KR20210012403A - 마이크로파 대역의 유도 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 대역의 유도 가열 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 마이크로파 유도 가열 장치는 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 전도성 나노소재에 유도전류를 발생시켜 가열하되, 전도성 박막 및 미세 와이어, 전도성 섬유, 박막 전극을 가진 칩소자(chip device) 등과 같이 마이크로미터 수준 이하의 매우 얇은 두께의 전도성 소재를 선택적으로 가열하기 위한 마이크로파 가열 장치를 제공한다.

Description

마이크로파 대역의 유도 가열 장치{MICROWAVE-FREQUENCY INDUCTION HEATING APPARATUS}

본 발명은 마이크로파 대역의 유도 가열 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 전도성 나노소재에 유도전류를 발생시켜 가열하는 마이크로파 가열 장치에 관한 것이다.

마이크로파는 극 초단파라고도 불리는 전자기파의 일종이다. 파장이 1mm 내지 1m, 주파수 300MHz 내지 300GHz의 전자기파이다. 마이크로파는 2차 세계대전 중에 레이더용으로 개발되어 이용되었으며, 그 후 통신기기 등에 폭넓게 이용되고 있다. 특히, 휴대전화나 무선 랜(LAN) 등에서 그 활용이 증대되고 있다. 1946년 레이더 개발 도중 우연히 마이크로파가 식품을 급속히 가열시키는 현상이 발견되었으며 이것이 전자레인지의 발명으로 연결되기도 하였다. 마이크로파 가열 기술은 가정용뿐만 아니라 산업용 가열 방법으로 개발되어 적용되어 왔다. 1980년대 중반 마이크로파 가열은 화학 분석, 즉, 에싱(ashing), 익스트랙션(extraction), 다이제스션(digestion) 등에 적용되기 시작하였고, 1986년에는 마이크로파 가열을 이용하여 화학 합성을 시도하여 재래식 가열 방법보다 약 1000배 빠르게 반응이 일어남을 보고하였다. 1990년대에는 마이크로파 화학 장치 업체에서 개발한 제품들이 기술적으로 발전하면서 널리 보급되었다.

마이크로파에 의한 발열 메커니즘의 한가지로서, 쌍극자 편극(dipolar polarization) 발열 메커니즘은 극성 분자들에서 열이 발생하는 프로세스로 유전가열(dielectric heating)의 원리이다. 적절한 주파수로 진동하는 전기장 하에서 극성 분자들이 전기장의 방향과 위상에 맞추려고 할 때, 분자 간 힘으로 인해 극성 분자들이 저항을 받아 전기장에 따라갈 수 없게 됨으로써 분자들의 무작위 운동을 야기하고 이것이 열을 발생시킨다. 물이나 유기용매, 산화물 등을 효과적으로 가열할 수 있다.

다른 발열 메커니즘으로서, 전기 저항(electric resistance) 발열 메커니즘은 전류에 대한 저항으로 인해 열이 발생하는 프로세스이다. 진동하는 전기장은 전도체 내의 전자나 이온의 진동을 일으켜 전류를 만들어내고 이 전류가 내부 저항에 의해 열을 발생시킨다. 이 발열 원리는 전기장에 의해 발생하는 전류의 흐름에 의한 것으로서 전도가열(conduction heating)이라고 할 수 있다. 이 마이크로파 전도가열은, 물이나 유기용매 같은 극성분자를 가지는 유전체가 아닌, 전도성 소재에 마이크로파 전기장이 가해질 때 발생할 수 있다. 하지만, 마이크로파 공진기 내에 전도성 소재가 존재하면 소재 전도도 값이나 크기 형상 등에 의해 공진기 내 전자기장 분포에 매우 큰 영향을 주게 된다. 전도도가 매우 좋은 금속류의 소재는 마이크로파를 대부분 반사시키기 때문에 거의 가열이 되지 않을뿐더러, 뾰족하거나 얇은 형태를 가진다면 전기장이 집중되는 현상으로 인해 쉽게 방전이 일어나 소재가 손상된다. 흑연 같이 높지 않은 전도도를 가지는 전도성 소재의 경우는 어느 정도 가열이 가능하지만, 크기나 형태에 따라 방전의 위험성을 가지고 있어서 높은 출력으로 고온 가열하고자 하는 경우에는 마찬가지로 방전 손상의 위험성을 가진다.

금속과 같은 전도성 소재를 가열하는 도구로서 기존의 유도가열(induction heating) 기술은, 보통 수십 kHz의 주파수를 가지는 전류가 흐르는 코일을 감아서 자기장을 만들면 가까이 있는 금속에 유도전류를 발생시켜 가열시킬 수 있다. 특히 금속이 자성을 가지고 있다면 히스테리시스 손실에 의해 더 효과적으로 가열할 수 있다. 이 유도가열은 금속의 열처리나 고온 융해로 등으로 산업에서 광범위하게 활용되고 있고, 가정에서도 조리기구로 보급되어 활용되고 있다. 유도가열에서 금속표면에 발생시키는 유도전류의 침투깊이는 금속의 전도도와 밀접한 상관관계를 가지는데, 주파수가 높을 수록 낮은 침투깊이를 나타낸다. 보통 유도가열의 사용 주파수는 최대 수백 kHz 정도이기 때문에 금속에 대한 유도전류의 침투깊이는 약 1mm(밀리미터) 전후의 값을 가지므로, 조리기구 같이 밀리미터 수준의 두께를 가지는 소재를 가열하기에 적합하다. 하지만, 1μm (마이크로미터) 수준 이하의 얇은 전도성 소재는 수십~수백 kHz 수준의 유도전류의 침투깊이보다 훨씬 얇기 때문에 자기장은 전도성 소재에 유도전류를 거의 만들어내지 못하고 투과해 버리며 가열시키기 못한다. 기존의 마이크로파 가열의 전기 저항 발열 메카니즘에 의해 1μm 수준 이하의 얇은 전도성 소재(전도성 박막)를 가열하려는 경우, 전도성 박막의 끝에서 집중되는 전기장으로 인해 쉽게 방전이 일어나기 때문에 사실상 사용이 불가능하다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 마이크로파 대역의 자기장을 이용하여 전도성 나노소재에 유도전류를 발생시켜 가열하되, 전도성 박막 및 미세 와이어, 전도성 섬유, 박막 전극을 가진 칩소자(chip device) 등과 같이 마이크로미터 수준 이하의 매우 얇은 두께의 전도성 소재를 선택적으로 가열하기 위한 마이크로파 가열 장치를 제공하는 데 있다.

만일 수 GHz 대역의 주파수로 유도가열을 할 수 있다면, 구리와 같은 높은 전도성의 소재에 대해 약 1μm 수준의 유도전류 침투깊이를 가진다. 이 마이크로파 대역의 유도가열은 전도성 박막을 매우 효과적으로 가열할 수 있는 수단이 될 수 있다. 본 발명은 전도성 박막 또는 와이어 등 1μm 수준 전후의 매우 얇은 두께의 전도성 소재를 선택적으로 가열할 수 있는 수단으로 마이크로파 유도가열 기술을 구현할 수 있는 방법에 대해 기술하고자 한다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 마이크로파 유도가열 장치는, 마이크로파를 입력받는 마이크로파 도파관 형태의 마이크로파 입력부; 상기 마이크로파 입력부에 결합된 마이크로파 커플러; 상기 마이크로파 커플러로부터 소정의 거리 이격되어 있으며 상기 마이크로파 커플러로부터 마이크로파를 전달받아 동작하는 유전체 공진기; 상기 마이크로파 입력부, 상기 마이크로파 커플러, 상기 유전체 공진기를 감싸 마이크로파의 외부 누설을 막아주는 금속몸체; 상기 금속몸체의 외곽에 결합되며, 상기 금속몸체의 내부와 외부 사이의 열린 공간에서 마이크로파의 외부 누설이 차단되도록 보조하기 위한 마이크로파 누설 차단부를 포함하고, 상기 유전체 공진기로부터 소정의 거리를 두고 위치한 대상 소재를 마이크로파 유도가열하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 유전체 공진기의 상면쪽, 하면쪽, 측면쪽, 또는 관통 구멍의 중심축에 놓인 상기 대상 소재를 마이크로파 유도가열하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 대상 소재는 면저항 0.1 ohm/square 이상이 되는 두께의 전도성 소재, 또는 박막 전극을 가진 칩소자를 포함한다.

상기 대상 소재는, 평면, 구면이나 곡면, 원통면, 또는 이들의 조합 형태를 포함한다.

상기 유전체 공진기는, 원기둥이나 육면체의 기둥형, 구형, 둥근 모서리형, 대칭성이 없는 소정의 임의 형태, 중심에 관통구멍이 있는 형태, 하나의 공진기를 수직 또는 수평으로 분할하여 소정의 거리 이격되게 배열한 형태, 또는 복수의 공진기를 조합한 형태를 포함한다.

상기 마이크로파 입력부는 상기 금속몸체의 동축 도파관과 결합되는 동축 도파관 형태를 포함할 수 있다.

상기 마이크로파 커플러는, 상기 유전체 공진기의 하면으로부터 수직 방향으로 소정의 거리만큼 이격되어 있는 루프 형상의 금속을 포함할 수 있다.

상기 마이크로파 커플러는, 상기 유전체 공진기의 외곽에서 측면 또는 하면으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 있는 막대 형상을 포함할 수 있다.

상기 마이크로파 커플러와 상기 유전체 공진기의 결합상수에 기초하여, 제어장치의 제어에 따라 상기 마이크로파 커플러가 상기 유전체 공진기와 이격된 거리를 조절해 상기 유전체 공진기로 전달되는 마이크로파의 양의 조절이 가능하다.

제어장치의 제어에 따라 상기 금속몸체의 측벽이 상기 유전체 공진기와 이격된 거리를 조절해 상기 유전체 공진기에서의 공진모드의 전자기장의 공진 주파수를 조정 가능하다.

상기 마이크로파 누설 차단부는, 상기 대상 소재가 로딩 또는 언로딩되는 경로의 주변에서 상기 금속몸체의 내부와 외부 사이의 소통되는 상기 열린 공간 주위에 결합된, 공동 공진기 또는 도파관을 포함할 수 있다.

상기 유전체 공진기 상부의 상기 금속몸체의 개구부 위로, 상기 유전체 공진기 상단부로부터 소정의 거리 이격되어 로딩된 상기 대상 소재를 유도가열하는 구조를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 마이크로파 누설 차단부는, 상기 금속몸체의 개구부 주위의 외곽 둘레를 따라 고정된 플레이트 상에 공동 공진을 위한 복수의 막대가 상기 개구부와 나란한 방향으로 세워져 1차원 또는 2차원으로 배열된 형태를 포함할 수 있다.

상기 유전체 공진기는 중심축에 관통 구멍을 포함하고, 상기 관통 구멍의 중심축 상에서 상기 금속몸체의 상단 또는 하단 중 하나 이상의 부분에 개구부를 포함하며, 상기 개구부의 열린 공간을 통하여 상기 대상 소재를 상기 관통 구멍으로 로딩 또는 언로딩할 수도 있다. 여기서, 상기 마이크로파 누설 차단부는, 상기 금속몸체의 개구부 주위의 외곽 둘레를 따라 고정된 플레이트 상에 공동 공진을 위한 복수의 막대의 장방향이 상기 중심축과 수직한 방향으로 1차원 또는 2차원으로 배열된 형태를 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 마이크로파 유도가열 장치는, 상기 대상 소재를 이동시켜서 로딩 또는 언로딩하는 로더를 더 포함하고, 상기 로더는 상기 대상 소재의 유도가열 영역을 연속적 또는 불연속적으로 변경 가능한 것을 특징으로 한다.

상기 금속 몸체의 내측에 하나 이상의 제2 유전체 공진기와 하나 이상의 제2 마이크로파 커플러를 더 포함하고, 제어장치에 의해 각각의 마이크로파 커플러가 각각의 유전체 공진기로 마이크로파를 인가하도록 제어될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 유도 가열 장치는, 전도성 박막 및 미세 와이어, 전도성 섬유, 박막 전극을 가진 칩소자(chip device) 등과 같이 마이크로미터 수준 이하의 매우 얇은 두께의 전도성 소재를 선택적으로 가열할 수 있다. 가열이 필요한 매우 적은 양의 전도성 소재만 선택적으로 가열하기 때문에, 훨씬 더 적은 에너지로 훨씬 더 빠른 속도로 고온 가열할 수 있다. 마이크로파 유도가열 장치는 열처리 공정의 속도를 획기적으로 향상시킬 뿐만 아니라, 에너지 소모를 줄여 생산비용을 낮추고, 주변 온도를 훨씬 낮게 유지할 수 있어 고온 가열이 불가능했던 소재들도 열처리가 가능하게 해 준다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 기존의 유도가열과 본 발명의 마이크로파 유도가열의 유도 전류 발생 방식과 유도전류의 침투깊이를 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 기존의 마이크로파 유전가열과 본 발명의 마이크로파 유도가열의 가열 방식과 가열 대상을 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기에서의 전기장 패턴(왼쪽 그림)과 자기장 패턴(오른쪽그림)을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기가 전도성 소재로 둘러싸인 경우 유전체 공진기에서의 전자기장 패턴의 변화와 표면 유도 전류를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기가 전도성 소재(박막)로 둘러싸인 경우 마이크로파 유도가열이 가능한 전도성 박막의 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기의 중심축 상에 놓인 전도성 소재의 가열을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기의 다양한 실시 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 마이크로파 유도가열 장치(100)의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로파 유도가열 장치(200)를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 마이크로파 유도가열 장치(200)의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

디스플레이나 반도체소자, 태양전지, MLCC (적층형 세라믹 커패시터) 같은 현대의 첨단 소자 들은 모두 박막 형태의 전극을 가지고 있다. 이들 소자들은 제조공정의 수많은 과정 중에 고온의 열처리로 필요한 성능의 소재를 만들어내야 하는데, 기존의 가열방식들은 긴 열처리 시간이 필요해서 생산성이 낮고 많은 에너지비용이 소모되거나 기판의 가열 온도 한계로 인해 충분히 높은 온도에서의 열처리가 불가능한 경우가 많다. 이런 박막 형태의 매우 얇은 전도성 소재를 선택적으로 빠르게 가열할 수 있다면, 기존 공정을 뛰어넘는 생산성과 소자 성능을 얻을 수 있을 것이다.

도 1은 기존의 유도가열과 본 발명의 마이크로파 유도가열의 유도 전류 발생 방식과 유도전류의 침투깊이를 비교 설명하기 위한 도면이다.

기존의 유도가열은 수십 kHz의 주파수를 가지는 전류를 코일에 흘려주면 발생하는 자기장에 금속을 가까이 가져가면 금속표면에 유도전류가 발생하는데, 이 때 발생하는 열을 이용한다. 기존 유도가열에서 유도전류의 침투깊이는 약 1mm 전후의 값을 가지기 때문에 조리기구 같은 것을 효과적으로 가열할 수 있다.

반면, 마이크로파 유도가열은 더 높은 주파수(예, 300MHz 내지 300GHz)를 사용하기 때문에, 전류가 흐르는 코일 대신에 유전체 공진기를 이용하여 유도가열에 필요한 자기장을 형성시킬 수 있다. 보통 가열용으로 사용하는 2.45GHz의 마이크로파에 의해 금속에 유도되는 전류의 침투깊이는 약 1μm(마이크로미터) 수준이기 때문에 나노미터 수준의 두께를 가지는 박막을 선택적으로 가열할 수 있다. 전기로부터 마이크로파를 만들어서 열을 발생시킬 수 있는 에너지 전환효율은 70%에 이를 뿐만 아니라, 고온이 필요한 나노박막만을 선택적으로 가열할 수 있기 때문에 에너지효율성 아주 뛰어나다.

도 2는 기존의 마이크로파 유전가열과 본 발명의 마이크로파 유도가열의 가열 방식과 가열 대상을 비교 설명하기 위한 도면이다.

전자레인지 등에서 사용하는 기존의 마이크로파 가열은 "유전"가열(dielectric heating)으로서, 극성분자에 마이크로파를 가하면 극성분자가 회전진동을 하는데 이 때 극성분자들 사이에서 발생하는 운동마찰로 가열되는 원리이다. 따라서 물이나 유기용매, 일부 산화물 등을 효과적으로 가열할 수 있다.

마이크로파 "유도"가열(induction heating)은 마이크로파의 자기장에 의해서 전도성 표면에 발생하는 유도전류에 의한 저항열을 이용하는 가열방식이다. 마이크로파에 의한 유도전류가 표면에 생성되는 깊이는 금속에 대해 1μm 수준이기 때문에 1μm 두께 수준 또는 이하(또는, 면저항 0.1 ohm/square 이상이 되도록 하는 두께)의 금속 또는 전도성 박막, 미세 와이어, 전도성 섬유, 전도성산화물, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 나노박막, 박막 전극을 가진 칩소자(chip device) 등 마이크로미터 수준 이하의 매우 얇은 두께의 전도성 소재를 효과적으로 가열할 수 있다.

도 3은 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기에서의 전기장 패턴(왼쪽 그림)과 자기장 패턴(오른쪽그림)을 설명하기 위한 도면이다.

마이크로파 유도가열을 구현하기 위한 가장 핵심적인 요소는 유전체 공진기이다. 유전체 공진기는 보통 유전상수(dielectric constant)값이 10이상이며, 손실탄젠트(loss tangent) 값이 0.0005 이하인 유전체를 사용한다. 유전체 공진기가 만들어내는 기본 공진모드의 전자기장 패턴은 도 3과 같이, 유전체의 중심축을 기준으로 회전하는 전기장 패턴(왼쪽 그림)과 중심축을 따라 나와서 외곽으로 돌아 나가고 다시 중심축으로 돌아오는 자기장 패턴(오른쪽그림)이 형성된다. 도 3과 같은 원기둥 형태(또는 육면체 등 소정의 길이를 갖는 기둥 형태)의 유전체 공진기의 자기장 패턴은 마치 기존 유도가열의 전류가 흐르는 코일(도 1 참조)을 감아서 만들어내는 것과 매우 유사하다. 이러한 마이크로파 유전체 공진기의 전기장 패턴의 특징은 중심축에서 값이 0이 되고 유전체 공진기의 외곽으로 일정거리 이상 떨어지면 0에 근접해 거의 없어지게 된다. 마이크로파 유도가열을 구현하는데 있어 유전체 공진기의 전자기장 형성패턴에서 가장 중요한 사실은 전기장은 주로 유전체 내에서 회전하는 루프의 형태로 존재하며, 자기장은 중심축을 통해 나와서 외곽으로 퍼져서 돌아 다시 중심축으로 들어오는 루프의 형태로 존재한다는 점이다.

도 4는 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기가 전도성 소재로 둘러싸인 경우 유전체 공진기에서의 전자기장 패턴의 변화와 표면 유도 전류를 설명하기 위한 도면이다.

도 4와 같이 유전체 공진기가 전도성 소재로 둘러싸인 경우, 마이크로파의 전자기장 패턴은 내부 공간에 압축된 형태로 변형된다. 이때, 전자기장의 일반적인 경계조건에 의해, 전도성 소재가 있는 면에 수직인 방향의 전기장과 전도성 소재가 있는 면에 나란한 방향의 자기장만 존재할 수 있다. 결국, 유전체 공진기를 전도성 소재로 둘러싸는 경우, 전도성 소재에서는 전기장은 존재하지 않고 전도성 소재면에 나란한 자기장만 존재하게 되고, 그 자기장에 의해 전도성 소재 표면에 유도전류가 발생할 수 있게 된다. 이런 패턴의 전자기장은 전도성 박막이 전기장에 의한 방전 위험에 노출되지 않고 자기장에 의해서만 유도가열이 가능하게 할 수 있게 해 준다.

도 5는 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기가 전도성 소재(박막)로 둘러싸인 경우 마이크로파 유도가열이 가능한 전도성 박막의 위치를 설명하기 위한 도면이다.

도 5와 같이, 유전체 공진기가 육면체 전도성 소재(박막)로 둘러싸인 경우, 마이크로파 유도가열이 가능한 전도성 소재(박막)의 위치는 유전체 공진기의 상하면과 측면의 외곽에 위치한 전도성 소재(박막)의 모든 표면이다. 이와 같은 전도성 소재(박막)의 모든 위치에서 동시에 가열이 이루어질 수 있으며, 어느 한 쪽 면에서만 가열하고 다른 쪽의 면들은 가열에 사용하지 않을 수도 있다.

도 6은 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기의 중심축 상에 놓인 전도성 소재의 가열을 설명하기 위한 도면이다.

도 6과 같이, 유전체 공진기의 중심축은 외곽과 마찬가지로 전기장이 존재하지 않으면서 강한 자기장이 존재하는 영역이다. 따라서 도면과 같이 유전체 공진기의 중심축에 놓인 1μm 두께 수준 또는 이하(또는, 면저항 0.1 ohm/square 이상이 되도록 하는 두께)의 금속 또는 전도성 박막, 미세 와이어, 전도성 섬유, 전도성산화물, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 나노박막 등을 가열할 수 있고, 또는 박막 전극을 가지는 칩소자 등을 효과적으로 가열할 수 있다.

도 7은 본 발명의 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기의 다양한 실시 형태를 설명하기 위한 도면이다.

도 7과 같이, 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기는, 소정의 자지장 세기를 발생할 수 있는, 원기둥 형태 또는 육면체 형태 등 소정의 길이를 갖는 다양한 기둥 형태(710)로 이루어질 수 있으며, 중심에는 중심축 방향의 관통구멍이 형성된 형태(720)일 수도 있다.

또한, 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기는, 위와 같은 기둥형태의 유전체 공진기(710)를 상하로 분할해 배치한 형태(730), 좌우로 나란히 분할해 배치한 형태(740)(분할된 육면체2개, 또는 분할된 반원형 기둥 등) 등을 포함할 수 있고, 관통구멍이 형성된 유전체 공진기(720)를 상하로 배치한 형태(750)를 포함한다. 경우에 따라서는 관통구멍이 형성된 유전체 공진기(720)를 좌우로 나란히 배치한 형태를 이용할 수도 있다.

그리고, 마이크로파 유도가열을 위한 유전체 공진기는, 소정의 자지장 세기를 발생할 수 있는 유전체 공진기를 두 개 이상 좌우로 나란히 배치한 형태(760) 또는 중심축 자기장이 연속하도록 상하로 배치한 형태(770)로, 더 넓은 면적을 가열하거나 강한 자기장 세기를 이용하여 가열할 수 있도록 가능하다.

이하 도 8 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 마이크로파 유도가열 장치들(100, 200, 300)의 실시예들을 설명한다.

본 발명의 마이크로파 유도가열 장치(100/200/300)는 위와 같은 원리를 기초로 유전체 공진기(130)로부터 소정의 거리를 두고 위치한 전도성 박막 등의 가열 대상 소재(10)를 마이크로파 유도가열의 원리로 가열한다. 예를 들어, 위에서도 기술한 바와 같이 유전체 공진기(130)의 상면쪽, 하면쪽, 측면쪽, 또는 관통 구멍의 중심축에 놓인 가열 대상 소재(10)를 마이크로파 유도가열한다. 가열 대상 소재(10)는 1μm 두께 이하의 금속 또는 전도성 박막, 미세 와이어, 전도성 섬유, 전도성산화물, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 나노박막, 박막 전극을 가진 칩소자(chip device) 등 마이크로미터 수준 이하의 매우 얇은 두께의 전도성 소재를 포함한다. 가열 대상 소재(10)는 평면, 구면이나 곡면, 원통면, 또는 이들의 조합 형태 등 다양한 형태일 수 있다.

또한, 유전체 공진기(130)는, 원기둥이나 육면체의 기둥형(도 7의 710 참조), 구형, 둥근 모서리형, 대칭성이 없는 소정의 임의 형태, 중심에 관통구멍이 있는 형태(도 7의 720 참조), 하나의 공진기를 수직 또는 수평으로 분할하여 소정의 거리 이격되게 배열한 형태(도 7의 730, 740, 750 참조), 또는 복수의 공진기를 조합한 형태(도 7의 760, 770 참조) 등의 형태를 포함할 수 있다.

도 8은 본 발명의 마이크로파 유도가열 장치(100)의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 유도가열 장치(100)는, 마이크로파를 입력받는 마이크로파 도파관 형태의 마이크로파 입력부(110), 마이크로파 입력부(110)에 결합된 마이크로파 커플러(120), 마이크로파 커플러(120)로부터 소정의 거리 이격되어 있으며 마이크로파 커플러(120)로부터 상기 마이크로파를 전달받아 동작하는 유전체 공진기(130), 마이크로파 입력부(110), 마이크로파 커플러(120), 유전체 공진기(130)를 감싸 마이크로파의 외부 누설을 막아주는 금속몸체(140), 금속몸체(140)의 외곽에 결합되며, 금속몸체(140)의 내부와 외부 사이의 열린 공간(전도성 박막 등의 가열 대상 소재(10)가 로딩/언로딩되는 경로 주변에서 금속몸체(140)의 내부와 외부 사이의 소통되는 공간)에서 마이크로파의 외부 누설이 차단되도록 보조하기 위하여, 입력 마이크로파의 주파수보다 약간 더 높은 공진 주파수를 가지며 열린 공간 주위에 결합되는 도파관(waveguide) 또는 공진기(cavity resonator) 형태의 마이크로파 누설 차단부(150)를 포함한다.

마이크로파 입력부(110)는 동축 도파관 형태일 수 있다. 예를 들어, 마이크로파 입력부(100)는 금속몸체(140)의 동축 도파관과 결합되는 동축 도파관 형태일 수 있다. 마이크로파 입력부(110)는 사각 또는 원형 도파관의 형태도 사용할 수 있다. 마이크로파 입력부(110)의 형태는 사용되는 마이크로파 커플러(120)의 형태에 따라 결정되는 것이 바람직하다.

마이크로파 커플러(120)는, 유전체 공진기(130)의 하면으로부터 수직 방향으로 소정의 거리만큼 이격되어 있는 루프(loop) 형상의 금속일 수 있다. 또한, 마이크로파 커플러(120)는, 유전체 공진기(130)의 외곽에서 측면 또는 하면으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 있는 막대(bar) 형상일 수도 있다. 마이크로파 커플러(120)는 마이크로파 입력부(110)를 통해 입력된 마이크로파를 유전체 공진기(130)로 전달해주는 기능을 한다. 마이크로파 커플러(120)와 유전체 공진기(130)의 결합상수(coupling coefficient)에 기초하여, 제어장치(미도시)의 제어에 따라 마이크로파 커플러(120)가 유전체 공진기(130)와 이격된 거리를 조절해(예, 커플러 단부가 소정의 가이드를 따라 이동 가능) 유전체 공진기(130)로 전달되는 마이크로파의 양의 조절이 가능하다. 이에 따라 입력된 마이크로파 에너지가 모두 열로 소진될 수 있도록 제어할 수 있게 한다.

금속몸체(140)는 마이크로파가 외부로 누설되지 않도록 하는 역할 뿐만 아니라, 제어장치(미도시)의 제어에 따라 금속몸체(140)의 측벽이 유전체 공진기(130)와 이격된 거리를 조정해서(예, 측벽 일부/전부가 소정의 가이드를 따라 이동 가능) 유전체 공진기(130)에서의 공진모드의 전자기장의 공진 주파수를 조정할 수도 있다. 금속몸체(140)는 유전체 공진기(130)의 제작 정밀도의 한계로 인해 나타나는 유전체 공진기(130)의 공진 주파수의 오차 또는 공급되는 마이크로파의 주파수 변화에 대처할 수 있는 도구로 활용할 수 있다.

마이크로파 누설 차단부(150)는, 가열 대상 소재(10)가 로딩 또는 언로딩되는 경로(예, 도 8의 경우 좌우 방향 로딩/언로딩, 도 9/10의 경우 중심 관통 구멍을 통한 로딩/언로딩)의 주변에서 금속몸체(140)의 내부와 외부 사이의 소통되는 상기 열린 공간 주위에 결합될 수 있는, 공동 공진기 또는 도파관일 수 있다. 여기서, 상기 공동 공진기는 입력받는 마이크로파의 주파수보다 높은 공진 주파수(예, 수십kHz~수백kHz 등 약간 더 높은 공진 주파수)를 가지도록 설계될 수 있으며, 상기 도파관은 입력받는 마이크로파의 주파수보다 높은 도파관 차단주파수(waveguide cutoff frequency) (예, 수십kHz~수백kHz 등 약간 더 높은 차단 주파수)를 가지도록 설계될 수 있다. 마이크로파 누설 차단부(150)는 이렇게 특정 주파수의 마이크로파가 지나가지 못하도록 하는 쵸크 캐비티(choke cavity)형 공동 공진기 또는 도파관에 해당한다. 이러한 공동 공진기 또는 도파관은 고정된 플레이트 상에 복수의 (금속) 막대가 1차원 또는 2차원으로 배열된 형태를 포함할 수 있다.

도 8에서는, 유전체 공진기(130) 상부의 금속몸체(140)의 개구부(190) 위로, 유전체 공진기(130) 상단부로부터 소정의 거리 이격되어 로딩된 가열 대상 소재(10)를 유도가열하는 구조를 설명하였다. 여기서, 마이크로파 누설 차단부(150)는, 금속몸체(140)의 개구부(190) 주위의 외곽 둘레를 따라 고정된 플레이트(예, 금속 플레이트)(151) 상에 공동 공진을 위한 복수의 (금속) 막대(152)가 개구부(190)와 나란한 방향으로 세워져 1차원 또는 2차원으로 배열된 형태를 나타내었다. 도면에는 이와 같은 플레이트(151)와 복수의 (금속) 막대(152)의 구성에 대한 단면도를 나타내었다.

이하, 도 9 및 도 10을 참조하여, 유전체 공진기(130의 중심축 관통 구멍이 있는 경우에 그 구멍에 삽입될 수 있을 정도로 가늘고 긴, 전도성 와이어 또는 박막 전극을 포함하는 칩소자(chip device) 등 가열 대상 소재(10)를 유도 가열하는 방식을 설명한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로파 유도가열 장치(200)를 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, 유전체 공진기(130)의 중심축의 자기장을 이용하여 전도성 와이어나 섬유 등 전도성 소재(10)를 가열하고자 하는 경우, 중심축에 관통 구멍이 있는 형태의 유전체 공진기(130)를 사용하고, 금속몸체(140)의 상단 또는 하단 중 하나 이상에 가열 대상 소재(10)가 들어오고 나갈 수 있는 개구부(190)의 열린 공간과 함께 마이크로파 누설 차단부(150)가 설치될 수 있다.

도 10은 도 9의 마이크로파 유도가열 장치(200)의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 10을 참조하면, 본 발명에 의한 마이크로파 유도가열로 박막 전극을 포함하는 칩소자(chip device) 등 매우 작은 소자들을 포함하는 가열 대상 소재(10)를 가열할 수 있다. 도 9의 전도성 와이어를 가열하는 방식과 유사하게 중심축에 관통 구멍이 있는 유전체 공진기(130)를 사용하고, 금속몸체(140)의 상단 또는 하단 중 하나 이상에 가열 대상 소재(10)가 들어오고 나갈 수 있는 개구부(190)의 열린 공간과 함께 마이크로파 누설 차단부(150)가 설치될 수 있다.

이와 같이, 도 9, 10의 경우와 같이, 마이크로파 유도가열 장치(200)에서, 유전체 공진기(130)는 중심축에 관통 구멍을 포함하고, 상기 관통 구멍의 중심축 상에서 금속몸체(140)의 상단 또는 하단 중 하나 이상의 부분에 개구부(190)를 포함할 수 있다. 개구부(190)의 열린 공간을 통하여 가열 대상 소재(10)를 관통 구멍으로 로딩 또는 언로딩할 수 있다. 여기서, 마이크로파 누설 차단부(150)는, 금속몸체(140)의 개구부(190) 주위의 외곽 둘레를 따라 고정된 플레이트(155) 상에 공동 공진을 위한 복수의 (금속) 막대(156)의 장방향이 중심축과 수직한 방향으로 1차원 또는 2차원으로 배열된 형태를 포함한다. 도면에는 이와 같은 플레이트(155)와 복수의 (금속) 막대(156)의 구성에 대한 단면도를 나타내었다.

도 8, 9, 10에 상세히 도시하지 않았지만, 본 발명에 따른 마이크로파 유도 가열 장치는, 위와 같은 가열 대상 소재(10)를 이동시켜서 그 가열 부위가 유전체 공진기(130)로부터 소정의 거리를 두고 위치하도록 로딩(loading)하거나, 또는 유도 가열이 끝난 가열 대상 소재(10)를 가열 위치로부터 제거되도록 언로딩(unloading)하기 위한 로더(loader)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 로더는 가열 대상 소재(10)를 파지하지 위한 수단, 가열 대상 소재(10)를 밀거나 당기기 위한 액츄에이터, 가열 대상 소재(10)의 이송 경로를 제공하기 위한 가이드 수단 등을 포괄하는 구성요소일 수 있다.

이와 같은 로더는 본 발명에 따른 마이크로파 유도 가열 장치의 전반적인 제어를 담당하는 위에서도 기술한 바와 같은 제어장치의 제어를 받아 동작할 수 있으며, 상기 로더는 제어장치의 제어에 따라 가열 대상 소재(10)를 이동시켜 가열 대상 소재(10)의 유도가열 영역을 연속적으로 변경이 가능할 뿐만아니라, 경우에 따라서는 가열 대상 소재(10)를 불연속적으로 필요시 마다 이동시킬 수도 있다.

또한, 도 8, 9, 10에 상세히 도시하지 않았지만, 본 발명에 따른 마이크로파 유도 가열 장치는, 금속 몸체(140)의 내측에는 2 이상의 복수의 유전체 공진기들이 구비될 수도 있다. 이때 복수의 유전체 공진기들 각각에 대응되는 마이크로파 커플러들이 구비될 수 있다. 여기서 상기 제어장치의 제어에 따라 각각의 마이크로파 커플러가 유전체 공진기들 각각에 마이크로파를 인가할 수 있다.

이때 마이크로파 입력부(110) 하나가 마이크로파 커플러들에 공통적으로 연결될 수도 있고, 마이크로파 커플러들 각각에 결합된 각각의 마이크로파 입력부가 구비될 수도 있다. 도 7에서 설명한 바와 같이, 복수의 유전체 공진기들이 구비되는 경우에, 두 개 이상 좌우로 나란히 배치한 형태(760) 또는 중심축 자기장이 연속하도록 상하로 배치한 형태(770) 등으로 구비될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파 유도 가열 장치는, 전도성 박막 및 미세 와이어, 전도성 섬유, 박막 전극을 가진 칩소자(chip device) 등과 같이 마이크로미터 수준 이하의 매우 얇은 두께의 전도성 소재를 선택적으로 가열할 수 있다. 가열이 필요한 매우 적은 양의 전도성 소재만 선택적으로 가열하기 때문에, 훨씬 더 적은 에너지로 훨씬 더 빠른 속도로 고온 가열할 수 있다. 마이크로파 유도가열 장치는 열처리 공정의 속도를 획기적으로 향상시킬 뿐만 아니라, 에너지 소모를 줄여 생산비용을 낮추고, 주변 온도를 훨씬 낮게 유지할 수 있어 고온 가열이 불가능했던 소재들도 열처리가 가능하게 해 준다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

마이크로파 입력부(110)
마이크로파 커플러(120)
유전체 공진기(130)
금속몸체(140)
마이크로파 누설 차단부(150)

Claims (17)

1. 마이크로파를 입력받는 마이크로파 도파관 형태의 마이크로파 입력부;
   상기 마이크로파 입력부에 결합된 마이크로파 커플러;
   상기 마이크로파 커플러로부터 소정의 거리 이격되어 있으며 상기 마이크로파 커플러로부터 마이크로파를 전달받아 동작하는 유전체 공진기;
   상기 마이크로파 입력부, 상기 마이크로파 커플러, 상기 유전체 공진기를 감싸 마이크로파의 외부 누설을 막아주는 금속몸체; 및
   상기 금속몸체의 외곽에 결합되며, 상기 금속몸체의 내부와 외부 사이의 열린 공간에서 마이크로파의 외부 누설이 차단되도록 보조하기 위한 마이크로파 누설 차단부를 포함하고,
   상기 유전체 공진기로부터 소정의 거리를 두고 위치한 대상 소재를 마이크로파 유도가열하기 위한 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유전체 공진기의 상면쪽, 하면쪽, 측면쪽, 또는 관통 구멍의 중심축에 놓인 상기 대상 소재를 마이크로파 유도가열하기 위한 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 대상 소재는 면저항 0.1 ohm/square 이상이 되는 두께의 전도성 소재, 또는 박막 전극을 가진 칩소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 대상 소재는, 평면, 구면이나 곡면, 원통면, 또는 이들의 조합 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 유전체 공진기는, 원기둥이나 육면체의 기둥형, 구형, 둥근 모서리형, 대칭성이 없는 소정의 임의 형태, 중심에 관통구멍이 있는 형태, 하나의 공진기를 수직 또는 수평으로 분할하여 소정의 거리 이격되게 배열한 형태, 또는 복수의 공진기를 조합한 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 입력부는 상기 금속몸체의 동축 도파관과 결합되는 동축 도파관 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 커플러는, 상기 유전체 공진기의 하면으로부터 수직 방향으로 소정의 거리만큼 이격되어 있는 루프 형상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 커플러는, 상기 유전체 공진기의 외곽에서 측면 또는 하면으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 있는 막대 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 커플러와 상기 유전체 공진기의 결합상수에 기초하여, 제어장치의 제어에 따라 상기 마이크로파 커플러가 상기 유전체 공진기와 이격된 거리를 조절해 상기 유전체 공진기로 전달되는 마이크로파의 양의 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
10. 제1항에 있어서,
    제어장치의 제어에 따라 상기 금속몸체의 측벽이 상기 유전체 공진기와 이격된 거리를 조절해 상기 유전체 공진기에서의 공진모드의 전자기장의 공진 주파수를 조정 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 누설 차단부는,
    상기 대상 소재가 로딩 또는 언로딩되는 경로의 주변에서 상기 금속몸체의 내부와 외부 사이의 소통되는 상기 열린 공간 주위에 결합된, 공동 공진기 또는 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기 상부의 상기 금속몸체의 개구부 위로, 상기 유전체 공진기 상단부로부터 소정의 거리 이격되어 로딩된 상기 대상 소재를 유도가열하는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로파 누설 차단부는,
    상기 금속몸체의 개구부 주위의 외곽 둘레를 따라 고정된 플레이트 상에 공동 공진을 위한 복수의 막대가 상기 개구부와 나란한 방향으로 세워져 1차원 또는 2차원으로 배열된 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
14. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 중심축에 관통 구멍을 포함하고,
    상기 관통 구멍의 중심축 상에서 상기 금속몸체의 상단 또는 하단 중 하나 이상의 부분에 개구부를 포함하며,
    상기 개구부의 열린 공간을 통하여 상기 대상 소재를 상기 관통 구멍으로 로딩 또는 언로딩하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 마이크로파 누설 차단부는,
    상기 금속몸체의 개구부 주위의 외곽 둘레를 따라 고정된 플레이트 상에 공동 공진을 위한 복수의 막대의 장방향이 상기 중심축과 수직한 방향으로 1차원 또는 2차원으로 배열된 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
16. 제1항에 있어서,
    상기 대상 소재를 이동시켜서 로딩 또는 언로딩하는 로더를 더 포함하고,
    상기 로더는 상기 대상 소재의 유도가열 영역을 연속적 또는 불연속적으로 변경 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.
17. 제1항에 있어서,
    상기 금속 몸체의 내측에 하나 이상의 제2 유전체 공진기와 하나 이상의 제2 마이크로파 커플러를 더 포함하고,
    제어장치에 의해 상기 하나 이상의 제2 마이크로파 커플러는 각각 상기 하나 이상의 제2 유전체 공진기로 마이크로파를 인가하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유도가열 장치.

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