가속기 발진기

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▲ 전기연구원이 개발한 고출력·고효율 마그네트론 발진기.

가속기 발진기

국내 연구진이 이제까지 전량 수입에 의존하던 고출력·고효율 마그네트론 발진기를 개발하는데 성공했다.

한국전기연구원(원장 박동욱 www.keri.re.kr) 테라헤르츠파전문연구랩 정순신ㆍ김대호 박사팀은 최근 에너지관리공단과 전기연구원 자체 지원을 통해 (주)스펙, 서울대학교(위탁) 등과 공동으로 연속출력 30kW, 효율 약 80%의 고출력ㆍ고효율 마그네트론 발진기 기술의 국산화를 이뤘다.

고출력ㆍ고효율의 마이크로파 발생 장치인 마그네트론 발진기는 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리·해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용되고 있다. 나노물질 합성, 다이아몬드 코팅, 폐타이어 자원화, 바이오디젤 합성, 신약 합성, 무선전력전송 등 다양한 분야에도 적용할 수 있다. 이번에 개발된 발진기의 연속 출력 30kW는 가정용 전자레인지 30~40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파(microwave)의 출력에 해당한다.

현재 가전제품에 사용되는 1kW급 마그네트론 발진기는 국내 가전회사가 세계적으로 높은 시장점유율을 보이고 있다. 그러나 5kW급 이상의 산업용 고출력 마그네트론 발진기나 구동전원의 경우 몇몇 선진국에서만 확보하고 있는 기술이다. 에너지·환경, 화학, 제약, 재료, 식품, 고무 등 다양한 산업에서 활용되고 있음에도 불구하고 국내 기술 개발이 전무해 선진국에서 전량 고가에 수입하고 있는 실정이다.

이번에 전기연구원이 30kW급 마그네트론 발진기 기술을 개발함으로써 전기융합기술 분야에서 △고출력 마이크로파 기술 △전자빔 기술 △고전압 기술 △고진공 기술 △정밀 접합 기술 등이 융합한 고출력 마이크로파 기술을 자체적으로 확보했다는 점에서 기술적 의의가 크다.

특히 이번에 개발된 마그네트론 발진기는 3차원 컴퓨터 프로토타이핑 기술을 이용해 개발 비용과 시간을 줄이고 설계 정밀도를 높였다. 또한 마그네트론 발진기의 수명을 결정하는 음극을 쉽고 빠르며 값싸게 교체할 수 있는 기술과 마그네트론 발진기의 전극을 통해 방사되는 고조파(harmonic) 노이즈를 1/10 이하로 줄일 수 있는 기술을 개발해 적용했다. 이와 관련 2건의 특허가 등록됐고 2건의 특허가 출원됐다.

지난 3월 42kW급 인버터방식 마그네트론 구동전원 개발에 성공한 전기연구원은 이번에 30kW급 마그네트론 발진기 기술까지 확보하게 됨으로써 고출력 마이크로파 기술의 전문연구기관으로 자리매김할 것으로 기대된다. 아울러 전량 수입에 의존해 오던 고출력 산업용 마그네트론을 국산화함으로써 연간 80억 원의 수입대체 효과가 기대된다.

전기연구원의 한 관계자는 “이번에 확보한 고출력 마그네트론 발진기의 핵심기술을 이용해 미국과 일본 등에서 미래 10대 기술로 선정한 바 있는 테라헤르츠(terahertz) 기술로 발전시켜 관련 업계 최대 이슈인 고출력 테라헤르츠 소스 및 시스템의 핵심기술을 개발해 나갈 계획이다”고 밝혔다.

게재월 | 2014 - 08 287 0

국내 최초로 개발한 915MHz 마그네트론 발진기는 고전압의 직류(DC) 가속기 발진기 전력을 고효율로 변환해 915MHz의 마이크로파를 발생시킬 수 있다. 특히 교체가 쉬운 음극부 결합 구조와 2차 고조파를 저감하는 음극부 초크 기술을 해당 시스템에 적용한 것이 특징이다.

미래부 산하 정부출연연구기관 한국전기연구원(KERI, www.keri.re.kr) 창의원천연구본부 나노융합기술연구센터 정순신 박사가 최근 ‘이달의 KERI인상’ 수상자로 선정됐다.


정순신 박사는 미국, 영국, 러시아 등의 일부 OECD 국가에서만 보유한 915MHz 마그네트론 발진기(Magnetron Ocillator) 기술을 국내 최초로 개발하고, 관련 설계 및 시험기술을 기술 이전한 공로를 인정받았다.
마그네트론 가속기 발진기 발진기는 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되는 교차장이 존재하는 높은 진공 공간에서 발생하는 전자빔의 전기에너지를 고출력 전자기파 에너지로 변환하여 방사하는 고효율, 고출력의 전자기파 발생장치다. 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형 식품 조리 및 해동, 자외선 광원, 입자 가속기, 레이더 등에 널리 사용된다.
정 박사가 개발한 915MHz 마그네트론 발진기는 고전압의 직류(DC) 전력을 고효율로 변환해 915MHz의 마이크로파(Microwave)를 발생시킬 수 있다. 특히 가속기 발진기 정 박사는 교체가 쉬운 음극부 결합 구조와 2차 고조파를 저감하는 음극부 초크 기술을 해당 시스템에 적용했다.
마그네트론 발진기의 수명은 보통 음극부에 의해 결정된다. 용접이나 브레이징 등으로 접합하지 않고 고진공을 유지하며 탈부착이 용이한 음극부 결합 구조를 적용함으로써 마그네트론 음극부의 교체 시간 및 비용을 크게 절감할 수 있게 됐다. 또한 수십kW 이상의 마이크로파 출력을 발생하는 마그네트론 발진기의 음극부 급전선에 마이크로파 초크 구조를 구성함으로써 2차 고조파 잡음을 1/10 수준으로 저감하여 외부 누설을 최소화한 것도 특징이다.
이전 기업은 이 기술을 적용하여 에너지 저소비형 산업용 마이크로파 가열장치에 적용할 예정이다. 직접가열, 선택가열, 내부가열 등의 특성을 갖는 마이크로파 가열을 통해 에너지를 획기적으로 절감하는 기술 상용화와 신시장 창출을 도모하고 있다. 한편, 이번 개발은 미국, 유럽 등에서 수입하는 산업용 마그네트론을 순수 국내 기술로 대체할 수 있게 됐다. 기술자립 가속기 발진기 및 수입대체와 기술자립 효과를 통해 국내 산업용 마이크로파 시스템 시장(가열, 건조, 플라즈마 등)의 확대에 기여할 것으로 기대된다.
‘이달의 KER인상’은 한국전기연구원(이하 \'KERI\')의 연구개발 및 시험인증 등 분야에서 탁월한 성과를 보인 연구자 등에게 주어지는 상이다.

한국전기연구원(KERIㆍ원장 김호용) 창의원천연구본부 나노융합기술연구센터 정순신 박사가 ‘이달의 KERI인상’ 수상자로 선정됐다.

정 박사는 미국, 영국, 러시아 등의 일부 OECD 국가에서만 보유한 915MHz 마그네트론 발진기(Magnetron Ocillator) 기술을 국내 최초로 개발하고, 관련 설계 및 시험기술을 기술이전한 공로를 인정받았다.

마그네트론 발진기는 전기장과 자기장이 서로 수직으로 가속기 발진기 인가되는 교차장이 존재하는 고(高)진공 공간에서 발생하는 전자빔의 전기에너지를 고출력 전자기파 에너지로 변환해 방사하는 장치다. 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리 및 해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용된다.

정 박사팀이 개발한 915MHz 마그네트론 발진기는 고전압의 직류(DC) 전력을 고효율로 변환해 915MHz의 마이크로파(Microwave)를 발생시킬 수 있다. 특히 교체가 쉬운 음극부 결합 구조와 2차 고조파를 저감하는 음극부 초크 기술을 해당 시스템에 적용됐다.

마그네트론 발진기의 수명은 보통 음극부에 의해 결정된다. 용접이나 브레이징 등으로 접합하지 않고 고진공을 유지하며, 탈부착이 용이한 음극부 결합 구조를 적용해 마그네트론 음극부의 교체 시간 및 비용을 크게 절감할 수 있게 됐다.

또 수십 kW 이상의 마이크로파 출력을 발생하는 마그네트론 발진기의 음극부 급전선에 마이크로파 초크 구조를 구성해 2차 고조파 잡음을 10분의 1 수준으로 저감하고 외부 누설을 최소화한 것도 특징이다.

이전 기업은 이 기술을 적용해 에너지 저소비형 산업용 마이크로파 가열장치에 적용할 예정이다. 직접가열, 선택가열, 내부가열 등의 특성을 갖는 마이크로파 가열을 통해 에너지를 획기적으로 절감하는 기술 상용화와 신시장 창출을 도모하고 있다.

전기연구원 관계자는 “이번 개발로 미국, 유럽 등에서 수입하는 산업용 마그네트론을 순수 국내 기술로 대체할 수 있게 됐다”며 “수입대체와 기술자립 효과를 통해 국내 산업용 마이크로파 시스템 시장(가열, 건조, 플라즈마 등)의 확대에 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.

한편 ‘이달의 KERI인상’은 한국전기연구원의 연구개발 및 시험인증 등 분야에서 탁월한 성과를 보인 연구자 등에게 주어지는 상이다.

▲ 전기연구원이 개발한 고출력·고효율 마그네트론 발진기.

전자레인지 40여대가 발생시키는 마이크로파를 한꺼번에 출력할 수 있는 고출력·고효율 마그네트론 발진기가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국전기연구원(원장 박동욱) 테라헤르츠파전문연구랩 정순신·김대호 박사팀은 최근 지식경제부 산하 에너지관리공단과 전기연구원 자체 지원을 통해 (주)스펙, 서울대학교(위탁) 등과 공동으로 연속출력 30kW, 효율 약 80%의 고출력·고효율 마그네트론 발진기 기술을 개발하는데 성공했다고 23일 밝혔다.

마그네트론 발진기는 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리·해동, 자외선 광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용되고 있는 고출력·고효율의 마이크로파 발생 장치다. 나노물질 합성, 다이아몬드 코팅, 폐타이어 자원화, 바이오디젤 합성, 신약 합성, 무선전력전송 등 다양한 분야에도 적용할 수 있다.

이번에 개발된 발진기의 연속 출력 30kW는 가정용 전자레인지 30~40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파의 출력에 해당한다.

현재 가전제품에 사용되는 1kW급 마그네트론 발진기는 국내 가전회사가 세계적으로 높은 시장점유율을 보이고 있다. 그러나 5kW급 이상의 산업용 고출력 마그네트론 발진기나 구동전원의 경우 몇몇 선진국에서만 확보하고 있는 기술로 에너지·환경, 화학, 제약, 재료, 식품, 고무 등 다양한 산업에서 활용되고 있음에도 불구하고 국내 기술 개발이 이뤄지지 않아 선진국에서 전량 고가에 수입하고 있는 실정이다.

이번에 전기연구원이 30kW급 마그네트론 발진기 기술을 개발함으로써 전기융합기술 분야에서 ▲고출력 마이크로파 기술 ▲전자빔 기술 ▲고전압 기술 ▲고진공 기술 ▲정밀 접합 기술 등이 융합한 고출력 마이크로파 기술을 자체적으로 확보했다는 점에서 기술적 의의가 큰 것으로 분석된다.

특히 이번에 개발된 마그네트론 발진기는 3차원 컴퓨터 프로토타이핑 기술을 이용해 개발비용과 시간을 줄이고 설계 정밀도를 높였다. 또한 마그네트론 발진기의 수명을 결정하는 음극을 쉽고 빠르며 값싸게 교체할 수 있는 기술과 마그네트론 발진기의 전극을 통해 방사되는 고조파(harmonic) 노이즈를 1/10 이하로 줄일 수 있는 기술을 개발해 적용했다. 이와 관련, 2건의 특허가 등록됐고 2건의 특허가 출원됐다.

지난 3월 42kW급 인버터방식 마그네트론 구동전원 개발에 성공한 전기연구원은 이번에 30kW급 마그네트론 발진기 기술까지 확보하게 됨으로써 고출력 마이크로파 기술의 전문연구기관으로 자리매김할 것으로 기대된다.

아울러 전량 수입에 의존해 오던 고출력 산업용 마그네트론을 국산화함으로써 연간 80억 원의 수입대체 효과가 기대된다.

한편, 전기연구원은 이번에 확보한 고출력 마그네트론 발진기의 핵심기술을 이용해 미국과 일본 등에서 미래 10대 기술로 선정한 바 있는 테라헤르츠(terahertz) 기술로 발전시켜 관련 업계 최대 이슈인 고출력 테라헤르츠 소스 및 시스템의 핵심기술을 개발해 나갈 계획이다.


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