본 연구에서는 초고주파를 사용하여 플라즈마 가시광을 발생시키기 위한 전계 집속형 도파관 시스템을 제안하였다. 이 시스템은 초고주파 전력 공급기인 마그네트론, 전력 전송을 위한 도파관부 및 메쉬형 공동으로 이루어진 반응기로 구성된다. 소량의 황 분말과 버퍼 가스인 Ar이 봉입된 석영 벌브를 반응기 내에 위치시키고, 강한 전계를 집속시킴으로써 황 플라즈마가 생성 및 여기되도록 하였다. 즉, 도파관과 반응기의 내벽에 각각 도체팁을 장착시키고, 그 사이에 플라즈마 벌브를 위치시킴으로써 벌브에 강한 전계가 집중되도록 하였다. 또한 플라즈마 생성 과도기에서, 플라즈마의 전기적 도전성 변화에 따른 정합 특성의 열화를 최소화할 수 있는 도파관부를 설계하여 안정적으로 동작되도록 하였다. 최종적으로 2.45 GHz 알루미늄 도파관 시스템을 제작하고, 400W급 마그네트론을 사용한 가시광 방출 실험을 통해 설계된 시스템의 타당성을 검증하였다.
본 연구에서는 초고주파를 사용하여 플라즈마 가시광을 발생시키기 위한 전계 집속형 도파관 시스템을 제안하였다. 이 시스템은 초고주파 전력 공급기인 마그네트론, 전력 전송을 위한 도파관부 및 메쉬형 공동으로 이루어진 반응기로 구성된다. 소량의 황 분말과 버퍼 가스인 Ar이 봉입된 석영 벌브를 반응기 내에 위치시키고, 강한 전계를 집속시킴으로써 황 플라즈마가 생성 및 여기되도록 하였다. 즉, 도파관과 반응기의 내벽에 각각 도체팁을 장착시키고, 그 사이에 플라즈마 벌브를 위치시킴으로써 벌브에 강한 전계가 집중되도록 하였다. 또한 플라즈마 생성 과도기에서, 플라즈마의 전기적 도전성 변화에 따른 정합 특성의 열화를 최소화할 수 있는 도파관부를 설계하여 안정적으로 동작되도록 하였다. 최종적으로 2.45 GHz 알루미늄 도파관 시스템을 제작하고, 400W급 마그네트론을 사용한 가시광 방출 실험을 통해 설계된 시스템의 타당성을 검증하였다.
In this study, a waveguide system for focusing the electric field is presented to emit the microwave-driven plasma visible light. This system consists of a magnetron for the microwave power supply, the waveguide section for power propagation, and the mesh-type cavity reactor. The quartz bulb contain...
In this study, a waveguide system for focusing the electric field is presented to emit the microwave-driven plasma visible light. This system consists of a magnetron for the microwave power supply, the waveguide section for power propagation, and the mesh-type cavity reactor. The quartz bulb containing a dose of sulfur powder and buffer gas Ar is located in the reactor, and forced by the strongly concentrated electric field for generating and exciting the sulfur plasma. That is, the conductor tips are loaded on each inner wall of the waveguide and the reactor, and then the plasma bulb is positioned between the tips, hence focusing the strong electric field on the bulb. Furthermore the waveguide section is designed for minimizing the degradations of matching characteristics according to the variations of the electrical conductivities of plasma at the transitory phase for plasma generation, hence providing the stable operation. Finally, the 2.45 GHz aluminum waveguide system is constructed, and then experiments for emitting the visible light are performed by using 400 W-class magnetron, showing the validity of designed system.
In this study, a waveguide system for focusing the electric field is presented to emit the microwave-driven plasma visible light. This system consists of a magnetron for the microwave power supply, the waveguide section for power propagation, and the mesh-type cavity reactor. The quartz bulb containing a dose of sulfur powder and buffer gas Ar is located in the reactor, and forced by the strongly concentrated electric field for generating and exciting the sulfur plasma. That is, the conductor tips are loaded on each inner wall of the waveguide and the reactor, and then the plasma bulb is positioned between the tips, hence focusing the strong electric field on the bulb. Furthermore the waveguide section is designed for minimizing the degradations of matching characteristics according to the variations of the electrical conductivities of plasma at the transitory phase for plasma generation, hence providing the stable operation. Finally, the 2.45 GHz aluminum waveguide system is constructed, and then experiments for emitting the visible light are performed by using 400 W-class magnetron, showing the validity of designed system.
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문제 정의
본 논문에서는 도체 팁을 도파관 내부의 적절한 위치에 장착하여 전계를 집중시킬 수 있는 구조에 대해 연구하였다. 이 구조는 주어진 초고주파 급전 전력에 대해, 기존의 공동 공진기 내부에 형성되는 최대 전계보다 매우 강한 전계를 집중시킬 수 있음을, 상용 소프트웨어 툴을 사용한 시뮬레이션을 통해 보였다.
본 연구에서는 우선 일반적으로 많이 사용하는 슬롯에 의한 도파관 및 공동 공진기(반응기) 결합 구조를 이용한 시스템 특성을 분석함으로써, 그 구조가 갖는 정합 문제에 기인한 공급 전력의 한계점을 보이고, 이를 보완하기 위해, 전계를 벌브에 집 속 시킬 수 있는 구조의 도파관 시스템을 제 안하였다. 즉, 도체 팁을 도파관과 반응기 내부의 적절한 위치에 대향하도록 장착시키고, 그 중간에 벌브를 삽입시킴으로써, 벌브에 전계를 집중시키도록 하였다.
가설 설정
식 (1)의 도전율은 벌브 중심에서부터 거리 , 의 함수로 표현되나, 실제로 벌브에 인가되는 전계의 세기 값을 모르는 상태에서 전자 농도 및 분포를 산출하기에는 어려운 점이 있고, 또한 중력에 의해 벌브 내의 농도가 불균일하게 분포될 수 있으므로 실제 제작 및 실험 시 모터를 이용하여 벌브를 회전시키게 된다. 따라서 본 연구에서는 벌브 내의 도전율이 균일하게 분포된다고 가정하고, 이 도전율 변화에 따른 반응기 내부의 공진 특성을 분석하고, 그 결과를 설계에 적용하였다.
제안 방법
그리고 벌브 내부에 발생하는 플라즈마농도를 균일하게 분포되도록 하기 위해 모터를 사용하여 회전시키도록 하였다. 또한, 미세 동조를 위하여 원통의 높이를 얇은 환형 도체 띠를 여러 개 만들어 적층을 통해 높이를 조절하도록 하고, 도파관 단락 면을 가변시킬 수 있도록 제작하였다.
기본 공진 모드가 TEm 모드인 원통형 공동 공진기는 공진기 중앙에서 가장 센 정재파 전계가 형성되고, 플라즈마 벌브를 삽입하기에 용이한 구조를 가진다. 도파관 급전은 마그네트론 프로브에 의해 이루어지며, TEio 모드를 주 전송 모드로 채택하였다.
도파관 단락면으로부터 TE10 모드 전계가 가장 센 위치까지의 거리를 /, ”이라면, 그 위치의 도파관윗면에 그림 5와 같이 끝이 뾰족한 원뿔형 도체 팁 (tip)을 부착하고 마주 보는 도파관 아랫면에 개구 (aperture)를 뚫어, 그 개구면에 강한 전계가 작용할 수 있는 구조를 제안하였다. 이때의 도파관 크기는 제작을 고려하여 72x17 mm로 두고, 반복 시뮬레이션 결과 도출한 山은 33 mm이다.
벌브 내의 황량, 기압 및 사용하는 반응기 형태 등에 따라 평형 상태에서 벌브에 작용하는 전계의 세기는 달라지므로, 정확한 필요 전계를 산출하기에는 어려운 점이 있다. 따라서 주어진 P, 에 대해 반응기 내의 벌브에 작용하는 전계의 세기를 상대적으로 강하게 집속시킬 수 있는 도파관 시스템을 다음 절에서 논하였다.
특히 가시광 방출을 위한 석영 플라즈마벌브가, 최대 전계가 형성된 반응기 내에 위치할 경우, 플라즈마 특성을 도전율로 표현함으로써 도파관 시스템의 전기적 특성 분석을 가능하게 하였다. 또한 급전 프로브 임피던스, 과도적 인 시변 플라즈마도전성 변화에 안정적으로 적응할 수 있도록, 경험적인 반복 시뮬레이션을 통해 신호 전송 및 정합을 위한 도파관부를 설계하였다. 실제로 황 플라즈마벌브가 삽입된 2.
그리고 벌브 내부에 발생하는 플라즈마농도를 균일하게 분포되도록 하기 위해 모터를 사용하여 회전시키도록 하였다. 또한, 미세 동조를 위하여 원통의 높이를 얇은 환형 도체 띠를 여러 개 만들어 적층을 통해 높이를 조절하도록 하고, 도파관 단락 면을 가변시킬 수 있도록 제작하였다. 그림 13에 제작된 도파관 시스템을 보였다.
즉, 도체 팁을 도파관과 반응기 내부의 적절한 위치에 대향하도록 장착시키고, 그 중간에 벌브를 삽입시킴으로써, 벌브에 전계를 집중시키도록 하였다. 또한, 시변 플라즈마 상태에 크게 의존하지 않는 반사 특성을 가지도록 도파관부를 설계하였다. 여기서 설계 및 분석을 위해 상용 HFSS 툴을 사용하였으며, 시뮬레이션에 필요한 플라즈마의 전기적 특성을 위해 기존의 황 플라즈마에 대한 연구결과를 참조하였다.
상용 HFSS 소프트웨어 툴을 사용하여 분석하였으며, 정합 특성 분석을 위해 마그네트론 프로브를동축 선로 내부 도체로 간주하고 프로브 인가 위치를 기준 포트로 지정한 후 반사 특성을 산출하였다. 실제로 마그네트론 프로브로부터 마그네트론 쪽으로 들여다 본 임피던스(Z, )는 마그네트론 구동 전력 및 토파관으로 부터의 반사파 영향에 의해 가변 될 수 있으므로, 본 연구에서는 프로브 임피던스 값을 임의로 설정한 후 공진 특성을 분석하였다.
이 제원의 수치는 반복 계산에 의해 도출하였으나, 그 수치의 미세한 변화는 반사 특성에 크게 영향을 주지 않는다. 실제 제작을 고려하여, 팁 끝부분은 뾰족하지 않게 반경 0.5 mm의 원형 단면을 갖도록 하였고, 차폐 망을 장착시킬 수 있도록 원형 플랜지를 개구면주변에 두었다. 그림 9는 프로브 임피던스 Z, 의 임의 변화에 대한 반사 특성을 시뮬레이션한 결과이며, 이로부터 마그네트론 프로브 임피던스의 임의값들에 대한 공진 특성은 매우 안정적임을 예상할 수 있다.
실제로 마그네트론 프로브로부터 마그네트론 쪽으로 들여다 본 임피던스(Z, )는 마그네트론 구동 전력 및 토파관으로 부터의 반사파 영향에 의해 가변 될 수 있으므로, 본 연구에서는 프로브 임피던스 값을 임의로 설정한 후 공진 특성을 분석하였다. 이때 프로브 중앙과 도파관 단락면 간의 거리는 14 tnm로고정시키고, 2.
또한 급전 프로브 임피던스, 과도적 인 시변 플라즈마도전성 변화에 안정적으로 적응할 수 있도록, 경험적인 반복 시뮬레이션을 통해 신호 전송 및 정합을 위한 도파관부를 설계하였다. 실제로 황 플라즈마벌브가 삽입된 2.45 GHz, 400 W급 알루미늄 도파관 시스템을 제작하고, 안정적인 가시광 방출 실험을 통해 설계 시스템의 타당성을 확인하였다.
앞 절에서 보인 그림 8을 실제로 구현하기 위해, 도파관은 알루미늄으로 제작하였으며, 도체 팁은 동 (copper)으로 제작하고, 나사로 도파관 내벽 및 차폐 망 덮개 중앙에 체결하였으며, 석영 rod 끝에 부착된벌브는 차폐망에 작은 구멍을 뚫어 팁들 중간에 위치시켰다. 그리고 벌브 내부에 발생하는 플라즈마농도를 균일하게 분포되도록 하기 위해 모터를 사용하여 회전시키도록 하였다.
있는 구조의 도파관 시스템을 제 안하였다. 즉, 도체 팁을 도파관과 반응기 내부의 적절한 위치에 대향하도록 장착시키고, 그 중간에 벌브를 삽입시킴으로써, 벌브에 전계를 집중시키도록 하였다. 또한, 시변 플라즈마 상태에 크게 의존하지 않는 반사 특성을 가지도록 도파관부를 설계하였다.
이 구조는 주어진 초고주파 급전 전력에 대해, 기존의 공동 공진기 내부에 형성되는 최대 전계보다 매우 강한 전계를 집중시킬 수 있음을, 상용 소프트웨어 툴을 사용한 시뮬레이션을 통해 보였다. 특히 가시광 방출을 위한 석영 플라즈마벌브가, 최대 전계가 형성된 반응기 내에 위치할 경우, 플라즈마 특성을 도전율로 표현함으로써 도파관 시스템의 전기적 특성 분석을 가능하게 하였다. 또한 급전 프로브 임피던스, 과도적 인 시변 플라즈마도전성 변화에 안정적으로 적응할 수 있도록, 경험적인 반복 시뮬레이션을 통해 신호 전송 및 정합을 위한 도파관부를 설계하였다.
한편, 마그네트론을 동작시키기 위한 전력 공급은 입력 전류를 감지하여 feedforward 신호로 사용하고, IGBT gate 신호의 duty ratio를 조절하여 전원 회로의 입력 전력이 일정하도록 제어하는 inverter 방식의 전원 회로를 사용하였다. 마그네트론은 출력 전력이 400 W급인 LG 2M214 제품을 사용하였다.
대상 데이터
회로를 사용하였다. 마그네트론은 출력 전력이 400 W급인 LG 2M214 제품을 사용하였다. 사용한 원통형 석영 벌브(내부 반경: 16 mm, 두께: 2 mm, 길 °|: 25 mm) 내부는 15 mg 황 분말과 1 bar Ar 가스가 봉입된 것을 사용하였다.
마그네트론은 출력 전력이 400 W급인 LG 2M214 제품을 사용하였다. 사용한 원통형 석영 벌브(내부 반경: 16 mm, 두께: 2 mm, 길 °|: 25 mm) 내부는 15 mg 황 분말과 1 bar Ar 가스가 봉입된 것을 사용하였다. 마그네트론 프로브가 삽입되는 입력 포트에 50 Q 동축 선로 내부 도체를 삽입하여 반사 계수를 측정한 결과를 그림 14에 보였다.
왼쪽 마그네트론 급전부 도파관 단면은 72x 34 mm이며, 도파관 길이 L L „ 乙“는 각각 87.4 mm, 116.5 mm, 116.5 mm로 두었다. 그리고 직사각형 도파관 부의 개구 직경은 50 mm이며, 도체 팁의 반경 및 원뿔 높이는 각각 5 mm로 두었다.
따라서 시스템 분석을 위해 채택한 기본 구조는 그림 1과 같다. 이 시스템은 초고주파 전력 공급을 위한 마그네트론, 전력 전송을 위한 도파관, 슬롯, 원통형 공동 공진기, 공진기 내부에 삽입된 석영 플라즈마 벌브 등으로 구성된다. 이때 벌브는 외부에서 삽입이 용이하도록 석영 rod 끝에 부착되어 있다.
그림 9는 프로브 임피던스 Z, 의 임의 변화에 대한 반사 특성을 시뮬레이션한 결과이며, 이로부터 마그네트론 프로브 임피던스의 임의값들에 대한 공진 특성은 매우 안정적임을 예상할 수 있다. 이때 실제 실험에 사용할 마그네트론의 원통형 프로브 크기(반경: 5 mm, 길이: 2.5 cm)를 시뮬레이션에 활용하였고, 50 Q인 경우 정합 특성 실험에 사용할 동축형 프로브의 크기를 고려하여 반경은 0.5 mm, 길이는 2.5 cm로 두었다. 그림 10은 위의 제원 중에서 원통형 도파관 높이를 변화시킬 경우의 정합 특성을 보인 것이다.
실제로 마그네트론 프로브로부터 마그네트론 쪽으로 들여다 본 임피던스(Z, )는 마그네트론 구동 전력 및 토파관으로 부터의 반사파 영향에 의해 가변 될 수 있으므로, 본 연구에서는 프로브 임피던스 값을 임의로 설정한 후 공진 특성을 분석하였다. 이때 프로브 중앙과 도파관 단락면 간의 거리는 14 tnm로고정시키고, 2.45 GHz 신호 전송에 적합한 WG 9A 형 도파관(86x43 mm)을 적용하였다. 또한, 반복 시뮬레이션을 통해 도출한 공동 공진기의 반경과 높이는 각각 39 mm 및 118.
이론/모형
또한, 시변 플라즈마 상태에 크게 의존하지 않는 반사 특성을 가지도록 도파관부를 설계하였다. 여기서 설계 및 분석을 위해 상용 HFSS 툴을 사용하였으며, 시뮬레이션에 필요한 플라즈마의 전기적 특성을 위해 기존의 황 플라즈마에 대한 연구결과를 참조하였다. 실제로 황 플라즈마는 높은 플라즈마 효율, 긴 수명 및 우수한 연색성을 가지며, 거의 자연광에 가까운 가시 광원으로 많은 주목을 받고
성능/효과
방법, 3) 플라즈마 상태 변화에 적응할 수 있는 안정화 방법 등이 고려되어야 한다. 이들 방법들은 근본적으로 임피던스 정합 문제에 귀착된다.
이상의 실험 결과로부터, 제안한 도파관 시스템 구조는 마그네트론에 인가되는 전력 변화와 플라즈마의 시변 도전성에 따른 공진 특성이 매우 안정적임을 확인할 수 있다. 그리고 도파관 내부에서 전계를 집 속 시키는 기존의 방법들은 대개 ridge 도파관 혹은 클라이스트론 공진기 구조에서와 같이 좁은 도체 간극을 사용하여 왔으나, 본 연구에서는 도체 팁을 사용한 새로운 형태의 전계 집속 방식이 가능함을 보였다. 본 논문에서는 제안한 도파관 구조의 정상 동작 및 타당성 확인에 국한하였으나, 초고주파-플라즈마상호 결합 문제에 대한 심도 있는 물성적 연구에 기반하여, 벌브 형태와 그 내부 물질의 양, 기압, 발생온도 및 인가 전력 대비 광 효율 등의 적절한 타협을 위한 반복적인 실험을 통한 실용화 기술 및 비교 연구가 요구된다.
연구하였다. 이 구조는 주어진 초고주파 급전 전력에 대해, 기존의 공동 공진기 내부에 형성되는 최대 전계보다 매우 강한 전계를 집중시킬 수 있음을, 상용 소프트웨어 툴을 사용한 시뮬레이션을 통해 보였다. 특히 가시광 방출을 위한 석영 플라즈마벌브가, 최대 전계가 형성된 반응기 내에 위치할 경우, 플라즈마 특성을 도전율로 표현함으로써 도파관 시스템의 전기적 특성 분석을 가능하게 하였다.
67 mm일 때 프로브 입력 포트에서 산출한 반사 특성을 그림 2에 보였다. 이 시스템은 1-포트 공진 시스 템이며, TEm 모드 공진기의 정해진 크기에 기인하여 프로브 임피던스 Z, 의 변화에 따른 공진 주파수 변화는 크지 않음을 알 수 있으며, 실제로 제작한다면 동조 스터브 혹은 도파관 테 이퍼 각도 등의 가변을 통한 미세조정이 가능하다.
그러나 최대 광 방출은 490 mm에서 발생하여, 匕, 의 피크가 555 nun에서 이루어짐을 감안하면, 스펙트럼의 shift에 의한 조도 개선이 필요함을 알 수 있다. 이상의 실험 결과로부터, 제안한 도파관 시스템 구조는 마그네트론에 인가되는 전력 변화와 플라즈마의 시변 도전성에 따른 공진 특성이 매우 안정적임을 확인할 수 있다. 그리고 도파관 내부에서 전계를 집 속 시키는 기존의 방법들은 대개 ridge 도파관 혹은 클라이스트론 공진기 구조에서와 같이 좁은 도체 간극을 사용하여 왔으나, 본 연구에서는 도체 팁을 사용한 새로운 형태의 전계 집속 방식이 가능함을 보였다.
" data-before="있다" data-ocr-fix="">있다. 최종적으로 15 mg의 황 분말과 1 bar Ar 가스가 내부에 밀봉된 석영 플라즈마 벌브( \ = 3.7)와 2.45 GHz 상용 400 W급 마그네트론을, 실제로 제작한 도파관 시스템에 활용하였고, 가시광 방출 실험을 통해 설계 시스템의 타당성을 보였다.
후속연구
그리고 도파관 내부에서 전계를 집 속 시키는 기존의 방법들은 대개 ridge 도파관 혹은 클라이스트론 공진기 구조에서와 같이 좁은 도체 간극을 사용하여 왔으나, 본 연구에서는 도체 팁을 사용한 새로운 형태의 전계 집속 방식이 가능함을 보였다. 본 논문에서는 제안한 도파관 구조의 정상 동작 및 타당성 확인에 국한하였으나, 초고주파-플라즈마상호 결합 문제에 대한 심도 있는 물성적 연구에 기반하여, 벌브 형태와 그 내부 물질의 양, 기압, 발생온도 및 인가 전력 대비 광 효율 등의 적절한 타협을 위한 반복적인 실험을 통한 실용화 기술 및 비교 연구가 요구된다.
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