1. 마그네트론 발진기
마그네트론 발진기 (Magnetron Oscillator)는 전기장과 자기장이 수직으로 인가되어 형성되는 교차장의 고진공에서 발생한 전자빔(Electron Beam)의 전기에너지를 고출력 전자기파 에너지로 변환하여 방사하는 전자기파(Electromagnetic wave) 발생장치이다. 1930년대에 최초로 발명되었고, 2차 세계대전을 기점으로 레이더 영역에서의 응용을 위해 영국과 미국을 중심으로 본격적으로 연구되기 시작하면서 현대에 이르러 다양한 분야에 사용되고 있다.
2. 동작원리
마그네트론 발진기는 크게 전자빔을 발생시키는 전자빔을 발생시키는 음극, 일정한 동작주파수를 가지는 공진회로, 공진회로에서 발생된 전자기파를 외부로 방출하기 위한 안테나 구조의 출력부로 구성되어 있다. 음극과 양극에서 인가된 DC전압에 의한 전기장과 축 방향으로 인가된 자기장에 의하여 , 음극에서 발생된 전자빔은 로렌츠 힘의 작용에 의해 각 방향으로 회전운동을 하게 된다. 이 때 회전운동하는 전자빔은 공진회로와 특정 주파수에서 공진이 발생하게 되고, 이를 통해 공간적으로 뭉치게 되어 AC성분을 가지게 된다. 이 때의 AC성분에 의하여 공진회로 안에서 동작주파수를 갖는 전자기파가 발생되고, 형성된 전자기파는 출력부를 통해 외부로 방사된다. 마크네트론 발진기에서 발상되는 전자기파는 마이크로파 부터 테라헤르츠 대역까지의 전자기파를 발생시킬 수 있다.
3. 응용분야
마그네트론 발진기는 동작 수파수와 출력에 따라 915 MHz 를 이용한 산업용 해동/가열 시스템, 마이크로파 플라즈마 토치, 2.45 Ghz 대역의 전자레인지, 플라즈마 조명장치, 반도체 공정장비, 의료용 가속기, 선박, 기상, 항공용 레이더 응용을 위해 9.5 Ghz 와 35 Ghz 대역의 마그네트론 발진기가 활용되고 있다. 또한 최근에는 Pulsed DNP 를 위한 전자스핀 공명 응용과 테라페르츠파 대역을 활용하여 보안검색용 이미징을 위한 개발과 연구가 활발히 이루어지고 있다.
우리 일상생활과 밀접한 전자레인지는 1940년대 레이더 연구개발을 위해 발진기 실험을 하던 중, 실험에 참가한 연구원의 주머니에 있던 초콜렛 바가 녹아 있는 것을 우연히 발견하여, 옥수수와 달걀 등의 다양한 식품을 가열하는 실험을 하게되면서, 전자레인지에 대한 개발이 시작되었다. 초기에는 레이더에 사용되는 전파를 활용하였기 때문에 "Radarange" 라고 불리기도 하였다. 전자레인지는 마이크로파 에너지를 유전체 가열에 사용하는 원리를 적용했다. 유전체는 외부의 전기작ㅇ에 노출되면 평형사태가 교란되게 된다. 2.45 GHz의 전자기파가 인가되면 초당 2.45 x 109 정도의 전기장 방향이 변화되고, 이러하 변화에 의해 마이크로파를 이용하 가열방식은 물체 내부를 균일하게 가열하게 된다.
마이크로파는 무선전력전송 영역에도 활용되는데, 이는 전기에너지를 마이크로파로 전환하여 무선으로 전송하고 이를 다시 전기에너지로 변환하여 사용하는 것이다. 이러한 원리로 태양광 에너지를 우주에서 모아 지구로 보내는 우주 태양광 발전 사업이 1960년대에 제안되었으나, 경제성의 문제로 잊혀졌다. 하지만 최근 미국/일본 등에서 청정에너지원으로 다시 주목받으면서 실행계획이 구체화 되고 활발한 연구가 진행되고 있다.
가장 많이 활용되는 분야는 레이더 분야이다. 레이더는 전자기파를 방사한 후 반사되어 되돌아오는 신호를 분석하여 물체의 위치를 파악하는 장치이다. 해상 장해물, 타선박, 해안등을 탐지하기 위해 선박에 탑재된 레이더는 9.5 GHz 주파수를 사용하고 있다. 반면 항공, 기상관측, 공항 검색용 레이더는 보다 높은 해상도를 요구하기 때문에 35 GHz, 95 GHz 등의 밀리미터파 대역의 발진기가 활용된다.
4. 발전추세
마그네트론 발진기는 산업용 및 가정용 등의 다양한 분야에서 915 MHz 와 2.45 GHz ISM 주파수 대역으로 활용되고 있다. 최근에는 통신기기의 발달로 전자파 잡음에 대한 규제가 강화되고 있고, 이에 따라 발진기에서 발생하는 잡음을 저감하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 음극 수명을 증가시켜 마그네트론 발진기의 수명을 개선하려는 연구가 이루어지면서, 냉음극을 적용한 발진기 기술도 연구되오 있다.
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