및 상기 시간 지연부 중 어느 하나와 상기 인버터를 전기적으로 연결하고, 상기 위상 검출기로부터 획득한 상기 제2 지연 시간이 미리 설정된 조건을 만족하면 상기 인버터에 전기적으로 연결되는 구성을 상기 PWM 발생기에서 상기 시간 지연부로 스위칭하는 스위칭 회로;를 포함하는 주파수 제어 장치가 제공될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 방법에 있어서, 인버터를 이용하여, 상기 부하에 특정 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하고; 제1 센서를 이용하여, 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간을 획득하고; 제2 센서를 이용하여, 상기 부하의 적어도 일부에 대한 전압을 지시하는 전압 데이터를 획득하고; 상기 인버터를 이용하여, 제1 구간에서 상기 부하에 상기 지연 시간에 기초하여 설정되는 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하고; 상기 인버터를 이용하여, 제2 구간에서 상기 부하에 상기 전압 데이터에 기초하여 설정되는 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하는; 주파수 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터; 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간 -상기 지연 시간은 제1 시점에서의 제1 지연 시간 및 제2 시점에서의 제2 지연 시간을 포함함- 을 검출하는 위상 검출기; 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점에서 상기 부하의 전압을 감지하여 상기 제1 지연 시간과 관련되는 제1 전압 및 상기 제2 지연 시간과 관련된 제2 전압을 포함하는 전압 데이터를 획득하는 전압 검출기; 및 상기 위상 검출기로부터 획득한 상기 지연 시간에 기초하여 설정된 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 PWM(Pulse Width Modulation) 발생기;를 포함하되, 상기 PWM 발생기는 상기 제1 전압의 크기가 상기 제2 전압의 크기 보다 작은 경우, 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 이후의 제3 시점에서 상기 제1 지연 시간에 기초하여 설정된 제1 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 주파수 제어 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 과제의 해결 수단이 상술한 해결 수단들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 해결 수단들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 부하에 적절한 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하여 플라즈마 발생을 유도하고 발생된 플라즈마를 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 가변하는 부하의 공진 주파수에 대응되도록 부하에 인가되는 교류 전원의 구동 주파수를 조절하여 부하로부터 형성된 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 복수의 주파수 제어 방법을 이용하여 보다 정밀하게 부하의 공진 주파수에 대응되는 구동 주파수의 교류 전원을 제공하여 플라즈마 유지력을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 부하의 전기적 신호의 위상뿐만 아니라 크기를 이용하여 보다 정밀하게 부하의 공진 주파수에 대응되는 구동 주파수의 교류 전원을 제공하여 플라즈마 유지력을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 스위치가 ZVS(Zero Voltage Switching) 및 ZCS(Zero Current Switching) 또는 nearly ZCS 조건을 만족하면서 동작하게 되어 스위치 손상을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 스위치에서 전기적 신호가 안정적으로 수신되어 스위치 손실이나 데미지를 방지할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템에 관한 도면이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 RF 발생기에 관한 도면이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나 구조체에 관한 도면이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 디지털 주파수 제어를 위한 RF 발생기 구조에 관한 도면이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따른 디지털 주파수 제어 방법에 관한 도면이다.
도 6은 본 명세서의 일 실시예에 따른 디지털 주파수 제어에 따라 변경되는 구동 주파수에 관한 도면이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 고해상도 주파수 제어를 위한 RF 발생기 구조에 관한 도면이다.
도 8은 본 명세서의 일 실시예에 따른 고해상도 주파수 제어 방법에 관한 도면이다.
도 9는 본 명세서의 일 실시예에 따른 고해상도 주파수 제어에 따라 조절되는 구동 주파수에 관한 도면이다.
도 10은 본 명세서의 일 실시예에 따른 고해상도 주파수 제어에 따른 부하의 전류 및 전압 위상차 변화에 관한 도면이다.
도 11은 본 명세서의 일 실시예에 따른 미세 주파수 제어를 위한 RF 발생기 구조에 관한 도면이다.
도 12는 본 명세서의 일 실시예에 따른 미세 주파수 제어 방법에 관한 도면이다.
도 13은 본 명세서의 일 실시예에 따른 미세 주파수 제어에 따른 부하 전압 전류의 위상차에 관한 도면이다.
도 14는 본 명세서의 일 실시예에 따른 증폭기 및 감쇠기를 이용한 스위치 신호 송수신 방식에 관한 도면이다.
도 15는 본 명세서의 일 실시예에 따른 광 변환기를 이용한 스위치 신호 송수신 방식에 관한 도면이다.
본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로 도면에 도시된 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 필요에 따라 과장되어 표시된 것일 수 있으므로 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "유닛", "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서의 일 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서, 직류 전원을 제1 구동 주파수를 가지는 제1 교류 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터; 제1 시점 및 제2 시점에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 제1 및 제2 지연 시간을 획득하는 센서; 상기 부하에 상기 제1 지연 시간에 기초하여 상기 제1 구동 주파수로부터 미리 설정된 주파수만큼 차이 나는 제2 구동 주파수에 대응되는 제1 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 PWM 발생기; 및 상기 부하에 상기 제2 지연 시간에 기초하여, 상기 제2 구동 주파수를 가지는 제2 교류 전원으로부터 미리 설정된 위상만큼 차이 나는 제3 교류 전원에 대응되는 제2 스위치 신호를 상기 인버터에 제공함으로써 상기 부하에 상기 제2 교류 전원을 인가하는 경우보다 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 감소시키는 시간 지연부;를 포함하는 주파수 제어 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 미리 설정된 주파수는 상기 제2 구동 주파수 및 상기 제3 교류 전원에 대응되는 제3 구동 주파수의 차이보다 큰 값을 가질 수 있다.
또 여기서, 상기 시간 지연부는 상기 부하의 위상 신호를 입력 받아 상기 미리 설정된 위상만큼 지연시켜 획득되는 상기 제2 스위치 신호를 출력하고, 상기 부하의 위상 신호는 상기 부하에 흐르는 전류의 위상을 지시할 수 있다.
또 여기서, 상기 미리 설정된 위상은 상기 제2 지연 시간에 대응되는 위상을 포함할 수 있다.
또 여기서, 상기 주파수 제어 장치는 상기 PWM 발생기 및 상기 시간 지연부 중 적어도 하나를 상기 인버터와 전기적으로 연결하는 스위칭 회로;를 포함할 수 있다.
또 여기서, 상기 스위칭 회로는 상기 제2 지연 시간이 미리 설정된 조건을 만족하면 상기 인버터에 전기적으로 연결되는 상기 PWM 발생기를 상기 시간 지연부로 변경할 수 있다.
또 여기서, 상기 주파수 제어 장치는 미리 설정된 클럭 주파수(clock frequency)를 가지는 클럭원(clock source);을 포함하고, 상기 미리 설정된 주파수는 상기 클럭 주파수를 정수로 나눈 값이고, 상기 미리 설정된 위상은 상기 클럭 주파수의 역수값의 정수배일 수 있다.
또 여기서, 상기 주파수 제어 장치는 상기 부하의 위상 신호를 주기적으로 획득하여 상기 시간 지연부에 제공하는 위상 센싱부;를 포함하고, 상기 센서는 주기적으로 지연 시간을 획득하여 상기 시간 지연부에 제공하며, 상기 시간 지연부는 상기 지연 시간에 기초하여 상기 위상 신호를 지연시킨 스위치 신호를 상기 인버터에 제공할 수 있다.
또 여기서, 상기 주파수 제어 장치는 상기 스위칭 회로에 전기적으로 연결되어 신호를 증폭시키는 증폭기; 및 상기 인버터에 전기적으로 연결되어 신호를 감쇠시키는 감쇠기;를 포함하고, 노이즈 발생 방지를 위해 상기 감쇠기의 문턱 전압은 상기 인버터의 문턱 전압 보다 큰 값을 가질 수 있다.
또 여기서, 상기 주파수 제어 장치는 상기 스위칭 회로에 전기적으로 연결되어 전기적 신호를 광 신호로 변환하는 제1 변환기; 및 상기 인버터에 전기적으로 연결되어 광 신호를 전기적 신호로 변환하는 제2 변환기;를 포함하고, 노이즈 발생 방지를 위해 상기 스위칭 회로는 상기 제1 및 제2 변환기를 통해 상기 인버터에 상기 제1 스위치 신호 또는 상기 제2 스위치 신호를 제공할 수 있다.
본 명세서의 다른 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 방법에 있어서, 인버터를 이용하여, 상기 부하에 제1 구동 주파수를 가지는 제1 교류 전원을 인가하고; 센서를 이용하여, 제1 시점에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 제1 지연 시간을 획득하고; 상기 부하에 상기 제1 지연 시간에 기초하여 상기 제1 구동 주파수로부터 미리 설정된 주파수만큼 차이 나는 제2 구동 주파수를 가지는 제2 교류 전원을 인가하고; 상기 센서를 이용하여 제2 시점에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 제2 지연 시간을 획득하고; 상기 부하에 상기 제2 지연 시간에 기초하여 상기 제2 교류 전원과 미리 설정된 위상만큼 차이 나는 제3 교류 전원을 인가하여, 상기 부하에 상기 제2 교류 전원을 인가하는 경우보다 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 감소시키는; 주파수 제어 방법이 제공될 수 있다.
여기서, PWM 발생기를 이용하여, 상기 인버터에 상기 제1 구동 주파수에 대응하는 제1 스위치 신호를 제공하고; 상기 PWM 발생기를 이용하여, 상기 인버터에 상기 제2 구동 주파수에 대응하는 제2 스위치 신호를 제공하고; 시간 지연부를 이용하여, 상기 인버터에 상기 제3 교류 전원에 대응하는 지연된 상기 부하의 위상 신호를 제공할 수 있다.
또 여기서, 상기 위상 신호는 상기 부하에 상기 제3 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하기 이전 시점의 상기 부하의 전류 위상 신호일 수 있다.
본 명세서의 다른 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터; 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간 -상기 지연 시간은 제1 시점에서의 제1 지연 시간, 제2 시점에서의 제2 지연 시간 및 제3 시점에서의 제3 지연 시간을 포함함- 을 검출하는 위상 검출기; 상기 위상 검출기로부터 획득한 상기 제1 지연 시간에 기초하여 설정된 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 PWM(Pulse Width Modulation) 발생기; 상기 위상 검출기로부터 상기 제3 지연 시간을 획득하고, 상기 부하에 흐르는 전류 위상 신호를 획득하며, 획득한 상기 제3 지연 시간에 기초하여 상기 전류 위상 신호를 미리 설정된 시간만큼 지연시켜 상기 인버터에 제공하는 시간 지연부; 및 상기 PWM 발생기 및 상기 시간 지연부 중 어느 하나와 상기 인버터를 전기적으로 연결하고, 상기 위상 검출기로부터 획득한 상기 제2 지연 시간이 미리 설정된 조건을 만족하면 상기 인버터에 전기적으로 연결되는 구성을 상기 PWM 발생기에서 상기 시간 지연부로 스위칭하는 스위칭 회로;를 포함하는 주파수 제어 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 PWM 발생기는 상기 부하에 인가되는 상기 교류 전원의 주파수가 제1 구동 주파수에서 제2 구동 주파수로 변경되도록 상기 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하고, 상기 시간 지연부는 상기 부하에 인가되는 상기 교류 전원의 주파수가 제3 구동 주파수에서 제4 구동 주파수로 변경되도록 상기 전류 위상 신호를 지연시켜 상기 인버터에 제공하되, 상기 제1 구동 주파수 및 상기 제2 구동 주파수의 차이는 상기 제3 구동 주파수 및 상기 제4 구동 주파수의 차이 보다 큰 값을 가질 수 있다.
또 여기서, 상기 PWM 발생기는 상기 부하에 인가되는 상기 교류 전원의 주파수가 제1 구동 주파수에서 제2 구동 주파수로 변경되도록 상기 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하고, 상기 시간 지연부는 상기 부하에 인가되는 상기 교류 전원의 주파수가 상기 제2 구동 주파수에서 제3 구동 주파수로 변경되도록 상기 전류 위상 신호를 지연시켜 상기 인버터에 제공하되, 상기 제1 구동 주파수 및 상기 제2 구동 주파수의 차이는 상기 제2 구동 주파수 및 상기 제3 구동 주파수의 차이 보다 큰 값을 가질 수 있다.
또 여기서, 상기 미리 설정된 조건은 -5ns 내지 20ns 중 적어도 일부 구간에서 설정될 수 있다.
본 명세서의 다른 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 방법에 있어서, 인버터를 이용하여, 상기 부하에 특정 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하고; 제1 센서를 이용하여, 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간을 획득하고; 제2 센서를 이용하여, 상기 부하의 적어도 일부에 대한 전압을 지시하는 전압 데이터를 획득하고; 상기 인버터를 이용하여, 제1 구간에서 상기 부하에 상기 지연 시간에 기초하여 설정되는 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하고; 상기 인버터를 이용하여, 제2 구간에서 상기 부하에 상기 전압 데이터에 기초하여 설정되는 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하는 주파수 제어 방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 제1 센서를 이용하여 상기 제1 구간에서 획득한 제1 지연 시간 및 제2 지연 시간에 기초하여 주파수 범위를 결정하고; 상기 주파수 범위에서 상기 전압 데이터에 기초하여 최종 유지 주파수를 선택하고; 상기 인버터를 이용하여, 상기 부하에 상기 최종 유지 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하되, 상기 제1 지연 시간 및 상기 제2 지연 시간은 미리 설정된 조건을 만족할 수 있다.
또 여기서, 상기 주파수 범위는 적어도 제1 구동 주파수 및 제2 구동 주파수를 포함하고, 상기 전압 데이터는 상기 부하에 상기 제1 구동 주파수를 가지는 교류 전원이 인가될 때 획득되는 제1 전압 및 상기 부하에 상기 제2 구동 주파수를 가지는 교류 전원이 인가될 때 획득되는 제2 전압을 포함하고, 상기 제2 전압이 상기 제1 전압보다 작으면, 상기 제2 구동 주파수가 상기 최종 유지 주파수로 선택될 수 있다.
또 여기서, 상기 제2 구간에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차는 미리 설정된 조건을 만족할 수 있다.
또 여기서, 상기 미리 설정된 조건은 -5ns 내지 20ns 중 적어도 일부 구간에서 설정될 수 있다.
또 여기서, 상기 부하는 제1 곡률 반경을 가지는 제1 안테나 및 상기 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경을 가지는 제2 안테나를 포함하는 안테나 구조체를 포함하고, 상기 전압 데이터는 상기 제2 센서를 이용하여 상기 제1 안테나에 대한 전압을 측정하여 획득될 수 있다.
또 여기서, 상기 부하는 제1 곡률 반경을 가지는 제1 안테나 및 상기 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경을 가지는 제2 안테나를 포함하는 안테나 구조체를 포함하고, 상기 전압 데이터는 상기 제2 센서를 이용하여 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나에 대한 전압을 측정하여 획득될 수 있다.
본 명세서의 다른 양상에 따르면, 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터; 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간 -상기 지연 시간은 제1 시점에서의 제1 지연 시간 및 제2 시점에서의 제2 지연 시간을 포함함- 을 검출하는 위상 검출기; 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점에서 상기 부하의 전압을 감지하여 상기 제1 지연 시간과 관련되는 제1 전압 및 상기 제2 지연 시간과 관련된 제2 전압을 포함하는 전압 데이터를 획득하는 전압 검출기; 및 상기 위상 검출기로부터 획득한 상기 지연 시간에 기초하여 설정된 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 PWM(Pulse Width Modulation) 발생기;를 포함하되, 상기 PWM 발생기는 상기 제1 전압의 크기가 상기 제2 전압의 크기 보다 작은 경우, 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 이후의 제3 시점에서 상기 제1 지연 시간에 기초하여 설정된 제1 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 주파수 제어 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 주파수 제어 장치는 상기 PWM 발생기에 전기적으로 연결되어 신호를 증폭시키는 증폭기; 및 상기 인버터에 전기적으로 연결되어 신호를 감쇠시키는 감쇠기;를 포함하고, 노이즈 발생 방지를 위해 상기 감쇠기의 문턱 전압은 상기 인버터의 문턱 전압 보다 큰 값을 가질 수 있다.
또 여기서, 상기 주파수 제어 장치는 상기 PWM 발생기에 전기적으로 연결되어 전기적 신호를 광 신호로 변환하는 제1 변환기; 및 상기 인버터에 전기적으로 연결되어 광 신호를 전기적 신호로 변환하는 제2 변환기;를 포함하고, 노이즈 발생 방지를 위해 상기 PWM 발생기는 상기 제1 및 제2 변환기를 통해 상기 인버터에 상기 스위치 신호를 제공할 수 있다.
본 명세서는 정밀하게 주파수를 제어하기 위한 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 주파수 제어 장치에 관한 것이다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시예에 따른 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 주파수 제어 장치에 의하면 부하에 특정 구동 주파수를 가지는 전원 또는 전력을 인가함에 있어서 구동 주파수를 주기적으로 또는 실시간으로 변경할 수 있다.
여기서, 구동 주파수는 부하에 인가되는 전원 또는 전력의 주파수를 의미할 수 있다.
여기서, 부하는 전원 또는 전력이 공급되는 구성을 의미할 수 있다. 예를 들어, 부하는 저항, 인덕터(inductor), 커패시터(capacitor) 등의 전기적 소자를 포함하는 회로로 표현되는 전기적 구성을 의미할 수 있다. 부하는 부하를 구성하는 전기적 소자의 성질이나 특징에 따라 공진 주파수(resonant frequency)를 가질 수 있다. 이 때, 부하에 따라 공진 주파수가 실시간으로 변경될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 플라즈마 시스템에 있어서 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 주파수 제어 장치에 대해서 서술하나, 본 명세서의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 실시간으로 구동 주파수를 조절하여 교류 전원을 인가할 필요가 있는 장치 또는 어플리케이션에 유사하게 적용될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 무선 전력 전송 및 유도 가열 분야 등에서 부하의 가변되는 공진 주파수에 대응되도록 교류 전원의 구동 주파수를 제어하기 위해 후술하는 주파수 제어 방법 및 이를 이용하는 장치가 이용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 플라즈마를 발생시키고 유지하는 플라즈마 시스템에 있어서 안테나 또는 안테나 구조체에 전원을 인가하기 위해 주파수 제어 방법이 이용될 수 있다.
여기서, 플라즈마는 물질이 고에너지를 인가받아 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 상태(phase)로, 다양한 방식에 의해 유도되거나 발생될 수 있다. 그 중에서도 유도 결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)는 코일(coil) 또는 안테나(antenna) 등에 전력이 공급되어 특정 공간에 유도 전기장 또는 축전 전기장이 형성되고, 이에 의해 발생되는 플라즈마로, 일반적으로 무선주파수(RF: Radio Frequency)와 같은 고주파 전원에 의해 구동될 수 있다. 한편, 이하에서는 설명의 편의를 위해 플라즈마 시스템에 의해 발생되는 플라즈마는 유도 결합 플라즈마인 것을 전제로 설명하나, 본 명세서의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 안테나는 전압 또는 전류를 인가하면 주위에 전기장 또는 자기장을 형성시키는 유도성 소자 또는 부하로, 코일 또는 인덕터 등을 의미할 수 있으며, 나아가 유도성 소자 외의 소자로 구현된 등가 회로를 의미할 수도 있다.
여기서, 안테나 구조체는 적어도 하나 이상의 안테나를 포함하는 구조체를 의미할 수 있다. 나아가, 안테나 구조체는 적어도 하나 이상의 용량성 소자 또는 부하를 포함하고, 적어도 하나 이상의 안테나 또는 용량성 소자가 특정 방법으로 연결되거나 배치된 형태로 구현될 수 있다.
한편, 본 명세서의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템은 반도체, 디스플레이 가공, 환경, 에너지 등 여러 분야에서 광범위하게 이용될 수 있으며 이하에서 서술하는 플라즈마 발생 장치가 어느 특정 분야에만 이용되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 플라즈마가 활용되는 분야에서 공통적으로 이용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
이하에서는 도 1을 참조하여 본 명세서의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템에 대하여 서술한다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템(100)에 관한 도면이다. 도 1을 참조하면, 플라즈마 시스템(100)은 RF 발생기(Radio Frequency generator)(1000), 안테나 구조체(2000) 및 플라즈마 발생부(3000)를 포함할 수 있다. 플라즈마 시스템(100)은 RF 발생기(1000)를 이용하여 안테나 구조체(2000)에 RF 전원을 공급하여 플라즈마 발생부(3000)에 유도 결합 플라즈마 발생을 유도할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)에 전원 또는 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)에 특정 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가할 수 있다. 이 때, 안테나 구조체(2000)에 제공되는 교류 전원의 구동 주파수는 후술하는 바와 같이 변경될 수 있다.
안테나 구조체(2000)는 적어도 하나의 안테나를 포함할 수 있다. 또는, 안테나 구조체(2000)는 적어도 하나의 안테나 및 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 안테나 구조체(2000)의 구성 요소와 구조에 대해서는 추후 구체적으로 서술하도록 한다.
안테나 구조체(2000)는 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결될 수 있다. 안테나 구조체(2000)는 RF 발생기(1000)과 도선으로 직렬 또는 병렬 연결되거나 전기적 소자를 통해 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
안테나 구조체(2000)는 플라즈마 발생부(3000)와 물리적 또는 전기적으로 연결될 수 있다. 안테나 구조체(1000) 및 플라즈마 발생부(2000)의 연결관계에 대한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
안테나 구조체(2000)는 RF 발생기(1000)로부터 RF 전력을 공급받으면 시변하는 전류가 흐르고, 이에 기초하여 플라즈마 발생부(3000)에 유도 전기장을 발생시켜 플라즈마를 유도할 수 있다.
안테나 구조체(2000)는 구성 요소에 따라 공진 주파수(resonant frequency)를 가질 수 있다. 여기서, 공진 주파수는 안테나 구조체(2000) 자체의 공진 주파수를 의미할 수 있다. 또는, 공진 주파수는 안테나 구조체(2000) 및 발생되는 플라즈마에 의한 영향이 고려된 공진 주파수를 의미할 수도 있다. 예를 들어, 플라즈마 시스템(100)에 의해 플라즈마가 형성되면 플라즈마가 유지되는 동안 안테나 구조체(2000)의 전압 및 전류의 위상 차이를 최소화 하기 위해 RF 발생기(1000)에서 안테나 구조체(2000)에 인가해주어야 하는 구동 주파수는 실시간으로 변경될 수 있고, 이 경우 안테나 구조체(2000)와 플라즈마 발생부(300)에서 발생하는 플라즈마에 의해 공진 주파수가 변경되는 것으로 볼 수 있다.
플라즈마 발생부(3000)는 플라즈마 발생이 유도되는 영역 또는 공간을 포함할 수 있다. 구체적으로, 플라즈마 발생부(3000)는 챔버 또는 튜브 등 플라즈마가 발생되어 유지될 수 있는 공간을 의미할 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 RF 발생기(1000)의 구성 및 구조에 대하여 서술한다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 RF 발생기(1000)에 관한 도면이다.
도 2를 참조하면, RF 발생기(1000)는 교류 전원(1100), 정류기(1200), 인버터(1300), 제어기(1500) 및 센서 모듈(1400)을 포함할 수 있다. RF 발생기(1000)는 교류 전원(1100)에서 공급되는 제1 교류 전원을 제2 교류 전원으로 변환하여 부하(load)에 공급할 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 통상적인 가정 또는 산업에서 사용되는 제1 교류 전원을 수백kHz 내지 수십MHz의 주파수 및 수kW 이상의 전력을 가지는 제2 교류 전원으로 변환하여 부하에 제공할 수 있다.
여기서, 부하는 안테나 구조체(2000) 및 안테나 구조체(2000)에 의해 발생되는 플라즈마를 포함할 수 있다. 부하는 플라즈마 유도에 따라 시변하는 공진 주파수를 가질 수 있다.
정류기(1200)는 교류 전원(1100)의 출력을 직류 전원으로 변환할 수 있다. 정류기(1200)는 교류 전원(1100)에서 공급되는 제1 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 인버터(1300) 양단에 인가할 수 있다.
인버터(1300)는 정류기(1200)로부터 직류 전원을 전달받아 부하에 제2 교류 전원을 공급할 수 있다. 예를 들어, 인버터(1300)는 제어기(1500)로부터 스위치 신호(SW)를 수신하고, 수신한 스위치 신호를 이용하여 제2 교류 전원을 부하에 제공할 수 있다. 여기서, 인버터(1300)는 스위치 신호에 의해 제어되는 적어도 하나의 스위치 소자를 포함할 수 있으며, 인버터(1300)에서 부하로 공급되는 제2 교류 전원은 인버터(1300)가 제어기(1500)로부터 제공받는 스위치 신호에 기초하여 설정되는 구동 주파수를 가질 수 있다. 예를 들어, 인버터(1300)는 하프 브릿지 타입 또는 풀 브릿지 타입으로 제공될 수 있다.
인버터(1300)는 제어기(1500)의 주파수 제어 방법에 따라 시간 지연 방식(time delay), 펄스 폭 변조 방식(PWM: Pulse Width Moudlation) 또는 이들을 조합하는 방식 등으로 제어될 수 있다.
한편, 정류기(1200)와 인버터(1300) 사이에 용량성 소자가 배치될 수 있다. 예를 들어, RF 전원(200)은 정류기(1200) 및 인버터(1300)와 병렬로 연결되는 커패시터를 포함하며, 커패시터는 인버터(1300)에 인가되는 전원의 교류 성분을 접지 노드(GND)로 방전할 수 있다.
제어기(1500)는 후술하는 센서 모듈(1400)로부터 센싱된 데이터를 수신하여 스위치 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제어기(1500)는 센서 모듈(1400)로부터 부하의 전류 및 전압 등 공진 주파수와 관련된 데이터를 획득하여 스위치 신호를 생성하도록 구현될 수 있다. 구체적으로, 제어기(1500)는 센서 모듈(1400)로부터 획득한 부하에 인가되는 전류의 위상 데이터 및 부하에 인가되는 전압의 위상 데이터를 이용하여 위상차 데이터 또는 지연 시간을 획득하고 이에 기초하여 스위치 신호를 생성할 수 있다. 제어기(1500)는 FPGA(Field Programmable Gate Arrays) 기술을 이용하여 구현될 수 있다. 제어기(1500)의 구체적인 구성 및 구조에 대해서는 후술한다.
센서 모듈(1400)은 제어기(1500)에 부하의 공진 주파수에 관한 데이터 또는 부하에 공급되는 전력에 관한 데이터를 획득할 수 있다. 다시 도 2를 참조하면, 센서 모듈(1400)은 변류기(1410), 필터(1420) 및 비교기(1430)을 포함할 수 있다. 센서 모듈(1400)은 변류기(1410)를 통해 부하에 흐르는 전류 또는 전압 신호를 입력 받아 크기가 다른 전류 또는 전압 신호로 변환하고, 필터(1420)를 이용하여 변환된 전류 또는 전압 신호를 필터링하고, 비교기(1430)를 통해 위상 데이터를 제어기(1500)에 출력할 수 있다.
여기서, 변류기(1410)는 인버터(1300) 및 부하 사이의 배선에 유도 결합(inductively coupled)될 수 있고 부하에 인가되는 전압 또는 전류 신호를 변환하여 필터(1420)에 제공할 수 있다. 구체적으로, 변류기(1410)는 부하와 연결된 도선에 흐르는 전류를 전압 신호로 변환할 수 있다.
여기서, 필터(1420)는 입력받은 전류 또는 전압 신호에서 직류 성분을 제거하여 비교기(1430)에 출력할 수 있다. 이를 위해, 필터(1420)는 고대역 통과 필터링 또는 저대역 통과 필터링을 수행할 수 있다.
여기서, 비교기(1430)는 위상 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 비교기(1430)는 변류기(1410) 또는 필터(1420)로부터 획득한 전압 신호와 미리 설정된 값을 비교하여 위상 데이터를 획득할 수 있다. 이 때, 위상 데이터는 부하에 인가되는 전류의 위상 데이터를 의미할 수 있다.
상술한 센서 모듈(1400)이 포함하는 구성 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.
도 2에 도시되지 않았으나 RF 발생기(1000)는 메모리를 포함할 수 있다.
여기서, 메모리는 각종 데이터를 저장할 수 있다. 메모리에는 각종 데이터가 임시적으로 또는 반영구적으로 저장될 수 있다. 메모리의 예로는 하드 디스크(HDD: Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive), 플래쉬 메모리(flash memory), 롬(ROM: Read-Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory) 등이 있을 수 있다. 메모리는 RF 발생기(1000)에 내장되는 형태나 탈부착 가능한 형태로 제공될 수 있다.
상술한 바와 같이, RF 발생기(1000)는 부하의 공진 주파수에 관한 데이터에 기초하여 부하에 제공되는 제2 교류 전원의 구동 주파수를 제어할 수 있다. 다시 말해, RF 발생기(1000)는 플라즈마 발생에 따라 변화하는 부하의 공진 주파수를 추적하여 제2 교류 전원의 구동 주파수를 부하의 공진 주파수와 대응되도록 출력할 수 있다. 이로써, 불필요한 전력 소모를 방지하고 플라즈마 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 RF 발생기(1000)는 그 구성 중 적어도 하나가 생략될 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 센서 모듈(1400)을 포함하지 않고 외부의 센서로부터 부하에 대한 전기적 데이터를 획득할 수 있다. 다른 예를 들어, RF 발생기(1000)는 교류 전원(1100) 및 정류기(1200)를 포함하지 않고 외부로부터 직류 전원 또는 정류된 직류 전원을 제공 받을 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 플라즈마를 유도하는 안테나 구조체(2000)에 대하여 서술한다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)에 관한 도면이다.
도 3을 참조하면, 안테나 구조체(2000)는 플라즈마 발생부(3000) 주위에 배치되는 복수의 안테나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 안테나 구조체(2000)는 서로 다른 곡률 반경을 가지는 제1 내지 제3 안테나(2100, 2200, 2300)를 포함할 수 있다.
제1 안테나(2100)는 다른 안테나에 비해 플라즈마 발생부(3000)에 인접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(2100)는 다른 안테나 보다 작은 곡률 반경을 가지고 내경면이 플라즈마 발생부(3000)와 접촉하도록 배치될 수 있다.
제2 안테나(2200)는 제1 안테나(2100) 보다 큰 곡률 반경을 가지고 제1 안테나(2100) 및 제3 안테나(2300) 사이에 배치될 수 있다.
제3 안테나(2300)는 제2 안테나(2200) 보다 큰 곡률 반경을 가지고 가장 외측에 배치될 수 있다.
제1 내지 제3 안테나(2100, 2200, 2300)는 다양한 형상으로 설계될 수 있다. 예를 들어, 다시 도 3을 참조하면 제1 내지 제3 안테나(2100, 2200, 2300)는 사각형 단면을 가지는 원형 고리 형상 또는 원 단면을 가지는 사각 고리 형상을 가질 수 있다.
제1 내지 제3 안테나(2100, 2200, 2300)는 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(2100) 일단 및 제2 안테나(2200) 일단이 전기적으로 연결되고, 제2 안테나(2200) 타단 및 제3 안테나(2300) 일단이 전기적으로 연결될 수 있다. 다른 예를 들어, 제1 안테나(2100) 및 제2 안테나(2200), 제2 안테나(2200) 및 제3 안테나(2300)는 각각 커패시터와 같은 전기적 연결 소자를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 내지 제3 안테나(2100, 2200, 2300)는 전원이 인가되면 플라즈마 발생부(3000) 내부에 유도 전기장을 발생시켜 플라즈마를 유도할 수 있다. 이 때, 후술하는 바와 같이 제1 내지 제3 안테나(2100, 2200, 2300) 중 적어도 하나의 전기적 특성을 이용하여 안테나 구조체(2000)에 인가되는 교류 전원의 구동 주파수를 제어할 수 있다.
도 3에 도시된 것과 달리, 안테나 구조체(2000)는 상술한 형상 또는 구조 외에 유도 결합 플라즈마를 유도하는 형상 또는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)가 포함하는 안테나 수가 반드시 3개인 것은 아니며 안테나 구조체(2000)는 3개 이하 또는 이상의 안테나를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 안테나 구조체(2000)는 서로 다른 평면에 배치되는 안테나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 안테나 구조체(2000)는 플라즈마 발생부(3000) 주위를 둘러싸고 제1 평면에 배치되는 적어도 하나의 안테나 및 플라즈마 발생부(3000) 주위를 둘러싸고 제1 평면과 다른 제2 평면에 배치되는 적어도 하나의 안테나를 포함할 수 있다. 이 때, 서로 다른 층의 안테나는 직접 또는 커패시터와 같은 별도의 전기적 연결 소자를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 또 다른 예를 들어, 안테나 구조체(2000)는 적어도 하나의 안테나를 포함하되, 각 안테나는 복수의 안테나 세그먼트 및 그 사이를 전기적으로 연결하는 커패시터를 포함할 수 있다.
안테나 구조체(2000)는 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)의 일단은 제1 안테나(2100)의 말단에, RF 발생기(1000)의 타단은 제3 안테나(2300)의 말단에 전기적으로 연결되어 RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)에 전원을 공급할 수 있다. 다른 예를 들어, RF 발생기(1000)는 별도의 전기적 소자를 통해 안테나 구조체(2000)와 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 안테나(2100) 말단 및 제3 안테나(2300) 말단은 각각 커패시터와 연결되고, 각각의 커패시터가 RF 발생기(1000)에 연결될 수 있다.
이하에서는 본 명세서의 일 실시예에 따른 주파수 제어 방법에 대하여 서술한다. RF 발생기(1000)는 주파수 제어 방법을 통해 안테나 구조체(2000)에 인가되는 교류 전원의 주파수를 조절할 수 있다. 구체적으로, RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)를 포함하는 부하의 공진 주파수 또는 전류 및 전압 등의 전기적 성질을 실시간으로 감지하여 플라즈마 형성 또는 유지를 위한 구동 주파수를 실시간으로 변경하거나 설정할 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 디지털 주파수 제어 방법에 대하여 서술한다.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 디지털 주파수 제어를 위한 RF 발생기(1000) 구조에 관한 도면이다.
도 4를 참조하면, RF 발생기(1000)는 인버터(1300), 센서 모듈(1400) 및 위상 검출기(phase detector)(1510) 및 PWM 발생기(PWM generator)(1520)를 포함하는 제어기(1500)를 포함할 수 있다. RF 발생기(1000)는 센서 모듈(1400)을 이용하여 전류 위상 데이터를 획득하고, 위상 검출기(1510)를 이용하여 전류 및 전압 사이의 지연 시간 또는 위상차 데이터를 획득하고 PWM 발생기(1520)를 이용하여 인버터(1300)에 스위치 신호를 제공할 수 있다.
인버터(1300)는 직류 전원을 인가 받아 교류 전원으로 변경하여 부하에 제공할 수 있다. 이를 위해, 인버터(1300)는 하프 브릿지 타입 또는 풀 브릿지 타입으로 제공될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 인버터(1300)는 풀 브릿지 타입으로 제공되는 것으로 서술하나, 본 명세서의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
인버터(1300)는 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)는 PWM 발생기(1520)로부터 스위치 신호를 수신하여 턴온(turn on) 또는 턴오프(turn off)될 수 있다. 이 때, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온되고 제2 및 제4 스위치(S2, S4)가 턴오프되면 부하에 양의 전압이 인가되고, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴오프되고 제2 및 제4 스위치(S2, S4)가 턴온되면 부하에 음의 전압이 인가될 수 있다. 이와 같이, 인버터(1300)는 부하에 양의 전압 및 음의 전압을 교번적으로 인가하여 특정 주파수를 가지는 교류 전원을 인가할 수 있다.
센서 모듈(1400)은 부하에 흐르는 전류의 위상을 검출할 수 있다. 도 2에서 서술한 바와 같이, 센서 모듈(1400)은 부하와 전기적으로 결합하여 부하에 흐르는 전류에 대응하는 전류 신호를 획득하고, 획득한 전류 신호를 기초로 부하에 흐르는 전류의 위상을 지시하는 전류 위상 데이터를 획득할 수 있다. 이 때, 전류 위상 데이터는 전류 위상 신호와 동일한 의미로 이용될 수 있다. 또는, 센서 모듈(1400)은 부하에 인가되는 전압에 대응하는 전압 신호를 획득하고, 획득한 전압 신호를 기초로 부하에 흐르는 전류의 위상 데이터를 획득할 수 있다.
위상 검출기(1510)는 부하에 흐르는 전류 및 인가되는 전압의 위상 데이터를 획득할 수 있다. 위상 검출기(1510)는 센서 모듈(1400)로부터 전류 위상 데이터를 획득할 수 있다. 위상 검출기(1510)는 인버터(1300)에 제공되는 스위치 신호를 전압 위상 데이터로 획득할 수 있다. 이 때, 스위치 신호는 부하에 인가되는 전압의 위상을 지시할 수 있고 스위치 신호는 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)에 제공되는 스위치 신호 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이를 위해, 위상 검출기(1510)는 PWM 발생기(1520)로부터 스위치 신호를 제공 받을 수 있다.
위상 검출기(1510)는 지연시간 또는 위상차 데이터를 획득할 수 있다. 위상 검출기(1510)는 전류 위상 데이터 및 전압 위상 데이터를 획득하여 그 차이를 지시하는 지연 시간 또는 위상차 데이터를 획득할 수 있다.
여기서, 지연 시간 또는 위상차 데이터는 부하에 흐르는 전류 및 인가되는 전압의 위상 차이를 의미할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 위상 검출기(1510)가 지연 시간을 획득하는 것을 주로 서술하나, 위상 검출기(1510)가 위상차 데이터를 획득하는 경우에도 유사하게 적용될 수 있다. 지연 시간은 위상(phase) 또는 시간(time)으로 표시될 수도 있다. 지연 시간은 부하에 인가되는 전압에 대한 부하에 흐르는 전류의 위상 차이 또는 지연 시간을 의미하거나 부하에 흐르는 전류에 대한 부하에 인가되는 전압의 위상 차이 또는 지연 시간을 의미할 수 있다. RF 발생기(1000)는 획득한 지연 시간에 기초하여 부하에 인가하는 교류 전원의 구동 주파수를 조절할 수 있다.
또 여기서, 지연 시간은 메모리에 저장될 수 있다. 예를 들어, 지연 시간은 실시간으로 측정되어 위상 또는 시간 형태로 메모리에 저장되고 필요에 따라 로드(load)될 수 있다.
이상에서는 위상 검출기(1510)가 센서 모듈(1400)로부터 획득한 전류 위상 데이터 및 PWM 발생기(1520)로부터 획득한 스위치 신호를 이용하여 지연 시간을 획득하는 것으로 서술하였으나, 본 명세서의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 부하에 인가되는 전압 및 부하에 흐르는 전류를 직접 측정하고 각각의 위상 데이터를 획득하여 인버터(1300)에 제공되는 스위치 신호를 생성할 수 있다.
PWM 발생기(1520)는 스위치 신호를 생성하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
일 예로, PWM 발생기(1520)는 이전 시점에서 부하에 인가된 교류 전원의 주파수를 증감한 구동 주파수에 대응하도록 스위치 신호를 생성하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 예를 들어, PWM 발생기(1520)는 기설정된 제1 동위상 인정 조건을 기준으로 스위치 신호를 생성할 수 있다. 구체적으로, 기설정된 제1 동위상 인정 조건이 -5ns 내지 15ns 일 때, 지연 시간이 15ns 이상이면 이전 시점의 구동 주파수보다 낮은 주파수에 기초하여 스위치 신호를 생성하고, 지연 시간이 -5ns 이하이면 이전 시점의 구동 주파수보다 높은 주파수에 기초하여 스위치 신호를 생성할 수 있다. 여기서, PWM 발생기(1520)는 지연 시간이 제1 동위상 인정 조건을 만족하면 이전 시점의 구동 주파수를 유지하도록 스위치 신호를 생성할 수 있다.
제1 동위상 인정 조건은 주파수 제어 방법에서 이용되는 주파수 대역, 주파수 제어 장치의 안전성, 전력 전달 효율 등을 고려하여 설정될 수 있다.
제1 동위상 인정 조건의 하한값은 인버터(1300) 내 스위치가 ZVS(Zero Voltage Switching) 할 수 있는 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 구동 주파수가 부하의 공진 주파수 보다 작아지는 경우 인가되는 전류의 위상이 전압 보다 늦어져 인버터(1300) 내 스위치가 하드 스위칭(Hard Switching)을 하여 스위치 손상이 유발될 수 있다. 따라서, 제1 동위상 인정 조건의 하한값은 인버터(1300) 내 스위치가 하드 스위칭 하지 않는 조건을 만족하도록 설정될 수 있다.
제1 동위상 인정 조건의 상한값은 인버터(1300) 내 스위치가 nearly ZCS(Zero Current Switching) 할 수 있는 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 구동 주파수가 부하의 공진 주파수 보다 커지는 경우 인가되는 전압의 위상이 전류 보다 늦어져 스위칭 노이즈가 발생할 수 있고 나아가 부하에 제공되는 전력이 감소하여 플라즈마 지속이 어려워질 수 있다. 따라서, 제1 동위상 인정 조건의 상한값은 인버터(1300)의 ZCS 및 플라즈마 유지를 위한 값으로 설정될 수 있다.
상술한 바와 같이 제1 동위상 인정 조건의 하한값 및 상한값은 ZVS, ZCS, 및 플라즈마 유지 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있으며, 나아가 이용되는 주파수 대역에 따라 다르게 설정될 수 있다. 따라서, 제1 동위상 인정 조건으로 상술한 -5ns 내지 15ns는 일 예에 따른 수치로, 필요에 따라 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 동위상 인정 조건은 -10ns 내지 20ns로 설정될 수 있다. 다른 예를 들어, 제1 동위상 인정 조건은 이용하는 주파수 대역이 2MHz 근방인 경우 -15ns 내지 40ns로 설정될 수 있다.
다른 예로, PWM 발생기(1520)는 지연 시간에 기초하여 구동 주파수를 설정하고 설정된 구동 주파수에 대응하도록 스위치 신호를 생성하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 구체적으로, PWM 발생기(1520)는 룩업 테이블(lookup table)을 이용하여 획득된 지연 시간에 대응하는 주파수를 구동 주파수로 설정하여 스위치 신호를 생성할 수 있다. 또는, PWM 발생기(1520)는 미리 설정된 함수를 이용하여 획득된 지연 시간에 대응하는 주파수를 구동 주파수로 설정하여 스위치 신호를 생성할 수 있다.
PWM 발생기(1520)는 지연 시간에 기초하여 부하에 인가되는 전압에 대해 부하에 흐르는 전류가 지상(lagging)인지 진상(leading)인지 여부를 판단할 수 있다.
도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따른 디지털 주파수 제어 방법(S1000)에 관한 도면이다.
도 5를 참조하면, 디지털 주파수 제어 방법(S1000)은 전류 및 전압 위상 데이터를 획득하는 단계(S1100), 전류 및 전압 사이의 지연 시간을 획득하는 단계(S1200), 제1 동위상 인정 조건을 이용하여 구동 주파수를 설정하는 단계(S1300) 및 구동 주파수에 기초하여 인버터(1300)에 스위치 신호 제공하는 단계(S1400)를 포함할 수 있다.
이하에서는 디지털 주파수 제어 방법(S1000)의 각 단계에 대하여 구체적으로 서술한다.
RF 발생기(1000)는 전류 및 전압 위상 데이터를 획득할 수 있다(S1100). RF 발생기(1000)는 센서 모듈(1400)로부터 부하에 흐르는 전류의 위상 데이터를 획득할 수 있다. RF 발생기(1000)는 PWM 발생기(1520)로부터 부하에 인가되는 전압의 위상 데이터를 획득할 수 있다. 또는, RF 발생기(1000)는 부하의 전류 및 전압을 직접 측정하여 전류 및 전압의 위상 데이터를 획득할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 전류 및 전압 사이의 지연 시간을 획득할 수 있다(S1200). RF 발생기(1000)는 위상 검출기(1510)를 이용하여 전압에 대한 전류의 지연 시간 또는 전류에 대한 전압의 지연 시간을 획득할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 제1 동위상 인정 조건을 이용하여 구동 주파수를 설정할 수 있다(S1300). RF 발생기(1000)는 지연 시간 획득 단계(S1200)에서 획득한 지연 시간 및 제1 동위상 인정 조건을 비교하여 구동 주파수를 설정할 수 있다. 구체적으로, 지연 시간이 제1 동위상 인정 조건 보다 크면 구동 주파수를 감소시키고 지연 시간이 동위상 인정 조건 보다 작으면 구동 주파수를 증가시킬 수 있다. 한편, RF 발생기(1000)는 미리 설정된 함수를 이용하여 지연 시간에 대응하는 구동 주파수를 설정하거나 룩업 테이블을 이용하여 지연 시간에 대응하는 구동 주파수를 설정할 수도 있다.
제1 동위상 인정 조건을 이용하여 구동 주파수를 설정하는 단계(S1300)는 생략될 수 있다. 제어기(1500)는 획득한 지연 시간을 이용하여 스위치 신호를 생성하고 이를 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
제어기(1500)는 구동 주파수에 기초하여 인버터(1300)에 스위치 신호를 제공할 수 있다(S1400). 예를 들어, 제어기(1500)는 인버터(1300)가 설정된 구동 주파수 또는 지연 시간의 크기를 감소시키는 주파수로 동작하도록 스위치 신호를 생성할 수 있다.
인버터(1300)는 제어기(1500)로부터 스위치 신호를 수신하여 스위치를 동작시킬 수 있다. 이 때, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)는 스위치 신호를 그대로 인가 받고 제2 및 제4 스위치(S2, S4)는 반전된 스위치 신호를 인가 받을 수 있고, 이로써 제1 및 제3 스위치(S1, S3)와 제2 및 제4 스위치(S2, S4)는 교번적으로 턴온되거나 턴오프 될 수 있다.
제어기(1500)는 디지털 주파수 제어에 따라 설정된 구동 주파수에 기초하여 인버터(1300)를 제어하되, 플라즈마 유지에 의해 부하의 공진 주파수가 변경되는 것을 감지하고 상술한 디지털 주파수 제어 방법(S1000)을 다시 수행하여 인버터(1300)를 기존과 다른 구동 주파수로 동작시킬 수 있다.
도 6은 본 명세서의 일 실시예에 따른 디지털 주파수 제어에 따라 변경되는 구동 주파수에 관한 도면이다.
도 6을 참조하면, RF 발생기(1000)는 플라즈마 유도 개시 시점에서 시작 주파수(f_start)로 인버터(1300)를 동작시키고, 디지털 주파수 제어에 따라 일정 시간 경과 후 제1 구동 주파수(f1) 또는 제2 구동 주파수(f2)로 인버터(1300)를 동작시킬 수 있다.
시작 주파수(f_start)는 제어기(1500)에 의해 인버터(1300)가 구동되는 시점의 구동 주파수를 의미할 수 있다.
일 예로, 시작 주파수(f_start)는 공진 주파수(f0)에 기초하여 설정될 수 있다. 여기서, 공진 주파수(f0)는 안테나 구조체(2000) 자체의 고유 주파수나 공진 주파수 또는 안테나 구조체(2000)를 포함하는 부하의 고유 주파수나 공진 주파수를 의미할 수 있다. 공진 주파수(f0)는 플라즈마 발생에 따라 변경될 수 있다.
다른 예로, 시작 주파수(f_start)는 공진 주파수(f0)와 상관 없이 임의로 설정될 수 있다. 구체적으로, 시작 주파수(f_start)는 안테나 구조체(2000)의 크기에 기초하여 설정될 수 있다. 또는, 시작 주파수(f_start)는 플라즈마 시스템(100)에서 유도되어야 하는 플라즈마의 크기나 규모에 기초하여 설정될 수 있다.
시작 주파수(f_start)는 공진 주파수(f0) 보다 크거나 작을 수 있다.
디지털 주파수 제어를 통해 구동 주파수는 시작 주파수(f_start)에서 공진 주파수(f0)를 향해 변경될 수 있다. 여기서, 구동 주파수는 제어기(1500)에 따라 미리 설정된 주파수 간격(f_interval)만큼 변경될 수 있다. 예를 들어, 제어기(1500)에서 주파수 변경에 400MHz의 클럭 주파수(clock frequency)를 가지는 클럭원(clock source)을 이용하는 경우 주파수 간격은 약 0.04MHz가 될 수 있다. 이 때, RF 발생기(1000)는 약 1%의 주파수 제어 해상도를 가질 수 있다.
디지털 주파수 제어를 통해 구동 주파수는 제1 구동 주파수(f1) 또는 제2 구동 주파수(f2)로 설정될 수 있다.
여기서, 제1 구동 주파수(f1) 및 제2 구동 주파수(f2)는 주파수 간격을 고려할 때, 공진 주파수(f0)에 가장 근접한 주파수로 이해될 수 있다. 다시 말해, 제1 구동 주파수(f1) 및 제2 구동 주파수(f2) 사이에 공진 주파수(f0)가 존재하고 제1 구동 주파수(f1) 및 제2 구동 주파수(f2)는 주파수 간격만큼 이격될 수 있다.
또 여기서, 인버터(1300)가 제1 구동 주파수(f1) 또는 제2 구동 주파수(f2)로 동작하는 경우 부하에 인가되는 전압 및 부하에 흐르는 전류는 동위상 인정 조건을 만족할 수 있다.
구동 주파수는 각각 대응하는 지연 시간을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 지연 시간(td1)은 제1 구동 주파수(f1)에 대응하고, 제2 지연 시간(td2)은 제2 구동 주파수(f2)에 대응될 수 있다.
여기서, 지연 시간은 해당 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 부하에 인가하는 경우 부하에 인가되는 전압 및 흐르는 전류 사이의 지연 시간을 의미할 수 있다.
지연 시간은 위상 검출기(1510)에서 획득된 값일 수 있다. 또는, 지연 시간은 공진 주파수(f0)를 이용하여 산출되거나 룩업 테이블을 이용하여 획득될 수 있다.
상술한 디지털 주파수 제어에 따라 RF 발생기(1000)는 부하의 전류 및 전압의 위상차가 감소되도록 부하에 인가되는 교류 전원의 구동 주파수를 조절할 수 있다. 디지털 주파수 제어 방법(S1000)을 이용하면 부하에서 손실되는 전력을 줄일 수 있어 플라즈마 유도 효율을 증가시키고 플라즈마 발생부(3000)의 손상을 줄일 수 있다.
이상에서는 디지털 주파수 제어에 대하여 서술하였다. 디지털 주파수 제어는 특정 주파수를 구동 주파수로 빠르게 설정하여 이용이 편리하고 비교적 적은 구성으로 구현할 수 있다. 다만, 디지털 주파수 제어의 경우 주파수 간격이 제한적이므로 보다 세밀한 주파수 제어가 필요한 경우 효율이 낮아질 수 있어 고해상도 주파수 제어가 필요할 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 10을 참조하여 고해상도 주파수 제어에 대하여 서술한다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 고해상도 주파수 제어를 위한 RF 발생기(1000) 구조에 관한 도면이다.
도 7을 참조하면, RF 발생기(1000)는 인버터(1300), 센서 모듈(1400) 및 제어기(1500)를 포함할 수 있다.
인버터(1300) 및 센서 모듈(1400)은 특별한 언급이 없는 한 도 4에서 서술한 내용이 그대로 적용될 수 있다.
제어기(1500)는 위상 검출기(1510), PWM 발생기(1520), 스위칭 회로(switching circuit)(1530) 및 시간 지연부(1540)를 포함할 수 있다. 위상 검출기(1510) 및 PWM 발생기(1520)는 특별한 언급이 없는 한 도 4에서 서술한 내용이 그대로 적용될 수 있다.
위상 검출기(1510)는 전류 위상 데이터 및 전압 위상 데이터를 획득할 수 있다. 위상 검출기(1510)는 센서 모듈(1400)로부터 전류 위상 데이터를 획득하고 스위치 신호로부터 전압 위상 데이터를 획득할 수 있다.
위상 검출기(1510)는 전류 위상 데이터 및 전압 위상 데이터를 이용하여 지연 시간을 획득하고 이를 PWM 발생기(1520) 및 시간 지연부(1540) 중 적어도 하나에 제공할 수 있다. 위상 검출기(1510)는 복수의 시점에서 지연 시간을 획득할 수 있다.
PWM 발생기(1520)는 지연 시간에 기초하여 스위치 신호를 생성하고 이를 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 예를 들어, PWM 발생기(1520)는 지연 시간에 기초하여 구동 주파수를 설정하고 설정된 구동 주파수로 인버터(1300)가 동작하도록 스위치 신호를 생성하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
PWM 발생기(1520)는 스위칭 회로(1530)에 전기적으로 연결될 수 있다. PWM 발생기(1520)는 스위칭 회로(1530)를 통해 인버터(1300)에 스위치 신호를 제공할 수 있다.
스위칭 회로(1530)는 PWM 발생기(1520) 또는 시간 지연부(1540)와 전기적으로 연결되고 인버터(1300) 및 위상 검출기(1510)와 전기적으로 연결될 수 있다. 스위칭 회로(1530)는 인버터(1300)에 전기적으로 연결되는 구성을 PWM 발생기(1520)에서 시간 지연부(1540)로 변경하거나 시간 지연부(1540)에서 PWM 발생기(1520)로 변경할 수 있다.
시간 지연부(1540)는 입력된 신호를 지연시켜 출력할 수 있다. 시간 지연부(1540)는 센서 모듈(1400)로부터 획득한 신호를 지연시켜 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 구체적으로, 시간 지연부(1540)는 센서 모듈(1400)로부터 전류 위상 데이터에 대응하는 신호를 획득하고 이를 미리 설정된 시간만큼 지연시켜 스위칭 회로(1530)를 통해 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)에 제공할 수 있다.
여기서, 미리 설정된 시간은 시간 지연부(1540)가 신호를 지연 시키는 정도를 지시할 수 있다. 예를 들어, 미리 설정된 시간은 전압 및 전류 사이의 지연 시간에 기초하여 설정되는 초기 지연 시간을 의미할 수 있다. 다른 예를 들어, 미리 설정된 시간은 이전 시점에서 지연시킨 시간에 RF 발생기(1000) 특성에 따라 정해지는 시간 간격(t_interval)을 가감한 시간을 의미할 수 있다. 이 때, 시간 간격은 RF 발생기(1000)에서 400MHz의 클럭 주파수를 가지는 클럭원을 이용하여 신호를 지연 시키는 경우, 클럭 주파수의 역수인 2.5ns로 설정될 수 있다.
여기서, 초기 지연 시간은 스위칭 회로(1530)에 의해 시간 지연부(1540)가 인버터(1300)에 전기적으로 연결되는 경우 시간 지연부(1540)에서 입력된 신호를 지연시키는 정도를 지시할 수 있다. 시간 지연부(1540)는 위상 검출기(1510)로부터 초기 지연 시간을 획득할 수 있다. 초기 지연 시간에 대하여는 추후 구체적으로 서술하도록 한다.
도 8은 본 명세서의 일 실시예에 따른 고해상도 주파수 제어 방법(S2000)에 관한 도면이다.
도 9는 본 명세서의 일 실시예에 따른 고해상도 주파수 제어에 따라 조절되는 구동 주파수에 관한 도면이다.
도 8을 참조하면, 고해상도 주파수 제어 방법(S2000)은 디지털 주파수 제어 방법을 이용하여 구동 주파수를 제어하는 단계(S2100), 초기 지연 시간을 획득하는 단계(S2200), 아날로그 주파수 제어 방법으로 전환하는 단계(S2300), 초기 지연 시간에 기초하여 인버터(1300)에 지연된 신호를 인가하는 단계(S2400), 전류 및 전압 위상 데이터 및 지연 시간을 획득하는 단계(S2500) 및 지연 시간에 기초하여 인버터(1300)에 지연된 신호를 인가하는 단계(S2600)를 포함할 수 있다.
이하에서는 고해상도 주파수 제어 방법(S2000)의 각 단계에 대하여 구체적으로 서술한다.
RF 발생기(1000)는 디지털 주파수 제어 방법(S1000)을 이용하여 구동 주파수를 제어할 수 있다(S2100). RF 발생기(1000)는 상술한 디지털 주파수 제어 방법(S1000)을 이용하여 부하에 특정 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가할 수 있다. 구체적으로, RF 발생기(1000)는 부하에 인가되는 전압 및 흐르는 전류의 위상차에 기초하여 구동 주파수를 증가시키거나 감소시키고, 증감된 구동 주파수를 갖는 교류 전원을 부하에 제공할 수 있다. 도 9를 참조하면, RF 발생기(1000)에 의해 변경되는 구동 주파수는 부하의 가변하는 공진 주파수(f0)에 근접한 제1 구동 주파수(f1) 또는 제2 구동 주파수(f2)일 수 있다.
RF 발생기(1000)는 초기 지연 시간을 획득할 수 있다(S2200). 예를 들어, RF 발생기(1000)는 부하의 공진 주파수(f0)에 근접한 구동 주파수에 대응하는 지연 시간을 초기 지연 시간으로 획득할 수 있다. 구체적으로, 다시 도 9를 참조하면, RF 발생기(1000)는 디지털 주파수 제어에 따라 부하에 제1 구동 주파수(f1)를 가지는 교류 전원을 인가하고 제1 구동 주파수(f1)에 대응하는 제1 지연 시간(td1)을 초기 지연 시간으로 획득할 수 있다. 또는, RF 발생기(1000)는 디지털 주파수 제어에 따라 부하에 제2 구동 주파수(f2)를 가지는 교류 전원을 인가하고 제2 구동 주파수(f2)에 대응하는 제2 지연 시간(td2)을 초기 지연 시간으로 획득할 수 있다.
한편, 초기 지연 시간은 위상 검출기(1510)로부터 획득되어 메모리에 저장될 수 있다. 또는, 초기 지연 시간은 위상 검출기(1510)에서 획득된 지연 시간에 기초하여 산출될 수 있다.
RF 발생기(1000)는 디지털 주파수 제어에서 아날로그 주파수 제어로 주파수 제어 방법을 전환할 수 있다(S2300). RF 발생기(1000)는 스위칭 회로(1530)를 이용하여 인버터(1300)에 전기적으로 연결되는 구성을 PWM 발생기(1520)에서 시간 지연부(1540)로 변경함으로써 주파수 제어 방법을 전환할 수 있다.
여기서, 아날로그 주파수 제어는 후술하는 시간 지연부(1540)를 이용하는 주파수 제어 방법을 의미할 수 있다. 구체적으로, 아날로그 주파수 제어를 이용하면 부하에 인가되는 전압 및 흐르는 전류의 위상 중 적어도 어느 하나를 지연시키거나 단축시켜 전압 및 전류의 위상 차이를 줄일 수 있다.
RF 발생기(1000)는 초기 지연 시간에 기초하여 인버터(1300)에 지연된 신호를 인가할 수 있다(S2400). 시간 지연부(1540)는 입력된 신호를 초기 지연 시간만큼 지연시켜 출력할 수 있다. 구체적으로, 시간 지연부(1540)는 센서 모듈(1400)로부터 전류 위상 데이터를 획득하고, 전류 위상 데이터를 초기 지연 시간만큼 지연시킨 신호를 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
RF 발생기(1000)가 초기 지연 시간에 기초하여 인버터(1300)에 지연된 신호를 인가함으로써, 보다 정확한 주파수 제어가 수행될 수 있고 플라즈마 시스템(100)의 오작동 발생을 방지할 수 있다. 구체적으로, RF 발생기(1000)가 초기 지연 시간이 아닌 임의의 지연 시간을 이용하는 경우, RF 발생기(1000)는 공진 주파수(f0)로부터 크게 떨어진 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 부하에 제공할 수 있고, 플라즈마 발생부(3000) 내부에 충분한 전력이 제공되지 않아 플라즈마 형성이나 유지가 어려울 수 있다.
반면, 초기 지연 시간은 상술한 바와 같이 공진 주파수(f0)에 인접한 구동 주파수에 대응하는 지연 시간이므로, RF 발생기(1000)는 공진 주파수(f0)에 인접한 영역에서 시간 지연부(1540)를 이용하여 아날로그 주파수 제어를 수행할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 전류 및 전압 위상 데이터 및 지연 시간을 획득할 수 있다(S2500). 위상 검출기(1510)는 센서 모듈(1400)로부터 전류 위상 데이터를 획득하고, 시간 지연부(1540)로부터 전압 위상 데이터를 획득하고, 전압 및 전류 사이의 지연 시간을 획득하여 이를 시간 지연부(1540)에 제공할 수 있다.
시간 지연부(1540)는 지연 시간에 기초하여 인버터(1300)에 지연된 신호를 인가할 수 있다(S2600). 예를 들어, 시간 지연부(1540)는 획득한 지연 시간이 제2 동위상 인정 조건을 만족하지 않는 경우 전류 위상 데이터를 초기 지연 시간 보다 길거나 짧은 시간만큼 지연시켜 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 구체적으로, 시간 지연부(1540)는 획득한 지연 시간이 제2 동위상 인정 조건 보다 작은 경우 초기 지연 시간 보다 짧은 시간만큼 전류 위상 데이터를 지연시켜 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 또는, 시간 지연부(1540)는 획득한 지연 시간이 제2 동위상 인정 조건 보다 큰 경우 초기 지연 시간 보다 긴 시간만큼 전류 위상 데이터를 지연시켜 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
여기서, 전류 위상 데이터는 전류 위상 신호를 의미할 수 있다. 따라서, 시간 지연부(1540)가 지연시키거나 감축시킨 전류 위상 신호를 인버터(1300)에 제공하는 경우 부하에 인가되는 전압 및 흐르는 전류의 위상 차이가 이전 시점 보다 감소할 수 있다.
여기서, 제2 동위상 인정 조건은 디지털 주파수 제어에서 이용되는 제1 동위상 인정 조건과 같거나 다를 수 있다. 제2 동위상 인정 조건은 상술한 제1 동위상 인정 조건이 설정되는 방법과 동일한 방법으로 설정될 수 있다.
시간 지연부(1540)는 입력 신호를 이전 시점에 지연 시킨 시간 보다 미리 설정된 시간 간격이 길거나 짧은 시간만큼 지연시켜 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 시간 지연부(1540)는 제1 시점에서 제1 시간만큼 전류 위상 신호를 지연시켰다면 제1 시점 이후의 제2 시점에서는 제1 시간에 시간 간격을 더한 제2 시간만큼 전류 위상 신호를 지연시켜 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 다른 예를 들어, 시간 지연부(1540)는 제1 시점에서 제1 시간만큼 전류 위상 신호를 지연시켰다면 제1 시점 이후의 제2 시점에서는 제1 시간에 시간 간격을 뺀 제2 시간만큼 전류 위상 신호를 지연시켜 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
여기서, RF 발생기(1000)에서 설정된 시간 간격에 따라 주파수 제어에 있어서 해상도가 결정될 수 있다. 한편, RF 발생기(1000)가 디지털 주파수 제어 및 아날로그 주파수 제어를 수행함에 있어서 같은 클럭원을 이용하는 경우, 아날로그 주파수 제어의 해상도가 디지털 주파수 제어의 해상도 보다 높을 수 있다.
상술한 고해상도 주파수 제어 방법(S2000)이 포함하는 단계 중 적어도 일부는 생략될 수 있다. 예를 들어, 고해상도 주파수 제어 방법(S2000)은 디지털 주파수 제어 방법(S1000)을 생략하고 메모리에 저장된 룩업 테이블을 이용하여 초기 지연 시간을 획득하고, 이를 이용하여 아날로그 주파수 제어를 수행할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 고해상도 주파수 제어에 따라 설정된 구동 주파수에 기초하여 인버터(1300)를 제어하되, 플라즈마 유지에 의해 부하의 공진 주파수가 변경되는 것을 감지하고 상술한 고해상도 주파수 제어 방법(S2000)을 다시 수행하여 인버터(1300)를 기존과 다른 구동 주파수로 동작시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 고해상도 주파수 제어에 따라 부하에 인가되는 교류 전원의 구동 주파수는 세밀하게 부하의 시변하는 공진 주파수(f0)에 근접하게 제어될 수 있다.
RF 발생기(1000)는 디지털 주파수 제어 방법(S1000)을 이용하여 구동 주파수를 공진 주파수(f0)에 근접한 제1 구동 주파수(f1) 또는 제2 구동 주파수(f2)로 제어할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 아날로그 주파수 제어를 통해 제1 구동 주파수(f1) 또는 제2 구동 주파수(f2)에서 공진 주파수(f0) 방향으로 주파수를 제어할 수 있다.
여기서, 제어되는 구동 주파수는 특정 시간 간격(t_interval)에 대응하는 만큼 증감될 수 있다.
여기서, 구동 주파수가 제어됨에 따라 부하에 인가되는 전압 및 흐르는 전류 사이의 지연 시간은 점진적으로 줄어들 수 있다. 예를 들어, 제1 구동 주파수(f1)에서 공진 주파수(f0) 방향으로 주파수가 제어되는 경우 부하의 전압 및 전류 사이의 지연 시간은 제1 지연 시간(td1)에서 제3 지연 시간(td3)으로 시간 간격(t_interval)만큼씩 변경될 수 있다. 이 때, 제3 지연 시간(td3)은 제1 지연 시간(td1) 보다 0ns 또는 구동 주파수의 역수인 주기의 정수배에 가까워진 값을 포함할 수 있다. 즉, 제3 지연 시간(td3)은 부하의 전압 및 전류 사이의 지연 시간 또는 위상차가 상대적으로 줄어들었음을 지시할 수 있다.
도 10은 본 명세서의 일 실시예에 따른 고해상도 주파수 제어에 따른 부하의 전류 및 전압 위상차 변화에 관한 도면이다.
플라즈마 시스템(100)에서 플라즈마가 유도됨에 따라 부하에 인가되는 전압(V_RF) 및 흐르는 전류(I_RF)는 동일하지 않은 위상을 가질 수 있다.
부하의 전압 및 전류 사이에 지연 시간 또는 위상차가 있는 경우, 플라즈마 발생부(3000)에 충분한 전력이 인가되지 않아 플라즈마가 형성되거나 유지될 수 없을 수 있다. 또한, 인버터(1300) 내 스위치에 전압이 인가된 상태에서 동작하거나 전류가 흐르는 상태에서 동작함으로써 스위치 손상을 초래할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 고해상도 주파수 제어를 통해 부하에 인가되는 전압 및 흐르는 전류가 제1 지연 시간(td1)의 위상차를 갖도록 제어할 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)가 상술한 디지털 주파수 제어를 수행하면 부하에 인가되는 교류 전원은 제1 구동 주파수(f1)로 제어될 수 있고, 부하에 흐르는 전류의 위상은 부하에 인가되는 전압의 위상보다 제1 지연 시간(td1)만큼 앞설 수 있다.
다시 도 10을 참조하면, RF 발생기(1000)는 상술한 고해상도 주파수 제어를 수행하면 부하의 전압 및 전류의 위상이 실질적으로 동일하게 제어될 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 부하에 흐르는 전류의 위상 신호를 미리 설정된 시간(예를 들어, 제1 지연 시간(td1)을 시간 간격(dt)만큼 증감한 시간)만큼 지연시켜 인버터(1300)에 제공함으로써 부하의 전류 및 전압 위상차를 감소시킬 수 있다.
도 10에서 도시된 것처럼 부하의 전류 및 전압의 위상이 실질적으로 동일한 위상 조건을 만족하는 경우, 플라즈마 발생부(3000)에 플라즈마 형성 및 유지에 충분한 전력이 제공될 수 있다. 또한, 인버터(1300) 내 스위치가 전압이 인가되지 않은 상태에서 동작하는 ZVS(Zero Voltage Switching) 및 전류가 거의 흐르지 않는 상태에서 동작하는 nearly ZCS(Zero Current Switching)로 동작하여 스위치 손상이 방지되어 플라즈마 시스템(100)의 내구성이 향상될 수 있다.
이하에서는 도 11 내지 도 13을 참조하여 미세 주파수 제어에 대하여 서술한다.
도 11은 본 명세서의 일 실시예에 따른 미세 주파수 제어를 위한 RF 발생기(1000) 구조에 관한 도면이다.
도 11을 참조하면 RF 발생기(1000)는 인버터(1300), 센서 모듈(1400), 제어기(1500) 및 전압 검출기(1600)를 포함할 수 있다. 이하에서는 특별한 언급이 없으면 RF 발생기(1000)의 구성은 도 4에서 서술된 내용이 동일하게 적용될 수 있음을 미리 밝혀 둔다.
전압 검출기(1600)는 부하의 전기적 성질을 감지할 수 있다. 전압 검출기(1600)는 부하의 전압의 크기를 실시간으로 또는 주기적으로 측정할 수 있다. 구체적으로, 전압 검출기(1600)는 안테나 구조체(2000)의 적어도 일부의 전압을 측정하여 전압 데이터를 획득할 수 있다.
전압 검출기(1600)는 다시 도 3을 참조하면, 제1 내지 제3 안테나(2100, 2200, 2300) 중 적어도 하나에 전기적으로 연결되어 안테나 양단에 인가되는 전압 또는 접지 노드에 대한 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 전압 검출기(1600)는 플라즈마 발생부(3000) 기준으로 가장 내측에 배치된 제1 안테나(2100)의 양단에 인가되는 전압 또는 접지에 대한 특정 지점에서의 전압을 측정할 수 있다. 다른 예를 들어, 전압 검출기(1600)는 제1 내지 제3 안테나(2100, 2200, 2300) 각각의 전압값을 모두 측정할 수 있다.
여기서, 전압 데이터는 RF 발생기(1000)가 동작한 시점부터 검출된 전압값을 포함하거나 특정 구간(time period)에서 검출된 전압값을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전압 데이터는 부하에 인가되는 전압 및 흐르는 전류의 위상 차이가 실질적으로 동일 위상이라고 인정되는 범위 내가 되는 시점부터 측정된 전압값들을 포함할 수 있다.
전압 검출기(1600)는 측정된 부하의 전기적 성질을 메모리에 저장하거나 제어기(1500)에 제공할 수 있다. 전압 검출기(1600)는 안테나 구조체(2000) 적어도 일부에서 측정한 전압 데이터를 PWM 발생기(1520)에 제공하거나 메모리에 저장할 수 있다.
제어기(1500)는 전압 검출기(1600)로부터 안테나 전압 데이터를 획득할 수 있다. PWM 발생기(1520)는 전압 검출기(1600)로부터 전압 데이터를 획득할 수 있다.
제어기(1500)는 전압 데이터를 이용하여 미세 주파수 제어를 수행할 수 있다. PWM 발생기(1520)는 후술하는 바와 같이 전압 데이터에 기초하여 스위치 신호를 생성하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 구체적으로, PWM 발생기(1520)는 전압 데이터를 참고하여 부하에 인가되는 교류 전원의 주파수가 가장 낮은 안테나 전압에 대응하는 구동 주파수가 되도록 스위치 신호를 생성하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
이상에서는 미세 주파수 제어를 위해 부하의 전압을 측정하는 것을 주로 서술하였으나, 본 명세서의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, RF 발생기(1000)는 부하의 전류 크기 또는 부하에서 소비되는 전력 크기 등을 이용하여 미세 주파수 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 인버터(1300) 입력단 또는 출력단에서 측정된 전류 또는 전압을 이용하여 인버터(1300) 또는 부하에서 소모되는 전력을 산출하고 이를 미세 주파수 제어의 척도로 이용할 수 있다.
도 12는 본 명세서의 일 실시예에 따른 미세 주파수 제어 방법(S3000)에 관한 도면이다.
도 12를 참조하면, 미세 주파수 제어 방법(S3000)은 전류 및 전압 사이의 지연 시간을 획득하는 단계(S3100), 전압 데이터를 획득하는 단계(S3200), 지연 시간 이용하여 구동 주파수를 제어하는 단계(S3300), 지연 시간에 기초하여 동위상으로 인정되는 동위상 영역을 결정하는 단계(S3400), 전압 데이터에 기초하여 동위상 영역에서 최종 유지 주파수를 선택하는 단계(S3500) 및 최종 유지 주파수에 기초하여 인버터(1300)에 스위치 신호를 제공하는 단계(S3600)를 포함할 수 있다.
이하에서는 각 단계에 대하여 구체적으로 서술한다.
RF 발생기(1000)는 전류 및 전압 사이의 지연 시간을 획득할 수 있다(S3100). 위상 검출기(1510)는 본 명세서의 다른 부분에서 서술된 것처럼 센서 모듈(1400)로부터 부하의 전류 위상 데이터를 획득하고, PWM 발생기(1520)로부터 부하의 전압 위상 데이터를 획득하여 부하의 전류 및 전압 사이의 지연 시간을 획득할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 전압 데이터를 획득할 수 있다(S3200). 전압 검출기(1600)는 안테나 구조체(2000)의 적어도 일부의 전압값을 측정하여 전압 데이터를 획득할 수 있다. RF 발생기(1000)는 획득한 전압 데이터를 PWM 발생기(1520) 또는 메모리에 저장할 수 있다.
여기서 획득된 전압 데이터는 전류 및 전압 사이의 지연 시간 및 해당 구동 주파수 중 적어도 하나와 연관되어 저장될 수 있다.
RF 발생기(1000)는 지연 시간을 이용하여 구동 주파수를 제어할 수 있다(S3300). 예를 들어, PWM 발생기(1520)는 본 명세서의 다른 부분에서 서술한 바와 같이 지연 시간에 기초하여 부하의 공진 주파수(f0)에 보다 근접한 주파수를 가지는 교류 전원을 부하에 인가하도록 스위치 신호를 생성하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 지연 시간에 기초하여 동위상으로 인정되는 동위상 영역을 결정할 수 있다(S3400). 예를 들어, RF 발생기(1000)는 획득된 지연 시간이 제1 동위상 인정 조건을 만족하는 경우, 대응하는 구동 주파수의 범위를 동위상 영역으로 획득할 수 있다. 구체적으로, RF 발생기(1000)는 지속적으로 구동 주파수를 감소시켜 지연 시간을 감지하고, 감지된 지연 시간이 제1 동위상 인정 조건을 만족하는 구동 주파수부터 만족하지 않는 구동 주파수 전까지를 동위상 영역으로 결정할 수 있다.
한편, 동위상 영역은 부하의 전압 및 전류의 위상이 실질적으로 동위상으로 인정되도록 지연시킬 시간의 범위를 의미할 수도 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)가 상술한 고해상도 주파수 제어 방법(S2000)으로 인버터(1300)의 구동 주파수를 제어하는 경우, 동위상 영역은 시간 지연부(1540)가 전류 위상 신호를 지연시키는 미리 설정된 시간의 범위로 이해될 수 있다. 이 때, RF 발생기(1000)는 스위칭 회로(1530) 및 시간 지연부(1540)를 더 포함할 수 있고, 각 미리 설정된 시간은 대응하는 전압값과 함께 메모리 또는 시간 지연부(1540)에 저장될 수 있다.
한편, 상술한 고해상도 주파수 제어 방법(S2000)을 이용하면서 미세 주파수 제어 방법(S3000)을 이용하는 경우, 디지털 주파수 제어 방법 및 아날로그 주파수 제어 방법 중 적어도 하나에서 미세 주파수 제어 방법(S3000)이 이용될 수 있다. 예를 들어, PWM 발생기(1520)를 이용하는 디지털 주파수 제어의 경우에만 부하의 전압을 고려하여 상술한 미세 주파수 제어 방법(S3000)을 이용할 수 있다. 다른 예를 들어, 미세 주파수 제어 방법(S3000)은 디지털 주파수 제어에서는 이용하지 않고 스위칭 회로(1530)에 의해 아날로그 주파수 제어로 전환되는 경우에 비로소 이용될 수 있다. 또 다른 예를 들어, 미세 주파수 제어 방법(S3000)은 디지털 주파수 제어 및 아날로그 주파수 제어 모두의 경우에서 이용될 수도 있다.
RF 발생기(1000)는 전압 데이터에 기초하여 동위상 영역에서 최종 유지 주파수를 선택할 수 있다(S3500). 예를 들어, 제어기(1500)는 동위상 영역에서 가장 낮은 전압값과 연관되는 구동 주파수를 최종 유지 주파수로 선택할 수 있다. 또는, 제어기(1500)는 동위상 영역에서 크기가 가장 작은 지연 시간과 연관되는 구동 주파수를 최종 유지 주파수로 선택할 수 있다. 이 때. 제어기(1500)는 모든 주파수 구간에서 전압 검출기(1600)로부터 전달받은 데이터를 저장하여 최종 유지 주파수 선택에 이용할 수 있다. 또는, 제어기는 동위상 영역에서의 전압 데이터만 전압 검출기(1600)로부터 전달받아, 이를 최종 유지 주파수 선택에 이용할 수 있다.
제어기(1500)는 최종 유지 주파수에 기초하여 인버터(1300)에 스위치 신호를 제공할 수 있다(S3600). 예를 들어, PWM 발생기(1520)는 부하에 인가되는 교류 전원의 주파수가 최종 유지 주파수가 되도록 스위치 신호를 생성하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다. 다른 예를 들어, 고해상도 주파수 제어 방법(S2000)이 이용되는 경우, 시간 지연부(1540)는 부하에 인가되는 교류 전원의 주파수가 최종 유지 주파수가 되도록 전류 위상 신호를 대응되는 미리 설정된 시간만큼 지연시켜 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
상술한 미세 주파수 제어 방법(S3000)에 따르면, RF 발생기(1000)는 제1 구간에서 지연 시간을 이용하여 구동 주파수를 제어하고, 제1 동위상 인정 조건 또는 제2 동위상 인정 조건을 이용하여 동위상 영역을 결정하고, 전압 데이터에 기초하여 최종 유지 주파수를 선택하며, 제2 구간에서 부하에 최종 유지 주파수를 가지는 교류 전원을 인가할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 미세 주파수 제어에 따라 최종 유지 주파수에 기초하여 인버터(1300)를 제어하되, 플라즈마 유지에 따라 부하의 공진 주파수가 변경되는 것을 감지하고 상술한 미세 주파수 제어 방법(S3000)을 다시 수행하여 인버터(1300)를 기존과 다른 최종 유지 주파수로 동작시킬 수 있다.
도 13은 본 명세서의 일 실시예에 따른 미세 주파수 제어에 따른 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차에 관한 도면이다.
도 13을 참조하면, RF 발생기(1000)는 플라즈마 유도 개시 시점에서 시작 주파수(f_start)로 인버터(1300)를 동작시키고, 미세 주파수 제어에 따라 일정 시간 경과 후 최종 유지 주파수로 인버터(1300)를 동작시킬 수 있다.
시작 주파수(f_start)는 본 명세서의 다른 부분에서 서술된 바와 같이 기존 데이터베이스에 기초하여 설정되거나 임의로 설정될 수 있다.
다시 도 13을 참조하면, RF 발생기(1000)는 미세 주파수 제어를 수행하여 제1 내지 제4 구동 주파수(f1, f2, f3, f4)를 포함하는 동위상 영역을 결정할 수 있다.
동위상 영역은 플라즈마 형성이나 유지가 용이한 위상차 범위를 지시할 수 있다. 예를 들어, 동위상 영역은 -5ns 내지 20ns를 포함하거나 -5ns 내지 20ns 구간 내 일부 구간으로 설정될 수 있다.
제1 내지 제4 구동 주파수(f1, f2, f3, f4)는 제1 동위상 인정 조건 또는 제2 동위상 인정 조건을 만족할 수 있다. 예를 들어, 부하에 제1 내지 제4 구동 주파수(f1, f2, f3, f4)를 가지는 교류 전원이 인가되면 부하의 전압 및 전류의 위상차는 제1 동위상 인정 조건 또는 제2 동위상 인정 조건을 만족할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 제1 내지 제4 구동 주파수(f1, f2, f3, f4)에 대응하는 전압값을 포함하는 전압 데이터를 획득할 수 있다. 이를 위해 RF 발생기(1000)는 제1 내지 제4 구동 주파수(f1, f2, f3, f4)로 인버터(1300) 구동 시 측정되는 지연 시간 또는 전압값을 해당 구동 주파수와 연관시켜 저장할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 제1 내지 제4 구동 주파수(f1, f2, f3, f4) 중 최종 유지 주파수를 선택할 수 있다. 다시 도 13을 참조하면, 제2 구동 주파수(f2)와 연관되는 전압값이 가장 낮으므로, RF 발생기(1000)는 제2 구동 주파수(f2)를 최종 유지 주파수로 선택하고, 최종 유지 주파수로 인버터(1300)를 동작시킬 수 있다. 한편, RF 발생기(1000)는 연관되는 지연 시간의 크기가 가장 작은 제3 구동 주파수(f3)를 최종 유지 주파수로 선택하여 인버터(1300)를 최종 유지 주파수로 동작시킬 수도 있다.
플라즈마 시스템(100)에서 상술한 미세 주파수 제어 방법(S3000)이 활용됨에 따라 보다 부하 특성이 고려된 주파수 제어가 수행될 수 있고, 이로써 플라즈마 형성 및 유지 효율을 증대시키고 높은 전압 인가에 따른 플라즈마 발생부(3000) 손상이 방지될 수 있다.
이하에서는 도 14 및 도 15를 참조하여 노이즈 면역을 갖는 신호 전송 방식에 대하여 서술한다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템(100)은 플라즈마 유도 및 유지를 위해 지속적으로 부하의 공진 주파수(f0)를 추적하고, RF 발생기(1000)는 인버터(1300)의 구동 주파수를 제어할 수 있다. 이 때, 제공되는 전력 또는 에너지에 민감한 플라즈마의 성질로 인해, RF 발생기(1000)는 빠르고 안정적으로 인버터(1300)를 제어할 것이 요구된다. 특히, PWM 발생기(1520)에서 인버터(1300)로 스위치 신호 전송 시 이용되는 전송 도선이 상대적으로 길고 고주파 또는 고전압 출력원 근방에 배치될 경우 스위치 신호는 스위칭 노이즈에 노출될 수 있다. 따라서, 스위칭 노이즈에 둔감한 신호 전송 방식이 요구된다.
도 14는 본 명세서의 일 실시예에 따른 증폭기 및 감쇠기를 이용한 스위치 신호 송수신 방식에 관한 도면이다.
도 14를 참조하면, PWM 발생기(1520)는 전압 증폭기(1710) 및 전압 감쇠기(1720)를 통해 인버터(1300)에 스위치 신호를 제공할 수 있다. PWM 발생기(1520) 및 인버터(1300)는 본 명세서의 다른 부분에서 서술된 내용이 동일하게 적용될 수 있어 중복되는 내용은 생략한다.
PWM 발생기(1520)는 전압 증폭기(1710)에 스위치 신호를 송신할 수 있다.
여기서, 스위치 신호는 인버터(1300) 내 스위치의 턴온/턴오프를 지시하는 특정 전압값을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위치 신호는 턴온을 지시하는 5V 및 턴오프를 지시하는 0V를 포함할 수 있다.
한편, 스위치 신호를 수신하는 인버터(1300)는 스위치 문턱 전압을 가질 수 있다. 스위치 문턱 전압은 인버터(1300) 내 스위치가 턴온 되거나 턴오프 되는 기준으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 스위치 신호가 5V 및 0V를 포함하는 경우 인버터(1300) 내 스위치는 약 2V 내지 3V 사이의 문턱 전압을 가질 수 있고, 스위치는 문턱 전압보다 낮은 신호를 수신하면 턴오프되고 문턱 전압보다 높은 신호를 수신하면 턴온될 수 있다. 이 때, 스위치 신호에 스위칭 노이즈가 인가되어 문턱 전압 보다 높아지거나 낮아지면 인버터(1300)가 오동작할 수 있는 문제가 있다.
전압 증폭기(1710)는 PWM 발생기(1520)와 전기적으로 연결되어 PWM 발생기(1520)로부터 스위치 신호를 획득할 수 있다.
전압 증폭기(1710)는 획득한 스위치 신호를 증폭시킬 수 있다. 예를 들어, 전압 증폭기(1710)는 5V의 스위치 신호를 12V로 증폭시킬 수 있다.
전압 증폭기(1710)는 전압 감쇠기(1720)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 전압 증폭기(1710)는 전압 감쇠기(1720)와 도선을 통해 전기적으로 연결될 수 있고, 도선의 길이 및 배치 위치에 따라 스위칭 노이즈가 발생할 수 있다.
전압 감쇠기(1720)는 전압 증폭기(1710)로부터 증폭된 스위치 신호를 수신할 수 있다.
전압 감쇠기(1720)는 수신한 스위치 신호를 감쇠시킬 수 있다. 예를 들어, 전압 감쇠기(1720)는 12V의 증폭된 스위치 신호를 5V로 감쇠시킬 수 있다.
전압 감쇠기(1720)는 감쇠기 문턱 전압을 가질 수 있다. 감쇠기 문턱 전압은 전압 감쇠기(1720)가 수신된 스위치 신호를 턴온을 지시하는 신호 또는 턴오프를 지시하는 신호 중 어떤 신호로 출력할지 결정하는 기준이 될 수 있다. 감쇠기 문턱 전압은 스위치 신호에 스위칭 노이즈가 인가되더라도 문턱 전압을 넘거나 넘지 않도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 전압 감쇠기(1720)가 12V로 증폭된 스위치 신호를 제공 받고 스위칭 노이즈가 스위치 신호에 인가되는 경우 스위치 신호에 중첩된 노이즈의 크기가 약 3V 증감하는 경우, 감쇠기 문턱 전압은 3V 내지 9V 사이에서 설정될 수 있다.
감쇠기 문턱 전압은 스위치 문턱 전압 보다 높게 설정될 수 있다. 이로써, 전압 감쇠기(1720)는 노이즈가 인가된 스위치 신호를 수신하고, 노이즈를 제거하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
도 15는 본 명세서의 일 실시예에 따른 광 변환기를 이용한 스위치 신호 송수신 방식에 관한 도면이다.
도 15를 참조하면, PWM 발생기(1520)는 전압-광 변환기(1730) 및 광-전압 변환기(1740)를 통해 인버터(1300)에 스위치 신호를 제공할 수 있다. PWM 발생기(1520) 및 인버터(1300)는 도 14에서 서술된 내용이 동일하게 적용될 수 있어 중복되는 내용은 생략한다.
전압-광 변환기(1730)는 PWM 발생기(1520)로부터 스위치 신호를 제공 받아 광 신호로 변환하여 광-전압 변환기(1740)에 제공할 수 있다.
광-전압 변환기(1740)는 전압-광 변환기(1730)로부터 광 신호를 수신하고 광 신호를 스위치 신호에 대응하는 전압 신호로 변환하여 인버터(1300)에 제공할 수 있다.
전압-광 변환기(1730) 및 광-전압 변환기(1740)는 광섬유로 연결되어 광통신을 통해 광 신호를 송수신할 수 있다. 이러한 광통신은 스위칭 노이즈를 원천적으로 차단할 수 있다.
한편, 이상에서는 RF 발생기(1000)가 PWM 발생기(1520)를 통해 인버터(1300)를 제어하는 방법에 있어서 안정적인 신호 송수신 방식에 대하여 주로 서술하였으나, 본 명세서의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 본 명세서의 다른 부분에서 서술한 PWM 발생기(1520) 및 시간 지연부(1540)를 이용하는 주파수 제어 방법에서도 상술한 신호 송수신 방식이 유사하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 14 에서 서술한 전압 증폭기(1710) 및 도 15에서 서술한 전압-광 변환기(1730)는 PWM 발생기(1520), 시간 지연부(1540) 및 스위칭 회로(1530) 중 적어도 하나에 연결될 수 있다.
RF 발생기(1000)는 도 14 및 도 15에서 서술한 신호 송수신 방식을 통해 인버터(1300)를 제어할 수 있다. 이러한 신호 송수신 방식을 이용하여 RF 발생기(1000)는 스위칭 노이즈의 영향을 최소화할 수 있고, 그로써 RF 발생기(1000) 손상을 방지하고 안정적인 주파수 제어가 가능해질 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
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.
100: 플라즈마 시스템 1000: RF 발생기
2000: 안테나 구조체 3000: 플라즈마 발생부

Claims (27)

  1. 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서,
    직류 전원을 제1 구동 주파수를 가지는 제1 교류 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터;
    제1 시점 및 제2 시점에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 제1 및 제2 지연 시간을 획득하는 센서;
    상기 부하에 상기 제1 지연 시간에 기초하여 상기 제1 구동 주파수로부터 미리 설정된 주파수만큼 차이 나는 제2 구동 주파수에 대응되는 제1 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 PWM 발생기; 및
    상기 부하에 상기 제2 지연 시간에 기초하여, 상기 제2 구동 주파수를 가지는 제2 교류 전원으로부터 미리 설정된 위상만큼 차이 나는 제3 교류 전원에 대응되는 제2 스위치 신호를 상기 인버터에 제공함으로써 상기 부하에 상기 제2 교류 전원을 인가하는 경우보다 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 감소시키는 시간 지연부;를 포함하는,
    주파수 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 주파수는 상기 제2 구동 주파수 및 상기 제3 교류 전원에 대응되는 제3 구동 주파수의 차이보다 큰 값을 가지는,
    주파수 제어 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 시간 지연부는 상기 부하의 위상 신호를 입력 받아 상기 미리 설정된 위상만큼 지연시켜 획득되는 상기 제2 스위치 신호를 출력하고,
    상기 부하의 위상 신호는 상기 부하에 흐르는 전류의 위상을 지시하는,
    주파수 제어 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 위상은 상기 제2 지연 시간에 대응되는 위상을 포함하는,
    주파수 제어 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 PWM 발생기 및 상기 시간 지연부 중 적어도 하나를 상기 인버터와 전기적으로 연결하는 스위칭 회로;를 포함하는,
    주파수 제어 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 상기 제2 지연 시간이 미리 설정된 조건을 만족하면 상기 인버터에 전기적으로 연결되는 상기 PWM 발생기를 상기 시간 지연부로 변경하는,
    주파수 제어 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    미리 설정된 클럭 주파수(clock frequency)를 가지는 클럭원(clock source);을 포함하고,
    상기 미리 설정된 주파수는 상기 클럭 주파수를 정수로 나눈 값이고, 상기 미리 설정된 위상은 상기 클럭 주파수의 역수값의 정수배인,
    주파수 제어 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 부하의 위상 신호를 주기적으로 획득하여 상기 시간 지연부에 제공하는 위상 센싱부;를 포함하고,
    상기 센서는 주기적으로 지연 시간을 획득하여 상기 시간 지연부에 제공하며,
    상기 시간 지연부는 상기 지연 시간에 기초하여 상기 위상 신호를 지연시킨 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는,
    주파수 제어 장치.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로에 전기적으로 연결되어 신호를 증폭시키는 증폭기; 및
    상기 인버터에 전기적으로 연결되어 신호를 감쇠시키는 감쇠기;를 포함하고,
    노이즈 발생 방지를 위해 상기 감쇠기의 문턱 전압은 상기 인버터의 문턱 전압 보다 큰 값을 가지는,
    주파수 제어 장치.
  10. 제5 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로에 전기적으로 연결되어 전기적 신호를 광 신호로 변환하는 제1 변환기; 및
    상기 인버터에 전기적으로 연결되어 광 신호를 전기적 신호로 변환하는 제2 변환기;를 포함하고,
    노이즈 발생 방지를 위해 상기 스위칭 회로는 상기 제1 및 제2 변환기를 통해 상기 인버터에 상기 제1 스위치 신호 또는 상기 제2 스위치 신호를 제공하는,
    주파수 제어 장치.
  11. 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 방법에 있어서,
    인버터를 이용하여, 상기 부하에 제1 구동 주파수를 가지는 제1 교류 전원을 인가하고;
    센서를 이용하여, 제1 시점에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 제1 지연 시간을 획득하고;
    상기 부하에 상기 제1 지연 시간에 기초하여 상기 제1 구동 주파수로부터 미리 설정된 주파수만큼 차이 나는 제2 구동 주파수를 가지는 제2 교류 전원을 인가하고;
    상기 센서를 이용하여 제2 시점에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 제2 지연 시간을 획득하고;
    상기 부하에 상기 제2 지연 시간에 기초하여 상기 제2 교류 전원과 미리 설정된 위상만큼 차이 나는 제3 교류 전원을 인가하여, 상기 부하에 상기 제2 교류 전원을 인가하는 경우보다 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 감소시키는;
    주파수 제어 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    PWM 발생기를 이용하여, 상기 인버터에 상기 제1 구동 주파수에 대응하는 제1 스위치 신호를 제공하고;
    상기 PWM 발생기를 이용하여, 상기 인버터에 상기 제2 구동 주파수에 대응하는 제2 스위치 신호를 제공하고;
    시간 지연부를 이용하여, 상기 인버터에 상기 제3 교류 전원에 대응하는 제3 스위치 신호를 제공하되;
    상기 제3 스위치 신호는 상기 부하의 위상 신호를 지연시켜 획득되는,
    주파수 제어 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 위상 신호는 상기 부하에 상기 제3 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하기 이전 시점의 상기 부하의 전류 위상 신호인,
    주파수 제어 방법.
  14. 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서,
    직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터;
    상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간 -상기 지연 시간은 제1 시점에서의 제1 지연 시간, 제2 시점에서의 제2 지연 시간 및 제3 시점에서의 제3 지연 시간을 포함함- 을 검출하는 위상 검출기;
    상기 위상 검출기로부터 획득한 상기 제1 지연 시간에 기초하여 설정된 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 PWM(Pulse Width Modulation) 발생기;
    상기 위상 검출기로부터 상기 제3 지연 시간을 획득하고, 상기 부하에 흐르는 전류 위상 신호를 획득하며, 획득한 상기 제3 지연 시간에 기초하여 상기 전류 위상 신호를 미리 설정된 시간만큼 지연시켜 상기 인버터에 제공하는 시간 지연부; 및
    상기 PWM 발생기 및 상기 시간 지연부 중 어느 하나와 상기 인버터를 전기적으로 연결하고, 상기 위상 검출기로부터 획득한 상기 제2 지연 시간이 미리 설정된 조건을 만족하면 상기 인버터에 전기적으로 연결되는 구성을 상기 PWM 발생기에서 상기 시간 지연부로 스위칭하는 스위칭 회로;를 포함하는,
    주파수 제어 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 PWM 발생기는 상기 부하에 인가되는 상기 교류 전원의 주파수가 제1 구동 주파수에서 제2 구동 주파수로 변경되도록 상기 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하고,
    상기 시간 지연부는 상기 부하에 인가되는 상기 교류 전원의 주파수가 제3 구동 주파수에서 제4 구동 주파수로 변경되도록 상기 전류 위상 신호를 지연시켜 상기 인버터에 제공하되,
    상기 제1 구동 주파수 및 상기 제2 구동 주파수의 차이는 상기 제3 구동 주파수 및 상기 제4 구동 주파수의 차이 보다 큰 값을 가지는,
    주파수 제어 장치.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 PWM 발생기는 상기 부하에 인가되는 상기 교류 전원의 주파수가 제1 구동 주파수에서 제2 구동 주파수로 변경되도록 상기 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하고,
    상기 시간 지연부는 상기 부하에 인가되는 상기 교류 전원의 주파수가 상기 제2 구동 주파수에서 제3 구동 주파수로 변경되도록 상기 전류 위상 신호를 지연시켜 상기 인버터에 제공하되,
    상기 제1 구동 주파수 및 상기 제2 구동 주파수의 차이는 상기 제2 구동 주파수 및 상기 제3 구동 주파수의 차이 보다 큰 값을 가지는,
    주파수 제어 장치.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 조건은 -5ns 내지 20ns 중 적어도 일부 구간에서 설정되는,
    주파수 제어 장치.
  18. 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 방법에 있어서,
    인버터를 이용하여, 상기 부하에 특정 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하고;
    제1 센서를 이용하여, 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간을 획득하고;
    제2 센서를 이용하여, 상기 부하의 적어도 일부에 대한 전압을 지시하는 전압 데이터를 획득하고;
    상기 인버터를 이용하여, 제1 구간에서 상기 부하에 상기 지연 시간에 기초하여 설정되는 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하고;
    상기 인버터를 이용하여, 제2 구간에서 상기 부하에 상기 전압 데이터에 기초하여 설정되는 구동 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하는;
    주파수 제어 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 센서를 이용하여 상기 제1 구간에서 획득한 제1 지연 시간 및 제2 지연 시간에 기초하여 주파수 범위를 결정하고;
    상기 주파수 범위에서 상기 전압 데이터에 기초하여 최종 유지 주파수를 선택하고;
    상기 인버터를 이용하여, 상기 부하에 상기 최종 유지 주파수를 가지는 교류 전원을 인가하되,
    상기 제1 지연 시간 및 상기 제2 지연 시간은 미리 설정된 조건을 만족하는,
    주파수 제어 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 주파수 범위는 적어도 제1 구동 주파수 및 제2 구동 주파수를 포함하고,
    상기 전압 데이터는 상기 부하에 상기 제1 구동 주파수를 가지는 교류 전원이 인가될 때 획득되는 제1 전압 및 상기 부하에 상기 제2 구동 주파수를 가지는 교류 전원이 인가될 때 획득되는 제2 전압을 포함하고,
    상기 제2 전압이 상기 제1 전압보다 작으면, 상기 제2 구동 주파수가 상기 최종 유지 주파수로 선택되는,
    주파수 제어 방법.
  21. 제18 항에 있어서,
    상기 제2 구간에서 상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차는 미리 설정된 조건을 만족하는,
    주파수 제어 방법.
  22. 제19 항 또는 제21 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 조건은 -5ns 내지 20ns 중 적어도 일부 구간에서 설정되는,
    주파수 제어 방법.
  23. 제18 항에 있어서,
    상기 부하는 제1 곡률 반경을 가지는 제1 안테나 및 상기 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경을 가지는 제2 안테나를 포함하는 안테나 구조체를 포함하고,
    상기 전압 데이터는 상기 제2 센서를 이용하여 상기 제1 안테나에 대한 전압을 측정하여 획득되는,
    주파수 제어 방법.
  24. 제18 항에 있어서,
    상기 부하는 제1 곡률 반경을 가지는 제1 안테나 및 상기 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경을 가지는 제2 안테나를 포함하는 안테나 구조체를 포함하고,
    상기 전압 데이터는 상기 제2 센서를 이용하여 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나에 대한 전압을 측정하여 획득되는,
    주파수 제어 방법.
  25. 부하의 가변하는 공진 주파수에 대응되도록 주파수를 제어하여 상기 부하에 전력을 제공하는 주파수 제어 장치에 있어서,
    직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터;
    상기 부하의 전압 및 전류 사이의 위상차를 지시하는 지연 시간 -상기 지연 시간은 제1 시점에서의 제1 지연 시간 및 제2 시점에서의 제2 지연 시간을 포함함- 을 검출하는 위상 검출기;
    상기 제1 시점 및 상기 제2 시점에서 상기 부하의 전압을 감지하여 상기 제1 지연 시간과 관련되는 제1 전압 및 상기 제2 지연 시간과 관련된 제2 전압을 포함하는 전압 데이터를 획득하는 전압 검출기; 및
    상기 위상 검출기로부터 획득한 상기 지연 시간에 기초하여 설정된 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는 PWM(Pulse Width Modulation) 발생기;를 포함하되,
    상기 PWM 발생기는 상기 제1 전압의 크기가 상기 제2 전압의 크기 보다 작은 경우, 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 이후의 제3 시점에서 상기 제1 지연 시간에 기초하여 설정된 제1 구동 주파수에 대응되는 스위치 신호를 상기 인버터에 제공하는,
    주파수 제어 장치.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 PWM 발생기에 전기적으로 연결되어 신호를 증폭시키는 증폭기; 및
    상기 인버터에 전기적으로 연결되어 신호를 감쇠시키는 감쇠기;를 포함하고,
    노이즈 발생 방지를 위해 상기 감쇠기의 문턱 전압은 상기 인버터의 문턱 전압 보다 큰 값을 가지는,
    주파수 제어 장치.
  27. 제25 항에 있어서,
    상기 PWM 발생기에 전기적으로 연결되어 전기적 신호를 광 신호로 변환하는 제1 변환기; 및
    상기 인버터에 전기적으로 연결되어 광 신호를 전기적 신호로 변환하는 제2 변환기;를 포함하고,
    노이즈 발생 방지를 위해 상기 PWM 발생기는 상기 제1 및 제2 변환기를 통해 상기 인버터에 상기 스위치 신호를 제공하는,
    주파수 제어 장치.
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