마그네트론의 원리 및 응용분야와 전망

마그네트론 발진기 (Magnetron oscillator)는 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되는 교차장 (Crossed field)이 존재하는 고진공속에서 발생된 전자빔 (Electron beam)의 전기에너지를 고출력 전자기파 (Electromagnetic wave) 에너지로 변환하여 방사하는 고효율, 고출력의 전자기파 발생장치이다. 마그네트론 발진기는 1930년대 최초로 고안되었고, 제2차 세계대전을 기점으로 레이더 (Radar) 응용을 위해 영국과 미국을 중심으로 본격적으로 연구개발 되었으며, 그 후 전자기파의 정보 전달과 에너지 전달의 특성을 이용한 산업, 국방, 의료, 환경, 과학, 에너지 분야 등에 응용되어 다양하게 사용되고 있다.


1. 마그네트론 발진기 동작원리

마그네트론 발진기는 전자빔을 발생시키는 음극 (Cathode)과 일정한 동작주파수를 갖는 공진회로 (Resonator), 그리고 공진회로에서 발생된 전자기파를 외부로 방사시키기 위한 안테나 구조를 갖는 출력부로 구성되어 있다. 음극과 양극 (Anode) 사이에 인가된 DC 전압에 의한 전기장과 축 방향으로 인가된 자기장에 의하여, 음극에서 발생된 전자빔은 로렌츠 힘 (Lorentz force)에 의해 각 방향으로 회전운동을 하게 된다. 이때, 회전 운동하는 전자빔은 공진회로와 특정 주파수에서 공진이 일어나고, 이를 통해 그림 1에 보이는 동작 후의 전자빔 분포와 같이 공간적으로 뭉치게 되어 AC 성분을 갖게 된다. 이러한, 전자빔이 갖는 AC 성분에 의하여 공진회로 안에서 동작주파수를 갖는 전자기파가 발생되고, 발생된 전자기파는 안테나로 구성된 출력부를 통해 외부로 방사된다. 마그네트론 발진기에서 발생되는 전자기파의 주파수는 공진을 일으키는 조건에 따라 마이크로파 (Microwave) 대역부터 테라헤르츠파 (Terahertz wave) 대역까지의 전자기파를 발생시킬 수 있다.

[그림 1] 마그네트론 발진기의 구조와 전자빔 분포

2. 마그네트론 발진기 응용분야

마그네트론 발진기의 응용 분야는 그림 2에 보이는 것과 같이 동작 주파수와 출력에 따라 915 MHz 마그네트론 발진기를 이용한 대형식품 조리/해동을 위한 산업용 해동/가열 시스템, 마이크로파 플라즈마 토치, 2.45 GHz 대역의 마그네트론 발진기를 적용한 전자레인지 (Microwave oven), 플라즈마 조명장치, 반도체 공정장비, 의료용 가속기, 그리고 선박, 기상, 항공용 레이더 응용을 위해 9.5 GHz와 35 GHz 대역의 마그네트론 발진기가 사용되고 있다. 또한, 최근에는 Pulsed DNP (Dynamic Nuclear Polarization)을 위한 전자스핀공명 (Electron spin resonance) 응용과 보안 검색용 이미징을 위하여 테라헤르츠파 (Terahertz wave) 대역의 마그네트론 발진기의 개발 및 응용이 연구되고 있다.

 [그림 2] 마그네트론 발진기의 응용 분야

전자레인지의 응용은 1940년대 레이더에 적용되는 마그네트론 발진기를 실험하는 중, 실험하고 있던 연구원의 주머니에 있는 초콜릿 바가 녹는 것이 발견되었고, 그 후 옥수수 낱알 및 달걀 등을 가열하는 실험을 통해 전자레인지의 개발이 시작 되었으며, 레이더에 사용되는 전파를 이용해 음식을 조리할 수 있기 때문에 초기에는 “Radarange"라고 불렀다. 마그네트론 발진기에서 발생된 마이크로파 에너지를 이용하여 음식 등을 가열하는 것은 유전체를 가열하는 원리가 적용된 것이다. 유전체는 [그림 3]에서 보이는 것처럼 외부에서 인가된 전기장 내에 노출되면, 전기적으로 평형 상태가 교란된다. 2.45 GHz의 전자기파가 인가된 경우, 1초에 24억 5천만번만큼 전기장 (Electric field) 방향이 변화하고, 이러한 변화에 유전체의 쌍극자 (Dipole)는 회전으로 반응하여, 주위의 분자 간 내부 마찰에 의해 열이 발생한다. 이러한 마이크로파를 이용한 가열 방식은 물체 내부에서부터 균일하게 가열이 가능하여 가열/건조 시간을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있어, 식품, 곡물, 고무공업, 목재, 유리 제조 뿐만 아니라, 나노물질 합성, 바이오디젤 합성, 신약 합성 등의 분야에도 활용되고 있다.

 [그림 3] 마이크로파에 의한 가열

마그네트론 발진기에서 발생된 마이크로파를 이용한 무선전력전송 (Wireless power transmission) 기술은 전기에너지를 마이크로파 에너지로 변환하여 무선으로 전송하고, 이를 안테나로 집속하여 다시 전기에너지로 변환하여 사용하는 것으로써, 우주에서 태양광 에너지를 모아 지구로 보내는 우주 태양광 발전에 응용될 수 있다. 1960년대 우주 태양광 발전에 대한 개념이 제안되었으나 경제성의 문제로 지연 되다가, 최근에 미국, 일본 등에서 차세대 청정에너지원으로 여겨지는 태양광 발전소 설립에 대한 계획이 구체화 되고 있으며, 태양광 발전에 응용되기 위해 마그네트론 발진기의 위상 제어를 통한 다수의 마그네트론 발진기로 구성된 모듈 개발과 발생 신호의 노이즈 절감 및 효율 향상에 대한 연구가 진행되고 있다.

전자기파의 정보전달 기능을 이용한 레이더 (Radar)는 전자기파를 물체에 방사하여 되돌아오는 신호로부터 물체의 위치를 파악하기 위한 것으로, 마그네트론 발진기는 전자기파를 방사시키는 송신기에서 전자기파 발생장치로 사용되고 있다. 9.5 GHz 주파수를 갖는 전자기파를 이용하는 선박용 레이더는 해상에서의 장해물, 다른 선박, 해안 등을 탐지하기 위해 사용되고 있고, 고 해상도를 필요로 하는 항공, 기상 관측, 공항 검색용 레이더에는 밀리미터파 (Millimeter wave) 대역인 35 GHz와 95 GHz 대역의 마그네트론 발진기가 응용되고 있다. 특히, 산림 감시 및 소방용 헬리콥터 등에 적용되는 레이더는 35 GHz 전자기파를 이용할 경우 3 km 떨어진 거리에서 10 mm의 전선을 구별할 수 있는 해상도를 가져, 운행 중 발생 할 수 있는 위험을 사전에 예방할 수 있는 기술로 사용되고 있다.


3. 마그네트론 발진기 기술추세

산업용 및 가정용 응용을 위해 사용되고 있는 마그네트론 발진기의 주파수인 915 MHz와 2.45 GHz 대역은 전파법에 따라 설정된 ISM (Industrial Scientific Medical) 주파수 대역으로써, 산업, 과학, 의료용 응용을 위해 사용되고 있는 주파수 대역이다. 또한, 이 주파수 대역은 다양한 통신기기들이 사용하고 있는 주파수 대역으로서 마그네트론 발진기가 적용되는 응용시스템에서 누설되는 전자기파에 의한 전자파 간섭 (EMI, Electromagnetic interference) 문제를 발생 시킬 수 있다. 최근에 다양하게 사용되고 있는 통신기기로 인하여 응용시스템에서 누설되는 전자파 잡음 (Noise)에 대한 규제가 강화되고 있고, 이로 인해 마그네트론 발진기에서 발생되는 잡음을 저감하기 위한 연구가 전자빔의 운동과 회로의 구조를 제어하는 방식으로 활발히 연구되고 있다. 또한, 마그네트론 발진기의 수명을 결정하는 음극의 수명을 증가시키기 위해서 고온으로 가열해서 전자빔을 발생시키는 열음극 (Thermionic cathode) 기술이 아닌, 이차전자빔 (Secondary electron beam)을 이용하는 냉음극 (Cold cathode)을 적용한 마그네트론 발진기 기술도 연구되고 있다.

최근에는 의료, 보안, 국방, 통신 등의 다양한 응용분야에 적용 가능한 0.1 THz - 10 THz 주파수 대역인 테라헤르츠파를 발생시키기 위해, 반도체 공정을 이용한 회로 가공 등의 기술을 적용하여 테라헤르츠파 대역의 마그네트론 발진기 개발에 대한 연구도 진행되고 있다.